CN101547786A - 复合结构 - Google Patents
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Abstract
一种复合结构，该复合结构包括：由两个或更多个复合材料板层形成的面板，该面板具有形成有台阶的表面，在该台阶处面板的厚度改变。在面板的表面上附装有两个或更多个加强件。所述加强件中的一个与所述台阶的至少一部分接合以便传递面板中的载荷力。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合结构，一种制造复合结构的方法，以及一种在复合结构中传递载荷的方法。该结构可例如为飞行器外壳，但不限于这种应用。
背景技术
图1中所示的复合飞行器外壳结构包括面板1，该面板具有内模制线表面(IML)和外模制线表面(OML)，该内模制线表面形成有斜坡2，该外模制线表面形成飞行器的外部空气动力学表面。IML上附装有一对纵梁(stringer)3、4，所述纵梁沿面板的长度在翼展方向上延伸，从而增强面板以防止其沿翼展方向弯曲。
该外壳经由三个肋脚5-7与肋接合，所述肋脚被一对为纵梁叶片(blade)提供间隙的“鼠洞式”狭缝3’、4’隔开。每个肋脚5-7均具有各自的凸缘5’-7’，所述凸缘与肋脚的连结板成直角地延伸。通过使紧固件9穿过纵梁足部、面板以及肋脚凸缘而将该外壳接合至肋。
图1所示结构的问题在于，斜坡2必须较浅(通常具有相对于OML不超过1:20的斜度)以避免载荷偏心。此外，优选在纵梁足部下方IML平行于OML(因为这使得更容易在纵梁足部上安装肋脚)，并且因此优选斜坡不延伸到纵梁足部下方。结果，难以使面板厚度在两个纵梁之间发生显著变动。这种厚度的大变动例如在发动机或塔支架(pylon mount)的区域中可能是希望的，在这些区域中需要较厚的外壳。
发明内容
本发明提供了一种复合结构，该复合结构包括：
由两个或更多个复合材料板层形成的面板，该面板具有形成有台阶的表面，在该台阶处所述面板的厚度改变；以及
附装到所述面板的表面的两个或更多个加强件；
其中，所述加强件中的一个与所述台阶的至少一部分接合。
本发明还提供了一种制造复合结构的方法，该方法包括：使面板形成有台阶；在所述面板的表面上附装多个加强件；以及使所述台阶的至少一部分与所述加强件中的一个接合。
本发明还提供了一种在复合结构中传递载荷的方法，该方法包括在台阶和与该台阶的至少一部分接合的加强件之间传递载荷。
该复合结构可以是飞行器的一部分，例如机翼或机身外壳，或者可以为任何需要面板厚度急剧改变的加强复合结构。
本发明的各种优选特征由从属权利要求中给出。
附图说明
下面将参照附图说明本发明的实施方式，在附图中：
图1是复合飞行器外壳结构的示意性横截面；
图2是根据本发明第一实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面；
图3是安放在面板上的纵梁和心轴；
图4示出形成一个纵梁的方法；
图5a详细示出图2的结构的一部分；
图5b示出斜坡的一种变型；
图5c示出面板内具有非垂直台阶的一种变型；
图5d示出具有填料的一种变型；
图6是根据本发明第二实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面；
图7是根据本发明第三实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面；
图8是根据本发明第四实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面；
图9是根据本发明第五实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面；
图10是根据本发明第六实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面；以及
图11是根据本发明第七实施方式的复合飞行器外壳结构的示意性横截面。
具体实施方式
图2中示出的复合飞行器外壳结构包括由堆叠的复合材料板层形成的面板10。该面板10具有内模制线表面(IML)和外模制线表面(OML)11，该内模制线表面形成有台阶22和斜坡12，该外模制线表面形成飞行器的外部空气动力学表面。OML 11示出为在弦向方向上具有平的横截面，但它也可根据需要而在翼展和弦向方向上都略微弯曲以具有期望的空气动力学特性。由于在OML 11中没有台阶，所以面板10的厚度在IML中的台阶22处突然改变。
