用非平行的縱梁強(qiáng)化的抗扭箱外殼的制作方法
【專利摘要】飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，包括前翼梁(15)、后翼梁(17)、肋(21)以及上和下強(qiáng)化外殼，其中，至少一個(gè)所述外殼(31)被多個(gè)縱梁(33，43)強(qiáng)化，其中，所述縱梁優(yōu)選為歐米伽形縱梁，沿所述外殼整個(gè)跨度延伸，優(yōu)選地為“錐形”分布，并且具有朝向外殼外邊緣(37)遞減的橫截面。
【專利說明】用非平行的縱梁強(qiáng)化的抗扭箱外殼
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用非平行的具有變橫截面的縱梁強(qiáng)化的抗扭箱(torsion box)外殼，并更特別地，涉及一種由復(fù)合材料制成的飛行器的水平或垂直安定面(tail plane)的抗扭箱外殼。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行器浮升面的主結(jié)構(gòu)由前緣、抗扭箱、后緣、根部接頭和尖端構(gòu)成?？古は溆啥鄠€(gè)結(jié)構(gòu)元件組成:在一側(cè)上的被縱梁強(qiáng)化的上和下外殼，和位于另一側(cè)上的翼梁和肋。通常，形成抗扭箱的結(jié)構(gòu)元件被單獨(dú)地制造并且借助于復(fù)雜的工具連接起來以實(shí)現(xiàn)必要的公差，這些公差是由空氣動(dòng)力學(xué)、組裝和結(jié)構(gòu)要求規(guī)定的。
[0003]當(dāng)前，尤其是在航空工業(yè)中，具有有機(jī)基體和連續(xù)纖維的復(fù)合材料，尤其是CFRP (碳纖維強(qiáng)化塑料)，被廣泛地應(yīng)用在各種結(jié)構(gòu)元件中。例如，構(gòu)成抗扭箱的之前列舉的所有元件(肋，縱梁，翼梁和外殼)都可以使用CFRP制成。
[0004]構(gòu)成抗扭箱的外殼被能夠同時(shí)提高外殼的強(qiáng)度和抗彎(buckling)性能的翼展方向上的縱向縱梁強(qiáng)化，所述縱梁具有不同的橫截面，諸如“T”、“ 或歐米伽形狀的橫截面。
[0005]縱梁沿外殼具有多種類型的分布，但最廣泛地用于抗扭箱外殼的是這樣的分布:縱梁平行于后翼梁并且介于它們之間。這一構(gòu)造允許縱梁沿最大載荷方向定向，同時(shí)在具有最大結(jié)構(gòu)任務(wù)的區(qū)域中增加它們的數(shù)目。
[0006]這種具有平行縱梁的構(gòu)造，以及兩個(gè)翼梁彼此不平行的事實(shí)，意味著最靠近后翼梁的縱梁沿著整個(gè)外殼跨度延伸，而最靠近前翼梁的縱梁則具有較小的長(zhǎng)度，因?yàn)樗鼈儽磺耙砹旱拇嬖谒袛唷?br> [0007]縱梁的終止，由于其與前翼梁相交或由于其他原因，是必須要避免的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，這有兩個(gè)主要原因。首先，由于被縱梁支撐的載荷必須被傳遞到產(chǎn)生力和動(dòng)量的外殼，這將導(dǎo)致外殼與縱梁之間的物理連接點(diǎn)的斷裂，結(jié)果，將危及浮升面的結(jié)構(gòu)整體性。其次，由于在外殼的一個(gè)區(qū)域中沒有縱梁，因此所述區(qū)域必須具有更大的厚度，以承受額外的負(fù)載和穩(wěn)定所述區(qū)域，這意味著重量方面的不利。
[0008]本發(fā)明關(guān)注于解決這一問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其具有在重量方面被優(yōu)化的強(qiáng)化外殼。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供一種飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其具有被數(shù)目減少的縱梁強(qiáng)化的外殼。
[0011]這些和其他目的是通過一種飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱得以滿足的，所述抗扭箱包括前翼梁、后翼梁、肋以及上和下強(qiáng)化外殼，其中，至少一個(gè)所述外殼被多個(gè)縱梁強(qiáng)化，所述縱梁全部沿整個(gè)外殼跨度延伸并且具有朝向外殼外邊緣遞減的橫截面。
[0012]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所有縱梁具有沿所述外殼跨度的軌跡，其中，外殼弦長(zhǎng)與各弦向距離之間的比例保持基本恒定，所述弦向距離是每個(gè)縱梁的軌跡與前和后翼梁之間的距離。因此，縱梁在外殼上的分布是“錐形”分布(與現(xiàn)有技術(shù)的“平行”分布不同)，這與朝向外殼外邊緣遞減的橫截面一起，允許減少所需的縱梁的數(shù)目，從而有助于重量?jī)?yōu)化。
[0013]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述縱梁的數(shù)目被定義為具有預(yù)定最小橫截面、能夠被設(shè)置在外殼外邊緣中的縱梁的數(shù)目。因此，縱梁的數(shù)目取決于基于強(qiáng)化要求的所選擇的縱梁幾何形狀及其最小橫截面，從而允許作出不同的選擇，如果在考慮了設(shè)計(jì)和/或制造約束條件的情況下這是便利的話。
