RU135615U1

RU135615U1 - KESSON WINGS FROM COMPOSITE MATERIAL

Info

Publication number: RU135615U1
Application number: RU2013125731/11U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Моргулец; Андрей Евгеньевич Ушаков; Юрий Георгиевич Кленин; Сергей Николаевич Озеров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технологический испытательный центр АпАТэК-Дубна"
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-12-20

Abstract

1. Кессон крыла из композиционного материала, включающий верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки, отличающийся тем, что стрингеры размещены с внешней стороны обшивки, имеют П-образное сечение с вынесенной наружу полкой и установлены с изоляционным зазором, выполненным с возможностью предотвращения передачи деформаций между стрингерами и проникновения между ними повреждающих обшивку предметов, снаружи по полкам стрингеры покрыты слоем композиционного материала, образующим дополнительную тонкостенную внешнюю обшивку, при этом стрингеры выполнены сборными из полок и стенок, последние из которых, в свою очередь, состоят из отдельных тонкостенных стоек, выполненных с возможностью потери устойчивости от действия поперечных нагрузок, возникающих при опасных для конструкции ударах, и с возможностью их демонтажа через зазоры между полками стрингеров.2. Кессон крыла по п.1, отличающийся тем, что, как минимум, стрингеры и дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала на термопластическом связующем, а стойки стрингеров скреплены с полками и обшивкой разъемным соединением.3. Кессон крыла по любому из п.п.1 или 2, отличающийся тем, что тонкостенные стойки закреплены на обшивке через выполненные во всю длину панели подставки с плоской крепежной поверхностью и сечением, например, в виде перевернутой буквы Т, а тонкостенные стойки имеют в поперечном сечении Z-образный профиль, горизонтальные полки которого являются крепежными.4. Кессон крыла по любому из п.п.1, 2, отличающийся тем, что боковые стрингеры параллельны лонжер1. A wing box made of composite material, including upper and lower stringer panels, front and rear spars and ribs, dividing the internal space of the box into compartments, characterized in that the stringers are placed on the outside of the skin, have a U-shaped cross-section with a shelf extended outward and installed with an insulating gap made with the possibility of preventing the transfer of deformations between stringers and the penetration between them of damaging sheathing objects; outside the shelves, the stringers are covered with a layer of composite material, forming an additional thin-walled outer skin, while the stringers are made of prefabricated shelves and walls, the latter of which, in turn, consist of separate thin-walled racks, made with the possibility of loss of stability from the action of transverse loads arising from impacts dangerous to the structure, and with the possibility of their dismantling through the gaps between the shelves of the stringers. 2. The wing box according to claim 1, characterized in that at least the stringers and the additional casing are made of composite material on a thermoplastic binder, and the struts of the stringers are fastened to the shelves and casing by a detachable connection. A wing box according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the thin-walled racks are fixed to the skin through the full-length panels of the stand with a flat mounting surface and a cross-section, for example, in the form of an inverted letter T, and thin-walled racks are transverse cross-section Z-shaped profile, horizontal shelves of which are fastening. 4. Wing box according to any one of claims 1, 2, characterized in that the side stringers are parallel to the spar

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области авиации, к конструктивным элементам преимущественно крыльев, в частности к конструкции кессона крыла летательного аппарата из композиционных материалов.The proposed utility model relates to the field of aviation, to the structural elements of predominantly wings, in particular to the design of the caisson of the wing of an aircraft made of composite materials.

Известны конструкции кессона крыла самолета, выполненного из композиционного материала, например, на самолете B-787 - http://ru.wikipedia.org/wiki/Boening_787_Dreamliner или на самолете A-350 http://www.aex.ru/news/2011/11/22/90489/. Данные конструкции принципиально не отличаются от металлических вариантов, которые можно принять за аналоги предлагаемого варианта конструкции кессона. С точки зрения конструктивной схемы оба указанных варианта конструкции композитного кессона идентичны и любой из них может быть принят за прототип. В этих конструкциях кессон крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки. Как и во всех традиционных конструкциях, стрингеры панелей размещены на внутренней стороне обшивки.Known designs of the wing box of an airplane made of composite material, for example, on a B-787 airplane - http://ru.wikipedia.org/wiki/Boening_787_Dreamliner or on an A-350 airplane http://www.aex.ru/news/ 2011/11/22/90489 /. These designs fundamentally do not differ from metal options, which can be taken as analogues of the proposed design option caisson. From the point of view of the structural scheme, both of these design options of the composite caisson are identical and any of them can be taken as a prototype. In these structures, the composite wing box includes upper and lower stringer panels, front and rear spars and ribs that divide the interior of the box into compartments. As with all traditional designs, panel stringers are located on the inside of the skin.

