Упрочненная панель
Изобретения относятся к упрочненной панели, содержащей композиционную обшивку, и к способу изгибания такой панели. Панель содержит композиционную обшивку, множество стрингеров, прикрепленных к обшивке, и исполнительные механизмы приложения усилия. Каждый механизм расположен между соседними парами стрингеров и выполнен с возможностью приложения к обшивке локального усилия, вызывающего изгибание обшивки между стрингерами с образованием группы нескольких складок в обшивке. Способ изгибания панели включает приложение сжимающей нагрузки к панели в плоскости обшивки и локального усилия к обшивке между соседними парами стрингеров с помощью исполнительных механизмов, когда нагрузка превышает предварительно заданный порог. Достигается улучшение эксплуатационных показателей и уменьшение веса конструкции. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к упрочненной панели, содержащей композиционную обшивку. Изобретение также относится к способу изгибания такой упрочненной панели.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Несмотря на высокие рабочие характеристики в определенных областях, такие как вес, долговечность и издержки за весь срок службы, композиционные материалы не имеют широкого применения для несущих конструкций. Причиной этого, в основном, является недостаточное понимание механизмов их разрушения и поведения при разрушении. Такой распространенный недостаток знаний и ноу-хау часто приводит к созданию конструкций слишком большого размера, что противоречит концепции легкого веса, отличающей все новые конструкторские решения.
Изгибание также представляет собой одну из самых спорных проблем, касающихся конструирования упрочненных панелей. Хорошо известно, что нагрузки в плоскости, которые могут выдерживать панели, армированные композиционным материалом, без каких-либо разрушений, выше, чем нагрузки при их изгибании. К сожалению, сложность и высокая стоимость испытаний, имитирующих такое поведение, связанное с разрушающим воздействием, обусловленным структурными факторами, делают восстановление механизма разрушения из обломков очень сложным.
Для металлических авиационных конструкций снятие и перераспределение напряжений по существу обеспечивают с помощью местных пластических деформаций, и разрушение происходит в результате прогиба обшивки или местного/общего продольного изгиба элемента жесткости. Местные пластические деформации в композиционных материалах происходят очень редко, поэтому такой способ снятия напряжения в основном непригоден.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложена упрочненная панель, содержащая следующие элементы:
- композиционную обшивку;
- множество стрингеров, прикрепленных к обшивке, и
- один или более исполнительных механизмов приложения усилия, каждый из которых расположен между соседними парами стрингеров и выполнен с возможностью приложения локального усилия к обшивке, вызывающего изгибание обшивки.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен способ изгибания упрочненной панели, которая содержит композиционную обшивку и несколько стрингеров, прикрепленных к обшивке, включающий в себя следующие операции:
- приложение нагрузки к панели в плоскости обшивки и
- приложение локального усилия к обшивке между соседними парами стрингеров с помощью одного или более исполнительных механизмов приложения усилия, когда нагрузка превышает предварительно заданный порог.
Настоящее изобретение основано на том, что снятие напряжения, подобное тому, которое происходит в результате локальной пластической деформации металлической конструкции, можно получить в композиционной конструкции путем создания предварительного изгиба обшивки.
Нагрузка, прилагаемая в плоскости обшивки, может являться сжимающей нагрузкой, сдвигающей нагрузкой или комбинацией двух указанных нагрузок.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, каждый из исполнительных механизмов приложения усилия прикладывает локальное усилие путем изменения своей геометрии между двумя устойчивыми состояниями. В этом случае каждый из исполнительных механизмов приложения усилия может изменять геометрию автоматически, не требуя системы управления. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения предлагается система управления для контроля усилия, приложенного к обшивке, и приведения в действие исполнительных механизмов приложения усилия, когда контролируемое усилие превышает предварительно установленный порог. В этом случае исполнительные механизмы приложения усилия могут являться, например, пьезоэлектрическими устройствами. Применение системы управления для активного управления и контроля может повысить диапазон рабочей нагрузки и обеспечить информацию о действительной конфигурации, поведении и целостности конструкции.
