專利名稱：將結(jié)構(gòu)元件附接至復(fù)合部件的接頭以及包括該接頭的飛機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在飛機(jī)中使用的裝置，特別是涉及將飛機(jī)中的結(jié)構(gòu)元件(structural element)和復(fù)合部件(composite part)附接的接頭(joint,連接件),使得這些接頭承受結(jié)構(gòu)載荷并且具有耐火性。
背景技術(shù)：
目前，由于現(xiàn)在的飛機(jī)設(shè)計(jì)中的重量限制的原因，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中越來越頻繁地使用復(fù)合材料。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一些部件中，將金屬元件與用復(fù)合材料制成的元件相連接。在一些情況中，這些接頭承受來自飛機(jī)的高結(jié)構(gòu)載荷。在這些接頭上出現(xiàn)火災(zāi)的情況中，復(fù)合元件的強(qiáng)度大幅減小，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)在承受高溫的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，對(duì)力(特別是對(duì)垂直力)的強(qiáng)度是非常關(guān)鍵的。因此，在所述情況中，復(fù)合材料元件中的高強(qiáng)度減小會(huì)引起金屬元件從復(fù)合材料元件(其與金屬元件連接)的分離，這將引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)的潛在故障。在這些接頭位于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的情況中，此問題是特別相關(guān)的。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知在結(jié)構(gòu)飛機(jī)元件上使用護(hù)罩或涂層，以防止其起火。通常，這些結(jié)構(gòu)元件包括由低導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成的熱敷層或涂層，以降低將保護(hù)的元件或部件的溫度。然而，這些已知的解決方案存在這樣的問題:在飛機(jī)的總重量上增加重量。除此之夕卜，這些解決方案很昂貴，并需要較強(qiáng)的可維修性修訂，這同樣是很昂貴的。特別是在所連接的飛機(jī)元件是金屬的且由復(fù)合材料制成，并且元件需要耐火，并且承受高載荷(特別是高垂直載荷)的情況中，使用提供由絕緣材料制成的涂層的已知解決方案并不適用，因?yàn)槠浯嬖诟叱杀竞透咧亓康膯栴}。本發(fā)明旨在解決上述缺點(diǎn)，提供一種可適用于下述情況的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種在飛機(jī)中使用的裝置，特別是一種將飛機(jī)中的結(jié)構(gòu)元件和復(fù)合部件附接的接頭，此接頭包括金屬附件并承受結(jié)構(gòu)載荷。根據(jù)本發(fā)明的接頭包括保持裝置(retaining device,擋板裝置，固定裝置),其確保所述接頭的耐火性。根據(jù)本發(fā)明，接頭在其一側(cè)上承受火源，叫做火側(cè)，使得保持裝置位于接頭的與火側(cè)相反的一側(cè)處，叫做冷側(cè)，特別是在飛機(jī)的外側(cè)中，承受外部氣流。本發(fā)明的保持裝置包括與金屬附件接觸的第一表面，此第一表面接收來自金屬附件的載荷，作為對(duì)金屬附件所承受的載荷的反作用載荷，該保持裝置還包括第二表面，該第二表面與飛機(jī)中的復(fù)合部件接觸，特別是與復(fù)合部件的與火源相反的一側(cè)接觸。根據(jù)本發(fā)明，保持裝置的第二表面的面積比保持裝置的第一表面的面積大。通過上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的接頭中的保持裝置用來將在其第一表面中接收的載荷傳遞至其第二表面，該第二表面與復(fù)合部件的與和火源相反的一側(cè)接觸，由此，是與和火源接觸的具有更高溫度的一側(cè)相比具有更低溫度的復(fù)合部件的一側(cè)。因此，本發(fā)明的接頭中的保持裝置將載荷傳遞至具有更低溫度的復(fù)合部件的一側(cè)，該側(cè)與具有更高溫度的一側(cè)相比具有更高的強(qiáng)度。除此之外，因?yàn)榈诙砻娴拿娣e比與金屬附件接觸的第一表面的面積大，作用于復(fù)合部件上的壓力減小。這樣，改進(jìn)了金屬附件和復(fù)合部件之間的接頭性能，因?yàn)閺?fù)合材料中的接頭具有在高溫下以及垂直于復(fù)合表面的力(即，壓力)下工作的關(guān)鍵性能。


本發(fā)明的以上目的和許多相關(guān)優(yōu)點(diǎn)將變得更容易理解，因?yàn)楫?dāng)結(jié)合附圖時(shí)參考以下詳細(xì)描述其變得更好理解，附圖中:圖1示出了根據(jù)已知的現(xiàn)有技術(shù)的接頭的剖視圖，該接頭承受將金屬元件和復(fù)合材料元件附接的結(jié)構(gòu)載荷。圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的圖1的接頭在承受火時(shí)的剖視圖，還示出了在該結(jié)構(gòu)和接頭中的熱量分布。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的接頭中的主要部件的剖視圖，該接頭將飛機(jī)中的結(jié)構(gòu)元件附接至復(fù)合部件，具有耐火性。
