CN102427997A - 肋骨和用于制造这种肋骨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加强运输工具、特别是飞行器的机身(2)的肋骨(1)，它具有至少一个与机身(2)的曲率相对应地成形的肋骨元件(3)，所述肋骨元件在朝向机身(2)的侧面(16)上具有空隙(5)，用于穿过运输工具的纵梁(4)，其中，每个肋骨元件(3)一体地由纤维强化的塑料复合材料制成，其中空隙(5)构造成每个肋骨元件(3)的整体形成的凹部(6)。

Description

肋骨和用于制造这种肋骨的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于加强运输工具、特别是飞行器的机身的肋骨/肋材(Spant)。

背景技术

肋骨是在小艇、舰艇、飞机和其他运输工具中用于加强或强化机身的承载构件，并且看上去构成所述运输工具的“肋部”。通常按均匀的间距在运输工具机身的内侧沿周边安装多个环形的肋骨。在机身的纵向方向上设置纵梁或纵桁，这些纵梁或纵桁横向于肋骨延伸并通过肋骨的相应的空隙。在船舶制造时作为用于肋骨和其他结构元件的材料通常采用木材或钢，而用于飞机的肋骨为了降低总重量主要由铝或其他轻金属制成。

在现有技术一方面已知一体的铝肋骨，这种肋骨根据飞机机身的曲率成型。用于通过横向于肋骨延伸的纵梁构成的基础结构的空隙这里通常通过铣削或起个设置到肋骨中。

此外，在现有技术中已知两部分式的肋骨，所述肋骨具有一个框架和一个固定在飞机机身上的肋骨底座(见图3)。所述框架这里与肋骨底座相铆接或以另外的方式固定地连接。用于纵梁的空隙这里从肋骨底座上铣出，如后面结合图3所解释的那样。

但具有铣削的空隙的肋骨在其制造上是非常复杂的。考虑到构件的高的件数，铣削总是构成制造中很大的成本因素。

为了避免铣削空隙，多数情况下使用具有多个铆接的构件的分化的肋骨。这种肋骨由一体的框架、例如C形型材构成，所述框架通过多个固定在框架上的保持锚固件与机身固定相连。所述保持锚固件这里相互间隔地设置，从而在其间隙中形成用于穿过纵梁的空隙。在这种肋骨中，纵梁因此在保持锚固件之间延伸，其中纵梁位于框架的下方，从而在框架本身中不必设置空隙。因此在这种肋骨中甚至不需要铣削出空隙，但不利地需要多个保持锚固件，以便构成用于穿过纵梁的空隙。此外保持锚固件在机身上的固定也是耗时和高成本的。

此外在现有技术中在原理上已知，在飞机中使用纤维强化的塑料复合材料用于结构构件。通过使用纤维复合材料降低了飞机的总重量，从而可以明显降低燃料消耗。同时由纤维复合材料制成的构件的突出在于其高强度和刚度以及其小的发生材料疲劳或腐蚀的倾向。

在传统的由纤维复合材料制成的肋骨中，用于纵梁或纵桁的空隙和在铝肋骨中一样通过铣削或通过不同的构件形成。

在DE 10 2007 030 026 A1中示出一种用于飞行器的结构构件，具有由碳素强化的塑料(CFK)制成的肋骨元件。肋骨元件在朝向机身的侧面上具有对应于飞机机身的内部曲率弯曲的凸缘，所述凸缘用于将肋骨元件固定在机身上。此外，在机身侧还设有多个用于穿过纵梁的空隙。所述空隙在制造过程中通过切割或铣削设置在肋骨元件中。但这里在空隙区域中的凸缘也被除去，从而肋骨元件的制成的凸缘在空隙的区域中被中断。由此，肋骨元件总体上被削弱，因为凸缘对于肋骨元件的刚度或强度是特别重要的。因此在DE 10 2007 030 026 A1中为了提高机械稳定性建议，肋骨元件与横梁元件合并，所述横梁元件横向地将肋骨元件的两个弓形部段连接。但这在结构上是复杂的，其中通过附加的横梁元件不利地提高了飞机的总重量。

