Стыковое соединение по окружности для конструкций обшивки
CIRCUMFERENTIAL BUTT JOINT FOR SKIN STRUCTURES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к соединениям конструкций обшивки и, более конкретно, к стыковому соединению для соединения между собой соседних частей конструкции обшивки, например, секций фюзеляжа летательного аппарата.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основные структурные элементы больших летательных аппаратов, как правило, изготавливают из металла или композитных материалов. Например, обшивка фюзеляжа такого летательного аппарата может, как правило, быть изготовлена из высокопрочных алюминиевых сплавов или армированных волокном полимерных материалов, которые обладают относительно высоким отношением прочности к массе.
Летательный аппарат может включать две или больше обшивок, секций и т.п. фюзеляжа, которые соединены и скреплены между собой стыковыми соединениями по окружности, обеспечивающими соединение между собой частей фюзеляжа и образование полной конструкции фюзеляжа. Для того, чтобы точно установить соединения конструкции, секции фюзеляжа выравнивают друг относительно друга и просверливают отверстия через соединительные стыковые накладки и расположенные под ними части обшивки. Например, соседние секции фюзеляжа могут быть соединены с помощью стыкового соединения, состоящего из рамы или шпангоута, расположенного внутри фюзеляжа, и мостов между стрингерами смежных секций фюзеляжа. Множество крепежных средств проходят через раму и способствуют непрерывности секций фюзеляжа. В качестве другого примера, смежные секции фюзеляжа могут быть соединены между собой с использованием стыковой накладки и множества стыковых крепежных средств, прикрепленных между парой соседних секций фюзеляжа для перекрытия области контакта между смежными секциями фюзеляжа. Как правило, стыковая накладка плоская и образует плоскую соединительную хорду, проходящую через стыковое соединение. В зависимости от типа стыкового соединения, в узле может потребоваться множество отверстий («мышиных нор»), расположенный в раме или шпангоуте, через которые будут проходить стыковые крепежные средства.
Как правило, стыковые крепежные средства могут быть выполнены из металлического материала, такого как титан. Поскольку титан является относительно дорогим материалом, затраты на материалы и изготовление, связанные с применением титановых стыковых крепежных средств, могут увеличить сумму расходов при производстве летательного аппарата. Кроме того, секции фюзеляжа могут быть соединены между собой с использованием множества крепежных элементов, которые проходят через раму для ее соединения с секциями фюзеляжа, и множества крепежных элементов, которые проходят через стыковые крепежные средства для соединения крепежных средств с секциями фюзеляжа. Для установки крепежных элементов необходимо просверлить множество крепежных отверстий сквозь стыковое соединение для установки в них крепежных элементов. Недостаток этого способа сборки состоит в том, что сверление отверстий через слои разнородных материалов, которые содержат титановые стыковые крепежные средства, требует много времени, в связи с чем увеличивается время, необходимое для сборки частей фюзеляжа, а также трудозатраты, связанные с такой сборкой. Кроме того, сверление отверстий в стыковом крепежном средстве, изготовленном из титана или другого металлического материала, обычно требуют разделения и очистки от заусенцев компонентов, что также увеличивает время и затраты на сборку фюзеляжа. Еще один недостаток такого способа сборки состоит в том, что для совмещения секций фюзеляжа и установки стыковых крепежных средств вдоль области контакта могут потребоваться прокладки. Это также увеличивает необходимое время и затраты.
Таким образом, специалисты в данной области техники продолжают исследования и разработки в области соединения конструкций обшивки между собой, в частности, в области сборки летательного аппарата.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления стыковое соединение конструкций обшивки согласно изобретению может включать первую панель, имеющую первую кромку, стяжку, прикрепленную к первой панели и проходящую за пределы первой кромки, где стяжка имеет первую наклонную область, и первое крепежное средство, имеющее наклонный участок и плоский участок, причем наклонный участок прикреплен к первой наклонной области стяжки. Рама может быть необязательно прикреплена к стяжке.
В другом варианте осуществления стыковое соединение конструкций обшивки согласно изобретению может включать первую панель, имеющую первую кромку, вторую панель, имеющую вторую кромку, причем вторая кромка совмещена по торцу с первой кромкой с образованием стыкового соединения, стяжку, проходящую в виде моста через стыковое соединение и прикрепленную к первой панели и ко второй панели, причем стяжка имеет первую наклонную область и вторую наклонную область, первое крепежное средство, имеющее наклонный участок и плоский участок, причем наклонный участок прикреплен к первой наклонной области стяжки, и второе крепежное средство, имеющее наклонный участок и плоский участок, причем наклонный участок прикреплен ко второй наклонной области стяжки.
