Стрингер (варианты), способ создания модели стрингера, способ изготовления стрингера, авиакосмическое устройство (варианты), летательный аппарат (варианты) и компьютер - RU2492107C2
Код документа: RU2492107C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов, предназначенных для использования в авиакосмической отрасли. В частности, хотя впрочем и не только, настоящее изобретение относится к элементам жесткости панели обшивки, выполненным из композиционного материала, например, в форме стрингера из композиционного материала. Изобретение также относится к способу создания и способу изготовления подобного стрингера из композиционных материалов, например, с использованием соответствующим образом запрограммированного компьютера.
Уровень техники
Стрингеры обычно применяются в качестве элементов жесткости конструкции. К примерам подобного применения стрингеров относится повышение жесткости обшивки или покрытия каркаса конструкции крыла, секции фюзеляжа или иной подобной конструкции. Стрингеры могут иметь поперечное сечение Т-образной формы, L-образной формы или иных подходящих форм. Как правило, у стрингеров имеется основание с формой, приспособленной для плотного прилегания к поверхности конструкции, жесткость которой необходимо увеличить, и ребро, отходящее от основания в сторону от поверхности конструкции, причем ребро увеличивает жесткость стрингера. Иногда ребро еще называется гребнем стрингера.
Толщина или геометрия поверхности конструкции, которой необходимо придать жесткость, может изменяться, в результате чего появляются локальные особенности на поверхности конструкции, прилегающей к стрингеру. Таким образом, могут понадобиться соответствующие изменения геометрии стрингера. Локальные изменения геометрии элемента конструкции могут, однако, создать трудности при изготовлении стрингеров из композиционных материалов. Например, для локального увеличения прочности или жесткости панели крыла летательного аппарата обычно используют локальное увеличение толщины панели там, где требуется дополнительная жесткость или прочность. В результате, в профиле панели, обращенной к стрингеру, появляются утолщения. Таким образом, толщина панели может, в направлении увеличения вдоль длины соответствующего стрингера, постепенно нарастать к локально более толстой части, а потом спадать к более тонкой части. Для соответствия изменению толщины панели основание связанного с ней стрингера необходимо соответствующим образом постепенно поднять и постепенно опустить. В результате форма стрингера может иметь локальные изменения в геометрии поперечного сечения, представляющие собой функцию расстояния по длине стрингера.
Требуемая форма стрингера, используемого для придания панели жесткости, может в таком случае оказаться сложной, и ее геометрия может отклоняться от линейной и симметричной. Изготовление стрингеров из композиционных материалов, имеющих сложную геометрию, может вызывать трудности. Если требуются локальные изменения в геометрии поперечного сечения, при изготовлении могут появляться дефекты. Эти дефекты обычно возникают от сжатия и изгиба слоев волокнистого материала в зонах, где из-за локальных изменений геометрии появляются излишки материала. Это может вызвать складки в готовом изделии, обычно в форме поперечных складок. Дефекты также могут возникнуть из-за растяжения и(или) появления напряжений в зонах, где из-за локальных особенностей геометрии появляется недостаток материала. Это также может вызвать складки в готовом изделии, обычно в форме продольных складок. Любой из дефектов указанных типов (слишком мало материала или слишком много материала) может привести к нежелательному ослаблению и(или) появлению локальных внутренних напряжений композиционного материала в этих зонах. Такие дефекты обычно предусматриваются, и вводятся необходимые запасы путем добавления материала в таких зонах для компенсации дефектов, снижающих прочность. В то время как прочность получившегося компонента при этом может и не пострадать, такой подход приводит к увеличению веса и чрезмерному объему конструкции.
В настоящем изобретении ставится задача снизить остроту отмеченных проблем. В качестве альтернативы или дополнительно в настоящем изобретении ставится задача создания стрингера из композиционных материалов усовершенствованной формы, и(или) усовершенствованного способа создания, и(или) изготовления такого элемента.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения в нем предложен стрингер для применения в авиакосмическом устройстве, в котором стрингер выполнен из многослойного композиционного материала, стрингер содержит основание и ребро, отходящее от основания так, что стрингер имеет по существу L-образное поперечное сечение по своей длине, при этом стрингер содержит первую поверхность основания, выполненную с возможностью ее прилегания к конструкции авиакосмического устройства, которой необходимо придать жесткость, вторую поверхность основания, расположенную с противоположной стороны от первой поверхности, третью поверхность, расположенную на, или в ребре, на одном слое композиционного материала с первой поверхностью, и четвертую поверхность, расположенную на ребре, с той же стороны, что и вторая поверхность, и в котором геометрия стрингера изменяется вдоль по крайней мере части его длины так, что с увеличением расстояния в направлении вдоль длины стрингера, первая поверхность смещается ко второй поверхности по мере смещения четвертой поверхности в направлении к третьей поверхности.
Таким образом, стрингер в соответствии с вариантом осуществления в рамках первого аспекта настоящего изобретения, предназначенный для применения на верхней поверхности нижней панели обшивки крыла, может содержать основание поднимающееся вверх (движущееся в направлении от первой поверхности к второй поверхности), в то время как ребро смещается наружу (движется в направлении от четвертой поверхности к третьей поверхности). Согласование подъема основания с соответствующим смещением ребра позволяет при изготовлении укладывать слои композиционного материала, которые образуют стрингер так, чтобы снижался риск образования локальных складок, локальных напряжений и(или) локальных растяжений, поскольку изменения геометрии основания (например, отклонение от простой линейной геометрии), которые в противном случае могли привести к дефектам, которые компенсируются изменениями геометрии ребра.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения в нем предложен стрингер для применения в авиакосмическом устройстве, в котором стрингер выполнен из многослойного композиционного материала, стрингер содержит основание и ребро, отходящее от основания, при этом стрингер содержит первую поверхность основания, выполненную с возможностью ее прилегания к конструкции авиакосмического устройства, которой необходимо придать жесткость, вторую поверхность основания, расположенную с противоположной стороны от первой поверхности, третью поверхность, расположенную на, или в ребре, на одном слое композиционного материала с первой поверхностью, и четвертую поверхность, расположенную на ребре, с той же стороны, что и вторая поверхность, при этом стрингер в своем поперечном сечении при вышеуказанном изменении геометрии вдоль по крайней мере части его длины имеет по существу постоянное расстояние, измеряемое по поверхности поперечного сечения между точками пересечения первой и второй воображаемых линий для всех поперечных сечений вдоль упомянутой по крайней мере части его длины, при этом каждое поперечное сечение является плоскостью, нормаль к которой параллельна локальному направлению вдоль его длины, первая воображаемая линия расположена на первой поверхности перпендикулярно направлению, в котором основание отходит от ребра, а вторая воображаемая линия расположена на третьей поверхности перпендикулярно направлению, в котором ребро отходит от основания.
