ОПОРНАЯ СТОЙКА ДЛЯ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЗДУШНОГО СУДНА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССА ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
SUPPORT POST FOR AIRCRAFT STRUCTURAL ELEMENT MADE BY SELECTIVE LASER FUSION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию опорной стойки для конструктивного элемента, например, для использования на воздушном судне. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к созданию удлиненной опорной стойки для высокопрочного конструктивного элемента, к созданию конструктивного элемента с опорной стойкой, к использованию конструктивного элемента в (на) воздушном судне, к способу изготовления опорной стойки, а также к элементу компьютерной программы для внедрения указанного способа и к соответствующему машиночитаемому (считываемому компьютером) носителю.
Предпосылки к созданию изобретения
В современных пассажирских воздушных судах используют специально сконструированные конструктивные элементы в положениях (местах) высоких напряжений. Крепежное приспособление для кабины экипажа может быть примером такого конструктивного элемента, причем указанный конструктивный элемент, с одной стороны, жестко прикреплен к этой кабине, в то время как, с другой стороны, силы, действующие на конструктивные элементы, могут быть переданы на каркасные элементы воздушного судна при помощи стержней растяжения и сжатия. Таким образом, конструктивные элементы могут, за счет изменения направления силы, передавать силы, которые действуют на одном конце, на другой конец, причем в конструктивном элементе возникают преимущественно изгибающие силы. Такие конструктивные элементы обычно изготавливают из сплавов алюминия или из сплавов титана при помощи обычных способов изготовления, например при помощи фрезерования, токарной обработки или литья, причем, с одной стороны, конструктивный элемент может содержать индивидуальные компоненты, например опорные стойки и контровочные элементы, которые могут быть соединены друг с другом, например, за счет сварки или при помощи заклепок. С другой стороны, такой конструктивный элемент также может быть изготовлен из одного блока, с соответствующим использованием большого объема механической обработки.
Однако было показано, что при помощи этих способов области свободного формата, области поднутрения или полости могут быть образованы только с ограниченным успехом. Следовательно, компоненты, которые оптимизированы. например, при помощи цифрового способа, приходится проектировать таким образом, чтобы они могли быть изготовлены при помощи выбранных обычных способов изготовления. Может возникать ситуация, при которой геометрии компонента, которые при помощи моделирования выбраны как идеальные, не могут быть реализованы по причинам, связанным с технологией изготовления, или когда во многих местах конструктивного элемента остается больше материала, чем это необходимо для передачи сил. Результирующее увеличение веса является нежелательным, в частности, при конструировании воздушного судна, потому что это приводит к более высокому энергопотреблению во время фазы полета.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается конструктивный элемент или опорная стойка, расположенная в конструктивном элементе таким образом, что изгибающие силы, воздействующие на конструктивный элемент, могут быть преимущественно поглощены и/или могут быть переданы оптимизированным образом.
Основной вариант осуществления изобретения описан в независимых пунктах формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается удлиненная опорная стойка для высокопрочного конструктивного элемента, которая предназначена для поглощения изгибающих сил, которые действуют перпендикулярно к продольному направлению опорной стойки. Опорная стойка содержит стенку, которая по меньшей мере в некоторых областях ограждает удлиненную полость опорной стойки. Конструкция армирования расположена внутри полости и перпендикулярно к направлению продольного удлинения таким образом, что конструкция армирования повышает жесткость при изгибе. Конструкция армирования выполнена в виде единого целого, то есть в виде одной детали со стенкой, причем как стенка, так и конструкция армирования изготовлены из плавкого материала.
Если удлиненные полые тела, окруженные стенкой, например трубчатые конструкции, подвержены воздействию изгибающих сил, то эти полые тела имеют тенденцию к сплющиванию (к изгибу). В процессе сплющивания сначала изменяется поперечное сечение в месте изгиба. Установка конструкции армирования внутри полости в положении потенциального сплющивания приводит к тому, что большая изгибающая сила должна быть приложена в этом месте, чтобы привести к сплющиванию. Следовательно, если будет приложена такая же изгибающая сила (которая вызывает сплющивание, если нет конструкции армирования), то повышается запас прочности относительно возможности сплющивания. Более того, в такой конструкции, при таком же запасе прочности относительно возможности сплющивания, может быть приложена большая изгибающая сила к опорной стойке в соответствии с настоящим изобретением. Так как стенка полого тела также может поглощать часть изгибающих сил, то эту стенку преимущественно проектируют в виде закрытой стенки.
