КОМПОЗИТНЫЙ ШЛЯПОВИДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЖЕСТКОСТИ
COMPOSITE HAT-SHAPED STIFFNESS ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Композитные конструкции воздушных судов обеспечивают множество преимуществ для авиационной промышленности. Композитные корпуса воздушных судов могут быть выполнены более легкими и/или прочными по сравнению с корпусами воздушных судов, изготовленными из материалов, таких как алюминий. Композитная обшивка воздушного судна может быть выполнена легкой и эластичной. Как и в случае с другими конструкциями воздушных судов, композитные конструкции воздушных судов подвержены воздействию различных усилий во время работы воздушного судна. Усиливающие приспособления обычно используют в наиболее важных местах по отношению к композитным конструкциям воздушных судов для поглощения и распределения этих действующих сил с обеспечением поддержания конструктивной целостности воздушного судна.
Один тип усиливающего приспособления представляет собой элемент жесткости. Элемент жесткости представляет собой полосу из материала, которая передает усилия, сообщенные обшивке, на корпус в части фюзеляжа воздушного судна и на ребра, лонжероны в крыльевой части воздушного судна и на балки на конструкции шпангоутов. Элементы жесткости могут обеспечивать жесткость при кручении, жесткость при изгибе и сопротивление прогибу в композитных конструкциях для многих применений в отношении воздушных судов. Элементы жесткости могут обеспечивать возможность уменьшения толщины обшивки, что обеспечивает уровень прочности и жесткости, необходимый для безопасной работы воздушного судна.
Обычные конструкции элементов жесткости изменяются от производителя к производителю и от воздушного судна к воздушному судну. В композитном воздушном судне конструкции элементов жесткости могут принимать форму шляповидного элемента жесткости, который может быть выполнен открытым или закрытым. Другие конструкции элементов жесткости могут содержать, без ограничения, I-образный элемент жесткости или Г-образный элемент жесткости. Для поддержания конструктивной целостности воздушного судна элемент жесткости обычно выполнен с возможностью учета вышеописанных усилий. Конструкция обычного элемента жесткости и производственные ограничения часто приводят к недостаточно оптимальным техническим характеристикам, для которых условий нагружения и возможной избыточности в конструкции для других условий. Например, обычные шляповидные элементы жесткости часто имеют постоянный угол расположения стенок шляповидного элемента. По существу вертикальные стенки шляповидного элемента жесткости лучше подходят для передачи нагрузки в области сопряжения, однако может быть необходимо их усиление посредством стрингерной арматуры, которая может помогать в ослаблении проблем скручивания, возникающих в результате усилия сдвига с запаздыванием. Шляповидный элемент жесткости с менее крутым углом стенок шляповидного элемента мог бы управлять сдвиговым запаздыванием более эффективным образом, однако его может быть необходимо усилить в отрывных областях сопряжения с использованием закругленных арматур или угловых арматур.
Настоящее изобретение, реализованное в данной заявке, представлено в соответствии с этими и другими принципами.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следует понимать, что настоящий раздел приведен для внесения на рассмотрение выборки концепции в упрощенной форме, которые дополнительно описаны в приведенном далее разделе «Осуществление изобретения». Настоящий раздел не предназначен для ограничения объема заявленного изобретения.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения в настоящей заявке предложен шляповидный элемент жесткости. Шляповидный элемент жесткости может содержать верхнюю часть шляповидного элемента, имеющую продольный участок верхней части шляповидного элемента, один или большее количество выступов шляповидного элемента вдоль указанного продольного участка верхней части шляповидного элемента и стенку шляповидного элемента. Стенка шляповидного элемента может иметь первый наклон вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента и второй наклон вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента. Второй наклон может быть больше, чем первый наклон.
Согласно другому аспекту предложена композитная конструкция. Композитная конструкция может содержать композитную обшивку и один или большее количество шляповидных элементов жесткости, прикрепленных к композитной обшивке. Один или большее количество шляповидных элементов жесткости могут содержать верхнюю часть шляповидного элемента, имеющую продольный участок верхней части шляповидного элемента, один или большее количество выступов шляповидного элемента вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента и стенку шляповидного элемента. Стенка шляповидного элемента может иметь первый наклон вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента и второй наклон вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента. Второй наклон может быть больше, чем первый наклон.
Согласно еще одному аспекту предложен способ формирования шляповидного элемента жесткости. Способ может включать обеспечение оправки, имеющей первый наклон стенок шляповидного элемента вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента и второй наклон стенок шляповидного элемента вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента. Второй наклон стенок шляповидного элемента может быть больше, чем первый наклон стенок шляповидного элемента. Способ может дополнительно включать обеспечение композитного материала, размещение композитного материала в оправке, отверждение композитного материала и удаление композитного материала для формирования шляповидного элемента жесткости, имеющего локально оптимизированные наклоны стенок шляповидного элемента.
Особенности, функции и преимущества, описанные в настоящей заявке, могут быть достигнуты независимо друг от друга в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть объединены в еще одних вариантах реализации, дополнительные сведения о которых можно найти по ссылке в приведенных далее разделах «Осуществление изобретения» и «Чертежи».
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан перспективный вид части обычной конструкции композитного фюзеляжа.
На фиг. 2 показан вид в разрезе обычной конструкции композитного фюзеляжа, использующей обычный шляповидный элемент жесткости.
