專(zhuān)利名稱(chēng)：：加強(qiáng)面板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種加強(qiáng)面板，該加強(qiáng)面板包括復(fù)合蒙皮；以及多個(gè)粘接到該復(fù)合蒙皮的桁條。本發(fā)明還涉及屈曲(buckling)該加強(qiáng)面板的方法。
背景技術(shù)：
：盡管復(fù)合材料在一些特殊領(lǐng)域具有較高的性能，如重量、耐久性和全壽命成本，但在主要結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有被廣泛接受。這主要是由于對(duì)于失效機(jī)理和它們損壞時(shí)的性態(tài)(behaviours)缺乏了理解而導(dǎo)致的。與表現(xiàn)所有新設(shè)計(jì)方案特征的輕量化原則相比，對(duì)于知識(shí)和技巧的普遍缺乏經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致過(guò)大尺寸的結(jié)構(gòu)。屈曲仍舊是加強(qiáng)面板設(shè)計(jì)中最有爭(zhēng)議的問(wèn)題之一。已知的是復(fù)合加強(qiáng)面板在沒(méi)有任何失效的情況下能夠承載比屈曲載荷更高的面內(nèi)載荷。不幸的是，模擬與結(jié)構(gòu)失效的破壞程度相關(guān)的性態(tài)的測(cè)試復(fù)雜而又昂貴，從而使得從殘骸中獲取失效機(jī)理非常復(fù)雜。對(duì)于金屬機(jī)身，應(yīng)力的釋放和再分配本質(zhì)上是通過(guò)局部塑性變形來(lái)提供的，失效則是由于蒙皮屈服或局部/全局桁條屈曲而發(fā)生的。復(fù)合材料很少出現(xiàn)局部塑化，因此這種釋放應(yīng)力的方法基本上不可行。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一方面提供一種加強(qiáng)面板，所述加強(qiáng)面板包括復(fù)合蒙皮；粘接到所述復(fù)合蒙皮的多個(gè)桁條；和一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器，每個(gè)致動(dòng)器定位于相鄰的一對(duì)桁條之間并且被構(gòu)造成向所述蒙皮施加局部應(yīng)變，所述局部應(yīng)變導(dǎo)致所述蒙皮的屈曲。本發(fā)明的第二方面提供一種屈曲加強(qiáng)面板的方法，所述加強(qiáng)面板包括復(fù)合蒙皮和粘接到所述蒙皮的多個(gè)桁條，所述方法包括在所述蒙皮的平面內(nèi)向所述面板施加載荷；和當(dāng)所述載荷超出預(yù)定閥值時(shí)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器向相鄰的一對(duì)桁條之間的所述蒙皮施加局部應(yīng)變。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到類(lèi)似于由金屬結(jié)構(gòu)的局部塑性變形所導(dǎo)致的張力釋放可以通過(guò)在所述蒙皮中及早引起屈曲而在復(fù)合結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。在所述蒙皮的平面內(nèi)施加的所述載荷可以是壓縮載荷、剪切載荷、或者是兩者的結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器通過(guò)在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間改變它的形狀而施加所述局部應(yīng)變。在這種情況下，每個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器可以不需要控制系統(tǒng)而自動(dòng)地改變它的幾何形狀。在其他實(shí)施方式中，設(shè)置控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)所述蒙皮的應(yīng)變，并且當(dāng)所監(jiān)測(cè)的應(yīng)變超出預(yù)定閥值時(shí)驅(qū)動(dòng)所述應(yīng)變致動(dòng)器。在這種情況下，所述應(yīng)變致動(dòng)器例如可以是壓電器件。利用控制系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)可以增加工作載荷的范圍并且可以提供關(guān)于實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造、性態(tài)和完整性的信息。專(zhuān)用應(yīng)變計(jì)的陣列可以提供控制系統(tǒng)所必需的輸入。然而，更優(yōu)選地，致動(dòng)器來(lái)提供所需的感測(cè)輸入，即，每個(gè)致動(dòng)器被構(gòu)造為感測(cè)所述蒙皮的應(yīng)變并生成由所述控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的感測(cè)信號(hào)。