CN101535044A - 用于具有高刚度的层压式纵梁的飞行器或航空器的加强壳体和相对应的层压式纵梁 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设置有高刚度层压式纵梁的低重量的壳体结构。纵梁具有层压板的形式，所述层压板具有多个金属层(S1、S3、S5、S7)和设置在两个金属层(S1、S3、S5、S7)之间的至少一个合成纤维层(S2、S4、S6)，所述至少一个合成纤维层至少部分地由基纶纤维制造而成。

Description

用于具有高刚度的层压式纵梁的飞行器或航空器的加强壳体和相对应的层压式纵梁
技术领域
本发明涉及一种用于具有高刚度层压式纵梁的飞行器或航空器的壳体和一种相对应的层压式纵梁。
背景技术
虽然可以应用于任何结构，但是将参照由多个机身部分组成的飞行器机身的机身部分更详细地解释本发明和本发明所基于的挑战。
图3示意性地示出由多个机身部分组成的这种飞行器机身F的后机身部分A来解释普遍的问题。
图3中所示的飞行器机身F的后机身部分A在机身的端部的方向上由压力圆顶1限定，所述压力圆顶1向后弯曲。机身部分A包括一起形成圆柱体的六段。
附图标记2表示安装在相对应的横梁2a上的底板。外蒙皮或壳体5安装在环状框架3上。为了加固机身的蒙皮，纵梁4设置在框架3之间，并且这些纵梁4例如通过粘接或铆接连接到外蒙皮5。
纵梁4大致为Z形、L形或I形纵向加强元件，如果发生蒙皮损坏(大损坏可能性)，所述纵向加强元件提供第二载荷通路。纵梁4相对于机身垂直并平行于飞行器的纵向轴线延伸。纵梁4通常由铝合金制造而成。
最近，代替由单片铝结构制造外蒙皮5的原始技术，倾向于使用用于外蒙皮5的纤维金属层压式结构(FML)。WO94/01277公开了这种层压板的示例。
GLARE
Figure A200780040620D0003181401QIETU
是包括多个层的层压状材料的组合，每一层仅厚十分之几毫米。这些层交替地包括铝和玻璃纤维层压板，并在压力下被粘接。单词GLARE是“玻璃纤维增强铝”的首字母缩写。所述GLARE尤其被发展成用于飞行器结构，并首次用在AIRBUS A 380中的大区域上，在所述AIRBUS A 380，上外蒙皮的大部件由GLARE构成。与铝相比的优点具体地在于GLARE高损伤容限、低密度和良好的耐火极限。疲劳裂缝由玻璃纤维层桥接，使得裂纹扩展速率一直保持较低，而不管裂缝的长度，然而在铝的情况下，裂纹扩展速率急剧增加。
GLARE的密度为9.5％-13％，低于通常飞机结构中的铝的密度。在GLARE情况下，玻璃纤维通常组成大约30％的层压板。因为可以基于GLARE减小外蒙皮5的蒙皮厚度，即，减小外蒙皮5的横截面面积的特殊特性，GLARE使所述外蒙皮5具有相当大的重量减轻的可能。
GLARE的缺点是减小的弹性模量，与铝的弹性模量70GPa相比，所述减小的弹性模量大约为57GPa。由于低刚度，从GLARE部件到其它相邻的部件可以具有载荷转移。因此，GLARE的重量优点被周围结构的重量缺点抵消。与中心翼盒相比，这对于机身结构来说是固有的，因为中心翼盒本身具有更高的刚度。
EP1336469 A1公开了一种用于具有FML结构的飞行器或航空器的纵梁。
发明内容
本发明的目的是提供一种壳体或机身结构，通过所述壳体和所述机身结构，GLARE蒙皮的优点可以完全被利用，即，没有载荷转移。
本发明提供一种用于飞行器或航空器的具有专利权利要求1的技术特征的高刚度的FML纵梁和根据权利要求6的包括所述纵梁的机身结构。
本发明所基于的思想是将例如包括GLARE的纤维金属层压式外蒙皮与高弹性模量的特殊纵梁或支柱结合。具体地，本发明提出使用并入基纶纤维的成形的纤维金属层压式纵梁(例如为Z状形状)。这些纤维使纵梁的弹性模量的大小大约为90-98GPa。基纶纤维纵梁作为黑钢板在商业上获得，所有传统的成形方法可以应用于所述黑钢板。前述蒙皮/纵梁组合避免载荷转移，且FML结构另外减小了大约为15％-20％的通常重量。
