飞行器结构部件及制造飞行器结构部件的方法与流程

本发明涉及飞行器结构部件、比如纵梁，以及制造飞行器结构部件的方法。

背景技术：

1、在飞行器中，出于空气动力学和减轻重量的目的，在诸如机翼或机身之类的一些构件中，弯曲形状是期望的。这些构件在表面通常包括蒙皮。蒙皮是弯曲的，以容纳或提供所需的形状。弯曲的蒙皮需要附接至其的结构支承件，以便具有适于承受飞行器的操作条件、比如机舱中的压力或者机翼上的升力的严格要求的结构刚度。结构支承件因此必须符合严格的质量要求。

2、期望提供具有小曲率的飞行器构件。这样做将减少设计约束，并且允许例如飞行器设计受到自然形状的密切启发。这样的飞行器构件又需要具有期望曲率同时符合飞行器中应用的性能标准的结构支承件。

技术实现思路

1、本发明的第一方面提供了一种飞行器结构部件，该飞行器结构部件包括：凸缘，凸缘具有非平面侧部；和腹板，腹板具有第一端部和第二端部，该第一端部从凸缘的非平面侧部延伸，该第二端部远离第一端部并且远离凸缘的非平面侧部；其中，腹板具有偏离垂直于凸缘的非平面侧部并且在部件的纵向方向上延伸的平面的非平面形状，使得腹板的非平面形状与所述平面的偏差随着沿着腹板在从第一端部和第二端部中的一者至第一端部和第二端部中的另一者的方向上的距离而增加，并且使得该偏差在部件的至少10cm的长度上延伸。

2、将偏差引入到部件的腹板中有意地允许根据每个独立部件所需的应用来定制偏差。这可以提高部件的机械性能，比如部件在使用中充分支承另一元件比如飞行器蒙皮的能力。附加地或替代性地，可以更好地使部件能够具有可接受的尺寸或者与其他类似部件的一致性。在没有这种有意的和受控的偏差的情况下，在由片材形成腹板并且随后弯曲片材以形成部件时，可能会形成一个或多个褶皱。这是由于腹板的内曲率半径和外曲率半径处的弧的长度不同，导致需要容纳多余的材料。这在部件需要弯折以使其腹板明显脱离平坦平面时，即在腹板的一个端部或另一端部处具有小曲率半径的情况下尤其是个问题。

3、可选地，凸缘的非平面侧部是弯曲侧部或大致弯曲的侧部、比如布置成近似弧形的多个平坦表面。可选地，凸缘的非平面侧部是凹形侧部或大致凹形侧部、比如布置成近似凹形的多个平坦表面。在这种凹形布置中，腹板的非平面形状与平面的偏差随着沿着腹板在从第一端部至第二端部的方向上的距离而增加。

4、可选地，腹板的非平面形状沿着飞行器结构部件的长度从沿着飞行器结构部件的长度的第一点至沿着飞行器结构部件的长度的第二点偏离平面不断增加的量。例如，偏差可以在沿着部件的长度的相应点处达到一个或多个最大值。例如，可能仅在沿着部件的长度的大约中点处存在单个最大偏差，使得腹板形成弓形形状，或者可能在沿着长度的两个相应点处存在多个最大偏差，使得腹板形成s形形状。

5、沿着部件的长度的偏差的非恒定尺寸使得能够容纳由矩形材料件形成腹板同时需要腹板遵循凸缘的非平面形状而产生的多余材料，从而不会在腹板中产生褶皱。

6、可选地，腹板的第一端部和腹板的第二端部具有相等的长度。作为简化制造过程的方式，这允许由矩形材料件提供腹板。这也可以提供成本效益并增加工具设备的灵活性，因为材料能够容易的用于形成不同形状的最终部件。

7、可选地，腹板的非平面形状随着沿着腹板在从第一端部至第二端部的方向上的距离而偏离平面不断增加的量。这可以更好地容纳腹板的材料，同时在腹板的在其第一端部与第二端部之间的整个范围内避免褶皱。

8、可选地，非平面形状限定了具有振幅和波长的至少一个正弦波，使得：腹板的非平面形状与平面的偏差随着沿着腹板从第一端部至第二端部的距离而增加，并且波长为至少20cm。正弦波代表比偶然发生的褶皱更受控的和更规则的形状，这使得腹板的性能更加能够预测。正弦波轮廓是平滑的，没有方向的突然变化或转点，这是为了使在出现尖锐边缘或方向变化时可能发生的应力集中最小化所期望的。

9、可以基于最终部件的期望长度和形状来针对部件定制波长。期望更长的波长，以便分布腹板的材料，否则腹板的材料将沿着比褶皱原本将跨越的更大的长度形成褶皱。如果褶皱的频率很高，则褶皱会引入应力集中点，这对部件的机械性能是不利的。褶皱也以不受控制的方式形成，并且因此可能以不同的形状出现，从而降低了部件之间的一致性。以受控的方式将多余的腹板材料成形为预定的形状、比如正弦波确保了性能的可预测性，并且防止了应力集中和随后部件的机械性能和可靠性的劣化。