На фиг. 3 показан вид в разрезе конструкции композитного фюзеляжа, использующего локально оптимизированный шляповидный элемент жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 4 показан перспективный вид шляповидного элемента жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 5 показан перспективный вид альтернативного шляповидного элемента жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 6 показан перспективный вид альтернативного шляповидного элемента жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 7 показан перспективный вид оправки, которая может быть использована для формирования шляповидного элемента жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 8 показан перспективный вид оправки с переменной длиной выступов согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 9 показан вид в разрезе конструкции композитного фюзеляжа с переменной высотой шляповидного элемента согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 10 показан иллюстративный способ формирования локально оптимизированных композитных шляповидных элементов жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
На фиг. 11 показан иллюстративный способ применения локально оптимизированного композитного шляповидного элемента жесткости согласно вариантам реализации, представленным в настоящей заявке.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенное далее подробное описание направлено на шляповидный элемент жесткости, который использует переменный наклон стенок шляповидного элемента вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента у шляповидного элемента жесткости. Использование переменного наклона стенок шляповидного элемента может обеспечивать наличие шляповидного элемента жесткости по существу с вертикальными стенками шляповидного элемента под наклоном в отрывных областях сопряжения. Переменный наклон стенок шляповидного элемента может также обеспечивать наличие стенки шляповидного элемента с более постепенным наклоном на концах или выступах, на конце элемента жесткости или в области, в которой нет необходимости в наличии вертикальных стенок. В некоторых конструкциях по существу вертикальные наклоны стенок шляповидного элемента могут уменьшать отклонение между нагрузкой в области сопряжения, приложенной к выступу шляповидного элемента, и путем нагружения, обеспеченного стенкой шляповидного элемента для выдерживания плоскостной нагрузки на окружающую конструкцию. Уменьшение отклонения может уменьшить вызванный изгиб по радиусу в области сопряжения. В итоге, нагрузка при межслойном растяжении может быть уменьшена в отрывных областях сопряжения.
Стенки под более постепенным наклоном в выступах могут обеспечивать путь нагружения для сдвига в плоскости от верхней части элемента жесткости обратно к обшивке, до завершения элемента жесткости. Обеспечение пути нагружения для сдвига в плоскости может уменьшить величину формируемого сдвигового запаздывания, что возможно приведет к изгибу по радиусу и нарушениям в межслойном растяжении в выступах элемента жесткости. Геометрические размеры оправки могут быть изменены для производства элемента жесткости согласно различным аспектам, описанным в настоящей заявке.
Композитные складки, формирующие шляповидный элемент жесткости, могут быть уложены таким же образом, как и обычный шляповидный элемент жесткости, и собраны в оправке, подвергнуты формованию и отверждены. Элементы жесткости могли быть затем скреплены, скреплены посредством связующего или соединены посредством связующего с лонжероном или обшивкой. В некоторых конструкциях нет необходимости в каких-либо дополнительных частях, что возможно обеспечивает уменьшение количества деталей, время сборки и затраты на анализ путем уменьшения или устранения необходимости в прикреплении дополнительных выступающих арматур или отрывных арматур в области сопряжения, или закругленных соединительных арматур.
В приведенном далее подробном описании приведены ссылки на прилагаемые чертежи, которые составляют часть этого описания и на которых показаны иллюстративные конкретные варианты реализации или примеры. Аспекты шляповидного элемента жесткости, который использует переменные углы шляповидного элемента, и другие аспекты будут представлены со ссылкой на чертежи, на которых схожие ссылочные номера представляют схожие элементы на различных фигурах.
На фиг. 1 показана часть обычной конструкции 100 композитного фюзеляжа из уровня техники. Конструкция 100 фюзеляжа может содержать обшивку 102. Обшивка 102 обычно представляет собой составную матрицу, сформированную из нескольких слоев складок. Складки могут содержать несколько слоев из материала, которые, при их отверждении, формируют обшивку 102. Шляповидные элементы 104 жесткости, прикрепленные к внешней стороне обшивки 102, обеспечивают наличие конструктивной опоры по отношению к обшивке 102. Сочетание обшивки 102, изготовленной из композитной матрицы, и шляповидных элементов 104 жесткости, которые могут быть изготовлены из композитной матрицы, может обеспечивать наличие конструкции 100 фюзеляжа, которая может быть выполнена конструктивно жесткой, но относительно легкой.
На фиг. 2 показан вид в разрезе одного из шляповидных элементов 104 жесткости, который показан в качестве шляповидного элемента 104А жесткости. Шляповидный элемент 104А жесткости сформирован из различных компонентов, которые вместе функционируют с обеспечением конструктивной опоры для обшивки 102. Компоненты содержат верхнюю часть 206 шляповидного элемента, стенку 208А, 208В шляповидного элемента и выступы 210А, 210В шляповидного элемента. В некоторых конструкциях верхняя часть 206 шляповидного элемента соединена с корпусом воздушного судна (не показан). Верхняя часть 206 шляповидного элемента может обеспечивать скрепление элементов жесткости посредством связующего с элементом 104А жесткости. Стенки 208А, 208В шляповидного элемента могут сдвигать верхнюю часть 206 шляповидного элемента от обшивки 102, что увеличивает вклад стенок 208А, 208В шляповидного элемента в жесткость при изгибе. Кроме того, стенки 208А, 208В шляповидного элемента могут также обеспечивать внеплоскостное сопротивление сдвигу, что обеспечивает возможность передачи шляповидным элементом 104А жесткости нагрузок на окружающую конструкцию. В некоторых конструкциях верхняя часть 206 шляповидного элемента также может поглощать сдвиг в плоскости. Стенки 208А, 208В шляповидного элемента могут обеспечивать путь нагружения для передачи сдвига в плоскости между обшивкой 102 и верхней частью 206 шляповидного элемента и верхней частью 206 шляповидного элемента и обшивкой 102.
