加固结构、机翼结构以及用于制造加固结构的方法
【专利摘要】提供加固结构、机翼结构以及用于制造加固结构的方法。根据示例性实施例，加固结构包括第一纵梁、第二纵梁以及从第一纵梁延伸到第二纵梁并且与第一纵梁和第二纵梁一体的第一翼肋。第一纵梁具有第一壁、第二壁以及连接第一壁和第二壁的连接壁。第一壁、第二壁以及连接壁形成具有梯形形状的空间。
【专利说明】
加固结构、机翼结构以及用于制造加固结构的方法
技术领域
[0001]技术领域一般涉及加固结构、机翼结构以及用于制造加固结构的方法，尤其涉及由复合材料制成的一体化的加固结构和机翼结构以及用于制造这种加固结构的方法。
【背景技术】
[0002]用于加固扁平的长面板的加固结构通常使用固定到面板为面板提供刚性和支撑的梯型(ladder-type)构造。这种加固结构的应用包括机身、小翼以及在商用和军用飞行器工业中使用的其它翼状部件。图1示出固定到机翼壁板16的典型的梯型结构10。第一翼梁12和第二翼梁14从基端20到梢端22沿着机翼壁板16的长度延伸。第三翼梁18位于第一翼梁12和第二翼梁14之间，并且从基端20沿着第一翼梁12和第二翼梁14的一部分延伸。多个翼肋24将第一翼梁12连接到第三翼梁18，并且将第三翼梁连接到第二翼梁14。翼梁和翼肋典型地是I型梁或C型梁构造。因此，为了进一步加固结构10，在翼肋的区域内将芯材26嵌入到机翼壁板中。芯材典型地由蜂窝树脂材料制成。
[0003]当这些梯型构造加固和加强诸如机身或机翼类型结构的长结构时，它们显示出几个缺点。梯型构造的构件，如翼肋和翼梁，典型地使用紧固装置，如螺钉、螺栓或螺母，来相互连接。因此，使用这种紧固机构制造梯型构造是相当费时和昂贵的。另外，这些构件和紧固装置通常由金属制成，这增加了加固结构的重量。此外，这种梯型构造只提供有限的加固支撑，因此需要该加固结构使用额外的加固机构，如芯材26。
[0004]因此，希望提供由刚性且重量轻的复合材料制成的加固结构。另外，希望提供制造的时间和成本有效的加固结构。还希望提供用于制造这种加固结构的方法。此外，本发明的其它有益特征和特点将从以下结合附图和本发明的背景对本发明的详细描述以及所附的权利要求而变得明显。
【发明内容】
[0005]提供加固结构、机翼结构以及用于制造加固结构的方法。根据示例性实施例，加固结构包括第一纵梁、第二纵梁以及从第一纵梁延伸到第二纵梁并且与第一纵梁和第二纵梁一体的第一翼肋。第一纵梁具有第一壁、第二壁以及连接第一壁和第二壁的连接壁。第一壁、第二壁以及连接壁形成具有梯形形状的空间。
[0006]根据另一个实施例，机翼结构包括具有第一端和纵轴的第一翼板以及固定装配到第一翼板的加固结构。该加固结构包括分别从第一端沿着第一翼板的纵轴延伸的第一翼梁和第二翼梁。第一翼梁和第二翼梁分别具有一长度。第三翼梁位于第一翼梁和第二翼梁之间，并且沿着第一翼梁和/或第二翼梁的长度的至少一部分延伸。第一翼肋从第一翼梁延伸到第三翼梁并且与第一翼梁和第三翼梁一体。第二翼肋从第三翼梁延伸到第二翼梁并且与第三翼梁和第二翼梁一体。
[0007]根据进一步的实施例，用于制造加固结构的方法包括:将柔性且可悬垂的(flexible and drapable)复合材料放入模具的腔内；将该模具置于袋中；在袋中产生真空；将柔性且可悬垂的复合材料固化，以在模具内形成加固结构；以及从模具取出加固结构。该加固结构包括第一纵梁和第二纵梁。第一翼肋从第一纵梁延伸到第二纵梁并且与第一纵梁和第二纵梁一体。第二翼肋从第一纵梁延伸到第二纵梁并且与第一纵梁和第二纵梁一体。第一纵梁和第二纵梁分别具有第一壁、第二壁以及连接第一壁和第二壁的连接壁。第一壁、第二壁以及连接壁形成具有梯形形状的空间。
【附图说明】
[0008]下面结合附图描述各个实施例，其中相同的标号表示相同的元件，其中:
