机身结构和机身结构的制造方法

文档序号:4147104阅读:348来源:国知局
专利名称:机身结构和机身结构的制造方法
技术领域
本发明涉及机身结构和机身结构的制造方法,尤其是飞机或航天器 的机身结构。
背景技术
目前,飞机机身通常采用铝壳结构制造。对于窗户的布置,窗户开 口被机械加工在壳体中,其在随后制造步骤中组装,以形成飞机机身的 部件。该壳体能够或者是单壁或双壁或多壁设计,其中使用内壳体和外 壳体,并且芯材布置在内和外壳体之间。窗户开口在壳体中的布置通常 釆用下述方式,其中在完成的飞机机身中,它们近似位于坐在乘客舱 中的人们的眼睛的水平处。当从外面观看飞机机身时,窗户开口沿飞机 机身侧向延伸的一个或多个窗户带布置。
在已经机械加工窗户开口后,它们每个由铝窗户框架强化。随后, 将窗窗格板放置在铝窗户框架中。
窗户构成对飞机机身结构的机械性的弱化这一事实,证明是上述的 飞机机身中窗户布置方法的缺点。如已知,这种弱化由实心铝窗户框架 进行补偿。由于铝窗户框架的布置是采用分开的工作步骤,这不利地导 致增加的结构重量、高生产成本,并且因为所述分开的步骤铆接,其 特别耗费人力,因此额外不利地导致诸如例如仅能够制造相对较小地窗 户。

发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种机身结构和用于制造机身结构的方法,其不使用实心窗户框架确保光线区域。
根据本发明,这个目标通过具有权利要求1的特征的机身结构和 具有权利要求10的特征的方法实现。
本发明基于的想法在于机身结构,尤其是飞机或航天器的机身结 构,具有内壳体装置,其具有下部内壳体和上部内壳体,上部内壳体至 少在一些部分中从下部内壳体间隔开第一间隙,以形成窗户区域;和窗 户带,其至少布置在第一间隙的区域中,并具有包括吸收机身力的栅格 结构的窗格板设备。
因此,本发明相对于开始时提及的方法具有优点栅格结构接管了 在传统结构中使用的窗户框架的功能。由此,该机身结构在窗户带的区 域中得到强化,并且出现的机身力在窗户带的区域中围绕凹陷窗户偏转。 采用这种方式在力通量方面最优的结构实现了窗户可以明显大于迄今为 止的可能的那些。
从属权利要求中可以发现在专利权利要求1中提供的机身结构和 在权利要求10中提供的方法的优选改进和提高。
根据优选发展,该机身结构此外还具有外部壳体装置,其具有与下 部内壳体关联的下部外壳体和与上部内壳体关联的上部外壳体,其中上 部外壳体至少在窗户区域中的一些部分中从下部外壳体间隔开第二间 隙。这确保双壳体装置,其在力通量方面最优并具有围绕窗户区域传导 力的栅格结构,而特别有利于当今飞机的双壳体结构。
根据另一优选实施例,该栅格结构具有形成栅格网眼的单独栅格 肋,该栅格结构被设计以吸收在机身中出现的力。该栅格结构优选地设 计为格状栅格结构或相类似物,并且在形状结构方面,与壳体装置的形 状匹配。该栅格结构的曲率优选地匹配于各自壳体的曲率。另外,格状 栅格结构能够比诸如例如ISO栅格结构的其它栅格更好地传递力。
根据另一优选典型实施例,该栅格结构延伸到由第一和第二间隙形 成的窗户区域之外,进入壳体装置,并能够被紧固到壳体装置的单独壳 体,以形成将所述单独壳体彼此连接并在力通量方面优化的机身结构。 这能够例如利用适合的粘性结合连接或相类似物实现。这确保了力从机 身到格状结构的最优传送,即使在窗户带的区域中。至少在一些部分中,该第一间隙和第二间隙优选地形成在相同高 度,使得它们沿机身结构的纵向方向延伸,以形成最优窗户区域。这确 保对乘客最优的观看区域,其中由于吸收机身力的栅格结构,窗户区域 可以被构造以为适合的尺寸。另外,第一间隙和第二间隙特别地具有相 同的间隙宽度和/或间隙长度,并且它们因此彼此匹配,使得确保对乘客 最优的观看区域。
