NO320795B1 - Konstruksjonsdeler for fly - Google Patents

Abstract

Konstruksjonsdel, så som et vingeskall (1) for et fly er utformet hovedsakelig av et første komposittfiber og matriksmateriale som fremviser den første strekkmodul i forhold til strekkspenning og en første spenningstoleranse som resulterer fra slik spenning. En eller flere åpninger (5,6,7) er tilveiebrakt i komponenten og materialet av en del av komponenten som avgrenser åpningene er et andre komposittfiber og matriksmateriale. Det andre materialet fremviser en andre strekkmodul i forhold til strekkspenninger som er mindre enn den første strekkmodulen til det første materialet og en andre spenningstoleranse som resulterer fra slik spenning som er større enn den første spenningstoleransen til det første materialet.

Description

Denne oppfinnelsen vedrører hovedsakelig utforming av konstruksjonsdeler til et fly. Oppfinnelsen har spesiell betydning for oppførselen til konstruksjonsdeler når de utsettes for strekkspenninger og er derfor spesielt relevant for konstruksjonsdeler som er utsatt for strekkspenninger ved normal bruk. Oppfinnelsen er spesielt, men ikke eksklusivt, rettet mot et nedre vingeskall til et fly, og til en flyvingestruktur og et fly inkludert et slikt nedre vingeskall. Som vel kjent, er det nedre vingeskall til fly utsatt for strekkspenninger under normale flytilstander.

Det er ønskelig å tilveiebringe åpninger i vingeskallene, for eksempel for å muliggjøre inspeksjon av innsiden av vingene. Slike åpninger er vanligvis relativt store, dvs. mer enn 10<*> mm<3> i areal, og er referert til her som mannhull. En vanlig hensikt med slike åpninger er å gjøre det mulig for en person å stikke hodet og/eller hendene gjennom åpningen.

Slike mannhull kan tilveiebringes i øvre eller nedre vingeskall i en vingestruktur. Konstruksjonsmessige vurderinger er forskjellige for det øvre og nedre vingeskallet fordi under normal flyging må det øvre vingeskallet motstå langsgående kompresjonskrefter samtidig som det nedre vingeskallet må motstå langsgående strekkrefter. En retning er referert til her som må være langsgående retning når den er langs vingens lengde (omtrent på tvers av flyretningen), denne retningen er også kjent som vingespennretningen.

Et spesielt tilfelle oppstår hvis det er ønskelig å plasse-re et mannhull i et nedre vingeskall utformet av en komposittfiber og et matriksmateriale. Et typisk eksempel på et fiber- og matriksmateriale som kan brukes for et nedre vingeskall er karbonfibre i et matriksmateriale omfattende en epoksyharpiks. Karbonfibrene har en spesielt høy strekkmodul (strekkmodulen til et materiale er Young-modulen som den fremviser når den strekkes) og det blir mulig å tilveiebringe et relativt tynt og følgelig relativt lett vingeskall med den nødvendige styrke. Hvis mannhullet vingeskall med den nødvendige styrke. Hvis mannhullet imidlertid skal plasseres i det nedre vingeskallet utformet av et slikt komposittmateriale, utsettes det nedre vingeskallet for strekk under flyging, spesielt høye spenninger vil oppstå ved kanten av mannhullet, disse spenningene vil fremheves i en hvilken som helst region av skade på skallet rundt åpningen. I respons til de høye spenningene vil materialet utsettes for ekstra spenninger som komposittmaterialet ikke kan motstå.

En måte å unngå problemet som referert vil være å gjøre vingeskallet tykkere over hele bredden i området av mannhullet, men dette øker vekten på vingeskallet og vil sannsynligvis fjerne den potensielle vektfordelen ved bruk av kompos i 11materialer.

