CN103786870A - 具有弹性终端部的由复合材料制成的桁条及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加强飞行器蒙皮壁板的由复合材料制成的桁条。本发明包括在靠近桁条终端部的区段中引入90°的层板，并且逐步减少0°的层板的数目，使得在相邻于终端部的区段中大多数数目的层板处于90°，因而降低了终端部的刚度，并且从而也减小了该终端部所承受的负载。本发明提供了对于已存在的用于使桁条终端部承受较小负载的解决方案的替代性的解决方案，由此减小了桁条的层板剥离的风险，并减小了桁条与蒙皮壁板之间分离的风险。本发明还涉及一种制造所述桁条的方法。

Description

具有弹性终端部的由复合材料制成的桁条及其制造方法

技术领域

本发明总体上涉及制造诸如由蒙皮壁板形成的蒙皮结构之类的飞行器部件，该蒙皮壁板在其内表面上通过多个桁条而被加强，其中桁条在结构上结合至该蒙皮壁板。

更具体地，本发明的目的之一为：以简单的方式获得加强桁条，所述加强桁条的终端部（run-out）承受较小的负载；以及减小在桁条与壁板之间的附接部所承受的应力，以便减小桁条与蒙皮壁板之间剥离的风险，从而减小元件之间分离的风险，此外，所有这些并不影响桁条的用于防止弯曲的能力，仅有效地减小处于终端部处的弹性模量，而无需修改用于构成的片材或层板（ply）的当前现有的设计标准或制造标准。

背景技术

在制造用于航空工业的部件中，特别是为了制造飞行器的结构元件，众所周知的是使用由有机基质和连续的纤维形成的复合材料，例如碳纤维增强塑料（CFRP），其中纤维在一个且相同的层板中沿一个方向定向。美国专利申请US2010/0233424A1是这些技术的一个示例。

飞行器蒙皮结构例如机身的一部分或机翼的一部分通常由蒙皮壁板和一系列桁条形成，所述一系列桁条通过共同结合而附接至该壁板的表面之一以便对该壁板进行加强。桁条相对于所述壁板沿纵向方向设置，并且还包括一系列与桁条协作的横向设置的肋状部以向壁板提供强度并提高其在压缩或剪切下的稳定性。

这些复合材料既用于制造蒙皮壁板，又用于制造桁条，这些桁条可被制造为具有不同截面，例如具有T形截面、I形截面、L形截面、梯形截面等。

桁条终端部存在的缺点在航空工业中是众所周知的，这是由于在桁条与附接有该桁条的壁板之间的负载转移方面的重新分配发生在那些终端部处，在该区域中的结合的附接部中引起应力（附接部的平面中的切向应力以及平面以外的剥离应力）的集中，这会使桁条与壁板变得分离。

蒙皮中的桁条刚度主要由于具有0°纤维定向的纤维即具有沿桁条的相同纵向方向定向的纤维的层板而获得。然而，这种具有沿桁条的长度延伸的0°的大多数层板的常规布置在减小由终端部承受的负载时具有限制，这是由于其刚度必须在终端部处被精确地减小，以减小其承受的以及必须通过结合的附接部转移至蒙皮的负载。

在本领域的现状下已知的用于克服与桁条终端部处负载转移相关联的问题的解决方案总体上基于减小桁条的横截面面积，这通常通过减小桁条高度或此外通过朝向终端部逐步减小层的数目来实现。通过这些技术，桁条终端部的厚度被减小，以及因而桁条终端部的刚度被减小（弹性模量被减小），同时促进桁条与壁板之间的负载的渐进的重新分配及早地开始。

这些解决方案的示例在美国专利申请US2005/0211846A1和US2012/0100343A1中有描述。

然而，这些常规的解决方案有一定的缺点，例如，就减小桁条高度的解决方案而言，这是由于桁条效率也同时被减小，以增大桁条终端部前面的壁板的稳定性。

在涉及减少层板的第二种解决方案的情况下，在有关桁条终端部处的织物的可能的最低数目方面有局限性，低于该可能的最低数目则在将桁条压实并共同结合至壁板的过程中会产生制造缺陷和工业化缺陷。