В других конструкциях верхняя часть 206 шляповидного элемента может быть соединена с другой композитной конструкцией, такой как второй слой обшивки (не показан). В некоторых реализациях корпус может иметь отверстия и может устанавливаться поверх крепления шляповидного элемента в выступы или балка могла бы быть скреплена с другой стороной обшивки и затем прикреплена к шляповидному элементу путем скрепления посредством прикрепленных выступов. В некоторых реализациях может быть прикреплена верхняя часть 206 шляповидного элемента, однако это обычно предотвращено, поскольку сложно обследовать что-либо, что прикреплено к верхней части шляповидного элемента.
Стенка 208А, 208В шляповидного элемента формирует несущую конструкцию между верхней частью 206 шляповидного элемента и выступами 210А, 210В шляповидного элемента. Выступы 210А, 210В шляповидного элемента соединяют одну сторону шляповидного элемента жесткости 104А с частью воздушного судна, такой как обшивка 102. Выступы 210А, 210В шляповидного элемента могут быть сформированы с обшивкой 102 как одно целое или могут быть скреплены с обшивкой 102 путем использования адгезива 212 или путем другого скрепления посредством связующего или способа прикрепления.
Пространство Q между внутренними поверхностями выступа 210А и выступа 210В по отношению к длине R верхней части 206 шляповидного элемента обеспечивают угол α расположения стенки элемента жесткости. Угол α расположения стенки элемента жесткости может влиять на то, как происходит передача усилий от обшивки 102 к верхней части 206 шляповидного элемента и в другие конструкции в воздушном судне для рассеяния нагрузки. Верхняя часть 206 шляповидного элемента функционирует в качестве приспособления передачи усилий для передачи усилий от стенки 208 шляповидного элемента, который в свою очередь передает усилия от выступа 210 стенки. Шляповидный элемент 104А жесткости может быть подвержен воздействию различных усилий, кратных векторам.
Например, шляповидный элемент 104А жесткости может быть подвержен воздействию усилия С отрыва, которое представляет собой усилие нагрузки, имеющее направление, указанное на фиг. 2. В одной конструкции необходимый путь передачи усилия С отрыва проходит от обшивки 102 через шляповидный элемент 104А жесткости и через другие различные конструкции с окончанием в корпусе воздушного судна. Шляповидный элемент 104А жесткости может быть также подвержен воздействию усилия S сдвига, которое представляет собой усилие, которое в целом проходит под прямым углом к усилию С отрыва. Данное усилие S сдвига может представлять собой реакцию в верхней части 206 шляповидного элемента вследствие сдвига в обшивке 102 и выступах 210А, 210В шляповидного элемента. Вследствие данной реакции, усилие S сдвига, присутствующее на верхней части 206 шляповидного элемента, имеет противоположный вектор по отношению к усилию S сдвига, присутствующему в обшивке 102 (показано двумя косыми чертами через вектор усилия на обшивку 102). Данный сдвиг может быть сформирован в верхней части 206 шляповидного элемента, также называемый сдвиговым запаздыванием, и затем ему может быть оказано противодействие на конце шляповидного элемента жесткости 104А. На конце шляповидного элемента жесткости 104А верхняя часть 206 шляповидного элемента может быть по существу изогнута, что обеспечивает передачу общего усилия S сдвига от верхней части 206 шляповидного элемента обратно в обшивку 102, что вызывает проблемы изгиба по радиусу, что описано более подробно далее. В одной конструкции, необходимый путь передачи усилия S сдвига может проходить от обшивки 102 в выступ 210А шляповидного элемента, через стенку 208 шляповидного элемента, верхнюю часть 206 шляповидного элемента, обратно к выступу 210В шляповидного элемента и обратно в обшивку 102.
Величина усилия С отрыва по сравнению с усилием S сдвига может изменяться в зависимости от положения шляповидного элемента жесткости 104А в воздушном судне или от положения вдоль продольного участка конкретного шляповидного элемента жесткости, а также конкретной эксплуатации воздушного судна, например при изменении направлений, увеличении высоты или уменьшении высоты, воздействия давления в кабине, а также других векторов. Угол α расположения стенки влияет на то, насколько хорошо функционирует шляповидный элемент 104А жесткости при передаче различных усилий. Например, маленький угол α расположения стенки, преобразующийся в относительно большой наклон стенок шляповидного элемента, может обеспечивать лучшую передачу усилия С отрыва, без обеспечения одновременной передачи усилия S сдвига. Однако, таким же образом, при относительно маленьком угле α расположения стенки, возможность шляповидного элемента жесткости 104А в противодействии усилию S сдвига в радиусе 214 шляповидного элемента жесткости 104А может быть меньше, чем оптимальное значение. Это может привести к нарушениям межслойного растяжения в радиусе 214, вызванным изгибом по радиусу, что приводит к конструктивному излому шляповидного элемента 104А жесткости.
