CN102470915A - 桁条 - Google Patents

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Abstract

一种层压复合桁条，所述层压复合桁条在其纵向上的一端处具有终端部，并包括复合结构层板形成的层压叠层，其中，叠层中的内部层板朝所述桁条终端部以连续的方式终止以提供叠层厚度减小的锥形。另外，一种复合结构包括面板和所述桁条；以及一种制造所述桁条的方法。所述复合结构可用于飞机中。

Description

桁条
技术领域
本发明涉及在其终端部处具有锥形的层压复合桁条，并且涉及形成这种桁条的方法。
背景技术
诸如飞机机翼或机身的蒙皮之类的面板可由沿该面板的长度延伸的一系列细长桁条来加强。桁条通常包括与面板成直角延伸的腹板和接合面板的凸缘。
由于阻碍加强件在某些区域中必须终止，以使得面板/桁条结构呈现平板几何形状。在飞机的情况中，加强件必须终止于例如机翼末端、检查孔等处。在桁条终端部处，由桁条支撑的应力被传递进面板内。因此桁条终端部产生局部应力集中的区域，并且在这些区域中面板和桁条有分离的趋势。
为了提高对面板和桁条分离的抵抗力，桁条凸缘在终端部附近可具有加宽部分，即所谓的“桁条基部”。该部分可螺栓连接或以其它方式固接到面板上。替代地或另外地，可在桁条基部上方设置指状板或盖板并将他们螺栓连接到面板上。这些措施有助于将桁条荷载分散到面板中但高应力集中仍旧存在。
腹板通常在终端部附近具有高度(垂直于面板)减小的锥形，以便于通过提供横向弯曲和轴向刚度的逐渐增加并减轻局部应力集中而将荷载从蒙皮传递到桁条。
WO2008/132498A描述了一种桁条，其中腹板在终端部附近具有高度减小的锥形。EP1566334A描述了一种桁条，其中腹板在终端部附近具有两个由高台分开的高度减小的锥形区域。
随着从金属桁条到复合桁条的变化，现有技术的非常基本的桁条终端部几何形状这些年来变化很少。然而，这些桁条终端部几何形状没有充分利用由复合材料构造桁条的优点。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种层压复合桁条，该桁条在其纵向方向上的一端处具有终端部，并包括复合结构层板形成的层压叠层，其中，所述叠层中的内部层板朝所述桁条终端部以连续的方式终止，以提供叠层厚度减小的锥形。
本发明的第二方面提供了一种包括面板和结合到该面板的第一方面的桁条的复合结构。
本发明的第三方面提供了一种包括根据第二方面的复合结构的飞机。
本发明的第四方面提供了一种制造层压复合桁条的方法，该桁条在其纵向方向上的一端处具有终端部且包括复合结构层板形成的层压叠层，其中，所述叠层中的内部层板朝所述桁条终端部以连续的方式终止，以提供叠层厚度减小的锥形，该方法包括：将复合结构层板切割成期望的终端部轮廓；以及叠置复合结构层板。
相比其中叠层厚度在腹板锥形中保持相同的现有技术，本发明的桁条具有叠层厚度减小的锥形。这大大地增加了桁条终端部的几何形状的可行性，并允许将荷载更加有效地从桁条传递到面板内。荷载传递被控制并以自由流动的形式均匀地分布，而不必控制局部应力集中。对大多数荷载情况来说，荷载传递使得不需要另外的指状板或覆盖层板，并且可将螺栓的尺寸和数量保持至最小。终端部的设计抑制产生裂缝部并改善断裂力学。
桁条可具有用于接合面板的凸缘，并且叠层锥形可位于凸缘内。凸缘内的叠层锥形可以沿纵向方向和/或横向方向。在凸缘沿纵向方向和横向方向均渐缩的情况下，应力集中被最有效地减少。
桁条可具有直立的腹板，并且叠层锥形可位于腹板内。腹板优选地在终端部处分叉，并且可在分叉腹板的“分支”之间设置非结构填充元件。
通过背对背地接合层压复合结构层板形成的一对大致L形的的叠层，可形成桁条的腹板和凸缘。由于角部处的复合层板的最小半径的限制，在L形的叠层之间可形成裂缝，该裂缝可用非结构填充元件填充。
除了叠层厚度减小的锥形之外，桁条也可以是锥形的，使得腹板的高度和/或凸缘的宽度可在终端部处渐缩。凸缘的位于终端部的紧内侧的宽度可大于凸缘的位于终端部的更内侧的宽度。
层板可由例如激光或水射流切割。优选地，每个层板在附加到层板叠层后立即被切割。也可使用自动铺带机来切割和铺设每个层板以形成叠层。
可将层板铺设成使得第一层板为最大层板，并且进一步地，将较小的层板铺设在上面，使得上部的层板在下部的层板之前终止以在终端部处形成叠层厚度减小的锥形。由于最后铺设的最上面的层板将是最小的层板，因此将暴露内部层板的边缘。为了保护内部层板的边缘，可在层板叠层上设置层板覆盖物。保护层板边缘将提高抗剥离性。
