加强机身部件以及用于制造加强机身部件的方法和装置与流程

本发明涉及加强机身部件，特别是加强飞机机身部件。此外，本发明涉及用于制造加强机身部件的方法和装置。

背景技术：

在飞机构造中，正在越来越多地尝试将整体或局部由纤维增强复合材料(例如，碳纤维增强塑料(CFRP))制成的部件用作承载部件。例如，DE 10 2007 062 111 A1描述一种由碳纤维增强塑料制成的横向构件结构，其用于支撑将客舱与布置在客舱下方的货舱分离的飞机地板系统的各面板。例如，从DE 10 2004 001 078 A1或CN 100418850还已知，为飞机机身各段提供由纤维增强复合材料制成的蒙皮和增强元件(例如，框架、桁条等)。

在由纤维增强复合材料制造飞机结构部件时，在第一步骤中，可由增强纤维或纤维预浸坯构造多层层压制件。纤维预浸坯可包括由增强纤维制成的织造物或非织造物，增强纤维被提供有由可固化合成材料(例如，环氧树脂材料)构成的表面层。层压制件构造可手动或以自动方式进行。然后，在可固化材料可被注入到层压制件构造中之前，增强纤维或纤维预浸坯可变成旨在形成飞机蒙皮的平面部分的期望形状或变成旨在形成框架或桁条的增强部分的期望形状。最终，注入的可固化材料和/或施加到纤维表面的可固化材料在例如热压罐周期中在压力和/或升高的温度下固化，从而产生具有由固化合成材料形成的基体以及嵌入该基体中的增强纤维的复合材料。

EP 2 674 290 A1和US2013/337207A1涉及一种用于用纤维增强塑料材料制造飞机的机身筒和外壳部件的方法。机身筒或外壳部件包括互相交叉于节点的多个整体式加强肋以及附接到加强肋的蒙皮。用于制造机身筒或外壳部件的模制工具具有用于制造整体式加强肋的多个通道型凹部。至少一个凹部被设计为具有在两侧附接到底面的两个侧壁的槽的形式。用于形成蒙皮的整体连接脚的槽边缘区至少在一些部分被附接到至少一个侧壁。

EP 2 662 202 A2和US2013/302544A1公开一种用于制造纤维复合部件的增强部分的方法，其中具有弹性套筒的支撑芯被临时布置在旨在形成增强部分的纤维性材料的 内表面上。可固化材料可存在与纤维性材料中或可注入到纤维性材料中。当在减小的压力下对可固化材料进行固化时，使得支撑芯的套筒抵靠纤维性材料的内表面以在其上施加压力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种特别适合于在飞机中使用的重量优化的加强机身部件。此外，本发明的目的在于提供用于有效地制造这种加强机身部件的方法和装置。

上述目的通过下面限定的加强机身部件、下面限定的方法以及下面限定的装置来实现。

一种特别适合于在飞机中使用的加强机身部件由纤维增强复合材料制成。不同的纤维增强复合材料可被用于制造所述加强机身部件。例如碳纤维以及其它增强纤维可被用作增强纤维。所述增强纤维可被嵌入可固化热固性材料的基体中，所述可固化热固性材料例如为树脂材料，特别地为环氧树脂。替代地，例如聚醚醚酮(PEEK)的热塑性材料可用于形成所述纤维增强复合材料的基体。所述加强机身部件可设计为限定飞机机身的一部分。所述部件可仅沿所述飞机机身的圆周的一部分延伸或可沿所述飞机机身的整个圆周延伸。

所述加强机身部件包括蒙皮元件。所述蒙皮元件可被设计为平面元件(planar element)的形式，但是优选地被提供有适应于所述机身部件旨在形成的机身部分(特别是飞机机身部分)的曲率的弯曲形状。优选地，所述蒙皮元件被设计为整体式元件的形式。如果需要，诸如增强层等的另外的功能层可被整合到所述蒙皮元件中。所述蒙皮元件可包括外表面，如果所述机身部件被设计为飞机机身部件的形式，所述外表面可适于形成飞机的外蒙皮的一部分。此外，所述蒙皮元件可包括内表面，如果所述机身部件被设计为飞机机身部件的形式，所述内表面可适于面向所述飞机机身的内部。