Набор специально предназначенных тензометрических датчиков может обеспечить необходимый ввод в систему управления. Однако в более предпочтительном варианте исполнительные механизмы обеспечивают необходимый измерительный ввод, т.е. каждый из исполнительных механизмов выполнен с возможностью определения усилия, приложенного к обшивке, и генерации сигнала считывания, который контролирует система управления. Это уменьшает количество необходимых линий управления, поскольку каждый из исполнительных механизмов может как передавать сигналы считывания системе управления, так и получать управляющие сигналы от системы управления, через обычную двойную линию управления.
Стрингеры и обшивка могут быть скреплены с помощью адгезива, путем совместного отверждения или любым другим соответствующим способом соединения.
Исполнительные механизмы приложения усилия могут быть по меньшей мере частично встроены в обшивку. Это может исключить необходимость применения адгезива для прикрепления исполнительных механизмов приложения усилия к обшивке.
В соответствии с описанными здесь вариантами осуществления настоящего изобретения, обшивку получают из композиционного материала, содержащего множество однонаправленных углеродных волокон, пропитанных эпоксидной смолой. Однако обшивка может быть получена из любого композиционного материала, включая, например, металлический слоистый материал, армированный стекловолокном (GLARE).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Настоящее изобретение будет описано ниже только в виде примера и со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 представлен вид сверху упрочненной панели в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 представлено поперечное сечение по линии А-А по фиг.1.
На фиг.3 представлено поперечное сечение части панели в увеличенном масштабе.
На фиг.4 представлен один из исполнительных механизмов в увеличенном масштабе.
На фиг.5 представлена электронная система управления.
На фиг.6 представлен частично встроенный исполнительный механизм.
На фиг.7 представлен полностью встроенный исполнительный механизм.
На фиг.8 представлено поперечное сечение волокна, несущего линию управления.
На фиг.9 представлен вид сверху упрочненной панели с мультистабильными (с несколькими устойчивыми состояниями) исполнительными механизмами.
На фиг.10 представлен график типичной переменной границы раздела в зависимости от нагрузки.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 и 2 представлена часть упрочненной панели 1. Такая панель может образовывать, например, обшивку крыла или фюзеляжа воздушного судна. Панель содержит композиционную обшивку 2; множество композиционных стрингеров 3, 4, прикрепленных к обшивке путем совместного отверждения; и два ряда пьезоэлектрических исполнительных механизмов 5 приложения усилия, расположенных между стрингерами. Если речь идет о крыле воздушного судна, стрингеры проходят в направлении размаха крыла от корня крыла к его концу.
На фиг.1 представлена только малая часть панели, которая простирается дальше, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Как видно на фиг.2, каждый стрингер содержит ребро 3а, 4а, выступающее от обшивки, и пару фланцев 3b, 4b, прикрепленных к обшивке 2.
Каждый из исполнительных механизмов 5 приложения усилия прикреплен к обшивке 1 слоем 5а адгезива, представленным на фиг.3 и 4. Два электрода 10а и 10b прикреплены к верхней и нижней поверхностям исполнительного механизма. Каждый из электродов соединен с соответствующей линией 11а, 11b управления, а линии управления объединены в кабель 12, ведущий к системе 13 управления, представленной на фиг.5.
Система 13 управления приводит в действие исполнительные механизмы, прикладывая электрическое напряжение между электродами 10а, 10b. Это приводит к расширению или сжатию исполнительных механизмов под прямым углом к электрическому полю благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Расширение или сжатие исполнительных механизмов определяется знаком электрического напряжения.
Исполнительные механизмы 5 приложения усилия также действуют как датчики нагрузки. Деформация панели приводит к расширению или сжатию исполнительных механизмов приложения усилия, которые, в свою очередь, создают электрическое напряжение между электродами 10а, 10b. Это напряжение обеспечивает сигнал считывания, контролируемый системой 13 управления. Система 13 управления генерирует управляющий сигнал, когда контролируемое напряжение превышает предварительно заданный порог, сохраненный в памяти 14. Этот управляющий сигнал повышает или понижает электрическое напряжение между электродами, что, в свою очередь, вызывает сжатие или расширение исполнительных механизмов. Следует заметить, что, как сигнал считывания от исполнительных механизмов, так и управляющий сигнал исполнительным механизмам, могут передаваться через одну линию управления. Деформация исполнительных механизмов прикладывает локальное усилие к обшивке, в результате чего обшивка изгибается между стрингерами, образуя складки 6, показанные на фиг.1 и 2.
