ЗАКОНЦОВКА ЭЛЕМЕНТА ЖЕСТКОСТИ
STIFFENING ELEMENT EDGE LINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к элементу жесткости, имеющему законцовку; к сборной панели, включающей в себя усиленную элементом жесткости панель; к комплекту деталей для образования усиленной элементом жесткости панели и к способу образования панели, усиленной элементом жесткости.
Уровень техники
Тонкостенная панель может быть усилена установкой множества элементов жесткости, которые разделяют панель на множество более мелких и более устойчивых подпанелей. Усиленные элементами жесткости панели встречаются во многих оптимизированных по весу конструкциях, таких как конструкции летательных аппаратов. Например, кессон авиационного крыла обычно включает в себя на верхней и нижней сторонах обшивку (панель), усиленную продольными стрингерами (элементами жесткости).
Из-за конфликта с другими элементами конструкции элементы жесткости должны быть ограничены в определенных зонах. В конструкции кессона авиационного крыла элементы жесткости обычно должны быть ограничены, например в корневом сечении крыла, концевом обтекателе крыла, входных отверстиях, и т.д. На конце элемента жесткости воспринимаемое им усилие передается на панель. Таким образом, концы элемента жесткости часто содействуют появлению зон местной концентрации напряжений. Для снижения концентрации напряжений элементы жесткости обычно выполнены так, чтобы иметь на конце, так называемую, законцовку ("run-out" region), для передачи нагрузки от элемента жесткости на панель, чтобы минимизировать пики напряжений.
С переходом на более широкое применение композиционных материалов, таких как армированный углеродными волокнами пластик (CFRP), в оптимизированных по весу конструкциях использование элемента жесткости с законцовкой представляет особый интерес.
В композиционном покрытии кессона авиационного крыла стрингеры обычно связывают с обшивкой (путем совместного отверждения, совместного склеивания или приклеивания после отверждения). Под нагрузкой законцовки стрингеров могут отрываться из-за естественного отклонения стрингера от обшивки. Это отклонение происходит вследствие деформации плоскости, в результате чего появляются усилия растяжения по толщине, которые могут вызвать расслоение в вершине законцовки стрингера в месте крепления к обшивке.
Данная проблема традиционно решалась путем обеспечения низкой деформации (слабым растяжением) конструкции под нагрузкой. Решение, которое позволит конструкции работать при более высоком растяжении, обеспечило бы снижение веса. В документе US 2005/0211846 А1 описана законцовка стрингера, постепенно уменьшающаяся по высоте, а в документе WO 2008/132498 А1 описано крепление законцовки стрингера на панели для повышения эффективности.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является сборная панель, содержащая панель, элемент жесткости, имеющий основание, выступающую вверх продольную стенку и законцовку с одного конца, и фитинг, причем основание элемента жесткости приклеено к панели, а фитинг соединен с продольной стенкой элемента жесткости и с панелью с наружной стороны конца основания элемента жесткости.
Другим объектом изобретения является способ образования панели, усиленной элементом жесткости, включающий в себя этапы, на которых: обеспечивают наличие элемента жесткости, имеющего основание, выступающую вверх продольную стенку и законцовку с одного конца; приклеивают основание элемента жесткости к панели и соединяют фитинг с продольной стенкой элемента жесткости и с панелью с наружной стороны конца основания элемента жесткости.
Еще одним объектом изобретения является комплект деталей для образования панели, усиленной элементом жесткости, содержащий элемент жесткости, имеющий основание, выступающую вверх продольную стенку и законцовку с одного его конца; панель и фитинг для соединения с продольной стенкой элемента жесткости и с панелью с наружной стороны конца основания элемента жесткости.
Преимуществом изобретения является то, что фитинг может иметь жесткость на изгиб, достаточную для минимизации местного изгиба панели у основания элемента жесткости в районе его законцовки, что снижает усилие на расслоение на конце основания элемента жесткости и, следовательно, повышает прочность с точки зрения нагрузки, необходимой для отслаивания конца основания элемента жесткости. Несмотря на то, что изгиб панели передается далее к наружному концу фитинга, поскольку фитинг может быть прикреплен к панели, а не приклеен с ней, то крепежные детали могут иметь достаточную прочность, чтобы сопротивляться общей нагрузке, направленной по толщине.
Дополнительным объектом изобретения является элемент жесткости, содержащий основание, выступающую вверх продольную стенку и законцовку с одного конца, причем наружный конец продольной стенки нависает над наружным концом основания в районе законцовки.
