CN104129495A - 用于飞行器的复合结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于飞行器的复合结构，该复合结构包括面板以及接合至该蒙皮面板的表面的至少一个桁条，该桁条具有足部和从该足部伸出的腹板以及位于该桁条的端部中的一个端部处的收尾区域。该面板包括多个堆叠的并且共同固化的复合材料层片，并且桁条的收尾区域处的足部的至少一部分插入到面板的两个层片之间，并且该至少一部分与所述两个层片共同粘结、共同固化或二次粘结。本发明的结构在没有对制造过程进行大幅修改的情况下实现了桁条足部与蒙皮面板之间的增强的接合，从而避免了剥离或脱粘的问题。

Description

用于飞行器的复合结构及其制造方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于诸如桁条、抗扭盒、蒙皮面板、机翼表面、水平尾翼或竖直尾翼(HTP&VTP)之类的飞行器结构部件的制造的复合结构。

更具体地，本发明的目的在于提供一种用于在桁条的收尾区域处在桁条与蒙皮面板之间传递载荷的优化技术，从而避免了桁条收尾区域处的(由于剪切效应和剥离效应造成的)脱离粘合的问题。

本发明还涉及一种制造这种复合结构的方法。

背景技术

在航空工业中周知在飞行器的结构部件——例如机身蒙皮面板、抗扭盒、桁条、肋部、翼梁等——的制造中使用这样的复合材料：其由有机基底和诸如碳纤维增强塑料(CFRP)之类的单向定向的纤维形成。

通常，蒙皮面板借助于纵向设置的若干桁条来加强，以提供强度并确保蒙皮面板的适当的翘曲表现。桁条通常共同固化、共同粘结、二次粘结或螺栓连接于蒙皮面板。图1示出了桁条3粘结于蒙皮面板1的常规设计。

在桁条3的端部处，桁条载荷传递至蒙皮面板1，使得在桁条的末端处开始载荷的再分配，这引起了桁条3与蒙皮面板1之间的周知的脱粘的问题(由于剥离效应和剪切效应)。为了减小桁条末端处的应力集中并减缓相关联的问题，通常在端部处的所谓桁条“收尾”区域5制造有加固件，这有助于改善从桁条3到面板1中的载荷传递，从而减小了桁条3的端部处的应力集中。

在收尾区域5处，通过减小桁条3的高度和/或厚度而使桁条3的横截面朝向端部逐渐减小，以逐渐减小桁条3在收尾5处承受的载荷。因此，常规的桁条3的设计具有渐缩形末端6。

美国专利US-4.606.961以及美国专利申请US-2005/0211846和US-2012/0100343为这些技术的示例。

除使用在收尾处具有渐缩形腹板的桁条外，已知基于使用如金属支架或螺栓之类额外部件的其他方法(以确保在该结构细节处的适当的载荷传递)。美国专利申请US-2012/0234978A1和PTC公开WO2012/042246A2为这种类型的解决方案的示例。

尽管上述解决方案令人满意地增强了桁条与面板之间的结合的强度，但是这些解决方案受到如下缺点的影响：即，制造过程变得更加复杂，并且在大多数情况下，由于其需要制造随后必须配装至(例如螺栓连接至)蒙皮面板的额外部件(金属插入件或支架)而更加昂贵。

由于前述问题以及考虑到对提供一体化的结构解决方案的需求，已经发现了在复合结构的制造中存在对于以下改进方案的需求：在确保桁条与面板之间的结合的强度以避免脱粘的问题的同时，该方案不需要设置额外的部件或对制造过程进行大幅修改。

发明内容

本发明的一方面涉及一种用于飞行器的复合材料的结构，其中，该结构包括面板——例如蒙皮面板——以及接合至该面板以加强该面板的至少一个桁条。该桁条具有足部和从该足部伸出的腹板以及位于该桁条的端部中的一个端部处的收尾区域以用于减小局部应力集中。该面板由堆叠的复合材料层片形成或包括堆叠的复合材料层片，并且该桁条共同固化、共同粘结或二次粘结于面板。

