САМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙСЯ ПОДКРЕПЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, ДОПУСКАЮЩИЙ ВОСПРИЯТИЕ НА СЕБЯ ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ
SELF-STABILISING ELEMENT SUPPORTING OTHER STRUCTURAL ELEMENTS

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к подкрепляющему элементу, одновременно обеспечивающему возможность устойчивого подкрепления некоторой конструкции и восприятие на себя элементов в этой конструкции. Предлагаемое изобретение относится также к конструкции воздушного судна, имеющей в своем составе по меньшей мере один такой подкрепляющий элемент.
Предлагаемое изобретение находит применение в области механики различных конструкций, и в частности в области конструкций авиационной техники для обеспечения механической прочности конструктивных элементов воздушного судна.
Предшествующий уровень техники
В воздушном судне предусмотрено множество конструктивных элементов, которые требуют использования дополнительных деталей, предназначенных для повышения механической прочности этих элементов конструкции. Эти дополнительные детали могут представлять собой, в частности, специальные подкрепляющие элементы. Эти подкрепляющие элементы обычно представляют собой профилированные детали, закрепленные на элементах конструкции воздушного судна и предназначенные, например, для передачи нагрузок в продольном направлении или для стабилизации этих элементов (например, для устранения вздутия этих элементов или предотвращения их продольного изгиба под действием усилий сдвига или сжатия).
Такие подкрепляющие элементы могут быть использованы, например, в конструкциях фюзеляжа воздушного судна, таких как шпангоуты или стрингеры, предназначенные для подкрепления обшивки, и некоторых зон, таких как обрамление дверей и люков. Эти подкрепляющие элементы также могут быть использованы в конструкции крыла воздушного судна, например в направлении его размаха (то есть в лонжеронах) или в его поперечном направлении (то есть в нервюрах).
Подкрепляющие элементы могут обеспечивать локальное усиление конструкции в вертикальном направлении или в продольном направлении, именно в тех местах, где механические напряжения являются особенно значительными.
Подкрепляющие элементы могут иметь различные формы поперечного сечения. Форма поперечного сечения подкрепляющего элемента зависит от множества различных параметров, таких, например, как форма подлежащего подкреплению элемента конструкции, или от основной функции, которую этот элемент конструкции должен выполнять. Известные в настоящее время подкрепляющие элементы обычно обладают поперечным сечением, имеющим Z-образную форму, Т-образную форму, J-образную форму или Ω-образную форму. Примеры различных известных на сегодняшний день поперечных сечений подкрепляющих элементов представлены на фигурах 1, 2 и 3.
На фиг.1 представлен конкретный пример реализации подкрепляющего элемента, имеющего Z-образную форму поперечного сечения. Такой подкрепляющий элемент 2, имеющий Z-образную форму поперечного сечения, содержит три части: подошву 21, вертикальную стенку 22 и головку 23. Подошва 21 находится в механическом контакте с подлежащим подкреплению элементом 1 и, соответственно, принимает форму этого элемента. Вертикальная стенка 22, которая имеет две "плоские" поверхности, может, в случае необходимости, использоваться для принятия на себя других элементов. Головка 23 служит для стабилизации этого подкрепляющего элемента, то есть для предотвращения изгибания поперечного сечения в его плоскости.
На фиг.2А представлен пример подкрепляющего элемента, имеющего Т-образное поперечное сечение. Этот Т-образный подкрепляющий элемент 3 содержит две части: подошву 31 и вертикальную стенку 32. Подошва 31 находится в механическом контакте с подлежащим подкреплению элементом и, соответственно, принимает форму этого элемента. Вертикальная стенка 32, которая имеет две "плоские" поверхности, может, в случае необходимости, быть использована для принятия на себя других элементов. Такой подкрепляющий элемент может быть получен из композитного материала, например, при помощи технологии RTM (Resin Transfert Moulding) путем совместной отливки под давлением двух предварительно отформованных элементов L-образной формы, соединяемых друг с другом так, как это показано на фиг.2В.