Общими существенными признаками любого из указанных прототипов, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются следующие: кессон крыла из композиционного материала, включает в себя верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки.Common essential features of any of these prototypes that coincide with the essential features of the proposed technical solution are the following: a wing box made of composite material, includes upper and lower stringer panels, front and rear spars and ribs, dividing the inner space of the box into compartments.

Главным недостатком такой конструктивной схемы в случае использования композиционного материала является то, что при ударных воздействиях на крыло (например, при погрузке-разгрузке, при ударах по крылу крупных градин, камней из-под шасси, при столкновении с птицами и т.п.) сила удара приходится непосредственно на уязвимую в отношении ударного воздействия обшивку кессона. Это увеличивает риск ее повреждения и чревато потерей герметичности отсеков, содержащих топливо. Как известно, применяемый в самолетостроении слоистый композиционный материал, в отличие от металла, склонен к провоцируемому ударом межслойному растрескиванию, которое, приводит к разрушению панели при нагружении ее впоследствии основной эксплуатационной нагрузкой. Особенно ощутимо это проявляется на верхней панели крыла, основной нагрузкой для которой является продольное сжатие. При сжатии панели отслоения в обшивке, появившиеся в результате удара, теряют устойчивость, что может привести к лавинообразному развитию разрушения обшивки, а вместе с ней, в конечном счете, и всей панели.The main drawback of such a structural scheme in the case of using composite material is that when impacts are imposed on the wing (for example, when loading and unloading, when hitting the wing with large hailstones, stones from under the chassis, in a collision with birds, etc.) impact force falls directly on the caisson casing vulnerable to impact. This increases the risk of damage and is fraught with loss of tightness of the compartments containing fuel. As is known, the layered composite material used in aircraft construction, unlike metal, is prone to interlayer cracking provoked by shock, which leads to the destruction of the panel when it is subsequently loaded with the main operational load. This is especially noticeable on the upper panel of the wing, the main load for which is longitudinal compression. When the panel is compressed, the delamination in the casing resulting from an impact loses stability, which can lead to an avalanche-like development of the destruction of the casing, and with it, ultimately, the entire panel.

Еще одним минусом аналогов и прототипа является неудобство обеспечения герметичности внутреннего объема кессона. Установка специальных гермофитингов в местах, где стрингеры проходят сквозь стенку нервюры, усложняет конструкцию, увеличивает трудозатраты при проведении сборочных операций и ремонтных работ.Another disadvantage of analogues and prototype is the inconvenience of ensuring the tightness of the internal volume of the caisson. The installation of special pressure fittings in places where stringers pass through the wall of the ribs complicates the design and increases labor costs during assembly operations and repair work.

Также существенным недостатком прототипа является отсутствие возможности посредством внешнего осмотра обеспечить надежный контроль целостности конструкции после возможного ударного воздействия, поскольку традиционно используемые в авиастроении слоистые композитные материалы при ударах расслаиваются без характерных и относительно легко обнаруживаемых в металлических конструкциях вмятин и сквозных трещин. Принципиально, что для композитного кессона вполне возможна ситуация, когда не обнаруживаемые визуально последствия ударов угрожают разрушением крыла в полете. Кроме того, ремонт традиционной композитной конструкции представляет сложную задачу. Так, наложение заплаты на место поврежденного участка панели с неизбежностью влечет за собой и замену с перестыковкой одного или нескольких стрингеров, что подразумевает выполнение дорогостоящей операции разборки-сборки всего кессона.Also, a significant disadvantage of the prototype is the lack of the ability to provide reliable control of the structural integrity after a possible impact through external inspection, since the laminated composite materials traditionally used in aircraft construction are stratified by impact without characteristic dents and through cracks that are relatively easily detected in metal structures. Fundamentally, for a composite caisson, a situation is quite possible when the effects of impacts not detectable visually threaten the destruction of the wing in flight. In addition, repairing a traditional composite structure is challenging. So, the imposition of a patch on the site of the damaged section of the panel inevitably entails the replacement of one or several stringers, which implies the performance of an expensive disassembly-assembly operation of the entire caisson.

