粘接的复合材料飞机机翼制造技术

一种成套的复合飞机机翼，其包括具有不同刚度并且粘接于复合栅格结构的上和下复合层压机翼蒙皮。该栅格结构包括沿着展向方向延伸的栅格翼梁以及沿着机翼的弦向方向延伸的横梁。该栅格翼梁包括粘接于该上和下机翼蒙皮的顶梁。

【技术实现步骤摘要】
粘接的复合材料飞机机翼
本专利技术大体涉及飞机结构，并且特别是，涉及粘接的复合机翼。
技术介绍
通常叫做“复合物”的纤维增强树脂由于其比较高的强度-重量比、良好的抗腐蚀性以及其他有利的性质而经常用在航空航天结构中。用在航空航天应用中的常规的复合物包括以纺织结构或非纺织构造形式被保持在诸如环氧树脂的树脂基体树脂中的玻璃纤维、碳纤维或聚芳酰胺纤维。复合物层片被铺设在工具上，并且然后通过施加加热和加压的组合而被固化以形成硬化层压制件。在一些情况下，诸如泡沫或蜂窝结构的芯材被放置在层片之间以形成复合夹层。在大型商用飞机中，复合物通常用在次要结构中，在诸如机翼的主要结构中它们的应用受到限制，诸如机翼的主要结构主要用诸如铝、钛等的金属制造。例如，一些现代飞机已经利用用金属紧固件被连接于金属结构翼梁和翼弦的复合机翼蒙皮。金属紧固件会给飞机增加不希望的重量并且经受腐蚀。当前机翼结构还有其他缺点。例如，当前机翼不易于被定制成优化诸如升力、刚度、弯曲、扭转和离散损坏遏制/阻止的飞行特性的组合。因此，需要一种复合机翼结构，其基本上不需要金属紧固件并且具有改进的离散损坏遏制。还需要一种全部粘接的复合机翼结构，该机翼结构具有有不同的层间断裂韧性和刚度的上和下蒙皮，其被定制成优化飞行特性、使用寿命和安全可靠性。
技术实现思路
本公开的实施例提供具有上和下定制复合蒙皮的成套复合机翼结构，该上和下蒙皮粘接于底层全部复合的具体定制的翼栅设计结构。该上和下机翼蒙皮在模式Ⅰ、II、III中分别具有不同的层间断裂韧性，并且还具有不同的刚度和结构弹性常数。本专利技术的机翼结构具有改进的空气动力学性质、粘接接头耐久性和损伤容限能力以及较好的载荷传递效率。利用全部粘接的机翼结构设计会导致非常高的刚度-重量的比，并且在较好地抵抗平面内剪切载荷以及扭转载荷的同时允许更多的竖直翼偏转。全部复合的机翼结构具有能够满足主管当局规定的适航性要求的可预测的安全使用寿命。对于具体的应用，上和下机翼蒙皮可以被定制成满足不同的载荷要求，并且提供更大的升力、上下机动载荷、弯曲、剪切和扭转载荷、横向阵风、发动机牵引力以及巨大的、平面外的离散发动机突发损坏。以这种方式定制机翼蒙皮还更有效地将载荷分布于机翼，从而产生更大的升力。机翼蒙皮在次级粘接操作中利用粘性地粘接接头被连接于底层翼栅结构，这种接头减少了在粘接接头边界处的层间单独剥落和剪切应力。所述粘接接头利用基本上贯穿整个机翼长度的翼栅结构，从而削弱扭转载荷、减小由于紊流引起的弯曲并且有助于遏制例如由于发动机爆燃引起的局部离散损坏。利用粘接于复合机翼蒙皮的复合翼栅结构不需要结构性的翼弦腹板并且可以使在常规机翼设计中通常需要的翼梁和纵向条的数目最少，因而减少机翼的重量。集成翼栅结构可以包括高弹性模量的增强纤维，在一种实施例中，该弹性模量可以在近似30Msi的范围内。所公开的全部粘接的复合机翼构造基本上不需要金属紧固件将机翼蒙皮连接于底层机翼支撑结构。省去金属紧固件具有许多优点。例如，在机翼蒙皮中紧固件周围的应力集中被消除并且载荷更有效地分布于机翼。