CN102232037B - 飞行器的平面的结构部件和其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器的平面的结构部件和其加工方法。飞行器（2）的平面的结构部件（1）形成具有材料厚度（4）的表面（3），该表面为了提高翘曲强度至少在通过具有短臂高度（6）的短臂（5）构成的部分表面或局部表面（7）中通过具有凸起尺寸（9）的至少一个加强凸起（8）构成，该凸起尺寸在短臂（5）之间的局部表面（7）上延伸。此外还建议一种加工方法，它尤其适合于在压热器中加工这种平面的结构部件。

Description

飞行器的平面的结构部件和其加工方法

技术领域

本发明涉及一个飞行器、尤其是飞机或直升飞机的平面的结构部件，它形成具有材料厚度的表面并且具有短臂（纵梁和筋），它们具有短臂高度，这些短臂形成平面的结构部件的局部表面。这些平面的结构部件尤其以轻结构技术由纤维强化的复合材料作为机翼、机身部件、驱动机组的外壳等使用。此外给出一种用于加工这种平面的结构部件的方法。

背景技术

在致力于在未来经济适用以及成本有利地在加工和运行中提供飞机并且还满足严厉的安全性条件方面越来越多地寻找可能性，使主要的基本结构（例如机翼或机身部件）不再由铝而是通过纤维强化复合材料制成。通过这种轻结构技术尤其可以明显减轻飞机重量。在加工这种主要基本结构时要考虑到，这些基本结构具有相当大的尺寸，例如飞机的着陆襟翼是数米长的结构部件。此外这些结构部件在运行中处于高负荷下并由此是安全性苛刻的结构部件，其中尤其必需保证强度、刚性和质量要求。

这些纤维强化的复合材料一般包括两个主要组分，即纤维和包围纤维的聚合物母体。聚合物母体包围纤维并且例如通过热处理硬化（聚合作用），由此实现三维络合。通过这种聚合作用使纤维固定地相互连接并由此可以将作用力、即主要通过剪切应力导入到纤维里面。作为纤维除了碳素纤维同样也可以考虑玻璃纤维。碳素纤维（目前还相对较贵）通常至少90%重量比由碳原料组成。纤维直径例如为4.5至8μm（微米）。这种碳素纤维的特性是各向异性的。与其不同玻璃纤维具有无定形的结构和各向同性的特性。它们主要由氧化硅制成，其中必要时可以添加其它氧化物。玻璃纤维是相对有利的，而碳素纤维由于其高强度和刚性而与众不同。

正好在飞机结构中使用所谓的预浸渍技术。在这个技术中例如将预浸渍的织物或其它也精心编织的半成品在人造树脂中浸渍并且仅仅热处理到略微硬化（凝胶化），由此使它们以分层方式搬运。这种预浸渍材料略微粘附并因此良好地在相应的模具里面或层式地相互设置直到构成所期望的结构部件形状。如果设置所期望的预浸渍材料和真空结构层，可以使它们（热）硬化。为了硬化这个预浸渍结构部件目前使用所谓的压热器，即炉，它必要时以正压（直到10bar）加热几小时，用于使抽真空的结构部件完全硬化。

鉴于事实，在这种结构部件中通常很重视重量，但是对这种结构部件的承载性的高要求是不可忽略的，这种大面积的结构部件通常通过不同的短臂增强，它们接着尤其作为总概念用于在飞机结构中称为“纵梁”和“筋”的结构部件。这些“纵梁”例如具有直到30mm范围的短臂高度并且直线地、尤其相互平行地、在给定的延伸方向上在结构部件的整个表面上延伸。此外大多还以规则的距离这样设置更大的所谓的“筋”（它们在圆柱形结构部件中也称为肋），使它们与纵梁一起按照格栅的形式位于平面的的结构部件上并且与它连接。通过这种短臂布置定义平面的结构部件的局部表面，即这种局部表面，在其中平面的结构部件规则地基本只通过预浸渍材料层构成。为了在这里也能够承受在使用中产生的作用力需要实现足够的强度，为此使用相应数量的预浸渍材料层，但是这不能可靠地保证所需的翘曲刚性。因此在较大结构形式的飞机结构部件中通常使用更多层、例如约30层，用于在这里达到足够的大于4mm的厚度。如果只按照强度设计层数量，则所需的厚度对于翘曲刚性明显太低，并且可能导致稳定性失效，即不期望的、尤其翘曲式的局部从表面突出来的平面的结构部件变形。因此在整体构成的结构部件中经常存在危险，它们由于稳定性的原因在强度方面超尺寸设计，由此不能充分利用轻结构潜力。

