Силовой шпангоут летательного аппарата, изготовленный из композитного материала
Изобретения относятся к вариантам выполнения силового шпангоута летательного аппарата. Силовой шпангоут летательного аппарата изготовлен из композитного материала и содержит два боковых элемента и базовый элемент. Боковые элементы соединены на внутренней части шпангоута посредством базового элемента. Каждый из боковых элементов содержит полку, соединяющую шпангоут с обшивкой фюзеляжа летательного аппарата, стенку (5) и внутренний фланец (6), соединяющий стенку (5) и базовый элемент. Шпангоут вместе с обшивкой образуют кессонную конструкцию, а стенка образует с полкой угол, по меньшей мере, 90°. По первому варианту боковые элементы и базовый элемент шпангоута имеют переменные толщины и сечения. По второму варианту шпангоут выполнен с возможностью содержать фитинг (8), соединенный со стенкой. Достигается уменьшение веса шпангоута. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область использования изобретения
Настоящее изобретение относится к силовому шпангоуту летательного аппарата, изготовленному из композитного материала.
Предпосылки к созданию изобретения
В дополнение к обеспечению прочности и жесткости фюзеляжа летательного аппарата, силовые шпангоуты являются конструктивными элементами, ответственными за выдерживание и передачу нагрузок от других конструктивных элементов летательного аппарата, например крыльев или стабилизаторов.
Эти силовые шпангоуты обычно являются металлическими и имеют различные сечения, среди которых наиболее распространенными являются C-образное, I-образное и J-образное сечения; и из этих шпангоутов образуют каркас, используя процессы механической обработки, посредством которых стабилизируют центр шпангоута.
Отношение прочности к весу является сегодня очень важным параметром в авиастроительной промышленности, и по этой причине шпангоуты, изготовленные из композитных материалов или оптимизированные путем применения композитных материалов, в основном из углеродных волокон, используют вместо металлических шпангоутов.
В настоящее время известны формообразующие шпангоуты из углеродного волокна, но не силовые, так как очень сложно конкурировать с механически обработанным металлическим шпангоутом потому, что из-за высоких требований, предъявляемых к стойкости упомянутых шпангоутов, они нуждаются в каркасе из элементов жесткости в виде ребер для стабилизации шпангоута, что сильно усложняет процесс его изготовления из углеродного волокна.
Объектом настоящего изобретения является силовой шпангоут летательного аппарата, изготовленного из композитного материала.
Краткое описание изобретения
Настоящим изобретением предложен силовой шпангоут летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, с геометрией, обеспечивающей распределение нагрузок, оптимизируя современную конструкцию металлических силовых шпангоутов в том, что касается веса.
В изобретении, таким образом, раскрыт шпангоут для летательного аппарата, содержащий три элемента: два боковых элемента, образующих полки, стенки и внутренние фланцы шпангоута, и базовый элемент, соединяющий два ранее упомянутых боковых элемента.
В полках и внутренних фланцах шпангоута преобладают армирующие элементы из однонаправленных волокон, так же как и в базовом элементе, соединяющем боковые элементы, тогда как стенки шпангоута образованы из разнонаправленных волокон, с преобладанием волокон под ±45°, принимая во внимание, что 0° - направление вдоль окружности шпангоута, для предотвращения их продольного изгиба и для их оптимизации.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятными из последующего подробного описания, иллюстрирующего объект изобретения, с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена C-образная форма поперечного сечения L-образного элемента жесткости металлического шпангоута, известного в данной области техники;
на фиг.2 - I-образная форма поперечного сечения металлического шпангоута, известного в данной области техники;
на фиг.3 - J-образная форма поперечного сечения металлического шпангоута, известного в данной области техники;
на фиг.4a, 4b, 4c и 4d - схема этапов процесса изготовления шпангоута с элементом жесткости, изготовленным из композитного материала согласно процессу, известному в данной области техники;
на фиг.5a, 5b, 5c и 5d - силовой шпангоут, изготовленный из композитного материала, и схема этапов процесса его изготовления согласно первому варианту исполнения изобретения;
на фиг.6a, 6b, 6c и 6d - силовой шпангоут, изготовленный из композитного материала, и схема этапов процесса его изготовления согласно второму варианту исполнения изобретения;
на фиг.7 - общий вид силового шпангоута согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Согласно первому варианту исполнения изобретения предложен шпангоут 1 с П-образной формой сечения, содержащий три элемента: два боковых элемента 2 и 3 и базовый элемент 7, соединяющий внутренние фланцы ранее упомянутых боковых элементов 2, 3 шпангоута. Каждый из боковых элементов 2, 3 дополнительно содержит следующие части: полку 4 для соединения шпангоута 1 с обшивкой фюзеляжа летательного аппарата; стенку 5, являющуюся тонкой частью, которая в некоторых случаях, в зависимости от функции, которую должен выполнять шпангоут, образует угол, равный 90°, с полкой 4, причем она может образовывать любой другой угол; и внутренний фланец 6, соединяющий стенку 5 и базовый элемент 7.
