CN110181881A - 复合结构元件 - Google Patents

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Abstract

复合结构元件包括限定坐标系的平坦的主要部分，坐标系具有沿结构元件的纵向轴线延伸的第一轴线和垂直于纵向轴线且与第一轴线限定+90°角的第二轴线，结构元件包含铺叠，铺叠具有各自由具有单向的纤维取向的纤维增强复合材料构成的单铺层，铺叠包括从上到下以以下形式布置的N个铺层，N是等于或大于5的正整数：[[α，β]M；[γ]K；[β，α]M]，α、β和γ表示一个铺层具有在第一轴线与一个铺层的相应单向纤维取向之间围成的角度，[x]y指各自具有角度x的y个铺层；[x，y]z指z对铺层，每对铺层分别具有角度x、y；α＝‑20°、β＝40°、γ＝‑75°或α＝20°、β＝‑40°、γ＝75°，每个角度具有‑5°至+5°的公差；K是等于或大于1的正整数，M是等于或大于1的正整数，N＝4·M+K。

Description

复合结构元件
技术领域
本披露总体上涉及一种复合结构元件(例如用作肋材或翼梁)，其具有对剪切屈曲和后屈曲的高抗性。
例如，本披露还涉及剪切加载的复合层压板。这些例如适用于飞行器部件，诸如翼梁和肋材，而不限于此。剪切加载的面板也广泛应用于例如土木工程、汽车或船舶设计等领域。
背景技术
图1示出了在本披露中限定的剪切加载下的复合元件行为的图示。也就是说，术语“屈曲”是指失去结构(机械)稳定性。这意味着对于某个载荷水平(所谓的特征值水平)，可能会发生平面内加载的板的非平面偏转。0°和90°铺层取向角的方向也由图1右侧的箭头示出。可以相对于0°方向来限定具有基本单向纤维取向的铺层的纤维增强复合材料的角度。
图1示出了平面内剪切加载的(大箭头)长的角度-铺层(具有-45°或+45°的所述角度，其可以以交替的铺层对布置)的第一屈曲模式，该铺层具有16层并且属于对称铺叠的2mm厚的板。剪切流是恒定的。
此外，术语“后屈曲”是指在载荷高于屈曲水平的情况下的呈偏转和平面内位移两者的结构变形。
在现有技术中，存在具有0°/45°/90°/135°角度的层压体的常规铺叠。这是指层压分别具有0°、45°、90°和135°角度的铺层。
根据US 7,840,389B2和US 7,668,701B2，在针对提及后屈曲的复合板/面板的铺叠选择领域中存在现有技术。然而，该现有技术不包含具有铺叠角度值的特定解决方案。
根据US 8,306,789B2，在针对总体上不涉及后屈曲的复合面板的铺叠选择方法领域中也存在现有技术。现有技术仅仅描述了设计优化方法/过程，而没有具有铺叠角度值的任何特定解决方案(针对后屈曲抗性)。
根据US 8,556,213B2，在针对被设计成仅抵抗屈曲而不考虑后屈曲的复合面板的铺叠选择方法领域中存现有技术。
此外，本披露的铺叠解决方案基于转让给本申请人的专利EP 2 910 365B1(“下文中的现有技术文件1”)并基于2016年6月26日至30日慕尼黑第17届欧洲复合材料会议(ECCM17)的议事录(下文中的现有技术文件2)“针对各向异性复合材料板的铺叠时后屈曲优化[ON LAY-UP OPTIMIZATION OF ANISOTROPIC COMPOSITE PLATES IN POST-BUCKLING]”，S.Selyugin的论文的理论结果。
发明内容
因此，需要一种避免了以上讨论的问题中的一个或多个问题或其他相关问题的方案的实施方式。
本披露旨在以下目标：
·提供具有对剪切屈曲和后屈曲两者的高抗性的复合结构元件的对称铺叠。也就是说，本披露致力于为在“屈曲以上”的范围内以后屈曲操作的剪切加载的复合层压板提供优化的铺叠解决方案。
·如上所示，考虑了具有对称铺叠的矩形的剪切加载(双向)的板。不失一般性，假设根据披露内容的板在屈曲以上工作而不破裂(其中载荷上至屈曲水平的1.5倍)。必须注意的是，该值仅仅是应用于例如航空的示例，但绝不是对本披露的限制。
例如，这种板可以建模飞机垂直尾翼(Vertical Tail Plane，VTP)肋和翼梁的加强件之间的区间。
此外，本披露实现了以下优点：
·所提出的铺叠解决方案大大提高了结构元件(例如复合结构元件)在两个剪切加载平面方向上的后屈曲载荷承载能力，其中这些加载方向的屈曲载荷水平几乎相等并接近最大水平。
