RU2694638C2

RU2694638C2 - Fuselage caisson

Info

Publication number: RU2694638C2
Application number: RU2017139041A
Authority: RU
Inventors: Александр Владиславович Гомзин; Владислав Александрович Лачугин; Вадим Аполлонович Шалыгин; Павел Александрович Шатаев
Original assignee: Акционерное общество Научно-производственное объединение "Опытно-конструкторское бюро имени М.П. Симонова"
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-07-16
Also published as: RU2017139041A; RU2017139041A3

Abstract

FIELD: aircraft engineering.SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering. Fuselage caisson consists of U-shaped upper and lower panels made of carrier layers of polymer composite material and aggregate. Fuselage side panels are integrated into the top panel. Height of the bottom panel placeholder exceeds the height of the top panel placeholder. Upper and lower panels of the fuselage box can be interconnected along the entire length of the flanges by a glue-and-bolt connection made with anchor nuts and fasteners.EFFECT: invention is aimed at increasing the resource.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области авиастроения, к конструкции каркаса летательных аппаратов.The invention relates to the field of aviation, to the design of the frame of the aircraft.

В настоящее время конструкции из полимерных композиционных материалов находят все более широкое применение в различных отраслях техники: авиации, космической и ядерной технике, судостроении, автомобилестроении, промышленном строительстве и др.Currently, structures made of polymer composite materials are increasingly used in various branches of technology: aviation, space and nuclear engineering, shipbuilding, automotive, industrial construction, etc.

Полимерные композиционные материалы обладают высокими удельными физико-механическими характеристиками и рядом свойств, благодаря которым успешно конкурируют с традиционными металлическими материалами.Polymeric composite materials possess high specific physicomechanical characteristics and a number of properties due to which they successfully compete with traditional metallic materials.

Наиболее значительные достижения по использованию полимерных композиционных материалов получены в авиационной и космической технике, в которых требуются конструкции, обладающие минимальной массой при заданной нагрузке. Основным недостатком большинства авиационных конструкций, выполненных из полимерных композиционных материалов, препятствующий широкому их использованию, является сложность конструктивного выполнения и технологии изготовления таких конструкций из этих материалов.The most significant advances in the use of polymer composite materials are obtained in aviation and space technology, which require designs that have a minimum mass at a given load. The main disadvantage of the majority of aircraft structures made of polymer composite materials, which prevents their widespread use, is the complexity of the design and manufacturing technology of such structures made of these materials.

Известен фюзеляж самолета в котором обшивка фюзеляжа соединена со стрингерным набором и шпангоутами эллиптической формы, которые с долевыми балками-стенками образуют прямоугольную форменную конструкцию, при этом верхний и нижний пояса шпангоутов соединены стойками-стяжками, равными высоте кабины, количество которых выбирается из условия предельно допустимых нагрузок на растяжение (Патент РФ №2349497, МПК В64С 1/06, опуб. 20.03.2009).The aircraft fuselage is known in which the fuselage skin is connected with a stringer set and elliptical frames, which form a rectangular shaped structure with proportional beams-walls, the upper and lower belts of the frames are connected by tie-rods equal to the height of the cabin, the number of which is chosen from the limit. tensile loads (RF Patent No. 2349497, IPC VS64 1/06, published on 03/20/2009).