DE 10 2006 051 457 A1示出一种由纤维强化的塑料复合材料制成的肋骨元件，具有底座部分或凸缘和用于穿过具有T形轮廓的纵桁的空隙，所述底座部分或凸缘贴靠在飞行器的机身上。在空隙之间的区域中，所述凸缘具有阶梯状变化的厚度，从而凸缘配合精确地符合通过T形纵桁的底座部分形成的阶梯状的基础结构。但这里空隙也通过铣削或切割在肋骨元件中加工出来，从而凸缘也在空隙的区域中中断。因此，在这种肋骨元件中由于铣削的空隙也会对机械稳定性产生不利影响。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种结构上简单的肋骨，特别是用于飞机的肋骨，所述肋骨同时具有小的重量和特别是在过载情况喜下高的机械稳定性。此外，还应提供一种用于制造这种肋骨的特别经济和高效的方法。这里应避免或至少减少已知肋骨和用于制造肋骨的方法的缺点。

所述目的在前面所述类型的肋骨中通过根据权利要求1的特征部分的特征来实现，对于前面所述的方法，通过根据权利要求10的特征部分的特征来实现。

通过由纤维强化的塑料复合材料一体地制造肋骨以及将用于穿过纵梁的空隙构造成每个肋骨元件的整体形成(integral)的凹部，可以避免耗时和高成本地铣削空隙。相对于多部分式的肋骨元件，还得到这样的优点，直接提供与基础结构精确匹配的肋骨元件，而不必将各单个部件相互铆接并在飞机中设置在纵梁上。通过整体地构成凹部最终提供了一种特别稳定和高刚度的肋骨，这种肋骨即使在过载情况下也能满足对其可承载性或机械稳定性的高要求。

在一个特别有利的实施形式中，每个肋骨元件具有一个朝向机身的凸缘，其中所述凸缘在空隙的区域内与空隙的轮廓相对应地延伸地设置。以这种方式提供了连贯的凸缘，所述凸缘在空隙的区域内没有中断。在空隙之间的区域中凸缘贴靠在机身上并可以固定、例如铆接在机身上；在凹部的区域内凸缘被拉高，从而凸缘能跟随空隙的轮廓。因此凸缘在肋骨元件的整个长度上跟随基础结构的轮廓，所述基础结构通过机身或纵梁构成。借助于连贯的凸缘可以实现一种特别稳定的肋骨，因为避免了由于在空隙的区域内缺少机身侧的凸缘而降低稳定性。

为了提高肋骨元件的刚度，已经证明有利的是，肋骨元件具有基本上T形、I形、Z形或优选C形的横截面。

每个肋骨元件由编结的纤维或纤维束和由塑料组成的基质制成，由此实现了特别稳定的和轻质的肋骨。

肋骨元件优选按液体模塑法制造，其中已经证明特别是树脂注塑法或RTW(树脂传递模塑)法和VARTM(真空辅助树脂传递模塑)法是特别合适的。这里将干的纤维置入封闭的模具中，此后将模具抽真空并将液态的树脂必要时在压力下注入。最后通过输入热量使树脂硬化。

除此以外，也可以都按预浸渍(预浸渍纤维)法制造肋骨元件。这里将用基质材料进行预浸渍，即已经浸泡的纤维、纤维束或纤维垫施加到芯部上，对其进行排气，并且必要时在高压釜中在压力和热作用下硬化。

考虑到肋骨元件在与设置在飞机的内室、特别是客舱或货舱地板中的结构元件的连接部位处提高的载荷，有利的是，每个肋骨元件在背离机身的侧面具有凸出部，用于容纳结构元件。

在根据本发明的一个特别有利的实施形式中设定，纤维或纤维束形锁合地施加到芯部上，芯部具有对应于每个肋骨元件的空隙的凹入部，以便构成每个肋骨元件的整体形成的凹部。因此纤维，例如碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维合并成纤维束或纤维条并紧密地并排定位在芯部上。这里芯部使肋骨元件具有其以后的结构，其方式是，其横截面对应于希望的轮廓几何形状，特别是C形、T形、I形或Z形轮廓，并且芯部此外还具有凹入部，所述凹入部对应于制造完成的肋骨元件的空隙。

特别有利的是，纤维束在芯部上相互编结。为此设有专门的编结机，利用所述编结机可以在编结机上将一层或多层优选统一方向的纤维相互编结。

当用纤维或编结的纤维束卷绕的芯部基本上在纵向长度的中平面分开时，可以实现一种特别有效和节省成本的用于制造肋骨的方法，由此可以提供两个肋骨元件。据此，在这种优选的方法中首先制成预成形体(Vorform)，其方式是，将纤维或纤维束施加到芯部上，特别是相互编结地施加到芯部上，接着进行浸渍和硬化。所述预成形体接着被分开，优选在预成形体的中平面处被分开，从而得到两个镜像对称的肋骨元件。

