WO2012035184A1 - Disposición de unión de piezas de material compuesto reforzada direccionalmente - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a joint arrangement of pieces of composite material and, more particularly, to a joint arrangement of pieces of composite material, highly charged, of an aeronautical structure.
  • composite materials of organic matrix and continuous fibers are mainly used mainly based on epoxy resins and carbon fibers in a wide variety of structural elements.
  • An object of the present invention is to provide a joining arrangement of two or more pieces of composite material without using intermediate pieces of metallic materials.
  • Another object of the present invention is to provide a joining arrangement of two or more pieces of composite material that achieves a stepped and optimized load transfer between the pieces.
  • the number of fabrics together, both in the same direction and in different directions, in each of said packages is of four. This achieves a joint arrangement in which fabric packages compliant with conventional design principles are used.
  • said part has, in the joining area, a stepped configuration between sections of different thickness. This achieves an appropriate configuration for certain joint arrangements.
  • the ends of the fabric packages in the joint zone are configured with a minimum slope of 1: 20. This facilitates the stacking of parts with tiered configuration junction areas.
  • the joining arrangement comprises a directionally reinforced piece and a piece of constant thickness in the joining area, the rivets being arranged in the sections of the piece directionally reinforced with a different number of fabric packages so that carries out a phased transfer of charges. This achieves a connection arrangement with a phased transfer of loads between two pieces.
  • the joint arrangement comprises a directionally reinforced piece and two pieces of constant thickness in the joint zone, the rivets being arranged in the sections of the piece directionally reinforced with a different number of fabric packages so that carries out a phased transfer of charges.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a joint arrangement between two directionally reinforced parts according to the present invention.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a joint arrangement between a directionally reinforced piece and a piece of constant thickness according to the present invention.
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of a joint arrangement between a directionally reinforced piece and two pieces of constant thickness according to the present invention.
  • the basic idea of the present invention is the use of directionally reinforced pieces of composite material instead of parts of mechanical materials in joining arrangements of pieces of composite material and in particular in highly loaded joining arrangements of components of composite materials of, particularly , aeronautical structures.
  • the stacking of the directionally reinforced part 1 1, staggered comprises three packages of fabrics 13, 13 ', 13 "of different lengths inserted between continuous fabrics
  • 4 fabrics are used together in the same direction in said packages 13, 13 ', 13 ". That is considered to be the maximum number of fabrics together that can be in a package according to the design principles. embodiments, a smaller number of fabrics could be used together in a package, depending on the number of fabrics used together, the reinforcement effect can be optimized.
  • the ends of the fabric packages 13, 13 ', 13 are configured with a minimum slope of 1: 20 in order to facilitate the stacking of the pieces.
  • Figure 2 shows an overlapping joint between two directionally reinforced parts 1 1, 21 (which may be the end edges of two components of an aeronautical structure) with, respectively, fabric packages 13, 13 ', 13 "; 23, 23 ', 23 "inserts between continuous fabrics 15, 25.
  • FIG. 4 A staggered joint between a directionally reinforced part 1 1 and two pieces 31, 41 of constant thickness is shown in Figure 4. With this arrangement, a gradual transfer of loads is achieved through, especially, the rivets 27, 27 ', 27 "which affect, respectively, the fabric packages 13", 13', 13; 13 ", 13 '; 13".
  • the present invention has the following advantages:

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Laminated Bodies (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

Disposición de unión de piezas de material compuesto reforzada direccionalmente en la que, en la zona de unión, al menos una de dichas piezas (1 1 ) es una pieza reforzada direccionalmente cuyo apilado comprende paquetes de telas (13, 13', 13") con la dirección óptima para efectuar la transferencia de cargas en la unión, insertos entre al menos una tela continua (15) a lo largo de dicha zona de unión, teniendo cada uno de esos paquetes de telas (13, 13', 13") distinta longitud de manera que dicha pieza reforzada direccionalmente (1 1 ) quede estructurada en la zona de unión en tramos (17, 17', 17") con un número diferente de paquetes de telas (13, 13', 13").

