ES2606709T3 - Cajón de torsión multilarguero rigidizado - Google Patents
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Abstract
Estructura integrada de cajón de torsión (1) multilarguero de material compuesto para aeronave, que comprende un revestimiento inferior (13), un revestimiento superior (12) y varios largueros (9) que definen una pluralidad de celdas (14), caracterizada por que la estructura integrada no comprende costillas, en la que la primera celda (19) se define como la más próxima a las entradas de cargas locales en el cajón (1) resultantes de la sujeción y apoyo de herrajes (11) o soportes y está abierta por un lado para permitir el montaje, en la que la estructura integrada además comprende dos contra herrajes (26, 27) unidos entre sí en diagonal, estando cada uno de ellos unido a un revestimiento (12, 13) y a un larguero (9) respectivo de la primera celda (19) del cajón de torsión (1) en puntos de introducción de carga concentrada que proporcionan al cajón de torsión (1) la rigidez a torsión necesaria para evitar las deformaciones que aparecen a causa de dichas cargas locales.
Description
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DESCRIPCION
Cajon de torsion multilarguero rigidizado Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a una estructura de cajon de torsion multilarguero rigidizado para estructuras aeronauticas de superficies sustentadoras.
Antecedentes de la invencion
Es comunmente conocido que la industria aeronautica requiere estructuras que por una parte soporten las cargas a las que son sometidas, cumpliendo altas exigencias de resistencia y rigidez, y por otra parte sean lo mas ligeras posibles. Una consecuencia de este requisito es el uso cada vez mas extendido de los materiales compuestos en estructuras primarias, los cuales bien aplicados puede suponer un importante ahorro de peso frente al diseno metalico.
Especialmente las estructuras integradas han demostrado ser muy eficientes en este sentido. Se habla de estructura integrada cuando los distintos elementos estructurales sometidos a diferentes esfuerzos (cortantes, normales, etc.), estan fabricados de una vez o parten de una misma pieza. Esta es otra ventaja del uso de los materiales compuestos, que por su condicion de capas independientes que se pueden ir apilando en la forma deseada, ofrecen la posibilidad de integrar mas y mas la estructura, lo que ademas provoca a menudo un ahorro de costes -igualmente esencial a la hora de competir en el mercado- al tener menos piezas individuales que ensamblar.
Por otra parte, una estructura muy integrada conlleva tambien una serie de problemas que han de ser resueltos para completar su eficacia. Uno de ellos es la poca accesibilidad con la que nos vamos a encontrar para montar elementos en el interior que no se puedan integrar, como pueden ser los soportes de sistemas, equipos, y elementos especlficos para transmitir localmente cargas concentradas y optimizar la estructura.
En los ultimos anos se han dedicado grandes esfuerzos para conseguir un nivel cada vez mas alto de integracion en la produccion de alas en material compuesto.
La estructura principal de las superficies sustentadoras de los aviones se compone de borde ataque, cajon de torsion y borde de salida. El cajon de torsion es una estructura tlpica compuesta por panel superior y panel inferior de paredes delgadas, y largueros anterior y posterior. Dentro del cajon de torsion podemos encontrar elementos estructurales como costillas, largueros adicionales y elementos rigidizadores longitudinales o transversales en algunos de estos componentes.
Dependiendo de los requerimientos estructurales, de fabricacion, de mantenimiento, certificacion, etc. todos estos elementos pueden ser o no imprescindibles, y resultar mas o menos eficaces.
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La estructura mas utilizada actualmente para un cajon de torsion se compone, interiormente entre los largueros anterior y posterior, de varias costillas transversales, cuyas funciones principales son: dar rigidez a torsion, limitar longitudinalmente los revestimientos y los larguerillos para discretizar las cargas de pandeo, mantener la forma de la superficie aerodinamica y soportar introducciones locales de carga resultantes de herrajes de actuadores, rodamientos de apoyo y dispositivos similares que se sujetan directamente a la costilla.
El documento US 2005/0236524 A1 describe una estructura integrada de cajon de torsion de material compuesto, en la que las estructuras de semicasco se encuentran formadas de manera integral, comprendiendo dichas estructuras de semicasco un recubrimiento y elementos rigidizadores tales como larguerillos y costillas
Otro concepto estructural de un cajon de torsion es el “multilarguero”, donde en un principio se prescinde de las costillas y se introducen varios largueros. Estos largueros interiores pueden cumplir algunas de las funciones que las costillas desempenan en el primer concepto, sin embargo, la cuestion de transmitir cargas transversales muy concentradas en los puntos de apoyo prescindiendo de una costilla propiamente dicha queda por resolver, aspecto este necesario dado que la estructura multilarguero pura tiende a deformarse como resultado de la torsion que estas cargas transversales producen.
