CN102317057A - 用于生产外壳体部的方法和相应体部 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产外壳体部(19)的方法，其中，至少两个外壳区段(20、22)由纤维复合材料制造，由能够塑性变形的材料制造的至少一个补偿体部(32、34、36、38)结合于至少一个外壳区段(20、22)的至少一个界限边缘(24、26、28、30)，在相邻的外壳区段(20、22)之间形成面接合部(40、42)的情况下使外壳区段(20、22)重叠以形成外壳体部，所述至少一个补偿体部(32、34、36、38)布置在至少其中一个接合部(40、42)处。为了补偿每个重叠中的形状偏差，使相应的补偿体部在其形状上进行改变，并且外壳区段(20、22)在接合部(40、42)处彼此连接。

Description

用于生产外壳体部的方法和相应体部
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年2月18日提交的德国专利申请No.10 2009 009491.1和2009年2月18日提交的美国临时专利申请No.61/153,534的优先权，上述申请的公开以引入的方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及用于制造外壳体部的方法、用于外壳体部的外壳区段、外壳体部、运输工具的机身区段、以及例如飞行器的运输工具。
背景技术
为了制造大型的外壳体部，通常，多个外壳区段彼此分开地制造，并且然后一起组装并接合成为外壳体部。因为与大型号、整体式和整装的外壳体部相比，单独的、较小的外壳区段在它们的加强和表面处理期间明显更易于处理，所以该方法已经在运输工具构造、特别是飞行器机身的生产中证明了自己。
假设外壳区段分开制造，因为即使在非常窄的公差下与期望的几何形状的偏差也会具有较大的影响——特别是对于较大的外壳区段，并且外壳区段的界限边缘可能相对于彼此偏离，所以无法保证当组装外壳体部时外壳区段将立刻以完全齐平的方式装配在一起。然而，当使用金属材料时可以容易地纠正外壳区段的形状，因为外壳区段在相应地弯曲时经受轻微的塑性变形。
然而，当利用现代复合纤维材料制造大型号外壳时这将不易于做到，因为CFRP(碳纤维增强塑料)或GRP(玻璃纤维增强塑料)呈现出实际上不允许变形——甚至窄范围内的变形——的极高的强度。因此，在外壳区段由复合纤维材料制造的情况下，无法在不危害它们的完整性的情况下调节外壳区段的几何形状来弥补尺寸偏差。
对于由复合纤维制成的外壳区段而言，外壳区段的塑性变形的一个可想到的替代方案是使分别面对的界限边缘变厚，以便通过从外表面移除材料来补偿尺寸偏差。然而，这将是非常大劳动量且费时的，并且还可能不利地影响外壳区段的完整性。
解决该问题的另一方法是生产单件式外壳体部，考虑到运输工具构造中、特别是飞行器构造中的尺寸，这将是非常复杂和昂贵的。
发明内容
因此，本发明的目的可以被认为是提出了一种用于制造外壳的方法，该方法使得能够以多个区段制造外壳体部并且容易地补偿尺寸偏差。
该目的可以通过根据独立权利要求1的方法实现。
例如，根据本发明的用于制造外壳的方法可以包括下面描述的过程步骤。由复合纤维材料制造至少两个外壳区段，其中，每个外壳区段呈现至少一个界限边缘。由能够塑性变形的材料制成的至少一个补偿体部附连于至少一个界限边缘。例如，这种补偿体部在此处可以在每个界限边缘处固定于每个外壳区段，或者仅一个相应的补偿体部可以附连于每个外壳区段；然而，两个补偿体部也可以固定于一个外壳区段，其中，没有这种补偿体部附连于另一外壳区段。以这种方式制造和配备的外壳区段彼此重叠以形成外壳体部，从而在相应相邻的外壳区段之间产生面接合部，其中，至少一个补偿体部布置在至少其中一个接合部上。
