CN103124673A - 加强件斜切部位 - Google Patents
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Abstract
提供一种面板组件，其包括面板（11）、加强件（12）以及配件（13），所述加强件具有脚部（12a）、直立腹板（12a）以及位于一个端部处的斜切区，其中，所述加强件脚部粘结至所述面板，并且，所述配件在所述加强件的脚部的所述端部的外侧附接至所述加强件腹板和所述面板。所述加强件的所述腹板的外侧端部可伸出所述加强件的所述脚部的在斜切区中的外侧端部之外。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有斜切区的加强件；包括加强件增强面板的面板组件；用于形成加强件增强面板的套件；以及形成加强件增强面板的方法。
背景技术
薄壁面板可通过多个加强件的附接被加强，多个加强件将面板划分为多个更小的且更稳定的子面板。在例如飞行器结构的许多重量最优化的结构中会碰到加强件增强面板。例如，飞行器翼盒通常包括上盖和下盖，上盖和下盖包括用增强纵向桁梁（加强件）加强的蒙皮（面板）。
由于与其他结构部件相抵触，加强件不得不在某些区域中终止。在飞行器翼盒的情况中，加强件通常不得不终止于例如翼根、翼梢、检查孔等处。在加强件的末端，由加强件支承的应力转移到面板中。加强件末端因此常常是局部应力集中区域的原因所在。为了减少该应力集中，加强件通常被设计为在末端处具有所谓的“斜切”区，以便以使应力峰值最小化的方式将载荷从加强件转移到面板中。
随着在重量优化结构中更多地使用例如碳纤维增强塑料（CERP）的复合材料的举措，加强件斜切部位处的结构特性是特别令人感兴趣。
对于复合飞行器翼盒盖，桁梁通常被粘结（被共固化、共胶接、或二次胶接）到蒙皮。由于桁梁和蒙皮之间的自然偏置，使得桁梁斜切部位在负载时会遭受断裂。该偏置引起平面外弯曲，该平面外弯曲导致拉伸穿透载荷，该拉伸穿透载荷能够在桁梁脚部斜切部位的端部（顶端）、即桁梁附接于蒙皮的位置处引起剥离。
该问题照惯例已经通过确保负载时在结构中的低变形（低应变）而被解决。使结构能够在较高的应变下工作而不出问题的方案能够使得重量减轻。US2005/0211846A1描述了一种桁梁斜切部位，该桁梁斜切部位在斜切部位处的桁梁高度逐渐减小，并且WO2008/132498A1描述了将桁梁斜切部位紧固至面板以提高性能。
发明内容
本发明的第一方面提供一种面板组件，包括面板、加强件以及配件，所述加强件具有脚部、直立腹板以及位于一个端部处的斜切区，其中，所述加强件脚部粘结至所述面板，并且，所述配件在所述加强件的脚部的所述端部的外侧附接至所述加强件腹板和所述面板。
本发明的另一方面提供一种形成加强件增强面板的方法，所述方法包括：提供加强件，所述加强件具有脚部、直立腹板和位于一个端部处的斜切区，将所述加强件粘结至面板，以及在所述加强件脚部的所述端部的外侧将配件附接至所述加强件腹板并且将所述配件附接至所述面板。
本发明的又一方面提供一种用于形成加强件增强面板的套件，所述套件包括加强件、面板以及配件，所述加强件具有脚部、直立腹板和位于一个端部处的斜切区，所述配件用于在所述加强件的脚部的所述端部的外侧附接至所述加强件腹板以及所述面板。
本发明的有利之处在于配件可具有足够的抗弯刚度，用以最小化在加强件脚部的斜切部位局部的面板弯曲，这减少在加强件脚部的该端部处的剥离力并且因而增强裂缝起始于加强件脚部的该端部所需的载荷的强度。虽然面板的弯曲被进一步向外侧传递至配件的外侧端部，但配件可被紧固至面板，而不是粘结至面板，并且因而紧固件能够有足以抵抗所产生的穿透载荷的强度。
在本发明的又一方面中，提供一种加强件，包括脚部和直立腹板，并且在一个端部处具有斜切区，其中，所述腹板的外侧端部伸出所述脚部的在所述斜切区中的外侧端部之外。
本发明的有利之处在于腹板的外伸部分可用于在桁梁脚部的所述端部的外侧固定腹板。
用于加强件增强面板的加强件为纵向构件。
具有外伸腹板的加强件可使用于根据本发明的第一方面的面板组件中。
配件可附接至加强件腹板。在配件具有外伸腹板部分的情形中，则配件优选地至少附接于该外伸腹板部分。更优选地，配件附接至外伸腹板部分以及在斜切部位内侧的腹板。