Недостатком традиционной конструкции кессона крыла является и то, что при основном виде нагружения, связанном с изгибом крыла, напряжения в элементах кессона, как известно, растут по мере роста расстояния их от срединной (нейтральной) плоскости. В результате, наиболее нагруженной в таком кессоне оказывается обшивка, которая, как известно, в случае композитного материала гораздо более чувствительна к растяжению-сжатию. Такая чувствительность связана с обязательным наличием в составе композитного пакета обшивки слоев с волокнами, расположенными под углом к стрингерам. В первую очередь - слоев с поперечными волокнами. Допустимый уровень продольных деформация таких «поперечных» слоев - 0,3-0,4%, в то время как «продольных» слоев - 0,5-0,7%. Вынесенные из плоскости обшивки полки стрингеров, в которых поперечные волокна не являются обязательными, в конструкции кессона с традиционной конструктивно-силовой схемой (КСС) оказываются ближе к нейтральной плоскости, т.е. существенно менее нагруженными, что нерационально и ущербно с точки зрения весовой эффективности. В предлагаемом же варианте конструкции полки стрингеров вынесены наоборот, наружу, защищая обшивку от ударов, и находятся на максимальном удалении от нейтральной плоскости, а более чувствительная к деформациям и ударам обшивка - ближе к нейтральной плоскости. Таким образом, КСС предлагаемой конструкции кессона заведомо является более рациональной - и с точки зрения весовой эффективности, и с точки зрения стойкости в отношении ударов.A drawback of the traditional design of the wing box is that, with the main type of loading associated with the bending of the wing, the stresses in the elements of the box are known to increase as their distance from the median (neutral) plane increases. As a result, the most loaded in such a caisson is the casing, which, as is known, in the case of a composite material is much more sensitive to tension-compression. This sensitivity is associated with the obligatory presence of layers with fibers located at an angle to the stringers as part of the composite package. First of all, layers with transverse fibers. The permissible level of longitudinal deformation of such "transverse" layers is 0.3-0.4%, while the "longitudinal" layers are 0.5-0.7%. The stringer shelves removed from the sheathing plane, in which transverse fibers are optional, are closer to the neutral plane in the design of the caisson with the traditional structural-force scheme (KSS), i.e. significantly less loaded, which is irrational and flawed in terms of weight efficiency. In the proposed design variant, the stringer shelves are placed opposite, outward, protecting the casing from impacts, and are located at the maximum distance from the neutral plane, and the casing more sensitive to deformations and impacts is closer to the neutral plane. Thus, the KSS of the proposed caisson design is obviously more rational, both from the point of view of weight efficiency and from the point of view of resistance to impacts.

Предлагаемым изобретением решается комплекс технических задач:The proposed invention solves a set of technical problems:

- предотвращения (или резкого снижения вероятности) повреждения обшивки панелей под воздействием ударных нагрузок при эксплуатации;- prevention (or a sharp decrease in the likelihood) of damage to the skin of the panels under the influence of shock loads during operation;

- повышения весовой эффективности конструкции кессона за счет более рациональной его КСС;- increase the weight efficiency of the design of the caisson due to its more rational KSS;

- обеспечения гарантированного выявления повреждений конструкции при ударах (визуализация критических ударных повреждений);- ensuring guaranteed detection of structural damage during impacts (visualization of critical impact damage);

- упрощения конструктивного обеспечения герметичности кессона;- simplification of the structural ensuring the tightness of the caisson;

- упрощения и значительного удешевления ремонтных работ после локальных (например, в результате удара) повреждений конструкции.- simplification and significant reduction in the cost of repair work after local (for example, as a result of an impact) structural damage.

Для достижения перечисленных технических результатов в кессоне крыла из композиционного материала, включающий верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки, в отличие от прототипа, стрингеры размещены с внешней стороны обшивки, имеют П-образное сечение с вынесенной наружу полкой и установлены с изоляционным зазором (например, 10-12 мм - с учетом характерного размера предметов - градин, камешков - представляющих угрозу для целостности крыла), выполненным с возможностью предотвращения передачи деформаций между стрингерами; снаружи по полкам стрингеры покрыты слоем композиционного материала, образующим дополнительную тонкостенную внешнюю обшивку; при этом стрингеры выполнены сборными из полок и стенок, последние их которых в свою очередь состоят из отдельных тонкостенных стоек, выполненных с возможностью потери устойчивости от действия поперечных нагрузок, возникающих при опасных для конструкции ударах, и с возможностью их демонтажа через зазоры между полками стрингеров. В частном варианте, наиболее предпочтительном к реализации, как минимум, стрингеры и дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала на термопластическом связующем, а стойки стрингеров скреплены с полками и обшивкой разъемным соединением. Это обеспечивает возможность удобной и быстрой замены поврежденных ударом стоек стрингеров. Например, стойки стрингеров могут быть скреплены с полками и обшивкой с использованием технологии «сварки» и/или шурупов-саморезов с индукционным нагревом при монтаже. Необходимый эффект амортизации ударов обеспечивается за счет потери устойчивости в момент удара и возможного разрушения ближайших к месту удара тонкостенных стоек и одновременного, связанного с этим, местного прогиба полок стрингеров. Такая конструкция позволит при относительно небольших повреждениях кессона, избежать трудоемкой и дорогостоящей операции установки заплат на обшивке панелей с перестыковкой стрингеров.To achieve the above technical results, in the wing box made of composite material, including the upper and lower stringer panels, front and rear spars and ribs, dividing the inner space of the box into compartments, unlike the prototype, the stringers are located on the outside of the skin, have a U-shaped section with a shelf brought out and installed with an insulating gap (for example, 10-12 mm - taking into account the characteristic size of objects - hailstones, pebbles - representing a threat to the integrity of the wing), made with the possibility of NOSTA prevent transmission of deformation between the stringers; outside, on the shelves, the stringers are covered with a layer of composite material forming an additional thin-walled outer skin; at the same time, the stringers are made of prefabricated shelves and walls, the latter of which, in turn, consist of separate thin-walled racks made with the possibility of loss of stability from the action of transverse loads arising from impacts dangerous to the structure, and with the possibility of their dismantling through the gaps between the shelves of the stringers. In a particular embodiment, the most preferred for implementation, at least, the stringers and additional casing are made of composite material on a thermoplastic binder, and the struts of the stringers are fastened to the shelves and casing by a detachable connection. This makes it possible to conveniently and quickly replace stringers struts damaged by shock. For example, the struts of stringers can be fastened with shelves and casing using the technology of "welding" and / or self-tapping screws with induction heating during installation. The necessary effect of shock absorption is ensured by the loss of stability at the time of impact and the possible destruction of the thin-walled racks closest to the impact site and the simultaneous local deflection of the stringer shelves. This design will allow for relatively small damage to the caisson, to avoid the time-consuming and expensive operation of installing patches on the skin of panels with re-stringing stringers.

