專利名稱：加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法、結(jié)構(gòu)狀況傳感器的應(yīng)用和飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法，該加強(qiáng)的結(jié) 構(gòu)元件包括至少一個(gè)罩殼元件以及至少一個(gè)能夠連接于罩殼元件的加強(qiáng) 元件，本發(fā)明還涉及結(jié)構(gòu)狀況傳感器在探測(cè)結(jié)構(gòu)元件的一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng) 元件的完好無損中的應(yīng)用，以及涉及一種帶有加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的飛行 器。
背景技術(shù)：
在諸如飛行器的眾多設(shè)備和裝置中，特別是客機(jī)中，加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元 件得到了廣泛地應(yīng)用。在這些設(shè)備和裝置中，加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件不僅用于 決定飛行器的外形，還用于提供操作所必需的機(jī)械強(qiáng)度。這些結(jié)構(gòu)元件 的設(shè)計(jì)或尺寸設(shè)計(jì)往往依照嚴(yán)格的規(guī)定進(jìn)行，例如在飛行器構(gòu)造中，主
要的規(guī)定包括JAA (Joint Aviation Authority (聯(lián)合航空局)，尤其是 JAR 25)， FAA (Federal Aviation Administration (聯(lián)邦航空局)，尤其 是FAR 25 )以及EASA (European Aviation Safety Agency,歐洲航空 安全機(jī)構(gòu)，尤其是CS25)。
現(xiàn)代客機(jī)的基礎(chǔ)外部結(jié)構(gòu)由如下部分組成罩殼元件，組成飛行器 的蒙皮； 一組加強(qiáng)元件，既可平行于飛行器機(jī)身縱向軸線安裝在蒙皮的 內(nèi)側(cè)(稱之為縱梁)，也可繞縱向軸線沿徑向安裝在飛行器機(jī)身的蒙皮 的內(nèi)側(cè)(稱之為肋條)。為了抵抗在飛行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，必須恰當(dāng) 地確定由罩殼元件以及縱梁和肋條形式的加強(qiáng)元件構(gòu)成的機(jī)身的尺寸。
為了能夠減輕重量并利用常規(guī)結(jié)構(gòu)檢修的好處，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為耐損 結(jié)構(gòu)。耐損尺寸設(shè)計(jì)可以得到非常可靠地接近設(shè)計(jì)目標(biāo)(服務(wù)壽命、飛 行次數(shù)等等)的結(jié)構(gòu)，并且比顯示出長(zhǎng)期疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)具有更輕的重 量。由于客機(jī)在固定的間隔進(jìn)行徹底的維修，并且客機(jī)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行特 殊損害的檢查，例如裂紋檢查或者層離現(xiàn)象檢測(cè)，在兩次檢查的間隔內(nèi)
發(fā)生在結(jié)構(gòu)上的損害，如裂紋進(jìn)展或強(qiáng)度的損失，不超過給定值是十分 必要的。
在尺寸設(shè)計(jì)方面，所釆用的基礎(chǔ)初始點(diǎn)為機(jī)身結(jié)構(gòu)中需要考慮的 結(jié)構(gòu)元件的加強(qiáng)元件是有缺陷的，以便以此為基礎(chǔ)計(jì)算隨同蒙皮破裂的 裂紋進(jìn)展，并因此定義一個(gè)檢修的間隔，在此間隔中，可以在損害達(dá)到 臨界階段之前將其發(fā)現(xiàn)。然而，由于有缺陷的加強(qiáng)元件的假設(shè)意味著罩 殼元件需要承受所有的應(yīng)力并且尺寸會(huì)設(shè)計(jì)得更大，所以用這種方式設(shè) 計(jì)的結(jié)構(gòu)都有相對(duì)保守的尺寸。然后，眾所周知，在這種間隔內(nèi)，具有 常規(guī)結(jié)構(gòu)類型的加強(qiáng)元件通常不會(huì)經(jīng)受任何損害。
眾所周知，傳感器可以用來檢測(cè)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的狀況。因此，除了許 多用于檢測(cè)致動(dòng)器或控制副翼的機(jī)能是否正常的傳感器之外，還有多種 用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)元件狀況的傳感器。