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ES2371951A1 - Disposición de junta de elementos estructurales de un material compuesto. - Google Patents

Disposición de junta de elementos estructurales de un material compuesto. Download PDF

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ES2371951A1 ES200900810A ES200900810A ES2371951A1 ES 2371951 A1 ES2371951 A1 ES 2371951A1 ES 200900810 A ES200900810 A ES 200900810A ES 200900810 A ES200900810 A ES 200900810A ES 2371951 A1 ES2371951 A1 ES 2371951A1
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Abstract

Disposición de junta de elementos estructurales de un material compuesto en componentes que comprende un revestimiento y una pluralidad de elementos estructurales, aplicable a parejas de un primer y un segundo elemento estructural (11, 21) que se cruzan, tales como una viga y una cuaderna en un fuselaje de una aeronave, teniendo ambos elementos una configuración que incluye unas almas (31, 41), unas faldillas interiores (33, 43) Y unas faldillas exteriores (35, 45), en la que en la zona de cruce entre dichos elementos (11, 21) el laminado de una ó las dos faldillas (33, 35) del primer elemento (11) incluye unas solapas transversales (53, 55; 57, 59) que se unen a una o las dos faldillas (43, 45) de los extremos de los segmentos (23, 25) del segundo elemento (21) que quedan separados en el cruce, sirviendo de medios de paso de cargas entre ellos.

Description

Disposición de junta de elementos estructurales de un material compuesto.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una disposición de junta de elementos estructurales de material compuesto y, más particularmente, a una disposición de junta de elementos estructurales de un componente del fuselaje de una aeronave.
Antecedentes de la invención
En la actualidad y particularmente en la industria aeronáutica se utilizan de forma masiva materiales compuestos de matriz orgánica y fibras continuas principalmente basadas en resinas epoxídicas y fibras de carbono en una gran diversidad de elementos estructurales.
Las estructuras aeronáuticas exigen, como es bien conocido, la integración de diversos elementos estructurales. Por ejemplo, los fuselajes requieren la integración del revestimientos con diversos elementos estructurales tales como vigas, cuadernas o larguerillos. A diferencia de lo que sucedía cuando se utilizaban materiales metálicos en los que prácticamente solo existía la opción de uniones mecánicas para la integración de los diversos elementos estructurales de un determinado componente, los materiales compuestos permiten que esa integración pueda realizarse también mediante uniones químicas.
En ciertos componentes aeronáuticos con parejas de elementos que se cruzan se plantea el problema de cómo conseguir una disposición de junta que permita la continuidad de la carga que soporta o conduce el elemento de la pareja que se interrumpe en el cruce. En la sección trasera del fuselaje de las aeronaves están presenten componentes de ese tipo en los que se cruzan en toda su longitud larguerillos, cuadernas y vigas.
En la técnica conocida, ese problema se resuelve con una disposición de junta entre los dos elementos estructurales que utiliza una pieza adicional unida tanto a los dos segmentos del elemento interrumpido (una cuaderna en el ejemplo mencionado) como al otro elemento estructural (una viga en el ejemplo mencionado).
En un mercado cada vez más competitivo, resulta una necesidad producir estructuras lo más optimizadas posibles y en el menor tiempo posible. En general se puede considerar que una gran integración de elementos en un solo ciclo de fabricación, lleva implícito un sistema de utillaje complejo pero facilita la optimización en peso del componente y elimina costes recurrentes al eliminar operaciones de montaje. En el lado contrario, la fabricación de elementos simples que se unen en un proceso final de unión encolada o remachada suele implicar utillajes mucho más simples a costa normalmente de un aumento de peso. En este marco, resulta deseable la reducción del número de piezas en zona de cruce de dichos elementos estructurales y la simplificación de su proceso de montaje.
La presente invención está orientada a la satisfacción de esa demanda.
