CN105523166B - 板结构件及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板结构件(1)，其用于交通工具，特别用于航空器(A)或航天器，其包括：表面构件(2)，特别地为表皮构件，其限定了具有第一表面(3)和相对的第二表面(6)的宽阔区域，且具有在第一和第二表面(3，4)之间的厚度(5)；和多个长的加强构件(6)，其附接于表面构件(2)，并在第一和第二表面(3，4)中的至少一个的整个表面上延伸；其中加强构件(6)中的至少一个在分支点被分叉为两个或更多的分支加强构件(6’)。本发明还提供了生产所述板结构件的方法。

Description

板结构件及相关方法

技术领域

本发明涉及一种用于交通工具，特别是航空器或航天器，的新的板结构件(panelstructure)，同时本发明涉及一种新的生产上述板结构件的方法，本发明还涉及一种交通工具，其包括所述板结构件。虽然本发明特别设计为在航空器或航天工业中使用，但是可以想到的是，其还可以在航海和陆地交通工具中使用，例如铁路和/或汽车应用。

背景技术

在航空和航天工业中，加强板，特别是纵梁加强板作为轻质结构解决方案已经发展为标准件。事实上，典型地，超过机身的90％，或现代载人航空器的外“皮”均被设计为纵梁加强板，如此，“纵梁”为加强构件，其增加了结构板或表面构件(area member)的机外弯曲刚度。板使用纵梁进行了加强，从而在挤压和剪切载荷下对抗整体弯曲。相对于简单加厚板构件自身，板构件的所得到的稳定和极限载荷因此能够在较低结构重量下承受更高的载荷。纵梁还将板构件或表皮中任何弯曲的尺寸限制到纵梁间的局部区域(即，“表皮凹区”(skin bays))，从而限制了所谓的局部弯曲。通过降低弯曲区域尺寸(即，表皮凹区的大小)，提高了板构件或表皮的抗弯强度。

当设计的目的持续指向降低航空器的重量以最优化燃料消耗时，依然要求航空器结构强度和安全性不能妥协，且仍然需要满足测试标准。在这种背景下，发明人设计了一种新型的和改进的板结构件，其用于交通工具，特别地用于航空器，其能够满足当前的安全和测试标准，同时还能够获得更低的质量结构.

发明内容

根据本发明，如权利要求1中所述的提供了一种板结构件，其用于交通工具，特别用于航空器或航天器，如权利要求9所述提供了一种生产所述板结构件的方法。另外，如权利要求15中所述，还提供了例如航空器或航天器的交通工具。优选的特征在从属权利要求中进行说明。

一方面，本发明提供了一种板结构件，其用于交通工具，特别用于航空器或航天器，包括：表面构件，例如板构件或表皮构件；和多个加长的加强构件，其附接于表面构件上同时在至少一侧的整个表面上延伸；其中多个加强构件中的至少一个在分支点或分叉点被分支或分叉为两个或多个分支加强构件。典型地，表面构件具有宽阔区域(arealexpanse)，并且包括第一侧和相对的第二侧，具有在第一和第二侧之间限定的表面构件厚度。加强构件附接于表面构件上并在第一和第二侧中的至少一个的整个表面上延伸。

由此，本发明提供了一种新型的和改进的板结构件，其使用了加强构件的分支，特别是分叉，从而改变在表面构件或板构件区域中的加强构件的间隙或间距，该区域在实际使用中暴露至较高的载荷下。也就是，通过将加强构件分支或分叉为至少两个分支加强构件，可以在表面构件或板构件的区域中，增加加强构件的密度(即，降低加强构件的间隙或间距)。因而，希望得到的是，本发明预期得到，加强构件可以分隔为超过两个分支加强构件(例如，通过“三叉”或“四叉”)。但是为了简化，本文中使用的术语“分叉”及其变化，例如“双叉”，应该理解为构件分隔或分支为两个或多个分支构件，而不是限定为仅仅两个分支构件。然而对于板结构件不均匀的载荷，局部的强化传统上已经通过表面构件或板构件的局部加厚被解决，本发明提供了更低的重量和更经济的设计方法。特别地，分叉加强构件(例如纵梁)的使用，在具有相对更少额外重量的加强板结构件的设计上，提供了更大的自由度。注意到，本发明的术语“表面构件”为构件的通用术语，例如板，表皮或薄板，在其相对面或侧之间，与这些面或侧指间的厚度尺寸相比呈现出相对大的宽阔区域。

在传统的板结构件设计中，加强构件(例如，纵梁)的平均间距通常在之前设计阶段就固定了。如果在传统设计工艺中，由于纵梁之间的表皮凹区承受弯曲，因而该表皮凹区的表皮厚度增加。然而，与使用加强件相比，增加表皮厚度以避免弯曲是较为没有效率的。这是因为在局部弯曲中的表皮构件的抗弯强度和加强件应对整体弯曲的抗弯强度之间的不同的、非线性的关系。表皮的局部抗弯强度与其厚度是二次幂的关系，然而加强件的整体抗弯强度典型地与加强件的高度之间为三次幂的关系。由于表皮厚度与加强件的高度相比通常非常小，因此与加强件相比，其必须显著地增加更多的质量给表皮从而避免弯曲。因而，本发明的板结构件中提供分叉加强构件提供了实际的新型轻质板结构件设计。

