CN101674979A - 复合结构桁架的方法与系统 - Google Patents

Abstract

提供一种复合桁架结构(102)的方法和结构。该结构包括上弦杆构件(202)、下弦杆构件(204)和延伸于其间的多个腹杆构件(206)。上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件各由定位于各上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件中的各个腹杆构件中的连续复合纤维(302)形成，其中上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件各包括对应于预定负载的预定圈数的连续复合纤维。复合桁架结构还包括联接至上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件的至少第一节点板(208)。

Description

复合结构桁架的方法与系统

技术领域

【0001】本公开的实施方式一般涉及轻型桁架构件的形成方法和结构，更具体地，涉及复合翼肋和机身桁架构件的形成方法和结构。

背景技术

【0002】传统的机翼构造一般包括一个或多个翼梁，该翼梁相对机身纵轴侧向延伸以支承确定机翼形状的纵向延伸且侧向隔开的多个翼肋。翼肋的竖腹板部分包括构造为承载压缩负载和拉伸负载以保持机翼形状的结构元件。机翼翼肋的桁架设计是转移并分配负载至整个机翼结构的有效方法。另外，桁架结构也用于桥梁、地板及其它支承结构。因桁架结构中使用了金属部件和结构元件，所以至少一些已知的桁架结构较重。轻型材料可用于制造坚固而轻型的桁架结构，但为在桁架结构元件间提供充分的负载转移，当前复合翼肋的制造复杂且一般较重。机翼中使用复合翼肋的机翼也难以进行组装。

【0003】需要能提供轻型支承结构的方法和结构，以有助于桁架结构和连接部件的加工，并减少组装时间。

发明内容

【0004】在一个实施例中，复合桁架结构包括上弦杆构件、下弦杆构件和延伸于其间的多个腹杆构件。上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件各自由定位于各上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件中的各个腹杆构件中的连续复合纤维形成，其中上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件各包括对应于预定负载的预定圈数的连续复合纤维。复合桁架结构也包括联接至上弦杆构件、下弦杆构件和多个腹杆构件的至少第一节点板。

【0005】在另一个实施例中，复合结构构件的形成方法包括形成结构构件的外形，其中所述外形包括代表互连结构元件的槽；基于各相应结构元件的强度要求，穿过各结构元件通过槽缠绕预定圈数的连续纤维；以及联接至少一个节点板至互连结构元件。

【0006】在又一实施例中，一种形成包括复合翼肋的机翼的方法包括使用以预定圈数定位于各结构元件中的连续环氧树脂浸渍纤维形成包括多个互连结构元件的翼肋，其中所述圈数基于各相应结构元件的强度要求确定。所述方法还包括联接节点板至互连结构元件的侧部、组装至少一个翼肋至前翼梁和后翼梁、组装后缘蒙皮至所述翼梁和翼肋组件、组装上和下中心蒙皮至翼肋、翼梁和后缘蒙皮组件使得中心蒙皮与后缘蒙皮搭叠、以及附着前缘蒙皮至机翼组件使得前缘蒙皮与中心蒙皮和后缘蒙皮组件搭叠。

附图说明

【0007】图1是根据本公开实施例的机翼结构的等距剖视图；

【0008】图2是根据本公开示例性实施例的桁架翼肋组件的侧视横截面图；

【0009】图3是沿剖面线A-A所剖的图2所示桁架翼肋组件的截面图；

【0010】图4是沿剖面线B-B所剖的图2所示桁架翼肋组件的截面图；以及

【0011】图5是根据本公开另一示例性实施例的桁架翼肋组件500的侧视横截面图。

具体实施方式

【0012】下述详细说明通过示例而非限制的方式说明了本公开。显然，本说明可使本领域技术人员制造并使用本公开，说明了几个实施例、改装、变化、替换及本公开的用途，包括目前认为的本公开的最佳实施方式。