根据另一优选改进,该双窗格板具有至少两个单独的窗格板,其末 端与内和/或外壳体平齐,能够被紧固到内和/或外壳体,并包围它们之 间的栅格结构。这将获得使经过窗户区域的机身力偏转的坚固窗户带结 构,并允许乘客对运载工具外部的最优观看。
根据另一优选典型实施例,适合芯材被设置在内和外壳体之间,至 少除了窗户区域。所述芯材能够紧固到内和/或外壳体,例如利用适合的 粘性结合过程或相类似物。
本领域的技术人员很明显上述窗户区域之一或多个能够被提供在 例如飞机中的不同部分中,其中在这种情况中,机身结构也可以沿纵向 方向由多个壳体部分形成,例如或由在各自窗户区域中具有适当凹陷的 壳体形成。
如果多个窗户带在一侧沿飞机机身延伸,根据本发明的方法和根据 本发明的机身结构相应地用于每个窗户带,其中例如在两条窗户带的 情况中,三个内壳体,特别是上部内壳体、中央内壳体和下部内壳体被 布置,每个彼此间隔开特定窗户带的高度,并且接着由叠盖两个窗户带 的栅格形状连接结构制成,或由每个叠盖窗户带的两个栅格形状连接结 构制成,以彼此连接由相互隔开的内壳体。在窗窗格板被布置在窗户带 的区域中的内部和外部前,在布置芯材后,三个外部壳体,尤其上部外 部壳体、中心外壳体和下部外壳体,被布置在内壳体上,每个在芯材和 栅格形状连接结构上彼此间隔开各自窗户带的高度。
根据本发明的方法优选地用在双壳体机身结构。在这种情况中,飞 机机身结构的主要元件,即下部壳体和上部壳体,在每种情况中被设计 为双壳体,包括内和外壳体,并且窗户带被设计为由栅格形状连接结构 强化的双层窗格板。然而,还可以想到将本发明的基本想法用在单壳体结构的机身中。在这种情况中,该连接结构则优选地从彼此间隔开的壳 体上的内部布置,并且因此连接结构跨越形成的间隙并将两个壳体彼此 连接。然后,窗户窗格板被从外部布置在连接结构上,优选地封闭所述 间隙并且末端与壳体平齐。在内部,窗户窗格板能够类似地另外布置在 连接结构上。此外,覆盖物、绝缘材料和相类似物也能够布置在外壳体 的内部上。
该栅格形状连接结构承担在传统结构中使用窗户框架的功能。该功 能是机身结构在窗户带的区域中的强化,和在窗户带中力通量围绕窗户 偏转。
本发明相对于现有技术具有优点栅格连接结构能够关于力通量设 计,并且因此形成栅格形状连接结构的栅格肋沿出现在飞机机身中的力 的方向延伸。因此,出现的力绕窗户传导。栅格肋可以或者包括纤维结 构,诸如例如碳纤维、芳族聚酸胺纤维、窗格板纤维和类似物,或纤维 强化结构,诸如例如纤维强化塑料,纤维强化合成结构,诸如例如纤维 强化金属和纤维强化金属夹层结构,和金属结构,诸如例如金属支柱、 带和类似物。
另一优点在于在力通量方面最优的结构实现了比传统结构明显更 大的窗户。此外,不像在传统结构中,省去了单独窗户及其框架的复杂 安装。
本发明的特别优选改进预先安排栅格形状连接结构以包括格状栅 格。也称作不等栅格结构的格状栅格的不同之外在于由栅格肋形成的 网眼不必在格状栅格的所有区域中具有相同的几何形状和尺寸。典型地, 在格状栅格中,栅格肋主要关于出现的力而不关于几何结构定向,这能 够尽可能简单地制造。这会导致至少在格状栅格的部分中网眼的不规则 几何形状,其中也可以在格状栅格的其它部分中出现类似于ISO栅格 结构的规则结构。因此,格状栅格比诸如例如ISO栅格结构更适合传 递力。此外,根据出现的力、动态力剖面和沿特定方面所需的膨胀,格 状栅格可以由选取的多种不同材料组成。