Det er en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en konstruksjonsdel av komposittmaterialet for et fly med én eller flere åpninger i komponenten, uten å svekke komponen-tens evne til å motstå strekkspenninger.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en konstruksjonsdel for et fly, idet komponenten er utformet hovedsakelig av et første komposittfiber og et matriksmateriale som fremviser en første strekkmodul i forhold til strekkspenninger og en første toleranse mot belastningen som et resultat av slike spenninger, hvor en åpning er tilveiebrakt i komponenten og materialet i en del av komponentene som omslutter åpningen er et andre komposittfiber og matriksmateriale som fremviser en andre strekkmodul i forhold til strekkspenninger som er mindre enn den første strekkmodulen til første kompositt fibre og matriksmateriale og en andre toleranse mot be-lastning som resulterer fra slike spenninger som er større enn den første toleransen mot belastninger av den første komposittfiberen og matriksmaterialet.

Selv om det å inkludere et materiale med en relativt lav strekkmodul kan virke klart ufordelaktig i en konstruksjonsdel, for eksempel et nedre vingeskall, som skal utsettes for høye strekkspenninger under normal bruk, har vi funnet at det kan være fordelaktig både for å redu-sere de eksepsjonelt høye spenningene som sannsynligvis oppstår rundt en åpning tilveiebrakt i komponenten og å mu-liggjøre at komponenten kan motstå høyere langsgående belastninger. Følgelig er det et viktig trekk ved foreliggende oppfinnelse at andre komposittfibre og harpiksmaterialet både har mindre strekkmodul og en større spenningstoleranse, idet spenningstoleransen er mengden av spenning som kan tolereres før materialsvikt, svikt er punktet hvor materialet ikke lenger kan oppfylle sin hensikt.

Fortrinnsvis omfatter det første, komposittfiber og matriksmaterialet fiber av en første type og det andre komposittfiber og matriksmaterialet omfatter fibere av en andre type, fibrene av den andre typen har en strekkmodul mindre enn strekkmodulen til fibrene i den første typen og har en spenningstoleranse som er større enn fibrene til den første typen.

De andre komposittfibrene og matriksmaterialet omfatter fortrinnsvis både fibere av den første typen og fibere av den andre typen. Det andre komposittmaterialet omfatter fortrinnsvis en flerhet av fiberlag og fibere av den andre typen er til stede i bare noen av lagene. Det andre komposittmaterialet omfatter fortrinnsvis fibere som strekker seg i en flerhet av forskjellige retninger og fibere av den andre typen strekker seg alle i samme retning. Fibrene i den andre typen strekker seg fortrinnsvis i en retning hvor hovedsakelig strekkspenninger er forventet å oppstå slik at for eksempel i det nedre vingeskallet strekker fibrene av den andre typen seg fortrinnsvis i langsgående retning. Det er foretrukket at alle eller hovedsakelig alle fibrene av den første typen strekker seg i retninger andre enn retningen hvor fibrene til den andre typen strekker seg. Det vil forstås at på grunn av at forskjellige fibere kan strekke seg i forskjellige retninger, kan strekkmodulen være forskjellig i forskjellige retninger og hvor det refe-reres til en mindre strekkmodul eller en større spenningstoleranse som refererer til et slikt trekk til stede i minst én retning, men ikke nødvendigvis eller vanligvis i alle retninger. Det vil også forstås at det kan være en gradvis overgang i oppbygningen av fiber og matriksmateriale fra sammensetninger av det første fiber og matriksmaterialet til sammensetninger av det andre fiber og matriksmaterialet .

Fibrene av den første typen er fortrinnsvis karbonfibre og fibrene av den andre typen er fortrinnsvis glassfiber.

Det andre komposittfiberet og matriksmaterialet omringer fortrinnsvis åpningen. Tykkelsen til delen av komponentene utformet av de andre komposittfibrene og matriksmaterialene er fortrinnsvis hovedsakelig den samme som tykkelsen til den naboliggende del av komponenten utformet av de første komposittfibrene og matriksmaterialet. I spesielle områder, for eksempel i et område hvor komponenten er sammenføyd til en annen konstruksjonsdel, for eksempel en vingebjelke, kan det være ønskelig å gjøre komponenten tykkere.