В другом варианте осуществления раскрыт элемент стыкового соединения для соединения соседних панелей конструкций обшивки, который может включать стяжку, имеющую первую сторону, вторую сторону, в целом плоскую среднюю область, первую наклонную область, проходящую вниз рядом со средним участком к окрестности первой стороны, и вторую наклонную область, проходящую вниз рядом со средним участком к окрестности второй стороны, первое крепежное средство, имеющее наклонный участок и плоский участок, причем наклонный участок прикреплен к первой наклонной области стяжки, и второе крепежное средство, имеющее наклонный участок и плоский участок, причем наклонный участок прикреплен ко второй наклонной области стяжки. Рама с Z-образным или С-образным поперечным сечением может быть прикреплена к средней плоской части стыковой стяжки.
В другом варианте осуществления раскрыт способ соединения конструкций обшивки, который может включать следующие этапы:
(1) обеспечение первой панели конструкции обшивки, имеющей первую кромку,
(2) обеспечение стяжки, имеющей первую наклонную область и вторую наклонную область,
(3) расположение стяжки рядом с первой кромкой таким образом, чтобы первая наклонная область примыкала к первой панели, а вторая наклонная область проходила наружу от первой кромки,
(4) прикрепление стяжки к первой панели,
(5) обеспечение первого крепежного средства, имеющего наклонный участок и плоский участок,
(6) расположение первого крепежного средства таким образом, чтобы наклонный участок примыкал к первой наклонной области стяжки, а плоский участок примыкал к первой панели,
(7) прикрепление первого крепежного средства к стяжке и
(8) прикрепление первого крепежного средства к первой панели.
В еще одном варианте осуществления раскрыт способ соединения конструкций обшивки, который может включать следующие этапы:
(1) обеспечение первой панели конструкции обшивки, имеющей первую кромку,
(2) обеспечение стяжки, имеющей первую наклонную область и вторую наклонную область,
(3) расположение стяжки рядом с первой кромкой таким образом, чтобы первая наклонная область примыкала к первой панели, а вторая наклонная область проходила наружу от первой кромки,
(4) прикрепление стяжки к первой панели,
(5) обеспечение первого крепежного средства, имеющего наклонный участок и плоский участок,
(6) расположение первого крепежного средства таким образом, чтобы наклонный участок примыкал к первой наклонной области стяжки, а плоский участок примыкал к первой панели,
(7) прикрепление первого крепежного средства к стяжке,
(8) прикрепление первого крепежного средства к первой панели,
(9) обеспечение второй панели конструкции обшивки, имеющей вторую кромку,
(10) расположение второй панели рядом с первой панелью таким образом, чтобы первая и вторая кромки были совмещены по торцу с образованием стыкового соединения, а второй наклонный участок примыкал ко второй панели, и стяжка проходила в виде моста через стыковое соединение,
(11) прикрепление стяжки ко второй панели,
(12) обеспечение второго крепежного средства, имеющего наклонный участок и плоский участок,
(13) расположение второго крепежного средства таким образом, чтобы наклонный участок примыкал ко второй наклонной области стяжки, а плоский участок примыкал ко второй панели,
(14) прикрепление второго крепежного средства к стяжке и
(15) прикрепление второго крепежного средства ко второй панели.
