ЭЛЕМЕНТ ЖЕСТКОСТИ И РАБОТАЮЩИЙ НА ИЗГИБ ЭЛЕМЕНТ ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА, УСИЛЕННОГО ПОСРЕДСТВОМ МЕЖСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ
STIFFENING ELEMENT AND BENDING ELEMENT FROM LAMINATED COMPOSITE MATERIAL, REINFORCED BY INTER-LAYER METAL SHEETS

Область техники
Настоящее изобретение относится к усилению элементов из слоистых композитных материалов. Различные варианты реализации изобретения относятся к элементам жесткости и работающим на изгиб элементам из слоистого композитного материала, усиленного волокнами.
Уровень техники
Пластик, усиленный углеродными волокнами, находит широкое применение для выполнения структурных элементов с высоким значением отношения прочности к весу. Пластики, усиленные углеродными волокнами, выполняются из полимерных композитных материалов, содержащих матрицу из термореактивного или термопластичного полимера («смолы»), в которую внедрены углеродные волокна. Структурные элементы из пластика, усиленного углеродными волокнами, могут быть выполнены посредством слоев в виде листов пластика, усиленного волокнами, с последующим соединением этих листов для образования элемента из композитного материала. Такие композитные материалы находят широкое применение для конструкций самолета, например, фюзеляжа, крыльев и других компонентов внешней оболочки самолета. Эти композитные материалы могут быть усилены тонкими металлическими листами между слоями элемента из композитного материала для увеличения структурной целостности элемента.
Пластик, усиленный углеродными волокнами, также находит применение для выполнения элемента жесткости и работающего на изгиб элемента для таких конструкций, как самолет. Элемент жесткости и работающий на изгиб элемент обычно представляют собой удлиненные элементы, выполненные с поперечным сечением, препятствующим изгибу вокруг осей, лежащих в этом поперечном сечении. I-образные, Т-образные и С-образные сечения представляют собой примеры таких элементов. Выполнение таких элементов посредством наложения листов пластика, усиленного углеродными волокнами, создает элемент с большой прочностью вдоль элемента в отношении изгиба и жесткости. Однако, имеют место недостатки, связанные с приложением нагрузок к таким элементам в местах соединений, например, с другими элементами или компонентами.
Элементы из пластика, усиленного углеродными волокнами, обеспечивают значительную прочность вдоль направлений, лежащих вдоль листов, содержащих элемент. Однако, прочность таких элементов в направлении их толщины, то есть, в направлении от листа к листу, прежде всего зависит от прочности связей между листами и прочности пластиковой матрицы листов, поддерживающей волокна. Значения этих прочностей на несколько порядков величины меньше значения прочности листа, усиленного волокнами, в направлениях, вдоль которых проходят волокна. Это низкое значение прочности вдоль толщины создает проблемы для элементов жесткости и работающих на изгиб элементов в местах соединений. Такие соединения могут быть выполнены посредством обычных соединительных деталей, например, посредством болтов или заклепок, проходящих через отверстие, проходящее в направлении толщины элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами. Нагрузки, приложенные к элементу из пластика, усиленного углеродными волокнами, посредством таких соединительных деталей могут повредить элемент из пластика, усиленного углеродными волокнами, вызывая расслаивание листов, составляющих элемент, или повредить матрицу, в которую внедрены волокна. Такое повреждение обычно происходит на участках, включающих изменение траектории действия нагрузки при переходе от одной плоскости к другой плоскости, наклоненной к указанной одной плоскости (например, к радиусу детали при переходе от полки к стенке).
На фиг. 1 показаны известные варианты усиливающих элементов соединения с элементом 10 из пластика, усиленного углеродными волокнами, имеющим I-образное поперечное сечение. Элемент 10 выполнен в виде двух отдельных обычно параллельных полок 14 и 16, соединенных стенкой 12, проходящей между полками 14 и 16 и обычно перпендикулярной к ним. Фиг. 1 поясняет два варианта усиливающих элемента соединения посредством пластины 22 с искривленными поверхностями и угольника 26. Пластина 22 с искривленными поверхностями и угольник 26 усиливают соединение с элементом 10 через полку 16 от поверхности 17, обращенной в направлении, противоположном направлению к полке 14. Соединительные детали 24 и 28 проходят через полку 16, обеспечивая возможность прикрепления к компоненту или элементу, смежному с поверхностью 17.
