Слоистая композиционная структура

Изобретения относятся к композиционному слоистому конструктивному элементу, к компоненту воздушного судна с указанным конструктивным элементом, к способу обозначения повреждения при ударе в конструктивном элементе и к вариантам способа получения конструктивного элемента. Конструктивный элемент содержит слоистый композит, имеющий край, и индикатор удара, расположенный на краю и содержащий полимер, разрушающийся при ударе. Способ обозначения повреждения при ударе в конструктивном элементе включает разрушение индикатора удара. Способ получения конструктивного элемента по первому варианту включает нанесение индикатора удара на край путем экструзии полимера из сопла. Способ получения конструктивного элемента по второму варианту включает соединение индикатора с краем путем совместного отверждения. Способ получения композиционного слоистого конструктивного элемента по третьему варианту заключается в том, что каждый из слоев слоистого композита содержит фазу армирования и фазу полимерной матрицы и включает формирование индикатора удара путем введения слоистого композита в негативную форму, создания зазора между краем и негативной формой и нагрев слоистого композита, так что фаза полимерной матрицы затекает в зазор и формирует индикатор удара. Достигается упрощение определения разрушения конструктивного элемента. 6 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к слоистой композиционной структуре (конструктивном элементе) и способу обозначения повреждения при ударе в таком конструктивном элементе. В частности, хотя не исключительно, конструктивный элемент может формировать часть компонента воздушного судна.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Многие компоненты воздушного судна изготавливают из слоистых композиционных материалов. Например, стрингер (продольный элемент силового набора частей) в крыле воздушного судна, подкрепляющие элементы и подпорные структуры могут иметь форму слоистых композиционных структур (конструктивных элементов). Хотя указанные структуры могут обладать прочностью при нагрузках, на которые они рассчитаны, они могут являться уязвимыми по отношению к повреждению при ударе, которое может привести к расслоению. Расслоение может привести к ослаблению и, в конечном счете, к выходу из строя. Особенно уязвимыми при ударе являются края слоистых композиционных структур (которыми кончаются слои композиционной слоистой структуры), особенно, если удар является прямым (т.е., когда удар осуществляется в направлении, перпендикулярном краю и параллельном плоскости слоев, составляющих структуру).

Если удар имеет значительную составляющую силы в прямом направлении, он может разрушить связь между слоями, составляющими слоистую композиционную структуру, и вызвать или усилить расслоение. Такие удары могут возникать вследствие падения инструментов у рабочих, работающих на структуре, например в процессе технического обслуживания, когда торцевые поверхности слоистых композиционных структур подвергаются воздействиям, которым не подвергаются обычно. Другой причиной разрушения слоистых композиционных структур может являться износ с течением времени, например, являющийся результатом того, что рабочие сидят или стоят на структуре или прикасаются к структуре непосредственно или с помощью инструментов или другого оборудования. Например, при работе на воздушном судне рабочие обычно оставляют инструменты или ящики для инструментов на торцевой поверхности указанных структур. Обычно край слоистых композиционных структур, по меньшей мере, в процессе технического обслуживания подвергается прямому износу и прямым ударам, как описано выше. Риск подобного удара существует при изготовлении и сборке частей из композиционного материала.

При конструировании компонента воздушного судна принимают во внимание факторы, оказывающие влияние на прочность и другие механические свойства слоистых композиционных структур воздушного судна, такие как факторы, описанные выше. Таким образом, описанные выше факторы обычно требуют, чтобы слоистые композиционные структуры были обеспечены дополнительной прочностью, что приводит к увеличению размера и веса.

Одним из известных способов армирования края слоистого композиционного материала является применение приспособления для защиты края, например, как описано в патентном документе US 2006/0234007. Другим решением является формирование слоистого композиционного материала с гнутым краем, т.е. с краем, сформированным загнутым слоем. Однако недостаток этих обычных способов состоит в том, что они не могут обеспечить достаточного видимого свидетельства удара. Такое видимое свидетельство может являться необходимым для структуры.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается композиционный слоистый конструктивный элемент, содержащий слоистый композит, имеющий край, и индикатор удара, установленный на краю и содержащий полимер, который разрушается при ударе.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ обозначения повреждения при ударе в указанном конструктивном элементе, включающий в себя разрушение индикатора удара.

Разрушение обеспечивает постоянное видимое свидетельство повреждения при ударе, например, путем раскалывания индикатора удара или откалывания от индикатора удара одного или более кусков. Помимо обеспечения такого видимого свидетельства повреждения от удара, индикатор удара может также обеспечить элемент противоударной защиты, поглощая часть энергии удара.

В характерном случае индикатор удара содержит полимер, более хрупкий и менее прочный, чем материал, формирующий слоистый композит. Например, материал, формирующий слоистый композит, может быть армированным, а полимер, формирующий индикатор удара, может быть неармированным.

