СОЕДИНЕНИЕ ОМЕГООБРАЗНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ НАКЛАДОК НА УРОВНЕ ОКРУЖНОГО СТЫКА ФЮЗЕЛЯЖА САМОЛЕТА
CONNECTION OF OMEGA-SHAPE STIFFNESS PARTS BY STRAPS AT AIRCRAFT FUSELAGE CIRCULAR JOINT LEVEL

Настоящее изобретение относится к области соединения участков фюзеляжа самолета. В частности, изобретение касается соединения деталей жесткости двух участков при помощи накладок на уровне окружного стыка.
Фюзеляж самолета является конструкцией, в основном состоящей из нескольких соединенных между собой панелей. Упомянутые панели усиливают внутри фюзеляжа при помощи усилительных шпангоутов и деталей жесткости. Усилительные шпангоуты располагают по сечениям фюзеляжа по существу перпендикулярно к продольной оси фюзеляжа. Детали жесткости проходят вдоль продольной оси.
Когда фюзеляж выполняют путем соединения, по меньшей мере, двух участков, стык между двумя участками называют окружным. На уровне окружного стыка деталь жесткости прерывается и представляет собой несколько элементов жесткости, по существу расположенных в линию, по одному элементу на участок.
Однако усилия, действующие на деталь жесткости, должны передаваться от одного элемента жесткости к другому, несмотря на наличие разрывов.
Для соединения двух элементов одной детали жесткости между двумя участками 11а, 11b, как показано на фиг.1а, как известно из уровня техники, на концах 27а, 27b элементов 2а, 2b жесткости, находящихся на уровне окружного стыка 5, добавляют накладку 3, чтобы обеспечить непрерывность передачи усилий в детали жесткости. Упомянутая накладка опирается на элементы 2а, 2b напротив каждого участка 11а, 11b и ее соединяют и закрепляют к двум элементам 2а, 2b детали жесткости при помощи средств 7 крепления, таких как заклепки.
В случае панелей, выполненных из металлического материала, детали жесткости из металлического материала, как правило, имеют открытое поперечное сечение, и, учитывая форму упомянутого поперечного сечения, их называют деталями жесткости I-, J- или Т-образной формы. Для деталей жесткости, имеющих такое поперечное сечение, накладки, обычно используемые для соединения двух элементов одной детали жесткости, имеют поперечное сечение L- или J-образной формы.
В настоящее время фюзеляжи самолетов чаще всего выполняют из алюминиевого сплава, если иметь в виду панели, детали жесткости и накладки. Несмотря на качества легкости алюминия, он имеет недостатки с точки зрения коррозионной стойкости и структурной усталости, наиболее проявляющейся в окружных стыках при сильных потоках.
Кроме того, в настоящее время новые материалы, такие как композитные материалы с высоким модулем эластичности, позволяют предусматривать более легкие решения, чем алюминий, для выполнения фюзеляжей. Таким образом, панели и детали жесткости можно выполнять из композитного материала, например, такого как материал на основе углеродных волокон, пропитанных смолой.
Для таких панелей детали жесткости, отличающиеся оптимальными конструктивными характеристиками, имеют закрытое сечение, называемое омегообразным. Как показано на фиг.1b, деталь жесткости 2 содержит головку 21, две стенки 22, 23 и две подошвы 24, 25. Деталь жесткости крепят на одной стороне панели фюзеляжа двумя подошвами 24, 25.
В случае металлических деталей жесткости типа I, J, T, накладку в виде J или L крепят на каждом из двух элементов детали жесткости при помощи креплений, выполненных на уровне подошв или стенки. В случае деталей жесткости с закрытым поперечным сечением, таких как детали жесткости, называемые омегообразными, крепления, выполняемые на уровне стенок для соединения каждого элемента детали жесткости с накладкой, очень трудно контролировать по причине невозможности практического доступа внутрь закрытого сечения детали жесткости.
Настоящим изобретением предлагается производить на уровне окружного стыка фюзеляжа самолета наложение накладки между двумя элементами детали жесткости, имеющей закрытое поперечное сечение, что позволяет отказаться от выполнения креплений в стенке и головке упомянутой детали жесткости и в то же время обеспечивает непрерывность передачи продольных усилий.