Преимуществом такого выполнения является то, что нависающий участок продольной стенки может быть использован для защиты продольной стенки с наружной стороны конца основания элемента жесткости.
Элемент жесткости для усиленной панели является продольным элементом.
Элемент жесткости, имеющий нависающую продольную стенку, может быть применен в сборной панели согласно первому объекту изобретения.
Фитинг может быть присоединен к продольной стенке элемента жесткости. Если элемент жесткости имеет нависающую часть продольной стенки, фитинг предпочтительно присоединен к по меньшей мере нависающей части этой стенки. Более предпочтительно фитинг присоединен как к нависающей части продольной стенки, так и к продольной стенке внутри законцовки.
Фитинг может быть прикреплен к продольной стенке элемента жесткости и/или к панели. Например, фитинг может быть прикреплен болтами.
Фитинг может быть прикреплен непосредственно к продольной стенке элемента жесткости и/или к панели.
Предпочтительно фитинг не приклеен к панели.
Фитинг может быть расположен с зазором между ним и концом основания элемента жесткости. Предпочтительно размеры этого зазора сравнительно небольшие. При приложении к сборной панели растягивающей нагрузки в продольном направлении элемента жесткости небольшой зазор может заставить панель изогнуться вовнутрь, существенно уменьшая возможность расслоения на законцовке основания элемента жесткости.
Фитинг может быть выполнен в виде «башмака», имеющего основание и выступающую вверх стенку.
Фитинг может быть выполнен из двух частей, причем к каждой стороне продольной стенки элемента жесткости прикреплена одна часть. Альтернативно, фитинг может быть выполнен в виде единой детали.
Основание элемента жесткости может быть приклеено к панели посредством совместного отверждения, совместного склеивания или приклеивания после отверждения. Наружный конец основания элемента жесткости может быть дополнительно прикреплен к панели.
Фитинг может иметь жесткость на изгиб, достаточную для предотвращения местного изгиба панели у конца основания элемента жесткости.
Конец основания элемента жесткости может иметь обратную фаску. Обратная фаска может иметь поверхность, обращенную наружу в направлении панели. Между обратной фаской и панелью может быть расположен заполнитель из смолы. Заполнитель из смолы может по существу заполнить пустое пространство между обратной фаской и панелью и дополнительно может характеризоваться скругленной формой с внешней стороны. Обратная фаска может повысить прочность панели до соединения с элементом жесткости на наружном конце основания.
Элемент жесткости может иметь Т-образное сечение. Альтернативно, элемент жесткости может иметь I-образное сечение, L-образное сечение, U-образное сечение или любое другое.
В месте пересечения продольной стенки элемента жесткости с концом его основания может иметься скругление, что позволит снизить концентрацию напряжений.
Сборная панель может включать в себя множество элементов жесткости.
Элемент жесткости может быть, например, стрингером или лонжероном.
Фитинг может включать в себя накладку, проходящую над частью основания элемента жесткости.
Накладка может иметь выступающую вверх отбортовку по ее боковому краю (краям). Накладка может быть прикреплена к панели через основание элемента жесткости.
Сборная панель или элемент жесткости могут быть использованы в аэрокосмической области. Например, элемент жесткости может быть использован для усиления обшивки (панели) фюзеляжа летательного аппарата или покрытия (панели) кессона крыла.
Предпочтительно элемент жесткости выполнен из композиционного материала. Композиционный материал может включать в себя пластик, армированный волокнами, например углеродными.
Композиционный материал может иметь многослойную структуру, включающую в себя пакет из слоев материала.
Фитинг также может быть выполнен из композиционного материала, который может быть тем же, что и материал элемента жесткости, или отличным от него. Альтернативно, фитинг может быть изготовлен из металла, например из алюминия или титана. Панель также может быть выполнена из композиционного материала, который может быть одним и тем же или отличным от материала элемента жесткости.