在本发明的优选实施方式中，分支加强构件之间分叉的角度随着分支加强构件远离分叉点逐渐延伸而减小。换句话说，随着远离分叉点延伸，分支加强构件期望地减小分叉，并且沿着特定路径，在该特定路径中，在分叉后，分支加强构件随后大约相互平行地延伸。由此，两个分支加强构件中的至少一个，并且优选的两个，随着分支加强构件远离分叉点延伸，延伸通过弯曲部或扭曲部从而减少或降低分叉角度。具体地，至少一个分支加强构件的弯曲部或扭曲部优选地通过预定角度扭转向两个分支加强构件中的另一个。最初分支之后的，在分支加强构件的路径或方向中的该改变，起到在加强构件和/或分支加强构件的不同间隔或间距之间平滑过渡的作用。

在更优选的实施方式中，表面构件上的多个加强构件中的每个都在各自的分支点或分叉点被分支或分叉为至少两个分支加强构件。各自的分支点或分叉点因此优选地相互分散或错开，特别地沿径向相互分散或错开。该分支点或分叉点的分散或错开的位置用于提供从板结构件一个区域中一个纵梁间隔或间距至板结构件一个连接区域中另一个纵梁间隔或间距的一般平滑过渡。

在优选的实施方式中，加强构件和分支加强构件被设置为，在板结构件的局部区域中，在相邻加强构件和/或相邻分支加强构件之间提供大约均匀的间距或间隙。

在本发明特别优选地实施方式中，板结构件的表面构件(即，板构件或表皮构件)具有如典型地存在于航空器机身的耐压舱壁的圆形构造，或锥形构造，或总体矩形构造。由此，板结构件特别适合用于具有不均匀的内部载荷的板和/或具有不均匀的或密集外的部载荷的板。

在优选的实施方式中，板结构件可以包括结构构件的部件，同时可以，例如包括多个设置在两个或更多表面构件或板构件之间并附接于两个或更多的表面构件或板构件上的加强构件，从而加强构件形成了强化骨架或结构，其由各自的表面构件或板构件包围和/或覆盖。

根据另一个方面，本发明提供了一种生产板结构件的方法，该板结构件用于交通工具，例如航空器或航天器，所述方法包括：

提供表面构件，特别地提供板构件或表皮构件，该表面构件限定了具有第一表面和相对的第二表面的宽阔区域，且具有在第一和第二表面之间的表面构件厚度；和

设置多个加长的加强构件，该加强构件在表面构件的第一和第二表面中的至少一个的整个表面上延伸，以附接到表面构件上；

其中设置加强构件的步骤包括在分支点或分叉点将至少一个加强构件分支或分叉为两个或更多的分支加强构件。

在一种优选的实施方式中，在至少一个加强件中，表面构件的分支点的位置或部位的选定或确定基于：与至少一个加强构件相邻的表面构件区域的弯曲阈值，和对于表面构件来说在该区域中所需的最小设计载荷；和/或在至少一个加强构件中的最大允许纵向力。

还如上所述，在一种优选的实施方式中，设置加强构件的步骤包括随着分支加强构件远离分支点延伸，减小在分支加强构件之间的分支角度或者分叉角度。更具体地，设置加强构件的步骤包括随着分支加强构件远离分支点延伸，延伸或指引至少一个分支加强构件，并且优选地两个分支加强构件，通过弯曲部或扭曲部以降低分支角度或分叉角度。

在本发明特别优选的实施方式中，设置加强构件的步骤包括在各自的分叉点将多个加强构件中的每个分叉为至少两个分支加强构件。该方法可以然后优选地进一步包括：使得分叉点相互地分散或错开；例如，沿径向将分叉点相互错开。

在一种优选的实施方式中，设置加强构件的步骤包括对加强构件的位置进行数字建模。生产板结构件的方法优选地包括，零部件叠层制造(ALM)技术，相对于几何约束条件，其提供了高的设计灵活性。由此，ALM可以例如基于板结构件的数字模型来堆积和构建表面构件其自身以及加强构件，该加强构件以一体或整体构造的形式固定在表面构件的至少一面或侧上并在表面构件的至少一面或者侧的整个表面上延伸。在可替换的实施方式中，板结构件加强构件可以堆积和构建在，且附接于，预成形表面构件上。生产板结构件的方法不需要必须使用ALM技术，并且可以包括其它制造步骤，例如，轧制、铸造、铆接、焊接以及用于通过粘结和/或紧固而结合的复合材料(例如，纤维增强聚合物FRP复合材料)的技术。

根据另一个方面，本发明提供了一种交通工具，例如航空器或航天器，其具有至少一个根据上述实施方式中的任一种的板结构件，并且优选地具有多个根据上述实施方式中的任一种的板结构件。