[0009]图1是典型地用于翼型结构的传统梯型构造的立体图；
[0010]图2是根据示例性实施例的装配到壁板的加固结构；
[0011]图3是图2的加固结构的沿线3-3的剖视图。
[0012]图4是根据示例性实施例的机翼结构；
[0013]图5是根据示例性实施例的图4的加固结构的翼梁的剖视图；以及
[0014]图6是根据示例性实施例的形成加固结构的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0015]以下详细描述本质上是示例性的，不意图限制本发明或者本发明的应用和使用。此外，也不意图受【背景技术】或者以下详细描述中给出的任何理论的束缚。
[0016]在此提供加固结构、机翼结构以及用于制造加固结构的方法的各种示例性实施例。该加固结构包括一体化的纵梁和翼肋并且由单个模具制成。因此，该结构的制造在时间和成本上都是有效的。该结构的梁和翼肋配置有两个壁，这与传统的梯型构造的单壁支撑相比，提供可承受更大载荷的支撑。另外，该加固结构由复合材料制成，这使该结构比包含金属的传统梯型构造更轻。
[0017]参考图2，根据示例性实施例的加固结构50固定到面板52。面板52可以是需要加固或者需要额外支撑以承受载荷的任何面板。例如，面板52可以用于航天或航空工业中的飞行器机身、飞行器水平尾翼等的面板。可以使用任何适当的紧固机构，例如，粘合剂、螺栓、钉子、夹子等，将加固结构50固定到面板52。
[0018]加固结构50包括多个纵梁53，纵梁53包括从面板52的第一端60延伸到第二端62的纵梁54和纵梁56 ο在示例性实施例中，纵梁53基本相互平行，而在其他实施例中纵梁可以相互交叉。在实施例中，纵梁64位于纵梁54和纵梁56之间。纵梁54、纵梁56和纵梁64的长度可以彼此独立。它们的长度和它们彼此的相对位置取决于整体结构的应用和配置，例如，飞行器的机身。在一个实施例中，如图2中所示，纵梁53是曲线的。在未示出的另一个实施例中，纵梁是直线的。尽管图2特别示出了纵梁54、64和56，但是应当理解，加固结构50可以包括两个或更多个纵梁，纵梁的数量取决于使用该加固结构的整体应用。
[0019]加固结构50还包含多个翼肋66。在不例性实施例中，翼肋66基本垂直于纵梁53，但是在可选实施例中，翼肋也可以与纵梁成一角度。每个翼肋66从一个纵梁53延伸到相邻的纵梁，例如，从纵梁54延伸到纵梁64，或者从纵梁64延伸到纵梁56。翼肋66与纵梁53在翼肋和纵梁的交叉处是一体的。这样，该加固结构在翼肋和纵梁之间没有缝隙，这种缝隙是整体结构的薄弱区域。翼肋的数量和翼肋的间隔根据整体结构的应用和配置而彼此不同。在一个实施例中，如图2中所示翼肋是曲线的。在未示出的另一个实施例中，翼肋是直线的。
[0020]图3是沿着图2的线3-3的加固结构50的剖视图。如图3中所示，纵梁54、纵梁56和纵梁64是双壁的，也就是说，纵梁具有第一壁68和第二壁70，第一壁68和第二壁70通过相对平行于面板52的连接壁72相连。这样，壁68、70和72形成具有梯形形状的空间78。与第一壁68和第二壁70—体的底脚76装配到面板52。如上所述，使用任何适当的紧固机构，例如，粘合剂、螺栓、钉子、夹子等，将底脚76固定到面板52。尽管没有示出，本文讨论的翼肋66也具有壁68、70和72，它们形成具有梯形形状的空间。利用梯形横截面结构，翼肋66和纵梁53是具有壁68和70的双壁的，因此，与如图1中所示的传统梯型构造的单壁的翼肋和纵梁相比，加固结构50具有更大的强度。这样，在传统的梯型构造中典型地使用的额外加强机构，例如，图1的嵌入芯材26，在本文讨论的加固结构50中是不必要的。该梯形的尺寸，S卩，翼肋66和纵梁53的空间78的高度、长度、顶部宽度和底部宽度取决于整体结构的应用和配置。在一个实施例中，在面板52测得的定义空间78的底部宽度或者壁68和70之间距离的“跨度(bayarea)”74足够宽，使得加固结构50在制造期间容易从模具取出，下面将更详细地讨论。纵梁53和翼肋66的数量、跨度74以及纵梁和翼肋的间隔取决于使用该加固结构的整体应用的应用。