Description

DISPOSICION DE UNION DE PIEZAS DE MATERIAL COMPUESTO REFORZADA DIRECCIONALMENTE
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a una disposición de unión de piezas de material compuesto y, más en particular, a una disposición de unión de piezas de material compuesto, altamente cargada, de una estructura aeronáutica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad y particularmente en la industria aeronáutica se utilizan de forma masiva materiales compuestos de matriz orgánica y fibras continuas principalmente basadas en resinas epoxídicas y fibras de carbono en una gran diversidad de elementos estructurales.
Las estructuras aeronáuticas exigen, como es bien conocido, la integración de diversos elementos estructurales. Por ejemplo, los fuselajes requieren la integración del revestimientos con diversos elementos estructurales tales como vigas, cuadernas o larguerillos. A diferencia de lo que sucedía cuando se utilizaban materiales metálicos en los que prácticamente solo existía la opción de uniones mecánicas para la integración de los diversos elementos estructurales de un determinado componente, los materiales compuestos permiten que esa integración pueda realizarse también mediante uniones químicas.
Las disposiciones de unión de componentes primarios de una aeronave realizados en material compuesto, efectuadas directamente ó utilizando placas intermedias, plantean diversos problemas para lograr una transmisión eficiente de la carga entre dichos componentes al tratarse de disposiciones de unión altamente cargadas.
Un ejemplo de esa problemática es el planteado en el documento US 2009065644 en relación con la disposición de unión de los revestimientos del ala de aeronave con el cajón central del ala en la que es necesario asegurar una buena transferencia de carga de las alas al cajón central y desde el cajón central al resto de la estructura.
En ese documento se menciona la utilización de estructuras mixtas (metálicas y de materiales compuestos) en este tipo de disposiciones de unión y, en particular, la utilización de placas intermedias ("splice píate") metálicas.
Sería deseable sin embargo poder utilizar exclusivamente componentes de materiales compuestos en ese ú otros tipos de disposiciones de unión y la presente invención está orientada a la atención de esa demanda.
SUMARIO DE LA INVENCION
Un objeto de la presente invención es proporcionar una disposición de unión de dos o más piezas de material compuesto sin utilizar piezas intermedias de materiales metálicos.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una disposición de unión de dos o más piezas de material compuesto que consiga una transferencia de carga escalonada y optimizada entre las piezas.
Estos y otros objetos se consiguen mediante una disposición de unión remachada entre piezas de material compuesto en la que, en la zona de unión, al menos una de las piezas es una pieza reforzada direccionalmente cuyo apilado comprende paquetes de telas, con la dirección óptima para efectuar la transferencia de cargas en la unión, insertos entre al menos una tela continua a lo largo de dicha zona de unión, teniendo cada uno de esos paquetes de telas distinta longitud de manera que dicha pieza reforzada direccionalmente quede estructurada en la zona de unión en tramos con un número diferente de paquetes de telas.
En una realización preferente, el número de telas juntas, tanto en la misma dirección como en distinta dirección, en cada uno de dichos paquetes es de cuatro. Se consigue con ello una disposición de unión en la que se utilizan paquetes de telas conformes con principios de diseño convencionales.
En una realización preferente, dicha pieza tiene, en la zona de unión, una configuración escalonada entre tramos de diferente espesor. Se consigue con ello una configuración apropiada para ciertas disposiciones de unión.
En otra realización preferente, los extremos de los paquetes de telas en la zona de unión se configuran con una pendiente mínima de 1 :20. Se consigue con ello facilitar el apilado de piezas con zonas de unión de configuración escalonada.
En otra realización preferente, la disposición de unión comprende dos piezas reforzadas direccionalmente con la misma estructura del apilado en la zona de unión, incluyendo paquetes de telas y telas continuas, aunque con una diferente orientación de manera que se produzca una unión solapada entre ellas con un mismo número total de paquetes de telas en cada tramo de la unión. Se consigue con ello una disposición de unión compensada entre dos piezas.