用于檢測(cè)系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)狀況的系統(tǒng)可以 稱之為"健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)"，所謂的"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)"(SHM)系統(tǒng)用于監(jiān) 測(cè)結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)可以裝配有多種用于發(fā)現(xiàn)損害的傳感器，用于記錄應(yīng) 力的局部變化和/或記錄其他參數(shù)，例如撕裂線(tearing wires),真空 傳感器或光纖。EP 1 353 252示出了 SHM系統(tǒng)用于客機(jī)的示例。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是減少或全部消除其中一個(gè)特定缺點(diǎn)。特別地， 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)元件的尺寸，使得結(jié)構(gòu)元件達(dá)到最輕的重量， 同時(shí)可以檢測(cè)完好無損和正確的機(jī)能。本發(fā)明的另一目的是提供一種加 強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法以及一種飛行器，特別是客機(jī)，該 飛行器能達(dá)到較輕的結(jié)構(gòu)元件重量，同時(shí)達(dá)到較高的飛行安全水平。
本發(fā)明的目的通過一種加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法實(shí) 現(xiàn)。加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件包括至少一個(gè)軍殼元件以及至少一個(gè)與罩殼元件連 接的加強(qiáng)元件，其中，基于至少一個(gè)加強(qiáng)元件的完好無損的假設(shè)，并考 慮預(yù)定的安全系數(shù)和/或預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔，來設(shè)計(jì)罩殼元件以及至 少一個(gè)加強(qiáng)元件的尺寸。在所述結(jié)構(gòu)檢修間隔中，罩殼元件中的裂紋進(jìn) 展不超過預(yù)定的最大裂紋進(jìn)展，和/或結(jié)構(gòu)元件的強(qiáng)度不降低于預(yù)定的 最小殘余強(qiáng)度，并且，采用該方法設(shè)計(jì)尺寸的所述結(jié)構(gòu)元件的所述至少 一個(gè)加強(qiáng)元件裝配有至少一個(gè)用于檢測(cè)完好無損的結(jié)構(gòu)狀況傳感器。
所述方法的一個(gè)好處在于，用更少的保守尺寸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以及使用 這種方法可能達(dá)到^f艮大的重量節(jié)省甚至最大的重量節(jié)省。通過結(jié)構(gòu)狀況
傳感器的使用驗(yàn)證假設(shè)的正確性加強(qiáng)元件-特別是客機(jī)中的縱梁或肋 條-是完好無損的，使罩殼元件需要承受一小部分發(fā)生的應(yīng)力，并確保 適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)期強(qiáng)度比傳統(tǒng)方法具有相對(duì)較少的材料強(qiáng)度。由于尺寸設(shè)計(jì)操 作只在完好無損的加強(qiáng)元件假設(shè)之上執(zhí)行，有必要使用結(jié)構(gòu)狀況傳感器 探測(cè)完好無損，并且有必要在加強(qiáng)元件中探測(cè)到損害或類似情況后傳遞 合適的或類似的警告，或者有必要故意縮短檢修間隔。
依照本發(fā)明，這里提出一種全新的尺寸設(shè)計(jì)，包括摒棄迄今為止的 常規(guī)使用方法。
該方法特別優(yōu)選地包括以下步驟中的至少一步
a. 確定作用在所述結(jié)構(gòu)元件上的應(yīng)力值；
b. 確定連接于所述罩殼元件的所述加強(qiáng)元件的安裝位置和/或數(shù)量；
c. 確定所述罩殼元件和所述至少 一個(gè)加強(qiáng)元件的材料強(qiáng)度；
d. 考慮所述應(yīng)力值，和/或所述預(yù)定檢修間隔，和/或所述加強(qiáng)元件的 數(shù)量和固定位置，和/或所述罩殼元件和/或加強(qiáng)元件的材料強(qiáng)度，計(jì)算 發(fā)生在所述罩殼元件上的裂紋逸艮；
e. 計(jì)算需要的結(jié)構(gòu)檢修間隔，作為安全的能檢修的裂紋長(zhǎng)度的時(shí)間 和臨界的裂紋長(zhǎng)度的時(shí)間之間的間隔與已確定的安全系數(shù)的商；
f. 使用上述步驟，改變結(jié)構(gòu)元件的加強(qiáng)元件的材料強(qiáng)度和/或固定位 置和/或數(shù)量，用以使所述需要的結(jié)構(gòu)檢修間隔適應(yīng)所述預(yù)定的檢修間 隔；
g. 通過將已經(jīng)依照上述步驟設(shè)計(jì)尺寸的所述加強(qiáng)元件連接到所述罩 殼元件來制造所述結(jié)構(gòu)元件，特別是通過鉚釘固定、焊接、粘合、碾壓 和/或螺絲連接等連接；以及