附图说明

为了更加完全的理解本发明和其优点，本发明示例性的实施方式在下文中结合附图进行了更详细的说明，其中类似附图标记指示类似的部件，其中：

图1图示了飞机的(a)平面图，(b)前视图，和(c)侧视图，其示出了用于本发明板结构件的合适区域(暗或阴影)；即现代载人航空器机身或表皮的超过90％包括纵梁加强板；

图2图示了典型地带有机架和纵梁的航空器机身设计的实施例；

图3为带有典型纵梁样式的矩形纵梁加强板结构件的实施例；

图4图示了在机翼中的带有平行纵梁的锥形板结构件的实施例；

图5图示了圆形和球形曲线加强板结构件的实施例，其用于机身内的耐压舱壁；

图6为带有典型的假设恒定载荷的常规纵梁加强板结构件的示意性透视图；

图7为沿端视图(a)和平视图(b)中所示的理想常规矩形纵梁加强板结构件。均匀载荷(箭头)导致与均匀的表皮厚度结合的均匀的纵梁间距。对于这种类型的载荷，该板通过保持纵梁间距和表皮的均匀性被优化；

图8为端视图(a)和平视图(b)中所示的，常规形式的矩形纵梁加强板结构件的实施例，在其右边缘具有现实中非均匀载荷。(备注：为了更清楚，没有示出由作用在左右短板边缘上的载荷的不平衡导致的沿长板边缘的剪切力)。

图9为带有不均匀载荷的矩形现有技术纵梁加强板结构件的实施例。这种板结构件具有均匀的纵梁间距，但是具有变化的、不均匀的表皮厚度，从而避免弯曲。

图10图示了加强元件的样式，在底侧具有巨型荷花克鲁兹王莲(Victoriacruziana)叶片。

图11为圆形或球形纵梁加强板的实施例，带有直的径向纵梁。弯曲区域宽度b变化超过半径r。

图12图示了对于圆形或球形纵梁加强板结构件的不同加强布局的对比，(a)带有直的径向(和周向)加强件的经典样式，其由中心向外缘产生增加的弯曲区域尺寸；(b)带有简单分叉的径向加强件的样式，其导致由中心向外缘变化的弯曲区域尺寸；和(c)本发明一种实施方式的加强件布局，其具有分叉径向纵梁，在不同的径向位置带有分叉点，在分叉后带有扭曲部加强件，从而在整个板区域保持弯曲区域尺寸总体均匀或尽量均匀。

图13为在一种带有分叉径向纵梁的实施方式的圆形或球形板结构件上的纵梁布局草图。该分叉点位于不同的径向位置r，并且源于分叉点的分叉纵梁对朝向彼此扭转从而保持弯曲区域宽度b在整个半径r尽量均匀。这就导致了与图12(a)和(b)中所示的纵梁布局中相比，具有更均匀的弯曲区域尺寸。

图14为示意图，图示了(a)带有常规纵梁布局的矩形板结构件，其具有均匀纵梁间距，和(b)本发明一种实施方式的带有分叉纵梁布局的矩形板结构件。

图15为根据本发明一种实施方式的矩形板结构件的实施方式，在端视图(a)和平视图(b)中示出，该矩形板结构件带有非均匀载荷和分叉纵梁布局，带有在不同的x基线上的分散或错开的分叉，从而保持板表皮的均匀厚度。

图16为分叉点P、分叉角度β、扭曲部K和扭转角γ的示意图。

图17图示了带有加强件布局的圆形和球形曲板结构件的实施方式，其可以用作例如航空器机身内的后耐压舱壁。

图18为根据本发明的应用于如航空器副翼或扰流板中的矩形板结构件的实施方式。该顶部表皮构件被移除从而示出内部带有分叉的加强件。

图19为现有技术锥形板结构件的实施例，以端视图(a)和平视图(b)示出，带有常规平行加强件布局。

图20为现有技术锥形板结构件的实施例，以端视图(a)和平视图(b)示出，带有常规同心加强件布局。

图21为本发明的锥形板结构件的实施方式，以端视图(a)和平视图(b)示出，带有分叉加强件布局。

图22为流程图，示出了根据本发明的与弯曲和加强件分叉相关的板的设计方法的实施方式。

图23图示了用于本发明矩形板结构件的加强件布局的实施例；即(a)从左到右带有纵梁间距比率为4：9的加强件布局，(b)带有加强件间距比率为4：11的加强件布局，两个变形例均仅包括纵向加强件。如分别在变形例(a)和(b)一样，变形例(c)和(d)具有相同的纵梁间距比率，但是包括用于纵向加强件的横向支撑的横向加强件。

图24为流程图，图示了本发明板设计方法的实施方式。

具体实施方式

给出相关附图用于提供对本发明的进一步理解，其在此加入并成为本说明书的一部分。附图示出了本发明具体实施方式，并结合附图说明用于解释本发明的原理。本发明其它的实施方式和其它的优点在结合了下文给出的具体实施方式后将会更加容易理解并因此容易获得。

容易理解的是，通用和容易理解的元件，其在商业可行实施方式中可能是有用的和必须的，在此没有必需进行描述，目的是有利于该实施方式提取的视角，附图的元件并不必需相互标尺示出。还应该理解的是，方法实施方式中的某些动作和/或步骤可以以发生的具体顺序进行描述或说明，同时本领域技术人员将会理解的是，这些对顺序的说明并不是必需的。还应该理解的是，本说明书中使用的术语和说明具有其普通的含义，这种含义与相应的本领域普通的术语和说明的含义一致，除非本文给出了特定的含义。

