Соединительный элемент
Изобретение относится к соединительному элементу для соединения конструктивных компонентов и касается центрального и бокового кессона крыла воздушного судна. Соединительный элемент (1) для соединения первого конструктивного компонента со вторым конструктивным компонентом содержит деталь и усиливающий элемент (12). Деталь выполнена из композиционного материала и содержит основание (2), торцевую стенку (3) и боковую стенку (4). Торцевая стенка (3) образует с основанием (2) первый угол. Боковая стенка (4) образует с торцевой стенкой (3) второй угол, а с основанием (2) - третий угол. Усиливающий элемент (12) имеет форму, обеспечивающую его установку в композиционную деталь и сопряжение с торцевой стенкой (3). Усиливающий элемент сопряжен с первым и вторым углами. Углы композиционной детали закруглены и сопряжены с закругленной кромкой усиливающего элемента (12). Радиус закругления внутреннего слоя угла (45) композиционной детали равен радиусу закругления кромки (45') усиливающего элемента (12). Иным вариантом границы сопряжения является введение наполнителя в зазор между композиционной деталью и усиливающим элементом (12). При присоединении конструктивных компонентов при помощи соединительного элемента (1) основание (2) каждого соединительного элемента (1) соединено с первым конструктивным компонентом (центральным кессоном крыла), а торцевая стенка (3) соединена со вторым (боковой кессон крыла). Достигается требуемая прочность соединительного элемента из композиционного материала без увеличения толщины. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к соединительному элементу для соединения первого конструктивного компонента, такого как центральный кессон крыла, со вторым конструктивным компонентом, таким как боковой кессон крыла.
Уровень техники
На фиг.1 показан обычный натяжной угловой соединительный элемент для соединения бокового кессона крыла с центральным кессоном крыла. Соединительный элемент содержит основание, торцевую стенку, которая образует с основанием первый угол, боковую стенку, которая образует с основанием второй угол, и торцевую стенку, которая образует с основанием третий угол. Основание и боковую стенку крепят болтами к одному из кессонов, а торцевую стенку крепят болтами к другому кессону.
Такие соединительные элементы обычно изготавливают из металлического материала. Было бы желательно изготавливать соединительные элементы такого типа из композиционного материала, особенно в том случае, когда центральный кессон крыла и/или боковой кессон крыла также изготовлены из композиционного материала. Это позволит устранить электрохимическую коррозию и дифференциальное тепловое расширение деталей, вызванные различием материалов. Однако ввиду того, что свойства композиционных материалов отличаются от свойств металлов, становится сложным изготовление соединительного элемента требуемой прочности без увеличения толщины его стенок до неприемлемых значений. В частности, было бы желательно увеличить толщину торцевой стенки по сравнению с основанием и боковой стенкой для того, чтобы свести к минимуму изгиб торцевой стенки, и увеличить толщину углов для того, чтобы свести к минимуму вероятность разрушения в углах в направлении толщины материала. Такое изменение толщины создает сложности при изготовлении элемента из композиционного материала, особенно из слоистого материала.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения предусматривает соединительный элемент для соединения первого конструктивного компонента со вторым конструктивным компонентом, содержащий композиционную деталь, выполненную из двух или более слоев композиционного материала и содержащую основание, торцевую стенку, которая образует с основанием первый угол, и боковую стенку, которая образует с торцевой стенкой второй угол, а с основанием - третий угол, а также усиливающий элемент, который имеет форму, обеспечивающую его установку в композиционную деталь и сопряжение с торцевой стенкой композиционной детали, первым углом композиционной детали и вторым углом композиционной детали.
Усиливающий элемент предусматривает альтернативное средство повышения прочности торцевой стенки соединительного элемента, устраняя необходимость изготавливать композиционную деталь переменной толщины. Это значительно облегчает достижение оптимальной конфигурации. Для обеспечения дополнительной жесткости и противодействия расслаиванию в углах композиционной детали усиливающий элемент также сопрягается, по меньшей мере, с первым и вторым углами.