所述加强机身部件进一步包括多个长形加强元件，该多个长形加强元件形成包括多个节点的加强元件构型(stiffening element pattern)并被附接到所述蒙皮元件的内表面。所述蒙皮元件和所述加强元件优选由相同的纤维增强复合材料制成。然而，还可想到对于所述蒙皮元件和所述加强元件使用不同的纤维增强复合材料。

所述节点中的至少一些由至少两个加强元件成锐角或钝角相交限定。因此，所述机身部件例如不同于现有技术的飞机机身部件，在现有技术中，在长形加强元件相对于彼此在节点处的布置中，肋(围绕机身的圆周延伸)和桁条(平行于机身的纵向轴线延伸)总是彼此成直角相交。通过偏离于现有技术中的加强元件的布置，机身部件的重量和承载能力可按照需要适应于特定要求。此外，在机身部件中，不再需要肋和 桁条的不同设计并且不再需要将肋整合到预先制造的蒙皮/桁条结构中。

加强元件相对彼此的布置在不同的节点处可相同或可随节点不同而变化，即，例如，在一些节点处，加强元件可以以特定的第一锐角相交，而在另外的节点处，加强元件可以以特定的第二锐角或以钝角相交。此外，一些节点或全部节点可由仅两个加强元件相交限定，或者一些节点或全部节点可由两个以上加强元件相交限定，例如由三个或更多个加强元件相交限定。

所述机身部件的长形加强元件中的至少一些被成形以限定由所述加强元件的内表面定界并由所述蒙皮元件覆盖的内腔。与配备有整体式加强元件的机身部件相比，所述加强机身部件的特征于是在于低重量。例如，所述加强元件可被设计为Ω加强件(omega stiffener)的形式，由于其尺寸和形状，其允许用于制造所述加强元件的复合材料内的增强纤维的有利分布。在所述加强元件构型的节点处，Ω加强件可限定所谓的“星状Ω帽”，即具有由所述加强元件的内腔在所述加强元件构型的节点处相交所限定的连续内部中空空间的星形构型。然而，还可想到，为所述机身部件提供具有除了Ω形横截面形状之外的其它横截面形状，例如，更圆的横截面形状等。

由所述机身部件的长形加强元件限定的所述加强元件构型优选为不规则构型，其中各个加强元件之间的距离和/或节点之间的距离变化。此外，在所述加强元件构型内，节点在数量方面的设计以及在所述节点处彼此相交的加强元件的角布置可变化。在所述机身部件的特别优选的实施例中，所述加强元件构型中的所述加强元件的分布根据对于所述加强机身部件的不同区域规定的承载要求调节。例如，与所述机身部件的面对较低承载要求的区域相比，所述机身部件的面对较高承载要求的区域可被提供有更多的加强元件。

所述多个长形加强元件中的至少一些例如在长度、横截面形状和横截面面积中的至少一个上可彼此不同。替代地或另外地，所述多个长形加强元件中的至少一些沿其纵向轴线可被提供有变化的横截面形状和变化的横截面面积中的至少一个。而且，还可想到，所述多个长形加强元件中的至少一些沿其纵向轴线可以恒定或变化的曲率被弯曲。所述加强元件可被弯曲以平行于弯曲的蒙皮元件延伸。然而，替代地或另外地，所述加强元件还可相对于由(弯曲的)蒙皮元件限定的平面弯曲。提供有变化的加强元件的机身部件可在重量和承载能力两方面被优化，因为与所述机身部件的面对较低承载要求的区域相比，所述机身部件的面对较高承载要求的区域可容易地被提供有更强且形状合适的但更重的加强元件。

在所述加强机身部件的一个实施例中，所述多个长形加强元件中的至少一些包括布置在由所述加强元件的内表面定界并由所述蒙皮元件覆盖的所述内腔中的泡沫芯。 所述泡沫芯例如可为数控铣削(CNC-milled)的泡沫芯并可按照需要被设计为承载部件或非承载部件。