配件可紧固至加强件腹板和/或面板。例如，配件可用螺栓连接。
配件可直接地紧固至加强件腹板和/或面板。
配件优选地不直接粘结至面板。
配件可被布置为在所述加强件脚部的所述端部与所述配件之间提供间隙。该间隙尺寸优选地相对较小。当拉伸载荷沿纵向加强件方向施加至面板组件时，该小间隙可引起面板向内弯曲，导致在加强件脚部的斜切部位的有益的反剥离。
配件可形成为具有脚部和直立腹板的“靴状体”。
配件可形成为两个部件，所述加强件腹板的两个侧面上各附接一个部件。替代性地，配件可形成为一体式部件。
所述加强件脚部通过从包括以下方式的组中选择的一种方式粘结至所述面板：共固化、共胶接、或二次胶接。另外，加强件脚部的所述外侧端部可被紧固至面板。
所述配件的抗弯刚度可足以防止所述面板在所述加强件脚部的所述端部局部发生弯曲。
加强件脚部的所述端部可具有背面倒角。背面倒角可具有面对外侧并且朝着面板的表面。树脂填角可设置在背面倒角和面板之间。树脂填角可大体填充背面倒角和面板之间的空隙，并且树脂填角还以在该填角的外侧端部处的圆角为特征。背面倒角可增强在脚部的外侧端部处的面板到加强件的接合处的强度。
加强件可具有T形截面。替代性地，加强件可具有I形截面、L形截面、U形截面或任何其他适合的截面。
加强件可具有在所述加强件腹板与所述加强件脚部的所述端部之间的交接点处的填角。该填角有助于减少应力集中。
面板组件可包括多个加强件。
加强件例如可为桁梁，或纵梁。
配件可包括在加强件脚部的一部分上延伸的指板。指板可具有直立凸缘。凸缘可设置在指板的侧边缘处。指板可通过加强件脚部紧固至面板。
所述面板组件或加强件可在航空航天应用中被采用。例如，所述加强件可用于增强飞行器机身蒙皮（面板）或翼盒盖（面板）。
加强件优选地由复合材料形成。复合材料例如可包括纤维增强塑料，比如碳纤维增强塑料。
该复合材料可具有包括一组层压片的堆叠的层压构造。
配件也可由复合材料形成，其复合材料可以与加强件的复合材料相同或不同。替代性地，配件可为金属的并且可由例如铝或钛制成。
面板也可由复合材料形成，其复合材料可以与加强件的复合材料相同或不同。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施方式，附图中：
图1描绘了在拉伸载荷下的常规加强件增强面板的侧视图，该图示出在加强件脚部的外侧端部处的典型的裂缝起始位置；
图2描绘了根据本发明的实施方式的加强件增强面板组件的侧视图，其包括在加强件脚部的端部的外侧将加强件腹板的外伸部分附接至面板的配件；
图3描绘了单独的加强件的侧视图，该图详细地示出背面倒角；
图4描绘了图2的面板组件的三维视图；
图5描绘了根据本发明的另一实施方式的加强件增强面板组件的侧视图，其中，加强件腹板不具有外伸部分；以及
图6和7描绘了根据本发明的又一实施方式的加强件增加面板组件，其中，加强件腹板不具有外伸部并且配件具有将指板与直立边缘凸缘合并的单一构造。
具体实施方式
图1描绘了常规的加强件增强面板。在该实例中，面板1为飞行器翼盒的蒙皮，并且加强件2为增强纵向桁梁。加强件2具有倒置的“T”形横截面而形成脚部2a和直立腹板2b。加强件2在一个端部处具有斜切区3。在该实例中，该斜切区以腹板高度朝着加强件脚部2a的外侧端部5减少的渐窄部4为特征。图1描绘了在沿加强件的纵向方向施加的拉伸载荷（夸大的）下加强件增强面板的侧视图，并且图1示出在加强件脚部2a的外侧端部5处的典型裂缝起始位置6。
图2描绘了根据本发明的实施方式的加强件增强面板组件10。组件10包括面板11、加强件12和配件13。在该实例中，面板11为飞行器翼盒的蒙皮并且加强件12为增强纵向桁梁。在该飞行器翼盒中，桁梁大体在翼展方向延伸，并且配件13附接至加强件12的外侧端部（顶端）。
面板11和加强件12均由复合材料形成。该复合材料可例如包括纤维增强塑料，比如碳纤维增强塑料。该复合材料可具有包括一组层压片的堆叠的层压构造。
加强件12具有大体倒置的“T”形横截面，从而限定出加强件脚部12a以及直立加强件腹板12b。加强件脚部12a粘结至面板11的内表面。加强件脚部可通过共固化、共胶接或二次胶接而粘结至面板。加强件12在它的外侧端部14具有斜切区，载荷在此处从加强件转移到面板中。加强件腹板12b具有外侧端部15，该外侧端部15伸出加强件脚部12a的在斜切区中的外侧端部16之外，从而限定加强件腹板12b的外伸部分12c。
