Сегмент оболочки для изготовления секции отсека фюзеляжа самолета

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано для изготовления секции элемента фюзеляжа самолета. Сегмент оболочки содержит панель обшивки и расположенные на ней продольные элементы жесткости, поперечный элемент жесткости, проходящий поперек продольных элементов жесткости, соединительный уголок с желобком (гофром). Панель обшивки и продольные элементы жесткости выполнены из армированного углеродным волокном пластмассового материала. Изобретение позволяет уменьшить массу сегмента оболочки, вероятность опрокидывания и прогиба кольцевых шпангоутов. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к сегменту оболочки для изготовления секции отсека фюзеляжа самолета, содержащему по меньшей мере одну панель обшивки и несколько расположенных на ней продольных элементов жесткости, в частности, стрингеров, а также поперечный элемент жесткости, расположенный по существу поперек продольных элементов жесткости, в частности, по меньшей мере один шпангоут.

В современном самолетостроении отсеки фюзеляжа создают с использованием как и прежде алюминиевой конструкции посредством расположения рядами друг за другом множества имеющих примерно бочкообразную форму секций фюзеляжа. Сами секции фюзеляжа выполняются в большинстве случаев по меньшей мере из двух сегментов оболочки, которые объединяются вдоль продольных швов в секцию фюзеляжа. Сами сегменты оболочки для придания жесткости снабжены множеством продольных элементов жесткости, в частности, стрингеров, расположенных на соответствующей панели обшивки параллельно продольной оси отсека фюзеляжа самолета. Поперек этих продольных элементов жесткости проходят кольцевые шпангоуты, соответственно, кольцевые сегменты шпангоутов. Механическое соединение кольцевых шпангоутов с панелями обшивки и продольными элементами жесткости осуществляется с помощью соединительных уголков, а также с помощью большого количества опорных уголков. Опорные уголки, которые предпочтительно предусмотрены в точках пересечения между продольными элементами жесткости и кольцевыми шпангоутами, предотвращают, в частности, опрокидывание, соответственно, прогиб кольцевых шпангоутов при высоких нагрузках.

Из DE 10 2007044386 A1, например, известен структурный конструктивный элемент, а также способ придания жесткости наружной обшивке воздушного или космического летательного аппарата. При этом соединение кольцевых шпангоутов с панелью обшивки осуществляется с помощью имеющего форму уголка опорного элемента, который в зоне пересечения между профилем шпангоута и профилем стрингера снабжен примерно U-образной выемкой для прохождения профиля стрингера. Выемка опорного элемента опирается на распорный элемент из пластмассового материала, который в свою очередь по меньшей мере в некоторых зонах расположен с геометрическим замыканием в зоне пересечения между кольцевым шпангоутом и профилем стрингера на верхней зоне стрингера. Однако недостатком является то, что раскрытая конструкция обеспечивает лишь опирание стрингеров, так что необходимо, как и прежде, предусматривать отдельные опоры шпангоута (так называемые cleats) для опирания шпангоутов.

Задачей изобретения является создание выполненного конструктивно более просто по сравнению с уровнем техники сегмента оболочки, предназначенного для изготовления секций фюзеляжа, для производства отсеков фюзеляжа самолета и одновременное обеспечение достаточной защиты от опрокидывания, соответственно, от прогиба кольцевых шпангоутов.

Задача решена с помощью сегмента оболочки с признаками пункта 1 формулы изобретения.

За счет того, что соединение по меньшей мере одного поперечного элемента жесткости по меньшей мере с одной панелью обшивки осуществляется с помощью по меньшей мере одного соединительного уголка, при этом соединительный уголок имеет желобок (гофр), получается конструктивно простое выполнение сегмента оболочки по сравнению с известными из уровня техники решениями, поскольку в зонах пересечения между продольным элементом жесткости и поперечным элементом жесткости требуется лишь один выполненный в соответствии с изобретением соединительный уголок. Соединительный уголок обеспечивает, наряду со своей первичной функцией, заключающейся в механическом соединении шпангоута с панелью обшивки, надежное предотвращение опрокидывания, соответственно, прогиба кольцевого шпангоута под нагрузкой. Выполненный согласно изобретению соединительный уголок можно применять как в сегментах оболочки, которые выполнены в виде классической алюминиевой конструкции, так и в сегментах оболочки, которые выполнены по меньшей мере в некоторых зонах из композитных волоконных материалов.

