專利名稱：桁條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在其終端部處具有錐形的層壓復(fù)合桁條，并且涉及形成這種桁條的方法。
背景技術(shù)：
諸如飛機機翼或機身的蒙皮之類的面板可由沿該面板的長度延伸的一系列細(xì)長桁條來加強。桁條通常包括與面板成直角延伸的腹板和接合面板的凸緣。由于阻礙加強件在某些區(qū)域中必須終止，以使得面板/桁條結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)平板幾何形狀。在飛機的情況中，加強件必須終止于例如機翼末端、檢查孔等處。在桁條終端部處，由桁條支撐的應(yīng)力被傳遞進(jìn)面板內(nèi)。因此桁條終端部產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的區(qū)域，并且在這些區(qū)域中面板和桁條有分離的趨勢。為了提高對面板和桁條分離的抵抗力，桁條凸緣在終端部附近可具有加寬部分， 即所謂的“桁條基部”。該部分可螺栓連接或以其它方式固接到面板上。替代地或另外地， 可在桁條基部上方設(shè)置指狀板或蓋板并將他們螺栓連接到面板上。這些措施有助于將桁條荷載分散到面板中但高應(yīng)力集中仍舊存在。腹板通常在終端部附近具有高度(垂直于面板)減小的錐形，以便于通過提供橫向彎曲和軸向剛度的逐漸增加并減輕局部應(yīng)力集中而將荷載從蒙皮傳遞到桁條。W02008/132498A描述了一種桁條，其中腹板在終端部附近具有高度減小的錐形。 EP1566334A描述了一種桁條，其中腹板在終端部附近具有兩個由高臺分開的高度減小的錐形區(qū)域。隨著從金屬桁條到復(fù)合桁條的變化，現(xiàn)有技術(shù)的非常基本的桁條終端部幾何形狀這些年來變化很少。然而，這些桁條終端部幾何形狀沒有充分利用由復(fù)合材料構(gòu)造桁條的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種層壓復(fù)合桁條，該桁條在其縱向方向上的一端處具有終端部，并包括復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的層壓疊層，其中，所述疊層中的內(nèi)部層板朝所述桁條終端部以連續(xù)的方式終止，以提供疊層厚度減小的錐形。本發(fā)明的第二方面提供了一種包括面板和結(jié)合到該面板的第一方面的桁條的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的第三方面提供了一種包括根據(jù)第二方面的復(fù)合結(jié)構(gòu)的飛機。本發(fā)明的第四方面提供了一種制造層壓復(fù)合桁條的方法，該桁條在其縱向方向上的一端處具有終端部且包括復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的層壓疊層，其中，所述疊層中的內(nèi)部層板朝所述桁條終端部以連續(xù)的方式終止，以提供疊層厚度減小的錐形，該方法包括將復(fù)合結(jié)構(gòu)層板切割成期望的終端部輪廓；以及疊置復(fù)合結(jié)構(gòu)層板。相比其中疊層厚度在腹板錐形中保持相同的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的桁條具有疊層厚度減小的錐形。這大大地增加了桁條終端部的幾何形狀的可行性，并允許將荷載更加有效地從桁條傳遞到面板內(nèi)。荷載傳遞被控制并以自由流動的形式均勻地分布，而不必控制局部應(yīng)力集中。對大多數(shù)荷載情況來說，荷載傳遞使得不需要另外的指狀板或覆蓋層板，并且可將螺栓的尺寸和數(shù)量保持至最小。終端部的設(shè)計抑制產(chǎn)生裂縫部并改善斷裂力學(xué)。桁條可具有用于接合面板的凸緣，并且疊層錐形可位于凸緣內(nèi)。凸緣內(nèi)的疊層錐形可以沿縱向方向和/或橫向方向。在凸緣沿縱向方向和橫向方向均漸縮的情況下，應(yīng)力集中被最有效地減少。桁條可具有直立的腹板，并且疊層錐形可位于腹板內(nèi)。腹板優(yōu)選地在終端部處分叉，并且可在分叉腹板的“分支”之間設(shè)置非結(jié)構(gòu)填充元件。通過背對背地接合層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的一對大致L形的的疊層，可形成桁條的腹板和凸緣。