En otra realización preferente, la disposición de unión comprende una pieza reforzada direccionalmente y una pieza de espesor constante en la zona de unión, estando los remaches dispuestos en los tramos de la pieza reforzada direccionalmente con un número diferente de paquetes de telas de manera que se efectúa una transferencia escalonada de cargas. Se consigue con ello, una disposición de unión con una transferencia escalonada de cargas entre dos piezas.
En otra realización preferente, la disposición de unión comprende una pieza reforzada direccionalmente y dos piezas de espesor constante en la zona de unión, estando los remaches dispuestos en los tramos de la pieza reforzada direccionalmente con un número diferente de paquetes de telas de manera que se efectúa una transferencia escalonada de cargas. Se consigue con ello, una disposición de unión con una transferencia escalonada de cargas entre tres piezas. Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que le acompañan. DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de una pieza reforzada direccionalmente de configuración escalonada utilizada en disposiciones de unión según la presente invención.
La Figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de una disposición de unión entre dos piezas reforzadas direccionalmente según la presente invención.
La Figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de una disposición de unión entre una pieza reforzada direccionalmente y una pieza de espesor constante según la presente invención.
La Figura 4 es una vista esquemática en sección transversal de una disposición de unión entre una pieza reforzada direccionalmente y dos piezas de espesor constante según la presente invención. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La idea básica de la presente invención es la utilización de piezas reforzadas direccionalmente de material compuesto en lugar de piezas de materiales mecánicos en disposiciones de unión de piezas de material compuesto y en particular en disposiciones de unión altamente cargadas de componentes de materiales compuesto de, particularmente, estructuras aeronáuticas.
En la realización preferente ilustrada en la Figura 1 el apilado de la pieza reforzada direccionalmente 1 1 , configurada escalonadamente, comprende tres paquetes de telas 13, 13', 13" de distinta longitud insertos entre telas continuas
15 de manera que se forman tres tramos escalonados 17, 17', 17' con un número diferente de paquetes de telas. En otras realizaciones podría tener un número diferente de paquetes de telas.
La aptitud de dicha pieza reforzada direccionalmente 1 1 para sustituir a una pieza metálica en una disposición de unión de piezas de material compuesto viene dada por dos características básicas:
- Las telas de los paquetes de telas 13, 13', 13" están orientadas con la dirección óptima para efectuar la transferencia de carga en la unión.
- La estructura en tramos 17, 17', 17" de diferente espesor y rigidez facilita una transferencia gradual de cargas.
En una realización preferente, se utilizan 4 telas juntas en la misma dirección en dichos paquetes 13, 13', 13". Se considera que ese es el máximo número de telas juntas que puede haber en un paquete según los principios de diseño. En otras realizaciones se podría utilizar un menor número de telas juntas en un paquete. En función del número de telas juntas que se utilice se consigue optimizar el efecto del refuerzo.
En realizaciones preferentes de configuración escalonada, como todas las ilustradas en las Figuras, los extremos de los paquetes de telas 13, 13', 13" se configuran con una pendiente mínima de 1 :20 con la finalidad de facilitar el apilado de las piezas.
Describiremos a continuación tres disposiciones de unión distintas utilizando piezas reforzadas direccionalmente 1 1 .
En la Figura 2 se representa una unión solapada entre dos piezas reforzadas direccionalmente 1 1 , 21 (que pueden ser los bordes extremos de dos componentes de una estructura aeronáutica) con, respectivamente, paquetes de telas 13, 13', 13"; 23, 23', 23" insertos entre telas continuas 15, 25.
Con esa disposición se consigue una unión compensada entre dichas piezas 1 1 , 21 ya que los remaches 27, 27', 27" están dispuestos en tramos 17, 17', 17" de la zona de unión de las piezas 1 1 , 21 que comprenden un mismo número de paquetes de telas: el remache 27 afecta a los paquetes de telas 23, 23'; el remache 27' afecta a los paquetes de telas 23, 13"; el remache 27" afecta a los paquetes 13', 13". En la Figura 3 se representa una unión escalonada entre una pieza reforzada direccionalmente 1 1 y una pieza 31 de espesor constante. Con esa disposición se consigue una transferencia gradual de cargas a través, especialmente, de los remaches 27, 27', 27" que afectan, respectivamente, a los paquetes de telas 13", 13', 13; 13", 13'; 13".
