КОМПОЗИТНЫЙ ЛОНЖЕРОН
COMPOSITE LONGERON

Изобретение относится к области авиационной техники и касается силовых авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности конструкции лонжерона крыла.
Известен лонжерон крыла из композиционных материалов на основе традиционных конструктивно-силовых схем, содержащий стенку и верхний и нижний пояса, который жестко соединяется с обшивкой с помощью связующего в процессе изготовления всего кессона за единый технологический процесс (Европейский патент № ЕР 365033 А1, МПК В64С 3/18, В64С 1/06, В64С 3/26, The Boeing Company (US) 01.01.2019).
Основным недостатком такой конструкции является разность деформационных и жесткостных свойств стенки и поясов в продольном направлении: укладка волокон в стенке оптимизируется для наилучшего восприятия сдвиговой нагрузки, а в поясах для восприятия продольной, поэтому пояса имеют лучшие деформационные и жесткостные характеристики в продольном направлении. Из-за того, что пояса и стенка в зоне соединения должны перемещаться совместно при нагружении лонжерона, то максимальная нагрузка на пояса ограничивается деформационными параметрами стенки, что приводит к тому, что пояса нагружены не до предела, т.е. прочностной потенциал композиционных материалов используется не полностью.
Известен композитный лонжерон, наиболее близкий по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятый за прототип, состоящий из гофрированной стенки и соединенных с ней верхних и нижних поясов (Патент США № US 2006/0249626 А1, МПК В64С 1/00, Rocky Mountain Composites Inc. (US) 23.09.2005). За счет наличия гофрированной формы стенки такая конструкция позволяет гармонизировать перемещения гофрированной стенки и верхних и нижних поясов даже при максимально допустимых деформациях верхних и нижних поясов. Из-за того, что гофрированная стенка имеет волнообразную форму, ее деформирование в направлении гофрирования приводит не только к деформации материала, но и распрямлению поверхности гофрированной стенки.
Недостатком прототипа является то, что гофрированная стенка жестко соединена с верхними и нижними поясами и, из-за разности жесткостных параметров гофрированной стенки и верхних и нижних поясов, это приводит к возникновению локальных концентраций напряжений, ограничивающих возможность использования высокого прочностного потенциала композиционных материалов и, соответственно, увеличение весовой эффективности конструкции.
Также существенным недостатком прототипа является низкая ремонтопригодность, так как гофрированная стенка композитного лонжерона, верхние и нижние пояса и другие элементы конструкции, в которой используется композитный лонжерон, являются единой деталью, изготавливаемой за один производственный цикл. В случае повреждения одного из этих элементов конструкции требуется либо сложный ремонт, посредством накладок, что приводит к снижению весовой эффективности конструкции, либо замена всей конструкции, что является очень сложной и дорогостоящей процедурой.
Описанные выше обстоятельства не позволяют применять прототип в конструкции лонжеронов крыла самолетов с целью обеспечения снижения веса при обеспечении длительной прочности и ремонтопригодности.
Техническим результатом является снижение веса лонжерона крыла, при условии обеспечения длительной прочности и ремонтопригодности.
Технический результат достигается за счет того, что в композитном лонжероне, содержащем гофрированную стенку и соединенные с ней верхние и нижние пояса, гофрированная стенка имеет две внешние волнообразные поверхности, симметричные относительно плоскости композитного лонжерона, и выполнена из композиционного материала с более чем 70% волокон уложенных в направлении ±45°, верхние и нижние пояса выполнены с продольной жесткостью, превышающей их поперечную жесткость, соединение гофрированной стенки и верхних и нижних поясов выполнено в дискретных шарнирных узлах.
Верхние и нижние пояса могут иметь укладку с более, чем 75% волокон, ориентированных в направлении их продольной оси.
Дискретные шарнирные узлы могут содержать втулки, выполненные из эластичного материала, жесткость которого сравнима с жесткостью связующего материала гофрированной стенки и верхних и нижних поясов.
На фигуре 1 изображены основные элементы композитного лонжерона.
Композитный лонжерон (Фигура 1) содержит гофрированную стенку 1 и соединенные с ней верхние и нижние пояса 2, гофрированная стенка имеет две внешние волнообразные поверхности, симметричные относительно плоскости композитного лонжерона, выполнена из композиционного материала с более чем 70% волокон, уложенных в направлении ±45°, пояса выполнены с продольной жесткостью, превышающей их поперечную жесткость, соединение гофрированной стенки и поясов выполнено в дискретных шарнирных узлах 3. Верхние и нижние пояса 2 могут иметь укладку с более, чем 75% волокон, ориентированных в направлении их продольной оси.
Дискретные шарнирные узлы могут содержать втулки 4, выполненные из эластичного материала, жесткость которого сравнима с жесткостью связующего материала гофрированной стенки 1 и поясов 2.
Устройство работает следующим образом. В предлагаемой конструкции изгибающий момент, приходящийся на композитный лонжерон, воспринимается за счет растяжения и сжатия верхних и нижних поясов 2 в продольном направлении. Так как в этом направлении верхние и нижние пояса 2 обладают максимальными жесткостными и прочностными свойствами, то восприятие изгибающего момента осуществляется максимально эффективно.
Восприятие перерезывающей силы, приходящейся на композитный лонжерон, осуществляется за счет сдвиговых деформаций гофрированной стенки 1 в вертикальной плоскости, так как укладка волокон в гофрированной стенке 1 обеспечивает высокие жесткостные и прочностные характеристики, то восприятие перерезывающей силы осуществляется с высокой эффективностью.
Волнооборазная форма стенки 1 обеспечивает реализацию совместности перемещений верхних и нижних поясов 2 и гофрированной стенки 1, а дискретные шарнирные узлы 3 позволяют избежать возникновения локальных концентраций напряжений в зонах стыка гофрированной стенки 1 и верхних и нижних поясов 2.
Втулки 4 в дискретных шарнирных узлах 3, выполненные из эластичного материла, жесткость которого сравнима с жесткостью связующего материала гофрированной стенки 1 и верхних и нижних поясов 2, позволяют гармонизировать жесткости соприкасающихся элементов в узлах соединения и избежать возникновения концентраций контактных напряжений, что обеспечивает высокие ресурсные характеристики стыка.
Конструкция композитного лонжерона, состоящая из отдельных гофрированной стенки 1 и верхних и нижних поясов 2, позволяет осуществлять ремонт заменой поврежденного элемента, что снижает стоимость и трудозатраты на проведение ремонта. Также ремонт, проведенный описанным выше способом, не приводит к снижению весовой эффективности композитного лонжерона.
Основными преимуществами конструкции на основе предлагаемой конструктивной концепции по сравнению с конструкцией лонжерона, в которой гофрированная стенка 1 и верхние и нижние пояса 2 соединяются за счет клеевого соединения, являются:
- Возможность реализации более высокого уровня нагружения угольных волокон, что позволяет повысить весовую эффективность конструкции, т.е. уменьшить вес конструкции.
- Возможность обеспечить более высокие ресурсные характеристики, за счет гармонизации жесткостных свойств контактирующих деталей в зонах стыка.
- Обеспечение лучшей ремонтопригодности конструкции за счет ее дискретности.
Технический результат достигается за счет рациональной реализации высоких удельных жесткостных и прочностных свойств композиционных материалов в различных элементах конструкции композитного лонжерона, а также за счет разделения конструкции на отдельные конструктивные элементы.