本發明專利技術涉及具有增強殼結構（3）的飛行器（2）的翼盒（1），該翼盒由纖維增強材料構成，該翼盒包括用于吸收剪切載荷的蒙皮（4）和若干個布置在翼盒（1）的內側以用于吸收軸向載荷的桁條（5），其中，增強殼結構（3）至少60%的質量的集中在桁條（5）上，并且其中，該桁條（5）提供增強殼結構（3）的至少80%的軸向剛度。對特定的翼盒結構而言，該實施方式允許使用非平衡的疊層用于蒙皮（4），用以在不損失任何彎曲剛度情況下導致產生翼盒（1）上的更大的前端向下扭轉，并因此設想該翼盒結構具有更高的省重能力。
【技術實現步驟摘要】
對于飛行器的具有增強殼結構的纖維增強翼盒的無源載荷減小
本專利技術涉及具有增強殼結構的飛行器的翼盒，該翼盒由纖維增強材料構成，該翼盒包括用于吸收剪切載荷的蒙皮和若干個布置在翼盒內側用于吸收軸向載荷的桁條。通過利用復合材料的各向異性的優點，本專利技術的領域延伸至控制機翼的變形，以便無源地減小空氣動力載荷，并且因此減小機翼結構的重量。在飛行器結構的制造中使用諸如碳纖維增強塑料的纖維增強復合材料以提供更好的重量和維護性能變得日益普遍。另外，復合材料的各向異性提供了調整機翼剛度的設計空間，即，不僅用于控制諸如蒙皮和桁條的機翼結構部件上的載荷分配而且用于控制機翼變形的某些自由度。能夠通過結構本身的剛度在沒有任何外部系統的控制規則下，引起這種通常稱為無源載荷減小的控制。事實上，飛行器相對于空氣的相對速度會產生豎直載荷，通常稱為取決于攻角的升力。沿翼展的升力分布會產生相對于機身處的機翼附件的彎曲力矩，該機翼附件通常稱為翼根。攻角越高，升力和翼根處相關的彎曲力矩越大，導致機翼重量越高。因此控制機翼的變形、通常稱為調整氣動彈性,用以減小外翼的攻角、通常稱作機翼前端向下扭轉。
技術介紹
作為公知常識，飛行器工業需要一方面能夠承擔飛行器受到的載荷從而滿足強度和剛度上的高需求、另一方面還要盡可能輕質的結構。飛行器機翼的主要結構、通常稱為翼盒，特別地是包括蒙皮和桁條。蒙皮由桁條增強以減小其厚度并因此使重量具有競爭力。根據技術人員的公知常識，翼盒的蒙皮和桁條可由金屬材料或碳纖維增強塑料制成。這造成翼盒不得不承擔彎曲、扭轉和剪切，這一點也是公知常識。由于它們的幾何形狀，薄板狀的蒙皮更適合于抗耐由升力和扭轉造成的剪切載荷，而梁柱形的桁條更適合于抗耐由彎曲力矩造成的軸向載荷。如果是金屬翼盒，假定蒙皮和桁條由相同的材料制成，那么翼盒的各個結構部件例如蒙皮和桁條吸收的軸向載荷的大小僅取決于橫截面面積。如果是復合翼盒，則軸向載荷的大小還取決于各個結構部件的彈性材料性能。因此，將各個部件、蒙皮和桁條的主結構剛度方向定向在合適的方向也能夠控制各個部件吸收軸向載荷的大小。例如，通過將所有蒙皮的纖維定向在關于翼盒的縱向軸線在+45°方向和-45°方向，那么桁條多吸收大約30%的載荷。蒙皮變為軸向上不受載荷，主要用于承擔剪切載荷。至今為止所有已知的無源載荷減小技術都是以主剛度方向關于翼軸的偏移為基礎。這種偏移能夠通過掠過桁條和/或蒙皮纖維關于翼軸的定向實現。這種方法能夠增加前端向下扭轉，但也會造成損失彎曲剛度，該彎曲剛度需要增強。因此，設想通過外翼上更大的前端向下扭轉引起的重量優勢最后消失。因此，更恰當的方法是保持桁條平行于翼軸，并使桁條主要作用于機翼的彎曲，忽略蒙皮在機翼彎曲剛度所起的類似作用。蒙皮將主要用于剪切，并且還承擔翼盒的扭曲。為了產生期望的外翼上的前端向下扭轉，通過利用復合材料的各向異性的優點，通過向前/向后定向纖維僅使用蒙皮的鋪層作為設計空間。