由能够塑性变形的材料制成的这种类型的补偿体部提供了通过机械地改变补偿体部的形状来补偿邻接的外壳区段之间的尺寸偏差的方式。例如，如果外壳区段构造成具有界限边缘——其平行于所生成的圆筒形外壳体部的纵向轴线延伸——的圆筒筒段，特别是假设大的外壳区段，这些界限边缘在它们的长度上可以偏离。如果像这样的偏离的外壳区段重叠，则外壳区段将无法在设置的接合部中以平展且齐平的方式彼此接触，由此当将两个外壳区段接合在一起时在接近接合部处会导致应力和对外壳区段的损坏。
然而，如果使补偿体部与外壳区段或者使两个补偿体部进行重叠，其中，补偿体部分别与外壳区段刚性地接合，则能够塑性变形的变形体部的形状将非常易于纠正，从而使得在接合部之内可以建立面接触。因此，还可以防止应力以及对外壳区段的损坏。
这样特别是在当由碳纤维复合材料制造外壳区段时是有意义的，实际上，该碳纤维复合材料在固化状态下无法在它们的形状方面进行改变。
用于外壳体部的组装费用可以通过减少外壳分割的数量而降低。在理想的情况下，能够想到仅将两个外壳区段结合成外壳体部，从而仅导致两个面接合部，其中布置至少一个相应的补偿体部。然而，根据本发明的方法还可以概括成包括将被接合在一起的更多个外壳区段，从而使得根据本发明的优点不会受到负面地影响。
根据本发明的方法还允许关于以CFRP构造方法制造的大外壳区段的公差补偿。用于外壳体部的两壳体构造于是非常易于处理。允许的更大的外壳区段降低了总组装费用。与传统的制造方法相比，外壳区段的减少的数量以及因此接合部的减少的数量还削减了用于将外壳区段接合在一起所需的连结元件的数量，由此产生重量上的减轻。
另一主要优点在于：与线性接合部相比，面接合部允许力在联结的外壳区段之间特别良好且均匀地传递。
在根据本发明的方法的特别优选的进一步发展中，将补偿体部层压到相应的外壳区段的复合纤维材料中。当由复合纤维材料制造外壳区段时，例如，纤维毡或纤维层通常与基体材料接合，使得补偿体部在复合纤维材料被固化之前被引入到界限边缘中，并且然后在复合纤维材料已经固化之后刚性地接合于界限边缘。作为一个可能的调节，补偿体部在被复合纤维材料包围的区域中可以包括凹陷、凹入部等。这样可以产生补偿体部的改善附着，类似于钢丝加强。
在根据本发明的方法的另一有利的进一步发展中，补偿体部还可以在形状配合的接合过程中固定于相应的外壳区段。为此，可以为外壳区段提供匹配的凹入部、铆钉、套管等以确保补偿体部中的最佳可能载荷引入。
在根据本发明的方法的特别有利的进一步发展中，在外壳区段上布置多个补偿体部，使得在所有接合部中均设置至少一个补偿体部。当制造特别大的外壳时，这样使得能够适当地补偿任何接合部的尺寸软化(dimensional softening)。
在根据本发明的方法的特别有利的实施方式中，补偿体部可以构造为弯折状(fold-like)元件，其轮廓总是遵循外壳区段的轮廓。因此，可以改善结构上的局部峰值载荷。
在根据本发明的方法的有利的进一步发展中，例如，在制造运输工具机身并且特别是飞行器机身期间，至少相应的外壳区段的区域可以模制成圆筒筒段，从而使得能够将补偿体部实现为在外壳区段的界限边缘上的长方形的条状延伸件。这样制造特别简单并且在形状方面特别易于调节，以便消除尺寸偏差。
在根据本发明的方法的有利的进一步发展中，所述至少一个补偿体部可以由金属材料制造。虽然建议使用钛，用于实现特别有利的重量强度比，但是其它的材料也是可以的。
该目的还通过具有至少一个界限边缘的由复合纤维材料构成的外壳区段实现，该外壳区段具有布置在所述至少一个界限边缘处的由能够塑性变形的材料构成的至少一个补偿体部，以便补偿尺寸偏差。例如，外壳可以包括多个这些外壳区段。然而，可以想到通过如下方式降低制造成本，即：将具有两个界限边缘和相应的补偿体部的外壳区段接合于呈现两个界限边缘、但没有其自身的补偿体部的外壳区段的界限边缘。通过引入根据本发明的一个外壳区段的补偿体部的尺寸变化可以相应地补偿尺寸偏差。
