板結構件及相關方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于交通工具，特別是航空器或航天器，的新的板結構件(panelstructure)，同時本發明涉及一種新的生產上述板結構件的方法，本發明還涉及一種交通工具，其包括所述板結構件。雖然本發明特別設計為在航空器或航天工業中使用，但是可以想到的是，其還可以在航海和陸地交通工具中使用，例如鐵路和/或汽車應用。
【背景技術】
[0002]在航空和航天工業中，加強板，特別是縱梁加強板作為輕質結構解決方案已經發展為標準件。事實上，典型地，超過機身的90 %，或現代載人航空器的外“皮”均被設計為縱梁加強板，如此，“縱梁”為加強構件，其增加了結構板或表面構件(area member)的機外彎曲剛度。板使用縱梁進行了加強，從而在擠壓和剪切載荷下對抗整體彎曲。相對于簡單加厚板構件自身，板構件的所得到的穩定和極限載荷因此能夠在較低結構重量下承受更高的載荷。縱梁還將板構件或表皮中任何彎曲的尺寸限$_縱梁間的局部區域(即，“表皮凹區”(skin bays))，從而限制了所謂的局部彎曲。通過降低彎曲區域尺寸(S卩，表皮凹區的大小)，提高了板構件或表皮的抗彎強度。
[0003]當設計的目的持續指向降低航空器的重量以最優化燃料消耗時，依然要求航空器結構強度和安全性不能妥協，且仍然需要滿足測試標準。在這種背景下，發明人設計了一種新型的和改進的板結構件，其用于交通工具，特別地用于航空器，其能夠滿足當前的安全和測試標準，同時還能夠獲得更低的質量結構.
【發明內容】
[0004]根據本發明，如權利要求1中所述的提供了一種板結構件，其用于交通工具，特別用于航空器或航天器，如權利要求9所述提供了一種生產所述板結構件的方法。另外，如權利要求15中所述，還提供了例如航空器或航天器的交通工具。優選的特征在從屬權利要求中進行說明。
[0005]一方面，本發明提供了一種板結構件，其用于交通工具，特別用于航空器或航天器，包括:表面構件，例如板構件或表皮構件；和多個加長的加強構件，其附接于表面構件上同時在至少一側的整個表面上延伸；其中多個加強構件中的至少一個在分支點或分叉點被分支或分叉為兩個或多個分支加強構件。典型地，表面構件具有寬闊區域(arealexpanse)，并且包括第一側和相對的第二側，具有在第一和第二側之間限定的表面構件厚度。加強構件附接于表面構件上并在第一和第二側中的至少一個的整個表面上延伸。
[0006]由此，本發明提供了一種新型的和改進的板結構件，其使用了加強構件的分支，特別是分叉，從而改變在表面構件或板構件區域中的加強構件的間隙或間距，該區域在實際使用中暴露至較高的載荷下。也就是，通過將加強構件分支或分叉為至少兩個分支加強構件，可以在表面構件或板構件的區域中，增加加強構件的密度(即，降低加強構件的間隙或間距)。因而，希望得到的是，本發明預期得到，加強構件可以分隔為超過兩個分支加強構件(例如，通過“三叉”或“四叉”)。但是為了簡化，本文中使用的術語“分叉”及其變化，例如“雙叉”，應該理解為構件分隔或分支為兩個或多個分支構件，而不是限定為僅僅兩個分支構件。然而對于板結構件不均勻的載荷，局部的強化傳統上已經通過表面構件或板構件的局部加厚被解決，本發明提供了更低的重量和更經濟的設計方法。特別地，分叉加強構件(例如縱梁)的使用，在具有相對更少額外重量的加強板結構件的設計上，提供了更大的自由度。注意到，本發明的術語“表面構件”為構件的通用術語，例如板，表皮或薄板，在其相對面或側之間，與這些面或側指間的厚度尺寸相比呈現出相對大的寬闊區域。
[0007]在傳統的板結構件設計中，加強構件(例如，縱梁)的平均間距通常在之前設計階段就固定了。如果在傳統設計工藝中，由于縱梁之間的表皮凹區承受彎曲，因而該表皮凹區的表皮厚度增加。然而，與使用加強件相比，增加表皮厚度以避免彎曲是較為沒有效率的。這是因為在局部彎曲中的表皮構件的抗彎強度和加強件應對整體彎曲的抗彎強度之間的不同的、非線性的關系。表皮的局部抗彎強度與其厚度是二次冪的關系，然而加強件的整體抗彎強度典型地與加強件的高度之間為三次冪的關系。由于表皮厚度與加強件的高度相比通常非常小，因此與加強件相比，其必須顯著地增加更多的質量給表皮從而避免彎曲。因而，本發明的板結構件中提供分叉加強構件提供了實際的新型輕質板結構件設計。
[0008]在本發明的優選實施方式中，分支加強構件之間分叉的角度隨著分支加強構件遠離分叉點逐漸延伸而減小。換句話說，隨著遠離分叉點延伸，分支加強構件期望地減小分叉，并且沿著特定路徑，在該特定路徑中，在分叉后，分支加強構件隨后大約相互平行地延伸。由此，兩個分支加強構件中的至少一個，并且優選的兩個，隨著分支加強構件遠離分叉點延伸，延伸通過彎曲部或扭曲部從而減少或降低分叉角度。具體地，至少一個分支加強構件的彎曲部或扭曲部優選地通過預定角度扭轉向兩個分支加強構件中的另一個。最初分支之后的，在分支加強構件的路徑或方向中的該改變，起到在加強構件和/或分支加強構件的不同間隔或間距之間平滑過渡的作用。
