ШПАНГОУТ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА И ФЮЗЕЛЯЖ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ТАКИМ ШПАНГОУТОМ
RIB FROM COMPOSITE MATERIAL AND HULL OF AIRCRAFT WITH SUCH RIB

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к шпангоуту из композитного материала, в частности, простому в изготовлении и имеющему высокие механические характеристики.
Изобретение может быть использовано, в частности, для крепления наружной обшивки фюзеляжа летательного аппарата.
Изобретение относится также к фюзеляжу летательного аппарата, содержащему один или несколько шпангоутов в соответствии с настоящим изобретением.
Уровень техники
Конструкции фюзеляжа летательных аппаратов содержат шпангоуты, которые равномерно распределены по всей длине фюзеляжа и на которых установлена наружная обшивка.
Шпангоуты имеют по существу круглую форму, например кольцевую или овальную, или содержат два или три лепестка, или могут иметь другую форму. Как правило, в сечении они содержат по существу плоскую основную кольцевую часть, расположенную по существу перпендикулярно к оси фюзеляжа, и две вспомогательные части в виде ребра или полки, соединенные с внутренним и наружным краями основной части.
Шпангоуты предназначены для обеспечения механической прочности фюзеляжа. Они подвергаются большим механическим нагрузкам на растяжение или сжатие, в частности в окружном направлении, то есть вдоль центральной окружной линии шпангоута. Вследствие этого их необходимо разрабатывать с учетом обеспечения высокой окружной жесткости, то есть они должны подвергаться лишь незначительной деформации при сильных механических напряжениях. Кроме того, в случае сильного окружного сжатия эти шпангоуты должны отличаться повышенным пределом прогиба, т.е. по возможности не должны прогибаться в направлении, перпендикулярном к направлению действующих механических напряжений. Наконец, выполнение этих шпангоутов из композитного материала должно происходить с ограниченным количеством этапов, то есть экономично и быстро, и вместе с тем соответствовать сложным геометрическим формам шпангоута.
Для достижения повышенной жесткости в отношении механических напряжений, действующих в окружном направлении согласно одному из решений, в основной части размещают однонаправленные волокна, ориентированные только в окружном направлении. Вместе с тем, такое расположение предполагает невысокий предел прогиба. Таким образом, шпангоут будет слабо сопротивляться прогибу. Кроме того, размещение однонаправленных волокон в окружном направлении является исключительно сложным при использовании слоев или полотен, поскольку необходимо избегать образования складок.
Чтобы избежать этих проблем, связанных с механическими характеристиками и с изготовлением, шпангоуты обычно выполняют из однонаправленных волокон, располагаемых в основной части таким образом, чтобы образовать заранее определенный и не равный нулю угол относительно окружной оси основной части (эту окружную ось определяют как касательную к центральной окружной линии шпангоута в каждой из точек этой линии). Это позволяет избежать размещения волокон под нулевым углом относительно окружной оси.
В документе WO 2004/016844 описана волокнистая заготовка криволинейной формы, содержащая множество усиливающих волокон, расположенных под заранее определенным углом к окружной оси. Заготовка может иметь цилиндрическую или кольцевую плоскую форму. Основная часть волокнистой заготовки содержит однонаправленные нити, поочередно образующие углы -45° и +45° относительно окружной оси основной части, с возможным размещением между ними волокон, ориентированных под углом 90°относительно этой оси.
Однако описанное в этом документе ориентирование волокон в основной части шпангоута не является вполне удовлетворительным, так как жесткость в окружном направлении шпангоута не является оптимальной.
Раскрытие изобретения
Основным объектом настоящего изобретения является шпангоут из композитного материала, в частности, фюзеляжа летательного аппарата, обладающий высокими механическими характеристиками, являясь при этом простым в изготовлении.
Согласно изобретению этот результат достигается путем выполнения шпангоута, в частности фюзеляжа летательного аппарата, содержащего по существу плоскую кольцевую основную часть с первыми наборами однонаправленных волокон, образующих угол, по существу находящийся в пределах от 20° до 40° по отношению к окружной оси шпангоута, и вторые наборы однонаправленных волокон, образующих угол, по существу находящийся в пределах от -40° до -20° по отношению к окружной оси шпангоута, при этом первые и вторые наборы равномерно распределены по толщине основной части.
