CN103415441A - 具有改进的机械性能的鱼尾板连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将飞行器的第一和第二结构元件(1,2)互相连在一起的鱼尾板连接装置,该装置包括二个鱼尾板(20,30),所述鱼尾板(20,30)位于结构元件(1,2)的二侧并通过一组固定鱼尾板的穿通构件(11)固定在结构元件上。根据本发明,鱼尾板连接装置包括至少一个中间鱼尾板(40,50),该中间鱼尾板(40,50)位于所述鱼尾板(20,30)中的一个鱼尾板与被所述中间板部分覆盖的所述结构元件(1,2)之间,并且通过一组固定中间板的穿通构件(11)固定在所述结构元件上,所述组穿通构件(11)包括所述组固定所述鱼尾板的穿通构件(11)。
Description
技术领域
本发明总体涉及通过鱼尾板连接飞行器的结构元件的领域。
现有技术状态
飞行器结构包括许多通过鱼尾板互相组装的机械零部件。
鱼尾板连接是指通过附加的零部件来组装元件,这些附加的零部件通过螺栓、铆钉或其它穿通固定构件固定在组装元件上,这种组装承受力和/或力矩。
特别是某些飞行器机翼元件组装到机身中心舱体上就是这种情况。
以申请人的名义申请的文献WO2006/100400描述了一种可以实现这种组装的鱼尾板连接装置。
如图1所示,该鱼尾板连接装置包括T形鱼尾板20和固定在二个相继的结构元件1、2上并位于这二个元件二侧的鱼尾背板(contre-eclisse)30。要指出的是,鱼尾背板30是为语言方便而定义的,与鱼尾板20相对,因此当然构成广义的鱼尾板。
第一结构元件1是机翼的底面板,第二元件2是中心舱体的底面板。侧面板3,也称作中心舱体的主肋也固定在T形鱼尾板20上。
更准确地说,T形鱼尾板20包括固定机翼底面板1的第一固定分支21、固定基本在第一固定分支21(具有二面角角度)的延长线方向的舱体底面板2的第二固定分支22和固定侧面板3的倾斜于二个固定分支21、22并与第二固定分支22基本垂直的第三固定分支23。
第一和第二固定分支21、22分别通过穿通固定构件11固定在结构元件1、2上。
固定构件11为螺栓或铆钉型,并穿过鱼尾板20、所考虑的结构元件1、2和鱼尾背板30。
这种参与形成机翼与机身之间连接的鱼尾板连接装置应具有良好的机械性能。
实际上,飞行器的机身和机翼承受非常大的机械力(重力、空气动力等)。这些力产生挠曲、剪切和/或扭曲应力。
当然在鱼尾板连接装置的其它应用中也遇到这种要求。
但是,鱼尾板和鱼尾背板包括穿通固定构件通过的孔眼,在这些孔眼周围的应力有集中的趋势。
因此,这样在穿通固定构件周围形成的应力集中区具有在鱼尾板和鱼尾背板处产生裂纹的增大的危险,因此鱼尾板连接装置的机械性能随时间降低。
一种解决方法在于增加鱼尾板和/或鱼尾背板的厚度,以增加鱼尾板连接装置的机械性能。
但是,这会导致鱼尾板连接装置的重量增加,这与通常要求减少重量相悖,特别是在航空领域是这样。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于使飞行器的二个结构元件互相连接并包括鱼尾板和鱼尾背板的鱼尾板连接装置,该装置由于减少应力集中区中的最大应力而提高机械性能,同时保持甚至减少鱼尾板连接装置的重量。
为此,本发明的目标是一种用于使飞行器的第一和第二结构元件互相连接的鱼尾板连接装置,该装置包括二个鱼尾板,所述鱼尾板位于结构元件二侧并通过一组固定鱼尾板的穿通构件固定在结构元件上。
