复合材料制成的高度集成的灌注箱及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料制成的高度集成的灌注箱，特别涉及一种可以用在例如机翼、垂直稳定器(VTP)、水平稳定器(HTP)、外挂架和其它控制装置的航空器箱型结构中的抗扭箱。
【背景技术】
[0002]目前在航空公司之间的竞争非常激烈的航空业中，结构的整体性和高生产率是主要的特征。
[0003]在航空领域中，在复合结构的集中度方面，具有高度集成箱的结构被视为重要的手段。
[0004]数年前，大部分或全部航空器都使用金属部件制造，其在机械性能方面提供了良好的性能，但是，作为一个缺点，它们在重量上处于劣势。
[0005]由于一方面，航空工业需要能承受其所遭受的负荷且满足强度和刚度的高要求的结构，而且另一方面，需要该结构尽可能地轻，所以，越来越多地在主体结构中使用复合材料，因为在合适地应用所述复合材料的情况下，可能相对于金属材料设计而言实现显著的重量减轻。
[0006]一个最重要的措施是使用复合纤维增强聚合物(CFRP)用于主要的结构部件，以实现显著的重量节省以及操作成本的减少。
[0007]总的来说，已经证明，复合材料满足下面的要求:
[0008]-节省重量。
[0009]-成本效率。
[0010]-满足航空器条件下的结构要件。
[0011]-有利的成本/重量关系。
[0012]典型的水平尾翼(HTP)结构被划分成如下组件:前缘、抗扭箱、后缘、顶端、升降舵以及在一些情况下的中心箱体。
[0013]关于抗扭箱，一些设计主要基于具有两个翼梁(前翼梁和后翼梁)的多肋板结构并且被两个加强罩封闭。在空客A330和A340中，可以使用中心箱体代替例如可以在A320中找到的中心肋板。在此情况下，由于该结构具有带有不同支肋的骨架，所以其被组装并且被铆接。
[0014]尽管例如A300和A310的第一架空客飞机是基于肋板和翼梁的金属结构，但是该设计不久被通过使用不同方法例如手工组坯(hand layup)、ATL和RTM生产的CFRP部件替代。与空客A350 XWB对应的设计是基于这种最新的方法，其中翼梁、表皮和肋板通过ATL工艺生产的整体的CFRP部件。
[0015]目前使用在HTP抗扭箱中的典型的CFRP结构为二翼梁结构，其包括前翼梁、后翼梁、纵梁、表皮和位于前翼梁与后翼梁之间的多个横向肋板，所述肋板的主要作用是提供扭转刚度，以纵向地限制表皮和纵梁，从而使分散屈曲载荷并且保持空气动力表面的形状。所述结构通过纵梁的方式而被纵向地加强。
[0016]典型地，用于制造抗扭箱的方法相当程度上是手工的并且以多个步骤实施。形成所述箱的不同部件(表皮、纵梁、翼梁和肋板)被单独地制造并且随后通过共同结合(co-bonding)的方式被整合(特别是表皮和纵梁)，并且在大多数情况下，它们在复杂的夹具的辅助下而被机械地结合，以满足由空气动力的和结构的需求规定的必须的公差。这涉及到不同的组装站和诸如铆钉等的大量的结合元件，其导致重量的增加、高生产率和组装成本、对逻辑能力的更大需求以及更坏的外表面中的空气动力质量。
[0017]除此之外，用于箱的一些标准的制造方法暗含了用于肋板、翼梁、纵梁和表皮的分开的固化步骤。
[0018]为此，最近存在极大的努力来在抗扭箱生产中用复合材料实现增加的集成度的更高水平，由此克服上述的缺陷。
[0019]例如，WO 2008/132251 Al涉及一种包括由复合材料制成的多翼梁抗扭箱的整体航空器结构，该抗扭箱不具有肋板、而具有多个I形的或T形的纵梁和翼梁，其旨在实现在强度/刚度以及低重量方面有效的结构。
[0020]名为“机翼箱及相关方法”的WO 2005/110842 A2公开了一种包括两个或多个半壳结构的机翼箱，其可以通过复合材料整体地形成。每一个半壳结构都是包括机翼的外表皮的至少一部分以及加强构件和连接构件的整体的或一体的构件。所述半壳结构可以通过使用例如铆钉的紧固件的连接构件组装，以形成所述机翼箱。
[0021]一些现有技术提出，设法实现所述结构的整体度的高水平，并且设法避免形成所述箱的部件的单独制造以及预浸料技术的使用。
[0022]然而，一些现有的抗扭箱仍包括大量的部件并且其制造和组装过程仍涉及大量的操作。除此之外，由于固化过程需要压热器，所以在它们的一些中使用的预浸料技术是昂贵的。
【发明内容】
[0023]本发明的目的在于提供一种具有简化结构的由复合材料形成的高度集成的灌注箱，其可以通过能够减少制造和组装操作步骤的方法制造。
[0024]本发明涉及一种由复合材料形成的高度集成的灌注箱，灌注箱具有两个表皮、若干个肋板、若干个纵梁、前翼梁和后翼梁，所述灌注箱包括通过连接装置结合的第一半箱和第二半箱，其中:
[0025]-第一半箱包括肋板和一个表皮，和
[0026]-第二半箱包括、前翼梁、后翼梁、纵梁和一个表皮。
