CN101687541B - 位于机翼和机身之间的交界部上的航空器结构元件 - Google Patents
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Abstract
航空器(1)结构元件，其位于机翼(3)与机身(2)之间的交界部上，其包括一遮盖件(20)和框围所述遮盖件(20)的成型元件(30、40、50、60)，其特征在于，至少一个所述成型元件(30、40、50、60)包括一平坦部分(31、41、51、61)，所述成型元件的平坦部分没有搭接地布置在所述遮盖件(20)的一平坦部分(21、22、23、24)的延伸处，并通过一焊缝(32、42、52、62)与所述遮盖件的平坦部分相连，所述焊缝通过摩擦搅拌的方法端对端地形成。
Description
技术领域
本发明涉及飞机的中央翼体箱梁(caisson central de voilure)的金属结构元件，尤其是这样的金属结构元件的结构以及生产和装配的方法。
背景技术
已公知，飞机通常由一个机身和两个相对组装并固定在该机身上的对称的机翼组成。每个机翼与机身的拼接由以整个宽度布置于机身内部的中央翼体箱梁加以保证。该箱梁一般包括相互平行的一拱背面板和一拱腹面板，它们在飞行过程中能吸收由机翼产生的升力。这两个面板通过前后两个同样能吸收一部分升力的翼梁相互固定。
在中央翼体箱梁和每个机翼的交界部都有一个通常是铝合金制成的结构元件。所述结构元件通常由一个垂直延伸的平面遮盖件构成，并且所述遮盖件在其四个侧边由上下前后四个成型元件框围。
平面遮盖件通常包括多个垂直的加强体，以便提高结构元件对需要承受的巨大机械外力的强度。
结构元件的上部成型元件与中央翼体箱梁的拱背面板以及机翼的拱背面板衔接。结构元件的下部成型元件与中央翼体箱梁的拱腹面板以及机翼的拱腹面板衔接。结构元件的前部成型元件与中央翼体箱梁的前部翼梁以及机翼前部衔接。结构元件的后部成型元件与中央翼体箱梁的后部翼梁以及机翼后部衔接。
这样的结构元件可以通过完全使用螺栓或铆钉连接不同元件来完成，这导致很多搭接(recouvrement)区域的出现，这不仅会造成螺栓或铆钉剪断的危险。除螺栓或铆钉剪断的危险之外，该构造还要求在需要装配的元件上实施钻孔，以固定这些螺栓和铆钉，从而导致质量的增加并使结构元件变得脆弱。此外，一些错误连接的固有问题会在飞行器的运营过程中出现。
另一个解决方案在于从由独一且同质的金属块体开始制造结构元件，从而改善机械强度并且消除因不同元件间的拼接而产生的某些缺陷。该解决方案在专利申请GB2409443中被详加描述，但因其所需金属数量和大量加工程序所产生的高额成本费用而没有被实际运用。
另外，这样的结构元件可能会出现由于机加工过程中金属块体经受的变形而导致的扭曲等问题。
发明内容
本发明涉及这样一个性能改良，同时生产起来简单、方便且经济的结构元件。
为此目标，本发明提出航空器结构元件，其位于机翼与机身之间的交界部上，其包括一遮盖件和框围所述遮盖件的成型元件，其特征在于，至少一个所述成型元件包括一平坦部分，所述成型元件的平坦部分没有搭接地布置在所述遮盖件的一平坦部分的延伸处，并通过一焊缝与所述遮盖件的平坦部分相连，所述焊缝通过摩擦搅拌(friction malaxage)对焊的方法端对端地形成。
遮盖件和周边的成型元件之间的拼接处的不存在搭接能使结构元件的机械强度获得大幅提高，尤其同时保证作用力的更好传递并减少扭曲现象。
此外，固定螺栓或固定铆钉的相应消失能够通过消除先前作用于这些零件上剪切作用力来提高安全程度。
另外，所需材料数量的减少带来不容忽视的重量降低，约计5％的重量降低。
根据结构元件的优选特征：
-所述焊缝为弯曲的；
-所述焊缝为直线的；
-所述遮盖件包括至少一个侧边，在所述侧边上，所述焊缝不间断地延伸在一长度上，该长度至少等于所述侧边的长度的95％；
-所述成型元件除了包括构成所述平坦部分的一第一翼片外，还包括一第二翼片和一第三翼片，所述第二翼片和所述第三翼片中的每一个沿着所述第一翼片与所述焊缝相对地伸展，所述第二翼片和第三翼片被布置于所述第一翼片的两侧；