具體實(shí)施例方式在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一些部件中，如圖1所示，需要將結(jié)構(gòu)元件10 (典型地是金屬的)與由復(fù)合材料制成的元件或部件20連接。在一些情況中，這些結(jié)構(gòu)元件10承受來自飛機(jī)的高結(jié)構(gòu)載荷30。通常，通過金屬附件40 (典型地是鉚釘或螺栓)將結(jié)構(gòu)元件10與復(fù)合部件20連接。在火災(zāi)的情況中，復(fù)合部件20的強(qiáng)度大幅減小，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)在承受高溫的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，對(duì)力(特別是對(duì)垂直力)的強(qiáng)度是非常關(guān)鍵的，如圖1和圖2中所示現(xiàn)有技術(shù)中的情況一樣。行業(yè)中的一般習(xí)慣是，通過使用熱敷層或涂層(包括低導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣材料以降低所保護(hù)的部件上的溫度)來保護(hù)承受火的結(jié)構(gòu)元件10。如上所述，當(dāng)存在通過金屬附件40而連接至復(fù)合部件20的結(jié)構(gòu)元件10時(shí),如圖1所示，在暴露于火的復(fù)合航空結(jié)構(gòu)(特別是碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)航空結(jié)構(gòu))中發(fā)現(xiàn)問題。結(jié)構(gòu)元件10所承受的載荷30將力31、32和33、34引導(dǎo)至金屬附件40中。這使得復(fù)合部件20必須經(jīng)受垂直于復(fù)合外殼(skin，蒙皮)的力(對(duì)31和33的反作用力)。更特別地，應(yīng)特別關(guān)注對(duì)復(fù)合部件20上的力33的反作用，這將拉動(dòng)復(fù)合外殼(拉脫載荷)。如果起火，那么金屬附件40將把火溫傳遞至復(fù)合部件20周圍的復(fù)合外殼。如圖2所示，在金屬附件40承受來自暴露于火的高溫的情況中，復(fù)合部件20的區(qū)域400中的溫度可能變得接近或高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。在此情況中，金屬附件40周圍的復(fù)合部件20的區(qū)域400中的局部外殼的強(qiáng)度減小，并且可能無法經(jīng)受對(duì)復(fù)合部件20上的力33的反作用。這會(huì)產(chǎn)生區(qū)域400與復(fù)合部件20中的復(fù)合外殼的分離，從而導(dǎo)致航空結(jié)構(gòu)的潛在故障。因此，本發(fā)明的目的是，提供一種承受結(jié)構(gòu)載荷的接頭，該接頭將結(jié)構(gòu)元件10 (典型地是金屬的)附接至復(fù)合部件20，該接頭包括金屬附件40，并在其一側(cè)(火側(cè))上承受火源。根據(jù)本發(fā)明，該接頭包括保持裝置50，對(duì)這些接頭提供耐火保護(hù)(見圖3)。
根據(jù)本發(fā)明，該接頭在其一側(cè)(火側(cè))上承受火源，使得保持裝置50位于飛機(jī)的與火源相反的一側(cè)中，冷側(cè)(見圖3)，特別是在飛機(jī)的外側(cè)中，承受外部氣流60的作用。保持裝置50包括與金屬附件40接觸的第一表面51，此第一表面51接收來自金屬附件40的載荷，作為對(duì)金屬附件40所承受的載荷的反作用載荷，該保持裝置還包括第二表面52，該第二表面與飛機(jī)中的復(fù)合部件20接觸，特別是與復(fù)合部件20的與火源相反的一側(cè)接觸。根據(jù)本發(fā)明，保持裝置50的第二表面52的面積比保持裝置50的第一表面51的面積大。通過上述結(jié)構(gòu)，保持裝置50用來將在其第一表面51中接收的載荷傳遞至其第二表面52，該第二表面與復(fù)合部件20的與火源相反的一側(cè)接觸，由此，是與和火源接觸的具有更高溫度的一側(cè)相比具有更低溫度的復(fù)合部件20的一側(cè)。因此，保持裝置50將載荷傳遞至復(fù)合部件20的具有更低溫度的一側(cè)，與包圍金屬附件40的復(fù)合部件20的區(qū)域400相比具有更高的強(qiáng)度。除此之外，由于第二表面52的面積比與金屬附件40接觸的第一表面51的面積大，所以作用于復(fù)合部件20上的壓力減小。這樣，改進(jìn)了金屬附件40和復(fù)合部件20之間的接頭性能，因?yàn)閺?fù)合材料的接頭具有在高溫下以及垂直于復(fù)合表面的力(即，壓力)下工作的關(guān)鍵性能。本發(fā)明的接頭中的保持裝置50通過以下方式解決上述問題:a)將復(fù)合部件20上的拉脫載荷(pull-out load)重新分配至復(fù)合外殼的未損壞的表面:本領(lǐng)域中已知的解決方案僅依賴于與金屬附件40的頭部接觸的區(qū)域上的復(fù)合外殼的強(qiáng)度；然而，高溫會(huì)損壞復(fù)合部件20的此周圍區(qū)域，或者此周圍區(qū)域具有減小的(降低的)強(qiáng)度。所提出的本發(fā)明將此拉脫載荷傳遞至處于更好的機(jī)械條件中的復(fù)合外殼的更大表面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這在復(fù)合部件20的結(jié)構(gòu)中是非常關(guān)鍵的，在那里對(duì)垂直力的強(qiáng)度由于火溫的原因而大幅減小。b)在與火相反的一側(cè)中存在外部氣流60的情況中(在大多數(shù)情況中適用，因?yàn)槠涫钦ｏw行條件，具有外部氣流)，本發(fā)明利用此通風(fēng)在金屬附件40和復(fù)合部件20之間建立冷附接。