Узел соединения компонентов воздушного судна
Настоящее изобретение относится к узлу соединения двух компонентов воздушного судна. Узел соединения двух компонентов воздушного судна, содержащий первый компонент; второй компонент, сцепленный с первым компонентом в зоне сцепления, которая оканчивается кромкой; свободную зону, расположенную между кромкой зоны сцепления и кромкой второго компонента, при этом указанные компоненты не сцеплены в свободной зоне; и один или более крепежных элементов, проходящих через свободную зону и прикрепляющих первый компонент ко второму компоненту. Что позволяет предотвратить растрескивание клеевого слоя у конца стрингера, происходящего под действием максимальных напряжений сдвига.3 н. и 12 з.п.ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к узлу соединения двух компонентов воздушного судна. Узел соединения содержит первый компонент и второй компонент, сцепленный с первым компонентом в зоне сцепления. Сцепление компонентов может быть обеспечено посредством совместного отверждения, совместного склеивания, вторичного склеивания, например при помощи клеевого слоя, или любым другим пригодным способом соединения.
Уровень техники
На фигуре 1 показан известный узел соединения основания 1 стрингера с панелью 2 обшивки крыла. Компоненты соединяются друг с другом при помощи клеевого слоя 3. Отказоустойчивый болт 4 обеспечивает сохранение соединения между компонентами в случае нарушения клеевого слоя 3.
Во время работы крыла воздушного судна на узел соединения обычно действуют три основных типа нагрузки. Во-первых, нагрузки действуют на узел соединения в результате локальной кривизны обшивки 2 крыла, которую создает общий изгиб крыла. Во-вторых, на обшивку 2 крыла действуют сдвигающие нагрузки, которые необходимо передавать на стрингер 1 через узел соединения. И, наконец, в результате резкого изменения геометрических параметров на конце 5 стрингера, могут действовать отслаивающие нагрузки, которые стремятся отделить основание 1 стрингера от обшивки 2.
Напряжения 6 сдвига передаются клеевым слоем 3 от обшивки 2 к основанию 1 стрингера, как показано на графике 7. Напряжения сдвига являются максимальными в точке начала передачи, затем они снижаются до нуля, поскольку вся нагрузка пропорционально распределяется между компонентами. Пока клеевой слой 3 остается неповрежденным, болт 4 передает небольшую часть или вообще не передает напряжений сдвига.
Недостаток конструкции, показанной на фигуре 1, заключается в том, что клеевой слой 3 подвержен растрескиванию, которое обычно начинается у конца 5 стрингера, где напряжение 7 сдвига имеет максимум.
Хотя конструкция в целом, благодаря наличию отказоустойчивого болта 4, может выдерживать относительно высокие нагрузки до наступления катастрофического разрушения, правила, предъявляемые к воздушным судам, требуют сохранения общей целостности конструкции. Поэтому необходимо предотвратить начало растрескивания вплоть до критических уровней нагрузок, т.е. до максимальных уровней нагрузок, которые могут возникать во время периода эксплуатации воздушного судна. Обычно это обеспечивается путем повышения толщины обшивки 2.
Раскрытие изобретения
Первый аспект изобретения обеспечивает узел соединения двух компонентов воздушного судна, содержащий первый компонент, второй компонент, сцепленный с первым компонентом в зоне сцепления, которая оканчивается кромкой, свободную зону, расположенную между кромкой зоны сцепления и кромкой второго компонента, при этом компоненты не сцеплены в свободной зоне, и один или более крепежных элементов, проходящих через свободную зону и прикрепляющих первый компонент ко второму компоненту.
Первый компонент может содержать, например, панель, а второй компонент может содержать, например, стрингер с двумя боковыми кромками и торцевой кромкой, которая является более короткой, чем боковые кромки. В этом случае свободная зона расположена между кромкой зоны сцепления и торцевой кромкой стрингера.