[0021 ]图4示出根据另一个示例性实施例的加固结构100。在该实施例中，加固结构100固定到壁板102，壁板102可以是在航天或航空工业中使用的壁板，用于形成翼结构101，如机翼、小翼、副翼等。加固结构100包括翼梁104和翼梁106，它们一般沿着壁板102的纵轴108从壁板102的第一端110延伸到第二端112。翼梁114位于翼梁104和翼梁106之间。翼梁114从壁板的第一端110沿着纵轴108延伸，并且终止于沿着翼梁104和/或翼梁106的长度的一部分在壁板的第一端110和第二端112之间的一点。尽管图4中示出在壁板102的长度上延伸的两个翼梁104和106，但是应当理解，加固结构100不局限于此，并且可以具有多于两个的从壁板的第一端110延伸到第二端112的这种翼梁。类似地，尽管图4中只示出一个位于翼梁104和翼梁106之间的翼梁114，但是加固结构100不仅限于此，并且翼梁104和翼梁106之间可以具有多于一个的翼梁114。翼梁104、翼梁106和翼梁114的长度以及它们彼此的相对位置取决于整体结构的应用和配置，例如，作为主翼或者作为小翼。
[0022]加固结构100还包含从翼梁104延伸到翼梁114的翼肋116。在示例性实施例中，翼肋116还从翼梁114延伸到翼梁106。翼肋116与翼梁是一体的。这样，加固结构100在翼肋和翼梁之间没有缝隙，这种缝隙是整体结构的薄弱区域。在示例性实施例中，加固结构100具有三个翼肋116，这三个翼肋彼此间隔开并且在翼梁104和翼梁114之间以及翼梁114和翼梁106之间延伸。翼肋彼此之间的间隔取决于整体加固结构的应用和配置。尽管图4中示出位于翼梁104和翼梁114之间以及翼梁114和翼梁106之间的三个翼肋，但是应当理解，该加固结构不仅限于此，并且在翼梁104和翼梁114之间可以具有一个、两个或者多于三个的翼肋。类似地，该加固结构在翼梁114和翼梁106之间可以具有一个、两个或者多于三个的翼肋。
[0023]在示例性实施例中，如图5所示，机翼结构101的加固结构100连接到壁板102和壁板118。更具体来说，加固结构100的连接壁72装配到壁板118，底脚76装配到壁板102。使用任何适当的紧固机构，例如，粘合剂、螺栓、钉子、夹子等或者它们的组合，将加固结构100固定到壁板。这样，加固结构100直接为壁板102和壁板118 二者提供加固的并且承受载荷的支撑。
[0024]如下文更详细讨论的，该加固结构由柔性且可悬垂的复合材料形成，这种材料可以在工艺模具的裂隙内和边缘上悬垂，经过固化，提供适合于所需应用的强度和硬度性能。在示例性实施例中，该加固结构由碳纤维增强塑料(CFRP)形成。这种CFRP材料可以是编织物、纺织物、单向带、片状成型料或者片状成型料的形式。在一个实施例中，该材料是CFRP三轴编织物。例如，该材料是可从美国俄亥俄州辛辛那提市的A&P科技公司获得的QIS0?三轴编织物。
[0025]图6示出根据示例性实施例的制造加固结构的方法200。使用用于制造最终产品的加固结构相同的尺寸来制备主加固结构工具，最终产品例如是小翼、主翼或者需要加固和/或承受载荷的支撑的任何其他结构(步骤202)。由于加固结构的模具将由主加固结构工具制备，所以主加固结构工具由能够承受用于制备模具的材料固化的任何合适的材料制成。在一个实施例中，主加固结构工具由硬泡沫形成。
