用于具有变化直径的由复合材料制成的轴对称部件的纤维结构以及包括该纤维结构的部件

摘要

本发明涉及一种编织为单件的纤维结构(100)，该纤维结构用于制造由复合材料制成的具有逐步改变的直径的轴对称部件，该纤维结构具有带有大直径(D1)和小直径(D0)的截头圆锥形的部分(104)，该大直径与小直径之间的比例等于至少2。该纤维结构通过将多层被编织的经纱和纬纱缠绕在一心轴上形成，所述心轴的轮廓根据待使用引入的经纱来制造的部件的轮廓来限定。对于每层线，纬纱(t)成角度地分布在该截头圆锥形的部分的大直径的区域中的相同直径上以及在该截头圆锥形的部分的小直径的区域中的至少两个不同直径上，以形成至少两个纬纱的叠加层。本发明还涉及编织此纤维结构的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及制造直径变化的由复合材料制成的轴对称零件，更具体是涉 及用于此零件的纤维结构。

背景技术

本发明的示例性应用在于制造飞机机轮(或轮缘)。另一示例性应用在 于制造用于直升飞机燃气涡轮引擎的压气机罩。

以已知的方式，飞机机轮由两部分组成，所述两部分紧固在一起以使轮 胎能够放置在机轮上并从所述机轮移除。两个半机轮中的每个均采取C形截 面的开口环的形式。该机轮也容纳由具体由复合材料制成并容纳在一个半机 轮中的制动盘组成的制动系统。

此飞机轮通常由铝制成，每个半机轮均通过例如锻造获得。然而，由金 属制造机轮增加了它们的重量并要求大量的维护，主要是因为在金属机轮与 由复合材料制成的制动盘之间的电化学腐蚀。

为了缓解此缺陷，提出了制造组成飞机机轮的半机轮的方案，所述飞机 机轮由复合材料制成，所述复合材料包括由基体致密化的纤维加强件。更精 确地说，半机轮的纤维加强件由纤维结构形成，所述纤维结构可以作为单件 由所称的“轮廓编织”在具有截头圆锥形部分的成型心轴上被编织或编结。随 后，多种几何变形被应用到纤维结构上，以将其制成C形截面的开口环的形 状，对应于用于飞机半机轮的纤维预形成件。以此方式获得的纤维预成形件 然后由基体进行致密化，以例如通过使用树脂传递模塑(RTM)形成飞机半 机轮。可以因此参考于2012年9月18日提交的法国申请No.12/58720，其 描述了此制造方法的实施方式。

当在成型心轴上编织或编结的纤维结构的截头圆锥形部分的大直径与 小直径之间的比例接近于1时，通过此方法制造用于飞机半机轮的纤维预成 形件是非常可能的。使用此比例，可以获得55％至60％的量级的在整个预成 形件中是均匀的纤维含量，从而向其提供对于所意图的申请是满意的结构强 度。

相比之下，当纤维结构的截头圆锥形部分的大直径与小直径之间的比例 不小于2时，使用法国专利申请No.12/58720的方法来获得在整个预成形件 中是均匀的足够高的纤维含量是困难的。纤维结构的直径之间的比例的增加 具有增加在其大直径中的相邻纬纱之间的间隔的结果。这导致纤维含量在整 个预成形件中不均匀。

为了弥补该问题，可以在大直径区域中提供附加的纬纱，并将朝向小直 径区域行进的该纬纱打断。然而，该方案对于所制造的零件的强度是不满意 的。

发明内容

本发明寻求提出一种作为单件进行编织的纤维结构，其用于制造变化直 径的由复合材料制成的轴对称零件，但其不具备上述缺陷。

该目的通过具有截头圆锥形形状的带有大直径和小直径的部分的纤维 结构获得，大直径与小直径之间的比例不小于2，纤维结构通过将多层被编 织的经纱和纬纱缠绕在心轴上形成，所述心轴的轮廓根据待使用插入的经纱 来制造的零件的轮廓所限定，该结构的特征在于，对于每层的经纱和纬纱， 纬纱成角度地分布在纤维结构的截头圆锥形部分的大直径的区域中的单一 直径上和在纤维结构的截头圆锥形的部分的小直径的区域中的至少两个不 同直径上，以形成至少两个叠加层的纬纱。

本发明的纤维结构提出了纬纱的特定分布，其中，对于每层的纱线，纬 纱均在大直径的区域的单一直径上以及在小直径的区域中的至少两个叠加 层的纬纱上分布。从在纤维结构的大直径处的期望的纤维含量(例如，具有 55％至60％的量级)开始，可以从其中推导出在大直径处的纬纱的特定间隔。 由在其小直径处的纤维结构的截头圆锥形部分的缩小所导致的纬纱的过剩 可以然后通过叠加纬纱在该小直径处沿着厚度方向移动。因此每层均可以获 得在纤维结构的整个宽度上是均匀的纤维含量。