Предусмотрен также частный вариант конструкции, в котором тонкостенные стойки закреплены на обшивке через подставки с плоской крепежной поверхностью и Т-образным сечением, выполненные во всю длину панели, а тонкостенные стойки имеют в поперечном сечении Z-образный профиль, горизонтальные полки которого являются крепежными. Это позволит изготавливать самую крупногабаритную часть панели обшивку с минимальными издержками - по технологии вакуумной инфузии с использованием традиционного связующего - реактопласта. Крепление на такой обшивке термокомпозитных подставок для установки стоек стрингеров на преформе может производиться без сверления отверстий - с применением шурупов-саморезов и/или индукционного разогрева. Такое упрощение технологии изготовления оказывается возможным в предлагаемой конструкции, поскольку преформа обшивки, в отличие от уже отвержденного изделия из композита на связующем-реактопласте, не может пострадать от локального нагрева до температуры около 400°C, что необходимо для установки саморезов.There is also a private version of the design in which thin-walled racks are fixed to the skin through supports with a flat mounting surface and a T-section made in the entire length of the panel, and thin-walled racks have a Z-shaped cross-section in cross section, the horizontal shelves of which are fasteners. This will make it possible to produce the largest part of the panel sheathing at the lowest cost - using vacuum infusion technology using a traditional binder - thermoset. Fastening on such a casing of thermocomposite supports for installing stringer racks on the preform can be made without drilling holes - using self-tapping screws and / or induction heating. Such a simplification of the manufacturing technology is possible in the proposed design, since the sheathing preform, in contrast to the already cured composite product on the binder-thermoset, cannot suffer from local heating to a temperature of about 400 ° C, which is necessary for installing self-tapping screws.

Кроме того, как вариант, в конструкции боковые стрингеры выполнены параллельными лонжеронам, имеют в поперечном сечении T-образный профиль и упругие стенки, для чего в них имеются щелевидные сквозные пазы, выполненные в шахматном порядке, причем законцовка «брошенных» стрингеров обеспечивается креплением внахлестку их полок к полкам боковых стрингеров.In addition, as an option, in the design the side stringers are made parallel to the spars, have a T-shaped profile and elastic walls in cross section, for which they have slit-like through grooves made in a checkerboard pattern, and the tip of the “thrown” stringers is secured by lapping them shelves to the shelves of the side stringers.

