制造航空航天结构的方法和系统及损伤容限型格栅翼肋结构技术方案

用于航空航天结构的制造的方法和系统及损伤容限型格栅翼肋结构，该系统包括具有表面的模具和至少一个单向SFL头，该单向SFL头适于将多个准直丝束以预定的层压图案铺设在模具表面上以产生机身蒙皮。至少一个正交铺层层压SFL头适于将正交铺层层压基底界面铺设在机身蒙皮上以为多个格栅翼肋中的每个建立格栅翼肋形状。正交铺层层压SFL头具有带放置头，该带放置头可引导以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。单向SFL头还适于针对每个格栅翼肋中的第一多个单向丝束板层将多个准直丝束铺设在多个格栅翼肋中的每个的基底界面上。单向SFL头具有纤维放置头，可引导以匹配格栅翼肋形状，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。

Method and system for manufacturing aerospace structure and damage tolerance grille fin structure

A method for manufacturing aerospace structures and a damage tolerant grid fin structure comprising a die having a surface and at least one unidirectional SFL head adapted to lay multiple collimating tows on the die surface in a predetermined laminated pattern to produce a fuselage skin. At least one orthogonal ply laminated SFL head is suitable for laying the orthogonal ply laminated substrate interface on the fuselage skin to establish a grid fin shape for each of the plurality of grid fins. The orthogonal ply laminated SFL head has a belt placement head that can be guided to avoid structural design features and to maintain spacing with adjacent guide grid fins. The unidirectional SFL head is also suitable for laying a plurality of collimating tows on each base interface of the first plurality of unidirectional tow plates in each grid fin. The unidirectional SFL head has a fiber placement head that can be guided to match the shape of the grille fin to avoid structural design features and maintain spacing with adjacent grille fins.