发明内容

因此本发明的目的是，至少部分地解决基于现有技术提出的问题。尤其要给出一个平面的结构部件，它在重量方面减轻，但是同时在翘曲刚性方面得到改善。此外要给出一种简单、成本有利的用于加工这种平面的结构部件的方法。

这个目的通过按照权利要求1特征的平面的结构部件以及按照权利要求7的用于加工平面的结构部件的方法得以实现。本发明的有利扩展结构分别在从属的权利要求中给出。要指出，在权利要求中逐一描述的特征可以通过任意的、技术上有意义的方式相互组合并且展示出本发明的其它扩展结构。尤其结合附图的描述解释本发明并且给出附加的实施例。

因此本发明设计一个飞行器的由纤维增强的复合材料制成的平面的结构部件，它形成具有材料厚度的表面，并且它通过至少一个给定凸起尺寸的加强凸起构成，其中该凸起尺寸为最多10mm。

所述平面的的结构部件尤其用于构成支承平面、导向面和/或飞行器的外皮，其中该平面的结构部件本身也可以设置或组合在飞行器部件内部。关于材料在这里参照前面的说明。制备加强凸起（它同样通过纤维强化的复合材料制成）提高平面的结构部件的稳定性。在此加强凸起不类似于已知的纵梁或筋，它们由垂直于平面的结构部件的具有至少20mm至30mm长度的表面构成。而加强凸起基本没有平面的结构，而是具有更厚的、圆形的、椭圆的、凸起形式的横截面。因此至少在垂直于表面方向上或材料厚度方向上出现的最大凸起尺寸为10mm或者甚至最多只5mm。

按照本发明的由纤维强化的复合材料制成的平面的结构部件还优选这样制成，使得形成一个具有材料厚度的表面并且具有短臂，它具有短臂高度，它们形成平面的结构部件的局部表面，其中至少一个局部表面通过凸起尺寸的至少一个加强凸起构成，它在相邻短臂之间的局部表面上延伸。

这个平面的结构部件尤其是由纤维强化复合材料制成的结构部件，如同前面所述的那样。在短臂的布置和其形状方面也参照前面的描述。为了防止稳定性失效（翘曲），同时能够实现整体上薄的材料厚度，在至少一个局部表面中、必要时在所有局部表面中设有加强凸起。必要时也能够在局部表面中组合多个加强凸起。原则上这种加强凸起在局部表面上延伸，其中加强凸起特别优选从局部表面的一个拐角部位延伸到局部表面的对置的拐角部位。对于设有多个加强凸起的情况，可以使它们至少部分相互平行和/或相互倾斜地设置。此外也能够通过加强凸起形成一种层间结构和/或模型，它尤其是规则的，由此也使加强凸起之间的中间范围基本相同大小。加强凸起优选只向着平面的结构部件的一侧构成，即，例如向着这个侧面，在其上也设置短臂。所述凸起尺寸、即，例如加强凸起的直径与短臂高度相比（尤其基于纵梁）明显更小地构成，例如最大也只为包围局部表面的短臂的短臂高度的15%。由此加强凸起形成平面的结构部件的局部加厚的部位，它们抵制翘曲。因此局部表面的其余部位可以通过减小的材料厚度构成。结果是，在这种结构形式中与以整体结构形式没有加强凸起的平面的结构部件相比能够减轻重量直到30%，同时以相同的翘曲特性。

按照优选的平面的结构部件实施例至少表面和至少一个加强凸起整体地构成。该表面、它尤其是所谓的平面的结构部件的“外皮”，例如通过由碳素纤维增强复合材料制成的预浸渍材料层制成。在此加强凸起由碳素纤维增强复合材料构成。在加工工艺范围内这些部件相互连接或硬化，使它们不再能够看到显著的材料过渡，即尤其整体（换言之一体）地构成。即使原则上能够使表面和至少一个加强凸起以相互不同的材料制成，但是在这里期望至少一个主要的材料一致。尤其加强凸起具有至少直到与表面相同材料重量的90%。

此外有利的是，一个局部表面的多个加强凸起重叠。即，换言之，（一般直线设置的）加强凸起交叉。在此整个凸起尺寸在叠加范围例如放大加强凸起（例如双重的），但是也能够使一个加强凸起进入到另一加强凸起并且在叠加部位这样减小，使整个加强凸起基本等于各个加强凸起的凸起尺寸的叠加的加强凸起。此外优选，至少一个这样的部位通过在局部表面中的叠加的加强凸起实现。

