СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО ИСКРИВЛЕННОГО КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING SPATIALLY CURVED STRUCTURAL ELEMENT FROM FIBROUS COMPOSITE MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу изготовления пространственно искривленного конструктивного элемента из волокнистого композиционного материала.
Уровень техники
Такие конструктивные элементы используются, например, в качестве лонжеронов или шпангоутов, т.е. элементов силового набора самолетного крыла. Задачей балочного лонжерона является восприятие поперечных усилий и изгибающих моментов, обусловленных действием аэродинамических и инерционных сил. Также лонжероны используются, например, в лопастях роторов, например роторов ветроэнергетических установок и винтов вертолетов. Кроме того, лонжероны, в частности образованные конструктивными элементами из волокнистого композиционного материала, также находят применение в хвостовом оперении самолетов.
Как правило, такие лонжероны состоят по существу из двух элементов, выполняющих разные задачи. Так называемые полки воспринимают нормальные силы от изгибающих моментов. Соединяющая полки стенка воспринимает поперечные усилия и передает сдвиг между полками.
В летательных аппаратах с применением полимерных композиционных материалов, где лонжероны выполнены из волокнистого композиционного материала, полки изготавливают из однонаправленного слоя. Работающая на сдвиг стенка состоит из ткани или волокнистой структуры из уложенных волокон с углом армирования, составляющим, например, 45° - так называемого сбалансированного слоистого материала (AWV45). Однонаправленным слоем называют слой волокнистого композиционного материала, в котором все волокна ориентированы в одном направлении, и поэтому его также называют волокнистой структурой из волокон, уложенных под углом 0°, т.е. все волокна ориентированы в продольном направлении ленты. При этом предполагается, что волокна распределены идеально параллельно и однородно. Однонаправленный слой обладает трансверсальной изотропией.
Из однонаправленных слоев могут выполняться любые используемые в волокнистых композиционных материалах волокнистые полуфабрикаты, например ткани, маты, структуры с многоосевой укладкой волокон.
Ткань представляет собой композиционный материал с перекрестным расположением волокон, выполненный из двух развернутых на 90° относительно друг друга однонаправленных слоев.
Для крыльевых лонжеронов как конструктивного элемента из волокнистого композиционного материала известно использование однонаправленного слоя в качестве полки, воспринимающей нормальные усилия от изгибающих моментов. Помимо сформированной из уложенных волокон однонаправленной волокнистой структуры для полок (поясов) конструктивный элемент из волокнистого композиционного материала содержит работающую на сдвиг стенку, выполненную из ткани или уложенных волокон, причем в случае ткани за счет зарабатывания возникает извитость волокон, которая может привести к снижению прочности при сжатии в направлении, параллельном волокнам. В структуре из уложенных волокон, удерживаемых за счет сцепления с бумагой или полотнищем, волокна идеально параллельны и вытянуты.
Для изготовления заготовок с трехмерной формой искривленного конструктивного элемента из волокнистого композиционного материала известно, что на основе имеющихся полуфабрикатов, т.е. объединенных в определенные уложенные структуры сухих или, при необходимости, предварительно пропитанных волокон, посредством техники сшивания изготавливают отдельные детали окончательной формы, т.е. отдельные трехмерные детали, обладающие стабильностью формы в трехмерном пространстве. Эти отдельные детали сшивают в трехмерные заготовки. При этом процесс сшивания является трехмерным.
Вместо этого может использоваться так называемое предварительное формообразование с использованием связующего, с помощью которого, однако, укладка однонаправленных лент в полки затруднена.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача разработки способа изготовления пространственно искривленного конструктивного элемента из волокнистого композиционного материала, например шпангоута или лонжерона в самолето- и вертолетостроении, который позволил бы с небольшими производственными затратами придавать однонаправленным волокнам и уложенным волокнистым структурам трехмерную форму, которая гарантирует требуемую ориентацию волокон в соответствующих зонах.
Эта задача решается посредством способа, обладающего признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Важный аспект изобретения состоит в том, что за счет изменения последовательности сшивания, т.е. целенаправленного плоскостного сшивания базовых волокнистых структур из уложенных волокон, согласованных с воспринимаемыми усилиями за счет отдельных зон конструктивного элемента из волокнистого композиционного материала, сначала изготавливают предварительно конфекционированную (собранную) полосу из образованных уложенными волокнами волокнистых структур с зонами разной ориентации, включая однонаправленные волокнистые полосы и, например, структуры с ориентацией волокон в интервале значений от ±45° до ±60°. Затем эту предварительно конфекционированную полосу подвергают трехмерному драпированию в соответствии с требуемым контуром изготавливаемого конструктивного элемента, при этом одну часть предварительно конфекционированной волокнистой полосы отгибая от другой зоны полосы с выводом отгибаемой части из рабочей плоскости, и подвергают предпочтительно одноосному изгибу относительно оси кривизны, проходящей предпочтительно перпендикулярно однонаправленным волокнам и параллельно плоскости ленты из однонаправленных волокон. В этом пространственно драпированном виде предварительно конфекционированную полосу из уложенных волокон пришивают к подложке с получением стабилизированной первой волокнистой субзаготовки из уложенных волокон.