Другие варианты осуществления раскрытой поверхности соединения станут очевидными из следующего подробного описания, прилагаемых чертежей и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 приведен вид в перспективе летательного аппарата, собранного в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг. 2 приведено изображение в перспективе множества секций фюзеляжа летательного аппарата, изображенного на Фиг. 1, в разобранном состоянии;
На Фиг. 3 частично изображено в перспективе стыковое соединение между соседними секциями фюзеляжа летательного аппарата, изображенного на Фиг. 1;
На Фиг. 4 приведено частичное изображение в перспективе одного элемента стыкового соединения согласно Фиг. 3;
На Фиг. 5 приведен частичный вид сбоку в перспективе элемента стыкового соединения, изображенного на Фиг. 4, в разобранном состоянии;
На Фиг. 6 приведен частичный вид сверху в перспективе элемента стыкового соединения, изображенного на Фиг. 4, в разобранном состоянии;
На Фиг. 7 приведен вид сверху элемента стыкового соединения, изображенного на Фиг. 4;
На Фиг. 8 приведен вид сбоку элемента стыкового соединения, изображенного на Фиг. 4;
На Фиг. 9 приведен частичный подетальный вид в перспективе элемента стыкового соединения; и
На Фиг. 10 изображено сечение стыковой накладки элемента стыкового соединения согласно изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют конкретные варианты осуществления изобретения. Другие варианты осуществления, предусматривающие иные конструкции и операции, не выходят за рамки настоящего изобретения. Аналогичные номера позиций относятся к одному элементу или компоненту на разных чертежах.
Рассмотрим Фиг. 1 и 2, согласно которым летательный аппарат 100 может включать фюзеляж 102, имеющий множество секций 104 фюзеляжа (обозначены по отдельности как секции 104а-е фюзеляжа). Секции 104 фюзеляжа могут быть соединены между собой множеством соответствующих стыковых соединений 106 (обозначены по отдельности как стыковые соединения 106а-е).
Каждая секция 104 фюзеляжа может включать композитную обшивку 108, простирающуюся на триста шестьдесят градусов (360°) вокруг продольной оси А фюзеляжа 102. В описании данного изобретения термин «секция фюзеляжа» используется для удобства и обозначает любую структуру обшивки, простирающуюся на триста шестьдесят градусов (360°) вокруг оси. Специалисту в данной области будет понятно, что секция 104 фюзеляжа не ограничивается лишь конструкциями, имеющими в целом цилиндрическую форму, но может также включать конструкции, имеющие круглую, эллиптическую, овальную, яйцевидную, прямолинейную, коническую или другую форму поперечного сечения. Кроме этого, специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что секции 104 фюзеляжа могут быть цельными секциями, в которых обшивки 108 являются цельными обшивками, непрерывно проходящими на триста шестьдесят градусов (360°) вокруг оси, или могут быть образованы из двух или более частей обшивки, соединенных между собой с образованием полной, триста шестидесяти градусной (360°) секции 104 фюзеляжа.
Фюзеляж 102 может дополнительно включать пассажирский салон, выполненный для размещения в нем множества пассажирских мест. Каждая секция 104 фюзеляжа может также включать множество иллюминаторов (не показаны), через которые пассажиры, сидящие в салоне, могут смотреть за борт летательного аппарата 100. Фюзеляж 102 может также включать двери для пассажиров, грузовые двери, антенны и т.п.
Как это показано на Фиг. 3, элемент стыкового соединения, в целом обозначенный позицией 10, может служить мостом и структурным соединением между парой смежно расположенных секций 104 фюзеляжа, определяя стыковое соединение 106 между ними. На чертеже приведен вид изнутри фюзеляжа 102 наружу, на стыковое соединение 106. Элементы стыкового соединения 10 могут, в целом, располагаться на противоположных концах секций 104 фюзеляжа. Элемент стыкового соединения 10 может быть расположен внутри секций 104 фюзеляжа для соединения 104 секций фюзеляжа и обеспечения прочности и устойчивости изготовляемого фюзеляжа 102. Хотя на Фиг. 3 изображено только стыковое соединение 10 по окружности и частично, однако нужно понимать, что соединение может проходить по всей внутренней окружности секций 104 фюзеляжа или может проходить только по одной или нескольким частям секций.
Каждая секция 104 фюзеляжа может включать панель 110 (обозначены по отдельности как первая панель 110а и вторая панель 110b). Первая секция 104а фюзеляжа может включать первую панель 110а, вторая секция 104b фюзеляжа может включать вторую панель 110b, совмещенную по торцу с первой панелью 110а. В одном варианте осуществления панели 110 могут быть, по меньшей мере, в целом аналогичны по конструкции и функциям известным частям панелей секций фюзеляжа летательного аппарата. Например, панель 110 может включать множество элементов жесткости или стрингеров 114, прикрепленных к обшивке 108. Обшивка 108 может покрывать и быть прикреплена к множеству стрингеров 114 с образованием внешней поверхности секции 104 фюзеляжа.