В характерном случае слоистый композит содержит термоотверждающийся материал, такой как эпоксидный полимер (эпоксидная смола). Материал, формирующий индикатор удара, может быть сформирован из того же термоотверждающегося полимера или из полимера, отверждаемого при такой же или более низкой температуре.

Индикатор удара может иметь ограниченную длину или может содержать ленту, проходящую, по меньшей мере, по большей части длины края.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения множество слоев слоистого композита кончается краем. В качестве альтернативы край может являться гнутым краем, сформированным загнутым слоем.

Индикатор удара может быть прикреплен к краю посредством совместного отверждения, соединения отвержденного полимера с неотвержденным или вторичного соединения отвержденных полимеров. Если индикатор удара прикреплен к краю посредством совместного отверждения, индикатор удара может быть сформирован как единое целое со слоистым композитом (например, путем формирования слоистого композита с краем, содержащим полимер).

В одном из примеров индикатор удара наносят на край путем экструзии полимера из сопла и затем прикрепляют его к краю путем отверждения экструдированного материала.

В другом примере индикатор удара наносят путем создания валика из термоотверждающегося полимера в негативной форме, введения края слоистого композита в негативную форму и нагрева валика и слоистого композита, так что слоистый композит отверждается, и валик соединяется с краем в результате совместного отверждения.

В другом примере слоистый композит содержит фазу армирования и фазу полимерной матрицы, а индикатор удара формируют путем введения края слоистого композита в негативную форму, создания зазора между краем и негативной формой и нагрева слоистого композита, так что фаза полимерной матрицы затекает в зазор и формирует индикатор удара.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ниже будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлен общий вид способа нанесения индикатора удара на стрингер.

На фиг.2 представлен вид с торца стрингера с нанесенным индикатором удара.

На фиг.3-5 представлены три этапа формирования стрингера.

На фиг.6 представлен вид с торца альтернативного стрингера с нанесенным индикатором удара.

На фиг.7 представлен вид еще одного альтернативного стрингера с нанесенным индикатором удара.

На фиг.8 представлен вид с торца гнутого стрингера с нанесенным индикатором удара.

На фиг.9 представлен вид с торца в соответствии со способом получения путем совместного отверждения.

На фиг.10 представлен вид с торца в соответствии со способом получения, при котором индикатор удара формируют как единое целое со стрингером.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Стрингер 1, представленный на фиг.1, содержит ребро 2 и пару фланцев 3, 4. Стрингер формируют способом, представленным на фиг.3-5. На первом этапе плоскую навеску 5а помещают на позитивную форму 6. Навеска 5 содержит слоистую структуру, сформированную из стопки листов, причем каждый из листов содержит множество однонаправленных углеродных волокон, пропитанных термоотверждающимся эпоксидным полимером (термоотверждающейся эпоксидной смолой). Эти листы обычно называют заготовками. Отдельные листы заготовок схематически представлены на фиг.3, но не представлены на других чертежах для ясности.

Затем навеску 5а деформируют на пресс-форме для формирования U-образной части 5b. Затем U-образную часть 5b разрезают на две L-образные части 5с, 5d, как показано на фиг.5, и части 5с, 5d помещают вплотную друг к другу, как показано на фиг.2. После размещения L-образных частей 5с, 5d вплотную друг к другу их совместно отверждают для затвердевания стрингера и соединения частей.

Направление длины стрингера 1 определяют как 0 градусов, а направление высоты стрингера определяют как 90 градусов. Расположение слоев стрингера выражается цифрами, представляющими процентное содержание волокон в стрингере, ориентированных в направлениях 0 градусов/±45 градусов/90 градусов. Характерное расположение слоев стрингера составляет 60/30/10. Таким образом, 60 процентов волокон ориентированы в направлении 0 градусов, 30 процентов в направлениях ±45 градусов и 10 процентов в направлении 90 градусов.

Стрингер содержит верхний наружный край 8, который механически обрабатывают и запечатывают (после отверждения) способом, представленным на фиг.1.

Режущий инструмент 10 фасонно-фрезерного станка перемещается по краю 8, удаляя материал для формирования канавки 11, представленной на фиг.2. Устройство 12 для очистки удаляет материал, который образуется в процессе механической обработки. Валик 13 наносят в канавку путем экструзии жидкого эпоксидного полимера из сопла 14. Отделочный инструмент 15 имеет прорезь 16 желаемой формы, и инструмент 15 перемещается по краю за соплом 14 для удаления излишков полимера от валика 13.

Следует отметить, что эти процессы осуществляют поточно, так что валик 13 наносят одновременно с обработкой края 8.

Затем полимер отверждают для соединения валика с краем 8, формируя индикатор 9 удара, представленный на фиг.2 в канавке 11.

Следует отметить, что этап механической обработки может быть исключен, так что верхний край стрингера является плоским, как обозначено позицией 8а на фиг.6. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, представленным на фиг.7, слои заготовки могут скользить относительно друг друга на этапе деформации, представленном на фиг.4, так что L-образные части имеют наклонные края 8b, которыми кончаются листы заготовки. Таким образом, в этом случае формируется канавка, не требующая отдельного этапа механической обработки.