Обычно композиционная деталь дополнительно включает в себя вторую боковую стенку, которая образует с основанием четвертый угол и с торцевой стенкой - пятый угол; при этом усиливающий элемент имеет форму, обеспечивающую его установку в композиционную деталь и сопряжение с пятым углом композиционной детали. Эту вторую боковую стенку можно соединить с используемым конструктивным компонентом (например, там, где соединительный элемент представляет собой угловой соединительный элемент), или можно использовать только для повышения жесткости (например, там, где соединительный элемент представляет собой канальный соединительный элемент или часть профильного соединительного элемента).
Обычно композиционная деталь дополнительно включает в себя верхнюю стенку, которая образует угол с боковой стенкой и с торцевой стенкой; при этом усиливающий элемент имеет форму, обеспечивающую его установку в композиционную деталь и сопряжение с углом композиционной детали между торцевой стенкой и верхней стенкой. Там, где композиционная деталь имеет две боковые стенки, верхняя стенка обычно примыкает к обеим боковым стенкам с образованием соответствующих углов.
Кромка верхней стенки, расположенная напротив торцевой стенки, может быть выполнена с выемкой с целью снижения веса и/или обеспечения легкого доступа к усиливающему элементу.
Обычно по меньшей мере одна из боковых стенок композиционной детали имеет кромку, наклоненную к основанию под острым углом, с целью снижения веса и/или обеспечения легкого доступа к усиливающему элементу.
Основание и торцевая стенка композиционной детали могут быть соединены с первым и вторым конструктивными компонентами (при использовании в узле) любыми способами, такими как совместное склеивание, совместное отверждение, соединение при помощи слоя связующего вещества или крепежного элемента, например болта. Там где используют крепежный элемент, он может быть металлическим или может быть выполнен из композиционного материала. Предпочтительно, чтобы в основании и торцевой стенке (и, в качестве варианта, также в боковой стенке) композиционной детали было выполнено одно или несколько отверстий для приема крепежного элемента. В качестве варианта, в усиливающем элементе также может быть выполнено одно или несколько отверстий для приема крепежного элемента.
Усиливающий элемент обычно выполняют из материала, отличного от материала композиционной детали, чаще всего из некомпозиционного материала, например из металла.
Один или несколько углов могут быть снабжены вкладышем, который фиксируют на месте с помощью шайбы. В этом случае вкладыш может иметь плоскую поверхность, которая сопрягается с плоской поверхностью шайбы. В качестве альтернативы, по меньшей мере один из углов композиционной детали может быть закруглен и сопряжен с закругленной кромкой усиливающего элемента.
Дальнейший аспект изобретения предусматривает узел, включающий в себя первый конструктивный компонент, второй конструктивный компонент и один или несколько соединительных элементов по первому аспекту изобретения, причем основание каждого соединительного элемента соединено с первым конструктивным компонентом, а торцевая стенка каждого соединительного элемента соединена со вторым конструктивным компонентом.
Узел можно использовать в разнообразных областях применения, включая, например, автомобилестроение или судостроение. Однако узел особенно хорошо подходит для применения в авиакосмической отрасли. Например, первый конструктивный компонент может представлять собой деталь центрального кессона крыла воздушного судна, а второй конструктивный компонент может представлять собой деталь бокового кессона крыла воздушного судна.
Дальнейший аспект изобретения предусматривает способ изготовления соединительного элемента по первому аспекту изобретения. Способ включает в себя установку усиливающего элемента в композиционную деталь таким образом, что он сопрягается с торцевой стенкой композиционной детали, с первым углом композиционной детали и со вторым углом композиционной детали.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно включал в себя формование композиционной детали в контакте с усиливающим элементом, для того чтобы обеспечить плотный контакт между деталями.
Краткое описание чертежей
Далее в тексте будет представлено подробное объяснение изобретения со ссылкой на примерный вариант осуществления, проиллюстрированный на чертежах.
