CN102803067B - 飞行器的机身的加强框架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞行器的机身(2)的加强框架(1)，所述机身(2)包括皮壳(3)和纵梁(20)，所述框架(1)包括结构部件(4)和封闭的内部中空的蜂巢部件(5)，所述结构部件(4)包括布置在机身(2)的皮壳(3)的内表面上的下基部(6)，将框架(1)连接到机身(2)的其余结构的纵梁(20)穿过该下基部，和所述蜂巢部件(5)布置在其上的加强部件(7)上，从而蜂巢部件(5)增大框架(1)的惯量和刚度并且不增加其重量，除了固有的抗局部弯曲的稳定性以外，所述框架(1)在横向方向上具有更高的刚度。

Description

飞行器的机身的加强框架
技术领域
本发明涉及飞行器的机身的加强框架的设计，所述框架尤其以复合材料制造。
背景技术
贯穿航空的历史，所使用的材料有明显的发展以便能提高它们的抗耐力，同时减轻它们的重量。符合这些要求的一种特定材料是碳纤维复合材料。作为其优点的结果，当前在飞行器结构中复合材料的使用高达50％。
假设形成飞行器的其余部件都直接或间接连接到机身上，机身是飞行器的主要组件。机身的形状随着飞行器将要具有的主要目的而改变，因此有几种类型的机身，例如衍架型、单壳型或者半单壳型，后者是今天最广泛使用的机身类型。
飞行器的机身包括相对于飞行器的纵向轴线的垂直衍架形式的部件，叫做框架，其用于赋予机身的结构以形状和刚度，这些框架间隔设置在飞行器的机身的管状结构的内部中。除了所述框架，机身包括其他加强部件，例如一般是Ω形或类似形状的纵梁，以优化负荷和刚度的分布。通过沿机身的纵向轴线连接框架来放置纵梁，纵梁的存在允许机身结构的皮壳变薄，因而减轻该结构的组件的重量。纵梁依次执行辅助加强功能，这些部件赋予机身形状并且形成皮壳的主要连接点。因此，框架的整个构架、纵梁和皮壳被连接以形成完整和刚性结构。
在机身的一些区域中，需要形成开口，例如乘客舱门、货舱门或窗。在这行情况中，由于飞行器的结构被削弱，需要用例如门框架的其他部件局部地加强开口区域。这些部件一般称为加强框架。
除了不得不经受机舱加压负荷以外，飞行器的机身还承受各种类型结构负荷。总的来说，机身承受弯曲、扭转和惯性负荷，加压负荷大多数由皮壳承受，纵梁承受机身在纵向方向上所经受的弯曲。另外，框架将负荷均匀地分布在机身结构的内部部分被分成的每个段中，皮壳、纵梁和框架作为单跨梁，最终支撑扭转和惯性负荷。
因此，对于当前的飞行器框架，主要在负荷沉重的结构或框架的情形中，期望借助于提供高刚度和惯性给所述结构同时又不增加重量的新设计被设计。
对于负荷沉重结构的情形，形成飞行器的框架的轮廓必须包括提高框架的刚度的加强脊或加强筋。然而，这些部件会增加结构的总重量，同时还有消除机身结构内的空置或有用空间的缺点，而此类空间对于货物或者放置设备在大飞行器内的目的来说是非常重要的，同时这些部件极大地妨碍纵梁通过框架以便沿机身的纵向轴线连接框架。
本发明提供对上述问题的解决方案。
发明内容
因此，本发明涉及飞行器的机身的加强框架的设计，所述框架特别地以复合材料制造，所述框架包括结构部件和封闭的、内部中空的蜂巢部件，上面提到的结构部件依次包括下基部以及上加强部件，该下基部布置在飞行器的机身皮壳的内表面上，连接框架到机身的其他结构的纵梁通过该下基部，封闭的蜂巢部件布置在上加强部件上。本发明的框架的结构部件优选为H形梁，使得下基部和上加强件通过腹板连接。封闭的蜂巢部件提供增大惯性及因此增大框架的刚度的优点，因为蜂巢部件将对框架的轮廓的转动惯量的计算做出贡献的质量从框架的重心分开，同时由于所述蜂巢部件是中空的，蜂巢部件不会为结构增加明显重量。
因此，借助于本发明的框架的设计所获得的最终形状类似于Ω形状，Ω形状提供具有增大刚度而不增加重量的优点的结构。在飞行器框架中，直到现在还没有使用这种类型的结构。
本发明的框架并不用来与围绕乘客舱门或货舱门或者围绕飞行器的窗的必需的加强部件连接。
通过树脂传递模塑(RTM)工艺，本发明的框架物体的架构部件用复合材料制造，通过所述工艺被催化的树脂被注入到先前已经布置加强件到其中的压模中，所述模具和树脂都两者被加热或者不被加热。封闭的蜂巢部件也用复合材料制造，能在新鲜状态下连接到框架的结构部件的上加强部件上。因此，由于结构部件是柔性的，结构部件能够适应并且以简单的方式调节至其上将布置所述框架的机身皮壳的内表面上，因此在新鲜状态下的封闭蜂巢部件能被放在先前结构部件的顶部上，同时结构部件布置在皮壳上。