Далее будут описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана традиционная усиленная элементом жесткости панель под растягивающей нагрузкой с типичным отрывом наружного конца основания элемента жесткости, вид сбоку;
на фиг. 2 - усиленная элементом жесткости панель согласно одному из вариантов осуществления изобретения, включающая в себя фитинг, присоединяющий нависающую часть продольной стенки элемента жесткости к панели с наружной стороны конца основания элемента жесткости, вид сбоку;
на фиг. 3 отдельно показан элемент жесткости с обратной фаской, вид сбоку;
на фиг. 4 - сборная панель, изображенная на фиг. 2, вид в перспективе;
на фиг. 5 - сборная панель согласно другому варианту осуществления изобретения, согласно которому продольная стенка элемента жесткости не имеет нависающей части, вид сбоку;
на фиг. 6 и 7 показана сборная панель согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, согласно которому продольная стенка элемента жесткости не имеет нависающей части, а фитинг выполнен в виде единой детали, включающей в себя накладки с выступающими вверх краевыми отбортовками.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана обычная панель, усиленная элементом жесткости. Эта панель 1 является обшивкой кессона авиационного крыла, а элемент 2 жесткости представляет собой продольный стрингер. Элемент 2 жесткости имеет сечение в виде перевернутой буквы «Т» и образован основанием 2а и выступающей вверх продольной стенкой 2b. Элемент 2 жесткости имеет на одном конце законцовку 3. В данном примере законцовка представляет собой скос 4, уменьшающий высоту стенки к наружному концу 5 основания 2а элемента жесткости. На фиг. 1 показана панель под растягивающей нагрузкой (чрезмерно преувеличенной), приложенной в продольном направлении элемента жесткости, и показано типичное место 6 отрыва наружного конца 5 основания 2а элемента жесткости.
На фиг. 2 показана сборная панель 10, усиленная элементом жесткости, согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Сборная панель 10 включает в себя панель 11, элемент 12 жесткости и фитинг 13. В данном примере панель 11 представляет собой обшивку кессона авиационного крыла, а элемент 12 жесткости - продольный стрингер. В кессоне авиационного крыла стрингеры проходят по существу вдоль размаха крыла, а фитинг 13 установлен на наружном (верхнем) конце элемента 12 жесткости.
И панель 11, и элемент 12 жесткости выполнены из композиционного материала. Композиционный материал может включать в себя пластик, армированный волокнами, например углеродными. Композиционный материал может иметь многослойную конструкцию, включающую в себя пакет слоев материала.
Элемент 12 жесткости имеет, в общем, перевернутое Т-образное сечение, образованное основанием 12а и выступающей вверх продольной стенкой 12b. Основание 12а элемента жесткости приклеено к внутренней поверхности панели 11. Основание элемента жесткости может склеиваться с панелью путем совместного отверждения, совместного склеивания или приклеивания после отверждения. Элемент 12 жесткости на своем наружном конце 14 имеет законцовку, в зоне которой нагрузка передается от элемента жесткости к панели. Наружный конец 15 продольной стенки 12b нависает над наружным концом 16 основания 12а элемента жесткости в районе законцовки с образованием нависающей части 12с.
Наружный конец 16 основания 12а элемента жесткости имеет обратную фаску 17, которая имеет поверхность, обращенную наружу в направлении панели 11. Между обратной фаской 17 и панелью 11 расположен заполнитель 18 из смолы. Заполнитель 18 по существу заполняет пустое пространство между обратной фаской 17 и панелью 11 и может дополнительно характеризоваться скругленной формой на наружном конце. Обратная фаска повышает прочность панели до соединения с элементом жесткости на наружном конце 16 основания 12а этого элемента жесткости.
На фиг. 3 отдельно показан наружный конец 14 элемента 12 жесткости. В месте пересечения продольной стенки 12b элемента жесткости с концом его основания 12а имеется скругление 19, способствующее снижению концентрации напряжений.
Как показано на фиг. 2, к продольной стенке 12b элемента жесткости прикреплен фитинг 13, в частности, он прикреплен как к нависающей части 12 с продольной стенки, так и к участку продольной стенки 12b за этой нависающей частью. Как лучше всего показано на фиг. 4, фитинг 13 состоит из двух частей, образуя трехслойную конструкцию с продольной стенкой 12b элемента жесткости. Фитинг 13 имеет форму «башмака», имеющего основание 13а и вертикальную стенку 13b.
Вертикальная стенка 13b фитинга прикреплена в местах 20 крепления к продольной стенке 12b элемента жесткости. Крепежными деталями могут быть, например, болты или любые другие известные крепежные детали. Основание 13а фитинга прикреплено к панели 11 с наружной стороны конца 16 основания 12а элемента жесткости в местах 21 крепления. Крепежными деталями могут быть, например, болты или любые другие соответствующие известные крепежные детали.
Основание 13а фитинга не приклеено к панели 11. Другими словами, это обычно неклеевое соединение поверхности панели 11 с нижней стороной основания 13а фитинга. Это является гарантией того, что при работе фитинга 13 показанное на фиг. 1 место 6 отрыва, происходящего в известных конструкциях, просто не передается дальше наружной стороны конца основания 13а фитинга.