[0014]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述縱梁是歐米伽形狀的縱梁，這是因?yàn)闅W米伽形縱梁具有良好的強(qiáng)化特性。然而，T形縱梁、I形縱梁或J形縱梁也是適合本發(fā)明的縱梁。
[0015]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述穩(wěn)定面是水平安定面或垂直安定面。
[0016]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述外殼和所述縱梁由復(fù)合材料，尤其是CFRP制成。
[0017]通過下文中結(jié)合附圖對(duì)示例了本發(fā)明目的的實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚明了。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1示出除了上外殼之外的抗扭箱的典型的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，其中，所述上外殼已被移除，以提高內(nèi)部的可視性。
[0019]圖2示出典型的抗扭箱的外殼的一部分，其中多個(gè)縱梁靠近前翼梁終止。
[0020]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的、用“錐形”分布的可變橫截面縱梁強(qiáng)化的抗扭箱外殼的平面示意圖。
[0021]圖4示出了出了根據(jù)本發(fā)明的、用“錐形”分布的可變橫截面歐米伽形的縱梁強(qiáng)化的抗扭箱外殼的等距視圖。
[0022]圖5a和5b分別示出了內(nèi)和外抗扭箱邊緣內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的縱梁的歐米伽形橫截面。
[0023]圖6示出了用平行的歐米伽形縱梁強(qiáng)化的抗扭箱外殼，其中突出顯示了無縱梁支撐的外殼區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在下面的本發(fā)明的詳細(xì)描述中，我們將主要涉及由CFRP制成的飛行器水平安定面的抗扭箱。
[0025]水平安定面是基本上由兩個(gè)抗扭箱沿飛行器的對(duì)稱平面(兩個(gè)側(cè)向抗扭箱結(jié)構(gòu))或沿與機(jī)身的交界面(中央抗扭箱和側(cè)向抗扭箱結(jié)構(gòu))連接在一起而組成。
[0026]圖1示出了由上外殼(未示出，以便于識(shí)別不同的部件)、用縱向縱梁13強(qiáng)化的下外殼11、前翼梁15、后翼梁17和肋21組成的典型的抗扭箱。
[0027]圖2示出了用平行于后翼梁17的T-形縱梁13加強(qiáng)的外殼11的一部分，其中，區(qū)域22沒有縱梁支撐，因?yàn)樽羁拷耙砹?5的縱梁被所述前翼梁15中斷。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，如圖3所示，水平安定面抗扭箱的外殼31被以“錐形”分布(如前文之定義)并全部沿所述外殼的整個(gè)跨度延伸的多個(gè)縱梁33加強(qiáng)。
[0029]與本發(fā)明有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0030]-所需的縱梁的數(shù)目減少，以優(yōu)化外殼的重量。
[0031]-無縱梁支撐的那些外殼區(qū)域的尺寸最小化，從而它們的厚度不必增加。
[0032]-沒有縱梁被前翼梁中斷的事實(shí)避免了圖2中所示的有問題的結(jié)構(gòu)特征。
[0033]次要方面，還存在著與在遠(yuǎn)離抗扭箱的連接部的結(jié)構(gòu)的區(qū)域中所需的肋21的數(shù)目減少的可能性有關(guān)的其他優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)?，?dāng)抗扭箱的尺寸減小并且縱梁數(shù)目保持不變時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的整體性能改進(jìn)而導(dǎo)致肋21之間的間距增加。該事實(shí)還意味著水平安定面的重量和成本的降低；以及使所述外殼與其他元件在制造過程中集成起來的可能性最大化。
[0034]由于在最遠(yuǎn)離飛行器的對(duì)稱平面的抗扭箱的邊緣中存在稀有空間(scarcespace)，能夠被設(shè)置在該區(qū)域中的縱梁的最大數(shù)目可能不足以強(qiáng)化所述抗扭箱被連接的區(qū)域，因此，該區(qū)域的厚度將不得不增加，從而影響結(jié)構(gòu)的重量。因此，連同縱梁的“錐形”分布，縱梁的橫截面必須是可變的，使得在抗扭箱的外邊緣處較小，以限定可能的縱梁的最大數(shù)目，并且使得在具有最高結(jié)構(gòu)任務(wù)的區(qū)域中較大，以承受該區(qū)域的載荷以及支撐更大的面板表面，補(bǔ)償縱梁的較少的數(shù)目并避免對(duì)于增加該區(qū)域的厚度的需求。取決于所使用的縱梁的橫截面形狀，優(yōu)化外殼重量所需的縱梁的數(shù)目會(huì)變化，每個(gè)縱梁提供的慣性越大或者必須被所述元件支撐和穩(wěn)定的外殼部分越大，則所述縱梁的數(shù)目就越小。
