Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОЗИТНАЯ БАЛКА СО ВСТРОЕННЫМ ИНИЦИАТОРОМ РАЗЛОМА И ФЮЗЕЛЯЖ САМОЛЕТА, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКИЕ БАЛКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к композитной балке, сконструированной таким образом, что она может контролируемым образом поглощать интенсивные и внезапно возникающие силы сжатия, прикладываемые в направлении ее глубины, под действием кинетической энергии, высвобождаемой в результате сильного удара, например, при крушении самолета.

Балка, в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться во всех случаях, в которых структура, в которую она установлена, может быть подвергнута сильному удару, при котором требуется обеспечить контролируемое поглощение энергии.

Предпочтительная область применения настоящего изобретения относится к балкам, используемым в конструкции корпуса планера самолета, и, частности, к балкам, соединяющим внешнюю обшивку фюзеляжа самолета с нижней горизонтальной частью рам жесткости, на которых закреплена эта обшивка.

Настоящее изобретение также относится к фюзеляжу самолета, содержащему, по меньшей мере, две балки такого типа.

Уровень техники

Конструкция фюзеляжа самолета включает рамы жесткости, равномерно распределенные по всей длине фюзеляжа, на которых закреплена внешняя обшивка.

Рамы жесткости имеют приблизительно круглую или овальную форму, за исключением нижней части, которая обычно выполнена прямой и горизонтальной так, что на ней может быть установлен пол.

Соединение между внешней обшивкой фюзеляжа и горизонтальными нижними частями рам обычно выполняют с использованием балок, установленных приблизительно параллельно продольной оси самолета. В конструкции могут использоваться две такие балки. Они имеют поперечное сечение в форме буквы I или перевернутой буквы Т. В последних моделях самолетов такие балки часто изготавливают из композитных материалов.

В публикации под названием "Development of a trigger mechanism to reduce peak forces in crash loaded composite sine-wave spars", представленной на "20-th European Rotorcraft Forum" в г.Амстердаме 4-7 октября 1994 г. и опубликованной под ссылкой NLR ТР 94319 U в "National Aircraft Laboratory NLR" Amsterdam, Netherlands, W. Lestari, H.G.S.J.Thuis and J.F.M.Wiggenraad исследуется поведение композитных балок, сконструированных для установки на них пола в военном вертолете, в случае крушения вертолета.

В некоторых из описанных конфигураций балки имеют I-образное сечение. При этом они содержат верхний фланец, нижний фланец и перемычку, соединяющую два фланца вдоль вертикального направления, совпадающего с направлением приложения сил сжатия в случае крушения.

Более точно, в такой конкретной конфигурации, перемычка балки имеет горизонтальное поперечное сечение в форме синусоиды и состоит из пакета, центральная часть которого сформирована из слоев однонаправленных углеродных волокон, расположенных вдоль направления сил сжатия, другими словами, вертикально. Внешняя часть пакета сформирована из гибридного углеродного волокна и тканей на основе арамидного волокна. Высокая прочность и жесткость углеродных волокон проявляется в том, что энергия, высвобождаемая при крушении, может поглощаться. Упругость арамидных волокон защищает целостность балки после крушения и удерживает кусочки углеродных волокон.

В вышеуказанной публикации также предложены различные решения для обеспечения управляемого разлома балки вблизи ее нижней части в случае крушения. Такой разлом предназначен для лучшего распределения нагрузок сжатия в случае крушения, без существенного уменьшения сопротивления балки сдвигу при обычных рабочих условиях.

Однако решения, направленные на инициацию разлома балки, предложенные в этом документе, не полностью удовлетворительны. В частности, они не пригодны для использования в гражданском транспортном самолете, в котором уровни ускорения должны оставаться совместимыми с допустимыми пределами для человека, что гарантирует выживание пассажиров.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на композитную балку со встроенным средством инициации разлома, имеющую новую конструкцию, которая позволяет использовать балку на гражданском транспортном самолете и, в случае крушения обеспечивает уровни ускорения, сравнимые с допустимыми пределами для человека.