Наиболее близким к предлагаемому является фюзеляжная конструкция воздушного судна, содержащая верхнюю и боковую оболочку и нижнюю оболочку. Верхняя, боковая оболочка и нижняя оболочка соединены в переходных зонах, проходящих в продольном направлении воздушного судна. Верхнюю и боковую оболочку, включая несущую конструкцию, изготавливают из волокнистого композиционного материала. Нижнюю оболочку, включая несущую конструкцию, изготавливают из алюминиевого материала. Верхнюю и боковую оболочку соединяют с композитной планкой из стекловолокна и алюминия, представляющей собой слоистый элемент с чередующимися слоями стекловолокна и слоями алюминия. Верхнюю и боковую оболочку пригоняют, включая композитную планку из стекловолокна и алюминия, выступающую на верхней и боковой оболочке, к нижней оболочке. Композитную планку соединяют из стекловолокна и алюминия с нижней оболочкой (Патент РФ №2435703, МПК В64С 1/06, опуб. 10.12.2011).Closest to the present invention is the fuselage design of the aircraft, containing the upper and side shell and the lower shell. The upper, lateral envelope and lower envelope are connected in transition zones, passing in the longitudinal direction of the aircraft. The upper and side shell, including the supporting structure, is made of a fibrous composite material. The lower shell, including the supporting structure, is made of aluminum material. The top and side shells are combined with a composite fiberglass and aluminum strip, which is a laminated element with alternating layers of fiberglass and aluminum layers. The top and side shells fit, including a composite fiberglass and aluminum strip, protruding on the top and side shells, to the bottom shell. The composite bar is made of fiberglass and aluminum with a bottom shell (Patent RF №2435703, IPC VS64 1/06, published 10.12.2011).

Недостатком существующих подходов к конструктивно-технологическим решениям кессона фюзеляжа является формирование замкнутого контура кессона посредством сборки отдельно изготовленных верхней, боковых и нижней панелей. Данные конструктивно-технологические решения приводят к необходимости выполнения множества отверстий для крепления панелей, что, в свою очередь, приводит к появлению концентраторов напряжений в кессоне, увеличению трудоемкости сборочных операций, увеличению номенклатуры оснастки.The disadvantage of the existing approaches to the design and technological solutions of the caisson of the fuselage is the formation of a closed contour of the caisson through the assembly of separately manufactured upper, side and bottom panels. These design and technological solutions lead to the need to perform a plurality of holes for fastening panels, which, in turn, leads to the appearance of stress concentrators in the caisson, an increase in the labor intensity of assembly operations, and an increase in the range of equipment.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение достаточного запаса устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета, уменьшение количества концентраторов напряжений в силовой части, повышение ресурса и несущей способности конструкции, улучшение удельных характеристик конструкции, повышение технологичности изготовления за счет уменьшения количества деталей, сокращения номенклатуры требуемой оснастки и уменьшения количества болтового/заклепочного соединения.The problem to which the present invention is directed is to ensure a sufficient stability margin of the top panel and walls of the fuselage caisson in all flight modes, reducing the number of stress concentrators in the power section, increasing the life and carrying capacity of the structure, improving the specific characteristics of the structure, improving the manufacturability due to reduce the number of parts, reduce the range of equipment required and reduce the number of bolted / riveted joints.

Поставленная задача решается тем, что кессон фюзеляжа выполненный из полимерного композиционного материала, состоит из П-образных верхней и нижней панелей, изготовленных из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя, при этом в верхнюю панель интегрированы боковые панели фюзеляжа, а высота заполнителя нижней панели превышает высоту заполнителя верхней панели.The problem is solved in that the fuselage coffer made of polymer composite material consists of U-shaped upper and lower panels made of supporting layers of polymer composite material and filler, while the fuselage side panels are integrated into the upper panel, and the bottom panel aggregate height exceeds the height of the top panel filler.

Верхняя и нижняя панели кессона фюзеляжа могут быть соединены между собой по всей длине фланцев клееболтовым соединением, выполненным при помощи анкерных гаек и крепежных элементов.The upper and lower panels of the fuselage box can be interconnected along the entire length of the flanges by a glue-and-bolt connection made with anchor nuts and fasteners.

Кессон фюзеляжа, состоящий из П-образных верхней и нижней панелей, изготовленных из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя с высотой заполнителя нижней панели превышающей высоту заполнителя верхней панели, воспринимает все внешние силовые факторы, действующие на фюзеляж, а именно изгибающий момент, воспринимаемый верхней и нижней панелью кессона, перерезывающая сила, воспринимаемая боковыми панелями, интегрированными в конструкцию верхней панели и крутящий момент, воспринимаемый замкнутым контуром кессона.The caisson of the fuselage, consisting of U-shaped upper and lower panels made of carrier layers of polymer composite material and aggregate with a lower core aggregate height exceeding the upper panel aggregate height, perceives all external force factors acting on the fuselage, namely, the bending moment perceived by the upper and the bottom panel of the caisson, the shear force perceived by the side panels integrated into the design of the top panel and the torque perceived by the closed loop of the caisson .