由于每個(gè)致動(dòng)器能夠通過(guò)共用的雙向控制線(xiàn)將感測(cè)信號(hào)傳送到所述控制系統(tǒng)并從所述控制系統(tǒng)接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而減少了所需的控制線(xiàn)的數(shù)量。所述桁條和蒙皮可以通過(guò)粘合劑、通過(guò)共同固化或者任何其他適合的粘接方法而粘接到一起。所述應(yīng)變致動(dòng)器可以至少部分地嵌入所述蒙皮。這樣就可以不需要粘合劑來(lái)將所述應(yīng)變致動(dòng)器粘接到所述蒙皮。在這里所描述的實(shí)施方式中，所述蒙皮由復(fù)合材料形成，所述復(fù)合材料包括用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬的多個(gè)單軸碳纖維。然而，所述蒙皮可以由任意的復(fù)合材料形成，例如包括玻璃增強(qiáng)纖維金屬層板(GLARE)?，F(xiàn)在將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，其中:圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的加強(qiáng)面板的平面視圖;圖2是沿圖1中線(xiàn)A-A截取的剖視圖；圖3是部分面板的放大剖視圖；圖4是一個(gè)致動(dòng)器的放大視圖；圖5示出了電子控制系統(tǒng)；圖6示出了部分嵌入的致動(dòng)器,圖7示出了完全嵌入的致動(dòng)器；圖8是通過(guò)承載控制線(xiàn)的纖維的剖視圖；圖9是采用多穩(wěn)態(tài)致動(dòng)器的加強(qiáng)面板的平面視圖；和圖IO是典型界面變量與載荷的關(guān)系的曲線(xiàn)圖。具體實(shí)施例方式圖1和2中示出了加強(qiáng)面板1的一部分。所述面板可形成例如航空器機(jī)翼或機(jī)身的蒙皮。所述面板包括復(fù)合蒙皮2;共固化到蒙皮的多個(gè)復(fù)合桁條3、4;和定位于桁條之間的壓電應(yīng)變致動(dòng)器5的二維陣列。在航空器機(jī)翼的情況下，桁條沿翼展方向從機(jī)翼的根部向翼尖延伸。圖1僅僅示出了面板的一小部分，面板進(jìn)一步沿水平方向和豎直方向延伸。如圖2所示，每個(gè)桁條包括從蒙皮延伸的腹板3a、4a和粘接到蒙皮2的一對(duì)凸緣3b、4b。如圖3和4所示，每個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器5通過(guò)粘合層5a粘接到蒙皮2。一對(duì)電極10a和10b粘接到致動(dòng)器的上表面和下表面。每個(gè)電極連接到各自的控制線(xiàn)lla、llb，并且這些控制線(xiàn)以電纜12的形式捆扎在一起，該電纜12通向圖5中所示的控制系統(tǒng)13?？刂葡到y(tǒng)13通過(guò)在電極10a和10b之間施加電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器。由于壓電效應(yīng)而導(dǎo)致致動(dòng)器以垂直于電場(chǎng)的角度擴(kuò)展或收縮。電壓的符號(hào)決定致動(dòng)器是擴(kuò)展還是收縮。應(yīng)變致動(dòng)器5還可以用作為載荷傳感器。當(dāng)面板變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變致動(dòng)器擴(kuò)展或者收縮，這又在電極10a和10b之間產(chǎn)生電壓。該電壓提供由控制系統(tǒng)13監(jiān)測(cè)的傳感信號(hào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的電壓超過(guò)了儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器14中的預(yù)定閥值時(shí)，控制系統(tǒng)13產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)增大或減小電極之間的電壓，這又導(dǎo)致致動(dòng)器擴(kuò)展或收縮。需要注意的是，來(lái)自致動(dòng)器的感測(cè)信號(hào)和到達(dá)致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都可通過(guò)同一控制線(xiàn)傳送。致動(dòng)器的變形向蒙皮施加局部應(yīng)變，這導(dǎo)致蒙皮在桁條之間屈曲而形成圖l和2中所示的褶皺6。目前，對(duì)于大多數(shù)航空器結(jié)構(gòu)，要求在低于設(shè)計(jì)極限載荷下不允許出現(xiàn)屈曲。圖10是典型界面變量(如剪切載荷，或者在蒙皮和桁條之間的界面處的離面位移)與載荷的關(guān)系的曲線(xiàn)國(guó)。在P1和P2之間的區(qū)域中，通過(guò)在面板的相反表面之間施加壓力差而對(duì)面板加壓。例如由于在蒙皮的一側(cè)存在有加壓的燃料，在使用中會(huì)存在這種壓力差。在點(diǎn)P1和P2之間的區(qū)域中，面內(nèi)壓縮載荷被施加在面板上。在點(diǎn)P2，面板屈曲。