ES2330180B1 - Cajon de torsion multilarguero rigidizado. - Google Patents
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Abstract
Cajón de torsión multilarguero rigidizado.
Estructura integrada de cajón de torsión (1)
multilarguero de material compuesto para aeronave, que comprende un
revestimiento inferior (13), un revestimiento superior (12), varios
largueros (9) que definen celdas (14), siendo la primera celda (19)
la más próxima a la entrada de carga en el cajón (1), comprendiendo
dicha estructura unos elementos unitarios en la primera celda (19)
que proporcionan al cajón de torsión (1) la rigidez a torsión
necesaria para evitar las deformaciones que aparecen a causa de
cargas locales.
Description
Cajón de torsión multilarguero rigidizado.
La presente invención se refiere a una
estructura de cajón de torsión multilarguero rigidizado para
estructuras aeronáuticas de superficies sustentadoras.
Es comúnmente conocido que la industria
aeronáutica requiere estructuras que por una parte soporten las
cargas a las que son sometidas, cumpliendo altas exigencias de
resistencia y rigidez, y por otra parte sean lo más ligeras
posibles. Una consecuencia de este requisito es el uso cada vez más
extendido de los materiales compuestos en estructuras primarias, los
cuales bien aplicados puede suponer un importante ahorro de peso
frente al diseño metálico.
Especialmente las estructuras integradas han
demostrado ser muy eficientes en este sentido. Se habla de
estructura integrada cuando los distintos elementos estructurales
sometidos a diferentes esfuerzos (cortantes, normales, etc.), están
fabricados de una vez o parten de una misma pieza. Ésta es otra
ventaja del uso de los materiales compuestos, que por su condición
de capas independientes que se pueden ir apilando en la forma
deseada, ofrecen la posibilidad de integrar más y más la
estructura, lo que además provoca a menudo un ahorro de costes
-igualmente esencial a la hora de competir en el mercado- al tener
menos piezas individuales que ensamblar.
Por otra parte, una estructura muy integrada
conlleva también una serie de problemas que han de ser resueltos
para completar su eficacia. Uno de ellos es la poca accesibilidad
con la que nos vamos a encontrar para montar elementos en el
interior que no se puedan integrar, como pueden ser los soportes de
sistemas, equipos, y elementos específicos para transmitir
localmente cargas concentradas y optimizar la estructura.
En los últimos años se han dedicado grandes
esfuerzos para conseguir un nivel cada vez más alto de integración
en la producción de alas en material compuesto.
La estructura principal de las superficies
sustentadoras de los aviones se compone de borde ataque, cajón de
torsión y borde de salida. El cajón de torsión es una estructura
típica compuesta por panel superior y panel inferior de paredes
delgadas, y largueros anterior y posterior. Dentro del cajón de
torsión podemos encontrar elementos estructurales como costillas,
largueros adicionales y elementos rigidizadores longitudinales o
transversales en algunos de estos componentes.
Dependiendo de los requerimientos estructurales,
de fabricación, de mantenimiento, certificación, etc. todos estos
elementos pueden ser o no imprescindibles, y resultar más o menos
eficaces.
La estructura más utilizada actualmente para un
cajón de torsión se compone, interiormente entre los largueros
anterior y posterior, de varias costillas transversales, cuyas
funciones principales son: dar rigidez a torsión, limitar
longitudinalmente los revestimientos y los larguerillos para
discretizar las cargas de pandeo, mantener la forma de la
superficie aerodinámica y soportar introducciones locales de carga
resultantes de herrajes de actuadores, rodamientos de apoyo y
dispositivos similares que se sujetan directamente a la
costilla.
Otro concepto estructural de un cajón de torsión
es el "multilarguero", donde en un principio se prescinde de
las costillas y se introducen varios largueros. Estos largueros
interiores pueden cumplir algunas de las funciones que las
costillas desempeñan en el primer concepto, sin embargo, la cuestión
de transmitir cargas transversales muy concentradas en los puntos
de apoyo prescindiendo de una costilla propiamente dicha queda por
resolver, aspecto éste necesario dado que la estructura
multilarguero pura tiende a deformarse como resultado de la torsión
que estas cargas transversales producen.
Tal y como se ha mencionado, el concepto de
cajón multilarguero como tal tiende a ser poco rígido a torsión. Es
necesaria, por tanto, una optimización de la estructura en este
sentido para que trabaje de manera eficaz, con la dificultad
añadida de que la accesibilidad para realizar a posteriori
las operaciones de montaje es escasa si la estructura ha sido
altamente integrada.
Conceptos de diseño innovadores para solucionar
esta cuestión son el objeto de la presente invención.
Así, la presente invención se refiere a varios
conceptos de diseño de contra-herraje para reforzar
estructuras de cajón de torsión multilarguero, donde la falta de
costillas propiamente dichas dificulta las entradas locales de
carga. El principal campo de aplicación de la invención es el de
estructuras aeronáuticas de superficies sustentadoras, si bien la
invención se puede aplicar igualmente a otras estructuras con
características similares.
