Конструктивный элемент воздушного судна
Изобретение относится к конструктивному элементу воздушного судна, в частности к нервюре крыла, способу изготовления конструктивного элемента и к соединительному элементу, в частности к башмаку нервюры, предназначенному для передачи нагрузки между основой конструктивного элемента и покрытием, а также к конструкции воздушного судна, которая имеет конструктивный элемент. Конструктивный элемент (нервюра) содержит основу и ряд соединительных элементов, расположенных по линии на основе. Каждый соединительный элемент (башмак нервюры) имеет кронштейн, отходящий от основы, и два фланца. При этом по меньшей мере один из соединительных элементов является отдельным соединительным элементом, присоединенным к основе. Кронштейн отдельного соединительного элемента перекрывает кронштейн соседнего соединительного элемента на виде с боковой стороны линии. Способ изготовления включает обеспечение основы с двумя или большим количеством соединительных элементов, расположенных по линии на основе, присоединение отдельного соединительного элемента к корпусу. При этом каждый соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, и два фланца. Отдельный соединительный элемент имеет кронштейн и два фланца. Соединительный элемент выполнен симметричным. Достигается повышение надежности и прочности в случае поломки одного из башмаков нервюры. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к конструктивному элементу воздушного судна, способу изготовления конструктивного элемента воздушного судна и к соединительному элементу, предназначенному для передачи нагрузки между основой конструктивного элемента воздушного судна и покрытием. Соединительный элемент может представлять собой, например, башмак нервюры, служащий для передачи нагрузки между обшивкой крыла и нервюрой крыла.
Уровень техники
Башмак нервюры в нервюре крыла воздушного судна описан в документе WO 01/76943. Башмак нервюры снабжен парой фланцев, причем каждый из фланцев имеет пару направляющих отверстий, которые были просверлены в окончательных местоположениях окончательных сборочных отверстий, используемых для крепления обшивки крыла.
В случае поломки башмака нервюры утрачивается весь несущий нагрузку башмак нервюры, и вся нагрузка передается на соседние башмаки нервюр. Это может привести к передаче чрезмерных нагрузок на соседние башмаки нервюр, что ставит под угрозу конструктивную целостность крыла воздушного судна.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает способ изготовления конструктивного элемента воздушного судна, содержащий следующие шаги:
обеспечение основы с двумя или большим количеством соединительных элементов, расположенных по линии на основе, причем каждый соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, первый фланец, расположенный с первой стороны линии, и второй фланец, расположенный со второй стороны линии, и присоединение отдельного соединительного элемента к основе, причем отдельный соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, первый фланец, расположенный с первой стороны линии, и второй фланец, расположенный со второй стороны линии, при этом кронштейн отдельного соединительного элемента перекрывает кронштейн соседнего соединительного элемента на виде с боковой стороны линии.
Способ по первому аспекту изобретения позволяет присоединять отдельный соединительный элемент вблизи соседнего на линии соединительного элемента, уменьшая при этом вероятность распространения между ними трещины. В случае поломки отдельного соединительного элемента благодаря размещению фланцев на противоположных сторонах линии нагрузка будет передаваться симметричным образом на остальные соединительные элементы.
Второй аспект изобретения предусматривает конструктивный элемент воздушного судна, содержащий основу и ряд соединительных элементов, расположенных по линии на основе, причем каждый соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, первый фланец, расположенный с первой стороны линии, и второй фланец, расположенный со второй стороны линии, при этом по меньшей мере один из соединительных элементов является отдельным соединительным элементом, присоединенным к основе, а кронштейн отдельного соединительного элемента перекрывает кронштейн соседнего соединительного элемента на виде с боковой стороны линии.
Конструктивный элемент может быть прикреплен к покрытию с помощью сварки или, что более предпочтительно, путем пропуска крепежных элементов (таких как болты) через фланцы соединительных элементов и через покрытие. Обычно покрытие представляет собой элемент, имеющий аэродинамическую наружную поверхность, такой как обшивка фюзеляжа или обшивка крыла. Как правило, покрытие имеет внутреннюю поверхность, несущую множество усиливающих элементов, причем каждый усиливающий элемент помещается в выемке между парой соединительных элементов. Соединительные элементы и покрытие могут выполняться из различных материалов, таких как металл и композитный материал соответственно.
При рассмотрении с боковой стороны линии кронштейн отдельного соединительного элемента перекрывает кронштейн соседнего соединительного элемента. Это обеспечивает компактную компоновку и позволяет снабдить кронштейн отдельного соединительного элемента и/или кронштейн соседнего соединительного элемента усиливающим участком, который при рассмотрении с боковой стороны линии перекрывает другой кронштейн. Для усиления жесткости на изгиб усиливающий участок, предпочтительно, имеет изогнутый под углом край.