Таким образом, стрингер в соответствии с примером осуществления в рамках второго аспекта настоящего изобретения, предназначенный для применения на верхней поверхности нижней панели обшивки крыла и проходящий в направлении размаха крыла (т.е. поперек направления хорды), может иметь геометрию, характеризуемую постоянной образуемой поперечной шириной (в направлении вдоль хорды). В данном примере образуемая поперечная ширина представляет собой расстояние в направлении вдоль хорды, вдоль первой и третьей поверхностей от точки в самом дальнем конце основания стрингера до точки в самом дальнем конце ребра. Наличие такой постоянной образуемой ширины позволяет при изготовлении укладывать слои композиционного материала, формирующего стрингер так, чтобы уменьшить риск образования локальных складок или пучков волокон в композиционном материале и(или) локального растяжения.
Создание стрингера, характеризующегося указанной постоянной шириной хорды, возможно эффективно осуществлять путем согласования смещения основания со смещением ребра, как описано со ссылкой на первый аспект настоящего изобретения. В качестве альтернативы или дополнительно создание стрингера, характеризующегося указанной постоянной шириной хорды, возможно эффективно осуществлять также путем ведения сопрягающей поверхности/криволинейной части между ребром и основанием, размер которой изменяется по мере смещения основания вверх и вниз вдоль длины стрингера. Подобная методика описывается ниже со ссылкой на чертежи, а также описана и заявлена в одновременно рассматриваемой Британской патентной заявки Заявителя под названием "Усовершенствование удлиненных элементов конструкции из композиционных материалов", номер ХА2345, имеющий с настоящей заявкой одну дату подачи. Содержание этой заявки полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки. Формула настоящей заявки может включать любой из признаков, раскрытых в этой патентной заявке. В частности, формула настоящей заявки может быть уточнена включением признаков, относящихся к введению какого признака, как наличие сопрягающей поверхности/ криволинейной части между ребром и основанием стрингера, размер которой изменяется по мере смещения основания вверх и вниз вдоль длины стрингера. Стрингер в соответствии с настоящим изобретением может также определяться со ссылкой на признаки удлиненного элемента конструкции, описанного или заявленного в вышеуказанной родственной заявке на патент.
Стрингер, в соответствии с настоящим изобретением, может образовывать часть конструкции летательного аппарата. Например, стрингер может устанавливаться на панели обшивки летательного аппарата.
В изобретении предложено авиакосмическое устройство (например, фюзеляж, каркас аэродинамической поверхности, или ее секции), наружная поверхность которого образована обшивкой, жесткость которой обеспечивается изнутри конструкции авиакосмического устройства посредством группы стрингеров, установленных на обшивке, каждый из которых соответствует любому из аспектов настоящего изобретения, которые изложены либо заявлены в данной заявке.
В изобретении также предложен летательный аппарат, наружная поверхность которого образована обшивкой, жесткость которой обеспечивается изнутри летательного аппарата посредством группы стрингеров, установленных на обшивке, каждый из которых соответствует любому из аспектов настоящего изобретения, которые изложены либо заявлены в данной заявке.
В изобретении также предложен способ создания расчетной модели стрингера из композиционного материала, в котором указанный стрингер соответствует любому из аспектов настоящего изобретения, которые изложены либо заявлены в данной заявке. Способ может включать следующие этапы подготовку первых данных, определяющих требуемую геометрию основания модели стрингера, расстояние от основания до базовой плоскости, изменяющееся вдоль длины стрингера, генерирование вторых данных, определяющих геометрию ребра модели стрингера, включающее генерирование локальных изменений в геометрии стрингера в зонах, где первые данные указывают на наличие изменений в расстоянии, отделяющим основание от базовой плоскости, и использование указанных первых данных и указанных вторых данных для генерирования модели элемента конструкции, включающей основание и ребро.
Первые данные могут формировать по крайней мере часть массива данных, определяющих модель конструкции, которой необходимо придать жесткость, для прилегания к которому должен быть приспособлен стрингер. Поэтому, требуемая геометрия основания модели стрингера может быть косвенно выведена из этого массива данных.
В вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть получены локальные изменения геометрии ребра для снижения риска возникновения дефектов в стрингере, выполненном из многослойного композиционного материала, в соответствии с моделью стрингера. Например, в геометрии ребра могут иметься изменения для коррекции или компенсации изменений в геометрии основания. В качестве альтернативы или дополнительно, геометрия ребра может обеспечивать уменьшение любых изменений расстояния, измеренного вдоль поверхности модели стрингера, от первой базовой линии на поверхности основания до второй базовой линии на поверхности ребра. Первая базовая линия может, например, располагаться на наружной поверхности, на основании модели стрингера, а ее форма такова, что в каждом положении вдоль ее длины она перпендикулярна направлению, в котором основание отходит от ребра модели стрингера. Вторая базовая линия может располагаться на поверхности на (в) ребре, причем указанная поверхность находится на той же самой стороне стрингера, где находится и поверхность основания, на которой расположена вторая базовая линия, при этом форма второй базовой линии такова, что в каждом положении вдоль ее длины она перпендикулярна направлению, в котором основание отходит от ребра модели стрингера.