参考附图1，图示了具有机身F、机翼W、垂直尾翼T和水平尾翼H的商用载人航空器A。航空器A外皮的超过90％被设计为包括强化板，如图2中所示。具体地，外皮板构件由平行且纵向延伸的纵梁构件S和周向延伸的机架构件或肋条R加强。另外，航空器A的内板结构件典型地也被设计为纵梁加强板。例如，这些可以包括具有主梁和肋条的机翼W的板结构件，或垂直和水平稳定件的部件或者尾翼T、H，除了折翼和副翼，和/或机身内的耐压舱壁BH。附图的图3-5图示了这种类型板结构件的实施例。由此，本发明的板结构件适于在航空器工业中不同应用的宽范围中使用。

参考图6，例如，传统板结构件1包括板构件或表皮构件2，其在区域或表皮构件2的第一(即，内)侧或表面3和相对的第二(即，外)侧或表面4上，具有与相对小的厚度5相比相对大的宽阔区域。该板结构件1可以，例如，包括弯曲的航空器机身F的部分。表皮构件2的内侧3包括多个附接于表皮构件2上的长的加强构件6，以强化该表皮构件，然而，板构件或表皮构件2的相对的外侧4保持基本光滑。加强构件6包括纵向延伸的纵梁S(例如，帽形纵梁或盖形纵梁)，和横向延伸的机架构件或肋条R。表皮构件2的被加强构件6(即，在纵梁S和肋条R之间)包围的局部区域或部分被定义为板“凹区”或表皮“凹区”7。

在板结构件1的常规设计期间，加强构件6(例如，肋条或纵梁)的均匀间距或间隙8、8＇将通常在早期设计阶段就已经确定。如果没有其它约束条件限定，例如机身板2的窗户间距，纵梁的恒定间距8由作用在纵梁加强的板结构件1上的载荷分布(参见图7)的简化的假定确定。例如，沿着板构件2的边缘分布的恒定线性载荷N是常规的假定。完成所述假定是为了利用合理的效果和排列方法构建普通测试，通常其适用于在各种载荷下的所有类型的板。最好的是，假定载荷是线性变化的(增加或减少)，以覆盖在整个长度上变化的载荷或弯曲效果。在实际的航空器板结构件1中，例如机身、机翼及类似物，沿着任意的横截面的纵梁加强板2的载荷N’更加复杂。也就是，载荷既不是均匀的也不会沿着横截面线性变化。更加实际的载荷N’如图8中所示，沿着板结构件1的右边缘。

然而，带有标准的尺寸确定和制造方法的用于加强板结构件1的常规板设计方法，仅能提供用于整个板结构件1的均匀纵梁间距8和恒定横截面的折衷办法。该方法的已限定的纵梁6的均匀间距8和恒定横截面被应用到板结构件所有部分，然而清楚的是，这些预限定参数仅对于一种载荷情形且在板的单一横截面中是最优的。在常规设计方法中，如果纵梁间距或间隙8不是足够小以避免表皮2的局部弯曲，表皮或板构件2的厚度5将会局部增加，如图9中阴影部分所示，其中较暗的阴影图示了更大的厚度。

抵抗结构件弯曲的机械性能是其能够抵抗弯曲的能力。板构件或表皮构件的板凹区或表皮凹区中的局部弯曲与纵梁的整体弯曲相比，抵抗弯曲或压曲的能力的各自的测量方法是不同的。弯曲理论通过临界应力σ_crit,skin描述了表皮的抵抗弯曲的能力，如果板构件中的应力高于该值，则板弯曲。

临界应力σ_crit,skin通过表皮厚度t_skin的平方来衡量：

σ_crit,skin～t_skin ² (eq.1)

另一方面，纵梁的弯曲的开始由纵梁高度h_stringer的三次幂衡量：

σ_{crit,stringer}～h_stringer ³ (eq.2)

由于通过增加表皮厚度抵抗弯曲的效果远远小于通过增加纵梁结构高度抵抗弯曲的效果，因此增加表皮厚度为避免表皮弯曲的较低的重量效率的方法。换句话说，增加表皮厚度以避免表皮局部弯曲的常规方案并不有益于最小化可能的重量。

本发明的板结构件1通过使用加强件(纵梁)布局避免了这些限制，该布局由从巨型荷花(亚马逊王莲(Victoria amazonica)和克鲁兹王莲)发现的生物方案获得的灵感。本设计可以，依次，与以下组中自由选择的现有制造技术的设计结合：零部件叠层制造(ALM)技术，例如选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)。因此，根据本发明设计和生产的板可以具有较低的重量和同时降低的再现成本，由于ALM技术允许高度集成部件的生产，从而降低了装配成本。

