板结构件及相关方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于交通工具，特别是航空器或航天器，的新的板结构件(panelstructure)，同时本发明涉及一种新的生产上述板结构件的方法，本发明还涉及一种交通工具，其包括所述板结构件。虽然本发明特别设计为在航空器或航天工业中使用，但是可以想到的是，其还可以在航海和陆地交通工具中使用，例如铁路和/或汽车应用。
【背景技术】
[0002]在航空和航天工业中，加强板，特别是纵梁加强板作为轻质结构解决方案已经发展为标准件。事实上，典型地，超过机身的90 %，或现代载人航空器的外“皮”均被设计为纵梁加强板，如此，“纵梁”为加强构件，其增加了结构板或表面构件(area member)的机外弯曲刚度。板使用纵梁进行了加强，从而在挤压和剪切载荷下对抗整体弯曲。相对于简单加厚板构件自身，板构件的所得到的稳定和极限载荷因此能够在较低结构重量下承受更高的载荷。纵梁还将板构件或表皮中任何弯曲的尺寸限$_纵梁间的局部区域(即，“表皮凹区”(skin bays))，从而限制了所谓的局部弯曲。通过降低弯曲区域尺寸(S卩，表皮凹区的大小)，提高了板构件或表皮的抗弯强度。
[0003]当设计的目的持续指向降低航空器的重量以最优化燃料消耗时，依然要求航空器结构强度和安全性不能妥协，且仍然需要满足测试标准。在这种背景下，发明人设计了一种新型的和改进的板结构件，其用于交通工具，特别地用于航空器，其能够满足当前的安全和测试标准，同时还能够获得更低的质量结构.
【发明内容】
[0004]根据本发明，如权利要求1中所述的提供了一种板结构件，其用于交通工具，特别用于航空器或航天器，如权利要求9所述提供了一种生产所述板结构件的方法。另外，如权利要求15中所述，还提供了例如航空器或航天器的交通工具。优选的特征在从属权利要求中进行说明。
[0005]一方面，本发明提供了一种板结构件，其用于交通工具，特别用于航空器或航天器，包括:表面构件，例如板构件或表皮构件；和多个加长的加强构件，其附接于表面构件上同时在至少一侧的整个表面上延伸；其中多个加强构件中的至少一个在分支点或分叉点被分支或分叉为两个或多个分支加强构件。典型地，表面构件具有宽阔区域(arealexpanse)，并且包括第一侧和相对的第二侧，具有在第一和第二侧之间限定的表面构件厚度。加强构件附接于表面构件上并在第一和第二侧中的至少一个的整个表面上延伸。
[0006]由此，本发明提供了一种新型的和改进的板结构件，其使用了加强构件的分支，特别是分叉，从而改变在表面构件或板构件区域中的加强构件的间隙或间距，该区域在实际使用中暴露至较高的载荷下。也就是，通过将加强构件分支或分叉为至少两个分支加强构件，可以在表面构件或板构件的区域中，增加加强构件的密度(即，降低加强构件的间隙或间距)。因而，希望得到的是，本发明预期得到，加强构件可以分隔为超过两个分支加强构件(例如，通过“三叉”或“四叉”)。但是为了简化，本文中使用的术语“分叉”及其变化，例如“双叉”，应该理解为构件分隔或分支为两个或多个分支构件，而不是限定为仅仅两个分支构件。然而对于板结构件不均匀的载荷，局部的强化传统上已经通过表面构件或板构件的局部加厚被解决，本发明提供了更低的重量和更经济的设计方法。特别地，分叉加强构件(例如纵梁)的使用，在具有相对更少额外重量的加强板结构件的设计上，提供了更大的自由度。注意到，本发明的术语“表面构件”为构件的通用术语，例如板，表皮或薄板，在其相对面或侧之间，与这些面或侧指间的厚度尺寸相比呈现出相对大的宽阔区域。
[0007]在传统的板结构件设计中，加强构件(例如，纵梁)的平均间距通常在之前设计阶段就固定了。如果在传统设计工艺中，由于纵梁之间的表皮凹区承受弯曲，因而该表皮凹区的表皮厚度增加。然而，与使用加强件相比，增加表皮厚度以避免弯曲是较为没有效率的。这是因为在局部弯曲中的表皮构件的抗弯强度和加强件应对整体弯曲的抗弯强度之间的不同的、非线性的关系。表皮的局部抗弯强度与其厚度是二次幂的关系，然而加强件的整体抗弯强度典型地与加强件的高度之间为三次幂的关系。由于表皮厚度与加强件的高度相比通常非常小，因此与加强件相比，其必须显著地增加更多的质量给表皮从而避免弯曲。因而，本发明的板结构件中提供分叉加强构件提供了实际的新型轻质板结构件设计。
[0008]在本发明的优选实施方式中，分支加强构件之间分叉的角度随着分支加强构件远离分叉点逐渐延伸而减小。换句话说，随着远离分叉点延伸，分支加强构件期望地减小分叉，并且沿着特定路径，在该特定路径中，在分叉后，分支加强构件随后大约相互平行地延伸。由此，两个分支加强构件中的至少一个，并且优选的两个，随着分支加强构件远离分叉点延伸，延伸通过弯曲部或扭曲部从而减少或降低分叉角度。具体地，至少一个分支加强构件的弯曲部或扭曲部优选地通过预定角度扭转向两个分支加强构件中的另一个。最初分支之后的，在分支加强构件的路径或方向中的该改变，起到在加强构件和/或分支加强构件的不同间隔或间距之间平滑过渡的作用。