·与现有技术设计相比，所提出的解决方案可以导致结构重量节省上至10％。
·对于相同水平的剪切加载(在两个方向上)，本披露的解决方案导致约低50％的最大后屈曲偏转和最大后屈曲最小主应变(与现有技术的角度-铺层构造相比)。
·屈曲水平(两个加载方向大致相等)相差在几％以内，远远高于现有技术的角度-铺层铺叠。所提出的铺叠中的位于若干接近中间平面的[-75°]铺层上方的层主要承受由于剪切屈曲引起的作为后屈曲分析的起始点的弯曲-扭曲。它们是成对的层[-20°，+40°](其中可能偏差为+/-5°)。中间平面附近的层以最佳方式承受2D应变，稍后的应变对于后屈曲很重要。
·可以针对剪切加载的复合结构元件(特别是VTP肋和翼梁)实施根据本披露的铺叠解决方案。
·根据本披露的铺叠解决方案提高了结构元件在两个加载方向上的后屈曲载荷承载能力，其中这些加载方向的屈曲载荷水平几乎相等并接近最大水平。
·根据本披露的铺叠解决方案组合了两个加载方向的屈曲和后屈曲高性能两者。
以上陈述的问题中的一个或多个问题通过独立权利要求的主题来解决。从属权利要求中阐述了发展。
附图说明
下面参考附图描述本文中呈现的技术的实施例，其中：
图1示出了在本披露中限定的剪切加载下的复合元件行为的图示；
图2示出了根据本披露的复合结构元件的主要装置实施例；
图3示出了本披露的复合结构元件的修改；
图4示出了根据本披露的根据复合结构元件的第一实施方式示例的肋；
图5示出了根据本披露的根据复合结构元件的第二实施方式示例的翼梁；
图6示出了根据本披露的根据复合结构元件的第三实施方式示例的抗扭箱；
图7示出了复合结构元件的铺层布置的第一实施例；
图8示出了复合结构元件的铺层布置的第二实施例；
图9示出了复合结构元件的铺层布置的第三实施例；
图10示出了复合结构元件的铺层布置的第四实施例；并且
图11示出了复合结构元件的铺层布置的第五实施例。
具体实施方式
不失一般性，本披露可以概括如下：本披露的目的是，例如赋予工程师选择具有对屈曲和后屈曲二者的高抗性的对称非常规铺叠的简单规则。铺叠解决方案大大提高了结构元件在两个加载方向上的后屈曲载荷承载能力，其中针对这些加载方向的屈曲载荷水平几乎相等并接近最大水平。根据目前的分析，与今天的设计相比，所提出的解决方案可以导致结构重量节省上至10％。
根据第一方面，提供了披露了一种复合结构元件，包括限定坐标系的基本平坦的主要部分，所述坐标系具有沿所述结构元件的纵向轴线延伸的第一轴线和在所述平坦的主要部分内垂直于所述纵向轴线延伸并与所述第一轴线限定+90°的角度的第二轴线，其中所述结构元件包含铺叠，所述铺叠具有各自由具有基本单向的纤维取向的纤维增强复合材料构成的单铺层，其中所述铺叠包括从上到下以以下形式布置的N个铺层，N是等于或大于5的正整数：[[α，β]M；[γ]K；[β，α]M]，其中α、β和γ表示一个铺层具有在所述第一轴线与所述一个铺层的相应的单向纤维取向之间围成的角度，[x]y是指各自具有角度x的y个铺层，[x，y]z是指z对铺层，每对铺层分别具有角度x、y，α＝-20°、β＝40°、γ＝-75°或α＝20°、β＝-40°、γ＝75°，其中每个角度具有-5°至+5°的公差，并且K是等于或大于1的正整数，M是等于或大于1的正整数，如下所示：N＝4·M+K。
根据第一方面的第一改进，复合结构元件优选具有以下结构：[[α，β]M；[α]；[γ]K；[α]；[β，α]M]，其中N＝2+4·M+K。
根据第一方面的第二改进，复合结构元件优选地进一步包括至少一个另外的铺层，具有在所述第一轴线和所述至少一个另外的铺层的单向纤维取向之间围成的角度δ，其中δ优选地在中间平面附近为90°、远离中间平面为-20°或为任何其它值，并且所述至少一个另外的铺层插入所述N个铺层中的一个或多个铺层之间，并且所述铺叠包括N+P个铺层，P是等于或大于1的正自然数，并指定了另外的铺层的数目。在这种情况下，所述铺叠优选地包括从上到下以以下形式布置的N个铺层：[[α，β]M，[δ]L，[γ]K，[δ]P，[γ]K，[δ]L，[β，α]M]，其中N＝4*M+2*L+2*K+P。此外或可替换地，K优选等于或低于N/3，更优选等于或低于N/4。该第二改进导致了其中尽管具有对称性但基本铺叠仍有一些限制的以及在角度γ＝-75°的层的数量变得太高的条件下的铺叠中覆盖所有可能的层数的通用铺叠。