Соединительная деталь 24 содержит часть, лежащую над пластиной 22 с искривленными поверхностями, и другую часть, проходящую через пластину 22 с искривленными поверхностями и полку 16. Пластина 22 с искривленными поверхностями размещена смежно с поверхностью полки 16, противоположной поверхности 17, для распределения любой нагрузки, приложенной через соединительную деталь 24 к полке 16. Соединительные детали 28 аналогичным образом проходят через угольник 26 и полку 16. Кроме того, угольник 26 размещен смежно со стенкой 12, а соединительные детали 30 проходят через угольник 26 и стенку 12 для дополнительного усиления целостности соединения полки 16 со стенкой 12 элемента 10 и перенесения нагрузки от соединительных деталей 28 к стенке 12.
Пластины с искривленными поверхностями, угольники и подобные средства усиления соединений при приложении нагрузок к элементам из пластика, усиленного углеродными волокнами, обеспечивают необходимую прочности соединений для элементов из пластика, усиленного углеродными волокнами. Такое усиление соединений выполнено посредством дополнительных деталей, которые должны быть размещены и прикреплены во время сборки конструкций, содержащих соединения с элементами жесткости и работающими на изгиб элементами, такими, как элемент 10. Эти дополнительные детали и усилия, необходимые для их внедрения в конструкцию, увеличивают стоимость конструкций, содержащих элементы жесткости и работающие на изгиб элементы, такие, как элемент 10, и увеличивают объем работ при сборке этих конструкций.
Раскрытие изобретения
Согласно одной особенности настоящего изобретения предложены выполненные посредством наложения слоев элементы жесткости и работающие на изгиб элементы, способные выдерживать нагрузки на соединения, приложенные соединительными деталями, без использования внешних элементов усиления, таких как пластины с искривленными поверхностями и угольники.
Согласно другой особенности настоящего изобретения предложены выполненные посредством наложения слоев элементы жесткости и работающие на изгиб элементы из слоистого пластика, усиленного углеродными волокнами, способные выдерживать нагрузки, приложенные соединительными деталями, входящими в контакт с элементом, без использования внешних элементов усиления, и передавать нагрузку на части элемента, примыкающие к месту, в котором соединительная деталь взаимодействует с элементом.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложены выполненные посредством наложения слоев элементы жесткости и работающие на изгиб элементы, содержащие слои усиления внутри элемента, обеспечивающие прочность для выдерживания нагрузок, приложенных к элементу.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ выполнения слоистых элементов в конфигурациях, используемых для элементов жесткости и работающих на изгиб элементов и содержащих слои усиления внутри элемента.
Согласно дополнительной особенности настоящего изобретения предложен способ выполнения элементов посредством наложения слоев в конфигурациях, используемых для элементов жесткости и работающих на изгиб элементов и обеспечивающих прочность для передачи нагрузки от соединительных деталей к элементу без использования внешнего усиления, такого как пластины с искривленными поверхностями и угольники.
Согласно еще одной дополнительной особенности настоящего изобретения предложено выполнение металлических листов согласно форме той части элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами, в которой соединительная деталь взаимодействует с элементом, а также нанесение слоями металлических листов внутри элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами, для усиления элемента.
Согласно еще одной дополнительной особенности настоящего изобретения предложено выполнение металлических листов согласно форме той части элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами, в которой соединительная деталь взаимодействует с элементом, и форме одной или более смежных секций элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами, а также нанесение слоями металлических листов внутри элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами, для усиления элемента в месте расположения соединительной детали и усиления перехода к смежным секциям элемента из пластика, усиленного углеродными волокнами.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ выполнения слоистого удлиненного элемента с формой поперечного сечения, обеспечивающей возможность выдерживать изгиб, и с локальным усилением соединений, причем способ включает: выполнение одного или более металлических листов согласно форме одной или более выбранных частей элемента; размещение одного или более металлических листов между выполненными с возможностью отверждения гибкими слоями с образованием слоистой сборки; и отверждение сборки с образованием усиленного элемента; причем выполненные с возможностью отверждения гибкие слои содержат углеродные волокна, и эти гибкие слои пропитаны связующим материалом матрицы.