В двух приведенных примерах выполнения подкрепляющих элементов, а также для подкрепляющего элемента, имеющего J-образное поперечное сечение, подкрепляющий элемент содержит вертикальную стенку, образующую опорную поверхность. Здесь опорной поверхностью называют плоскую поверхность, перпендикулярную или практически перпендикулярную подлежащему подкреплению элементу и позволяющую размещать на этой поверхности некоторый дополнительный элемент таким образом, чтобы этот элемент находился в постоянном механическом контакте с этой опорной поверхностью. Таким образом, опорная поверхность может обеспечить восприятие некоторого другого элемента, конструктивного или не являющегося конструктивным. Каждый из указанных выше подкрепляющих элементов с поперечным сечением J-образной, Т-образной или Z-образной формы содержит плоскую поверхность, к которой может быть присоединен некоторый дополнительный элемент.
Однако форма этих подкрепляющих элементов может представлять определенный недостаток в том случае, когда конструкция подвергается воздействию некоторых усилий. Действительно, в том случае, когда подкрепляющий элемент нагружается усилием сжатия, он имеет тенденцию к продольному изгибу, начиная с определенного уровня сжимающего усилия. Для устранения продольного изгиба подкрепляющего элемента необходимо присоединять дополнительные детали, такие, например, как зажимы стабилизации, размещаемые поперек подкрепляющего элемента, функция которых состоит в том, чтобы не допустить изгиба подкрепляющего элемента при его нагружении.
Для того чтобы решить эти проблемы устойчивости, существуют подкрепляющие элементы, поперечное сечение которых имеет Ω-образную форму. Пример такого подкрепляющего элемента, имеющего Ω-образную форму поперечного сечения, представлен на фиг.3. В примере выполнения, показанном на фиг.3, этот подкрепляющий элемент 4 имеет поперечное сечение Ω-образной формы. Он содержит головку 45, две стенки 43 и 44 и две подошвы 41 и 42, располагающиеся симметрично по одну и по другую стороны от средней плоскости головки 45. Даже форма подкрепляющего элемента, и в частности то обстоятельство, что в состоянии соединения с требующим подкрепления элементом полученное таким образом поперечное сечение является замкнутым, подобно полой балке, обеспечивает устойчивость этого подкрепляющего элемента. Иначе говоря, такой подкрепляющий элемент является устойчивым сам по себе и не требует присоединения какой бы то ни было дополнительной детали, и он является самостабилизирующимся. Таким образом, даже если такой подкрепляющий элемент подвергается сжимающей нагрузке, он не подвергается искривлению ни с одной, ни с другой стороны.
Однако такой подкрепляющий элемент Ω-образной формы не содержит достаточно простой опорной поверхности, адаптированной к восприятию других элементов. Действительно, за исключением двух своих подошв, такой подкрепляющий элемент не содержит никакой поверхности, реально адаптированной к восприятию других элементов вследствие ориентации своей головки и своих боковых стенок (ни одна из этих поверхностей не является перпендикулярной по отношению к поверхности подлежащего подкреплению элемента), а также вследствие проблем, связанных с установкой крепления в закрытых поперечных сечениях (пригодность к осуществлению контроля, специфические средства крепления и т.п.).
Таким образом, в зависимости от подлежащего подкреплению конструктивного элемента и в зависимости от функций, которые необходимо обеспечить в данном случае, используют подкрепляющий элемент с опорной поверхностью, в частности подкрепляющий элемент, имеющий поперечное сечение Z-образной формы, Т-образной формы или J-образной формы, или самостабилизирующийся подкрепляющий элемент, такой, например, как подкрепляющий элемент с поперечным сечением Ω-образной формы.
Однако современные тенденции в авиационных конструкциях состоят в том, что становится все больше элементов, подлежащих восприятию, как элементов оборудования, так и элементов различных систем. В частности, на фюзеляже воздушного судна шпангоуты или конструкция пола представляют собой зоны этого воздушного судна, где имеется множество подлежащих восприятию элементов, как элементов конструкции, так и элементов различных систем, таких, например, как электрические кабели. Таким образом, важно обеспечить возможность восприятия различных элементов на подкрепляющих элементах, в максимально возможной степени упрощая детали конструкции при помощи интегрирования функций.