В предпочтительном варианте создание модели выполняется электронным способом, например, с использованием соответствующим образом запрограммированного компьютера. После того как сгенерирована модель стрингера, изготовление данного элемента конструкции может быть проведено в соответствии со сгенерированной таким образом моделью. Разработка модели стрингера может быть выполнена в одной стране, с передачей электронных данных, представляющих модель стрингера, в другую страну для использования при изготовлении данного элемента таким способом.
В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления стрингера, включающий следующие этапы подготовку пресс-формы, профиль которой определяется моделью стрингера, сгенерированной средствами создания в соответствии с любым аспектом настоящего изобретения, описанного или заявленного в настоящей заявке, укладку слоев композиционного материала в пресс-форму, и последующее отвердение слоев композиционного материала.
Следует, конечно, иметь в виду, что признаки, описанные в связи с одним аспектом настоящего изобретения, могут быть введены в другие аспекты настоящего изобретения. Например, предложенный в изобретении способ может включать любой из признаков, описанных в связи с стрингером, предложенным в изобретении, и наоборот. Также, стрингер в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения может включать любой из признаков, описанных в связи со стрингером в соответствии с вторым аспектом настоящего изобретения, и наоборот.
Краткое описание чертежей
Далее, для иллюстрации настоящего изобретения приводится описание вариантов его осуществления со ссылками на приложенные схематические чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет перспективное изображение L-образного стрингера, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, установленного на панели крыла, только часть которой показана на чертеже;
Фиг.2 представляет в перспективе только часть стрингера и панели крыла, показанных на Фиг.1;
Фиг.3 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по плоскости А-А, показанной на Фиг.2;
Фиг.4 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по линии В-В, показанной на Фиг.3;
Фиг.5 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по плоскости С-С, показанной на Фиг.3;
Фиг.6 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по плоскости D-D, показанной на Фиг.3;
Фиг.7 представляет комбинированный вид, на котором показаны наложенные друг на друга поперечные сечения стрингера, показанного на Фиг.5 и 6, для облегчения сравнения относительных размеров и форм указанных поперечных сечений;
Фиг.8 представляет перспективное изображение Y-образного стрингера, в соответствии с вторым вариантом осуществления изобретения, установленного на панели крыла, только часть которой показана на чертеже;
Фиг.9 представляет перспективное изображение лишь части стрингера и панели крыла, показанных на Фиг.8;
Фиг.10 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по плоскости F-F, показанной на Фиг.9;
Фиг.11 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по линии G-G, показанной на Фиг.10;
Фиг.12 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по плоскости Н-Н, показанной на Фиг.10;
Фиг.13 представляет вид сечения стрингера и панели крыла по плоскости J-J, показанной на Фиг.10;
Фиг.14 представляет поперечного сечение стрингера и панели крыла, показанных на Фиг.12 с указанием различных размеров;
Фиг.15 представляет поперечное сечение стрингера, в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
Фиг.16 и 17 представляют стрингер, в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.18 и 19 представляют стрингер, в соответствии с вторым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.20 и 21 представляют стрингер, в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.22 и 23 представляют стрингер, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения; и
Фиг.24 представляет блок-схему, иллюстрирующую способ создания в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 представлено изображение стрингера 2, закрепленного на панели 4 крыла, причем на Фиг.1 показана только часть панели 4 крыла. Стрингер 2 используется для обеспечения жесткости панели 4 крыла. И стрингер 2, и панель 4 крыла изготовлены из многослойного композиционного материала. Стрингер 2 в соответствии с данным вариантом осуществления изобретения по существу имеет L-образное поперечное сечение. При этом указанная L-образная форма определяется основанием 6, которое устанавливается на панели 4 крыла и параллельно ей, и ребром 8, которое проходит перпендикулярно от одного края основания 6 (Следует иметь в виду, что ребро может проходить от основания и под другими углами). Слои композиционного материала (не показаны на фигурах чертежей по отдельности) стрингера 2 также имеют по существу L-образное поперечное сечение, повторяющее профиль поперечного сечения стрингера в объеме.
Соответственно, стрингер 2 имеет первую поверхность 10 на нижней стороне основания, которая прилегает к панели 4 крыла. Напротив первой поверхности 10 находится вторая поверхность 12 основания 6. Первая поверхность 10 основания соответствует третьей поверхности 14 ребра, при этом первая и третья поверхности находятся на одной и той же стороне стрингера 2 и поэтому каждая из них относится к одному и тому же слою структуры композиционного материала. Также имеется четвертая поверхность 16, противоположная третьей поверхности 14. Соответственно, четвертая поверхность 16 находится на ребре и на той же стороне стрингера, что и вторая поверхность 12, и в том же слое в структуре композиционного материала, что и вторая поверхность 12.
Как видно с края 18 панели 4 крыла, показанной на Фиг.1, толщина панели 4 крыла изменяется вдоль длины L стрингера. При этом на панели крыла 4 имеются участки, например участок 4а, толщина которых больше толщины соседних участков, например участка 4b. Если проследить вдоль длины стрингера 2 в направлении, указанном стрелкой L, толщина панели крыла 4 увеличивается на протяжении участка 4с от более тонкого участка 4d к более толстому 4а, а затем уменьшается на протяжении участка 4е к более тонкому участку 4b. Основание 6 стрингера аналогичным образом поднимается и опускается так, что первая поверхность 10 стрингера (прилегающая к панели 4 крыла) повторяет профиль верхней поверхности(как показано на Фиг.1) панели 4 крыла.