С использованием плавкого материала можно изготовить опорную стойку со слоями, которые наложены друг на друга и соединены друг с другом, как это описано далее более подробно в контексте способа изготовления в соответствии с настоящим изобретением. Для этого подходит любой плавкий материал, например пластмасса или металл.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, конструкция армирования выполнена в виде диска. В такой схеме расположения кромка, ограничивающая конструкцию армирования или диск, может быть соединена по всей ее поверхности со стенкой полого тела. Диск выполнен в виде единого целого с опорной стойкой. За счет использования такой конструкции, в том случае, когда возникают изгибающие силы, поперечное сечение полого тела в месте потенциального сплющивания будет полностью защищено или по меньшей мере защищено в очень большой степени. Таким образом, значительно более высокие изгибающие силы могут быть приложены к опорной стойке или могут передаваться при помощи опорной стойки, чем в случае отсутствия такого диска. Преимущественно, не используют никакого дополнительного опорного элемента, воздействующего на сам диск.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, полость содержит по меньшей мере одно отверстие, которое соединяет полость со средой, которая окружает опорную стойку. За счет этого указанная среда, например воздух, может проникать в полость и может приводить к выравниванию давления. Следовательно, такая опорная стойка может быть использована, например, на больших высотах или на больших глубинах в воде, так как не возникает перепад давлений между средой и полостью. Такие перепады давлений могли бы приводить к механическим напряжениям в опорной стойке, создающим дополнительные напряженные состояния опорной стойки. Таким образом, изгибающие силы, передаваемые через опорную стойку, могли бы уменьшаться по сравнению со случаем отсутствия дополнительных механических напряжений.
Опорная стойка преимущественно содержит по меньшей мере одно отверстие, которое имеет такой размер, что содержащий плавкий материал гранулят, который требуется для изготовления опорной стойки, может быть удален из полости. Как уже было указано здесь выше, опорная стойка может быть изготовлена при помощи генеративного способа изготовления слоя. В этом способе порошок или гранулят плавкого материала наносят слоями, причем лазер преимущественно полностью расплавляет контур опорной стойки. Так как по принципу этого способа изготовления не расплавленный гранулят должен оставаться на подложке до завершения изготовления опорной стойки, то во время создания полости этот гранулят будет замкнут в этой полости. По меньшей мере по причинам, связанным с увеличением веса и повышением расходов, желательно удалять этот гранулят из полости возможно более полно. Это может быть осуществлено при помощи по меньшей мере одного такого отверстия,
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, такое отверстие предусмотрено в опорной стойке в конструкции армирования. В этом месте отверстие преимущественно расположено вдоль линии изгиба, вдоль которой опорная стойка изгибается под воздействием изгибающих сил. Таким образом, отверстие расположено в том месте, в котором сжатие или растяжение и усилия сдвига, создаваемые за счет изгибающих сил, имеют их самое малое значение и, таким образом, оказывают наименьшее влияние на прочность компонента. Даже если несколько конструкций армирования делят полость на несколько камер, эти отверстия обеспечивают соединение указанных камер друг с другом и с наружной стороной, без необходимости перфорирования стенки опорной стойки для этой цели.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, стенка опорной стойки имеет изгиб по меньшей мере в одной подобласти. В частности, принимая во внимание изгибающие силы, которые могут возникать за счет резкого изгибания (buckling, сплющивания) опорной стойки, может быть желательно проектировать опорную стойку в статически не нагруженном состоянии в изогнутом виде. Для этого может быть использовано, например, прямоугольное колено или S-образный изгиб. За счет проектирования опорной стойки такой геометрической формы, может быть обеспечено заданное распределение силы, вводимой в опорную стойку (воздействующей на нее). Таким образом, также возможно, за счет соответствующей кривизны стенки опорной стойки, снижать аварийные нагрузки заданным образом. В таком конструктивном исполнении опорная стойка может быть адаптирована к статическим и/или динамическим требованиям. Более того, может быть использована, например, конструкция опорной стойки в виде конической трубы или в виде опорной стойки с переменным поперечным сечением, причем термин "переменное поперечное сечение" относится не только к размеру, например к меньшему диаметру или большему диаметру, но также и к форме, например, в виде круга или эллипса.