相对于允许在桁条终端部处完全消除或具有较少的0°的织物的解决方案，该第二缺点限制在桁条终端部处对所有的0°织物的完全消除，因而在其内维持了高的弹性模量。

其它已知的解决方案是基于在终端部处使用具有不同弹性模量即具有不同性质的几种类型的层板，例如，使用提供较小刚度的不同材料的纤维。然而，尽管使用不同类型的层板或片材是可行的，但除了使这些部件的制造工艺过度地复杂化之外，该方法也不期望用于计算诸如本文中设想的结构之类的结构，因而，至今未得到广泛应用。

发明内容

本发明通过在所附的独立权利要求中限定的主题以完全令人满意的方式解决了以上所说明的缺点。

本发明包括在靠近桁条终端部的区段中引入90°的层板，重叠预先存在的0°的层板，并且在二者的重叠距离之后逐步地消除0°的层板的数目，使得在相邻于终端部的桁条区段中用90°的层板已完全地或大部分地替换0°的层板。引入的层板由相同的材料制成并且具有与已存在的层板相同的特性，仅相对于固定参照改变它们的定向。本发明基于通过增加的90°的织物与被消除的0°的织物之间的重叠在所述终端部处用90°的层板逐步地替代或替换0°的层板（所述0°的层板对于桁条整体而言是有效的，但是对于其用于将负载平稳地转移至蒙皮的终端部而言是不利的），确保了元件的结构连续性。

由于具有其相对于桁条纵向轴线的轴向弯曲的90°的纤维的层板的刚度准确地因90°的纤维的定向——所述90°的纤维由于设置成横向于桁条的纵向轴线而提供较小的轴向弯曲强度——而小于0°的层板的刚度，因此通过在终端部处中断0°的层板并且用90°的层板替换所述0°的层板，桁条的终端部处的轴向刚度或弹性模量小于桁条的其余部分。

本发明允许具有0°定向的更小数目的层板，同时保持在桁条终端部处的由制造要求设定的相同数目（引起多孔性或剥离的较小数目）的层板。

在本发明中，0°的层板必须被理解为是或将会成为桁条的一部分的层板，并且所述0°的层板的加强纤维必须被理解为是或将会沿与桁条的纵向轴线“X”相同的方向被定向。同样，90°的层板必须被理解为是或将会成为桁条的一部分的层板，并且所述90°的纤维必须被理解为是或将会被定向为相对于桁条的纵向轴线“X”形成90°，即，该层板的纤维相对于桁条正交。

本发明的第一方面因而涉及用于加强飞行器蒙皮壁板的桁条，所述飞行器蒙皮壁板由多个叠加的复合材料层板形成，其中，每个层板包括沿一个方向定向的加强纤维。在相邻于或相继于终端部的桁条区段中的具有90°纤维定向的层板的数目大于在该相同区段中的具有0°纤维定向的层板的数目，使得在相邻于终端部的该部分中的弹性模量或刚度小于桁条的其余部分中的弹性模量或刚度，或换言之，桁条在该区段中由于与0°的层板的数目相比90°的层板的大多数存在而更具有柔韧性。

在所述相邻桁条区段（AS）中的90°的层板的数目同样大于在桁条内区段（IS）中的具有90°的纤维定向的层板的数目。

本发明还涉及获得具有大多数的90°的层板的端部区段的特定方式，该特定方式包括形成在内区段与（相邻于）终端部的相邻区段之间延伸的重叠区段，在该重叠区段中，至少一个90°的层板被增加，并且叠置在已经在内区段中存在的0°层板之上，该0°层板在下一区段中被消除。该重叠区段的形成具有在内区段与桁条终端部之间的、即桁条的具有不同刚度的区域之间提供平稳且逐步负载转移的效果。

本发明还涉及一种飞行器蒙皮结构，包括飞行器翼型件（airfoil）蒙皮壁板和诸如以上所描述的附接至所述壁板的至少一个桁条。

本发明的另一方面涉及一种制造用于加强飞行器蒙皮壁板的桁条的方法，该方法包括对复合材料的层板进行叠置，所述层板具有在每个层板中沿一个方向定向的加强纤维。该方法包括对具有相对于桁条的纵向轴线以0°定向的纤维的层板进行叠置，并且使所述0°的层板在位于相距桁条终端部一定距离的终止边缘处终止（即，例如通过切割该层板而由终止边缘终结该层板）。然后，对具有相对于桁条的轴线以90°定向的纤维的层板进行叠置，使得一段所述90°的层板与所述0°的层板的端部区段重叠（产生了先前限定的重叠区域（OS）），并且使得所述90°的层板延伸至桁条终端部。

