CN103687788A - 柔性桁架框架及其制造方法 - Google Patents

Abstract

复合框架（50），其包括被顶梁（52）覆盖的多个桁架元件（54）。桁架元件（54）彼此柔性连接并且与顶梁（52）柔性连接。框架（50）屈曲以符合其所附连的成形的表面。一旦附连，安装后的框架（50）向所述结构提供要求的刚度。

Description

柔性桁架框架及其制造方法

技术领域

本发明总体涉及复合结构，并且尤其涉及用于加固结构的柔性桁架框架，以及制造框架的方法。

背景技术

比如机身等结构通常包括多个横向加固件，比如以固定的间隔沿结构的长度的框架和肋条。常规的加固件可具有在一些应用中增加其成本和复杂度的特性。例如，机身中的每个横向加固件会要求独特的内部模线表面轮廓，以便符合沿机身的每个位置的蒙皮。因此，每个加固件都是独特的部件。

刚性加固件一般要求在装配过程中加垫片以适应制造公差的积累。加垫片耗费时间并且会要求复杂的几何垫片形状，该形状会影响接合强度、硬度和/或耐久性。机身中的横向加固件的设计也是复杂的，因为需要跨越交叉的加强杆，比如纵向帽形加强杆和片状加强杆。为了容纳这些纵向加强杆，横向框架可以被提供有开口，该开口被称作“鼠洞”，其紧靠蒙皮以允许纵向加强杆穿过框架。鼠洞增加了制造过程的复杂性并且可以导致机身中不期望的应力集中。

据此，需要横向加固件，比如具有共同的设计但可以容纳其附连点处的表面轮廓变化的框架，以此减少重复性和一次性成本。也需要减少或消除在安装过程中需要加垫片的横向加固件，并且该横向加固件具有容纳交叉的纵向加强杆的标准开口。

发明内容

所公开的实施例提供了结构框架，其适合用于加固主要和次要结构，尤其是复合结构。该框架包括桁架元件和连续的顶梁的组合，该桁架元件和连续的顶梁设置为形成沿框架的长度的关节，该关节允许框架在安装过程中屈曲或弯曲。框架的屈曲允许其在安装中符合结构的局部表面轮廓，然而，当框架被附连到所述结构之后，该框架在所有平面上提供了要求的刚度。框架的柔性程度可以被容易地调整以适合特定应用的要求。框架的柔性允许其作为可以用于多个位置的标准的公共部件被制造，因此明显减少了独特部件的数量以及相关联的重复性和一次性成本。该框架可以使用通常的装配安装力不通过加垫片而固定到成形表面。所公开的框架可以减少总的部件数量，并且可以减少交叉的纵向加固件的区域中的应力集中。

根据一个公开的实施例，复合框架被提供，其适于附连到成形的表面。所述框架包含彼此柔性连接的多个桁架元件，和延伸横穿桁架元件并接合到桁架元件的顶梁。顶梁是连续且柔性的，并且每个桁架元件均可以具有帽形横截面。相邻的桁架元件在柔性节点处彼此接合并且接合到顶梁。顶梁的每个桁架元件可以由纤维增强的合成树脂形成。在一个实施例中，顶梁的桁架元件被形成为一体结构。相邻的桁架元件相间隔以限定适于接收横向延伸的加强杆的间隙。

根据公开的另一个实施例，提供了制造复合桁架框架的方法。该方法包含在工具上铺设第一和第二纤维增强物，并且在第一和第二纤维增强物之间放置多个成型心轴。该方法进一步包括将树脂注入纤维增强物。该方法也可以包括围绕每个心轴放置第三纤维增强物，固化注入的增强物并且在注入的增强物被固化后从框架移除心轴。在注入树脂的过程中，纤维增强物可以使用传统的真空袋成型技术被压紧。

根据进一步的实施例，提供了制造机身的方法。该方法包含提供具有成形的表面的蒙皮并且制造具有多个桁架元件的柔性框架。该方法进一步包含通过屈曲框架使桁架元件与蒙皮的成形的表面接触，并且将框架接合到蒙皮。制造框架可以包括在工具上铺设纤维增强物，并且在增强物中注入树脂，然后固化注入树脂的纤维增强物。可以通过形成面板并且将面板切割成区段而进行柔性框架的制造，所述面板通过将基本平坦的面板构件与皱褶的面板构件接合而形成。