附图的图10图示了巨型荷花(克鲁兹王莲)的叶片的下侧，其通过设置基本径向指向的纵梁S和周向定向的更小的肋C进行加强。主纵梁S和肋C包围或围住叶片的平面、表皮状部分的近似方形的区域或凹区B。主纵梁S始于与叶片中心相近的中心点，并沿径向朝向叶片边缘发散。相邻纵梁S之间的周向距离因此随着与叶片中心距离的增加而增加。然而，可以看出，一旦两个主纵梁S之间的周向距离超过特定值，主纵梁就会分叉为两个或更多分支纵梁S’，从而保持纵梁S、S’之间的距离在特定的范围内。考虑应该是，其主纵梁S的分叉有助于植物控制每个表皮凹区B的面积。也就是，巨型荷花局部地使其加强构件S、S’的间距或间隙适应其涉及变形和结构载荷的特定需要。这有助于巨型荷花最小化构建叶片的能量和材料消耗，而最大化从阳光获得的能量。考虑到与人工材料相比，植物纤维相对低的强度和弹性模块，叶片的刚度令人惊讶。

因而，本发明的板结构件1的关键特征涉及加强件分叉的使用，从而控制(局部)弯曲区域尺寸。具体地，本发明的板设计适当尺寸的表皮凹区7(即，弯曲区域)以避免弯曲，并采用仅用于满足强度或刚度需求的表皮厚度5。在给出的设计中，通过从凹区至凹区局部地改变弯曲区域或表皮凹区7的尺寸从而满足每个区域的弯曲需求来完成，而不会增加表皮厚度。替换地，增加板构件2作用区域中的加强构件6的数量。在具有较低加强件密度的板构件2和具有较高加强件密度的板构件2之间的过渡区域中，加强构件6可以类似于巨型荷花叶片的主纵梁S那样分叉。

为了重点突出本发明的板结构件1和具有传统、现有技术的加强件布局的板结构件之间的区别，可以参考附图11和12，其中本发明板结构件1具有由巨型荷花启发得到的加强件布局。

图11图示了用于圆形或球形纵梁加强板的常规加强件布局。加强件6其自身为直的并从板2的中心径向延伸至板的外边缘。这种构造产生了弯曲区域宽度b，其随着半径r变化；即b(r₂)>b(r₁)。

图12对比了具有不同加强件布局的板结构件1。每个加强件布局(a)和(b)具有纵梁间距b，其随着半径r变化；即，b(r)。因而，纵梁间距b(r)并非是恒量：

b(r)≠恒量(eq.3)

相反地，通过实施本发明构思，可以获得具有如图12(c)中所示的加强件布局的板结构件1。除了其中加强件6中的一个进行分叉的位置和板2的最内侧的中心外，径向加强件6的间距8沿着半径基本保持为恒量：

b(r)≈恒量(eq.4)

另外，加强件6的分叉点P并不是如图12(b)原理性的图示所示的那样以共同的半径r定位。相反，分叉点P的位置具有不同的半径r。该原理可更清楚地通过参考图13看出。也就是，从加强件间距b(r₁)至另一个加强件间距b(r₂)的过渡可以被平滑，同时纵梁间距b(r)可以随着变化的板半径保持基本均匀。另外，约为方形的板凹区或表皮凹区7(即，局部弯曲区域)随着变化的半径r₁和r₂也保持为大约相同的尺寸。

除了改进具有圆形或球形弯曲纵梁的加强板构件或表皮构件2的本发明的板结构件1，具有分叉加强件6的板结构件1的基本构思可以用于矩形板，如图14和15中所示。附图14对比了图14(a)中的带有具有均匀间距设置的纵梁的常规板结构件，与图14(b)中的本发明一种实施方式的具有分叉纵梁6的板结构件1。图15图示了根据本发明一种实施方式的矩形板结构件1，其具有不均匀的侧面载荷N’。板结构件1具有板构件2的纵向延伸的加强件6(例如，纵梁)，纵梁6中的三个在各自的分叉点P分叉为至少两个分支纵梁6’。根据所需的局部弯曲强度，分叉点P在不同的x-基线上相互分散或错开，从而保持板或表皮构件2的均匀或恒定的厚度5。

加强件6的分叉角β通常为约60°，虽然其可以变化，但优选地在±20°的范围内。如上所述，分叉的分支加强件6’在分叉点P后并没有以相同的分叉角β持续地直行，代替地，分支加强构件6’之间的分叉角β典型地随着分支加强构件6’远离各自的分叉点P延伸而减小。这可以从图16中显而易见的得到，图16图示了图15板结构件1中分叉点P的细节。具体地，随着分支加强件6’远离分叉点P延伸，两个分支加强构件6’延伸通过各自的角度γ的弯曲部或扭曲部K从而降低或减小分叉角β。因而，分支加强件6’通过如图16中所示的扭转角γ朝向彼此扭转。通常，扭转角γ为分叉角β的一半或更小。该特征有助于保持加强件间距8和弯曲区域尺寸7在整个板构件2上大体(或多或少)均匀。在分叉后没有例如通过扭曲减少分叉角β而使用分叉加强件，导致了加强件布局具有非均匀的、变化的纵梁间距，如图12(b)中所示。