并且，出于制造稳定性原因，将若干(优选几个)铺层(在中间平面附近的所具有的角度优选地为90°的铺层、远离中间平面的所具有的角度优选地为-20°的铺层、或者优选地具有其它取向的铺层)在一些层之间添加至层压体，但是保持整个铺叠的对称性。这种更通用的铺叠优选地定义为：[[α，β]M，[δ]L，[γ]K，[δ]P，[γ]K，[δ]L，[β，α]M]。在这方面，以下内容优选适用：α＝-20°、β＝40°、γ＝-75°、δ＝-20°或90°或任何其他角度，优选靠近中央(或中间平面)为90°、并且远离中央(或中间平面)为-20°，其中每个角度具有-5°至+5°的公差，并且K是等于或大于1的正整数，而M是等于或大于1的正整数，L具有值0或1，并且P具有值0、1或2。该铺叠包括N＝4*M+2*L+2*K+P。
根据第二方面，提供了一种用于飞行器结构部件中的抗扭箱，所述抗扭箱包括至少一个肋和至少一个翼梁，所述至少一个肋是根据第一方面的复合结构元件，所述至少一个翼梁是根据第一方面的复合结构元件。
根据第三方面，提供了一种包括根据第二方面的抗扭箱的飞行器。
并且，本领域技术人员将理解到，本文解释的服务、功能和步骤可以使用结合编程的微处理器起作用的软件来实施，或者使用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或通用计算机来实施。还将当理解的是，虽然在方法和设备的上下文中描述了以下实施例，但是本文呈现的技术也可以以计算机程序产品实现，以及以包括计算机处理器和联接到处理器的存储器的系统来实施，其中存储器编码有执行本文披露的服务、功能和步骤的一个或多个程序。这尤其适用于(适应性地)控制属于本披露的复合结构元件的制造过程和/或分析过程的方面。
在下面的描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节，以便提供对本文呈现的技术的透彻理解。对于本领域的技术人员来说，显而易见的是可以用与这些具体细节相偏离的其他实施例来实践本技术。
在下文中，考虑所谓的后屈曲比(PBR)(即，高于预定高屈曲载荷的载荷水平)上至1.5。这是例如在航空航天工业中用于分析后屈曲中载荷承载能力的水平。贯穿本披露内容考虑简单支持边界条件(作为最保守的)。
图2示出了根据本披露的复合结构元件的主要装置实施例。
如图6的实施例所示，复合结构元件12、14例如用作肋12或翼梁14(稍后将描述)。结构元件12、14包括基本平坦的主要部分22(也参见图4)，该主要部分限定了坐标系，该坐标系具有沿着结构元件12、14的纵向轴线L延伸的第一轴线a和在平坦的主要部分内垂直于所述纵向轴线L延伸并与第一轴线a限定+90°的角度的第二轴线b。
进一步，结构元件12、14包含铺叠28，该铺叠具有各自由具有基本单向的纤维取向32的纤维增强复合材料构成的单铺层30、34、36、38，其中铺叠28包括从上到下以以下形式布置的N个铺层(N是等于或大于5的正整数)：[[α，β]M；[γ]K；[β，α]M]。
这里，α、β和γ表示一个铺层30、34、36具有在第一轴线a和该一个铺层的相应的单向纤维取向32之间围成的角度，如图2所示。此外，符号“[x]y”是指数目为y个的各自具有角度x的铺层，并且符号“[x，y]z”是指数目为z对的铺层，每对铺层分别具有角度x、y。如图2所示，x、y的顺序指定了层压的顺序(定义为从上到下)：[α，β]代表具有角度α的铺层跟着是具有角度β的铺层，而[β，α]代表具有角度β的铺层跟着是具有角度α的铺层。
进而，角度α等于-20°，角度β等于40°，并且角度γ等于-75°。可替换地，角度α等于20°，角度β等于-40°，并且角度γ等于75°。上述角度中的每一个角度的公差为-5°至+5°。
最后，上述公式的参数设置如下。K是等于或大于1的正整数，而M是等于或大于1的正整数。进一步，N等于4·M+K。
换句话说，最终铺叠28优选地具有[[[-20°、+40°]M；[-75°]K]S]型的布置，其中符号[x]S是指铺层布置x相对于对称的平面或中间平面成镜像，例如参见图7。
值得注意的是，下面的铺叠28解决方案在相对于X轴线a或Y轴线b镜像时也同样有效：
[[[20°，-40°]M；[75°]K]S]或