加强件脚部12a的外侧端部16具有背面倒角17。背面倒角17具有面对外侧并且朝着面板11的表面。树脂填角18设置在背面倒角17和面板11之间。该树脂填角18大体填充在背面倒角17和面板11之间的空隙，并且其特征是在该填角的外侧端部处为圆角。背面倒角增强在加强件脚部12a的外侧端部16处的面板到加强件的接合处的强度。
图3描绘了单独的加强件12的外侧端部14。加强件12在加强件脚部12a的端部和加强件腹板12b之间的交接处具有填角19。填角19有助于减少应力集中。
回到图2，配件13附接至加强件腹板12b，并且具体地，既附接至加强件腹板的外伸部分12c，又附接至加强件腹板12b的在外伸部分12c的内侧的部分。最好如图4所示，配件13具有两部分构造，从而将加强件腹板12b“夹在中间”。两部分式配件13形成“靴状体”，该靴状体具有脚部13a和直立腹板13b。
配件腹板13b在紧固件位置20紧固至加强件腹板12b。该紧固件例如可为螺栓或本领域已知的任何其他适合的紧固件。配件脚部13a在加强件脚部12a的端部16的外侧、在紧固件位置21处紧固至面板11。紧固件例如可为螺栓或本领域已知的任何其他适合的紧固件。
配件脚部13a不直接粘结至面板11。换言之，在面板11的表面和配件脚部13a的底面之间通常不存在胶粘剂粘结。这有助于确保，在采用配件13时，在现有技术中确定并且在图1中示出的裂缝初始位置6不是简单地进一步向外侧传至配件脚部13a的端部。
配件13布置为在加强件脚部12a的外侧端部16和配件脚部13a之间提供间隙22。间隙尺寸与配件脚部13a的尺寸相比是相对较小的。当拉伸载荷在纵向加强件方向施加至面板组件10时，该间隙22引起面板11朝着加强件12弯曲，导致在加强件脚部12a的外侧端部处16处的有益的反剥离。这与图1中所示的在类似的拉伸载荷条件下面板1和加强件2之间产生的正剥离力相反。因此，在图2和3中示出的面板组件10显著地减少了裂缝起始于加强件斜切区的可能。
配件13具有充分的抗弯刚度，用以最小化在加强件脚部12a的斜切区局部的面板的弯曲，这减少在加强件脚部12a的外侧端部16处的剥离力并且因此增强裂缝起始于加强件脚部的外侧端部处所需要的载荷的强度。虽然面板11的弯曲被进一步向外侧传递至配件13的外侧端部，但由于配件14被紧固至面板11，而不是粘结至面板11，紧固件21具有足以抵抗在面板穿透方向上的合成加载的强度。
图5描绘了替代性实施方式并且示出面板组件110，该面板组件110包括面板111、加强件112和配件113。面板组件110与上文描述的面板组件10在许多方面类似，并且，下文中将仅仅描述面板组件110和面板组件10之间的区别。最值得注意的是，加强件112具有腹板112b和脚部112a，其中，腹板112b不伸出脚部112a的外侧端部之外。配件113通过紧固件120紧固至加强件腹板112b并且还通过紧固件121紧固至面板111。在所有其他方面，面板组件110与前面描述的面板组件10类似。由于在加强件腹板112b和配件113之间的紧固件120的数量减少，该配件具有比配件13更高的强度以耐受需要由配件腹板支承的更高的弯曲载荷。配件113因此与配件13相比总体上为更重量级的选择。
在上述任一实施方式中，配件可形成为一体式部件，可能具有分叉的腹板部，以便夹住加强件腹板的两侧。
虽然在上述实施方式中，加强件示出为具有“T”形截面，但应当理解，加强件可具有各种截面，例如“I”形截面、“L”形截面或“U”形截面。
在上述实施方式中，加强件脚部包括在它的外侧端部处的用于提高的抗剥离性的背面倒角，但将理解到，该背面倒角可省略。
通过将加强件脚部粘结至面板、将配件附接至加强件腹板以及将配件在加强件脚部的端部的外侧附接至面板，形成根据本发明的加强件增强面板组件。配件可具有用于紧固配件脚部的预钻装配孔。通常，通过在各个紧固件***之前在配件脚部中协同钻孔并且在配件腹板和加强件腹板中协同钻孔，将配件紧固至面板。
图6描绘了另一替代性实施方式并且示出面板组件210，面板组件210包括面板211、加强件212和配件213。面板组件210与上文描述的面板组件10和110在许多方面类似，在下文中将仅仅描述面板组件210与面板组件10和110之间的不同。
