BRPI0711824A2 - estruturas hìbridas reforçadas e métodos das mesmas - Google Patents
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Abstract
ESTRUTURAS HìBRIDAS REFORçADAS E MéTODOS DAS MESMAS. A presente invenção refere-se a um método para produzir uma estrutura híbrida de asa de aeronave que compreende as etapas de produzir um revestimento inferior metálico usinado, seja por (i) pré-usinagem, (ii) pré-conformação ou (iii) combinações das mesmas, acabar o revestimento inferior metálico usinado, fornecer um revestimento inferior metálico usinado acabado que serve como um molde de deposição, colocar uma pluralidade de tiras de núcleo em cima do revestimento inferior metálico usinado acabado, arranjar um revestimento desejado selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra é um revestimento laminado metálico não reforçado, em cima da pluralidade de tiras de núcleo para formar um módulo, e curar o módulo, no qual o revestimento inferior metálico usinado acabado é o elemento que carrega a carga na estrutura híbrida da asa de aeronave. Em uma outra modalidade a presente invenção descreve um método para produzir uma estrutura híbrida de asa de aeronave que compreende as etapas de fornecer um molde de deposição, colocar um primeiro revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado, sobre um molde de deposição, colocar uma pluralidade de tiras de núcleo em cima do revestimento, arranjar um segundo revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado, em cima da pluralidade de tiras de núcleo para formar um módulo, e curar o módulo.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ESTRUTU- RAS HÍBRIDAS REFORÇADAS E MÉTODOS DAS MESMAS"
Antecedente da Invenção
Programas de aeronaves comerciais futuras irão continuar a re- duzir o peso da estrutura aérea e custos de aquisição e de operação para preencher suas missões, voar mais rápido, e recarregar mais carga útil de maneira econômica. Resistência estática, fadiga de estrutura crescimento de rachadura e resistência residual e requisitos de tolerância a dano, são acio- nadores de projeto para painéis de revestimento enrijecido de asa inferior de aeronave comercial de asa simples ou de asa dupla.
Sumário da Invenção
Em uma modalidade a presente invenção é relativa a um produ- to e/nétodo para uma estrutura híbrida reforçada para utilização em aplica- ções,-Aeroespaciais. Em uma outra modalidade o método e sistema para es- trutura híbrida reforçada pode ser utilizado em outras indústrias. Em ainda íima outra modalidade, o método e sistema da presente invenção é relativo a uma estrutura híbrida reforçada onde dois ou mais revestimentos metálicos monolíticos ou revestimentos laminados ou uma combinação de revestimen- tos monolíticos e laminados são reforçados por uma camada de núcleo constituída de um laminado metálico ou um laminado de fibra metálica que é colocado entre cada revestimento metálico monolítico ou revestimento lami- nado. Em ainda uma outra modalidade, os revestimentos laminados são li- gados com um material adesivo não reforçado ou um material adesivo refor- çado com fibra. Em uma outra modalidade os núcleos são ligados aos reves- timentos com um adesivo não reforçado ou adesivo reforçado com fibra.
Em uma modalidade, a presente invenção descreve um método para produzir uma estrutura híbrida de asa de aeronave que compreende as etapas de: (1) produzir um revestimento inferior metálico usinado ou por (i) pré-usinagem, (ii) pré-conformação ou (iii) combinações deles, (2) acabar o revestimento inferior metálico usinado, (3) fornecer um revestimento inferior metálico usinado acabado que serve como um molde de colocação, (4) colo- car uma pluralidade de tiras de núcleo em cima do revestimento inferior me- tálico usinado acabado, (5) arranjar um revestimento que é selecionado den- tre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra, e um revestimento laminado metálico não re- forçado em cima da pluralidade de tiras de núcleo para formar um módulo e, (6) curar o módulo, no qual o revestimento inferior metálico usinado acabado é o elemento de transporte de carga na estrutura híbrida da asa de aerona- ve. Em uma outra modalidade, as tiras de núcleo compreendem no mínimo duas camadas metálicas entre as quais existe no mínimo uma camada de polímero reforçada com fibra. Em uma outra modalidade a pluralidade de tiras de núcleo são selecionadas do grupo que consiste em não esticadas, pré-esticadas e combinações delas. Em ainda uma outra modalidade, no mínimo um revestimento com combinação de núcleo pode ser colocado den- tro do módulo onde o revestimento é selecionado dentre o grupo que consis- te em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado com núcleos de tira laminadas metálicas com fibra entre cada revestimento.