这可以有利地在具有基本上正方形的横截面的芯部中应用，其中通过在中平面中将预成形体分开提供了两个具有基本上C形的横截面的肋骨元件。

如果肋骨元件构造成空心元件，则有利的是，最后拆除芯部。例如可以用化学的方式溶解泡沫芯部。但特别有利的是水溶性的芯部，这种芯部由沙子或石膏压制而成并最终能简单地用水冲掉。另一方面也可以采用可重复使用的芯部，例如由铝制成的芯部。但原则上也可以将芯部保留在制造完成的肋骨中。

附图说明

下面根据在附图中示出的优选实施例来详细说明本发明，本发明不仅限于所述实施例。具体地在图中：

图1示出飞机机身的一个部分的透视图；

图2示出图1的飞机机身的剖视图；

图3示出根据现有技术的两部分式肋骨的细部视图；

图4a和图4b分别示出根据现有技术的带有肋骨和多个纵梁的强化结构的透视图；

图4c示出根据图4b的肋骨元件的正视图；

图5a和图5b分别示出带有根据本发明的C形肋骨和多个纵梁的强化结构的透视图；

图6示出根据图5a和5b的C形肋骨的透视细部视图；以及

图7a和7b分别示出客舱地板与具有根据图5a、5b和6的C形肋骨的连接部位的透视细部视图。

具体实施方式

图1示意性示出具有基本上圆柱形形状的飞机机身2。在机身2的内侧设有多个均匀间隔的肋骨1，这些肋骨对应于机身2内部的曲率延伸。横向于肋骨在机身2的纵向上，按优选均匀的角度间距设置纵梁或“纵桁”4，所述纵梁或纵桁与肋骨1一起构成机身2的二维的加强或强化结构。

在机身2的内部空间中设有另外的结构元件20，例如货舱或客舱地板20。这里客舱地板20具有多个基本上竖直设置的支柱，利用所述支柱地板20支承在机身2上；为此设置多个均匀间隔的横梁，所述横梁与支柱垂直设置并以常见的方式固定在支柱上。

肋骨1可以由多个肋骨元件3构成；在图2中示出三个肋骨元件3，这些肋骨元件在其相应的端部区段上通过已知的连接元件、如保持弓架或类似元件相互连接，从而总体上提供了一种环形的肋骨1。

如图2所示，在肋骨元件3的朝向机身2的侧面上设有空隙5，在图2中为了更清楚起见没有示出的纵梁4延伸穿过这些空隙。在客舱地板的支柱或横梁的连接部位处在承载上对肋骨1提出了特殊的要求。为此各个肋骨元件3可以在与客舱地板的连接部位的区域内具有加强位置，特别是凸出18，客舱地板20的相应支柱或横梁固定在所述加强位置处，如结合图7a和7b详细说明的那样。

图3和4a至4c示出传统的用于飞机机身2的肋骨元件3，如由现有技术已知的那样。特别是在图3中示出了一个两部分式的肋骨3a、3b，所述肋骨由一个整体的框架3a、例如C形型材3a和一个肋骨底座3b组成。肋骨底座3b具有下部的凸缘7，所述凸缘贴靠在机身的内侧上并用于将肋骨3a、3b固定在机身2上。C形型材3a在其背离机身2的侧面的区域内与肋骨底座3b固定连接，特别是螺纹连接或铆接，使得整体上提供了一种具有F形横截面的肋骨。在肋骨底座3b中在朝向机身2的侧面上设置用于穿过纵梁4的铣削的空隙5。

图4a和4b示出已知的具有多个纵向元件4的肋骨3的透视图，所述纵向元件通过空隙5。所示的肋骨3具有带有镜像相反地定向的、下部的凸缘7的F形轮廓，其中所述F形轮廓可以是两部分式的，如结合图3所说明的那样，或者可以构造成一体的。在图4c中在左侧示出一个具有肋骨底座3b和一个固定在肋骨底座3b上的C形型材3a的F形轮廓；在图4c的右侧示出一体式的F形肋骨。