【0013】图1是根据本公开实施例的机翼结构100的等距剖视图。在示例性实施例中，机翼结构100包括在机翼结构100的前缘108和后缘110之间前向104和后向106延伸的多个桁架翼肋组件102。机翼结构100还包括从飞机的机身(未示出)伸出的前翼梁112和后翼梁114。下机翼蒙皮116连至前缘108和后缘110之间的桁架翼肋组件102下部。类似地，上机翼蒙皮118粘结至前缘108与后缘110之间的桁架翼肋102的上部。

【0014】图2是根据本公开示例性实施例的桁架翼肋组件102的侧视横截面图。尽管说明为用于飞机机翼的翼肋，但应理解该结构及加工该结构的方法可用于其它复合桁架结构，例如但不限于托梁、屋顶桁架和桥面板支承构件等。在示例性实施例中，桁架翼肋组件102包括复合桁架结构。桁架翼肋组件102包括上弦杆构件202、下弦杆构件204以及延伸于其间的多个腹杆构件206。上弦杆构件202、下弦杆构件204和腹杆构件206各由缠绕穿过各上弦杆构件202、下弦杆构件204和腹杆构件206的连续复合纤维形成。穿过各构件的连续复合纤维的圈数或匝数基于各构件的强度要求和各连续复合纤维的强度性能与穿过各构件的确定数量的连续复合纤维的强度性能确定。连续复合纤维可包括但不限于碳化纤维、纤维玻璃纤维、诸如芳族聚酰胺等芳香族聚酰胺纤维、其它纤维丝或其组合。连续复合纤维也可包括但不限于包括上述材料的丝束或丝网。纤维、丝网或丝束可使用粘合剂、热塑塑料或热固树脂浸渍。

【0015】在示例性实施例中，上弦杆构件202和下弦杆构件204在前缘108和后缘110处相接。在另一可替换实施例中，上弦杆构件202、下弦杆构件204不直接相接，而是可通过延伸于相互隔开的上弦杆构件202和下弦杆构件204间的腹杆构件206相接。

【0016】桁架翼肋组件102还包括联接至上弦杆构件202、下弦杆构件204和腹杆构件206的第一翼肋侧或节点板208，以及联接至上弦杆构件202、下弦杆构件204和腹杆构件206与第一节点板208相对一侧的第二翼肋侧或节点板210(图2中桁架翼肋102背部上不可见)。上弦杆构件202、下弦杆构件204和腹杆构件206夹在第一节点板208和第二节点板210之间。第一节点板208和第二节点板210也可包括从相应节点板208和210的外周边214伸出离开的翼缘212。翼缘212增加了桁架翼肋组件102的硬度并提供了附着下机翼蒙皮116和上机翼蒙皮118(见图1所示)的联接位置。节点板208和210附于桁架翼肋组件102后，铣制或加工节点板208和210以展开节点板208和210的腹板，从而使节点板208和210的外形符合上弦杆构件202、下弦杆构件204和腹杆构件206的外形，并减少桁架翼肋组件102的重量。

【0017】加工时，使用开槽框架形成桁架翼肋组件102的预定形状的构形。基于各相应结构元件的强度要求，穿过各结构元件通过槽缠绕预定圈数的基本由例如碳丝等复合材料制成的连续纤维。连续纤维可包括但不限于包括碳或其它材料的纤维、纤维丝、丝网和丝带。纤维、纤维丝、丝网和丝带还可使用粘合剂、热塑塑料或例如环氧树脂等热塑树脂浸渍。通过代表各种结构元件的槽缠绕纤维，形成桁架翼肋组件102。穿过结构元件缠绕更多圈纤维一般允许结构元件承受更大负载。确定各结构元件的负载承载要求并且该要求与达到该负载承载能力的匝数或圈数相关。