На Фиг.2, 3 и 4 показаны части стрингера 2 и панели 4 крыла, находящиеся в области участков 4d, 4а и 4а, упомянутых выше, а также иллюстрируется изменение формы стрингера подлине на переходах от более тонкого участка 4d панели крыла 2а к более толстому участку панели 4а через переходный участок 4с. Фиг.2 представляет перспективное изображение стрингера.
На Фиг.3 показан вид поперечного сечения стрингера 2 и панели 4 крыла в вертикальной плоскости, изображенной линией А-А на Фиг.2. На Фиг.4 показано поперечное сечение стрингера 2 и панели 4 крыла в горизонтальной плоскости, изображенной линией В-В на Фиг.3.
На Фиг.3 видно, что в области постепенного изменения толщины, показанной как участок 4с, по мере увеличения расстояния по длине стрингера (в направлении L) первая поверхность 10 смещается в направлении, показанном стрелкой Т на Фиг.3. Направление Т перпендикулярно длине L стрингера и проходит от первой поверхности 10 к второй поверхности 12 основания 6 стрингера. На Фиг.4 видно, что по мере смещения первой поверхности 10 основания 6 в направлении Т с увеличением длины L-стрингера четвертая поверхность 16 ребра 8 смещается в направлении, показанном стрелкой W на Фиг.4. Направление W также перпендикулярно длине L стрингера и проходит от четвертой поверхности 16 к третьей поверхности 14 стрингера 2.
На Фиг.3 и 4 также видно, что толщина стрингера в области основания 6 и ребра 8 остается практически неизменной по всей длине стрингера 2. Поэтому, по мере увеличения расстояния по длине L, вторая поверхность 12 также смещается в направлении Т, третья поверхность 14 также смещается в направлении W, а вторая и третья поверхности 12, 14 повторяют смещение первой и четвертой поверхностей 10, 16 соответственно.
Если проследить вдоль длины L стрингера 2 от участка, прилегающего к более толстой части 4а панели 4 крыла, к участку перехода к меньшей толщине 4е, толщина панели 4 крыла уменьшается. По мере уменьшения толщины панели крыла при увеличении длины L стрингера 2 первая и вторая поверхности 10, 12 основания 6 смещаются в направлении, противоположном направлению Т, а третья и четвертая поверхности 14, 16 смещаются в направлении, противоположном направлению W.
На Фиг.5 и 6 показаны поперечные сечения стрингера 2 и панели 4 крыла в вертикальных плоскостях, изображенных линиями С-С и D-D на Фиг.3. На Фиг.5 и 6 показано, что образуемая ширина (значение этого понятия будет более подробно разъяснено далее) стрингера, измеренная между двумя воображаемыми линиями, остается практически неизменной по всей длине L стрингера. Наличие такой постоянной образуемой ширины, несмотря на изменения геометрии поперечного сечения стрингера 2, помогает уменьшить вероятность возникновения дефектов, например складок, которые в противном случае могут образоваться при укладке слоев композиционного материала, образующих стрингер 2. Размеры, представленные образуемой шириной, объясняются далее со ссылками на Фиг.3-6.
На Фиг.3 и 4 показаны первая воображаемая линия 20 и вторая воображаемая линия 22, при этом обе эти линии в целом однонаправлены, но не всегда строго параллельны длине L стрингера. Первая воображаемая линия 20 находится на первой поверхности 10 стрингера 2 и имеет такую форму, что в любом положении по длине она перпендикулярна направлению, в котором основание 6 отходит от ребра 8 (в данном варианте осуществления изобретения это направление параллельно направлению Т, показанному на Фиг.3). В том случае, когда длина L стрингера 2 располагается вдоль преимущественно прямой оси, первая воображаемая линия 20 находится в плоскости, параллельной длине L-стрингера, а нормальная ось этой плоскости проходит в том же направлении, в котором основание проходит от ребра, причем это направление параллельно направлению W, показанному на Фиг.4 (Следует иметь в виду, что на Фиг.4 первая поверхность 10 скрыта за второй поверхностью 12).
Вторая воображаемая линия 22 находится на третьей поверхности 14, причем линия 22 имеет такую форму, что в любом положении по длине она перпендикулярна направлению, в котором ребро 8 проходит от основания 6 (в данном варианте осуществления изобретения это направление параллельно направлению W, показанному на Фиг.4). В том случае, когда длина L стрингера 2 располагается преимущественно вдоль прямой оси, вторая воображаемая линия 22 находится в плоскости, параллельной длине L стрингера, а нормальная ось этой плоскости проходит в том же направлении, в котором ребро проходит от основания, причем это направление параллельно направлению Т, показанному на Фиг.3 (Следует иметь в виду, что на Фиг.3 третья поверхность 14 скрыта за четвертой поверхностью 16).
Очевидно из Фиг.3 и 4, что первая и вторая воображаемые линии 20, 22, следуя за первой и третьей поверхностями 10, 14 соответственно, включают и наклонные участки, чтобы приспособиться к наклонным переходам через участок 4с.
На поперечном сечении, изображенном на Фиг.5, показаны размеры образуемой ширины, т.е. расстояние между первой и второй воображаемыми линиями 20, 22, измеренное вдоль поверхности стрингера 2 в поперечном сечении. Этот размер показан двусторонней стрелкой 24, первый конец которой 24а находится на первой воображаемой линии 20 (не показана на Фиг.5), а второй конец 24b находится на второй воображаемой линии 22 (не показана на Фиг.5). Аналогично, на Фиг.6 показано поперечное сечение стрингера D-D, на котором двусторонней стрелкой 26 указано расстояние от точки 26а на первой воображаемой линии 20 (не показана на Фиг.6) до точки 26b на второй воображаемой линии 22 (не показана на Фиг.6).