根据本发明,鱼尾板连接装置包括至少一个中间鱼尾板,该中间鱼尾板位于所述鱼尾板中的一个鱼尾板与所述中间板部分覆盖的结构元件之间,并且通过一组固定中间板的穿通构件固定在这些结构元件上,该组穿通固定构件包括所述组固定鱼尾板的穿通构件。
鱼尾板是指保证二个相邻或相继的结构元件之间连接的机械零部件,该零部件附加在二个结构元件上,保证某些力在这二个结构元件之间的传递。
由于它们位于结构元件的二侧,习惯上所述二个鱼尾板分别构成鱼尾板和鱼尾背板。
固定鱼尾板或中间板的穿通构件是指在厚度方向完全穿过涉及的零部件以及结构元件的固定构件。
在固定中间板的穿通构件的组中包括固定鱼尾板的穿通构件的组意味着装置的每个鱼尾板的固定构件穿通每个位于鱼尾板与结构元件之间的中间板。
另外,穿通固定构件可以是有杆的构件,例如铆钉、螺钉和螺栓、杆和卷边环,或自锁螺栓型,也叫做《锁定螺栓(lockbolt)》。
与不包括中间鱼尾板的鱼尾板连接装置相比,本发明的鱼尾板连接装置在应力集中区的最大应力减小,因此具有更好的机械性能。
鱼尾板连接装置的应力集中区是鱼尾板和鱼尾背板以及每个中间鱼尾板的这些零部件中形成的用于使穿通固定构件通过的孔眼的周围区域。
由于存在位于二个鱼尾板的至少一个与结构元件之间的至少一个中间板,根据本发明的鱼尾板连接装置具有更多数量的传递力的可能通道。
因此,力不再和现有技术的示例一样只通过穿通固定构件从结构元件传递给鱼尾板和鱼尾背板,而是也传递给每个中间鱼尾板。
换句话说,本发明可以分散结构元件与鱼尾板连接装置之间力的传递,因此减小了应力集中区中的最大应力。
由于应力集中区中的最大应力减小,因此可以优化中间鱼尾板的数量和/或所述板的厚度和二个鱼尾板的厚度,以便另外节省重量。
二个鱼尾板和每个中间鱼尾板包括使穿通固定构件通过的孔眼。优选地,每个相同固定构件穿过的每个孔眼的直径基本相同,并基本等于所述固定构件的杆的直径,因此,每个固定构件穿过鱼尾板和每个中间鱼尾板的安装间隙基本为零,这样可以保证力的最佳传递。
在本发明的优选的实施例中,所述一组固定中间板的穿通构件的最少50%,并优选大于66%,更优选地大于75%,甚至更优选100%由所述固定鱼尾板的穿通构件构成。这就是说,对每个位于鱼尾板中的一个鱼尾板与上述结构元件之间的中间鱼尾板,穿过中间板的固定构件的至少一半也穿过所述鱼尾板。
该特征可以优化每个鱼尾板和每个中间鱼尾板连接板内的应力分布,因此最佳地降低应力集中区中的最大应力。
在本发明的优选实施例中,所述固定中间板的穿通构件沿与所述结构元件连接方向平行延伸的多个行分布,其中每行包括相同数量的穿通部件。
对连接方向,应理解为互相对置并被鱼尾连接装置覆盖的结构元件各自的边缘的方向。
总之,二个鱼尾板中每一个鱼尾板和每个鱼尾连接中间板的尺寸应有利地确定为使其能够在所述结构元件之间传递的力的水平大于或等于参考水平的50%、优选为100%、并更加优选为150%,该参考水平等于预先确定的最大力的水平除以鱼尾板连接装置的鱼尾板和中间板数量的商。
因此,在鱼尾板中的一个鱼尾板和结构元件之间只有一个中间板的特殊情况下,因此二个鱼尾板和该中间板能够至少承受预先确定的力的最高水平的六分之一,并优选为该最高力水平的三分之一,甚至三分之二。
预先确定的力的最高水平有利地对应于能够施加给鱼尾板连接装置的力的最高水平。该最高值优选确定为面对极端运行情况,以保证最大可能的安全性,尤其是在用于航空领域的情况下。
对确定尺寸,应主要包括通过合理选择构成零部件的材料和/或这些零部件的厚度确定所考虑的零部件的刚度。
鱼尾板连接装置一般包括至少一个与结构元件接触的中间鱼尾板,所述中间鱼尾板的杨氏模量大于相对结构元件位于所述中间板同一侧的鱼尾板的杨氏模量。
当然杨氏模量代表了中间板的刚度。