本发明的另外优选改进预先准备栅格形状连接结构的厚度和芯材 的厚度为基本相同。


下面参照附图的示意图所示的典型实施例,将更详细地描述本发 明,其中
图1显示了根据本发明的一个优选典型实施例的用于生产机身结 构的方法的流程图2显示了根据本发明的一个优选典型实施例的栅格结构的示意
图3a显示了根据本发明的一个优选典型实施例的内壳体装置的示 意图3b显示了图3a的内壳体装置的示意横断面视图4a显示了根据本发明的优选典型实施例的具有安装好的栅格结 构的图3a禾a 3b的内壳体装置的示意图4b显示了图4a的装置的示意横断面视图5a显示了机身结构的示意前视图,包括:内和外壳体装置,其中 根据本发明的一个优选典型实施例的栅格结构介于之间;
图5b显示了图5a的装置的示意横断面视图6a显示了根据本发明的一个优选典型实施例的完成的机身结构 的示意前视图6b显示了图6a的机身结构的示意横断面视图7显示了根据本发明的一个优选典型实施例的采用格状栅格形 式的栅格结构的示意图;和
图8显示了包括ISO栅格结构的栅格结构的示意图。
在图中,相同标号指相同或功能相同部件,除非另外表述。
具体实施例方式
根据参照图1的本发明的优选典型实施例,用于在具有沿飞机机 身结构延伸的窗户带的壳体结构中进行飞机机身结构生产的制造方法, 如下
在第一方法步骤I中,预先制造了关于完成的飞机机身结构中的力通量最优的栅格形状连接结构。该栅格形状连接结构的长度近似对应于 将制造的机身部分的长度或对应于将提供的窗户区域的长度。该栅格形 状连接结构的宽度优选地比窗户带的期望高度更大。由栅格肋形成的栅 格形状连接结构的网眼近似为窗户带的单个窗户的尺寸,至少在如下区 域中即,在随后的方法步骤中,窗窗格板被布置在栅格形状的连接结 构上的那些区域。
该栅格形状连接结构关于力通量最优化,例如采用这样的方式例 如有限元分析(FEM)的数字模拟用于至少关于在窗户带的区域中出现的
力的幅度和方向计算力通量。然后,准备栅格结构,其与计算出的出现 的力的方向尽可能精确地一致,并且在窗户带的区域中具有足够尺寸的 网眼,以能够使用所述网格作为窗户。在随后的步骤中,计算出现在准 备好的栅格结构中的力,并且关于诸如例如横断面和相类似物的尺寸, 和关于将使用的材料栅格形状,形成适当尺寸的连接结构的栅格肋。基 于这些尺寸预先制造栅格形状连接结构。
在第二方法步骤II中,两个内壳体、上部内壳体和下部内壳体布 置在对应于窗户带的高度的距离处。
在第三方法步骤III中,利用预先制造的栅格形状连接结构,内 壳体彼此连接。这釆用如下方式发生例如利用粘性结合,采用叠盖内 壳体之间的间隙的方式,其宽度对应于窗户带的高度,将栅格状连接结 构连接到内壳体。该栅格形状连接结构跨越内壳体之间的间隙,并实现 将用作窗户的栅格形状连接结构的网眼,准确位于间隙的区域中。
在第四方法步骤IV中,在内壳体的未由栅格形状连接结构覆盖的 那些区域上,从外部布置芯材。该芯材和栅格形状连接结构优选地具有 垂直于内壳体的局部表面的相同厚度。
在第五方法步骤V中,在对应于窗户带的高度的一定距离处,两 个外壳体、上部外壳体和下部外壳体釆用如下方式布置在芯材上以及栅 格形状连接结构的重叠部分上,使得在窗户带的区域中,外壳体彼此 间隔,并且以后窗户带既不被内壳体也不被外壳体覆盖。
在第六方法步骤VI中,为完成窗户带,根据当前典型实施例, 窗窗格板被布置在栅格形状连接结构的未由内和外壳体覆盖的那个区域的两侧上。同时即在窗户带的尺寸上,也在内壳体与外壳体的厚度上,
