ES2198316T3 - Componente constructivo metalico monocasco. - Google Patents
Componente constructivo metalico monocasco.Info
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Abstract
Componente constructivo metálico monocasco compuesto de una chapa (1) y de perfiles (2) de refuerzo, caracterizado porque los perfiles (2) de refuerzo presentan en la zona del pie un engrosamiento (4) con un espesor (f) del pie del perfil, porque el engrosamiento (4) está reducido hacia el punto (3) de conexión, a un espesor (a) de conexión, y porque la relación del espesor (f) del pie del perfil, al espesor (a) de conexión, es
Description
Componente constructivo metálico monocasco.
La invención se refiere a un componente
constructivo metálico monocasco con perfiles integrados de
refuerzo, según el preámbulo de la reivindicación 1, en especial a
una chapa con larguerillos, para aeronaves.
Normalmente los fuselajes de los aviones se
fabrican de chapas remachadas que se componen de aleaciones de
aluminio. En el diseño de los fuselajes de los aviones, hay que
cumplir exigencias predeterminadas de resistencia, por lo que junto
a la resistencia estática y a la fatiga, cuenta también el
cumplimiento de un comportamiento resistente ante el crecimiento de
grietas y la resistencia residual. El cumplimiento de las
exigencias precitadas se refleja en el diseño de los fuselajes de
los aviones; así, por tanto, en los componentes constructivos
monocasco de la envoltura exterior, se encuentra la forma
constructiva de chapas con larguerillos remachados. Esta forma
constructiva sirve sobre todo para la alta exigencia de rigidez de
los tubos del fuselaje.
En el caso de un deterioro por agrietamiento de
la chapa, con un alargamiento aceptado de la grieta en la dirección
periférica del fuselaje del avión, la grieta se aumenta bajo las
cargas funcionales y afecta aquí a un larguerillo. Pero cuando este
está unido a la chapa mediante un remachado o pegado, normalmente
la grieta crece por debajo del larguerillo sin dañar a este. El
perjuicio a la resistencia residual de toda la estructura es pues
relativamente pequeño, y no hay que temer un fallo del diseño.
Para ahorrar costes de fabricación y de
funcionamiento, hay intentos de sustituir el remachado de los
larguerillos por una unión soldada (documento DE 196 39 667 C1).
Aquí hay que observar que una grieta que se presente transversal a
un larguerillo soldado, puede propagarse por igual en la chapa y en
el larguerillo, y consecuentemente rasga fuertemente o incluso
desgarra el larguerillo. Así pues, la resistencia al crecimiento de
grietas y la residual de un componente constructivo monocasco
dañado de tal suerte, son peores que las de un componente
constructivo monocasco remachado. Además, al soldar los
larguerillos corrientes, mediante la soldadura utilizada por rayo
láser, siempre se generan grietas en los cordones de soldadura,
cuyo origen hay que achacar a un impedimento de la contracción al
enfriarse el cordón de soldadura. El empleo de materiales de
aportación de soldadura para mejorar las condiciones del
enfriamiento, sólo puede compensar parcialmente este
inconveniente.
Es misión de la invención crear un componente
constructivo metálico monocasco, barato, con perfiles integrados de
refuerzo, que junto a la rigidez exigible, presente también un
comportamiento resistente suficiente ante el crecimiento de grietas
y la resistencia residual.
Esta misión se resuelve según la invención
mediante las notas características de la reivindicación 1.
Perfeccionamientos de la invención están indicados en las
reivindicaciones secundarias.
La invención utiliza con ventaja una reducción
local condicionada por la geometría, de las cargas mecánicas de los
esfuerzos en la punta de una grieta que penetra en un perfil de
refuerzo del componente constructivo monocasco, y por otra parte,
el conocimiento de que para conseguir el comportamiento rígido
exigible, son relativamente pequeñas las fuerzas que tienen que ser
absorbidas por el remachado de los larguerillos en el caso de
larguerillos remachados. Frecuentemente es suficiente una fila
simple de remaches para la fijación del larguerillo. En caso de
perfiles soldados de refuerzo puede reducirse, por tanto, la
profundidad del cordón de soldadura. De este modo se mejora la
contracción y se consigue una reducción de la formación de grietas
en caliente.