类似地，通过具有至少其中一个上述根据本发明的外壳区段的由复合纤维材料构成的外壳体部实现本发明。以同样的方式，该目的通过具有至少一个外壳体部的用于例如飞行器的运输工具的机身区段实现，其中，外壳体部由至少一个根据本发明的外壳区段和另外的外壳区段组成。此外，该目的通过具有至少一个根据本发明的机身区段的运输工具实现。
附图说明
可以从下面的示例性实施方式的描述和附图发现本发明的其它的特征、优点以及可能的应用。在这种情况下，所有描述的和/或以图表图示出的特征单独地以及以任何组合——甚至与它们在单个权利要求或在后面引用其的权利要求中的组合无关——构成本发明的技术主题。另外，附图上的相同的附图标记表示相同或相似的物体。
图1示出了用于基于两个外壳区段制造外壳的传统方法。
图2示出了用于基于两个外壳区段制造外壳的根据本发明的方法的概略图。
图3示出了具有两个补偿体部的根据本发明的外壳区段的立体图。
图4a和4b示出了具有三个或四个外壳区段的外壳的概略图。
图5提供了用于制造根据本发明的外壳的根据本发明的方法的概览。
图6示出了具有由根据本发明的外壳制造的至少一个机身区段的飞行器。
具体实施方式
图1示出了如下示例，即，根据当前的传统方法如何将由复合纤维材料构成的多个外壳区段一起接合成为单个外壳。
此处作为示例描述两个外壳区段2和4，两个外壳区段2和4设计为圆筒筒段并且彼此叠置，从而使得上外壳区段2的界限边缘6和8可以与下外壳区段4的界限边缘10和12接合。例如，利用分布在接合部14和16上的一系列连结元件建立连接。例如，可以由后者制造飞行器的机身区段18。
因为CFRP外壳区段一旦在固化状态中就仅能够最小化地变形，所以以CFRP构造方法制造的外壳区段消除了在组装期间纠正尺寸偏差的需要。利用传统的构造方法，对于在较长的区域上安装两个外壳区段2和4需要非常窄的公差，从而使得界限边缘6和10或8和12沿着单个线延伸。如果利用当前的制造过程尽可能地确保符合这些较窄的公差，则会产生非常高的成本。
在图2中示出用于制造外壳19的根据本发明的方法。在该示例中，上外壳区段20和下外壳区段22接合在一起。外壳区段20和22均呈现出界限边缘24、26、28和30。作为示例，在这些界限边缘24至30中的每一个上布置补偿体部32、34、36和38。当外壳区段20和22由例如CFRP的复合纤维材料制造时，补偿体部32至38由能够塑性变形的金属材料制成。
当将外壳区段20和22接合在一起时，出现面接合部40和42，其中，外壳区段20和22重叠。在示出的示例中，通过补偿体部32至38来实现重叠，补偿体部32至38的形状能够进行改变，即使界限边缘24至30呈现尺寸偏差。接合部40和42可以通过轻微弯曲进行纠正，以便建立补偿体部32至38或外壳区段20和22之间的齐平接触。然后，可以利用传统的接合方法使两个外壳区段20和22在接合部40和42处彼此连接。
图3示出了上外壳区段20的示例，上外壳区段20构造成圆筒筒段。补偿体部32和38设置在界限边缘24和26上，补偿体部32和38用于补偿尺寸偏差。这些补偿体部32和38优选地以如下的方式设计，即：使得它们的形状始终遵循上外壳区段20的形状。通过避免不连续性，结构载荷峰值可以最小化或甚至全部消除。
补偿体部32和38可以由钛或某些其它金属制成，以便提供伴有强度的最佳塑性变形性。除经由诸如铆接、螺纹连接等传统方法接合之外，还可以使用现代的粘接和焊接过程。另一方面，还可以例如通过层压等建立与上外壳区段20的完全整体的材料连接。
图4a表示对于由三个外壳区段46、48和50构成的外壳44的示例。在这些外壳区段46至50上还可以布置补偿体部52至62，从而使得能够补偿尺寸偏差。