Раскрытие изобретения
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы устранить отмеченные выше недостатки предшествующего уровня техники. Для этого в данном изобретении предлагается подкрепляющий элемент, имеющий поперечное сечение, позволяющее этому элементу одновременно быть самостабилизирующимся и обеспечивать восприятие различных других элементов. Такой подкрепляющий элемент является самодостаточным с точки зрения механической прочности и предполагает наличие плоской вертикальной стенки, обеспечивающей восприятие того или иного элемента. Для этого подкрепляющий элемент в соответствии с предлагаемым изобретением содержит нижнюю часть, имеющую устойчивую Ω-образную форму, и верхнюю часть, имеющую опорную поверхность, обеспечивающую возможность восприятия тех или иных элементов.
Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к подкрепляющему элементу для конструкции, подвергающейся воздействию напряжений растяжения, и/или сжатия, и/или сдвига, отличающемуся тем, что этот подкрепляющий элемент имеет поперечное сечение λ-образной формы, содержащее:
- зону, находящуюся в механическом контакте с подлежащим подкреплению элементом, имеющую замкнутое поперечное сечение и обеспечивающую устойчивость, причем эта зона содержит первую и вторую стойки, и
- вертикальную стенку, располагающуюся перпендикулярно по отношению к подлежащему подкреплению элементу и придающую ей опорную поверхность, способную воспринять на себя некоторый элемент, причем эта вертикальная стенка образована одной из двух упомянутых выше стоек.
Подкрепляющий элемент в соответствии с предлагаемым изобретением также может иметь одну или несколько из перечисленных ниже характеристик:
- этот подкрепляющий элемент изготавливается из композитного материала;
- упомянутая первая стойка представляет собой длинную стойку и упомянутая вторая стойка представляет собой короткую стойку, причем две эти стойки соединяются между собой в зоне соединения, образующей утолщение;
- упомянутая вертикальная стенка (12) образована некоторой частью длинной стойки (6);
- короткая стойка является симметричной относительно длинной стойки по отношению к оси ХХ, проходящей через упомянутую зону соединения;
- каждая стойка содержит подошву стабилизации;
- длинная стойка имеет поперечное сечение С-образной формы;
- длинная стойка имеет поперечное сечение Z-образной формы;
- короткая стойка имеет поперечное сечение L-образной формы;
- длинная стойка (6) содержит головку (64), образованную концом, противоположным подошве (63) стабилизации, и обеспечивающую инерцию.
Предлагаемое изобретение также относится к конструкции воздушного судна, отличающейся тем, что эта конструкция содержит по меньшей мере один подкрепляющий элемент определенного выше типа.
Предлагаемое изобретение также относится к воздушному судну, содержащему по меньшей мере один из этих подкрепляющих элементов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает подкрепляющий элемент, имеющий поперечное сечение Z-образной формы.
Фигуры 2А и 2В изображают подкрепляющий элемент, имеющий поперечное сечение Т-образной формы.
Фиг.3 изображает подкрепляющий элемент, имеющий поперечное сечение Ω-образной формы.
Фиг.4 - первую конфигурацию подкрепляющего элемента в соответствии с предлагаемым изобретением, имеющего λ-образную форму.
Фиг.5 - вторую конфигурацию подкрепляющего элемента в соответствии с предлагаемым изобретением, имеющего λ-образную форму.
Фигуры 6А и 6В, которые связаны с конфигурацией, представленной на фиг.5, изображают центры тяжести подкрепляющих элементов в соответствии с предлагаемым изобретением, имеющих λ-образную форму.
Фиг.7 изображает пример шпангоута в соответствии с предлагаемым изобретением и поперечные перемычки пола в фюзеляже воздушного судна.
Фигуры 8А и 8В иллюстрируют соединительные детали связи между шпангоутом и перемычкой пола, показанные ранее на фиг.3.