При этом металлический лист может быть выполнен из титана; операция выполнения металлических листов может включать выполнение двух или более металлических листов согласно форме выбранной части элемента, а операция размещения металлических листов может дополнительно включать наложение пленки связующего материала к поверхности первого металлического листа и размещение второго металлического листа смежно с пленкой связующего материала; операция выполнения металлических листов может включать выполнение двух или более металлических листов согласно форме выбранной части элемента, а операция размещения металлических листов может дополнительно включать размещение двух или более металлических листов смежно друг с другом, с одним или несколькими гибкими слоями между смежными металлическими листами; операция размещения может дополнительно включать размещение металлического листа между первым выполненным с возможностью отверждения гибким слоем и вторым выполненным с возможностью отверждению гибким слоем, и размещение третьего выполненного с возможностью отверждения гибкого слоя смежно с краем металлического листа и простирающегося от металлического листа между первым и вторым выполненными с возможностью отверждения гибкими слоями; причем операция выполнения одного или более металлических листов может включать выполнение листов, проходящих от секции полки удлиненного элемента до смежной секции стенки удлиненного элемента; операция выполнения металлических листов может содержать выполнение двух или более листов, каждый из которых выполнен с возможностью его прохождения на некоторое расстояние вдоль полки от внешнего края секции полки удлиненного элемента вдоль этой секции полки до смежной секции стенки удлиненного элемента, с последующим прохождением металлического листа на некоторое расстояние вдоль секции стенки удлиненного элемента от секции полки удлиненного элемента, причем происходит увеличение расстояния, проходимого металлическим листом вдоль стенки, при увеличении расстояния, проходимого металлическим листом вдоль полки, и операция размещения двух или более металлических листов может включать размещение металлических листов с увеличенным расстоянием, проходимым вдоль полки, смежно с листом с уменьшенным расстоянием, проходимым вдоль полки, так что металлический лист с увеличенным расстоянием, проходимым вдоль полки, проходит дальше от внешнего края секции полки удлиненного элемента и затем дальше вдоль секции стенки удлиненного элемента, чем смежный металлический лист с меньшими расстояниями, проходимыми вдоль полки и стенки.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ выполнения слоистого удлиненного элемента с поперечным сечением, выдерживающим изгиб, и с локальным усилением мест соединения, причем способ включает: выполнение одного или более металлических листов согласно форме одной или более выбранных частей элемента; размещение одного или более металлических листов между выполненными с возможностью отверждения гибкими слоями с образованием первой слоистой сборки; размещение выполненных с возможностью отверждения гибких слоев смежно друг с другом для образования второй слоистой сборки; размещение первой слоистой сборки смежно со второй слоистой сборкой и в контакте с ней, и отверждение первой и второй слоистых сборок с образованием усиленного элемента.
При этом операция выполнения металлических листов может включать выполнение двух или более металлических листов согласно форме выбранной части первой слоистой сборки; а операция размещения металлических листов может дополнительно включать размещение двух или более металлических листов, смежных друг с другом, причем один или более гибких слоев размещены между смежными металлическими листами; операция выполнения одного или более металлических листов может включать выполнение листов, проходящих от секции полки первой слоистой сборки к смежной секции стенки первой слоистой сборки; операция выполнения металлических листов может содержать выполнение двух или более листов, причем каждый лист выполнен с возможностью его прохождения на некоторое расстояние вдоль полки от внешнего края секции полки удлиненного элемента вдоль этой секции полки до смежной секции стенки удлиненного элемента, с последующим прохождением металлического листа на некоторое расстояние вдоль секции стенки удлиненного элемента от секции полки удлиненного элемента, причем происходит увеличение расстояния, проходимого металлическим листом вдоль стенки, при увеличении расстояния, проходимого металлическим листом вдоль полки, и операция размещения двух или более металлических листов включает размещение металлических листов с увеличенным расстоянием, проходимым вдоль полки, смежно с листом с уменьшенным расстоянием, проходимым вдоль полки, так что металлический лист с увеличенным расстоянием, проходимым вдоль полки, проходит дальше от внешнего края секции полки удлиненного элемента и затем дальше вдоль секции стенки удлиненного элемента, чем смежный металлический лист с меньшими расстояниями, проходимыми вдоль полки и стенки.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен усиленный выполненный посредством наложения удлиненный элемент с поперечным сечением, для выдерживания изгиба, содержащий: множество выполненных с возможностью отверждения слоев, образующих удлиненный элемент с поперечным сечением, выдерживающий изгиб вокруг оси, лежащей в поперечном сечении, и один или более металлических листов, образованных между гибкими слоями удлиненного элемента; и выполненные с возможностью отверждения гибкие слои отверждены вместе с размещенными между ними металлическими листами с образованием единого элемента.