Отличительными признаками предложенного технического решения от известного - прототипа - являются следующие: стрингеры размещены с внешней стороны обшивки, имеют П-образное сечение с вынесенной наружу полкой и установлены с изоляционным зазором, выполненным с возможностью предотвращения передачи деформаций между стрингерами и проникновения между ними повреждающих обшивку предметов; снаружи по полкам стрингеры покрыты слоем композиционного материала, образующим дополнительную тонкостенную внешнюю обшивку; при этом стрингеры выполнены сборными - из полок и стенок, последние их которых в свою очередь состоят из отдельных тонкостенных стоек, выполненных с возможностью потери устойчивости от действия поперечных нагрузок, возникающих при опасных для целостности конструкции ударах, и с возможностью их демонтажа через зазоры между полками стрингеров. В дополнение к этому, как минимум, стрингеры и дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала на термопластическом связующем, а стойки стрингеров скреплены с полками и обшивкой разъемным соединением; также тонкостенные стойки закреплены на обшивке через выполненные во всю длину панели подставки с плоской крепежной поверхностью, а тонкостенные стойки имеют в поперечном сечении Z-образный профиль, горизонтальные полки которого являются крепежными; боковые стрингеры параллельны лонжеронам, имеют в поперечном сечении T-образный профиль и упругие стенки, для чего в них имеются щелевидные сквозные пазы, выполненные в шахматном порядке, причем законцовка «брошенных» стрингеров обеспечивается креплением внахлестку их полок к полкам боковых стрингеров.Distinctive features of the proposed technical solution from the well-known prototype are the following: stringers are placed on the outside of the casing, have a U-shaped cross-section with an outwardly shelved shelf and are installed with an insulating gap made to prevent the transmission of deformations between the stringers and the penetration of damage to the casing between them ; outside, on the shelves, the stringers are covered with a layer of composite material forming an additional thin-walled outer skin; the stringers are made prefabricated - from shelves and walls, the last of which, in turn, consist of separate thin-walled racks made with the possibility of loss of stability from the action of transverse loads arising from impacts dangerous to the structural integrity, and with the possibility of their dismantling through the gaps between the shelves stringers. In addition to this, at least the stringers and additional casing are made of composite material on a thermoplastic binder, and the struts of the stringers are fastened to the shelves and casing by a detachable connection; thin-walled racks are also fixed to the casing through the full-length panels of the stand with a flat mounting surface, and thin-walled racks have a Z-profile in cross section, the horizontal shelves of which are fastening; the side stringers are parallel to the side members, have a T-shaped profile and elastic walls in cross section, for which they have slit-like through grooves made in a checkerboard pattern, and the tip of the “thrown” stringers is secured by lapping their shelves to the shelves of the side stringers.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат:Due to the presence of these distinguishing features in conjunction with the known achieved the following technical result:

- Удары амортизируются за счет изгибной податливости полок стрингеров, что обеспечивается местным разрывом при ударе тонкой дополнительной обшивки и значительной деформацией с возможным разрушением из-за потери устойчивости ближайших тонкостенных стоек.- Shocks are absorbed due to the bending flexibility of the stringer shelves, which is ensured by local rupture upon impact of thin additional casing and significant deformation with possible destruction due to loss of stability of the nearest thin-walled racks.

- Поскольку защитное амортизирующее покрытие кессона состоит в основном из элементов продольного подкрепления, это позволяет получить высокое весовое качество предлагаемого варианта конструкции кессона. В силовом подкреплении панелей напрямую не участвуют только тонкостенные стойки, вес которых, как показывают расчеты, составляет не более 12% от массы стрингера.- Since the protective cushioning cover of the caisson consists mainly of elements of longitudinal reinforcement, this allows to obtain high weight quality of the proposed design variant of the caisson. The power reinforcement of the panels does not directly involve only thin-walled racks, the weight of which, as calculations show, is no more than 12% of the stringer's mass.

- Наличие эффективной защиты от ударов в предлагаемой конструкции дает в итоге даже преимущество в весе, поскольку в традиционной конструкции, где удар воспринимается непосредственно обшивкой панели, ради обеспечения остаточной (послеударной) прочности композитного кессона приходится идти на существенное увеличение толщины обшивки.- The presence of effective impact protection in the proposed design gives even an advantage in weight, since in the traditional design, where the impact is perceived directly by the panel skin, in order to ensure the residual (impact) strength of the composite caisson, a significant increase in the skin thickness has to be made.

- Кроме того, предлагаемая конструкция кессона свободна от важного недостатка - невозможности простого визуального обнаружения следов критически опасных для прочности крыла ударов. При наличии предлагаемой амортизации удары с относительно небольшой энергией вообще не вызовут разрушений. А удары с опасным для прочности крыла уровнем энергии будут оставлять хорошо заметные следы - повреждения тонкой дополнительной обшивки. Только в случае ударов большой интенсивности появляется вероятность, что ударник, преодолев защиту, все же «доберется» до основной обшивки. Но при этом значительная часть его разрушительного потенциала будет уже потеряна, что значительно снизит вероятность разрушения обшивки. К тому же, наличие подставок с развитым основанием (с сечением в виде перевернутой буквы T) значительно снижает вероятность повреждения обшивки по сравнению с традиционной конструкцией, в которой удар в обшивку реализуется практически в точке, где контактные усилия вызывают появление критических напряжений сдвига, особенно опасных для слоистого композита.- In addition, the proposed caisson design is free from an important drawback - the impossibility of simple visual detection of traces of impacts critical to wing strength. With the proposed cushioning, impacts with relatively low energy will not cause any damage at all. And strikes with an energy level hazardous to wing strength will leave noticeable marks - damage to the thin additional skin. Only in the case of high-intensity strikes, is it possible that the drummer, having overcome the defense, will still "get" to the main skin. But at the same time, a significant part of its destructive potential will already be lost, which will significantly reduce the likelihood of destruction of the skin. In addition, the presence of supports with a developed base (with an inverted T-shaped cross section) significantly reduces the likelihood of damage to the casing compared to the traditional design, in which the impact into the casing is realized almost at the point where the contact forces cause critical shear stresses, especially dangerous for layered composite.

