CN110979630B - 考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部接头及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接区结构及设计方法，涉及飞机设计技术领域，能够在不改变接头结构传载形式的前提下，提高复材垂尾主盒段翼梁根部的破损安全性能，提升传载可靠性，且减少零部件加工和装配工作量、提高原材利用率、降低成本；该连接方法在不改变接头结构传载形式的前提下，考虑接头结构的破损安全性能，将一体式钛合金接头拆分成两件式背靠背钛合金接头；垂尾主盒段翼梁通过左右两对两件式钛合金接头与后机身连接；两件式钛合金接头分别与翼梁腹板连接，形成双剪连接结构，提升连接结构可靠性。本发明提供的技术方案适用于飞机垂尾主盒段翼梁根部的连接设计。

Description

考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部接头及设计方法

【技术领域】

本发明涉及飞机设计技术领域，尤其涉及一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接区结构及设计方法。

【背景技术】

商用飞机垂尾所受气动载荷、操纵载荷和惯性载荷均由垂尾主盒段根部的对接结构传递至后机身。根据CCAR25部有关要求，该对接结构必须能够承受限制载荷而无永久变形，必须采用破损安全设计，使其在任何单个接头或结构元件损坏时依然能够承受限制载荷，必须在飞机的整个使用寿命期间避免由于疲劳、腐蚀或意外损伤引起的灾难性破坏，必须满足可维修性和互换性要求。因此，垂尾和后机身根部连接区结构设计非常重要和关键。目前投入商用的机型，其复合材料垂直尾翼和后机身的对接结构形式主要有两种：

1、一体化耳片接头结构：在垂尾根部航向两侧一体化设计多个单耳接头，在后机身与其对接的结构上布置相同数量的双耳接头；上述单耳接头由碳纤维单向带预浸料和壁板整体铺贴固化形成，复材一体化单耳接头与后机身上对应双耳接头孔直径相等且同轴，在贯穿孔中装衬套，再通过螺栓进行紧固连接，如图1a和1b所示；

2、独立钛合金接头结构：在复材垂尾主盒段壁板内侧根部沿着航向左右对称布置多个钛合金接头，接头上端与壁板蒙皮和长桁连接，下端与后机身对应框上的钛合金抗拉接头通过螺栓连接，如图2所示。

第一种耳片接头对接结构设计较为简单明了，连接工作量较少，便于快速装配，且具有一定的重量优势。但是有比较明显的缺点，接头处加厚设计，对铺贴工艺和成型工艺要求较高，一旦整体接头损坏，更换和维修非常困难，且不利于破损安全性设计要求的保证。2001年，美国纽约，AA587航班(Airbus A300)就是由于垂尾根部其中一个整体接头损坏，在载荷重新分配后使得垂尾完全脱落，最终导致机上251名乘客和9名机组人员遇难。因此，从破损安全设计和可维修性的角度出发，现有复材垂尾主盒段根部连接区选用的第二种对接方案。

具体到主盒段后梁的根部连接区，现有结构设计方案如图3所示。

主盒段后梁通过左右两个钛合金整体接头跟后机身连接，在后梁腹板顺航向前侧，钛合金接头与梁缘条内侧搭接，并在钛合金接头上设计竖筋与后梁腹板进行机械连接；在后梁腹板顺航向后侧，钛合金接头与梁缘条通过对接带板(机加)进行连接。

图4为垂尾主盒段后梁根部的设计/装配界面关系示意图，如图4所示，垂尾复材后梁1与后机身通过左右两个整体式钛合金接头2进行连接，整体式钛合金接头2/梁缘条外侧与垂尾左侧/右侧壁板机械连接；在图4逆航向视角中，垂尾复材后梁1梁腹板的后侧连接垂尾后缘舱，垂尾复材后梁1梁腹板的前侧为垂尾主盒段内部。

垂尾主盒段后梁根部的现有连接方案中，从破损安全性设计角度出发，整体式钛合金接头2一旦某处出现破损或裂纹，在高周疲劳载荷作用下，将很有可能导致接头整体破坏，因此破损安全性能不佳；梁腹板和接头竖筋是单剪连接结构，传载可靠性方面较差；顺航向后侧梁缘条需要通过钛合金带板3(机加特制件)与整体式钛合金接头2连接，增加了零件制造工作量和装配步骤，提高了制造成本和装配成本。同时对于该方案，后梁根部钛合金整体接头的尺寸大，整体式接头工艺制造难度较大，产品报废率高，所需毛坯尺寸较大，材料利用率低，进一步提高了制造成本。