在这种情况下,装置有利地包括位于所述鱼尾板与所述和结构元件接触的中间鱼尾板之间的至少一个另外的中间鱼尾板,其杨氏模量小于前一中间板的杨氏模量。
可以通过合理选择构成这些零部件的材料和/或厚度确定上述中间板和鱼尾板的相对刚度。
因此,与结构元件接触的中间板的刚度大于鱼尾板和大致位于该鱼尾板与该第一中间板之间的其它中间板。这样可以优化整体刚度以及鱼尾板连接装置的总质量。
实际上希望与结构元件接触的板刚度较强,并且覆盖该板的鱼尾板以及大致位于中间的其它中间板刚度较小。
实际上,鱼尾板并且如果其它中间板的刚度太大将导致每个穿过板的固定构件内产生的挠曲力矩增加,这可能增加每个固定构件的挠曲。
然而,每个固定构件的挠曲刚度对要进行鱼尾板连接的结构元件与鱼尾板连接装置之间力的传递有直接影响。固定构件的挠曲刚度越大,鱼尾板连接的效果越好。
因此,该刚度对鱼尾板连接装置的静态行为和疲劳行为都有直接影响。
特别地,所述与结构元件接触的中间鱼尾板的局部厚度优选为所述鱼尾板和每个位于所述鱼尾板和结构元件之间的中间鱼尾板的累积局部厚度的50%-80%。
对局部厚度,当然应理解为与所考虑的零部件表面的每个点垂直测量的厚度。
优选地,所述与结构元件接触的中间鱼尾板的局部厚度严格大于所述鱼尾板的局部厚度。
此中间鱼尾板的较大厚度可以使该中间板具有较大的刚度。
作为变型,该中间鱼尾板可以具有较小的厚度,但由更硬的材料形成。
必要时,可以借助模拟应力在该鱼尾板连接装置中流动的数值模拟软件优化所述装置的其它中间鱼尾板的局部厚度,另外也可节省质量。
另外,所述鱼尾板的局部厚度有利地为所述鱼尾板和每个位于所述鱼尾板和所述结构元件之间的每个中间鱼尾板的累积局部厚度的20%-50%。
在本发明的优选实施例中,其中所述鱼尾板中的一个鱼尾板由金属材料形成,例如由铝、钢、甚至钛制成,另一鱼尾板也由金属材料形成,例如由铝、钢、甚至钛制成,或者由复合材料形成,并且每个中间鱼尾板由复合材料形成。
复合材料是指包括纤维和树脂的混合物的材料。
在所述装置包括位于所述结构元件的同一侧的多个中间鱼尾板的情况下,这些板可以由相同或不同材料制成,这些材料在金属材料或复合材料中选择。所有中间板优选地都由复合材料形成。这些中间板有利地具有整体相同的形状。
二个鱼尾板中的一个是T形鱼尾板,包括固定所述第一结构元件的第一固定分支,和取向为基本在第一固定分支延长线中并具有接近二面角角度的固定所述第二结构元件的第二固定分支,和倾斜于所述第一和第二固定分支的第三固定分支。则另一鱼尾板通常称为鱼尾背板。
在这种情况下,飞行器的第三结构元件可以固定在T形鱼尾板的第三固定分支上。
本发明还涉及一种飞行器的结构,该结构包括具有形成第一结构元件的机翼元件的飞行器机翼,和包括形成第二结构元件的下板的机身舱体,所述机翼元件和所述下板通过上述类型的鱼尾板连接装置互相连接。
本发明最后涉及一种通过上述类型的装置使飞行器的二个结构元件通过鱼尾板连接而互相连接的方法,在该方法中:
-将二个鱼尾板置于所述结构元件的二侧,并使装置的每个中间鱼尾板置于所述鱼尾板中的一个鱼尾板与所述结构元件之间;
-然后通过一组固定中间板的穿通构件将所述鱼尾板和每个中间鱼尾板固定在所述结构元件上。
在下面的非限定性的详细描述中将了解本发明的其它优点和特征。
附图说明
现在,作为非限定示例,参照附图描述本发明的一些实施例,其中:
图1,其已经被描述了,是根据现有技术示例的鱼尾板连接装置的横截面示意图;
图2和图2a是根据本发明的前二个实施例的鱼尾板连接装置的横截面示意图;
图3是根据本发明第三实施例的鱼尾板连接装置的横截面示意图;
图4是根据本发明第四实施例的鱼尾板连接装置的横截面示意图;
