КОМПОЗИЦИОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ
COMPOSITE STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к композиционной конструкции, способу изготовления композиционной конструкции и способу переноса нагрузки в композиционной конструкции. Эта конструкция может быть, например, обшивкой летательного аппарата, однако не ограничивается данной областью применения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Композиционная конструкция обшивки летательного аппарата, изображенная на Фиг.1, включает в себя панель 1 с поверхностью внутреннего обвода корпуса (IML), образованной с наклонной плоскостью 2, и поверхность внешнего обвода корпуса (OML) 1', формирующую внешнюю аэродинамическую поверхность летательного аппарата. Два стрингера 3, 4 присоединены к IML и идут вдоль размаха крыла по длине панели, повышая прочность панели на изгиб в направлении вдоль размаха крыла.
Обшивка соединяется с нервюрой посредством трех стоек 5-7 нервюры, разделенных при помощи двух пазов 3', 4' типа «mouse hole» («мышиная нора»), обеспечивающих зазор для Полотен стрингера. Каждая полка 5-7 нервюры имеет соответствующий фланец 5'-7', расположенный перпендикулярно к стенке полки нервюры. Обшивка соединяется с нервюрой путем пропускания крепежных деталей 9 через полки стрингеров, панель и фланцы полки нервюры.
Проблема конструкции, изображенной на Фиг.1, заключается в том, что наклонная плоскость 2 должна быть относительно пологой (как правило, с градиентом не более 1:20 относительно OML) во избежание эксцентриситета нагрузки. Кроме того, предпочтительно, чтобы IML был параллелен OML под полками стрингеров (поскольку это облегчает крепление стоек нервюр к полкам стрингеров) и, в результате, предпочтительно, чтобы наклонная плоскость не проходила под полками стрингеров. Следовательно, сложно добиться существенного изменения толщины панели между двумя стрингерами. Такое значительное изменение толщины может потребоваться, например, в области крепления двигателя или в области крепления пилона, где необходима более толстая обшивка.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает композиционную конструкцию, включающую в себя:
панель, составленную из двух или более слоев композиционного материала, при этом панель имеет поверхность, образованную со ступенькой, где меняется толщина панели; и
два или более элемента жесткости, присоединенных к поверхности панели; где первый из элементов жесткости присоединен к поверхности панели на более толстой стороне ступеньки, а второй из элементов жесткости находится в зацеплении с по меньшей мере частью ступеньки.
Изобретение также предлагает способ изготовления композиционной конструкции, включающий в себя формирование панели со ступенькой; присоединение элементов жесткости к поверхности панели, где первый из элементов жесткости присоединяют к поверхности панели на более толстой стороне ступеньки; и сцепление по меньшей мере части ступеньки со вторым из элементов жесткости.
Изобретение также предлагает способ переноса нагрузки в композиционной конструкции, при этом способ включает в себя перенос нагрузки от ступеньки к элементу жесткости, который находится в зацеплении с по меньшей мере частью ступеньки.
Композиционная конструкция может быть частью летательного аппарата, такой как обшивка крыла или обшивка фюзеляжа, либо может быть любой подкрепленной композиционной конструкцией, для которой требуется скачкообразное изменение толщины панели.
Различные предпочтительные признаки изобретения изложены в зависимых пунктах Формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно первому варианту осуществления изобретения;
на Фиг.3 изображены стрингеры и оправки, расположенные на панели;
на Фиг.4 представлен способ образования одного из стрингеров;
на Фиг.5а подробно показана часть конструкции с Фиг.2;
на Фиг.5b изображен вариант наклонной плоскости;
на Фиг.5с показан вариант с неперпендикулярной ступенькой в панели;
на Фиг.5d изображен вариант с заполнителем;
Фиг.6 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно второму варианту осуществления изобретения;
Фиг.7 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно третьему варианту осуществления изобретения;
Фиг.8 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно четвертому варианту осуществления изобретения;
Фиг.9 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно пятому варианту осуществления изобретения;
Фиг.10 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно шестому варианту осуществления изобретения;
Фиг.11 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения композиционной конструкции обшивки летательного аппарата согласно седьмому варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Композиционная конструкция обшивки самолета, изображенная на Фиг.2, включает в себя панель 10, образованную из большого количества слоев композиционного материала. Панель 10 имеет поверхность внутреннего обвода корпуса (IML), выполненную со ступенькой 22 и наклонной плоскостью 12, и поверхность 11 внешнего обвода корпуса (OML), формирующую внешнюю аэродинамическую поверхность самолета. OML 11 показан с помощью плоского сечения в направлении вдоль хорды, хотя он будет иметь небольшую кривизну вдоль размаха обоих крыльев и вдоль хорд при необходимости придать требуемые аэродинамические характеристики. Поскольку в OML 11 отсутствует ступенька, толщина панели 10 резко изменяется в области ступеньки 22 в IML.