此外在这里视为有利的是，所述凸起尺寸至少等于（等于或大于）材料厚度并且小于短臂高度。关于材料厚度在这里一个范围被视为有利的，它例如小于3.5mm，例如也小于3mm且尤其约2mm。材料厚度通过相应（减少）数量的预浸渍材料层构成。

如上所述，所述短臂（纵梁）具有平均大于20mm、例如约30mm的短臂高度。在这里建议，使凸起尺寸设置在材料厚度和短臂高度的中间范围。特别优选一个凸起尺寸，它至少两倍于材料厚度，必要时甚至至少等于5倍或者甚至10倍于材料厚度。特别优选具有半圆形横截面的加强凸起。在此凸起尺寸在表面的材料厚度方向上优选在2至4mm之间。垂直于材料厚度可以使凸起尺寸例如直到10mm。只是出于完整性在这里要指出，加强凸起横截面的这种形状不是强制性的，而是也可以适配于平面的结构部件的各自负荷和/或形状地导致不同的外形。同样能够设有在横截面形状和/或凸起尺寸方面不同的加强凸起。

根据平面的结构部件的改进方案至少一个加强凸起通过支撑结构包围。这个支撑结构尤其具有功能，在加工期间（和之后）保持所期望的加强凸起的横截面形状和凸起尺寸。该支撑结构例如可以按照织物、网或类似形式实现并且至少部分地（但是优选完全）包围至少一个加强凸起。因此支撑结构例如具有一个或多个纤维，它们使加强凸起（至少在加工期间）在形状上稳定。在加工期间这种加强凸起例如具有多条碳素纤维，它们是干燥的或者预浸渍地集束。支撑结构的纤维可以通过不同的材料构成，因此尤其考虑玻璃纤维和/或芳族聚酰胺纤维。因此可以设想这种支撑结构在平面的结构部件聚合作用后作为结构部件，但是在内部与表面材料和/或加强凸起连接。

按照本发明的另一方面也建议一种用于加工飞行器的平面的结构部件的方法，它至少包括下面的步骤：

a）通过层合多个可固化材料层形成表面；

b）在表面上布置可固化材料的至少一个加强凸起；

c）使表面和至少一个加强凸起共同固化成整体的平面的结构部件。

按照本发明的方法尤其用于加工按照本发明的平面的结构部件。

在步骤a）尤其使用多个碳强化的基材层。碳素纤维优选由在初始状态连续的长纤维构成，它们在结构部件中层式地、必要时以不同的纤维纵向取向地设置。多个这种层可以上下和/或并排地定位在底层上，由此形成表面、尤其具有其弯曲的外形。在此这个表面可以具有几平方米的尺寸并且尤其具有（略微）弯曲的形状。尤其在单侧模具中形成层合，该模具构成所期望的表面轮廓或形状。

与步骤a）一起或者在其后将加强凸起（在硬化的或未硬化的状态）设置在表面上。原则上可以使短臂同时以步骤a）和/或b）构成，但是这不是一定必需的。因此也可以使短臂事后固定（粘接）在硬化的结构部件上。在此通过上述取向或所述模型对应于所期望的平面的结构部件要求实现加强凸起布置。在这里要指出，必要时还可以独立地处理（例如浸渍）层和/或加强凸起，用于最终硬化。因此“硬化的材料”的概念必要时也包括中间产品，它（还）未浸渍，例如由碳素纤维、玻璃纤维、聚酰胺纤维制成的干燥的编织的半成品或纵梁。