10、可选地，腹板由纤维复合材料、比如例如玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料制成。

11、可选地，非平面形状的偏差在腹板的第一端部处为零。这可以有助于将腹板附接至凸缘。

12、可选地，腹板的至少一个部分垂直于凸缘。这是为了提供例如一种将部件固定至飞行器结构的其他部分的更简单的方式，一种允许使用简单支架来相对于凸缘加固腹板，或者适应其他构形的需求、比如对于部件穿过翼肋切口的需要的轮廓。

13、可选地，腹板的所述至少一个部分中的至少一者位于腹板的纵向端部处。

14、可选地，腹板的所述至少一个部分中的至少一者位于沿着腹板的长度的中途。

15、可选地，结构部件是飞行器纵梁、比如机翼或机身的蒙皮部段附接至其上以用于结构支承的纵梁。纵梁通常以大半径弯曲，由于材料中固有的小程度的“游隙”，纵梁的腹板的材料中的褶皱得以避免，从而允许材料充分拉伸或调整尺寸以避免起皱。在期望具有更小曲率的纵梁的情况下，本发明的实施方式能够使它们达到令人满意的标准。

16、本发明的第二方面提供了一种飞行器结构组件，该飞行器结构组件包括根据第一方面的飞行器结构部件和固定至飞行器结构部件的凸缘的蒙皮部段。这可以通过例如将飞行器结构部件的凸缘在与非平面侧部相反的面处附接至蒙皮部段来实现。这可以通过诸如螺栓或铆钉之类的机械紧固件或者使用焊接过程(如果凸缘是可焊接材料)或粘合过程或任何其他合适的方法来完成。组件可以例如是飞行器的机翼和/或机身。机翼和机身是需要结构支承的具有曲率的飞行器结构组件的示例。该组件至少在能够实现期望的曲率方面提供了特别的优点。

17、本发明的第三方面提供了一种包括根据第二方面的组件的飞行器。可以通过实施本发明来制造具有通过已知方法无法实现的弯曲部分的飞行器，由于组件、例如机翼或机身的形状不受先前施加的曲率约束的限制。这可以导致对组件形状的更优化的定制，以获得空气动力学或升力特性、结构弹性、重量减轻或其他益处。

18、本发明的第四方面提供了一种制造飞行器结构部件的方法，该方法包括：设置具有非平面侧部的凸缘；以及设置具有第一端部和第二端部的腹板，该第一端部从凸缘的非平面侧部延伸，该第二端部远离第一端部并且远离凸缘的非平面侧部；其中，腹板具有偏离垂直于凸缘的非平面侧部并且在部件的纵向方向上延伸的平面的非平面形状，使得腹板的非平面形状与所述平面的偏差随着沿着腹板从第一端部和第二端部中的一者至第一端部和第二端部中的另一者的距离而增加，并且使得该偏差在部件的至少10cm的长度上延伸。

19、该方法允许制造根据第一方面的飞行器结构部件，使得可以通过受控地容纳腹板的多余材料来避免由替代的已知方法产生的褶皱。这允许制造更小曲率半径的部件，同时保持用于在飞行器中使用的令人满意的性能。

20、可选地，设置腹板包括使用具有非平面(例如弯曲)轮廓的工具，以在将限定腹板的材料件铺设在工具的非平面轮廓上时赋予腹板非平面形状。这种非平面工具可以用作实现本发明的方法和实施方式的方式。可选地，非平面工具可以用于飞行器结构部件的铺设，以使部件形成为期望的最终形状。可选地，替代性方法可以包括形成部件平面，然后该部件平面可以抵靠弯曲的工具形成部件。

21、可选地，工具的非平面轮廓使得限定腹板的材料件铺设在该工具上时限定了具有振幅和波长的正弦波，使得：腹板的非平面形状与平面的偏差随着沿着腹板从第一端部至第二端部的距离而增加，并且波长为至少20cm。

22、可选地，限定腹板的材料件是矩形的。这是为了简化该方法，因为在该过程中需要较少的成型或切割。

23、可选地，该方法包括当腹板在工具上时固化该腹板。这有助于在固化期间保持腹板的期望的形状。

24、可选地，根据一个或更多个参数来选择偏差，所述一个或更多个参数可选地包括下述各者中的任一者或更多者：飞行器结构部件的最终长度、凸缘的非平面侧部的所需半径、从腹板的第一端部至第二端部的所需距离、飞行器结构部件在飞行器中的所需构型以及飞行器结构部件在飞行器中的预期功能。这可以通过例如通过选择适合赋予这种形状的弯曲工具来修改偏差形状、包括例如在正弦波实施方式中的波长和振幅来实现。

25、可选地，飞行器结构部件是纵梁。

26、在适当的情况下，本发明的各方面的可选特征可以等同地应用于本发明的其他方面。