Полка 4, внутренний фланец 6 и стенка 5 шпангоута 1 образованы из слоев композитного материала, расположенных под 0°, ±45° и 90°.
Композитный материал может быть изготовлен из углеродного волокна или стекловолокна с термореактивной или термопластичной смолой.
Армирующие элементы 20, 21 из однонаправленных волокон являются преобладающими как в полке 4, так и во внутреннем фланце 6, под 0°; изготовлены из одного и того же материала или из совместимого материала, уложенного в продольном направлении непрерывно вдоль всего шпангоута 1. Материал армирующих элементов 20, 21 обладает высоким модулем упругости, так что он придает полке 4 и внутреннему фланцу 6 высокую прочность и высокую жесткость.
Стенка 6 шпангоута 1 может также содержать армирующие элементы 22, изготовленные из того же самого материала или из совместимого материала, в любом направлении. Армирующие элементы 22 стенки 5 шпангоута 1 могут быть непрерывными вдоль всего шпангоута или они могут быть локальными, в зависимости от требований, предъявляемых к шпангоуту 1. Это означает, что стенка 5 может, таким образом, выдерживать значительно большие нагрузки, чем если бы она была изготовлена исключительно из ткани под ±45°.
Базовый элемент 7 шпангоута 1 образован из слоев однонаправленной ленты, уложенной слоями с различной ориентацией, с большой долей таких лент в продольном направлении (0°). Базовый элемент 7, таким образом, обладает высоким модулем упругости в продольном направлении как результат наличия большой доли волокон в упомянутом направлении, которые проходят непрерывно вдоль всего шпангоута 1.
Один из возможных процессов изготовления базового элемента 7 заключается в автоматической укладке ленты (АУСЛ). Этот базовый элемент 7 может быть приклепан, приклеен или пришит к внутренним фланцам 5 шпангоута 1, и таким образом может быть получено закрытое сечение упомянутого шпангоута 1. Толщины и сечения боковых элементов 2, 3 и базового элемента 7 являются переменными.
В дополнение к преимуществам закрытого сечения, получаемого в результате того, что внутренние фланцы обращены наружу, использование шпангоута 1 с П-образной формой сечения, предложенного в изобретении, также способствует упрощению последующего монтажа систем и креплению электропроводки летательного аппарата.
К шпангоуту 1 согласно изобретению во многих случаях нагрузки прикладывают локально через фитинги 8, присоединенные к стенкам 5 шпангоута 1. Шпангоут 1 вместе с обшивкой образует кессонную конструкцию, и, таким образом, сборка обладает высокой жесткостью при кручении; срезающая нагрузка, передающаяся этими фитингами 8, таким образом, благоприятно распределяется между двумя поверхностями, образованными стенками 5.
Согласно второму варианту исполнения изобретения предложен шпангоут 1' для летательного аппарата с П-образным сечением, стенки 5' которого образуют определенный угол с полками 4' согласно функции, которую должен выполнять шпангоут 1'. В этом случае, как это показано на Фиг. 6a-6d, направление изгиба внутренних фланцев 6' изменено, так как приклепывание внутренних фланцев 6' к базовому элементу 7 в ином случае было бы невозможно выполнить.
В обоих вариантах исполнения, независимо от того, наклонены ли стенки или нет, необходимо, чтобы была обеспечена возможность проверки состояния фитингов. В случае вертикального расположения стенок эта доступность может быть достигнута путем приклепывания базового элемента 7 с возможностью отсоединения. В случае наклонного расположения стенок может возникнуть необходимость в выполнении отверстий, называемых «отверстиями для рук», в базовом элементе 7, с помощью которых может быть обеспечена возможность проверки фитингов 8 или обеспечена возможность размещения колпачков. С другой стороны и как результат этого, приклепывание базового элемента 7 к внутреннему фланцу 6 может быть выполнено без использования глухих заклепок.
Шпангоут с П-образным сечением, описанный в любом из двух вариантов исполнения изобретения, может проходить вдоль всего шпангоута 1, 1' или охватывать только определенную его секцию. Эта концепция шпангоута с П-образным сечением может быть дополнительно применена к различным сечениям фюзеляжа, таким как круглое, эллипсоидное или прямоугольное и т.п.
Эта концепция шпангоута с П-образным сечением согласно изобретению, кроме того, совместима с другими сечениями шпангоутов. Таким образом, например, в областях, далеких от восприятия нагрузки, тот же шпангоут с П-образным сечением может идти от шпангоута с сечениями, содержащими боковой элемент со стенкой и полкой, образующими угол в 90°, и другой боковой элемент со стенкой и полкой, образующими угол, больший 90°, к шпангоутам с традиционными C-образным, J-образным и I-образным сечениями, и даже с Q-образным сечением, с соответствующим переходом и соединением, как это показано на фиг.7.
Процесс изготовления элементов, образующих шпангоуты 1, 1', выполненные из композитного материала, описанных выше, выполняется отдельно.