根据另一个实施例，提供了制造多个复合桁架框架的方法，其包含形成具有顶梁和接合到顶梁的多个桁架元件的面板，并且将面板切割为多个独立的桁架框架。

总之，根据本发明的一方面，提供了适于附连到成形的表面的复合框架，该复合框架包含彼此柔性连接的多个桁架元件，以及延伸穿过桁架元件并接合到桁架元件的顶梁。

有利的是，复合框架中的顶梁是基本连续并且柔性的。

有利的是，复合框架中的每个桁架元件的横截面均是帽形的。

有利的是，复合框架中的每个桁架元件均包括结合表面，其适于接触所述结构的成形的表面。

有利的是，复合框架中的相邻的桁架元件被彼此接合并且在节点处接合到顶梁，并且框架在节点处是柔性的。

有利的是，复合框架中的每个桁架元件和顶梁均由纤维增强的合成树脂构成。

有利的是，复合框架中的桁架元件和顶梁是一体构造。

有利的是，复合框架中的相邻的桁架元件间隔开以限定适于接收用于加固成形的结构的加强杆的间隙。

根据本发明的另一个方面，提供了制造复合桁架框架的方法，该方法包含在工具上铺设第一和第二纤维增强物；在第一和第二纤维增强物之间放置多个成型心轴；以及在纤维增强物中注入树脂。

有利的是，该方法进一步包含围绕每个心轴放置第三纤维增强物。

有利的是，该方法进一步包含固化注入树脂的第一、第二和第三纤维增强物；以及在固化了注入树脂的纤维增强物之后将心轴从框架移除。

有利的是，该方法进一步包含使用真空袋，以压紧纤维增强物；以及当纤维增强物被压紧后，固化被注入的纤维增强物。

通过制造复合桁架框架的方法制造复合桁架框架。

根据本发明进一步的方面，提供了制造机身的方法，该方法包含提供具有成形的表面的蒙皮；制造具有多个桁架元件的柔性框架；通过屈曲框架使桁架元件与蒙皮的成形的表面接触；并且将框架接合到蒙皮。

有利的是，在该方法中，制造所述框架包含在工具上铺设纤维增强物，在纤维增强物中注入树脂，并且固化注入了树脂的纤维增强物。

有利的是，在该方法中，在工具上铺设纤维增强物包含：

围绕多个心轴中的每个放置纤维增强物，以及

将心轴放置在所述工具上。

有利的是，在该方法中，制造所述柔性框架包含，通过将基本平坦的面板构件与褶皱的面板构件接合而形成面板，并且将面板切割成区段。

根据本发明的另一方面，提供了制造多个柔性桁架框架的方法，包含形成具有顶梁和接合到顶梁的多个桁架元件的面板；以及将面板切割为多个独立的桁架框架。

根据本发明的另一个方面，提供了制造机身的方法，包括通过在褶皱的工具上铺设第一纤维增强物制造褶皱的面板，在多个成型心轴中的每个的周围包裹第二纤维增强物，将被包裹的心轴放置在工具的褶皱中，在褶皱中放置嵌条，在被包裹的心轴和嵌条之上铺设第三纤维增强物，在工具之上密封真空袋，将真空袋抽真空以压紧纤维增强物，在第一、第二和第三纤维增强物中注入树脂，将注入树脂的纤维增强物固化；将固化的面板从工具上移除；将面板切割为多个柔性桁架框架；提供成形的蒙皮；并且将桁架框架附连到蒙皮，包括屈曲框架以使其符合蒙皮的轮廓。