窗户窗格板的末端与内壳体和外壳体平齐。
上述和图1中所示的方法步骤将参照图2到6更详细的说明。 作为示例,图2显示了采用格状结构在第一方法步骤I (图1)中
预先制造的栅格状连接结构10。该栅格状连接结构10特别地包括栅格
肋11和由栅格肋11形成的网眼12。关于出现的力的幅度和方向,对 在飞机机身结构的窗户带41的区域中出现的力通量(图6a),优化该栅 格状连接结构10。为此目的,该栅格状连接结构10的栅格肋11优选 地沿预期的力的方向定向。至少在落在窗户带的区域中的区域13中, 确定该栅格状连接结构10的网眼12的尺寸,使得每个网眼14用作 窗户。该栅格状连接结构10的长度L对应将生产的机身部分的长度 S。该栅格形状连接结构10的宽度V大于窗户带41的高度H。
在图3a和3b中,很明显可以看到怎样根据第二方法步骤II (图 1),将上部内壳体21和下部内壳体22布置在对应于窗户带的期望高 度并相对于彼此的距离处。在这里,将两个内壳体20定位在装置上, 使得间隙23,其宽度B对应于窗户带41的高度H (图6),保持空 闲。用作观看区域的网眼14最终位于间隙23的区域中。
图4a和4b通过实例显示了根据方法步骤III的将栅格形状连接 结构10安装在内壳体20上的装置(图1)。该栅格形状连接结构10叠 盖内壳体20之间的间隙23。在这个过程中,该栅格形状连接结构10 叠盖上部内壳体21与下部内壳体22。
第四方法步骤IV(图l),其中芯材从内向外布置在内壳体的未由栅 格形状连接结构覆盖的那些区域上,是依照已知过程进行,因而未在单 独的图中显示。
从图5a和5b可以看到怎样根据第五方法步骤V(图1),将两 个外壳体30、上部外壳体31和下部外壳体32布置在芯材上(未显示) 以及栅格形状连接结构10上,在对应于窗户带41的高度H的一定距 离(图6)处,以形成第二间隙24。该外壳体30优选类似内壳体20, 以相互一定距离布置在窗户带41的区域中。
可以看到在图6a和6b中,怎样根据方法步骤VI(图1),将窗格板42, 43布置在栅格形状连接结构10的未由内壳体20和外壳体 30覆盖的那个区域的两侧上。窗格板42, 43末端与内壳体20和外 壳体30平齐,从而制造出齐平装配在飞机机身的外形中的窗户带41。
为了清楚示出优先地用在根据本发明的方法的范围内的格状栅格 与ISO栅格结构之间的差别,图7和8分别显示了组成格状栅格和 ISO栅格结构的柱面结构。
采用栅格形状方式构成并对应于飞机机身的柱面结构,即可以从格 状栅格(图7)产生也可以从ISO栅格结构产生。两种栅格具有螺旋方 式延伸的栅格肋,"螺旋支柱"50, 51或其他称谓"螺旋肋"。第一螺旋 支柱50釆用环绕方式从左向右布置,并且第二螺旋支柱51采用环绕 方式从右向左布置。两种螺旋支柱在多个交接点52交叉。此外,图7中 的格状栅格和图8中的ISO栅格结构具有称作环绕肋53或其他称谓 "环肋"的栅格肋,并平行于柱面结构的纵向轴延伸。
这种类型的栅格在高轴向负荷下显示了极高的特定强度。这尤其是 由自稳定作用产生。如果由螺旋支柱50, 51形成的螺旋网在压縮负荷 下扩张,张力负荷出现在环绕肋中。此外,因为栅格内的支撑效果,螺 旋支柱抵抗弯曲的稳定性很高。
由格状栅格组成的柱面结构(图7)的行为与由同质材料组成的中 空圆柱方式准确相同。因此,在窗户带的区域中使用格状栅格,飞机机 身的结构不会弱化。 ,