由于角部處的復(fù)合層板的最小半徑的限制，在L形的疊層之間可形成裂縫， 該裂縫可用非結(jié)構(gòu)填充元件填充。除了疊層厚度減小的錐形之外，桁條也可以是錐形的，使得腹板的高度和/或凸緣的寬度可在終端部處漸縮。凸緣的位于終端部的緊內(nèi)側(cè)的寬度可大于凸緣的位于終端部的更內(nèi)側(cè)的寬度。層板可由例如激光或水射流切割。優(yōu)選地，每個層板在附加到層板疊層后立即被切割。也可使用自動鋪帶機來切割和鋪設(shè)每個層板以形成疊層。可將層板鋪設(shè)成使得第一層板為最大層板，并且進(jìn)一步地，將較小的層板鋪設(shè)在上面，使得上部的層板在下部的層板之前終止以在終端部處形成疊層厚度減小的錐形。由于最后鋪設(shè)的最上面的層板將是最小的層板，因此將暴露內(nèi)部層板的邊緣。為了保護(hù)內(nèi)部層板的邊緣，可在層板疊層上設(shè)置層板覆蓋物。保護(hù)層板邊緣將提高抗剝離性。替代地，第一層板可以是最小的層板，并且進(jìn)一步地，可將較大的層板鋪設(shè)在上面，使得下部的層板在上部的層板之前終止以在終端部處形成疊層厚度減小的錐形。這種逆向鋪放的上部層板將保護(hù)下部層板的邊緣，并且最上面的層板將形成連續(xù)的表面。當(dāng)桁條結(jié)合到或以其它方式固定在面板上時，最下面的層板最靠近板定位。最上面的層板最遠(yuǎn)離面板定位。層板優(yōu)選地為用樹脂預(yù)浸漬的纖維加強層壓板，即所謂的“預(yù)浸料坯”。替代地，層板可以是干纖維層壓板，并且在層壓板被切割和疊置之后，需要將樹脂注入層板內(nèi)。在這兩種情況下，樹脂可能都需要例如在壓熱器中固化。纖維可以由碳、玻璃或其它合適的材料制成。樹脂優(yōu)選地為環(huán)氧樹脂。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實施方式，在附圖中圖1示出用于根據(jù)第一實施方式的桁條的復(fù)合鋪層的一端的平面圖；圖2示出圖1的鋪層的側(cè)視圖；圖3示出具有覆蓋層板的圖1的鋪層的平面圖；圖4示出圖3的鋪層和覆蓋層板的投影圖；圖5示出圖4的桁條終端部的近距離視圖；圖6示出第一實施方式的固化的、完成的桁條；
圖7示出圖6的細(xì)節(jié)A;圖8示出圖7的疊層錐形的近距離視圖；圖9示出圖6的桁條的側(cè)視圖；圖10示出沿圖9的B-B的剖視圖；圖11示出圖6的桁條的端視圖；圖12示出圖6的桁條的投影圖；圖13示出顯示肋腳位置的圖6的桁條的平面圖；圖14示出為形成第一實施方式的桁條的層板鋪層的示意圖；圖15示出圖14的固化鋪層的示意圖；圖16示出根據(jù)第二實施方式的桁條的平面圖；圖17示出圖16的桁條的投影圖；圖18示出圖16的桁條的下方的投影圖；圖19示出為形成第二實施方式的桁條的層板鋪層的示意圖；圖20示出圖18的固化鋪層的示意圖；圖21示出根據(jù)第三實施方式的桁條的投影圖；圖22至M示出安裝在面板上且具有覆蓋桁條基部的襯墊的圖21的桁條的局部圖；以及圖25示出安裝在面板上且具有覆蓋桁條基部的可選襯墊的圖21的桁條的示意圖，并示出從桁條到面板的荷載傳遞方向。
具體實施例方式現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的桁條的第一實施方式。如圖1中所示，桁條100包括具有寬度W的凸緣101和具有高度H的直立腹板102。應(yīng)注意，在圖1中僅示出桁條的一端。 桁條100在一端處具有終端部103。在終端部的內(nèi)側(cè)，桁條100具有基本上恒定的區(qū)段(圖 1中未示出)。鄰近于終端部103，凸緣101具有增大的寬度W’的區(qū)域，以便形成桁條基部 104。桁條100由一對背對背的L形復(fù)合層壓層板105的疊層形成。層板105被布置成使得最下面的層板10 是最大的層板，并且最上面的層板10 是最小的層板。層板被切割成使得最下面的層板10 終止于桁條終端部103處，并且最上面的層板10 終止于離終端部103的內(nèi)側(cè)的較大距離處。層板10 和10 之間的其余的層板105被連續(xù)切割，以便形成層板疊層厚度朝終端部103減小的錐形或斜面。如從圖1可看到的，在凸緣101內(nèi)的層板疊層厚度減小的錐形沿縱向方向X和橫向方向Y的兩個方向。如從圖2可看到的，在凸緣101內(nèi)疊層厚度減小的錐形還沿垂直方向 Z。此外，如從圖1和2可看到的，在腹板102內(nèi)疊層厚度減小的錐形是沿橫向方向Y。在接近終端部103處，凸緣101的寬度W與直立腹板的高度H —樣也逐漸變小。