附图说明
参考附图，从下面对本发明的目的起说明作用的实施例的详细描述中可以得出本发明的其他特征和优点，在附图中：
图1示出飞行器的机身的断面图，根据本发明所述机身包括加强框架、纵梁、标准框架和加强框架。
图2示出组成根据本发明的飞行器的机身的加强框架的部件的细节。
图3示出组成根据本发明的飞行器的机身的加强框架的部件的生成。
图4示出根据本发明的飞行器的机身的加强框架的封闭的蜂巢部件的断面细节。
图5示出根据本发明的飞行器的机身的加强框架的细节视图。
具体实施方式
本发明涉及飞行器的机身2的加强框架1的设计，所述框架1优选由复合材料制造，虽然这个框架1也可以用金属制造。框架1包括结构部件4和封闭的、内部中空的蜂巢部件5，其几何形状可以是可变的。结构部件4包括布置在飞行器的机身2的皮壳3的内表面上的下基部6以及蜂巢部件5布置在其上的上加强部件7，将框架1连接到机身2的其余结构的纵梁20穿过下基部6。框架1的结构部件4优选为H形梁，从而下基部6和上加强部件7通过腹板8连接。虽然已经描述了H形轮廓，框架1的结构部件4可以具有不同于H形的另外的截面形状，例如Z形，只要其包括布置在皮壳3的内表面上的下基部6以及蜂巢部件5可以布置在其上的上加强部件7即可。
蜂巢部件5提供增大惯量的优点，因此增大本发明的框架1的刚度，同时蜂巢部件不会增加明显重量到所述框架1的结构。因而，借助于本发明的框架1的设计获得的最终形状类似于Ω形状，Ω形状提供具有增大刚度而不增加重量的优点的结构。除了上面指出的这些优点以外，除了固有的抗局部弯曲(buckling)的稳定性以外，本发明的框架1在相对于所述框架1的横向的方向上比传统框架的刚度更高。此外，对于相同负荷要求，本发明框架1的高度30(看图3)小于用于相同负载要求的传统框架的高度，因此在飞行器的机身2内部留下更大的空置或有用的空间。框架1所承受的负荷越大(例如，在飞行器翼的主框架情形中)，这些优点甚至更加明显：当大负荷在框架1上时，传统框架必须包括提高所述框架的刚度的加强脊或加强筋。本发明的框架1在机身2内提供更大的空置空间，因为在结构部件4中未加入腹板或高度的情况下就让所述结构得到更大的转动惯量：蜂巢部件5稳定并加强框架1，防止传统框架的结构对加强脊或加强筋的必需使用。
本发明的另一个优点是基于下述事实：框架1可以根据算出的需要在其侧壁10(图4)中改变和修改蜂巢部件5的加强性，这取决于框架1在保持其重量的同时需要增大多少刚度，或者所述重量不明显增大。因而，蜂巢部件5的壁10可包括增大框架1的刚度的碳纤维加强层。
本发明的框架1的另一优点是纵梁20通行穿过所述框架以通过结构部件4的壁40的容易方式实现。此外，所述纵梁20通过胶合到结构部件4的所述壁40而固定，因此铆钉的使用(会提高成本并且使连接它们的过程复杂，同时还增加重量)将不再是必需的。另一方面，框架1穿过结构部件4的下基部6的组装也更便利，因为存在到所述框架1将固定于其上的皮壳3的内表面的具有开口部分(通过壁40)的通路。
框架1的结构部件4通过树脂传递模塑(RTM)工艺用复合材料制造。封闭的蜂巢部件5同样用复合材料制造，并能够在新鲜状态下连接到框架1的结构部件4的上加强部件7。因此，由于本发明的框架1具有柔性(因为下述事实：蜂巢部件5能以非僵硬的新鲜状态布置在结构部件4上)，结构部件4能够以简单的方式适应并且调节至框架1将布置在其上的机身2的皮壳3的内表面，在新鲜状态中的封闭的蜂巢部件5随后能被放在先前的结构部件4的顶部上，同时所述结构部件4布置在皮壳3的内表面，包括结构部件4、蜂巢部件5和皮壳3的整个组件随后被固化。在传统框架中，很难调节框架的轮廓的部件，因为该部件通常是非柔性部件(由于这个部件在所述传统框架的情况中固化和变硬)。在本发明框架1的情形中，由于蜂巢部件5是在非僵硬的新鲜状态下，所述蜂巢部件5允许结构部件4仅靠自身更好地耦合到皮壳3的内表面上。在结构部件4和蜂巢部件5两者均被固化的情况中，在传统框架中存在的同样的缺陷将会发生，在传统框架中存在叫做弹回或形变的现象，所述弹回或形变与框架部件的布置或放置相反，使得飞行器的结构的其余部件的随后组装变得非常复杂。