【0018】节点板208和210中的一者或两者联接至桁架翼肋组件102侧部，以增加硬度，并提供例如用于机翼蒙皮或桥面板的附着装置。

【0019】如上所述，桁架翼肋组件102是侧板共同粘结、粘结或固定(如果是热塑塑料)至翼肋侧部的纤维复合翼肋。连续纤维沿翼肋模线和桁架结构构件向下设置并描绘出其外形。该过程延续直至翼肋厚度足以承载适当的机翼设计负载。翼肋的纤维设置允许定制各翼肋，最优化结构设计并减少机翼组件的重量。接着增加侧板，翼肋每侧一个，用作各桁架结构元件连接处的节点板。侧板附于中心翼肋结构后，加工侧板以展开侧板腹板并减少重量。所示桁架翼肋组件102制造为整体桁架翼肋组件102，但可选择制造桁架翼肋组件102为一个以上部件，以有助于不同的机翼组装方法。翼梁和盖板位置所示翼缘可粘结翼肋和/或翼肋部分至各蒙皮，以形成蒙皮组件，之后粘结分组件成为完整的机翼。复合桁架翼肋的使用不限于机翼，也可用于不同地点建造且现场架设的建筑物的地板或屋顶桁架以及桥梁桁架。因支承设备较少或较小，轻型桁架简化了装卸。

【0020】图3是沿剖面线A-A(图2所示)所剖的桁架翼肋组件102的截面图。在示例性实施例中，桁架翼肋组件102由多圈或多匝连续纤维302绕期望的桁架翼肋组件102的形状的构形或框架缠绕形成。纤维的圈基本单向缠绕，且粘附或粘结在一起，从而形成包括上弦202的刚性桁架，其仅部分在图3中示出。

【0021】图4是沿剖面线B-B(图2所示)所剖的桁架翼肋组件102的截面图。在示例性实施例中，桁架翼肋组件102由多圈或多匝连续纤维302绕期望的桁架翼肋组件102的形状的构形或框架缠绕形成。纤维的圈基本单向缠绕，且粘附或粘结在一起，从而形成包括上弦202和下弦204的刚性桁架，其中各个仅部分在图4中示出。

【0022】图5是根据本公开另一示例性实施例的桁架翼肋组件500的侧视横截面图。在示例性实施例中，桁架翼肋组件500加工为三个部分，前部502、中部504和后部506。各部分由连续纤维形成，该连续纤维缠绕在代表形成桁架腹板的上弦508、下弦510和互连结构构件512的相应部分的模式中定向的槽内。各部分包括联接至上弦508和下弦510相应部分的远端的至少一个加工槽514。加工时，加工槽514允许穿过前部502、中部504和后部506的所有构件缠绕连续纤维。前部502、中部504和后部506形成完毕并且通过连接前部502、中部504和后部506完成进一步组装后，从前部502、中部504和后部506移除加工槽514。在一个实施例中，前部502和中部504在相互连接前被组装至前翼梁(未示出)，并且中部504和后部506在相互连接前组装至后翼梁(未示出)。

【0023】上述复合结构构件的形成方法及形成的复合桁架结构由此节约成本且可靠性高。所述方法和结构包括穿过多个结构元件缠绕以形成所述构件的连续纤维。所述纤维的设置使其基本沿各元件的纵轴单向缠绕，为构件提供轻型的耐压和抗张强度。因此，所述方法和结构有助于减少重量和加工时间，并以成本节约且可靠的方式增大了结构构件的强度和硬度。

【0024】尽管已根据各个具体实施例说明了本公开的实施方式，但本领域技术人员应认识到本公开的实施方式可在权利要求的精神和范围内修改执行。

Claims (20)

1.一种复合桁架结构，包括：

上弦杆构件；

下弦杆构件；

延伸于其间的多个腹杆构件，所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件各由定位于各所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件的各个腹杆构件中的连续复合纤维形成，所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件各包括对应于预定负载的预定圈数的所述连续复合纤维；以及

联接至所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件的至少第一节点板。

2.根据权利要求1所述的结构，该结构进一步包括联接至所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹板的与所述第一节点板相对一侧的第二节点板，其中所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件夹在所述第一节点板和所述第二节点板之间。

