ES2405155B1 - Zonas de terminación de larguerillos optimizadas en componentes de aeronaves - Google Patents

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Jorge Juan Galiana Blanco
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Abstract

Zonas de terminación de larguerillos optimizadas en componentes de aeronaves. Están dispuestas en un panel (11) de un material compuesto formado por un revestimiento (13) y al menos un larguerillo (15) de refuerzo configurado por un alma (17) y un pie (19) unido a dicho revestimiento (13); teniendo el larguerillo (15) una zona de terminación dentro de dicho panel sometida a un alto nivel de carga; teniendo el larguerillo (15) un alma (17) de altura decreciente en dicha zona de terminación y un pie (19) con una primera sección (31) de ancho variable desde un valor inicial W1 a un valor final W2 y una segunda sección (33) con una anchura W2 en dicha zona de terminación; teniendo el pie (19) y el alma (17) de dicho larguerillo (15) un espesor decreciente en dicha zona de terminación para mejorar la transferencia de carga desde el larguerillo (15) al revestimiento (13).

Description

ZONAS DE TERMINACiÓN DE LARGUERILLOS OPTIMIZADAS EN COMPONENTES DE AERONAVES
CAMPO DE LA INVENCiÓN
La presente invención se refiere a componentes de aeronaves y mas en particular a zonas de terminación de larguerillos altamente cargadas en piezas de material compuesto rigidizadas con larguerillos tales como los cajones de torsión de superficies sustentadoras de aeronaves.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
La estructura principal de las superficies sustentadoras de una aeronave está constituida por un borde de ataque, un cajón de torsión, un borde de salida, una raiz de unión y una punta. El cajón de torsión está constituido por varios elementos estructurales: revestimientos superior e inferior rigidizados por larguerillos por un lado, largueros y costillas por otro lado. Los elementos estructurales que forman un cajón de torsión se fabrican, típicamente, por separado y se unen con la ayuda de un utillaje complicado para alcanzar las tolerancias requeridas que vienen dadas por los requerimientos aerodinámicos, estructurales y de ensamblaje.
En la actualidad y particularmente en la industria aeronáutica se utilizan de forma masiva materiales compuestos de matriz orgánica y fibras continuas, especialmente CFRP (Fibra de Carbono Reforzada con Plástico) en una gran diversidad de elementos estructurales. Por ejemplo, todos los elementos constituyentes de los cajones de torsión anteriormente citados (costillas, larguerillos, largueros y revestimientos) pueden ser fabricados usando CFRP.
Los revestimientos que forman parte de los cajones de torsión están reforzados mediante larguerillos longitudinales en sentido de la envergadura que mejoran tanto la resistencia como el comportamiento a pandeo de los revestimientos, teniendo diferentes secciones transversales tales como secciones transversales con forma de "T", "1" o "J". La altura completa del larguerillo favorece la estabilidad del panel gracias a la mayor inercia del
elemento rig idizador.
Tipicamente los larguerillos están dispuestos paralelamente entre ellos formando un cierto ángulo tanto con el larguero frontal como con el larguero posterior. Esta configuración permite orientar los larguerillos en la dirección principal de carga, así como incrementar su número en la zona de mayor
responsabilidad estructural. Esta configuración de larguerillos en paralelo, junto con el hecho de que
ambos largueros no son paralelos entre sí provoca que cuando los larguerillos
se acercan a un larguero son interrumpidos por la presencia de dicho larguero. El fin de un larguerillo, bien por encontrarse con el larguero frontal o bien
por cualquier otra razón, causa una redistribución de las cargas soportadas por el larguerillo y el revestimiento antes de su terminación en el panel del revestimiento (no rigidizado) posterior a su terminación. Esto tiene dos efectos
principales:
-
Mientras que la flexión hacia arriba o hacia abajo del revestimiento rigidizado produce casos de tensión y compresión , este cambio discreto en la disposición estructural del revestimiento en la terminación del larguerillo ("runout") causa un momento en la terminación del larguerillo que tiende a pelar la línea de unión entre ellarguerillo y el revestimiento.