-所述成型元件除包括所述第一、第二、第三翼片外，包括一第四翼片，所述第四翼片与所述第一翼片相对地布置；
-所述成型元件的所述第二和第三翼片中的至少一个包括宽度规则变化的部体；
-所述成型元件的所述第二和第三翼片中的至少一个包括一雉堞形的部体，所述雉堞形的部体的每个雉堞形部均由两个连结的指状体构成；
-所述成型元件的所述第二和第三翼片中的至少一个包括一更窄的部体；
-所述遮盖件在至少一个表面上包括一相对于所述平坦部分凸出的部体；
-所述遮盖件在每个侧边上包括一个所述平坦部分，该平坦部分在该侧边的整个长度上延伸；
-所述遮盖件为整体矩形的形状，并且其长度为宽度的至少两倍；
-所述遮盖件和所述成型元件由同一种铝合金制成，所述铝合金含有锂；和/或
-所述遮盖件和所述成型元件由不同的铝合金制成。
附图说明
现在将通过对一个优选实施例的详细描述来进一步对发明进行说明，该例在下文中将作为典型性的而不是限制性的形式给出，同时参照附图，其中：
-图1示出一飞机的立体图，在所述飞机上，用虚线标出根据本发明的结构元件，所述结构元件位于所述机身和机翼之间的交界部(interface)上；
-图2示出本发明的中央翼体箱梁的结构元件的立体图；
-图3示出图2中结构元件的正视图；
-图4示出按照图3的IV-IV剖面示出的该结构元件的剖面图；并且
-图5示出按照图3的V-V剖面示出的该结构元件的剖面图。
具体实施方式
图1示出的飞机1包括一机身2，该机身2具有整体卵形的截面，所述机身在中间部分凸出两个对称的机翼3和4。在机身2的内部，一个中央翼体箱梁5可保证机翼3、4与机身2的固定。
箱梁(caisson)5包括一个拱背面板(panneau extrados)6和一个拱腹面板(panneau intrados)7，两者平行并且为水平取向。两面板6和7由平行并垂直的前翼梁8和后翼梁9两个翼梁(longeron)固定。同时，箱梁5在其与机翼3及4的两个交界部上包括两个对称的结构元件10和11，其中，结构元件10固定在机翼3上，而结构元件11固定在机翼4上。这两个结构元件10和11在面板6和7之间垂直延伸，且在前翼梁8和后翼梁9两者之间纵向延伸。
下面将借助图2至图5对此结构元件10做进一步描述。结构元件10包括一个含锂的铝合金制成的遮盖件20。比铝密度更低的锂的混入带来大约5％的重量减轻，同时改良可焊性与抗损性。
遮盖件20的轮廓整体为长方形，具有两个直线平行的部体，它们由两个向外凸起的部体连接。该遮盖件20在周围有四个共面的平坦部分21、22、23和24，且每个平坦部分在各自侧边的整个长度延伸。
接下来，部分21(相应地，部分22)靠近拱背面板6(相应地，靠近拱腹面板7)，将其命名为上位部分21(相应地下位部分22)。
以同样的方式，部分23(相应地，部分24)靠近前翼梁8(相应地，靠近后翼梁9)，将其命名为前位部分23(相应地后位部分24)。
在本发明的优选的实施方式，该遮盖件20的长度与宽度之间的比例大约为4比1(见图3)。更一般地，遮盖件20的长度至少是宽度的2倍。
一个水平取向的卵形开口25被布置于遮盖件20一半高度的位置在其前半部中。同样地，遮盖件20在第一表面26上具有三个金属加强体27，所述金属加强体27在遮盖件20的整个高度上垂直延伸。
第一加强体27位于所述前位部分23附近，所述第二加强体27在所述开口25对面与所述第一加强体27相对地对称布置。所述第三加强体27本身位于所述后位部分24附近。
这三个加强体27横向于所述四个部分21、22、23及24在其中延伸的平面地凸出。加强体27的存在保证所述四个部分21、22、23及24的更好的强度(résistance)，以及更一般地保证整个遮盖件20的更好的强度。
中央的遮盖件20的第二表面(在图中不可见)具有五个金属框形支脚(pieds de cadre)，它们垂直地布置在开口25的两侧。
结构元件10同样包括四个元件30、40、50和60，它们处在遮盖件20的四个侧边边缘。在优选的实施方式中，这些元件30、40、50和60以与遮盖件20相同的铝合金制造。但是，根据元件30、40、50和60中每个元件的限制和需要，它们可以由不同于构成遮盖件20的其它铝合金制得。这可以通过针对每个元件选择最适合其限制和需要的成分和材料，使结构元件10的费用及重量最优化。