В настоящее время для большинства конструкций воздушно-космических аппаратов не допускается изгиб ниже проектного предела нагрузки. На фиг.10 представлен график типичного изменения границы раздела (например, сдвигающей нагрузки или смещения вне плоскости на границе раздела между обшивкой и стрингером) в зависимости от нагрузки. В зоне между Р0 и Р1 панель подвергается избыточному давлению в результате приложения разницы давлений между противоположными поверхностями панели. Такая разница давлений существует, например, благодаря присутствию на одной стороне обшивки топлива, находящегося под давлением. В зоне между точками Р1 и Р2 к панели прикладывается сжимающая нагрузка в плоскости. В точке Р2 панель изгибается. Таким образом, точка Р2 представляет максимальную допустимую нагрузку при отсутствии исполнительных механизмов 5, и в соответствии с ней определяют размеры конструкций.
Когда панель, которую предварительно подвергли воздействию избыточного давления, достигает критической нагрузки, должно произойти значительное изменение формы в перпендикулярном направлении. В действительности, в устойчивой фазе деформированная конфигурация (представленная единственной складкой, образованной в результате приложения давления) превращается в группу из нескольких складок, проходящих в направлении элементов жесткости после достижения критической нагрузки. Это происходит благодаря явлению потери устойчивости, поэтому резкое изменение механических переменных характеризует переход от устойчивого режима к неустойчивому. На фиг.1 представлены три из множества указанных складок 6.
Если внешняя нагрузка продолжает действовать, внутренняя энергия упругой деформации непосредственно до и после перехода должна оставаться неизменной. Предполагают, что если одинаковое количество энергии упругой деформации распространяется только на одну складку или рассеивается на несколько складок, в последнем случае максимальное перемещение вне плоскости, характеризующее каждую складку, должно уменьшиться, так что каждая составляющая напряжения на границе раздела будет пропорционально уменьшаться. Это значит, что изгиб приводит к снятию напряжения на границе раздела между панелью и стрингером.
В результате установки в памяти 14 порога ниже критической нагрузки Р2 (например, 60% или 80% от критической нагрузки Р2) исполнительные механизмы 5 создают дополнительное поле механических напряжений, которое вынуждает обшивку изгибаться до достижения критической нагрузки Р2. Этот предварительный изгиб приводит к последующему снятию напряжения на границе раздела обшивка/подкрепляющий элемент. Затем панель работает в пост-стабильном режиме, и сниженные напряжения на границе раздела достигают критического значения при более высоких уровнях нагрузки. В результате рабочая несущая способность улучшается, и можно получить значительное улучшение общих показателей и экономию веса.
На фиг.6 представлена альтернативная конструкция, в которой исполнительный механизм 5 частично встроен в углубление в поверхности обшивки 2. На фиг.7 представлена альтернативная конструкция, в которой исполнительный механизм 5 полностью встроен в обшивку 2. На фиг.8 представлено поперечное сечение волокна 21, несущего линию 11b управления.
Обшивка 2 и каждый из стрингеров 3, 4 получены из последовательности композиционных слоев, причем каждый из слоев содержит множество однонаправленных полых углеродных волокон, пропитанных эпоксидной смолой. В частично или полностью встроенных конструкциях, представленных на фиг.6 и 7, одна или обе линии 11а, 11b управления могут проходить по полой сердцевине соответствующего углеродного волокна. Это видно на фиг.8, на которой представлено поперечное сечение полого углеродного волокна 21, содержащего в полой сердцевине линию 11b управления. Пространство между проводящей металлической линией 11b управления и проводящим углеродным волокном 21 заполнено смолой 20, действующей как изолятор.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, представленным на фиг.9, пьезоэлектрические исполнительные механизмы 5 заменяют мультистабильные исполнительные механизмы 30, прикладывающие локальное усилие к обшивке путем изменения геометрии между двумя или более устойчивыми состояниями. Примером такой конструкции является асимметричная слоистая конструкция. Различные асимметричные слоистые конструкции описаны в следующих документах:
- «The application of residual stress tailoring of snap-through composites for variable sweep wings», 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 1-4 May 2006, Newport, Rhode Island; и
- «Bi-stable composites with piezoelectric actuators for shape change», C.R.Bowen, A.I.T.Salo, R.Butler, E.Chang and H.A.Kim, Key Engineering Materials Vols. 334-335 (2007) pp.1109-1112.