-
Al mismo tiempo, la redistribución de la carga tiene que tener lugar a través de la linea de unión para pasar la carga llevada por el larguerillo al revestimiento posterior a la terminación del larguerillo. En caso de altos niveles de carga (como los experimentados en un ala) esto ocasiona que la resistencia de la línea de unión resulta comprometida.
Las uniones ca-pegadas entre revestim ientos y larguerillos en las cubiertas de los cajones laterales de torsión de las alas de aeronaves que soportan cientos de toneladas en el caso de cargas elevadas están cerca de su máxima capacidad estructural en determinadas áreas críticas, como en el caso de las zonas de terminación de larguerillos de las cubiertas de las alas. Estas uniones ca-pegadas pueden romperse justo al final del pie del larguerillo debido a las altas cargas de pelado causadas por dos efectos principales: el primero es
la eliminación del alma del larguerillo que provoca la aparición de esfuerzos de
pelado al final del larguerillo con un pico de carga en el lugar donde el alma se
elimina por completo; y el segundo es debido a la finalización del pie del
larguerillo que causa un pico de carga de cortadura en el lugar donde termina el
5
pie del larguerillo. En una configuración tipica de terminación de larguerillo, el
final tanto del pie como del alma del larguerillo se produce en el mismo lugar y
dichos picos de carga se superponen penalizando la fiabilidad estructural de la
unión.
Un enfoque conocido para resolver estos problemas en, particularmente,
t O
alas de aeronaves es remachar placas metálicas al final del larguerillo para
ayudar a soportar dichos picos de carga lo que implica un aumento de peso, la
necesidad de realizar una operación de montaje de las placas metálicas y por lo
tanto un aumento del coste de todo el cajón de torsión del ala.
Otras propuestas conocidas para zonas de terminación de larguerillos
15
como las descritas en US 7,682,682, WO 2011/086222 y WO 2008/132498 no
proporcionan una solución optimizada a los problemas de transferencia de carga
planteados por zonas de terminación de larguerillos altamente cargados en
piezas de material compuesto rigidizadas con larguerillos.
Esta in vención se centra en la solución de dichos inconvenientes.
20
SUMARIO DE LA INVENCiÓN
Es un objeto de la presente invención proporcionar una disposición de
una zona de terminación de larguerillo capaz de transferir las cargas al
25
revestimiento evitando riesgos de pelado y desunión para un componente de
aeronave que tiene zonas de terminación de larguerillos sometidas a altas
cargas.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar una disposición de
una zona de terminación de larguerillo capaz reducir localmente la carga que
30
lleva el larguerillo de una manera suave para un componente de aeronave que
tiene zonas de terminación de larguerillos sometidas a altas cargas.
Estos y otros objetos se consiguen con un componente de aeronave que comprende al menos un panel de un material compuesto formado por un revestimiento y al menos un larguerillo de refuerzo configurado por un alma y un pie unido a dicho revestimiento; teniendo el larguerillo una zona de terminación
5 dentro de dicho panel sometida a un alto nivel de carga; teniendo el larguerillo un alma de altura decreciente en dicha zona de terminación y un pie con una primera sección de ancho variable desde un valor inicial W1 a un valor final W2 y una segunda sección con una anchura W2 en dicha zona de terminación; teniendo el pie y el alma de dicho larguerillo un espesor decreciente (estando
10 comprendido el decremento, preferentemente, entre, respectivamente, el 6080% Y el 50-70%) en dicha zona de terminación para mejorar la transferencia de carga desde ellarguerillo al revestimiento.