在寬度為W的凸緣101內(nèi)的錐形106被設(shè)置在相對于縱向方向X近似45°處。相對于縱向方向X以約 5°設(shè)置處的第二錐形區(qū)域有助于在錐形106和桁條基部104的恒定寬度段W’之間結(jié)合。 在高度為H的腹板102內(nèi)的錐形107被設(shè)置在相對于水平面近似30°處。層板105的疊層被切割成使得只有最下面的層板10 保持在終端部103處。在凸緣101和腹板102內(nèi)的疊層厚度減小的錐形中的切割層板105的暴露的邊緣可能容易分層。這可通過在最上面的層板10 上設(shè)置覆蓋層板105c來克服。覆蓋層板 105c的尺寸被確定成至少與最下面的層板10 —樣大，使得覆蓋層板105c覆蓋所有的其它層板105。如圖3中所示，覆蓋層板105c還包括延伸超出最下面的層板10 的邊緣部分 108。這些邊緣部分108可用于將桁條100緊固到面板上。應(yīng)當(dāng)注意的是，任何這樣的緊固件都是非結(jié)構(gòu)性的，并且僅僅提供用于防止覆蓋層板105c從面板剝離。在邊緣部分108內(nèi)的緊固孔109在圖6中示出。由于在其它層板105中的疊層厚度減小的錐形，因此覆蓋層板105c在施加在未固化的層板的疊層上時在終端部處形成間隙。該間隙109在圖5的近距離視圖中可最佳地看至IJ。當(dāng)層板的鋪層已完成時，固化桁條100導(dǎo)致覆蓋層板105c適形于下面的其它層板105 的疊層厚度減小的錐形。圖6示出了固化后的完成的桁條，其中覆蓋層板105c形成連續(xù)的外表面；圖6的細(xì)節(jié)A在圖7中示出；腹板102中的層板的錐形疊層的近距離視圖在圖8中示出。從圖8 中可以看到，層板105均沿縱向方向X平行，并且通過以連續(xù)的方式終止層板，疊層沿橫向方向Y的厚度減小以形成錐形。事實上，覆蓋層板105c由兩個層板105c形成。這些覆蓋層板105c在錐形中不平行于縱向方向X，而是相反地適形于錐形的角度。在覆蓋層板105c 的邊緣和其余的層板105之間的小空隙110用樹脂填充。圖9示出了桁條100的側(cè)視圖，圖10示出了沿B-B的剖視圖。從圖10中可以看到位于桁條基部104上的恒定截面區(qū)域中的復(fù)合層板105的一對背對背L形疊層。每個層板105均為連續(xù)的，使得腹板部分102的厚度為凸緣部分101的厚度的兩倍。由于由層壓層板105決定的最小半徑r，而在背對背的L形疊層之間可形成裂縫。該裂縫可由非結(jié)構(gòu)性填料111填充，使得桁條100的下表面112基本上是平坦的，從而可將桁條100牢固地結(jié)合到面板上。在圖11中示出了桁條100的端視圖，在圖12中示出了完成的桁條100的投影視圖。桁條100旨在固定到機翼的罩蓋或蒙皮上。機翼通常包括具有供桁條從其穿過的切口的肋。這些肋通常連接到機翼罩蓋或蒙皮并通過肋腳連接到桁條。圖13示出了位置113， 在這些位置可將肋腳連接到桁條100。圖14示出了層板的鋪層的示意圖。在最下面的層板10 和最上面的層板10 之間的層板形成在層板疊層厚度減小的錐形中的階梯式構(gòu)造。覆蓋層板105c延伸超出最下面的層板10fe。層板的疊層在壓熱器中固化，由此施加的熱量和壓力P導(dǎo)致覆蓋層板105c 適形于其它層板105的錐形幾何形狀。圖15示出了從壓熱器取出后的固化層板。在上述的第一實施方式中，桁條100包括具有在各個方向上疊層厚度減小的錐形的層板的疊層。每個錐形的共同特征是內(nèi)部層板朝著桁條終端部以連續(xù)的方式終止以形成疊層厚度減小的錐形。在完成的桁條100中，上部層板的暴露邊緣可由可選的覆蓋層板 105c覆蓋。在第二實施方式中，桁條200具有與桁條100相似的總體幾何形狀。第二實施方式的桁條200和第一實施方式的桁條100之間的主要差異在于，在桁條200中，即使在不使用可選的覆蓋層板時，內(nèi)部層板也被終止成使得層板的邊緣不暴露。桁條200包括凸緣201、 腹板202、終端部203、桁條基部204、朝終端部203凸緣寬度減小的錐形206、朝終端部203 腹板高度減小的錐形207以及非結(jié)構(gòu)錐形插條(tapered noodle)2110桁條200的外部幾何形狀與桁條100的類似，不同的是腹板202在達(dá)至終端部203之前具有恒定的寬度。這通過錐形插條211實現(xiàn)，而與沿腹板202的縱向方向X疊層厚度減小的錐形無關(guān)。通過接合層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的兩個背對背的L形的疊層，而以與桁條100的構(gòu)造類似的方式形成凸緣201和腹板202。