Особенно предпочтительно при использовании в самолетостроении для получения конструктивных элементов из волокнистого композиционного материала, например конструктивных элементов для изготовления лонжеронов, если базовая волокнистая структура имеет ориентацию волокон, находящуюся в интервале значений от ±30° до ±65°, прежде всего в интервале значений от ±45° до ±60°, предпочтительно составляющую ±45°.
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения предварительно конфекционированную волокнистую полосу драпируют таким образом, чтобы однонаправленная полоса из волокон, уложенных под углом 0°, в волокнистой субзаготовке образовывала часть полки последующего сечения балочного, т.е. работающего на изгиб, профиля изготавливаемого конструктивного элемента.
При этом изготовление и драпирование предварительно конфекционированной волокнистой полосы предпочтительно осуществлять, исходя из волокнистой ленты с ориентацией волокон 0°, т.е. этот участок на первой стадии сшивания располагается плашмя, а на стадии пришивания к подложке - в соответствии с требуемой формой. Базовая волокнистая структура с другой ориентацией волокон искривляется соответственно, предпочтительно в одной плоскости, так что она следует заданной однонаправленной лентой форме.
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения, в частности для изготовления в качестве конструктивного элемента лонжерона с сечением швеллера, стадии а)-е) осуществляют второй раз, а именно для формирования по меньшей мере одной второй волокнистой субзаготовки из уложенных волокон, причем первая и вторая волокнистые субзаготовки имеют по существу L-образную форму. Вторую волокнистую субзаготовку в качестве второго слоя помещают в первую волокнистую субзаготовку по типу коробки и сшиванием соединяют с ней. При этом волокнистые субзаготовки помещают друг в друга, предпочтительно вкладывая одну в другую за счет того, что субзаготовка, изготовленная с базовой волокнистой полосой, меньшей по ширине по сравнению с другой базовой волокнистой полосой другой субзаготовки, драпируется с перекрытием и соединяется посредством сшивания, т.е., таким образом, соответствующие базовые волокнистые полосы по меньшей мере на отдельных участках предпочтительно перекрываются.
В предпочтительном варианте волокнистые субзаготовки совместно, т.е. в соединенном состоянии в виде волокнистой заготовки, на следующей стадии пропитывают отверждаемой смолой и смолу отверждают.
В предпочтительном варианте перед пропиткой смолой подложка может быть удалена. В другом варианте подложка также может пропитываться смолой.
При пришивании предварительно конфекционированной волокнистой полосы из уложенных волокон к подложке для изготовления пространственно искривленной заготовки предварительно конфекционированную волокнистую полосу, соответствующую стеночной зоне полосы, предпочтительно подвергать надавливанию и одновременному вращению, благодаря чему в процессе сшивания достигаются искривление структуры волокон, трехмерная пространственная форма и требуемая кривизна. Для этого в качестве вспомогательной меры при сшивании можно использовать шаблон в плоскости. При этом на шаблоне нанесены линии швов, которые приводят к искривлению (короблению) волокнистой структуры из уложенных волокон, образующей, например, стенку, и соединяют эту структуру с однонаправленной волокнистой структурой.
Ниже на примере лонжерона со швеллерным сечением описано изготовление конструктивного элемента из волокнистого композиционного материала с использованием волокнистой заготовки из уложенных волокон.
При этом полочные зоны лонжерона со швеллерным сечением должны быть изготовлены из однонаправленной волокнистой ленты (с ориентированными под углом 0° волокнами), тогда как стеночная зона изготавливается из драпируемой в плоскости базовой волокнистой структуры, образованной уложенными волокнами или, при необходимости, тканью. Базовая волокнистая структура представляет собой предпочтительно структуру, образованную волокнами с углами ориентации ±45°, т.е. ленточный материал, волокна которого проходят под углом + и - 45° к продольному направлению ленты. Могут использоваться другие базовые волокнистые структуры с другой ориентацией волокон.
После выкраивания базовой волокнистой структуры и однонаправленной ленты последнюю позиционируют на базовой волокнистой структуре или рядом с ней. При этом однонаправленную волокнистую ленту необязательно укладывать на всю базовую волокнистую структуру, лента может быть расположена также только на одном участке базовой волокнистой структуры. С другой стороны, однонаправленная волокнистая лента при необходимости может проходить и по всей длине базовой волокнистой структуры.