因此，有必要研究一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接区结构及设计方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接区结构及设计方法，能够在不改变接头结构传载形式的前提下，提高复材垂尾主盒段翼梁根部的破损安全设计性能，提升传载可靠性，且减少零部件加工和装配工作量、提高原材利用率、降低成本。

一方面，本发明提供一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接方法，其特征在于，所述连接方法在不改变接头结构传载形式的前提下，考虑接头结构的破损安全性能，将一体式钛合金接头拆分成两件式背靠背钛合金接头；

主盒段翼梁通过左边一对右边一对共两对两件式钛合金接头与后机身连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述两件式钛合金接头包括钛合金前接头和钛合金后接头，所述钛合金前接头设于翼梁腹板前侧(靠近机头)，所述钛合金后接头设于翼梁腹板后侧(靠近机尾)。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金前接头和所述钛合金后接头分别与翼梁腹板连接，形成双剪连接结构，用于提升剪力传载的可靠性。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金后接头与后梁后侧缘条直接搭接，省去钛合金带板。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金前接头的外立面与主盒段翼梁的前缘条搭接，所述钛合金后接头的展向增高区与主盒段翼梁的后缘条搭接，用于传递梁缘条的轴向力。

另一方面，本发明提供一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接接头，其特征在于，所述连接接头为两件式钛合金接头；

所述两件式钛合金接头包括钛合金前接头和钛合金后接头，主盒段翼梁通过左边一对右边一对共两对两件式钛合金接头与后机身连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金前接头设于翼梁腹板前侧(靠近机头)，所述钛合金后接头设于翼梁腹板后侧(靠近机尾)；

所述钛合金后接头分别与翼梁腹板后侧、翼梁后缘条以及翼梁后侧机身连接；

所述钛合金前接头分别与翼梁腹板前侧、翼梁前缘条以及翼梁前侧机身连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金后接头上设有竖筋，所述竖筋与后梁腹板固定连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金后接头沿垂尾展向增高，并与主盒段翼梁后缘条搭接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金前接头的外立面与主盒段翼梁的前缘条搭接，所述钛合金后接头的展向增高区与主盒段翼梁的后缘条搭接。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明采用了复材垂尾主盒段工型梁与两件式独立钛合金前/后接头连接的设计方案，而非现有的整体式钛合金接头的连接方式，从而提高了重要连接区结构的破损安全设计性能，无需单独制造钛合金带板并进行装配，减少了零件制造工作量并减少了装配步骤；翼梁腹板与接头连接改为双剪连接结构，提升传载可靠性；独立两件式接头缩小了钛合金零件尺寸，提高了材料利用率，进一步降低了制造成本。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术中一体化耳片接头结构示意图；其中，a是未与双耳接头连接图，b是与双耳接头连接图；

图2是现有技术中整体式钛合金接头结构示意图；

图3是现有技术中整体式钛合金接头在主盒段后梁的根部连接图，其中a为逆航向视角图，b为顺航向视角图；

图4是现有技术中整体式钛合金接头垂尾主盒段后梁根部的设计/装配界面关系示意图；

图5是本发明一个实施例提供的两件式独立钛合金接头装配图，其中图5a为侧向装配外观图，图5b为顺航向装配图，图5c为逆航向视角结构***图，图5d为顺航向视角结构***图；