- Вопрос прочности и ударной стойкости наиболее нагруженных боковых стрингеров (которые в силу этого обстоятельства не могут иметь тонкостенные стойки в качестве стенок), а также вопрос надежности узлов законцовок так называемых «брошенных» стрингеров также решается в данной конструкции достаточно просто и эффективно. Предлагается делать профиль таких стрингеров T-образным, а развитую стенку их - со сквозными щелевидными пазами, расположенными в шахматном порядке, что обеспечит необходимую амортизацию ударов. Для надежной законцовки брошенных стрингеров боковые, более мощные стрингеры должны иметь высоту меньше, чем остальные - на толщину полок этих стрингеров. Обрывающиеся стрингеры свободными концами своих полок заходят на полки этих боковых стрингеров и скрепляются с ними нахлесточным соединением с использованием, к примеру, технологии «сварки» и, при необходимости, дополнительного механического крепежа.- The issue of strength and impact resistance of the most loaded side stringers (which, due to this circumstance, cannot have thin-walled racks as walls), as well as the issue of the reliability of the tip assemblies of the so-called “abandoned” stringers, is also solved quite simply and effectively in this design. It is proposed to make the profile of such stringers T-shaped, and their developed wall with through slit-like grooves arranged in a checkerboard pattern, which will provide the necessary shock absorption. For a reliable ending of abandoned stringers, lateral, more powerful stringers should have a height less than the rest by the thickness of the shelves of these stringers. The breaking stringers with the free ends of their shelves go to the shelves of these lateral stringers and fastened with them by lap joint using, for example, the technology of “welding” and, if necessary, additional mechanical fasteners.

- Изготовление стрингеров с применением термопластического связующего может существенно упростить не только изготовление стрингеров и их монтаж на уже установленных панелях, но и ремонт кессона после разрушений от ударных и других воздействий. Если ремонт в случае традиционной конструкции кессона зачастую требует его разборки, в предложенной конструкции во многих случаях (при повреждениях, не затрагивающих основную обшивку) вообще не понадобится демонтаж панелей и проведение дорогостоящей операции замены поврежденных участков панелей с перестыковкой стрингеров. Использование шурупов-саморезов с индукционным разогревом и/или технологии «сварки» может позволить быстро и с минимальными материальными затратами восстанавливать целостность элементов панелей кессона. Наличие амортизирующей защиты в виде вынесенных наверх полок стрингеров и дополнительной обшивки, кроме решения задачи амортизации удара, заодно кардинально упрощает ремонт композитного кессона предлагаемой конструкции.- The manufacture of stringers using a thermoplastic binder can greatly simplify not only the manufacture of stringers and their installation on already installed panels, but also the repair of the caisson after destruction from shock and other influences. If the repair in the case of the traditional design of the caisson often requires its disassembly, in the proposed design in many cases (for damages that do not affect the main casing), it will not be necessary to dismantle the panels and carry out an expensive operation to replace damaged sections of the panels with re-stringers. The use of self-tapping screws with induction heating and / or "welding" technology can quickly and with minimal material costs restore the integrity of the elements of the caisson panel. The presence of shock-absorbing protection in the form of stringer shelves handed up and additional casing, in addition to solving the shock absorption problem, at the same time dramatically simplifies the repair of the composite caisson of the proposed design.

Предложенное конструктивное решение может быть использовано в авиации - в конструкции, преимущественно, кессона крыла летательного аппарата из композиционных материалов.The proposed constructive solution can be used in aviation - in the construction, mainly, of the wing box of the aircraft made of composite materials.

Конструкция поясняется рисунками фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 изображен общий вид участка кессона крыла с частичным разнесением его элементов для наглядности. На фиг.2 - изображено сечение стрингеров и фрагмент участка панели в изометрии, поясняющий устройство стрингеров.The design is illustrated by figures 1 and 2. Figure 1 shows a General view of the section of the caisson of the wing with a partial spacing of its elements for clarity. Figure 2 - shows a cross section of the stringers and a fragment of a section of the panel in isometry, explaining the device of the stringers.