Una profundidad menor del cordón de soldadura,
tiene la ventaja adicional de que puede conseguirse una velocidad
mayor de soldadura, con lo que se reduce el estiramiento por
calentamiento de los componentes constructivos monocasco, provocado
por la temperatura de la soldadura.
De la mano del dibujo, a continuación se explican
en detalle ejemplos de realización de la invención.
La figura 1 muestra un detalle de un componente
constructivo monocasco con un perfil soldado de refuerzo, que en la
zona del pie presenta un espesor mayor del perfil.
La figura 2 muestra un detalle de un componente
constructivo monocasco con un perfil soldado de refuerzo, que en la
zona del pie presenta un espesor mayor del perfil y un espesor
reducido de conexión.
La figura 3 muestra un detalle de un componente
constructivo monocasco con un perfil soldado de refuerzo, que en la
zona del pie presenta un espesor mayor del perfil y un espesor
reducido de conexión, así como adicionalmente una entalladura,
y
La figura 4 muestra un detalle de un componente
constructivo monocasco que está fabricado como perfil
extrudido.
El componente constructivo monocasco mostrado en
la figura 1, para el fuselaje de un avión, se compone de la chapa 1
y de perfiles 2 de refuerzo, soldados distanciados unos de otros.
En el detalle del componente constructivo monocasco mostrado en la
figura 1, por motivos gráficos, sólo puede reconocerse uno de
varios perfiles de refuerzo.
En el ejemplo mostrado de realización, la chapa 1
y los perfiles 2 de refuerzo, se componen de una aleación de
AlMgSiCu; no obstante la solución según la invención es aplicable
también a otros materiales metálicos. En el ejemplo de realización,
los perfiles 2 de refuerzo están configurados como larguerillos;
pero la invención puede aplicarse a cualesquiera otros perfiles de
refuerzo que puedan estar expuestos a una carga de grietas
procedente de una chapa.
En el ejemplo mostrado de realización, el espesor
t de la chapa y el espesor s del perfil, son en sus
dimensiones ampliamente iguales, y ascienden, por ejemplo, a unos
1,6 a 2 mm. Los perfiles 2 de refuerzo están soldados a la chapa 1
por soldadura de rayo láser de CO_{2}, soldándose con dos fuentes
de radiación bajo un ángulo muy plano desde los dos lados del punto
3 de conexión, utilizando alambre de aportación de soldadura. Para
la penetración completa de la soldadura que aquí se lleva a cabo,
del punto 3 de conexión, se produce para cada rayo láser una
profundidad mínima de soldadura de 1 mm, con lo que se hace posible
una velocidad de soldadura de entre 6 a 10 m/min. Para potencia
creciente del láser, la velocidad de soldadura puede llegar a ser
incluso mayor de 10 m/min.
Para impedir un crecimiento de las grietas que
proceden de la chapa 1, en el perfil 2 de refuerzo, este presenta
según la invención en su zona del pie, un engrosamiento 3. Mediante
el engrosamiento 3 se desplaza la relación del espesor a de
conexión al espesor f del pie del perfil, de manera que la
intensidad del esfuerzo para el crecimiento de la grieta, esté
situado lo más bajo posible, y consecuentemente también la
velocidad decrecimiento de la grieta en el perfil 2 de refuerzo. La
relación f/a debe ser aquí mayor o igual que 2, para
que el crecimiento de la grieta se ralentice intensamente, o la
grieta se desvíe en la dirección longitudinal del perfil.