При этом отверстие может проходить через элемент в том месте, где элемент содержит металлические листы, причем размер отверстия обеспечивает возможность размещения соединительной детали, проходящей через элемент; причем выполненные с возможностью отверждения слои могут содержать углеродные волокна и слои пропитаны связующим материалом; один или более металлических листов могут быть выполнены из титана; образованные металлические листы могут проходить от секции полки усиленного элемента до смежной секции стенки усиленного элемента; образованные металлические листы могут представлять собой два или более металлических листов, причем каждый лист выполнен с возможностью его прохождения на некоторое расстояние вдоль полки от внешнего края секции полки усиленного слоистого элемента вдоль этой секции полки до смежной секции стенки усиленного слоистого элемента, с последующим прохождением металлического листа на некоторое расстояние вдоль секции стенки усиленного слоистого элемента от секции полки усиленного слоистого элемента, причем происходит увеличение расстояния, проходимого металлическим листом вдоль стенки, при увеличении расстояния, проходимого металлическим листом вдоль полки, и два или большее количество металлических листов размещены внутри усиленного слоистого элемента таким образом, что металлический лист с увеличенным расстоянием, проходимым вдоль полки, размещен смежно с листом с уменьшенным расстоянием, проходимым вдоль полки, и металлический лист с увеличенным расстоянием, проходимым вдоль полки, выдвинут дальше от внешнего края секции полки усиленного слоистого элемента и затем дальше вдоль секции стенки усиленного слоистого элемента, чем смежный металлический лист с меньшими расстояниями, проходимыми вдоль полки и стенки; элемент выполнен в виде Т-образного элемента, I-образного элемента, С-образного элемента или шляпообразного элемента.
Предложенные особенности, функции и отличительные признаки могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть скомбинированы в других вариантах реализации изобретения, дополнительные подробности которых могут быть видны при ссылках на последующие описание и чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан отражающий известный уровень техники элемент с I-образным поперечным сечением, использующий пластину с искривленными поверхностями и угольник для усиления соединений.
На фиг. 2 показаны элементы жесткости и работающие на изгиб элементы, которые могут осуществить настоящее изобретение.
На фиг. 3 показано поперечное сечение полки и части смежной стенки С-образной секции.
На фиг. 4 показано поперечное сечение другой конфигурации полки и части смежной стенки С-образной секции.
На фиг. 5 показан перспективный вид С-образного элемента и форма для наложения слоев при выполнении элемента.
На фиг. 6 показано поперечное сечение Т-образной секции.
На фиг. 7 показано поперечное сечение компонента Т-образной секции по фиг. 6.
На фиг. 8 показан перспективный вид I-образного элемента, образованного из компонент элемента и форма для наложения слоев при выполнении элемента.
На фиг. 9 показано поперечное сечение выполненного посредством сварки Т-образного металлического усиления для элемента.
На фиг. 10 показано поперечное сечение Т-образного элемента, содержащего усиление по фиг. 9.
На фиг. 11 показано поперечное сечение выштампованного выдавливанием Т-образного металлического усиления для слоистого элемента.
На фиг. 12 показано поперечное сечение слоистого Т-образного элемента, содержащего усиление по фиг. 11, а также дополнительное усиление.
Описание вариантов реализации настоящего изобретения
Описанные варианты реализации настоящего изобретения относятся к выдерживанию нагрузок, приложенных слоистыми элементами, включая нагрузки, приложенные соединительными деталями. В частности, описаны элементы жесткости и работающие на изгиб элементы, образованные посредством наложения листов пластика, усиленного волокнами, и тонких металлических листов. Металлические листы могут быть выполнены внутри элементов жесткости и работающих на изгиб элементов в том месте, где соединительная деталь проходит через элемент. Тонкие металлические листы размещены вокруг соединительной детали для усиления элемента жесткости и работающего на изгиб элемента из слоистого пластика с целью противостояния нагрузкам, приложенным соединительной деталью.
Различные варианты реализации настоящего изобретения будут описаны ниже более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны такие варианты реализации изобретения. Однако, различные варианты реализации настоящего изобретения могут быть осуществлены во многих различных формах и не должны быть рассмотрены как ограниченные сформулированными здесь вариантами реализации. Скорее эти варианты реализации изобретения представляют собой лишь примеры, обладающие полным объемом изобретения, сформулированным в формуле изобретения. Одинаковые позиционные обозначения относятся повсюду к аналогичным элементам.
На фиг. 2 показаны четыре элемента жесткости и работающих на изгиб элемента с различными поперечными сечениями, способные быть выполненными посредством наложенных листов пластика, усиленного углеродными волокнами. Элемент 32 представляет собой элемент с С-образным поперечным сечением, а элемент 34 представляет собой элемент с шляпообразным поперечным сечением. Элемент 36 представляет собой элемент с I-образным поперечным сечением, а элемент 38 представляет собой элемент с Т-образным поперечным сечением. Элементы 32 и 34 могут быть выполнены, как описано ниже, в виде цельного компонента. Элементы 36 и 38 могут быть выполнены из более компонентов, как также описано ниже.
