[发明专利]飞行器的机身结构及用于制造飞行器的机身结构的方法

说明书

本发明描述了一种飞行器的机身结构。机身结构包括：机身蒙皮；以及多个框架元件(30)，其在平行于飞行器纵向轴线的方向上彼此隔开，以用于支撑机身蒙皮。机身蒙皮由多个互连的纤维增强复合蒙皮壁板(6)组成，纤维增强复合蒙皮壁板(6)在各对框架元件之间延伸并且连接到各对框架元件。复合蒙皮壁板还包括一体形成在各个复合蒙皮壁板中的加强件(66)。本发明还描述了一种用于制造机身蒙皮的方法。复合蒙皮壁板可以通过感应焊接连接互连和/或连接到框架元件。

技术领域

本发明涉及飞行器的机身结构及用于制造飞行器的机身结构的方法。本发明还涉及一种用于将多个纤维增强复合蒙皮壁板彼此连接和/或连接到机身的框架元件以形成一体机身蒙皮部件的方法。

背景技术

飞行器包括能够长时间飞行的交通工具。客机设计成为商业目的运载乘客或货物。通常，现代客机由于其几何形状和功能而分类为比空气重的固定翼飞行器。飞行器的升力由固定到结构的机翼产生，并且需要空速来产生升力。飞行器经受许多不同的载荷情况，其中一些峰值载荷由动态行为支配(例如由于大气扰动)。多年来，飞行器吸收这些载荷的主要结构几乎没有改变。现代化仅仅导致了优化的结构和材料，目的通常在于潜在更低的质量。

飞行器的主要机身结构包括：外机身蒙皮，其沿着飞行器的纵向轴线延伸并围封内部空间；以及多个框架元件，其在平行于飞行器纵向轴线的方向上彼此隔开，并且沿着机身蒙皮的内表面在周向方向上延伸，以支撑机身蒙皮。在这种所谓的半硬壳式设计中，机身蒙皮承担大部分载荷并代表结构的受力成分。框架元件(或隔框)提供机身的形状，并且额外的桁条和加强件可用于稳定机身蒙皮并为结构增加额外的强度和刚度。蒙皮-桁条-框架构造通常用于现代飞行器、特别是客机。为了乘客的舒适，机舱内部的气压被人为地维持在比飞行高度处飞行器外部的压力更高的压力。这意味着内部的压力高于外部，因此有效地，机身蒙皮像压力容器一样加载。这意味着蒙皮从周向框架上剥离。大多数复合材料接合方法(如粘接或焊接)在这种加载条件下表现出差的强度，而剪切载荷下的类似接合示出高得多的承载能力。

在航空工业中，飞行器的重量起着非常重要的作用。使用空重(Empty OperatingWeight，EOW)与最大起飞重量(Maximum Take-off Weight，MTOW)之间的差确定了可用于运载付费货物和燃料的余量。而且，飞行器的重量直接影响其在飞行期间产生的阻力量，因此影响用于抵消阻力的燃料量。减轻飞行器的重量增加了重量余量并降低了运营成本。尽管重量减轻的前景显著，但并不总能说服飞行器制造商采用新的设计或技术。新技术经常带来缺点(例如高生产成本、复杂的维护程序和降低的损伤容限)。为此，大多数现代飞行器仍然使用常规材料(例如铝)利用古老但经过验证的技术建造。

在飞行器结构中引入复合材料导致设计形状更加灵活，并且机身质量减小。然而，复合材料飞行器的制造和认证成本一直在增加。用于生产客机机身的大多数方法需要热压罐以及必须承受热压罐内部使用的高温和高压的非常大的模具。当使用热固性复合材料时，所有部件同时共固化优于逐步建立结构的逐步结合工艺，这主要是因为后一种方法的认证要求更严格。共固化导致复杂且昂贵的工艺装备和设备。

而且，典型的复合材料机身蒙皮易受蒙皮分层的影响。实际上，相对刚性的框架元件抵抗机身蒙皮在机舱压力下的膨胀，因此引起相对大的分层应力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞行器的机身结构，该机身结构可以高效且以比已知的机身结构潜在更低的成本制造，并且还提供一种具有改善的抗分层性的机身结构。为此，本发明提供了一种根据所附权利要求1所述的飞行器的机身结构。机身结构包括：机身蒙皮，其沿着飞行器的纵向轴线延伸并且围封内部空间，还具有面向内部空间的内表面；以及多个框架元件，其在平行于飞行器纵向轴线的方向上彼此隔开，并且沿着机身蒙皮的内表面在周向方向上延伸，以支撑机身蒙皮，其中，机身蒙皮包括多个互连的纤维增强复合蒙皮壁板，它们在各对框架元件之间延伸并且通过复合蒙皮壁板和框架元件的接合的第一壁部连接到各对框架元件，其中，复合蒙皮壁板还包括加强件，其形成在各个复合蒙皮壁板中并且从内表面径向向内延伸，其中，加强件在平行于飞行器纵向轴线的方向上延伸。