所述多个长形加强元件中的至少一些可通过大致平行于所述蒙皮元件延伸并附接到所述蒙皮元件的内蒙皮元件彼此连接。所述机身部件于是特别易于制造，因为多个加强元件与所述内蒙皮元件一起可在单个制造步骤中接合到所述蒙皮元件。所述内蒙皮元件可为连续设计并因此遍及所述加强元件的内腔且邻近蒙皮元件延伸。然而，还可想到，内蒙皮元件仅在相邻的加强元件之间延伸，从而所述加强元件的内腔仅由所述蒙皮元件覆盖。最终，所述内蒙皮元件仅仅遍及所述加强元件的内腔的一部分，特别是所述加强元件的内腔的边缘部分，邻近蒙皮元件延伸，这也是可能的。

在所述加强机身部件的特别优选的实施例中，诸如电线和流体管线中的至少一种的功能元件可被布置在由所述加强元件的内表面定界并由所述蒙皮元件覆盖的所述内腔中。因此，功能元件可以以特别节省空间的方式被组装。所述机身部件的加强元件特别适于容纳例如通信系统或空调系统的诸如供电线、通信线、信号线之类的电线和/或诸如空气管线、油管线或水管线之类的流体管线，因为所述加强元件限定遍及所述机身部件的连续“管道”网。用于将布置在所述加强元件的内腔中的线彼此连接和/或连接到相应的上级系统的连接器和/或插头还可整合到内腔中。

至少一个开口可被提供在所述机身部件的加强元件中的至少一个中，其提供通往所述加强元件的内腔的通路。所述至少一个开口可例如用于检查内腔。如果需要，例如，摄像头可通过开口被插入并被引导通过由所述机身部件的加强元件限定的“管道”网，以检查所述“管道”网的内部和/或布置在其中的功能元件。而且，所述开口可用于在维修期间更换布置在所述加强元件的腔内的功能元件。

在一种制造特别适于在飞机中使用的加强机身部件的方法中，蒙皮元件被提供。形成包括多个节点的加强元件构型的多个长形加强元件被附接到所述蒙皮元件的内表面，其中所述节点中的至少一些由至少两个加强元件成锐角或钝角相交限定，并且其中所述长形加强元件中的至少一些被成形以限定由所述加强元件的内表面定界并由所述蒙皮元件覆盖的内腔。所述方法可恰当地适于生产如上描述的优选实施例的所述加强机身部件。

在制造加强机身部件的方法中，所述多个长形加强元件中的至少一些可在用于固化包含在所述蒙皮元件和所述多个长形加强元件中的至少一个中的热固性塑料材料的固化步骤中被附接到所述蒙皮元件，即所述加强元件中的至少一些和所述蒙皮元件可在固化或共固化步骤中彼此接合。这允许特别有效且节省时间地制造高质量、高强度的机身部件。然而，作为替代，还可想到单独制造所述多个长形加强元件中的至少一 些和所述蒙皮元件，即单独成形和固化所述多个长形加强元件中的至少一些和所述蒙皮元件，并在单独的粘结步骤中和/或借助特别为铆钉的机械紧固件将所述加强元件和所述蒙皮元件彼此附接。这种制造选择在加工成本和设计灵活性方面可以是有利的。在任何情况下，多个整合的加强元件中的至少一些可如上所述地通过内蒙皮元件彼此连接。

为了固化包含在所述加强元件中的热固性塑料材料，所述多个长形加强元件中的至少一些可被布置在提供于第一工具的表面中的相应凹部中。所述第一工具的所述表面可为弯曲的。在固化步骤期间，所述加强元件可在提供于所述第一工具的所述表面中的凹部中保持就位，从而所述加强元件按照需要被成形。所述第一工具可包括隔板，并且用于接收所述加强元件的凹部可被提供在所述隔板中。

类似地，为了固化包含在所述蒙皮元件中的热固性塑料材料，所述蒙皮元件被布置在第二工具的表面上。在固化步骤期间，所述蒙皮元件可在所述第二工具的所述表面上保持就位，以按照需要成形所述蒙皮元件。例如，所述第二工具可被适当地设计以为所述蒙皮元件提供弯曲形状。如果需要，所述第一工具和/或所述第二工具可以被加热以促进固化过程。

