УСИЛЕННАЯ ПАНЕЛЬ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩАЯ СТРИНГЕР И ПЕРВУЮ И ВТОРУЮ СТЕНКИ, ОБШИВКА ВОЗДУШНОГО СУДНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСИЛЕННОЙ ПАНЕЛИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
REINFORCED PANEL OF COMPOSITE MATERIAL INCLUDING FIRST AND SECOND WALLS, AIRCRAFT SKIN AND METHOD OF FABRICATING REINFORCED PANEL OF COMPOSITE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к конструкции из композиционного материала, которая включает в себя панель, а также стрингер, соединенный с поверхностью панели, причем стрингер имеет торцевую поверхность и две боковые поверхности, которые проходят в продольном направлении вдоль стрингера, в сторону от торцевой поверхности.
Уровень техники
На фиг.1 показан край панели 1, которая может образовывать, например, обшивку крыла или фюзеляжа воздушного судна. Панель усилена несколькими удлиненными стрингерами, которые проходят вдоль длины панели. Один из этих стрингеров показан в разрезе на фиг.1. Стрингер 2 включает в себя стенку 3, которая проходит под прямым углом к панели, и полку 4, соединенную с панелью 1.
Стрингер 2 заканчивается, как показано на фигуре. Стенка 3 скошена к краю стрингера, что облегчает передачу нагрузки от обшивки к стрингеру, так как при этом обеспечивается постепенное увеличение поперечного изгиба и продольной жесткости, и снимаются местные напряжения. Более того, полка 4 выступает за край стенки, чтобы сделать оконечность элемента жесткости более податливой, и способной повторять форму панели при ее изгибе.
Предварительно напряженные болты 5 используются для того, чтобы предотвратить отслоение или отсоединение. Как показано на фиг.2, создающая предварительное напряжение нагрузка 6 вызывает сжатие участка 7 панели 1 и полки 4. Однако между сжатым участком 7 и оконечностью 9 полки 4 имеется концевой участок 8, который не подвергается сжатию. Поэтому болты 5 не могут предотвратить разрушение, которое начинается в зоне 10 контакта, где оконечность 9 полки 4 соединяется с панелью 1.
На фиг.3 показана усовершенствованная конструкция. В этом случае используется прокладка 11, которая продляет зону сжатия по толщине до оконечности полки, тем самым, препятствуя такому виду разрушения, как отслаивание на указанной оконечности. Однако решение по фиг.3 не препятствует разрушению сдвигом на указанной оконечности.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает конструкцию из композиционного материала, которая содержит панель и стрингер, соединенный с поверхностью панели, причем стрингер имеет торцевую поверхность и две боковые поверхности, которые проходят в продольном направлении стрингера, в сторону от торцевой поверхности. Поверхность панели выполнена с первой стенкой, которая входит в зацепление с торцевой поверхностью стрингера, и со второй стенкой, которая входит в зацепление с другой частью стрингера.
Второй аспект изобретения предусматривает способ передачи усилий в конструкции из композиционного материала по первому аспекту изобретения, согласно которому обеспечивают передачу сжимающих усилий от панели на стрингер посредством нормальной реакции между первой стенкой, выполненной в поверхности панели, и торцевой поверхностью стрингера; и обеспечивают передачу растягивающих усилий от панели на стрингер посредством нормальной реакции между второй стенкой, выполненной в поверхности панели, и другой поверхностью стрингера.
Стрингер и панель могут быть соединены между собой при помощи слоя клеящего вещества, нанесенного между деталями, путем совместного отверждения деталей, или путем скрепления деталей между собой другим способом.
Панель может быть выполнена из цельного куска материала, или может быть получена из двух или более слоев материала. В этом случае каждый слой обычно состоит из композиционного материала, такого как углеродные волокна, пропитанные связующим из эпоксидной смолы.
В одном варианте осуществления стрингер имеет вторую торцевую поверхность на противоположном конце стрингера по отношению к первой торцевой поверхности, и вторая стенка, выполненная в панели, входит в зацепление со второй торцевой поверхностью стрингера.