因此，P2表示在沒(méi)有應(yīng)變致動(dòng)器5的情況下的最大允許載荷，并因而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于結(jié)構(gòu)的尺寸定制。當(dāng)預(yù)加壓的面板達(dá)到屈曲載荷時(shí)，橫向形狀必然會(huì)出現(xiàn)顯著的變化。事實(shí)上，在穩(wěn)定階段，變形的結(jié)構(gòu)(僅由壓力所導(dǎo)致的一個(gè)褶皺表示)在后屈曲(過(guò)屈曲)狀態(tài)下會(huì)轉(zhuǎn)化為沿著桁條方向的一系列褶鮍。這會(huì)通過(guò)突彈跳變(snap-through)現(xiàn)象而發(fā)生，因而，從穩(wěn)定狀態(tài)到非穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變表征為機(jī)械變量的突然改變。圖1顯示了這樣的多個(gè)褶皺6中的三個(gè)。如果外部載荷是漸進(jìn)地作用，那么在即將轉(zhuǎn)變和緊接轉(zhuǎn)變之后的內(nèi)部彈性能量必定保持相同。從直覺(jué)上來(lái)看，如果相同量的彈性能量被分配到僅單個(gè)褶皺上或散布在多個(gè)褶皺上，那么在后一種情況中，表征每個(gè)褶皺的最大離面位移必定減少，因此每個(gè)界面應(yīng)力分量會(huì)成比例地減少。這就是說(shuō)，屈曲導(dǎo)致了面板和桁條之間的界面處的應(yīng)力釋放。通過(guò)在存儲(chǔ)器14內(nèi)設(shè)定低于屈曲載荷P2的閥值(例如，屈曲載荷P2的60。/?；?0。/。)，致動(dòng)器5施加進(jìn)一步的應(yīng)力場(chǎng)，該壓力場(chǎng)趨于導(dǎo)致蒙皮在到達(dá)屈曲載荷P2之前屈曲。這種早期的屈曲導(dǎo)致了隨后在共同粘接的蒙皮/桁條界面處的應(yīng)力釋放。隨后，面板會(huì)工作在后穩(wěn)定狀態(tài)，并且降低了的界面應(yīng)力會(huì)在更高載荷水平下達(dá)到它們的臨界值。因此，將會(huì)增強(qiáng)工作負(fù)載能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)整體性能的顯著增加和重量的節(jié)省。圖6示出了可替換的布置，其中致動(dòng)器5部分地嵌入蒙皮2的表面中的凹部中。圖7示出了可替換的布置，其中致動(dòng)器5完全嵌入蒙皮2內(nèi)。圖8為完全嵌入的致動(dòng)器5的示意圖。蒙皮2和桁條3、4都是由一系列復(fù)合材料層形成，每層包括多個(gè)單軸中空碳纖維，所述碳纖維浸漬有環(huán)氧樹(shù)脂。在圖6和7所示的部分或完全嵌入的布置中，控制線(xiàn)lla、llb中的一個(gè)或兩個(gè)可以沿著各自的碳纖維的中空芯部延伸。如圖8中所示，其為通過(guò)在其中空芯部中包含控制線(xiàn)11b的碳纖維21的剖視圖。在導(dǎo)電的金屬控制線(xiàn)llb和導(dǎo)電的碳纖維21之間的空間中填充有用作絕緣件的樹(shù)脂20。在圖9示出的本發(fā)明可替換的實(shí)施方式中，壓電應(yīng)變致動(dòng)器5被多穩(wěn)態(tài)致動(dòng)器30所替代，所述多穩(wěn)態(tài)致動(dòng)器30通過(guò)在兩個(gè)或更多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間改變其形狀而向蒙皮施加局部應(yīng)變。這樣的結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例是不對(duì)稱(chēng)的層板。在下列文獻(xiàn)中描述了各種的不對(duì)稱(chēng)層板結(jié)構(gòu)"Theapplicationofresidualstresstailoringofsnap-throughcompositesforvariablesweepwings",47thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics,andMaterialsConference,1-4May2006，Newport,RhodeIsland:禾口Bi-stablecompositeswithpiezoelectricactuatorsforshapechange,C.R.Bowen,A.I.T.Salo，R.Butler,E.ChangandH.A.Kim,Xe少五wg7.ween'/7g她fen'afe敝3U35,7」/，-7/"最簡(jiǎn)單的實(shí)例是具有堆疊順序的方形板。所述板在高溫下被處理成平的，在冷卻后，所述板呈現(xiàn)為圓筒形狀，該圓筒形狀能夠通過(guò)施加力而容易地彎折成第二圓筒形狀。在這種情況下，不需要電子控制系統(tǒng)和存儲(chǔ)器。替代為，致動(dòng)器30具有當(dāng)面板上的載荷超過(guò)所需的閥值時(shí)使它們?cè)诜€(wěn)定狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)變的固有的材料屬性，因此使得蒙皮由于致動(dòng)器30所施加的局部應(yīng)變而及早屈曲。