附图17图示了本发明板结构件的一种可能的应用，作为定位于航空器的尾部机身内的后耐压舱壁(例如，与图5对比)。图18图示了本发明板结构件的另一种可能的应用，作为副翼或扰流板，其可以通过利用ALM机器快速生产。图18中的透视图图示了副翼或扰流板，其板构件或表皮2被移除从而揭示了加强件布局。因而，注意到本发明的板结构件1可以以结构性构件的形式插入，其可以，例如包括两个或更多覆盖或包围了多个加强构件6,6’的表皮构件或板构件2。

另外，参考图19至21，可与看出本发明还可以应用到锥形板结构件1，其沿整个长度在宽度上变化。图19和20图示了具有传统加强件布局的锥形板结构件的两个实施例。通过实施本发明的原理，使用分散的分叉点P和后扭曲部K，锥形板结构件1的加强件布局可以如图21中所示进行修改。

虽然上述的板结构件1的各种实施方式包括附接到各自板构件2的一侧或表面3上的加强构件6，同时板构件2的相对侧或表面4上依然没有加强件，然而本领域技术人员能够预料的是，基于结构件的实际需要，在另外的具体实施方式中，加强构件6可以附接到板构件2的两侧3、4上。

一种方法，用于确定本发明加强板结构件的加强构件6是否需要分叉，或者相反地，确定两个(分支)加强构件6、6’是否需要结合到一起，根据板构件2的局部弯曲性能在图22中原则上以流程图的形式示出。本领域技术人员应该理解的是，板弯曲仅仅是，例如用于航空或航天工业中的加强板结构件1需要满足的众多标准中的一种。其他的标准包括，例如，强度和破损容忍度。因此，图22中所示的流程图仅仅给出了整个板尺寸和设计工艺的一部分。

公开的工艺从步骤1给出的初步板设计开始。在步骤2中，将确定用于每种设计载荷情况LC(i)和每种所需弯曲模式Mode(j)*RF_{buck1，LC(i)，Mode(j)}的抵抗弯曲的备用系数RF。基于RF_{buck1，LC(i)，Mode(j)}的值，关于如何改进板存在两种可能性：

首先，如果该RF_{buck1，LC(i)，Mode(j)}高于1加特定阈值ε(参见下文解释的“术语”)，则板具有抵抗甚至对于最高的极限载荷时的弯曲的备用度，同时板可以通过在这些区域中局部增加加强件间距来减轻重量。这通过将两个(或更多)加强件或纵梁结合为单一的加强件来完成。这是当步骤3问题的答案为“否”时，接下来的路线。

在其它情况中，如果步骤3的答案是“是”，接下来的决定必须在步骤4中完成：如果RF_{buck1，LC(i)，Mode(j)}小于1，然后沿着答案“否”的路线。这就意味着在设计载荷达到前，板2将开始弯曲。为了从弯曲开始变换至更高的载荷，加强件间距8在作用区域中局部的增加，这通过加强件或纵梁6中的一个(或更多)的分叉完成。

在加强件6修正后，该方法然后重复从上面的步骤2开始，直至所有的RF_{buck1，LC(i)，Mode(j)}落入1和1+ε之间。然后根据本发明，加强板结构件1设计具有抵抗弯曲的最小重量。

因而，本方法优选地包括基于一个或更多的标准确定板结构件的加强构件或纵梁是否应该分叉：

i)如果在所需最小设计载荷之前，由加强构件或纵梁包围的弯曲区域的表皮开始弯曲，和/或

ii)如果在纵梁自身内的纵向力通量高于允许值。

另一方面，本方法可以包括基于以下标准确定板结构件的两个(或更多)加强构件或纵梁是否应该结合：

i)如果由纵梁包围的弯曲区域的表皮开始弯曲超过所需最小设计载荷由阈值ε限定的特定量，和/或

ii)如果在纵梁自身内的纵向力通量低于允许值。

最后，参考附图的图24，示出了流程图，其示意性的图示了根据以下参考图13-23描述的本发明任一种实施方式的板结构件1的生产方法中的步骤，该板结构件用于交通工具，特别用于航空器A。由此，图24的第一框I表示了提供表面构件2，特别是提供板构件或表皮构件的步骤，表面构件2限定了包括第一表面3和相对的第二表面4的宽阔区域，其中表面构件2在第一和第二表面3、4之间具有大致恒定的厚度5。第二框II随之代表设置多个长的加强构件6的步骤，该加强构件在表面构件2的第一和第二表面3，4中的至少一个的整个表面上延伸，以附接到该表面构件2上。然后，作为设置加强构件6的子步骤，第三框II代表根据表面构件2的局部弯曲强度要求，在分叉点P将至少一个加强构件分隔或分叉为两个(或更多)分支加强构件6’的步骤。由图24的框II和框III示出的步骤可以优选地在板结构件1的数字建模中实施。附图24中的最后的框IV表示了物理制造或生产板结构件1的步骤，该板结构件1具有附接到表面构件2上的加强构件6、6’，加强构件6、6’根据由框II和框III表示的步骤中设计的设置方案设置。该制造或生产步骤可以包括零部件叠层制造(ALM)技术，例如SLM或SLS，其中加强构件6、6’堆积和构建且附接于表面构件2上。由此，表面构件2还可以利用ALM技术堆积和构建，从而单一的ALM工艺可以作为整体或一体结构件生产板结构件1。可替换地，该方法可以包括其它传统制造技术，例如轧制、铸造、铆接、焊接和/或用于制造通过粘结和/或紧固结合的复合材料构件的方法，该复合材料例如为纤维增强聚合物(FRP)复合材料。