Подробное описание вариантов осуществления предлагаемого изобретения
Предлагаемое изобретение относится к подкрепляющему элементу, предназначенному для конструктивного элемента, в частности для конструктивного элемента воздушного судна, имеющему поперечное сечение λ-образной формы. λ-образная форма позволяет одновременно обеспечить самостабилизацию этого подкрепляющего элемента и восприятие на нем других элементов.
Поперечное сечение λ-образной формы, которое будет описано в ниже, может быть применено, например, к продольному подкрепляющему элементу, то есть к стрингеру, или же к радиальному подкрепляющему элементу, то есть к шпангоуту.
Подкрепляющий элемент с поперечным сечением, имеющим λ-образную форму, сочетает в себе преимущества самостабилизирующихся подкрепляющихся элементов, описанных выше, и подкрепляющихся элементов, адаптированных к восприятию на себя других элементов и также описанных выше. Для этого подкрепляющий элемент с поперечным сечением, имеющим λ-образную форму, содержит нижнюю часть, имеющую две точки опоры, обеспечивающие самостабилизацию, и верхнюю часть, имеющую опорную поверхность, обеспечивающую восприятие на себя других элементов. Упомянутая нижняя часть представляет собой зону, находящуюся в механическом контакте с подлежащим подкреплению элементом. Эта нижняя часть имеет замкнутое поперечное сечение. Верхняя часть содержит вертикальную стенку 12 подкрепляющего элемента. Эта вертикальная стенка располагается перпендикулярно по отношению к подлежащему подкреплению элементу.
Примеры выполнения подкрепляющих элементов с поперечным сечением, имеющим λ-образную форму, представлены на фигурах 4 и 5. На фиг.4 проиллюстрирована первая конфигурация подкрепляющего элемента с поперечным сечением, имеющим λ-образную форму, в соответствии с предлагаемым изобретением. Этот подкрепляющий элемент с поперечным сечением, имеющим λ-образную форму, называемый λ-образным подкрепляющим элементом, содержит длинную стойку 6, называемую также большой стойкой, и короткую стойку 7, называемую также малой стойкой. Указанные малая и большая стойки изготавливаются из идентичных материалов. Эти стойки предпочтительным образом имеют идентичную толщину, по меньшей мере на некоторой части данной стойки.
Малая стойка 7 соединяется с большой стойкой 6 в некоторой соединительной зоне 8, образующей в этом месте утолщение.
Большая стойка 6 представляет собой основную стойку подкрепляющего элемента. Малая стойка 7 представляет собой стабилизатор подкрепляющего элемента.
Каждая стойка содержит несколько участков. Малая стойка 7 содержит первый участок 71, располагающийся в зоне 8 соединения двух стоек. Эта стойка содержит второй участок 72, образующий тупой угол с первым участком 71. Эта стойка также содержит третий участок 73, называемый подошвой, функция которого состоит в том, чтобы обеспечить механическую связь между подкрепляющим элементом и элементом конструкции, подлежащим подкреплению. Однако локальным образом этот третий участок может отсутствовать на упомянутой стойке подкрепляющего элемента для снижения его массы.
Большая стойка 6 содержит первый участок 61, плотно присоединенный к первому участку 71 малой стойки 7. При этом первый участок большой стойки 6 имеет длину, превышающую длину малой стойки 7, и образует опорную поверхность 61, предназначенную для восприятия на себя, в случае необходимости, других элементов (таких, например, как поперечные перемычки и т.п.). Участок 61 большой стойки 6 образует вертикальную стенку 12 подкрепляющего элемента. Большая стойка 6 содержит также второй участок 62, образующий тупой угол с первым участком 61. Большая стойка 6 содержит также третий участок 63, представляющий собой подошву, функция которой состоит в том, чтобы обеспечить возможность механической связи между данным подкрепляющим элементом и подлежащим подкреплению элементом. Однако локально указанный третий участок может отсутствовать в конструкции стойки подкрепляющего элемента для ограничения его массы.
Малая стойка 7 является симметричной по отношению к большой стойке 6 относительно оси ХХ, проходящей через упомянутую зону соединения.