В соответствии с настоящим изобретением, такой результат получен с использованием композитной балки, к которой может быть приложена сила сжатия в направлении ее глубины, вызывающая разлом балки, причем балка содержит перемычку, имеющую приблизительно синусоидальную форму сечения в плоскости, перпендикулярной указанному направлению, и фланец, соединяющий перемычку с конструкцией, через которую прикладывается сила сжатия, причем перемычка содержит набор, по меньшей мере, из одного слоя однонаправленных волокон, ориентированных вдоль указанного направления, и слоев ткани, причем балка характеризуется тем, что она содержит средство инициирования разлома, причем указанное средство содержит вырезы, сформированные на одной из кромок каждого слоя однонаправленных волокон, расположенной рядом с фланцем, которые обеспечивают последовательную нагрузку и разрушение слоя при приложении указанной силы сжатия.

Композитная балка, изготовленная таким способом, позволяет поглощать кинетическую энергию, высвобождаемую при крушении, благодаря запрограммированному разрушению конструкции, инициируемому в нижней части балки. Средство инициирования начинает разлом в форме распространения фронта крушения. Такой фронт крушения образуется из-за концентрации механического напряжения и затем распространяется на всю глубину балки. Более точно, вырезы, выполненные на нижней кромке слоев однонаправленных волокон, представляют собой средство последовательного инициирования разлома. При этом пик начального усилия и уровни ускорения минимизируются так, что они остаются сравнимыми с допустимыми пределами для человека. Аналогично, компоновка, в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой средство управления направлением крушения в ходе разрушения балки.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения, с каждой стороны перемычки балки закреплен фланец с использованием клеящих пленок. Такие клеящие пленки при этом также формируют часть средства инициирования разлома, встроенного в балку. В случае крушения они разрываются под действием сдвига в течение первой инициирующей фазы разлома балки.

Предпочтительно, фланец содержит два уголка, которые закреплены с каждой стороны перемычки балки с использованием клеящих пленок.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения кромка каждого слоя однонаправленных волокон рядом с фланцем расположена с выносом назад от соответствующих кромок ткани. Такой вынос назад нижней кромки каждого из слоев также формирует часть средства инициирования разлома. В случае крушения, благодаря выносу назад слоев однонаправленного волокна, создается сжатие нижних частей ткани во время второй фазы инициирования разлома балки. Такая вторая фаза происходит после фазы сдвига клеящей пленки и предшествует разлому выполненной с полостью нижней части из слоев однонаправленного волокна.

Предпочтительно, вырезы, сформированные в каждом из слоев однонаправленного волокна, имеют форму зубьев пилы. Таким образом, нижняя кромка слоев содержит острые концы, которые способствуют последовательному инициированию разлома.

В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения, угол при вершине зуба пилы равен приблизительно 30°.

Кроме того, в соответствии с одним из предпочтительных аспектов настоящего изобретения, зубья пилы расположены равномерно вокруг кромки каждого слоя однонаправленных волокон с шагом, который имеет целочисленное соотношение с величиной шага синусоидальной кривой, сформированной в сечении перемычки балки.

Предпочтительно, острые концы зубьев пилы смещены насколько это возможно от центральной линии синусоидальной кривой, сформированной перемычкой балки.

В случае, когда детали, выполненные с вырезом, имеют форму зубьев пилы, они расположены так, что не более чем приблизительно 20% поверхности зубьев закрыты фланцем балки.

Предпочтительно, слой (слои) однонаправленных волокон сформирован из углеродных волокон.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, ткань содержит ткань из арамидного волокна, ориентированного под углом ±45° по отношению к направлению глубины балки.

В этом случае из слоя (слоев) однонаправленных углеродных волокон сформирована центральная часть перемычки балки. Эта центральная часть затем помещена между двумя слоями ткани из арамидного волокна так, что каждый слой находится в контакте, по меньшей мере, с одним из слоев из ткани волокна.

Кроме того, ткань предпочтительно содержит ткань из углеродного волокна, ориентированного под углом ±45° по отношению к направлению глубины балки.

В этом случае ткань из углеродного волокна, предпочтительно, помещают на внешних сторонах перемычки балки.

Другая цель настоящего изобретения состоит в разработке фюзеляжа самолета, содержащего каркас, на котором закреплена внешняя обшивка, причем каркас содержит рамы жесткости, в которых приблизительно прямая нижняя часть соединена с внешней обшивкой с использованием, по меньшей мере, двух балок, изготовленных вышеописанным образом.

