CN101146710A - 集成飞行器结构性地板 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于飞行器的由轻型复合材料制成的多个集成地板结构(100、200、300)。一般地，每个这种地板包括顶层外壳(210)、设置在顶层外壳下方的底层外壳(280)以及设置在顶层外壳与底层外壳之间的第一结构芯部(260)，该第一结构芯部包括蜂窝复合材料。一个或多个密度更大的结构芯部(230)也可结合在关键位置。

Description

集成飞行器结构性地板
技术领域
本发明涉及用于轻型飞行器地板的新颖结构和装置。
背景技术
传统地，采用从自然环境得到的和相对轻的材料诸如木材作为构造飞行器的最常用材料。但是，随着新型合金的发展，飞行器制造行业从木工方式转换为金属成形方式。
近年来，已经研发出公知为“复合物”或“复合材料”的新一代材料。与金属相比，特定的复合材料通常提供优异的强度-重量比，它们几乎普遍地被各种飞行器工业所接受。
通常地，存在两种主要种类的复合材料：蜂窝结构和层叠结构。蜂窝结构作为非常轻的材料当设置在机翼和给定飞行器的其他关键位置时能够提供完全满足需要的结构支承(对于它们的重量来说)。层叠材料通常来说一般比蜂窝结构的强度更大，但是通常不如蜂窝结构那样轻，蜂窝结构通常比任何可用的金属等同材料轻。
随着飞行运输行业的竞争力逐渐增加，人们都在寻求应用新的材料以减轻飞行器重量同时不会破坏基本的结构完整性。因此，希望新使用复合物。
发明内容
在一个方面，由用于飞行器的轻型复合材料制成的集成地板包括上层外壳、底层外壳和设置在上层外壳与底层外壳之间的第一结构芯部，第一结构芯部由蜂窝复合材料组成。
在另一方面，用于飞行器的集成地板包括上层外壳、固紧至上层外壳的高密度蜂窝芯部以及固紧至高密度蜂窝芯部的低密度蜂窝芯部。
在另一方面，用在飞行器中的集成地板包括：顶层外壳；固紧至顶层外壳的第一结构装置，用于提供结构支承；以及固紧至顶层外壳的附接装置，用于将座位附接至集成地板。
因此，这里相当宽泛地列出本发明的特定实施例从而可更好地理解本发明的详细说明。当然，本发明的其他实施例将在下文进行说明并且构成权利要求的主题。
在这一方面，在详细说明本发明至少一项实施例之前，应该理解本发明的应用并不局限于详细构造和部件的布置结构，它们记载在随后的说明书中或者示出于附图中。本发明的实施例除了上述实施例外，还能够采用各种方式实现。同样，应该理解，这里采用的用语和术语以及摘要是用于说明的目的并且不应该理解为限制性的。
如此，本领域技术人员应该理解，本发明公开的内容所基于的概念可容易地用作设计用于实现本发明若干目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求应该理解为包括这种等同的结构，只要它们没有偏离本发明的精髓和范围。
附图说明
图1是复合地板的俯视图。
图2示出具有附接结构的第一示例性复合地板的横截面剖视图。
图3示出具有边缘附接结构的第一示例性复合地板的横截面剖视图。
图4示出具有第二种类型的附接结构的第二示例性复合地板的横截面剖视图。
图5示出第一示例性地板梁的剖视图。
图6示出特定复合地板梁实施例的上下横截面剖视图。
图7示出在梁/部件交接处的示例性复合地板梁的横截面剖视图。
图8是具有第一固紧装置的示例性复合地板。
图9是具有第二固紧装置的示例性复合地板。
具体实施方式
所公开的复合地板示出各种发明性的创新，用于实现具有坚固但是超轻结构部件的现代飞行器。
图1是示例性复合地板100的部分的俯视图。如图1所示，复合地板部分100包括沿着复合地板部分100的长度延伸的许多定位轨110以及沿着复合地板部分100的宽度延伸的许多地板梁路径120。如图1进一步所示，定位轨110和梁路径120通常相互垂直地延伸，只要特定定位轨110跨过特定梁路径120，即存在许多交叉节点150。