根据本发明的另一个方面，提供了在机身中使用的柔性框架，其包含柔性细长的复合顶梁；多个连续的复合桁架元件，每个复合桁架元件具有倒立的帽形的横截面，每个桁架元件进一步包括在形成柔性关节的节点处连接到顶梁的侧边，并且具有在侧边之间的结合表面以适于接合附连有所述框架的结构，其中相邻的桁架元件的侧边被间隔开以形成适于接收从其中穿过的加强杆的间隙；以及在桁架元件的侧边和顶梁之间的多个嵌条，其中顶梁和桁架元件在附连到所述结构之前是柔性的，但在框架被附连到所述结构之后，顶梁和桁架元件可以向结构提供刚性。

所述特征、功能和优势可以在本发明的各实施例中独立实现，或者可以在其他实施例中结合，进一步的细节可以参考以下说明书和附图得到。

附图说明

在所附权利要求中阐述了被确信为新颖性特征的有利实施例的特性。但是，通过在结合附图阅读时参考本发明的有利实施例的以下具体实施方式，将最好地理解有利实施例及其优选的使用方式、进一步的目的及其优势，其中：

图1示出了根据公开的实施例的柔性桁架框架的透视图。

图2示出了在图1中显示为“图2”的方向上的图示。

图3示出了图1中所示桁架框架在被屈曲前的侧视图。

图4是类似于图3的图示，但是其示出了被屈曲以准备装配的桁架框架。

图5是类似于图4的图示，但是其示出了附连到凸起表面的屈曲的桁架框架。

图6是类似于图5的图示，其示出了在相反的方向上被屈曲并且被附连到凹入表面的桁架框架。

图7示出了从面板切割的两个桁架框架的透视的分解图。

图8示出了结合公开的桁架框架的机身的一部分的透视图。

图9示出了图8中被标记为“图9”的区域的透视图。

图10示出了关于成形的蒙皮的桁架框架的侧视图，并示出了一些框架参数。

图11是一体构造的桁架框架的侧视图的图示。

图12是图11中被标记为“图12”的区域的图示。

图13是类似于图11的图示，但其示出了由复合组件构造的桁架框架。

图14是图13中标记为“图14”的区域的图示，其说明了包含的嵌条。

图15示出了用于制造柔性桁架框架的褶皱的注入工具的透视图。

图16是图15中沿线16-16的截面图的图示。

图17是类似于图15的图示，但是其示出了已经放置在工具之上的第一层板。

图18是示出被纤维预制件覆盖并且被放置在工具中的心轴的透视图的说明。

图19示出了图18中所示的由预制件覆盖的一个心轴的透视图。

图20是类似于图18的图示，但是其示出了被放置在敷层中的嵌条。

图21是所述工具的透视图，其中另一个层板被放置在敷层之上。

图22是处于稍后阶段的工具的图示，其中真空袋已经被安装在工具上。

图23是类似于图22的图示，但是其示出了施加到敷层的热量以及树脂通过纤维预制件的初始流动。

图24是示出了固化的部件被移除并且被切割为独立框架的工具的透视图的说明。

图25是在成形的表面上安装框架的方法的流程图的说明。

图26是飞行器制造和维护方法的流程图的说明。

图27是飞行器的方框图的说明。

具体实施方式

首先参考图1和图2，公开的实施例涉及柔性桁架框架50，其适合在主要结构和次要结构中使用，比如在覆盖机身（图8）的蒙皮70中使用。如将在下文中详细讨论的，框架50可以由复合材料形成并且在安装过程中沿其长度是柔性的，以便符合蒙皮70的表面72的局部轮廓。框架50的柔性允许其作为适合于蒙皮表面72的不同轮廓的公共部件被制造。尽管框架50在通常的装配力之下是柔性的以符合蒙皮表面72的局部轮廓，但是在附连到蒙皮70之后，框架50提供了要求的硬度和刚度。应当注意到的是，尽管机身蒙皮70被公开以用于说明的目的，但柔性框架50也可以被用于加固在不同应用中使用的广泛的其他主要和次要结构。

