ES2198316T3 - Componente constructivo metalico monocasco. - Google Patents

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.