在所有这些图中,相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
具体实施方式
图2以横截面示意性表示根据本发明第一实施例的鱼尾板连接装置10。
要指出的是,为了使图清楚,没有按照比例(绘制)。
根据本发明的鱼尾连接装置10用于将飞行器结构元件1、2连在一起。
该装置包括具有第一、第二和第三固定分支21、22、23的T形鱼尾板20。
第一和第二固定分支21、22以接近的二面角的角度基本在互相的延长线上。
第三固定分支23倾斜于鱼尾板20的第一和第二固定分支21、22。特别是,第三固定分支23以和第二固定分支22基本正交的方式延伸。
鱼尾板连接装置10还包括以下称为鱼尾背板的第二鱼尾板30,该板固定在所述结构元件1、2上。
鱼尾背板30的形状为能够与结构元件1、2接触,并且位于鱼尾板20的相对侧的板。
在所示示例中,结构元件1是飞行器机翼的下部元件,而元件2是飞行器中心舱体的下板,元件3是该中心舱体的侧面板。该中心舱体实际上由互相组装的下板、侧面板和上板形成。
如图2所示,鱼尾板20和鱼尾背板30通过固定鱼尾板的穿通构件11固定在结构元件1、2上。
第一和第二结构元件1、2是相邻的或相继的,它们基本位于互相的延长线上。
这二个元件各自具有沿连接方向X互相相对的边缘。
更准确地说,鱼尾板20的第一固定分支21固定在第一结构元件1上,鱼尾板的第二固定分支22固定在第二结构元件2上。
通过穿过鱼尾板20、所考虑的结构元件1、2和鱼尾背板30的穿通固定元件11保证所述固定。
固定构件11是有杆构件,例如铆钉、螺钉和螺栓、杆和卷边环、或《自锁螺栓lockbolt》型。
因此,鱼尾板20、鱼尾背板30和结构元件1、2中具有用于接收固定构件11的通过孔眼。
在图2所示的本发明第一实施例中,鱼尾板连接装置10包括位于鱼尾板20与结构元件1、2之间的中间鱼尾板40。
可以只设置单一中间鱼尾板40,如图2所示,或者设置多个互相重叠的中间板,例如二个、三个、四个、五个或更多。
因此中间鱼尾板40夹在结构元件1、2与鱼尾板20之间。
中间板具有适当形状,以便与鱼尾板20的第一和第二固定分支21,22完全接触。
中间鱼尾板40包括与结构元件1、2的通过孔眼、鱼尾板20的通过孔眼和鱼尾背板30的通过孔眼对齐的通过孔眼,以接受固定鱼尾板的穿通构件11。
因此,每个固定鱼尾板的穿通构件11同时穿过相应的结构元件1或2、中间鱼尾板40、以及鱼尾板20和/或鱼尾背板30。每个固定鱼尾板的穿通构件11因此在与本发明有关的术语中构成中间板的固定构件。
鱼尾板20、鱼尾背板30和一个或多个中间鱼尾板40包括使固定构件11通过的孔眼。优选地,每个被同一固定构件11穿过的通过孔眼的直径基本相同,并基本等于所述固定构件11的杆的直径,使所述固定构件11的杆与它所占据的孔眼的侧壁无间隙接触。
根据本发明的优选特征,与结构元件1、2接触的中间鱼尾板40的局部厚度严格大于累积局部厚度的50%,同时小于该累积局部厚度的80%。累积局部厚度为中间板40的局部厚度和考虑的相应鱼尾板20的固定分支21、22的局部厚度之和。
因此,该中间鱼尾板40的刚度大于相对于所述结构元件1、2和所述中间板40位于同一侧的鱼尾板20。
考虑的鱼尾板20的固定分支21、22的局部厚度为累积局部厚度的20%-50%。
鱼尾板20为单块,并且由整片金属材料,例如铝、钢、甚至钛形成。
鱼尾背板30为单块,并且由金属材料,例如铝、钢、或钛形成,或者由包括纤维和树脂混合物的复合材料形成。鱼尾背板30优选由复合材料形成。