Панель 10 сформирована путем наслаивания большого количества слоев «препрега» (однонаправленных слоев углеродных волокон, предварительно импрегнированных невулканизированной эпоксидной смолой) на приспособление 23 для OML, изображенное на Фиг.3. Приспособление 23 для OML имеет форму, позволяющую создавать требуемый профиль OML. Затем панель «упаковывают», помещая на нее упаковывающие слои (а именно, внешний слой, снимаемую пленку, вентиляционный слой и вакуумный мешок), и герметизируют концы вакуумного мешка приспособления 23 для OML. После упаковывания панель вулканизируют в ходе первого цикла отверждения путем нагревания ее до температуры вулканизации в автоклаве и вакуумирования пространства между вакуумным мешком и панелью (при повышении давления в автоклаве) для приложения к панели давления, необходимого для полного отверждения.
Для обеспечения гладкой поверхности ступеньки 22 и желаемого угла, пластина-усилитель (не показана) может оказывать дополнительное давление на поверхность ступеньки 22 во время вулканизации для регулирования ее геометрической формы. Или же после вулканизации ступенька 22 может быть механически обработана на фрезерном станке.
Далее первый стрингер 13 прикрепляют к IML на более толстой стороне ступеньки 22, а второй стрингер 14 прикрепляют к IML на более тонкой стороне ступеньки 22. Стрингеры 13 и 14 идут вдоль размаха крыла по длине панели, повышая прочность панели на изгиб в направлении по размаху крыла. Каждый из стрингеров 13 и 14 изготовлен одинаковым способом, способ изготовления и присоединения одного из стрингеров 13 подробно изображен на Фиг.3 и 4. На первой стадии, изображенной на Фиг.4, получают пару L-образных преформ 40, 41 путем наслаивания большого количество слоев препрега на пару оправок 42, 43, при этом каждый слой препрега загнут вокруг угла оправки. На второй стадии, изображенной на Фиг.3, пару L-образных преформ 40, 41 размещают вплотную друг к другу на вулканизированной панели 10, необязательно с заполняющим слоем 44 препрега между лопаточной частью каждой преформы. Хотя внешний край в углу каждой преформы 40, 41 на Фиг.4 схематически изображен как острый край, на практике будет существовать округление, оставляющее зазор, который заполняют наполнителем (не показан) перед помещением оправок на панель. Подходящие наполнители включают расположенный по размаху крыла отрезок препрега из армированного углеродным волокном пластика (CFRP), смотанного и сформованного (обычно называемого «лапша»), или некоторые формы конструкционного клея. Каждая оправка имеет установочную площадку 45, продолжающуюся за пределами полки стрингера и сцепляющуюся с панелью 10, чтобы поддерживать вес оправки. Далее стрингеры 13, 14 вулканизируют в ходе второго цикла отверждения, аналогичного первому циклу отверждения, описанному выше.
Вернемся к Фиг.2: каждый стрингер включает в себя пару полок 24-27, присоединенных к IML панели 10, и часть 28, 29, обеспечивающую усиление жесткости конструкции (обычно называемую «стенкой»), идущую от панели под углом к полкам в соответствующий паз 13', 14' «мышиная нора» между полками нервюр. Каждая полка идет от стенки к выступу, удаленному от стенки. Граница между выступом 30 полки 25 и ступенькой 22 подробно показана на Фиг.5а.