El documento US 416277 describe una construccion de cajon de ala de aeronave que incluye mallas de largueros de hoja de metal inclinada unidos continuamente a los recubrimientos superior e inferior. Los rigidizadores intercostales de hoja de metal de configuracion sustancialmente triangular estan espaciados a lo largo de la malla en la direccion mayor del ala para proporcionar un refuerzo de cizalla para la malla y una estabilizacion intermitente para el recubrimiento superior. Tanto la banda de cizalladura como los rigidizadores intercostales estan sujetos a tapas de larguero continuas en la direccion mayor del ala que estan unidas a los recubrimientos superior e inferior. Estas tapas, soportadas por los intercostales y las mallas, proporcionan una estabilizacion suficiente para evitar el pandeo del recubrimiento superior hasta el esfuerzo ultimo de diseno con un mlnimo de mallas de cizallamiento, proporcionando as! ahorros de peso.
Tal y como se ha mencionado, el concepto de cajon multilarguero como tal tiende a ser poco rlgido a torsion. Es necesaria, por tanto, una optimizacion de la estructura en este sentido para que trabaje de manera eficaz, con la dificultad anadida de que la accesibilidad para realizar a posteriori las operaciones de montaje es escasa si la estructura ha sido altamente integrada.
Conceptos de diseno innovadores para solucionar esta cuestion son el objeto de la presente invencion.
Sumario de la invencion
Asl, la presente invencion se refiere a un concepto de diseno de contra-herraje para reforzar estructuras de cajon de torsion multilarguero, donde la falta de costillas propiamente dichas dificulta las entradas locales de carga. El principal campo de aplicacion de la invencion es el de estructuras aeronauticas de superficies sustentadoras, si bien la invencion se puede aplicar igualmente a otras estructuras con caracterlsticas similares.
El objetivo de esta invencion es la concepcion de elementos estructurales en puntos de introducciones concentradas de carga para un cajon de torsion sin costillas. Estos elementos van a proporcionar la rigidez a torsion necesaria para
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evitar las deformaciones que aparecen a causa de cargas locales resultantes de la sujecion y apoyo de herrajes, soportes, etc.
Otras caracterlsticas y ventajas de la presente invencion se desprenderan de la descripcion detallada que sigue de una realizacion ilustrativa de su objeto en relacion con las figuras que se acompanan.
Descripcion de las figuras
La Figura 1 muestra el cajon de torsion del estabilizador horizontal de un avion de transporte con una estructura multicostilla tlpica conocida.
La Figura 2 muestra la configuracion conocida de un cajon de torsion en el que los que soportes y herrajes estan unidos directamente a las costillas, donde la rigidez de la estructura es maxima.
La Figura 3 muestra el interior del ala de un avion militar, con estructura de cajon de torsion multilarguero conocida.
La Figura 4 muestra esquematicamente un corte transversal de la estructura multilarguero de un cajon de torsion y la deformacion resultante debida a cargas tlpicas conocidas.
La Figura 5a muestra un conjunto de escuadras para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero, no cubierto por la presente invencion.
La Figura 5b muestra un conjunto de escuadras combinadas con barras en diagonal para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero, no cubierto por la presente invencion.
La Figura 6a muestra un ejemplo de contra herrajes con union a dos caras para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero, segun una realizacion de la presente invencion.
La Figura 6b muestra un ejemplo de contra herrajes con union a una sola cara para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero, no cubierto por la presente invencion.
La Figura 7 muestra la disposicion del conjunto de escuadras para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero.
La Figura 8 muestra la disposicion del conjunto de escuadras combinadas con barras en diagonal para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero.
La Figura 9 muestra la disposicion de contra herrajes con union a dos caras para rigidizar la estructura a torsion de un cajon de torsion multilarguero segun una realizacion de la presente invencion.
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Descripcion detallada de la invencion
Segun se observa en la Figura 1, la estructura mas utilizada actualmente para un cajon de torsion 1 se compone, interiormente entre los largueros anterior 2 y posterior 3, de varias costillas transversales 4, cuyas funciones principales son: dar rigidez a torsion, limitar longitudinalmente los revestimientos y los larguerillos 5 para discretizar las cargas de pandeo, mantener la forma de la superficie aerodinamica y soportar introducciones locales de carga resultantes de dispositivos estabilizadores 6, soportes de articulacion longitudinales 7 y tornillos de soporte 8, que se sujetan directamente a las costillas 4 (Figura 2).
Otro concepto estructural de un cajon de torsion es el “multilarguero”, segun se muestra en la Figura 3, donde en un principio se prescinde de las costillas 4 y se introducen varios largueros 9. Estos largueros interiores pueden cumplir algunas de las funciones que las costillas 4 desempenan en el primer concepto (Figuras 1 y 2), sin embargo, la cuestion de transmitir cargas transversales muy concentradas en los puntos de apoyo prescindiendo de una costilla 4 propiamente dicha queda por resolver, aspecto este necesario dado que la estructura multilarguero pura tiende a deformarse como resultado de la torsion que estas cargas transversales producen.
Asl, el objetivo de la presente invencion es la concepcion de elementos estructurales en puntos de introducciones concentradas de carga para un cajon de torsion 1 sin costillas 4. Estos elementos estructurales proporcionan al cajon de torsion 1 la rigidez a torsion necesaria para evitar las deformaciones que aparecen a causa de cargas locales resultantes de la sujecion y apoyo de herrajes 11, soportes, etc.