Hvis en åpning i en komponent er tilstrekkelig liten, er de konstniksjonsmessige vurderingene forskjellige og behovene mindre alvorlig. Den foreliggende oppfinnelse er spesielt fordelaktig i tilfellet hvor åpningene i konstruksjonsdelen har den minste dimensjon større enn 25 mm og/eller et areal større enn 600 mm<2>, vanligvis vil åpningen ha et areal større enn 10<4> mm<2> og den andre kompositt fiberen og matriksmaterialet vil strekke seg over en bredde større enn 400 mm.

Oppfinnelsen er spesielt fordelaktig i tilfellet hvor konstruksjonsdelen danner minst en del av skallet på flyet, spesielt hvor konstruksjonskomponenten er et nedre vingeskall og åpningen er et mannhull. Det nedre vingeskallet til et fly utsatt for høye strekkspenninger i langsgående retning under normal flyging. Det andre komposittfiberet og matriksmaterialet strekker seg fortrinnsvis på tvers utover fra mannhullet, delvis mot kantene av vingeskallet.

Fortrinnsvis er en flerhet av mannhull tilveiebrakt, hvert omringet av det andre komposittfiberet og matriksmaterialene. Et enkelt område av det andre komposittfiberet og matriksmaterialet kan omslutte en flerhet av mannhull og/eller separate områder av det andre komposittfiberet og matriksmaterialet kan omslutte respektive mannhull.

Ifølge oppfinnelsen er det videre tilveiebrakt en fly-vinges truktur omfattende et nedre vingeskall som definert over og det er også videre tilveiebrakt et fly omfattende en slik vingestruktur eller en konstruksjonsdel som definert over.

Oppfinnelsen er videre beskrevet som et eksempel med refe-ranse til de vedlagte tegninger hvor: figur 1 er en plantegning av et snitt av et nedre vingeskall og tilhørende vingestruktur, og

figur 2 er et snitt langs linjen II-II i figur 1 av en halvdel av det nedre vingeskallet og tilhørende struktur.

I tegningene er vingeskallet 1 vist som flatt, men det vil forstås at i praksis vil vingeskallet omfatte en aerodyna-misk kurve, hvis radius typisk vil være i størrelsesorden 6 m.

Vingestrukturen i figurene 1 og 2 er konvensjonell, og i dette eksempelet omfatter den et par vingebjelker 2A og 2B i området av den fremre og bakre kant av vingen og stringe-rer 3A og 3B og 4A og 4B som strekker seg langs vingeskallet inne i vingebjelkene 2A og 2B. Ingen ribber er vist i figurene 1 og 2, men det bør forstås at det også kan være én eller flere ribber til stede. Som det vil forstås, er vingestrukturen i eksempelet vist i figurene 1 og 2 symmet-risk rundt et langsgående vertikalt plan merket P i figur 1. Suffiks A er brukt for å betegne deler på en side av planet P og suffikset B for å betegne korresponderende deler på motsatt side av planet P.

Langs lengden av vingestrukturen vist i figurene 1 og 2 er det tilveiebrakt tre mannhull 5, 6 og 7 hvert med den samme elliptiske form og størrelse. Som vist for mannhull 6 i figur 2, er vingeskall 1 forskjøvet innover i området 9 som omringer hvert mannhull for å tilveiebringe et spor 18 på utsiden av vingeskallet hvor et mannhulldeksel (ikke vist) kan plasseres over mannhullet og en ytre flate som er jevn med den ytre flaten av hoveddelen av vingeskallet.

Vingebjelkene 2A og 2B vil typisk være boltet og stringene 3A, 3B, 4A og 4B heftende forbundet til vingeskallet 1 på en kjent måte.