Предлагаемая конструкция кессона крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю 1 и нижнюю 2 стрингерные панели, в которых стрингеры 3 закреплены на обшивке 4, передний 5 и задний 6 лонжероны и нервюры 7 (на фиг.1 видны фрагментарно), делящие внутреннее пространство кессона на отсеки. Стрингеры 3 размещены на внешней стороне обшивок 4, и имеют П-образное сечение с вынесенной наверх (наружу) полкой 8. Небольшой зазор между полками 8 (порядка 10-12 мм) сделан с учетом характерного размера предметов, представляющих угрозу для целостности крыла - градин, камешков из-под шасси и т.п., а также с учетом удобства монтажа стоек 11 при сборке кессона и проведении ремонтных работ. С другой стороны, он необходим для предотвращения распространения в поперечном направлении местных расслоений композиционного материала после удара. Полки 8 стрингеров 3 покрыты слоем композиционного материала, образующим сплошную дополнительную тонкостенную обшивку 9 панели. Стенки 10 стрингеров 3 включают в себя тонкостенные, в данном случае Z-образные в сечении и разделенные на секции стойки 11, установленные на подставках 12 T-образного сечения. Боковые стрингеры 13 параллельны лонжеронам и имеют также T-образное сечение с развитыми силовыми стенками 14. Эти стенки 14 для придания амортизирующих свойств могут иметь чередующиеся в шахматном порядке сквозные щелевидные пазы 15. Высота боковых стрингеров 13, идущих под углом к основным стрингерам 3 (в данном случае - только в зоне заднего лонжерона 6) меньше высоты остальных стрингеров 3 на толщину полок 8, что позволяет обеспечить надежную законцовку обрывающихся («брошенных») стрингеров 3 за счет использования соединения внахлестку полок - «брошенного» рядового стрингера 3 и бокового стрингера 13.The proposed design of the wing box made of composite material includes the upper 1 and lower 2 stringer panels, in which the stringers 3 are fixed to the skin 4, the front 5 and rear 6 side members and ribs 7 (fragmentary visible in Fig. 1), dividing the inner space of the box compartments. Stringers 3 are placed on the outside of the skins 4, and have a U-shaped cross-section with a shelf 8. The small gap between the shelves 8 (about 10-12 mm) is made taking into account the characteristic size of objects that pose a threat to the integrity of the wing - hailstones , pebbles from under the chassis, etc., as well as taking into account the convenience of mounting the racks 11 when assembling the caisson and carrying out repair work. On the other hand, it is necessary to prevent the transverse propagation of local delaminations of the composite material after impact. The shelves 8 of the stringers 3 are covered with a layer of composite material, forming a continuous additional thin-walled sheathing 9 of the panel. The walls 10 of the stringers 3 include thin-walled, in this case, Z-shaped in section and divided into sections of the rack 11 mounted on supports 12 T-shaped section. The side stringers 13 are parallel to the side members and also have a T-shaped section with developed force walls 14. These walls 14 can have staggered alternating slit-like grooves 15 to give shock-absorbing properties. The height of the side stringers 13, which are angled to the main stringers 3 (in in this case, only in the area of the rear spar 6) is less than the height of the remaining stringers 3 by the thickness of the shelves 8, which allows for reliable ending of the torn (“abandoned”) stringers 3 due to the use of the lap joint of the shelves - “abandoned” ordinary stringer 3 and side stringer 13.

Детали стрингеров 3 и 13 - полки 8, стойки 11, подставки 12 и стенки 14, а также дополнительная тонкостенная обшивка 9 могут быть выполнены из композиционного материала с термопластическим связующим. Это позволит использовать технологию «сварки», существенно упрощающую операции сборки и ремонта кессона.Details of stringers 3 and 13 — shelves 8, racks 11, supports 12 and walls 14, as well as additional thin-walled sheathing 9 can be made of composite material with a thermoplastic binder. This will allow the use of “welding” technology, which greatly simplifies the assembly and repair operations of the caisson.

Перед сборкой кессона, еще до отверждения панелей 9 (пока еще без стрингеров 3 и 13) на их преформе производят установку подставок 12 и стенок 14 боковых стрингеров 13, например, с помощью шурупов-саморезов и индукционного разогрева.Before assembling the caisson, even before the curing of the panels 9 (so far without stringers 3 and 13), supports 12 and walls 14 of the side stringers 13 are installed on their preform, for example, using self-tapping screws and induction heating.