【技术实现步骤摘要】
制造航空航天结构的方法和系统及损伤容限型格栅翼肋结构
本公开的实施例总体涉及用于飞机的复合结构的制造，并且更特别地，涉及飞机机身的制造，飞机机身具有带有单向丝束和正交铺层层压件的用于承载使用用于纤维放置的两个或更多个头利用引导纤维铺放产生的结构载荷的改进的格栅结构，从而提供高损伤容限。
技术介绍
现有的商用飞机中所采用的复合机身使用由单独制造的加固元件支撑的复合蒙皮。与金属结构组装方案(又称“黑铝”设计)类似，框架和桁条承载大量的操作载荷并且在制造之后添加到复合蒙皮。通常基于不同的制造技术制造蒙皮、框架和桁条，不同的制造技术需要不同的制造设备、机身部件从不同的生产场所到最终的组装设施的运输、以及部件的最终组装(共结合、共固化、紧固)以生产机身的区段。此外，现有的设计基于没有充分利用现代复合单向材料的可用各向异性特性的正交各向异性材料的概念。在复合机身的制造过程中，这在非经常性费用和经常性费用(NRE、RE)两者的增长中导致重量和成本过高。在空间应用中已经使用了替代设计概念，该设计概念基于加固蒙皮的均匀的格栅结构(测地设计)。然而，均匀的格栅在像包括中断几何格栅图案的门、窗、其他开口和设计特征的机身区段的飞机结构中不太有效。通常与心轴(mandrel)一起用于制造的湿法缠绕(WFW)已经与格栅设计结合以制造在多个空间应用中使用的基于格栅的圆柱形结构。格栅设计消除了对支持结构要求的使得此类结构更具有重量和成本效益的桁条和框架的需要。WFW工艺不允许在结构的缠绕过程中格栅几何结构和翼肋形状的变化，以包括门、窗和其他设计驱使特征。为了解决这个问题，实现了均匀的但非最佳的格栅结构的设计和制造，并且然后在生产了此类均匀的格栅之后，手动引入格栅中所需的开口(切口)，并且利用另外的复合材料的板层(ply)单独制造开口周围的增强区域。此类方案导致非最佳的结构效率、潜在的重量节省的损失、以及制造成本的增加。另外，WFW不能用于凹入制造表面。利用自动铺带(AutomatedTapeLay-up，ATL)机器的狭长带(slittape)的传统自动铺带(TATL)在当前的商用飞机生产中用于生产用于机身的区段的蒙皮。TATL允许以包括所需的开口和增强件的机身蒙皮的自动模式进行铺放。然而，必须基于需要不同的制造设备的不同的技术制造框架和桁条。如前所述，然后需要机身部件从不同的位置到最终的组装设施的运输和部件的最终组装(共结合、共固化、紧固)。因此，可期望提供一种用于克服现有技术的缺点的用于商用飞机机身构造的装置和方法。
技术实现思路
示例性实施例提供了一种用于航空航天结构的制造的方法。采用至少一个单向引导纤维铺放(SFL)头将多个准直丝束以预定的层压图案铺设在模具表面上，以产生机身蒙皮。然后采用至少一个正交铺层层压SFL头将正交铺层层压基底界面铺设在机身蒙皮上，以为多个格栅翼肋中的每个建立格栅翼肋形状。引导正交铺层层压SFL头中的带放置头，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。然后，针对每个格栅翼肋中的第一多个单向丝束板层，采用单向SFL头将多个准直丝束铺设在多个格栅翼肋中的每个的基底界面上。引导单向SFL头中的纤维放置头，以匹配格栅翼肋形状，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。然后采用正交铺层层压SFL头将盖放置在多个格栅翼肋中的每个中的多个单向丝束板层上，并且引导正交铺层层压SFL头中的带放置头，以追踪格栅翼肋形状并且将盖定位在多个单向丝束板层上。一种可用于所述方法中的用于航空航天结构的制造的系统包括具有表面的模具和至少一个单向SFL头，该单向SFL头适于将多个准直丝束以预定的层压图案铺设在模具表面上，以产生机身蒙皮。至少一个正交铺层层压SFL头适于将正交铺层层压基底界面铺设在机身蒙皮上，以为多个格栅翼肋中的每个建立格栅翼肋形状。正交铺层层压SFL头具有带放置头，该带放置头可引导以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。单向SFL头还适于针对每个格栅翼肋中的第一多个单向丝束板层，将多个准直丝束铺设在多个格栅翼肋中的每个的基底界面上。单向SFL头具有纤维放置头，该纤维放置头可引导以匹配格栅翼肋形状，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。用于制造的方法和系统提供了具有由多个准直丝束以预定的层压图案形成的蒙皮的损伤容限型格栅翼肋结构。将正交铺层层压基底界面放置在机身蒙皮上，以为多个格栅翼肋中的每个建立格栅翼肋形状，其中格栅翼肋被引导而用于从蒙皮中的特征的侧向位移。针对每个格栅翼肋中的第一多个单向丝束板层，将第一多个准直丝束放置在多个格栅翼肋中的每个的基底界面上。将第一盖放置在多个格栅翼肋中的每个中的多个单向丝束板层上。针对每个格栅翼肋中的第二多个单向丝束板层，将第二多个准直丝束放置在多个格栅翼肋中的每个的第一盖上。然后将第二盖放置在多个格栅翼肋中的每个中的第二多个单向丝束板层上。附图说明已经论述的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中单独实现，或者在其他实施例中可结合，其另外的细节可以参考以下描述和附图看出。图1A是利用在本文中公开的方法和装置实施例可生产的示例性机身的描绘；图1B是沿着龙骨线(keelline)切开并且围绕路拱线(crownline)变平的图1A的机身的平面布局描绘；图2是用于机身半部区段的铺放的示例性模具的图形表示；图3A是用于准直纤维丝束的单向引导纤维铺放(SFL)头的表示；图3B是用于正交铺层纤维层压带的正交铺层层压SFL头的表示；图4是机身蒙皮和示例性格栅翼肋铺放的横截面表示；图5是由在本文中公开的方法和装置实施例生产的改进的测地格栅翼肋图案的表示；图6是展示了用于确定用于蒙皮和测地格栅翼肋放置的SFL头的编程的设计过程的流程图；且图7A和7B是展示了采用在本文中公开的实施例的机身半部区段的制造的流程图。具体实施方式本文所述的实施例和方法提供了自动引导纤维铺放(SFL)和格栅设计的结合使用，以制造包括窗、门和其它设计特征的复合机身的整体加固的无桁条区段。机身蒙皮和加固格栅采用自动铺放机器在模具的表面上制造为整体结构。该方案消除了通过不同的制造设备和使用共固化、共结合、紧固的最终组装单独生产蒙皮、桁条和框架的需要。自动SFL的使用允许格栅几何结构和翼肋形状的变化，以适应局部设计特征或中断。与WFW不同，不需要手动铺放来支持特征或中断(诸如，机身开口)的区域中的局部增强。参考附图，图1A示出用于商用飞机的示例性机身区段10，并且图1B示出在以龙骨线12分离的平面布局中描绘并且示出提供两个机身半部区段10a、10b的路拱线14的机身。窗开口16、门开口18和紧急出口开口20被示为待在制造过程中提供的示例性设计特征。如图2所示，作为示例，具有凹入模制表面24的模具22被提供而用于机身半部区段10a的铺放。虽然制造并且然后连接于龙骨线和路拱线处的半部区段被示为示例实施例，但是替代几何区段可用于制造并且随后被连接。如图1B所示，每个机身半部区段包括蒙皮26和格栅翼肋结构28(在附图中被示为部分地覆盖蒙皮的一部分)。采用在图3A中概念地表示的一个或多个SFL头来将浸树脂的碳素纤维的单向丝束的准直丝束或其它结构层压系统铺设在多个通路(pass)中以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于航空航天结构的制造的方法，包括：采用至少一个单向引导纤维铺放头将预定的层压图案的多个准直丝束以预定的层压图案铺设在模具表面上，以产生机身蒙皮；采用至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头将正交铺层层压基底界面铺设在所述机身蒙皮上，以为多个格栅翼肋中的每个建立格栅翼肋形状；引导所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头中的带放置头，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔；针对每个格栅翼肋中的多个单向丝束板层，采用所述至少一个单向引导纤维铺放头将多个准直丝束铺设在所述多个格栅翼肋中的每个的所述基底界面上；引导所述至少一个单向引导纤维铺放头中的纤维放置头，以匹配所述格栅翼肋形状，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔；采用所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头将盖放置在所述多个格栅翼肋中的每个中的所述多个单向丝束板层上；以及引导所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放中的带放置头，以跟踪所述格栅翼肋形状并且将所述盖定位在所述多个单向丝束板层上。