[0009]在更優選的實施方式中，表面構件上的多個加強構件中的每個都在各自的分支點或分叉點被分支或分叉為至少兩個分支加強構件。各自的分支點或分叉點因此優選地相互分散或錯開，特別地沿徑向相互分散或錯開。該分支點或分叉點的分散或錯開的位置用于提供從板結構件一個區域中一個縱梁間隔或間距至板結構件一個連接區域中另一個縱梁間隔或間距的一般平滑過渡。
[0010]在優選的實施方式中，加強構件和分支加強構件被設置為，在板結構件的局部區域中，在相鄰加強構件和/或相鄰分支加強構件之間提供大約均勻的間距或間隙。
[0011]在本發明特別優選地實施方式中，板結構件的表面構件(即，板構件或表皮構件)具有如典型地存在于航空器機身的耐壓艙壁的圓形構造，或錐形構造，或總體矩形構造。由此，板結構件特別適合用于具有不均勻的內部載荷的板和/或具有不均勻的或密集外的部載荷的板。
[0012]在優選的實施方式中，板結構件可以包括結構構件的部件，同時可以，例如包括多個設置在兩個或更多表面構件或板構件之間并附接于兩個或更多的表面構件或板構件上的加強構件，從而加強構件形成了強化骨架或結構，其由各自的表面構件或板構件包圍和/
或覆蓋。
[0013]根據另一個方面，本發明提供了一種生產板結構件的方法，該板結構件用于交通工具，例如航空器或航天器，所述方法包括:
[0014]提供表面構件，特別地提供板構件或表皮構件，該表面構件限定了具有第一表面和相對的第二表面的寬闊區域，且具有在第一和第二表面之間的表面構件厚度；和
[0015]設置多個加長的加強構件，該加強構件在表面構件的第一和第二表面中的至少一個的整個表面上延伸，以附接到表面構件上；
[0016]其中設置加強構件的步驟包括在分支點或分叉點將至少一個加強構件分支或分叉為兩個或更多的分支加強構件。
[0017]在一種優選的實施方式中，在至少一個加強件中，表面構件的分支點的位置或部位的選定或確定基于:與至少一個加強構件相鄰的表面構件區域的彎曲閾值，和對于表面構件來說在該區域中所需的最小設計載荷；和/或在至少一個加強構件中的最大允許縱向力。
[0018]還如上所述，在一種優選的實施方式中，設置加強構件的步驟包括隨著分支加強構件遠離分支點延伸，減小在分支加強構件之間的分支角度或者分叉角度。更具體地，設置加強構件的步驟包括隨著分支加強構件遠離分支點延伸，延伸或指引至少一個分支加強構件，并且優選地兩個分支加強構件，通過彎曲部或扭曲部以降低分支角度或分叉角度。
[0019]在本發明特別優選的實施方式中，設置加強構件的步驟包括在各自的分叉點將多個加強構件中的每個分叉為至少兩個分支加強構件。該方法可以然后優選地進一步包括:使得分叉點相互地分散或錯開；例如，沿徑向將分叉點相互錯開。
[0020]在一種優選的實施方式中，設置加強構件的步驟包括對加強構件的位置進行數字建模。生產板結構件的方法優選地包括，零部件疊層制造(ALM)技術，相對于幾何約束條件，其提供了高的設計靈活性。由此，ALM可以例如基于板結構件的數字模型來堆積和構建表面構件其自身以及加強構件，該加強構件以一體或整體構造的形式固定在表面構件的至少一面或側上并在表面構件的至少一面或者側的整個表面上延伸。在可替換的實施方式中，板結構件加強構件可以堆積和構建在，且附接于，預成形表面構件上。生產板結構件的方法不需要必須使用ALM技術，并且可以包括其它制造步驟，例如，乳制、鑄造、鉚接、焊接以及用于通過粘結和/或緊固而結合的復合材料(例如，纖維增強聚合物FRP復合材料)的技術。
[0021]根據另一個方面，本發明提供了一種交通工具，例如航空器或航天器，其具有至少一個根據上述實施方式中的任一種的板結構件，并且優選地具有多個根據上述實施方式中的任一種的板結構件。
【附圖說明】
[0022]為了更加完全的理解本發明和其優點，本發明示例性的實施方式在下文中結合附圖進行了更詳細的說明，其中類似附圖標記指示類似的部件，其中:
[0023]圖1圖示了飛機的(a)平面圖，(b)前視圖，和(C)側視圖，其示出了用于本發明板結構件的合適區域(暗或陰影)；即現代載人航空器機身或表皮的超過90%包括縱梁加強板；
[0024]圖2圖示了典型地帶有機架和縱梁的航空器機身設計的實施例；
[0025]圖3為帶有典型縱梁樣式的矩形縱梁加強板結構件的實施例；
[0026]圖4圖示了在機翼中的帶有平行縱梁的錐形板結構件的實施例；
[0027]圖5圖示了圓形和球形曲線加強板結構件的實施例，其用于機身內的耐壓艙壁；