h. 為所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件裝配至少一個(gè)結(jié)構(gòu)狀況傳感器。 獲知作用于結(jié)構(gòu)元件的應(yīng)力值在計(jì)算結(jié)構(gòu)元件方面具有最基本的意義。通過確定連接于罩殼元件的加強(qiáng)元件的安裝位置和/或數(shù)量，如 果那些加強(qiáng)元件的安裝位置和/或數(shù)量并沒有受到權(quán)威或者普通機(jī)構(gòu)預(yù) 定的標(biāo)準(zhǔn)的限制，很有可能通過改變這兩個(gè)參數(shù)而影響結(jié)構(gòu)元件需要的
度計(jì)算程序。計(jì)算發(fā)生在罩殼元件上的裂紋進(jìn)展對(duì)于評(píng)估所發(fā)生的損害 是十分必要的，可以將所發(fā)生的損害限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。觀察允
許損害公差的另 一個(gè)必要性是計(jì)算預(yù)期出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)檢修間隔最后的強(qiáng) 度。該殘余強(qiáng)度不應(yīng)低于一個(gè)預(yù)定值或者一個(gè)由規(guī)則確定的值。為剛剛
修間隔是有好處的。改i材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)元件的加強(qiáng)元件的固定位置或 者數(shù)量是有好處的，使得之前計(jì)算出的需要結(jié)構(gòu)檢修間隔適應(yīng)預(yù)定的結(jié) 構(gòu)間隔。特定參數(shù)的變化直接影響裂紋進(jìn)展或者預(yù)期的殘余強(qiáng)度。通過 以上途徑可以最大程度減輕結(jié)構(gòu)元件的重量。為了在提供最輕可能重量 的結(jié)構(gòu)元件的同時(shí)維持強(qiáng)度的預(yù)定水平，使用普通的連接方式將加強(qiáng)元 件連接到罩殼元件上制造出來的結(jié)構(gòu)元件是有好處的。為了能夠經(jīng)常校 驗(yàn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)完好無損的尺寸設(shè)計(jì)假設(shè)以達(dá)到適當(dāng)?shù)陌踩裕谶@樣的結(jié) 構(gòu)元件的一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)元件上安裝至少一個(gè)結(jié)構(gòu)狀況傳感器是十分 必要的。將用這種方式進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件用于飛行器是特別有利 的。 一般地，在飛行器中盡量使用高強(qiáng)度及最低的重量的結(jié)構(gòu)元件。依 照本發(fā)明的方法便有可能提供具有這些特性的結(jié)構(gòu)元件。
進(jìn)一步地，依照本發(fā)明，這種結(jié)構(gòu)元件可以應(yīng)用于客機(jī)。當(dāng)為客機(jī) 設(shè)計(jì)元件時(shí)，需要考慮一系列的規(guī)則，這一系列的規(guī)則與不變預(yù)定失效 概率是緊密相關(guān)的，不變預(yù)定失效概率在很多元件和系統(tǒng)中加以分級(jí)。 為了提供一種用本發(fā)明的方法進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件安全的失效概 率，在結(jié)構(gòu)元件的加強(qiáng)元件中的可能缺陷均需要被可靠地檢測(cè)到并可以 因此而得到需要的維護(hù)方法。
額外地，罩殼元件用作客機(jī)蒙皮或蒙皮的一部分是十分需要的。客 機(jī)的蒙皮不僅代表了將機(jī)艙和外部的空氣相分割的壁體，更同時(shí)具有作 為機(jī)身的承重結(jié)構(gòu)的所有加強(qiáng)元件。蒙皮也正好作為飛行器最大的粘著 元件，依照本發(fā)明的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法，蒙皮的固有重量是優(yōu)化的。
對(duì)于加強(qiáng)元件還有一個(gè)好處是在本方法中加強(qiáng)元件裝配有結(jié)構(gòu)狀
況傳感器，加強(qiáng)元件作為客機(jī)蒙皮的縱向加強(qiáng)件(縱梁)?？v梁充分地 分布式地延伸覆蓋外圍并覆蓋蒙皮內(nèi)側(cè)的整個(gè)長(zhǎng)度。縱梁還為飛行器機(jī) 身的加強(qiáng)作了充分的貢獻(xiàn)。為了檢測(cè)完好無損，加強(qiáng)元件裝配有結(jié)構(gòu)狀 況傳感器是十分有好處的。
進(jìn)一步地，優(yōu)選客機(jī)的蒙皮的橫向加強(qiáng)件(肋條)也裝配這種結(jié)構(gòu) 狀況傳感器，因?yàn)槔邨l也是加強(qiáng)客機(jī)蒙皮的橫截面的基礎(chǔ)元件。
使用電撕裂線(electrical tearing wires )、真空傳感器和/或光纖形 式或類似形式的結(jié)構(gòu)狀況傳感器是有好處的。這種結(jié)構(gòu)狀況傳感器是在 結(jié)構(gòu)上相對(duì)地機(jī)械簡(jiǎn)單并相應(yīng)地可以保證高水平的檢測(cè)可靠性。
在一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)元件的不同部位安裝很多結(jié)構(gòu)狀況傳感器是有 好處的，不僅因?yàn)橛锌赡芴綔y(cè)到這種加強(qiáng)元件的整體缺陷，而且因?yàn)橛?可能探測(cè)到例如缺陷的進(jìn)展及方向。