Согласно изобретению, фюзеляж самолета содержит окружной стык между, по меньшей мере, двумя участками, при этом каждый участок содержит
- обшивку,
- по меньшей мере, один элемент, по меньшей мере, одной детали жесткости,
при этом каждый элемент детали жесткости
- расположен по существу напротив другого элемента на уровне стыка,
- содержит две стенки,
- содержит две подошвы,
- при этом упомянутые две стенки и две подошвы образуют вместе с обшивкой закрытое сечение,
в котором два находящихся друг против друга элемента детали жесткости соединены при помощи накладки, отличающийся тем, что деталь жесткости и накладка выполнены из композитного материала, и тем, что накладка:
- содержит две стенки,
- содержит две подошвы, при этом каждая из упомянутых подошв содержит опорную поверхность в контакте с подошвами элементов,
- закреплена к обшивке и к элементам при помощи работающих креплений, расположенных только на подошвах накладки.
В примере выполнения каждый элемент детали жесткости содержит головку между двумя стенками, определяя так называемое омегообразное поперечное сечение детали жесткости.
a
b
Учитывая, что все усилия растяжения-сжатия проходят между элементами детали жесткости через подошвы упомянутых элементов, каждая подошва каждого элемента детали жесткости имеет концевую зону с увеличенным поперечным сечением и длиной, превышающей расстояние D, D перекрывания накладки.
a
b
a
b
Предпочтительно для того, чтобы все усилия растяжения-сжатия передавались в детали жесткости от подошв элементов к подошвам накладки, каждую длину D, D перекрывания определяют таким образом, чтобы обеспечить установку работающих креплений на упомянутой длине перекрывания. Кроме того, опорные поверхности подошв накладки находятся в контакте с подошвами элементов детали жесткости по существу на всех упомянутых опорных поверхностях на длинах D, D перекрывания.
В примере выполнения опорные поверхности являются по существу плоскими.
В другом примере выполнения упомянутые опорные поверхности выполнены с возможностью нахождения в контакте с элементами детали жесткости и обшивками с учетом геометрии упомянутых элементов и упомянутых обшивок.
В варианте выполнения накладка содержит головку, две стенки и две подошвы, определяющие омегообразное поперечное сечение, при этом размеры упомянутого поперечного сечения определяют таким образом, чтобы обеспечить крепление накладки, наложенной на элементы детали жесткости, с обеспечением контакта подошв накладки с подошвами элементов детали жесткости.
Предпочтительно для обеспечения функции дренажа и визуального контроля креплений, выполненных на обечайке, головка накладки содержит, по меньшей мере, одну выемку.
В другом варианте выполнения накладка содержит две боковые части, каждая из которых содержит стенку и подошву, при этом упомянутые две боковые части расположены с каждой стороны стенок элементов деталей жесткости и соединены центральной частью, расположенной продольно на накладке между концами упомянутых элементов детали жесткости и выполненной с возможностью удержания в положении относительно друг друга двух боковых частей, когда накладка установлена на место.
В варианте выполнения, чтобы участвовать в конструктивной части соединения, центральная часть содержит опорную поверхность в продолжении опорных поверхностей подошв боковых частей, которая закреплена к обшивкам при помощи работающих креплений.
В другом варианте выполнения, чтобы избежать выгибания стенок боковых частей, центральная часть содержит, по меньшей мере, одну усилительную нервюру, при этом упомянутая нервюра находится, по существу, в плоскости поперечного сечения накладки и закреплена к стенкам боковых частей.
В другом варианте выполнения, чтобы улучшить устойчивость боковых частей, упомянутые боковые части содержат загнутый край на конце стенок противоположно подошвам накладки.
В другом варианте выполнения накладка содержит две независимые боковые части, при этом первая часть находится на одной стороне стенок элементов деталей жесткости, а вторая часть - на другой стороне стенок.
Подробное описание изобретения представлено со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых
Фиг.1 (уже упоминалась) - вид детали жесткости, соединенной при помощи накладки из предшествующего уровня техники.
Фиг.1b (уже упоминалась) - вид в перспективе детали жесткости, имеющей омегообразное поперечное сечение.
Фиг.2 - схематичный вид части фюзеляжа самолета.