替代地，第一层板可以是最小的层板，并且进一步地，可将较大的层板铺设在上面，使得下部的层板在上部的层板之前终止以在终端部处形成叠层厚度减小的锥形。这种逆向铺放的上部层板将保护下部层板的边缘，并且最上面的层板将形成连续的表面。当桁条结合到或以其它方式固定在面板上时，最下面的层板最靠近板定位。最上面的层板最远离面板定位。
层板优选地为用树脂预浸渍的纤维加强层压板，即所谓的“预浸料坯”。替代地，层板可以是干纤维层压板，并且在层压板被切割和叠置之后，需要将树脂注入层板内。在这两种情况下，树脂可能都需要例如在压热器中固化。纤维可以由碳、玻璃或其它合适的材料制成。树脂优选地为环氧树脂。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施方式，在附图中：
图1示出用于根据第一实施方式的桁条的复合铺层的一端的平面图；
图2示出图1的铺层的侧视图；
图3示出具有覆盖层板的图1的铺层的平面图；
图4示出图3的铺层和覆盖层板的投影图；
图5示出图4的桁条终端部的近距离视图；
图6示出第一实施方式的固化的、完成的桁条；
图7示出图6的细节A；
图8示出图7的叠层锥形的近距离视图；
图9示出图6的桁条的侧视图；
图10示出沿图9的B-B的剖视图；
图11示出图6的桁条的端视图；
图12示出图6的桁条的投影图；
图13示出显示肋脚位置的图6的桁条的平面图；
图14示出为形成第一实施方式的桁条的层板铺层的示意图；
图15示出图14的固化铺层的示意图；
图16示出根据第二实施方式的桁条的平面图；
图17示出图16的桁条的投影图；
图18示出图16的桁条的下方的投影图；
图19示出为形成第二实施方式的桁条的层板铺层的示意图；
图20示出图18的固化铺层的示意图；
图21示出根据第三实施方式的桁条的投影图；
图22至24示出安装在面板上且具有覆盖桁条基部的衬垫的图21的桁条的局部图；以及
图25示出安装在面板上且具有覆盖桁条基部的可选衬垫的图21的桁条的示意图，并示出从桁条到面板的荷载传递方向。
具体实施方式
现在将描述根据本发明的桁条的第一实施方式。如图1中所示，桁条100包括具有宽度W的凸缘101和具有高度H的直立腹板102。应注意，在图1中仅示出桁条的一端。桁条100在一端处具有终端部103。在终端部的内侧，桁条100具有基本上恒定的区段(图1中未示出)。邻近于终端部103，凸缘101具有增大的宽度W’的区域，以便形成桁条基部104。桁条100由一对背对背的L形复合层压层板105的叠层形成。
层板105被布置成使得最下面的层板105a是最大的层板，并且最上面的层板105b是最小的层板。层板被切割成使得最下面的层板105a终止于桁条终端部103处，并且最上面的层板105b终止于离终端部103的内侧的较大距离处。层板105a和105b之间的其余的层板105被连续切割，以便形成层板叠层厚度朝终端部103减小的锥形或斜面。
如从图1可看到的，在凸缘101内的层板叠层厚度减小的锥形沿纵向方向X和横向方向Y的两个方向。如从图2可看到的，在凸缘101内叠层厚度减小的锥形还沿垂直方向Z。此外，如从图1和2可看到的，在腹板102内叠层厚度减小的锥形是沿横向方向Y。在接近终端部103处，凸缘101的宽度W与直立腹板的高度H一样也逐渐变小。在宽度为W的凸缘101内的锥形106被设置在相对于纵向方向X近似45°处。相对于纵向方向X以约5°设置处的第二锥形区域有助于在锥形106和桁条基部104的恒定宽度段W’之间结合。在高度为H的腹板102内的锥形107被设置在相对于水平面近似30°处。层板105的叠层被切割成使得只有最下面的层板105a保持在终端部103处。
在凸缘101和腹板102内的叠层厚度减小的锥形中的切割层板105的暴露的边缘可能容易分层。这可通过在最上面的层板105b上设置覆盖层板105c来克服。覆盖层板105c的尺寸被确定成至少与最下面的层板105a一样大，使得覆盖层板105c覆盖所有的其它层板105。如图3中所示，覆盖层板105c还包括延伸超出最下面的层板105a的边缘部分108。这些边缘部分108可用于将桁条100紧固到面板上。应当注意的是，任何这样的紧固件都是非结构性的，并且仅仅提供用于防止覆盖层板105c从面板剥离。在边缘部分108内的紧固孔109在图6中示出。
由于在其它层板105中的叠层厚度减小的锥形，因此覆盖层板105c在施加在未固化的层板的叠层上时在终端部处形成间隙。该间隙109在图5的近距离视图中可最佳地看到。当层板的铺层已完成时，固化桁条100导致覆盖层板105c适形于下面的其它层板105的叠层厚度减小的锥形。