桁架50大概包含连续的顶梁52以及对齐且连续的多个桁架元件54，所述桁架元件形成桁架型结构，其有效地转移负载并且能够提供在给定的负载设置下稳定加固结构所要求的期望量的横向加固。相邻的桁架元件54彼此连接并且在节点56处连接到顶梁52。桁架元件54承担剪切负载，并且桁架元件54、连续顶梁52和蒙皮70的组合承担屈曲负载。在所公开的实施例中，每个桁架元件54均具有倒立的帽形横截面，其包含倾斜侧边62、64以及底边60，底边60具有外部结合表面58，其适于与蒙皮表面72相接触。相邻的桁架元件58的侧壁62、64的倾斜在相邻的桁架元件54之间形成间隙66。如以下所要讨论的，框架50可以由很多种类的合成材料构造，包含加强和非加强的热塑性塑料和热固性树脂和/或柔性金属。顶梁52和相邻的桁架元件54可以在节点56关于轴57相对于彼此轻微屈曲，使得节点56在框架50中沿其长度形成柔性接头或关节57，其允许桁架元件54的结合表面58符合框架50所附连的蒙皮表面72上的局部轮廓。而且，响应于框架50的安装期间施加到框架50的扭转力，在每个节点56处提供的柔性可以允许框架50的一些实施例关于其纵轴61扭曲。

图3说明了框架50，其处在被定形以符合蒙皮70或其他结构的成形的表面72（图2）之前的基本平坦的状态。图4示出了使用一般的装配力使框架50在关节57处被屈曲68以准备用于将框架50放置在蒙皮表面72上。图5示出了已经放置在成形的蒙皮表面72上并且通过紧固件74固定到蒙皮70的屈曲的框架50。在这个示例中，成形的蒙皮表面72是凸起形状的，然而，框架50可以在关节57处屈曲，以便使框架50符合蒙皮表面72的各种简单或复杂的曲线和轮廓。每个桁架元件54的结合表面58与蒙皮表面72接合，所述蒙皮表面72以基本面对面的接触覆盖在结合表面58的基本整个区域之上。虽然在所说明的示例中，紧固件74被用于将框架50接合到蒙皮70，但是其他的紧固技术也可以被采用，包含在蒙皮70由复合材料构成的应用中的粘合或者共同固化。

图6说明了框架50，其在与图4所示相反的方向上被屈曲，使得框架50的结合表面58共形地接合蒙皮70上的凹入表面72。

参考图7，多个桁架框架50可以有利地由具有复合面板76形式的单个部件制造。面板76包含基本平坦的面板构件77，其通过粘合或者共同固化而面对面地接合到褶皱的面板构件79。每个面板构件77、79均可以包括纤维增强的热固性树脂的层积的层板，比如但不限于，碳纤维增强的环氧树脂。层板可以使用预浸料或者树脂注入的纤维预制件而被铺设和固化。在其他实施例中，面板76可以通过使用适合的纤维增强或非增强的热塑性塑料将两个面板构件77、79模制为单个一体形成的部件而被制造。在面板76被制造后，其可以沿着线78被切割或以其他方式被分离为独立的桁架框架50，该独立的桁架框架50具有期望的宽度“W”和基本相同的横截面形状。如果需要，可以从相同的面板76切割具有不同宽度“W”的桁架框架50。

图8和图9说明了机身80，其包含被支撑在纵向间隔的多个桁架框架50上的外部蒙皮70。纵向延伸的加强杆84被附连到蒙皮70并且穿过相邻桁架元件54之间的间隙66（图9）。

参考图10，桁架框架50的柔性程度在其安装之前取决于顶梁52的柔量和厚度t_cap以及每个桁架元件54的厚度t_truss。在桁架框架50附连到蒙皮82安装之后，桁架框架50的硬度取决于顶梁52的柔量和厚度t_cap、蒙皮70的厚度t_skin、顶梁52和桁架元件54的侧边62、64之间的桁架角度α阿尔法，以及结合表面60的宽度“W”。重要的是，桁架框架50的柔性程度可以被调整以适合特定应用的要求。这种调整可以通过选择形成顶梁52和/或侧边62、64的层板的数量和/或取向，和/或通过选择桁架框架50的几何构形而实现。因此，例如，桁架框架50可以被设计为具有刚好足够的柔性以允许其符合在机身80上的特定点处的蒙皮82的曲率，同时在该点处向机身80提供要求水平的刚度。