在从属权利要求中可以发现本发明的有利改进、发展和提高。
根据优选的发展，纵梁具有Z状形状。
根据又一优选的发展，纵梁的弹性模量在90GPa与100GPa之间。
根据又一优选的发展，纵梁具有第一直侧部、中间区和第二直侧部，所述第一直侧部、中间区和第二直侧部借助于圆弧相互结合。
根据又一优选的发展，多个金属层由铝或铝化合物或铝合金制造而成。
附图说明
以下参照附图根据示例性实施例更详细地说明本发明，其中：
图1a示出了根据本发明的示例性实施例的机身结构的示意性俯视图；
图1b示出了沿图1中的线I-I截得的截面；
图2示出了根据图1a、1b的结构的纵梁；以及
图3示意性的示出由多个机身部分组成的飞行器机身的后机身部分，用于解释普遍问题。
在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的部件。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的示例性实施例的机身结构的示意性俯视图，图1b示出了沿图1的线I-I截得的截面，而图2示出了感激图1a、1b的结构的纵梁。
在图1中，附图标记SP1、SP2表示飞行器的机身结构的第一和第二框架，纵梁ST1、ST2、ST3设置在所述第一和第二框架之间，所述纵梁ST1、ST2、ST3在粘接表面K处粘接到框架SP1、SP2和GLARE的外蒙皮RH。
纵梁ST1、ST2、ST3具有竖直Z形剖面，如从图1b和图2中的截面可见。具体地，纵梁ST1、ST2、ST3具有第一直侧部SB1、中间区MB和第二直侧部SB2，所述第一直侧部SB1、中间区MB和第二直侧部SB2分别借助于半径为R1和R2的四分之一圆的圆弧相互结合。半径R1、R2优选地为45mm，高度H为38mm，厚度B为2.35mm，长度L1为34mm，并且长度L2为25mm。
纵梁ST1、ST2、ST3没有连接到框架SP1、SP2，而是通过粘接连接到外蒙皮RH。如从图1b可见，各个较短侧部SB2粘接到外蒙皮RH。
纵梁ST1、ST2、ST3包括铝/基纶纤维层压板、为铝层的层S1、S3、S5、S7和为基纶纤维层的层S2、S4、S6。基纶是合成纤维，并具有高撕裂强度，且同样具有高弹性。基纶仅在环境具有的人工制造的氧气含量超过68％的情况下才燃烧。融化温度达到大约650℃。基纶由聚(聚苯撑苯并二噁唑)(poly(p-phenylene-2，6-benzobisoxazole))的固态杆状分子链构成，所述聚(聚苯撑苯并二噁唑)也被称为PBO。
GTM公司正在研发一种具有基纶纤维的纤维金属层压板，所述纤维金属层压板包括铝层和基纶纤维层，所述纤维金属层压板适于纵梁ST1、ST2、ST3。材料在高压釜内固化之后必需拉伸，并因此以单向纤维增强的形式被制造而成。
与铝结构相比，由这种具有弹性模量大约为94GPa的基纶纤维纵梁代替传统的铝纵梁使所述基纶纤维纵梁对于相同的刚性减少13.8％的重量。如果增加基纶纤维纵梁内的纤维含量，弹性模量增加到大约98GPa，并且重量减小的可能性增加到15.7％。
虽然这里已经根据优选的示例性实施例说明了本发明，但是本发明不限于所述优选的示例性实施例，而是可以以各种方式修改本发明。
具体地，纵梁的层的几何结构形状和数量以及所示的安装方式仅通过示例的方式给出，并且可以被改变成应用于特殊应用。
代替粘接纵梁，例如，铆接也是可以的。
附图标记列表
SP1、SP2                  框架
ST1、ST2、ST3             纵梁
RH                        外蒙皮
K                         粘接区