Краткое описание чертежей

Ниже будет описан неограничивающий пример предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- на фиг.1 изображен вид в перспективе, схематично представляющий нижнюю часть сегмента рамы фюзеляжа самолета, включающего две балки, сконструированные в соответствии с настоящим изобретением;

- на фиг.2 показан вид в перспективе, изображающий одну из балок сегмента рамы, представленного на фиг.1, в большем масштабе;

- на фиг.3 показано сечение нижней части балки, представленной на фиг.2;

- в верхней части фиг.4 показана форма вырезов, выполненных вдоль нижней кромки слоев однонаправленных волокон, и в нижней части представлена синусоидальная кривая, сформированная перемычкой балки в горизонтальном сечении для представления относительного положения зубьев пилы слоев по отношению к изгибам перемычки.

Подробное описание изобретения

Как схематично показано на фиг.1, фюзеляж самолета содержит каркас 10, на котором закреплена внешняя обшивка 12. Настоящее изобретение преимущественно предназначено для использования на гражданском транспортном самолете. Однако следует отметить, что фюзеляж, в частности показанный на фиг.1, может представлять собой фюзеляж самолета любого типа без выхода за рамки настоящего изобретения.

Каркас 10 фюзеляжа, в основном, сформирован из рам 14 жесткости, соединенных вместе с помощью лонжеронов 16. Рамы 14 жесткости равномерно распределены вдоль всей длины фюзеляжа. Каждая рама жесткости установлена по контуру сечения фюзеляжа и в общем имеет приблизительно круглую или овальную форму. Однако нижняя часть 14а рам 14 жесткости обычно выполнена прямой и горизонтальной так, что на нее можно устанавливать пол (не показан), такой как пол багажного отсека.

Каркас 10 содержит две балки 18 в нижней части фюзеляжа, расположенные между нижними частями 14а рам 14 жесткости и обшивкой 12. Очевидно, что количество балок 18 может отличаться от двух, например могут использоваться три или четыре балки, без выхода за пределы рамок настоящего изобретения.

Балки 18 проходят параллельно продольной оси самолета, другими словами, вдоль приблизительно горизонтального направления, когда самолет также установлен горизонтально.

Каждая из балок 18 имеет приблизительно I-образное сечение вдоль вертикальной плоскости. В варианте выполнения, не показанном, но находящемся в пределах объема настоящего изобретения, балки 18 также могут иметь сечение в форме перевернутой буквы Т.

Балки, в соответствии с настоящим изобретением, имеют особенную структуру, благодаря которой в их нижней части инициируется управляемый разлом при приложении к балке интенсивной и внезапной силы сжатия в направлении ее глубины, другими словами, приблизительно вертикально в описанном варианте применения. Такая ситуация возникает при некоторых типах крушения, таких как аварийная посадка на море. Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что возникновение такой силы сжатия, прикладываемой к балке, может быть вызвано совершенно другими причинами, когда балка встроена в другую структуру, а не в каркас фюзеляжа самолета. Другими словами, балка, в соответствии с настоящим изобретением, может иметь существенно отличающуюся область применения и, например, может быть встроена в кузов наземного транспортного средства, или в корпус корабля, или в конструкцию машины любого другого рода.

Как показано, в частности, на фиг.2 и 3, балка 18, в соответствии с настоящим изобретением, содержит перемычку 20, нижний фланец 22 и, в представленном варианте выполнения, который относится к балке с I-образным сечением, верхний фланец 24. Следует отметить, что такой верхний фланец отсутствует, когда балка выполнена в форме перевернутой буквы Т.

Как показано, в частности, на фиг.2 и в нижней части фиг.4, перемычка 20 балки 18 выполнена в форме синусоидальной кривой, если на нее смотреть в сечении вдоль плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей в направлении ее глубины, другими словами, в горизонтальной плоскости в описанном варианте применения. Синусоидальный профиль перемычки 20 сформирован с использованием последовательности круглых сегментов с постоянным радиусом и углом раствора, который также постоянен. Такой профиль стабилизирует балку 18 при приложении к ней силы сжатия в направлении глубины во время удара и во время крушения, следующего после удара.