En el ejemplo de realización, la chapa 1, como
chapa laminada, se prepara para soldar con las pretendidas
dimensiones finales. Aquí, mediante ``fresado químico'' en los
puntos en los que deben de soldarse los perfiles 2 de refuerzo, se
produce un zócalo 5. El motivo para ello hay que verlo en que la
zona de influencia térmica que queda irreversible en la chapa por
procesos metalúrgicos, después de la soldadura, por
especificaciones de resistencia, no puede penetrar en el espesor
t nominal de la chapa, en caso de una utilización del
componente constructivo monocasco en la construcción de aviones.
La solución según la invención no está limitada a
la configuración del engrosamiento 3, mostrada en la figura 1. La
configuración mostrada en la figura 1, corresponde a una forma en Z
que puede fabricarse ventajosamente. Pero el engrosamiento 3 podría
ensanchar también simétricamente, por ejemplo el lado del pie del
perfil 2 de refuerzo.
Otra medida suplementaria para la supresión de un
crecimiento de grietas dentro del perfil (2) de refuerzo, se
consigue según la invención, haciendo que también la relación del
espesor (f) del pie del perfil al espesor (t) de la
chapa, esté diseñada mayor o igual a 2, con lo que se influye
asimismo la relación de las intensidades de los esfuerzos.
El ejemplo de realización mostrado en la figura 2
corresponde al ejemplo de realización descrito precedentemente en
la figura 1, pero presenta en cambio un espesor a reducido
de conexión. En el ejemplo de realización, descrito
precedentemente, el espesor a de la conexión, correspondía al
espesor s del perfil. Una reducción del espesor a de
conexión puede realizarse sin problemas a causa de las pequeñas
cargas del cordón de soldadura. Puede efectuarse un promediado o
terciado del espesor de conexión, sin producir un esfuerzo lineal
demasiado alto. Esta reducción tiene un efecto positivo múltiple;
junto a un refuerzo de la reducción ya antes descrita del
crecimiento de la grieta, o de la producción de una desviación de
la grieta, aquí a causa de la menor profundidad del cordón de
soldadura, aparecen menos esfuerzos de contracción al enfriarse el
cordón de soldadura, y en consecuencia menos grietas en caliente.
La profundidad del cordón de soldadura, del punto 3 de conexión
totalmente penetrado por la soldadura, se reduce con el espesor
a de conexión. Además, para una profundidad menor del cordón
de soldadura, son posibles mayores velocidades de soldadura.
La figura 3 muestra un ejemplo de realización,
que corresponde al ejemplo de realización descrito en la figura 2,
adicionalmente presenta todavía en la zona del pie del perfil, una
entalladura 6 para una ulterior reducción de la rigidez del perfil
2 de refuerzo en la zona del punto 3 de conexión. Así, durante la
soldadura, el pie del perfil ofrece menor resistencia a las fuerzas
de contracción, y se reduce el peligro de formación de grietas en
caliente.
La entalladura 6 puede estar configurada a un
solo lado -como lo muestra la figura 3- para soldadura por un lado,
o a los dos lados del pie del perfil, para una soldadura por los
dos lados.
La medida descrita precedentemente, de la
configuración de entalladuras para la reducción de la rigidez del
pie del perfil, es aplicable también al ejemplo de realización
según la figura 1, en el que el espesor a de la conexión no
está reducido respecto al espesor s del perfil.
Junto a la conformación de una entalladura, puede
conseguirse también el efecto deseado mediante la introducción de
esfuerzos locales de compresión. Para ello, en lugar de una
entalladura, se produce una entalla de compresión por laminación o
rodadura. Los esfuerzos propios de compresión así generados en el
pie del perfil, se compensan con los esfuerzos de tracción por
contracción que aparecen durante la soldadura, y reducen así el
peligro de grietas en caliente.
El componente constructivo monocasco mostrado en
la figura 4, a diferencia de los ejemplos de realización, descritos
precedentemente, no está fabricado por soldadura, sino por
extrusión de un componente constructivo monolítico, compuesto de
chapa y perfiles de refuerzo. Esta forma de fabricación ocasiona
menor gasto que la fabricación con perfiles soldados de refuerzo.