当环绕肋53延伸经过由螺旋肋50, 51形成的交叉点52,展现 出ISO栅格结构(图8)。 ISO栅格结构的行为类似于具有各向同性属 性的壳体。
当布置环绕肋53使得螺旋肋50, 51的弯曲长度进一步减小时, 可获得最佳特定属性。这在格状栅格中是可能的。在弯曲或压缩负荷下, 由格状栅格构成的柱面结构展现出全弯曲(global warping)模式,其类 似于各向异性柱面壳体。
虽然在上面已参照优选典型实施例描述了本发明,它并不局限于 此,而可以采用多种方式修改。例如,该栅格形状连接结构可以首先被 装配到外壳体装置,而芯材可以接着提供在外壳体装置,最后再提供内壳体装置。
此外,除了设置在窗户带的区域中,该栅格形状连接结构也可以设 置在内壳体装置与外壳体装置之间的机身结构的整个范围。该机身结构 还可以设计成仅在彼此间隔开的多个区域中具有上述窗户区域和栅格结 构。
此外,相应地修改栅格结构和窗窗格板,当前发明概念即可以用在 单一也可以用在多壳体机身结构。唯一紧要的事情在于栅格结构确保再 窗户区域周围的力通量偏转。
标号的列表
10栅格形状连接结构
11栅格肋
12网眼
13位于窗户带区域的栅格形状连接结构的区域
14用作窗户的网眼
20内壳体装置
21上部内壳体
22下部内壳体
23第一间隙
24第二间隙
30外壳体装置
31上外壳体
32下外壳体
41窗户带
42内窗窗格板
43外窗窗格板
50螺旋支柱
51螺旋支柱
52交接点
53周围支柱
L栅格形状连接结构的长度V栅格形状连接结构的宽度 S机身部分的长度
B上部和下部壳体之间的间隙的宽度 H窗户带的高度
权利要求
1. 一种机身结构,尤其是飞机或航天器的机身结构,包括内壳体装置(20),其具有上部内壳体(21)和下部内壳体(22),所述上部内壳体(21)至少在一些部分中从下部内壳体(22)间隔开第一间隙(23),以形成窗户区域;和窗户带(41),其至少布置在所述窗户区域中,并具有包括吸收机身力的栅格结构(10)的窗格板设备。
2. 根据权利要求1所述的机身结构,其特征在于所述机身结构 包括外部壳体装置(30),其具有与所述上部内壳体(21)相关联的上部 外壳体(31)和与所述下部内壳体(22)相关联的下部外壳体(32),所 述上部外壳体(21)至少在所述窗户区域的一些部分中从下部外壳体(32) 间隔开第二间隔(24)。
3. 根据权利要求1或2所述的机身结构,其特征在于所述栅格 结构(10)具有用来形成栅格网眼(12)的单独栅格肋(11),所述栅格 结构(10)设计为吸收在机身中出现的力。
4. 根据前述权利要求任何一项所述的机身结构,其特征在于所述 栅格结构(10)被设计为格状栅格结构或类似物,并且在形状结构方面, 与壳体装置(20, 30)的形状匹配。
5. 根据前述权利要求2到4任何一项所述的机身结构,其特征在于 所述栅格结构(10)延伸到由第一和第二间隙(23,24)形成的所述窗户区域 之外,到所述壳体装置(20, 30)内,并能够被紧固到壳体装置(20, 30) 的单独壳体(21, 22; 31, 32),以形成将所述单独壳体(21, 22; 31, 32)彼此连接并在力通量方面优化的机身结构。
6. 根据前述权利要求2到5任何一项所述的机身结构,其特征在于 至少在一些部分中,所述第一间隙(23)和第二间隙(24)形成在相同高度 处,使得它们沿所述机身结构的纵向方向延伸,以形成优化的窗户区域。
7. 根据前述权利要求2到6任何一项所述的机身结构,其特征在于 所述第一间隙(23)和第二间隙(24)具有相同间隙宽度和/或间隙长度。
