分形加强件的制作方法

本公开总体涉及分形加强件。更具体地，本公开涉及等网格和正交网格结构支撑系统的分形加强件，在此被称为分形网格。

背景技术：

具有非常高的强度重量比的多种结构已经被研发出，用于具体应用，诸如飞行器和航空航天使用。这些结构中的一些通常由金属(诸如铝和钛)制作，并且非常依靠重量效率配置来获得期望的强度、刚度等。一种被称为等网格的熟知配置具有通常与蒙皮(或隔膜)材料一体并且以等边三角形的重复图案布置的直立肋，该等边三角形沿共用侧并且在等网格配置中的三角形的角处接触其它等边三角形。三角形的角接触的加强件的交叉点通常被称为节点，并且经常被用作次要结构的附接点。等网格配置和类似的加强件配置(诸如正交网格配置)是整体网格加强面板所采用的最常见设计。这种网格加强结构支撑件能够用于制作各种运载工具零件，例如，燃料箱和承载航空航天面板。标准的等网格、正交网格和其它网格加强面板应用通常被设计以防止局部屈曲和总体屈曲。

局部屈曲能够表现为加强件的受损和蒙皮的袋区屈曲(pocket buckling)，而总体屈曲通常特点为结构的总体、大规模塌陷。为防止局部屈曲，网格加强结构的重量优化趋于使面板设计朝向小袋区尺寸(加强件间距紧密)和更小的加强件偏置，而总体屈曲使面板朝向更大的袋区尺寸和更大、更有效的加强件偏置。因此，局部屈曲和总体屈曲关于面板大小不相称，并且典型的网格加强面板在防止局部和总体破坏之间折衷。

为了提高航空航天结构的性能，需要改善的等网格和正交网格结构，这些结构使用超过当前设计的强度重量比防止屈曲。特别地，因为等网格结构理想地适于航天器、运载工具和飞行器，所以由本发明提供的显著的重量节省允许更多的有效载荷被传送进入轨道或者改进的燃料效率。下面参考附图描述这些和其它优点。

技术实现要素：

分形加强的支撑结构或分形网格能够通过包括一个或多个次要加强结构(分形网格)的主要加强结构而被制作。一种设计和制作分形加强结构的优选方法包含：首先基于材料性质、设计需求和制造限制确定面板大小，然后将第一组腹板形成到结构的第一侧上，其中第一组腹板包含从第一侧正交延伸以限定远离结构的第一高度的第一线性肋。第一组腹板在与先前确定或预定的节点位置一致的位置处彼此成一体，使得第一组腹板和节点限定第一袋区区域。在第一组腹板的制作期间，第二组(或多组)腹板能够同时被构造在第一袋区区域内。

第二组腹板中的每个腹板包含从结构的第一侧正交延伸以限定远离结构的第二高度的第二线性肋，其中第二高度小于第一组腹板的第一高度。第二组腹板彼此连接并且与第一组腹板连接以限定第二袋区区域。这种制作方法导致结构支撑面板包含具有内表面和外表面的蒙皮板材。加强结构通常在两个表面中的一个上，但是也可能在两个表面上都具有加强结构。内表面上的第一组肋具有第一组腹板的统一重复的第一图案，其中第一组腹板包含从蒙皮的内表面正交延伸到远离内表面的第一高度的第一线性肋，其中第一组腹板在与被选择处于预定方位的节点一致的位置处彼此连接并且成一体，并且其中第一组腹板限定内表面上的第一袋区区域。

在第一袋区区域内，还存在第二组腹板的统一重复的第二图案，其中第二组腹板包含从内表面正交延伸以限定远离内表面的第二高度的第二线性肋，其中第二高度小于第一高度，并且其中第二组腹板彼此连接以限定第二袋区区域。第二组腹板的第二线性肋具有连结第一组腹板的第一线性肋的纵轴线，使得纵轴线在与第一组腹板的交叉点处垂直于第一线性肋。第二线性肋通常平分第一线性肋，但是能够实施由多于一个第二线性肋对第一线性肋的分割。