Предпочтительно основная часть содержит первые наборы однонаправленных волокон, образующих угол, по существу находящийся в пределах от 25° до 35° по отношению к окружной оси шпангоута, и вторые наборы однонаправленных волокон, образующих угол, по существу находящийся в пределах от -35° до -25° по отношению к окружной оси шпангоута, при этом первые и вторые наборы равномерно распределены по толщине основной части.
Предпочтительно ориентация первых и вторых наборов однонаправленных волокон является симметричной по отношению к окружной оси шпангоута. Это позволяет упростить выполнение шпангоута, так как размещение наборов однонаправленных волокон осуществляют под одинаковым по абсолютной величине углом относительно окружной оси основной части шпангоута.
Предпочтительно основная часть содержит первые наборы однонаправленных волокон, образующих угол по существу 30° относительно окружной оси шпангоута, и вторые наборы однонаправленных волокон, образующих угол по существу -30° относительно окружной оси шпангоута, при этом первые и вторые наборы равномерно распределены по толщине основной части.
Такая ориентация наборов однонаправленных волокон основной части шпангоута позволяет повысить жесткость основной части в окружном направлении по сравнению с жесткостью, получаемой при ориентациях волокон под углами +45° и -45° по отношению к окружной оси шпангоута согласно известным техническим решениям. Кроме того, такое расположение наборов однонаправленных волокон основной части шпангоута позволяет сохранять предел прогиба в значении, по существу идентичном значению предела прогиба, достигаемому в случае расположения наборов волокон под углами +45° и -45° относительно окружной оси шпангоута. Наконец, шпангоут в соответствии с настоящим изобретением является простым в изготовлении, так как изменяют только значение, не равного нулю угла, образованного наборами однонаправленных волокон относительно окружной оси основной части. Расположение волокон, образующих нулевой угол относительно окружной оси основной части и параллельных между собой, требует изменения технологии изготовления, что создает технические трудности и повышает стоимость производства.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения шпангоут содержит вспомогательную часть, соединенную с наружным краем основной части и расположенную по существу перпендикулярно к ней.
Предпочтительно основная часть содержит третьи наборы однонаправленных волокон, образующих угол 90° относительно окружной оси шпангоута и расположенных с чередованием с первыми и вторыми наборами, что позволяет повысить сопротивление прогибу.
Предпочтительно вспомогательная часть содержит однонаправленные волокна, расположенные по существу в окружном направлении шпангоута, что позволяет повысить его жесткость в окружном направлении.
Наборы однонаправленных волокон основной части можно разместить в виде наложенных друг на друга слоев или в виде полотен.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения вторая вспомогательная часть расположена по внутреннему краю основной части по существу перпендикулярно к основной части. Чтобы повысить жесткость шпангоута в окружном направлении, вторая вспомогательная часть содержит однонаправленные волокна, расположенные по существу в окружном направлении шпангоута.
Объектом настоящего изобретения является также фюзеляж летательного аппарата, содержащий несущий каркас и закрепленную на нем наружную обшивку, при этом несущий каркас содержит вышеуказанные шпангоуты.
Краткое описание чертежей
На чертежах представлен в качестве неограничивающего примера предпочтительный вариант осуществления изобретения.
На фиг.1 схематично показан участок фюзеляжа летательного аппарата, содержащий шпангоуты, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, вид в перспективе;
на фиг.2 - сегмент шпангоута с закрепленной на нем наружной обшивкой фюзеляжа согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг.3 - сегмент шпангоута согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг.4 приведен график зависимости модуля Юнга основной части шпангоута от угла, образованного наборами однонаправленных волокон основной части относительно окружной оси шпангоута;
на фиг.5 приведен график зависимости предела прогиба основной части шпангоута от угла, образованного наборами однонаправленных волокон основной части относительно окружной оси шпангоута.
Осуществление изобретения
Как схематично показано на фиг.1, фюзеляж 10 летательного аппарата содержит несущий каркас, на котором крепят наружную обшивку 11, усиленную стрингерами 12. Фюзеляж 10 может иметь разные формы и размеры в зависимости от типа летательного аппарата, оставаясь при этом в рамках настоящего изобретения.