Несмотря на то, что обычные шляповидные элементы жесткости могут использовать дополнительные компоненты для компенсации усилий, действующих на шляповидный элемент жесткости, различные конструкции настоящего изобретения, описанные в настоящей заявке, используют различные наклоны стенок шляповидного элемента в шляповидном элементе жесткости. Как использовано в настоящей заявке, наклон стенок шляповидного элемента представляет собой крутизну линии, начинающейся на пересечении стенки шляповидного элемента и выступа шляповидного элемента и заканчивающейся на пересечении стенки шляповидного элемента и верхней части шляповидного элемента. Наклон стенок шляповидного элемента может быть описан в настоящей заявке в терминах угла расположения стенки шляповидного элемента, однако также может быть описан в относительных терминах другого наклона стенок шляповидного элемента. Наклон стенок шляповидного элемента в конкретном положении шляповидного элемента жесткости может быть выполнен на основании требований к характеристикам шляповидного элемента жесткости в конкретном положении. Следует понимать, что наклоны, углы и общие формы шляповидных элементов жесткости, описанных в настоящей заявке, приведены только в качестве примера. Кроме того, настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным определением степени наклона, поскольку наклоны являются относительными по своей природе. Используемые термины "больший" и "меньший" представляют собой относительные понятия.
На фиг. 3 показан вид в разрезе иллюстративного шляповидного элемента 304 жесткости с переменными углами расположения стенок для обеспечения переменных наклонов стенок шляповидного элемента. Шляповидный элемент 304 жесткости имеет угол α расположения стенки в одном положении вдоль его продольного участка и угол α′ расположения стенки в другом положении вдоль его продольного участка, что подробно описано на приведенных далее фиг. 4-6. Угол α расположения стенки может обеспечивать первый наклон стенок шляповидного элемента, а угол α′ расположения стенки может обеспечивать второй наклон стенок шляповидного элемента. Реализации настоящего изобретения могут содержать два или большее количество наклонов стенок шляповидного элемента. Как показано на фиг. 3, первый наклон стенки шляповидного элемента меньше, чем второй наклон стенки шляповидного элемента. Согласно приведенному выше описанию относительно большой угол расположения стенки, такой как угол α расположения стенки, может передавать усилие S сдвига между выступами 310A и 310В шляповидного элемента и верхней частью шляповидного элемента 306 посредством стенок 308А и 308В шляповидного элемента более лучшим образом, чем относительно меньший угол расположения стенки, такой как угол α′ расположения стенки.
В части шляповидного элемента 304 жесткости, где необходимо учитывать усилия С отрыва в большей степени, чем усилие S сдвига, шляповидный элемент 304 жесткости имеет угол α′ расположения стенки, обеспечивающий второй наклон стенок шляповидного элемента. В данной конструкции усилие С отрыва может быть эффективно передано от выступов 310A′ и 310В′ шляповидного элемента, что подробно показано на приведенной далее фиг. 4, на стенки 308А′ и 308В′ шляповидного элемента, которые могут передавать нагрузку на другой конструктивный элемент воздушного судна. Радиус 314В может обеспечивать возможность лучшего противодействия усилию С отрыва, поскольку меньший угол α′ расположения стенки вызывает меньший момент, который должен быть приложен к радиусу 314В, что вызывает увеличение изгиба радиуса и межслойного растяжения по сравнению с радиусом 314А.
В части шляповидного элемента жесткости 304, где необходимо учитывать усилие S сдвига в большей степени, чем усилие С отрыва, шляповидный элемент 304 жесткости имеет угол α расположения стенки, обеспечивающий второй наклон стенок шляповидного элемента, который может иметь наклон стенок шляповидного элемента, который меньше, чем наклон стенок шляповидного элемента, обеспеченный углом α′ расположения стенки. В данной конструкции усилие S сдвига может быть эффективным образом передано между обшивкой 102 и верхней частью шляповидного элемента 306 посредством стенок 308А и 308В шляповидного элемента. Радиус 314А может обеспечивать лучшую возможность противодействия усилию S сдвига, чем радиус 314В, поскольку больший угол α′ расположения стенки вызывает меньший момент, который должен быть приложен к радиусу 314А, что обеспечивает уменьшение изгиба радиуса и межслойного растяжения по сравнению с радиусом 314В в случае с усилием S сдвига.
Шляповидный элемент 304 жесткости может быть прикреплен к обшивке 102 с использованием обычных крепежных средств. Например, шляповидный элемент 304 жесткости может быть скреплен с обшивкой 102 путем использования адгезива 212. Могут быть использованы другие технологии скрепления в зависимости от материалов, использованных для формирования различных компонентов, описанных в настоящей заявке, включая прикрепление, скрепление посредством связующего, соединение посредством связующего, соотверждение, сваривание и скрепление посредством заклепки. Настоящее изобретение не ограничено какой-либо конкретной технологией скрепления шляповидного элемента 304 жесткости с обшивкой 102. Другие шляповидные элементы жесткости, включая шляповидные элементы жесткости, изготовленные в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке, могут быть скреплены с обшивкой 102 для формирования части композитной конструкции для использования в воздушном судне.