Как можно видеть на фиг.4a-4d, традиционные шпангоуты из углеродного волокна, например шпангоут 31 с C-образным сечением, например, с L-образным элементом жесткости, выполненным из композитного материала, обычно изготавливают посредством процесса литьевого прессования смолы (RTM), с использованием закрытой формы 32, в которой создают давление, для этой цели, где укладывают сухие заготовки 30 и 32, а затем инжектируют смолу. Этим известным способом можно изготавливать сложные части.
Боковые элементы 2, 3, образующие шпангоуты 1, 1' из композитного материала согласно настоящему изобретению, изготавливают отдельно, предпочтительно посредством обычного литьевого прессования смолы (RTM). Базовый элемент 7, которым закрывают сечение шпангоута, предпочтительно изготавливают посредством процесса автоматической укладки ленты. Эти элементы позже соединяют вместе для образования шпангоута, получая закрытое сечение, которое может включать в себя изменения сечения и толщины, основанные на более простых элементах. Таким образом, так как эти три элемента изготовлены отдельно, где каждый из них выполнен с изменениями по толщине и форме сечения, силовой шпангоут, полученный путем их соединения вместе, является оптимизированным, обладающим переменным закрытым сечением, которое получают простым способом. Процесс изготовления боковых элементов 2, 3, образующих шпангоуты 1, 1' из композитного материала, предпочтительно включает следующие этапы:
a) разрезание ткани и изготовление выкроек посредством использования ножа или водяной струи;
b) изготовление заготовок путем ручной укладки слоев выкроек друг на друга, сшивание и холодное или горячее уплотнение;
c) укладку заготовок в пресс-форму;
d) применение вакуума;
e) инжектирование смолы путем применения давления;
f) термофиксацию смолы путем применения тепла;
g) извлечение из пресс-формы.
Базовый элемент 7 предпочтительно изготавливают посредством использования процесса автоматической укладки ленты, включающего следующие этапы:
автоматическую укладку слоев ткани друг на друга;
горячее формование;
размещение вакуумного мешка;
термофиксацию в автоклаве.
Любые модификации, подпадающие под объем, определенный прилагаемой формулой изобретения, могут быть включены в варианты исполнения, описанные выше.
1. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, отличающийся тем, что он содержит два боковых элемента (2, 3) и базовый элемент (7), причем боковые элементы (2, 3) соединены на внутренней части шпангоута (1) посредством базового элемента (7); и каждый из боковых элементов (2, 3) содержит полку (4), соединяющую шпангоут (1) с обшивкой фюзеляжа летательного аппарата; причем шпангоут вместе с обшивкой образуют кессонную конструкцию, стенку (5) и внутренний фланец (6), соединяющий стенку (5) и базовый элемент (7), причем стенка образует с полкой угол, по меньшей мере, 90° в зависимости от функции, которую должен выполнять шпангоут, при этом толщины и сечения боковых элементов и базового элемента являются переменными.
2. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала по п.1, отличающийся тем, что стенка (5) боковых элементов (2, 3) перпендикулярна полке (4) и внутреннему фланцу (6).
3. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала по п.1, отличающийся тем, что стенка (5) боковых элементов (2, 3) образует угол с полкой (4), который больше, чем 90°, образуя соответствующий дополнительный угол относительно внутреннего фланца (6).
4. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала по п.1, отличающийся тем, что полка (4), стенка (5) и внутренний фланец (6) образованы из слоев композитного материала.
5. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.4, отличающийся тем, что слои композитного материала расположены под +/-45°.
6. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.5, отличающийся тем, что он также содержит слои композитного материала, расположенные под 0°/90°.
7. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.1, отличающийся тем, что полка (4) и внутренний фланец (6) содержат армирующие элементы (20, 21) из однонаправленных волокон под 0°, проходящие непрерывно вдоль шпангоута (1).
8. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.1, отличающийся тем, что стенка (5) содержит непрерывные или локальные армирующие элементы (22) в любом направлении.
9. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.1, отличающийся тем, что базовый элемент (7) образован из слоев однонаправленной ленты с различной ориентацией.
10. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.1, отличающийся тем, что он содержит фитинги (8) для локального восприятия нагрузок.
11. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, по п.1, отличающийся тем, что сечение шпангоута (1) и толщина сечения упомянутого шпангоута (1) являются переменными.
12. Силовой шпангоут (1) летательного аппарата, изготовленный из композитного материала, отличающийся тем, что он содержит два боковых элемента (2, 3) и базовый элемент (7), причем боковые элементы (2, 3) соединены на внутренней части шпангоута (1) посредством базового элемента (7), и каждый из боковых элементов (2, 3) содержит полку (4), соединяющую шпангоут (1) с обшивкой фюзеляжа летательного аппарата, причем шпангоут вместе с обшивкой образуют кессонную конструкцию, стенку (5) и внутренний фланец (6), соединяющий стенку (5) и базовый элемент (7), причем стенка образует с полкой угол, по меньшей мере, 90°, а шпангоут выполнен с возможностью содержать фитинг (8), соединенный со стенкой.