Em uma outra modalidade a presente invenção descreve um método para produzir uma estrutura híbrida de asa de aeronave que com- preende as etapas de: (1) fornecer um molde de deposição, (2) colocar um primeiro revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado sobre um molde de deposi- ção, (3) colocar uma pluralidade de tiras de núcleo em cima do revestimento, (4) arranjar um segundo revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado em cima da pluralidade de tiras de núcleo para formar um módulo, e (5) curar o módulo. Em uma outra modalidade, as tiras de núcleo compreendem no mínimo duas camadas metálicas entre as quais existe no mínimo uma camada de políme- ro de reforço de fibra. Em uma outra modalidade o primeiro revestimento é um revestimento laminado metálico com fibra. Em ainda uma outra modali- dade, o segundo revestimento é um revestimento laminado metálico com fibra. Em ainda uma outra modalidade no mínimo um revestimento com combinação de núcleo pode ser colocado dentro do módulo onde o revesti- mento é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento mo- nolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado com núcleos tira laminados metálicos com fibra entre cada revestimento.
Em uma modalidade da invenção uma estrutura híbrida reforça- da para utilização em aplicações aeroespaciais e outras aplicações industri- ais tais como veículos de transporte é fornecida.
Em uma outra modalidade da invenção, uma estrutura híbrida reforçada para utilização como um revestimento de asa em linhas aéreas comerciais, aeronaves militares, ou aplicações em outras indústrias, é forne- cida.
Em ainda outra modalidade da invenção, a presente invenção pode resultar em um revestimento de asa que pode ter um ou mais do que segue: mais leve em peso, mais econômica para fabricar, desempenho de resistência à corrosão melhorado, redução de crescimento de rachadura por fadiga e/ou apresentar baixos custos de manutenção em serviço.
Estas e outras modalidades da invenção se tornarão mais evi- dentes através da descrição e desenho a seguir.
A invenção compreende um produto que possui os aspectos propriedades e a relação de componentes que serão exemplificadas no pro- duto descrito aqui abaixo e o escopo da invenção será indicado nas reivindi- cações.
Breve Descrição dos Desenhos
Para o entendimento mais completo da invenção referência é feita à descrição a seguir, tomada em conexão com o desenho que acompa- nha, no qual:
A figura 1 é uma vista em seção transversal parcial de uma es- trutura híbrida reforçada, de acordo com uma modalidade da invenção.
Descrição das modalidades preferenciais
Esta invenção é relativa a uma estrutura híbrida reforçada e, mais particularmente, a uma estrutura onde dois ou mais revestimentos me- tálicos monolíticos ou revestimentos laminados, ou uma combinação de re- vestimento monolítico e laminado são reforçados por uma camada de núcleo constituída de um laminado metálico ou um laminado de fibra metálica, que é colocado entre cada revestimento metálico monolítico ou revestimento la- minado. Em uma modalidade os revestimentos laminados são ligados com um material adesivo não reforçado ou um material adesivo reforçado com fibra. Em uma outra modalidade os núcleos são ligados aos revestimentos com um adesivo não reforçado ou adesivo reforçado com fibra. Em uma ou- tra modalidade cada núcleo é constituído de uma pluralidade de tiras de la- minado metálico ou laminado metálico com fibra que são pré-esticadas ou não esticadas e colocadas lado a lado na região núcleo para preencher a área entre revestimentos.
Em uma modalidade a estrutura híbrida reforçada pode conter no mínimo um módulo. O módulo é definido como tendo duas camadas ex- ternas de uma combinação de revestimentos monolíticos e/ou laminados que são reforçados com uma camada de núcleo intermediária. Em uma ou- tra modalidade, diversas combinações de revestimentos como núcleos po- dem ser adicionadas ao interior do módulo para criar outros tipos de estrutu- ras híbridas reforçadas.