Sumario de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar una disposición de junta en una intersección de elementos estructurales fabricados con un material compuesto que facilite la fabricación de un componente que incluya una pluralidad de elementos estructurales que se cruzan como una pieza unitaria.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una disposición de junta en una intersección de elementos estructurales fabricados con un material compuesto que facilite la optimización en peso de un componente que incluya una pluralidad de elementos estructurales que se cruzan.
En un componente realizado en un material compuesto que comprende un revestimiento y una pluralidad de elementos estructurales tales como vigas y cuadernas, esos y otros objetos se consiguen con una disposición de junta entre parejas de un primer y un segundo elemento estructural que se cruzan, teniendo ambos elementos estructurales una configuración que incluye unas almas y unas faldillas interiores y exteriores y quedando el segundo elemento separado en dos segmentos en la zona de cruce, en la que en la zona de cruce entre dichos elementos estructurales el laminado de las dos faldillas del primer elemento, ó solo el de la faldilla interior, incluye unas solapas transversales que se unen a los extremos de los segmentos del segundo elemento, sirviendo de medios de paso de cargas entre ellos.
En una realización preferente de la presente invención dichas solapas se conforman con extensiones de aquellas telas del laminado de las faldillas del primer elemento que están orientadas a 90º en relación con su dirección longitudinal. Se consigue con ello una disposición de junta que permite la continuidad de carga en el segundo elemento en la zona de cruce que posibilita la fabricación del componente como una pieza unitaria utilizando un medio presente en el primer elemento.
En otra realización preferente de la presente invención el componente pertenece al fuselaje de una aeronave y dichos primer y segundo elementos son, respectivamente, vigas y cuadernas del mismo. Se consigue con ello optimizar el proceso de fabricación de dicho fuselaje.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa del objeto de la invención en relación a las figuras adjuntas.
Descripción de las figuras
Las Figuras 1a y 1b son, respectivamente, vistas en perspectiva y en planta de una disposición de junta conocida en la técnica entre una viga y una cuaderna de un componente de un fuselaje de una aeronave.
Las Figuras 2a y 2b son, respectivamente, vistas en perspectiva y en planta de una disposición de junta según la presente invención entre una viga y una cuaderna de un componente de un fuselaje de una aeronave.
La Figura 3 muestra esquemáticamente la estructura del laminado del ala interior de la viga.
La Figura 4 muestra esquemáticamente las extensiones del laminado del ala de la viga en la zona de cruce con la cuaderna.
La Figura 5 muestra esquemáticamente el paso de cargas a lo largo de la cuaderna con la disposición de junta según la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Describiremos una realización de la invención para el caso de una disposición de junta de una viga 11 y una cuaderna 21 de un fuselaje de aeronave, realizadas ambas con un material compuesto de fibra de carbono reforzada con plástico (CFRP). La viga 11 tiene una sección transversal en forma de doble T y la cuaderna 21 una sección transversal en forma de C con, respectivamente, almas 31, 41, faldillas ó alas interiores 33, 43 y faldillas ó alas exteriores 35, 45.
Como bien comprenderá el experto en la materia la invención es aplicable a disposiciones de juntas de elementos estructurales de otras configuraciones y en particular a configuraciones en las que el segundo elemento 21 tiene forma de doble T ó Z, es decir configuraciones con almas y faldillas similares a los efectos de la presente invención a las de la configuración en forma de C.
En primer lugar, describiremos una disposición de junta según la técnica conocida en referencia a las Figuras 1a y 1b. En la zona de cruce con la viga 11, la cuaderna 21 se interrumpe dando lugar a dos segmentos diferentes 23, 25 creando una discontinuidad en su ala interior 43 y su ala exterior 45. Por su parte el ala exterior 35 de la viga 11 y el ala exterior 45 de los dos segmentos 23, 25 de la cuaderna 21 se unen al revestimiento 9.
Pues bien, en una disposición de junta conocida se da continuidad al ala interior 43 de la cuaderna 21 mediante una pieza adicional 15, típicamente un angular, que se remacha tanto a las alas interiores 43 de los segmentos 23, 25 de la cuaderna 21 como al ala interior 33 de la viga 11. Esa disposición de junta repercute negativamente en el peso del conjunto, al introducir el peso adicional de la pieza 15 y el peso de sus elementos de remache a la viga 11 y a la cuaderna 21 y en el tiempo dé fabricación al ser necesarias operaciones de adicionales de montaje.