图2示出第一示例性复合地板200的一部分的横截面剖视图。如图2所示，第一示例性复合地板部分200具有上层外壳210(采用覆盖类型的外壳，或外壳)、设置在上层外壳210的直接下方的高密度芯部230、经由隔板240固定至高密度芯部230的低密度芯部260以及底层外壳280。
当第一示例性复合地板部分200围绕定位轨110为中心定位时，图2示出附接结构202，该结构包括管状附接管250、可选的顶带220和可选的底带270。该附接结构202提供一种结构性基部，其中可设置多个孔290，这些孔的尺寸和位置允许飞行器座位或其他外部结构固紧至复合地板部分200。
示例性顶侧外壳210和底层外壳280是复合层叠片，包括可选的钛箔层和碳纤维加强塑料(CFRP，在本领域中通常简单地称为“石墨”)。但是，在其他实施例中，顶层外壳210和底层外壳280可包括许多种材料，包括公知的或随后研发出的多层层叠材料，钛箔，由其他金属制成的箔，纤维玻璃，Nomex，Kevlar，CFRP片，热塑料CFRP片或任何其他的材料，它们都是有利的和理想的。
低密度芯部260是蜂窝结构材料，通常具有大约2磅/平方英寸至大约6磅/平方英寸的密度。类似地，高密度芯部230也是蜂窝结构材料，通常具有大约8磅/平方英寸至大约20磅/平方英寸的密度。上述密度数字非常适于最常用的商业飞行器地板设计，但是应该理解，具体的密度可随着应用的不同而发生变化。应该理解，随着新型蜂窝材料的研发，密度也可发生变化。因此，术语“低密度芯部”和“高密度芯部”可被认为是彼此相对的，与简单地限定为处于预定密度范围内相反。
由于蜂窝复合材料在本领域中已经公知，所以编制用于所公开的集成地板的可用材料的完整列表和材料的组合是不切实际的。但是，可使用的材料确实包括金属复合物的范围，诸如钛、铝、陶瓷复合物、Nomex复合物、Kevlar复合物等，整体密度是所用材料的一个因素，所用材料的厚度，所用树脂的类型和数量，单元尺寸等。所用树脂可以是任何公知的或者随后研发的可用于蜂窝复合物的树脂。
附接管250是由钛制成的矩形中空管。但是，应该理解，附接管250的组成和形状可以根据应用的情况而发生变化，只要是有利或理想的。例如，在各种实施例中，优选使用更大厚度的铝管，或者可理想地使用碳-纤维基体。
示例性带220和270由BMS 8-276复合物制成(由Toray，Inc.制成的具有350度硬化温度的碳-纤维环氧树脂复合物)。但是，所用的具体材料可发生变化从而包括任何数量的材料，诸如钛或其他金属、CFRP、钛-CFRP层叠材料、许多其他层叠材料等，只要是有利的或理想的。
示例性隔板240是结构层，诸如夹置在两种粘性材料之间的CFRP层。但是，在各种实施例中，隔板240的芯部材料可变化从而包括任何数量的材料，诸如钛或其他金属、CFRP、钛-CFRP层叠材料、许多其他层叠材料等，只要是有利的或理想的。
图3是类似于图2的部分200的复合地板边缘部分300。如图3所示，复合地板边缘部分300具有顶层外壳210、设置在顶层外壳210的直接下方的高密度芯部230、经由隔板240固定至高密度芯部230的低密度芯部260以及底层外壳280。但是，由于示例性复合地板边缘部分300既位于地板的边缘也围绕边缘定位轨110为中心，所以相对于附接结构302具有本质的差别。例如，如图3所示，在附接管250的左边，不具有低密度中空芯部材料或低带部分。替代地，闭合角装置310位于附接管250的左部从而在附接管250与上带220之间提供结构加强。由于采用上带220和下带270，闭合角装置310可由上述Toray BMS 8-276复合材料以及任何数量的适用于具体应用和情况的其他材料制成。
图4示出类似于图2-3的第一地板的第二示例性复合地板400的一部分，但是具有用于附接座位和其他物体的不同的附接装置。如图4所示，附接结构402具有大概梯形状的结构并且包括上附接带410、设置在附接带410下方的高密度芯部440和设置在高密度芯部440下方的下带460。
附接带410由钛组成(或者其他金属)并且具有铣入其中的插入结构420从而固定座位和其他物体，并且具有两个铣制的侧部430从而减小附接带410的整体重量。铣制侧部430可填入任何数量的轻型材料或者保持中空。