已经讨论的特征、功能和优点能够在各种示例实施方式中独立地实现或者在其它示例实施方式中被组合，其进一步的细节能够参考下面的描述和附图了解。

附图说明

根据下面呈现的更详细的描述和附图，本公开将被更完全地理解，其中附图仅以图示说明的方式被呈示，并且因此不限制本公开，并且其中：

图1是已知的等网格结构支撑件的一部分的透视图的图示表示；

图2是根据本公开的具有分形加强件的次要结构的一种可能的分形网格支撑结构的一部分的透视图的图示表示；

图3是根据本公开的具有分形加强件的两个次要结构的另一种可能的分形网格支撑件的一部分的透视图的图示表示；

图4和图5每个均是基于正交网格平台示出附加可能的分形网格结构的部分的图示表示；

图6是根据本公开的结构面板重量与已知的等网格结构和分形网格结构两者的袋区尺寸的关系的图形表示；以及

图7是包含本公开的分形网格结构的可能的燃料箱设计的横截面的图形表示；以及

图8和图9是用于主要肋结构和次要肋结构的两种可能的横截面形状的图形表示。

在所有附图中相应的部分使用相同的附图标记。

具体实施方式

下面将参考附图更充分地描述公开的实施例，其中示出公开的实施例中的一些而非所有。事实上，多个不同的实施例可以被提供并且不应该被解释为限制本公开所阐述的实施例。

在典型的航空航天运载工具或系统中，总质量的很大一部分是承载结构。本公开的等网格和正交网格结构支撑件提供两个优点，一个是在不损害能力的情况下重量更轻，另一个是在没有显著重量损失的情况下更大的加强件方位的更大的可调整性。由于载荷变化，在没有显著重量增加的情况下修改节点方位的能力可减小潜在的重量增加，以及提高优化节点方位的能力，从而减小来自次要结构的重量，而不是要求次要结构适应由主要结构指定的附件。换言之，如下所述，一个、两个或更多个次要加强结构的使用允许节点(主要节点)以预定的方式被定位，使得这些节点将作为附接点被最佳地利用，以支撑和/或锚定一个或多个次要硬件和结构。

本公开的一种可能的分形网格结构设计包含具有一个或多个附加次要等网格加强件结构的主要等网格加强结构。随后的结构内一组腹板(加强件)限定的袋区区域的尺寸减少一半。分形网格设计的主要益处是重量减少。附加加强结构防止蒙皮的局部屈曲，并且因而允许蒙皮厚度降低(这是重量减少的主要缘由)。(多个)次要结构中的附加加强件、倒角(fillet)和圆形物部分地使一些重量节省无效，但总体来说，分形网格设计基于初步估计提供超过11％的重量节省。次要加强结构也能够提供防止总体屈曲的益处。理论上，次要加强件结构能够被重复无数次，但是与附加圆形物和倒角相关联的增加的质量对质量节省产生限制，并且对于特定应用，一个至多个次要加强件结构将开始使质量节省反转。本公开的分形网格结构的第二个益处是设计是可定制的并且对具体大小不敏感。因此，在没有与修改主要等网格大小相关联的重量损失的情况下，允许基于次要硬件附件或制造限制预定期望的网格间距。标准的等网格设计的重量对节点间距(即袋区尺寸)非常敏感，并且节点间距的变化能够导致显著的重量增加。此外，由于重量对节点间距敏感，所以性能和质量要求经常指定节点间距。然后，次要硬件被迫适应选择的节点间距，而不是选择对次要附件可能更有益的节点间距。例如，如果标准的等网格配置具有优化的5”的节点间距，但是大多数附接硬件将需要大于12”的节点间距，则附接硬件将可能更重且更复杂(要求更多设计时间和成本)。可替换地，如果标准的等网格被修改为对附接硬件更有益，则由于性能和质量要求，等网格本身相关联的质量增加可以不被接受。

如果本公开的分形网格配置的主要节点间距被改变，则(多个)次要加强件结构和蒙皮能够被重新优化以减小任何潜在的重量增加。这种可调节性使本公开的分形网格的重量对主要节点间距的变化更不敏感。因而，分形网格节点间距能够基于次要附件因素诸如次要硬件的尺寸、次要硬件质量、现有附件硬件的再使用、次要载荷的减少、分形网格和次要结构的最低组合质量或其组合而被选择。虽然主要节点方位提供最强的附接点，但是分形网格的次要节点方位也可以被使用，次要节点方位能够导致标准的等网格上更高密度的附接点。