在这两种已知的技术中，空隙5通过铣削、切割以及类似的方式设置到肋骨中。但特别是如图4b所示，由此会出现对肋骨元件不利的削弱，因为在空隙5的区域内要除去凸缘7。

根据“故障保护”原理，应将肋骨失效的影响设计为尽可能没有危险，这个原理要求在已知的肋骨中实现一种具有多个凸缘的轮廓几何形状，特别是在图4c中示出的F形几何形状，以将在空隙5的区域内缺少下部的凸缘7的不利影响保持较低。

因此，其他轮廓几何形状由于利用铣削空隙5而部分地除去下部的凸缘而受到很大的削弱；例如C形型材在空隙5的区域内损失了其横截面积的约40％，因此不再能可靠地确保特别是涉及压力载荷的要求的承载能力。

在图5a和5b中示出根据本发明的肋骨元件3，所述肋骨元件一体地由纤维强化的塑料制成，其中空隙作为整体形成的凹部5构成，就是不是通过复杂和高成本的措施，如铣削、切割等设置在肋骨元件3中。此外通过整体地构成凹部6还满足“故障保护”条件，因为肋骨元件没有通过铣削空隙5削弱。如图5a所示，整体地构成凹部6使得实现了一种C形的横截面，由此与F形轮廓或其他具有三个或更多凸缘的几何形状相比有利地明显降低肋骨元件的重量。

空隙5优选以均匀的角间距沿着每个肋骨元件3的周边/周向设置。在所示的实施例中，空隙5具有棱柱形的形状，并具有基本上为梯形的底面，其中这里也可以设想其他结构，例如矩形的底面和特别是也可以具有带有倒圆棱边的几何形状。

C形的肋骨元件3的下部的凸缘7这里跟随通过机身2和多个纵梁4构成的基础结构。在空隙5的区域内，凸缘7设置成与空隙5的轮廓相对应地延伸并贴靠在纵梁4上。由于凸缘7跟随空隙5或互补地构成的纵梁4的轮廓，凸缘7即使在空隙5的区域内也没有中断。通过使凸缘7拉高或拉低，在整体形成的凹部6的区域内只损失很小的面积，因为凸缘7没有通过铣削空隙5被除去。

当然，通过整体地构成凹部6也可以在其他轮廓几何形状中实现提高的承载能力。在这种情况下可以设想例如具有I形、Z形或T形横截面的肋骨元件3。

在图6中示出根据本发明的肋骨元件3的细部视图，其中为了清楚起见没有示出纵梁4。这里肋骨元件3由相互编结的由碳、玻璃、芳族聚酰胺或类似材料支承的纤维或纤维束组成，所述纤维或纤维束用由塑料组成的基体材料，例如环氧树脂浸渍。

为了提供所示的具有C形横截面的肋骨元件3，用纤维或纤维束配合精确地缠绕一个芯部。优选使多个同方向的纤维或纤维束连接并接着在编结芯部上对其进行编结。编结芯部的形状这里精确地对应于要制造的肋骨元件的希望的形状。为此，芯部具有多个凹入部，它们在其形状上对应于支承的肋骨元件3的空隙5。以这种方式空隙5构造成整体形成的凹部6并不必在复杂且高成本的步骤中专门铣削或切割。

纤维与塑料制成的基质相连，其中在施加到编结芯部上之前进行浸渍(所谓的预浸渍法)或者在编结芯部上编结之后(借助于树脂传递模塑法或真空辅助树脂传递模塑法)进行。

在制造C形肋骨元件时首先制造预成形体，其方式是在具有正方形的横截面和对应于以后的肋骨元件的空隙的形状成形的凹入部的编结芯部上编结纤维束。接着将预成形体在其中平面处切开，以便以这种方式得到两个镜像相反的C形肋骨元件。最后可以除去芯部，并可以重新利用芯部；在存在泡沫芯部或由压制的沙子和石膏制成的芯部时，也可以用化学的方式溶解芯部或用水将其冲洗出来。

图7a或7b示出了客舱地板20的支柱或横梁与相应的肋骨元件3的连接部位的细部视图。支柱或横梁的端部段与肋骨元件3的相应区域铆接或以其他方式可靠地连接。为了提高连接部位能承受的载荷，肋骨元件在这个区域中具有凸出部18，利用所述凸出部使C形型材的横截面积增大。凸出部18在制造中通过纤维或编结的纤维束的在该区域内的至少一个附加的层来形成。