Кроме того, большая стойка 6 содержит четвертый участок 64, образующий по существу прямой угол с первым участком 61 так, что этот четвертый участок является плоским. Таким образом, четвертый участок 64, также называемый головкой, способствует повышению инерции данного подкрепляющего элемента. С этой же целью четвертый участок 64 может иметь толщину, превышающую толщину других участков большой стойки 6.
В качестве примера можно указать, что подкрепляющий элемент с поперечным сечением λ-образной формы может иметь полную высоту 110 миллиметров и может содержать стойки, имеющие толщину 2,6 мм, за исключением четвертого участка 64 большой стойки, которая имеет толщину 5 мм. Зона соединения двух стоек при этом имеет утолщение, составляющее 5,2 мм. Эта соединительная зона 8 может иметь длину, составляющую, например, 24 мм.
Подкрепляющий элемент с поперечным сечением λ-образной формы обладает такой же хорошей устойчивостью, как и подкрепляющий элемент с поперечным сечением Ω-образной формы, в том случае, когда рассматриваются зоны, где этот подкрепляющий элемент входит в механический контакт с подлежащим подкреплению элементом, то есть те зоны, где стойки этого подкрепляющего элемента содержат их третьи участки 63 или 73. Действительно, в этих зонах подкрепляющий элемент, связанный с подлежащим подкреплению элементом, позволяет обеспечить замкнутое поперечное сечение. Вследствие своей устойчивости такой подкрепляющий элемент λ-образной формы может выдерживать нагрузку на растяжение, на сжатие и на сдвиг, обеспечивая при этом возможность восприятия на себя других элементов.
В конфигурации, представленной на фиг.4, различные участки большой стойки 6 образуют по существу Z-образный контур. При этом большая стойка имеет поперечное сечение Z-образной формы. Различные участки малой стойки образуют по существу перевернутый L-образный контур. При этом малая стойка имеет поперечное сечение L-образной формы.
В конфигурации, представленной на фиг.5, различные участки большой стойки 6 образуют по существу С-образный контур. При этом большая стойка имеет поперечное сечение С-образной формы. Различные участки малой стойки образуют по существу перевернутый L-образный контур. При этом малая стойка имеет поперечное сечение L-образной формы.
Различие между двумя описанными выше конфигурациями заключается в ориентации участка 64: он располагается либо со стороны большой стойки 6, либо со стороны малой стойки 7. Выбор конфигурации подкрепляющего элемента λ-образной формы зависит от формы и пространственной ориентации дополнительного элемента, подлежащего присоединению к опорной поверхности 61 этого подкрепляющего элемента.
Какова бы ни была конфигурация подкрепляющего элемента λ-образной формы в соответствии с предлагаемым изобретением, две стойки этого подкрепляющего элемента изготавливаются из одного и того же материала. Этот материал может представлять собой металл. Этот материал также может представлять собой композитный материал, который обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что две стойки такого подкрепляющего элемента λ-образной формы могут быть интегрированы одна в другую в процессе изготовления этого подкрепляющего элемента. При этом отсутствует какое-либо механическое прижатие, необходимое для соединения двух стоек подкрепляющего элемента. Так, например, большая стойка и малая стойка λ-образного подкрепляющего элемента могут быть совместно отлиты под давлением или приварены друг к другу и т.п. В этом случае после определения соответствующих размерных параметров подкрепляющего элемента отсутствует какая-либо опасность разъединения двух стоек под действием усилий, приложенных к данному конструктивному элементу.
Две стойки подкрепляющего элемента могут быть изготовлены на основе двух предварительно отформованных сухих элементов, причем оба эти элемента отливаются одновременно в одной и той же литейной форме, например, в соответствии со способом, известным под названием RTM (Moulage par transfert de resine). Таким образом, факт совместного литья под давлением двух стоек подкрепляющего элемента позволяет обеспечить взаимное проникновение между двумя этими стойками на уровне зоны их соединения. Подкрепляющий элемент в соответствии с предлагаемым изобретением может быть реализован на основе изготовленной из волокон ткани, то есть из ткани, выполненной из волокон, переплетенных в качестве основы и утка, или на основе слоев волокон, то есть волокон, располагающихся в одном и том же направлении. Выбор типа волокон зависит от усилий, которые должен выдерживать данный подкрепляющий элемент.