В других вариантах осуществления стрингер содержит основание, которое соединено с поверхностью панели, и площадку, которая выступает из основания и утоплена в паз в панели. Площадка имеет первую торцевую поверхность, которая входит в зацепление с первой торцевой стенкой паза, и вторую торцевую поверхность, которая входит в зацепление со второй торцевой стенкой паза. В этом случае паз может проходить по ширине всей панели (и поэтому не иметь боковых стенок), но более предпочтительно, чтобы площадка имела первую боковую поверхность, которая входит в зацепление с первой боковой стенкой паза, и вторую боковую поверхность, которая входит в зацепление со второй боковой стенкой паза. Площадка может быть соединена с пазом, но более предпочтительно, чтобы соединение между основанием стрингера и поверхностью панели заканчивалось у площадки. В этом случае для фиксации площадки в пазе можно использовать другие средства (такие как крепежные элементы).
Стенки могут проходить под острым углом по ширине стрингера, или могут иметь вогнутую или выпуклую форму. Однако, более предпочтительно, чтобы первая и вторая стенки, выполненные в поверхности панели, были ориентированы, по существу, навстречу друг другу, и проходили по ширине стрингера, по существу, под прямым углом по отношению к длине стрингера. Такая конструкция обеспечивает эффективную передачу нормальных сил реакции между панелью и стрингером.
Краткое описание чертежей
Далее в тексте будет представлено подробное объяснение изобретения со ссылкой на примерный вариант осуществления, проиллюстрированный на чертежах.
Фиг.1 показывает продольный разрез по краю первого традиционного стрингера.
Фиг.2 показывает в увеличенном виде часть края стрингера по фиг.1, иллюстрируя воздействие нагрузки, создающей предварительное напряжение.
Фиг.3 показывает продольный разрез по краю второго традиционного стрингера.
Фиг.4 показывает вид в перспективе конструкции из композиционного материала согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5-7 показывают продольный разрез по краю одного из стрингеров, показанных на фиг.4.
Фиг.8-11 показывают продольные разрезы по краю различных альтернативных вариантов осуществления стрингера.
Фиг.12 показывает продольный разрез конструкции из композиционного материала согласно дальнейшему варианту осуществления изобретения.
Фиг.13 показывает продольный разрез конструкции из композиционного материала согласно дальнейшему варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Фиг.4 показывает фрагмент конструкции из композиционного материала, которая может образовывать, например, обшивку крыла или фюзеляжа воздушного судна. Конструкция включает в себя панель 20 и ряд стрингеров 21-23, соединенных с поверхностью панели 20. Каждый стрингер имеет два конца (каждый из которых традиционно называют «край стрингера») и две боковые стороны, которые проходят в продольном направлении по длине стрингера между концами стрингера. В случае крыла воздушного судна стрингеры проходят в направлении по размаху крыла, от корневой части крыла до его оконечности.
Фиг.4 показывает лишь небольшой фрагмент конструкции из композиционного материала. Показанный на фиг.4 фрагмент включает в себя край стрингера 22, и промежуточные секции стрингеров 21, 23 (то есть края стрингеров 21, 23 не показаны). Каждый стрингер включает в себя стенку 24, которая проходит под прямым углом к панели 20, и две полки 25, 26, которые компланарны с панелью.
Стенка 24 скошена к краю стрингера, что облегчает передачу нагрузки от обшивки на стрингер, так как при этом обеспечивается постепенное увеличение поперечного изгиба и продольной жесткости, и снимаются местные напряжения.