Фиг.1 показывает вид в перспективе обычного углового соединительного элемента;
Фиг.2 показывает вид в перспективе углового соединительного элемента, представляющего первый вариант осуществления изобретения;
Фиг.3 показывает продольный разрез, сделанный через центр соединительного элемента по фиг.2;
Фиг.4a показывает поперечный разрез соединительного элемента по фиг.2;
Фиг.4b показывает поперечный разрез соединительного элемента по фиг.2 со снятой шайбой;
Фиг.5 показывает продольный разрез, на котором в деталях виден один угол соединительного элемента по фиг.1;
Фиг.5a показывает продольный разрез, на котором виден первый вариант профиля угла соединительного элемента;
Фиг.5b показывает продольный разрез, на котором виден второй вариант профиля угла соединительного элемента;
Фиг.6 схематически показывает разрез, на котором видна задняя часть корневого стыка крыла воздушного судна;
Фиг.7 схематически показывает разрез, на котором видна центральная часть корневого стыка по фиг.6; и
Фиг.8 показывает вид в перспективе профильного соединительного элемента, составляющего второй вариант осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Согласно фигурам 2-4b угловой соединительный элемент 1 включает в себя композиционную деталь, состоящую из основания 2, торцевой стенки 3, левой боковой стенки 4, правой боковой стенки 5 и верхней стенки 6, которые образуют восемь углов 40-47.
Композиционную деталь соединительного элемента 1 изготавливают из композиционного материала с использованием предварительно пропитанной ленты или полотна, тканой материи, или негофрированной ткани, 3-мерных тканых заготовок, или с помощью методики формования коротких или длинных волокон, или укладки сухих волокон. Армирующие волокна могут представлять собой, например, углеродные волокна, а матрица композиционного материала может быть термоотверждающейся или термопластичной.
В случае использования 3-мерной тканой заготовки, заготовку (сплетенную в нужную форму) помещают в полость пресс-формы и сдавливают с помощью набора оправок для придания детали окончательной формы. После этапа формования в заготовку нагнетают материал матрицы. В случае использования термоотверждающейся матрицы, ее отверждение происходит во время формования путем нагревания до температуры, превышающей температуру отверждения.
В случае использования 2-мерной ткани, плоскую ткань разрезают и складывают, придавая ей нужную форму. После этого ткань помещают в полость пресс-формы и сдавливают с помощью набора оправок для придания детали окончательной формы. После этапа формования в ткань также нагнетают материал матрицы. В случае использования термоотверждающейся матрицы, ее отверждение происходит во время формования путем нагревания до температуры, превышающей температуру отверждения.
В случае использования методики формования коротких или длинных волокон, порцию материала матрицы, содержащего хаотично ориентированные короткие волокна, помещают в полость пресс-формы, нагревают и сдавливают для придания порции материала нужной формы.
В основании 2 и в левой боковой стенке 4 имеются по четыре болтовых отверстия 7, 8, которые расположены вдоль центральных линий. В задней стенке 3 имеется одно болтовое отверстие, расположенное в центре. Обращаем внимание на то, что количество болтовых отверстий в соединительном элементе может меняться в зависимости от его конфигурации.
В правой боковой стенке 5 нет болтовых отверстий, и эта стенка предусмотрена лишь с целью усиления. В частности, она повышает способность соединительного элемента выдерживать нагрузки, действующие поперек основания 2. Правую боковую стенку 5 срезают для уменьшения веса, оставляя лишь наклонную кромку 10.
В верхней стенке 6 также нет болтовых отверстий, и эта стенка предусмотрена лишь с целью усиления. В частности, она повышает способность соединительного элемента выдерживать нагрузки, действующие поперек боковых стенок 4, 5. Верхнюю стенку 6 срезают для уменьшения веса, оставляя лишь вогнутую кромку 11.
Правую боковую стенку 5 и верхнюю стенку 6 срезают в достаточной степени, чтобы обеспечить доступ к болтам и гайкам и уменьшить до минимума концентрацию напряжений.