如果結(jié)構(gòu)狀況傳感器與用于記錄、評(píng)估和/或傳送加強(qiáng)元件狀況的裝 置相連接是有好處的。單獨(dú)這些結(jié)構(gòu)狀況傳感器不能通知它們檢測(cè)到的 加強(qiáng)元件的缺陷。
另外，用于記錄、評(píng)估和/或傳送加強(qiáng)元件狀況的裝置優(yōu)選為一個(gè)或 多個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備，特別是航空電子設(shè)備。這些數(shù)據(jù)處理設(shè)備能夠從一 系列結(jié)構(gòu)狀況傳感器的抽象信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)可理解的被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的狀 況的圖像、記錄和/或傳送該圖像。為了確保通知檢測(cè)到的缺陷，這些 裝置是必不可少的。
如果檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)元件缺陷的數(shù)據(jù)處理設(shè)備以數(shù)據(jù)的形式
有好處的。例如，以這種方式有可能在一段操作之后，通過以電子數(shù)據(jù) 形式的協(xié)議的方法確定結(jié)構(gòu)的哪個(gè)元件是有缺陷的，為了能夠在操作階 段結(jié)束后取替它們。
通過合適的輸出裝置輸出已經(jīng)存儲(chǔ)的和/或已經(jīng)傳送的數(shù)據(jù)，以通知 飛行器的機(jī)組人員和/或地勤人員所述缺陷也是有好處的，特別是視覺 地或聽覺地通知。在不斷減少的用于地面的時(shí)間段內(nèi)，有必要盡可能立 即通知發(fā)生的缺陷以使得當(dāng)客機(jī)著陸時(shí)已經(jīng)準(zhǔn)備好了備用件。 在缺陷發(fā)生之后立即或稍后時(shí)刻及時(shí)通知飛行器機(jī)組人員和/或地 勤人員是非常有好處的。信息既可以由數(shù)據(jù)處理設(shè)備直接制作一個(gè)合適 的對(duì)于控制艙內(nèi)的飛行員有用的信號(hào)，也可以在協(xié)議評(píng)估之后以可用的 數(shù)據(jù)提供給地勤人員。


下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式做進(jìn)一步地詳細(xì)描述，其
中
圖1為客機(jī)的結(jié)構(gòu)元件的三維視圖2為常規(guī)尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件的裂紋長(zhǎng)度曲線圖3對(duì)比了常規(guī)尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件與使用本發(fā)明的方法尺寸設(shè)計(jì) 的結(jié)構(gòu)元件的裂紋長(zhǎng)度；
圖4為裝配有結(jié)構(gòu)狀況傳感器的加強(qiáng)元件；
圖5A和圖5B示出了與罩殼元件相連的加強(qiáng)元件；
圖6示出了涉及對(duì)于期望裂紋進(jìn)展特性的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制 造方法框圖7為客機(jī)。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了客機(jī)的一般構(gòu)造的部分2，該部分2包括大量罩殼元件 和加強(qiáng)元件。以示例方式顯示的是結(jié)構(gòu)元件4的一部分，其安裝在構(gòu)造 部分2內(nèi)。結(jié)構(gòu)元件4包括罩殼元件6、兩根代表了平行于飛行器機(jī)搶 的縱向軸線的加強(qiáng)元件的縱梁8、以及構(gòu)成加強(qiáng)元件并繞飛行器機(jī)艙的 縱向軸線沿徑向延伸的肋條IO?？v梁8和肋條10主要通過鉚釘、粘合 和焊接固定地連接于罩殼元件6，因此圖l顯示了為了將縱梁8固定到 軍殼元件6的鉚釘連接12和為了將肋條10固定到罩殼元件的鉚釘連接 14。通?？v梁8或者肋條10以相互間隔的關(guān)系裝配于蒙皮的內(nèi)側(cè)，以 便與諸如廠家標(biāo)準(zhǔn)或類似標(biāo)準(zhǔn)的給定的預(yù)先設(shè)定相一致。 在本說明書的開始部分所描述的關(guān)于結(jié)構(gòu)元件4的設(shè)計(jì)或尺寸設(shè)計(jì) 的技術(shù)現(xiàn)狀中，通常假定縱梁8或者肋條10是有缺陷的，所以罩殼元 件6的尺寸設(shè)計(jì)必須設(shè)計(jì)為能夠承擔(dān)其出現(xiàn)的全部載荷。假設(shè)結(jié)構(gòu)元件 8和/或10中的至少一個(gè)有缺陷是因?yàn)闄C(jī)身結(jié)構(gòu)的受限的內(nèi)部檢修。
民用金屬飛行器結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)取決于所考慮的元件的性 質(zhì)或位置而有所不同。因此有這樣的尺寸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)例如依據(jù)靜強(qiáng)度和 穩(wěn)定性、變形、材料疲勞度、裂紋進(jìn)展和殘余強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā)明主 要涉及在飛行器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，其中根據(jù)裂紋進(jìn)展或殘余強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行尺 寸設(shè)計(jì)。