Рассмотрим Фиг. 4-8, на которых каждый стрингер 114 может включать приподнятый участок 116, выступающий над обшивкой 108, и множество фланцевых частей 118, прикрепленных непосредственно к обшивке 108. В проиллюстрированном варианте осуществления стрингеры 114 могут иметь, в целом, U-образное поперечное сечение. Тем не менее, специалист в данной области техники должен понимать, что стрингеры 114 могут иметь другие формы поперечного сечения, включая L-образную, С-образную формы, форму в виде перевернутой буквы «Т», I-образную форму и т.д. В других вариантах осуществления панели 110 могут включать другие элементы, такие как опорные элементы или отклонения от прямой, соответствующие фланцевым частям 118 стрингеров 114.
Стрингеры 114 могут быть расположены на обшивке 108 так, что фланцевая часть 118 одного стрингера 114 совмещена с соответствующей фланцевой частью 118 соседнего стрингера 114. При таком совмещении фланцевых частей 118 фланцевые части 118 могут образовывать множество, по меньшей мере, приблизительно непрерывных опорных поверхностей, проходящих между приподнятыми участками 116 стрингеров 114. В другом проиллюстрированном варианте осуществления стрингеры 114 могут быть разнесены на обшивке 108 таким образом, что фланцевая часть 118 одного стрингера 114 смещена по окружности (или иным образом расположена на расстоянии) от соответствующей фланцевой части 118 соседнего стрингера 114.
Теперь рассмотрим Фиг. 4-8, на которых изображен сегмент стыкового соединения 106 для более наглядной иллюстрации элемента стыкового соединения 10 согласно изобретению. Элемент стыкового соединения 10 может включать стяжку 12, проходящую, по меньшей мере, частично по окружности вокруг стыкового соединения 106 секций 104 фюзеляжа. Стяжка 12 может иметь ширину, определенную в продольном направлении фюзеляжа 102, которая является достаточной для расположения поверх и формирования моста между частями обеих соседних секций 104 фюзеляжа.
Стяжка 12 может включать нижнюю поверхность 14 для контакта с обшивкой 108 смежных панелей 110. Нижняя поверхность 14 может быть изогнута, и кривизна нижней поверхности может соответствовать кривизне фюзеляжа 102 (Фиг. 2). Возможна также плоская форма нижней поверхности 14.
Противоположные стороны 16 (обозначенные по отдельности на Фиг. 4 и 5 как первая сторона 16а и вторая сторона 16b) стяжки 12 могут проходить от стыкового соединения 106 и могут быть прикреплены к кромке 120 (обозначены по отдельности на Фиг. 4 и 5 как первая кромка 120а и вторая кромка 120b) обшивки 108. Верхняя поверхность 18 стыковой стяжки 12 может включать в целом плоскую среднюю область 20 и противоположные наклоненные вниз области 22 (обозначены по отдельности на Фиг. 4-6 как первая наклонная область 22а и вторая наклонная область 22b), проходящие от окрестности (т.е. непосредственно от или вблизи) средней области 20 до окрестности сторон 16. Как показано, в одном варианте осуществления стыковая стяжка 12 может иметь, в целом, форму поперечного сечения в виде равнобедренной трапеции; однако специалисту в данной области будет понятно, что стяжка 12 может иметь другие, в целом, трапециевидные формы или другие многоугольные формы.
Как будет более подробно описано здесь, в одном варианте осуществления стяжка 12 может быть выполнена из композитного материала, такого как армированный углеродным волокном полимер (carbon-fiber-reinforced polymer, т.е. CFRP), армированный композитным волокном полимер, эпокси-графитопласт или аналогичный материал, с тем чтобы обеспечить прочность и устойчивость, необходимые для конструкционного соединения смежных секций 104 фюзеляжа, при одновременном снижении затрат на материалы, массы, времени на сверление и сборку по сравнению с традиционными стыковыми соединениями, в которых используются металлические компоненты. В других вариантах осуществления стяжка 12 может включать другие материалы, в том числе металлические материалы, таких как алюминий, титан, сталь и т.д.