本公开的分形网格提供独特的加强概念，即分形网格为压缩或屈曲临界应用提供重量更轻的结构，并且也能够用于多种其它载荷条件，例如，网格加强面板用于多种航空航天应用和对重量或材料成本敏感的商业应用，诸如燃料箱构造。图7呈现在燃料箱80的内侧圆柱部分82上包含分形网格面板81的这种燃料箱80的一种可能的配置。分形网格面板81由与燃料箱表面85配合的配合环83和84支撑。

本公开提供设计和制造分形网格支撑结构的方法，优选地该分形网格支撑结构在常规等网格设计之后被建模，但是该分形网格支撑结构与已知结构不同并且对其改进，因为该分形网格支撑结构具有被包括在等网格主要腹板结构内的一个或多个次要加强网格结构。在一个实施例中，该制造方法导致在所有方向上具有测量的相等性质的等向性结构。这可以通过制作形成用于主要结构和次要分形网格结构两者的等边三角形腹板的腹板组(加强件)而被完成。

本公开的分形网格支撑结构能够由材料(例如，金属，诸如铝)的单一板材或板机械加工或使用复合层压板制作。在一些情况下，根据面板表面(有时被称为蒙皮或隔膜或壁)的期望厚度，化学铣削可以用于金属材料。分形网格能够使用与用于制作标准的等网格设计相同的制造技术来制作。对于典型的计算机数字控制(CNC)机床，本公开的分形网格能够通过不调节制造硬件而仅要求重新编程来制作。

图1示出已知的等网格设计10的较大的面板的一部分，该等网格设计10具有以大致圆形的节点1连结在一起的一组腹板2。每个腹板是从支撑结构10的面板3的一侧正交地延伸(出页面)一定高度或距离H1的线性肋4的形式。在图1的等网格设计中，节点1形成等边三角形的顶点，并且节点和腹板的组合限定袋区区域8(即，重复的等边三角形中的每一个的内部)。线性肋4优选地与面板3成一体，其中倒角9连结肋4和面板3。

图2图示说明本公开的一种可能的分形网格结构20的第一实施例的较大的面板的一部分，其中次要分形网格结构21、22、27被定位在主要分形网格结构支撑结构1’、2’、4’的袋区区域8’内。第一腹板组2’与节点1’结合形成主要分形网格结构的第一袋区区域8’。第二组腹板27在第一袋区区域8’内，其中第二组腹板27中的每个腹板被形成为从结构的面板3”的一侧正交地延伸(出页面)一定高度(或距离)H2的线性肋22。距离H2小于距离H1，并且通常H2大约是H1的10-50％。不论单独地考虑重量因素还是其它因素(诸如次要附件)，影响H2和H1之间的关系的因素包括材料性质、制造限制、蒙皮厚度和节点间距。次要分形网格结构的线性肋22被连结在一起以形成平分的圆形物21，该线性肋22优选地与主要分形网格结构的线性肋4’成一体。线性肋22均具有纵轴线25，纵轴线25优选地平分线性肋4’以产生由第二组腹板27组成的等边三角形。线性肋22的连结限定第一袋区区域8’内的第二袋区区域31。