即，换句话说，基于本发明人的研究，提出了以下铺叠28选择。导致(针对偏转和压缩应变两者的)最佳后屈曲性能和高屈曲载荷的铺叠28如下。作为约束，不失一般性，总体层压体厚度优选范围从5个铺层上至总共5mm的厚度，并且板长宽比优选地范围在1.5至4之间。板优选地建模例如飞机VTP肋和翼梁的整个区间。PBR优选上至1.5。单个铺层厚度优选地等于或小于0.25mm。
因此，提出的铺叠28是：对称地，多个接近中间平面的铺层是[-75°]铺层(具有对屈曲水平的实际上小的影响)，从中间平面计数的另外的铺层是[-20°，+40°]的对(这些对代表了针对两个加载方向的、平均的、铺叠赋予的、相等的屈曲水平)。所有以上角度的允许偏差为+/-5°。进一步，最高达25％的接近中间平面的铺层优选地为[-75°]铺层。换句话说，上述参数K优选等于N/4但低于N/3。PBR越高，K必须越大。
此外，在复合结构元件12、14中，更通用的铺叠28优选具有以下结构：[[α，β]M；[α]；[γ]K；[α]；[β，α]M]，其中N＝2+4·M+K。
又换句话说，铺叠28优选也具有奇数数目的铺层的布置，如[[-20°，+40°]M；-20°；[-75°]K；-20°；[+40°，-20°]M]或[[-20°，+40°]M；[-75°]K；[+40°，-20°]M]，其中K在后一种情况下是奇数。值得注意的是，更加通用的铺叠28解决方案在对于X轴线a或Y轴线b镜像时也同样有效：[[20°，-40°]M；20°；[75°]K；20°；[-40°，20°]M]或者[[20°，-40°]M；[75°]K；[-40°，+20°]M]，其中K在后一种情况下是奇数。
图3示出了本披露的复合结构元件的修改。
该改进导致了其中尽管具有对称性但基本铺叠仍有一些限制的以及在角度γ＝-75°的层的数量变得太高的条件下的铺叠中覆盖所有可能的层数的通用铺叠。并且，出于制造稳定性原因，将若干(几个)铺层(在中间平面附近的所具有的角度优选地为90°的铺层、远离中间平面的所具有的角度优选地为-20°的铺层、或者优选地具有其它取向的铺层)在一些层之间添加至层压体，但是保持整个铺叠的对称性。
通用铺叠优选地定义为：[[α，β]M，[δ]L，[γ]K，[δ]P，[γ]K，[δ]L，[β，α]M]，其中α＝-20°，β＝40°，γ＝-75°，δ＝-20°、90°或另一值，优选靠近中央为90°和远离中央为-20°。优选地，每个角度具有-5°至+5°的公差，并且K是等于或大于1的正整数，而M是等于或大于1的正整数，L具有值0或1，并且P具有值0、1或2。该铺叠优选地包括N＝4*M+2*L+2*K+P。此外，K优选地等于N/4并且低于N/3。
也就是说，复合结构元件优选地进一步包括至少一个另外的铺层38，该至少一个另外的铺层具有在第一轴线(a)与该至少一个另外的铺层的单向纤维取向32之间围成的角度δ。δ优选地在中央附近为90°并且远离中央为-20°或为任何其它值。不失一般性地，如图3所示，铺层38优选地插入在具有角度γ的最外铺层36与具有角度β的铺层34(或者具有角度α的顶部单个铺层30)之间，而另一铺层38优选地被在中央插入在具有角度γ的若干铺层36之间，但是总是遵循整个铺叠的对称性。
也就是说，该至少一个另外的铺层38优选地插入N个铺层中的一个或多个铺层之间。进一步，铺叠优选包括N+P个铺层，P是等于或大于1的正自然数，并指定了另外的铺层38的数目。
图4示出了根据本披露的复合结构元件的第一实施方式示例的肋12，而图5示出了根据本披露的复合结构元件的第二实施方式示例的翼梁14。图6进一步示出了根据本披露的根据复合结构元件的第三实施方式示例的抗扭箱10。
也就是说，抗扭箱10(例如用于在飞行器结构部件，诸如VTP中使用的)包括至少一个作为上述复合结构元件的肋12和至少一个作为上述复合结构元件的翼梁14。
就此而言，图6是例如用于飞行器的垂直尾翼(VTP)的抗扭箱10的透视图。抗扭箱10包括两种类型的复合结构元件(如上所述)，它们被设计为具有大致纵向的形状，并且采取各自具有如图6所示的相应的纵向轴线L的肋12和翼梁14的形式。
下面，将在飞机实施方式的背景下描述抗扭箱10、肋12和翼梁14。因此，本披露还覆盖了包括本披露中描述的抗扭箱10的飞机。然而，这并不排除其他实施领域的可能性。例如，本披露优选地适用于包括至少一个如本文所述的复合结构元件的舰船结构。进一步，本披露优选地适用于土木工程或汽车工业中使用的、包括如本文所述的至少一个复合结构元件的梁或抗剪连接板。