3.根据权利要求1所述的结构，其中所述至少第一节点板包括从相应节点板的边缘伸出离开的翼缘。

4.根据权利要求1所述的结构，其中穿过各构件的纤维的圈数基于施加到所述构件的负载确定。

5.根据权利要求1所述的结构，其中穿过构件的纤维的圈数确定该构件的负载承载能力。

6.根据权利要求1所述的结构，其中至少一个所述板的外形与所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件的外形互补。

7.根据权利要求1所述的结构，其中所述至少第一节点板铣制为使所述至少第一节点板和第二节点板的外形与所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件中的至少一个的外形一致。

8.根据权利要求1所述的结构，其中所述多个腹杆构件包括竖腹杆构件、横腹杆构件和斜腹杆构件中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的结构，其中所述上弦杆构件、所述下弦杆构件和所述多个腹杆构件中的至少一个包括环氧树脂浸渍碳丝、环氧树脂浸渍碳束和环氧树脂浸渍碳网中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的结构，其中所述上弦杆构件的第一端联接至所述下弦杆构件的第一端，并且所述上弦杆构件的第二端联接至所述下弦杆构件的第二端。

11.根据权利要求1所述的结构，其中所述结构的第一部分与所述结构的第二部分独立形成，所述第一部分和第二部分相互联接形成所述结构。

12.一种形成复合结构构件的方法，所述方法包括：

形成所述结构构件的外形，其中所述外形包括代表互连结构元件的槽；

基于各相应结构元件的强度要求，穿过各结构元件通过所述槽缠绕预定圈数的连续纤维；以及

联接至少一个节点板至所述互连结构元件。

13.根据权利要求12所述的方法，该方法进一步包括联接第二节点板至所述互连结构元件的与所述至少一个节点板相对的一侧。

14.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述结构构件的外形包括形成包括代表竖腹杆构件、横腹杆构件和斜腹杆构件中的至少一个的槽的外形。

15.根据权利要求12所述的方法，其中通过所述槽缠绕连续纤维包括通过所述槽缠绕环氧树脂浸渍碳丝、环氧树脂浸渍碳束和环氧树脂浸渍碳网中的至少一个以形成所述结构元件。

16.根据权利要求12所述的方法，其中联接至少一个节点板至所述互连结构元件包括联接至少一个节点板，该节点板包括从所述至少一个节点板中相应的一个节点板的边缘伸出离开的翼缘。

17.根据权利要求12所述的方法，其中联接至少一个节点板至所述互连结构元件包括联接外形与所述互连结构元件的外形基本互补的至少一个节点板。

18.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述结构构件的外形包括形成包括代表上弦杆构件和下弦杆构件的槽的所述结构构件的外形，其中所述上弦杆构件的第一端联接至所述下弦杆构件的第一端，并且所述上弦杆构件的第二端联接至所述下弦杆构件的第二端。

19.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述结构构件的外形包括形成所述结构构件的多个独立部分的外形，所述方法进一步包括联接各独立部分至另一独立部分以形成所述结构构件。

20.一种形成包括复合翼肋的机翼的方法，所述方法包括：

使用按预定圈数定位于各结构元件中的连续环氧树脂浸渍纤维形成包括多个互连结构元件的翼肋，所述圈数基于各相应结构元件的强度要求确定；

联接节点板至所述互连结构元件的一侧；

组装至少一个翼肋至前翼梁和后翼梁；

组装后缘蒙皮至所述翼梁和翼肋组件；

组装上和下中心蒙皮至所述翼肋、翼梁和后缘蒙皮组件，使得所述中心蒙皮与所述后缘蒙皮搭叠；以及

附着所述前缘蒙皮至所述机翼组件，使得所述前缘蒙皮与所述中心蒙皮和所述后缘蒙皮组件搭叠。

Images