\newpage
El objetivo de esta invención es la concepción
de elementos estructurales en puntos de introducciones concentradas
de carga para un cajón de torsión sin costillas. Estos elementos
van a proporcionar la rigidez a torsión necesaria para evitar las
deformaciones que aparecen a causa de cargas locales resultantes de
la sujeción y apoyo de herrajes, soportes, etc.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de
una realización ilustrativa de su objeto en relación con las
figuras que se acompañan.
La Figura 1 muestra el cajón de torsión del
estabilizador horizontal de un avión de transporte con una
estructura multicostilla típica conocida.
La Figura 2 muestra la configuración conocida de
un cajón de torsión en el que los que soportes y herrajes están
unidos directamente a las costillas, donde la rigidez de la
estructura es máxima.
La Figura 3 muestra el interior del ala de un
avión militar, con estructura de cajón de torsión multilarguero
conocida.
La Figura 4 muestra esquemáticamente un corte
transversal de la estructura multilarguero de un cajón de torsión y
la deformación resultante debida a cargas típicas conocidas.
La Figura 5a muestra un conjunto de escuadras
para rigidizar la estructura a torsión de un cajón de torsión
multilarguero según una primera realización de la presente
invención.
La Figura 5b muestra un conjunto de escuadras
combinadas con barras en diagonal para rigidizar la estructura a
torsión de un cajón de torsión multilarguero según una primera
realización de la presente invención.
La Figura 6a muestra un ejemplo de contra
herrajes con unión a dos caras para rigidizar la estructura a
torsión de un cajón de torsión multilarguero según una segunda
realización de la presente invención.
La Figura 6b muestra un ejemplo de contra
herrajes con unión a una sola cara combinados con angulares para
rigidizar la estructura a torsión de un cajón de torsión
multilarguero según una primera realización de la presente
invención.
La Figura 7 muestra la disposición del conjunto
de escuadras para rigidizar la estructura a torsión de un cajón de
torsión multilarguero según una primera realización de la presente
invención.
La Figura 8 muestra la disposición del conjunto
de escuadras combinadas con barras en diagonal para rigidizar la
estructura a torsión de un cajón de torsión multilarguero según una
primera realización de la presente invención.
La Figura 9 muestra la disposición de contra
herrajes con unión a dos caras para rigidizar la estructura a
torsión de un cajón de torsión multilarguero según una segunda
realización de la presente invención.
Según se observa en la Figura 1, la estructura
más utilizada actualmente para un cajón de torsión 1 se compone,
interiormente entre los largueros anterior 2 y posterior 3, de
varias costillas transversales 4, cuyas funciones principales son:
dar rigidez a torsión, limitar longitudinalmente los revestimientos
y los larguerillos 5 para discretizar las cargas de pandeo, mantener
la forma de la superficie aerodinámica y soportar introducciones
locales de carga resultantes de dispositivos estabilizadores 6,
soportes de articulación longitudinales 7 y tornillos de soporte 8,
que se sujetan directamente a las costillas 4 (Figura 2).
Otro concepto estructural de un cajón de torsión
es el "multilarguero", según se muestra en la Figura 3, donde
en un principio se prescinde de las costillas 4 y se introducen
varios largueros 9. Estos largueros interiores pueden cumplir
algunas de las funciones que las costillas 4 desempeñan en el primer
concepto (Figuras 1 y 2), sin embargo, la cuestión de transmitir
cargas transversales muy concentradas en los puntos de apoyo
prescindiendo de una costilla 4 propiamente dicha queda por
resolver, aspecto éste necesario dado que la estructura
multilarguero pura tiende a deformarse como resultado de la torsión
que estas cargas transversales producen.
Así, el objetivo de la presente invención es la
concepción de elementos estructurales en puntos de introducciones
concentradas de carga para un cajón de torsión 1 sin costillas 4.
Estos elementos estructurales proporcionan al cajón de torsión 1 la
rigidez a torsión necesaria para evitar las deformaciones que
aparecen a causa de cargas locales resultantes de la sujeción y
apoyo de herrajes 11, soportes, etc.
El cajón de torsión 1 multilarguero 9 del que
partimos para la presente invención se compone de los
revestimientos superior 12 e inferior 13, que son los elementos que
cierran el cajón 1 superior e inferiormente, y se caracterizan por
soportar principalmente cargas de
compresión-tracción y cortadura, F_{res1},
F_{res2} y F_{res3}, en el plano. Para conseguir la suficiente
rigidez de las celdas 14 del cajón de torsión 1 y estabilizarlas a
pandeo, sin aumentar su espesor, se han introducido larguerillos
17, 18. Los larguerillos 17, 18 asumen también parte de los flujos
longitudinales resultantes de momentos de flexión.