Фиг.3а - схематичный вид в перспективе омегообразной детали жесткости, соединенной при помощи накладки согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фиг.3b - вид в перспективе накладки, соединяющей два элемента омегообразной детали жесткости согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фиг.4а - схематичный вид в перспективе омегообразной детали жесткости, соединенной при помощи накладки согласно второму варианту выполнения изобретения.
Фиг.4b, c, d, e - различные виды накладки согласно второму варианту выполнения, иллюстрирующие версии выполнения накладки.
Фиг.5 - схематичный вид в перспективе омегообразной детали жесткости, соединенной при помощи накладки согласно третьему варианту выполнения изобретения.
Как показано на фиг.2, фюзеляж 1 самолета выполняют путем соединения, по меньшей мере, двух по существу цилиндрических участков 11а, 11b на уровне окружных стыков 5. Каждый участок 11а, 11b содержит обшивку 12а, 12b, выполненную при помощи, по меньшей мере, одной панели фюзеляжа. На уровне стыка 5 панели соединяют между собой при помощи обечайки 4.
Для обеспечения необходимой жесткости фюзеляжа 1 упомянутый фюзеляж содержит усилительные шпангоуты 6 и детали жесткости. Усилительные шпангоуты 6, обечайка 4 и панели соединяют на уровне окружного стыка.
На уровне окружного стыка 5 детали жесткости прерываются и имеют вид двух элементов 2а, 2b для каждой детали жесткости, расположенных друг против друга, когда два участка соединены, и проходят вдоль продольной оси фюзеляжа на каждом участке 11а, 11b. Элементы 2а, 2b одной детали жесткости крепят на обшивке 12а, 12b участка 11а, 11b фюзеляжа.
Для передачи усилий от одного элемента детали жесткости к другому, несмотря на наличие разрыва, и для обеспечения конструктивной непрерывности детали жесткости оба элемента 2а, 2b соединяют при помощи накладки 3. Упомянутая накладка опирается на концы 27а, 27b упомянутых двух элементов и крепится к элементам 2а, 2b детали жесткости при помощи креплений 7, таких как заклепки.
В шпангоуте 6 выполняют вырез 37 для прохождения накладки 3 и обеспечения передачи усилий от одного элемента детали жесткости к другому через упомянутую накладку.
В примерах выполнения, показанных на фиг.3а-5, соединение детали жесткости на уровне окружного стыка 5 между двумя участками 11а, 11b фюзеляжа самолета описано для случая детали жесткости закрытого сечения, имеющей поперечное сечение омегообразной формы.
Элемент 2а детали жесткости, как показано на фиг.3а, содержит головку 21а, две стенки 22а, 23а и две подошвы 24а, 25а. Обе подошвы являются по существу копланарными. Каждая подошва 24а, 25а соединена со стенкой 22а, 23а, наклоненной по отношению к плоскости подошв. Упомянутые стенки удерживают головку 21а по существу на постоянном расстоянии от подошв. Элемент 2а детали жесткости крепят на обшивке 12а участка 11а двумя подошвами 24а, 25а. Таким образом, деталь жесткости 2а, соединенная с обшивкой 12а, предпочтительно образует жесткую и прочную кессонную конструкцию.
Аналогично, элемент 2b детали жесткости содержит головку 21b, две стенки 22b, 23b и соединен на обшивке 12b участка 11b таким же образом.
a
b
a
b
a
b
a
b
a
a
b
b
В описанных примерах выполнения головка 21а, соответственно 21b, имеет ширину I, соответственно I. Две подошвы 24а, 25а, соответственно 24b, 25b, разделены расстоянием d, соответственно d. В общем случае омегообразных деталей жесткости, как показано на фиг.3а-5, расстояние d, соответственно d, больше ширины I, соответственно I. Вместе с тем, принципы изобретения применимы также для случая деталей жесткости, не отвечающих этому условию d, большего или равного I, соответственно d, большего или равного I.
Согласно изобретению и в отличие от известных технических решений накладка, обеспечивающая передачу усилий между элементами деталей жесткости, полностью крепится только подошвами так, что не предусмотрено никаких креплений на стенках или на головке, то есть в месте, где крепление в глухой зоне делало бы практически невозможным контроль в промышленном масштабе, например в случае стыка, содержащего большое количество креплений.