Узел соединения предпочтительно содержит промежуточный слой, который расположен между компонентами в свободной зоне. Промежуточный слой выполнен из материала с низким трением, при этом коэффициент трения между промежуточным слоем и первым компонентом меньше, чем коэффициент трения между вторым компонентом и первым компонентом. Промежуточный слой предпочтительно проходит по большей части свободной зоны.
Промежуточный слой может отсутствовать. В этом случае первый и/или второй компоненты могут содержать ступень, которая, по существу, заполняет свободную зону между двумя компонентами. Это предотвращает сцепление в свободной зоне во время изготовления узла при отсутствии промежуточного слоя.
Крепежный элемент предпочтительно проходит через один или оба компонента, а также через промежуточный слой, если последний присутствует. Крепежный элемент предпочтительно представляет собой болт.
Предпочтительно крепежный элемент, ближайший к кромке зоны сцепления, имеет стержень с минимальным диаметром D, проходящий через свободную зону, при этом расстояние L между центральной осью стержня и кромкой зоны сцепления больше, чем 2D.
Второй компонент может быть сцеплен с первым компонентом в зоне сцепления путем совместного отверждения, совместного склеивания или вторичного склеивания. Один или оба компонента могут быть выполнены из множества слоев, которые могут состоять, например, из композитного материала.
Второй аспект изобретения обеспечивает способ передачи сдвигающего усилия между компонентами, согласно которому обеспечивают, по существу, отсутствие передачи сдвигающего усилия между компонентами через свободную зону и передачу по меньшей мере части сдвигающего усилия между компонентами через один или более крепежных элементов.
Согласно способу обеспечивают также сцепление второго компонента с первым компонентом в зоне сцепления; обеспечивают предотвращение сцепления компонентов в свободной зоне и прикрепляют компоненты друг к другу при помощи одного или более крепежных элементов, проходящих через свободную зону. Сцепление компонентов в свободной зоне на операции сцепления предпочтительно предотвращают при помощи промежуточного слоя, который расположен между компонентами в свободной зоне. Как указано выше, этот промежуточный слой можно исключить. В этом случае один (или оба) компонента могут дополнительно содержать ступень, которая, по существу, заполняет свободную зону и, таким образом, предотвращает сцепление в свободной зоне во время изготовления узла.
Еще один аспект изобретения обеспечивает воздушное судно, содержащее узел соединения согласно первому аспекту изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание вариантов изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
фигура 1 -традиционный узел соединения стрингера и панели;
фигура 2 - узел соединения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 3 - три стрингера, присоединенных к внутренней стороне обшивки крыла воздушного судна;
фигура 4 - поперечное сечение по оси А-А, показанной на фигуре 3;
фигура 5 - иллюстрация способа изготовления узла соединения двух компонентов; и
фигура 6 - готовый узел соединения, полученный способом с фигуры 5.
Осуществление изобретения
На фигуре 3 показано три стрингера 10-12, присоединенных к внутренней поверхности нижней обшивки 14 крыла воздушного судна. Стрингеры 10-12 и обшивка 14 выполнены из слоистого композитного материала, в частности из пластика, армированного углеродным волокном (англ.: Carbon Fibre Reinforced Plastic, CFRP). Обычно CFRP содержит ряд слоев однонаправленных углеродных волокон, пропитанных матрицей из эпоксидной смолы.
Каждый стрингер 10-12 имеет основание 15-17, ориентированное параллельно обшивке 14, и ребро 18-20, ориентированное перпендикулярно обшивке 14. Каждое основание стрингера имеет две длинные боковые кромки и две относительно короткие торцевые кромки. Эти торцевые кромки обычно называют "концами". Показан один конец 22 основания 16 стрингера, в то время как концы оснований 15, 17 стрингеров не показаны. Следует отметить, что ребро 19 стрингера 11 имеет скошенную торцевую кромку 21, которая заканчивается в вершине 23, не доходящей до конца 22. Это помогает сгладить процесс передачи нагрузки между обшивкой 14 и стрингером 11.