Переменные углы расположения стенок могут быть также использованы для изменения внутренней ширины. На фиг. 3 первая внутренняя ширина W соответствует углу α расположения стенки. Также показана вторая внутренняя ширина W, которая соответствует углу α′ расположения стенки. По мере модифициования различных компонентов шляповидного элемента жесткости 304 может быть изменена внутренняя ширина шляповидного элемента жесткости 304 в различных положениях от первой внутренней ширины W до второй внутренней ширины W. Следует понимать, что первая внутренняя ширина W и вторая внутренняя ширина W показаны измеренными в положении, находящемся рядом с основанием выступов 310A и 310В шляповидного элемента, однако первая внутренняя ширина W и вторая внутренняя ширина W могут быть измерены в различных положениях, находящихся вдоль шляповидного элемента жесткости. Кроме того, следует понимать, что внутренняя ширина шляповидного элемента жесткости 304 может быть изменена способами, отличными от изменений в угле расположения стенки.
На фиг. 4 показано изображение шляповидного элемента жесткости 404, имеющего множество наклонов стенок шляповидного элемента вдоль продольного участка шляповидного элемента жесткости 404. Шляповидный элемент 404 жесткости по фиг. 4 имеет верхнюю часть 406 шляповидного элемента, стенку 408 шляповидного элемента и выступ 410 шляповидного элемента. Стенка 408 шляповидного элемента 408 имеет различные наклоны вдоль продольного участка XY верхней части шляповидного элемента у шляповидного элемента 404 жесткости. Различные наклоны, описанные более подробно в приведенном далее описании, могут помочь в передаче нагрузок шляповидным элементом 404 жесткости более эффективным образом. Например, в областях высокого усилия S сдвига наклон стенки шляповидного элемента 408 может быть относительно небольшим для уменьшения величины момента, воспринимаемого в радиусе шляповидного элемента жесткости 404. В другом примере в областях высокого усилия С отрыва наклон стенки шляповидного элемента 408 может быть выполнен относительно большим для лучшей передачи усилия С отрыва.
Первый наклон стенок шляповидного элемента шляповидного элемента жесткости 404 представляет собой область стенки 420 с выступами 310A и 310В стенок. Область 420 стенки показана с наличием относительно меньшего наклона стенок шляповидного элемента, схожего с наклоном стенок шляповидного элемента, заданным углом α расположения стенки по фиг. 3. Согласно приведенному выше описанию, поскольку угол α расположения стенки обеспечивает меньший наклон по сравнению с углом α′ расположения стенки, часть шляповидного элемента жесткости 404, имеющая угол расположения стенки, выполнена с возможностью управления усилием S сдвига более эффективным образом по сравнению с шляповидным элементом жесткости с наклоном, заданным углом α′ расположения стенки. Возможность управления усилием S сдвига может быть полезна в положениях, которые подвержены воздействию большего усилия S сдвига по сравнению с усилием С отрыва. Например, часть 426 шляповидного элемента жесткости может быть более эффективной на участке, на котором усилие S сдвига вносит больший вклад в усилие, чем усилие С отрыва.
В некоторых местах могут отсутствовать плоскостные нагрузки, приложенные к шляповидному элементу 404 жесткости, такие как растяжение и/или нагрузка на отрыв в креплении держателя. Например, часть 428 шляповидного элемента жесткости может быть расположена в части воздушного судна, в которой балка закреплена на другой стороне панели или закреплен держатель и т.п., что может вызывать приложение дискретной нагрузки в области сопряжения. В данной конструкции часть 428 шляповидного элемента жесткости может иметь наклон, заданный углом α′ расположения стенки шляповидного элемента с выступами 310A′ и 310В′ шляповидного элемента. В данной конструкции шляповидный элемент 404 жесткости может быть выполнен с возможностью управления воздействиями отрывного усилия С в области сопряжения с отрывом лучшим образом, чем усилием S сдвига.
Шляповидный элемент 404 жесткости может также иметь переходную область, область 424 стенки шляповидного элемента, между областью 420 стенки шляповидного элемента и областью 422 стенки шляповидного элемента. Область 424 стенки шляповидного элемента может иметь стенку с переходным наклоном переменной величины вдоль его продольного участка для обеспечения возможности перехода от меньшего наклона области 420 стенки шляповидного элемента к большему наклону области 422 стенки шляповидного элемента. Несмотря на то, что настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным преимуществом, переход от меньшего наклона области 420 стенки шляповидного элемента к большему наклону области 422 стенки шляповидного элемента может помочь в улучшении конструктивной целостности шляповидного элемента жесткости 404 путем уменьшения острых углов.
Например, во время производства с использованием композитных материалов, резкие переходы в углах от одной поверхности к другой могут приводить к накоплению напряжений и межслойным напряжениям, особенно в месте сгиба между двумя поверхностями. Обеспечение области 424 стенки шляповидного элемента может уменьшить воздействие перехода с одновременным обеспечением конструктивной жесткости, необходимой для надлежащего функционирования. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено какими-либо конкретными частями соответствующих шляповидных элементов жесткости, поскольку некоторые шляповидные элементы жесткости могут быть произведены с меньшим или большим количеством частей шляповидного элемента жесткости, что показано посредством примера по фиг. 5.