Фитинг 13 расположен с зазором 22 между наружным концом 16 основания 12а элемента жесткости и основанием 13а фитинга. Размеры зазора являются сравнительно небольшими по сравнению с размерами основания 13а фитинга. При приложении к сборной панели 10 растягивающей нагрузки в продольном направлении элемента жесткости зазор 22 заставляет панель 11 изгибаться к элементу 12 жесткости, существенно уменьшая возможность расслоения на наружном конце 16 основания 12а элемента жесткости. Это контрастирует с положительными расслаивающими силами, появляющимися между панелью 1 и элементом 2 жесткости при подобных условиях растягивающего нагружения, показанного на фиг. 1. Таким образом, сборная панель 10, показанная на фиг. 2 и 3, значительно снижает возможность отрыва элемента жесткости на его законцовке.
Фитинг 13 имеет достаточную жесткость на изгиб, минимизируя местный изгиб панели у основания 12а элемента жесткости на его законцовке, что снижает усилие на отрыв на наружном конце 16 основания 12а элемента жесткости и, следовательно, повышает прочность на отрыв в зоне наружного конца основания элемента жесткости. Несмотря на то, что изгиб панели 11 передается снаружи далее к наружному концу фитинга 13, из-за того, что фитинг 13 прикреплен к панели 11, а не приклеен к ней, крепежные детали 21 имеют достаточную прочность, чтобы сопротивляться результирующей нагрузке в панели в направлении толщины.
На фиг. 5 изображен альтернативный вариант осуществления изобретения, согласно которому сборная панель 110 включает в себя панель 111, элемент 112 жесткости и фитинг 113. Сборная панель 110 является подобной во многих отношениях описанной выше сборной панели 10, и в дальнейшем будут рассмотрены только отличия сборных панелей 10 и 110. Прежде всего, элемент 112 жесткости имеет продольную стенку 112b и основание 112а, причем продольная стенка 112b не нависает над наружным концом основания 112а. Фитинг 113 прикреплен к продольной стенке 112b элемента жесткости крепежными деталями 120, а также к панели 111 крепежными деталями 121. В остальном, сборная панель 110 подобна описанной выше сборной панели 10. Из-за меньшего числа крепежных деталей 120 между продольной стенкой 112b элемента жесткости и фитингом 113, фитинг 113 имеет более высокую прочность на изгиб, чем фитинг 13. Таким образом, фитинг 113 в основном будет иметь больший вес, по сравнению с фитингом 13.
В любом из рассмотренных выше вариантов осуществления изобретения фитинг может быть выполнен в виде единой детали, имеющей, возможно, раздвоенный участок вертикальной стенки для вставки посередине продольной стенки элемента жесткости с образованием трехслойной конструкции.
В рассмотренных выше вариантах осуществления изобретения показан элемент жесткости Т-образного сечения, однако он может иметь различные сечения, например I-образное, L-образное или U-образное.
В рассмотренных выше вариантах осуществления изобретения основание элемента жесткости на своем наружном конце содержит обратную фаску для повышения сопротивления расслоению, но следует иметь в виду, что обратная фаска может и отсутствовать.
Усиленная элементом жесткости сборная панель согласно изобретению образована путем соединения основания элемента жесткости с панелью, прикреплением фитинга к продольной стенке элемента жесткости и к панели с наружной стороны конца основания элемента жесткости. Фитинг может иметь предварительно просверленные установочные отверстия для крепления его основания. Обычно фитинг закрепляют на панели путем введения соответствующих крепежных деталей в отверстия, предварительно совместно просверленные в основании фитинга, в вертикальной стенке фитинга и продольной стенке элемента жесткости.
На фиг. 6 показан другой альтернативный вариант осуществления изобретения, согласно которому сборная панель 210 содержит панель 211, элемент 212 жесткости и фитинг 213. Сборная панель 210 во многих отношениях подобна описанным выше сборным панелям 10 и 110, и в дальнейшем будут рассмотрены только отличия между сборной панелью 210 и сборными панелями 10 и 110.
Элемент 212 жесткости имеет продольную стенку 212b и основание 212а, причем продольная стенка 212b не нависает над верхним наружным концом основания 212а. Элемент 212 жесткости и фитинг 213 оптимизированы по весу. Как показано на фиг. 6, продольная стенка 212b элемента жесткости имеет переменную высоту и включает в себя первый участок I «номинальной» высоты, промежуточный участок II увеличенной высоты, третий участок III с плавным скосом, уменьшающим высоту продольной стенки к концу элемента жесткости на законцовке, и примыкающий к фитингу 213 четвертый участок IV, высота которого превышает высоту на участке III.