參照圖18至20最佳地描述桁條100和桁條200之間的主要差別。對桁條200來說，層板鋪層與桁條100的相反。如從圖18中可看到的，層板205被鋪放成使得最小的層板20 首先鋪設(shè)，最大的層板20 最后鋪設(shè)?？蛇x的覆蓋層板205c可隨后鋪在層板20 上。參照圖19，第一層板20 首先被鋪放。最上面的層板20 (或覆蓋層板205c)最后被鋪放，以便形成突出部。桁條200的層板可以是與桁條100相同的材料。一旦組裝了層板 205的疊層，就可將其在壓熱器等中進(jìn)行固化。圖20示出了固化后的層板205的示意性局部剖視圖。最上面的層板20 在朝終端部203疊層厚度減小的錐形上形成基本光滑的過渡，與可選覆蓋層板205c—樣。內(nèi)部層板自然變形，并且他們的邊緣趨于朝向內(nèi)模線(在其上鋪設(shè)層板疊層的表面)的法線。在圖20中示出的示意圖中，凸緣201包括超過腹板202的范圍的延伸部分213。 當(dāng)存在凸緣201從與其連接的面板剝離的風(fēng)險時，該部分可可選地提供用于桁條200。延伸區(qū)域213提供了增大的結(jié)合表面，并可通過大致由線214表示的緊固件被進(jìn)一步固定到面板上。圖21至M示出了桁條300的第三實施方式。桁條300包括以與桁條100層板疊層類似的方式布置的層板305的疊層。也就是說，最下面的層板30 是最大的層板，并且最上面的層板30 是最小的層板。相比桁條100的層板105的斜切邊緣，桁條基部304具有帶有基本上連續(xù)的彎曲邊緣的自由形式的構(gòu)造。桁條基部304的形狀已最優(yōu)化為用于將荷載傳遞到待附連桁條300的面板。然而，層板305的彎曲邊緣分別比桁條100的層板105 的直邊緣和桁條200的層板205的直邊緣更難切割。為了增強桁條基部304向面板350的結(jié)合，在桁條基部304上鋪設(shè)有襯墊370。襯墊370有效地充當(dāng)面板350的面板厚度增加的區(qū)域。襯墊370具有厚度基本上均勻的大致半圓形或D形的構(gòu)造。襯墊可由單向或編織造的纖維復(fù)合材料制成。襯墊370可與桁條300 和面板350預(yù)組裝并共固化在一起，以將桁條300、襯墊370和面板350結(jié)合在一起。預(yù)制的襯墊370可在使用機器人臂上的真空襯墊的自動化工藝中鋪設(shè)在桁條基部304上，以便相對于桁條300定位襯墊370。在第三實施方式的第二實例中，襯墊370被襯墊380取代，如圖25中所示。在圖 25中大致用(370)表示不存在的襯墊370的輪廓。第二實例的襯墊380的形狀已被優(yōu)化， 以便在荷載從桁條300傳遞到面板350時順著荷載的荷載線381。襯墊380具有基本上均勻的厚度，并且具有分叉的近端382、邊大致平行的中間段383和叉狀遠(yuǎn)端384。襯墊380 的形狀比簡單的“D形”襯墊370更難切割，但提供了在桁條300和面板350之間改善的荷載傳遞。盡管以上已經(jīng)參照一個或多個優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離如所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變或修改。
權(quán)利要求
1.一種層壓復(fù)合桁條，所述桁條在其縱向方向上的一端處具有終端部，并包括復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的層壓疊層，其中，所述疊層中的內(nèi)部層板朝所述桁條的終端部以連續(xù)的方式終止，以提供疊層厚度減小的錐形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的桁條，所述桁條具有凸緣，其中，所述疊層錐形位于所述凸緣中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的桁條，其中，所述凸緣中的所述疊層錐形沿縱向方向和/或橫向方向。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的桁條，所述桁條具有直立腹板，其中，所述疊層錐形位于所述腹板中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的桁條，其中所述腹板在所述終端部處分叉，并且在分叉的所述腹板中布置有非結(jié)構(gòu)性填充元件。