根据本发明，在该桁条的收尾区域处桁条的足部的至少一部分插入到面板的层片中的某些层片之间，并且足部的该部分优选地通过将足部与所述层片共同粘结、共同固化或二次粘结而与所述层片直接接合。因此，通过在制造过程期间将足部设置在形成蒙皮面板的一部分的某些层片之间，而将收尾区域处的足部的一部分——优选地为足部的大部分——结合在面板内。由于桁条的足部的这种一体布置，因此桁条收尾部与蒙皮之间的接合部的强度显著增强。

传统地在现有技术中，例如如图1中所示，仅桁条足部的下表面用作与面板的层片的结合界面。然而在本发明中，在收尾区域处足部的上表面也用作与面板的结合界面。该组件的技术效果和优势在于，在没有引入额外部件且没有增加制造过程的成本的情况下，使桁条与面板之间的总接界区域显著扩大，并且因此使接合部的强度以及载荷传递显著增大。

蒙皮面板的层片中的某些层片叠置在收尾区域处的足部的上表面的大部分上，使得足部的该部分被嵌入、插入或夹入在面板的上层片与下层片之间，因此，足部的一部分变为面板的一体部分。面板的这些层片共同固化、共同粘结或二次粘结于足部的插入到这些层片之间的所述部分。

为了覆盖结构的若干桁条的足部，层片可以用于共用地覆盖其中一些足部或所有足部。替代性地，还可以使用用于覆盖每个桁条的足部的单独层片。

本发明的另一方面涉及一种制造用于飞行器的复合结构的方法，该方法包括设置至少一个桁条的步骤，所述至少一个桁条具有足部和从该足部伸出的腹板以及位于该桁条的端部中的一个端部处的收尾区域。在本发明的方法中，面板通过层叠多个复合材料的层片来形成。一个或更多个桁条放置在先前进行层叠以形成面板的的层片中的一个层片上。一旦该桁条放置在这叠层片上，则至少一个层片、并且优选地为多个层片叠置或层叠在面板上并且还叠置在收尾区域处的足部的上表面的大部分上，使得足部的所述部分夹入在面板的某些层片之间。

本发明的该方法提供了用于获得桁条足部和蒙皮面板的这种一体布置的若干替代方案，在该方法中，足部可以与蒙皮面板的某些层片共同粘结、共同固化或二次粘结。

本发明的结构和方法在桁条的足部与蒙皮面板之间提供了加强的接合部，从而避免了或至少减小了脱粘的问题(由于剪切效应或剥离效应)。该制造方法与已知过程基本相同，因为其仅需要在桁条足部的区域中将层片层叠在桁条足部的顶部，这仅需要对层叠过程的顺序进行修改，而不需要设置额外的部件或对现有机加工进行修改。

附图说明

本发明的优选实施方式将参照附图在以下进行描述，在附图中：

图1示出了现有技术的桁条收尾区域的常规设计的立体图。

图2示出了根据本发明的复合结构的两个示意性图示，其中，桁条足部4插入到蒙皮面板1的两个连续层片9,10之间。为了简化说明，仅示出两个所涉及的层片9,10(相对于桁条足部而言的上层片和下层片)，然而，对于本领域的技术人员而言清楚的是，面板1由位于桁条足部4的上方及下方的多个堆叠层片形成。在图2A中，虚线指示收尾区域5，该收尾区域5从渐缩形腹板6延伸至桁条3的远端部。图2B为结合在面板内的桁条足部的放大图。