En realizaciones de la invención, dicho revestimiento tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación y dicha segunda sección del 15 larguerillo comprende una primera sub-sección en la que termina el alma del largueril10 y una segunda sub-sección sin alma del larguerillo. De esta manera se logra una disposición optimizada de la zona de terminación utilizando exclusivamente materiales compuestos que puede ser utilizada para finalizar larguerillos altamente cargados como los que se encuentran en las cubiertas de
20 los cajones laterales de torsión de las alas de aeronaves que pueden ser sometidos a cargas de cientos de toneladas en el caso de solicitaciones elevadas. En realizaciones de la invención en las que el revestimiento tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación, el componente de
25 aeronave también comprende una costilla con una zona de intersección con dicho larguerillo en dicha zona de terminación y las zonas de unión entre dicha costilla y dicho larguerillo están colocadas en dicha primera sub-sección. De esta manera se logra una disposición optimizada de la zona de terminación que aprovecha la anchura incrementada del pie en dicha sub-sección.
30 En realizaciones de la invención en las que el revestimiento tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación , algunas variables de la disposición de la zona de terminación tales como la pendiente de la disminución del espesor del pie dellarguerillo, el comienzo de la disminución del espesor del pie del larguerillo, la variación de la anchura del pie del larguerillo o la variación de la altura del alma del larguerillo pueden tener diferentes valores dentro de unos rangos predeterminados para satisfacer requerimientos particulares.
En realizaciones de la invención, el alma dellarguerillo termina al final de la zona de terminación y dicho revestim iento tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación. De esta manera se logra una disposición optimizada de la zona de terminación utilizando exclusivamente materiales compuestos que puede ser utilizada para finalizar larguerillos altamente cargados pero a u n nivel menor que el de las cargas antes mencionadas de cientos de toneladas.
En realizaciones de la invención en las que el alma dellarguerillo termina al final de la zona de terminación, el componente de aeronave también comprende una costilla con una zona de intersección con dicho larguerillo en dicha zona de terminación y las zonas de unión entre dicha costilla y dicho larguerillo estan colocadas en la segunda sección. De esta manera se logra una disposición optimizada de la zona de terminación que aprovecha la anchura incrementada del pie en la segunda sección.
En realizaciones de la invención, el revestim iento no tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación y dicha segunda sección del larguerillo comprende una primera sub-sección en la que term ina el alma del larguerillo y una segunda sub-sección sin alma de larguerillo. De esta manera se logra una disposición optimizada de la zona de terminación utilizando exclusivamente materiales compuestos que puede ser utilizada para finalizar larguerillos altamente cargados pero a un nivel menor que el de las cargas antes mencionadas de cientos de toneladas.
Otras caracteristicas y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de realizaciones ilustrativas de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra la configuración estructural típica de un cajón de
torsión salvo el revestimiento interior que ha sido eliminado para mejorar la
visibilidad del interior.
La Figura 2 muestra una porción de un revestimiento de un cajón de
5
torsión en et que varios larguerillos terminan cerca del larguero frontal.
Las Figuras 3a, 3b y 3c son vistas en perspectiva, en planta y en sección
transversal de una disposición de la zona de terminación de un larguerillo según
una primera realización de la presente invención.
La Figura 4 es una vista en planta de una disposición de la zona de
tO
terminación de un larguerillo según otra realización de la presente invención.
La Figura 5 es una vista en planta de una disposición de la zona de
terminación de un larguerillo según otra realización de la presente invención.
Las Figuras 6a y 6b son vistas en sección transversal de disposiciones de
la zona de terminación de un larguerillo según otras realizaciones de la presente
t 5
invención.
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN
La Figura 1 muestra un cajón de torsión tí pico de una superficie
20
sustentadora de una aeronave formado por un revestimiento superior (no
mostrado para facilitar la identificación de las distintas partes), un revestimiento
inferior 13 reforzado con larguerillos longitudinales 15, un larguero frontal 27, un
larguero trasero 28 y costillas 21.
La Figura 2 muestra una porción de un revestimiento 13 rigidizado con
25
larguerillos 15 en forma de T con algunos de ellos terminando cerca del larguero
frontal 27.