На фиг. 3 показано поперечное сечение части 40 элемента с С-образным поперечным сечением, такого, как элемент 32. На фиг. 3 показана полка 42, проходящий вдоль направления полки от внешней стороны 48 к секции 44 стенки, причем часть 40 изогнута примерно на 90 градусов, так что секция 44 стенки проходит в основном перпендикулярно к полке 42 по направлению к секции 46 стенки, которая продолжает секцию 44 вдоль ее направления.
Секции 42, 44 и 46 содержат слои 66, усиленные углеродным волокном. Слои 66, усиленные углеродным волокном, проходят от внешней стороны 48 полки 42 через полку 42, через секцию 44 стенки и далее через секцию 46 стенки. Толщина слоев 66, усиленных углеродными волокнами (также называемых выполненными с возможностью отверждения гибкими слоями) составляет от 0,13 мм до 0,25 мм; они могут быть выполнены в виде ленты или ткани и могут также быть пропитаны материалом матрицы в виде термопластичного или термореактивного связующего материала. Выступ 42 и секция 44 стенки также содержат титановые листы 68, проходящие от внешней стороны 48 вдоль полки 42 и в секцию 44 стенки. Толщина титановых листов 68 (также называемых металлическими листами) составляет от 0,1 мм до 0,5 мм. Этот диапазон значений толщины обеспечивает удобное наложение на листы пластика, усиленного углеродными волокнами. Титановые листы 68 претерпевают изгиб вместе с элементом, проходя через полку 42 и вдоль секции 44 стенки. Как показано на фиг. 3, каждый титановый лист 68 размещен по меньшей мере между двумя слоями 66, усиленными углеродными волокнами, и проходит через полку 42 в секцию 44 стенки. Титановые листы 68 проходят от полки 42 на все большее расстояние вдоль секции 44 стенки по мере увеличения расстояния от внешней стороны 48. Происходит уменьшение ширины секции 44 стенки вдоль направления полки по мере увеличения расстояния от полки 42 вследствие уменьшения количества титановых листов 68 в этом месте. Ширина секции 46 стенки постоянна, поскольку она содержит только слои 66, усиленные углеродными волокнами.
На фиг. 4 показано поперечное сечение части 50 элемента с С-образным поперечным сечением, такого, как элемент 32. На фиг. 4 показана полка 42, проходящий вдоль направления полки от внешней стороны 48 к секции 74 стенки, причем элемент изогнут примерно на 90 градусов, так что секция 74 стенки проходит в основном перпендикулярно к полке 42 по направлению к секции 76 стенки, которая продолжает направление секции 74.
Секции 42, 74 и 76 содержат полученные посредством наложения слои, представляющие собой слои 66, усиленные углеродным волокном, проходящие от внешней стороны 48 через полку 42, секцию 74 стенки и секцию 76 стенки. Как показано на фиг. 4, титановые листы 68 проходят от внешней стороны 48 через полку 42 и секцию 74 стенки. Титановые листы 68 претерпевают изгиб вместе с частью 50, проходя через секцию 74 стенки и удаляясь от полки 42. Титановые листы 68 проходят от полки 42 на все большее расстояние вдоль секции 74 стенки по мере увеличения расстояния от внешней стороны 48. Начиная с самой дальней удлиненности титанового листа 68 вдоль секции 74 стенки, слой 66, усиленные углеродным волокном, размещен смежно с титановым листом 78 и проходит вдоль секций 74 и 76 стенки. Как показано на фиг. 4, слои 66, усиленные углеродными волокнами, формирующие часть полки 42 и секцию 74 стенки, проходят от внешней стороны 48 через полку 42, секцию 74 стенки и затем через секцию 76 стенки. Ширина секции 74 стенки приблизительно одинакова по мере увеличения расстояния от полки 42, вследствие слоев 66, усиленных углеродными волокнами, которые продолжаются вдоль секций 74 и 76 полки, примыкают к титановым листам 68.
Титановые листы 68 из части 40 по фиг. 3 размещены между двумя слоями 66, усиленными углеродными волокнами. Титановые листы 68 из части 50 по фиг. 4 размещены смежно с одним или несколькими титановыми листами 68. Пленка связующего материала приложена между смежными титановыми листами 68 из части 50 по фиг. 4.