[0027]本发明的集成灌注箱通过使用LRI (液体树脂灌注)技术制造，并且包括两个半箱，两个半箱的每一个具有在一个方向上的加强件(第一半箱包括横向加强部分，同时第二半箱包括纵向加强部分)，这简化了箱的制造过程。
[0028]本发明还涉及飞行器箱体结构，包括本发明的高度集成灌注箱。
[0029]本发明还涉及制造由复合材料形成的高度集成的灌注箱的方法，包括下列步骤:
[0030]-预备用于注入过程和肋板、表皮和纵梁的干ATL的工具:
[0031]〇工具清洁；
[0032]〇将脱模装置应用至工具；
[0033]-组坯:在板层之间使用带结合剂的干纤维层合表皮、纵梁、翼梁以及肋板；
[0034]-翼梁、肋板和纵梁的形成过程:纵梁被形成为H形式并且随后被切分为两个T形，翼梁和肋板形成为J形；
[0035]-第一半箱的制造过程，包括下列步骤:
[0036]〇将表皮布置在基础工具上；
[0037]〇将肋板布置在表皮之上；
[0038]〇在肋板之间布置刚性肋板腹板工具模块，使得每个肋板腹板的不包含肋板的上凸缘的面与工具一侧的面接触，并且所有部件被真空包覆盖；
[0039]〇使用LRI (液体树脂灌注)技术用树脂灌注第一半箱；
[0040]〇用自动加热工具固化或在炉内固化；
[0041]〇脱模:一旦完成固化过程，移除真空包和将工具脱模；
[0042]〇超声检测和尺寸检测；
[0043]-第二半箱的制造过程，包括下列步骤
[0044]〇将表皮布置在基础工具上；
[0045]〇将纵梁和翼梁布置在表皮之上；
[0046]〇将具有树脂入口的纵梁腹板柔性工具模块布置在纵梁之上；
[0047]〇在表皮上和纵梁腹板弹性工具模块上、以及在翼梁之间布置刚性翼梁腹板工具丰吴块；
[0048]〇使用LRI (液体树脂灌注)技术用树脂灌注第二半箱；
[0049]〇用自动加热工具固化或在炉内固化；
[0050]〇脱模:一旦完成固化过程，移除真空包和将工具脱模；
[0051]〇超声检测和尺寸检测；
[0052]-通过钻孔和连接件的铆接实现第一半箱和第二半箱的组装过程。
[0053]比常规的制造过程有利的主要优点是基于减少制造和组装操作步骤，因为部件的数量和固化过程步骤减少。
[0054]某些箱的标准制造过程包含分开的用于肋板、翼梁、纵梁以及表皮的固化过程。相反，本发明的制造方法仅执行两个固化过程，一个固化过程用于第一半箱，另一个固化过程用于第二半箱。
[0055]本发明的另一优点在于，不需要高压罐(autoclave)用于固化。但是由预浸料还构成的复合结构需要高压罐。
[0056]对于灌注过程，由于工具的简化以及其与RTM过程不同的是随后临时费用减少，因此选择LRI技术。
[0057]第二半箱包括一个表皮、前翼梁和后翼梁以及纵梁，并且不包括肋板，第二半箱具有一定的柔性(沿横跨方向的扭矩)，能够在两个半箱之间结合期间将翼梁打开一点。这种极小的扭矩使得可以在肋板和翼梁之间应用垫片和密封剂进行组装，由此避免在结合过程期间液体的散开，并且结构不会涉及应力变形的风险。
[0058]因为必要阶段和操作的数量大大减小，因而组装过程被大大缩短，因为避免了最消耗时间的横向箱组装操作的阶段。
[0059]因为大部分的结合是共同灌注，因此所需的铆接数量减少；因为这些机械接合的消除也减轻了重量。
[0060]参照附图，通过下文详细描述本发明的目的的典型实施例，将清楚理解本发明的其他特征和优点。
【附图说明】
[0061]图1、图3以及图5示出根据本发明的由复合材料形成的高度集成的灌注箱的第一半箱的不同视图。
[0062]图2、图4和图6示出根据本发明的由复合材料形成的高度集成的灌注箱的第二半箱的不同视图。
[0063]图7示出了在被结合在一起之前的由复合材料形成的高度集成的灌注箱的第一半箱和第二半箱。
[0064]图8示出第二半箱的柔性。
[0065]图9示出根据本发明的由复合材料形成的高度集成的灌注箱的纵梁的形成过程。
[0066]图11示出在第一半箱的制造过程中使用的工具和真空包。
[0067]
[0068]图12示出在第二半箱的制造过程中使用的工具和真空包。
[0069]图13出根据本发明的由复合材料形成的高度集成的灌注箱的制造过程的示意性的顺序。
[0070]图14示出具有用于灌注过程的树脂入口的纵梁腹板弹性工具模块。
[0071]图15示出具有树脂入口的肋板和翼梁支撑工具。
【具体实施方式】
[0072]图1、3和5示出了根据本发明的由复合材料制成的高度集成的灌注箱的第一半箱I的多个视图。第一半箱I包括一个表皮3和肋板4。
[0073]图2、4和6示出了根据本发明的由复合材料制成的高度集成的灌注箱的第二半箱2的多个视图。第二半箱2包括表皮3、前翼梁、后翼梁和纵梁5。
[0074]两个半箱1、2使用干纤维(箔片织造或单向织造)。
[0075]如图7所示，两个半箱1、2是互补的，并且在被组装到一起之后，它们形成