Стяжка 12 может быть прикреплена вблизи первой кромки 120а обшивки 108 первой панели 110а и вблизи второй кромки 120b обшивки 108 второй панели 110b для соединения панелей 110 между собой. Стяжка 12 может проходить непрерывно или, по меньшей мере, приблизительно непрерывно вокруг стыкового соединения 106. Альтернативно, стяжка 12 может быть сегментирована по окружности стыкового соединения 106; например, стыковое соединение 106 может включать множество сегментов стяжки 12. Стяжка 12 может быть прикреплена к внутренней стороне соответствующих обшивок 108 для обеспечения гладкой аэродинамической поверхности на наружной части фюзеляжа 102. Стяжка 12 может быть прикреплена к обшивкам 108 с помощью множества крепежных элементов, проходящих через стяжку 12 и обшивки 108. Альтернативно, стяжка 12 может быть связана с обшивками 108 или связана и прикреплена к обшивкам 108.
Толщина стяжки 12 может быть, по меньшей мере, приблизительно такой же, как толщина обшивок 108, но больше толщины смежных фланцевых частей 118 стрингеров 114. В одном проиллюстрированном варианте осуществления стрингеры 114 не проходят полностью до кромки 120 обшивки 108, и стороны 16 стяжки 12 могут проходить вблизи конца стрингеров 114. В других вариантах осуществления стрингеры 114 могут проходить до и заканчиваться на кромке 120 обшивки 108. При необходимости, чтобы избежать появления уступа между смежными поверхностями, на фланцевых частях 118 рядом со стяжкой 12 могут располагаться прокладки или заполнители (не изображены). Заполнители могут содержать композитные материалы, металлические материалы или подобные материалы. В других вариантах стяжка 12, обшивки 108 и фланцевые части 118 могут иметь другое соотношение толщин, благодаря которому необходимость в заполнителях может отсутствовать.
Элемент 10 стыкового соединения может также включать множество стыковых крепежных средств 24 (обозначены по отдельности как первое крепежное средство 24а и второе крепежное средство 24b), расположенных на стяжке 12 и проходящих в продольном направлении от стыкового соединения 106. Каждое крепежное средство 24 может включать первый конец 26, второй конец 28 и продольные стороны 30. Основание 32 крепежного средства 24 может включать наклонную выступающую часть 34, проходящую вблизи первого конца 26, и в основном плоскую часть 36, проходящую вблизи наклонной части 34 до окрестности второго конца 28. Крепежные средства 24 могут быть выполнены из композитного материала, такого как армированная углеродным волокном пластмасса или аналогичного материала, например, того же композита, из которого изготовлена стяжка 12. В альтернативном варианте крепежные средства 24 могут быть выполнены из металла или металлического сплава.
В проиллюстрированном варианте осуществления наклонная выступающая часть 34 крепежного средства 24 может иметь соответствующий комплементарный (т.е. противоположный) угол, направленный вверх относительно угла наклоненной вниз области 22 стяжки 12, таким образом, что наклонная часть 34 нижней поверхности 32 может контактировать заподлицо с наклонной областью 22 верхней поверхности 18 стяжки. Наклонная часть 34 может иметь ширину, определяемую в продольном направлении фюзеляжа 102, достаточную для расположения поверх и прохождения через наклонную область 22 стяжки 12. Плоская часть 36 крепежного средства 24 может выходить за пределы стороны 16 стяжки 12 так, чтобы располагаться поверх обшивки 108 панели 110. Крепежное средство 24 может быть прикреплено к обеим наклонным областям 22 стяжки 12, так что пара крепежных средств 24 проходит в продольном направлении за пределы противоположных сторон 16 стяжки 12 в сторону от стыкового соединения 106, располагаясь поверх соседних секций 104 фюзеляжа.
Как показано на иллюстрации варианта осуществления, каждое крепежное средство 24 может включать первый продольный элемент 38 и второй продольный элемент 40, проходящий за пределы сторон 16 стяжки 12. В целом, продольные элементы 38, 40 могут определить плоский участок 36 крепежного средства 24. Продольно проходящие элементы 38, 40 могут быть выполнены с возможностью расположения поверх и установки в них, по меньшей мере, части стрингера 114 соответствующей панели 110.
Например, в одном варианте осуществления каждое крепежное средство 24 может иметь в целом U-образную форму, так что каждый продольный элемент 38, 40 может располагаться на расстоянии от другого и перекрывать соответствующий стрингер 114. Крепежные средства 24 в этом варианте осуществления могут включать наклонную часть 34, проходящую по всей ширине наклонной области 22 стяжки 12, и продольные элементы 38, 40, которые простираются наружу от наклонного участка 34 за пределы стороны 16 стяжки 12. Тем не менее, наклонная часть 34 крепежного средства 24 может иметь другие значения ширины по отношению к наклонной части 22 стяжки 12 и, таким образом, наклонная часть 22 крепежного средства 12 не обязательно должна проходить по всей ширине наклонной части 22 стяжки 12. Кроме того, в других вариантах осуществления наклонная часть 34 крепежного средства 24 может выходить за пределы наклонной части 22 стяжки 12.