Распорную шайбу 12 с болтовым отверстием, проходящим через ее центр, вставляют с плотной посадкой в углубление, которое четыре стенки 3-6 композиционной детали образуют в сочетании с основанием 2. Как показано на фиг.3, шайба 12 имеет торцевую поверхность, которая сопрягается с торцевой стенкой 3; нижнюю поверхность, которая сопрягается с основанием 2; и верхнюю поверхность, которая сопрягается с верхней стенкой 6. Как показано на фиг.4a, шайба 12 имеет также левую боковую поверхность, которая сопрягается с левой боковой стенкой 4, и правую боковую поверхность, которая сопрягается с правой боковой стенкой 5. Шайба имеет восемь закругленных кромок, две из которых не показаны и шесть из которых отмечены цифрами 40'-45' на фигурах 3 и 4a. Восемь закругленных кромок шайбы сопрягаются с восемью закругленными углами 40-47 композиционной детали, как показано на фигурах 3 и 4a. Распорная шайба 12 может представлять собой предварительно обработанную алюминиевую, титановую или стальную деталь.
На фиг.5 показана граница сопряжения между одним углом 45 композиционной детали и кромкой 45' шайбы 12. Границы сопряжения в других семи углах выглядят аналогичным образом. Композиционная деталь выполнена из нескольких слоев. На фиг.5 показана деталь, выполненная из шести слоев, но на практике число слоев может быть большим или меньшим. Все слои изгибаются вокруг угла 45, причем центры радиусов закругления находятся в общей точке. Радиус закругления внутреннего слоя в угле детали обычно больше 1 мм и, как правило, составляет порядка 5 мм. Радиус закругления каждого слоя может быть постоянным, что дает круглую конфигурацию, или может меняться, что дает, например, эллиптическую конфигурацию.
При одном из видов разрушения соединительного элемента торцевая стенка изгибается, вследствие чего углы раскрываются. Это может привести к расслаиванию в углах, в результате чего возникает опасность разрушения по толщине. Шайба 12 имеет торцевую поверхность, которая сопрягается с торцевой стенкой 3 и тем самым препятствует изгибанию торцевой стенки 3. Радиус закругления кромки 45' шайбы 12 равен радиусу закругления внутреннего слоя в углу 45. Поэтому между кромкой 45' и углом 45 имеет место плотный контакт, вследствие чего шайба 12 служит опорой для угла и уменьшает вероятность такого разрушения по толщине.
Шайбу 12 можно поместить в полость пресс-формы, чтобы во время формования она находилась в контакте с композиционной деталью, для того чтобы обеспечить плотную посадку и плотный контакт с композиционной деталью. В качестве альтернативы, плотного контакта можно достичь путем вклеивания шайбы на место с помощью заполнителя, проникающего в зазор между шайбой и композиционной деталью.
Первый вариант границы сопряжения показан на фиг.5a. В этом случае радиус закругления угла 45a и кромки 45' больше, чем на фиг.5, и шайба 12 не имеет плоской верхней поверхности, которая сопрягается с верхней стенкой 6.
Второй вариант границы сопряжения показан на фиг.5b. В этом случае шайба 12 имеет скошенную кромку 45b. Внутренний слой композиционной детали имеет в углу такую же форму, как и на фиг.5. Однако в этом случае в зазор между внутренним слоем и скошенной кромкой 45b' шайбы нагнетают наполнитель в виде материала матрицы 47.
На фиг.6 показан корневой стык крыла воздушного судна, включающий в себя шесть угловых соединительных элементов 1 по фиг.1. Крепежные элементы, соединяющие различные детали, не показаны. Показанный на фиг.6 корневой стык обеспечивает соединение центрального кессона 20 крыла с боковым кессоном 21 крыла. Центральный кессон 20 крыла включает в себя стенку 22 заднего лонжерона с двумя полками 22' заднего лонжерона, верхнюю панель 23 обшивки и нижнюю панель 24 обшивки. Боковой кессон 21 крыла включает в себя стенку 25 заднего лонжерона с двумя полками 25' заднего лонжерона, верхнюю панель 26 обшивки крыла и нижнюю панель 27 обшивки крыла. Нервюра 28 образует границу сопряжения центрального кессона 20 крыла и бокового кессона 21 крыла (или, что то же самое, нервюру 28 можно рассматривать как часть центрального кессона крыла или часть бокового кессона крыла).