Обычно кронштейн отдельного соединительного элемента имеет относительно широкое основание, примыкающее к основе, и относительно узкий дальний конец, который несет фланцы. Это также увеличивает жесткость кронштейна на изгиб.
В предпочтительном варианте осуществления конструктивный элемент воздушного судна образован нервюрой крыла, а соединительные элементы образованы башмаками нервюры. Однако изобретение применимо и в отношении других конструктивных элементов воздушного судна, таких как конструктивные элементы фюзеляжа.
Обычно каждый фланец имеет одно или большее количество крепежных отверстий для приема крепежного элемента. В предпочтительном варианте осуществления, который описан ниже, фланцы отдельного соединительного элемента и соседнего соединительного элемента (следующего за отдельным соединительным элементом) имеют меньше отверстий, чем другие соединительные элементы на линии.
Обычно по меньшей мере один из соединительных элементов выполняется как единое целое с корпусом.
Усиливающий элемент, такой как ребро, может проходить вдоль основы рядом с соединительными элементами. В этом случае отдельный соединительный элемент обычно прикрепляется к основе на противоположной от усиливающего элемента стороне.
Как правило, отдельный соединительный элемент содержит:
- пластину для крепления соединительного элемента к основе конструктивного элемента воздушного судна, причем пластина имеет первую внешнюю поверхность на первой стороне соединительного элемента, вторую внешнюю поверхность на второй стороне соединительного элемента и край между первой и второй внешними поверхностями;
- кронштейн, отходящий от края пластины;
- первый фланец, который расположен на кронштейне на первой стороне соединительного элемента, и
- второй фланец, который расположен на кронштейне на второй стороне соединительного элемента;
при этом кронштейн имеет относительно широкое основание, примыкающее к краю пластины, и относительно узкий дальний конец, который несет фланцы.
Симметричная конструкция соединительного элемента делает его подходящим для использования в способе по первому аспекту изобретения.
Пластина может быть приварена к основе, но, более предпочтительно, пластина имеет два или большее количество крепежных отверстий для приема крепежных элементов (таких как болты).
Краткое описание чертежей
Далее будет представлено описание вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 представляет собой вид в плане воздушного судна.
Фиг.2 представляет собой вид части механически обработанной внешней поверхности нервюры крыла.
Фиг.3 представляет собой увеличенное изображение части противоположной внешней поверхности нервюры крыла.
Фиг.4 изображает отдельную закрепляемую болтами деталь.
Фиг.5 представляет собой увеличенное изображение детали механически обработанной внешней поверхности нервюры крыла с удаленной деталью, закрепляемой болтами.
Фиг.6 представляет собой вид собранных нервюры крыла и обшивки крыла.
Фиг.7 представляет собой увеличенное изображение нервюры крыла и обшивки крыла, подробно показывающее двухэлементный башмак нервюры.
Осуществление изобретения
Фиг.1 изображает воздушное судно 1 с фюзеляжем 2 и парой крыльев, каждое из которых имеет конец 3 крыла. Каждое крыло имеет пару лонжеронов (не показаны), прикрепленных к фюзеляжу и проходящих по размаху крыла. Двадцать четыре нервюры (не показаны) проходят по хорде. На заднем крае каждого крыла установлены закрылки 4. Закрылки удерживаются четырьмя креплениями закрылков (не показаны), каждое из которых прикреплено к соответствующей нервюре. Каждое крыло несет пару двигателей 5, и каждый двигатель соединен с помощью опорной конструкции (не показана) с соответствующей нервюрой.
Фиг.2 показывает механически обработанную внешнюю поверхность одной из нервюр 10, при этом передний и задний край нервюры не показаны. Нервюра 10 механически изготовлена из алюминиевой заготовки с образованием ряда вертикальных элементов 11 жесткости; нижнего ребра 12 балки и верхнего ребра 13 балки; и горизонтальных элементов 14 жесткости. Для размещения труб топливной системы формируются отверстия 15 топливной системы. Для уменьшения веса нервюры во внутренних соединительных стенках нервюры формируются отверстия 16. Крепление 17 направляющей закрылка формируется с вертикальными элементами 18 жесткости.