面板10通过在图3所示的OML工具23上铺放堆叠的“预浸料坯”(预浸渍有未固化的环氧树脂的不定向碳纤维层)板层而形成。OML工具23成形以便赋予OML期望的轮廓。然后通过在面板上放置装袋层(即去皮板层、释放膜、呼吸层和真空袋)并将真空袋的边缘密封到OML工具23来“袋装”该面板。袋装后，通过在高压灭菌器中将面板加热到固化温度，并排空真空袋和面板之间的空间(同时增加高压灭菌器中的压力)以向面板施加固结压力来在第一固化循环中固化该面板。
为保证台阶22的表面平滑并处于希望的角度，可在固化期间用增强板(未示出)向台阶22的表面施加附加压力，以便控制其几何形状。或者，可在固化后利用刨槽机加工台阶22。
然后将第一纵梁13在台阶22的较厚侧上附装到IML，并将第二纵梁14在台阶22的较薄侧上附装到IML。纵梁13、14沿面板的长度顺翼展方向延伸，从而加强面板以防其在翼展方向上弯曲。纵梁13、14均由相似的工艺形成，图3和4详细示出了一个纵梁13的形成和附装方法。在图4所示的第一步骤中，通过在一对心轴42、43上铺放堆叠的预浸料坯板层而形成一对L形截面的预成型件40、41，每个预浸料坯板层都围绕心轴的一角部弯曲。在图3所示的第二步骤中，在固化的面板10上背对背地安放一对L形截面的预成型件40、41，其中可选地在每个预成型件的叶片部分之间具有预浸料坯填料层44。虽然每个预成型件40、41的角部处的外边缘在图4中示意性地示出为尖形边缘，但实际中也可具有留出间隙的倒圆，该间隙在心轴安放到面板上之前填充有填料材料(未示出)。合适的填料材料包括一段翼展长度的卷起或模制成形(通常称为“长条(noodle)”)的CFRP预浸料坯，或者一些形式的结构粘合剂。每个心轴具有凸台区域45，该凸台区域延伸超过纵梁足部并且与面板10接合，以便支撑心轴的重量。纵梁13、14然后在与上述第一固化循环类似的第二固化循环中固化。
回到图2，每个纵梁均包括一对附装到面板10的IML的足部24-27，以及加强部28、29(通常称为“叶片”)，所述加强部相对于足部以一定角度远离面板延伸到肋脚之间的相应“鼠洞式”狭缝13’、14’中。每个足部均从叶片延伸到远离叶片的足尖部。足部25的足尖部30与台阶22之间的界面在图5a中详细示出。
图5a以虚线示出各个预浸料坯板层。由于可以采用各种板层斜坡形成技术，因此斜坡12虚线区域只是描述性的。后面将解释斜坡的形成。如可从图5a中看出的，台阶22是通过面板10中不连续板层的边缘形成的所谓“陡壁边缘”。优选具有两个以上的不连续板层，在图5a所示的示例中，有六个不连续板层(但也可使更多或更少的板层不连续以形成期望高度的台阶)。纵梁足部25的足尖部30也通过六个不连续板层的边缘而形成，所述边缘与台阶22的表面接合，如图5a所示。
当纵梁已经固化后，去除心轴，并在IML上铺放盖板21，以桥接台阶的上侧上的面板10和台阶下侧上的第二纵梁14的足部25。盖板21由一个或多个复合材料板层形成，所述复合材料例如为玻璃纤维增强的环氧树脂(GFRP)或碳纤维增强的环氧树脂(CFRP)。在图5a所示的示例中，盖板21由三个板层形成，但也可铺放更多或更少的板层以形成期望厚度的盖板。然后在第三固化循环中固化该盖板21。或者，可将盖板21制造成如图4所示的预成型件40的一部分。在这种情况下，只需要两个固化循环，但可能需要更复杂的加工。
为确保纵梁足部25和台阶22之间的密切接合，形成纵梁足部的足尖部30的不连续板层可以可选地切割(例如利用刀片，音速刀或者水射流)，以便以期望的角度提供平滑表面。或者，可在第二固化循环中用增强板(未示出)在足尖部30的区域施加附加压力，以便形成具有期望几何形状的足尖部。由于足尖部30和台阶22之间的接合，压缩载荷力(在图5a中由直块箭头示出)直接在足尖部30和台阶22之间传递。拉伸载荷力(在图5a中由弯曲块箭头示出)经由盖板21在面板和纵梁足部25之间传递。这样，盖板21确保足尖部30和台阶22之间的界面在面板承受使IML被拉伸的弯曲力矩时不打开。
在纵梁之间在面板的IML中形成斜坡12。该斜坡通过使面板内部的选定板层(例如每隔一个板层)不连续而形成，图5a中所示的其余板层会聚以形成斜坡。不连续的内部板层未在图5a中示出。斜坡12的表面由此具有较平滑的轮廓，因为它是由连续的表面板层形成的。
图5b中示出一种替代性的斜坡结构。在该例中，通过使面板的多个表面板层不连续以形成具有台阶轮廓的斜坡12’而形成斜坡。
图5c中示出面板中的台阶和纵梁足部之间的一种替代性界面。在该例中，以一定角度切割纵梁足部的足尖部30’和斜坡22’。