图11和图12说明了桁架框架50的实施例，其中顶梁52和桁架元件54形成为一体形成的结构，如通过模制热塑性塑料材料而形成。在这个实施例中，顶梁52和桁架元件54之间的交点形成不是明显元件的一体形成的节点56。当用于主要复合结构中时，节点56中没有明显的元件或边界可以增加桁架框架50的损伤容限。

图13和图14说明了桁架框架50的另一个实施例，其可以使用预浸料或液态模制工艺制造。在这个实施例中，为了增加框架50的损伤容限，有时被称作嵌条88的填料被设置在桁架元件54和顶梁52之间。嵌条88可以被返回或包覆层板75覆盖，该层板75与顶梁52和桁架元件54重叠。

图15-24说明了使用注入树脂的纤维增强的预制件（此后称作纤维增强物）的注入工具和制造以上所述的桁架框架50的方法。如图15所示，被支撑在工具基座98上的褶皱的工具96包含多个基本平行的槽状凹槽100，该凹槽100的横截面形状基本相应于桁架元件54的横截面形状。在图17中，敷层115通过以下方式被装配，即通过首先在褶皱的工具96上放置干燥或基本干燥的纤维增强层板叠层102并且将层板叠层102压入凹槽100中。之后，如图18和图19所示，多个心轴108中的每个均被纤维增强预制件104包裹，其可以包含例如但不限于编织的纤维套管。心轴108具有与凹槽100（图6）的横截面形状基本对应的横截面形状。在110示出的被包裹的心轴被放置在凹槽100中，覆盖部分成型的层板叠层102。

之后，如图20所示，填料88被独立安装在敷层115中的相邻的被包裹的心轴110之间。然后，如图21所示，基本平坦干燥的纤维增强层板叠层116被放置在敷层115之上。参考图22，制造工艺中的下一个步骤包含在敷层115之上安装耗材，比如推杆层板、通气装置、树脂注入管等等（均未示出）。然后真空袋120被安装在敷层115上并且使用外围密封件122密封到工具基座98。尽管未在附图中示出，但适合的真空源和树脂注入源被分别连接到袋120。

参考图23，该工艺的下一步包含，对袋120施加真空，以便当敷层115经受热量135时压紧敷层115。树脂被注入敷层115中，其流动126经过纤维预制件102、104、116，由此通过树脂浸渍敷层115，树脂通过热量135而固化。热量可以通过烘箱或者其他热源而提供。

图24说明了该工艺中进一步的步骤，在该步骤中，被固化的面板76（也可以参见图7）被从皱褶的工具96移除或脱模（de-mold）128，并且每个心轴108被从面板76移除130。然后，如132所示，面板76被切割为期望宽度的独立的桁架框架50。

图25说明了制造桁架框架50和在成形的表面72比如机身蒙皮70上安装框架50的方法。在138，第一纤维增强物102被放置在褶皱的工具96上，并且在140，第二纤维增强物104包裹在多个成型心轴108中的每个周围。在步骤142，被包裹的心轴110被放置在褶皱的工具96的凹槽100中。在步骤144，嵌条88可以按照要求被安装。在步骤146，第三纤维增强物116被放置在褶皱的工具96上，覆盖被包裹的心轴110和嵌条88。在148，真空袋120被安装在敷层115之上并且密封到工具98。在150，袋120被撤走并且开始敷层115的树脂注入。在152，敷层115经受适当的热固化循环，其将敷层115固化到最终的面板76中。

在固化之后，面板76从工具96移除并且在步骤154被切割成独立的桁架框架50。在156，在将框架50安装到蒙皮70上期间，通过沿着框架50的长度屈曲框架50以便使结合表面58符合成形的表面72，桁架元件54的桁架结合表面58与蒙皮70的成形的表面72接触。在158，桁架元件50通过粘合、紧固件或其他适合的技术接合到成形的蒙皮表面72。

现在参考图26和图27，本发明的实施例可以被应用在图26中所示的飞行器制造和维护方法160和图27所示的飞行器162的背景中。首先转向图26，根据有利的实施例描述了飞行器制造和维护方法160的说明。在预生产期间，飞行器制造和维护方法160可以包含图27中的飞行器162的规格及设计164以及材料采购166。