R
T
L
R
T
L
L
В основном каркас фюзеляжа 10 состоит из шпангоутов 13, равномерно распределенных по всей длине фюзеляжа. Каждый из них расположен в сечении, перпендикулярном к продольной оси I-I фюзеляжа, и в основном имеет по существу кольцевую или овальную, круглую, или содержит два или три лепестка, или имеет любую другую форму одинакового типа. На фиг.1 показана ортогональная система координат с использованием цилиндрических координат (e, e, e), где e определяет радиальное направление на точку фюзеляжа, e - тангенциальное или окружное направление, a e -продольное направление, при этом e совпадает с продольной осью I-I фюзеляжа.
На фиг.2 показан сегмент шпангоута 13 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения с наружной обшивкой 11 фюзеляжа. Наружная обшивка 11 фюзеляжа усилена с внутренней стороны стрингерами 12, равномерно расположенными по всей окружности фюзеляжа параллельно продольной оси I-I.
На фиг.3 детально показан отдельный сегмент шпангоута 13 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Шпангоут 13 содержит основную часть 31, наружную вспомогательную часть 32 и внутреннюю вспомогательную часть 33. Таким образом, данный вариант осуществления изобретения относится к конструкции шпангоута 13 по существу С-образной формы. В другом, не показанном варианте выполнения, шпангоут 13 не имеет внутренней вспомогательной части 33 и имеет в этом случае сечение по существу L-образной формы.
T
Основная часть 31 шпангоута 13 образована по существу плоской пластиной в форме кольца, центральная плоскость которой по существу перпендикулярна к продольной оси I-I фюзеляжа. Основная часть 31 имеет криволинейную форму вдоль центральной окружной линии II-II. Направление e является касательным в каждой точке к линии II-II и образует, таким образом, в каждой точке линии II-II окружную ось шпангоута 13.
Шпангоут 13 выполнен из композитного материала. Его выполняют согласно технологиям, обычно применяемым для изготовления деталей этого типа. Среди этих технологий можно указать, в частности, технологии наслоения, при которых накладывают друг на друга наборы однонаправленных волокон или полотен, пропитанных смолой, после чего производят полимеризацию смолы.
Основная часть 31 содержит несколько наборов однонаправленных волокон, расположенных по всей ширине основной части 31 между ее внутренним 40 и наружным 39 краями.
Эти наборы содержат несколько первых наборов 34 однонаправленных волокон, образующих заранее определенный и не равный нулю угол 37 с окружной осью каркаса 13. Согласно изобретению угол 37 находится в интервале от +20° до +40°. Предпочтительно - в интервале от +25° до +35°, а наиболее предпочтительно - по существу равен +30°.
Наборы однонаправленных волокон основной части 31 содержат также несколько вторых наборов 35 однонаправленных волокон, образующих заранее определенный и не равный нулю угол 38 с окружной осью шпангоута 13. Согласно изобретению этот угол 38 находится в интервале от -40° до -20° градусов. Предпочтительно - в интервале от -35° до -25°, а наиболее предпочтительно - по существу равен -30°.
Наборы 34 волокон и наборы 35 волокон равномерно распределены по толщине основной части 31, то есть вдоль оси I-I фюзеляжа 10.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения однонаправленные волокна первых наборов 34 волокон и вторых наборов 35 волокон расположены по существу симметрично по отношению к окружной оси шпангоута 13, поэтому абсолютные величины углов 37 и 38 по существу равны между собой.
R
Дополнительно в основной части 31 могут иметься третьи наборы 36 однонаправленных волокон, расположенных по существу перпендикулярно к окружной оси 31 каркаса 13, т.е. в радиальном направлении e фюзеляжа. В этом случае первые, вторые и третьи наборы волокон равномерно распределены по толщине основной части 31, то есть вдоль оси I-I фюзеляжа 10.
L
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2 и 3, шпангоут 13 содержит наружную вспомогательную часть 32, соединенную с наружным краем 39 основной части 31. Наружная вспомогательная часть 32 имеет форму пластины, которая расположена по существу перпендикулярно к основной части 31, т.е. в продольном направлении e фюзеляжа 10, по всей длине наружного края 39.