Балка 18 выполнена из композитного материала. Таким образом, перемычка 20 состоит из набора слоев. Более точно, такой набор содержит, по меньшей мере, один слой 26 однонаправленных углеродных волокон, формирующих центральную часть перемычки 20, слой 28 арамидной ткани, помещенный с каждой стороны центральной части, и слой 30 ткани из углеродных волокон, помещенный на внешних сторонах перемычки балки.

В варианте выполнения, показанном на фиг.3, перемычка 20 балки 18 содержит два слоя 26 однонаправленных углеродных волокон, два слоя 28 арамидной ткани и два слоя 30 ткани из углеродного волокна. Такая компоновка гарантирует, что каждый из слоев 26 однонаправленного углеродного волокна будет находиться в контакте с тканью из арамидного волокна.

Компоновка слоев 26 из однонаправленных углеродных волокон в перемычке 20 балки 18 выполнена так, что указанные волокна ориентированы вдоль направления глубины балки, другими словами, вертикально в описываемом варианте выполнения. Эта ориентация соответствует направлению приложения механического напряжения и сил сжатия, сопротивление которым оказывает балка, когда она встроена в каркас фюзеляжа самолета. Это позволяет углеродным волокнам передавать эти силы при нормальных условиях использования и поглощать большую часть кинетической энергии, высвобождаемой при крушении.

Арамидная ткань слоя 28, которая окружает слои 26 однонаправленных углеродных волокон, состоит из волокон, ориентированных под углом ±45° по отношению к направлению глубины балки, другими словами, вертикально в описываемом варианте выполнения. Такая ткань повышает жесткость перемычки балки. Она также фиксирует частицы углеродного волокна и обеспечивает их удержание на месте, в комбинации со слоем 30 ткани из углеродного волокна стабилизирует слои 26 однонаправленных углеродных волокон, когда силы сжатия приложены к этим слоям в вышеуказанном направлении.

Ткань слоя 30 из углеродного волокна, из которой сформированы внешние стороны перемычки 20 балки 18, состоит из углеродных волокон, ориентированных под углом ±45° по отношению к направлению глубины балки, другими словами, к вертикальному направлению в описываемом варианте выполнения. Эта ткань способствует стабилизации слоев 26 однонаправленного углеродного волокна, когда на них воздействует сила сжатия в указанном направлении.

Нижний фланец 22 содержит два уголка 32, каждый из которых имеет V-образное сечение. Уголки 32 установлены с каждой стороны перемычки 20 балки, формируя соединение между указанной перемычкой и внешней обшивкой 12.

Каждый из уголков 32 состоит из наборов тканей из углеродного волокна. Например, каждый уголок может содержать два наложенных друг на друга куска ткани из углеродного волокна. Углеродные волокна, содержащиеся в этой ткани, предпочтительно, ориентированы под углом 0° и 90° по отношению к продольному направлению балки 18.

Ножка каждого из уголков 32 выполнена так, что она может быть закреплена на внешней обшивке 12 и соответствует профилю внешней обшивки. С другой стороны, ножка каждого уголка 32, которая должна быть закреплена на перемычке 20 балки 18, имеет синусоидальное продольное сечение, аналогичное форме перемычки 20. Угол, сформированный между двумя ножками уголков 32, зависит от физического положения балки 18 в фюзеляже. Это может быть прямой угол, или острый, или тупой угол.

Уголки 32 могут быть прикреплены к перемычке 20 балки способом горячего соединения с использованием двух пленок клея по одной с каждой стороны перемычки. Заполняющая смола 34 заполняет промежутки между фланцем и внешней обшивкой.

Верхний фланец 24 содержит плоскость, и горизонтальную пластину 36, и два уголка 38, расположенных с каждой стороны перемычки 20 балки. Плоская пластина 36 состоит из набора слоев углеродного волокна. Количество этих слоев зависит от требуемой жесткости. Характеристики уголков 38 сравнимы с характеристиками уголков 32 нижнего фланца 22. Однако они обычно состоят из трех слоев ткани из углеродного волокна, и ножки каждого из уголков расположены под прямым углом.

В соответствии с настоящим изобретением, как более подробно будет описано ниже со ссылкой на фиг.4, нижняя часть балки 18 содержит средство инициирования разлома. Это средство сконструировано для инициирования ступенчатого разрушения балки в случае крушения при поддержании ее стабильности.

