BRPI0721604A2 - caixa de torÇço multilongarinas integradas de material compàsito - Google Patents

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BRPI0721604A2
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Maria Pilar Munoz Lopez
Francisco Jose Cruz Dominguez
Jose David Cano Cediel
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Airbus Operations Sl
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Abstract

CAIXA DE TORÇçO DE MULTILONGARINAS INTEGRADAS DE MATERIAL COMPàSITO. A presente invenção refere-se a uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, compreendendo um revestimento inferior (12), um revestimento superior (11), diversas longarinas (9), cada uma das quais compreende, por sua vez, uma corda (13) e uma alma (14), diversos reforçadores longitudinais (10) no revestimento inferior (12) e diversos reforçadores longitudinais (10) no revestimento superior (11), caracterizada pelo fato de a estrutura de caixa de torção integrada ser obtida por meio de junção de elementos estruturais unitários em forma de U (15), elementos estruturais unitários em forma de U (16) com um flape e elementos estruturais unitários em forma de C (17) com um flape. A invenção também se refere a um método para a fabricação de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material com- pósito para aeronave.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CAIXA DE TORÇÃO DE MULTILONGARINAS INTEGRADAS DE MATERIAL COM- PÓSITO".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a uma estrutura de caixa de tor-
ção de multilongarinas integradas de material compósito, bem como a um método para a fabricação dessa estrutura. Antecedentes da Invenção
É conhecido comumente que a indústria aeronáutica requer es- truturas que, por um lado, podem suportar as cargas às quais elas são sub- metidas, em conformidade com as exigências de alta resistência e rigidez e, por outro lado, são tão leves quanto possível. Um resultado dessa exigência é o uso cada vez mais estendido de materiais compósitos em estruturas pri- márias das aeronaves, envolvendo uma importante economia de peso, com- parado com o uso de materiais metálicos.
A principal estrutura para suportar superfícies de aeroplanos é formada por uma borda de ataque, uma caixa de torção e uma borda de fu- ga. A caixa de torção de uma aeronave, por sua vez, é formada por diversos elementos estruturais. Tipicamente, o processo de fabricação de uma caixa de torção é consideravelmente manual e é realizado em um número de eta- pas. Os elementos estruturais que formam a caixa são fabricados separa- damente e são unidos mecanicamente com o auxílio de gabaritos complica- dos para obter as tolerâncias necessárias, que são dadas pelas exigências aerodinâmicas e estruturais. Isso envolve diferentes estações de montagem e uma grande quantidade de elementos de junção, o que ocasiona desvan- tagens de peso, altos custos de produção e montagem, maior capacidade logística necessária e pior qualidade aerodinâmica em superfícies externas. Se as partes são feitas de material compósito, elas são fabricadas por meio de empilhamento das diferentes camadas de fibras e, desse modo, formam o elemento desejado, camada por camada. Nesse ponto, o material compó- sito requer um processo de cura muito caro para se obter todas as suas pro- priedades. Por essa razão, recentemente, tem havido grandes esforços pa- ra obter um nível cada vez maior de integração na produção de caixas de torção em material compósito e, assim, impedir as desvantagens antes men- cionadas. O problema consiste, principalmente, em geração de pressão sufi- ciente em todos os elementos durante o processo de cura conjunto.
Desse modo, há diversos documentos conhecidos descrevendo métodos de fabricação que obtêm a integração de elementos estruturais típi- cos, com o auxílio de gabaritos de cura especiais, montagem dos elementos restantes nos estágios de montagem a seguir. Esse é o caso da patente US N0 5216799 (integração de nervuras com longarinas), documento de patente EP 1074466A1 (integração de nervuras) e da patente US N0 5735486 (inte- gração de reforçadores longitudinais - revestimentos). Outros níveis de inte- gração são obtidos com as soluções apresentadas na patente US N0 6237873B1, descrevendo a fabricação de seções transversais fechadas e sua junção subsequente e na patente US N0 6190484B1, onde caixas contí- guas são unidas para serem curadas conjuntamente.
Os documentos de patente EP 0582160A1, US 6896841B2, US 5454895, WO 2004/000643A2 e US 5817269 estão focalizados no sistema de gabarito para permitir a fabricação da parte completa em uma única cura com boa qualidade, quer com gabaritos que são inflados durante a cura ou com o uso da diferença de expansão térmica de diferentes materiais para exercer pressão durante a cura em altas temperaturas.
Contudo, todas essas soluções começam a partir da base de "pré-empilhamento" individual dos elementos estruturais básicos e cura dos mesmos conjuntamente com os gabaritos adequados, que não é uma integra- ção real completa, enquanto, ao mesmo tempo, os custos de fabricação são altos, devido ao alto número de partes a serem empilhadas, havendo, ainda, uma passagem não-uniforme de cargas entre os elementos empilhados.