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, толщина стенки в опорной стойке изменяется. Таким образом, толщина стенки может быть приспособлена к силам, которые должны быть поглощены при помощи опорной стойки. Так как при увеличении расстояния от приложенной силы напряжение в опорной стойке возрастает, это напряжение может быть компенсировано за счет увеличения толщины стенки. Более того, например, вторая сила, которая приложена на расстоянии от первой силы и которая создает дополнительное напряжение в опорной стойке, может быть поглощена за счет локального изменения толщины стенки. Таким образом, толщины стенки опорной стойки может изменяться не только в продольном направлении опорной стойки, но и по длине ее окружности. За счет этого толщина стенки опорной стойки может быть согласована с практически приложенными нагрузками.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, опорная стойка изготовлена из плавкого материала, причем указанный плавкий материал представляет собой по меньшей мере один материал. выбранный из группы, в которую входят нержавеющая сталь, инструментальная сталь, титан, алюминий, кобальт, никель, а также сплавы или смеси этих материалов. За счет использования этих материалов, которые преимущественно используют без связующих добавок, возможно полное плавление материалов, используемых в виде порошка. Следовательно, может быть обеспечена ориентировочно 100% плотность компонента, так что может быть изготовлена опорная стойка, механические (прочностные) характеристики которой в наибольшей возможной степени соответствуют техническим требованиям на материал. Это означает, например, что в случае изготовления опорной стойки из титанового сплава, характеристики, которые являются базовыми для соответствующего титанового сплава, например упругость, также могут быть базовыми для опорной стойки.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, конструктивный элемент выполнен в виде одной детали, то есть выполнен в виде единого целого с опорной стойкой. Конструктивный элемент содержит по меньшей мере два приемных устройства, причем возникающие в одном приемном устройстве силы, создающие изгибающие силы в опорной стойке, могут быть переданы в другое приемное устройство. За счет выполнения в виде одной детали, конструктивный элемент может быть полностью изготовлен из одного материала. Более того, преимущественно не применяют индивидуальных деталей, которые впоследствии необходимо вставлять в конструктивный элемент. За счет встраивания опорной стойки в соответствии с настоящим изобретением в конструктивный элемент, возможно передавать силы, введенные в конструктивный элемент, оптимизированным по весу образом, однако при использовании всех преимуществ, описанных в предыдущих параграфах.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, конструктивный элемент топологически оптимизирован в соответствии с аспектами бионики. Такая оптимизация означает, что могут быть созданы конструкции свободного формата, которые отвечают требованиям по своим механическим, тепловым, электрическим, акустическим, фильтрующим и поверхностным характеристикам. Такая конструкция включает в себя и копирует в возможно большей степени встречающиеся в природе примеры, например характеристики длинной трубчатой кости.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления
настоящего изобретения, совместно с опорной стойкой используют конструкционную опору. В этой конструкции дополнительная конструкционная опора соединена со стенкой опорной стойки. Конструкция армирования внутри полости опорной стойки выполнена таким образом, что эта конструкция армирования вводит изгибающие силы, возникающие в опорной стойке, в конструкционную опору таким образом, что (за счет конструкции армирования) любое сплющивание опорной стойки становится более затруднительным,
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, конструктивный элемент, соответствующий описанному здесь выше, используют в воздушном судне.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, опорная стойка изготовлена при помощи генеративного способа изготовления слоя, в частности, при помощи процесса избирательного лазерного плавления. За счет этого может быть образована стенка, которая по меньшей мере частично ограждает удлиненную полость опорной стойки. Более того, образована конструкция армирования внутри полости и перпендикулярно к направлению продольного удлинения опорной стойки, таким образом, что конструкция армирования может поглощать по меньшей мере некоторые изгибающие силы, воздействующие на опорную стойку. Кроме того, конструкция армирования образована в виде единого целого со стенкой, причем как стенка, так и конструкция армирования изготовлены из плавкого материала при помощи способа изготовления слоя.