Los problemas relativos al comportamiento estructural -en especial
de la resistencia residual en estado dañado- son equiparables con
los de los componentes constructivos monocasco, soldados. Por
consiguiente, las notas características de la solución, propuestas
precedentemente para la figura 1 y la figura 2, de la optimización
de la relación del espesor f del pie del perfil, al espesor
a de la conexión, pueden transferirse también a la
estructuración de un componente constructivo monocasco semejante.
El detalle mostrado en la figura 4, de un ejemplo de realización,
muestra un perfil 7 extrudido optimizado con vistas al
comportamiento del crecimiento de las grietas, con la conformación
de un engrosamiento 4 en el perfil de refuerzo. Una vez más es
decisiva para el comportamiento del crecimiento de las grietas, la
relación del espesor a de conexión al espesor f del
pie del perfil.
La fabricación de un componente constructivo
monocasco completo mediante un perfil grande extrudido, es desde
luego posible técnicamente, pero presenta, en especial para
espesores t pequeños de la chapa, problemas de acabado
respecto al mantenimiento de las tolerancias dimensionales y a
evitar defectos superficiales. Es más sencillo prensar perfiles
extrudidos estrechos con, por ejemplo, 3 ó 4 larguerillos, y
después unir estos mediante soldaduras a tope o remachado, para
formar componentes constructivos monocasco completos. La soldadura
a tope puede realizarse como soldadura eléctrica de arco, por
láser, por haz electrónico, o por fricción.
Alternativamente a la utilización de perfiles 7
extrudidos, también se pueden fresar de un todo, pequeños
componentes constructivos monocasco con pocos perfiles (2) de
refuerzo, y después soldarlos o remacharlos para formar un
componente constructivo monocasco mayor.
Claims (10)
1. Componente constructivo metálico monocasco
compuesto de una chapa (1) y de perfiles (2) de refuerzo,
caracterizado porque los perfiles (2) de refuerzo presentan
en la zona del pie un engrosamiento (4) con un espesor (f)
del pie del perfil, porque el engrosamiento (4) está reducido hacia
el punto (3) de conexión, a un espesor (a) de conexión, y
porque la relación del espesor (f) del pie del perfil, al
espesor (a) de conexión, es mayor o igual a 2.
2. Componente constructivo monocasco según la
reivindicación 1, caracterizado porque el espesor (a)
de la conexión es menor o igual que el espesor (s) del
perfil (2) de refuerzo sin engrosar.
3. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la
rigidez del perfil de refuerzo en la zona del punto (3) de
conexión, está reducida por una o dos entalladuras (6) opuestas.
4. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque en el
perfil (2) de refuerzo, en la zona del punto (3) de conexión, se ha
producido una entalla de compresión por laminación o rodadura.
5. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la
relación del espesor (f) del pie del perfil, al espesor
(t) de la chapa, es mayor o igual a 2.
6. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los
perfiles (2) de refuerzo están soldados a la chapa (1).
7. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
componente constructivo monocasco está configurado como perfil (7)
extrudido.
8. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
componente constructivo monocasco compuesto de chapa (1) y perfiles
(2) de refuerzo, está fabricada por fresado de un todo.
9. Componente constructivo monocasco según alguna
de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el
componente constructivo monocasco está compuesto de varios
componentes constructivos monocasco menores soldados, perfiles (7)
extrudidos o componentes constructivos monocasco fresados, mediante
soldadura a tope o remachado, para formar un componente constructivo
monocasco mayor.
10. Componente constructivo monocasco según
alguna de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque
el componente constructivo monocasco se utiliza para la
construcción del fuselaje de un avión, está fabricado de una
aleación aeronáutica de Al, y los perfiles (2) de refuerzo están
unidos a la chapa (1), como larguerillos.
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