Vingeskallet 1 er utformet som en monolittisk struktur av et første og andre komposittfiber og matriksmaterialer. Det første komposittfiberet og matriksmaterialet som anbringes i områdene til de fremre og bakre kantene av vingeskallet omfatter en serie av lag med karbonfibre (for eksempel HTS eller UTS-fibre) satt i et epoksyharpiksmateriale. I et gitt lag løper alle fibrene i samme retning: I noen lag som er i langsgående retning (i vingespennretningen av vingen) som er vanlig referert til som 0°; i andre lag er det pluss eller minus 45° i forhold til den retningen og i andre lag er det 90° i forhold til den retningen. Selvfølgelig bør det forstås at disse lagretningene bare er eksempler på ty-piske materialer og at mange andre retninger for fibrene kan anvendes. I et spesielt eksempel på oppfinnelsen er det 20 karbonfiberiag som anbringer UTS-karbonfibre i M36 har-piks som danner det første komposittfiberet og matriksmaterialet i vingeskallet 1 og de er i de følgende retninger:

I tabellen over er lagene nummerert fra en flate av vingeskallet til den andre slik at lagene 1 og 20 er de to over-flatene idet lagene 10 og 11 er i midten av vingeskallet.

I regionen som omringer mannhullene 5,6 og 7 er det samme mønsteret av lag til stede, men noen av lagene er utformet av glassfiber (for eksempel E-glassfiber og S-glassfiber) heller enn karbonfiber. I det spesielle eksempelet beskrevet er lagene 3,5,6,9,10,11,12,15, 16 og 18 alle utformet av E-glassfiber. I dette spesielle eksempelet blir følgelig alle 0°-fibrene glassfiber i det andre komposittfiber og matriksmaterialet.

Overgangen fra det første komposittmaterialet hvor alle fibrene er karbonfibre til det andre materialet hvor noen er erstattet av glassfibre er fortrinnsvis med forskjellige lag skiftende til karbon til glass ved forskjellige posi-sjoner. I dette spesielle eksempelet er en sentral region som strekker seg 250 mm til hver side av planet P utformet av det andre komposittfiber og matriksmaterialet og gradvis er glassfiberlagene erstattet i dette materialet av karbon-fiberlag av et første materiale idet avstanden fra planet P øker. I det spesielle eksempelet er overgangen som følger:

For det spesielle eksempelet beskrevet over har hvert mannhull formen av en ellipse og andre relevante dimensjoner er som følger:

Også i det spesielle eksempelet beskrevet over, er den sentrale regionen av vingeskallet utformet langs hullet av dens lengde av det andre komposittmaterialet som tillater de langsgående fibrene å være kontinuerlig, bortsett fra når de er avbrutt av mannhullene. Alternative arrangement vil imidlertid sørge for en gradvis overgang i langsgående retning fra det andre materialet til det første materialet.

I tester på rene prøver (en ren prøve er en prøve hvor det tversgående snittet av materialet er konstant langs lengden av prøven og prøven er uten åpninger), strekkmodulen i den langsgående 0°-retningen av det første komposittmaterialet som omfatter eksklusivt karbonfibre ble funnet å være 85,1 GPa og spenningstoleransen (spenning til svikt) 1,46 %. I kontrast til dette, ble strekkmodulen i langsgående 0° retningen av det andre komposittmaterialet omfattende eksklu-sive glassfibre i 0°-retningen funnet å være 32,7GPa og spenningstoleransen ble funnet å være 2,24 %. Den betydeli-ge reduksjonen i strekkmodul i området av mannhullene 5, 6 og 7 er ikke spesielt ufordelaktig fordi lite av den totale strekkraften i det nedre vingeskallet vil overføres gjennom området med mannhullene, det meste av strekkraften vil bli overført langs de ytre regionene av skallene. På den annen side vil økningen i spenningstoleransen være spesielt fordelaktig fordi motstanden til selve mannhullet og motstanden til en hvilken som helst skade på kanten av mannhullet både øker i toleranse mot nødvendig spenning i området av mannhullene sammenlignet med et område fjernt fra dette.