На фигурах 6А и 6В представлен подкрепляющий элемент λ-образной формы в конфигурации, показанной на фиг.5, в зоне закрепления на подлежащем подкреплению элементе (с подошвой, показанной на фиг.6А) и вне этой зоны закрепления на подлежащем подкреплению элементе (то есть без подошвы, как это показано на фиг.6В). На фигурах 6А и 6В показан центр тяжести подкрепляющего элемента для каждой зоны этого подкрепляющего элемента. Для любой зоны центр тяжести никогда не бывает локализован на самом подкрепляющем элементе, но располагается предельно близко к нему. В случае, проиллюстрированном на фиг.6А, центр тяжести G1 располагается со стороны большой стойки 6 подкрепляющего элемента и за пределами этого подкрепляющего элемента. В случае, проиллюстрированном на фиг.6В, центр тяжести G2 располагается полностью снаружи этого подкрепляющего элемента. Близость центра тяжести подкрепляющего элемента к его вертикальной стенке представляет собой характеристику этого подкрепляющего элемента, которая придает ему самостабилизирующийся характер.
На фиг.7 представлен пример выполнения шпангоута фюзеляжа воздушного судна, смоделированного с использованием подкрепляющего элемента в соответствии с предлагаемым изобретением, что позволяет обеспечить восприятие элементов конструкции пола (в данном случае поперечной перемычки пола), при наличии совершенно устойчивого шпангоута. В области авиационной техники достаточно сложно создать шпангоут, имеющий круглое или овальное поперечное сечение, в виде единой детали. Таким образом, обычно шпангоут изготавливают из нескольких скрепленных друг с другом накладками секторов. Эти секторы представляют собой примеры конструктивных элементов, которые могут рассматриваться в качестве подкрепляющих элементов в соответствии с предлагаемым изобретением. В примере, показанном на фиг.7, представлен шпангоут 9, проходящий на угловом протяжении, составляющем 360°, с использованием подкрепляющего элемента в соответствии с предлагаемым изобретением, что позволяет обеспечить закрепление на этом шпангоуте 9 поперечной перемычки пола 10 в двух зонах соединения 11.
Связь между шпангоутом в соответствии с предлагаемым изобретением и поперечной перемычкой, показанной на фиг.7, более подробно показана на фигурах 8А и 8В. Как было упомянуто выше, шпангоут 9 имеет поперечное сечение λ-образной формы. Таким образом, он содержит на всей своей длине множество малых стоек 7 и множество больших стоек 6, как это показано на фигурах 8А и 8В. В примере выполнения, представленном на фигурах 8А и 8В, поперечная перемычка 10 пола опирается на большую стойку 6 подкрепляющего элемента. В этом случае подкрепляющий элемент представляет собой элемент, показанный на фиг.4, то есть это означает, что он содержит большую стойку 6, имеющую поперечное сечение Z-образной формы. Подкрепляющий элемент такого типа в примере, показанном на фигурах 8А и 8В, позволяет обеспечить более легкое восприятие поперечной перемычки пола вследствие соответствующей ориентации головки 64 подкрепляющего элемента. Опорная поверхность 61 большой стойки 6 позволяет разместить на ней один или несколько других элементов.
В примере, представленном на фигурах 8А и 8В, шпангоут непосредственно воспринимается на подошвах стрингеров. В этом случае силовой набор является полуплавающим. В других конфигурациях этот силовой набор может быть неплавающим (непосредственное восприятие силового набора на обшивке фюзеляжа и также, в случае необходимости, на подошвах стрингеров) или плавающим (отсутствие непосредственного восприятия шпангоута на подкрепленной обшивке, причем связь между обшивкой и силовым набором осуществляется посредством зажимов).