而且，在制造用于制造飞机半机轮的纤维加强件的申请中，由叠加纬纱 导致的在小直径处的纤维结构的厚度的增加对应于纤维结构的此部分的机 械强度要求，在成形和致密化后，该纤维结构将构成机轮的轮毂的一部分。 被施加到机轮的轴上的荷载要求复合材料的厚度大于机轮的剩余部分的厚 度。

在纤维结构的小直径的区域中的纬纱的编织的实施方式中，对于每层纱 线，分布在截头圆锥形的部分的小直径的区域中的两层纬纱由单层的经纱互 连。

在该实施方式中，与分布在截头圆锥形的部分的小直径的区域中的两层 纬纱互连的经纱使用互锁型织法来编织。

在纤维结构的小直径的区域中的纬纱的编织的另一实施方式中，对于每 层纱线，分布在截头圆锥形的部分的小直径的区域中的每层纬纱均由单层的 经纱互连。因此，在纤维结构的小直径处的过剩纬纱被互连，以形成至少两 个相互独立的层。此实施方式使得可将几何变形施加到该结构，特别是为了 使其具有半机轮的形状。

在此实施方式中，与分布在截头圆锥形的部分的小直径的区域中的每层 纬纱互连的经纱使用平纹型、哔叽型或缎纹型织法来编织。

在纤维结构的大直径的区域中的纬纱的编织的实施方式中，在每层织物 中，分布在截头圆锥形的部分的大直径的区域中的该层纬纱由单层的经纱互 连。

在该实施方式中，与分布在截头圆锥形的部分的大直径的区域中的纬纱 互连的经纱使用平纹型、哔叽型或缎纹型织法来编织。

在纤维结构的大直径的区域中的纬纱的编织的另一实施方式中，对于每 层纱线，分布在截头圆锥形的部分的大直径的区域中的纬纱由两个独立层的 经纱互连。

在该实施方式中，与分布在截头圆锥形的部分的大直径的区域中的纬纱 互连的经纱使用平纹型、哔叽型或缎纹型织法来编织。

而且，对于每层的纱线，分布在纤维结构的截头圆锥形部分的大直径与 小直径之间的纬纱由一层或多层的经纱互连。这些层构成了纤维结构的截头 圆锥形的部分的大直径与小直径之间的过渡。

在给定层的经纱中的经纱使用平纹型或哔叽型的织法来编织，所述给定 层的经纱与在截头圆锥形的部分的大直径与小直径之间的纬纱互连。

本发明也提供一种具有由基体致密化的纤维加强件的由复合材料制成 的零件，其中该纤维加强件由如以上所限定的纤维结构形成。该零件可以构 成飞机半机轮。

本发明还提供一种将如上所限定的纤维结构作为单件来编织的方法，该 方法包括将多层的经纱和纬纱缠绕在心轴上，所述心轴的轮廓根据待使用插 入的经纱来制造的零件的轮廓所限定。

附图说明

从参考显示不具有限制性特性的实施的附图所获得的以下说明显示了 本发明的其他特性和优点。在附图中：

图1是飞机机轮的截面图；

图2是根据本发明的适于使用在制造飞机半机轮中的示例性纤维结构 的立体图；

图3是在经受几何变形以具有飞机半机轮的形状后的图2的纤维结构的 立体图；

图4是显示纬纱在图2和3的纤维结构的各个截面中的分布的视图；

图5是对应于其中纬纱由在第一编织实施方式中的经纱互连的图4的视 图；

图6是用于编织具有图4的经纱分布的纬纱的第二实施方式的扁平表示 图；

图7A至7D更详细地显示图6的编织图案；

图8是用于编织具有图4的经纱分布的纬纱的第三实施方式的扁平表示 图；以及

图9A至9D更详细地显示图8的编织图案。

具体实施方式

本发明的申请领域是制造适于构成纤维加强件或预成形件的纤维结构， 所述纤维结构用于制造具有变化直径(即，具有至少两个不同直径)的由复 合材料制成的轴对称零件，例如用于直升飞机燃气涡轮引擎的压气机罩或在 图1中显示的类型的飞机机轮。

在此附图中显示的飞机机轮1具体由两个半机轮2，4组成，每个均为 轴对称形状，每个均采取具有C形截面的开口环的形式。半机轮2，4对中 在共同的旋转轴6上居中，它们通过例如螺母-和-螺栓型紧固件8经由它们 的各自端壁2a，4a相互紧固。