框架1的结构部件4，其原则上不包括蜂巢部件5，因而比起被制成单件并且已经固化的传统框架有更大的柔性(即，刚度或转动惯量更小)，原因在前面已经讨论过，根据本发明为框架1的结构提供更大刚度或惯量的是蜂巢部件5。因而作为其柔性的结果，更容易布置结构部件4在飞行器的机身2的内侧皮壳3上。这个内侧皮壳3在许多场合中可以具有双曲线的形状，由此很难将已经固化的并且非常不易弯曲的框架结构耦合到所述皮壳上。一旦(已经固化的)结构部件4已经布置在机身2的内表面3上，在非僵硬的新鲜状态下的蜂巢部件5被放在结构部件4的上加强部件7上，整个组件随后被固化。因此，蜂巢部件5给框架1的结构部件4提供惯量，可以在第一步骤中将结构部件4容易地布置在皮壳3的内表面上。
本发明框架1的设计的另一个优点在于下述事实：由于纵梁20是Ω形，作为纵梁20穿过所述框架1的结构部件4的壁40的事实的结果，纵梁20能容易地穿过框架1，同时所述纵梁20能够通过胶合到壁40而被固定，不需要使用铆钉。为此，所述壁40的公差必须要足够小。纵梁20可以具有不变的截面或可变截面。
如图1所示，在飞行器的机身2的一些区域中，需要做出诸如乘客舱门、货舱门或窗的开口50。在这种情况中，由于机身2的结构被削弱，需要用诸如加强框架51的其他部件局部地加强开口50的区域。包括封闭的蜂巢部件5的本发明的框架1不用于与围绕开口50的必需加强框架51的加强部件52连接。如可以从图1中推断出的那样，标准框架60与加强框架51中的加强部件52接合，而本发明的框架1可以是飞行器的机身2的结构的所有其他框架。
包括在由附后权利要求书限定的范围内的变型可以引入在上面描述的优选实施例。

Claims (12)

1.一种飞行器的机身(2)的加强框架(1)，所述机身(2)包括皮壳(3)和纵梁(20)，
其特征在于，所述加强框架包括：
结构部件(4)；和
封闭的内部中空的蜂巢部件(5)；
所述结构部件(4)包括：
布置在机身(2)的皮壳(3)的内表面上的下基部(6)，将框架(1)连接到机身(2)的其余结构的纵梁(20)穿过该下基部；
上加强部件(7)，所述蜂巢部件(5)布置在上加强部件(7)上，
从而蜂巢部件(5)增大框架(1)的惯量和刚度并且不增加其重量，除了固有的抗局部弯曲的稳定性以外，所述框架(1)在横向方向上具有更高的刚度。
2.根据权利要求1所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中一旦所述结构部件(4)已经放置在皮壳(3)的内表面上，封闭的蜂巢部件(5)在新鲜的未固化的状态下连接到结构部件(4)的上加强部件(7)，由结构部件(4)、蜂巢部件(5)和皮壳(3)形成的组件随后被固化。
3.根据前述权利要求中任一所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中纵梁(20)穿过框架(1)的结构部件(4)的壁(40)，壁(40)被布置使得纵梁(20)通过胶合到所述壁(40)而连接到所述框架(1)。
4.根据权利要求3所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中纵梁(20)所穿过的结构部件(4)的所述壁(40)的公差很小。
5.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中纵梁(20)具有可变截面。
6.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中纵梁(20)具有不变截面。
7.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中蜂巢部件(5)的侧壁(10)包括提高框架(1)的刚度的碳纤维加强层。
8.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中结构部件(4)由复合材料制成。
9.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中蜂巢部件(5)由复合材料制成。
10.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中结构部件(4)是金属的。
11.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中蜂巢部件(5)是金属的。
12.根据权利要求1或2所述的飞行器的机身(2)的加强框架(1)，其中所述结构部件(4)具有H形梁截面。
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