在所示的实施例中，凸出部18基本上朝内室的方向延伸，其中C形型材的机身侧的凸缘7和背离机身的凸缘之间的连接区域在连接部位的区域扩大；为了进一步加强连接部位，各凸缘也可以设置为在机身2的纵向方向上具有较大的延伸尺寸。

完成本发明的研究工作由欧洲联盟根据第七框架计划(FP7/2007-2013)按照资助协议Nr.213371资助。

Claims (19)

1.用于加强运输工具、特别是飞行器的机身(2)的肋骨(1)，它具有至少一个与机身(2)的曲率相对应地成形的肋骨元件(3)，所述肋骨元件在朝向机身(2)的侧面(16)上具有空隙(5)，用于穿过运输工具的纵梁(4)，其特征在于，每个肋骨元件(3)一体地由纤维强化的塑料复合材料制成，其中空隙(5)构造成每个肋骨元件(3)的整体形成的凹部(6)。

2.根据权利要求1的肋骨(1)，其特征在于，每个肋骨元件(3)具有一个朝向机身(2)的凸缘(7)，其中凸缘(7)在空隙(5)的区域内与空隙(5)的轮廓相对应地延伸地设置。

3.根据权利要求1或2的肋骨(1)，其特征在于，每个肋骨元件(3)都具有基本上为T形、I形、Z形或优选C形的横截面。

4.根据权利要求1至3之一的肋骨(1)，其特征在于，每个肋骨元件都由编结的纤维或纤维束以及由塑料组成的基质制成。

5.根据权利要求1至4之一的肋骨(1)，其特征在于，每个肋骨元件(3)都按液体模塑法制造。

6.根据权利要求1至4之一的肋骨(1)，其特征在于，每个肋骨元件(3)都按预浸渍(预浸渍纤维)法制造。

7.根据权利要求1至6之一的肋骨(1)，其特征在于，每个肋骨元件(3)都在背离机身(2)的侧面(13)具有凸出部(18)，用于容纳结构元件(20)。

8.根据权利要求1至7之一的肋骨(1)，其特征在于，每个空隙(5)都具有带有基本上梯形底面的棱柱形的形状，其中空隙(5)的棱边优选是倒圆的。

9.根据权利要求1至8之一的肋骨(1)，其特征在于，空隙(5)按优选均匀的角间距沿每个肋骨元件(3)的周边设置。

10.用于制造由至少一个肋骨元件(3)组成的肋骨(1)的方法，所述肋骨用于加强运输工具、特别是飞行器的机身，其中每个肋骨元件(3)与机身(2)的曲率相对应地成形，并在朝向机身(2)的侧面(16)上具有空隙(5)，用于穿过纵梁(4)，其特征在于，每个肋骨元件(3)都一体地由纤维强化的塑料复合材料成形，其中空隙(5)构成为每个肋骨元件(3)的整体形成的凹部(6)。

11.根据权利要求10的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，每个肋骨元件(3)具有一个朝向机身(2)的凸缘(7)，其中凸缘(7)在空隙(5)的区域内与空隙(5)的轮廓相对应地延伸。

12.根据权利要求10或11的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，每个肋骨元件(3)都成形为T形型材、I形型材、Z形型材或优选C形型材。

13.根据权利要求10至12之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，为了构成纤维强化的塑料复合材料，用塑料组成的基质材料浸渍纤维。

14.根据权利要求10至13之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，纤维或纤维束形锁合地施加到一个芯部上，其中芯部具有对应于每个肋骨元件的空隙(5)的凹入部，以便构成每个肋骨元件(3)的整体形成的凹部(6)。

15.根据权利要求10至14之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，纤维或纤维束在芯部上相互编结。

16.根据权利要求10至15之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，最后对施加在芯部上的纤维或纤维束进行排气并在压力和热下使其硬化。

17.根据权利要求10至16之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，用纤维或编结的纤维束缠绕的芯部基本上在其纵向延伸尺寸的中平面处分开，从而提供两个肋骨元件(3)。

18.根据权利要求10至17之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，芯部具有基本上正方形的横截面。

19.根据权利要求10至18之一的用于肋骨(1)的方法，其特征在于，最后将芯部除去。

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