Затем однонаправленную волокнистую ленту фиксируют на базовой волокнистой структуре. Это делается при расположении соединяемых частей плашмя, т.е. в одной плоскости, без необходимости использования элементов формы, пространственно ориентирующих однонаправленную волокнистую ленту и базовую волокнистую структуру относительно друг друга. Например, волокнистая лента может быть зафиксирована на базовой волокнистой структуре фиксирующими швами, проходящими поперек направления волокон однонаправленной волокнистой ленты. В результате возникает плоская, предварительно конфекционированная волокнистая полоса из уложенных волокон, имеющая полочную зону, содержащую однонаправленную волокнистую ленту, и стеночную зону, не содержащую однонаправленной волокнистой ленты и образованную волокнами с ориентацией, например, ±45°. Эта комбинация из волокнистой ленты с ориентированными под углом 0° волокнами и другой волокнистой ленты, волокна которой ориентированы в соответствии с ожидаемыми впоследствии нагрузками, подготавливается в рабочей плоскости, например на швейном столе. Также для сшивания положение швов может задаваться шаблоном на столе или с помощью автоматического управления в плоскости. При этом ленточные детали не должны искривляться (коробиться).
Затем комбинацию структур с ориентацией волокон под углом 0° и ±45° драпируют в соответствии с контуром лонжерона или шпангоута и пришивают к подложке с достаточной стабильностью формы. При этом однонаправленную ленту предпочтительно отгибают, выводя из рабочей плоскости, вокруг оси, по существу перпендикулярной направлению волокон однонаправленной ленты, в результате чего она образует полки лонжерона (противоположные плечи швеллера). Стеночная же зона, образованная полосой базовой волокнистой структуры, остается в рабочей плоскости, причем при трехмерном драпировании полочной зоны (без выпучивания ее волокон) структура волокон базовой волокнистой структуры с иной ориентацией, нежели однонаправленная, искривляется в плоскости расположения базовой волокнистой структуры. Для этого в процессе драпирования и в последующем процессе сшивания с подложкой предусмотрены предпочтительно сдвиг и одновременное, приводящее к деформации вращение однонаправленного волокнистого материала относительно полосы базовой волокнистой структуры. Этот процесс сшивания также может быть автоматизирован или могут использоваться плоские шаблоны.
Эту L-образно драпированную волокнистую полосу драпируют под подложку со стабильной формой и стабилизируют вторым фиксирующим швом с получением согласованной с изготавливаемым конструктивным элементом из волокнистого композиционного материала, а именно лонжероном, пространственно искривленной первой волокнистой субзаготовки из, в частности, L-образного сечения, состоящей из полки и по меньшей мере части работающей на сдвиг стенки. При сшивании с подложкой основой фиксирующий шов накладывают на участке перехода между полочной зоной и стеночной зоной и только в стеночной зоне, в результате чего искривление стеночной зоны в отношении ориентации его волокон фиксируется. Подложка служит, в первую очередь, для того, чтобы зафиксировать искривление стеночной зоны, поэтому она также может быть предусмотрена только в этой зоне.
Затем таким же образом изготавливают вторую волокнистую субзаготовку, которая также имеет L-образное сечение и образует полку и часть работающей на сдвиг стенки.
Обе волокнистые субзаготовки соединяют между собой в одну волокнистую заготовку за счет того, накладывая их соответствующие стеночные зоны по меньшей мере частично друг на друга и вставляя друг в друга по типу коробки. Эту сборку фиксируют дополнительными швами. Затем полученную сборку пропитывают отверждаемой смолой, причем сборка обладает стабильностью формы, достигнутой как за счет сшивания составных частей, так и за счет подложки, поэтому после отверждения смолы изготавливаемый конструктивный элемент сохраняет требуемую форму. В зависимости от стабильности сшитой сборки подложку перед пропиткой сборки смолой также можно удалить.
Предлагаемый в изобретении способ, включающий операции сшивания в рабочей плоскости с последующим образованием прямого угла между однонаправленными волокнистыми лентами и плоской базовой волокнистой структурой, может применяться также для других конструктивных элементов из волокнистого композиционного материала или лонжеронов, например лонжеронов двутаврового или коробчатого сечения, причем в этих случаях соединение волокнистых структур с укладкой волокон в одном направлении и волокнистых структур с укладкой волокон в нескольких направлениях осуществляется соответственно.
При фиксирующем сшивании шов ведут предпочтительно по бумажному шаблону предполагаемого шва, на котором вычерчен контур. Для направления движения однонаправленной части ленты однонаправленная лента, зафиксированная на стенке, может направляться по сшивающей головке, так что драпирование волокнистой структуры с укладкой волокон в нескольких направлениях в плоскости происходит автоматически.