На Фиг.5а пунктирными линиями изображены отдельные слои препрега. Поскольку возможны различные способы формирования наклонных слоев, пунктирные линии наклонной плоскости 12 являются иллюстративными. Образование наклонной плоскости будет рассмотрено позже. Как можно видеть на Фиг.5а, ступенька 22 представляет собой так называемый «порог», образованный краями дискретных слоев в панели 10. Предпочтительно наличие более чем двух дискретных слоев, так, в примере, изображенном на Фиг.5а, имеются шесть дискретных слоев (хотя для образования ступеньки требуемой высоты может использоваться большее или меньшее количество дискретных слоев). Выступ 30 полки 25 стрингера также образован краями шести дискретных слоев, которые находятся в зацеплении с поверхностью ступеньки 22, как показано на Фиг.5а.
После вулканизации стрингеров оправки удаляют, а на IML укладывают полку 21, перекрывая панель 10 на верхней стороне ступеньки и основание 25 второго стрингера 14 на нижней стороне ступеньки. Полка 21 образована одним или несколькими слоями композиционного материала, такого как стеклоэпоксидная смола (GFRP) или эпоксидная смола, армированная углеволокном (CFRP). В примере, изображенном на Фиг.5а, полка 21 образована тремя слоями, однако для образования полки требуемой толщины может быть использовано большее или меньшее количество слоев. Затем полку 21 вулканизируют в ходе третьего цикла отверждения. Или же полка 21 может быть изготовлена как часть преформы 40, изображенной на Фиг.4. В этом случае будет достаточно только двух циклов отверждения, однако при этом может потребоваться более сложное оборудование.
Для того чтобы обеспечить более тесный контакт между полкой 25 стрингера и ступенькой 22, прерывистые слои, образующие выступ 30 полки стрингера, при желании могут быть срезаны (например, при помощи лезвия, акустического ножа или водяной струи) для создания гладкой поверхности под требуемым углом. Или же для получения выступа, имеющего требуемую геометрическую форму, в ходе второго цикла отверждения пластина-усилитель (не показана) может оказывать дополнительное давление в области выступа 30. В результате сцепления между выступом 30 и ступенькой 22 действие сжимающей нагрузки (показано при помощи прямых толстых стрелок на Фиг.5а) распределяется непосредственно между выступом 30 и ступенькой 22. Действие растягивающей нагрузки (показано изогнутой толстой стрелкой на Фиг.5а) распределяется между панелью и полкой 25 стрингера через посредство полки 21. Таким образом, полка 21 служит для того, чтобы граница между выступом 30 и ступенькой 22 не оставалась открытой, когда панель подвергается воздействию изгибающего момента, приводящего IML в напряжение.
Наклонная плоскость 12 образована в IML панели между стрингерами. Наклонную плоскость создают путем нарушения непрерывности выбранных слоев (например, каждого второго слоя) во внутренней части панели, при этом остальные слои, показанные на Фиг.5а, сближаются с образованием наклонной плоскости. Дискретные внутренние слои на Фиг.5а не показаны. Поверхность наклонной плоскости 12, таким образом, имеет относительно гладкий профиль, поскольку образована непрерывной поверхностью слоя.
Альтернативная структура наклонной плоскости изображена на Фиг.5b. В этом случае наклонную поверхность получают за счет нарушения непрерывности ряда поверхностных слоев панели с образованием наклонной плоскости 12', имеющей ступенчатый профиль.
Альтернативная поверхность контакта между основанием стрингера и ступенькой в панели показана на Фиг.5с. В этом случае наклонную поверхность 22' и выступ 30' основания стрингера срезают под углом.
Еще одна альтернативная поверхность контакта между основанием стрингера и ступенькой в панели показана на Фиг.5d. В этом случае образуется зазор между краем 50, где нарушают непрерывность слоев панели, и выступом 30. Зазор заполняют наполнителем 51, аналогичным наполнителю, описанному выше. Наполнитель 51 обеспечивает контакт выступа 30 стрингера и краев слоев композиционного материала, образующих край 50, для того чтобы переносить силы сжимающей нагрузки.