此事實(shí)的相關(guān)性是，復(fù)合外殼對(duì)高溫非常敏感，并且當(dāng)其達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時(shí)損失其機(jī)械特性。本發(fā)明的接頭在復(fù)合部件20的冷側(cè)上設(shè)置有保持裝置50，符合以下要求:-保持裝置50將附接載荷傳遞至復(fù)合部件20的未承受火的一側(cè)(冷側(cè))；-與和火源相反的復(fù)合部件20的一側(cè)接觸的第二表面52的區(qū)域，比與對(duì)保持裝置50傳遞載荷的金屬附件40接觸的第一表面51的總面積大,特別是第一表面51的總面積三倍大；-保持裝置50的材料必須具有高導(dǎo)熱系數(shù)，特別是大于10W/mK。接頭中的保持裝置50通過以下方式提供有效傳熱:由于保持裝置50中的材料的高導(dǎo)熱系數(shù)而在金屬附件40上的傳導(dǎo)傳熱，以及由于與冷側(cè)上的空氣接觸的更大總面積的對(duì)流傳熱，從而降低接頭的所有金屬部件(典型地，金屬附件和結(jié)構(gòu)元件10)的溫度，并由此減小穿過復(fù)合部件20的包圍金屬附件40的面積400以及穿過與復(fù)合部件20的冷側(cè)接觸的保持裝置50的第二表面52而朝向復(fù)合部件20的傳熱。此外，在存在外部氣流60的情況下(通常的飛行條件)，與保持裝置50的高導(dǎo)熱系數(shù)以及由于強(qiáng)制對(duì)流和暴露于冷外部氣流60的更大表面而產(chǎn)生的增強(qiáng)傳熱一起，提供了結(jié)構(gòu)元件10與復(fù)合部件20的冷附接。除此之外，根據(jù)航空航天法規(guī)，特別是符合IS02685，AC20-135標(biāo)準(zhǔn)，用本發(fā)明的接頭的保持裝置50進(jìn)行耐火試驗(yàn)是有效的。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式充分描述了本發(fā)明，但是顯而易見的是，可能在其范圍內(nèi)引入改變，不考慮由這些實(shí)施方式限制本發(fā)明，而是由以下權(quán)利要求的內(nèi)容進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種將結(jié)構(gòu)元件(10)附接至復(fù)合部件(20)的接頭，所述接頭包括金屬附件(40)，所述接頭在其一側(cè)上承受火源，所述一側(cè)為火側(cè)，其特征在于，所述接頭包括保持裝置(50)，所述保持裝置位于所述接頭的與所述火側(cè)相反的一側(cè)，即冷側(cè)，所述保持裝置(50)包括與所述金屬附件(40)接觸的第一表面(51)，以及與所述復(fù)合部件(20)接觸的第二表面(52)，所述第二表面(52)的面積比所述第一表面(51)的面積大，所述保持裝置(50)由高導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接頭，其中，所述第二表面(52)的面積是所述第一表面(51)的面積的至少三倍大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述保持裝置(50)的材料具有至少10W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述復(fù)合部件(20)被設(shè)計(jì)為在比其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)低的溫度條件下工作。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，在所述冷側(cè)上存在氣流(60)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述金屬附件(40)是鉚釘或螺栓。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述復(fù)合部件(20)中的復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)聚合物。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述復(fù)合部件(20)中的復(fù)合材料具有處于50°C至95°C的范圍中的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述復(fù)合部件(20)中的復(fù)合材料形成飛機(jī)的外殼。
10.一種飛機(jī)，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的接頭。
全文摘要
一種將結(jié)構(gòu)元件(10)附接至復(fù)合部件(20)的接頭，該接頭包括金屬附件(40)，此接頭在其一側(cè)上承受火源，所述一側(cè)為火側(cè)，該接頭包括保持裝置(50)，該保持裝置位于接頭的與火側(cè)相反的一側(cè)，即冷側(cè)，保持裝置(50)包括與金屬附件(40)接觸的第一表面(51)，以及與復(fù)合部件(20)接觸的第二表面(52)，該第二表面(52)的面積比第一表面(51)的面積大，保持裝置(50)由高導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成。本發(fā)明還涉及一種包括這種接頭的飛機(jī)。
文檔編號(hào)F16B1/00GK103213668SQ201310026058
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月24日
發(fā)明者費(fèi)爾南多·坎波卡巴萊羅, 呂本·阿拉戈內(nèi)塞斯曼索 申請(qǐng)人:Eads飛機(jī)設(shè)計(jì)有限公司