位于遮盖件20上侧边边缘的第一元件30整体按略微弯曲的方向成型，并具有一个横向剖面，该横向剖面从其前端至后端有轻微变化。所述成型元件30包括平坦的第一翼片31，该第一翼片31没有搭接地(recouvrement)位于上位部分21的延伸处，并通过一弯曲的焊缝32与所述上位部分21相连，所述焊缝32通过摩擦搅拌(friction malaxage)的方法端对端地焊接实施。焊缝32在一长度上不间断地延伸，所述长度至少等于遮盖件20的上部侧边的长度的95％，然而没有到达它的前后两端。
成型元件30同样包括轻微凸出的第二翼片33和第三翼片34，它们位于第一翼片31的两侧。这些翼片33和34沿翼片31的弯曲端固植根基(prendre racine)，所述翼片31位于焊缝32的对面。平坦的第四翼片39布置在第一翼片31的延伸处。
从截面来看(见图4)，翼片33具有一切片部(tranche)，该切片部略微向翼片39的切片部倾斜地延伸，且朝向机翼3的拱背面板的方向延伸，翼片33附着在所述拱背面板上。
翼片34的切片部与翼片33的切片部相对地、与翼片31的切片部相垂直地、且朝向结构元件11的方向延伸。
属于翼片33和34的切片部的相对定位对于每个与截面IV-IV平行的截面而言保持不变。
正如可从图2看到，翼片33在其前三分之二的部分包括一个宽度基本恒定的第一部体35(从中央箱梁5向机翼3的方向考量)。翼片33通过第二部体37延伸，第二部体37的宽度规则地增加直至其后端。
总体上与翼片33相似，翼片34在其前三分之二的部分上同样包括一个宽度基本恒定的第一部体36(从中央箱梁5向机翼3的方向考量)。翼片34通过第二部体38延伸，所述第二部体38的宽度规则地增加直至其后端。
翼片39具有恒定的宽度(从元件40向元件30的方向考量)，且基本与翼片31的宽度相同，翼片39具有一个与焊缝32的相同弯曲度的边缘。
位于遮盖件20下侧边边缘的第二元件40整体按略微弯曲的方向成型。成型元件40包括宽度恒定的平坦的第一翼片41(从元件40向元件30的方向考量)，平坦的第一翼片41没有搭接地位于下位部分22的延伸处，并通过弯曲的焊缝42与下位部分相连，所述焊缝42通过摩擦搅拌的方法端对端地焊接实现。焊缝42在一长度上不间断地延伸，该长度至少等于遮盖件20的下部侧边长度的95％，然而没有到达它的前后两端。
成型元件40同样包括凸出的第二翼片43和凸出的第三翼片44，它们布置在第一翼片41的两侧。翼片43和44沿翼片41的弯曲端固植根基，翼片41位于焊缝42的对面。
从截面来看(见图4)，翼片43具有一切片部，该切片部向翼片41的切片部略微倾斜地且朝向机翼3的端部方向延伸。
翼片44的切片部与翼片43的切片部相对地、与翼片41的切片部垂直地、且朝向结构元件11的方向延伸。
该属于翼片43和44的切片部的相对定位对于每个与剖面IV-IV平行的剖面而言保持不变。
正如在图2上看到，翼片43包括雉堞形的前45和后46两个部体。每个具有呈M形轮廓的雉堞形体47由两个连结的相同的指状体构成。前部体45和后部体46由一个中央部体48分隔开，所述中央部体48具有整体呈直线的自由边缘，所述自由边缘在其长度的三分之一和三分之二处被一对锯齿切割开。
总体上与翼片43相似，翼片44(图2不可见)同样包括前后两个部体，它们为雉堞形且每个具有呈M形轮廓的雉堞形体由两个连结的相同的指状体构成。这些雉堞形的部体有利于将结构元件固定在航空器的其它组件(中央翼体箱梁和机翼)上。
位于遮盖件20前侧边边缘的第三元件50按一直线方向成型。成型元件50包括宽度恒定的平坦的第一翼片51(从元件50向元件60的方向考量)，其没有搭接地布置在前位部分23的延伸处，通过直线性的焊缝52与前位部分相连，所述焊缝52通过摩擦搅拌的方法端对端地焊接实现。焊缝52在一长度上不间断地延伸，该长度至少等于遮盖件20的前部侧边长度的95％，然而没有到达它的上下两端。
成型元件50同样包括第二翼片53和第三翼片54，它们位于第一翼片51的两侧。这些翼片53和54沿翼片51的直线端固植根基，翼片51位于焊缝52的对面。