技術實現思路
本專利技術的目標是提供具有增強無源載荷減小能力的飛行器復合翼盒，以實現高的結構重量效率和操作魯棒性。本專利技術不僅能夠提高結構的性能，而且由于蒙皮更薄傾斜更小，該蒙皮還導致桁條更簡易，使得本專利技術簡化并加速了制造過程。該目標由獨立的權利要求1的
技術實現思路
實現。其它的示例性實施方式從從屬的權利要求和下面說明書中顯而易見。根據本專利技術，增強殼結構至少60%的質量集中在桁條上，其中，桁條提供至少80%的增強殼結構的軸向剛度。優選地，增強殼結構大于67%的質量集中在桁條上，這提供了大于90%的增強殼結構的軸向剛度。這使得能夠在殼結構中使用薄的蒙皮，不僅不會減小增強殼結構的強度和穩定性反而能夠提高其損傷容限。根據本專利技術的解決方法的優點特別地包括以下事實：蒙皮和桁條由包括碳纖維增強塑料的層構成，這允許蒙皮和桁條的結構從重量的角度相對于金屬而言以更有效地方式規格化。另外，由于各向異性的性能，這些材料對于翼盒非常重要。使用各向異性的材料是調整氣動彈性的關鍵條件，用以通過增加外翼的前端向下扭轉提高飛行器的飛行性能。優選地，蒙皮包括具有高達80%的前掠纖維15和20%的后掠纖維16的非平衡疊層。從翼軸向前或向后方向上測量的纖維掠角的絕對值等于翼軸的掠角。另外，蒙皮由非平衡疊層制成，疊層具有僅沿主剪切方向定向的纖維。非平衡疊層的特征在于，關于翼軸前掠的層數不等于（關于翼軸）后掠的層數。通過將前掠層的部分增加至60/40或80/20這樣的關系，將在外翼上產生附加的前端向下扭轉，增長高達50%。這種機翼的調整能夠通過以下事實獲得：將蒙皮設計為用于機翼的剪切而對機翼的彎曲剛度作用幾乎可忽略。如果從翼軸向前或向后方向測量的纖維的掠角的絕對值等于翼軸的掠角，則通過非平衡的蒙皮疊層能夠實現最大的前端向下的作用。優選地，蒙皮具有至少1.8mm、至多8mm的厚度。由于薄蒙皮是由纖維增強塑料制成的，因此提供了相當高的省重潛力。制造鋪層的時間縮短。另外，由于層數少，因此具有傾斜更小的蒙皮溝槽及更均一的厚度分布。而且，由于蒙皮傾斜更小因此桁條變得更簡易。如果在特定部分需要更高的穩定性或強度，則蒙皮應該更厚以用于吸收更多的剪切。根據改進本專利技術的另一方法，提出蒙皮包括至少50%、至多100%的30°方向的層和/或45°方向的層，其中，45°方向代表主剪切方向。為了對于30°的機翼掠角產生最大的前端向下扭轉，機翼上100%的層應當以30°的角度定向。由于在相同方向上具有四個連續層是極限，因此實際制造中僅允許非平衡度高達80/20。本專利技術包括這樣的技術教示：增強殼結構包括至少一個具有不同橫截面尺寸的桁條。如果例如在機翼的特定部分需要更高的穩定性，則桁條應具有更大的橫截面面積r以用于吸收更高的軸向載荷。桁條的橫截面尺寸在機翼的不同部分處是不同的。根據本專利技術，桁條具有雙T形的橫截面，包括三個部分：布置在蒙皮處并形成末端的凸緣；遠離蒙皮并且形成另一末端的底座；以及布置在末端之間并且將末端彼此連接的腹板。具有雙T形橫截面的桁條設計使得能夠將蒙皮的屈曲限制在桁條之間。另外，蒙皮具有高的后屈曲承載能力。而且，雙T形桁條的重心盡可能地靠近蒙皮并且提供了距離所附蒙皮更小的偏置，從而降低了例如在軸向載荷高的區域的情況中由于桁條尺寸增大引起的翼盒彎曲慣性的損失。