图6示出了固化后的完成的桁条，其中覆盖层板105c形成连续的外表面；图6的细节A在图7中示出；腹板102中的层板的锥形叠层的近距离视图在图8中示出。从图8中可以看到，层板105均沿纵向方向X平行，并且通过以连续的方式终止层板，叠层沿横向方向Y的厚度减小以形成锥形。事实上，覆盖层板105c由两个层板105c形成。这些覆盖层板105c在锥形中不平行于纵向方向X，而是相反地适形于锥形的角度。在覆盖层板105c的边缘和其余的层板105之间的小空隙110用树脂填充。
图9示出了桁条100的侧视图，图10示出了沿B-B的剖视图。从图10中可以看到位于桁条基部104上的恒定截面区域中的复合层板105的一对背对背L形叠层。每个层板105均为连续的，使得腹板部分102的厚度为凸缘部分101的厚度的两倍。由于由层压层板105决定的最小半径r，而在背对背的L形叠层之间可形成裂缝。该裂缝可由非结构性填料111填充，使得桁条100的下表面112基本上是平坦的，从而可将桁条100牢固地结合到面板上。
在图11中示出了桁条100的端视图，在图12中示出了完成的桁条100的投影视图。桁条100旨在固定到机翼的罩盖或蒙皮上。机翼通常包括具有供桁条从其穿过的切口的肋。这些肋通常连接到机翼罩盖或蒙皮并通过肋脚连接到桁条。图13示出了位置113，在这些位置可将肋脚连接到桁条100。
图14示出了层板的铺层的示意图。在最下面的层板105a和最上面的层板105b之间的层板形成在层板叠层厚度减小的锥形中的阶梯式构造。覆盖层板105c延伸超出最下面的层板105a。层板的叠层在压热器中固化，由此施加的热量和压力P导致覆盖层板105c适形于其它层板105的锥形几何形状。图15示出了从压热器取出后的固化层板。
在上述的第一实施方式中，桁条100包括具有在各个方向上叠层厚度减小的锥形的层板的叠层。每个锥形的共同特征是内部层板朝着桁条终端部以连续的方式终止以形成叠层厚度减小的锥形。在完成的桁条100中，上部层板的暴露边缘可由可选的覆盖层板105c覆盖。
在第二实施方式中，桁条200具有与桁条100相似的总体几何形状。第二实施方式的桁条200和第一实施方式的桁条100之间的主要差异在于，在桁条200中，即使在不使用可选的覆盖层板时，内部层板也被终止成使得层板的边缘不暴露。桁条200包括凸缘201、腹板202、终端部203、桁条基部204、朝终端部203凸缘宽度减小的锥形206、朝终端部203腹板高度减小的锥形207以及非结构锥形插条(tapered noodle)211。桁条200的外部几何形状与桁条100的类似，不同的是腹板202在达至终端部203之前具有恒定的宽度。这通过锥形插条211实现，而与沿腹板202的纵向方向X叠层厚度减小的锥形无关。
通过接合层压复合结构层板形成的两个背对背的L形的叠层，而以与桁条100的构造类似的方式形成凸缘201和腹板202。
参照图18至20最佳地描述桁条100和桁条200之间的主要差别。对桁条200来说，层板铺层与桁条100的相反。如从图18中可看到的，层板205被铺放成使得最小的层板205a首先铺设，最大的层板205b最后铺设。可选的覆盖层板205c可随后铺在层板205b上。参照图19，第一层板205a首先被铺放。最上面的层板205b(或覆盖层板205c)最后被铺放，以便形成突出部。桁条200的层板可以是与桁条100相同的材料。一旦组装了层板205的叠层，就可将其在压热器等中进行固化。图20示出了固化后的层板205的示意性局部剖视图。最上面的层板205b在朝终端部203叠层厚度减小的锥形上形成基本光滑的过渡，与可选覆盖层板205c一样。内部层板自然变形，并且他们的边缘趋于朝向内模线(在其上铺设层板叠层的表面)的法线。
在图20中示出的示意图中，凸缘201包括超过腹板202的范围的延伸部分213。当存在凸缘201从与其连接的面板剥离的风险时，该部分可可选地提供用于桁条200。延伸区域213提供了增大的结合表面，并可通过大致由线214表示的紧固件被进一步固定到面板上。
图21至24示出了桁条300的第三实施方式。桁条300包括以与桁条100层板叠层类似的方式布置的层板305的叠层。也就是说，最下面的层板305a是最大的层板，并且最上面的层板305b是最小的层板。相比桁条100的层板105的斜切边缘，桁条基部304具有带有基本上连续的弯曲边缘的自由形式的构造。桁条基部304的形状已最优化为用于将荷载传递到待附连桁条300的面板。然而，层板305的弯曲边缘分别比桁条100的层板105的直边缘和桁条200的层板205的直边缘更难切割。