Площадка 27 выдается в направлении вниз из основания стрингера 22, и выходит за торцы стенки 24 и полок 25, 26. Площадка 27 утоплена в паз в панели, который показан на продольном разрезе на фиг.5. Паз имеет правую торцевую стенку 30 и левую торцевую стенку 31. Стенки 30, 31 ориентированы, по существу, навстречу друг другу, и проходят по ширине стрингера, по существу, под прямым углом по отношению к длине стрингера. Торцевая стенка 30 входит в зацепление с правой торцевой поверхностью 32 площадки 27, а торцевая стенка 31 входит в зацепление с левой торцевой поверхностью 33 площадки 27. Кроме того, паз имеет боковые стенки, которые проходят параллельно длине стрингера, и входят в зацепление с соответствующими боковыми стенками площадки 27 в зонах 37, 38 контакта, которые показаны на фиг.4.
Панель 20 изготовлена путем формирования пакета «препрегов» (слоев однонаправленных углеродных волокон, пропитанных связующим из эпоксидной смолы), и последующего отверждения этого пакета в автоклаве. Паз может быть вырезан в поверхности панели (например, путем нанесения кислоты на определенный участок панели). В качестве альтернативы, паз может быть получен в процессе укладки слоев препрега в пакет. То есть каждый слой препрега укладывают при помощи машины для автоматической укладки материала (ATL), и машина ATL укладывает определенное количество слоев до основания паза, а затем прерывает последовательность слоев на том месте, где должен быть паз.
Стрингер 22 изготавливают путем соединения двух предварительно отформованных заготовок с поперечным сечением L-образной формы, каждую из которых изготавливают путем наложения пакета препрегов на соответствующую оправку, с последующим размещением в автоклаве состыкованных стенка к стенке предварительно отформованных заготовок с поперечным сечением L-образной формы, и их совместным отверждением.
После этого на основание стрингера 22 наносят слой клеящего вещества 34. Слой клеящего вещества 34 доходит до левой торцевой поверхности 33 площадки 27. Затем стрингер устанавливают на место, и после затвердевания клеящего вещества 34 вставляют крепежные элементы 35 и создают их предварительное напряжение.
x,right
x,left
Как показано на фиг.6, при приложении сжимающего усилия 40 нагрузка передается от панели на стрингер посредством нормальной реакции σ в правой зоне контакта между поверхностями 30, 32. Как показано на фиг.7, при приложении растягивающего усилия 41 нагрузка передается от панели на стрингер посредством нормальной реакции σ в левой зоне контакта между поверхностями 31, 33. Отсутствие соединения в этих зонах контакта означает, что растягивающие нормальные напряжения не могут передаваться через зону контакта. В зоне 36 контакта между основанием площадки 27 и основанием паза не возникает касательная реакция, так как в этой зоне 36 контакта также отсутствует клеящее вещество.
В конфигурации, показанной на фиг.4 и 5, где площадка утоплена в паз, не возникают ни концентрации напряжений, ни кромочные эффекты, поэтому общая прочность соединения, вероятнее всего, будет высокой.
На виде по фиг.5, все углы между поверхностями 30-33 и основанием паза равны приблизительно 90 градусов. В альтернативных вариантах осуществления (не показаны) эти углы могут быть больше или меньше 90 градусов, или поверхности 30-33 могут быть неплоскими.
В дальнейшем варианте осуществления (не показан) слой клеящего вещества 34 наносят также на основание, торцевые и боковые стенки паза. В этом случае только половина местной нагрузки в одной плоскости будет передаваться стенкой, нагруженной растягивающим усилием. Другая половина нагрузки будет восприниматься стенкой, нагруженной сжимающим усилием, и не создаст условий для разрушения. Если посмотреть с точки зрения надежности и отказоустойчивости, связанной с развитием трещин, то в случае возникновения трещины в одной из стенок, она, вероятнее всего, будет распространяться по всему узлу, переходя от клеящего вещества на непосредственно примыкающий к нему слоистый пластик, поскольку для распространения трещины через слоистый пластик требуется меньшее количество энергии.