关于例如飞行器的向前飞行方向Fd，当安装在飞行器中时，抗扭箱10被布置为具有基本上横向于向前飞行方向Fd延伸的翼梁14和基本上平行于所述向前飞行方向Fd延伸的肋12。在图6中，左侧翼梁14因此限定尾部边缘，并且因此右侧梁14限定抗扭箱10的前部边缘。肋12优选地布置成在翼梁14之间延伸，并且优选地例如通过常规方式与其连接。因此，肋12和翼梁14优选以基本上横跨方向或网状/网格状的方式布置以限定抗扭箱10。因此，两个相邻的肋12和翼梁14的两个相对的部分优选地限定了抗扭箱10内大致矩形的中空空间16。
抗扭箱10优选以在图6中未示出的、覆盖抗扭箱10的顶表面和底表面的薄壁片材或蒙皮来完成。这些蒙皮优选地进一步由基本平行于翼梁14延伸的桁梁加强。
如图6中进一步所示，肋12和翼梁14优选地配备有多个加强件18，这些加强件基本上横向于相应的纵向轴线L延伸并且沿着这些纵向轴线L分布。在以下中，两个相邻加强件18之间的区域被称为“区间19”。为了说明的目的，仅针对这些肋12和这些翼梁14之一，仅对一个加强件18和一个区间19提供了参考标记。
图5更详细地描绘了图1的抗扭箱的翼梁14，其中取向对应于图6中的右侧翼梁14的取向。在图5中，不失一般性，翼梁14以局部透视图示出，并被构造为具有C形轮廓。因此，翼梁14包括上凸缘部分和下凸缘部分20，以及构造翼梁14的腹板部分的平坦的主要部分22，该腹板部分在凸缘部分之间延伸并基本横向于凸缘部分。在平坦的主要部分22内，加强件18优选地布置为限制多个区间19。
另外，在飞行器运行期间施加在翼梁14上的主要载荷以及由此产生的应力由图5中的箭头A、B表示。向上指向的顶行箭头A指示作用在翼梁14上的主要空气载荷的方向。另外，平行于纵向轴线L延伸的两个箭头B表示施加在翼梁14上的另外的力。由根据箭头A和B的力产生的主剪切力由具有不对称尖端的箭头C表示，这些具有不对称尖端的箭头在平坦的主要部分22和区间19内沿不同方向延伸。当然，可能存在作用在翼梁14上的另外的载荷，例如，与箭头A相反的方向上的压缩力，其主要由加强件18补偿。
而且，在图5中示出了坐标系，包括沿纵向轴线L延伸并限定了0°的角度的第一轴线a和在平坦的主要部分22内垂直于纵向轴线L延伸的第二轴线b。因此，第二轴线b与第一轴线a限定了+90°的角度。如图5所示，第二轴线b平行于箭头A并在相应的主要空气载荷的方向上延伸。图5的坐标系与上述在复合结构元件的背景下的坐标系一致。
关于该坐标系，导致正剪切力和剪切流的直接剪切加载被定义为导致所述坐标系中的正剪切角，即根据图5中的箭头B的力引起的剪切角。相反剪切加载导致负剪切流的情形发生在相反的情况下，即在箭头B分别指向相反的方向的情况下。
就平坦的主要部分22内的占优应力而言，因此明显的是优选高抗屈曲性来对抗直接和相反的剪切加载的两者。
图4是图6的抗扭箱10的肋16以及与其相关的主要载荷和应力的详细视图。为了避免重复，与前面的描述相比，下文中相同的特征与相同的参考符号相关联。
图4表示如通过纵向轴线L的延伸部分所示的肋12的侧视图。肋12优选地被构造为具有略微椭圆形形状以及I形横截面(图4中未示出)。因此，在图4中的上边缘和下边缘处，肋12优选地配备有凸缘部分20，以及构造在其间延伸的腹板部分的主平面部分22。在肋12沿纵向轴线L的外端部，提供了连接部分24，其相对于翼梁14的C形轮廓被互补地成形以便与其连接。另外，沿着凸缘部分20，优选地提供若干接收部分21以在附接到顶板和底板时分别接收纵梁，该顶板和地板形成抗扭箱10的蒙皮。
类似于结合图5讨论的翼梁14，在肋12上在相对于纵向轴线L基本上横向的方向上施加了由箭头A指示的主要空气载荷。此外，箭头B所示的力施加在纵向轴线L的方向上，从而沿两个不同的方向在肋12的腹板部分22内导致根据箭头C的主剪切力。同样，坐标系由沿着肋12的纵向轴线L延伸并限定0°的角度的第一轴线a限定，而第二轴线b在平坦的主要部分22内垂直于所述纵向轴线延伸并与第一轴线a限定90°的角度。在所示出的情况下，第二轴线b平行于箭头A并且因此在相应的主要空气载荷的方向上延伸。
为了补偿如参考前面的附图所讨论的主剪切载荷，肋12和翼梁14被构造为整体构件(复合结构元件)，并且由具有纤维复合材料单铺层的铺叠28制成，如上所述并且将在下面进一步描述。
图7示出了遵循基本铺叠的复合结构元件12、14的铺层布置的第一实施例。