Затем обшивку встраивают в кессон крыла путем присоединения ее к нервюре, как показано на Фиг.2. Нервюра имеет три полки 15-17, разделенные посредством пары пазов 13', 14' типа «мышиная нора», обеспечивающих зазор для стенок стрингера. Каждая полка 15-17 нервюры имеет соответствующий фланец 15'-17', идущий под прямым углом к полотну полки нервюры. Обшивку присоединяют к нервюре путем пропускания крепежных деталей 19 через полки стрингера, панель и фланцы полок нервюры, как показано на Фиг.2.
Между полкой 16 нервюры и панелью имеется зазор 18. Этот зазор 18 может понадобиться для обеспечения потока топлива между топливными камерами на каждой стороне нервюры. В случае если зазор 18 не требуется, полка 16 нервюры может быть загнута вниз для заполнения зазора 18 и сцепления с панелью, при этом может быть установлена дополнительная крепежная деталь (не показана) через панель и фланец 16' полки нервюры посередине между стрингерами 13, 14.
Вторая конструкция обшивки изображена на Фиг.6. Конструкция аналогична конструкции, изображенной на Фиг.2, и элементы имеют те же порядковые номера, что и соответствующие элементы на Фиг.2. Следует отметить, что конструкция Фиг.6 не включает наклонную плоскость 12 между стрингерами.
Третья конструкция обшивки показана на Фиг.7. Конструкция аналогична конструкции, изображенной на Фиг.2, и элементы имеют те же порядковые номера, что и соответствующие элементы на Фиг.2. В отличие от прерывистой наклонной плоскости 12 на Фиг.2, конструкция Фиг.7 имеет непрерывную наклонную плоскость, образованную на ее IML, проходящую под обоими стрингерами.
Четвертая конструкция обшивки представлена на Фиг.8. Конструкция аналогична конструкции, изображенной на Фиг.2, и элементы имеют те же порядковые номера, что и соответствующие элементы на Фиг.2. Следует отметить, что на Фиг.8 не показана наклонная плоскость. Кроме того, стрингер 14' несколько отличается от стрингера 14 на Фиг.2. А именно, часть стенки расположенной слева преформы, образующей стрингер 14', продолжается за пределами части стенки правой преформы. Результатом является ступенька 56 в основании стрингера 14', которая находится в зацеплении со ступенькой 55 в панели. Следует отметить, что стрингер 14' находится в зацеплении со ступенькой с двух сторон, в отличие от стрингера 14, который лишь прикрепляется к панели на более тонкой стороне ступеньки.
Пятая конструкция обшивки показана на Фиг.9. Конструкция аналогична конструкции, изображенной на Фиг.2, и элементы имеют те же порядковые номера, что и соответствующие элементы на Фиг.2. Следует отметить, что на Фиг.9 не показана наклонная плоскость. Кроме того, оба стрингера образованы по-разному. Стенка расположенного слева стрингера образована за счет пары слоев 60, 61 (необязательно разделенных при помощи заполняющего слоя препрега, не показанного на Фиг.9). Слой 61 продолжается до правого стрингера и, таким образом, образует поверхностный слой панели, а также левую часть стенки правого стрингера. Следующий слой 62 панели заканчивается образованием ступеньки 63. Ступенька 63 соединена со слоем 60 около ступеньки 64, где основание части стенки слоя 60 выходит за пределы основания части стенки слоя 61. Слой 60 продолжается влево с образованием правой части стенки следующего стрингера (не показано). Слои 60, 61, 62 могут быть образованы только из одного слоя, однако в большинстве случаев они будут образованы при помощи двух или более слоев препрега. Следует отметить, что левый стрингер охватывает ступеньку с двух сторон аналогично стрингеру 14' на Фиг.8.
Шестая конструкция обшивки представлена на Фиг.10. Панель 70 из слоистого композиционного материала образована со ступенькой 71. Пара стрингеров П-образного сечения установлена на IML панели 70. Левый стрингер охватывает ступеньку с двух сторон и имеет пару элементов 74, 75, придающих жесткость, стенку 76, соединяющую элементы 74, 75 и полки 72, 73, идущие от элементов 74, 75. Ступенька 71 находится в зацеплении с элементом 74, где основание элемента 74 пересекается с полкой 72 стрингера. Крепежные детали 77, 78 проходят через полки 72, 73 стрингеров и панель 70. Полки нервюр (не показаны) могут прикрепляться к полотнам 76 стрингера при помощи крепежных деталей либо могут прикрепляться к полкам стрингера при помощи крепежных деталей 77, 78, изображенных на Фиг.10.