Образуемая ширина, показанная двусторонними стрелками 24, 26 на Фиг.5 и 6, практически одинакова (т.е. одинаковы в пределах приемлемых допусков). Для достижения этого величина, на которую первая поверхность 10 смещается в направлении Т, компенсируется за счет смещения четвертой поверхности 16 в направлении W. Следовательно, как показано на Фиг.1, по мере отклонения основания 6 стрингера 2 вверх при переходе от участка 4d к участку 4а через участок 4с, ребро 8 стрингера 2 отклоняется наружу (влево, как показано на Фиг.1).
На Фиг.7 представлено комбинированное изображение поперечного сечения 2е стрингера, изображенного на Фиг.5, и поперечного сечения 2f стрингера, изображенного на Фиг.6, с наложением друг на друга. Горизонтальное положение первой воображаемой линии 20 на каждом поперечном сечении показано на Фиг.7 пунктирной линией 20'. Вертикальное положение второй воображаемой линии 22 на каждом поперечном сечении показано на Фиг.7 пунктирной линией 22'. Расстояние, показанное двусторонней стрелкой 24 для поперечного сечения стрингера 2е в плоскости С-С (это сечение показано на Фиг.5), равно расстоянию, показанному двусторонней стрелкой 26 для поперечного сечения стрингера 2f в плоскости D-D (это сечение показано на Фиг.6). В этом случае видно, что горизонтальное смещение Z между положениями ребра 8 в каждом поперечном сечении стрингера равно вертикальному смещению Y между положениями высоты основания над воображаемой базовой поверхностью 28.
На Фиг.8 показано перспективное изображение стрингера 102 в соответствии с вторым вариантом осуществления изобретения. Стрингер 102 в целом имеет Y-образное по форме поперечное сечение. Y-образная форма поперечного сечения перевернута (в ориентации, показанной на Фиг.8) для обеспечения прилегания частей полок Y-образного сечения стрингера к панели 104 крыла, образовывая тем самым основание 106 стрингера 102. Вертикальная часть Y-образной формы образует часть ребра 108 (также иногда называемую гребнем) стрингера 102. На Фиг.9 показан фрагмент стрингера 102 и панели 104 крыла в части, указанной стрелкой Е на Фиг.8. По аналогии с первым вариантом осуществления изобретения, панель 104 крыла представляет собой последовательность участков различной толщины в продольном направлении L Соответственно, панель имеет более тонкий участок (104а), который через участок переменной толщины (104b) переходит в более толстый участок (104с).
По аналогии с первым вариантом осуществления изобретения основание 106 стрингера 102 в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения образует первую, вторую, третью и четвертую поверхности 110, 112, 114 и 116. Для каждой стороны (левой и правой, как показано на Фиг.1) имеется одно основание с каждой стороны, при этом стрингер 102 имеет первую поверхность 110 (на внешней стороне стрингера) на нижней стороне основания 106, которая прилегает к панели 104 крыла. Напротив первой поверхности 110 имеется вторая поверхность 112 (также на наружной стороне стрингера) основания 106.
Верхняя часть ребра образует третью поверхность 114, находящуюся внутри ребра 108, причем указанная третья поверхность находится на том же слое композиционного материала, что и первая поверхность 110. Кроме того, имеется четвертая поверхность 116 (с внешней стороны стрингера), находящаяся на том же слое композиционного материала, что и вторая поверхность 112. Таким образом, четвертая поверхность 116 находится на ребре и на той же стороне стрингера, что и поверхность 112. Образуемая ширина данного поперечного сечения стрингера от точки на первой поверхности 110, совпадающей с первой воображаемой линией, до точки на третьей поверхности 114, совпадающей со второй воображаемой линией (причем первая и вторая воображаемые линии образованы похожим образом, как это описывалось выше со ссылкой на первый вариант осуществления изобретения) остается в основном постоянной для всех поперечных сечений стрингера.
Во втором варианте осуществления изобретения постоянство образуемой ширины обеспечивается не путем перемещения ребра стрингера влево или вправо при перемещении его основания вверх или вниз, а благодаря введению сопрягающей поверхности 107 между основанием 106 и ребром 108 стрингера 102. При этом ширина сопрягающей поверхности 107 (измеренная по ширине стрингера) изменяется в зависимости от высоты расположения основания 106 над воображаемой базовой поверхностью 128. Данная сопрягающая поверхность 107 отчетливо просматривается на перспективном изображении, представленном на Фиг.9.
Скошенная часть сопрягающей поверхности 107, соединяющая основание 106 и ребро 108, образует пятую и шестую поверхности (130 и 132), причем пятая поверхность находится между первой и третьей поверхностями (110 и 114), соединяя их, а шестая поверхность 132 находится между второй и четвертой поверхностями 112, 116, также обеспечивая их соединение. Сопрягающая поверхность 107, в соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения, проходит под углом около 45° от основания 106 и под углом около 45° от ребра 108, перпендикулярного основанию 106. Естественно, что углы между сопрягающей поверхностью и основанием и между сопрягающей поверхностью и ребром могут отличаться в других вариантах осуществления изобретения. Таким образом, пятая и шестая поверхности (130 и 132) не будут параллельны ни первой, ни второй, ни третьей, ни четвертой поверхностям (110, 112, 114, 116). Сопрягающую поверхность 107 можно рассматривать как образующую часть ребра 108.
На Фиг.10 и 11 изображены поперечные сечения стрингера 102 вдоль плоскости F-F (показана на Фиг.8) и плоскости G-G (показана на Фиг.10) соответственно. Как видно из Фиг.10 и 11, если проследить вдоль длины стрингера слева направо (по стрелке L), скошенная часть 107 уменьшается по мере увеличения высоты расположения основания 106 стрингера 102 над воображаемой базовой поверхностью. Таким образом, скошенная часть 107 уменьшается, в то время как основание 106 перемещается по направлению вверх (стрелка Т на Фиг.10). На Фиг.10 и 11 также изображены первая и вторая воображаемые линии(120 и 122), между которыми измеряется образуемая ширина поперечного сечения стрингера.