如可观察到的，所描述的过程包括用90°的层板替代或替换在桁条的内部中使用的0°的层板，并且对认为必须数目的0°的层板重复该过程，直到在相邻于桁条的终端部的相邻桁条区段中具有90°纤维定向的层板的数目大于具有0°纤维定向的层板的数目。

由于消除了0°的层板，在相邻于终端部（3）的相邻桁条区段（AS）中的具有0°纤维定向的层板的数目小于在桁条内区段（IS）中的具有0°纤维定向的层板的数目。

本发明通过在相邻于桁条终端部的相邻区段中改变层板的关于纤维定向方面的类型而成功地减小了当飞行器处于飞行时由桁条终端部承受的负载。

无需修改终端部的几何形状来实施本发明，因而已在工厂中操作的制造方法或加工方法无需修改，然而纤维的重叠区段中的加工必须适应该增厚的局部区域，正如目前解释非结构性织物的增厚区域的那样。

本发明不需要制造具有关于其刚度或其使用的纤维类型方面的不同性质的不同类型的层板，因而通过使用相同类型的层板获得了预期的效果，只需修改层板的定向并应用局部增厚。

本发明特别适用于制造诸如机翼和水平稳定器之类的飞行器翼型件。

无论如何，本领域技术人员将理解本发明能够同样应用于遭受同样缺点的其它飞行器部件中。

附图说明

为了补充正在进行的描述，并且为了帮助更好地理解本发明的特征的目的，根据本发明的优选的实践实施方式，附有作为本描述的不可或缺的一部分的一套附图，在该套附图中，以说明性并且非限制性为特征描绘了以下内容。

图1示出了图A中飞行器蒙皮结构的一部分的立体图，该飞行器蒙皮结构包括飞行器蒙皮壁板和附接至所述壁板的一系列桁条，其中，轴线“X”为桁条的纵向轴线。附图B为一段桁条的示意性立体绘图，其中，可见一叠层板。附图C和附图D为一叠层板的示意性立体绘图，其中，已经以分解图示出不同的层板，并且剖面线指示每个层板的纤维相对于轴线“X”的定向“θ”。附图C对应于桁条内区段中的一叠层板，其中90°的层板叠置在0°的层板上，而附图D为外区段中的层板的分布，其中，附图C的0°的层板不再存在并且被前述的90°的层板替代。

图2示出根据本发明的桁条的三个连续区段中的层板的布置的示意性绘图，朝向其终端部中的一个从左至右示出内区段IS，层板重叠区段OS、以及最后的相邻于终端部的相邻区段AS。实线“h”涉及桁条高度，并且指示减小层板重叠区域中的桁条高度的可能性。

图3为一叠层板的示意性立体分解绘图，示出通过根据本发明的重叠区段而使用90°的层板来替代0°的层板的过程。

图4示出根据本发明的L形桁条的三个截面的示意性绘图。附图（a）为根据桁条内区段IS中的横向平面的截面；附图（b）为与前述附图相似、但沿桁条重叠区段OS截取的截面；以及附图（c）为与前述附图相似、但沿相邻于桁条终端部的区段AS截取的截面。为了帮助理解这三幅附图，仅描绘出本发明中涉及到的层板，然而逻辑上必须理解的是桁条由多个叠置的层板形成。

具体实施方式

图2和图3示意性地示出以下过程：在靠近桁条终端部3的重叠区段中引入90°的层板，并逐步减少0°的层板的数目，使得在相邻于终端部3的相邻区段AS中存在大多数90°的层板，或者至少存在的90°的层板的数目大于0°的层板的数目。

图2更详细地示出了倒置的T形桁条1的一部分中的层板的分布，T形桁条1通过附接诸如图4中所示的两个L形轮廓2、2’而形成，其中两个L形轮廓2、2’对称布置并且附接至彼此。桁条通常包括从通过粘合层（未描绘）附接至蒙皮壁板8的脚部突出的腹板。桁条包括终端部3，终端部3具有减小的高度以减小该终端部的刚度。