Средство инициирования разлома, в соответствии с настоящим изобретением, содержит, прежде всего, вырезы 40, выполненные в нижней кромке каждого из слоев 26 однонаправленных углеродных волокон, другими словами, на кромке слоев, расположенной рядом с нижним фланцем 22. Вырезы 40 имеют форму зубьев пилы, равномерно распределенных по нижней кромке каждого из слоев 26. Все такие зубья пилы выполнены идентичными, и острые концы 42 материала обращены по направлению вниз так, что каждый зуб имеет форму равнобедренного треугольника. Угол в вершине такого равнобедренного треугольника предпочтительно равен приблизительно 30°.

Как, в частности, показано на фиг.4, глубина острых концов 42 выбрана так, чтобы шаг зубьев пилы отличался от шага синусоидальной кривой, формируемой перемычкой 20 балки 18. Более точно, шаг зубьев пилы в целое число раз отличается от величины шага синусоидальной кривой, сформированной перемычкой 20 (на фиг.4 показано отношение 1:4). Кроме того, острые концы 42 максимально смещены от оси 46 синусоидальной кривой так, что внешние части изгибов, формируемых перемычкой 20 балки, совпадают с углублениями вырезов 40.

Предпочтительно, вырезы 40 выполнены, по существу, полыми так, что большая часть поверхности острых концов 42 расположена над верхними кромками уголков 32. Более точно, не более чем приблизительно 20% площади зубьев пилы поверхности зубьев закрыты уголками 32, формирующими нижний фланец 22.

В соответствии с другой характеристикой средства инициирования разлома, нижняя кромка каждого из слоев 26 однонаправленных углеродных волокон смещена вверх, другими словами, расположена с выносом назад от нижней кромки тканых слоев 28 и 30. Такое смещение назад соответствует расстоянию D между острыми концами 42 и нижней кромкой 44 слоев 28 и 30, как показано на фиг.4.

Средство инициирования разлома также содержит клеящие пленки, установленные между уголками 32 нижнего фланца 22 и полотном перемычки 20 балки 18.

В случае, когда сила сжатия прикладывается вдоль направления глубины балки 18, в которой установлено описанное выше средство инициирования разлома, после крушения, разлом инициируется в несколько этапов. Такая характеристика минимизирует первоначальный пик силы.

Первые этап включает разрыв клеящей пленки, формирующей поверхность соединения между полотном перемычки 20 балки 18 и уголками 32 нижнего фланца 22, благодаря сдвигу. Клеящая пленка при этом действует как предохранитель между перемычкой балки и нижним фланцем, который закреплен на внешней обшивке 12. Сдвиг может происходить при комбинированном действии сил в продольном направлении Х и в направлении глубины Z балки 18.

В ходе второго этапа разлома ломаются нижние части слоев 28 и 30 тканей, расположенных под острыми концами 42 слоев 26 однонаправленных углеродных волокон, когда балка входит в контакт с землей.

Следующий этап характеризуется разломом острых концов 42 слоев 26 однонаправленных углеродных волокон. Вырезы 40 позволяют обеспечить последовательную нагрузку и разрушение слоев, которые имеют наибольшую жесткость на сжатие. Балка 18 при этом ломается по всей ее глубине.

Балку 18, в соответствии с настоящим изобретением, изготавливают в два этапа.

Первый этап состоит в изготовлении полотна перемычки 20 путем укладки на штамп синусоидальной формы. Нижние кромки слоев 26 однонаправленных углеродных волокон вырезают заранее в виде зубьев пилы. После укладки следует полимеризация в автоклаве, при этом набор слоев и тканей помещают между штампом и герметичной диафрагмой.

Нижний фланец 22 и верхний фланец 24 прикрепляют к полотну перемычки 20 балки 18 на втором этапе. Заранее полимеризованные уголки 32 и 38 и плоскую пластину 36 устанавливают на обшивку 12 в ходе единой операции, после чего следует вторая полимеризация в автоклаве. При горячей сушке формируется соединение между уголками и полотном, благодаря добавлению клеящих пленок, помещенных на поверхностях между этими элементами, в то время как полимеризуется плоская пластина 36.

Кроме множества преимуществ, указанных выше, следует отметить, что набор слоев, в котором используются материалы разной природы, формирующих полотно перемычки 20 балки, обеспечивает хорошее поглощение энергии при минимизации массы конструкции.