На фигуре 4 показано поперечное сечение по оси А-А узла соединения стрингер/обшивка с фигуры 3 в области кромки стрингера. Основание 16 стрингера 11 присоединено к обшивке 14 крыла при помощи клеевого слоя 30 и набора из шести болтов 31, три из которых показаны на фигурах 4. Клеевой слой 30 оканчивается кромкой 32, оставляя свободную зону между кромкой 32 и концом 22, где клей отсутствует. В этой свободной зоне между компонентами расположен промежуточный слой 33. Болты 31 проходят через компоненты 14, 16 и промежуточный слой 33.
В отличие от традиционной конструкции, показанной на фигуре 1, болты 31 передают значительную часть сдвигающей нагрузки между компонентами. Этот принцип представлен на фигуре 2, где показан узел соединения с фигуры 1, модифицированный таким образом, что между компонентами расположен промежуточный слой 8, а клеевой слой 3 заканчивается кромкой 9. Поскольку промежуточный слой 8 может передавать только небольшое напряжение сдвига или вообще не может передавать напряжение сдвига, болт 4 передает значительную часть сдвигающей нагрузки, а клей передает гораздо меньшую сдвигающую нагрузку. Поэтому шансы появления растрескивания клеевого слоя являются гораздо меньшими, чем в случае конструкции, показанной на фигуре 1. Аналогичные принципы применимы к узлу соединения, показанному на фигуре 4.
Следует отметить, что может потребоваться увеличение размера болтов 31 по сравнению с традиционным узлом соединения, однако ожидается, что связанное с этим увеличение веса не будет большим, чем компенсация за счет уменьшения толщины обшивки и/или стрингера.
Кроме того, возвращаясь к фигуре 4, следует отметить, что, поскольку кромка 32 клея удаляется от геометрического разрыва между кромкой стрингера 22 и обшивкой 14, отслаивающие нагрузки больше не должны передаваться клеем. Вместо этого такие нагрузки передаются болтами 31. При этом нагрузки на клей, создаваемые общим изгибом крыла, минимизируются или устраняются за счет расположения кромки 32 в такой позиции на крыле, где изгибающий момент является более низким.
Для того чтобы обеспечить передачу большей части напряжений сдвига болтами 31, а не клеем, предпочтительно сохранять значительный интервал между кромкой 32 и болтами. Более конкретно расстояние L (см. фигуру 4) можно определить между кромкой 32 зоны сцепления и центральной осью стержня болта 31, который является ближайшим болтом к кромке 32 зоны сцепления. Это расстояние L предпочтительно больше, чем удвоенный наименьший диаметр D стержня болта 31, но меньше, чем допустимое расстояние прогиба. Допустимое расстояние прогиба определяется как наибольшее расстояние L, которое может быть допущено, прежде чем конструкция подвергнется неприемлемому риску прогиба.
Промежуточный слой 33 выполнен из материала с низким коэффициентом трения, в частности из тефлона. Это особенно важно, если болты 31 являются предварительно напряженными. При этом минимизируется передача напряжений сдвига через промежуточный слой 33. Промежуточный слой 33 также предотвращает проникновение воды в свободную зону.
Фигура 5 иллюстрирует способ получения узла соединения первого и второго компонентов 50, 51, аналогичный описанному выше. Вначале промежуточный слой 52 наносят на первый и/или второй компонент 50, 51 в свободной зоне. Затем слой 53 клея наносят на первый компонент 50 в зоне сцепления. После этого два компонента прижимают друг к другу до тех пор, пока клей не отвердеет. После отверждения клея в свободной зоне устанавливают болты 54. Готовый узел соединения показан на фигуре 6. Промежуточный слой 52 позволяет легко регулировать позицию кромки 55 зоны сцепления. Соединения, показанные на фигурах 2 и 4, также можно получить этим способом. В этом случае клеевой слой обычно наносят на панель, а стрингер прижимают к клеевому слою на панели.