На фиг.6 показаны шесть угловых соединительных элементов 1, при помощи которых кессоны крыла присоединяют к противоположным сторонам нервюры 28. Основание каждого углового соединительного элемента 1 крепят болтами к одной из панелей 23, 24, 26, 27 обшивки, пропуская болты через отверстия 7 в основании углового соединительного элемента и отверстия в одной из полок 22', 25' лонжерона. Кроме того, каждый соединительный элемент 1 крепят болтами к одной из стенок 22, 25 лонжерона, пропуская болты через отверстия 8 в боковой стенке 4, и к нервюре 28, пропуская болт через отверстие 9 в торцевой стенке 3. Кроме того, под нижними панелями 26, 27 обшивки крыла устанавливают накладную пластину 29.
Корневой стык имеет аналогичный набор угловых соединительных элементов в месте сопряжения передних лонжеронов кессонов крыла (не показано).
Разрез на фиг.6 показывает угловые соединительные элементы 1, которые предусмотрены в задней части корневого стыка. Между передним и задним концами корневого стыка предусмотрены также профильные соединительные элементы и канальные соединительные элементы. На фиг.7 показан разрез через середину корневого стыка. На фиг.7 видны два профильных соединительных элемента 30 и четыре канальных соединительных элемента 31.
Кроме того, на фиг.7 показаны стрингеры, проходящие по размаху крыла вдоль внутренней стороны панелей 23, 24, 26, 27 обшивки. Каждый стрингер имеет основание 35 и стенку 36. Основание 35 каждого стрингера крепят болтами к основанию соответствующего канального соединительного элемента 31 и к панели обшивки, а стенка 36 каждого стрингера проходит между двумя смежными канальными соединительными элементами.
На фиг.8 показан вид в перспективе одного из профильных соединительных элементов 30. Профильный соединительный элемент 30 состоит из ряда канальных соединительных элементов, которые соединены друг с другом смежными боковыми стенками и обмотаны скрепляющей лентой 33. Каждый канальный соединительный элемент включает в себя основание 34, левую 35 и правую 36 боковые стенки, торцевую стенку, которая не показана на фиг.8, и верхнюю стенку 37. В каждой торцевой стенке и в каждом основании имеются болтовые отверстия (не показаны на фиг.8), аналогичные отверстиям 7, 9, предусмотренным в угловых соединительных элементах по фигурам 1 и 2. Каждую левую 35 и правую 36 боковые стенки срезают, чтобы обеспечить наклонные кромки 38, 39. В каждый канальный соединительный элемент устанавливают распорную шайбу 50, в которой имеется болтовое отверстие (не показано), аналогичное болтовому отверстию 13, предусмотренному в угловых соединительных элементах по фигурам 1 и 2. Таким образом, каждый канальный соединительный элемент по форме аналогичен угловому соединительному элементу по фигурам 1 и 2 за тем исключением, что левая боковая стенка 36 срезана так же, как и правая боковая стенка 35.
Смежные канальные соединительные элементы в профильном соединительном элементе 30 соединяют друг с другом при помощи связующего вещества, и/или скрепляют болтами, и затем сборку надежно фиксируют с помощью скрепляющей ленты 33.
Как показано на фиг.7, основание 34 каждого канального соединительного элемента в профильном соединительном элементе 30 прикрепляют болтами к верхним панелям 23, 26 обшивки, а торцевую стенку прикрепляют болтом к нервюре 28.
Конструкция показанных на фиг.7 канальных соединительных элементов 31 аналогична конструкции тех канальных соединительных элементов, которые соединяют вместе для получения профильного соединительного элемента 30, за тем исключением, что канальные соединительные элементы 31 не соединяют с соседними канальными соединительными элементам и не фиксируют вместе с помощью скрепляющей ленты для получения профильного соединительного элемента. В остальном их конструкция и способ крепления идентичны.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано посредством одного или более предпочтительных вариантов осуществления изобретения, оно не ограничивается этим описанием, а предполагает изменение или модифицирование самыми различными способами без отхода от содержания изобретения согласно пунктам прилагаемой формулы изобретения.