И верхний, и нижний край нервюры 10 несут ряд неотделимых башмаков 19 нервюры, расположенных по линии вдоль нервюры. Верхний край нервюры несет также двухэлементный башмак 20 нервюры в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, расположенный по одной линии с неотделимыми башмаками нервюры. Башмаки 19 и 20 нервюры передают нагрузку между основой нервюры и обшивкой крыла.
Фиг.3 подробно изображает двухэлементный башмак 20 нервюры и соседний неотделимый башмак 19 нервюры. Фиг.3 изображает сторону нервюры, противоположную той стороне, которая показана на фиг.2. Фиг.3 также изображает задний край 21 нервюры 10, который крепится к заднему лонжерону крыла (не показан).
Неотделимый башмак 19 нервюры изготавливается из той же алюминиевой заготовки, что и остальная часть нервюры, и содержит кронштейн 22, отходящий от верхнего края нервюры, первый фланец 23а, расположенный на кронштейне на первой стороне нервюры, и второй фланец 23b, расположенный на кронштейне на второй стороне нервюры. Фланцы 23а, 23b выполнены с парой болтовых отверстий 24а, 24b на одном конце и с парой болтовых отверстий 25а, 25b на другом конце. Неотделимый башмак 19 нервюры отделен от соседних башмаков нервюры парой U-образных выемок 26. Таким образом, башмаки нервюры при рассмотрении с левой стороны или с правой стороны нервюры имеют вид зубцов.
Двухэлементный башмак 20 нервюры содержит отдельную закрепляемую болтами деталь 30, подробно показанную на фиг.4, и выполненную неотделяемой деталь 40, подробно показанную на фиг.5.
Обращаясь к фиг.4, можно отметить, что закрепляемая болтами деталь 30 содержит вертикальную пластину 31 с десятью болтовыми отверстиями 32. Пластина 31 выполнена с углублением 33 с тем, чтобы обеспечить пространство для отверстия 16, как это показано на фиг.3. Пластина 31 крепится к нервюре 10 с помощью болтов (не показаны), проходящих через болтовые отверстия 34 в нервюре (болтовые отверстия 34 показаны на фиг.5).
Кронштейн 35 отходит от верхнего края пластины 31. При рассмотрении сбоку кронштейн 35 имеет относительно широкое основание, примыкающее к пластине 31, относительно узкий дальний конец, вертикальный край 36 и треугольный усиливающий участок с изогнутым под углом краем 37. Дальний конец кронштейна 35 несет первый фланец 38а на первой стороне пластины и второй фланец 38b на противоположной стороне пластины. Фланцы 38а, 38b имеют болтовые отверстия 39а, 39b соответственно.
Выполненная неотделяемой деталь 40, показанная на фиг.5, изготавливается из той же алюминиевой заготовки, что и остальная часть нервюры, и содержит выступающий кронштейн 41, отходящий от верхнего края нервюры. Кронштейн 40 несет первый фланец 42а на первой стороне нервюры и второй фланец 42b на противоположной стороне нервюры. Фланцы 42а, 42b имеют болтовые отверстия 43а, 43b соответственно. Кронштейн 41 имеет вертикальный край 44 и усиливающий участок с изогнутым под углом краем 45.
Фиг.6 представляет собой вид нервюры 10, прикрепленной к обшивке 50 крыла. Обшивка 50 крыла имеет наружную поверхность (на фиг.6 не видна), образующую аэродинамическую наружную поверхность крыла, и внутреннюю поверхность 51, несущую ряд стрингеров, проходящих по размаху крыла вдоль крыла. В поперечном сечении стрингеры имеют Т-образную форму с ножкой 52 буквы "Т", проходящей во внутреннюю часть крыла и лежащей в U-образной выемке 26 между двумя башмаками нервюры, и поперечными частями 53 буквы "Т", лежащими параллельно внутренней поверхности 51 обшивки 50. Фиг.7 подробно показывает двухэлементный башмак нервюры и два соседних стрингера. Как показано на фиг.7, поперечные части 53 стрингера имеют параллельные стороны между нервюрами, но по мере их приближения к нервюре они скашиваются наружу с образованием широких участков 54. Болты (не показаны) проходят через башмаки нервюры, пластины 55, широкие участки 54 поперечных частей 53 стрингеров и через обшивку 50. В проиллюстрированном варианте осуществления обшивка 50 крыла выполнена из композитного материала, такого как пластик, армированный углеродными волокнами. Аналогичным образом и стрингеры выполняются из композитного материала, такого как пластик, армированный углеродными волокнами.
