復(fù)合結(jié)構(gòu)元件和抗扭箱的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)元件，特別是翼肋或翼梁，用于諸如垂直尾翼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗扭箱。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，抗扭箱通常被用來穩(wěn)定大元件，例如水平和垂直尾翼或機(jī)翼，同時(shí)確保這些部件的重量小。通常，抗扭箱包含由翼肋和翼梁組成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，翼肋和翼梁以大致交叉或網(wǎng)狀方式布置，以支撐被附接到該網(wǎng)狀布置的頂表面和底表面的薄壁板或蒙皮。該板或蒙皮可以進(jìn)一步由桁條加強(qiáng)。根接頭和頂端被附接到抗扭箱，通常是單獨(dú)的前緣和后緣結(jié)構(gòu)，從而完成尾翼或機(jī)翼。
[0003]在這種連接中，翼肋和翼梁通常是縱向形狀的，并包括大致平的主要部分。翼肋和翼梁可以例如被設(shè)計(jì)為具有T形、I形或C形的橫截面，其中平的主要部分構(gòu)造為腹板部分，并且可以由加強(qiáng)件加強(qiáng)。平的主要部分可以大致被設(shè)計(jì)為薄元件，例如厚度為幾厘米或幾毫米。對(duì)于尾翼或機(jī)翼，翼梁通常被布置成橫向于飛機(jī)的與向前飛行方向一致的主縱向軸線延伸。因此，翼梁限定抗扭箱的相對(duì)于所述飛行方向的前緣和后緣。進(jìn)一步，翼梁可以被布置在這些前緣和后緣之間，并可以大體平行于這些前緣和后緣延伸。另一方面，翼肋通常大致平行于飛機(jī)的所述縱向軸線延伸，并被布置為將翼梁彼此連接。
[0004]為了滿足重量要求，公知使用由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的單層片組成的鋪疊體來設(shè)計(jì)這樣的翼肋和翼梁。優(yōu)選的復(fù)合材料，特別是用于設(shè)計(jì)垂直尾翼部件的復(fù)合材料是由堆疊到所需厚度的薄層片(0.1至0.25mm)制成的CFRP (碳纖維增強(qiáng)塑料)。對(duì)于具有大體上單向纖維取向的層片，已知特別地選擇單層片相對(duì)于彼此和相對(duì)于結(jié)構(gòu)元件上的期望主負(fù)載的取向。通過這樣做，可以對(duì)于特定負(fù)載的情況而言能實(shí)現(xiàn)特定的強(qiáng)度和/或剛度。
[0005]對(duì)于上述特定類型的復(fù)合結(jié)構(gòu)元件，坐標(biāo)系可以由沿著該結(jié)構(gòu)元件的縱向軸線延伸的第一軸線和垂直于平的主要部分內(nèi)的縱向軸線延伸并和第一軸線限定90°的角度的第二軸線來限定。對(duì)于設(shè)計(jì)這樣的由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)元件，迄今已經(jīng)應(yīng)用包含至少一對(duì)層片的鋪疊體，該至少一對(duì)層片在所述鋪疊體中被布置為使得它們的纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以+/-45°的角度延伸。與此相似，包含在所述坐標(biāo)系中具有+/-60°的纖維取向的至少一對(duì)層片的鋪疊體是已知的。然而，已知的鋪疊體具有不希望的大重量，這至少將導(dǎo)致在操作飛機(jī)時(shí)更高的燃料成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的是提供上述的類型的復(fù)合結(jié)構(gòu)元件，其具有高的穩(wěn)定性并且特別地在低的總重量下具有高的剛度。
[0007]這個(gè)目的是通過特別地用在諸如垂直尾翼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的抗扭箱中的特別是翼肋或翼梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)元件實(shí)現(xiàn)的。該結(jié)構(gòu)元件包括限定具有第一軸線與第二軸線的坐標(biāo)系的大致平的主要部分，第一軸線沿結(jié)構(gòu)元件的縱向軸線延伸，第二軸線垂直于平的主要部分內(nèi)的縱向軸線延伸并與第一軸線限定+90°的角度。結(jié)構(gòu)元件包含由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組成并具有大體上單向纖維取向的單層片的鋪疊體。該鋪疊體包括至少一對(duì)對(duì)稱布置的第一層片和第二層片，第一層片和第二層片在所述鋪疊體中被布置為使得，對(duì)于第一層片，纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以-17°至-23°范圍內(nèi)的角度延伸，對(duì)于第二層片，纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以+37°至+43°范圍內(nèi)的角度延伸。
[0008]第二軸線可以大致沿作用在所述結(jié)構(gòu)元件上的主負(fù)載的方向或平行于該主負(fù)載的方向延伸，其中主負(fù)載相對(duì)于所述縱向軸線橫向地作用。第一軸線可被選擇為限定0°的角度。此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)元件可被在整體縱向形狀內(nèi)設(shè)計(jì)，從而根據(jù)所述形狀限定縱向軸線的位置和取向。
[0009]然而，對(duì)于本發(fā)明而言，至關(guān)重要的是結(jié)構(gòu)元件包含具有如上規(guī)定的鋪疊體的至少一個(gè)平的主要部分，其中該平的主要部分可以特別表示結(jié)構(gòu)元件的主要承載部分。此外，平的主要部分可以特別地被設(shè)計(jì)成沒有彎曲或曲率。
[0010]如在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中公知的那樣，鋪疊體內(nèi)的單層片的對(duì)稱布置描述了這些層片關(guān)于鋪疊體的幾何中心平的對(duì)稱層片疊或序列。此外，單向纖維取向通常表示光纖的方位為它們大致在一個(gè)共同的方向上運(yùn)行。