最后，图4b描述了外壳64的另一变体，其使用了配置补偿体部74至88的四个外壳区段66至72。当然，对于每个接合部来讲单个补偿体部就可以满足，并且在单个接合部内侧的补偿体部还可能完全省略，例如，假设将外壳分成三个或四个区段，从而对于三区段外壳仅使用至少两个补偿体部，并且对于四区段外壳使用至少两个或三个补偿体部。
此外，相关技术人员应当理解在不背离本发明的思想的情况下可以分成多于四个的外壳区段。
图5基于示意性框图进一步图示出了根据本发明的方法。例如，根据本发明的方法包括由复合纤维材料制造至少两个外壳区段90。该制造程序可以包括布设和层压纤维毡或纤维束。该过程步骤之后是将由能够塑性变形的材料构成的至少一个补偿体部连结到至少其中一个所制造的外壳区段的至少一个界限边缘92。该连结可以包括如上所述的所有接合方法，例如形状配合接合、通过层压等进行的整体材料接合或者粘接。在另一过程步骤中，将外壳区段重叠，由此伴随着在分别相邻的外壳区段之间形成面接合部而产生外壳94。在其中至少一个接合部中设置至少一个补偿体部。改变补偿体部的形状来补偿每个重叠中的尺寸偏差96。作为最后的步骤，将外壳区段接合到接合部98。
最后，图6示出了飞行器100，飞行器100包括基于根据本发明的方法制造的一个或多个机身区段102。例如，这种机身区段102可以由一个或多个外壳体部构成，该一个或多个外壳体部进而基于根据本发明的方法由单独的外壳区段制成。
另外，必须指出“包括”或“包含”不排除任何其它的元件或步骤，并且“一个”或“所述”不排除多个的情况。进一步指出，参照以上示例性实施方式中的一个描述的特征或步骤还可以与来自上述其它示例性实施方式的其它特征或步骤结合描述。权利要求中的附图标记不应视作是对保护范围的限制。
附图标记
2外壳区段
4外壳区段
6界限边缘
8界限边缘
10界限边缘
12界限边缘
14接合部
16接合部
18外壳体部/机身区段
19外壳体部
20上外壳区段
22下外壳区段
24界限边缘
26界限边缘
28界限边缘
30界限边缘
32补偿体部
34补偿体部
36补偿体部
38补偿体部
40面接合部
42面接合部
44外壳体部
46外壳区段
48外壳区段
50外壳区段
52补偿体部
54补偿体部
56补偿体部
58补偿体部
60补偿体部
62补偿体部
64外壳体部
66外壳区段
68外壳区段
70外壳区段
72外壳区段
74补偿体部
76补偿体部
78补偿体部
80补偿体部
82补偿体部
84补偿体部
86补偿体部
88补偿体部
90制造外壳区段
92连结补偿体部
94将外壳区段重叠
96改变补偿体部的形状
98接合外壳区段
100飞行器
102机身区段
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于制造外壳(19、44、64)的方法，其包括如下步骤：
由复合纤维材料制造至少两个外壳区段(46、48、50、66、68、70、71)(90)，每个外壳区段具有至少一个界限边缘(24、26、28、30)，
由能够塑性变形的材料构成的至少一个补偿体部(24、26、28、52、54、56、58、60、62、74、76、78、80、82、84、86、88)通过层压到外壳体部的复合纤维材料中而连结于至少一个外壳区段的至少一个界限边缘(92)，
将所述外壳区段重叠以便伴随着在分别相邻的外壳区段之间形成的面接合部(40、42)而产生所述外壳体部(94)，其中，使所述至少一个补偿体部设置在至少其中一个所述接合部中，
改变所述补偿体部的形状以补偿在每个重叠中的尺寸偏差(96)，以及