Чтобы достичь этого результата, обеспечивая при этом конструктивное качество стыка, необходимо адаптировать совместно накладку и элементы детали жесткости, по меньшей мере, в зонах крепления накладки.
Согласно первому варианту выполнения, показанному на фиг.3а, накладка 3, которая обеспечивает конструктивную непрерывность между по существу находящимися друг против друга двумя элементами 2а, 2b одной детали жесткости, имеет по существу омегообразное поперечное сечение, как и элементы 2а, 2b детали жесткости. Упомянутая накладка содержит головку 31, две стенки 32, 33 и две подошвы 34, 35, при этом упомянутые подошвы содержат опорную поверхность 341, 351. Упомянутая накладка перекрывает концы 27а, 27b двух элементов 2а, 2b, находящихся с каждой стороны стыка, так, что головка 31 накладки 3 перекрывает головки 21а, 21b концов 27а, 27b двух элементов 2а, 2b детали жесткости, и стенка 32, соответственно 33, перекрывает стенки 22а, 23а, соответственно 22а, 23b, концов 27а, 27b элементов 2а, 2b детали жесткости.
Опорная поверхность 341, соответственно 351, накладки 3 находится в контакте с подошвами 24а, 24b, соответственно 25а, 25b, концов 27а, 27b двух элементов 2а, 2b детали жесткости и на обшивке 12а, соответственно 12b, или обечайке 4, когда упомянутую обечайку устанавливают на обшивках 12а, 12b, находящихся с той же стороны, что и элементы 2а, 2b детали жесткости. Опорные поверхности 341, соответственно 351, крепят на подошвах 24а, 24b, соответственно 25а, 25b, и на обечайке 4 или обшивке 12а, 12b при помощи креплений 7, таких, например, как заклепки.
Предпочтительно опорные поверхности 341, 351 накладки 3 выполнены с возможностью обеспечения контакта во всех зонах, где должны находиться работающие крепления с учетом геометрии подошв 24а, 24b, 25а, 25b элементов 2а, 2b детали жесткости и обечайки 4 или обшивки 12а, 12b.
В другом примере выполнения, когда опорные поверхности 341, 351 накладки 3 являются по существу плоскими, устанавливают регулировочные прокладки, чтобы накладка идеально находилась в контакте с упомянутыми элементами 2а, 2b детали жесткости и обечайкой 4 или обшивкой 12а, 12b.
a
b
a
b
Накладка 3 проходит по длине перекрывания D, соответственно D, каждого элемента 2а, соответственно 2b, детали жесткости, так что число креплений 7, устанавливаемых на упомянутой длине перекрывания, является достаточным, чтобы все усилия растяжения-сжатия передавались от подошв 24а, 24b, соответственно 25а, 25b, элементов 2а, 2b к подошвам 34, 35 накладки 3. Учитывая крепление накладки 3 только на подошвах 24а, 24b, 25а, 25b элементов 2а, 2b детали жесткости, длина перекрывания D, D больше, по сравнению с обычным вариантом соединения накладками между двумя участками, чем длина перекрывания накладки, закрепленной также на стенке элементов детали жесткости.
Для обеспечения передачи усилий опорные поверхности 341, 351 подошв 34, 35 накладки 3 должны обязательно находится в контакте с подошвами 24а, 24b, 25а, 25b элементов 2а, 2b детали жесткости. Для этого внутренние размеры поперечного сечения накладки (3) определяют таким образом, чтобы упомянутые внутренние размеры всегда превышали или были равны наружным размерам теоретической детали жесткости. Теоретическая деталь жесткости характеризуется огибающей всех деталей жесткости в относительном положении с учетом размерных погрешностей и допусков позиционирования, неизбежных в силу наличия производственных допусков между двумя элементами детали жесткости.
a
b
На уровне стыка между двумя элементами 2а, 2b детали жесткости и накладкой 3 все усилия передаются от одного элемента детали жесткости к другому через подошвы 24а, 24b, 25а, 25b упомянутых элементов. Чтобы учитывать увеличение усилий в упомянутых подошвах, поперечное сечение подошв элементов 2а, 2b детали жесткости увеличивают на концевой зоне длиной, превышающей длину перекрывания D, D таким образом, чтобы напряжения оставались в прочностном пределе материала. Предпочтительно, чтобы обеспечить постепенную передачу усилий и избежать чрезмерной толщины подошвы 24а, 24b, 25а, 25b, на конце элемента детали жесткости и в зоне крепления с накладкой увеличивают ширину каждой подошвы. Это увеличение ширины подошв позволяет также учитывать погрешности выравнивания между двумя элементами детали жесткости во время соединения участков.