Сборка кессона крыла производится по традиционной технологии. Отличие заключается лишь в том, что теперь в нервюрах 7 нет окон для стрингеров 3, что избавляет от необходимости установки гермофитингов и существенно упрощает сборку. После установки замыкающего крепежа приступают к закреплению на кессоне стрингеров 3 и 13. Предварительно полки 8 стрингеров 3 соединяют (например, с применением технологии «сварки» и/или механического крепежа) со стойками 11. В первую очередь устанавливают стенки 14 и полки 3 боковых стрингеров 13. В данном случае (см. фиг.1) только боковые стрингеры 13 в зоне заднего лонжерона 6 расположены под углом к остальным стрингерам 3. Эти боковые стрингеры 13 выполнены более мощными, т.к. на них приходится большая нагрузка и крепятся полки 8 «брошенных» стрингеров 3 (обрывающихся из-за сужения кессона к периферии). Соответственно, высота боковых стрингеров 13, полки 8 которых соединяются с полками 8 «брошенных» стрингеров 3, должна быть меньше на высоту полок 8. Стойки 11 стрингеров 3, предварительно скрепленные с полками 8, закрепляют на подставках 12 посредством, например, «сварки» и/или механического крепежа. Сначала устанавливают те полки 8 со стойками 11, которые не обрываются (в данном случае, вблизи переднего лонжерона 5). Края обрывающихся полок 8 стрингеров 3 закрепляют посредством крепежа и/или технологии «сварки» на полках 8 боковых стрингеров 13 (в данном случае только задних). Они могут быть сделаны более толстыми - по результатам прочностных расчетов. После установки стрингеров 3 и 13 на их полках закрепляют внешнюю обшивку 9.The wing box is assembled using traditional technology. The only difference is that now in ribs 7 there are no windows for stringers 3, which eliminates the need to install pressure fittings and greatly simplifies assembly. After installing the locking fastener, the stringers 3 and 13 are fastened to the caisson. Previously, the shelves 8 of the stringers 3 are connected (for example, using the technology of “welding” and / or mechanical fasteners) with the posts 11. First, the walls 14 and the shelves 3 of the side stringers are installed 13. In this case (see Fig. 1), only the side stringers 13 in the area of the rear spar 6 are located at an angle to the other stringers 3. These side stringers 13 are made more powerful, because they have a heavy load and shelves of 8 “abandoned” stringers 3 are fastened (breaking off due to the narrowing of the caisson to the periphery). Accordingly, the height of the side stringers 13, the shelves 8 of which are connected to the shelves 8 of the “abandoned” stringers 3, should be smaller by the height of the shelves 8. The stands 11 of the stringers 3, previously fastened with the shelves 8, are fixed to the supports 12 by, for example, “welding” and / or mechanical fasteners. First, install those shelves 8 with racks 11 that do not break off (in this case, near the front spar 5). The edges of the breaking shelves 8 of the stringers 3 are fixed by means of fasteners and / or welding technology on the shelves 8 of the side stringers 13 (in this case, only the rear ones). They can be made thicker - according to the results of strength calculations. After installing the stringers 3 and 13 on their shelves fix the outer skin 9.

При ремонте повреждений, не затрагивающих основную обшивку 4, заменяют поврежденные участки тонкой внешней обшивки 9, полок 8 и стоек 11 стрингеров 3. Если повреждения полок 8 невелико и связано только с их расслоением, восстановление их целостности может быть достигнуто применением технологии «сварки», что делает ремонт относительно простым и малозатратным. В случае необходимости, снизу на полках 8 могут быть добавлены подкрепляющие слои. Такой ремонт существенно проще и дешевле, чем в случае традиционной конструкции кессона композитного крыла.When repairing damage that does not affect the main skin 4, replace damaged areas of thin external skin 9, shelves 8 and racks 11 of stringers 3. If damage to shelves 8 is small and is only related to their stratification, restoration of their integrity can be achieved using the technology of “welding”, which makes repairs relatively simple and low cost. If necessary, reinforcing layers can be added from below on shelves 8. Such repairs are significantly simpler and cheaper than in the case of the traditional design of the composite wing box.

Claims

1. A wing box made of composite material, including upper and lower stringer panels, front and rear spars and ribs, dividing the internal space of the box into compartments, characterized in that the stringers are placed on the outside of the skin, have a U-shaped cross-section with a shelf extended outward and installed with an insulating gap made with the possibility of preventing the transfer of deformations between stringers and the penetration between them of damaging sheathing objects; outside the shelves, the stringers are covered with a layer of composite material, forming an additional thin-walled outer skin, while the stringers are made of prefabricated shelves and walls, the latter of which, in turn, consist of separate thin-walled racks, made with the possibility of loss of stability from the action of transverse loads arising from impacts dangerous to the structure, and with the possibility of their dismantling through the gaps between the shelves of the stringers.

2. The wing box according to claim 1, characterized in that at least the stringers and the additional casing are made of composite material on a thermoplastic binder, and the struts of the stringers are fastened to the shelves and casing by a detachable connection.

3. The wing box according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the thin-walled racks are fixed to the skin through the full-length panels of the stand with a flat mounting surface and a section, for example, in the form of an inverted letter T, and thin-walled racks have in cross section a Z-shaped profile, the horizontal shelves of which are fasteners.

4. The wing box according to any one of claims 1, 2, characterized in that the side stringers are parallel to the side members, have a T-shaped profile and elastic walls in cross section, for which they have slit-like through grooves made in a checkerboard pattern, moreover, the tip of the "abandoned" stringers is provided by lapping their shelves to the shelves of the side stringers.

5. The wing box according to claim 3, characterized in that the side stringers are parallel to the side members, have a T-shaped profile and elastic walls in cross section, for which they have slit-like through grooves made in a checkerboard pattern, with the tip of the “abandoned” stringers provided by lapping their shelves to the shelves of the side stringers.