在諸如機(jī)身的上側(cè)罩殼和機(jī)翼下側(cè)的罩殼的飛行器結(jié)構(gòu)的區(qū)域，裂 紋進(jìn)展一般代表了尺寸設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。裂紋進(jìn)展標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)依照由國(guó)際規(guī) 則產(chǎn)生的要求并通過許多裂紋進(jìn)展計(jì)算來起效，在裂紋進(jìn)展計(jì)算中，在 整體上被稱之為應(yīng)力集合的在飛行的操作中產(chǎn)生的栽荷，組成計(jì)算程序 的基礎(chǔ)。
圖2以示例性方式顯示了后機(jī)身的上側(cè)軍殼的曲線表16，其中曲線 18顯示了上側(cè)罩殼的裂紋長(zhǎng)度取決于飛行次數(shù)或飛行小時(shí)數(shù)。
介于安全檢測(cè)裂紋長(zhǎng)度20和臨界裂紋長(zhǎng)度22之間的間隔△ N ( 24 ) 除以已經(jīng)確定的或常規(guī)的安全系數(shù)，決定了結(jié)構(gòu)檢修的間隔。檢修間隔 是預(yù)定的或者由維護(hù)時(shí)間表來決定的，檢修間隔不能大于厶N(yùn)(24)。因 此必須證實(shí)結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)能夠獲得一個(gè)足夠緩慢的裂紋進(jìn)展特性。這 樣才有可能確保在任何情況下，在裂紋達(dá)到臨界尺寸之前，在常規(guī)的檢 修間隔的界限內(nèi)將裂紋探測(cè)出來。
如前面所提到的，目前依照技術(shù)現(xiàn)狀，當(dāng)涉及裂紋進(jìn)展時(shí)，假設(shè)裂 紋下面的諸如縱梁8或者肋條10的加強(qiáng)元件是有缺陷的。因?yàn)楦鶕?jù)技 術(shù)現(xiàn)狀內(nèi)部加強(qiáng)件是不能被系統(tǒng)規(guī)律地檢測(cè)或監(jiān)測(cè)的，所以正式批準(zhǔn)的 規(guī)則要求這一假設(shè)。裂紋進(jìn)展曲線18與該假設(shè)相符。
圖3顯示了曲線圖26，其示出了兩條不同的裂紋進(jìn)展曲線18和28， 其中第一條裂紋進(jìn)展曲線18與圖2中所示的曲線18相同。第二條裂紋 進(jìn)展曲線28是以完好的加強(qiáng)元件為基礎(chǔ)來確定的。依照這一假設(shè)，由
結(jié)構(gòu)元件計(jì)算確定的強(qiáng)度超過了常規(guī)尺寸設(shè)計(jì)的元件的強(qiáng)度。
與加強(qiáng)元件有缺陷的假設(shè)相比，在采用相同的元件尺寸和相同的結(jié) 構(gòu)重量的情況下，變緩的裂紋進(jìn)展將導(dǎo)致更長(zhǎng)的維修間隔。這一好處可 用于將結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)得更輕，使得達(dá)到最初需要的結(jié)構(gòu)檢修間隔，但與
常規(guī)尺寸的結(jié)構(gòu)(進(jìn)展曲線18)相比這種結(jié)構(gòu)在重量上有優(yōu)勢(shì)。因此基 本上在設(shè)計(jì)飛行器結(jié)構(gòu)的時(shí)候，就已經(jīng)假設(shè)在后續(xù)的飛行器操作中，縱 梁8和肋條10的狀況總是已知的。更改的設(shè)計(jì)可以基于知識(shí)的獲得被 證明是正確的。
這些方面不僅應(yīng)用于裂紋進(jìn)展的標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)用于殘余強(qiáng)度。根據(jù)完 好的加強(qiáng)元件的假設(shè)，釆用同樣尺寸和同樣重量，使用本發(fā)明的方法進(jìn) 行尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件，計(jì)算出具有較高的殘余強(qiáng)度，因此也具有更長(zhǎng) 的必要結(jié)構(gòu)檢修間隔。在結(jié)構(gòu)的某些區(qū)域，關(guān)于殘余強(qiáng)度，需要假設(shè)并 檢測(cè)意外導(dǎo)致的損害。在那些區(qū)域中，在個(gè)別情況下，由于結(jié)構(gòu)狀況傳 感器的使用，尺寸設(shè)計(jì)不可能具有更少的保守特性。
為了在飛行器后續(xù)的操作中使加強(qiáng)元件的狀況總是已知的，加強(qiáng)元 件有必要裝配結(jié)構(gòu)狀況傳感器?；趯?duì)加強(qiáng)元件中的缺陷的探測(cè)，可以 產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，使得包括結(jié)構(gòu)元件在內(nèi)的檢修都可以安排在合適的時(shí) 間。