所述第一工具和所述第二工具中的至少一个可包括多个工具芯。所述多个工具芯可优选地借助夹具被能拆开地彼此连接。所述第一工具的工具芯可彼此拆卸，即彼此拆开，以允许所述加强元件从所述第一工具脱模。采用类似的方式，所述第二工具的工具芯可彼此拆卸，即彼此拆开，以允许所述蒙皮元件从所述第二工具脱模。为所述第一工具和所述第二工具中的至少一个提供能拆开地连接的工具芯简化甚至非常大且非常硬的部件的脱模。如果待制造的所述机身部件以及因此所述第一工具和/或所述第二工具沿待由所述机身部件部分限定的机身(特别是飞机机身)的大部分或沿整个圆周延伸的情况下，这种工具设计于是特别有利。待制造的所述机身于是可被实现为具有最小数量的接合部。

在所述内腔被所述蒙皮元件覆盖之前，特别地在所述加强元件被布置在提供于所述第一工具的所述表面中的相应凹部中时，可如上设计的泡沫芯可被布置在所述长形加强元件中的至少一些的内腔中。然后，在包含在所述蒙皮元件中的热固性塑料材料仍未固化时，通过将所述蒙皮元件布置在所述加强元件上，所述内腔可被所述蒙皮元件覆盖，因为所述泡沫芯稳定蒙皮元件，并因此在固化步骤期间提供所述蒙皮元件的形状稳定性。然后，所述加强元件和所述蒙皮元件可以以有效方式被共固化。然而，作为替代，还可想到将内腔填充有泡沫芯的所述加强元件转移到布置在所述第二工具的表面上的蒙皮元件上以用所述蒙皮元件覆盖所述加强元件的内腔。

在用于制造加强机身部件的方法的另一优选实施例中，膜管(film tube)可被布置在所述长形加强元件中的至少一些的内腔中、在固化包含在所述加强元件中的热固性塑料材料的固化步骤期间被保持就位并在所述内腔被所述蒙皮元件覆盖之前被移除。所述膜管可在固化步骤期间起作用以将压力施加所述加强元件的内腔的内表面上，如EP 2 662 202 A2和US2013/302544A1中所描述的。所述膜管可由具有一些扩张柔性的材料制成，以在固化步骤期间简化向加强元件的内腔的内表面上逐步建立压力。

所述膜管可被预成型成与所述加强元件中的至少一些的内腔的形状对应并与由所述加强元件限定的所述加强元件构型对应的形状。在所述加强元件构型内的所述节点的区域中，所述膜管优选为连续设计，即在所述加强元件构型内的所述节点的区域中，所述膜管可包括与在节点处彼此相交的各个加强元件对应的多个互连分支。

为了预成型所述膜管，可使用可被设计为类似于所述加强元件构型的负工具形式的单独的工具。例如，所述膜管可被深冲压至所述工具中并通过熔接与另外的顶层膜接合。然后，所述膜管可切除剩余材料以获得类似于所述加强元件构型的膜管。所述膜管可被存储，直到其被需要。在将所述膜管布置在至少一些所述长形加强元件的内腔中之前，可利用真空来减小膜管的尺寸并因此对所述膜管向所述加强元件的腔中的整合进行简化。

一种用于制造由纤维增强复合材料制成的加强机身部件的装置，所述加强机身部件特别用于在飞机中使用，所述装置包括第一工具，所述第一工具具有被提供有多个凹部的表面。所述凹部适于接收形成包括多个节点的加强元件构型的多个长形加强元件，其中所述节点中的至少一些由至少两个加强元件成锐角或钝角相交限定，并且其中所述凹部被配置为使所述长形加强元件中的至少一些成形，以使所述加强元件中的至少一些限定由所述加强元件的内表面定界并适于由蒙皮元件覆盖的内腔。