Обращаясь к фиг.6, можно отметить, что передний и задний края 21, 60 нервюры соответственно прикреплены к переднему и заднему лонжеронам (не показаны). Крепление 70 направляющей закрылка закреплено на нервюре посредством болтов (не показаны), проходящих через болтовые отверстия 71. Пара лапок (не показаны) прикрепляется болтами на одной стороне к креплению 17 направляющей закрылка, а на другой стороне - к закрепленному болтами креплению 70 направляющей закрылка. Вес закрылков передается на крепления 17, 70 направляющих закрылка через лапки. Как видно из фиг.6, между креплениями 17, 70 направляющих закрылка и лонжероном, присоединенным к переднему краю 21 нервюры, имеется только четыре башмака нервюры. Эти башмаки нервюры несут большие нагрузки, особенно последний перед лонжероном башмак нервюры. В случае поломки одного из башмаков нервюры нагрузка передается на соседние башмаки нервюры. В зоне между креплениями направляющих закрылка и лонжероном, который присоединен к переднему краю 21 нервюры, эти передаваемые нагрузки могут оказаться чрезмерными в случае, если сломается весь башмак нервюры (то есть башмак, который несет четыре болта). Эта проблема становится особенно острой в композитном крыле, поскольку обшивка крыла из композитного материала по сравнению с обычной алюминиевой обшивкой крыла имеет меньшую несущую способность, таким образом, нагрузки сосредотачиваются в изолированных участках обшивки крыла, что может привести к конструктивным проблемам. Для решения этой проблемы, как это будет более подробно описано ниже, двухэлементный башмак 20 нервюры конструируется так, что в случае поломки теряется только два болта, а не четыре.
Для этого в случае распространения горизонтальной трещины через кронштейн 22 неотделяемого башмака 19 нервюры будет разрушаться весь башмак 19 нервюры. Однако распространение трещины на соседние башмаки нервюры будет предотвращаться посредством U-образных выемок 26 (см. фиг.3). В отличие от этого в случае двухэлементного башмака 20 нервюры горизонтальная трещина через кронштейн 35 отдельной закрепляемой болтами детали 30 не будет распространяться дальше к кронштейну 41 соседней детали 40, и наоборот. Это связано с отсутствием соединения между кронштейнами 35, 41 над верхней балкой 13 (хотя кронштейны в этой зоне находятся и в контакте друг с другом). Благодаря этому поломка детали 30 не будет приводить к поломке детали 40, и наоборот. Это ведет к тому, что нагрузки на остальные два болта неповрежденного участка башмака нервюры, а также на болты на соседних соединительных элементах будут допустимыми.
Формирование детали 30 в виде отдельного соединительного элемента (вместо ее формирования как одного целого с соседним соединительным элементом 40) дает возможность присоединять ее к основе нервюры рядом с соединительным элементом 40, в то же время уменьшая или исключая возможность распространения трещины между ними.
Двухэлементный башмак 20 нервюры рассчитан на поломку симметричным образом. То есть, если выходит из строя либо деталь 30, либо деталь 40, то у оставшейся части имеется два болта, расположенных симметрично относительно переднезадней оси нервюры. В этом заключается отличие от альтернативной несимметричной конструкции, в которой два болта на одной стороне нервюры несет закрепляемая болтами деталь, а два болта на другой стороне нервюры несет выполненная неотделяемой деталь. Отказ одной детали в этой альтернативной несимметричной конструкции будет приводить к тому, что болты останутся только на одной стороне нервюры. Эта нецентральность будет приводить к возникновению момента относительно нервюры и последующей нагрузке вдоль размаха в обшивке крыла из композитного материала, которая может превысить несущую способность обшивки крыла. В отличие от этого в случае двухэлементного башмака 20 нервюры поломка одной детали будет приводить к тому, что остальные несущие болты на обеих сторонах линии башмаков нервюры будут сохраняться, и, следовательно, к тому, что нагрузка, хотя и возросшая, будет приложена симметрично, и момент относительно нервюры будет небольшим или нулевым.
Еще одна проблема, связанная с обшивками крыла из композитного материала, заключается в том, что алюминиевые башмаки нервюры, к которым обшивки крепятся, имеют коэффициент теплового расширения, который отличается от коэффициента теплового расширения обшивки крыла из композитного материала. Это приводит к неравномерному расширению, что создает дополнительную нагрузку на соединения. Симметричный характер двухэлементного башмака 20 нервюры означает не только то, что в случае поломки такие нагрузки равномерно распределяются по обеим сторонам линии башмаков нервюры, но также уменьшение степени неравномерного теплового расширения по хорде, поскольку фланцы 38, 42 разделены промежутком 61 (наиболее четко показанным на фиг.7) и имеют меньший размер, нежели неотделяемые фланцы 23а, 23b, при измерении в направлении по хорде.