На фиг. 5 показан перспективный вид шляповидного элемента 504 жесткости, имеющий меньшие наклоны стенок по сравнению с шляповидным элементом 504 жесткости по фиг. 4 и постоянную ширину для верхней части 406 шляповидного элемента. Шляповидный элемент 504 жесткости имеет область 520А стенки шляповидного элемента. Область 520А стенки шляповидного элемента имеет относительно меньший наклон, схожий с областью 420 стенки шляповидного элемента по фиг. 4. Переходы области 520А стенки шляповидного элемента от меньшего наклона к большему наклону через область 524А стенки шляповидного элемента, которая обеспечивает большой наклон в положении 532. Таким образом, наклон шляповидного элемента жесткости в положении 532 больше, чем наклон в области 520А стенки шляповидного элемента. Профиль шляповидного элемента жесткости 504 продолжается от области 524А стенки шляповидного элемента до области 524В стенки шляповидного элемента, что представляет собой переход от большого наклона в положении 532 в область 520В стенки шляповидного элемента. Область 520В стенки шляповидного элемента может иметь наклон, схожий с областью стенки 520А шляповидного элемента.
Следует отметить, что переходные части, такие как области 524А и 524В стенок шляповидного элемента, могут не иметь конкретной формы. Например, несмотря на то, что область 424 стенки шляповидного элемента по фиг. 4 и области 524А и 524В стенок шляповидного элемента по фиг. 5 показаны с наличием в целом вогнутой формы, другие конструкции могут обеспечивать наличие выпуклой формы. Кроме того, различные конструкции могут обеспечивать переменный размер верхней части шляповидного элемента, пример которого показан на фиг. 6.
На фиг. 6 показан шляповидный элемент 604 жесткости, имеющий область 620А стенки шляповидного элемента и область 620В стенки шляповидного элемента, каждая из которых может иметь наклоны, схожие с областями 520А и 520В стенок шляповидного элемента по фиг. 5. Как и в некоторых конструкциях, описанных в настоящей заявке, может быть необходимо наличие шляповидного элемента жесткости с углом расположения стенки, оптимизированным для управления нагрузкой на отрыв С, а не нагрузкой S на сдвиг. В такой конструкции шляповидный элемент 604 жесткости имеет области 624А и 624В стенок шляповидного элемента, которые передают наклон из областей 620А и 620В стенок шляповидного элемента к наклону, обеспеченному в положении 632, которое может иметь больший наклон, чем у областей 620А и 620В стенок шляповидного элемента.
На фиг. 6 показан переход областей 624А и 624В стенок шляповидного элемента к большему наклону посредством выпуклой конструкции способом, отличным от вогнутого перехода, который может быть обнаружен на фиг. 4 и 5. На конструкции по фиг. 6 выпуклый переход обеспечивает верхнюю часть 606 шляповидного элемента с переменным размером вдоль его продольного участка. Например, верхняя часть 606 шляповидного элемента может иметь часть 634 рядом с концом верхней части шляповидного элемента, которая имеет ширину, составляющую А, а верхняя часть 606 шляповидного элемента может иметь продольный участок 636 рядом с положением 632, которое имеет ширину, составляющую А+В. Несмотря на отсутствие ограничения каким-либо конкретным преимуществом, положение 636, которое имеет ширину, превышающую ширину положения 634, может обеспечивать дополнительные преимущества. Например, положение 636 может обеспечивать дополнительную область поверхности, необходимую для противодействия конкретной нагрузки. В другом примере положение 636 может обеспечивать более лучший переход от шляповидного элемента 604 жесткости, когда он оптимизирован для управления усилием S сдвига, на шляповидный элемент 604 жесткости, когда он оптимизирован для управления нагрузкой на отрыв С.
На фиг. 7 показано изображение оправки 700, которая может быть использована для формирования шляповидного элемента жесткости согласно различным вариантам реализации, описанным в настоящей заявке. Оправка 700 может иметь форму, подходящую для приема одного или большего количества слоев композитного материала 702. Композитный материал 702 может быть сформирован наслоением из различных типов материалов. Концепции, описанные в настоящей заявке, не ограничены каким-либо конкретным наслоением материалов.
Как показано на фиг. 7, оправка 700 имеет различные наклоны, использование которых для формирования шляповидного элемента жесткости согласно различным конструкциям, описанным в настоящей заявке, формирует шляповидный элемент жесткости с различными наклонами. Оправка 700 имеет область 704, которая может быть использована для формирования части шляповидного элемента жесткости с меньшим наклоном, такой как область 420 стенки шляповидного элемента по фиг. 4. Оправка 700 может также иметь переходную область 706, которая увеличивает наклон шляповидного элемента жесткости от наклона области 704 к наклону области 708. Композитный материал 702 может быть размещен в оправке 700 и сформирован посредством обычных технологий отверждения. Следует понимать, что оправка 700 может быть сформирована из одного или большего количества кусков или может представлять собой цельную конструкцию, технология которой не ограничена какой-либо конкретной конструкцией.
На фиг. 8 показано изображение шляповидного элемента жесткости 804, имеющего выступы с переменной шириной. Несмотря на то, что раскрытое в настоящей заявке изобретение не ограничено каким-либо конкретным преимуществом, в некоторых реализациях переменная ширина может обеспечивать некоторые функциональные возможности. Например, в положениях, в которых усилие S сдвига или усилие С отрыва могут быть относительно большими, более широкий выступ шляповидного элемента может обеспечивать дополнительную область поверхности, в которой шляповидный элемент 804 жесткости может быть прикреплен к обшивке 102.