Простейшим примером является квадратная пластина с последовательностью укладки [0°/90°]. После охлаждения пластина, которую отверждают в горизонтальном положении при высокой температуре, приобретает цилиндрическую форму, которую можно легко защелкнуть во вторую цилиндрическую форму путем приложения усилия.
В этом случае не требуется ни электрической системы управления, ни памяти. Вместо этого, исполнительные механизмы 30 имеют свойства, присущие материалу, которые вынуждают их защелкиваться между устойчивыми состояниями, когда нагрузка в панели превышает необходимый порог, таким образом, приводя к предварительному изгибу обшивки в результате действия локального усилия, приложенного исполнительными механизмами 30.
Хотя настоящее изобретение описано здесь со ссылками на один или более предпочтительных вариантов осуществления, должно быть ясно, что возможны различные изменения или модификации, не выходящие за рамки объема изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.
1. Упрочненная панель, содержащая:
- композиционную обшивку;
- множество стрингеров, прикрепленных к обшивке, и
- один или более исполнительных механизмов приложения усилия, каждый из которых расположен между соседними парами стрингеров и выполнен с возможностью приложения к обшивке локального усилия, вызывающего изгибание обшивки между стрингерами с образованием группы нескольких складок в обшивке.
2. Панель по п.1, дополнительно содержащая систему управления, выполненную с возможностью контроля усилия, приложенного к обшивке, и приведения в действие исполнительных механизмов приложения усилия, когда контролируемое усилие превышает предварительно установленный порог.
3. Панель по п.2, где каждый из исполнительных механизмов приложения усилия выполнен с возможностью определения усилия, приложенного к обшивке, и генерации сигнала считывания, контролируемого системой управления.
4. Панель по п.3, где каждый из исполнительных механизмов выполнен с возможностью передачи сигналов считывания системе управления и получения управляющего сигнала от системы управления через общую двойную линию управления.
5. Панель по п.1, где каждый из исполнительных механизмов приложения усилия выполнен с возможностью приложения локального усилия путем изменения своей геометрии между двумя устойчивыми состояниями.
6. Панель по п.1 или 2, где стрингеры и обшивка являются совместно отвержденными.
7. Панель по п.1 или 2, где каждый из исполнительных механизмов прикреплен к обшивке с помощью слоя адгезива.
8. Панель по п.1 или 2, где каждый из исполнительных механизмов приложения усилия по меньшей мере частично встроен в обшивку.
9. Панель по п.1 или 2, где каждый из исполнительных механизмов приложения усилия является пьезоэлектрическим устройством.
10. Панель по п.1 или 2, где обшивка образована из слоистого композиционного материала.
11. Панель по п.1 или 2, где складки образованы на расстоянии друг от друга в направлении элементов жесткости.
12. Способ изгибания упрочненной панели, содержащей композиционную обшивку и множество стрингеров, прикрепленных к обшивке, включающий в себя:
- приложение сжимающей нагрузки к панели в плоскости обшивки, и
- приложение локального усилия к обшивке между соседними парами стрингеров с помощью одного или более исполнительных механизмов приложения усилия, когда нагрузка превышает предварительно заданный порог.
13. Способ по п.12, дополнительно включающий осуществление контроля усилия, приложенного к обшивке, и приведение в действие исполнительных механизмов приложения усилия, когда контролируемая нагрузка превышает предварительно заданный порог.
14. Способ по п.12 или 13, где посредством одного или более исполнительных механизмов к обшивке прикладывают локальное усилие, которое приводит к изгибанию обшивки между стрингерами с образованием группы нескольких складок в обшивке.
15. Способ по п.14, где складки образуют на расстоянии друг от друга в направлении элементов жесткости.