A presente invenção tem por objetivo resolver essas desvanta-
gens.
Sumário da Invenção
Portanto, a presente invenção se refere a uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aerona- ve, compreendendo os seguintes elementos estruturais:
- revestimento inferior
- revestimento superior
- diversas longarinas, que, por sua vez, são formadas por:
- Corda
-Alma
- diversos reforçadores longitudinais no revestimento superior
- diversos reforçadores longitudinais no revestimento inferior.
A caixa de torção anterior é criada começando de elementos in-
dividuais em material compósito, que já estão integrados a partir do empi- Ihamento e que, por sua vez, assumem diversas funções estruturais (eles fazem parte do reforço longitudinal, da Iongarina e/ou do revestimento, ao mesmo tempo), obtendo uma estrutura integrada completa requerida, medi-
ante a junção de diversos desses elementos, antes da fase de cocura final. Isso envolve ter todas as vantagens de uma estrutura integrada, além de uma economia maior nos custos de fabricação, visto que há menos partes a serem empilhadas e uma passagem mais uniforme de cargas entre os ele- mentos empilhados.
A presente invenção ainda se refere a um método para fabrica-
ção de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, compreendendo as seguintes etapas:
1) empilhamento de um composto com ou sem reforçadores longitudinais integrados, realizado por qualquer processo manual ou automá-
tico;
2) curvatura do laminado ou laminados pela aplicação do ciclo adequado e com o gabarito adequado;
3) junção dos diversos elementos que formarão a estrutura de- sejada;
4) consolidação da estrutura completa por meio de aplicação de
um único ciclo de pressão e temperatura.
Outras características e vantagens da presente invenção serão compreendidas a partir da descrição detalhada seguinte de uma modalidade ilustrativa de seu objeto em relação às figuras anexas. Descrição dos Desenhos
A figura 1 mostra uma caixa de torção de um estabilizador hori- zontal de aeronave com uma estrutura de multinervuras típica.
A figura 2a mostra o interior de uma asa de avião militar com uma estrutura de multilongarinas típica.
A figura 2b mostra um corte transversal do interior de uma asa de avião militar com uma estrutura de multilongarinas típica. A figura 2c mostra uma Iongarina típica de uma asa de avião mi-
litar com uma estrutura de multilongarinas típica.
A figura 3 mostra, esquematicamente, um corte transversal de uma caixa de multilongarinas com reforçadores longitudinais, objeto da pre- sente invenção.
A figura 4 mostra, esquematicamente, um corte transversal de
uma caixa de multilongarinas com elementos estruturais que formam a mesma, objeto da presente invenção.
A figura 5 mostra, esquematicamente, um elemento estrutural em forma de U do tipo 1, formando uma caixa de multilongarinas com refor- çadores longitudinais, objeto da presente invenção.
A figura 6 mostra, esquematicamente, um elemento estrutural em forma de U do tipo 2, com um flape formando uma caixa de multilongari- nas com reforçadores longitudinais, objeto da presente invenção.
A figura 7 mostra, esquematicamente, um elemento estrutural em forma de C do tipo 3, com um flape formando uma caixa de multilongari- nas com reforçadores longitudinais, objeto da presente invenção.
A figura 8 mostra o empilhamento plano de um elemento estru- tural formando uma caixa de multilongarinas com reforçadores longitudinais, objeto da presente invenção. A figura 9 mostra, esquematicamente, a curvatura de um ele-
mento estrutural formando uma caixa de multilongarinas com reforçadores longitudinais, objeto da presente invenção. A figura 10 mostra o resultado de uma curvatura e de uma pos- sível segunda curvatura de um elemento estrutural formando uma caixa de multilongarinas com reforçadores longitudinais, objeto da presente invenção.
A figura 11 mostra a junção de dois elementos estruturais, for- mando reforçadores longitudinais em forma de I e painel, formando uma cai- xa de multilongarinas com reforçadores longitudinais, objeto da presente in- venção.
A figura 12 mostra a junção de dois elementos estruturais, for- mando reforçadores longitudinais em forma de T e Iongarinas e painel, for- mando uma caixa de multilongarinas com reforçadores longitudinais, objeto da presente invenção.
A figura 13 mostra a posição das mechas unindo dois elementos estruturais formando uma caixa de multilongarinas, com reforçadores longi- tudinais, objeto da presente invenção Descrição Detalhada da Invenção
A invenção se refere a uma estrutura de caixa de torção de mul- tilongarinas integradas de materiais compósitos com reforçadores longitudi- nais, com uma seção transversal em forma de T ou em forma de I, todos sendo cocurados. O material compósito pode ser fibra de carbono e fibra de vidro com termocura ou resina termoplástica. O principal campo de aplicação é a estrutura aeronáutica com superfícies de sustentação, embora também possam ser aplicadas a outras estruturas com características similares.