На Фиг.12 и 13 изображены поперечные сечения вдоль плоскостей, представленных линиями Н-Н и J-J на Фиг.10. Из рассмотрения данных поперечных сечений очевидно, что образуемая ширина DW между первой и второй воображаемыми линиями остается постоянной от одного поперечного сечения к другому. Это достигается за счет укорочения скошенной части 107 по мере перемещения основания 106 стрингера 102 вверх. Следует отметить, что в отличие от стрингера по первому варианту осуществления изобретения положение по горизонтали(как показано на Фиг.12 и 13) ребра 108 стрингера 102 не изменяется при увеличении длины L стрингера. Таким образом, как это видно на Фиг.8, основание 106 и ребро 108 с одной стороны стрингера 102 могут быть симметричны с основанием 106 и ребром 108 на другой стороне стрингера, при этом ребро 108 проходит вдоль центральной линии стрингера, не отклоняясь налево или направо.
На Фиг.14 показано, как вычислить ширину сопрягающей поверхности, необходимую для сохранения постоянной образуемой ширины между двумя воображаемыми линиями в любом данном поперечном сечении. Образуемая ширина DW1 для стрингера без сопрягающей поверхности показана рядом с сечением стрингера 102, содержащего сопрягающую поверхность 107, причем стрингер имеет образуемую ширину DW2. Видно, что горизонтальное положение первой воображаемой линии представлено на Фиг.14 посредством пунктирной линии 120', а вертикальное положение второй воображаемой линии представлено посредством пунктирной линии 122'. Ребро 108 стрингера 102 смещено от линии DW1, соответствующей отсутствию сопрягающей поверхности, на величину Z. Первая поверхность 110 на обратной стороне основания 106 отделена от линии DW1, соответствующей отсутствию сопрягающей поверхности, вертикальным промежутком Y. Сопрягаемая поверхность 107 проходит от основания 106 под углом θ и заканчивается на расстоянии Х по вертикали над первой поверхностью 110. При заданных смещениях Y и Z, необходимо определить, на каком расстоянии сопрягающая поверхность должна начаться и закончиться, и рассчитано это может быть с использованием следующей формулы (предполагая при этом, что ребро перпендикулярно основанию, как это и имеет место в данном варианте осуществления изобретения):
В случае если θ=45°, данная формула упрощается:
X=1,707×(Y+Z)
В настоящем (втором) варианте осуществления горизонтальное смещение Z постоянно и может быть принято равным нулю так, что ребро 108 стрингера 102 не смещается влево или вправо. Поэтому приведенная выше формула еще упрощается до вида Х+1,707Y. Разумеется, что аналогичные формулы могут быть без труда выведены для расчета различных геометрических форм, включая те, в которых основание не отходит от ребра (без учета радиусов угла, закруглений и прочих местных особенностей) под углом 90°.
Должно быть понятно, что образуемая ширина DW расстояния между двумя воображаемыми линиями может поддерживаться постоянной в любом поперечном сечении вдоль длины стрингера посредством введения других элементов. Например, вместо использования сопрягающей поверхности в месте соединения основания и ребра стрингера, может использоваться плавный переход, например, посредством изогнутой поверхности. На Фиг.15 показан третий вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий такой альтернативный способ. В этом случае, воображаемая образуемая ширина DW1 определена в положении, где основание 206 стрингера 202 имеет максимальную высоту. Образуемая ширина DW1 также измеряется вдоль поверхности стрингера в поперечном сечении, и при этом проходит по первой, третьей и пятой поверхностям стрингера (при этом первая, третья и пятая поверхности стрингера представляют собой те же поверхности на (в) стрингере, что и описанные выше в отношении второго варианта осуществления). Таким образом, первая поверхность 210 расположена на обратной стороне основания 206, третья поверхность 214 расположена на ребре 208, а пятая поверхность 230 соединяет первую и третью поверхности. В этом втором варианте осуществления, пятая поверхность 230 характеризуется плавной кривой с постоянным радиусом кривизны. Радиус кривизны пятой поверхности, соответствующий воображаемой образуемой ширине DW1, равен R1. Для поддержания постоянной образуемой ширины DW, радиус кривизны пятой поверхности может быть изменен для согласования со смещениями в вертикальном направлении положения основания 206 и(или) для согласования со смещениями в горизонтальном направлении ребра 208, изображенными на Фиг.15 расстояниями Y и Z соответственно. Для данных смещений Y и Z и для сохранения постоянной образуемой ширины DW=DW1=DW2 радиус кривизны пятой поверхности 230 стрингера 202, характеризующийся радиусом R2, должен удовлетворять следующей формуле:
На Фиг.16 и 17 показан стрингер 302, в соответствии с четвертым
вариантом осуществления настоящего изобретения. На Фиг.16 стрингер 302 показан с одного направления, а на Фиг.17 стрингер 302 показан с противоположного направления. Поперечное сечение стрингера 302 в целом имеет вид перевернутой буквы Y, и стрингер 302 включает части 306 основания и часть 308 ребра. Каждая часть 306 основания соединяется с частью 308 ребра посредством изогнутого участка 307. Изогнутый участок 307 имеет радиус кривизны и ширину, которая изменяется вдоль длины стрингера 302, когда основание 306 стрингера поднимается и опускается для того, чтобы приспособиться к изменениям толщины панели 304 крыла. Ребро 308 стрингера проходит вдоль по существу прямой линии, если смотреть сверху, и не испытывает поэтому никаких поперечных колебаний. Радиус кривизны изогнутого участка 307 определяется формулой:
где Y представляет величину вертикального смещения основания стрингера над воображаемой базовой плоскостью, a R1 представляет принятую константу.