图3示出了图2的类似图示，其中示出了在桁条足部4的上表面和下表面与面板1之间产生的接合部。位于足部4与面板1之间的接界区域12、13由实线示意性示出。

图4示出了本发明的替代性实施方式的另一示意性图示。

图5示出了本发明的替代性实施方式的另一示意性图示。

图6示出了本发明的替代性实施方式的另一示意性图示。

图7示出了本发明的替代性实施方式的另一示意性图示。

图8为本发明的另一替代性实施方式的示意性图示的俯视平面图。横架足部的端部通过虚线示出。

图9为本发明的另一替代性实施方式的类似于图8的图示。桁条的足部与上层片之间的重叠区域的周界通过虚线示出。

图10为本发明的另一替代性实施方式的类似于图8的图示。

具体实施方式

图2A示意性地示出了由诸如CFRP之类的复合材料制成的飞行器结构的一部分，其可例如用于制造飞行器机身、机翼、抗扭盒、水平稳定装置等的蒙皮面板。

该结构包括蒙皮面板1以及接合至面板1的表面的至少一个桁条3，其中，该桁条3具有T形形状的横截面，并具有足部4以及从该足部4伸出的腹板2。替代性地，该桁条可以具有另一横截面形状，诸如“I”、“L”、“U”、“C”、“Ω”等。该桁条3在其端部中的一个端部处具有收尾区域5，该收尾区域5具有渐缩形末端部6从而以已知的方式减小局部应力集中。面板1包括多个堆叠的复合材料层片、或由多个堆叠的复合材料层片形成。

如可以在图2B中更加清楚地理解到的，本发明的结构使得在桁条3的收尾区域5处桁条3的足部4的至少一部分插入到面板1的某些层片之间，特别地插入到面板的上层片9与下层片10之间，使得足部4的大部分被夹入、嵌入或插入到形成面板1的一部分的这些上层片9与下层片10之间。在图2B中，可以观察到，桁条3的足部4搁置在下层片10上，而面板1的上层片9的一部分直接叠置在桁条3的足部4的上表面11’的大部分上。

优选地，并且为了加大足部4与面板1的层片之间的接触区域，足部4设置有延伸足部11，该延伸足部11为足部4在桁条的远端部处的超出腹板2的延伸段，也就是说，腹板2没有沿着所述延伸足部11延伸。延伸足部11的大部分插入到面板1的上层片9与下层片10之间，使得足部4搁置在面板1的下层片10上，并且足部的下表面11’’与所述层片10直接接触。后续的或相邻的层片——特别地，为堆叠的层片的上层片9——直接放置在下层片10的一部分上，并且还在延伸足部11的上表面11’上，使得上层片9的一部分与延伸足部11重叠。

在本发明的优选实施方式中，如图2B中所示出的一个实施方式中，该结构包括肋部7，该肋部7在桁条的收尾区域5处、层片9的与延伸足部11相重叠的部分的正上方接合至面板1并接合至该桁条的足部4。该肋部7相对于桁条3的纵向轴线横向地设置，并且该肋部7通常例如借助于螺栓(未示出)固定至面板和桁条。肋部7——该肋部与足部的结合在面板中的该部分相接合——有助于进一步加强桁条的足部与面板的接合并且有助于减缓平面剥离(plane peeling)效应。

替代性地，肋部7可以与桁条足部4和面板1的层片共同固化、共同粘结或二次粘结。

尽管在附图中仅示出了几个层片，但是应当理解到，本发明的优选实施方式包括如下面板1：该面板1由在桁条的收尾区域处位于桁条足部下方的多个堆叠层片以及位于所述足部上方的多个层片形成。从这个意义上讲，图3示出了两个或更多个上层片8、9如何在收尾区域处设置在足部上方，以及两个或更多个下层片10、14如何在收尾区域处设置在足部下方。

另外，图3示出了根据本发明如何在足部4与面板的层片9、10——所述层片9，10与桁条足部的上表面11’和下表面11’’直接接触——之间产生两个大接界区域12、13(接触区域)，使得桁条3与面板1之间的粘结强度相对于仅具有一个接界区域的现有技术的布置显著增强。

图4示出了与延伸足部11和面板1重叠的堆叠上层片17。该延伸足部11具有恒定厚度，为此，在位于延伸足部11的远端部15上方的堆叠的上层片17中形成有阶梯部18。

在图5的优选实施方式中，延伸足部11呈具有三角形横截面的坡形，其形成斜坡部或斜坡表面。延伸足部11的这种斜坡构型例如通过以下方式获得：使面板1的层片逐渐下降，使得延伸足部11的厚度朝向远端部15逐渐减小，如图5中所示。堆叠的上层片17与延伸足部11重叠，使得在其中限定呈斜坡的上接界区域12，例如与图4的实施方式的接界区域12相比，该呈斜坡的上接界区域12具有更平缓的轮廓。这种布置具有如下优势和技术效果：即，其确保了在固化过程之后，层片在重叠区域处被适当压紧并且避免了或至少大幅减小了孔隙问题。