如图7所示，表的第一行，相对于正加载和负加载(如上所述)来评估一般现有技术。一般现有技术教导了，对于此实验，对称铺叠由呈如下形式的铺层构成：[-45°，45°]4S，这意味着(从上到下)布置了4对[-45°，45°]铺层，随后是4对的[-45°，-45°]对。
此外，如表的第二行所示，评估了如专利文献1中的布置。该布置具有的铺层布置为以下类型：[-20°，40°]4S(意味着(从上到下)布置了4对[-20°，40°]铺层，随后是4对的[20°，-40°]对)，从而产生两个加载方向上的几乎相等的高屈曲水平(现有技术文献1)。在本披露的实施例中，该布置被用作初始分析参考。
也就是说，通过改变在中间平面附近的铺层取向进行了对根据本披露的、具有对后屈曲的高抗性的解决方案的直接寻找。进一步呈现的结果对应于1％-2％的目标精度(最大偏转和最大压缩应变的最小值变低于5·10-3)。
关于第三行所示的本申请，所执行的分析显示，若干近中平面层的取向角度值应该彼此相等，并且等于[-75°]，如上所述。
总而言之，基于16个铺层的复合结构元件12、14优选具有以下结构：[[-20°，40°]3；[-75°]4；[40°，-20°]3]。其它厚度和铺层数量的另外的可能布置优选为：
[[-20°，40°]5，[-75°]4，[40°，-20°]5]或者
[[-20°，40°]2，[-75°]2，[40°，-20°]2]。
作为实验限制，选择的材料是0.125mm的T300/5208型带状物，并使用对称铺叠。板厚为t＝2mm，板尺寸为200x 600mm，并且应用50N/mm的剪切流加载(正反两个方向)。
如上所示，评估的构造为：
·第一行：如上所述，应用[-45°，+45°]4S的布置的传统现有技术。
·第二行：如上所述，专利文献1的现有技术布置，为[-20°/40°]4S。
·第三行：本披露的优选布置，在这种情况下为[[-20°，40°]3，-75°，-75°]S，意味着(从上到下)3个[-20°，40°]铺层对、随后是4个[-75°]铺层、并且进而随后是3个[40°，-20°]铺层对的对称布置。
每个单元格中的第一个条目显示最大偏转(mm)，而第二个条目显示最大压缩应变(无量纲量)。
这种角度-铺层解决方案的相应特征值(取决于加载符号)为1.39/-1.79。如表中进一步所示，载荷水平对应于PBR＝1.5乘以水平1.75，即2.625。
铺叠28解决方案(第三行)在最大偏转和最大压缩应变方面优于传统现有技术的[-45°，+45°]4S方法，并且相对于专利文献1(第二行)的方法提供了相当大的改进。因此所记载的是多个[-75°]铺层的插入在后屈曲弹性方面提供了令人惊讶的有益效果。
图8示出了复合结构元件的铺层布置的第二实施例，其遵循更通用的公式。如图8所示，复合结构元件12、14优选具有以下结构：
[[-20°，40°]4，[-20°]，[-75°]6，[-20°]，[40°，-20°]4]
另外的示例铺叠28是：
[[-20°，40°]2，[-75°]2，[40°，-20°]2]或者
[[-20°，40°]4，[-20°]，[-75°]6，[-20°]，[40°，-20°]4]或者
[[-20°，40°]4，[-75°]2，[90°]2，[-75°]2，[40°，-20°]4]或者
[[-20°，40°]4，[-75°]，[-90°]，[-75°]2，[-90°]，[-75°]，[40°，-20°]4]。
作为实验限制，选择的材料是0.125mm的T300/5208型带状物，并使用对称铺叠。在这种情况下，板厚为t＝3mm，板尺寸为200x 600mm，并且应用50N/mm的剪切流加载(正反两个方向)。
如上所示，评估的构造为：
·第一行：如上所述，应用[-45°，+45°]4S的布置的传统现有技术。
·第二行：如上所述，专利文献1的现有技术布置，为[-20°/40°]4S。
·第三行：本披露的优选布置，在这种情况下为[[-20°，40°]3，-20°，[-75°]3]S，意味着(从上到下)4个[-20°，40°]铺层对、随后是1个[-20°]铺层、随后是6个[-75°]铺层、随后是1个另外的[-20°]铺层，并且进而随后是4个[40°，-20°]铺层对的对称布置。
每个单元格中的第一个条目显示最大偏转(mm)，而第二个条目显示最大压缩应变(无量纲量)。