На Фиг.18 и 19 показаны противоположные концы стрингера в соответствии со вторым вариантом осуществления, которые приведены для сравнения со стрингерами, показанными на Фиг.16 и 23.
На Фиг.20 и 21 показан стрингер 402 в соответствии с пятым вариантом осуществления и с использованием принципов как первого варианта, так и второго варианта осуществления изобретения. Таким образом, как показано на Фиг.20, левая часть 402L стрингера характеризуется L-образной формой, в которой ребро отклоняется вправо и влево, в то время как основание 406 стрингера 402 отклоняется вверх и вниз с тем, чтобы соответствовать изменениям толщины панели 404 крыла. Левая часть 402L стрингера, таким образом, аналогична L-образному стрингеру в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Правая часть 402R стрингера (на Фиг.20 справа) включает скошенную часть (лучше всего видна на Фиг.21, где стрингер показан с противоположного конца, а эта правая часть 402R находится слева). Ширина скошенной части меняется в соответствии с отклонением вверх и вниз основания при изменении толщины панели крыла, и также изменяется для согласования с отклонениями ребра левой части 402L стрингера. Таким образом, правая часть 402R стрингера аналогична половине стрингера первого варианта осуществления настоящего изобретения в том, что она включает скошенную часть для согласования с отклонениями в геометрии стрингера, и, одновременно, поддерживает по существу постоянную образованную ширину, что обеспечивает преимущество уменьшения дефектов при изготовлении многослойного стрингера из композиционных материалов. Следует отметить, что стрингер по пятому варианту осуществления отличается от стрингера по второму варианту осуществления тем, что включает отклонения влево и вправо (в расположении, показанном на Фиг.20 и 21).
На Фиг.22 и 23 изображены противоположные концы стрингера в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Эти изображения необходимы для полноты представления о стрингере и сравнения стрингеров, изображенных на Фиг.16-23.
Далее будет описан шестой вариант осуществления изобретения, относящийся к способу создания компьютерной модели стрингера. Компьютерная модель затем используется для изготовления стрингера из композиционного материала. На Фиг.24 представлена блок-схема, схематически иллюстрирующая компьютер 502 с установленным машиночитаемым носителем информации 504, позволяющим компьютеру 502 выполнять способ в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения.
Подготавливается первый наборданных506, определяющий геометрию модели 508 панели крыла. Модель панели 508 крыла включает данные, которые определяют геометрию верхней поверхности 510 (показана на Фиг.24) панели 508 крыла. Модель стрингера создается так, что его нижняя поверхность плотно прилегает к верхней поверхности 510 панели крыла. Таким образом, данные 506 определяют расстояние упомянутой поверхности 510 панели 508 крыла от базовой плоскости 512. Это расстояние измеряется в направлении, показанном стрелкой V на Фиг.24. Создаваемая модель стрингера включает основание, геометрия которого соответствует упомянутой поверхности 510 панели 508 крыла, и отходящее от указанного основания ребро.
Способ по шестому варианту осуществления включает этап, на котором компьютер 502 получает входные данные 506. Эти данные 506 фактически определяют требуемую геометрию основания модели стрингера, предоставляя информацию о расстоянии основания от базовой плоскости 512, причем расстояние изменяется по длине стрингера (длина стрингера показана на Фиг.24 стрелкой L). Машиночитаемый носитель информации 504, установленный на компьютере 502, включает модуль обработки входных данных 506 для генерирования выходных данных 514, определяющих геометрию модели 512 стрингера. Компьютер 502, управляемый посредством машиночитаемого носителя информации 504, генерирует геометрию основания модели стрингера и геометрию ребра модели 512 стрингера. Геометрия ребра модели 512 стрингера генерируется компьютером, как функция локальных изменений геометрии основания модели стрингера. Способ, которым генерируется геометрия ребра модели стрингера, может соответствовать любому из описанных выше вариантов осуществления изобретения или их разновидностей. Например, может потребоваться отклонение ребра влево и вправо поперек стрингера (см. двунаправленную стрелку W на Фиг.24). В качестве альтернативы или дополнительно в ребро могут быть введены сопрягающая поверхность или радиус (возможно, сокращая ширину основания на определенных участках), в соответствии с вторым и третьим вариантами осуществления изобретения. Такие локальные изменения в геометрии ребра модели стрингера сокращают риск возникновения дефектов в стрингере, выполненном из многослойного композиционного материала, в соответствии с моделью стрингера. Затем компьютер 502 выдает данные 514, включающие данные, представляющие геометрию модели 512 модели стрингера.
Таким образом, по сравнению с условной стандартной геометрией стрингера, в которой ребро просто выступает вертикально от края основания, без каких-либо отклонений, скосов, округлений или иных признаков, которые влияют на образованную ширину линии, проходящей от точки на ребре поперек поверхности стрингера к точке на основании стрингера, при наблюдении в поперечном сечении, способ эффективно генерирует изменения в геометрии ребра стрингера для компенсации изменений в геометрии основания ребра. Например, геометрия ребра модели стрингера может быть сгенерирована так, чтобы уменьшить любые изменения расстояния, измеренные вдоль поверхности модели стрингера от первой базовой линии на поверхности основания вдоль длины стрингера, до второй базовой линии на поверхности ребра вдоль длины стрингера (см., например, воображаемые линии 120 и 122, показанные на Фиг.10 и 11 для стрингера по второму варианту осуществления). В предпочтительном варианте ребро из модели стрингера генерируется таким образом, чтобы не происходило изменения расстояния, измеренного между такой первой базовой линией и такой второй базовой линией (расстояние является по существу постоянным для каждого поперечного сечения модели стрингера, при его измерении вдоль длины стрингера). Управление и(или) разработка геометрии модели стрингера описанным выше способом обеспечивает изготовление композитного стрингера из слоев композиционного материала, которым придается заранее заданная неоднородная форма, отличающаяся от плоской геометрии, но без сгустков или растяжения волокон в слоях материала, что может приводить к складкам или дефектам в изготовленном таким образом стрингере.