В такой конструкции опорная стойка может быть образована послойно, причем каждый слой, содержащий порошковый материал, может быть нанесен на уже обработанную часть опорной стойки ранее его локального плавления, так что во время последующего (плавления и) затвердевания он может соединяться с этой частью. При помощи лазерного излучения могут быть получены, например, любые трехмерные геометрии, в том числе геометрии с поднутрением. Может быть также изготовлена опорная стойка, которая не может быть изготовлена при помощи обычных процессов механической обработки или литья. Как правило, для изготовления изделия требуются его геометрические данные в трех измерениях, которые могут быть обработаны как данные слоя. Имеющиеся в настоящее время данные автоматизированного проектирования для компонента позволяют создавать множество слоев при помощи так называемого образования слоев.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается элемент компьютерной программы, который, когда его выполняют на управляемом компьютером устройстве для осуществления генеративного способа изготовления слоя, позволяет реализовать описанный здесь выше способ изготовления опорной стойки.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, машиночитаемый носитель с хранящимся на нем элементом компьютерной программы может быть использован для внедрения генеративного способа изготовления опорной стойки.
Дополнительные детали и преимущества настоящего изобретения заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения, связанных с описанием примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенного со ссылкой на чертежи, которые являются схематичными, не обязательно приведены в реальном масштабе и на которых аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано трехмерное изображение конструктивного элемента с удлиненной опорной стойкой в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид сбоку конструктивного элемента, показанного на фиг.1, с частичной вертикальной проекцией удлиненной опорной стойки в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 показана часть потолка кабины экипажа, если смотреть снаружи, с конструктивным элементом в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан конструктивный элемент 2, который по существу содержит кронштейн 4 и проушину 6. Кронштейн 4 содержит две лапы 8, 10, которые расположены перпендикулярно друг к другу и имеют монтажные отверстия 12. При помощи соответствующего монтажного материала (крепежной детали), который вводят через монтажные отверстия 12, кронштейн 4 прикрепляют к кабине 52 экипажа (см. фиг.3).
Проушина 6 имеет две плоские параллельные стороны 14, 16. Перпендикулярно к плоским сторонам 14, 16 проушина 6 имеет сквозное отверстие 18, в которое вводят антивибратор (не показан), который шарнирно соединен со стержнем 19 растяжения -сжатия (см. фиг.3). Проушина 6 расположена относительно кронштейна 4 таким образом, что плоские стороны 14, 16 идут вдоль направления F, то есть находятся в плоскости, параллельной одной лапе 10 кронштейна 4, и перпендикулярно к направлению F образует угол около 10°.
Проушина 6 по существу жестко соединена с кронштейном 4 при помощи опорной стойки 20. Для этого нижний конец 22 опорной стойки 20 соединен с лапой 8 кронштейна 4, в то время как верхний конец 24 указанной опорной стойки 20 соединен с проушиной 6. Опорная стойка 20 содержит стенку 26, которая ограждает полость 28 (см. фиг.2). Опорная стойка 20 похожа на коническую изогнутую трубу, имеющую наибольший диаметр у своего нижнего конца 22 и наименьший диаметр у своего верхнего конца 24. Опорная стойка 20 расположена под острым углом к лапе 8 кронштейна 4. В своей нижней части опорная стойка 20 немного изогнута в направлении проушины 6, в то время как в ее верхней части изгиб в направлении проушины 6 увеличен,
Конструкционная опора 30, которая выполнена в виде прямой трубы, упирается своим нижним концом 32 в лапу 8 кронштейна 4. Ее верхний конец 34 прочно соединен с частью стенки 26 опорной стойки 20, которая обращена к кронштейну 4.
Толщина 35 стенки 26 опорной стойки 20 постепенно уменьшается от нижнего конца 22 к верхнему концу 24 (фиг.2). Кроме того, полость 28 разделена на три камеры 39 при помощи двух конструкций армирования в виде нижнего диска 36 и верхнего диска 38. Оба диска 36, 38 расположены перпендикулярно к направлению продольного удлинения опорной стойки 20. Диски 36, 38 имеют кромки 40, которые на всем их протяжении соединены с внутренней стороной 42 стенки 28. Кроме того, диски 36, 38 имеют отверстие 44, которое идет вдоль линии изгиба опорной стойки. За счет этих отверстий 44 камеры 39 соединены друг с другом. Более того, лапа 8 на нижней кромке 22 имеет отверстие 46, при помощи которого полость 28 опорной стойки 20 соединена со средой, которая окружает опорную стойку 20. Конструкционная опора 30, которая выполнена в виде прямой трубы, на ее нижнем конце 32 также имеет отверстие 48, идущее в лапу 8.