从截面来看(见图5)，翼片53和54形成开度很大的V字形的切片部，V字形的开口朝向遮盖件20、且其尖端位于翼片51、53和54的切片部的接合处。
翼片53的切片部向机翼3的前部方向延伸，翼片53连接于机翼3上。
翼片54的切片部向中央箱梁5的前翼梁8方向延伸，翼片54连接于中央箱梁5的前翼梁8上。
属于翼片53和54的切片部的相对定位对于每个与截面V-V平行的截面而言保持不变。
正如可从图2看到，翼片53包括一个界定更窄的中央部体55的缺口，中央部体55跨占翼片53大约三分之二，且具有整体直线性的且与焊缝52平行的型体。
总体上与翼片53相似，翼片54同样包括更窄的中央部体56，中央部体56跨占翼片54大约三分之二，且具有整体直线性的且与焊缝52平行的型体。
位于遮盖件20后侧边边缘的第四元件60按一直线方向成型。成型元件60包括宽度恒定的平坦的第一翼片61(从元件50向元件60的方向考量)，其没有搭接地布置在后位部分24的延伸处，且通过直线性的焊缝62与后位部分24相连，所述焊缝62通过摩擦搅拌的方法端对端地焊接实现。焊缝62在一长度上不间断地延伸，该长度至少等于遮盖件20的后部侧边长度的95％，然而没有到达它的上下两端。
成型元件60同样包括平坦的第二翼片63和平坦的第三翼片64，它们位于第一翼片61两侧。这些翼片63和64沿翼片61的直线端固植根基，翼片61位于焊缝62的对面。
从截面来看(见图5)，翼片63和64具有形成开度很大的V字形的切片部，V字形的开口朝向遮盖件20、且其尖端位于翼片61、63和64的切片部的接合处。
翼片63的切片部向机翼3的后部方向延伸，翼片63连接于机翼3上。
翼片64的切片部向中央箱梁5的后翼梁9方向延伸，翼片64连接于中央箱梁5的后翼梁9上。
属于翼片63和64的切片部的相对定位对于每个与截面V-V平行的截面而言保持不变。
正如可从图2看到，翼片63包括缺口，所述缺口界定一更窄的中央部体65，中央部体65跨占翼片63大约三分之二，并具有不均匀的型体。
该型体包括一第一上部部体，所述第一上部部体是直线性的、且与焊缝62平行，焊缝62通过呈锯齿状的第二部体延长。
总体上与翼片63相似，翼片64(图2中不可见)同样包括更窄的中央部体，中央部体跨占翼片64的三分之二，且具有不均匀的型体，与呈凹形的部体65的中央部体相似。
优选地，弯曲的焊缝32和42及直线性的焊缝52和62循随(或重取)遮盖件20的轮廓。这里，这些四个焊缝32、42、52和62并没有在遮盖件20拐角处拼接。
为制造该结构元件10，首先在遮盖件20周围分别安放四个成型元件30、40、50和60，以便使成型元件30(相应地40、50和60)的翼片31(相应地41、51和61)位于同一平面，并与遮盖件20的平坦部分21(相应地22、23和24)呈端对端的关系，由此形成一条接合线。
通过摩擦搅拌的方法沿相应的接合线将每个成型元件30、40、50和60与遮盖件20焊接在一起，以塑化(plastifier)焊接区域的金属。
用简单的焊接操作替代螺栓连接和/或铆钉连接的操作，简化了制造结构元件10的工艺，并保证成本不可忽视地降低与生产周期缩短。
在一个未示出的变型中，一个或多个元件如元件30、40、50和60用不同的方式成型，例如沿直线方向，与同样为直线的焊缝如焊缝32、42、52和62不同地成型。
在另一个未示出的变型中，结构元件10包括不同数量的位于遮盖件20周边的成型元件，并且/或者成型元件拥有不同的形状和轮廓。例如：
-结构元件10仅有两个成型元件：上部成型元件如30和下部成型元件如40，或者前部成型元件如50和后部成型元件如60；并且/或者
-结构元件10沿遮盖件20的同一侧边有多个成型元件，例如以规则的间隔沿上部侧边和下部侧边布置，且每个包括一个第二平坦翼片和一个第三平坦翼片，它们被布置在同一平面中，该平面横向于遮盖件20的一个平坦部分的平面。
在另一个未示出的变型中，遮盖件20由一个具有不同配置的遮盖件代替。例如：
-一个如遮盖件20的遮盖件包括不同数量的如加强体27的加强体和/或框形支脚，并且框形支脚按照同样有区别的布局安置它们；并且/或者