Em uma modalidade da presente invenção, a figura 1 ilustra uma estrutura híbrida reforçada 10 onde uma camada de revestimento monolítico superior 11 apenas, ou ambas as camadas de revestimento monolítico supe- rior 11 e inferior 12, são substituídas por revestimentos laminados metálicos ligados juntos por meio de adesivo ou adesivo reforçado com fibra 13 (cha- pas metálicas finas ligadas juntas). Tiras laminadas metálicas com fibra 14 referidas como materiais de núcleo tiras FML, são ensanduichadas entre o laminado metálico e/ou o revestimento metálico monolítico. As tiras FML 14 são ligadas de maneira segura ao laminado metálico e/ou ao revestimento por meio de uma adesivo metálico e/ou a adesivo reforçado com fibra 13.
Em uma modalidade, a presente invenção emprega uma série de tiras FML pré-fabricadas, depositadas lado a lado nas regiões núcleo. Nesta geometria as tiras são flexíveis na direção do comprimento, e podem se conformar à forma encurvada complexa requerida com carregamento de pressão da autoclave ou pressão da moldagem. Em uma outra modalidade, as tiras de núcleo FML têm uma largura relativamente estreita comparada ao comprimento (por exemplo, no mínimo uma relação de 10:1 em um exemplo, no mínimo uma relação de 6:1 em um outro exemplo, e no mínimo uma rela- ção de 3:1 em um outro exemplo). Em uma outra modalidade, quando o ca- libre do núcleo está na espessura que excede cerca de 6 camadas de alu- mínio/5 camadas de adesivo reforçado com fibra (onde cada camada de a- lumínio tem a espessura de cerca de 0,0002 até cerca de 0,0004 m (0,008 até cerca de 0,016 polegada) e cada uma das camadas de adesivo reforça- do com fibra tem a espessura de cerca de 0,0000254 até cerca de 0,000127 (0,001 até cerca de 0,005 polegada), respectivamente) a ser conformada na curvatura requerida, o núcleo pode ser dividido em sobrecamadas mais finas e mais conformáveis que se superpõem. Exemplos desta divisão são 2 ca- madas de alumínio/uma camada de adesivo reforçado com fibra em adição a 4 camadas de alumínio/3 camadas de adesivo reforçado com fibra. Um outro exemplo desta divisão são 3 camadas de alumínio/2 camadas de adesivo reforçado com fibra em adição a 3 camadas de alumínio/2 camadas de ade- sivo reforçado com fibra.
Em um exemplo, antes do processo de fabricação de revesti- mento final, a pré-fabricação das tiras e utilização desta maneira para fabri- car o revestimento final permitem que as tiras sejam pré-esticadas ou não esticadas. As tiras podem ser pré-esticadas, não esticadas e ou combina- ções delas. Em uma outra modalidade uma folha FML pode ser utilizada em lugar das tiras FML. Contudo, tiras FML são utilizadas para reduzir a quanti- dade de efeito mola ao se conformar à forma encurvada complexa. Em uma outra modalidade tiras FML núcleo podem ser incorporadas para proprieda- des estruturais.
Na abordagem de fabricação, em uma modalidade as camadas metálicas individuais no laminado inferior ou revestimentos metálicos monolí- ticos e o adesivo ou camadas adesivas reforçadas com fibras são colocadas em um molde de ligação uma folha de cada vez. Em outros exemplos as tiras discretas estreitas pré-fabricadas que constituem o núcleo são coloca- das no lugar lado a lado para formar o núcleo. Em uma outra modalidade, esta seqüência de revestimentos metálicos laminados ou monolíticos e ma· terial núcleo pode ser repetida diversas vezes (por exemplo, até 20 camadas ou em um outro exemplo até 7 camadas), Finalmente, as folhas superiores são colocadas uma por uma sobre o núcleo. Em uma outra modalidade o revestimento superior, o revestimento inferior, revestimentos intermediários e revestimentos FML núcleo podem ser afunilados 16 ao longo do comprimen- to e largura derrubando camadas internas de metal e camadas de materiais de ligação 17, como mostrado na figura 1. Finalmente, em uma modalidade, a deposição revestimento/núcleo é presa com vácuo e curada em autoclave. Contudo, em uma outra modalidade, revestimentos podem ser curados fora da autoclave utilizando moldagem apropriada que deveria forçar os revesti- mentos a se conformarem com um molde de deposição. Em qualquer abor- dagem, todas as camadas internas se conformam à curvatura do molde in- cluindo tiras pré-fabricadas no núcleo. Se necessário, em uma outra modali- dade núcleos mais espessos podem ser construídos de núcleos finos e es- calonados que são ligados juntos na cura final em autoclave.