SB1、SB2                  侧区
MB                        中间区
S1、S3、S5、S7            铝层
S2、S4、S6                基纶纤维层
1                         压缩框架
2                         底板
2a                        横梁
3                         框架
4                         纵梁
5                         壳体
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种特别是飞行器或航空器的机身结构，其中多个纵梁(ST1、ST2、ST3)设置在第一和第二框架(SP1、SP2)之间，外蒙皮(RH)安装在所述第一和第二框架(SP1、SP2)上；其中所述多个纵梁(ST1、ST2、ST3)中的每一个在相应的粘接表面(K)处粘接到所述第一和第二框架(SP1、SP2)和所述外蒙皮(RH)；其中所述纵梁(ST1、ST2、ST3)中的每一个包括多个金属层(S1、S3、S5、S7)和设置在每两个金属层(S1、S3、S5、S7)之间的相应的合成纤维层(S2、S4、S6)，其中所述合成纤维层(S2、S4、S6)至少部分地由聚(聚苯撑苯并二噁唑)纤维制造而成。
2.根据权利要求1所述的机身结构，其中，所述纵梁(ST1、ST2、ST3)具有Z状形状，所述Z状形状包括第一直侧部(SB1)、中间区(MB)和第二直侧部(SB2)，所述第一直侧部、中间区和第二直侧部借助于圆弧相互结合；并且其中所述相应的第二直侧部(SB2)粘接到所述外蒙皮(RH)。
3.根据权利要求1或2所述的机身结构，其中，所述第二直侧部(SB2)比所述第一直侧部(SB1)短。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的纵梁，其中，所述纵梁(ST1、ST2、ST3)的弹性模量在90GPa与100GPa之间。
5.根据前述权利要求任一项所述的机身机构，其中，所述多个金属层(S1、S3、S5、S7)中的每一个由铝或铝化合物或铝合金制造而成。
6.根据前述权利要求任一项所述的机身机构，其中所述外蒙皮(RH)由层压状材料组合制造而成，所述层压状材料组合包括多个层，其中所述层交替地包括铝和玻璃纤维层压板、并被粘接。

Claims (8)

1.一种用于飞行器或航空器的层压形式的纵梁，所述纵梁包括多个金属层(S1、S3、S5、S7)和设置在两个金属层(S1、S3、S5、S7)之间的至少一个合成纤维层(S2、S4、S6)，所述至少一个合成纤维层至少部分地由基纶纤维制造而成。
2.根据权利要求1所述的纵梁，其特征在于：所述纵梁具有Z状形状。
3.根据权利要求1所述的纵梁，其特征在于：所述纵梁的弹性模量在90GPa与100GPa之间。
4.根据权利要求1所述的纵梁，其特征在于：所述纵梁具有第一直侧部(SB1)、中间区(MB)和第二直侧部(SB2)，所述第一直侧部、中间区和第二直侧部借助于圆弧相互结合。
5.根据权利要求1所述的纵梁，其特征在于：所述多个金属层(S1、S3、S5、S7)由铝或铝化合物或铝合金制造而成。
6.一种特别是飞行器或航空器的机身结构，所述机身结构具有根据前述任一项权利要求所述的纵梁。
7.根据权利要求6所述的机身结构，其特征在于：所述纵梁通过粘接区(K)或者可选地借助于铆钉连接到二维结构元件，特别是连接到外蒙皮(5)。
8.根据权利要求7所述的机身结构，其特征在于：所述二维结构元件由GLARE制造而成。
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