这种角度-铺层解决方案的相应特征值(取决于加载符号)为4.92/-5.84。如表中进一步所示，载荷水平对应于PBR＝1.3(对于第一行中的传统布置的“弱”方向)乘以水平4.92，即6.396。
同样在这里，铺叠28解决方案(第三行)在最大偏转和最大压缩应变方面优于传统现有技术的[-45°，+45°]4S方法，并且相对于专利文献1(第二行)的方法提供了相当大的改进。因此所记载的是多个[-75°]铺层的插入在后屈曲弹性方面提供了令人惊讶的有益效果。
对于图8的解决方案，为了在实施方式方面变得更加现实，优选在[-75°]铺层之间添加一些额外的铺层以便增加制造稳定性。
图9示出了复合结构元件的铺层布置的第三实施例。与图8一致，复合结构元件12、14优选具有以下结构：[[α，β]4；[α]1；[γ]6；[α]1；[β，α]4]。
作为实验限制，选择的材料是0.125mm的T300/5208型带状物，并使用对称铺叠。在这种情况下，板厚度t＝3mm，在这种情况下，板尺寸为200x 400mm，并且应用50N/mm剪切流加载(正反两个方向)。
如上所示，评估的构造为：
·第一行：如上所述，应用[-45°，+45°]4S的布置的传统现有技术。
·第二行：如上所述，专利文献1的现有技术布置，为[-20°/40°]4S。
·第三行：本披露的优选布置，在这种情况下为[[-20°，40°]4，-20°，[-75°]3]S，意味着(从上到下)4个[-20°，40°]铺层对、随后是1个[-20°]铺层、随后是6个[-75°]铺层、随后是1个另外的[-20°]铺层，并且进而随后是4个[40°，-20°]铺层对的对称布置。
每个单元格中的第一个条目显示最大偏转(mm)，而第二个条目显示最大压缩应变(无量纲量)。
这种角度-铺层解决方案的相应特征值(取决于加载符号)为5.5/-6.5。如表中进一步所示，载荷水平对应于PBR＝1.3(对于第一行中的传统布置的“弱”方向)乘以水平5.5，即7.16。
同样在这里，铺叠28解决方案(第三行)在最大偏转和最大压缩应变方面优于传统现有技术的[-45°，+45°]4S方法，并且相对于专利文献1(第二行)的方法提供了相当大的改进。因此所记载的是多个[-75°]铺层的插入在后屈曲弹性方面提供了令人惊讶的有益效果。
对于图9的解决方案，结果类似于图8的结果。进一步，与图8一致，为了使解决方案在实施方式方面变得更加现实，优选在[-75°]铺层之间添加一些额外的铺层以便增加制造稳定性。
图10示出了复合结构元件的铺层布置的第四实施例。复合结构元件优选具有以下结构：[[α，β]3；[γ]4；[β，α]3]。
作为实验限制，选择的材料是0.125mm的T300/5208型带状物，并使用对称铺叠。板厚度t＝2mm，在这种情况下，板尺寸为200x400mm，并且应用50N/mm剪切流加载(正反两个方向)。
如上所示，评估的构造为：
·第一行：如上所述，应用[-45°，+45°]4S的布置的传统现有技术。
·第二行：如上所述，专利文献1的现有技术布置，为[-20°/40°]4S。
·第三行：本披露的优选布置，在这种情况下为[[-20°，40°]3，[-75°]2]S，意味着(从上到下)3个[-20°，40°]铺层对、随后是4个[-75°]铺层、并且进而随后是4个[40°，-20°]铺层对的对称布置。
每个单元格中的第一个条目显示最大偏转(mm)，而第二个条目显示最大压缩应变(无量纲量)。
这种角度-铺层解决方案的相应特征值(取决于加载符号)为1.56/-2.00。如表中进一步所示，载荷水平对应于PBR＝1.5乘以水平1.83，即2.745。
铺叠28解决方案(第三行)在最大偏转和最大压缩应变方面优于传统现有技术的[-45°，+45°]4S方法，并且相对于专利文献1(第二行)的方法提供了相当大的改进。因此所记载的是多个[-75°]铺层的插入在后屈曲弹性方面提供了令人惊讶的有益效果。
图10的结果类似于图7中的、其中带状物的尺寸为200x600mm毫米的结果。
图11示出了复合结构元件的铺层布置的第五实施例。特别地，图11示出了重量节省能力，因为现有技术+/-45°的16个铺层可以由根据本披露的15个铺层代替。复合结构元件12、14优选具有以下结构：[[α，β]3；[γ]3；[β，α]3]。