На фиг. 5 показан элемент 32 в виде С-образного канала, размещенного внутри фасонного держателя 78, форма которого предназначена для поддержки элемента 32. Элемент 32 представляет собой полученный посредством наложения слоев элемент, который может быть выполнен из слоев 66, усиленных углеродными волокнами, и титановых листов 68. Элемент 32 сформован в держателе 78 посредством формования слоистых пластиков способом наслоения. Титановые листы 68 сформованы согласно конфигурации сгиба по фиг. 3 и 4 и затем обезжирены. В отношении титановых листов затем применена золь-гель процедура. При необходимости хранения в течение некоторого времени происходит нанесение слоя грунтовочного покрытия на согнутые титановые листы. Происходит размещение слоев 66, усиленных углеродными волокнами, и согнутых титановых листов 68 в фасонном держателе 78 смежно друг с другом, как описано выше. Операция формования слоистого пластика способом наслоения включает нанесение связующего материала, используемого для выполнения усиленных слоев 66 между смежными слоями 66. Для таких конфигураций, как конфигурация части 50 по фиг. 4, в которой титановые листы 68 смежные друг с другом, пленка связующего материала приложена между смежными титановыми листами 68. После формования способом наслоения слоев 66 и титановых листов 68 описанной выше конфигурации они проходят обработку в вакуумном мешок и отвердевают при соответствующей повышенной температуре и под давлением окружающего пространства для отверждения смолы слоев 66 и связывания слоев 66 и титановых листов 68. Операция отверждения создает единый элемент из композитного материала.
На фиг. 6 показано поперечное сечение элемента 80 из пластика, усиленного углеродными волокнами, представляющее собой Т-образное сечение, содержащее полку 82, соединенную со стенкой 84. Выступ 82 проходит в направлении ширины от первой внешней стороны 92 до второй внешней стороны 94. Выступ 82 образует верхнюю поверхность 96, проходящую от первой внешней стороны 92 до второй внешней стороны 94. Стенка 84 проходит от полки 82 со стороны, противоположной верхней поверхности 96 полки.
Т-образный элемент 80 содержит четыре компонента, а именно, внешнюю секцию 102 полки, две угловых секции 104 и 106 и пасту 108 для заполнения зазора. Внешняя секция 102 полки проходит от первой внешней стороны 92 до второй внешней стороны 94, и от верхней поверхности 96 полки с образованием части полки 82, простирающейся от верхней поверхности 96 полки до стенки 84. Угловая секция 104 содержит секцию 112 полки, образующую секцию полки 82, проходящую от первой внешней стороны 92 до стенки 84, и затем претерпевающую изгиб для продления от полки 82 в направлении, противоположном верхней поверхности 96, с образованием секции стенки 84. Секция 112 полки соседствует с внешней секцией 102 полки таким образом, что секция 112 полки и внешняя секция 102 полки вместе образуют полку, смежную с первой внешней стороной 92. Угловая секция 106 содержит секцию 122 полки, образующую секцию полки 82, проходящую от первой внешней стороны 94 до стенки 84, и затем претерпевающую изгиб для прохождения от полки 82 в направлении, противоположном верхней поверхности 96, с образованием секции стенки 84. Секция 122 полки соседствует с внешней секцией 102 полки таким образом, что секция 122 полки и внешняя секция 102 полки вместе образуют полку, смежную с первой внешней стороной 94. Угловые секции 104 и 106 встречают друг друга смежно с внешней секцией 102 полки и проходят дальше смежно друг с другом, образуя стенку 84. Внешняя секция 102 полки и угловые секции 104 и 106 окружают полость, расположенную в месте, соседствующем с изгибами угловых секций. Паста 108 соседствует с внешней секцией 102 полки и угловыми секциями 104 и 106 и предназначена для заполнения этой полости. Паста 108 может быть выполнена из заполнителя из связующего материала или из такого заполнителя в комбинации со скрученными волокнами. В качестве альтернативы паста может быть выполнена из пены с низкой плотностью.
Внешняя секция 102 полки выполнена в виде слоев 66, усиленных углеродными волокнами. Толщина слоев 66, усиленных углеродными волокнами, составляет от 0,13 мм до 0,25 мм, причем они могут быть выполнены в виде ленты или ткани и пропитаны материалом матрицы из термопластичного или термореактивного связующего материала.