如可以在图4和图5的实施方式中理解到的，面板1的厚度在其位于桁条3正下方的内部段是恒定的，而面板的位于桁条收尾区域5之后的外部段——此处上层片17与面板1重叠——比面板的位于桁条下方的所述内部段更厚(即，T’>T)。

替代性地，在图6和图7的实施方式中，面板1具有位于桁条收尾区域5之后的、厚度减小的部段18，使得在重叠上层片17放置在桁条延伸足部11的顶部上后，面板1在该外部段中的厚度等于面板1在桁条收尾区域及其延伸足部正下方的内部段中的厚度，也就是说(T1＝T1’)。因此，由于厚度减小部段18而造成的蒙皮面板1的厚度减小量H等于堆叠的重叠上层片17的厚度。面板1的厚度减小部段18补偿了由于堆叠的上层片17而造成的重量的增加，因此，尽管增加了堆叠的上层片17，但是蒙皮的总重量并没有增加。

在图6的实施方式中，面板1的厚度减小18通过使层片从面板1的上表面起下降来实现，而在图7的实施方式中，面板1的厚度减小18通过使层片从面板1的下表面起下降来实现。在这两种情况下，重叠的上层片17均放置在所产生的面板1顶表面上。

应当指出的是在图6和图7中，即使面板1的厚度在桁条收尾部5及其延伸足部11之前和之后保持为常数，但是在从第一重叠上层片17放置于桁条延伸足部11的上方的位置点处起、一直到实施面板1的层片下降并且实现厚度减小的面板18之间，仍然具有过渡部段。

本发明提供了用于将桁条足部结合在蒙皮面板内的若干替代方案。在图8的优选实施方式中，具有与延伸足部11大致相同的宽度W的专用上层片9叠置在下层片10上并叠置在延伸足部11的上表面11’上，使得产生了重叠区域16，该重叠区域16的边界为足部4的横向边缘17、17’、足部4的远端部15以及层片9的末端线18。

替代性地，如图9中所示，上层片9比桁条的足部4更宽(W’>W)，使得足部4的横向边缘17、17’也被上层片9覆盖，上层片9延伸至末端线18和横向末端线19、19’。

替代性地，如图10中所示，一个上层片9可以共用地用于覆盖多于一个桁条3、3’的足部。

在图8至图10中示出了仅一个上层片9。然而，在本发明的实际实施中，额外的层片层叠在上层片9的顶部，直到完成蒙皮面板为止。这也可以如图8和图7中的情况那样通过对每个单独的桁条叠置若干个专用层片来实现，或者如图10中的情况那样通过对若干个桁条叠置共用的若干个层片来实现，或者通过专用面板和共用面板的若干组合来实现。

在本发明的其他实施方式中，桁条可以具有I形横截面、L形横截面、U形横截面、C形横截面、Ω形横截面或其他适当的形状。

在根据本发明的制造用于飞行器的复合结构的方法中，例如先前所描述的一个方法中，设置了多个桁条3，桁条3具有足部4和从该足部伸出的腹板2以及位于这些桁条的端部中的一个端部处的收尾区域5。优选地，该桁条为T形的桁条并且其可以通过形成两个L形型材来进行制造。该方法包括如下步骤：即层叠多个复合材料的层片以形成面板、以及将所述桁条中的至少一个桁条放置在用以形成面板的层片中的一个层片上。形成面板的至少一个层片在桁条的收尾区域处叠置在桁条足部的上表面的大部分上，使得桁条足部在其收尾区域处的该部分插入到面板的两个层片之间。

本发明该方法提供了用于获得蒙皮面板和桁条的这种布置的若干替代方案，其中，该桁条的足部的一部分结合在面板内，即：

(i)在先前的阶段制造并固化的固化桁条的足部插入到未固化上层片与未固化下层片之间。粘合剂应用在足部与未固化上层片和未固化下层片之间。这些层片在随后的阶段被固化，使得桁条与蒙皮面板的层片共同粘结，