圖4以示例性方式顯示了裝配有結(jié)構(gòu)狀況傳感器30的縱梁8。該結(jié) 構(gòu)狀況傳感器設(shè)置在縱梁8的縱向側(cè)并位于該縱梁的橫截面32上的一 致的點(diǎn)。這使得探測(cè)到縱梁8的破裂成為可能。例如，如果結(jié)構(gòu)狀況傳 感器采用撕裂線形式，當(dāng)縱梁8破裂時(shí)該撕裂線全部撕裂并將用于記錄 傳感器數(shù)據(jù)的設(shè)備處之前存在的接觸分離，那么縱梁8的破裂便可被探 測(cè)到。圖4顯示了結(jié)構(gòu)狀況傳感器30設(shè)置在縱梁8的橫截面32的中間 高度位置附近。根據(jù)這樣的布置，在其總體失效之前，即當(dāng)裂紋從橫截 面的一端(例如基部)傳播到橫截面的另一端(例如頂部)之前，就可 以檢測(cè)到縱梁8或類似結(jié)構(gòu)的破裂。
此外，對(duì)于縱梁8，能夠裝配許多這樣的結(jié)構(gòu)狀況傳感器30,這些 結(jié)構(gòu)狀況傳感器30以互相移位的關(guān)系設(shè)置在縱梁8的一側(cè)表面的不同 高度。這使得能夠檢測(cè)裂紋或破裂的方向和進(jìn)展。依照本發(fā)明，將要被 監(jiān)測(cè)的加強(qiáng)元件沿著其整個(gè)長(zhǎng)度充分地被監(jiān)測(cè)，以確定加強(qiáng)元件的橫截 面上的給定點(diǎn)在整個(gè)長(zhǎng)度上是否完好無損。
加強(qiáng)元件的實(shí)際橫截面可以不同于圖中所示的那樣，例如可以釆用
只有一行鉚釘并且橫截面與圖4所示不同的縱梁8。進(jìn)一步，縱梁8的 橫截面32所監(jiān)測(cè)的位置不需要與圖4所示的位置相同，而是可以更靠 近橫截面32的基部或者頂部。
這里以縱梁的形式對(duì)加強(qiáng)元件進(jìn)行的描述，只是示例性地解釋而非 限制。所有其他的加強(qiáng)元件，特別是肋條，也都能夠4艮好的裝配結(jié)構(gòu)狀 況傳感器。
圖5A顯示了與罩殼元件6相連的縱梁8，示出了關(guān)于結(jié)構(gòu)狀況傳感 器30設(shè)置的多種選擇。圖5B也顯示了通過連接部分36與罩殼元件6 相連的具有Z形橫截面34的肋條10。這里也示出了關(guān)于結(jié)構(gòu)狀況傳感 器30的設(shè)置的多種選擇，例如安裝在外腹板、基部或類似的位置。
圖6顯示了一個(gè)方框圖，示出了結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法。
方法開始于應(yīng)力值的確定(由方框38確定)，然后確定加強(qiáng)元件40 的安裝位置和/或數(shù)目并且確定材料強(qiáng)度42,考慮罩殼元件上的預(yù)定載 荷，考慮預(yù)定損害探測(cè)能力44能夠計(jì)算出裂紋進(jìn)展到臨界裂紋長(zhǎng)度， 如方框46所示。以此為基礎(chǔ)，如標(biāo)號(hào)48處，能夠確定需要的結(jié)構(gòu)檢修 間隔，如標(biāo)號(hào)50處，該結(jié)構(gòu)檢修間隔與預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔相比較。 如果上述兩個(gè)間隔之間的差異超出了通常的公差范圍，將導(dǎo)致本方法從 方框38重新開始。如果上述兩個(gè)間隔之間的差異在允許的公差范圍內(nèi)， 接下來的程序?yàn)橹圃旖Y(jié)構(gòu)元件52并將結(jié)構(gòu)狀況傳感器54裝配在結(jié)構(gòu)元 件上。
與常規(guī)地或保守地設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件相比，用此方法制造的結(jié)構(gòu)元件 具有更輕的重量，卻滿足裂紋進(jìn)展不過度的先決條件，盡管加強(qiáng)元件需 要裝配結(jié)構(gòu)狀況傳感器。
最后的圖7顯示了依照本發(fā)明的飛行器，以客機(jī)的形式，并裝配有 如圖l示例性示出的結(jié)構(gòu)元件，所有結(jié)構(gòu)元件均依據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)尺寸和 制造。
前面所描述的方法和設(shè)備僅是本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式，并非將 本發(fā)明限制于此。可以很容易獲得許多其他的實(shí)施例，不僅僅限制于安 裝在飛行器的結(jié)構(gòu)元件上的縱梁和肋條，而是擴(kuò)展到其他設(shè)備的其他結(jié) 構(gòu)元件中。
權(quán)利要求
1.一種加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法，所述加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件包括至少一個(gè)罩殼元件(6)以及至少一個(gè)能夠連接于所述罩殼元件(6)的加強(qiáng)元件，其中，所述罩殼元件(6)和所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件的尺寸設(shè)計(jì)是基于所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件的完好無損的假設(shè)，并考慮預(yù)定的安全系數(shù)和/或預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔，在所述預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔中，所述罩殼元件(6)中的裂紋進(jìn)展不超過預(yù)定的最大裂紋進(jìn)展和/或所述結(jié)構(gòu)元件的強(qiáng)度不降低于預(yù)定的最小殘余強(qiáng)度，以及其中，采用該方法設(shè)計(jì)尺寸的所述結(jié)構(gòu)元件的所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件裝配有至少一個(gè)用于檢測(cè)完好無損的結(jié)構(gòu)狀況傳感器(30)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法包括以下步驟中的 至少一個(gè)a. 確定作用在所述結(jié)構(gòu)元件上的應(yīng)力值；b. 確定連接于所述罩殼元件(6)的所述加強(qiáng)元件(40)的安裝位 置和/或數(shù)量；c. 確定所述軍殼元件(6 )和所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件的材料強(qiáng)度(42 );d. 考慮所述應(yīng)力值，和/或所述預(yù)定檢l務(wù)間隔，和/或所述加強(qiáng)元件 (40)的數(shù)量和固定位置，和/或所述罩殼元件(6)和/或加強(qiáng)元件(40)的材料強(qiáng)度(42),計(jì)算發(fā)生在所述罩殼元件(6)上的裂紋進(jìn)展；e. 計(jì)算需要的結(jié)構(gòu)檢修間隔，作為安全的能檢修的裂紋長(zhǎng)度的時(shí)間 和臨界的裂紋長(zhǎng)度的時(shí)間之間的間隔與已確定的安全系數(shù)的商；f. 使用上述步驟，改變結(jié)構(gòu)元件的加強(qiáng)元件(40)的材料強(qiáng)度(42) 和/或固定位置和/或數(shù)量，用以使所述需要的結(jié)構(gòu)檢修間隔適應(yīng)所述預(yù) 定的檢修間隔；g. 通過將已經(jīng)依照上述步驟設(shè)計(jì)尺寸的所述加強(qiáng)元件(40)連接到 所述軍殼元件(6)來制造所述結(jié)構(gòu)元件，特別是通過鉚釘固定、焊接、 粘合、碾壓和/或螺絲連接等連接；以及h. 為所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件裝配至少一個(gè)結(jié)構(gòu)狀況傳感器(30 )。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，權(quán)利要求2中的步驟e可以 由如下步驟代替e'.計(jì)算需要的結(jié)構(gòu)檢修間隔，作為達(dá)到臨界殘余強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間和 已確定的安全系數(shù)的商。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)元件應(yīng) 用于飛行器。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)元件應(yīng) 用于客機(jī)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述罩殼元件(6)用作客機(jī) 的蒙皮或部分蒙皮。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件為客 機(jī)的所述蒙皮的縱向加強(qiáng)件(縱梁(8))。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件為客 機(jī)的所述蒙皮的橫向加強(qiáng)件(肋條)。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)狀況傳 感器為電性撕裂線、真空傳感器和/或光纖等。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述至少一個(gè) 加強(qiáng)元件的不同位置布置多個(gè)結(jié)構(gòu)狀況傳感器。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)狀況傳 感器與用于記錄、評(píng)估和/或傳送所述加強(qiáng)元件的狀況的裝置相連。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述用于記錄、評(píng)估和/或 傳送所述加強(qiáng)元件的狀況的裝置為一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備，特別是航 空電子設(shè)備。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，當(dāng)檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)元 件的缺陷時(shí)，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備以數(shù)據(jù)的形式在數(shù)據(jù)載體中存儲(chǔ)所述缺 陷和/或?qū)⑺鋈毕輦魉徒o另外的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過釆用合適的輸出裝置 輸出已經(jīng)存儲(chǔ)的和/或已經(jīng)傳送的數(shù)據(jù)，能夠向飛行器的機(jī)組人員和/或 地勤人員通知所述缺陷，特別是視覺地或聽覺地通知。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，在所述缺陷發(fā)生之后立即 或稍后時(shí)刻及時(shí)通知飛行器機(jī)組人員和/或地勤人員。