雙T形狀結合較高的質量百分數集中在桁條上，在偶然發生的頂端邊緣碰撞——這在制造過程中可能發生——之后也提高了桁條的強度，從而增加了桁條最大可允許應變程度。根據改進本專利技術的方法，提出凸緣具有至少60mm、至多120mm的寬度和至少2mm、至多18mm的厚度。根據改進本專利技術的另一附加方面，能夠使得底座具有至少60mm、至多120mm的寬度和至少2mm、至多6mm的厚度。另外，腹板具有至少50mm、至多60mm的高度和至少4mm、至多18mm的厚度。外翼處的前端向下扭轉導致更高載荷程度的艙內負載增長，并且減小翼根彎曲。因此，凸緣、腹板以及底座在機翼的不同部分處是不同的。例如桁條的厚度從外翼到中翼、以及從內翼到中翼增加。本專利技術包括這樣的技術教示：桁條包括0°方向的層和/或45°方向的層，其中45°方向代表主剪切方向。另外，桁條包括至少75%的0°方向的層。由于應由桁條吸收軸向載荷，因此0°方向的層是非常有利的。45本文檔來自技高網...
【技術保護點】
飛行器（2）的具有增強殼結構（3）的翼盒（1），所述翼盒（1）由纖維增強材料構成，所述翼盒（1）包括用于吸收剪切載荷的蒙皮（4）和若干個布置在所述翼盒（1）的內側以用于吸收軸向載荷的桁條（5），其特征在于，所述增強殼結構（3）的至少60%的質量集中在所述桁條（5）上，其中所述桁條（5）提供至少80%的所述增強殼結構（3）的軸向剛度。
【技術特征摘要】
2012.08.22 EP 12181411.5;2012.08.22 US 61/691,9101.飛行器(2)的具有增強殼結構(3)的翼盒(1)，所述翼盒(1)由纖維增強材料構成，所述翼盒(1)包括用于吸收剪切載荷的蒙皮(4)和若干個布置在所述翼盒(1)的內側以用于吸收軸向載荷的桁條(5)，其特征在于，所述增強殼結構(3)的至少60％的質量集中在所述桁條(5)上，其中所述桁條(5)提供至少80％的所述增強殼結構(3)的軸向剛度。2.根據權利要求1所述的飛行器(2)的具有增強殼結構(3)的翼盒(1)，其特征在于，所述增強殼結構(3)包括至少一個具有不同橫截面尺寸的桁條(5)。3.根據權利要求1所述的飛行器(2)的具有增強殼結構(3)的翼盒(1)，其特征在于，所述蒙皮(4)和所述桁條(5)由包括碳纖維增強塑料的層制成。4.根據權利要求1所述的飛行器(2)的具有增強殼結構(3)的翼盒(1)，其特征在于，所述蒙皮(4)由具有高達80％的前掠纖維(15)和20％的后掠纖維(16)的非平衡疊層制成。5.根據權利要求1所述的飛行器(2)的具有增強殼結構(3)的翼盒(1)，其特征在于，所述蒙皮(4)包括至少50％、至多100％的30°方向的層和/或45°方向的層，其中45°方向代表主剪切方向。6.根據權利要求1所述的飛行器(2)的具有增強殼結構(3)的翼盒(1)，其特征在于，所述蒙皮(4)具有...
【專利技術屬性】
技術研發人員：帕斯夸萊·巴索，貝恩德·湯姆施克，
申請(專利權)人：空中客車德國運營有限責任公司，空中客車股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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