CN101678891B - 加强面板 - Google Patents

Abstract

一种加强面板(1)包括：复合蒙皮(2)；粘接到该蒙皮的多个桁条(3、4)；和一个或多个应变致动器(5)，每个致动器定位于相邻的一对桁条之间。在所述蒙皮的平面内向所述面板施加载荷，并且当压缩载荷超出预定阀值时，通过应变致动器将局部应变施加到所述蒙皮。这导致所述蒙皮屈曲而减小了所述蒙皮和所述桁条之间的界面应力。

Description

加强面板

技术领域

本发明涉及一种加强面板，该加强面板包括复合蒙皮；以及多个粘接到该复合蒙皮的桁条。本发明还涉及屈曲(buckling)该加强面板的方法。

背景技术

尽管复合材料在一些特殊领域具有较高的性能，如重量、耐久性和全寿命成本，但在主要结构中并没有被广泛接受。这主要是由于对于失效机理和它们损坏时的性态(behaviours)缺乏了理解而导致的。与表现所有新设计方案特征的轻量化原则相比，对于知识和技巧的普遍缺乏经常会导致过大尺寸的结构。

屈曲仍旧是加强面板设计中最有争议的问题之一。已知的是复合加强面板在没有任何失效的情况下能够承载比屈曲载荷更高的面内载荷。不幸的是，模拟与结构失效的破坏程度相关的性态的测试复杂而又昂贵，从而使得从残骸中获取失效机理非常复杂。

对于金属机身，应力的释放和再分配本质上是通过局部塑性变形来提供的，失效则是由于蒙皮屈服或局部/全局桁条屈曲而发生的。复合材料很少出现局部塑化，因此这种释放应力的方法基本上不可行。

发明内容

本发明的第一方面提供一种加强面板，所述加强面板包括：

复合蒙皮；

粘接到所述复合蒙皮的多个桁条；和

一个或多个应变致动器，每个致动器定位于相邻的一对桁条之间并且被构造成向所述蒙皮施加局部应变，所述局部应变导致所述蒙皮的屈曲。

本发明的第二方面提供一种屈曲加强面板的方法，所述加强面板包括复合蒙皮和粘接到所述蒙皮的多个桁条，所述方法包括：

在所述蒙皮的平面内向所述面板施加载荷；和

当所述载荷超出预定阀值时通过一个或多个应变致动器向相邻的一对桁条之间的所述蒙皮施加局部应变。

本发明认识到类似于由金属结构的局部塑性变形所导致的张力释放可以通过在所述蒙皮中及早引起屈曲而在复合结构中实现。

在所述蒙皮的平面内施加的所述载荷可以是压缩载荷、剪切载荷、或者是两者的结合。

在一个实施方式中，每个应变致动器通过在两个稳定状态之间改变它的形状而施加所述局部应变。在这种情况下，每个应变致动器可以不需要控制系统而自动地改变它的几何形状。在其他实施方式中，设置控制系统来监测所述蒙皮的应变，并且当所监测的应变超出预定阀值时驱动所述应变致动器。在这种情况下，所述应变致动器例如可以是压电器件。利用控制系统进行主动控制和监测可以增加工作载荷的范围并且可以提供关于实际结构构造、性态和完整性的信息。

专用应变计的阵列可以提供控制系统所必需的输入。然而，更优选地，致动器来提供所需的感测输入，即，每个致动器被构造为感测所述蒙皮的应变并生成由所述控制系统监测的感测信号。由于每个致动器能够通过共用的双向控制线将感测信号传送到所述控制系统并从所述控制系统接收驱动信号，从而减少了所需的控制线的数量。

所述桁条和蒙皮可以通过粘合剂、通过共同固化或者任何其他适合的粘接方法而粘接到一起。

所述应变致动器可以至少部分地嵌入所述蒙皮。这样就可以不需要粘合剂来将所述应变致动器粘接到所述蒙皮。

在这里所描述的实施方式中，所述蒙皮由复合材料形成，所述复合材料包括用环氧树脂浸渍的多个单轴碳纤维。然而，所述蒙皮可以由任意的复合材料形成，例如包括玻璃增强纤维金属层板(GLARE)。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明的具体实施方式，其中：