Uma estrutura integrada é uma em que os diferentes elementos estruturais submetidos à diferentes tensões (tensão de cisalhamento, tensão normal, etc.) são fabricados de uma vez ou começam de uma parte única. Essa é outra vantagem do uso de materiais compósitos porque, devido as suas condições de camadas independentes, que podem ser empilhadas na maneira desejada, eles oferecem a possibilidade de integração adicional à estrutura, o que ainda causa uma economia nos custos, uma vez que há menos partes individuais a serem montadas.
A estrutura principal de superfícies de suporte de aeroplanos é formada por uma borda de ataque, uma caixa de torção e uma borda de fu- ga. A caixa de torção é uma estrutura típica formada por um painel superior e um painel inferior com paredes finas e Iongarinas dianteira 2 e traseira 3. Outros elementos estruturais, tais como nervuras 4 e reforçadores longitudi- nais 5, podem estar no interior da caixa de torção, elementos reforçadores também sendo necessários em alguns desses componentes, dada a sua extrema finura.
Dependendo das exigências estruturais e das exigências de fa- bricação, capacidade de manutenção, certificação, etc., todos esses elemen- tos podem ou não ser essenciais e podem ser mais ou menos eficazes. A estrutura mais usada atualmente para uma caixa de torção
compreende, internamente, diversas nervuras transversais 4 entre as Ionga- rinas dianteira 2 e traseira 3, nervuras cujas principais funções são propor- cionar rigidez torcional, limitar os revestimentos e os reforços longitudinal- mente, de modo a discretizar as cargas de arqueamento e manter a forma da superfície aerodinâmica (veja a figura 1). Essa estrutura, usualmente, é ainda reforçada longitudinalmente pelos reforços 5.
Outro conceito estrutural de uma caixa de torção é a multilonga- rina (veja figura 2), onde as nervuras são distribuídas e as multilongarinas 6 são introduzidas, Iongarinas que compreendem, por sua vez, uma corda ou perna 7 e alma 8.
O objeto da presente invenção é a criação de uma estrutura de caixa de torção altamente integrada, sem nervuras, com diversos reforçado- res longitudinais, em forma de I ou de T, 10 (reforçadores longitudinais) e Iongarinas 9, para obter uma estrutura efetiva com relação à resistência/ri- gidez e baixo peso. Uma estrutura integrada pode, assim, significar uma e- conomia nos custos de fabricação e um aperfeiçoamento na qualidade.
A caixa de multilongarinas, objeto da presente invenção, é for- mada pelos revestimentos 11 e 12, que são os elementos que fecham a cai- xa na parte superior e inferior e são caracterizados pelo fato de suportarem, principalmente, a compressão - tração e cisalharem as cargas no plano. Os reforçadores longitudinais 10 foram introduzidos para obter rigidez suficiente desses painéis 11 e 12 e estabilizam os mesmos contra arqueamento, sem aumentar sua espessura. Os reforçadores longitudinais também assumem parte dos fluxos longitudinais resultantes dos momentos de curvatura.
Por outro lado, há multilongarinas 9 que, como os revestimentos 11 e 12, são estruturas de paredes finas típicas. Elas devem suportar, prin- cipalmente, cargas de curvatura e torção. De maneira simplificada, os fluxos de cisalhamento resultantes devem ser suportados pela alma da Iongarina 9, enquanto as pernas ou cordas das Iongarinas 9 devem suportar as cargas de tração e compressão resultantes da curvatura.
Portanto, do ponto de vista estrutural, a caixa compreende os seguintes elementos:
- revestimento inferior 12
- revestimento superior 11
- diversas Iongarinas 9, que, por sua vez, são formadas por:
- corda 13 -alma 14
- diversos reforçadores longitudinais 10 no revestimento superior
11
- diversos reforçadores longitudinais 10 no revestimento inferior 12.
O processo para produção de uma caixa de torção de acordo
com a presente invenção é realizado de modo que os elementos em forma de U 15 (tipo 1), os elementos em forma de U 16 com um flape (tipo 2) ou os elementos em forma de C 17 com um flape (tipo 3) são formados individual- mente, quando as camadas de fibras 20 são empilhadas. Cada um desses elementos 15, 16, 17 assume diversas funções estruturais, que, quando uni- dos, dão origem à configuração completa desejada. Em uma última etapa, todo o componente é curado em um único ciclo e uma estrutura de caixa de multilongarinas completamente integradas incluindo reforçadores longitudi- nais 10 é obtida.
As etapas detalhadas do processo para a fabricação de uma
caixa de torção de multilongarinas de material compósito serão descritas abaixo, processo que é dividido em quatro etapas: Na etapa 1, as camadas de fibra de carbono ou fibra de vidro 20 são empilhadas separadamente de maneira plana, camadas que formam cada elemento 15, 16, 17. Essas pilhas podem, perfeitamente, ter reforçado- res 19, serem submetidas a mudanças de plano e ter mudanças de empi- Ihamento de acordo com se mais tarde farão parte de um painel 11, 12, da Iongarina 9 ou do reforço longitudinal 10, conforme mostrado na figura 8.