Por otra parte están los múltiples largueros 9,
que son, al igual que los revestimientos 12 y 13, estructuras
típicas de pared delgada. Han de soportar mayoritariamente cargas
de flexión y torsión. De una manera simplificada, los flujos de
cortadura resultantes serán soportados por el alma 15 del larguero
9, mientras que los pies 16 o cordones de los largueros 9 soportarán
las cargas de tracción y compresión que resultan de la flexión del
cajón de torsión 1.
Por lo tanto, el cajón 1, desde el punto de
vista estructural, se compone de:
- \bullet
- Revestimiento inferior 13
- \bullet
- Revestimiento superior 12
- \bullet
- Varios largueros 9, que a su vez se componen de
- \circ
- Cordón 16
- \circ
- Alma 15
- \bullet
- Varios larguerillos 17 en el revestimiento superior 12
- \bullet
- Varios larguerillos 18 en el revestimiento inferior
Cuando una estructura 1 tal está sometida a
cargas transversales excéntricas F_{apl} tiende a deformarse como
se muestra en la Figura 4. Esta situación de esfuerzos es un caso
típico en superficies sustentadoras de aeronaves. Una costilla 4
tradicional en estas zonas más críticas sería una manera de
proporcionar más rigidez y evitar deformaciones fuera de las
admisibles, pero al tratarse aquí de una estructura 1 cerrada, esto
no es posible si la costilla 4 no se ha integrado en un principio,
lo que dificulta enormemente la fabricación íntegra del cajón
1.
Una solución a esta problemática es introducir
elementos unitarios en la primera celda 19, siendo esta celda 19 la
celda más próxima a la entrada de carga F_{apl}, la cual está
abierta por un lateral par posibilitar el montaje (ver Figura 4).
Estos elementos unitarios han de ser lo suficientemente pequeños
para que puedan ser montados a posteriori en la celda 19, al
tiempo que han de aumentar la rigidez del cajón multilarguero a
torsión.
La primera realización según la invención
comprende una escuadra 20, 21, 22 y 23, en cada esquina de la
primera celda 19 y dos barras, 24 y 25, que unen las escuadras 20,
21, 22 y 23, en diagonal. El lateral de la primera celda 19 se
cierra posteriormente tras realizar los trabajos de ensamblaje
necesarios. Es posible prescindir de las barras diagonales 24 y 25
si no son necesarias (Figura 5a), y también se pueden diseñar ambas
barras 24 y 25 de una sola pieza para minimizar el número total de
piezas (Figura 5b). La colocación anterior puede verse en las
Figuras 7 y 8.
La segunda realización según la invención recoge
dos alternativas de contra herrajes, 26 y 27, y contra herrajes, 28
y 29, que están unidos mediante angulares 30. Con ésta última
realización, que comprende contra herrajes, 28 y 29, unidos
mediante angulares 30, se aumenta el número total de piezas, pero
se evitan uniones a dos caras, que dificultan el montaje y obligan a
menudo a suplementar para cumplir los requisitos de ingeniería,
encareciendo así el producto. La colocación con contra herrajes
puede verse en la Figura 9.
El conjunto reflejado en la Figura 6a comprende
dos contra herrajes, 26 y 27, unidos entre sí en diagonal, estando
cada uno de ellos unido a un revestimiento, revestimiento superior
12 y revestimiento inferior 13, y a un larguero 9 (unión a dos
caras). La Figura 6b muestra un ejemplo en el que se evita la unión
a dos caras aumentado el número de piezas, ya que se utilizan
contra herrajes, 28 y 29, unidos mediante angulares 30. El número de
piezas va a ser siempre dependiente de la rigidez requerida en cada
caso.
En las realizaciones que acabamos de describir
pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del
alcance definido por las siguientes reivindicaciones.
Claims (3)
1. Estructura integrada de cajón de torsión (1)
multilarguero de material compuesto para aeronave, que comprende un
revestimiento inferior (13), un revestimiento superior (12), varios
largueros (9) que definen celdas (14), siendo la primera celda (19)
la más próxima a la entrada de carga en el cajón (1)
caracterizada porque comprende una escuadra (20, 21, 22, 23)
en cada esquina de la primera celda (19) que proporcionan al cajón
de torsión (1) la rigidez a torsión necesaria para evitar las
deformaciones que aparecen a causa de cargas locales.
2. Estructura integrada de cajón de torsión (1)
multilarguero de material compuesto para aeronave según la
reivindicación 1 caracterizada porque comprende dos barras
(24, 25) que unen las escuadras (20, 21, 22, 23) en diagonal.
3. Estructura integrada de cajón de torsión (1)
multilarguero de material compuesto para aeronave según la
reivindicación 2 caracterizada porque las barras (24, 25)
que unen las escuadras (20, 21, 22, 23) en diagonal están formadas
por una sola pieza.
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