盡管已經(jīng)參照一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)理解，在不超出所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以做出多種變化或改進(jìn)。權(quán)利要求1.一種加強(qiáng)面板，該加強(qiáng)面板包括復(fù)合蒙皮；粘接到所述復(fù)合蒙皮的多個(gè)桁條；和一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器，每個(gè)致動(dòng)器定位于相鄰的一對(duì)桁條之間并且被構(gòu)造成向所述蒙皮施加局部應(yīng)變，所述局部應(yīng)變趨于導(dǎo)致所述蒙皮屈曲。2.如權(quán)利要求1所述的面板，所述面板進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被構(gòu)造為監(jiān)測(cè)所述蒙皮的應(yīng)變并且當(dāng)所監(jiān)測(cè)的所述應(yīng)變超出預(yù)定閥值時(shí)驅(qū)動(dòng)所述應(yīng)變致動(dòng)器。3.如權(quán)利要求2所述的面板，其中，每個(gè)致動(dòng)器都被構(gòu)造為感測(cè)所述蒙皮的應(yīng)變并生成由所述控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的感測(cè)信號(hào)。4.如權(quán)利要求3所述的面板，其中，每個(gè)致動(dòng)器通過(guò)共用的雙向控制線(xiàn)將感測(cè)信號(hào)傳送到所述控制系統(tǒng)和從所述控制系統(tǒng)接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)。5.如權(quán)利要求l所述的面板，其中，每個(gè)致動(dòng)器通過(guò)在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間改變它的幾何形狀來(lái)施加所述局部應(yīng)變。6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的面板，其中，所述桁條與所述蒙皮是共同固化的。7.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的面板，其中，每個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器通過(guò)粘合層粘接到所述蒙皮。8.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的面板，其中，每個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器至少部分地嵌入所述蒙皮。9.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的面板，其中，每個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器是壓電器件。10.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的面板，其中，所述蒙皮由層狀復(fù)合材料形成。11.一種屈曲加強(qiáng)面板的方法，所述加強(qiáng)面板包括復(fù)合蒙皮和粘接到所述蒙皮的多個(gè)桁條，所述方法包括在所述蒙皮的平面內(nèi)向所述面板施加載荷；和當(dāng)所述載荷超出預(yù)定閥值時(shí)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器向相鄰的一對(duì)桁條之間的所述蒙皮施加局部應(yīng)變。12.如權(quán)利要求ll所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括監(jiān)測(cè)所述蒙皮的應(yīng)變，并且當(dāng)所監(jiān)測(cè)的所述應(yīng)變超出所述預(yù)定閥值時(shí)驅(qū)動(dòng)所述應(yīng)變致動(dòng)器。全文摘要一種加強(qiáng)面板(1)包括復(fù)合蒙皮(2)；粘接到該蒙皮的多個(gè)桁條(3、4)；和一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變致動(dòng)器(5)，每個(gè)致動(dòng)器定位于相鄰的一對(duì)桁條之間。在所述蒙皮的平面內(nèi)向所述面板施加載荷，并且當(dāng)壓縮載荷超出預(yù)定閥值時(shí)，通過(guò)應(yīng)變致動(dòng)器將局部應(yīng)變施加到所述蒙皮。這導(dǎo)致所述蒙皮屈曲而減小了所述蒙皮和所述桁條之間的界面應(yīng)力。文檔編號(hào)G01M99/00GK101678891SQ200880015883公開(kāi)日2010年3月24日申請(qǐng)日期2008年4月24日優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日發(fā)明者恩佐·科森蒂諾申請(qǐng)人:空中客車(chē)英國(guó)有限公司