[0009]在更优选的实施方式中，表面构件上的多个加强构件中的每个都在各自的分支点或分叉点被分支或分叉为至少两个分支加强构件。各自的分支点或分叉点因此优选地相互分散或错开，特别地沿径向相互分散或错开。该分支点或分叉点的分散或错开的位置用于提供从板结构件一个区域中一个纵梁间隔或间距至板结构件一个连接区域中另一个纵梁间隔或间距的一般平滑过渡。
[0010]在优选的实施方式中，加强构件和分支加强构件被设置为，在板结构件的局部区域中，在相邻加强构件和/或相邻分支加强构件之间提供大约均匀的间距或间隙。
[0011]在本发明特别优选地实施方式中，板结构件的表面构件(即，板构件或表皮构件)具有如典型地存在于航空器机身的耐压舱壁的圆形构造，或锥形构造，或总体矩形构造。由此，板结构件特别适合用于具有不均匀的内部载荷的板和/或具有不均匀的或密集外的部载荷的板。
[0012]在优选的实施方式中，板结构件可以包括结构构件的部件，同时可以，例如包括多个设置在两个或更多表面构件或板构件之间并附接于两个或更多的表面构件或板构件上的加强构件，从而加强构件形成了强化骨架或结构，其由各自的表面构件或板构件包围和/
或覆盖。
[0013]根据另一个方面，本发明提供了一种生产板结构件的方法，该板结构件用于交通工具，例如航空器或航天器，所述方法包括:
[0014]提供表面构件，特别地提供板构件或表皮构件，该表面构件限定了具有第一表面和相对的第二表面的宽阔区域，且具有在第一和第二表面之间的表面构件厚度；和
[0015]设置多个加长的加强构件，该加强构件在表面构件的第一和第二表面中的至少一个的整个表面上延伸，以附接到表面构件上；
[0016]其中设置加强构件的步骤包括在分支点或分叉点将至少一个加强构件分支或分叉为两个或更多的分支加强构件。
[0017]在一种优选的实施方式中，在至少一个加强件中，表面构件的分支点的位置或部位的选定或确定基于:与至少一个加强构件相邻的表面构件区域的弯曲阈值，和对于表面构件来说在该区域中所需的最小设计载荷；和/或在至少一个加强构件中的最大允许纵向力。
[0018]还如上所述，在一种优选的实施方式中，设置加强构件的步骤包括随着分支加强构件远离分支点延伸，减小在分支加强构件之间的分支角度或者分叉角度。更具体地，设置加强构件的步骤包括随着分支加强构件远离分支点延伸，延伸或指引至少一个分支加强构件，并且优选地两个分支加强构件，通过弯曲部或扭曲部以降低分支角度或分叉角度。
[0019]在本发明特别优选的实施方式中，设置加强构件的步骤包括在各自的分叉点将多个加强构件中的每个分叉为至少两个分支加强构件。该方法可以然后优选地进一步包括:使得分叉点相互地分散或错开；例如，沿径向将分叉点相互错开。
[0020]在一种优选的实施方式中，设置加强构件的步骤包括对加强构件的位置进行数字建模。生产板结构件的方法优选地包括，零部件叠层制造(ALM)技术，相对于几何约束条件，其提供了高的设计灵活性。由此，ALM可以例如基于板结构件的数字模型来堆积和构建表面构件其自身以及加强构件，该加强构件以一体或整体构造的形式固定在表面构件的至少一面或侧上并在表面构件的至少一面或者侧的整个表面上延伸。在可替换的实施方式中，板结构件加强构件可以堆积和构建在，且附接于，预成形表面构件上。生产板结构件的方法不需要必须使用ALM技术，并且可以包括其它制造步骤，例如，乳制、铸造、铆接、焊接以及用于通过粘结和/或紧固而结合的复合材料(例如，纤维增强聚合物FRP复合材料)的技术。
[0021]根据另一个方面，本发明提供了一种交通工具，例如航空器或航天器，其具有至少一个根据上述实施方式中的任一种的板结构件，并且优选地具有多个根据上述实施方式中的任一种的板结构件。
【附图说明】
[0022]为了更加完全的理解本发明和其优点，本发明示例性的实施方式在下文中结合附图进行了更详细的说明，其中类似附图标记指示类似的部件，其中:
[0023]图1图示了飞机的(a)平面图，(b)前视图，和(C)侧视图，其示出了用于本发明板结构件的合适区域(暗或阴影)；即现代载人航空器机身或表皮的超过90%包括纵梁加强板；
[0024]图2图示了典型地带有机架和纵梁的航空器机身设计的实施例；
[0025]图3为带有典型纵梁样式的矩形纵梁加强板结构件的实施例；
[0026]图4图示了在机翼中的带有平行纵梁的锥形板结构件的实施例；
[0027]图5图示了圆形和球形曲线加强板结构件的实施例，其用于机身内的耐压舱壁；