[发明专利]复合层压件中优化的交叉层定向

说明书

技术领域

本公开一般涉及复合层压件，比如飞行器中使用的那些，并且更具体地涉及纤维增强的树脂层压件，其具有优化的纤维定向的交叉层。

背景技术

因为它们良好的强度与重量比，纤维增强的树脂层压件，比如碳纤维增强的塑料(CFRP)，广泛地用于航空和其他应用。可通过铺设通常称为预浸料的支撑在树脂基体中的多层单向增强纤维制造这些复合层压件。铺设件中的层可具有不同的纤维定向，其布置顺序为产生具体应用需要的层压件强度和劲度。例如，在飞行器蒙皮中，复合层压件可包括分别相对于参考轴具有定向为0、+45、-45和90度的增强纤维的层组，大多数层为+/-45度层。尽管层压件中层的数量可在沿着机翼的不同位置变化，但是在机翼的长度上层的角度定向可基本上不变，并因此未充分优化以匹配机翼上各个位置的性能要求。这些不同层定向的使用使得复合层压件结构对于给定的应用更好地抵抗弯曲、剪切、扭转和承载负荷，但是使用恒定定向的层对于具体应用可导致比期望的更重的蒙皮。

降低飞行器应用中使用的复合层压件结构的重量可提高飞行器的操作效率。这种结构的重量可至少部分取决于层压件中层的数量，该数量又可通过具体应用的强度和劲度要求确定。

因此，需要使用减少总层数同时保持需要的层压件强度、刚度和对开裂和裂纹延长抗性的复合层压件。也需要复合层压件飞行器蒙皮，其通过使用具有优化的纤维定向的交叉层使蒙皮的弯曲和扭转强度以及劲度之间的平衡优化。进一步，需要复合层压件蒙皮，其通过沿着机翼长度改变层定向而展现减轻的重量。

发明内容

公开的实施方式提供复合层压件结构，比如飞行器蒙皮，其具有减轻的重量并且可提高层压件的结构强度、劲度和对开裂和裂纹延长的抗性。通过在复合层压件中使用较少的0度层减轻结构的重量。复合层压件中0度层数量的减少也可减少劳力和材料成本。通过优化交叉层的定向，实现0度层数量的减少，而基本上不降低复合层压件的剪切性质，包括扭转强度和劲度。通过以复合层压件结构上的主纵向负荷更紧密调整交叉层的纤维定向，优化交叉层的定向。优化公开的交叉层的好处可在飞行器蒙皮设计中实施，而在机翼设计上没有显著的结构改变。使用公开的层优化技术可实现翼箱(wingbox)重量3%至5%的减轻。

在一些应用中，交叉层的纤维定向可在约33和43度的范围内，而在其他应用中，约23和45度范围内的交叉层定向可提供优化的复合层压件性能，同时实现重量减轻。公开的复合层压件可用作机翼上的蒙皮、安定面、控制装置(control service)或飞行器中使用的其他结构。在公开的复合层压件的机翼蒙皮应用中，例如且没有限制地，其可能实现飞行器机翼翼箱重量3%至5%的减轻，同时增加机翼翼箱的弯曲性能。优化的交叉层定向角度在复合层压件的区域上可以不变或可以变化。例如且没有限制地，优化的交叉层定向角度可沿着机翼蒙皮的长度在翼展方向上变化。

根据一种公开的实施方式，复合层压件包括用相对于参考轴具有基本上0度的纤维定向的单向纤维增强的至少一个树脂层，和用相对于参考轴具有基本上90度的纤维定向的单向纤维增强的至少一个树脂层。该复合层压件进一步包括用相对于参考轴各自具有±θ度的纤维定向的单向纤维增强的树脂交叉层，其中θ在约25度和43度的范围内。在一些应用中，θ可在约35度和40度的范围内，并且角度定向可沿着长度或在层压件区域内变化。

根据另一公开的实施方式，提供了具有主负荷轴的复合层压件飞行器蒙皮。该飞行器蒙皮包括第一组纤维增强的树脂层，其具有基本上平行于负荷轴的纤维定向；第二组纤维增强的树脂层，其具有基本上垂直于负荷轴的纤维定向；和第三组纤维增强的树脂层，其相对于负荷轴具有±θ度的纤维定向，其中θ在约33和43度的范围内。在一些应用中，θ可在约35和40度的范围内。

根据仍另一实施方式，具有主负荷轴的复合层压件飞行器蒙皮包括至少一组纤维增强的树脂交叉层，其纤维定向沿着主负荷轴变化。交叉层的纤维定向的变化范围可在约25和45度之内，并且在一些应用中，蒙皮可进一步包括相对于主负荷轴纤维定向为约45度的交叉层。