8. 根据前述权利要求2到7任何一项所述的机身结构,其特征在于:所述窗格板设备具有至少两个单独的窗格板(42, 43),其每个的末端与 相关联的内部和/或外部壳体(21, 22; 31, 32)平齐,并能够被紧固到所 述内部和/或外壳体(21, 22; 31, 32),并包围它们之间的栅格结构(10)。
9. 根据前述权利要求2到8任何一项所述的机身结构,其特征在于 适合的芯材被设置在所述内壳体(21, 22)和外壳体(31, 32)之间,但 至少除所述窗户区域以外。
10. —种机身结构,尤其是飞机或航天器的机身结构的制造方法, 具有如下方法步骤定位内壳体装置(20),所述内壳体装置具有上部内壳体(21)和下 部内壳体(22),使得所述上部内壳体(21)至少在一些部分中从所述下 部内壳体(22)间隔开第一间隙(23),以形成窗户区域;将预先制造的栅格结构(10)装配在所述内壳体装置(20)上,用于 机身力的吸收,使得所述栅格结构(10)至少在一些部分中跨越第一 间隙(23);以及在所述第一间隙(23)的区域中,将至少一块窗格板(42)装配在 所述内壳体装置(20)上。
11. 根据权利要求10所述的方法,其特征在于具有与所述上部 内壳体(21)相关联的上部外壳体(31)和与所述下部内壳体(22)相 关联的下部外壳体(32)的外部壳体装置(30)被装配在内部壳体装置 上,使得所述上部外壳体(31)至少在所述窗户区域的一些部分中从 所述下部外壳体(32)间隔开第二间隔(24)。
12. 根据权利要求11所述的方法,其特征在于除内窗格板(42) 外,还提供外窗格板(43),所述窗格板(42, 43)被装配在所述第一间 隙(23)和所述第二间隙(24)的区域中,使得所述栅格结构(10)由 所述内窗格板(42)和外窗格板(43)包围在所述窗户区域中。
13. 根据权利要求10到12的一项权利要求所述的方法,其特征在 于所述栅格结构(10)设计为具有用来形成栅格网眼(12)的单独栅格肋(11),所述栅格结构(10)设计成吸收在机身中出现的力。
14. 根据权利要求11到13的一项权利要求所述的方法,其特征在 于所述栅格结构被设计为格状栅格结构或类似物,并且在形状结构方 面,与所述壳体装置(20, 30)的形状匹配。
15. 根据权利要求11到14的一项权利要求所述的方法,其特征在于利用粘性结合过程等等,所述栅格结构(10)被紧固到所述内壳体装置(20)和/或所述外壳体装置(30)。
16. 根据权利要求11到15的一项权利要求所述的方法,其特征在 于适合的芯材被设置在所述内壳体(21, 22)和所述外壳体(31, 32)之 间,但至少除了窗户区域以外。
17. —种飞机,其具有根据权利要求1到9的至少一个设计并根 据权利要求10到16的至少之一制造的机身结构。
全文摘要
本发明提供了机身结构的制造方法,和机身结构,尤其是飞机或航天器的机身结构,具有内壳体装置(20),其具有上部内壳体(21)和下部内壳体(22),上部内壳体(21)至少在一些部分中从下部内壳体(22)间隔开第一间隙(23),以形成窗户区域;和窗户带(41),其至少布置在窗户区域中,并具有包括吸收机身力的栅格结构(10)的窗格板设备。
文档编号B64C1/14GK101460358SQ200780020434
公开日2009年6月17日 申请日期2007年5月31日 优先权日2006年6月2日
发明者京特·帕尔 申请人:空中客车德国有限公司
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