中间板40为单块,并且由金属材料例如铝、钢或钛形成,或者由包括纤维和树脂的复合材料形成。中间板优选由复合材料形成。
要指出的是,鱼尾板20、鱼尾背板30和中间板40中每一个的尺寸定为使其能够传递超过可能施加给鱼尾板连接装置的力的最高水平的三分之一。该三分之一的值对应于上述力的最高值除以鱼尾板和中间鱼尾板数量的商的50%,这里鱼尾板和中间鱼尾板的数量等于三个。
根据本发明的装置10提供大量从考虑的结构元件1、2传递到鱼尾板连接装置中的力的传递通道。
实际上,第一(和第二)结构元件1、2承受的力通过中间板的固定构件11的组传递到鱼尾板20的第一(和第二)固定分支21、22、鱼尾背板30和中间鱼尾板40中,其中所述中间板的固定构件11的组包括鱼尾板20、30的固定构件。
因此,比根据现有技术的鱼尾板连接装置更大地分散了力的传递,这样可以降低鱼尾板连接装置的应力集中区,即穿通构件11的通过孔眼的周围区域中存在的最大应力。
图2a表示根据本发明第二实施例的鱼尾板连接装置,其中鱼尾板20的形状为与中间鱼尾板40相似的简单的板,并且上面置有T形截面的连接零部件,T形连接零部件具有二个分别通过一行穿通构件11固定在鱼尾板20上的固定分支,以及用于与第三结构元件3连接的第三固定分支23。
此外,这里鱼尾板20、鱼尾背板30和中间板40分别定尺寸为能够传递大于可以接受到鱼尾板连接装置内的最大力的水平的33%。
图3示出根据本发明第三实施例的鱼尾板连接装置,它与参照图2描述的实施例的区别主要在于,该装置包括不是位于鱼尾板20侧而是在鱼尾背板30侧的中间鱼尾板50。
上文对图2的中间鱼尾板40有关的解释当然适用于图3的中间鱼尾板50。
图4表示根据本发明第三实施例的鱼尾板连接装置,该装置包括位于鱼尾板20与结构元件1、2之间的中间鱼尾板40和位于鱼尾背板30和结构元件1、2之间的中间鱼尾板50。
中间鱼尾板40、50与上面描述的中间鱼尾板相似。
根据本发明的任一实施例通过鱼尾板连接组装结构元件1、2可以以下方式进行:
-使鱼尾板20和鱼尾背板30置于所述结构元件1、2二侧,并且使至少一个中间鱼尾板40位于所述鱼尾板20与所述结构元件1、2之间,并且/或者使至少一个中间鱼尾板50位于所述鱼尾背板30与所述结构元件1、2之间;然后
-通过固定中间板的穿通构件11将所述鱼尾板20、所述鱼尾背板30和每个中间鱼尾板40、50固定在所述结构元件1、2上。
Claims (12)
1.一种用于将飞行器的第一结构元件和第二结构元件(1,2)互相连在一起的鱼尾板连接装置(10),该鱼尾板连接装置(10)包括二个鱼尾板(20,30),所述鱼尾板(20,30)位于所述结构元件(1,2)二侧并通过一组固定鱼尾板的穿通构件(11)固定在所述结构元件上,其特征在于,所述鱼尾板连接装置包括至少一个中间鱼尾板(40,50),该中间鱼尾板(40,50)设置在所述鱼尾板(20,30)中的一个鱼尾板与被所述中间板部分覆盖的所述结构元件(1,2)之间,并且通过一组固定中间板的穿通构件(11)固定在所述结构元件上,所述组穿通构件(11)包括所述组固定鱼尾板的穿通构件(11)。
2.根据权利要求1所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,所述组固定中间板的穿通构件(11)的至少50%,并优选为大于66%,并更优选地大于75%,甚至大于100%由所述固定鱼尾板的穿通构件(11)构成。