当固体基质、金属、复合材料等类似材料被用作原材料并且经历例如机械铣削工艺以制作本公开的分形网格时，除了平分的圆形物21之外，倒角23、28和圆形物30能够被形成。倒角提供加强件和蒙皮之间的光滑过渡，这可以优于尖角，尖角能够引起高局部应力并且激励裂纹扩展。主要加强件和次要加强件之间的倒角也可以减小应力并且减少裂纹扩展问题，但是在一些或所有节点中倒角可以被增加以为次要硬件附件(诸如插入孔或螺栓孔)提供充足的材料。更小的加强件对加强件倒角能够实现附加重量节省，但是会要求使用CNC机械加工工艺的更小的刀具，这可能要求更多的机械加工时间。一个可能的设计和制造工艺通过预定节点1’的方位开始，同时要考虑在本公开的分形网格结构被制作之后在节点1’的方位添加次要硬件的可能性。预定节点方位的一种方法是通过使用有限元分析或一组全面的封闭式解决方案以及次要附件考虑以确定节点方位和原材料选择。蒙皮对肋倒角的尺寸将主要基于制造和应力考虑，然而肋对肋倒角基于附件方位和制造考虑而被选择。具有附件的节点能够以较大的倒角被机械加工，而没有附件的节点能够基于刀具尺寸以较小的倒角被机械加工，刀具通过平衡机械加工时间和附加重量节省而被选择。下一步，优选地涉及使用计算机控制的铣床，铣床被配置为同时形成第一组腹板2’和第二组腹板27两者以及面板或蒙皮3’。

多个次要分形网格结构(例如，具有H2或更低的高度)能够用于形成本公开的完整的分形网格结构，其中增加的每个次要分形网格结构进一步降低蒙皮的局部屈曲的可能性并且因而允许蒙皮厚度降低。每个次要分形网格结构通常比例因子为2，其限定每个随后的次要分形网格结构的袋区尺寸的减小。当使用两个次要分形网络结构时，估计大约11％的重量节省是可能的。然而，这种节省能够改变，因为其取决于设计载荷、预定材料和制造限制。这在图6中被图示说明，在图6中，面板重量与相比于本公开的分形网格的已知的等网格结构的袋区区域尺寸相关。如图表中所见，标准的等网格对重量敏感，并且在较小的节点间距范围内重量有效。本公开的具有一个和两个次要结构的两种分形网格配置对节点间距不敏感，因为次要加强件能够随着主要节点间距变化而被调节和重新优化。单一次要加强件结构在与标准的等网格相同的节点间距处更重量有效，并且在较大的节点间距处能够更重量有效。在具有两个次要加强件结构的情况下，为获得更多的重量节省，主要节点间距需要显著增加。

通过使用分形加强的网格设计，重量节省通过使加强件(腹板)结构分为主要网格结构和一个或多个次要分形网格结构实现。主要网格结构及其对应的袋区尺寸能够被选择以防止总体屈曲并且仅有最小的局部屈曲问题。次要分形网格结构被选择以防止局部屈曲并且为总体屈曲提供一些益处。结果是具有(多个)低质量次要加强件(腹板)结构和薄蒙皮或面板厚度的改进的主要加强件(腹板)结构。这种方法优于具有单一加强件配置的等网格设计，等网格设计不得不损害加强件效率和蒙皮厚度以防止总体屈曲和局部屈曲。设计一体式网格加强的分形网格结构将总体和局部屈曲现象与目标加强结构分离，并且允许分形网格加强件结构获得更高的加强件效率和更高的蒙皮效率。蒙皮效率随着较小的袋区而增加，而加强件效率随着大袋区和更大的加强件而增加。优点包括重量节省、降低的对主要加强件间距的敏感性、等向性行为和自相似的可扩展性。使用自相似性意味着一个或多个次要分形网格结构中的次要袋区是主要网格结构中的主要袋区的较小的样式，并且附加次要分形网格结构可以被添加，同时通过以整数值(例如，如果袋区尺寸被增至二倍，则整数值为2，如果袋区尺寸被增至三倍，则整数值为3)增加主要网格结构中的节点间距来保持主要和次要结构中的节点的数量和节点方位不改变。可替换地，次要结构能够以被添加到现有主要和次要网格结构，同时增加主要和次要网格结构中的节点的数量，但是未改变主要和次要网格结构中的现有节点方位。