Угловые секции 104 и 106 образованы наслоением слоев 66, усиленных углеродными волокнами, а в областях, образующих часть полки 82 и участок стенки 84, также образованы из титановых листов 68. Толщина титановых листов 68 составляет от 0,01 мм до 0,5 мм. Этот диапазон толщин обеспечивает удобное нанесение слоев в виде листов пластика, усиленного углеродными волокнами. Как показано на фиг. 6 и 7, титановые листы 68 проходят от первой и второй внешних сторон 92 и 94 через секции 112 и 122 полки угловых секций 104 и 106, соответственно. Титановые листы 68 изогнуты вместе с угловыми секциями 104 и 106, проходя вдоль стенки 84 и удаляясь от полки 82. Титановые листы 68 проходят из сечений 112 и 122 полки в переходные области 114 и 124, соответственно. Слои 66, усиленные углеродными волокнами, угловых секций 104 и 106 проходят от первой и второй внешних сторон 92 и 94, соответственно, через секции полки 112 и 122, соответственно, и затем через переходные области 114 и 124, соответственно, в секции 116 и 126 стенки 84. Как показано, каждый титановый лист 68 угловых секций 104 и 106 размещен между двумя слоями 66, усиленных углеродными волокнами.
Как показано на фиг. 6 и 7, титановые листы 68 проходят через секции 112 и 122 полки. В пределах каждой угловой секции 104 и 106 титановые листы 68 проходят вдоль стенки 84 на все большем расстоянии от полки 82 по мере увеличения их расстояния от первой внешней стороны 92 и второй внешней стороны 94, соответственно. Кроме того, расстояния, которые титановые листы 68 проходят вдоль стенки 84 от полки 82, одинаковы для титановых листов 68, находящихся на одинаковом расстоянии от первой и второй внешних сторон 92 и 94, что образует симметричную конфигурацию по фиг. 6, причем самые длинные титановые листы 68 размещены в середине стенки 84. Как показано на фиг. 6 и 7, слои 66, усиленные углеродными волокнами, образующие часть угловых секций 104 и 106, соответственно, проходят от первой и второй внешних сторон 92 и 94 через секции 112 и 122 полки, соответственно, переходные области 114 и 124, соответственно, и, наконец, через секции 116 и 126 стенки. Происходит уменьшение ширины стенки 84 вдоль направления между первой и второй внешними сторонами 92 и 94 по мере увеличения расстояния от полки 82 вследствие уменьшения количества титановых листов в заданном месте. Ширина стенки 84 постоянна в секциях 116 и 126 стенки, содержащих только слои 66, усиленные углеродными волокнами.
Т-образный элемент 80 может быть выполнен посредством операции совместного связывания. Внешняя секция 102 полки предварительно отверждена посредством наслоения листов 66, усиленных углеродным волокном, с образованием внешней секции 102 полки с последующим предварительным отверждением этой секции. Эти две угловые секции 104 и 106 могут быть выполнены посредством выполнения титановых листов 68 в виде конфигурации, описанной выше и показанной на фиг. 6 и 7. Эти титановые листы подготовлены, как описано выше в отношении элемента 32 С-образного канала. Затем происходит предварительное отверждение двух угловых секций 104 и 106 с образованием отдельных компонент элемента 80. Предварительно отвержденные внешняя секция 102 полки, угловые секции 104 и 106 и паста 108 собраны и обработаны в вакуумном мешке. Затем происходит отверждение сборки в автоклаве при повышенных температуре и давлении с образованием единого элемента из композитного материала.
На фиг. 8 показана альтернатива описанному выше формированию элемента из более предварительно отвержденных компонентов. На фиг. 8 показан элемент 36 с I-образным сечением, выполненный из двух С-образных элементов 132 и двух внешних секций 102 полки. Каждый элемент 132 образован аналогично описанному выше элементу 32. Вместо использования держателя 78, внутри которого происходит выполнение элемента, каждый из двух С-образных элементов 132 образован вокруг инструмента 144 таким образом, что стенка 134 и полки 136 и 138 каждого элемента 132 смежные с инструментом 144. Поверхность стенки 134 обращена в направлении, противоположном направлению от инструмента 144. Элементы 132 размещены смежно друг с другом таким образом, что поверхность каждого элемента, которая обращена в направлении, противоположном направлению от инструмента 144, соседствует с обращенной в противоположном направлении поверхностью стенки 134 из другого элемента 132. Паста 108 размещена смежно с элементами 132 между проходящими в противоположных направлениях полками 136 и 138. Внешняя секция 102 полки выполнена из слоев 66, усиленных углеродными волокнами, и размещена смежно с проходящими в противоположных направлениях полками 136 и 138. Сборка обработана в вакуумном мешке и отверждена в автоклаве при повышенных температуре и давлении. Этот способ требует лишь одной операции отверждения для образования единого элемента из композитного материала.