每个半机轮2，4均具有限定机轮的轮缘10的外侧面表面的大直径2b， 4b。在它们的自由端，这些大直径各自具有向外突出的法兰2c，4c，这些两 个法兰用来将轮胎12轴向地保持在轮缘10上。

每个半机轮2，4还具有与大直径2b，4b同心的小直径2d，4d，这些 小直径与机轮的轴形成接口14。

每个半机轮均由还被称为“预成形件”的纤维加强件制造，所述纤维加强 件使用基体被致密化。半机轮的纤维加强件由在图2中所显示类型的纤维结 构获得，该结构随后经过几何变形，以将其制成如图3所示出的半机轮的形 状。

在图2中所显示的纤维结构100具对中在轴X-X上的轴对称形状。在 图2中从右到左，其具体包括直径为D0的第一圆柱形部分102、具有小直 径D0和大直径D1的截头圆锥形部分104、以及具有直径D1的第二圆柱形 部分106。在远离第一圆柱形部分102的其端部处，纤维结构由另一截头圆 锥形部分108终止，所述截头圆锥形部分108的大直径稍微大于直径D1。 可以看到，比例D1/D0等于2。

然后，不同的几何变形被应用到该纤维结构，以将其制成用于如图3中 所显示的飞机半机轮的纤维加强件100’的形状。这些几何变形在于2012年 9月18日提交的法国专利申请No.12/58720中详细地描述，所述法国专利申 请的内容通过引用合并在本文中。特别是，为了使其具有图3中所显示的形 状，图2的纤维结构100沿着径向张开，以使其直径D0和D1变成各自的 直径D’0和D’1，其在内侧向外转动以获得对应于纤维加强件100’的几何形 状。

在这些几何变形后，可以看见的是，纤维结构的直径D’0的第一圆柱形 部分将构成待制造的半机轮的轮毂，截头圆锥形部分将构成半机轮的端壁， 直径D’1的第二圆柱形部分将构成半机轮的轮缘，在纤维结构的端部处的其 他截头圆锥形部分将构成半机轮的轮胎保持法兰。

在切割和/或压缩的可能阶段后，在图3中所显示的飞机半机轮的纤维 加强件100’随后经历使用基体来致密化的步骤。在例中，对于在大体低于 450℃的温度的应用，与例如环氧树脂、聚双马来酰亚胺(BMI)树脂、氰 酸酯树脂、苯并恶嗪树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂或实际上乙烯基酯树脂 的有机树脂(或这些树脂的任何修改)一起使用的碳纤维或玻璃纤维(或此 纤维的组合)是可优选的。在例中，致密化可以通过树脂传递模塑(RTM) 实施。

随后是如何获得根据本发明的纤维结构100的描述。

纤维结构100通常通过所称的“轮廓编织”获得。轮廓编织是用于编织具 有轴对称形状的纤维组织的已知技术，其中，该纤维结构通过插入经纱被编 织在心轴上，该心轴具有根据待制造的纤维组织的轮廓被而限定的外轮廓。

在编织图2中的纤维结构100的应用中，心轴(未示出)的外轮廓紧密 地贴附到纤维结构的轮廓上，即其具有直径D0的第一圆柱形部分、具有小 直径D0和大直径D1的截头圆锥形部分、具有直径D1的第二圆柱形部分以 及具有稍微大于D1的大直径的端部截头圆锥形部分。应该观察到的是，心 轴的截头圆锥形部分的大直径D1与小直径D0的比D1/D0等于或大于2。

使用此编织技术，由与纬纱互连的一层经纱组成的织物由一织布机制 造，然后以多层缠绕在心轴上。织物的经纱沿着圆周方向在心轴上延伸，并 因此需要具有取决于它们在心轴上的位置而不同的长度。对于纬纱，它们以 受控制的角度沿着轴向方向插入到织物中。

以此方式获得的每层纤维结构100均具有沿着圆周方向延伸的经纱c的 构造，所述经纱c与纬纱t互连，纬纱沿着轴向方向延伸。可以需要几层的织 物，以获得期望厚度的纤维结构。

对于在纤维结构中的每层的经纱和纬纱，图4显示纬纱t取决于沿着纤 维结构的截头圆锥形部分的它们的位置(即在其小直径与大直径之间)在角 扇区上的角分布。在该附图中，纬纱t通过在四个不同截面S1至S4上的点在 截面中表示。在图2中显示这些截面S1至S4沿着纤维结构的位置。