图1是根据本发明的实施方式的加强面板的平面视图；

图2是沿图1中线A-A截取的剖视图；

图3是部分面板的放大剖视图；

图4是一个致动器的放大视图；

图5示出了电子控制系统；

图6示出了部分嵌入的致动器；

图7示出了完全嵌入的致动器；

图8是通过承载控制线的纤维的剖视图；

图9是采用多稳态致动器的加强面板的平面视图；和

图10是典型界面变量与载荷的关系的曲线图。

具体实施方式

图1和2中示出了加强面板1的一部分。所述面板可形成例如航空器机翼或机身的蒙皮。所述面板包括复合蒙皮2；共固化到蒙皮的多个复合桁条3、4；和定位于桁条之间的压电应变致动器5的二维阵列。在航空器机翼的情况下，桁条沿翼展方向从机翼的根部向翼尖延伸。

图1仅仅示出了面板的一小部分，面板进一步沿水平方向和竖直方向延伸。如图2所示，每个桁条包括从蒙皮延伸的腹板3a、4a和粘接到蒙皮2的一对凸缘3b、4b。

如图3和4所示，每个应变致动器5通过粘合层5a粘接到蒙皮2。一对电极10a和10b粘接到致动器的上表面和下表面。每个电极连接到各自的控制线11a、11b，并且这些控制线以电缆12的形式捆扎在一起，该电缆12通向图5中所示的控制系统13。

控制系统13通过在电极10a和10b之间施加电压来驱动致动器。由于压电效应而导致致动器以垂直于电场的角度扩展或收缩。电压的符号决定致动器是扩展还是收缩。

应变致动器5还可以用作为载荷传感器。当面板变形时，会导致应变致动器扩展或者收缩，这又在电极10a和10b之间产生电压。该电压提供由控制系统13监测的传感信号。当监测到的电压超过了储存在存储器14中的预定阀值时，控制系统13产生驱动信号。该驱动信号增大或减小电极之间的电压，这又导致致动器扩展或收缩。需要注意的是，来自致动器的感测信号和到达致动器的驱动信号都可通过同一控制线传送。致动器的变形向蒙皮施加局部应变，这导致蒙皮在桁条之间屈曲而形成图1和2中所示的褶皱6。

目前，对于大多数航空器结构，要求在低于设计极限载荷下不允许出现屈曲。图10是典型界面变量(如剪切载荷，或者在蒙皮和桁条之间的界面处的离面位移)与载荷的关系的曲线图。在P1和P2之间的区域中，通过在面板的相反表面之间施加压力差而对面板加压。例如由于在蒙皮的一侧存在有加压的燃料，在使用中会存在这种压力差。在点P1和P2之间的区域中，面内压缩载荷被施加在面板上。在点P2，面板屈曲。因此，P2表示在没有应变致动器5的情况下的最大允许载荷，并因而实现了对于结构的尺寸定制。

当预加压的面板达到屈曲载荷时，横向形状必然会出现显著的变化。事实上，在稳定阶段，变形的结构(仅由压力所导致的一个褶皱表示)在后屈曲(过屈曲)状态下会转化为沿着桁条方向的一系列褶皱。这会通过突弹跳变(snap-through)现象而发生，因而，从稳定状态到非稳定状态的转变表征为机械变量的突然改变。图1显示了这样的多个褶皱6中的三个。

如果外部载荷是渐进地作用，那么在即将转变和紧接转变之后的内部弹性能量必定保持相同。从直觉上来看，如果相同量的弹性能量被分配到仅单个褶皱上或散布在多个褶皱上，那么在后一种情况中，表征每个褶皱的最大离面位移必定减少，因此每个界面应力分量会成比例地减少。这就是说，屈曲导致了面板和桁条之间的界面处的应力释放。

通过在存储器14内设定低于屈曲载荷P2的阀值(例如，屈曲载荷P2的60％或80％)，致动器5施加进一步的应力场，该压力场趋于导致蒙皮在到达屈曲载荷P2之前屈曲。这种早期的屈曲导致了随后在共同粘接的蒙皮/桁条界面处的应力释放。随后，面板会工作在后稳定状态，并且降低了的界面应力会在更高载荷水平下达到它们的临界值。因此，将会增强工作负载能力，并且能够实现整体性能的显著增加和重量的节省。