В других вариантах осуществления плоская часть 36 крепежного средства 24 может включать один продольный элемент, выходящий за пределы стороны 16 стяжки 12. В таком варианте осуществления плоская часть 36 может иметь подходящий размер, т.е. расстояние между продольными сторонами 30, чтобы располагаться между приподнятыми участками 116 соседних стрингеров 114.
Элемент стыкового соединения 10 может включать множество крепежных средств 24, расположенных поверх различных, разнесенных по окружности частей стяжки 12. Множество крепежных средств 24 могут располагаться на расстоянии друг от друга в направлении по окружности, так что часть стяжки 12 может не быть покрытой крепежным средством 24 и может быть открытой или видимой между соседними, т.е. прилегающими друг к другу крепежными средствами 24. Таким образом, можно проводить визуальную проверку стяжки 12, чтобы убедиться в том, что стяжка 12 остается надежно прикрепленной к обшивке 108 секций 104 фюзеляжа. Альтернативно, множество крепежных средств 24 может располагаться встык друг к другу в направлении по окружности, таким образом, что вся стяжка 12 может быть покрыта крепежными средствами 24.
В проиллюстрированном варианте осуществления каждое крепежное средство 24 может иметь канал или U-образное поперечное сечение, включающее основание 32, образованное наклонной частью 34 и плоской частью 36, и противоположные вертикальные кромки 42 (обозначены по отдельности как первая вертикальная кромка 42а и вторая вертикальная кромка 42b). Первая вертикальная кромка 42а расположена в направлении первой продольной стороны 30а, а вторая вертикальная кромка 42b - в направлении второй продольной стороны 30b. В других вариантах осуществления крепежные средства 24 могут иметь другие формы поперечного сечения, включая С-образную, L-образную форму, форму перевернутой буквы «пи» и плоские формы.
Вертикальные кромки 42 могут повышать жесткость крепежных средств 24 и могут располагаться вблизи выступающих частей 116 стрингеров 114 в зависимости от размеров плоской части 36 крепежного средства 24 и расстояния между стрингерами 114. Вертикальные кромки 42 могут увеличивать устойчивость стыкового соединения 106, особенно при воздействии сжимающих нагрузок.
При использовании сегментированной стяжки 12 крепежные средства 24 могут также использоваться как стыковые накладки для соседних сегментов стяжки. Преимущество стыкового соединения 106 согласно изобретению состоит в том, что концы стрингеров 114 остаются открытыми, благодаря чему влага, появившаяся в результате конденсации или иных причин, может выходить из стрингеров 114 с достаточной степенью дренажа.
Еще одно преимущество элемента стыкового соединения 10 согласно изобретению заключается в том, что выступающие части 116 противоположных стрингеров 114 не соединяются между собой через стыковое соединение 106, благодаря чему упрощается установка крепежных средств 24, поскольку выступающие части 116 не обязательно очень точно совмещать. Кроме того, возможность смещения или регулировки положения крепежных средств 24 вдоль обеих сторон 16 стяжки 12 позволяет устанавливать в продольные элементы 38, 40 выступающую часть 116 стрингера 114 при отсутствии идеального совмещения с противоположным стрингером 114.
Элемент стыкового соединения 10 может необязательно включать раму 44, проходящую по окружности, по меньшей мере, в части стыкового соединения 106 между соседними секциями 104 фюзеляжа. Рама 44 может в целом располагаться поверх средней области 20 стяжки 12 между противоположными в продольном направлении крепежными средствами 24. В проиллюстрированном варианте осуществления рама 44 может иметь в целом Z-образную форму, выполненную с возможностью крепления направленного вверх нижнего фланца 46 к стяжке 12. Нижний фланец 46 может быть сегментирован и состоять из множества подошв, которые могут быть прикреплены к стяжке 12, как показано на Фиг. 3. Рама 44 также может включать направленный вниз верхний фланец 48 для крепления к внешней части стенок салона внутри фюзеляжа 102. Верхний фланец 48 может быть сегментирован и состоять из подошв, аналогично тому, как был описан нижний фланец 46. Хотя на чертеже изображена Z-образная рама 44, специалистам в данной области техники будет понятно, что может использовать рама любой подходящей формы, например, С-образная, I-образная, J-образная форма рамы или иные формы.