Кессон фюзеляжа может быть изготовлен любым известным методом, применяемым к полимерным композиционным материалам, например, методом автоклавного формования. Крепление верхней панели кессона с нижней панелью осуществляют посредством соединения между собой по всей длине фланцев клееболтовым соединением, выполненным при помощи анкерных гаек и крепежных элементов.The caisson of the fuselage can be made by any known method applied to polymer composite materials, for example, by the method of autoclave molding. Fastening the upper panel of the caisson with the lower panel is carried out by interconnecting along the entire length of the flanges with a glue-and-bolt connection, made with anchor nuts and fasteners.

В качестве полимерного композиционного материала может быть использован углепластик или стеклопластик.As a polymer composite material carbon fiber or fiberglass can be used.

В качестве заполнителя могут быть использованы пенопластовый или сотовый заполнитель.Foam or honeycomb can be used as a filler.

В качестве клея могут применяться клеи печного и холодного отверждения, например, клей холодного отверждения ВК-27.Kiln and cold curing adhesives can be used as glue, for example, VK-27 cold curing glue.

Конструкция кессона фюзеляжа представляет собой соединенные между собой две П-образные панели из композиционных материалов. Конструктивно-технологическое членение кессона фюзеляжа на верхнюю и нижнюю панели (линия стыка) определяется из условий действия наименьших нагрузок на зону стыка с учетом конструктивных ограничений. Данная схема кессона фюзеляжа позволяет повысить ресурс конструкции и получить высокие удельные характеристики конструкции.The design of the caisson of the fuselage is interconnected two U-shaped panels made of composite materials. Constructive-technological division of the caisson of the fuselage into the upper and lower panels (joint line) is determined from the conditions of the lowest loads on the joint zone, taking into account the design constraints. This scheme of the fuselage box allows you to increase the life of the structure and to obtain high specific characteristics of the structure.

Верхняя и нижняя панели кессона изготавливаются из полимерных композиционных материалов (например, углепластик на основе эпоксидных связующих расплавного типа). Панели кессона могут быть изготовлены автоклавным способом формования.The upper and lower panels of the caisson are made of polymer composite materials (for example, carbon-fiber plastic based on melt-type epoxy binders). Caisson panels can be made by autoclaving.

Верхняя панель кессона фюзеляжа представляет собой многослойную конструкцию, изготовленную из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя, обеспечивающего достаточный запас устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета. Изготовление верхней панели кессона фюзеляжа совместно с боковыми панелями кессона позволяет повысить несущую способность конструкции при той же массе, снизить количество требуемой оснастки, уменьшить количество болтового/заклепочного соединения.The upper panel of the fuselage is a multilayered structure made of carrier layers of polymer composite material and aggregate, providing an adequate margin of stability of the upper panel and the walls of the caisson of the fuselage in all flight modes. Making the top panel of the caisson of the fuselage together with the side panels of the caisson allows you to increase the bearing capacity of the structure with the same weight, reduce the number of required equipment, reduce the number of bolt / riveted connection.

Нижняя панель кессона фюзеляжа 2 представляет собой многослойную конструкцию, изготовленную из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя, обеспечивающего достаточный запас устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета.The bottom panel of the caisson of the fuselage 2 is a multilayer structure made of carrier layers of a polymer composite material and aggregate, providing an adequate margin of stability of the upper panel and walls of the caisson of the fuselage in all flight modes.