Подошвы 34, 35 накладки 3 имеют также размеры по толщине и по ширине, предусмотренные для передачи усилий. Предпочтительно ширину подошв 34, 35 выбирают таким образом, чтобы с учетом допусков размерности и позиционирования элементов 2а, 2b детали жесткости подошвы 34, соответственно 35, накладки по всей своей длине всегда полностью опирались на подошвы 24а, 24b, соответственно 25а, 25b, упомянутых элементов.
Для обеспечения функции дренажа и контроля креплений при соединении двух участков между собой на уровне окружного стыка, находящегося на обечайке 4 под головкой 31 омегообразной накладки 3, в головке 31 упомянутой накладки выполняют, по меньшей мере, одну выемку 36.
Во втором варианте выполнения, показанном на фиг.4а, накладка 30, обеспечивающая соединение двух элементов 2а, 2b омегообразной детали жесткости, содержит две боковые части 10, 11, каждая из которых имеет поперечное сечение, по существу L-образное, и центральную часть 9, соединяющую две боковые части 10, 11 и удерживающую вместе в заранее определенном положении две боковые части, чтобы упомянутые две боковые части опирались только на подошвы элементов 2а, 2b детали жесткости.
a
b
Центральная часть 9 имеет ширину, превышающую расстояние d или d между двумя подошвами 24а, 24b или 25а, 25b элемента 2а или 2b детали жесткости, чтобы учитывать, как было описано в случае первого варианта выполнения, погрешности выравнивания меду двумя элементами 2а, 2b детали жесткости во время соединения двух участков 11а, 11b.
Каждая боковая часть 10, 11 содержит стенку 101, 111 и подошву 102, 112, содержащую опорную поверхность 103, 113. Обе боковые части расположены по обе стороны от элементов 2а, 2b омегообразной детали жесткости, при этом стенки 101, 111 расположены со стороны стенок 22а, 22b, 23а, 23b элементов 2а, 2b омегообразной детали жесткости. Подошвы 102, 112 накладки 30 крепят на подошвах 24а, 24b, 25а, 25b двух элементов 2а, 2b и на обечайке 4 или обшивке 12а, 12b.
Аналогично первому варианту выполнения, опорная поверхность 103, соответственно 113, боковой части 10, соответственно 11, опирается на подошвы 24а, 24b, соответственно 25а, 25b, концов 27а, 27b двух элементов 2а, 2b детали жесткости и на обечайку 4 или обшивку 12а, соответственно 12b. Опорные поверхности 103, 113 крепят соответственно на подошвах 24а, 24b и 25а, 25b и на обечайке 4 при помощи креплений 7.
a
b
По обе стороны от концов двух элементов детали жесткости боковые части проходят по длине перекрывания D, D, достаточной для обеспечения установки работающих креплений 7 и соответственно передачи усилий растяжения-сжатия от подошв 24а, 24b, 25а, 25b элементов 2а, 2b детали жесткости к подошвам 102, 112 накладки 30.
Центральная часть 9 содержит, по меньшей мере, одну работающую конструктивную зону. Упомянутую центральную часть располагают между двумя концами 27а, 27b двух элементов 2а, 2b детали жесткости во время установки накладки.
В варианте выполнения упомянутая конструктивная часть центральной части 9 содержит опорную поверхность 93 по существу в продолжении опорных поверхностей подошв, выполненную с возможностью опоры на обшивки 12а, 12b или на обечайку между концами 27а, 27b элементов деталей жесткости. Таким образом, упомянутая центральная часть имеет длину, меньшую расстояния D, разделяющего два конца 27а, 27b двух элементов 2а, 2b детали жесткости.