Рама 44 также может быть выполнена из композитного материала, например, CFRP или аналогичного материала, например, того же композита, из которого изготовлена стяжка 12 или крепежные средства 24. Альтернативно, рама 44 может быть выполнена из металла или другого материала, например, из алюминия или титана.
Хотя раскрытый элемент стыкового соединения 10 изображен состоящим из нескольких отдельных частей (например, стяжка 12, крепежные средства 24, рама 44), в других вариантах осуществления две или больше из этих частей могут быть объединены в единую деталь, выполняющую функции или обладающую признаками этих двух или более частей.
Как проиллюстрировано на Фиг. 9, преимущество элемента стыкового соединения 10 согласно изобретению состоит в устранении необходимости в металлических компонентах, например, титановых компонентах, в стыковом соединении 106 и значительном снижении (если не полном устранении) необходимости в использовании прокладок или меток несоответствия в процессе сборки фюзеляжа 102. Еще одно преимущество раскрытого элемента стыкового соединения 10 состоит в значительном снижении длительности этапов производства фюзеляжа 102, предусматривающих установку, т.е. крепление, стыковой стяжки 12 и части множества стыковых крепежных средств 24а к первой секции 104а фюзеляжа перед присоединением соседней второй секции 104b фюзеляжа и соответствующей части множества продольно противоположных стыковых крепежных средств 24b. Необязательно, рама 44 также может быть установлена перед присоединением второй секции 104b фюзеляжа.
Как лучше всего видно из Фиг. 4, 6 и 8, область контакта наклонной части 22 стяжки 12 с наклонными частями 34 крепежных средств 24 позволяет крепить крепежные средства 24 к стяжке 12 и панели 110 без необходимости в использовании прокладок и предоставляет допуски по взаимному расположению соседних секций 104 фюзеляжа и крепежных средств 24. Например, при установке крепежных средств 24 каждое крепежное средство 24 может быть смещен в продольном направлении вперед или назад, т.е. к носу или хвосту, относительно стяжки 12 с учетом различной толщины и места расположения кромок фланцевых частей 118 стрингеров 114, устраняя необходимость в использовании прокладок в стыковом соединении 106. Противоположные наклонные поверхности стяжки 12 и крепежных средств 24 могут также минимизировать смещение центроиды во всем стыковом соединении 106, что может уменьшить расположенные вне плоскости нагрузки вдоль стыкового соединения 106. Кроме того, наклонная область контакта может также уменьшить передачу нагрузки на крепежные детали и обеспечить более равномерную передачу усилий нагрузки между компонентами стыкового соединения, т.е. стяжкой 12, крепежными средствами 24 и стыком секций 104 фюзеляжа.
Как это показано на Фиг. 10, стыковая стяжка 12 может быть изготовлена путем укладки композитных слоев для получения внутри наклонных областей 22 без необходимости в дополнительной обработке после формирования. Стыковые крепежные средства 24 могут также изготовляться путем укладки композитных слоев для получения внутри наклонной части 34 без необходимости в дополнительной обработке после формирования. Стяжка 12 и крепежные средства 24 могут включать внутреннюю наклонную структуру 50, окруженную множеством слоев волокон и отвержденного полимера, т.е. композитным слоем 52, чтобы сформировать композитную структуру. Например, стяжка 12 может включать внешнюю непрерывную зону волокон и внутреннюю наклонную область волокон. Множество слоев может быть уложено с получением нижней непрерывной зоны волокон. Еще одно множество слоев может быть уложено по периметру нижней непрерывной зоны волокон для получения наклонной области волокон или наклонной структуры 50. В альтернативном варианте наклонная структура 50 может быть изготовлена из других материалов. Другое множество слоев может быть уложено над наклонной областью волокон с образованием верхней непрерывной зоны волокон. Слои 52 могут быть предварительно пропитанными композитными слоями. Стыковые крепежные средства 24 могут быть изготовлены по существу аналогичным способом с образованием наклонной области 34 основания 32.