省去金属紧固件通过增加动力学表面的平滑度而减少阻力、消除可能的金属腐蚀并且增加整体接头界面的强度。利用粘接的，而不是紧固的接头会减少机翼的结构重量，因而，提高运行效率，包括减少燃料消耗。所公开的全部复合的、粘接的机翼结构还可以减少制造成本。在粘接的机翼组件的一种实施例中，压缩加载的且粘接的上机翼蒙皮可以具有在大约3.0英寸-磅/英寸2（in-Ibs/in2）到大约5.0英寸-磅/英寸2的模式Ⅰ层间断裂韧性、在大约4.5英寸-磅/英寸2到大约7.0英寸-磅/英寸2的模式II层间断裂韧性以及在大约7.5英寸-磅/英寸2到大约8.0英寸-磅/英寸2的模式III层间断裂韧。这样的构造提供延迟任何大裂纹的结构性质，以及抵抗由于独立的结构复合弯曲、扭转和刚度能力而引起的不同的机翼飞行载荷的能力，因此增加机翼的竖直升力。下机翼蒙皮可以一体地粘接于下部粗壮工字梁顶梁，并且在一种实施例中，可以具有在大约4.5英寸-磅/英寸2到大约6.5英寸-磅/英寸2的模式Ⅰ层间断裂韧性、在大约5.5英寸-磅/英寸2到大约8.0英寸-磅/英寸2的模式II层间断裂韧性以及在大约8.5英寸-磅/英寸2到大约12.0英寸-磅/英寸2的模式III层间断裂韧。定制上和下蒙皮的模式Ⅰ、II、III的层间断裂韧性的混合提供了具有独特性能的机翼结构，其更好地抵抗弯曲、剪切和扭矩载荷，从而导致竖直机翼偏转的增加和竖直升力的增加。形成翼栅结构一部分的栅格横梁具有独立地抵抗载荷的能力，因而在飞行期间分散了机翼扭转和弯曲载荷。在一种实施例中，栅格横梁可以具有大约2.0英寸-磅/英寸2到大约3.0英寸-磅/英寸2的平均层间断裂韧性，这增强了连接刚性，从而导致在机翼接头内剥离应力和平面内剪切应力的更加均匀分布。上和下机翼蒙皮可以粘接于翼栅结构并且具有独特的性能，使得它们独立地用作纵向或横向断裂的自动防故障机制。翼栅结构适合于大多数机翼和机身飞行载荷条件，包括而不限于由于燃料载荷在翼栅界面结构中引起的弯矩、扭转或蒙皮平面内剪切应力，包括由于横向阵风或在机动期间经受的载荷引起的上下弯曲。通过在粘接接头的边缘处的粘性渐缩包覆，可以减少有时候在接头的粘接线裂缝内产生的应力的奇异性。该粘接的机翼组件是结构有效的自动防故障型损坏容限式复合的粘接结构，其可以被管理当局认证通过超过限度150%的不同载荷情况，以满足适航性要求。根据一种公开的实施例，飞机机翼包括分别具有不同刚度的上和下复合机翼蒙皮以及设置在该上和下机翼蒙皮之间并且连接于该上和下机翼蒙皮中每个的翼栅结构。该翼栅结构包括粘接在一起的多个交叉复合支撑构件。该支撑构件包括沿着该机翼的展向方向延伸并且粘接于该上和下复合机翼蒙皮中每个的翼栅翼梁，并且该上和下复合机翼蒙皮和翼栅结构形成成套的粘接的机翼结构。上复合机翼蒙皮具有比下复合机翼蒙皮的刚度更小的刚度。上和下机翼蒙皮中的每个是正交各向异性的并且具有层间断裂韧性。上复合机翼蒙皮的层间断裂韧性小于下复合机翼蒙皮的层间断裂韧性。该复合支撑构件包括沿着机翼的展向方向延伸的多个复合翼栅翼梁，和粘接于该翼栅翼梁并且沿着机翼的弦向方向延伸的多个复合栅格横梁。每个翼栅翼梁包括一对翼梁顶梁（cap）和连接在该翼梁顶梁之间的翼梁腹板，并且该栅格横梁包括连接于栅格翼梁腹板的横梁腹板。该复合横梁包括夹在该翼栅翼梁和上复合机翼蒙皮之间的第一组基本平直的条，和夹在该翼栅翼梁和下复合机翼蒙皮之间的第二组基本平直的条。