Высота заполнителя в нижней панели кессона фюзеляжа выбирается из условий обеспечения заданного запаса устойчивости панели от действия сжимающих сил. Как правило, нижняя панель кессона фюзеляжа воспринимает большие сжимающие усилия в сравнении с верхней панелью кессона фюзеляжа. В связи с этим, высота заполнителя нижней панели больше по сравнению с верхней панелью кессона.The height of the core in the bottom panel of the fuselage box is selected from the conditions for ensuring the specified stability margin of the panel against the action of compressive forces. As a rule, the lower panel of the fuselage coffer perceives large compressive forces in comparison with the upper panel of the fuselage coffer. In this regard, the height of the bottom panel core is greater compared to the top panel of the caisson.

Так же, в конструкции, в местах действия сосредоточенных нагрузок (установки оборудования, крепления агрегатов и т.д.), либо необходимости создания отверстия, предусмотрены закладные элементы, обеспечивающие перераспределение нагрузки по конструкции и уменьшение влияния концентраторов напряжений. Закладные элементы могут быть изготовлены из стеклотекстолита, титана и других материалов в зависимости от материала верхней панели кессона фюзеляжа и от характера и величины действующих нагрузок.Also, in the design, in the field of concentrated loads (installation of equipment, mounting units, etc.), or the need to create a hole, embedded elements are provided to ensure the redistribution of load on the structure and reduce the effect of stress concentrators. Embedded elements can be made of fiberglass, titanium and other materials depending on the material of the upper panel of the fuselage and the nature and size of the actual loads.

Предлагаемое изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый рисунок, на котором показан общий вид кессона фюзеляжа.The present invention is described in more detail with reference to the accompanying drawing, which shows a general view of the fuselage box.

Кессон фюзеляжа (фиг.) состоит из соединенных между собой верхней панели 1 и нижней панели 2, изготовленных из композиционного материала.The caisson of the fuselage (Fig.) Consists of interconnected top panel 1 and bottom panel 2, made of composite material.

Верхнюю панель 1 соединяют с нижней панелью 2 посредством анкерных гаек 3 и крепежных элементов 4. Крепление верхней панели 1 с нижней панелью 2 осуществляется на предварительно нанесенную клеевую прокладку 5 по поверхностям их сопряжения (фланцам) и производится установка крепежных элементов до момента отверждения клея, что позволяет обеспечить высокое качество клеевого соединения.The top panel 1 is connected to the bottom panel 2 by means of anchor nuts 3 and fasteners 4. The fastening of the top panel 1 with the bottom panel 2 is carried out on the previously applied adhesive pad 5 along their mating surfaces (flanges) and the fasteners are installed until the adhesive cures, which allows you to provide high quality adhesive bonding.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создать надежный, высокотехнологичный кессон фюзеляжа из полимерных композиционных материалов, обеспечивающий достаточный запас устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета с улучшенными удельными характеристиками, уменьшающий количество концентраторов напряжений в силовой части фюзеляжа, с повышением несущей способности конструкции и повышением ресурса конструкции.Thus, the proposed technical solution allows you to create a reliable, high-tech caisson of the fuselage made of polymer composite materials, providing an adequate margin of stability of the upper panel and walls of the caisson of the fuselage on all flight modes with improved specific characteristics, reducing the number of stress concentrators in the power section of the fuselage, with an increase in load capacity designs and increase resource design.

Предлагаемое изобретение позволит изготовить кессон фюзеляжа из композиционных материалов с повышением технологичности изготовления за счет уменьшения количества деталей и операций сверления, сокращением номенклатуры требуемой оснастки, и соответственно, с минимальной стоимостью изготовления и коротким производственным циклом.The present invention will allow to manufacture the fuselage of the fuselage of composite materials with improved manufacturability by reducing the number of parts and drilling operations, reducing the range of equipment required, and accordingly, with a minimum manufacturing cost and a short production cycle.

Claims

1. Caisson of the fuselage, made of polymer composite material, consisting of U-shaped upper and lower panels made of supporting layers of polymer composite material and aggregate, while the side panels of the fuselage are integrated into the upper panel, and the height of the lower panel core exceeds the height of the aggregate panels.

2. The caisson of the fuselage under item 1, characterized in that the upper and lower panels are interconnected along the entire length of the flanges by a glue-and-bolt connection, made using anchor nuts and fasteners.