Фиг.7 изображает треугольный усиливающий участок кронштейна 41 (с изогнутым под углом краем 45), а также показывает то, каким образом усиливающий участок перекрывает примыкающий кронштейн 35 при рассмотрении с подвергнутой механической обработке стороны нервюры. Усиливающий участок увеличивает жесткость на изгиб кронштейна 41, а перекрытие обеспечивает компактную компоновку. Аналогичным образом усиливающий участок кронштейна 35 перекрывает другой кронштейн 41, как это наиболее четко показано на фиг.3. Треугольная форма усиливающего участка обеспечивает высокую жесткость на изгиб наряду с относительно небольшим весом.
Несмотря на то что изобретение было описано выше со ссылкой на один или большее количество вариантов осуществления, следует понимать, что без выхода из объема охраны изобретения, определенного в прилагаемых пунктах формулы изобретения, возможна реализация различных изменений и модификаций.
1. Способ изготовления конструктивного элемента воздушного судна, состоящий в том, что обеспечивают основу с двумя или большим количеством соединительных элементов, расположенных по линии на основе, причем каждый соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, первый фланец, расположенный с первой стороны линии, и второй фланец, расположенный со второй стороны линии; и присоединяют отдельный соединительный элемент к основе, причем отдельный соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, первый фланец, расположенный с первой стороны линии, и второй фланец, расположенный со второй стороны линии, при этом обеспечивают перекрытие кронштейном отдельного соединительного элемента кронштейна соседнего соединительного элемента на виде с боковой стороны линии.
2. Способ изготовления конструкции воздушного судна, состоящий в том, что изготавливают конструктивный элемент воздушного судна посредством способа, охарактеризованного в п.1; и прикрепляют конструктивный элемент к покрытию путем пропускания крепежных элементов через фланцы соединительных элементов и через покрытие, при этом покрытие имеет аэродинамическую наружную поверхность.
3. Конструктивный элемент воздушного судна, содержащий основу и ряд соединительных элементов, расположенных по линии на основе, причем каждый соединительный элемент имеет кронштейн, отходящий от основы, первый фланец, расположенный с первой стороны линии, и второй фланец, расположенный со второй стороны линии, при этом по меньшей мере один из соединительных элементов является отдельным соединительным элементом, присоединенным к основе, а кронштейн отдельного соединительного элемента перекрывает кронштейн соседнего соединительного элемента на виде с боковой стороны линии.
4. Конструктивный элемент по п.3, отличающийся тем, что кронштейн отдельного соединительного элемента и/или кронштейн соседнего соединительного элемента имеет усиливающий участок, который перекрывает другой кронштейн на виде с боковой стороны линии.
5. Конструктивный элемент по п.4, отличающийся тем, что усиливающий участок имеет изогнутый под углом край.
6. Конструктивный элемент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что кронштейн отдельного соединительного элемента имеет относительно широкое основание, примыкающее к основе, и относительно узкий дальний конец, который несет фланцы.
7. Конструктивный элемент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что конструктивный элемент воздушного судна образован нервюрой крыла, а соединительные элементы образованы башмаками нервюры.
8. Конструктивный элемент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что каждый фланец имеет одно или большее количество крепежных отверстий для приема крепежного элемента.
9. Конструктивный элемент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что отдельный соединительный элемент прикреплен к основе посредством двух или большего количества крепежных элементов, причем каждый крепежный элемент проходит через отдельный соединительный элемент и основу.
10. Конструктивный элемент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что по меньшей мере один из соединительных элементов выполнен как единое целое с основой.
11. Конструктивный элемент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что дополнительно содержит усиливающий элемент, проходящий вдоль основы рядом с соединительными элементами.
12. Конструктивный элемент по п.11, отличающийся тем, что отдельный соединительный элемент прикреплен к основе на противоположной стороне от усиливающего элемента.
13. Конструкция воздушного судна, содержащая конструктивный элемент, охарактеризованный в любом из пп.3-12, и покрытие, прикрепленное к соединительным элементам, причем покрытие обладает аэродинамической наружной поверхностью.
14. Конструкция по п.13, отличающаяся тем, что покрытие имеет внутреннюю поверхность, несущую множество усиливающих элементов, причем каждый усиливающий элемент помещен в выемке между парой соединительных элементов.
15. Конструкция по п.13 или 14, отличающаяся тем, что соединительные элементы и покрытие выполнены из различных материалов.