После создания модели 512 стрингера могут быть выполнены различные тесты по вычислению и моделированию для оценки прочности и других механических характеристик модели стрингера для проверки того, насколько стрингер, будучи изготовленным, соответствует различным критериям, необходимым для выполнения его функций как стрингера в кессоне крыла или аналогичной конструкции производимых серийно летательных аппаратов. Данные 514 модели стрингера далее могут быть использованы в способе изготовления стрингера. Стрингер может быть изготовлен с использованием хорошо известной стандартной технологии. Например, для наращивания слоев композиционного материала на пресс-форме, имеющей профиль в соответствии с ранее созданной геометрией модели 512 стрингера, может быть использована технология горячего вакуумного формования из препрега. Слои композиционного материала, уложенные в пресс-форму, полимеризируются в автоклаве, в соответствии с известной технологией.
В то время как настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано на примере конкретных вариантов осуществления, специалистам должно быть очевидно, что изобретение предусматривает разнообразные изменения, иллюстрация которых в настоящем описании не приведена. Ниже будут описаны некоторые такие возможные изменения.
Вышеуказанные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к форме и геометрии стрингера, закрепленного на панели крыла. Должно быть понятно, что принципы описанных выше вариантов осуществления изобретения могут быть использованы и для других частей конструкции летательного аппарата, где имеется панель или часть обшивки летательного аппарата, жесткость которой обеспечивается посредством стрингера. Таким образом, применения, представленные вариантами осуществления настоящего изобретения, могут быть широко распространены в авиакосмической отрасли и включать любые варианты осуществления, где требуется установка стрингера из композиционного материала на панель обшивки переменной толщины.
Концевая поверхность показанного на чертежах ребра стрингера (верх ребра, как показано на чертежах) находится на по существу плоской поверхности. Стрингер из композиционного материала может быть подвергнут механической обработке после отвердения для того, чтобы верх ребра стрингера не проходил по существенно прямой линии. Например, ребро может включать один или более пазов для размещения других компонентов летательного аппарата. По аналогии, концевая поверхность основания стрингера (например, дальний правый край стрингера, показанного на Фиг.9) не обязательно должна располагаться на по существу плоской поверхности. Основание, например, может включать один или более пазов для размещения других компонентов летательного аппарата или изменения геометрии панели, к которой прилегает стрингер.
На чертежах стрингер показан проходящим по длине вдоль по существу прямой линии. Панели крыла и другие аэродинамические поверхности летательного аппарата обычно искривлены и не являются плоскими. При этом, скорее всего, стрингер будет иметь форму, вытянутую в одном основном направлении, но будет отклоняться от прямолинейной геометрии, характерной для приведенных в качестве примера стрингеров, показанных на приложенных чертежах. Также специалистам должно быть понятно, что изменения наклона вдоль поверхности стрингера будет постепенным, поскольку при использовании композиционных материалов сложно выполнить резкие изменения наклона без дополнительной механической обработки.
Первая и вторая воображаемые линии, например линии 20 и 22, могут быть представлены в виде геодезических линий. Геодезическое расстояние между первой и второй воображаемыми линиями, измеренное поперек первой и третьей поверхностей, может быть постоянным по крайней мере на протяжении части длины стрингера (в дополнении к этому или вместо этого расстояние между воображаемыми линиями, измеренное для поперечного сечения, может быть постоянным в последовательных поперечных сечениях стрингера).
Область притязаний настоящего изобретения включает стрингеры, одни секции которых соответствуют вышеописанным вариантам осуществления изобретения, а другие секции которых не соответствуют ни одному из приведенных выше вариантов осуществления.
В случае если в приведенном выше описании упоминаются целые объекты или элементы, обладающие известными, очевидными или предсказуемыми эквивалентами, эти эквиваленты включаются в настоящее описание, как если бы они были предложены отдельно. Для определения истинного объема притязаний настоящего изобретения следует обратиться к формуле, и оно должно истолковываться как охватывающее все такие эквиваленты. Также следует понимать, что целые объекты или признаки изобретения, описанные здесь в качестве предпочтительных, обладающих преимуществами, более удобных или др., не являются обязательными и не ограничивают область притязаний независимых пунктов формулы.
Реферат
Изобретения относятся к стрингеру, к способу создания модели стрингера при помощи компьютера, к способу изготовления стрингера, к авиакосмическому устройству и к летательному аппарату. Стрингер содержит основание с первой поверхностью и второй поверхностью, расположенной с противоположной стороны от первой поверхности, и ребро с третьей и четвертой поверхностями. Стрингер имеет L-образное поперечное сечение по его длине, и геометрию, изменяющуюся вдоль части его длины с увеличением расстояния в направлении вдоль его длин. Изменение геометрии выполнено в виде смещения первой поверхности в направлении ко второй поверхности и четвертой поверхности в направлении к третьей поверхности. Поперечное сечение имеет по существу постоянное расстояние, измеренное по поверхности поперечного сечения между точками, в которых поперечное сечение пересекается с первой и второй воображаемыми линиями, для всех поперечных сечений вдоль части его длины. Способ создания модели стрингера включает подготовку первых данных, при которой определяют требуемую геометрию основания модели стрингера, расстояние от основания до воображаемой плоскости, изменяющееся вдоль длины элемента, генерирование вторых данных, при котором определяют геометрию ребра модели стрингера, включая генерирование локальных изменений в геометрии ребра. Первые и вторые данные используют для генерирования модели стрингера. Способ изготовления стрингера включает подготовку пресс-формы, укладку слоев композиционного материала в пресс-форму и отверждение слоев композиционного материала. Достигается уменьшение напряжений в конструкции. 9 н. и 16 з.п. ф-лы,