Las Figuras 3a, 3b y 3c muestran una disposición de la zona de
terminación de un larguerillo según la primera realización de la presente
invención. Su principal objetivo es reducir localmente la carga llevada por el
30
larguerillo 15 de una manera muy suave para reducir lo más posible los picos de
carga que aparecen justo al fi nal del larguerillo 15.
Ellarguerillo 15 es un larguerillo con forma de T que termina en un panel 11 con un alma 17 y un pie 19 que se extiende en ambos lados del alma 17. En
su zona de terminación , ellarguerillo 15 tiene una primera sección 31 , en la que
el ancho del pie 19 dellarguerillo mantiene su valor normal W1 (es decir, el valor
fuera de la zona de terminación) en un primer tramo y cambia a un mayor valor
W2 en un segundo tramo con una pendiente angular de U y una segunda sección 33 en la que el pie 19 del larguerillo tiene una anchura constante W2. El
alma 17 del larguerillo tiene una altura decreciente en la zona de terminación a
una pendiente constante de ~ grados (por ejemplo 18°).
En el marco de esta invención, una zona de terminación de larguerillo debe entenderse como una zona del panel 11 donde termina un larguerillo 15 que tiene al menos alguna caracteristica diferencial con respecto al resto del panel 11 .
La invención es aplicable también a cualquier otro larguerillo cuya configuración incluya un alma y un pie.
Las principales caracteristicas de dicha disposición son las siguientes:
-
Un incremento local del espesor del revestimiento 13 en la zona de terminación del larguerillo que se muestra como la zona 20 del panel en las Figuras 3a y 3b. En la zona 20 del panel el espesor del revestimiento cambia de un valor A1 al principio de la zona de terminación del larguerillo a un valor A2 después de una zona de transición 12, estando comprendido el incremento en el rango 10%-25%. Este incremento local se puede hacer mediante la introducción de telas con orientación 0° con el fin de soportar la carga transferida por el larguerillo 15 y mediante el uso de grandes rampas para permitir una transmisión de carga entre ellarguerillo 15 y el revestimiento 13 tan suave como sea posible. La extensión de la zona de panel 20 está determinada por los elementos vecinos, como larguerillos y largueros, y por el espacio requerido para ubicar no sólo las rampas utilizadas para introducir dichas telas, sino también para dejar las holguras requeridas por el proceso de fabricación y el utillaje.
La sección segunda 33 del larguerillo comprende una primera sub
sección 35 en la que termina el alma 17 del larguerillo y una segunda subsección 37 sin alma en el larguerillo. Si el alma 17 y el pie 19 del larguerillo terminasen en el mismo lugar, los picos de carga asociados de pelado y de
cortadura se superpondrían, causando un gran pico de carga al final del larguerillo 15 que puede iniciar la ruptura de la linea de co-pegado porque la carga final es mayor que la permitida por el adhesivo. Si el alma 17 del larguerillo y el pie 19 del larguerillo 15 terminan en lugares diferentes se evita la superposición de los picos de pelado y de cortadura. Particularmente, el pie 19
del larguerillo se extiende después de la eliminación del alma 17 del larguerillo
17 en una longitud suficientemente grande como para instalar dos filas de
remaches anti-pelado.
-
El pie 19 y el alma 17 dellarguerillo 15 tienen un espesor decreciente en la zona de terminación. Disminuyen, respectivamente, desde los valores 81 , C1 a una distancia 01 desde el borde interior de la zona 20 del panel hasta los valores 82. C2, estando comprendida preferentemente la disminución del espesor del pie 19 en el rango 60%-80%, estando comprendida preferentemente la disminución del espesor del alma en el rango 50%-70% y estando comprendida preferentemente la distancia 01 en el rango 30-60mm. El espesor del pie disminuye preferentemente con una pendiente menor en dicha primera sección 31 y en dicha primera sub-secciOn 35 que en dicha segunda subsección 37 . En ambas reducciones de espesor se usan rampas suaves para transferir la carga del larguerillo 15 al revestimiento 13 evitando cualquier pico o concentración de carga debido a una reducción brusca de la sección. En cuanto a la reducción del espesor del pie 19 del larguerillo, sólo se dejan al final del larguerillo 15 telas externas que tienen orientaciones de +/-45 o con el fin de evitar cualquier discontinuidad en la linea de co-pegado.