在所述接合部处接合所述外壳区段(98)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述外壳区段上布置多个补偿体部，使得在所有接合部上均设置至少一个相应的补偿体部。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个补偿体部构造成弯折状元件，其轮廓总是遵循所述外壳区段的轮廓。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少所述外壳区段的区域模制成圆筒筒段。
5.一种外壳区段，所述外壳区段由复合纤维材料构成，所述外壳区段具有至少一个界限边缘和至少一个能够塑性变形的补偿体部，其中，所述外壳区段根据权利要求1至4中任一项所述的方法制造。
6.一种外壳体部，所述外壳体部具有至少两个外壳区段，所述至少两个外壳区段由复合纤维材料构成并且重叠以产生至少一个面接合部，其中，通过将层压到复合纤维材料中而固定于外壳区段的补偿体部定位在至少一个接合部中以补偿尺寸偏差。
7.一种具有至少一个外壳体部的机身区段，所述外壳体部由复合纤维材料构成，所述外壳体部具有形成至少一个面接合部的至少两个重叠的外壳区段，其中，通过将层压到复合纤维材料中而固定于外壳区段的补偿体部定位在至少一个接合部中以补偿尺寸偏差。
8.一种具有至少一个根据权利要求7所述的机身区段的运输工具。

Claims (10)

1.一种用于制造外壳(19、44、64)的方法，其包括如下步骤：
由复合纤维材料制造至少两个外壳区段(46、48、50、66、68、70、71)(90)，每个外壳区段具有至少一个界限边缘(24、26、28、30)，
将由能够塑性变形的材料构成的至少一个补偿体部(24、26、28、52、54、56、58、60、62、74、76、78、80、82、84、86、88)连结于至少一个外壳区段的至少一个界限边缘(92)，
将所述外壳区段重叠以便伴随着在分别相邻的外壳区段之间形成的面接合部(40、42)而产生外壳体部(94)，其中，使所述至少一个补偿体部设置在至少其中一个所述接合部中，
改变所述补偿体部的形状以补偿在每个重叠中的尺寸偏差(96)，以及
在所述接合部处接合所述外壳区段(98)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述补偿体部层压到相应的所述外壳区段的复合纤维材料中。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在形状配合接合过程中将所述补偿体部固定于相应的所述外壳区段。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述外壳区段上布置多个补偿体部，使得在所有接合部上均设置至少一个相应的补偿体部。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个补偿体部构造成弯折状元件，其轮廓总是遵循所述外壳区段的轮廓。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少所述外壳区段的区域模制成圆筒筒段。
7.一种外壳区段，所述外壳区段由复合纤维材料构成，所述外壳区段具有至少一个界限边缘和至少一个能够塑性变形的补偿体部，其中，所述外壳区段根据权利要求1至6中任一项所述的方法制造。
8.一种外壳体部，所述外壳体部具有至少两个外壳区段，所述至少两个外壳区段由复合纤维材料构成并且重叠以产生至少一个面接合部，其中，固定于外壳区段的补偿体部定位在至少一个接合部中以补偿尺寸偏差。
9.一种具有至少一个外壳体部的机身区段，所述外壳体部由复合纤维材料构成，所述外壳体部具有形成至少一个面接合部的至少两个重叠的外壳区段，其中，固定于外壳区段的补偿体部定位在至少一个接合部中以补偿尺寸偏差。
10.一种具有至少一个根据权利要求9所述的机身区段的运输工具。
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