作为实验限制，选择的材料是0.125mm的T300/5208型带状物，并使用对称铺叠。板厚度t＝2mm，在这种情况下，板尺寸为200x400mm，并且应用50N/mm剪切流加载(正反两个方向)。
如上所示，评估的构造为：
·第一行：如上所述，应用[-45°，+45°]4S的布置的传统现有技术，总共具有16个铺层。
·第二行：本披露的优选布置，在这种情况下为[-20°，40°]3，[-75°]3，[-20°，40°]3，意味着(从上到下)3个[-20°，40°]铺层对、随后是3个[-75°]铺层、并且进而随后是3个[40°，-20°]铺层对的对称布置，总共具有15个铺层。
每个单元格中的第一个条目显示最大偏转(mm)，而第二个条目显示最大压缩应变(无量纲量)。
这种角度-铺层解决方案的相应特征值(取决于加载符号)为1.56/-2.00。如表中进一步所示，载荷水平对应于PBR＝1.5乘以水平1.56，即2.184。
在最大偏转和最大压缩应变方面，铺叠28解决方案(第二行)与传统现有技术的[-45°，+45°]4S方法相当，但在重量节省方面提供了改进：该表的结果显示，与传统现有技术相比，本披露的方法具有6.3％的重量减少。因此所记载的是多个[-75°]铺层的插入不仅在后屈曲弹性方面，而且在重量节省方面提供了令人惊讶的有益效果。
所相信的是从前面的描述中，将完全理解本文呈现的技术的优点，并且将显而易见的是，可以对本披露的示例性方面的形式、构造和布置进行各种改变而不脱离本披露的范围或并不牺牲掉其所有的有利效果。因为本文呈现的技术可以以多种方式变化，所以应该认识到的是本披露应当仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (8)

1.一种复合结构元件(12，14)，包括限定坐标系的基本平坦的主要部分(22)，所述坐标系具有沿所述复合结构元件(12，14)的纵向轴线(L)延伸的第一轴线(a)和在所述平坦的主要部分内垂直于所述纵向轴线(L)延伸并与所述第一轴线(a)限定+90°的角度的第二轴线(b)，其中所述复合结构元件(12，14)包含铺叠(28)，所述铺叠具有各自由具有基本单向的纤维取向(32)的纤维增强复合材料构成的单铺层(30，34，36)，其中所述铺叠(28)包括从上到下以以下形式布置的N个铺层，N是等于或大于5的正整数：
[[α，β]M；[γ]K；[β，α]M]，其中：
α、β和γ表示一个铺层(30，34，36)具有在所述第一轴线(a)与所述一个铺层的相应的单向纤维取向(32)之间围成的角度，
[x]y是指各自具有角度x的y个铺层；
[x，y]z是指z对铺层，每对铺层分别具有角度x、y；
α＝-20°、β＝40°、γ＝-75°或α＝20°、β＝-40°、γ＝75°，其中每个角度具有-5°至+5°的公差；并且
K是等于或大于1的正整数，M是等于或大于1的正整数，如下所示：
N＝4·M+K。
2.根据权利要求1所述的复合结构元件，具有以下结构：
[[α，β]M；[α]；[γ]K；[α]；[β，α]M]，其中：
N＝2+4·M+K。
3.根据权利要求1所述的复合结构元件，进一步包括：
至少一个另外的铺层(38)，具有在所述第一轴线(a)和所述至少一个另外的铺层的单向纤维取向(32)之间围成的角度δ，其中：
δ为-20°、90°或另一值；
所述至少一个另外的铺层插入所述N个铺层中的一个或多个铺层之间；并且
所述铺叠包括N+P个铺层，P是等于或大于1的正自然数，并指定了另外的铺层(38)的数目。
4.根据权利要求3所述的复合结构元件，其中所述铺叠(28)包括从上到下以以下形式布置的N个铺层：
[[α，β]M，[δ]L，[γ]K，[δ]P，[γ]K，[δ]L，[β，α]M]，其中：
L是0或1；
P在0和2之间；并且
N＝4*M+2*L+2*K+P。
5.根据前述权利要求中任一项所述的复合结构元件，其中：
K等于或低于N/3。
6.根据权利要求5所述的复合结构元件，其中：
K等于或低于N/4。
7.一种用于飞行器结构部件中的抗扭箱(10)，包括：
至少一个肋(12)，其是根据前述权利要求中任一项所述的复合结构元件(12，14)；以及
至少一个翼梁(14)，其是根据前述权利要求中任一项所述的复合结构元件(12，14)。
8.一种飞行器，包括根据权利要求7所述的抗扭箱。
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