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的桁條，所述桁條具有凸緣和直立腹板，所述直立腹板通過背對背地接合層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的一對大致L形的疊層形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的桁條，其中，在所述L形疊層之間的裂縫中布置有非結(jié)構(gòu)性填充元件。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的桁條，所述桁條具有直立腹板，所述腹板具有在所述終端部處高度減小的錐形。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的桁條，所述桁條具有凸緣，其中，所述凸緣具有在所述終端部處寬度減小的錐形。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的桁條，所述桁條具有凸緣，其中，所述凸緣的位于所述終端部的緊內(nèi)側(cè)的寬度大于所述凸緣的位于所述終端部的更內(nèi)側(cè)的寬度。
11.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)包括面板和結(jié)合到該面板上的前述任一項權(quán)利要求所述的桁條。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，疊層厚度減小的所述錐形通過首先終止最靠近所述面板的層板來實現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，疊層厚度減小的所述錐形通過首先終止最遠(yuǎn)離所述面板的層板來實現(xiàn)。
14.一種包括權(quán)利要求11至13中的任一項所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的飛機。
15.一種制造層壓復(fù)合桁條的方法，所述桁條在其縱向方向上的一端處具有終端部，并且包括復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的層壓疊層，其中，所述疊層中的內(nèi)部層板朝所述桁條的終端部以連續(xù)的方式終止，以提供疊層厚度減小的錐形，所述方法包括將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層板切割成期望的終端部輪廓；和疊置所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層板。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述層板通過激光或水射流切割。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，各個層板在附加到所述疊層時被切割。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中的任一項所述的方法，其中，完成的所述桁條的最大層板首先被鋪設(shè)在所述疊層中。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至17中的任一項所述的方法，其中，完成的所述桁條的最小層板首先被鋪設(shè)在所述疊層中。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中的任一項所述的方法，該方法還包括固化所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層板的所述疊層。
全文摘要
一種層壓復(fù)合桁條，所述層壓復(fù)合桁條在其縱向上的一端處具有終端部，并包括復(fù)合結(jié)構(gòu)層板形成的層壓疊層，其中，疊層中的內(nèi)部層板朝所述桁條終端部以連續(xù)的方式終止以提供疊層厚度減小的錐形。另外，一種復(fù)合結(jié)構(gòu)包括面板和所述桁條；以及一種制造所述桁條的方法。所述復(fù)合結(jié)構(gòu)可用于飛機中。
文檔編號B64C1/06GK102470915SQ201080030987
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者M·伯格西尼-莉莉, N·菲利普斯, 保羅·哈德利 申請人:空中客車德國運營有限責(zé)任公司, 空中客車英國運營有限責(zé)任公司