本实例的高密度芯部440是钛蜂窝芯部，但是采用其他蜂窝芯部230和260的组成、密度和结构可改变，只要具有优势即可。
本实例的上带460是钛-CFRP层叠材料，但是在其他实施例中可进行变化从而包括任何类型的层叠材料，诸如Toray BMS 8-276复合材料、金属块或CFRP等。
图5示出关联于复合地板200的示例性复合地板梁500的横截面剖视图。如图5所示，复合地板梁500具有中心芯部510、上盖530、下盖532、层叠在其上的左和右腹板514、下加强盖534以及定位在梁500上方的左和右二重板520以增加结构支承。
对于本实施例，芯部510是主要由Kevlar或钛制成的高密度蜂窝材料，盖530和532以及腹板514是钛，二重板520由BMS 8-276制成。但是，每个元件510-532的精确组成可根据应用情况而发生变化，只要是必须的或者所需的即可。下加强盖534可由CFRP制成，与由钛或其他金属制成的相比，其可实现更厚的和结构性更坚固/更具有支承力的装置。但是，在其他实施例中，下加强盖534可由CFRP、钛-CFRP层叠件、硼-环氧树脂层叠件或任何其他的适当材料制成。
图6示出金属地板梁502的具体实施例的上-下横截面实施例。金属地板梁502的结构类似于图5，但是也描述了芯部510的具体详细内容。所描述的芯部510包括单层钛片，以正弦模式在厚度TB中成波形。虽然图6描述了正弦波形，但是应该理解，所使用的特定波形可根据应用情况下发生变化以包含Z形模式、方波模式、邻接或间断的圆或椭圆等，在每种具体的形状中都具有不同的优势。另外，可使用其他金属替代以产生具有不同的强度和密度的梁。虽然图6中没有具体示出，但是芯部510与上盖530(未示出)和下盖532二者接触。这些接触位置提供适当的焊接位置以将芯部510焊接至上盖530和下盖532。这种焊接可沿着接触的整个长度延伸或者可更加局部化，例如处于沿着芯部510的间隔点。
图7示出示例性复合地板梁500在定位轨道110跨过地板梁的相交节点处关联于复合地板200的横截面剖视图。如图7所示，地板200和梁500类似于图5所示的情况，但是也明显具有若干不同。例如，地板200虽然类似于图2所示的地板，但是以相对于图2的透视图成90度角观看，示出附接管250的内部。明显地，附接管250具有直接位于梁500上方的加厚部分。另外，梁500具有若干加强的改进：第一改进点在于，双重件520向下延伸，第二改进点在于，将径向填料710加入到上盖530和腹板514的下方，第三改进点在于，具有固紧装置712，对于本实例为螺栓/垫圈/螺母的组合，但是可采用本领域公知的铆钉、螺钉和其他可用的固紧装置。
除了飞行器地板可能需要采用一些固定座位或其他物体的装置，这种飞行器地板本身也需要固定至飞行器框架或其他物体。例如，图8示出饮食柜(galley)附接件800与复合地板100的组合，饮食柜附接件800形成的方式为将负载分布在足够大的区域上从而减小应力断裂或其他故障的可能。如图8所示，饮食柜附接件800包括上饮食柜安装件830和下加强肋810，它们经由螺栓820、螺母822、垫圈824和间隔件832的组合彼此固定以及固定到复合地板200。本实施例的加强肋810可选地由BMS 8-276制成并且具有与地板200接触的表面面积，其宽度足够将可能产生的任何负载分布在地板上，并且避免无益的损害。另外，第二加强肋(或者其他应力分布装置)可加入至地板200的上部和饮食柜安装件830的下部。
在地板可能需要加强、但是不必要固定至任何物体的区域中，可设置任何数量的其他加强肋装置诸如图9的加强肋910。如图9所示，加强肋910不是必须需要延伸穿过地板100厚度的饮食柜安装件并且可借助粘合剂固定至地板200和/或经由一个或多个固紧件712固定至特定位置(这里是定位轨道110的附近)。加强肋910可很大程度上增加地板200的负载能力并且使增加的重量最小。