Según una realización preferente de la presente invención y como se ilustra en las Figuras 2a y 2b, la disposición de junta entre la viga 11 y la cuaderna 21 se lleva a cabo mediante unas primeras solapas transversales 53, 55 del laminado del ala interior 33 de la viga 11 que se unen al ala interior 43 de los segmentos 23, 25 de la cuaderna 21 y unas segundas solapas transversales 57, 59 del laminado del ala exterior 35 de la viga 11 que se unen al ala exterior 45 de los segmentos 23, 25 de la cuaderna 21, sirviendo de medios para el paso de cargas de una a otra de las alas interiores 43 y las alas exteriores 45 de dichos segmentos 23, 25.
Como se muestra en las Figuras 2a y 2b tanto los extremos del ala interior 43 de los segmentos 23 y 25 de la cuaderna 21 como las solapas 53 y 55 tienen una planta trapecial. Con esa forma se busca por un lado que la carga que puedan inducir de un elemento a otro no sea brusca, en este caso el ángulo es de 45º. Por otro lado se amplia la zona de solape para tener mayor área de pegado por la que transferir la carga y en caso necesario de reparación de la zona.
Como es bien sabido los laminados de los distintos elementos de la viga 11 y la cuaderna 21 implican la colocación de telas de material compuesto en ciertas direcciones, en concreto a 0º, 90º, 45º y -45º. El número de capas (espesor) y su disposición en unas direcciones u otras se determinan en función de consideraciones resistentes.
En una realización preferente de la invención ilustrada en las Figuras 4 y 5 puede observarse que las primeras solapas transversales 53, 55 están conformadas básicamente con unas extensiones 61 de las telas a 90º del laminado de ala interior 33 que se muestra esquemáticamente en la Figura 3. Esas telas no tienen una función resistente en el ala 33 (esa función la cumplen las telas a 0º, es decir con las fibras de carbono orientadas en la dirección longitudinal de la viga 11).
En la dirección de la cuaderna 21 las solapas 53, 55 tienen unas zonas de transición 63, 65 de sección trapecial en la que se van cortando convenientemente las telas de orientación distinta a 90º y unas zonas planas 73, 75 con únicamente telas a 90º. Aunque en las Figuras 3, 4 y 5 solo se han representado telas a 0º y 90º por razones de simplicidad, el apilado de la faldillas 33 podría tener telas intercaladas con distintas orientaciones, p. ej, 45º, 45º, 45º, 45º, 45º, 0º, 0º, 90º, 0º, 0º y simétricas. Para la formación de las solapas se cortarían primero todas las telas interiores menos las de 90º, las de 90º se cortarían a continuación, y quedarían por último las capas exteriores 81, 83 por el interior y el exterior de la faldilla 33 de la viga 11 que cubrirían todo el paquete.
En una realización preferente de la invención se considera que el número mínimo de telas a 90º de las primeras solapas 53, 55 debe ser igual al número de telas a 0º del ala interior 43 del segundo elemento al que se unen.
En la Figura 5 se muestra claramente la vía 69 de paso de carga entre los segmentos de cuaderna 21 que se consigue con la disposición de junta según la presente invención.
Lo dicho anteriormente en relación a las primeras solapas transversales 53, 55 es aplicable a las segundas solapas transversales 57, 59.
Según otra realización preferente de la presente invención la disposición de junta entre la viga 11 y la cuaderna 21 solo incluiría las primeras solapas transversales 53, 55 del laminado del ala interior 33 de la viga 11 unidas al ala interior 43 de los segmentos 23, 25 de la cuaderna 21. El paso de cargas entre las alas exteriores 45 del segundo elemento 21 se haría, en este caso, a través del revestimiento 9.
La disposición en junta según la presente invención admite varias formas de realización en cuanto a la unión de las solapas 53, 55, 57, 59 a las alas 43, 45 del segundo elemento 21.