En la Figura 4 se representa una unión escalonada entre una pieza reforzada direccionalmente 1 1 y dos piezas 31 , 41 de espesor constante. Con esa disposición se consigue una transferencia gradual de cargas a través, especialmente, de los remaches 27, 27', 27" que afectan, respectivamente, a los paquetes de telas 13", 13', 13; 13", 13'; 13".
Entre otras, la presente invención tiene las siguientes ventajas:
- Permite optimizar las disposiciones de unión de piezas de materiales compuestos al utilizar las mencionadas piezas reforzadas direccionalmente con un diseño estructuralmente óptimo para la disposición de unión en cuestión.
- Permite optimizar la transferencia de carga en la disposición de unión, evitando la aparición de defectos en las piezas de material compuestos.
- Reduce los problemas de las disposiciones de unión de piezas de distintos materiales derivados de eventuales incompatibilidades entre ellos.
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 siguientes.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Disposición de unión remachada entre piezas de material compuesto, caracterizada porque, en la zona de unión, al menos una de dichas piezas (1 1 )
5 es una pieza reforzada direccionalmente cuyo apilado comprende paquetes de telas (13, 13', 13") con la dirección óptima para efectuar la transferencia de cargas en la unión, insertos entre al menos una tela continua (15) a lo largo de dicha zona de unión, teniendo cada uno de esos paquetes de telas (13, 13', 13") distinta longitud de manera que dicha pieza reforzada direccionalmente0 (1 1 ) quede estructurada en la zona de unión en tramos (17, 17', 17") con un número diferente de paquetes de telas (13, 13', 13").
2. - Disposición de unión remachada según la reivindicación 1 , caracterizada porque el número máximo de telas en dichos paquetes de telas5 (13, 13', 13") es de 4.
3. - Disposición de unión remachada según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, caracterizada porque en la zona de unión dicha pieza reforzada direccionalmente (1 1 ) tiene una configuración escalonada entre o tramos (17, 17', 17") de diferente espesor.
4. - Disposición de unión remachada según la reivindicación 3, caracterizada porque los extremos de los paquetes de telas (13, 13', 13") están configurados con una pendiente mínima de 1 :20.
5
5. - Disposición de unión remachada según cualquiera de las reivindicaciones 3-4, caracterizada porque comprende dos piezas reforzadas direccionalmente (1 1 , 21 ) con la misma estructura del apilado en la zona de unión, incluyendo paquetes de telas (13, 13', 13"; 23, 23', 23") y telas 0 continuas (15; 25), aunque con una diferente orientación de manera que se produzca una unión solapada entre ellas con un mismo número total de paquetes de telas (13', 13"; 13", 23"; 23", 23') en cada uno de los tramos (17, 17', 17") de la unión.
6. - Disposición de unión remachada según cualquiera de las reivindicaciones 3-4, caracterizada porque comprende una pieza reforzada direccionalmente (1 1 ) y una pieza (31 ) de espesor constante en la zona de unión, estando los remaches (27, 27', 27") dispuestos en los tramos (17, 17', 17") de la pieza reforzada direccionalmente (1 1 ) con un número diferente de paquetes de telas (13, 13', 13") de manera que se efectúa una transferencia escalonada de cargas.
7. - Disposición de unión remachada según cualquiera de las reivindicaciones 3-4, caracterizada porque comprende una pieza reforzada direccionalmente (1 1 ) y dos piezas (31 , 41 ) de espesor constante en la zona de unión, estando los remaches (17, 17', 17") dispuestos en los tramos (17, 17', 17") de la pieza reforzada direccionalmente (1 1 ) con un número diferente de paquetes de telas (13, 13', 13") de manera que se efectúa una transferencia escalonada de cargas.
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