1. Соединительный элемент для соединения первого конструктивного компонента со вторым конструктивным компонентом, содержащий деталь, имеющую основание, торцевую стенку, которая образует с основанием первый угол, и первую боковую стенку, которая образует с торцевой стенкой второй угол, а с основанием - третий угол; а также усиливающий элемент, который имеет форму, обеспечивающую его установку в деталь и сопряжение с торцевой стенкой детали, отличающийся тем, что деталь представляет собой композиционную деталь, выполненную из двух или более слоев композиционного материала, а усиливающий элемент имеет форму, обеспечивающую его сопряжение с первым углом композиционной детали и вторым углом композиционной детали, причем по меньшей мере один из углов композиционной детали закруглен и сопряжен с закругленной кромкой усиливающего элемента, и радиус закругления внутреннего слоя угла композиционной детали равен радиусу закругления кромки усиливающего элемента.
2. Соединительный элемент по п.1, отличающийся тем, что композиционная деталь дополнительно содержит вторую боковую стенку, которая образует с основанием четвертый угол, а с торцевой стенкой - пятый угол, при этом усиливающий элемент имеет форму, обеспечивающую его установку в композиционную деталь и сопряжение с пятым углом композиционной детали.
3. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что композиционная деталь дополнительно содержит верхнюю стенку, которая образует с торцевой стенкой угол, при этом усиливающий элемент имеет форму, обеспечивающую его установку в композиционную деталь и сопряжение с указанным углом композиционной детали, образованным между торцевой стенкой и верхней стенкой.
4. Соединительный элемент по п.3, отличающийся тем, что кромка верхней стенки, расположенная напротив торцевой стенки, выполнена с выемкой.
5. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из боковых стенок композиционной детали имеет кромку, наклоненную к основанию под острым углом.
6. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что основание и торцевая стенка композиционной детали имеют одно или более отверстий для приема крепежного элемента.
7. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что усиливающий элемент имеет одно или более отверстий для приема крепежного элемента.
8. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что усиливающий элемент выполнен из материала, отличного от материала композиционной детали.
9. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что усиливающий элемент выполнен из некомпозиционного материала.
10. Соединительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что усиливающий элемент выполнен из металла.
11. Соединительный элемент для соединения первого конструктивного компонента со вторым конструктивным компонентом, содержащий деталь, имеющую основание, торцевую стенку, которая образует с основанием первый угол, и боковую стенку, которая образует с торцевой стенкой второй угол, а с основанием - третий угол; а также усиливающий элемент, который имеет форму, обеспечивающую его установку в деталь и сопряжение с торцевой стенкой детали, отличающийся тем, что деталь представляет собой композиционную деталь, выполненную из двух или более слоев композиционного материала, а усиливающий элемент имеет форму, обеспечивающую его сопряжение с первым углом композиционной детали и вторым углом композиционной детали, причем в один или более углов композиционной детали введен наполнитель для обеспечения сопряжения с усиливающим элементом.
12. Способ изготовления соединительного элемента, охарактеризованного по любому из предшествующих пунктов, в котором устанавливают усиливающий элемент в композиционную деталь с обеспечением его сопряжения с торцевой стенкой композиционной детали, с первым углом композиционной детали и со вторым углом композиционной детали.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя формование композиционной детали в контакте с усиливающим элементом.
14. Узел, включающий в себя первый конструктивный компонент, второй конструктивный компонент и один или более соединительных элементов, охарактеризованных по любому из предшествующих пунктов, причем основание каждого соединительного элемента соединено с первым конструктивным компонентом, а торцевая стенка каждого соединительного элемента соединена со вторым конструктивным компонентом.
15. Узел по п.14, отличающийся тем, что первый конструктивный компонент представляет собой деталь центрального кессона крыла воздушного судна, а второй конструктивный компонент представляет собой деталь бокового кессона крыла воздушного судна.
16. Воздушное судно, включающее в себя узел, охарактеризованный по п.14 или 15.