为了增强桁条基部304向面板350的结合，在桁条基部304上铺设有衬垫370。衬垫370有效地充当面板350的面板厚度增加的区域。衬垫370具有厚度基本上均匀的大致半圆形或D形的构造。衬垫可由单向或编织造的纤维复合材料制成。衬垫370可与桁条300和面板350预组装并共固化在一起，以将桁条300、衬垫370和面板350结合在一起。预制的衬垫370可在使用机器人臂上的真空衬垫的自动化工艺中铺设在桁条基部304上，以便相对于桁条300定位衬垫370。
在第三实施方式的第二实例中，衬垫370被衬垫380取代，如图25中所示。在图25中大致用(370)表示不存在的衬垫370的轮廓。第二实例的衬垫380的形状已被优化，以便在荷载从桁条300传递到面板350时顺着荷载的荷载线381。衬垫380具有基本上均匀的厚度，并且具有分叉的近端382、边大致平行的中间段383和叉状远端384。衬垫380的形状比简单的“D形”衬垫370更难切割，但提供了在桁条300和面板350之间改善的荷载传递。
尽管以上已经参照一个或多个优选的实施方式对本发明进行了描述，但应当理解，在不脱离如所附的权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (20)

1.一种层压复合桁条，所述桁条在其纵向方向上的一端处具有终端部，并包括复合结构层板形成的层压叠层，其中，所述叠层中的内部层板朝所述桁条的终端部以连续的方式终止，以提供叠层厚度减小的锥形。
2.根据权利要求1所述的桁条，所述桁条具有凸缘，其中，所述叠层锥形位于所述凸缘中。
3.根据权利要求2所述的桁条，其中，所述凸缘中的所述叠层锥形沿纵向方向和/或横向方向。
4.根据前述任一项权利要求所述的桁条，所述桁条具有直立腹板，其中，所述叠层锥形位于所述腹板中。
5.根据权利要求4所述的桁条，其中所述腹板在所述终端部处分叉，并且在分叉的所述腹板中布置有非结构性填充元件。
6.根据前述任一项权利要求所述的桁条，所述桁条具有凸缘和直立腹板，所述直立腹板通过背对背地接合层压复合结构层板形成的一对大致L形的叠层形成。
7.根据权利要求4所述的桁条，其中，在所述L形叠层之间的裂缝中布置有非结构性填充元件。
8.根据前述任一项权利要求所述的桁条，所述桁条具有直立腹板，所述腹板具有在所述终端部处高度减小的锥形。
9.根据前述任一项权利要求所述的桁条，所述桁条具有凸缘，其中，所述凸缘具有在所述终端部处宽度减小的锥形。
10.根据前述任一项权利要求所述的桁条，所述桁条具有凸缘，其中，所述凸缘的位于所述终端部的紧内侧的宽度大于所述凸缘的位于所述终端部的更内侧的宽度。
11.一种复合结构，该复合结构包括面板和结合到该面板上的前述任一项权利要求所述的桁条。
12.根据权利要求11所述的复合结构，其中，叠层厚度减小的所述锥形通过首先终止最靠近所述面板的层板来实现。
13.根据权利要求11所述的复合结构，其中，叠层厚度减小的所述锥形通过首先终止最远离所述面板的层板来实现。
14.一种包括权利要求11至13中的任一项所述的复合结构的飞机。
15.一种制造层压复合桁条的方法，所述桁条在其纵向方向上的一端处具有终端部，并且包括复合结构层板形成的层压叠层，其中，所述叠层中的内部层板朝所述桁条的终端部以连续的方式终止，以提供叠层厚度减小的锥形，所述方法包括：
将所述复合结构层板切割成期望的终端部轮廓；和
叠置所述复合结构层板。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述层板通过激光或水射流切割。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，各个层板在附加到所述叠层时被切割。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中，完成的所述桁条的最大层板首先被铺设在所述叠层中。
19.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中，完成的所述桁条的最小层板首先被铺设在所述叠层中。
20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，该方法还包括固化所述复合结构层板的所述叠层。
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