В случаях, представленных на фиг.6 и 7, стрингер и индикаторы 9а, 9b удара можно подвергать совместному отверждению, вместо того, чтобы отверждать их в разное время.

Гнутый стрингер представлен на фиг.8. Указанный стрингер формируют из одной стопки слоев заготовки, согнутой для формирования гнутого края 8с. Индикатор 9с удара прикрепляют к гнутому краю 8с путем экструзии полимерного валика и соединения его с гнутым краем 8с.

В соответствии с альтернативным способом изготовления, представленном на фиг.9, индикатор удара наносят на край стрингера путем создания валика 20 неотвержденного эпоксидного полимера в негативной форме 21, введения ребра 2 стрингера в негативную форму и нагрева собранной формы таким образом, что стрингер и валик 20 соединяются друг с другом в результате совместного отверждения.

В соответствии с другим альтернативным способом изготовления, представленным на фиг.10, индикатор удара формируют как единое целое со стрингером путем введения ребра стрингера в негативную форму 21, создания зазора 22 между краем 8 и негативной формой, и нагрева стрингера таким образом, что эпоксидный полимер матрицы ребра затекает в зазор 22, формируя индикатор удара.

Описанные выше индикаторы удара формируют из материала, который разрушается при ударе, в результате чего образуется одна или более трещин и/или один или более отколотых кусков. Было обнаружено, что эпоксидный полимер ЕА9394 обладает необходимыми характеристиками разрушения, но возможно применение других материалов. Например, полимер может отверждаться при комнатной температуре, так что не требуется нагрев валика для его отверждения.

Следует отметить, что индикаторы удара формируют из полимера, который является более хрупким и менее прочным, чем материал, формирующий слоистый композит. Например, неармированный полимер ЕА9394 является более хрупким и менее прочным, чем заготовки, армированные углеродным волокном, формирующие слоистый композит. Кроме того, каждый из индикаторов удара имеет изогнутую выпуклую поверхность и толщину, изменяющуюся в направлении ширины края. Это имеет несколько преимуществ:

- увеличивает подверженность индикаторов разрушению, по сравнению с плоской лентой;

- увеличивает вероятность откалывания одного или более кусков после разрушения, и

- улучшает видимость образовавшихся после разрушения трещин или пустот сбоку.

Хотя выше настоящее изобретение описывается на примере одного или более предпочтительных вариантов осуществления, следует отметить, что могут быть сделаны различные изменения или модификации, не выходя за рамки настоящего изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.

1. Композиционный слоистый конструктивный элемент, содержащий слоистый композит, имеющий край, и индикатор удара, расположенный на краю и содержащий полимер, разрушающийся при ударе.

2. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что индикатор удара содержит полимер, являющийся более хрупким и менее прочным, чем материал, формирующий слоистый композит.

3. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что индикатор удара содержит эпоксидный полимер.

4. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что полимер является неармированным.

5. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что полимер содержит термоотверждающийся полимер, отверждающийся при температуре менее 100°С и предпочтительно менее 50°С.

6. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что слоистый композит содержит термоотверждающийся материал, отверждающийся при первой температуре; а полимер содержит термоотверждающийся материал, отверждающийся при второй температуре, которая ниже первой температуры.

7. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что индикатор удара расположен в канавке в крае.

8. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что индикатор удара имеет толщину, изменяющуюся в направлении ширины края.

9. Конструктивный элемент по п.8, отличающийся тем, что наружная поверхность индикатора удара является изогнутой.

10. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что индикатор удара содержит ленту, проходящую, по меньшей мере, по большей части длины края.

11. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что множество слоев слоистого композита кончается краем.

12. Конструктивный элемент по п.1, отличающийся тем, что край является гнутым краем, сформированным загнутым слоем слоистой структуры.

13. Компонент воздушного судна, содержащий конструктивный элемент по любому из пп.1-12.

14. Способ обозначения повреждения при ударе в конструктивном элементе по любому из пп.1-12, включающий в себя разрушение индикатора удара.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя откалывание одного или более кусков от индикатора удара.

16. Способ получения конструктивного элемента по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что включает в себя нанесение индикатора удара на край путем экструзии полимера из сопла.

17. Способ получения конструктивного элемента по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что включает в себя соединение индикатора с краем путем совместного отверждения.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что индикатор удара наносят путем создания валика из термоотверждающегося полимера в негативной форме, введения края слоистого композита в негативную форму и нагрева валика и слоистого композита, так что слоистый композит отверждается, и валик соединяется с краем в результате совместного отверждения.

19. Способ получения композиционного слоистого конструктивного элемента по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что каждый из слоев слоистого композита содержит фазу армирования и фазу полимерной матрицы, причем способ включает в себя формирование индикатора удара путем введения слоистого композита в негативную форму, создания зазора между краем и негативной формой и нагрев слоистого композита, так что фаза полимерной матрицы затекает в зазор и формирует индикатор удара.