Сила растяжения или сила сжатия, приложенная к проушине 6 в направлении F, создает изгибающие силы в опорной стойке 20, причем указанные изгибающие силы проявляются как поперечные силы, действующие перпендикулярно к направлению продольного удлинения опорной стойки 20. Эти поперечные силы могут приводить к сплющиванию (к короблению, изгибанию) опорной стойки 20 и, таким образом, к разрушению конструктивного элемента 2. Сплющиванию трубы предшествует изменение ее поперечного сечения. Следовательно, сохранение неизменным поперечного сечения в месте изгиба означает, что при воздействии такой же (которая ранее приводила к сплющиванию) поперечной силы труба не будет сплющиваться, или означает, что сплющивание может произойти только при увеличении этой поперечной силы. По этой причине верхний диск 38 установлен таким образом относительно конструкционной опоре 30, что этот верхний диск 38 сохраняет неизменным (поддерживает) поперечное сечение опорной стойки 20 в том положении (месте), которое наиболее подвержено сплющиванию. Таким образом, оптимизированная по весу конструкция опорной стойки 20 позволяет поглощать приложенные к ней поперечные силы.
Конструктивный элемент 2 изготавливают при помощи процесса избирательного лазерного плавления. В этом процессе, при помощи так называемого "образования слоев" на основании существующих данных автоматизированного проектирования, конструктивный элемент 2 формируют при помощи множества слоев. За счет этого создают конструктивный элемент 2 в виде одной детали.
Порошок или гранулят наносят на строительную платформу при помощи, например, резинового валика или ракельного ножа по всей площади, например, толщиной ориентировочно от 0.001 до 0.2 мм. За счет управления лазерным лучом в соответствии со слоистым контуром опорной стойки, слои последовательно расплавляют в толще порошка. Затем строительную платформу немного опускают и образуют новый слой. Порошок добавляют за счет подъема порошковой платформы или при помощи подачи в резиновый валик. Наслаивание происходит в вертикальном направлении. Подводимая лазером энергия поглощается порошком и приводит к местному ограниченному плавлению частиц.
Так как в процессе избирательного лазерного плавления индивидуальные слои плавятся управляемым лазерным лучом в толще порошка, то порошок остается в полостях, и после завершения операции плавки его удаляют через соответствующие отверстия. В конструктивном элементе 2, чтобы полностью удалить порошок из полостей 28 или полых камер 39, для этого предусмотрены отверстия 44 или отверстия 46, 48.
Например, титановый сплав T1A16V4 может быть использован в качестве материала для изготовления конструктивного элемента 2.
На фиг.3 показана часть потолка кабины 52 экипажа, если смотреть снаружи. Между каркасными элементами 50 предусмотрены два конструктивных элемента 2, к кронштейнам 4 которых прикреплена кабина 52 экипажа. При помощи проушин 6 конструктивные элементы 2 соединены на одном конце со стержнем 19 растяжения - сжатия. Другой конец соединен шарнирным образом с каркасным элементом 50.
Список позиционных обозначений
2 Конструктивный элемент
4 Кронштейн
6 Проушина
8 Лапа
10 Лапа
12 Монтажное отверстие
14 Плоская сторона проушины
16 Плоская сторона проушины
18 Сквозное отверстие
19 Стержень сжатия - растяжения
20 Опорная стойка
22 Нижний край опорной стойки
24 Верхний край опорной стойки
26 Стенка
28 Полость
30 Опора
32 Нижний край опоры
34 Верхний край опоры
35 Толщина
36 Нижний диск
38 Верхний диск
39 Камера
40 Кромка
42 Внутренняя сторона
44 Отверстие.
46 Отверстие
48 Отверстие
50 Каркасный элемент
52 Кабина экипажа
F Направление