在生产过程中，进行图27中的飞行器162的组件和子配件制造168以及系统整合170。此后，图27中的飞行器162可以经历检验和交付172，以便投入使用174。在由顾客使用174时，图27中的飞行器162定期进行日常维修和维护176，其可以包含改进、重新配置、翻新以及其他维修或维护。

飞行器制造和维护方法160的每一个过程均可以由系统集成商、第三方和/或操作者来执行或完成。在这些示例中，操作者可以是消费者。为了本说明书的目的，系统集成商可以包含但不限于任意数量的飞行器制造商和主系统承包商；第三方可以包含但不限于任意数量的销售商、转包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等等。

现在参考图27，描述了飞行器162的说明，有利的实施例可以被应用于其中。在这个示例中，飞行器162由图26中的飞行器制造和维护方法160生产并且可以包含机身178，所述机身178具有多个系统180和内部182。系统180的示例包含推进系统184、电气系统186、液压系统188和环境系统190中的一个或更多个。还可以包含任意数量的其它系统。虽然显示的是航空示例，但不同的有利实施例还可以应用于其它产业，例如船舶工业和汽车工业。

本文呈现的设备和方法可在图26中的飞行器制造和维护方法160中的至少一个阶段中使用。在一个说明性示例中，图26中的组件和子配件制造168中生产的组件或子配件可以按照与飞行器162在图26的使用174中时生产的组件或子配件类似的方式被生产或制造。作为又一示例，多个设备实施例、方法实施例或其组合可以在生产阶段中被利用，比如在图26中的组件和子配件制造168以及系统整合170中被利用。多个，当指的是项目时，意为一个或更多个项目。例如，多个设备实施例是一个或更多个设备实施例。当飞行器162在图26的使用174和/或维修和维护176中时，多个设备实施例、方法实施例或其组合可以被利用。多个不同的有利实施例的使用可以显著加快飞行器162的装配和/或减少飞行器162的成本。

已经呈现了对不同的有利实施例的描述，其目的是为了说明和描述，并且不是为了穷尽或者将实施例限制为所公开的形式。多种修改和变化对本领域的普通技术人员将是显而易见的。而且，不同的有利实施例可以提供相比于其他的有利实施例不同的优势。选择的一个实施例或者多个实施例被选定并描述以便最好地解释实施例的原理、实际应用并且使本领域其他普通技术人员能够理解本公开的具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。

Claims (12)

1.一种复合框架，其适于附连到成形的表面，所述复合框架包括：

彼此柔性连接的多个桁架元件；以及

顶梁，其延伸横穿所述桁架元件并且接合到所述桁架元件。

2.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述顶梁是基本连续并且柔性的。

3.根据权利要求1所述的复合框架，其中：

每个所述桁架元件均具有帽形的横截面。

4.根据权利要求1所述的复合框架，其中每个所述桁架元件均包括结合表面，所述结合表面适于接触所述结构的所述成形的表面。

5.根据权利要求1所述的复合框架，其中：

相邻的所述桁架元件彼此接合并且在节点处接合到所述顶梁，并且所述框架在所述节点处是柔性的。

6.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述桁架元件和所述顶梁中的每个均由纤维增强的合成树脂构成。

7.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述桁架元件和所述顶梁是一体构造的。

8.根据权利要求1所述的复合框架，其中相邻的所述桁架元件被间隔开以限定间隙，所述间隙适于接收用于加固成形的结构的加强杆。

9.一种制造复合桁架框架的方法，其包含：

在工具上铺设第一纤维增强物和第二纤维增强物；

在所述第一纤维增强物和第二纤维增强物之间放置多个成型的心轴；以及

在所述纤维增强物中注入树脂。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含：

围绕每个所述心轴放置第三纤维增强物。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：

将所述注入树脂的第一纤维增强物、第二纤维增强物和第三纤维增强物固化；以及

在注入树脂的纤维增强物被固化之后，从所述框架移除所述心轴。

12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含：

使用真空袋以压紧所述纤维增强物；以及

当所述纤维增强物被压紧时，固化注入树脂的纤维增强物。

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