在桁条1的大部分由0°的层板形成的内区段IS中，由处于该区段中的桁条承受的负载与E和A的乘积成比例，其中，E为桁条的沿纵向方向的弹性模数，并且A为桁条的截面面积。

根据本发明，桁条1仅在重叠区段OS中包括彼此叠加的90°的层板4和0°的层板5。如在图2和图3中可见，所述重叠区段OS靠近桁条1的终端部3并且消失，为相邻于终端部3的区段让出位置。

在所述重叠区段OS中，90°的层板4直接地附接至所述0°的层板5，并且优选地如从将附接有桁条1的蒙皮壁板8的截面中观察地设置在0°的层板的上方即更高的高度处，以对其进行加强，并且一旦已将0°的织物消除后还继续维持桁条的最后区段中的层压板的对称，如在图3和图4的附图中更清楚地观察到的。

附加的90°的层板4大致从桁条终端部3延伸至位于桁条内区段中的终止边缘6，并且使得所述90°的层板4的内部叠加在已经存在于桁条内部中的0°的层板5上。所述0°的层板5在位于靠近终端部3的点处的终止边缘7处被中断或终止。

重叠区段OS因而在附加的90°的层板4的终止边缘6与0°的层板5的终止边缘7之间延伸。边缘7比边缘6更靠近所述终端部3。该重叠区段OS具有使负载从桁条内区段平稳地且逐步地转移至终端部3的效果。

图2和图3示出以90°的层板代替或替换0°的织物或层板的过程，但是必须理解的是，以相同的方式对多个0°的层板重复该过程，直到达到被认为在终端部的相邻区段中所必须的大多数数目的90°的层板。

附图示出应用至桁条终端部之一的该技术，但其在被认为必要的应用中能够被应用至桁条的两个终端部。

在图2和图3中示出的桁条部分中对从桁条内区段朝向终端部3具有逐步减小的不同弹性模量的三个区段进行区分。重叠区域OS的弹性模量小于桁条内区段IS的弹性模量，并且终端部3的相邻区段AS的弹性模量小于重叠区段的弹性模量。

如在图2和图3中观察到的，本发明的优点之一在于可以相对于内区段IS中的桁条高度减小重叠区段OS中的桁条高度h。由于桁条的厚度当在重叠区段中将90°的层板增加在已经存在的0°的层板之上时而略微地增大，因而，其在该区段中的高度可被减小使得截面面积保持相同，这具有在弹性模量不同的区段之间维持平稳负载转移的效果。因此，通过维持桁条截面面积即不修改该面积，使得由桁条终端部承受的负载更小。

用于制造桁条的方法同样在图2和图3中可观察到，并且其包括沿桁条内区段IS叠置具有0°定向的纤维的层板5，使得0°的层板例如叠加在之前应用的-45°的层板9之上。0°的层板5终结于位于相距桁条终端部3一定距离的终止边缘7处。该终止0°的层板的阶段可通过对层板简单地切割或在叠置之前为层板确定适当的尺寸来实现。然后，具有90°定向的纤维的层板4被叠置使得其部分地叠加在之前应用的0°的层板5之上，由此在两个层板之间形成重叠区段OS。

如在附图中观察到的，90°的层板从终止边缘6延伸至桁条终端部3。终止边缘6相比边缘7位于相距终端部3更远的距离处。

一旦将0°的层板5与90°的层板6彼此部分重叠地叠置，则将具有不同于0°或90°的纤维定向例如具有+45°的纤维的第三层板10直接地叠置在所述两个层板上，从终端部3沿整体桁条延伸、覆盖重叠区域、并沿内区段IS延伸。该第三层板10的效果在于其加强了重叠区域以及0°层板5与90°层板6之间的附接部。

优选地，所有形成桁条的层板具有相同的性质，即，其在关于刚度、树脂类型、纤维类型、在一个且相同的层板中的一致的纤维定向等方面是相同的，这样的优点为无需制造具有不同性质的多种类型的层板，因此制造过程非常简单。层板之间的差异仅在于其相对于固定参照的定向。