[0035]在圖4示出的優(yōu)選實(shí)施例中，縱梁為歐米伽形的縱梁43。與外殼的內(nèi)邊緣35和外邊緣37相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)可能的歐米伽橫截面如圖5a和5b所示。
[0036]歐米伽形縱梁具有高慣性并且由于其幾何形狀，其可以向較大的外殼面板提供支撐和穩(wěn)定性。這些特性及其與制造有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)(因?yàn)楣ぞ叩暮?jiǎn)化和減少，因此成本降低)，使其在抗扭箱和機(jī)身的外殼強(qiáng)化方面非常引人關(guān)注。
[0037]雖然在過去幾年中，歐米伽形狀的縱梁被廣泛地應(yīng)用于機(jī)身中，但由于它們存在重量方面效率低的問題，因此還未被用在抗扭箱中。這是因?yàn)?，這種類型的縱梁與現(xiàn)有技術(shù)中平行分布的組合，如圖6所示，由于其幾何形狀(例如與T形縱梁相比)將導(dǎo)致縱梁23與前翼梁15匯合處的較大的外殼區(qū)域29沒有支撐。由于已經(jīng)提到的原因，這些區(qū)域29的厚度必須增加，這將增加結(jié)構(gòu)的重量。
[0038]然而，本發(fā)明的抗扭箱不存在這些問題。相反，作為使用歐米伽橫截面和減少縱梁數(shù)目的結(jié)果，外殼重量及其制造成本都降低，這些都是與縱梁的橫截面和數(shù)目減少直接相關(guān)的。
[0039]在另一實(shí)施例中，可以使用T、I或J形縱梁，雖然比使用歐米伽形縱梁時(shí)需要更大數(shù)目的縱梁，并且因此與重量和成本有關(guān)的利益在一定程度上被降低，但其仍然能夠獲得與消除靠近前翼梁的縱梁終止有關(guān)的益處。
[0040]本發(fā)明可應(yīng)用于任意抗扭箱并且優(yōu)選地應(yīng)用于水平或垂直安定面抗扭箱。
[0041]盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例作出了完整地描述，但顯然可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)引入修改，因此，不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明是被這些實(shí)施例限定的，而是應(yīng)當(dāng)由權(quán)利要求的內(nèi)容來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，包括前翼梁(15)、后翼梁(17)、肋(21)以及上強(qiáng)化外殼和下強(qiáng)化外殼，其特征在于，至少一個(gè)所述外殼(31)被多個(gè)縱梁(33，43)強(qiáng)化，其中，所述縱梁全部沿整個(gè)外殼跨度延伸并且具有朝向外殼外邊緣(37)遞減的橫截面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所有縱梁(33，43)具有沿所述外殼跨度的軌跡，其中，外殼弦長(zhǎng)與各弦向距離之間的比例保持基本恒定，其中，所述弦向距離是每個(gè)縱梁(33，43)的軌跡與前和后翼梁(15，17)之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所述縱梁(33，43)的數(shù)目被定義為具有預(yù)定最小橫截面、能夠被設(shè)置在外殼外邊緣(37)中的縱梁的數(shù)目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所述縱梁(43)是歐米伽形狀的縱梁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所述縱梁(33)是以下縱梁中的一種: -T形縱梁； -1形縱梁； -J形縱梁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所述穩(wěn)定面是水平安定面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所述穩(wěn)定面是垂直安定面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的飛行器穩(wěn)定面的抗扭箱，其中，所述外殼(31)和所述縱梁(33，43)由復(fù)合材料制成。
【文檔編號(hào)】B64C1/06GK103429492SQ201280006984
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月31日
【發(fā)明者】雨果·卡薩多阿巴克羅, 弗蘭西斯科·哈維爾·奧諾雷托魯伊斯, 弗蘭西斯科·何塞·克魯茲多明古埃斯 申請(qǐng)人:空中客車西班牙運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司