[0026]在形成主加固结构工具之后，用主加固结构工具制备加固结构的阴模(步骤204)。在示例性实施例中，该模具由与形成所需加固结构的材料相同的材料形成。在另一个示例性实施例中，该模具由热膨胀系数类似于用来制备所需加固结构的材料的热膨胀系数的材料制成。这样，在加固结构固化时该模具和所需加固结构之间的尺寸变化将会最小或者不存在，使得可以相对容易地并且对加固结构没有损伤地从该模具取出加固结构。在另一个实施例中，该模具由能够经受所需加固结构的材料固化的任何合适的材料制成。例如，该模具可以由金属或硬泡沫形成。
[0027]接下来，将用于形成所需加固结构的材料置于模具腔中(步骤206)。如上所述，该加固结构可以由能够铺设在模具的裂隙内和边缘上的柔性且可悬垂的复合材料制成。在示例性实施例中，该加固结构由CFRP形成。在另一个实施例中，该加固结构由CFRP三轴编织物形成。该材料被铺设并悬垂于模具中，以完全覆盖模具的壁并与模具特征相符。横跨翼肋和翼梁的交叉区域铺设该材料，使得最终的加固结构形成一体的翼梁和翼肋。可以利用材料的剪接来完成对模具的均匀覆盖。
[0028]在示例性实施例中，将该模具置于气密的袋内，在该袋中产生真空(步骤208)，然后将材料固化(步骤210)。固化工艺取决于为该加固结构选择的材料的类型。在示例性实施例中，利用高压釜以该材料决定的温度将该材料固化。例如，对于由QIS O ?M IM - A -16.2 5 /E752三轴编织物制成的加固结构，该模具和材料经历大约350°F的固化温度。在另一个实施例中，利用室温固化通过后固化将该材料固化。其他固化工艺也是可行的。在固化之后，将该加固结构从模具取出(步骤212)。然后可以检查和修剪该加固结构，并且任选地可以将其结合或附着到一个或多个壁板(步骤214)。
[0029]因此，在本文中提供了加固结构、机翼结构和用于制造加固结构的方法的各种示例性实施例。该加固结构包括由单一模具制成的一体化的翼肋和翼梁。这样，该结构的制造在时间和成本两方面是有效的。该结构的梁和翼肋配置有两个壁，这与传统的梯型构造的单壁支撑相比，提供可承受更大载荷的支撑。另外，该加固结构由复合材料制成，这使得该结构与包含金属的传统梯型构造相比更轻。
[0030]尽管在前文对本发明的详细描述中给出了至少一个示例性实施例，但是应当理解存在大量的变体。还应当理解，这种示例性实施例仅是例子，并且不意图以任何方式限制本发明的范围、应用性或者配置。更准确地说，以上详细描述为本领域的技术人员提供了用于实现本发明示例性实施例的方便的路线图。应当理解，在不偏离所附权利要求中给出的本发明的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和结构进行各种变化。
【主权项】
1.一种加固结构，其特征在于，包括: 第一纵梁和第二纵梁； 第一翼肋，其从所述第一纵梁延伸到所述第二纵梁，并且与所述第一纵梁和所述第二纵梁一体； 其中所述第一纵梁具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。2.根据权利要求1所述的加固结构，其中所述第二纵梁具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。3.根据权利要求1所述的加固结构，其中所述第一翼肋具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。4.根据权利要求1所述的加固结构，其中所述加固结构包括碳纤维增强塑料。5.根据权利要求1所述的加固结构，其中所述第一纵梁和所述第二纵梁是曲线的。6.根据权利要求1所述的加固结构，还包括装配到所述第一纵梁和所述第二纵梁的面板。7.