Согласно показанному иллюстративному варианту реализации шляповидный элемент 804 жесткости имеет выступ 810 шляповидного элемента с переменной шириной вдоль продольного участка выступа 810 шляповидного элемента. В положении 840 выступа 810 шляповидного элемента выступ 810 шляповидного элемента имеет ширину, составляющую Н. В положении 842 выступа 810 шляповидного элемента выступ 810 шляповидного элемента имеет ширину, составляющую H+I. Согласно чертежу ширина H+I шире, чем ширина Н. В положении 844 выступ 810 шляповидного элемента имеет ширину, составляющую Н. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным порядком изменения ширины выступа 810 шляповидного элемента. Например, реализация, показанная на фиг. 8, иллюстрирует выступ 810 шляповидного элемента, имеющий профиль ширины, в котором дистальные концы шляповидного элемента жесткости 804 имеют схожую ширину. Эти и другие конструкции рассматривают в пределах объема настоящего изобретения.
На фиг. 9 показан вид в разрезе шляповидного элемента жесткости 904 с переменной высотой шляповидного элемента. Шляповидный элемент 904 жесткости содержит верхнюю часть 906 шляповидного элемента, стенки 908А и 908В шляповидного элемента и выступы 910А и 910В шляповидного элемента. Как описано выше в отношении фиг. 3, у шляповидного элемента 904 жесткости может быть изменен наклон стенок шляповидного элемента. В реализации, показанной на фиг. 9, высота верхней части шляповидного элемента была модифицирована для обеспечения переменного наклона стенок шляповидного элемента. Наклон стенок шляповидного элемента, заданный верхней частью 906 шляповидного элемента, стенками 908А и 908В шляповидного элемента и выступами 910А и 910В шляповидного элемента, обеспечивает высоту шляповидного элемента, составляющую L. Вместо поддержания постоянной высоты шляповидного элемента, данная высота шляповидного элемента может быть увеличена или уменьшена. Например, шляповидный элемент 904 жесткости имеет высоту шляповидного элемента, составляющую L+G и заданную верхней частью 906′ шляповидного элемента, стенками 908А′ и 908В′ шляповидного элемента и выступами 910А′ и 910В′ шляповидного элемента, который представляет собой больший угол расположения стенки шляповидного элемента, чем наклон стенок шляповидного элемента, обеспечивающий высоту шляповидного элемента, составляющую L. Другие компоненты шляповидного элемента жесткости могут изменяться. Например, быть изменена толщина шляповидного элемента жесткости 904 или его составных компонентов, таких как, без ограничения, стенки 908А и 908В шляповидного элемента, верхняя часть 906 шляповидного элемента, выступы 910А и 910В шляповидного элемента.
Согласно фиг. 10 в настоящей заявке предложен иллюстративный алгоритм 1000 формирования шляповидного элемента жесткости с локально оптимизированными наклонами стенок шляповидного элемента. Если не указано иное, следует понимать, что может быть выполнено большее или меньшее количество операций по сравнению с тем, что показано на фигурах и описано в настоящей заявке. Кроме того, если не указано иное, эти операции также могут быть выполнены в другом порядке, отличном от того, который описан в настоящей заявке.
Алгоритм 1000 начинается с операции 1002, где обеспечено наличие оправки 700. Для обеспечения локально оптимизированных углов расположения стенок шляповидного элемента используется оправка 700 с переменными углами стенок шляповидного элемента. В одной конструкции оправка 700 имеет маленький наклон в областях, в которых шляповидный элемент 404 жесткости, при необходимости, выполнен с возможностью управления усилием S сдвига более эффективным образом, чем нагрузкой на отрыв С. В другой конструкции оправка 700 имеет большой наклон стенок в областях, в которых шляповидный элемент 404 жесткости, при необходимости, выполнен с возможностью управления нагрузкой на отрыв С более эффективным образом, чем усилием S сдвига.
Алгоритм 1000 продолжается от операции 1002 к операции 1004, где композитный материал 702 размещают в оправке 700. Согласно приведенному выше описанию композитный материал 702 может представлять собой матрицу, сформированную из различных материалов в зависимости от конкретного применения. Композитный материал 702 может быть размещен в оправке 700 в одной операции или в последовательных слоях, настоящая технология которого не ограничена какой-либо конкретной конструкцией. Композитный материал 702 может быть размещен и закреплен в оправке 700 различными способами. Например, композитный материал 702 может быть сжат в оправке 700 с использованием мягкого резервуара (не показан), который соответствует оправке 700. Вся конструкция, а именно оправка 700, композитный материал 702 и мягкий резервуар могут быть затем собраны, при этом вакуум может быть приложен для создания давления в указанной конструкции для придания композитному материалу 702 формы оправки 700 во время процесса отверждения. Раскрытое в настоящей заявке изобретение не ограничено какими-либо конкретными средствами закрепления композитного материала 702 в оправке 700.
Алгоритм 1000 продолжается от операции 1004 к операции 1006, где отверждают композитный материал 702. Принципы и технологии, описанные в настоящей заявке, не ограничены конкретным процессом отверждения. В некоторых конструкциях, вследствие изменения профиля наклона стенок шляповидного элемента, может быть предпочтительно или необходимо изменять температуру или давление оправки 700 во время процесса отверждения вдоль продольного участка оправки 700. Несмотря на то, что это не обусловлено какой-то конкретной причиной, температура или давление могут изменяться для учета дополнительного материала, который может быть представлен в некоторых областях шляповидного элемента жесткости 404, отличных от других областей, вследствие изменения наклонов. Однако раскрытое в настоящей заявке изобретение не ограничено каким-либо конкретным температурным профилем или профилем давления для отверждения.