在纬纱分布的此例子中，在纤维结构的截头圆锥形部分的大直径D1与 小直径D0之间的比例D1/D0被选择为等于2。

如在图中所显示的那样，在纤维结构的大直径D1的区域中(截面S1)， 每层纬纱t均(沿着圆周方向)以固定间距P分隔开，所述固定间距P具体选 择为可获得纤维加强件的期望纤维含量。这些纬纱特别地成角度地分布在纤 维结构的共有直径上，以形成单一厚度(纬纱一个挨一个地设置在共有直径 上)。

在靠近纤维结构件(截面S2和S3)的小直径D0时，这些相同的纬纱t将 趋向于相互更靠近地移动，直至它们成角度地分布在小直径D0的区域(截 面S4)中的两个不同直径上，从而形成相互叠加的两层(或厚度)。

提供不同实施方式，用于用在形成纤维结构的每层纱线中的经纱与纬纱 互连。

在图5中所显示的第一实施方式中，每层纱线的纬纱均使用经纱编织， 以形成单一厚度的纱线。

在截面S1(纤维结构的大直径D1)中，通过t因此由单层经纱c1至c6互 连。所得的织物因此具有一层纬纱和一层经纱。

更精确地，在此图5的实施方式中，将在截面S1中的此层的纬纱t互连 的经纱c1至c6使用三条向上三条向下的哔叽织法编织(需要六个连续的编 织平面来全面地描述此编织图案)。

在对应于纤维结构的小直径D0的截面S4中，分布在两个叠加层中的 纬纱使用互锁型织法(即在垂直于纤维结构的轴向对称的右截面中，仅有一 个经纱是可见的)由单层的经纱c14至c17来互连。在图5中，显示了四个 连续编织面突出到单一视图中，以全面描述此编织图案，这些平面表示经纱 的四个独特的且邻近的编织柱。在此截面S4中所获得的织物因此具有通过 互锁型织法互连的单层经纱和两层纬纱。

在纤维结构的截面S3中，所获得的织物还具有带有再分布的纬纱的单 层经纱c10至c13，以在一层与两层之间交替。在此位置中，具有四个不同 的编织平面是必要的，以全面地描述此互锁的编织图案。

最后，在该纤维结构的截面S2中，纬纱的分布比在截面S3中的更向外 延伸，经纱c7至c9的编织图案被修改，以使纬纱t可均匀地分布在整个平面 上。在此位置，需要三个不同的编织平面来全面地描述该互锁的编织图案。

图6和7A至7D显示根据本发明的用于将在形成纤维结构的每层的纱 线中的经纱和纬纱互连的第二实施方式。

在此第二实施方式中，每层纱线中的纬纱均被编织，以形成两个单独层 的织物，对应于纤维结构的小直径D0的截面S4除外，其中纬纱互连以形 成单层的纱线。

在该纤维结构的截面S1(对应于其大直径)中，还设置在单一厚度上 的纬纱因此分布在纬纱的两个区别的子集中，称作t_i和t_j，所述子集分别通 过两层的经纱c18至c21和c22至c25互连。这样就获得了具有两个独立层 的纬纱的织物。

在图6和7A的实施方式中，与每层的纬纱t_i，t_j互连的经纱使用两个向 上两个向下的哔叽型织法来编织。对于这些层的纬纱的每层，需要四个不同 的编织平面，以全面地描述此编织图案。这些连续的编织平面在图7A中显 示。

在纤维结构的截面S2中，纬纱同样分布在纬纱t_i和t_j的两个区别的子 集中，所述纬纱t_j和t_i分别由两层的经纱c26，c27和c28，c29互连。因此 获得了具有两个独立纬纱层的织物。

与截面S1的织法相比较，在截面S2中的经纱使用平纹型织法(一上， 一下)来编织。对于每层纬纱，需要两个不同的编织平面来全面地描述编织 图案，如在图7B中所显示的那样。

在纤维结构的以下截面S3中，纬纱还更靠近一起。这些纬纱还分布在 纬纱t_i和t_j的两个区别的子集中，所述纬纱t_i和t_j分别由两层经纱c30至c35 和c36至c41互连。因此再次获得具有两个独立纬纱层的织物。

与用于截面S1和S2的上述织法相比较，在该截面中的经纱使用三上三 下的哔叽织法来编织。对于每层的纬纱，需要六个不同的编织平面来全面地 描述此编织图案，如图7C中所显示的那样。