Na etapa 2, a pilha é curvada. Essa curvatura pode ser realiza- da de maneiras diferentes, de preferência, por meio de aplicação de um ciclo de vácuo e temperatura 22, moldando a pilha com a geometria desejada por meio do gabarito adequado 21, gabarito que copia sua geometria interna, conforme mostrado na figura 9.
Se um reforço longitudinal em forma de I 10 for requerido, pode- ria ser necessário curvar uma segunda vez (figura 10) para se obter um ele- mento 16 do tipo 2.
Na etapa 3, os diferentes elementos são unidos para formar a
estrutura integrada, de acordo com as figuras 11 e 12. Pode ser necessário introduzir mechas (tiras de fibras unidirecionais, que devem ser do mesmo material que aquele usado nas pilhas ou um material compatível) nessa fase para impedir folgas e, assim, assegurar uma cocura óptica (figura 13). Tam- bém é possível que pilhas contínuas sejam requeridas fora da caixa, o que corresponderia a revestimentos puros, elementos 18 do tipo 4.
Na etapa 4, a estrutura completa é curada por meio de aplica- ção de um ciclo de pressão e temperatura, com o auxílio do sistema de ga- barito adequado, o que permite a compactação adequada de todas as áreas da estrutura.
As modificações compreendidas dentro do escopo definido pe- las reivindicações a seguir podem ser introduzidas na modalidade que aca- bou de ser descrita.

Claims (13)

1. Estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, compreendendo um revestimento inferior (12), um revestimento superior (11), diversas Iongarinas (9), cada uma das quais compreende, por sua vez, uma corda (13) e uma alma (14), diversos reforçadores longitudinais (10) no revestimento inferior (12) e diversos refor- çadores longitudinais (10) no revestimento superior (11), caracterizada pelo fato de a estrutura de caixa de torção integrada ser obtida por meio de jun- ção de elementos estruturais unitários, em forma de U (15), elementos estru- turais unitários em forma de U (16) com um flape e elementos estruturais unitários em forma de C (17) com um flape.
2. Estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizada pelo fato de o material compósito ser fibra de carbono.
3. Estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizada pelo fato de o material compósito ser fibra de vidro com resina de ter- mocura.
4. Estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizada pelo fato de o material compósito ser fibra de vidro com resina termo- plástica.
5. Estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de compreender nervuras transver- sais conferindo maior rigidez torcional e rigidez contra arqueamento à estru- tura mencionada.
6. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, caracte- rizado pelo fato de compreender as etapas de: a) empilhamento separadamente de maneira plana das cama- das de fibras (20) formando cada elemento (15, 16, 17); b) curvatura da pilha: c) junção dos diferentes elementos (15, 16, 17) para moldar a estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas; d) cura da estrutura completa por meio de aplicação de um ciclo de pressão e temperatura, com o auxílio de um sistema de gabarito (21), permitindo a compactação adequada de todas as áreas da estrutura.
7. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de a- cordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de as pilhas de cama- das de fibras (20), formando cada elemento (15, 16, 17), compreenderem reforçadores (19).
8. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de a - cordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de as pilhas de camadas de fibras (20) formando cada elemento (15, 16, 17) serem subme- tidas a mudanças de planos e mudanças de empilhamento de acordo com se mais tarde farão parte de um painel (11, 12) de uma Iongarina (9) ou de um reforço longitudinal (10).
9. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de a- cordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de a pilha das camadas de fibras (20) formando cada elemento (15, 16, 17) ser curvada por meio de aplicação de um ciclo de vácuo e temperatura (22), moldando a pilha com a geometria desejada por meio de um gabarito ade- quado (21), gabarito que copia sua geometria interna.
10. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de tor- ção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de as tiras de fibras unidirecionais chamadas mechas serem introduzidas na etapa de junção de diferentes elementos (15, 16, 17) para moldar a estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas.
11. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de tor- ção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de as tiras de fibras unidirecionais serem do mesmo material que aquelas da pilha.
12. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de tor- ção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de as tiras de fibras unidirecionais serem de um material compatível com o material da pilha.
13. Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de tor- ção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 12, caracterizado pelo fato de, na etapa de junção dos diferentes elementos (15, 16, 17), para moldar a estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas, pilhas contínuas, correspondentes aos revestimentos puros (18), serem introduzidas fora da caixa de torção mencionada.
BRPI0721604-1A 2007-04-30 2007-04-30 Método para a fabricação de uma estrutura de caixa de torção de multilongarinas integradas de material compósito para aeronave BRPI0721604B1 (pt)

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