图6是本发明一个实施例提供的后梁根部钛合金前接头结构图；其中，a为后梁根部钛合金前接头顺航向内侧视图，b为后梁根部钛合金前接头顺航向外侧视图；

图7为后梁根部钛合金后接头的内/外侧视图。

其中，图中：

垂尾复材后梁-1；整体式钛合金接头-2；钛合金带板-3；后梁根部钛合金前接头-4；后梁根部钛合金后接头-5；前接头竖筋-6；外立面-7；前接头壁板贴合面-8；展向增高区-9；后接头竖筋-10；后接头壁板贴合面-11；垂尾接头-12；机身框-13；后机身-14；垂尾后缘舱-15。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明在现有技术的基础上做了改进，提供一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接区结构及设计方法，其结构如图5-图7所示，将主盒段后梁根部整体式钛合金接头2分成前后两个(沿航向)独立接头，分别为后梁根部钛合金前接头4和后梁根部钛合金后接头5，这两个接头再分别与后机身的抗拉接头通过螺栓连接，在不改变接头结构传载形式的前提下，提高接头结构的破损安全性能。其中位于后梁腹板后侧(机尾侧)的后梁根部钛合金后接头5设计后接头竖筋10与后梁腹板机械连接，后梁根部钛合金后接头5沿展向增高区9与垂尾复材后梁1的后缘条搭接，取消钛合金带板3(机加特制件)。后梁根部钛合金前接头4和后梁根部钛合金后接头5分别通过前接头竖筋6和后接头竖筋10与后梁腹板构成双剪连接结构，从而传递梁腹板的剪力，提升传载可靠性；后梁根部钛合金前接头4的外立面7和后梁根部钛合金后接头5的展向增高区9分别与后梁的前、后缘条搭接，从而传递梁缘条的轴向力。前接头壁板贴合面8和后接头壁板贴合面11均与垂尾主盒段壁板进行机械连接。

与现有垂尾主盒段后梁根部连接区结构设计方案相比，本申请提案的独立钛合金接头提高了重要连接区结构的破损安全设计性能；将梁腹板与接头连接改为双剪连接结构，提升传载可靠性；取消钛合金带板3(机加特制件)，减少零件制造工作量和装配步骤，降低制造装配成本；独立两件式接头缩小了钛合金零件尺寸，提高了材料利用率，进一步降低了制造成本。

以上对本申请实施例所提供的一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接区结构及设计方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接方法，其特征在于，所述连接方法在不改变接头结构传载形式的前提下，考虑接头结构的破损安全性能，将一体式钛合金接头拆分成两件式钛合金接头；

垂尾主盒段翼梁通过左边一对右边一对共两对两件式钛合金接头与后机身连接。

2.根据权利要求1所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接方法，其特征在于，所述两件式钛合金接头包括钛合金前接头和钛合金后接头，所述钛合金前接头设于翼梁腹板前侧，所述钛合金后接头设于翼梁腹板后侧。

3.根据权利要求2所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接方法，其特征在于，所述钛合金前接头和所述钛合金后接头分别与翼梁腹板连接，形成双剪连接结构，用于提升剪力传载的可靠性。

4.根据权利要求3所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接方法，其特征在于，所述钛合金后接头与后梁后侧缘条直接搭接，省去钛合金带板。

5.根据权利要求2所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接方法，其特征在于，所述钛合金前接头的外立面与主盒段后梁的前缘条搭接，所述钛合金后接头的展向增高区与主盒段后梁的后缘条搭接，用于传递梁缘条的轴向力。

6.一种考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接接头，其特征在于，所述连接接头为两件式钛合金接头；

所述两件式钛合金接头包括钛合金前接头和钛合金后接头，主盒段翼梁通过左边一对右边一对共两对两件式钛合金接头与后机身连接。

7.根据权利要求6所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接接头，其特征在于，所述钛合金前接头设于翼梁腹板前侧，所述钛合金后接头设于翼梁腹板后侧；

所述钛合金后接头分别与翼梁腹板后侧、翼梁后缘条以及翼梁后侧机身连接；

所述钛合金前接头分别与翼梁腹板前侧、翼梁前缘条以及翼梁前侧机身连接。

8.根据权利要求7所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接接头，其特征在于，所述钛合金后接头上设有竖筋，所述竖筋与后梁腹板固定连接。

9.根据权利要求7所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接接头，其特征在于，所述钛合金后接头沿垂尾展向增高，并与主盒段翼梁后缘条搭接。

10.根据权利要求7所述的考虑破损安全的复材垂尾主盒段翼梁根部连接接头，其特征在于，所述钛合金前接头的外立面与主盒段翼梁的前缘条搭接，所述钛合金后接头的展向增高区与主盒段翼梁的后缘条搭接。

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