【技术特征摘要】
2017.03.23 US 15/467,9801.一种用于航空航天结构的制造的方法，包括：采用至少一个单向引导纤维铺放头将预定的层压图案的多个准直丝束以预定的层压图案铺设在模具表面上，以产生机身蒙皮；采用至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头将正交铺层层压基底界面铺设在所述机身蒙皮上，以为多个格栅翼肋中的每个建立格栅翼肋形状；引导所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头中的带放置头，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔；针对每个格栅翼肋中的多个单向丝束板层，采用所述至少一个单向引导纤维铺放头将多个准直丝束铺设在所述多个格栅翼肋中的每个的所述基底界面上；引导所述至少一个单向引导纤维铺放头中的纤维放置头，以匹配所述格栅翼肋形状，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔；采用所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头将盖放置在所述多个格栅翼肋中的每个中的所述多个单向丝束板层上；以及引导所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放中的带放置头，以跟踪所述格栅翼肋形状并且将所述盖定位在所述多个单向丝束板层上。2.根据权利要求1所述的方法，其中，引导所述纤维放置头的步骤包括从基线测地格栅侧向地分叉。3.根据权利要求2所述的方法，其中，引导所述带放置头的步骤包括从所述基线测地格栅侧向地分叉。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述纤维放置头的引导另外包括使所述纤维放置头围绕垂直于模具表面的标称轴线旋转，以保持纤维与行进的方向对准。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述带放置头的引导另外包括使所述带状放置头围绕垂直于模具表面的标称轴线旋转，以保持带与行进的方向对准。6.根据权利要求1所述的方法，其中，采用至少一个单向引导纤维铺放头将多个准直丝束以预定的层压图案铺设在模具表面上以产生机身蒙皮的步骤还包括在纤维放置头中采用丝束切割器和夹紧机构，以在所述设计特征处终止和重启所述准直丝束。7.根据权利要求1所述的方法，其中，采用所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头将盖放置在所述多个单向丝束板层上的步骤还包括将所述盖遮盖在所述多个丝束板层上。8.根据权利要求7所述的方法，还包括使遮盖的所述盖在与所述格栅翼肋相邻的所述蒙皮的表面上延伸。9.一种用于航空航天结构的制造的系统，包括：具有表面(24)的模具(22)；至少一个单向引导纤维铺放头(30)，适于将多个准直丝束(40)以预定的层压图案铺设在所述表面上，以产生机身蒙皮(26)；至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头(70)，适于将正交铺层层压基底界面(64)铺设在所述机身蒙皮上，以为多个格栅翼肋(54、88、94)中的每个建立格栅翼肋形状，所述至少一个正交铺层层压引导纤维铺放头具有带放置头(76)，所述带放置头能引导以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔；并且所述至少一个单向引导纤维铺放头(30)还适于针对每个格栅翼肋中的第一多个单向丝束板层(56)，将多个准直丝束(40)铺设在所述多个格栅翼肋中的每个的所述基底界面上，所述至少一个单向引导纤维铺放头具有纤维放置头(34)，所述纤维放置头能引导以匹配所述格栅翼肋形状，以避免结构设计特征并且保持与相邻的引导格栅翼肋的间隔。10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍里斯·B·索科洛夫，穆斯塔法·拉塞安，马克·J·皮尔，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US