-一个如遮盖件20的遮盖件是实心的，不具有任何如开口25的开口。
Claims (14)
1.航空器(1)结构元件，其位于机翼(3)与机身(2)之间的交界部上，其包括一遮盖件(20)和框围所述遮盖件(20)的成型元件(30、40、50、60)，
其特征在于，至少一个所述成型元件(30、40、50、60)包括一平坦部分(31、41、51、61)，所述成型元件的平坦部分没有搭接地布置在所述遮盖件(20)的一平坦部分(21、22、23、24)的延伸处，并通过一焊缝(32、42、52、62)与所述遮盖件的平坦部分相连，所述焊缝通过摩擦搅拌的方法端对端地形成。
2.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述焊缝(32、42)是弯曲的。
3.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述的焊缝(52、62)是直线的。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的结构元件，其特征在于，所述遮盖件(20)包括至少一个侧边，在所述侧边上，所述焊缝(32、42、52、62)不间断地延伸在一长度上，该长度至少等于所述侧边的长度的95％。
5.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述成型元件(30、40、50、60)除了包括构成所述平坦部分的一第一翼片(31、41、51、61)外，还包括一第二翼片(33、43、53、63)和一第三翼片(34、44、54、64)，所述第二翼片(33、43、53、63)和所述第三翼片(34、44、54、64)中的每一个沿着所述第一翼片(31、41、51、61)与所述焊缝(32、42、52、62)相对地伸展，所述第二翼片(33、43、53、63)和第三翼片(34、44、54、64)被布置于所述第一翼片(31、41、51、61)的两侧。
6.按照权利要求5所述的结构元件，其特征在于，所述成型元件(30)除包括所述第一、第二、第三翼片(31、33、34)外，包括一第四翼片(39)，所述第四翼片(39)与所述第一翼片(31)相对地布置。
7.按照权利要求5或6所述的结构元件，其特征在于，所述成型元件(30)的所述第二和第三翼片(33、34)中的至少一个包括宽度规则变化的部体(37、38)。
8.按照权利要求5或6所述的结构元件，其特征在于，所述成型元件(40)的所述第二和第三翼片(43、44)中的至少一个包括一雉堞形的部体(45、46)，所述雉堞形的部体的每个雉堞形部(47)均由两个连结的指状体构成。
9.按照权利要求5或6中所述的结构元件，其特征在于，所述成型元件(50、60)的所述第二和第三翼片(53、63、54、64)中的至少一个包括至少一缺口，该缺口界定比所述翼片的其余部分更窄的中央部体(55、56、65)。
10.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述遮盖件(20)在至少一个表面上包括一相对于所述平坦部分(21-24)凸出的部体(27)。
11.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述遮盖件(20)在每个侧边上包括一个所述平坦部分(21-24)，该平坦部分在该侧边的整个长度上延伸。
12.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述遮盖件(20)为整体矩形的形状，并且其长度为宽度的至少两倍。
13.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述遮盖件(20)和所述成型元件由同一种铝合金制成，所述铝合金含有锂。
14.按照权利要求1所述的结构元件，其特征在于，所述遮盖件(20)和所述成型元件由不同的铝合金制成。
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