В предпочтительном усовершенствованном варианте сегмента оболочки предусмотрено, что по меньшей мере один соединительный уголок имеет поверхность соединения со шпангоутом и поверхность соединения с обшивкой, которые соединены друг с другом под углом между 45° и 135°.

За счет этого обеспечивается оптимальное, в частности, с точки зрения статики, соединение поперечного элемента жесткости с соответствующей панелью обшивки. Предпочтительно, величина угла лежит в диапазоне между 70° и 110° (≈90°±20°). Лежащие вне этого интервала значения требуются, в частности, когда соединительные уголки необходимо устанавливать в сферически изогнутой в большей степени, то есть по меньшей мере одномерно изогнутой зоне структуры отсека фюзеляжа, соответственно, обшивки отсека фюзеляжа.

В другом предпочтительном варианте выполнения предусмотрено, что по меньшей мере один желобок образован в зоне поверхности соединения со шпангоутом и в зоне поверхности соединения с обшивкой.

За счет этого обеспечивается высокая жесткость между поверхностями соединения соединительного уголка, так что надежно предотвращается опрокидывание, соответственно, прогиб закрепленного с его помощью на соответствующей панели обшивки кольцевого шпангоута.

Согласно другому усовершенствованию сегмента оболочки предусмотрено, что по меньшей мере один желобок имеет две боковые поверхности, которые соединены друг с другом в зоне вертикальной линии под углом между примерно 30° и 120°.

За счет такой геометрической формы обеспечивается очень высокая несущая способность соединительного уголка. Кроме того, эта геометрическая форма обеспечивает возможность изготовления соединительного уголка с оправданными с технологической точки зрения затратами как из металлических материалов, так и волокнистых композитных материалов.

Кроме того, предусмотрено, что вертикальная линия желобка образует с поверхностью соединения с обшивкой угол между 95° и 145°.

Вследствие такого диапазона угла, с помощью образованного желобка достигается максимальное опорное действие между поверхностью соединения со шпангоутом и поверхностью соединения с обшивкой соединительного уголка.

В другом предпочтительном варианте выполнения сегмента оболочки предусмотрено, что продольные элементы жесткости выполнены интегрально по меньшей мере с одной панелью обшивки и имеют приблизительно трапециевидную форму поперечного сечения.

За счет этого можно изготавливать как панель обшивки, так и продольные элементы жесткости с оправданными с технологической точки зрения затратами из волокнистых композитных материалов, в частности, из эпоксидных смол, армированных углеродным волокном. В случае применения для изготовления панелей обшивки и/или продольных элементов жесткости обычных алюминиевых сплавов и/или титановых сплавов, продольные элементы жесткости могут иметь почти любую геометрическую форму поперечного сечения. Например, можно использовать в качестве продольных элементов жесткости известные профили стрингеров с L-образной, Z-образной, Т-образной или П-образной формой поперечного сечения.

Согласно другому варианту выполнения сегмента оболочки, по меньшей мере одна панель обшивки, а также продольные элементы жесткости выполнены из армированного углеродным волокном пластмассового материала, в частности, из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном.

Вследствие такого выполнения обеспечиваются преимущества с точки зрения веса конструкции по сравнению с классической металлической конструкцией. Кроме того, обеспечивается достижение более высокой прочности. Кроме того, уменьшается склонность к коррозии сегмента оболочки, за счет чего значительно сокращаются затраты на контроль и техническое обслуживание изготовленного с их помощью отсека фюзеляжа самолета в течение всего срока службы. Поперечные элементы жесткости, необходимые для дополнительного придания жесткости сегменту оболочки, могут быть образованы также с помощью таких волокнистых композитных материалов и/или с помощью металлических материалов, в частности, материалов из алюминиевых сплавов и/или титановых сплавов.

Согласно другой модификации, по меньшей мере один соединительный уголок выполнен из армированного углеродным волокном пластмассового материала, в частности, из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, и/или из термопластичного пластмассового материала, армированного углеродным волокном.

За счет этого обеспечивается в целом возможность значительного уменьшения веса и, с другой стороны, улучшаются коррозионные характеристики, в частности, когда как по меньшей мере панель обшивки, так и расположенные на ней продольные элементы жесткости сегмента оболочки изготовлены из волокнистых композитных материалов такого рода.

В усовершенствованном варианте сегмента оболочки предусмотрено, что по меньшей мере один соединительный уголок соединен по меньшей мере с одним поперечным элементом жесткости и по меньшей мере с одной панелью обшивки с помощью соединительных элементов, в частности, с помощью заклепок и/или болтов и/или с помощью клеевого соединения.