Selv om konstruksjonsdelen i eksempelet beskrevet over anvendes i det nedre vingeskallet av et fly, bør det forstås at oppfinnelsen kan anvendes på en hvilken som helst annen konstruksjonskomponent, så som flykroppen eller de horison-tale delene av et haleplan.

Oppfinnelsen er spesielt, men ikke eksklusivt, anvendbar på større fly, så som passasjerfly eller fraktfly.

Claims (16)

1. Konstruksjonsdel for et fly, idet komponentene er utformet hovedsakelig av et første komposittfiber og matriksmateriale som fremviser en første strekkmodul i forhold til strekkspenninger og en første spenningstoleranse mot slik spenning, hvor en åpning er tilveiebrakt i komponenten og materialet av en del av komponenten som avgrenser åpningen er et andre komposittfiber og matriksmateriale som fremviser en andre strekkmodul i forhold til strekkspenning som er mindre enn den første strekkmodulen til det første komposittfiber og matriksmaterialet og en andre spenningstoleranse mot slik spenning som er større enn den første spenningstoleransen til det første kompositt og matriksmaterialet .

2. Konstruksjonsdel ifølge krav 1, hvor det første kompositt- og matriksmaterialet omfatter fibere av den første type og det andre komposittfiber og matriksmaterialet omfatter fibre av den andre type, fibrene av den andre typen har en strekkmodul mindre enn strekkmodulen til fibrene i den første typen og har en spenningstoleranse større enn fibrene til den første typen.

3. Konstruksjonsdel ifølge krav 2, hvor det andre komposittfiber og matriksmaterialet omfatter både fibere av den første typen og fibere av den andre typen.

4. Konstruksjonsdel ifølge krav 2 eller 3, hvor det andre komposittmaterialet omfatter en flerhet av fiberlag og fibere av den andre typen er til stede i bare noen av lagene.

5. Konstruksjonskomponent ifølge ett av kravene 2 til 4, hvor det andre komposittmaterialet omfatter fibere som strekker seg i en flerhet av forskjellige retninger og fibere av den andre typen som alle strekker seg i samme retning.

6. Konstruksjonsdel ifølge krav 5, hvor hovedsakelig alle fibrene av den første typen strekker seg i retninger andre enn retningen som fibrene av den andre typen strekker seg.

7. Konstruksjonsdel ifølge ett av kravene 2 til 6, hvor fibrene av den første typen er karbonfibere.

8. Konstruksjonsdel ifølge ett av kravene 2 til 7, hvor fibrene av den andre typen er glassfibere.

9. Konstruksjonsdel ifølge ett av de foregående krav, hvor det andre komposittfiber og matriksmaterialet omringer åpningen.

10. Konstruksjonsdel ifølge ett av de foregående krav, hvor tykkelsen til delen av komponentene utformet av det andre komposittfiber og matriksmaterialet hovedsakelig er det samme som tykkelsen til naboliggende deler av komponenten utformet av det første komposittfiber og matriksmaterialet.

11. Konstruksjonsdel ifølge ett av de foregående krav, hvor åpningen har et areal større enn 10<*> mm<2> og det andre komposittfiber og matriksmaterialet strekker seg over en bredde større enn 400 mm.

12. Konstruksjonsdel ifølge ett av de foregående krav, hvor konstruksjonsdelen er et nedre vingeskall og åpningen er et mannhull.

13. Konstruksjonsdel ifølge krav 12, hvor det andre komposittfiber og matriksmaterialet strekker seg på tvers utover fra mannhullet delvis mot kantene av vingeskallet.

14. Konstruksjonsdel ifølge krav 12 eller 13, hvor en flerhet mannhull er tilveiebrakt, hvert avgrenset av et andre komposittfiber og matriksmateriale.

15. Flyvingestruktur omfattende et nedre vingeskall ifølge et av kravene 12 til 14.

16. Fly omfattende en konstruksjonsdel ifølge et av kravene 1 til 14 eller en vingestruktur ifølge krav 15.