最后，在对应于纤维结构的小直径的截面S4中，分布在两个叠加层的 纱线中的纬纱t_i和t_j由单层的经纱c42至c45互连。

在该截面中的经纱c42至c45使用互锁型织法来编织，对于所述互锁型 织法，需要四个不同的编织平面来全面地描述编织图案(参见图7D)。所 获得的织物因此具有通过互锁型织法互连的单层经纱和两层纬纱。

图8和9A至9D显示根据本发明的用于将形成纤维结构的每层的纱线 的经纱和纬纱互连的第三实施方式。

在此第三实施方式中，每层织物的纬纱均使用经纱编织，以形成被分离 的两个子集，除了对应于该纤维结构的大直径D1的截面S1外，其中纬纱 与经纱互连，以仅形成一层。

在该纤维结构的截面S1(对应于其大直径D1)中，纬纱t因此由单层 经纱c46至c51互连。所得的织物因此具有单层纬纱和单层纱线。

更精确地，在所示出的例子中，经纱c41至c51使用三上三下的哔叽织 法来在该截面中编织(在图9中显示六个连续的编织平面，以全面地描述此 编织图案)。此编织例子也对应于参考图5中的截面S1来描述的那个。

在该纤维结构的截面S2中，纬纱分布在纬纱t_i和t_j的两个区别的子集 中，所述纬纱t_i和t_j分别由两层相互独立的经纱c52至c55和c56至c59互 连。因此获得了具有两个独立的纬纱层和经纱层的织物。被选择用于截面 S2的织法是两上两下的哔叽件(需要四个不同的编织平面来全面地描述该 编织图案--参见图9B)。

在截面S3中，纬纱更向一起靠近，但仍分布在纬纱t_i和t_j的两个区别 的子集中，所述纬纱t_i和t_j分别由两个相互独立的经纱层c60至c63和c64 至c67互连。因此获得了具有两个独立的纬纱和经纱层的织物。所选择的织 法还是两上两下的哔叽织法(参见图9C)。

最后，在对应于该纤维结构的小直径的截面S4中，分布在纱线的两个 叠加厚度中的纬纱t_i和t_j分别由两层经纱c68至c71和c72至c75独立地互 连。获得了具有两个独立的纬纱和经纱层的织物。所选择的织法同样是两上 两下的哔叽织法(参见图9D)。

自然地，可以设想用于互连形成本发明的纤维结构的各层纱线的纬纱的 其他实施方式。

特别是，可以同样好地编织各层纱线的纬纱，以根据要求形成一个或多 个独立层。特别是，当纤维结构将几何地变形以形成用于飞机半机轮的纤维 加强件时，为了操作纤维结构的明显理由，适合在对应于该纤维结构的小直 径的截面S4中形成两个单独的纬纱层。

而且，选择用于每层纬纱的织法可以在纤维结构的不同截面之间变化， 它们不受限于上述的特定例子。可以设想例如缎纹织法的其他编织图案。可 具体参考文献WO2006/136755，其提供了不同的图示。

然而，对于该纤维结构位于大直径与小直径之间的截面，推荐使用一织 法，对于该织法，在多层纱线的厚度中的经纱和纬纱的互连使纱线长度可在 全部编织图案上平衡，使得在该纤维结构状态(图2)与纤维加强件状态(图 3)之间的几何变形过程中可实现相当的相对滑动。因此，经常推荐使用N 上N下的哔叽型或平纹型织法，而不是缎纹型织法或N上M下的哔叽型织 法。

对于圆锥形截面和具有圆柱形表面的连接件，推荐使用具有经平衡的收 缩的编织图案，至少用于纬纱。对于小直径的圆柱形截面，推荐使用具有经 平衡的收缩的编织图案，至少用于经纱。

而且，可以编织本发明的纤维结构，以在该结构的不同位置使用不同重 量的纱线。因此，例如在该织物的内侧表面内的那些与在对应层的外侧表面 旁边的那些之间的纬纱可以具有相同的重量或不同的重量。同样，例如在互 锁型的单织法内或作为两个独立经纱层的功能，经纱可以具有相同的重量或 不同的重量。

最后，当在该纤维结构的截头圆锥形部分的大直径D1与小直径D0之 间的比例D1/D0选择为大于2时，在该纤维结构的截头圆锥形部分的所有 截面中的纬纱的角分布与在图4中所显示的不同。通常地，如果比例D1/D0 等于2.5，则分布在对应于该纤维结构的小直径的截面S4上的给定纱线层的 纬纱将在三个不同直径上成角度地分布，以形成2.5个叠加层。同样，如果 比例D1/D0等于3，则在该截面S4中的纬纱将在三个叠加层中被分布，等 等。其中这些纬纱是由经纱互连的方式对于上述不同实施方式保持相同。