一种机翼结构，其特征在于，包括: 第一翼板，其具有第一端和纵轴；以及 加固结构，其固定装配到所述第一翼板，并且包括: 第一翼梁和第二翼梁，它们分别从所述第一端沿着所述第一翼板的纵轴延伸，所述第一翼梁和所述第二翼梁分别具有一长度； 第三翼梁，其位于所述第一翼梁和所述第二翼梁之间，并且沿着所述第一翼梁和/或所述第二翼梁的长度的至少一部分延伸； 第一翼肋，其从所述第一翼梁延伸到所述第三翼梁，并且与所述第一翼梁和所述第三翼梁一体；以及 第二翼肋，其从所述第三翼梁延伸到所述第二翼梁，并且与所述第三翼梁和所述第二翼梁一体。8.根据权利要求7所述的机翼结构，其中所述第一翼梁和所述第二翼梁分别具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。9.根据权利要求7所述的机翼结构，其中所述第三翼梁具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。10.根据权利要求7所述的机翼结构，其中所述第一翼肋和所述第二翼肋分别具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。11.根据权利要求7所述的机翼结构，其中所述加固结构包括碳纤维增强塑料。12.根据权利要求7所述的机翼结构，其中所述机翼结构是主翼、小翼或水平尾翼。13.—种用于制造加固结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 将柔性且可悬垂的复合材料放入模具的腔内； 将所述模具置于袋中； 在所述袋中产生真空； 将所述柔性且可悬垂的复合材料固化，以在所述模具内形成所述加固结构；以及 从所述模具取出所述加固结构，所述加固结构包括: 第一纵梁和第二纵梁； 第一翼肋，其从所述第一纵梁延伸到所述第二纵梁，并且与所述第一纵梁和所述第二纵梁一体；以及 第二翼肋，其从所述第一纵梁延伸到所述第二纵梁，并且与所述第一纵梁和所述第二纵梁一体； 其中所述第一纵梁和所述第二纵梁分别具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁，并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间。14.根据权利要求13所述的方法，其中取出所述加固结构包括取出其中所述第一翼肋和所述第二翼肋分别具有第一壁、第二壁以及连接所述第一壁和所述第二壁的连接壁并且其中所述第一壁、所述第二壁以及所述连接壁形成具有梯形形状的空间的所述加固结构。15.根据权利要求13所述的方法，其中放入包括放入碳纤维增强塑料(CFRP)。16.根据权利要求15所述的方法，其中放入包括放入碳纤维增强塑料的三轴编织物。17.根据权利要求13所述的方法，还包括，在放入之前，制备所述模具，使得所述第一纵梁和所述第二纵梁形成为曲线的。18.根据权利要求13所述的方法，其中放入包括放入由所述柔性且可悬垂的复合材料制成的所述模具中。19.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述加固结构装配到壁板。
【文档编号】B64C3/18GK106043667SQ201610232345
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月14日 公开号201610232345.9, CN 106043667 A, CN 106043667A, CN 201610232345, CN-A-106043667, CN106043667 A, CN106043667A, CN201610232345, CN201610232345.9
【发明人】B·奥特里, B·威廉森, 特拉维斯·柯普, 苏珊·达格特, J·麦圭尔, 迈克尔·麦基, C·艾特肯
【申请人】湾流航空航天公司