图6示出了可替换的布置，其中致动器5部分地嵌入蒙皮2的表面中的凹部中。图7示出了可替换的布置，其中致动器5完全嵌入蒙皮2内。图8为完全嵌入的致动器5的示意图。

蒙皮2和桁条3、4都是由一系列复合材料层形成，每层包括多个单轴中空碳纤维，所述碳纤维浸渍有环氧树脂。在图6和7所示的部分或完全嵌入的布置中，控制线11a、11b中的一个或两个可以沿着各自的碳纤维的中空芯部延伸。如图8中所示，其为通过在其中空芯部中包含控制线11b的碳纤维21的剖视图。在导电的金属控制线11b和导电的碳纤维21之间的空间中填充有用作绝缘件的树脂20。

在图9示出的本发明可替换的实施方式中，压电应变致动器5被多稳态致动器30所替代，所述多稳态致动器30通过在两个或更多个稳定状态之间改变其形状而向蒙皮施加局部应变。这样的结构的一个实例是不对称的层板。在下列文献中描述了各种的不对称层板结构：

·“The application of residual stress tailoring of snap-throughcomposites for variable sweep wings”，47^thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures，Structural Dynamics，and Materials Conference，1-4May 2006，Newport，Rhode Island：和

·Bi-stable composites with piezoelectric actuators for shape change，C.R.Bowen，A.I.T.Salo，R.Butler，E.Chang and H.A.Kim，Key EngineeringMaterials Vols.334-335(2007)pp.1109-1112

最简单的实例是具有[0°/90°]堆叠顺序的方形板。所述板在高温下被处理成平的，在冷却后，所述板呈现为圆筒形状，该圆筒形状能够通过施加力而容易地弯折成第二圆筒形状。

在这种情况下，不需要电子控制系统和存储器。替代为，致动器30具有当面板上的载荷超过所需的阀值时使它们在稳定状态之间快速转变的固有的材料属性，因此使得蒙皮由于致动器30所施加的局部应变而及早屈曲。

尽管已经参照一个或多个优选实施方式对本发明进行了描述，但是应理解，在不超出所附的权利要求限定的本发明的范围的情况下可以做出多种变化或改进。

Claims (13)

1.一种加强面板，该加强面板包括：

复合蒙皮；

粘接到所述蒙皮的多个桁条；和

一个或多个应变致动器，每个致动器定位于相邻的一对桁条之间并且被构造成向所述蒙皮施加局部应变，所述局部应变趋于导致所述蒙皮屈曲，其中，所述致动器的变形向所述蒙皮施加局部应变，导致所述蒙皮在所述桁条之间屈曲而形成褶皱。

2.如权利要求1所述的面板，所述面板进一步包括控制系统，所述控制系统设置为监测所述蒙皮的应变并且当所监测的所述应变超出预定阀值时驱动所述应变致动器。

3.如权利要求2所述的面板，其中，每个致动器都被构造为感测所述蒙皮的应变并生成由所述控制系统监测的感测信号。

4.如权利要求3所述的面板，其中，每个致动器通过共用的双向控制线将感测信号传送到所述控制系统和从所述控制系统接收驱动信号。

5.如权利要求1所述的面板，其中，每个致动器通过在两个稳定状态之间改变它的几何形状来施加所述局部应变。

6.如权利要求1至5中任一项所述的面板，其中，所述桁条与所述蒙皮是共同固化的。

7.如权利要求1至5中任一项所述的面板，其中，每个应变致动器通过粘合层粘接到所述蒙皮。

8.如权利要求1至5中任一项所述的面板，其中，每个应变致动器至少部分地嵌入所述蒙皮。

9.如权利要求1至5中任一项所述的面板，其中，每个应变致动器是压电器件。

10.如权利要求1至5中任一项所述的面板，其中，所述蒙皮由层状复合材料形成。

11.一种屈曲加强面板的方法，所述加强面板包括复合蒙皮和粘接到所述蒙皮的多个桁条，所述方法包括：

在所述蒙皮的平面内向所述面板施加压缩载荷；和

当所述载荷超出预定阀值时通过一个或多个应变致动器向相邻的一对桁条之间的所述蒙皮施加局部应变。

12.如权利要求11所述方法，所述方法进一步包括监测所述蒙皮的应变，并且当所监测的所述应变超出所述预定阀值时驱动所述应变致动器。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述致动器的变形向所述蒙皮施加局部应变，导致所述蒙皮在所述桁条之间屈曲而形成褶皱。

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