图3图示说明本发明的分形网格结构的较大的面板的一部分并且还图示说明自相似性的概念以及第二次要分形网格结构的使用以形成本公开的另一种可能的分形网格结构40。次要分形网格包含第三组腹板(加强件)41，第三组腹板41包含在圆形物48和47处连结在一起的线性肋46。圆形物48将两个线性肋46连结接到第一次要分形网格结构中的一个线性肋22。每个线性肋46具有纵轴线42。在一个实施例中，圆形物48的方位与轴线42和线性肋22的对等分点一致。圆形物47将线性肋46与主要腹板结构的线性肋4’连结。第三组腹板41限定第三袋区部分45，第三袋区部分45在图3图示说明的实施例中形状被设计为等边三角形。通常，由每个随后的次要分形网格结构中的袋区区域限定的侧面的长度被减小，例如，减小一半多，但是该减小能够是任意整数值。第二组腹板41的线性肋46从结构的面板3’的一侧正交延伸(出页面)距离H3。H3小于H1和H2两者，并且H3能够是H2的25％-50％。H2或H3能够在H1的10％和50％之间。不论单独地考虑重量因素还是其它因素，H1、H2和H3受材料性质、制造限制、蒙皮厚度和节点间距的影响。线性肋46的高度大约在蒙皮板材的厚度的2倍到4倍之间。

图8和图9中以放大方式图形化表示加强件横截面49。图8图示说明如图2中呈现的主要肋2’和次要肋22的横截面形状49，即矩形横截面。图9呈现肋横截面的多种可能的形状中的一种，即T形横截面49’。当然，主要肋2’可以具有不同于次要肋22的横截面形状是可能的。被选择用于主要和次要结构两者的横截面形状能够不仅基于设计强度准则，还要便于制造。

具有矩形横截面49的加强件由它们的高度和它们的高宽比(即，高度与厚度的比)限定。通常，可接受的重量有效的主要加强件具有这样的高宽比，该高宽比避免局部破坏现象(诸如，断裂)，并且在制造限制内，诸如在机械加工之后弯曲或成形面板。对于相同的原因，次要加强件通常具有高达实用的高宽比，但是可以较小以降低附加倒角量，倒角量在制造之前由设计工艺确定。应当理解，肋不被限定具有矩形横截面。替代横截面包括T形截面、梯形部分、可变厚度等，还有矩形横截面的可行替换例，其能够用于分形网格配置并且仍实现超过可比较的标准的等网格配置的重量节省。

本公开的分形网格能够被准备作为“封闭”结构或作为“开放”结构，在“封闭”结构中网格与蒙皮或面板板材3’成一体，在“开放”结构中省略蒙皮。其它类型的分形网格设计是可能的，诸如图4和图5中图示说明的那些，图4和图5仅示出分形网格结构的较大的面板的一部分。图4示出具有主要正交网格结构和一个正交网格次要结构的分形网格50。图5图示说明一种可能的分形网格60，其具有主要正交网格结构和等网格次要结构。在一些应用中，正交网格主要加强结构可以比等网格主要加强件结构(例如，加压结构)提供更多的重量节省。可替换地，等网格主要加强结构可以不如正交网格有优势，其中对于制造考虑或次要结构附件，直线形加强件配置是期望的。主要正交网格加强结构具有与主要等网格加强结构相同的基本功能，并且能够被优化用于总体屈曲。次要加强结构可以是等网格或正交网格的，并且能够被优化用于局部屈曲。图4示出具有次要和第三正交网格加强结构的主要正交网格加强结构，其中主要正交网格加强结构防止总体屈曲，次要和第三正交网格加强结构防止局部屈曲。图5示出具有次要等网格加强结构的主要正交网格加强结构，其中主要正交网格加强结构防止总体屈曲，次要等网格加强结构防止局部屈曲。

进一步地，本公开包含根据如下条款的实施例：

条款1.一种设计和制造结构的方法，其包含：

在结构上确定至少三个节点的位置；

将第一组腹板形成到所述结构的第一侧上，其中所述第一组腹板具有第一线性肋，所述第一线性肋从所述第一侧正交延伸以限定第一高度，其中所述第一组腹板在与所述节点的所述位置一致的位置处彼此连接并且成一体，由此限定第一袋区区域；

将第二组腹板形成在所述第一袋区区域内，其中所述第二组腹板具有第二线性肋，所述第二线性肋从所述结构的所述第一侧正交延伸以限定第二高度，其中所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二线性肋彼此连接以限定第二袋区区域。