根据每个具体应用并且使得在具有不同层板结构的桁条区段之间适当地逐步转移负载而计算出重叠区段的长度。

本领域技术人员将理解的是，尽管通过示例的方式在附图中示出了T形的桁条，然而本发明同样可应用于具有诸如I形轮廓、U形轮廓、L形轮廓或、梯形轮廓等之类的其它轮廓形状的另一类型的桁条和结构元件中。

Claims (16)

1.一种用于加强飞行器蒙皮壁板的桁条，包括内区段（IS）和至少一个终端部（3），所述桁条由多个复合材料叠加层板形成，其中，每个层板包括沿一个方向定向的加强纤维，其特征在于，在相邻于所述终端部（3）的桁条区段（AS）中，具有90°纤维定向的层板的数目大于具有0°纤维定向的层板的数目。

2.根据权利要求1所述的桁条，其特征在于，在相邻于所述终端部（3）的所述桁条区段（AS）中的具有90°纤维定向的层板的数目大于在桁条内区段中的具有90°纤维定向的层板的数目。

3.根据权利要求1或2所述的桁条，其特征在于，在相邻于所述终端部（3）的所述桁条区段（AS）中的具有0°纤维定向的层板的数目小于在桁条内区段中的具有0°纤维定向的层板的数目。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的桁条，其特征在于，所述桁条仅在重叠区段（OS）中包括彼此叠加的90°的层板和0°的层板。

5.根据权利要求4所述的桁条，其特征在于，在所述重叠区段中，所述90°的层板直接地附接至所述0°的层板。

6.根据权利要求4或5所述的桁条，其特征在于，所述90°的层板大致从所述桁条终端部（3）延伸至与所述终端部（3）间隔开的终止边缘（6），使得所述90°的层板的内部叠加在来自桁条内部的0°的层板上，并且所述0°的层板在与相同的终端部（3）间隔开的终止边缘（7）处被中断，其中，所述终止边缘（7）比所述终止边缘（6）更靠近所述终端部（3）。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的桁条，其特征在于，所述90°的层板设置在所述0°的层板的上方。

8.根据权利要求4至7中的任一项所述的桁条，其特征在于，所述重叠区域的弹性模量小于所述桁条内区段的弹性模量，并且所述终端部的弹性模量小于所述重叠区域的弹性模量，使得所述桁条的弹性模量从所述桁条的内区段至所述终端部逐步地减小。

9.根据权利要求4至8中的任一项所述的桁条，其特征在于，所述重叠区段的至少一部分中的桁条高度小于所述桁条内区段（IS）中的桁条高度。

10.根据权利要求9所述的桁条，其特征在于，所述重叠区段中的截面的面积等于桁条内区段（IS）的截面的面积。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的桁条，其特征在于，所述桁条的所有所述层板均由相同类型的材料制成。

12.一种飞行器蒙皮结构，包括飞行器翼型件的蒙皮壁板和附接至所述壁板的至少一个加强桁条，其特征在于，所述桁条为权利要求1至11中的任一项中限定的桁条。

13.一种制造用于加强飞行器蒙皮壁板的桁条的方法，所述方法包括对具有加强纤维的复合材料制成的层板进行叠置，其特征在于，所述方法还包括：对具有相对于所述桁条的纵向轴线以0°定向的纤维的层板进行叠置，所述0°的层板在相对于桁条终端部间隔开的终止边缘处终止；对具有相对于所述桁条的轴线以90°定向的纤维的层板进行叠置，使得一段所述90°的层板与所述0°的层板的端部区段重叠，并且使得所述90°的层板延伸至所述桁条终端部。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将一段90°的层板部分地重叠在一段0°的层板上的过程被重复进行，直至在相邻于所述桁条终端部的桁条区段中具有90°纤维定向的层板的数目大于具有0°纤维定向的层板的数目。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，将所述90°的层板直接地叠置在所述0°的层板之上，并且所述90°的层板终结的终止边缘相距所述终端部的距离比所述0°的层板的终止边缘相距前述终端部的距离更远。

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括将具有不同于0°的或90°的纤维定向的层板直接地叠置在所述0°的层板和所述90°的层板之上。

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