На фиг. 6 показано, как элемент 212 жесткости в сборной панели 210 проходит через элемент 230 поперечного набора (показанный, по существу, обрезанным), имеющий щель 231 для пропускания продольной стенки 212b элемента жесткости. Как можно также видеть на фиг. 6, основание 212 элемента жесткости имеет номинальную ширину (на участках I и II), но имеет участок увеличенной ширины на соседних участках III и IV для обеспечения расширенной «подушки» 240 основания элемента жесткости в направлении к его концу. Основание 212а элемента жесткости связано с панелью 211 так же, как описано выше.
Более подробно фитинг 213 показан на фиг. 7. Фитинг 213 прикреплен к продольной стенке 212b элемента жесткости (на участке IV) крепежными деталями 220 в отмеченных местах. К панели 211 фитинг 213 прикреплен крепежными деталями 221. В этом отношении сборная панель 210 подобна описанным ранее сборным панелям 10 и 110.
Фитинг 213 имеет несколько особенностей, которые будут рассмотрены далее. Следует иметь в виду, что фитинг 213 также пригоден для установки на более упрощенной конструкции элемента 112 жесткости, описанного выше со ссылкой на фиг. 5, и может быть также применен в соединении с нависающим элементом 12 жесткости, описанным со ссылкой на фиг. 1-4.
В отличие от рассмотренных ранее фитингов 13 и 113 фитинг 213 является цельным и включает в себя накладки 250, которые находятся над основанием 212а рядом с концом элемента жесткости. Накладки прикреплены через основание 212а элемента жесткости к панели 211 крепежными деталями 222 в отмеченных местах крепления. Дополнительно или альтернативно накладки 250 могут быть иначе присоединены или прикреплены к основанию 212а элемента жесткости. Предпочтительно накладки 250 проходят по всей ширине основания 212а элемента жесткости на его конце (краю), но, альтернативно, могут проходить поперечно лишь на части ширины конца элемента жесткости.
Накладки 250 имеют боковой край, который проходит по существу параллельно продольной оси элемента жесткости. Альтернативно, боковые края накладок 250 могут соответствовать ширине основания 212а элемента жесткости на участке «подушки» 240. Как показано на фиг. 7, боковые края накладок 250 имеют выступающие вверх отбортовки 251. Отбортовки 251 повышают жесткость фитинга 213, оптимизируя его вес. Отбортовки 251 по существу параллельны продольной оси элемента жесткости.
Конец (край) основания 212а элемента жесткости на законцовке предпочтительно срезан под прямым углом к продольному направлению элемента жесткости. В отличие от вариантов осуществления изобретения, рассмотренных выше со ссылками на фиг. 1-5, в данном случае между торцевой кромкой конца основания 212а элемента жесткости и основанием 213а фитинга может иметься незначительный зазор или только зазор на допуск. Основание 213а фитинга имеет в общем D-образную форму с выгнутым профилем 252, на виде сверху обращенным наружу от края элемента жесткости. Обычно основание 213а фитинга D-образной формы перед краем элемента жесткости имеет несколько вырезанных ступенек 253 для уменьшения веса. Эти ступеньки 253 обозначают участки поверхности под крепежные детали 221 для крепления фитинга 213 к панели 211 с наружной стороны конца элемента жесткости.
Фитинг 213 также включает в себя пару выступающих вверх стенок 213b, которые охватывают с обеих сторон продольную стенку 212b элемента жесткости, образуя трехслойную конструкцию. Высота как продольной стенки 212b элемента жесткости, так и высота вертикальных стенок 213b фитинга по направлению к концу элемента жесткости постепенно уменьшаются. На виде сбоку профиль выступающих вверх стенок 213b фитинга по существу соответствует профилю продольной стенки 212b элемента жесткости на участке IV. Как отмечено выше, вертикальная стенка 213b прикреплена крепежными деталями 220 к продольной стенке 212b элемента жесткости.
В описанном выше со ссылкой на фиг. 6 и 7 варианте осуществления изобретения фитинг 213 имеет цельную конструкцию, однако он может быть выполнен в виде двух отдельных деталей для прикрепления к основанию элемента жесткости, к панели и к продольной стенке элемента жесткости с ее обеих сторон. Независимо от того, используется в сборной панели 210 единый фитинг или состоящий из двух частей, предпочтительно фитинг выполнен из тех же самых металлических материалов, из которых выполнены описанные выше фитинги 13 и 113.
Несмотря на то, что выше описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует иметь в виду, что могут быть выполнены различные изменения и модификации без выхода за объем изобретения, определенного в его формуле.