[0011]相比于現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)發(fā)明的結(jié)構(gòu)元件包含鋪疊體，該鋪疊體特別在被布置在其中的單層片的纖維方位方面區(qū)別自身。關(guān)于先前描述的常規(guī)鋪疊體，發(fā)明人已經(jīng)確定剪切力是諸如翼肋和翼梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)元件所暴露的重大關(guān)鍵負(fù)載。由于這些剪切力可能引起的失效模式是屈曲。
[0012]然而，如上述已知的鋪疊體主要被設(shè)計(jì)成承受這些主要剪切力中的僅僅一種:典型地被定義為從所謂的直接負(fù)載得到的正剪切力。關(guān)于這樣的正剪切力，常規(guī)的鋪疊體通常提供了可靠的穩(wěn)定性，特別是足夠的抗彎阻力。然而，對(duì)于相反方向的剪切負(fù)載，也被稱為負(fù)剪切力或相反載荷，常規(guī)鋪疊體提供比較低的抗彎阻力。作為結(jié)果，鋪疊體不得不集聚更大數(shù)量的單層片和/或具有更大厚度的層片。
[0013]發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在根據(jù)發(fā)明的鋪疊體內(nèi)布置單層片，包含該鋪疊體的復(fù)合結(jié)構(gòu)元件和常規(guī)的鋪疊體相比具有高得多的剛度。這特別地與導(dǎo)致正和負(fù)剪切流的直接和相反載荷方向的剪切力的阻力的提高有關(guān)。事實(shí)上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)發(fā)明的結(jié)構(gòu)元件對(duì)于這些類型的剪切力均具有幾乎相等的抗彎阻力。
[0014]因此，沒有必要通過添加另外的層片和/或通常增加鋪疊體的厚度來補(bǔ)償對(duì)于相反剪切載荷的較低的抗彎阻力。相反，使用根據(jù)發(fā)明的鋪疊體，獲得了在剪切力的兩個(gè)方向上的抗彎阻力和所需的層片數(shù)量和/或厚度之間的良好折衷。因此，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)元件的整體重量的降低。
[0015]另外，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，使用根據(jù)發(fā)明的特定鋪疊體，對(duì)大量種類的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和這些材料的大范圍厚度，可以對(duì)兩種主要類型的剪切負(fù)載實(shí)現(xiàn)接近相等的抗彎剛度。換言之，根據(jù)發(fā)明的鋪疊體提供了更好的抗彎阻力，而幾乎與所選擇的材料和/或其厚度無關(guān)。
[0016]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第一層片在所述鋪疊體中被布置為使得纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以-18°至-22°范圍內(nèi)的角度延伸。在本發(fā)明的更優(yōu)選實(shí)施例中，該角度為-19°至-21°。
[0017]相似地，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第二層片在所述鋪疊體中被布置為使得纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以+38°至+42°范圍內(nèi)的角度延伸。在本發(fā)明的更優(yōu)選實(shí)施例中，該角度為+39°至+41°。
[0018]將理解，關(guān)于用于布置第一層片和第二層片的角度范圍的上述優(yōu)選實(shí)施例可以任意地彼此組合，以形成根據(jù)發(fā)明的用于結(jié)構(gòu)元件的鋪疊體。
[0019]在優(yōu)選實(shí)施例中，第一層片的纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以大約-20°的角度延伸。在該上下文中，用語“大約”通常指纖維取向的方向的公差為+/-1°。
[0020]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，第二層片的纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以大約+40°的角度延伸。與上述類似，用語“大約”指纖維取向的方向的公差為+/-1°。
[0021]第一層片可以形成鋪疊體的最外層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過以這種方式布置第一層片，甚至可以進(jìn)一步增加鋪疊體的抗彎阻力。
[0022]鋪疊體可以構(gòu)成結(jié)構(gòu)元件的腹板的至少一部分。腹板可以由結(jié)構(gòu)元件的典型地被暴露到特別高的剪切力的平的主要部分構(gòu)造。正如眾所周知的那樣，凸緣部分可以被附接到該腹板，以例如限定結(jié)構(gòu)元件的T形、I形或C形橫截面。通過將根據(jù)發(fā)明的鋪疊體放置在所述腹板中，可以顯著地增加結(jié)構(gòu)元件的整體穩(wěn)定性。
[0023]結(jié)構(gòu)元件可以被構(gòu)造為由所述鋪疊體組成的一體構(gòu)件。這對(duì)于結(jié)構(gòu)元件的制造工藝而言是特別有利的，并避免了用于接合單件或引入另外的緊固裝置的進(jìn)一步的步驟。
[0024]在優(yōu)選實(shí)施例中，鋪疊體由至少一對(duì)對(duì)稱布置的第一層片和第二層片組成。換言之，鋪疊體不包含在所述坐標(biāo)系中具有不同的纖維取向的方向的任何其它層片。通過這樣做，可以使用確保所需的穩(wěn)定性，特別是抗彎阻力的最小數(shù)量的層片來建造所述鋪疊體，從而保持重量最小。
[0025]作為替代，鋪疊體可以進(jìn)一步包括至少一個(gè)下述層片，該層片的纖維取向的方向在所述坐標(biāo)系中以-3°至+3°范圍內(nèi)的角度延伸。在更優(yōu)選實(shí)施例中，角度范圍為-2°至+2°。在更優(yōu)選實(shí)