加强件212具有腹板212b和脚部212a，其中，腹板212b不伸出脚部212a的外侧顶端之外，加强件212和配件213已经在重量上最优化。如图6所示，加强件腹板212b具有可变腹板高度并且包括具有“正常”腹板高度的第一区I、具有增加的腹板高度的中间区II、具有腹板高度朝着在斜切区中的加强件末端递减的渐窄部的第三区III、以及与配件213相邻且具有比在III区中的加强件腹板高度更大的加强件腹板高度的第四区IV。
图6中描绘的面板组件210还示出加强件212如何通行穿过具有用于接收加强件腹板212b的切口231的横肋230（示出为基本被切除）。如从图6中还能看到的，加强件脚部212具有正常宽度（在I区和II区中），但邻近III区和IV区具有宽度增加的区域从而提供朝着加强件末端加宽的加强件脚“垫”240。包括该脚垫区域240的加强件脚部212a以与前面提到的方式相同的方式粘结至面板211。
图7更详细地描绘了配件213。配件213通过大体由紧固件位置所指示的紧固件220紧固至加强件腹板212b（在IV区处）。配件213还通过再次由紧固件位置指示的紧固件221紧固至面板211。在这些方面，面板组件210类似于前面描述的面板组件10和110。
配件213具有若干细节特征，现在将描述这些特征。将理解到，配件213也适于附接到前面参考图5描述的更简单的加强件112的设计上，并且还可与参考图1至4描述的外伸式加强件12结合使用。
与前面描述的配件13和113相反，配件213为一体式的并且结合有指板250，指板250在邻近加强件末端的加强件脚部212a上延伸。指板通过加强件脚部212a借助大体由紧固件位置所指示的紧固件222紧固至面板211。另外地或可选地，指板250可被粘结至加强件脚部212a，或者以别的方式附接至加强件脚部212a。指板250优选地在加强件顶端（末端）处的加强件脚部212a的整个宽度上延伸，但是替代性地，指板250可延伸通过加强件顶端的宽度的仅仅一部分。
指板250具有侧边缘，该侧边缘大体平行于加强件纵向轴线延伸。然而，替代性地，指板250的侧边缘可与在垫240的区域中的加强件脚部212a的宽度相符。如能在图7中看到的，指板250的侧边缘具有直立凸缘251。在该重量优化的方案中，直立凸缘251使配件213整体的刚度提高。直立凸缘251大体平行于加强件纵向轴线延伸。
加强件脚部212a的在斜切部处的顶端（末端）优选地横向于加强件纵向方向被直线切割。与上面参考图1至5描述的实施方式相反，在加强件脚部212a的顶端端部和配件的脚部213a之间可不存在明显的间隙，或者仅有余隙。配件脚部213a大体为D形形状，该D形形状在平面视图中具有面对加强件末端的外侧的凸形轮廓252。朝向加强件末端的该大体D形的配件脚部213a包括用于减轻重量的目的的多个切出台阶部253。这些台阶部253显露出平台，该平台提供用于紧固件22的表面以便将配件213在加强件末端的外侧附接至面板211。
配件213还包括一对直立的配件腹板213b，该对配件腹板213b夹住加强件腹板212b的两侧。加强件腹板212b和配件腹板213b都具有朝着加强件末端高度减小的渐窄部。在侧视图中，直立配件腹板213b的轮廓大体与在IV区中的加强件腹板212b的轮廓一致。如上面提到的，配件腹板213b通过紧固件220紧固至加强件腹板212b。
虽然在上面参考图6和7描述的实施方式中，配件213具有一体式构造，当将理解到，配件可形成为用于紧固至加强件脚部、面板以及在加强件腹板的两侧上紧固至加强件腹板的两个分离的部件。无论在面板组件210中使用一件式配件还是两件式配件，该配件和前面描述的配件13和113一样优选地包括相同的金属材料。
虽然上文已经参考一个或多个优选实施方式描述了本发明，但将理解到，可在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下做出多种变化或修改。
Claims (27)
1.一种面板组件，包括面板、加强件以及配件，所述加强件具有脚部、直立腹板以及位于一个端部处的斜切区，其中，所述加强件的脚部粘结至所述面板，并且，所述配件在所述加强件脚部的所述端部的外侧附接至所述加强件的腹板和所述面板。