-
Las zonas de unión 25 en la intersección con una costilla de intersección se colocarán en dicha primera sub-sección 35 de la segunda sección 33, teniendo preferentemente sus bordes exteriores a una distancia minima 02,
comprendida entre 10-20mm, del borde exterior de dicha primera sub-sección 35 El lugar donde el alma 17 dellarguerillo 15 se elimina por completo se hace
corresponder con la ubicación del pie de la costilla con el fin de usarlo para apoyar el pico de carga de pelado que aparece cuando el alma 17 del larguerillo se elimina por completo. Por otro lado, la anchura incrementada W2 de dicha
segunda sección 33 no sólo permite una buena interfaz con el pie de la costilla
en términos de distancias minimas al borde y holguras de montaje, sino que también contribuye a maximizar el área de co-pegado para distribuir los esfuerzos de cortadura que aparecen en el extremo del pie 19 del larguerillo y reducir el pico de carga de cortadura.
Esta primera realización está destinada a una zona de terminación de
larguerillo que soporta cargas muy altas.
En el caso de cargas menores y de acuerdo con los análisis dimensionales de tensiones, algunas de las características mencionadas anteriormente, podrían no ser necesarias para reducir las cargas o para suavizar la transmisión de cargas. En este sentido, la invención también se refiere a las realizaciones que se describirán a continuación.
La Figura 4 muestra una disposición de la zona de terminación del larguerillo según otra realización de la presente invención que se diferencia de la primera realización en que la segunda sección 33 no cuenta con una subsección 37 sin alma 17 de larguerillo.
La Figura 5 muestra una disposición de la zona de terminación del larguerillo según otra realización de la presente invención que se diferencia de la primera realización en que el ancho del pie 19 del larguerillo cambia de forma lineal en un tramo con la mínima pendiente angular a ' compatible con la geometría de la zona de terminación del larguerillo, preferiblemente menor de
8', desde su valor normal W1 (es decir, el valor fuera de la zona de terminación)
al valor incrementado W2' en dicha primera sección 31 y en el que el valor incrementado W2' es el máximo mayor valor compatible con la geometría de la
zona de terminación del larguerillo, es decir, dejando una distancia lateral minima D3 con los bordes internos de la zona 20 de panel con un espesor
incrementado. La Figura 6a muestra una disposición de la zona de terminación del larguerillo según otra realización de la presente invención que se diferencia de la
primera realización en que la altura del alma 17 del larguerillo comienza a
disminuir de forma lineal muy cerca del comienzo de la zona de terminación de
manera que la pendiente ~ sea muy baja, preferiblemente menor de 12°.
La Figura 6b muestra una disposición de la zona de terminación del 5 larguerillo según otra realización de la presente invención que se diferencia de la
primera real ización en que la altura del alma 17 dellarguerillo disminuye en dos tramos desde el comienzo de la zona de terminación.
En todas las realizaciones mencionadas anteriormente los límites de la zona de terminación del larguerillo están definidos por la zona 20 con un 10 espesor incrementado en relación con el resto del revestimiento 13.