本发明的许多特征和优势可从详细的说明书中清楚得到，因此，所附的权利要求意在覆盖本发明的所有这种特征和优势，它们落入本发明的真是精髓和范围内。此外，由于本领域技术人员容易得到许多改进和变型方案，所以并不需要将本发明限定为精确的结构以及所示和所述的操作，因此，可使用所有适当的改进方案和等同方案，其落入本发明的范围内。

Claims (27)

1.一种用于飞行器的由轻型复合材料制成的集成地板，包括：
顶层外壳；
设置在顶层外壳下方的底层外壳；以及
设置在顶层外壳与底层外壳之间的第一结构芯部，该第一结构芯部包括蜂窝复合材料。
2.根据权利要求1所述的集成地板，其中，第一结构芯部是低密度芯部。
3.根据权利要求2所述的集成地板，其中，第一结构芯部的密度小于6磅/立方英尺。
4.根据权利要求3所述的集成地板，其中，第一结构芯部包括Nomex和Kevlar其中至少一种。
5.根据权利要求1所述的集成地板，还包括沿着集成地板的长度延伸的一个或多个附接结构，每个附接结构设置成帮助将外部结构固紧至集成地板。
6.根据权利要求1所述的集成地板，其中，每个附接结构设置成帮助将至少一个座位固紧至集成地板。
7.根据权利要求5所述的集成地板，其中，每个附接结构包括中空管。
8.根据权利要求7所述的集成地板，其中，每个中空管基本上为矩形并且包括钛。
9.根据权利要求8所述的集成地板，还包括沿着集成地板的长度延伸的一个或多个第一带，每个第一带位于每个中空管的上方。
10.根据权利要求9所述的集成地板，还包括沿着集成地板的长度延伸的一个或多个第二带，每个第二带位于每个中空管的下方。
11.根据权利要求5所述的集成地板，其中，每个附接结构包括金属带，该金属带中形成有集成的固紧结构。
12.根据权利要求11所述的集成地板，其中，每个附接结构包括设置在相应金属带下方的第二结构芯部，每个第二结构芯部包括蜂窝复合材料并且比第一结构芯部密度更大。
13.根据权利要求2所述的集成结构，还包括设置在顶层外壳与第一结构芯部之间的第二结构芯部，该第二结构芯部包括蜂窝复合材料并且比第一结构芯部密度更大。
14.根据权利要求13所述的集成地板，其中，第二结构芯部的密度大于大约8磅/平方英寸。
15.根据权利要求13所述的集成地板，其中，第二结构芯部包括Nomex、Kevlar和金属的任何一个或多个。
16.根据权利要求1所述的集成地板，其中，顶层外壳包括钛箔片、钛-CFRP层叠材料、纤维玻璃层叠材料、碳-纤维加强塑料片和热塑料片的至少一种。
17.根据权利要求1所述的集成地板，还包括设置在底层外壳下方并且沿着集成地板的宽度延伸的一个或多个地板梁。
18.根据权利要求17所述的集成地板，其中，每个复合地板梁包括基本上平的、薄的部分，具有垂直于底层外壳平面的平面。
19.根据权利要求18所述的集成地板，其中，每个复合地板梁包括蜂窝芯部和覆盖蜂窝芯部的腹板。
20.根据权利要求19所述的集成地板，还包括位于地板梁和附接结构的交接节点处的加强装置。
21.根据权利要求1所述的集成地板，还包括用于将集成地板固紧至另一物体的至少一个加强肋。
22.一种用在飞行器中的集成地板，包括：
顶层外壳；
设置在顶层外壳下方的高密度蜂窝芯部；以及
设置在顶层外壳下方并且固紧至高密度蜂窝芯部的低密度蜂窝芯部。
23.根据权利要求22所述的集成地板，还包括设置在低密度蜂窝芯部下方的底层外壳。
24.根据权利要求23所述的集成地板，还包括设置在底层外壳下方的多个复合梁。
25.一种用在飞行器中的集成地板，包括：
顶层外壳；
固紧至顶层外壳的第一结构装置，用于提供结构支承；以及
固紧至顶层外壳的附接装置，用于将座位附接至集成地板。
26.根据权利要求25所述的集成地板，还包括设置在第一结构装置下方的多个支承装置，用于支承集成地板。
27.根据权利要求25所述的集成地板，还包括抵靠第一结构装置设置的一个或多个附接装置，用于附接或加强集成地板。
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