Одно из преимуществ использования композитных материалов вместо металлов состоит в том, что стяжка 12, крепежные средства 24 и расположенные ниже панели 110 (например, обшивки 108 и стрингеры 114) могут иметь, по меньшей мере, в общем похожие коэффициенты теплового расширения. Таким образом, колебания температуры, возникающие в процессе эксплуатации летательного аппарата 100, могут не приводить к различным тепловым расширениям элемента стыкового соединения 10 и расположенных ниже панелей 110, а значит и не создавать значительных напряжений в стыковом соединении 106. Еще одно преимущество использования композитных материалов состоит в устранении необходимости изоляции различных материалов.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что, помимо композитных и металлических материалов, в других вариантах осуществления панели 110, стяжка 12 и крепежные средства 24 и их сочетания могут содержать другие материалы, в т.ч. гибридные материалы, такие как волоконные/металлические ламинаты, в т.ч. стекловолоконные/алюминиевые ламинаты и армированные титаном графитовые ламинаты (Ti/Gr).
Элемент стыкового соединения 10 может включает множество крепежных элементов, соединяющих компоненты стыкового соединения 10 друг с другом и с секциями 104 фюзеляжа. Могут использоваться различные схемы расположения крепежных элементов для крепления элемента стыкового соединения 10 к секциям фюзеляжа 102. Они не изображены на чертежах. Крепежные элементы могут проходить через стяжку 12; раму, например, у нижнего фланца 46; и крепежные средства 24, например, наклонную часть 34 и продольные элементы 38, 40 плоской части 36 таким образом, чтобы соединить компоненты друг с другом и с секциями 104 фюзеляжа.
Для установки множества крепежных элементов необходимо выполнить множество отверстий, например путем сверления, в различных компонентах стыкового соединения 10, таким образом, чтобы установить в эти отверстия соответствующие крепежные элементы. Поскольку ряд отверстий, а в определенных вариантах осуществления - большинство отверстий, может быть выполнено в компонентах, например стяжке 12, крепежных средствах 24 и, необязательно, в раме 44, изготовленных из композитного материала, такого как CFRP, отверстия можно выполнить быстрее и эффективнее, чем в случае выполнения аналогичных отверстий в компонентах из титана или другого металла. Кроме того, отверстия в композитных компонентах стыкового соединения 10 могут быть выполнены еще более технически и экономически эффективно, чем аналогичные отверстия в соответствующих компонентах из титана или другого металла, поскольку компоненты стыкового соединения 10 не нужно разделять и очищать от заусенцев.
Еще одним преимуществом описываемого элемента стыкового соединения 10 является то, что компоненты могут быть скреплены с помощью титановых крепежных элементов, в отличие от применения креплений Inconel или других стальных крепежных элементов, поскольку композитные компоненты могут быть не столь подвержены усталостным нагрузкам, как аналогичные металлические детали. Таким образом, композитные компоненты, как правило, не требуют больших зажимных усилий, как металлические части при использовании креплений Inconel или других стальных крепежных элементов.
Хотя в данном описании раскрыты и проиллюстрированы различные варианты осуществления стыкового соединения согласно изобретению, специалистам в данной области техники после ознакомления с описанием будут очевидны различные модификации. Настоящая заявка включает такие модификации и ограничивается только объемом формулы изобретения.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложен элемент стыкового соединения для соединения соседних панелей структуры обшивки, включающий: стяжку, имеющую первую сторону, вторую сторону, в целом плоскую среднюю область, первую наклонную область, проходящую вниз рядом с указанной средней областью к окрестности указанной первой стороны, и вторую наклонную область, проходящую вниз рядом с указанной средней областью к окрестности указанной второй стороны; первое крепежное средство, включающее наклонный участок и плоский участок, причем указанный наклонный участок прикреплен к указанной первой наклонной области указанной стяжки; и второе крепежное средство, включающее наклонный участок и плоский участок, причем указанный наклонный участок прикреплен к указанной второй наклонной области указанной стяжки. В предпочтительном варианте элемент стыкового соединения дополнительно содержит раму, прикрепленную к указанной средней области указанной стяжки. В предпочтительном варианте элемент стыкового соединения содержит композитный материал. В предпочтительном варианте стяжка дополнительно имеет наклонную внутреннюю структуру, окруженную армированной углеродным волокном пластмассой.