虽然本发明特定的实施方式已经公开，本领域技术人员还应该能够理解，还存在各种替换的和/或等同的实施方式存在。应该理解的是，一个或多个示例性的实施方式仅为实施例，并不用于以任何方式限定范围、应用或构造。当然，上述发明内容和具体实施方式将会提供给本领域技术人员一种方便的实施至少一种实施方式的路线图，将会理解的是，在不脱离由权利要求书和其等同法律方案限定的范围，可以对元件的功能和设置上做出改变。总之，本说明书用于涵盖本文提出特定实施方式的所有变换和改变。

在本文中，名词“包括”“包含”“含有”“由组成”“具有”，以及任何变换，都会被理解为包括性(即，非排它性的)的意思，从而本文中方法、工艺、装置，、设备或者系统并不被这些所述特征或部件或元件或步骤限定，而是可以包括其他本文中未在所述工艺、方法、工件或装置中列出的元件、特征、部件或步骤。另外，本文中使用的名词“a”，“an”应该被理解为一个或更多，除非给出了明显相反的限制。另外，本文使用的名词“第一”，“第二”，“第三”，等仅仅用于编号，而不是强加的数字需要，或者构建其对象重要性的某些排序。

术语

ALM--零部件叠层制造。这是一类生产工艺，其用于构建层层叠加的部件。

b--纵梁间距或表皮凹区的宽度。

ε--阈值。在本说明书中，阈值ε与用于弯曲的备用系数RF_buck1一起使用。为了实际应用，实际的带有大量临界载荷的加强板可以通常不被设计为以下情况：在整个板上，抵抗弯曲的最小备用系数RF_buck1准确地等于1。为了决定加强件是否应该分叉或结合，接受了1以上的特定阈值。ε的值基于经验并典型地在从0.1至0.5的范围内。

LC--载荷工况

Mode--模式，例如，弯曲模式

n_LCs--载荷工况的数量

n_modes--(弯曲)模式的数量

RF--备用系数。测量用来描述结构件与具体强度或失效标准相关的备用度。备用系数大约或等于1(RF≥1)意味着结构件以可接受的方式承受施加的载荷。备用系数小于1的(RF<1)意味着结构件不能满足强度要求。该备用系数将通过分析或测试确定。

RF_buck1--与弯曲相关的备用系数。

r--半径

SLM--选择性激光熔炼。一种ALM技术，其通过将微观粉末颗粒焊接到一起来构建部件。焊接在典型地直径小于0.5的聚焦的激光内部非常局部地发生。与SLS相反，利用SLM的粉末颗粒将会完全熔化并焊接到一起而产生部件，该部件带有极低的孔隙量和高的强度和耐久性。

SLS--选择性激光烧结。一种ALM技术，其通过利用聚焦的激光将微观粉末颗粒烧结到一起来构建部件。该粉末颗粒不像使用SLM那样完全熔化，因此孔隙量较高，同时强度与SLM生产的部件相比较低。

σ_crit--临界应力。在本说明书的内容中，当其板开始弯曲时，σ_crit为板中的应力水平。

附图标记

1--板结构件

2--表面构件或板构件或表皮构件

3--表面构件的第一侧

4--表面构件的第二侧

5--表面构件的厚度

6--加强件或纵梁

6’--分支加强构件或分支纵梁

6”--分支加强构件或分支纵梁

7--板构件或表皮构件的区域或凹区

8--加强构件或纵梁的间距或间隙

8’--加强构件或肋条的间距或间隙

9--横向或肋间加强件

A--航空器

F--机身或外皮

W--机翼

T--垂直尾翼

H--水平尾翼

S--纵梁

S’--分支纵梁

R--机架构件或肋条

BH--耐压舱壁

B--叶片表皮凹区

C--叶片肋

P--分支点或分叉点

β--分支角或分叉角

K--弯曲部或扭曲部

γ--扭转角

N--均匀载荷

N’--非均匀载荷

Claims (20)

1.一种板结构件(1)，其用于航空器或航天器，所述板结构件(1)包括：

表面构件(2)，所述表面构件(2)限定了包括第一表面(3)和相对的第二表面(4)的宽阔区域，并且具有在第一表面(3)和第二表面(4)之间的厚度(5)，其中所述表面构件(2)为表皮构件；和

多个长的加强构件(6)，其附接于表面构件(2)并在第一表面(3)和第二表面(4)中的至少一个的整个表面上延伸；

其中加强构件(6)中的至少一个在分支点(P)被分支或分叉为至少两个分支加强构件(6’)，

其中加强构件中的至少一个沿着其整个长度不分支或分叉，并且其中，至少两个分支加强构件中的每个均具有远离分支点延伸的长度，并且除了在作为分支点的单一点处结合在一起外，该至少两个分支加强构件沿着它们的整个长度保持彼此间隔。