Вследствие этого механического соединения между соединительным уголком, панелью обшивки с расположенными на ней продольными элементами жесткости, а также соответствующими поперечными элементами жесткости обеспечивается чрезвычайно высокая механическая нагрузочная способность сегмента оболочки во всех возможных пространственных направлениях нагрузки.

В случае, когда панель обшивки сегмента оболочки с расположенными на ней продольными элементами жесткости, соединительные уголки и поперечные элементы жесткости выполнены, например, из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, или из армированного углеродным волокном термопластичного пластмассового материала, как правило необходимо использовать соединительные элементы, выполненные из титановых сплавов, с целью предотвращения нежелательных эффектов коррозии.

В другой модификации сегмента оболочки предусмотрено, что между двумя продольными элементами жесткости и соответствующим поперечным элементом жесткости предусмотрен соединительный уголок.

За счет этого обеспечивается равномерное и тем самым соответствующее силовому потоку соединение поперечного элемента жесткости с панелью обшивки сегмента оболочки.

На чертежах изображено:

Фиг.1 - соединительный уголок, согласно изобретению, в изометрической проекции;

Фиг.2 - сечение соединительного уголка по линии II-II на Фиг.1;

Фиг.3 - сечение соединительного уголка по линии III-III на Фиг.1; и

Фиг.4 - сегмент оболочки, в изометрической проекции.

На чертежах одинаковые конструктивные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На Фиг.1 показан соединительный уголок, согласно изобретению, в изометрической проекции.

Соединительный уголок 1 имеет поверхность 2 соединения со шпангоутом, а также примыкающую к ней под углом примерно 90° поверхность 3 соединения с обшивкой. Поверхность 2 соединения со шпангоутом, а также поверхность 3 соединения с обшивкой имеют каждая приблизительно четырехугольную геометрическую форму, при этом поверхность 2 соединения со шпангоутом имеет по сравнению с поверхностью 3 соединения с обшивкой по меньшей мере в три раза большую длину поверхности.

В верхней зоне 4 поверхности 2 соединения со шпангоутом находится несколько отверстий, из которых лишь одно обозначено позицией 5. Соответственно, поверхность 3 соединения с обшивкой также имеет несколько отверстий, при этом лишь одно отверстие обозначено позицией 6. Отверстия 5, 6 служат для соединения друг с другом не изображенного шпангоута с также не изображенной панелью обшивки сегмента оболочки с помощью соединительного уголка 1 с использованием соединительных элементов, таких как, например, заклепки или болты. Для случая, когда соединение осуществляется посредством склеивания, отверстия при известных условиях могут отсутствовать. Для повышения избыточности можно осуществлять соединение указанных компонентов также с помощью соединительных элементов и дополнительно с помощью клеевого соединения. В верхней зоне 4 в поверхности 2 соединения со шпангоутом выполнены выемки 7, 8, имеющие примерно форму четверти круга. Обе выемки 1, 8 расположены в зоне не обозначенных верхних (воображаемых) угловых зон поверхности 2 соединения со шпангоутом. Согласно изобретению, соединительный уголок 1 имеет по меньшей мере один желобок (гофр) 9. Желобок 9 образован как в зоне поверхности 2 соединения со шпангоутом, так и в зоне поверхности 3 соединения с обшивкой и соединяет обе упомянутые поверхности соединительного уголка 1. Геометрическая форма поверхности желобка 9 соответствует приблизительно геометрической форме разрезанной наполовину вершины конуса с двумя боковыми поверхностями 10, 11, а также с вертикальной линией 12. Между кромками 13, 14 соединительного уголка 1 и соответствующим началом желобка 9 имеется небольшое расстояние 15, 16.

Соединительный уголок 1 может быть изготовлен в виде единого целого, например, из первоначально плоской металлической листовой заготовки с помощью подходящего процесса деформации. Листовые заготовки могут быть выполнены, например, из алюминиевых сплавов, титановых сплавов, сплавов нержавеющей стали или их любых комбинаций. В качестве альтернативного решения, соединительный уголок 1 может быть изготовлен в виде единого целого из волокнистых композитных материалов, например, из эпоксидных смол, армированных углеродным волокном, и/или из термопластичных пластмасс, армированных углеродным волокном.

На Фиг.2 показан соединительный уголок в сечении по линии II-II на Фиг.1.