条款2.根据条款1所述的方法，进一步包含：

将第三组腹板形成在所述第二袋区区域内，其中所述第三组腹板具有第三线性肋，所述第三线性肋从所述结构的所述第一侧正交延伸以限定第三高度，其中所述第三高度小于所述第一高度。

条款3.根据条款1或2所述的方法，进一步包含：

确定所述节点的所述位置，使得所述节点形成第一等边三角形的顶点并且所述第一组腹板形成所述第一等边三角形的边。

条款4.根据条款3所述的方法，进一步包含：

形成所述第二组腹板，使得第二线性肋在与所述第一组肋的等间距交叉点处与所述第一组腹板相交，以形成具有第二等边三角形的形状的所述第二袋区区域。

条款5.根据条款4所述的方法，进一步包含：

形成所述第三组腹板，使得所述第三线性肋在与所述第一组肋的等间距交叉点处与所述第二组腹板相交，以形成具有第三等边三角形的形状的第三袋区区域。

条款6.根据条款1、2、3、4或5所述的方法，进一步特征在于：所述结构是实心板材，并且所述第一袋区区域和所述第二袋区区域以连续铣削操作被形成。

条款7.一种设计和形成结构面板的方法，其包含：

在至少两个结构上确定至少三个节点的位置，其中所述至少两个结构中的每一个具有外表面和内表面；

将第一组腹板形成到所述结构的所述内表面上，以形成燃料箱的内表面，其中所述第一组腹板具有第一线性肋，所述第一线性肋从所述内表面正交延伸以限定距所述内表面的第一高度，其中所述第一组腹板在与所述节点的所述位置一致的位置处彼此连接，由此在所述内表面上限定第一袋区区域；

将第二组腹板形成在所述第一袋区区域内，其中所述第二组腹板具有第二线性肋，所述第二线性肋从所述内表面正交延伸以限定距所述内表面的第二高度，其中所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二线性肋彼此连接以限定第二袋区区域；以及

连结所述结构以形成完整的燃料箱。

条款8.一种结构支撑面板，其包含：

蒙皮板材，其具有厚度、内表面和外表面；

第一组腹板的统一重复的第一三角形图案，其中所述第一组腹板具有第一线性肋，所述第一线性肋从所述内表面正交延伸以限定距所述内表面的第一高度，其中所述第一组腹板在与被预定处于优化方位的节点一致的位置处彼此连接，其中所述第一组腹板限定所述内表面上的第一袋区区域；以及

所述第一袋区区域内的第二组腹板的统一重复的第二三角形图案，其中所述第二组腹板具有第二线性肋，所述第二线性肋从所述内表面正交延伸以限定距所述内表面的第二高度，其中所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二线性肋彼此连接以限定第二袋区区域。

条款9.根据条款8所述的结构支撑面板，其中所述第二组腹板的所述第二线性肋具有纵轴线并且连结所述第一组腹板的第一线性肋，使得所述纵轴线平分所述第一组腹板的所述第一线性肋。

条款10.根据条款8或9所述的结构支撑面板，进一步特征在于：所述第一组腹板和所述第二组腹板与所述蒙皮板材成一体。

条款11.根据条款8、9或10所述的结构支撑面板，进一步特征在于：所述第一三角形图案和所述第二三角形图案形成等边三角形。

条款12.根据条款11所述的结构支撑面板，其中所述第一组腹板中的每个腹板被连结在由第二肋围绕的每个三角形的每个角的节点处。

条款13.根据条款8、9、10、11或12所述的结构支撑面板，其中所述第一线性肋和所述第二线性肋的横截面是T形的。

条款14.根据条款8、9、10、11、12或13所述的结构支撑面板，其中所述第二高度大约在所述第一高度的10％和50％之间。

条款15.根据条款8、9、10、11、12、13或14所述的结构支撑面板，其中所述第二高度大约在所述蒙皮板材的厚度的2倍和4倍之间。

具体实施例的前述描述将揭示本公开的一般性质，使得其它人能够在不背离一般概念的情况下，通过应用现有知识而为各种应用容易地修改和/或调整这种具体实施例，并且因而这种调整和修改意在包含在所公开的实施例的等价物的意义和范围内。应当理解，本文中的措词或术语用于描述而非限制的目的。