2.如权利要求1所述的板结构件(1)，其中

在分支加强构件(6’)之间的分支角或分叉角(β)随着分支加强构件(6’)远离分支点(P)延伸而减小。

3.如权利要求1所述的板结构件(1)，其中

分支加强构件(6’)中的至少一个延伸通过弯曲部或扭曲部(K)，从而随着分支加强构件(6’)远离分支点(P)延伸，降低或减小分叉角(β)。

4.如权利要求3所述的板结构件(1)，其中

分支加强构件(6’)中的两个延伸通过弯曲部或扭曲部(K)，从而随着分支加强构件(6’)远离分支点(P)延伸，降低或减小分叉角(β)。

5.如权利要求3所述的板结构件(1)，其中

至少一个分支加强构件(6’)的弯曲部或扭曲部(K)通过角度(γ)转向另外的分支加强构件(6’)。

6.如权利要求1所述的板结构件(1)，其中

多个加强构件(6)中的每一个均在各自的分支点(P)被分支或分叉为两个或更多的分支加强构件(6’)。

7.如权利要求6所述的板结构件(1)，其中

各自的分支点(P)彼此分散或错开。

8.如权利要求7所述的板结构件(1)，其中

各自的分支点(P)沿径向彼此分散或错开。

9.如权利要求1所述的板结构件(1)，其中

在板结构件(1)的局部区域中，加强构件(6)和分支加强构件(6’)被设置为在相邻的加强构件(6)和/或相邻的分支加强构件(6’)之间提供大致均匀的间距或间隙(8)。

10.如权利要求1所述的板结构件(1)，其中

表面构件(2)的厚度保持大致恒定。

11.一种生产板结构件(1)的方法，所述板结构件(1)用于航空器或航天器，所述方法包括：

提供表面构件(2)，所述表面构件(2)限定了包括第一表面(3)和相对的第二表面(4)的宽阔区域，所述表面构件(2)具有限定在第一表面(3)和第二表面(4)之间的厚度(5)，其中所述表面构件(2)为表皮构件；和

设置多个长的加强构件(6)，所述加强构件(6)在第一表面(3)和第二表面(4)中的至少一个的整个表面上延伸，以附接于表面构件(2)；

其中设置加强构件(6)的步骤包括在分支点(P)将加强构件(6)中的至少一个分支或分叉为两个或更多的分支加强构件(6’)，

其中设置加强构件的步骤包括使得加强构件中的至少一个沿着其整个长度不分支或分叉，并且其中，至少两个分支加强构件中的每个均具有远离分支点延伸的长度，并且除了在作为分支点的单一点处结合在一起外，该至少两个分支加强构件沿着它们的整个长度保持彼此间隔。

12.如权利要求11所述的方法，其中

分支点(P)在至少一个加强构件(6)上的位置的选择基于：

与至少一个加强构件(6)相邻的表面构件(2)的区域(7)的弯曲阈值，以及对于表面构件(2)而言在该区域(7)中所需的最小设计载荷，和/或

在至少一个加强构件(6)上的最大允许纵向力。

13.如权利要求11所述的方法，其中

设置加强构件(6)的步骤包括，随着分支加强构件(6’)远离分支点(P)延伸，减小分支加强构件(6’)之间的分叉角(β)。

14.如权利要求11所述的方法，其中

设置加强构件(6)的步骤包括，使得分支加强构件(6’)中的至少一个延伸通过弯曲部或扭曲部(K)，从而随着分支加强构件(6’)远离分支点(P)延伸而减小分叉角(β)。

15.如权利要求14所述的方法，其中

设置加强构件(6)的步骤包括，使得分支加强构件(6’)中的两个延伸通过弯曲部或扭曲部(K)，从而随着分支加强构件(6’)远离分支点(P)延伸而减小分叉角(β)。

16.如权利要求11所述的方法，其中

设置加强构件(6)的步骤包括，在各自的分支点(P)将多个加强构件(6)分支或分叉为两个或更多的分支加强构件(6’)；

该方法进一步包括：

彼此分散或错开分支点(P)。

17.如权利要求16所述的方法，其中

沿径向彼此分散或错开分支点(P)。

18.如权利要求11所述的方法，其中

设置加强构件(6)的步骤包括，针对于加强构件(6)的位置进行预先数字建模；和/或

其中该方法包括零部件叠层制造(ALM)工艺，使用该工艺以整体构造的形式堆积和构建表面构件(2)和/或加强构件(6)中的一个或两个，或者

其中该方法包括将纤维增强聚合物的加强构件(6)粘结和/或紧固至表面构件(2)上。

19.如权利要求18所述的方法，其中

基于板结构件(1)的数字模型以整体构造的形式堆积和构建表面构件(2)和/或加强构件(6)中的一个或两个。

20.一种交通工具，所述交通工具是航空器(A)或航天器，包括至少一个如权利要求1-10中任意一项所述的板结构件(1)和/或至少一个由如权利要求11-19中任意一项所述的方法生产的板结构件(1)。

Images