Как показано на Фиг.2, обе боковые поверхности 10, 11 соединительного уголка 1 образуют в зоне желобка 9 угол 17 предпочтительно в 70°. За счет этого достигается оптимальная жесткость на скручивание между поверхностью 2 соединения со шпангоутом и поверхностью 3 соединения с обшивкой. В зоне вертикальной линии 12 желобок 9 имеет поперечное сечение приблизительно в форме полукруга. Для угла 17 подходят значения между 60° и 80°.

На Фиг.3 показан соединительный уголок в сечении по линии III-III на Фиг.1. Видно, что вертикальная линия 12 желобка 9 и горизонталь в виде поверхности 3 соединения с обшивкой образуют угол 18 примерно в 100°. Возможны также отклоняющиеся от этой величины значения в диапазоне между 95° и 145°. При этом желобок 9 проходит под углом, исходя из поверхности 2 соединения со шпангоутом, до поверхности 3 соединения с обшивкой. При этом расстояние 15 между кромкой 13 поверхности 2 соединения со шпангоутом и началом желобка 9 предпочтительно больше соответствующего расстояния 16 до кромки 14 поверхности 3 соединения с обшивкой.

На Фиг.4 показан в изометрической проекции фрагмент выполненного в соответствии с изобретением сегмента оболочки с упомянутыми выше соединительными уголками.

Сегмент 19 оболочки содержит, среди прочего, панель 20 обшивки с четырьмя расположенными на ней стрингерами 21-24 в качестве продольных элементов жесткости. Стрингеры 21-24 предпочтительно расположены на лежащей снизу панели 20 обшивки на равномерном удалении параллельно друг другу. Они имеют приблизительно трапециевидную форму поперечного сечения и выполнены интегрально с панелью 20 обшивки. По меньшей мере два, но, как правило, четыре сегмента оболочки, которые выполнены в соответствии с показанным сегментом 19 оболочки, соединяются вдоль продольных швов, которые проходят параллельно стрингерам 21-24, с образованием секции фюзеляжа, имеющей приблизительно форму бочки. Наконец, весь отсек фюзеляжа самолета изготавливают посредством соединения друг с другом нескольких секций фюзеляжа с образованием поперечных швов.

Система 25 координат иллюстрирует положение указанных компонентов в пространстве. Направление прохождения оси x системы 25 координат соответствует продольной оси отсека фюзеляжа самолета, соответственно, направлению полета. Ось z соответствует вертикальной оси отсека фюзеляжа самолета и всегда ориентировано от основания, соответственно, дна. Ось y системы 25 координат проходит приблизительно параллельно ориентации не изображенных осей несущих поверхностей самолета.

Поперек направления прохождения стрингеров 21-24 на сегменте 19 оболочки закреплен шпангоут 26 в качестве поперечного элемента жесткости с помощью выполненных в соответствии с изобретением соединительных уголков 27-29. Конструктивное выполнение трех соединительных уголков 27-29 на Фиг.4 точно соответствует конструктивному выполнению соединительного уголка 1, уже поясненного выше в ходе описания Фиг.1-3. Механическое соединение между тремя соединительными уголками 27-29, шпангоутом 26, а также панелью 20 обшивки можно осуществлять по выбору с помощью склеивания, соединения заклепками, болтового соединения или любой комбинации указанных видов соединения. Соединительные уголки 27-29 расположены каждый между двумя проходящими параллельно друг другу стрингерами.

Вследствие использования выполненных в соответствии с изобретением соединительных уголков 27-29 в шпангоуте 26 улавливаются моменты вокруг оси у системы 25 координат и направляются в панель 20 обшивки, так что надежно предотвращается опрокидывание, соответственно, прогиб шпангоута 26, в частности, при больших механических нагрузках. Кроме того, соединительные уголки 27-29 имеют то преимущество, что больше нет необходимости в дополнительных опорных уголках для улавливания опрокидывающих моментов шпангоута 26.

За счет этого по сравнению с известными из уровня техники решениями значительно уменьшается вес сегмента 19 оболочки и необходимые для изготовления производственные затраты. Таким образом, соединительные уголки 27-29 обеспечивают, наряду с их первичной функцией соединения шпангоута 26 с панелью 20 обшивки, одновременно перевод возможных опрокидывающих моментов из шпангоута 26 в панель 20 обшивки.

В одном предпочтительном варианте выполнения элемента 19 оболочки как панель 20 обшивки, стрингеры 21-24, так и шпангоут 26, а также соединительные уголки 27-29 образованы из волокнистого композитного материала, в частности, из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном. В качестве альтернативного решения, можно использовать по меньшей мере для соединительных уголков 27-29 армированный углеродным волокном термопластичный пластмассовый материал. Однако в принципе сегмент 19 оболочки может быть реализован традиционной конструкцией из металла, например, с применением известных алюминиевых сплавов.