(ii)未固化桁条插入到未固化上层片与未固化下层片之间。这些层片和桁条在随后的阶段一起固化，使得桁条与蒙皮面板的层片共同固化，从而成为面板的一体部分，

(iii)未固化桁条通过桁条与下层片之间的粘合剂层叠置在固化的下层片上，并且未固化上层片叠置在桁条足部的上表面的一部分上。桁条与下层片共同粘结并与上层片共同固化。

收尾部的渐缩形腹板6通常通过切除腹板的三角形部分来获得。

本发明的桁条收尾组件在桁条与面板之间提供了两个大接界区域，使得收尾处的这两个元件之间的载荷传递被显著改善。面板与桁条的收尾区域之间的接合部的强度被改善，从而避免了或至少延迟了收尾部的脱粘的问题。

Claims (17)

1.一种用于飞行器的复合结构，所述复合结构包括面板以及接合至所述蒙皮面板的至少一个桁条，所述桁条具有足部和从所述足部伸出的腹板、以及位于所述桁条的端部中的一个端部处的收尾区域，其中，所述面板包括多个堆叠的复合材料的层片，其特征在于，所述桁条的收尾区域处的足部的至少一部分插入到所述面板的两个层片之间，并且其与所述两个层片接合。

2.根据权利要求1所述的复合结构，其中，所述面板的至少一个层片叠置在所述桁条的收尾区域处的足部的上表面的大部分上并与其直接接合。

3.根据权利要求1或2所述的复合结构，其中，所述桁条的收尾区域处的足部共同固化、共同粘结或二次粘结于所述面板的所述层片。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，叠置在所述足部的上表面上的所述层片为宽度(W)与所述延伸足部大致相同的专用层片。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述复合结构，其中，叠置在所述足部的上表面上的所述层片比所述足部宽。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，还包括接合至所述面板并且相对于所述桁条的纵向轴线横向地设置的肋部，并且其中，所述肋部还与所述桁条的收尾区域处的足部接合。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，所述桁条的足部具有延伸超出所述腹板的延伸足部，并且其中，所述延伸足部的大部分插入到所述面板的两个层片之间。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，所述桁条的收尾区域处的足部包括斜坡部，并且，堆叠的上层片与所述斜坡部重叠。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，所述面板具有厚度减小部段/具有减小的厚度的部段，并且，所述面板在所述部段中的厚度减小量与所述堆叠的上层片的厚度大致相同。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，所述桁条的横截面具有选自“T”、“I”、“L”、“U”、“C”、“Ω”的形状。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，多个层片设置在所述桁条的收尾区域处的足部的上方。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的复合结构，其中，所述面板为选自如下列表的飞行器部件的蒙皮面板，所述列表包括：抗扭盒、机身、机翼、水平尾翼、竖直尾翼。

13.一种制造用于飞行器的复合结构的方法，所述方法包括如下步骤：

设置至少一个桁条，所述至少一个桁条具有足部和从所述足部伸出的腹板以及位于所述桁条的端部中的一个端部处的收尾区域，

通过层叠多个复合材料的层片来形成面板，

将所述桁条中的至少一个桁条放置在用以形成所述面板的所述层片中的一个层片上，

其特征在于，所述方法还包括如下步骤：将用以形成所述面板的至少一个层片放置在所述桁条的收尾区域处的足部的上表面的大部分上，使得所述桁条的收尾区域处的足部的至少一部分插入到所述面板的两个层片之间，并且，所述桁条足部与所述面板的所述层片共同固化、共同粘结或二次粘结。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将在先前阶段制造并固化的固化桁条的足部插入到所述面板的未固化上层片与未固化下层片之间，并且，在随后阶段将所述面板的这些层片固化，使得所述桁条与所述面板的层片共同粘结。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，将未固化桁条插入到未固化上层片与未固化下层片之间，并且，在随后阶段将这些层片和所述桁条一起固化，使得所述桁条与所述面板的层片共同固化，从而成为所述面板的一体部分。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，将未固化桁条叠置在固化的下层片上，并且将未固化的上层片叠置在所述桁条足部的上表面的一部分上，并且所述桁条与所述下层片共同粘结并与所述上层片共同固化。

17.根据权利要求13或14所述的方法，还包括以下步骤：将肋部与固化的面板接合并与所述桁条的收尾区域接合，使得所述肋部相对于所述桁条的纵向轴线横向地设置。