复合结构元件和抗扭箱的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合结构元件，特别是翼肋或翼梁，用于诸如垂直尾翼的飞机结构的抗扭箱。
【背景技术】
[0002]关于飞机结构，抗扭箱通常被用来稳定大元件，例如水平和垂直尾翼或机翼，同时确保这些部件的重量小。通常，抗扭箱包含由翼肋和翼梁组成的稳定结构，翼肋和翼梁以大致交叉或网状方式布置，以支撑被附接到该网状布置的顶表面和底表面的薄壁板或蒙皮。该板或蒙皮可以进一步由桁条加强。根接头和顶端被附接到抗扭箱，通常是单独的前缘和后缘结构，从而完成尾翼或机翼。
[0003]在这种连接中，翼肋和翼梁通常是纵向形状的，并包括大致平的主要部分。翼肋和翼梁可以例如被设计为具有T形、I形或C形的横截面，其中平的主要部分构造为腹板部分，并且可以由加强件加强。平的主要部分可以大致被设计为薄元件，例如厚度为几厘米或几毫米。对于尾翼或机翼，翼梁通常被布置成横向于飞机的与向前飞行方向一致的主纵向轴线延伸。因此，翼梁限定抗扭箱的相对于所述飞行方向的前缘和后缘。进一步，翼梁可以被布置在这些前缘和后缘之间，并可以大体平行于这些前缘和后缘延伸。另一方面，翼肋通常大致平行于飞机的所述纵向轴线延伸，并被布置为将翼梁彼此连接。
[0004]为了满足重量要求，公知使用由纤维增强复合材料的单层片组成的铺叠体来设计这样的翼肋和翼梁。优选的复合材料，特别是用于设计垂直尾翼部件的复合材料是由堆叠到所需厚度的薄层片(0.1至0.25mm)制成的CFRP (碳纤维增强塑料)。对于具有大体上单向纤维取向的层片，已知特别地选择单层片相对于彼此和相对于结构元件上的期望主负载的取向。通过这样做，可以对于特定负载的情况而言能实现特定的强度和/或刚度。
[0005]对于上述特定类型的复合结构元件，坐标系可以由沿着该结构元件的纵向轴线延伸的第一轴线和垂直于平的主要部分内的纵向轴线延伸并和第一轴线限定90°的角度的第二轴线来限定。对于设计这样的由纤维增强复合材料制成的结构元件，迄今已经应用包含至少一对层片的铺叠体，该至少一对层片在所述铺叠体中被布置为使得它们的纤维取向的方向在所述坐标系中以+/-45°的角度延伸。与此相似，包含在所述坐标系中具有+/-60°的纤维取向的至少一对层片的铺叠体是已知的。然而，已知的铺叠体具有不希望的大重量，这至少将导致在操作飞机时更高的燃料成本。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的目的是提供上述的类型的复合结构元件，其具有高的稳定性并且特别地在低的总重量下具有高的刚度。
[0007]这个目的是通过特别地用在诸如垂直尾翼的飞机结构部件的抗扭箱中的特别是翼肋或翼梁的复合结构元件实现的。该结构元件包括限定具有第一轴线与第二轴线的坐标系的大致平的主要部分，第一轴线沿结构元件的纵向轴线延伸，第二轴线垂直于平的主要部分内的纵向轴线延伸并与第一轴线限定+90°的角度。结构元件包含由纤维增强复合材料组成并具有大体上单向纤维取向的单层片的铺叠体。该铺叠体包括至少一对对称布置的第一层片和第二层片，第一层片和第二层片在所述铺叠体中被布置为使得，对于第一层片，纤维取向的方向在所述坐标系中以-17°至-23°范围内的角度延伸，对于第二层片，纤维取向的方向在所述坐标系中以+37°至+43°范围内的角度延伸。
[0008]第二轴线可以大致沿作用在所述结构元件上的主负载的方向或平行于该主负载的方向延伸，其中主负载相对于所述纵向轴线横向地作用。第一轴线可被选择为限定0°的角度。此外，复合结构元件可被在整体纵向形状内设计，从而根据所述形状限定纵向轴线的位置和取向。
[0009]然而，对于本发明而言，至关重要的是结构元件包含具有如上规定的铺叠体的至少一个平的主要部分，其中该平的主要部分可以特别表示结构元件的主要承载部分。此外，平的主要部分可以特别地被设计成没有弯曲或曲率。