Наружная вспомогательная часть 32 может содержать наборы 41 однонаправленных волокон, расположенных в окружном направлении шпангоута 13. Эта наружная вспомогательная часть 32 позволяет крепить шпангоут 13 к наружной обшивке 11 фюзеляжа 10, например при помощи клепки. Наличие наборов 41 однонаправленных волокон, расположенных в описанном направлении, позволяет повысить жесткость конструкции шпангоута 13.
L
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, шпангоут 13 содержит также внутреннюю вспомогательную часть 33, соединенную с внутренним краем 40 основной части 31 и расположенную по существу перпендикулярно к основной части 31, т.е. в продольном направлении e фюзеляжа. Внутренняя вспомогательная часть 33 может также содержать наборы 42 однонаправленных волокон, расположенных в окружном направлении шпангоута 13. Наличие наборов 42 однонаправленных волокон, расположенных в указанном направлении, позволяет повысить жесткость конструкции шпангоута 13.
Наборы 34, 35 и в случае необходимости 36 однонаправленных волокон основной части 31 выполнены в виде наложенных друг на друга слоев или в виде полотен. При их наличии вспомогательных частей 32 и 33 наборы 41, 42 однонаправленных волокон выполняют в виде наложенных друг на друга слоев.
Свойства используемых в различных наборах 34, 35 волокон и в случае необходимости в наборах 36, 41, 42 волокон основной 31 и вспомогательных 32, 33 частей, а также свойства смолы, которой пропитывают волокна, выбирают в зависимости от предполагаемого назначения волокон и смол, обычно применяемых в области композитных материалов. Так, волокна могут быть углеродными волокнами, стекловолокнами или арамидными волокнами, а смола - термоотверждающейся смолой, например фенольной или эпоксидной.
T
T
На фиг.4 и 5 показан пример влияния ориентации наборов однонаправленных волокон основной части 31 шпангоута 13 относительно его окружной оси на механические характеристики основной части 31 шпангоута 13. На фиг.4 показано изменение модуля Юнга E (в МПа) основной части 31, измеренного в окружном направлении шпангоута 13, в зависимости от угла θ (в градусах) направления волокон по отношению к окружной оси шпангоута. На фиг.5 показано изменение предела прогиба N основной части 31 (в Н/мм), измеренного в окружном направлении шпангоута 13, в зависимости от угла θ (в градусах) направления волокон по отношению к окружной оси шпангоута.
T
T
T
В этом примере +θ соответствует углу 37, а -θ соответствует углу 38. В данном примере рассмотрена плоская пластина длиной 150 мм и высотой 70 мм, выполненная при помощи технологии наслоения путем последовательного наложения восьми наборов однонаправленных волокон с ориентацией -θ/90°/+θ/-θ/+θ/+θ/90°/-θ. Угол θ колеблется от 10° до 45°. На фиг.4 показано, что модуль Юнга E непрерывно увеличивается по мере уменьшения угла θ, что не является неожиданностью. Таким образом, его значение при θ=30° в два раза превышает значение при θ=45°. На фиг.5 показано, и это оказалось неожиданным, что изменение предела прогиба N является максимальным примерно при θ=30°. Кроме того, для угла θ, по существу находящегося в пределах от 25° до 45°, N no существу равен или превышает значение, соответствующее θ=45°. Таким образом, предпочтительно ориентировать наборы 34 и 35 однонаправленных волокон основной части 31 под углом от +25° до +35° для угла 37 и от -35° до -25° для угла 38. Действительно, механические характеристики основной части 31 каркаса 13 улучшились при сохранении простоты изготовления.
Шпангоут 13 в соответствии с настоящим изобретением выполняют посредством известной специалистам технологии наслоения. Вместе с тем следует отметить, что наружную 32 и внутреннюю 33 вспомогательные части можно выполнить посредством технологии, описанной в документе WO 2007/074179 и отличающейся от классических технологий, согласно которым вспомогательные части соединяют с основной частью путем нанесения пленок клея между этими элементами во время полимеризации в автоклаве. В технологии, описанной в документе WO 2007/074179, вспомогательные части конструкции шпангоута соответствуют бортикам монолитного узла, содержащего основную часть и имеющего необходимую форму. Вспомогательные части получают при помощи вакуумной и высокотемпературной деформации.