所述装置可进一步包括第二工具，所述第二工具具有适于支撑所述蒙皮元件的表面。所述第一工具和所述第二工具中的至少一个可包括多个工具芯，所述多个工具芯适于被拆卸以便允许所述加强元件从所述第一工具脱模和/或所述蒙皮元件从所述第二工具脱模。

而且，所述装置可包括膜管，该膜管适于被布置在所述长形加强元件中的至少一些的内腔中、适于在固化包含在所述加强元件中的热固性塑料材料的固化步骤期间被保持就位并适于在所述内腔被所述蒙皮元件覆盖之前被移除。所述膜管可被预成型成与所述加强元件中的至少一些的内腔的形状对应并与由所述加强元件限定的所述加强元件构型对应的形状。

附图说明

现在参照所附示意图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出适于限定飞机机身一部分的加强机身部件；

图2示出适于限定飞机机身一部分的替代加强机身部件；

图3示出利用第一工具制造根据图1或图2的加强机身部件的示例性方法；

图4示出在制造根据图1或图2的加强机身部件时可采用的第二工具；以及

图5示出在制造根据图1或图2的加强机身部件时可采用的膜管。

具体实施方式

图1示出旨在限定飞机机身的一部分的加强机身部件10。机身部件10由纤维增强复合材料制成，特别是碳纤维增强复合材料，其中碳纤维被嵌入在环氧树脂基体中。然而，还可想到使用其它纤维增强复合材料来制造机身部件10。

机身部件10包括具有弯曲形状的蒙皮元件12，其中蒙皮元件12的曲率适应于旨在借助机身部件10限定的飞机机身的曲率。蒙皮元件12的外表面14适于形成飞机外蒙皮的外表面，而蒙皮元件12的内表面16适于面向旨在借助机身部件10限定的飞机机身的内部。

为了加强和增强蒙皮元件12，机身部件12进一步包括附接到蒙皮元件12的内表面16的多个长形加强元件18。加强元件18形成包括多个节点20的加强元件构型。节点20由至少两个加强元件18成锐角或钝角相交限定。在图1描绘的机身部件10的示例性实施例中，第一节点20由六个加强元件18相交限定，而第二节点和第三节点20由仅三个加强元件18相交限定。

由加强元件18限定的加强元件构型为不规则构型，其中加强元件构型内的各个加强元件18的分布根据对于加强机身部件10的不同区域规定的承载要求调节。在图1描绘的机身部件10的示例性实施例中，围绕由六个加强元件18相交所限定的第一节点20的区域的特征在于高“密度”的加强元件18以及因此高承载能力。相比之下，机身部件10的在加强元件18之间延伸的区域对使用时施加到机身部件10的载荷具有较低的抵抗力，但是与围绕第一节点20的区域相比更轻质。于是，机身部件10的设计在承载能力和重量两方面可局部优化。

为了进一步优化机身部件10的承载能力和重量，加强元件18在长度、横截面形状和横截面面积上彼此不同。此外，长形加强元件18沿其纵向轴线提供有变化的横截面形状和变化的横截面面积。另外，整合的加强元件18被弯曲以平行于 弯曲的蒙皮元件12延伸。而且，加强元件18相对于由弯曲的蒙皮元件12限定的平面弯曲，其中加强元件18的曲率沿纵向轴线变化。

机身部件10的每个加强元件18被成形以限定由加强元件18的内表面24定界的内腔22。此外，每个加强元件18的内腔22由蒙皮元件12覆盖以限定封闭的中空空间。这允许进一步优化机身部件10的重量。在图1描绘的机身部件10的示例性实施例中，加强元件18被设计为具有Ω形横截面的Ω加强件。进一步，如从图1中变得明显的，泡沫芯26被布置在加强元件18的内腔22中。

机身部件10进一步包括内蒙皮元件28，内蒙皮元件28将加强元件18彼此连接并由与加强元件18相同的材料制成。内蒙皮元件28平行于蒙皮元件12延伸并被附接到蒙皮元件12。如将在下文进一步描述的，内蒙皮元件的存在简化了加强元件18到蒙皮元件28的附接。