Алгоритм 1000 продолжается от операции 1006 к операции 1008, где отвержденный шляповидный элемент жесткости удаляют из оправки 700. В некоторых конструкциях шляповидный элемент жесткости имеет локально оптимизированные наклоны стенок шляповидного элемента, сформированные под различными углами в оправке 700, соответствующими стенкам шляповидного элемента. Следует понимать, что настоящая технология не ограничена каким-либо конкретным процессом удаления. Кроме того, как часть процесса удаления, некоторый материал из новоотвержденного композитного материала 702 может быть удален для формования шляповидного элемента жесткости согласно необходимой проектной конструкции. После этого алгоритм 1000 завершается.
На фиг. 11 показан иллюстративный алгоритм применения шляповидного элемента жесткости согласно различным вариантам реализации. Алгоритм 1100 начинается и переходит к операции 1102, где воздействующее усилие принимают в локально оптимизированном шляповидном элементе жесткости. Согласно приведенному выше описанию локально оптимизированный шляповидный элемент жесткости может выполнять конкретные функции. Первая функция может использовать нагрузки, приложенные к обшивке, собирать нагрузки и затем передавать эти нагрузки на или в другие более надежные конструкции, выполненные с возможностью управления нагрузками. Нагрузки могут возникать вследствие различных воздействующих усилий, включая, без ограничения, нагрузку давлением или некоторую другую локально приложенную или распределенную нагрузку. Места приложения нагрузок или области сопряжения с другими конструкциями могут представлять собой места, которые подвергаются значительной нагрузке на отрыв. Вторая функция может состоять в стабилизации обшивки. Локально оптимизированные шляповидные элементы жесткости настоящего изобретения могут выполнять это путем обеспечения внеплоскостной жесткости, что обеспечивает уменьшение вероятности прогиба панели или поломку.
Различные конструкции локально оптимизированных шляповидных элементов жесткости могут иметь широкую опорную поверхность, которая может представлять собой эффективное приспособление для стабилизации относительно большой области панели. Жесткость при кручении и жесткость при сдвиге могут также помогать в стабилизации панели. Во время воздействия давлением шляповидные элементы жесткости могут в целом выдерживать нагрузку давлением и могут перераспределять ее на окружающую конструкцию. Во время взлета и/или приземления, и/или маневрирования фюзеляж и лонжероны в конструкции могут быть подвержены воздействию нагрузок. Различные области фюзеляжа столкнутся с увеличением сдвиговой нагрузки для различных вариантов нагрузки.
Алгоритм 1100 переходит от операции 1102 к операции 1104, где локально оптимизированный шляповидный элемент жесткости поглощает (или собирает) по меньшей мере часть воздействующего усилия. Воздействующее усилие может быть поглощено посредством более одного локально оптимизированного шляповидного элемента жесткости. Вследствие локальной оптимизации, шляповидный элемент жесткости согласно различным конструкциям, описанным в настоящей заявке, может поглощать воздействующее усилие в различных положениях, находящихся вдоль продольного участка шляповидного элемента жесткости. Например, положение на шляповидном элементе жесткости, оптимизированном для одного типа воздействующего усилия, может не поглощать значительное количество воздействующего усилия, а положение на шляповидном элементе жесткости, оптимизированном для воздействующего усилия, может поглощать значительную часть воздействующего усилия.
Алгоритм 1100 переходит от операции 1104 к операции 1106, где поглощенные действующие усилия распределяют на окружающую конструкцию. Окружающая конструкция может содержать, но без ограничения, корпус воздушного судна, другие панели и т.п. После этого происходит завершение алгоритма 1100.
Согласно аспекту настоящего изобретения предложена композитная конструкция, содержащая композитную обшивку и множество шляповидных элементов (104) жесткости, прикрепленных к композитной обшивке, множество шляповидных элементов жесткости, содержащих верхнюю часть (206) шляповидного элемента, имеющего продольный участок верхней части (206) шляповидного элемента, множество выступов (210А, 210В) шляповидного элемента вдоль продольного участка верхней части (206) шляповидного элемента и стенку (208А, 208В) шляповидного элемента, имеющую первый наклон вдоль продольного участка верхней части (206) шляповидного элемента и второй наклон вдоль продольного участка верхней части (206) шляповидного элемента, причем второй наклон больше, чем первый наклон.
Первый наклон может быть выполнен для усилия сдвига. Второй наклон может быть выполнен для усилия отрыва. Стенка шляповидного элемента может дополнительно иметь переходный наклон. Переходный наклон может обеспечивать переход от первого наклона ко второму наклону. Стенка шляповидного элемента может дополнительно иметь третий наклон. Высота шляповидного элемента жесткости может изменяться вдоль продольного участка шляповидного элемента жесткости. Ширина верхней части шляповидного элемента может изменяться вдоль продольного участка верхней части шляповидного элемента. По меньшей мере часть из множества шляповидных элементов жесткости может дополнительно иметь первую внутреннюю ширину и вторую внутреннюю ширину.
Вышеописанное изобретение приведено только в качестве примера и его не следует истолковывать в качестве ограничения. Для изобретения, описанного в настоящей заявке, могут быть выполнены различные модификации и изменения, без следования иллюстративным вариантам реализации и показанным и описанным применениям, а также без выхода за пределы сущности и объема настоящего изобретения, варианты реализации которого заданы в приведенной далее формуле изобретения.