Em uma outra modalidade, quando o revestimento inferior é um revestimento metálico monolítico, o revestimento inferior é pré-usinado, pré- conformado e/ou combinações deles e se torna o molde para a deposição do restante dos elementos estruturais e de camadas núcleo e de revestimento. Então toda a estrutura de revestimento de construção em sanduíche é cura- da de uma vez. A pressão de autoclave ou em alguns casos outra pressão de moldagem é utilizada para conformar as camadas individuais para a for- ma perfilada final. Em ainda uma outra modalidade, a superfície de molde inferior se torna a camada inferior da estrutura híbrida avançada. Em outras palavras, a camada inferior se torna o revestimento externo da estrutura.
Em uma modalidade, o núcleo FML resistente à fadiga retarda o crescimento de rachadura nos revestimentos laminados. Revestimentos la- minados híbridos avançados fabricados desta maneira podem fornecer um ou mais do que segue: resistência à fadiga maior, crescimento de rachadura reduzido e/ou resistência residual aumentada durante a utilização de reves- timentos monolíticos usinados. Em uma outra modalidade, revestimentos metálicos laminados permitem a utilização de diversas ligas/têmpera e diver- sos sistemas de fibra "pré-impregnado"/matriz quando revestimentos FML inferior e/ou superior são utilizados.
Em uma modalidade o núcleo central é constituído de tiras FML esticadas e/ou não esticadas, que são compostas ou dos mesmos materiais metal/fibra e deposições de fibra como os revestimentos laminados que eles estão reforçando e/ou diferentes materiais de metal/fibra e deposições de fibra. Em uma outra modalidade, cada núcleo é constituído de uma plurali- dade de tiras metálicas laminadas ou tiras laminadas metálicas com fibra que são pré-esticadas ou não esticadas que se depositam lado a lado na região núcleo para preencher a área entre revestimentos (por exemplo, a pluralidade de tiras pode se situar desde cerca de 100 tiras colocadas lado a lado, até cerca de 2 tiras colocadas lado a lado). Em um exemplo, o núcleo de reforço e/ou as tiras FML são esticadas para inverter as tensões residuais de cura no FML e colocar o alumínio em compressão. Acredita-se que esta distribuição de tensão residual torna as tiras mais insensíveis à fadiga. Em uma outra modalidade os revestimentos metálicos monolíticos ou revesti- mentos laminados são colocados uma camada de cada vez com os núcleos entre cada camada de revestimento e ligados com adesivo ou adesivo refor- çado com fibra e curados. Isto resulta substancialmente ou em nenhuma tensão residual quando adesivo é utilizado ou em um nível mais baixo de tensões de tração residuais no metal quando fibra/adesivo "pré-impregnado" é utilizado. Conseqüentemente, sob carga de fadiga acredita-se que as ra- chaduras de fadiga tenderão a crescer nos revestimentos e minimizar fadiga no núcleo. Acredita-se assim, que o núcleo irá ligar em ponte ("bridge") na rachadura, retardando o crescimento da rachadura no revestimento. Este efeito "ponte na rachadura" por meio do núcleo intacto deveria melhorar a resistência à fratura da estrutura em sanduíche danificada por rachaduras.
Em um exemplo sob cenários de dano acidental, o núcleo cen- tral da presente invenção pode melhorar resistência à fratura uma vez que os elementos de tira discretos atuam como elementos independentes que resistem à fratura rápida quando as tiras individuais quebram como elemen- tos discretos (por exemplo, quando as rachadura se propagam na tira de núcleo na direção da largura, que é a direção de interesse em estruturas de asa, alcançam as arestas da tira, elas devem reiniciar na próxima tira o que toma mais energia adicional). Em uma outra modalidade, ao fornecer uma construção FML de resistência mais elevada e/ou de rigidez mais elevada, a tira de núcleo relativa ao revestimento o resultado é aumentar a ligação em ponte da rachadura em carregamento à fadiga e aumentar a resistência re- sidual sob cenários de dano acidentais que envolvem penetração dos reves- timentos.
As tiras FML podem ser construídas de camada metálica refor- çada por uma camada de fibra/matriz. Material adequado utilizado para a camada de fibra inclui, porém não está limitado a, vidro, fibras ou fibras de resistência elevada de módulo elevado, tais como grafite, Zylon ou M5. Tiras laminadas metálicas de fibra de módulo elevado adequadas podem ser, po- rém não estão limitadas a, tais fibras emergentes tais como fibras Zylon ou M5. Em um caso as tiras que são utilizadas são não esticadas.