最终，机身部件10包括延伸通过由加强元件18的内腔22限定的连续“管道”网的电线30形式的功能元件。因此，电线30不需要另外的安装空间。存在提供通往由加强元件18的内腔22限定的连续“管道”网的通路的开口32，以允许例如借助摄像头检查“管道”网，或在维修期间更换电线30。

图2中描绘的替代机身部件10与根据图1的机身部件10的不同之处在于：机身部件10的加强元件18限定规则的等网格构型。在其它方面，根据图2的机身部件10对应于图1中描绘的机身部件10的结构。

为了制造机身部件10，可使用图3中描绘的第一工具34。第一工具34包括表面36，该表面36被提供有多个不同尺寸和形状的凹部38，其中每个凹部38适于接收机身部件10的长形加强元件18之一。其中凹部38限定由加强元件18限定的正加强元件构型的负构型。特别地，凹部38类似于包括多个节点20的加强元件构型，其中节点20中的至少一些由至少两个加强元件18成锐角或钝角相交而限定。此外，凹部38被配置为使加强元件18成形，以使加强元件18限定由加强元件18的内表面24定界并适于由蒙皮元件12覆盖的内腔22。

包含仍未固化的热固性塑料材料的加强元件18被布置在提供于第一工具34的表面36中的凹部38内。在图3的布置中，加强元件18通过内蒙皮元件28彼此连接。然而，内蒙皮元件28也可被省略。此后，泡沫芯26被布置在加强元件18的内腔22内。在下一步骤中，包含也仍未固化的热固性塑料材料的蒙皮元件12布置在加强元件18和泡沫芯26上。最终，加强元件18、内蒙皮元件28和蒙皮元件12中包含的热固性塑料材料被共固化以将加强元件18和内蒙皮元件28附接到蒙皮元件12，而泡沫芯28在固化过程中提供蒙皮元件12的期望的稳定性。

在替代制造工艺中，在将蒙皮元件12和加强元件18彼此连接之前，蒙皮元件12和加强元件18之一中包含的热固性塑料材料至少部分地固化。例如，图4中描绘的第二工具40可用于按照需要成形蒙皮元件12。第二工具40包括弯曲表面42，包含仍未固化的热固性塑料材料的蒙皮元件12被布置在弯曲表面42上。蒙皮元件12中包含的热固性塑料材料的固化于是可在蒙皮元件12被支撑在第二工具40的表面42上时进行。

按照需要，蒙皮元件12随后可从第二工具40脱模并放在布置于第一工具34上的加强元件18上，或者加强元件18可从第一工具34脱模并转移到支撑在第二工具40上的蒙皮元件12。第一工具34和第二工具40中的每个包括借助夹具48、50彼此能拆开地连接的多个工具芯44、46。因此，第一工具34的工具芯44可被拆卸以便允许加强元件18容易地从第一工具34脱模。类似地，第二工具40的工具芯46可被拆卸以便允许蒙皮元件12容易地从第二工具40脱模。

随后，蒙皮元件12和加强元件18可通过将蒙皮元件12和加强元件18之一中包含的仍未固化的热固性塑料材料固化而彼此附接。此外，还可想到，单独制造蒙皮元件12和加强元件18，并且然后通过粘结和/或借助诸如铆钉之类的机械紧固件将蒙皮元件12和加强元件18彼此附接。

在用于制造加强机身部件10的替代方法中，如图5中描绘的膜管52可被布置在长形加强元件18的内腔22中、在固化包含在加强元件18中的热固性塑料材料的固化步骤期间保持就位并在内腔被蒙皮元件12覆盖之前被移除。膜管52可由具有一些扩张柔性的材料制成并可在固化步骤期间起作用以将压力施加到加固元件的内腔的内表面上，如EP 2 662 202 A2和US2013/302544A1中所描述的。

膜管52被预成型成对应于加强元件18的内腔22并对应于由加强元件18限定的加强元件构型的形状。在加强元件构型内的节点20的区域中，膜管52为连续设计，即，在加强元件构型内的节点的区域中，膜管52包括与在节点20处彼此相交的各个加强元件18对应的多个互连分支。为了预成型膜管52，使用设计为类似于加强元件构型的负工具形式的单独的工具(未示出)。