按照步骤c）的表面硬化优选热技术地并在真空下以过压进行。由于加强凸起直接与表面接触通过硬化产生整体的、一体的平面的结构部件的扩展结构。

一种方法也是有利的，其中至少一个加强凸起通过至少一个下面的过程提供：

-旋转许多可固化材料条段；

-使多个可固化的材料条段成束；

-使许多可固化的材料条段相互固定；

-在支撑结构上布置许多可固化的材料条段。

上述方法的重点尤其是，在加工时简化加强凸起的处理和/或也在硬化期间基本保持加强凸起的形状（在横截面或纵向上）。在这里例如建议，提供具有许多（优选由碳素纤维制成的）条段的加强凸起，它们相互旋转或相互扭转。在一些情况下也有意义的是，使条段例如按照织物的形式相互固定。此外也能够使多个硬化材料条段集束成加强凸起，其中必要时也可以通过适合的粘附剂实现。在此在考虑所期望的加强凸起在平面的结构部件表面上的形状的条件下选择条段数量。如果需要也可以使用附加的措施，用于使许多硬化材料条段相互固定，其中这些措施可以通过相同的条段材料或同样适合的材料构成。最后也有利的是，使许多条段通过适合的支撑结构形状准确地固定，其中支撑结构要正好不对上述步骤c）产生不利影响。支撑结构例如也可以由包围条段的网或由向着编织的（由硬化的材料、碳素纤维、玻璃纤维、聚酰胺纤维制成的）基本结构的固定纤维构成。

此外也有利的是，可硬化的层材料和至少一个加强凸起的材料在步骤a）和b）中以树脂浸渍。即换言之，对此尤其使用所谓的预浸渍材料，即由碳素纤维制成的织物或其它纤维形状（毛坯），它们是人造树脂浸渍的。织物树脂尤其考虑环氧树脂、苯酚树脂、双马树脂或聚酯树脂。

此外有利的是，在压热器中执行步骤c）。这公开了一种可能性，为了加工这种平面的结构部件追溯到公知的技术和模具。在加工时也可以使用许多其它工艺，其中列举例如渗入工艺如RTM（树脂传递模塑）或VARI（真空辅助的树脂渗透）。

本发明的优点、尤其减轻平面的结构部件的重量能够在飞行器中显示出来，它具有至少一个在这里按照本发明描述形式的平面的结构部件，它必要时按照在这里按照本发明的加工方法制成。作为飞行器尤其考虑民用飞机或直升飞机。

通过在这里给出的平面的结构部件或所建议的其加工方法能够实现一系列优点。因此例如能够简单地检验结构部件，尤其是利用超声波无损地分析。此外在唯一的工作过程中在压热器里面实现平面的结构部件的加工。除此以外也不能忽略，可以针对使用或针对负荷（并且必要时甚至自动地）实现加强凸起的数量、形式和/或位置。

附图说明

下面借助于附图详细描述本发明的实施例以及技术领域。要指出，在附图中所示的实施例尽管是优选的，但是本发明不局限于此。附图中：

图1示出平面的结构部件的局部横截面，

图2示出加强凸起的第一实施例，

图3示出加强凸起的第二实施例，

图4示出加强凸起的第三实施例，

图5示出平面的结构部件的立体图，

图6示出飞行器。

具体实施方式

图1以横截面图简示出平面的结构部件1的细节，如同以后可以在飞行器中使用的那样。在图1下面示出表面3，但是它在这里向右和向左缩短地示出。表面3例如形成一个外尺寸3mx10m的面积。为了构造或为了加工这个表面3在这里使用许多由预浸渍碳素纤维织物制成的材料层。它们在加工期间上下和并排地设置，由此最终达到所期望形状的材料厚度4，其中材料厚度4优选小于3.5mm。尽管在这里表面3基本平面地表示，但是它一般是弯曲的。

为了加固表面3在一个侧面上（在这里上面）设有许多短臂5（纵梁），它们形成给定的短臂高度6。在图1中只标明短臂5，为此为了要表达，短臂5例如在与加强凸起和层11共同硬化后才接合。尽管事先已知这个短臂5基于表面3的位置或定位，由此可以鉴别短臂5之间的局部表面7。正好在这个例如以300mmx200mm尺寸范围构成的局部表面中优选设有许多加强凸起8（尽管在这里只示出唯一的加强凸起8）。在图1中加强凸起8平行于短臂5延伸并且在整个局部表面7上延伸。在此加强凸起8具有基本半圆形的具有凸起尺寸9的横截面。在此可以看出，加强凸起9位于这个范围，它大于材料厚度4但是小于短臂高度6。

图2,3,4示出加强凸起的不同实施例，表示它们如何可以用于加工成平面的的结构部件。在此尤其涉及许多可硬化的材料条段12，尤其涉及（浸渍的）碳素纤维。在图2中条段12螺旋形地相互旋转并因此形成所期望的凸起尺寸9。显然，正好在压热器中加工时可以使用加强凸起8的变形，由此使初始材料的凸起尺寸9一般大于在可硬化的平面的结构部件上的凸起尺寸9。