Седьмая конструкция обшивки показана на Фиг.11. Она представляет собой вариант конструкции, изображенной на Фиг.10, и элементы имеют те же порядковые номера, что и соответствующие элементы на Фиг.10. В этом случае ступенька 71 в панели является более глубокой, чем полка 72 стрингера, и на большей длине находится в зацеплении с элементом 74, придающим жесткость конструкции.
Согласно еще одному варианту (не показан), каждый стрингер может быть образован при помощи только одной L-образной преформы с выступом полки стрингера или основы стенки стрингера, которые находятся в зацеплении со ступенькой в панели.
Далее будут описаны преимущества различных вариантов осуществления.
Ступенька в панели позволяет получать достаточно большое и резкое изменение толщины обшивки. Если ступенька находится между стрингерами (то есть без зацепления с одним из стрингеров), впоследствии это будет приводить к эксцентриситету нагрузки и накоплению деформаций в углу, где поверхность ступеньки пересекается с более тонкой частью панели. Такое накопление деформаций может привести к межслоевым сдвиговым разрушениям в углу. За счет зацепления части ступеньки (или всей ступеньки) со стрингером эта проблема устраняется или по меньшей мере уменьшается за счет переноса нагрузки через стрингер.
С помощью образования ступеньки в панели с одним или несколькими прерывистыми слоями в случае автоматического лентоукладывающего станка для панели уменьшается время укладки по сравнению с обычной конструкцией панели, где используются наклонные плоскости, образованные при помощи прерывистых внутренних слоев. При такой стандартной процедуре укладки головка лентоукладывающего станка должна медленно опускаться по мере того, как она движется в верхнюю или нижнюю часть ленты. Напротив, при укладывании панелей, изображенных на Фиг. со 2 по 11, головка может перемещаться поперек ступеньки без замедления хода.
На Фиг.2, 6 и 8-11 IML параллелен OML под стрингерами. Это является преимуществом, поскольку облегчает сближение полок стрингеров и фланцев полок нервюр во время сборки частей. Кроме того, это означает, что в крепежных деталях могут использоваться обычные гайки. Это также означает, что пазы 13', 14' типа «мышиная нора» между полками нервюр могут быть относительно узкими. Напротив, вариант, изображенный на Фиг.7, предполагает использование самоустанавливающихся гаек наряду с достаточно широкими пазами 13', 14' типа «мышиная нора».
На Фиг.2 и 6 стрингеры являются по существу симметричными, поэтому их относительно легко изготавливать по сравнению с асимметричными стрингерами, изображенными на Фиг.7-11.
На Фиг.2, 6 и 7 глубина ступеньки ограничивается высотой выступа полки стрингера. Напротив, на Фиг.8-11 (где ступенька охвачена элементом жесткости стрингера) высота ступеньки при необходимости может быть дополнительно увеличена.
На рисунках показана только пара стрингеров, однако в большинстве случаев другие стрингеры будут присоединяться к панели справа и слева от изображенных стрингеров. Или же, если ступенька образована на краю панели, стрингер (14, 14' и т.д.), охватывающий ступеньку, может быть внешним стрингером. В этом случае другие стрингеры могут находиться слева от стрингера (то есть на более тонкой стороне ступеньки) - тогда стрингер 13, 13' и т.д. будет исключен. Или же другие стрингеры могут находиться справа от стрингера 14, 14' и т.д. (то есть на более толстой стороне ступеньки).
На рисунках показана только одна ступенька, однако в большинстве случаев в панели может быть сделано большее количество ступенек, при этом каждая из них будет находиться в зацеплении с соответствующим стрингером. В частности, правый стрингер 13, 13' и т.д. может находиться в зацеплении со второй ступенькой в панели.
Хотя изобретение описано выше применительно к одному или нескольким предпочтительным вариантам осуществления, следует понимать, что могут быть сделаны различные изменения или модификации без отклонения от объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.