3.根据权利要求2所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,所述固定中间板的穿通构件(11)沿着与所述结构元件(1,2)的结合方向(X)平行延伸的多个行而分布,并且每个行包括相同数量的穿通构件(11)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,每个所述鱼尾板(20,30)和每个所述中间鱼尾板(40,50)定尺寸为能够在所述结构元件(1,2)之间传递大于或等于参照水平的50%,并优选为100%,甚至更加优选为150%的力的水平,该参照水平等于预先确定的力的最大水平除以所述装置的鱼尾板(20,30)和中间鱼尾板(40,50)的数量的商。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的鱼尾板连接装置,其中,设置成与所述结构元件(1,2)接触的至少一个中间鱼尾板(40,50)的刚度大于相对所述结构元件(1,2)位于与所述中间板同一侧的鱼尾板(20,30)的刚度。
6.根据权利要求5所述的鱼尾板连接装置,该鱼尾板连接装置包括至少一个设置在所述鱼尾板(20,30)与设置成和所述结构元件(1,2)接触的所述中间鱼尾板(40,50)之间的另一中间鱼尾板,并且所述另一中间鱼尾板的刚度小于前述中间鱼尾板(40,50)的刚度。
7.根据权利要求5或6所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,与所述结构元件(1,2)接触的所述中间鱼尾板(40,50)的局部厚度为所述鱼尾板(20,30)的和每个设置于所述鱼尾板与所述结构元件(1,2)之间的中间鱼尾板(40,50)的累积局部厚度的50%-80%。
8.根据权利要求7所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,与所述结构元件(1,2)接触的所述中间鱼尾板(40,50)的局部厚度严格大于所述鱼尾板(20,30)的局部厚度。
9.根据权利要求7或8所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,所述鱼尾板(20,30)的局部厚度为所述鱼尾板(20,30)和每个设置于所述鱼尾板与所述结构元件(1,2)之间的中间鱼尾板(40,50)的累积局部厚度的20%-50%。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的鱼尾板连接装置,其特征在于,所述鱼尾板中的一个鱼尾板(20)由金属材料形成,另一个鱼尾板(30)由金属材料或复合材料形成,并且每个中间鱼尾板(40,50)由复合材料形成。
11.一种包括飞行器机翼和机身舱体的飞行器结构,所述机翼包括形成第一结构元件(1)的机翼元件(1),所述机身舱体包括形成第二结构元件(2)的下板(2),所述飞行器结构还包括根据权利要求1-10中任一项所述的鱼尾板连接装置(10),所述的鱼尾板连接装置(10)使所述机翼元件(1)和所述机身舱体的所述下板(2)互相连接在一起。
12.一种通过根据权利要求1-10中任一项所述的装置连接飞行器的二个结构元件(1,2)的鱼尾板连接方法,其特征在于:
-将二个鱼尾板(20,30)置于所述结构元件(1,2)的二侧,并使每个中间鱼尾板(40,50)位于所述鱼尾板(20,30)中的一个鱼尾板与所述结构元件(1,2)之间;然后
-通过所述一组固定中间板的穿通构件(11)将所述鱼尾板(20,30)和每个所述中间鱼尾板(40,50)固定在所述结构元件(1,2)上。
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