El cajon de torsion 1 multilarguero 9 del que partimos para la presente invencion se compone de los revestimientos superior 12 e inferior 13, que son los elementos que cierran el cajon 1 superior e inferiormente, y se caracterizan por soportar principalmente cargas de compresion-traccion y cortadura, Fres1, Fres2 y Fres3, en el plano. Para conseguir la suficiente rigidez de las celdas 14 del cajon de torsion 1 y estabilizarlas a pandeo, sin aumentar su espesor, se han introducido larguerillos 17, 18. Los larguerillos 17, 18 asumen tambien parte de los flujos longitudinales resultantes de momentos de flexion.
Por otra parte estan los multiples largueros 9, que son, al igual que los revestimientos 12 y 13, estructuras tlpicas de pared delgada. Han de soportar mayoritariamente cargas de flexion y torsion. De una manera simplificada, los flujos de cortadura resultantes seran soportados por el alma 15 del larguero 9, mientras que los pies 16 o cordones de los largueros 9 soportaran las cargas de traccion y compresion que resultan de la flexion del cajon de torsion 1.
Por lo tanto, el cajon 1, desde el punto de vista estructural, se compone de:
• Revestimiento inferior 13
• Revestimiento superior 12
• Varios largueros 9, que a su vez se componen de
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o Cordon 16
o Alma 15
• Varios larguerillos 17 en el revestimiento superior 12
• Varios larguerillos 18 en el revestimiento inferior
Cuando una estructura 1 tal esta sometida a cargas transversales excentricas Fapl tiende a deformarse como se muestra en la Figura 4. Esta situacion de esfuerzos es un caso tlpico en superficies sustentadoras de aeronaves. Una costilla 4 tradicional en estas zonas mas crlticas serla una manera de proporcionar mas rigidez y evitar deformaciones fuera de las admisibles, pero al tratarse aqul de una estructura 1 cerrada, esto no es posible si la costilla 4 no se ha integrado en un principio, lo que dificulta enormemente la fabricacion Integra del cajon 1.
Una solucion a esta problematica es introducir elementos unitarios en la primera celda 19, siendo esta celda 19 la celda mas proxima a la entrada de carga Fapl, la cual esta abierta por un lateral par posibilitar el montaje (ver Figura 4). Estos elementos unitarios han de ser lo suficientemente pequenos para que puedan ser montados a posteriori en la celda 19, al tiempo que han de aumentar la rigidez del cajon multilarguero a torsion.
Las Figuras 5a y 5b muestran una escuadra 20, 21, 22 y 23, en cada esquina de la primera celda 19 y dos barras, 24 y 25, que unen las escuadras 20, 21, 22 y 23, en diagonal. El lateral de la primera celda 19 se cierra posteriormente tras realizar los trabajos de ensamblaje necesarios. Es posible prescindir de las barras diagonales 24 y 25 si no son necesarias (Figura 5a), y tambien se pueden disenar ambas barras 24 y 25 de una sola pieza para minimizar el numero total de piezas (Figura 5b). La colocacion anterior puede verse en las Figuras 7 y 8.
Las Figuras 6a y 6b muestran dos alternativas de contra herrajes, 26 y 27, y contra herrajes, 28 y 29, combinados con angulares 30. Con este ultimo ejemplo, que comprende contra herrajes, 28 y 29, combinados con angulares, se aumenta el numero total de piezas, pero se evitan uniones a dos caras (es decir, uniones a dos piezas de la estructura del cajon de torsion 1), que dificultan el montaje y obligan a menudo a suplementar para cumplir los requisitos de ingenierla, encareciendo as! el producto. La colocacion con contra herrajes puede verse en la Figura 9.
El conjunto reflejado en la Figura 6a comprende dos contra herrajes, 26 y 27, unidos entre si en diagonal, estando cada uno de ellos unido a un revestimiento, revestimiento superior 12 y revestimiento inferior 13, y a un larguero 9 respectivo (union a dos caras).
Claims (1)
- REIVINDICACIONES1. Estructura integrada de cajon de torsion (1) multilarguero de material compuesto para aeronave, que comprende un revestimiento inferior (13), un revestimiento superior (12) y varios largueros (9) que definen una pluralidad de celdas (14), caracterizada por que la estructura integrada no comprende costillas, en la que la primera 5 celda (19) se define como la mas proxima a las entradas de cargas locales en el cajon (1) resultantes de la sujecion y apoyo de herrajes (11) o soportes y esta abierta por un lado para permitir el montaje, en la que la estructura integrada ademas comprende dos contra herrajes (26, 27) unidos entre si en diagonal, estando cada uno de ellos unido a un revestimiento (12, 13) y a un larguero (9) respectivo de la primera celda (19) del cajon de torsion (1) en puntos de introduccion de carga concentrada que proporcionan al cajon de torsion (1) la rigidez a torsion necesaria para evitar las 10 deformaciones que aparecen a causa de dichas cargas locales.
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