En otra realización de la invención (no mostrada) la disposición de la zona
de terminación del larguerillo se diferencia de la primera realización en que no
hay un aumento local del espesor del panel 11 en la zona de terminación. En este caso, es el comienzo de la disminución del espesor del pie 19 y del alma 17 15 de dicho larguerillo 15, el que define el comienzo de la zona de terminación.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión
con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas
modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones
20 siguientes.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Componente de aeronave que comprende al menos un panel (11 ) de
    un material compuesto formado por un revestimiento (13) y al menos un
    larguerillo (15) de refuerzo configurado por un alma (17) y un pie (19) unido a dicho revestimiento (13); teniendo el larguerillo (15) una zona de terminación dentro de dicho panel sometida a un alto nivel de carga; teniendo el larguerillo
    (15)
    un alma (17) de altura decreciente en dicha zona de terminación y un pie
    (19)
    con una primera sección (31) de ancho variable desde un valor inicial W1 a un valor final W2 y una segunda sección (33) con una anchura W2 en dicha zona de terminación; teniendo el pie (19) y el alma (17) de dicho larguerillo (15)
    un espesor decreciente en dicha zona de terminación para mejorar la
    transferencia de carga desde ellarguerillo (15) al revestimiento (13).
  2. 2.-Componente de aeronave según la reivindicación 1, en el que:
    -
    dicho revestimiento (13) tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación;
    -
    dicha segunda sección (33) dellarguerillo (15) comprende una primera sub-sección (35) en la que termina el alma (17) del larguerillo y una segunda sub-sección (37) sin alma (17) dellarguerillo.
  3. 3.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones 1
    2, en el que:
    -
    el componente de aeronave también comprende una costilla con una zona de intersección con dicho larguerillo (15) en dicha zona de terminación;
    -
    las zonas de unión (25) entre dicha costilla y dicho larguerillo (15) están
    colocadas en dicha primera sub-sección.
  4. 4.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones 23, en el que la pendiente de la disminución del espesor del pie (19) dellarguerillo en dicha primera sección (31) y en dicha primera sub-sección (35) es menor que en dicha segunda sub-sección (37).
  5. 5.-Componente de aeronave según la reivindicación 4, en el que el decremento de espesor del pie (19) en dicha primera sección (31) comienza a una distancia 01 del borde interior de la zona 20 del panel con espesor incrementado comprendida entre 30-60 mm.
  6. 6.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones 2
    5, en el que en dicha primera sección (31) la anchura del pie (19) dellarguerillo
    se incrementa linealmente a la mínima pendiente (a') compatible con la
    geometria del componente.
  7. 7.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones 26, en el que la altura del alma (17) del larguerillo decrece linealmente en dicha primera sección (31) Y en dicha primera sub-sección (35).
  8. 8.-Componente de aeronave según la reivindicación 7, en el que la altura
    del alma (17) del larguerillo disminuye a la minima pendiente W') posible en la
    zona de terminación.
  9. 9.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones 2
    6, en el que el alma (17) de larguerillo decrece en uno o mas tramos en la zona
    de terminación .
  10. 10.-Componente de aeronave según la reivindicación 1, en el que el
    alma (17) del larguerillo termina al final de la zona de terminación y dicho
    revestimiento (13) tiene un espesor incrementado en dicha zona de terminación.
  11. 11.-Componente de aeronave según la reivindicación 10, en el que:
    -
    el componente de aeronave también comprende una costilla con una zona de intersección con dicho larguerillo (15) en dicha zona de term inación;
    -
    las zonas de unión (25) entre dicha costilla y dicho larguerillo (15) estan colocadas en la segunda sección (33) de dicha zona de terminación.
  12. 12.-Componente de aeronave según la reivindicación 1, en el que dicha
    segunda sección (33) del larguerillo (15) comprende una primera sub-sección
    (35) en la que termina el alma (17) del larguerillo y una segunda sub-sección 5 (37) sin alma (17) de larguerillo.
  13. 13.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones
    1-12, en el que el decremento del espesor del alma (17) del larguerillo en la
    zona de terminación está comprendido entre el 50-70%.
    14,-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones
    1-1 3, en el que el decremento del espesor del pie (19) dellarguerillo en la zona
    de terminación está comprendido entre el 60-80%.
    15 15.-Componente de aeronave según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el que dicho componente de aeronave es un ala de aeronave.
ES201131711A 2011-10-24 2011-10-24 Zonas de terminación de larguerillos optimizadas en componentes de aeronaves Active ES2405155B1 (es)

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