En una realización preferente se utiliza una unión química utilizando proceso RTM ("Resin Transfer Moulding"), es decir un proceso de moldeo cerrado con inyección de resina.
En otra realización preferente se utiliza una unión química utilizando un proceso de co-curado, es decir un proceso de moldeo abierto con bolsa de vacío.
En otra realización preferente se utiliza una unión mecánica mediante remaches.
Así pues, una ventaja de la presente invención es que disminuye el tiempo del proceso de fabricación ("lead time") al no necesitarse operaciones de montaje de piezas adicionales.
Otra ventaja de la presente invención en la disminución del peso de la pieza al no necesitarse piezas adicionales.
En la realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

1. Disposición de junta en un componente realizado en material compuesto que comprende un revestimiento y una pluralidad de elementos estructurales, aplicable a parejas de un primer y un segundo elemento estructural (11, 21) que se cruzan, teniendo ambos elementos una configuración que incluye unas almas (31, 41), unas faldillas interiores (33, 43) y unas faldillas exteriores (35, 45), y quedando el segundo elemento (21) separado en dos segmentos (23, 25) en la zona de cruce, caracterizada porque en la zona de cruce entre dichos elementos (11, 21) el laminado de la faldilla interior (33) del primer elemento (11) incluye unas primeras solapas transversales (53, 55) que se unen a la faldilla interior (43) de los extremos de los segmentos (23, 25) del segundo elemento (21), sirviendo de medios de paso de cargas entre ellos.
2. Disposición de junta, según la reivindicación 1, caracterizada porque en la zona de cruce entre dichos elementos (11, 21) el laminado de la faldilla exterior (35) del primer elemento (11) incluye unas segundas solapas transversales (57, 59) que se unen a la faldilla exterior (45) de los extremos de los segmentos (23, 25) del segundo elemento (21), sirviendo de medios de paso de cargas entre ellos.
3. Disposición de junta, según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizada porque dichas segundas solapas transversales (57, 59) y/o dichas primeras solapas transversales (53, 55) comprenden en toda su longitud extensiones de las telas del laminado de la faldilla exterior (35) y/o extensiones de las telas del laminado de la faldilla interior (33) del primer elemento (11) que están orientadas a 90º en relación con su dirección longitudinal.
4. Disposición de junta, según la reivindicación 3, caracterizada porque el número de dichas telas orientadas a 90º de segundas solapas transversales (57, 59) y/o dichas primeras solapas transversales (53, 55) debe ser al menos igual al número de telas orientadas a 0º en la faldilla exterior (45) y/o en la faldilla interior (43) del segundo elemento (21).
5. Disposición de junta según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque la unión de dichas segundas solapas (57, 59) y/o dichas primeras solapas (53, 55) a las faldillas exteriores (45) y/o a las faldillas interiores (43) del segundo elemento (21) se lleva a cabo durante la etapa de consolidación del material compuesto en un proceso de fabricación del componente como una pieza unitaria.
6. Disposición de junta según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque la unión de dichas segundas solapas (57, 59) y/o dichas primeras solapas (53, 55) a las faldillas exteriores (45) y/o a las faldillas interiores (43) del segundo elemento (21) se lleva a cabo por medios mecánicos.
7. Disposición de junta según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizada porque el primer elemento (11) está configurado en forma de doble T y porque el segundo elemento (21) está configurado en una de las siguientes formas: C, doble T, Z.
8. Disposición de junta según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizada porque en la zona de cruce con el primer elemento (11) la faldilla exterior (45) y/o la faldilla interior (43) de los segmentos (23, 25) del segundo elemento (21) así como dichas segundas solapas (57, 59) y/o dichas primeras solapas (53, 55) tienen planta trapecial, siendo su base mayor la contigua al primer elemento (11).
9. Disposición de junta según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizada porque dicho componente pertenece al fuselaje de una aeronave y dichos primer y segundo elementos (11, 21) son, respectivamente, las vigas y cuadernas del mismo.
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