В качестве альтернативы стрингер может быть совместно отвержден с панелью для получения совместно отвержденного соединения между площадкой и пазом. Совместно отвержденное соединение обладает более высокими рабочими характеристиками, чем клеевое соединение. В случае возникновения трещины в стенке, нагруженной растягивающим усилием, в слое смолы между утопленной площадкой 27 и панелью, трещина будет распространяться в этом же слое, так как непосредственно примыкающий к нему слоистый пластик имеет более высокую прочность, чем смола. Более того, оставшаяся стенка, нагруженная сжимающим усилием, компенсирует разрушение другой стенки, беря на себя почти всю нагрузку, которую до этого воспринимала разрушенная стенка. Вследствие этого, утопленная площадка обеспечивает резервирование с точки зрения требований к отказоустойчивости.
Если клеящее вещество нанесено вдоль зоны 36 контакта (или если стрингер и панель соединены по всей зоне контакта путем совместного отверждения), то может возникать касательное напряжение. Однако составляющая этого напряжения невелика, и ею можно пренебречь, если расчетная продольная жесткость площадки 27 приблизительно равна продольной жесткости панели.
На фиг.8-11 показаны утопленные площадки альтернативной формы.
В примере по фиг.8 левая зона 50 контакта между площадкой стрингера и пазом находится справа от оконечности 53 стенки. Обращаем также внимание на то, что на краю стрингера полка 51 имеет скошенную верхнюю плоскость 52, что позволяет обеспечить плавную передачу нагрузки, и увеличивает прочность с точки зрения предотвращения отсоединения.
В примере по фиг.9 левая зона 60 контакта между площадкой стрингера и пазом находится слева от оконечности стенки. Обращаем также внимание на то, что на краю стрингера полка 61 имеет скошенную верхнюю плоскость 62.
В примере по фиг.10 левая зона 70 контакта между площадкой стрингера и пазом находится слева от оконечности стенки. Обращаем также внимание на то, что на краю стрингера полка 71 имеет скошенную верхнюю плоскость 72, и торцевая поверхность 73 стрингера совмещена с оконечностью стенки.
В примере по фиг.11 левая зона 80 контакта между площадкой стрингера и пазом находится слева от оконечности стенки. Обращаем также внимание на то, что на краю стрингера полка 81 имеет скошенную верхнюю плоскость 82.
На фиг.12 показана конструкция из композиционного материала, соответствующая дальнейшему варианту осуществления изобретения, которая содержит панель 84 и стрингер 83, соединенный с поверхностью панели. Форма стрингера и панели аналогична форме стрингера и панели, показанных на фиг.8-11, но в данном случае стрингер прикреплен болтами к нервюре, которая проходит по ширине панели в направлении по хорде (то есть пересекает плоскость чертежа на фиг.12). Нервюра содержит стенку 85 и полку 86. Площадка 88 стрингера и полка 86 нервюры соединены с панелью при помощи болтов 87.
На фиг.13 показана конструкция из композиционного материала, соответствующая дальнейшему варианту осуществления изобретения, которая содержит панель 90 и стрингер 91, соединенный с поверхностью панели. На фиг.13 показаны оба конца стрингера, в отличие от фиг.4-12, где показан только один конец стрингера.
На поверхности панели выполнена правая торцевая стенка 92, которая входит в зацепление с правым торцом 93 стрингера, и левая торцевая стенка 94, которая входит в зацепление с левым торцом стрингера. Обращаем внимание на то, что в варианте осуществления по фиг.13 стрингер имеет совершенно плоское основание. Другими словами, ни на одном конце стрингера нет выдающихся из основания площадок. Стенки 92, 93 могут быть выполнены на поверхности панели путем формирования паза, как описано выше, или путем закрепления на панели выступающих частей на обоих концах стрингера.
При приложении сжимающего усилия, нагрузка передается от панели на стрингер посредством нормальной реакции в правой зоне контакта 92, 93, а при приложении растягивающего усилия, нагрузка передается от панели на стрингер посредством нормальной реакции в левой зоне контакта 94, 95.
Несмотря на то что описание настоящего изобретения было сделано посредством одного или более предпочтительных вариантов осуществления изобретения, оно не ограничивается этим описанием, а предполагает изменение или модифицирование самыми различными способами, без отхода от содержания изобретения, в соответствии с пунктами прилагаемой формулы изобретения.