面板中的台阶和纵梁足部之间的另一替代性界面在图5d中示出。在该例中，在其中面板的板层不连续的边缘50和足尖部30之间存在间隙。该间隙填充有与前述相似的填料材料51。填料材料51与纵梁足尖部30和形成边缘50的复合材料板层的边缘接合，以便传递压缩载荷力。
然后通过将外壳接合到肋而将该外壳集成到翼盒，如图2所示。该肋具有三个肋脚15-17，所述肋脚由为纵梁叶片提供间隙的一对“鼠洞式”狭缝13’、14’分开。每个肋脚15-17具有各自的凸缘15’-17’，所述凸缘相对于肋脚的连结板成直角延伸。通过使紧固件19穿过纵梁足部、面板和肋脚凸缘而将外壳接合到该肋，如图2所示。
在肋凸缘16和面板之间存在间隙18。该间隙18是所期望的，以便在肋的两侧在燃料室中形成燃料流。或者，如果不需要间隙18，则可使肋脚16向下摇摆以填充间隙18并与面板接合，并且可在纵梁13、14之间的中间点处穿过面板和肋脚的凸缘16’安装另一紧固件(未示出)。
图6中示出第二外壳结构。该结构与图2的结构相似，并且与图2的元件对应的元件采用相同的标号。可以看到，图6的结构省略了纵梁之间的斜坡12。
图7中示出第三外壳结构。该结构与图2的结构相似，并且与图2的元件对应的元件采用相同的标号。与图2中的离散斜坡12不同，图7的结构具有形成在其IML中的连续斜坡，该斜坡在两个纵梁下方延伸。
图8中示出第四外壳结构。该结构与图2的结构相似，并且与图2的元件对应的元件采用相同的标号。可以看到，图8中未示出斜坡。此外，纵梁14’略微不同于图2的纵梁14。具体地，形成纵梁14’的左侧预成型件的叶片部分延伸超出右侧预成型件的叶片部分。因此，在纵梁14’的基部中存在与面板中的台阶55接合的台阶56。可以看到，纵梁14’横跨该台阶，这与仅在台阶的较薄侧上附装到面板的纵梁14不同。
图9中示出第五外壳结构。该结构与图2的结构相似，并且与图2的元件对应的元件采用相同的标号。可以看到，图9中未示出斜坡。此外，两个纵梁以不同的方式形成。左侧纵梁的叶片由一对层60、61(可选地由图9中未示出的预浸料坯填料层隔开)形成。层61延续至右侧纵梁，并由此形成面板的表面层以及右侧纵梁的叶片的左侧部分。面板的下一层62终止而形成台阶63。该台阶63在台阶64处与层60接合，在该台阶64处，层60的叶片部分的基部延伸超出层61的叶片部分的基部。层60向左侧延续而形成下一纵梁(未示出)的叶片的右侧部分。层60、61、62可仅由一个板层形成，但在大多数情况下可由两个或更多个预浸料坯板层形成。可以看到，左侧纵梁横跨台阶，与图8中的纵梁14’的方式相同。
图10中示出第六外壳结构。薄片状复合面板70形成有台阶71。在面板70的IML上安装有一对“顶帽”纵梁。左侧纵梁横跨该台阶，并具有一对加强部74、75、连接加强部74、75的连结板76、以及从加强部73、74延伸的足部72、73。台阶71与加强部74接合，其中加强部74的基部与纵梁足部72相接。紧固件77、78穿过纵梁足部72、73以及面板70。肋脚(未示出)可通过紧固件附装到纵梁连结板76，或者可通过图10中示出的紧固件77、78附装到纵梁足部。
图11示出第七外壳结构。这是图10的结构的变型，并且与图10中的元件对应的元件采用相同的标号。在该例中，面板中的台阶71’比纵梁足部72深，并且与加强部74的较长长度接合。
在另一种变型(未示出)中，各纵梁可仅由单个L形预成型件形成，其中纵梁足部的足尖部或纵梁叶片的基部与面板中的台阶接合。
下面将说明各种实施例的优点。
面板中的台阶使得外壳厚度能具有较大和急剧的变化。如果台阶位于纵梁之间(即，不与纵梁之一接合)，则将在角部处形成载荷偏心和应力集中，在该角部处台阶的表面与面板的较薄部分相接。该应力集中会在角部处导致层间剪切破坏。通过使台阶的一部分(或全部)与纵梁接合，可通过纵梁传递载荷而消除该问题或至少减轻该问题。
通过一个或多个不连续板层在面板中形成台阶，与使用由不连续的内部板层形成的斜坡的常规面板结构相比，对于自动铺带机来说可以减少面板铺放时间。在这种常规铺放程序中，铺带机的头部在其沿着斜坡向上或向下移动时必须减慢。相反，当铺放如图2-11所示的面板时，头部可跨越台阶移动而不必减慢。
在图2、6和8-11中，在纵梁下方IML平行于OML。这是有利的，因为这使得更容易在组装期间将纵梁足部与肋脚凸缘放到一起。这也意味着紧固件可使用常规螺母。此外，这意味着肋脚之间的“鼠洞”13’、14’可以较窄。相比之下，图7在使用较宽的鼠洞的同时需要使用自对齐螺母。