16.結(jié)構(gòu)狀況傳感器在探測(cè)結(jié)構(gòu)元件的一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)元件的完好 無損中的應(yīng)用，所述一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)元件能夠連接于罩殼元件，其中，所述結(jié)構(gòu)狀況傳感器布置在所述加強(qiáng)元件上，并且所述結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)是基于在預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔內(nèi)，所述加 強(qiáng)元件完好無損、所述罩殼元件中的裂紋進(jìn)展不超過預(yù)定最大裂紋進(jìn)展 和/或所述結(jié)構(gòu)元件的強(qiáng)度不降低于預(yù)定最小殘余強(qiáng)度的假設(shè)。
17.如權(quán)利要求16所述的應(yīng)用，其中，所述結(jié)構(gòu)狀況傳感器應(yīng)用 于飛行器，特別是客機(jī)，所述飛行器的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造至少 部分依照如權(quán)利要求1至15中的至少一項(xiàng)所述的方法。
18. —種帶有加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的飛行器，特別是客機(jī)，所述加強(qiáng)的 結(jié)構(gòu)元件包括能夠與至少一個(gè)加強(qiáng)元件相連接的罩殼元件， 其中，所述罩殼元件和所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件的尺寸設(shè)計(jì)是基于所 述至少一個(gè)加強(qiáng)元件的完好無損的假設(shè)，并考慮預(yù)定的安全系數(shù)和/或 預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔，在所述預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔中，所述罩殼元件中 的裂紋進(jìn)展不超過預(yù)定的最大裂紋進(jìn)展和/或所述結(jié)構(gòu)元件的強(qiáng)度不降 低于預(yù)定的最小殘余強(qiáng)度，以及其中，所述加強(qiáng)元件上布置有用于檢測(cè)完好無損的結(jié)構(gòu)狀況傳感器。
19.如權(quán)利要求17所述的飛行器，其特征在于，所述飛行器的結(jié) 構(gòu)元件是依照如權(quán)利要求1至15中的至少一項(xiàng)所述的方法制造的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件的尺寸設(shè)計(jì)和制造方法。所述加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)元件包括至少一個(gè)罩殼元件(6)以及至少一個(gè)能夠連接于所述罩殼元件(6)的加強(qiáng)元件(8)，其中，基于所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件的完好無損的假設(shè)并考慮預(yù)定的安全系數(shù)和/或預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔來進(jìn)行所述罩殼元件(6)和所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件(8)的尺寸設(shè)計(jì)，在所述預(yù)定的結(jié)構(gòu)檢修間隔中，所述罩殼元件中的裂紋進(jìn)展不超過預(yù)定的最大裂紋進(jìn)展和/或所述結(jié)構(gòu)元件的強(qiáng)度不降低于預(yù)定的最小殘余強(qiáng)度，其中，采用該方法設(shè)計(jì)尺寸的所述結(jié)構(gòu)元件的所述至少一個(gè)加強(qiáng)元件(8)裝配有至少一個(gè)用于檢測(cè)完好無損的結(jié)構(gòu)狀況傳感器(30)。本發(fā)明還涉及結(jié)構(gòu)狀況傳感器在飛行器中的應(yīng)用，尤其是在客機(jī)中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B64C1/06GK101346275SQ200680049292
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
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