根据另一实施例，成套的复合飞机机翼包括：上复合机翼蒙皮，该上复合机翼蒙皮包括多个纤维增强树脂层压层片并且具有第一层间断裂韧性；下复合机翼蒙皮，该下复合材料机翼蒙皮包括多个纤维增强树脂层压层片并且具有第二层间断裂韧性，该第二层间断裂韧性的幅值大于第一层间断裂韧性；以及夹在该上和下复合机翼蒙皮之间并且粘接于该上和下复合机翼蒙皮中每个的复合翼栅结构，该复合翼栅结构包括沿着机翼的展向方向延伸的多个复合翼栅翼梁，和与该翼栅翼梁共同固化并且沿着机翼的弦向方向延伸的多个复合栅格横梁，其中该复合翼栅翼梁粘接于上和下复合机翼蒙皮以形成成套的机翼结构。每个翼栅翼梁包括工字型梁，其具有粘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：分别具有不同刚度的上和下复合蒙皮（22、24）；和被置于该上和下复合蒙皮（22、24）之间并且连接于该上和下复合蒙皮中的每个的结构（34）。

【技术特征摘要】
2012.08.28 US 13/596,9891.一种飞机机翼，包括：上复合机翼蒙皮(22)和下复合机翼蒙皮(24)，每个蒙皮均包括彼此不同的刚度；和被置于该上和下复合机翼蒙皮(22、24)之间并且连接于该上和下复合机翼蒙皮(22、24)中的每个的翼栅结构(34)，所述翼栅结构(34)包括粘接在一起的多个交叉复合支撑构件(40、42)，所述复合支撑构件(40、42)包括：沿所述机翼的展向方向延伸的多个复合翼栅翼梁(40)，和被粘接到所述翼栅翼梁(40)且沿所述机翼的弦向方向延伸的多个复合栅格横梁(42)，所述复合栅格横梁(42)包括：被夹在所述翼栅翼梁(40)和所述上复合机翼蒙皮(22)之间的第一组基本平直的横梁条(56)，以及被夹在所述翼栅翼梁(40)和所述下复合机翼蒙皮(24)之间的第二组基本平直的横梁条(58)。2.根据权利要求1的飞机机翼，其中：所述翼栅翼梁(40)被粘接于该上和下复合机翼蒙皮(22、24)中每个，使得该上和下复合机翼蒙皮(22、24)和该翼栅结构(34)形成成套的粘接的机翼结构。3.根据权利要求1的飞机机翼，其中：所述上复合机翼蒙皮(22)具有比所述下复合机翼蒙皮(24)的刚度更小的刚度。4.根据权利要求1的飞机机翼，其中该上和下复合机翼蒙皮(22、24)中的每个均是正交各向异性的并且包括相应的层间断裂韧性，并且其中该上复合机翼蒙皮的层间断裂韧性小于该下复合机翼蒙皮的层间断裂韧性。5.根据权利要求4的飞机机翼，其中该上复合机翼蒙皮(22)具有在3.0英寸-磅/英寸2和5.0英寸-磅/英寸2之间的模式Ⅰ层间断裂韧性，并且该下复合机翼蒙皮(24)具有在4.5英寸-磅/英寸2和6.5英寸-磅/英寸2之间的模式Ⅰ层间断裂韧性。6.根据权利要求4的飞机机翼，其中该上和下复合机翼蒙皮(22、24)具有选自如下构成的组中的至少一种不同的特性：纤维取向，纤维材料，纤维直径，纤维密度，树脂材料，具有0度纤维取向的层片的数目。7.根据权利要求1的飞机机翼，其中：所述翼栅翼梁(40)中的每个包括一对翼梁顶梁(46、48)和连接在所述翼梁顶梁之间的翼梁腹板(44)，以及所述栅格横梁(42)包括联接于所述翼梁腹板的横梁腹板(50)。8.一种制造飞机机翼结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·丹珍宝，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：