在图3中条段12相互平行地取向，但是由网形的支撑结构10包围，它使条段12集束。支撑结构10例如可以通过许多玻璃纤维或聚酰胺纤维构成。在图3中支撑结构按照织物或编织或缠绕的形式构成，而图4示出相互平行取向的条段12在扁平编织的基层结构14上的布置，其中支撑结构10的纤维13绷紧条段12并且与基层结构14（例如包括碳素纤维、聚合物纤维和/或玻璃纤维）连接。加强凸起8的这三个实施例在加工时能够非常容易地搬运并因此可以形状稳定且配合准确地定位在平面的结构部件局部表面的所期望位置上。这尤其适用于加强凸起和/或表面（层）已经通过树脂预浸渍的情况，由此更容易地定位在表面上。

在图5中立体地示出另一平面的结构部件。可以看出，表面3在两个侧面15上通过短臂5分成许多局部表面7。在这个实施例中在同一侧面15上短臂5附加地设有加强凸起8。但是以这种方式实现布置，在每个局部表面7中设有交叉的加强凸起8，它们分别直线对角地相对于局部表面7的边界设置。

图6示出按照民用飞机形式的飞行器2，其中突出地显示出不同的平面的结构部件1，它们通过本发明可以明显减轻重量地制备。平面的结构部件例如形成流体表面16或机身17部件。此外例如也可以通过这种方式加工传动机构外皮部件和/或飞行器2的机头。清楚地看出，通过所建议的方法可以加工飞行器2的大面积的、初级结构部件，其中同样可以明显减轻飞行器2的重量。伴随而来的低燃料消耗和/或更高的加载是本发明的主要优点。

附图标记清单

1 平面的结构部件

2 飞行器

3 表面

4 材料厚度

5 短臂

6 短臂高度

7 局部表面

8 加强凸起

9 凸起尺寸

10 支撑结构

11 层

12 条段

13 纤维

14 基本结构

15 侧面

16 通流面

17 机身

Claims (9)

1.一种飞行器(2)的由纤维增强的复合材料制成的平面的结构部件(1)，它形成具有材料厚度(4)的表面(3)，所述结构部件具有短臂(5)，所述短臂(5)具有短臂高度(6)，所述短臂(5)形成平面的结构部件(1)的局部表面(7)，其中至少一个局部表面(7)通过凸起尺寸(9)的至少一个加强凸起(8)构成，该凸起尺寸在两个短臂(5)之间的局部表面(7)上延伸，其中所述的至少一个加强凸起(8)具有一个最多为10mm的凸起尺寸(9)，因此最大为包围局部表面(7)的短臂(5)的短臂高度(6)的15％，其中加强凸起(8)具有圆形的、椭圆的或者半圆形的横截面，其中，所述至少一个加强凸起(8)通过支撑结构(10)包围，其中所述加强凸起(8)被布置在可固化材料的多个层的层制件的表面(3)上，所述表面(3)通过层合多个可固化的纤维增强的复合材料层(11)形成。

2.如权利要求1所述的平面的结构部件(1)，其中至少表面(3)和至少一个加强凸起(8)整体地构成。

3.如权利要求1或2所述的平面的结构部件(1)，其中局部表面(7)的多个加强凸起(8)重叠。

4.如权利要求1或2所述的平面的结构部件(1)，其中凸起尺寸(9)至少等于材料厚度(4)并且小于短臂高度(6)。

5.如权利要求1或2所述的平面的结构部件(1)，其中支撑结构(10)被制成网或者织物，其中网或者织物用与加强凸起不同的材料形成。

6.一种用于加工飞行器(2)的平面的结构部件(1)的方法至少包括下面的步骤：

a)通过层合多个可固化材料层(11)形成表面(3)；

b)在表面(3)上布置可固化材料的至少一个加强凸起(8)；

c)使表面(3)和至少一个加强凸起(8)共同固化成整体的平面的结构部件(1)，其中至少一个加强凸起(8)通过至少一个下面的过程提供：

-旋转许多可固化的材料条段(12)；

-使多个可固化的材料条段(12)成束；

-使许多可固化的材料条段(12)相互固定；

-在支撑结构(10)上布置许多可固化的材料条段(12)。

7.如权利要求6所述的方法，其中在步骤a)和b)中通过树脂浸渍所述层(11)和至少一个加强凸起(8)的可固化材料。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中在压热器中执行步骤c)。

9.一种飞行器(2)，具有至少一个如权利要求1至5中任一项所述的平面的结构部件(1)或者具有至少一个如权利要求6至8中任一项所述的方法制成的平面的结构部件(1)。