2.根据权利要求1所述的面板组件，其中，所述加强件腹板的外侧端部伸出所述加强件脚部的在所述斜切区中的外侧端部之外。
3.根据权利要求2所述的面板组件，其中，所述配件至少附接至所述加强件腹板的外伸部分。
4.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述配件紧固至所述加强件腹板和/或所述面板。
5.根据权利要求4所述的面板组件，其中，所述配件直接紧固至所述加强件腹板和/或所述面板。
6.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述配件不是直接粘结至所述面板。
7.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述配件布置为在所述加强件脚部的所述端部与所述配件之间提供间隙。
8.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述配件形成为两个部件，所述加强件腹板的两个侧面上各附接一个部件。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的面板组件，其中，所述配件形成为一体式部件。
10.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述加强件脚部通过从包括以下方式的组中选择的一种方式粘结至所述面板：共固化、共胶接、或二次胶接。
11.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述配件的抗弯刚度足以防止所述面板在所述加强件脚部的所述端部局部发生弯曲。
12.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述加强件脚部的所述端部具有背面倒角。
13.根据权利要求12所述的面板组件，还包括在所述背面倒角与所述面板之间的树脂填角。
14.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述加强件具有T形截面。
15.根据任一前述权利要求所述的面板组件，包括在所述加强件腹板与所述加强件脚部的所述端部之间的交接点处的填角。
16.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述加强件为桁梁。
17.根据任一前述权利要求所述的面板组件，其中，所述配件包括在所述加强件脚部的一部分上延伸的指板。
18.根据权利要求17所述的面板组件，其中，所述指板具有直立凸缘。
19.根据权利要求17或18所述的面板组件，其中，所述指板通过所述加强件脚部紧固至所述面板。
20.一种加强件，包括脚部和直立腹板，并且在一个端部处具有斜切区，其中，所述腹板的外侧端部伸出所述脚部的在所述斜切区中的外侧端部之外。
21.根据权利要求20所述的加强件，其中，所述脚部的所述端部具有背面倒角。
22.根据权利要求20或21所述的加强件，其中，所述加强件具有T形截面。
23.根据权利要求20至22所述的加强件，包括在所述腹板与所述脚部的所述端部之间的交接点处的填角。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的加强件，其中，所述加强件为桁梁。
25.一种形成加强件增强面板的方法，所述方法包括：
提供加强件，所述加强件具有脚部、直立腹板和位于一个端部处的斜切区，
将所述加强件粘结至面板，以及
在所述加强件的脚部的所述端部的外侧将配件附接至所述加强件的腹板以及将所述配件附接至所述面板。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，将所述配件紧固至所述加强件腹板和/或所述面板。
27.一种用于形成加强件增强面板的套件，所述套件包括加强件、面板以及配件，所述加强件具有脚部、直立腹板和位于一个端部处的斜切区，所述配件用于在所述加强件的脚部的所述端部的外侧附接至所述加强件的腹板以及所述面板。
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