在图2和6中，纵梁都是基本对称的，从而与图7-11所示的不对称纵梁相比，它们较容易制造。
在图2、6和7中，台阶的深度由纵梁足部的足尖部的高度限定。相比之下，在图8-11中(其中台阶与纵梁的加强部接合)，如果需要，台阶高度可进一步增加。
在附图中，仅示出一对纵梁，但通常可将其它纵梁在所示纵梁的左右侧附接至面板。或者，如果台阶形成在面板的边缘，则与该台阶接合的纵梁(14、14’等)可为最外部的纵梁。在这种情况下，其它纵梁可位于该纵梁的左侧(即，台阶的较薄侧上)，在这种情况下，纵梁13、13’等将被省略。或者，其它纵梁可位于纵梁14、14’等的右侧上(即，台阶的较厚侧上)。
在附图中，仅示出一个台阶，但通常可在面板中设置更多台阶，每个台阶都与相应的纵梁接合。特别地，右侧纵梁13、13’等可与面板中的第二台阶接合。
虽然上面已经参照一个或多个优选实施方式说明了本发明，但可以看出，可在不脱离由所附权利要求限定的发明范围内进行各种改变或更改。
Claims (17)
1、一种复合结构，该复合结构包括：
由两个或更多个复合材料板层形成的面板，该面板具有形成有台阶的表面，在该台阶处所述面板的厚度改变；以及
附装到所述面板的表面的两个或更多个加强件；
其中，所述加强件中的一个与所述台阶的至少一部分接合。
2、根据权利要求1的复合结构，该复合结构还包括盖板，该盖板在所述台阶的较厚侧附装到所述面板的表面，并且在所述台阶的较薄侧附装到所述紧固件中的一个。
3、根据权利要求2的复合结构，其特征在于，所述盖板由一个或多个复合材料板层形成。
4、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，与所述台阶的至少一部分接合的加强件包括加强部和足部，该加强部远离所述面板延伸，该足部在所述台阶的较薄侧上附装到所述面板的表面，并远离所述加强部延伸到远离所述加强部的足尖部，其中该足尖部与所述台阶的至少一部分接合。
5、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，与所述台阶的至少一部分接合的加强件包括加强部，该加强部远离所述面板延伸并与所述台阶的至少一部分接合。
6、根据权利要求5的复合结构，其特征在于，邻近的加强件包括远离所述面板延伸的加强部，并且其中上述这些加强部至少部分地由同一层形成。
7、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，与所述台阶的至少一部分接合的所述加强件包括在所述台阶的较厚侧附装到所述面板的表面的第一部分，以及在所述台阶的较薄侧附装到所述面板的表面的第二部分，由此使所述纵梁跨过所述台阶。
8、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，所述台阶由所述面板中的一个或多个不连续的板层的边缘形成。
9、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，所述台阶由一个或多个不连续的板层的边缘、以及在一个加强件和所述不连续板层之间的填料形成。
10、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，所述台阶以大于45°的角度相对于所述面板中的邻近该台阶的板层延伸。
11、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，在所述面板的表面中，在邻近的加强件和该台阶之间形成斜坡。
12、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，在所述面板的表面中形成斜坡，所述加强件中的一个的至少一部分与该斜坡接合。
13、根据前述权利要求之一的复合结构，其特征在于，所述加强件均由两个或更多个复合材料板层形成。
14、根据前述权利要求之一的复合结构，该复合结构还包括穿过所述加强件和所述面板的紧固件。
15、一种制造根据前述权利要求之一的复合结构的方法，该方法包括：使面板形成有台阶；在所述面板的表面上附装多个加强件；以及使所述台阶的至少一部分与所述加强件中的一个接合。
16、根据权利要求15的方法，该方法还包括通过使所述面板中的两个或更多个板层不连续并且加工不连续板层的端部来形成所述台阶。
17、一种在根据权利要求1至14之一的复合结构中传递载荷的方法，该方法包括在台阶和加强件之间传递载荷。
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