На фиг. 9 и 10 показана альтернативная конструкция Т-образной секции, которая может образовать Т-образный элемент или секции стенки и полки I-образного элемента. На фиг. 9 показано поперечное сечение сваренной титановой Т-образной секции 150. Т-образная секция 150 образована пластинами 152 и 156. Как показано на фиг. 9, пластина 152 проходит от конца 151 до конца 153. Пластина 156 проходит от конца 155 до конца 157. Пластина 156 размещена так, что конец 155 взаимодействует с пластиной 152 в месте между концами 151 и 153, причем пластина 156 в целом перпендикулярна к пластине 152. Пластина 156 приварена к пластине 152 в конце 155.
На фиг. 10 показано Т-образное сечение элемента 170, содержащего Т-образную секцию 150. Внешняя секция 102 полки проходит от конца 151 до конца 153, примыкая к той поверхности пластины 152, которая обращена в направлении, противоположном направлению от пластины 156. Внешняя секция 102 полки образована наложенными друг на друга слоями в виде слоев 66, усиленных углеродными волокнами. Угловые части 172 и 182 проходят от концов 151 и 153, соответственно, к пластине 156, смежной с той поверхностью пластины 152, которая обращена в направлении, противоположном направлению от внешней секции 102 полки. Угловые части 172 и 182 содержат секции 174 и 184 полки, которые проходят от концов 151 и 153, соответственно, к пластине 156, и изогнуты с образованием переходных секций 176 и 186, соответственно, которые проходят вдоль пластины 156, удаляясь от пластины 152 обычно перпендикулярно к ней. Угловые части 172 и 182 образованы, аналогично описанным выше угловым секциям 104 и 106, из слоев в виде слоев 66, усиленных углеродными волокнами, а также образованы из титановых листов 68. Титановые листы 68 в переходных секциях 176 и 186, которые близки к пластине 156, проходят вдоль направления пластины 156 расстояние, превышающее расстояние, проходимое титановыми листами 68, размещенными дальше от пластины 156. Паста 108 размещена по обеим сторонам пластины 156 в месте сварки пластины 156 с пластиной 152 для заполнения полости между пластинами 152, 156 и угловыми секциями 172 и 182. Слои 66, усиленные углеродными волокнами, в угловых секциях 172 и 182 проходят от титановых листов 68 с образованием секции 192 из пластика, усиленного углеродными волокнами. Т-образный элемент 170 может быть выполнен в виде цельного элемента, так что он может быть подвергнут обработке в вакуумном мешке и отвержден в автоклаве при повышенных температуре и давлении, чтобы быть отвержденным в ходе единственной операции с образованием единого элемента.
На фиг. 11 и 12 показана альтернативная конструкция Т-образной секции, которая может образовать Т-образный элемент или секции стенки и полок I-образного элемента. На фиг. 11 показан элемент 210, имеющий Т-образное поперечное сечение, подобное поперечному сечению Т-образной секции 150 по фиг. 9. Т-образная секция 210 выштампована выдавливанием в виде цельного элемента, образующего обычно плоскую пластину 212 полки, обычно плоскую пластину 216 стенки, проходящую перпендикулярно к пластине 212 полки, и переходную секцию 214 между пластиной 212 полки и пластиной 216.
На фиг. 12 показано поперечное сечение Т-образного элемента 220, содержащего Т-образную секцию 210. Элемент 220 аналогичен описанному выше и показанному на фиг. 10 элементу 170. Элемент 220 содержит элемент 210, содержащий переходную секцию 214, образованную для соответствия смежным угловым секциям 222 и 232 из элемента 220. Угловые секции 222 и 232 и элемент 210 не образуют никакой полости и, таким образом, паста 108 не нужна для заполнения полости. Единственный титановый лист 68 протянут через угловые секции 222 и 232. Секция 242 стенки содержит слои 66, усиленные углеродными волокнами, размещенные на противоположно обращенных поверхностях этой секции и проходящие от угловых секций 222 и 232. Т-образный элемент 220 может быть выполнен в виде цельного элемента, так что он может быть подвергнут обработке в вакуумном мешке и отвержден в автоклаве при повышенных температуре и давлении, чтобы быть отвержденным в ходе единственной операции с образованием единого элемента.
После образования элемента согласно настоящему изобретению происходит высверливание отверстий через элемент в местах размещения титановых листов для принятия болтов или других соединительных деталей.
Настоящее изобретение не ограничено использованием любой конкретной формы секции. Изобретение может быть адаптировано к ряду структурных элементов, а элементы могут быть выполнены согласно настоящему изобретению в формах, отличных от обычных структурных форм. Кроме того, количество, форма, размер и толщина наложенных металлических листов могут быть различными для достижения желательной прочности. Точно так же металл, предназначенный для образования листов, и материалы, формирующие слои пластика, усиленного волокнами, могут быть отличными от описанных для вариантов реализации изобретения.