Сегмент 19 оболочки имеет, как правило, несколько шпангоутов и тем самым значительно большее количество соединительных уголков. Длина сегмента 19 оболочки может составлять до 40 м, в то время как длина окружности сегмента 19 оболочки может достигать значения до 10 м. С применением четырех сегментов оболочки с длиной окружности, например, в 9 м каждый можно изготавливать, например, секцию фюзеляжа для отсека фюзеляжа самолета известным способом сборки четырех оболочек с диаметром более 11 м, если принимается приблизительно круглая форма поперечного сечения подлежащей созданию секции самолета. В принципе, длина окружностей сегментов оболочки может быть различной и иметь локально изменяющуюся, т.е. отклоняющуюся от круговой формы, соответственно, формы кругового сегмента степень кривизны. В качестве альтернативного решения, секцию фюзеляжа можно также изготавливать как полумонококовую конструкцию с приблизительно полукруглыми сегментами оболочки.

Перечень ссылочных позиций:

1 Соединительный уголок

2 Поверхность соединения со шпангоутом

3 Поверхность соединения с обшивкой

4 Верхняя зона (поверхности соединения со шпангоутом)

5 Отверстие (в поверхности соединения со шпангоутом)

6 Отверстие (в поверхности соединения с обшивкой)

7 Выемка (в поверхности соединения со шпангоутом)

8 Выемка (в поверхности соединения со шпангоутом)

9 Желобок

10 Боковая поверхность

11 Боковая поверхность

12 Верхняя линия

13 Кромка (поверхности соединения со шпангоутом)

14 Кромка (поверхности соединения с обшивкой)

15 Расстояние (между желобком и кромкой)

16 Расстояние (между желобком и кромкой)

17 Угол (между боковыми поверхностями желобка)

18 Угол (между вертикальной линией и поверхностью соединения с обшивкой)

19 Сегмент оболочки

20 Панель обшивки

21 Стрингер

22 Стрингер

23 Стрингер

24 Стрингер

25 Система координат

26 Шпангоут

27 Соединительный уголок

28 Соединительный уголок

29 Соединительный уголок

1. Сегмент оболочки для изготовления секции элемента фюзеляжа самолета, содержащий по меньшей мере одну панель обшивки и несколько расположенных на ней продольных элементов жесткости, и по меньшей мере один поперечный элемент жесткости, проходящий по существу поперек продольных элементов жесткости, отличающийся тем, что соединение по меньшей мере одного поперечного элемента жесткости по меньшей мере с одной панелью обшивки осуществляется с помощью по меньшей мере одного соединительного уголка, при этом по меньшей мере один соединительный уголок имеет по меньшей мере один желобок.

2. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один соединительный уголок имеет поверхность соединения со шпангоутом и поверхность соединения с обшивкой, которые соединяются под углом друг к другу между 45° и 135°.

3. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один желобок образован в поверхности соединения со шпангоутом и в поверхности соединения с обшивкой.

4. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один желобок имеет две боковые поверхности, которые соединяются друг с другом в зоне вертикальной линии под углом между примерно 30° и 120°.

5. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что вертикальная линия образует с поверхностью соединения с обшивкой угол между 95° и 145°.

6. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что продольные элементы жесткости выполнены интегрально по меньшей мере с одной панелью обшивки и имеют приблизительно трапециевидную форму поперечного сечения.

7. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна панель (20) обшивки, а также продольные элементы жесткости выполнены из армированного углеродным волокном пластмассового материала.

8. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один соединительный уголок выполнен из армированного углеродным волокном пластмассового материала, выбранного из группы, состоящий из армированной углеродным волокном эпоксидной смолы, армированного углеродным волокном термопластичного пластмассового материала или их комбинации.

9. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один соединительный уголок соединен по меньшей мере с одним поперечным элементом жесткости и по меньшей мере с одной панелью обшивки с помощью соединительных элементов.

10. Сегмент оболочки по п.1, отличающийся тем, что между двумя продольными элементами жесткости и соответствующим поперечным элементом жесткости предусмотрен соединительный уголок.

11. Сегмент оболочки по п.7, отличающийся тем, что армированный углеродным волокном пластмассовый материал является эпоксидной смолой, армированной углеродным волокном.

12. Сегмент оболочки по п.9, отличающийся тем, что соединительные элементы выбраны из группы, состоящей из заклепок болтов, средств клеевого соединения или их комбинации.