Предпочтительно центральную часть 9 крепят при помощи креплений 7, таких как заклепки, на обечайке 4 или обшивке 12а, 12b, и она участвует в обеспечении конструктивного качества соединения.
В другой версии выполнения этого второго варианта центральная часть 9 дополнительно содержит усилительную нервюру 91, как показано на фиг.4b, 4c, 4d, по существу перпендикулярную к стенкам 101, 111 боковых частей 11 и закрепленную на упомянутых стенках боковых частей 10, 11. Добавление нервюры 91 позволяет лучше распределить укрепление и избежать выгибания стенок 101,111 двух боковых частей 10, 11.
В примере, показанном на фиг.4b, центральная часть 9 содержит центральную нервюру 91, по существу перпендикулярную к стенкам 101, 111 боковых частей 10, 11.
В примере, показанном на фиг.4с, центральная часть 9 содержит две нервюры 91, по существу перпендикулярные к стенкам 101, 111 боковых частей 10, 11, и упомянутые нервюры располагают, каждую, на одном из свободных концов 92 упомянутой центральной части.
В примере, показанном на фиг.4d, центральная часть 9 содержит только две нервюры 91, по существу перпендикулярные к стенкам 101, 111 боковых частей 10, 11. Отсутствие центральной части 9 позволяет получить выигрыш в массе.
В версии выполнения этого второго варианта, показанной на фиг.4е, боковые части 10, 11 дополнительно содержат на уровне конца стенок 101, 111, противоположного подошве 102, 112, загнутый край 104, 114 в направлении стенок двух элементов детали жесткости, что повышает устойчивость накладки 30.
В этом примере накладка содержит две боковые части 10, 11 и центральную часть 9, содержащую опорную поверхность 93 в продолжении опорных поверхностей 103, 113 подошв 102, 112 упомянутых боковых частей.
В третьем варианте выполнения, показанном на фиг.5, соединение двух элементов 2а, 2b детали жесткости осуществляют при помощи накладки 300, содержащей две независимые боковые части 305, при этом каждая часть имеет поперечное сечение по существу в виде Z, расположенные по обе стороны от концов элементов детали жесткости.
Каждая боковая часть 305 содержит головку 301, стенку 302 и подошву 303, при этом упомянутые подошвы содержат опорную поверхность 304.
Головку 301 каждой боковой части 305 располагают со стороны стенок 22а, 22b, соответственно 23а, 23b, двух элементов 2а, 2b.
Опорная поверхность 304 первой боковой части 305, соответственно второй боковой части 305, опирается на подошвы 24а, 24b, соответственно 25а, 25b, концов 27а, 27b двух элементов 2а, 2b детали жесткости и на обечайку 4 или обшивки 12а, 12b. Опорные поверхности 304 крепят соответственно на подошвах 24а, 24b и 25а, 25b и на обечайке 4 или обшивках 12а, 12b при помощи креплений 7.
a
b
Аналогично двум другим вариантам, боковые части 305 проходят с обеих концов двух элементов детали жесткости по длине перекрывания D, D, достаточной для установки работающих креплений 7 и, следовательно, для обеспечения передачи усилий растяжения-сжатия от подошв 24а, 24b, 25а, 25b элементов 2а, 2b детали жесткости к подошвам 303 накладки 300.
Предпочтительно описанные омегообразная деталь жесткости и различные накладки полностью выполняют из композитного материала. Использование композитных материалов позволяет избежать проблем тепловых расширений и коррозии, встречающихся на металлических деталях.
Примеры соединений при помощи накладок жесткости на уровне окружного стыка описаны для случая детали жесткости закрытого сечения, имеющей омегообразное поперечное сечение, хотя это и не является ограничительным признаком изобретения. Изобретение можно применять для всех деталей жесткости фюзеляжа и для любого закрытого сечения детали жесткости, например, такого как трапециевидное или круглое поперечное сечение.
Таким образом, изобретение позволяет получить на уровне окружного стыка фюзеляжа самолета соединение накладками между двумя элементами детали жесткости с закрытым поперечным сечением, в частности омегообразной детали жесткости из композитного материала, что позволяет отказаться от установки креплений в стенке и головке упомянутой детали жесткости и одновременно обеспечивать непрерывность передачи продольных усилий.