В примере, показанном на фигуре 5, оба компонента подвергают предварительному отверждению перед соединением слоем клея. Однако можно использовать и другие способы соединения, включая совместное отверждение или совместное склеивание. В случае совместного отверждения компоненты отверждают одновременно и после отверждения они оказываются сцеплены друг с другом в зоне сцепления, а промежуточный слой предотвращает протекание эпоксидной смолы в свободную зону. Клеевой слой может присутствовать или отсутствовать в случае совместного отверждения. В случае совместного склеивания один из компонентов (обычно - панель) предварительно отверждают, а стрингер отверждают на панели. Клеевой слой может присутствовать или отсутствовать в случае совместного склеивания.
Изобретение описано выше со ссылками на один или более предпочтительных вариантов осуществления, однако следует понимать, что различные изменения или модификации могут быть внесены без отклонения от объема изобретения, который определяет прилагаемая формула изобретения.
1. Узел соединения двух компонентов воздушного судна, содержащий первый компонент; второй компонент, сцепленный с первым компонентом в оканчивающейся кромкой зоне сцепления; свободную зону, расположенную между кромкой зоны сцепления и кромкой второго компонента, при этом компоненты не сцеплены в свободной зоне; и один или более крепежных элементов, проходящих через свободную зону и прикрепляющих первый компонент ко второму компоненту.
2. Узел по п.1, отличающийся тем, что первый компонент содержит панель, а второй компонент содержит стрингер с двумя боковыми кромками и торцевой кромкой, которая короче боковых кромок, при этом свободная зона расположена между кромкой зоны сцепления и торцевой кромкой стрингера.
3. Узел по п.1, отличающийся тем, что он содержит промежуточный слой, который расположен между компонентами в свободной зоне.
4. Узел по п.3, отличающийся тем, что промежуточный слой выполнен из материала с низким трением, при этом коэффициент трения между промежуточным слоем и первым компонентом меньше, чем коэффициент трения между вторым компонентом и первым компонентом.
5. Узел по п.3 или 4, отличающийся тем, что каждый крепежный элемент проходит через промежуточный слой.
6. Узел по п.3 или 4, отличающийся тем, что промежуточный слой проходит по большей части свободной зоны.
7. Узел по п.1, отличающийся тем, что крепежный элемент проходит через один или оба компонента.
8. Узел по п.7, отличающийся тем, что крепежный элемент представляет собой болт.
9. Узел по п.1, отличающийся тем, что крепежный элемент, который является ближайшим к кромке зоны сцепления, имеет стержень с минимальным диаметром D, проходящий через свободную зону, при этом расстояние L между центральной осью стержня и кромкой зоны сцепления больше, чем 2D.
10. Узел по п.1, отличающийся тем, что второй компонент сцеплен с первым компонентом в зоне сцепления путем совместного отверждения, совместного склеивания или вторичного склеивания.
11. Узел по п.1, отличающийся тем, что один или оба компонента выполнены из множества слоев.
12. Узел по п.11, отличающийся тем, что один или оба компонента выполнены из множества слоев композитного материала.
13. Способ передачи сдвигающего усилия между компонентами в узле соединения, охарактеризованном в одном из предшествующих пунктов, в котором обеспечивают, по существу, отсутствие передачи сдвигающего усилия между компонентами через свободную зону и обеспечивают передачу по меньшей мере части сдвигающего усилия между компонентами через один или более крепежных элементов.
14. Способ изготовления узла соединения, охарактеризованного в п.1, в котором обеспечивают сцепление второго компонента с первым компонентом в зоне сцепления, предотвращают сцепление компонентов в свободной зоне и прикрепляют компоненты друг к другу при помощи одного или более крепежных элементов, проходящих через свободную зону.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что сцепление компонентов в свободной зоне предотвращают при помощи промежуточного слоя во время операции сцепления, при этом указанный промежуточный слой размещают между компонентами в свободной зоне.