Em uma modalidade, os revestimentos laminados ou reforçados com fibra podem ser feitos ou (1) da mesma folha de têmpera de liga, ou (2) diversas folhas de liga/têmpera podem ser combinadas para produzir combi- nações de propriedades em cada revestimento do sanduíche.
Uma outra modalidade da presente invenção é utilizar uma folha espessa monolítica ou revestimento fino para a superfície aerodinâmica infe- rior e um revestimento laminado na superfície interna da asa. Em uma outra modalidade, o revestimento externo pode ser usinado e afunilado e confor- mado para contorno ou em quaisquer combinações das seqüencias de usi- nagem e conformação para alcançar o contorno final. O revestimento é ago- ra utilizado como um molde para colocação do núcleo e laminado interno ou revestimento reforçado com fibra. Em ainda outra modalidade, o conjunto poderia ser carregado com vácuo e conformado com pressão na autoclave e então curado, ou moldagem apropriada poderia ser utilizada para conformar o revestimento antes da cura. Os revestimentos e núcleos deveriam se con- formar à curvatura do revestimento inferior.
Assim será visto que o objetivo descrito acima, entre aqueles tornados evidentes da descrição precedente são alcançados de maneira efi- ciente e, uma vez que certas mudanças podem ser feitas no produto descrito sem se afastar do espírito e escopo da invenção, é projetado que todo o te- ma contido na descrição acima e mostrado nos desenhos que acompanham, seja interpretado como ilustrativo e não em um sentido de limitação.
Também deve ser entendido que as reivindicações a seguir tem a intenção de cobrir todas os aspectos genéricos e específicos da invenção aqui descrita, e todas as descrições do escopo da invenção que, como um tema de linguagem, podem ser ditas caírem entre elas.
Claims (9)
1. Método para produzir uma estrutura híbrida de asa de aero- nave que compreende as etapas de: produzir um revestimento inferior metálico usinado, seja por pré- usinagem, pré-conformação ou combinação dos mesmos; acabar o revestimento inferior metálico usinado; e fornecer um revestimento inferior metálico usinado acabado, que serve como um molde de deposição; colocar uma pluralidade de tiras de núcleo em cima do revesti- mento inferior metálico usinado acabado; arranjar um revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico de fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado em cima da plu- ralidade de tiras de núcleo para formar um módulo; e curar o módulo, no qual o revestimento inferior metálico usinado acabado é o elemento de transporte de carga na estrutura híbrida de asa de aeronave.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual as tiras de núcleo que compreendem no mínimo duas camadas metálicas entre as quais existe no mínimo uma camada de polímero reforçada com fibra.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual a pluralida- de de tiras de núcleo são selecionadas dentre o grupo que consiste em não esticadas, pré-esticadas e combinações das mesmas.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual no mínimo um revestimento com combinação de núcleo poder ser colocado dentro do módulo onde o revestimento é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado com núcleos tira lamina- dos metálicos de fibra entre cada revestimento.
5. Método para produzir uma estrutura híbrida de asa de aero- nave que compreende as etapas de: fornecer um molde de deposição; colocar um primeiro revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento lami- nado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado, sobre um molde de deposição; colocar uma pluralidade de tiras de núcleo em cima do revesti- mento; arranjar um segundo revestimento que é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento lami- nado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado, em cima da pluralidade de tiras de núcleo para formar um módulo; e curar o módulo.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, no qual as tiras de núcleo compreendem no mínimo duas camadas metálicas entre as quais existe no mínimo uma camada polimérica de reforço de fibra.
7. Método de acordo com a reivindicação 5, no qual o primeiro revestimento é um revestimento laminado metálico com fibra.
8. Método de acordo com a reivindicação 6, no qual o segundo revestimento é um revestimento laminado metálico com fibra.
9. Método de acordo com a reivindicação 5, no qual no mínimo um revestimento com combinação de núcleo pode ser colocado dentro do módulo onde o revestimento é selecionado dentre o grupo que consiste em um revestimento monolítico, um revestimento laminado metálico com fibra e um revestimento laminado metálico não reforçado com núcleos tira lamina- dos metálicos com fibra entre cada revestimento.
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