[0010]如在纤维增强复合材料领域中公知的那样，铺叠体内的单层片的对称布置描述了这些层片关于铺叠体的几何中心平的对称层片叠或序列。此外，单向纤维取向通常表示光纤的方位为它们大致在一个共同的方向上运行。
[0011]相比于现有技术，根据发明的结构元件包含铺叠体，该铺叠体特别在被布置在其中的单层片的纤维方位方面区别自身。关于先前描述的常规铺叠体，发明人已经确定剪切力是诸如翼肋和翼梁的复合结构元件所暴露的重大关键负载。由于这些剪切力可能引起的失效模式是屈曲。
[0012]然而，如上述已知的铺叠体主要被设计成承受这些主要剪切力中的仅仅一种:典型地被定义为从所谓的直接负载得到的正剪切力。关于这样的正剪切力，常规的铺叠体通常提供了可靠的稳定性，特别是足够的抗弯阻力。然而，对于相反方向的剪切负载，也被称为负剪切力或相反载荷，常规铺叠体提供比较低的抗弯阻力。作为结果，铺叠体不得不集聚更大数量的单层片和/或具有更大厚度的层片。
[0013]发明人已经发现，通过在根据发明的铺叠体内布置单层片，包含该铺叠体的复合结构元件和常规的铺叠体相比具有高得多的刚度。这特别地与导致正和负剪切流的直接和相反载荷方向的剪切力的阻力的提高有关。事实上，已经发现，根据发明的结构元件对于这些类型的剪切力均具有几乎相等的抗弯阻力。
[0014]因此，没有必要通过添加另外的层片和/或通常增加铺叠体的厚度来补偿对于相反剪切载荷的较低的抗弯阻力。相反，使用根据发明的铺叠体，获得了在剪切力的两个方向上的抗弯阻力和所需的层片数量和/或厚度之间的良好折衷。因此，实现了结构元件的整体重量的降低。
[0015]另外，发明人已发现，使用根据发明的特定铺叠体，对大量种类的纤维增强复合材料和这些材料的大范围厚度，可以对两种主要类型的剪切负载实现接近相等的抗弯刚度。换言之，根据发明的铺叠体提供了更好的抗弯阻力，而几乎与所选择的材料和/或其厚度无关。
[0016]在本发明的优选实施例中，第一层片在所述铺叠体中被布置为使得纤维取向的方向在所述坐标系中以-18°至-22°范围内的角度延伸。在本发明的更优选实施例中，该角度为-19°至-21°。
[0017]相似地，在本发明的优选实施例中，第二层片在所述铺叠体中被布置为使得纤维取向的方向在所述坐标系中以+38°至+42°范围内的角度延伸。在本发明的更优选实施例中，该角度为+39°至+41°。
[0018]将理解，关于用于布置第一层片和第二层片的角度范围的上述优选实施例可以任意地彼此组合，以形成根据发明的用于结构元件的铺叠体。
[0019]在优选实施例中，第一层片的纤维取向的方向在所述坐标系中以大约-20°的角度延伸。在该上下文中，用语“大约”通常指纤维取向的方向的公差为+/-1°。
[0020]在另一优选实施例中，第二层片的纤维取向的方向在所述坐标系中以大约+40°的角度延伸。与上述类似，用语“大约”指纤维取向的方向的公差为+/-1°。
[0021]第一层片可以形成铺叠体的最外层。已经发现通过以这种方式布置第一层片，甚至可以进一步增加铺叠体的抗弯阻力。
[0022]铺叠体可以构成结构元件的腹板的至少一部分。腹板可以由结构元件的典型地被暴露到特别高的剪切力的平的主要部分构造。正如众所周知的那样，凸缘部分可以被附接到该腹板，以例如限定结构元件的T形、I形或C形横截面。通过将根据发明的铺叠体放置在所述腹板中，可以显著地增加结构元件的整体稳定性。
[0023]结构元件可以被构造为由所述铺叠体组成的一体构件。这对于结构元件的制造工艺而言是特别有利的，并避免了用于接合单件或引入另外的紧固装置的进一步的步骤。
[0024]在优选实施例中，铺叠体由至少一对对称布置的第一层片和第二层片组成。换言之，铺叠体不包含在所述坐标系中具有不同的纤维取向的方向的任何其它层片。通过这样做，可以使用确保所需的稳定性，特别是抗弯阻力的最小数量的层片来建造所述铺叠体，从而保持重量最小。
[0025]作为替代，铺叠体可以进一步包括至少一个下述层片，该层片的纤维取向的方向在所述坐标系中以-3°至+3°范围内的角度延伸。在更优选实施例中，角度范围为-2°至+2°。在更优选实