DÍAZ-CANEJA FERNÁNDEZ, Carlos (Airbus Operations S.L, Avda. John Lennon s/, Getafe Madrid, E-28906, ES)
| REIVINDICACIONES 1.- Estructura cerrada (11 ) de forma tubular realizada con un material compuesto que comprende una piel (21 ) y una pluralidad de larguerillos longitudinales de refuerzo (23) con forma de omega, que se fabrica como una pieza unitaria sobre un útil macho (13) de un material de un coeficiente de contracción mayor que el del material compuesto y se desmoldea según una dirección predeterminada, caracterizado porque: a) Ia superficie exterior (31 ) de Ia piel (21 ) forma un ángulo mayor > 0o con Ia dirección de desmoldeo (35); b) cada uno de dichos larguerillos longitudinales (23) están conformados con una traza (41 ) que sigue una dirección desmoldeable en relación con Ia dirección de desmoldeo (35) y con una sección transversal que mantiene constantes a Io largo de Ia traza (41 ) su altura (Ho), Ia longitud de su cabeza (Lho) y Ia longitud entre sus pies (Lfo). 2.- Estructura cerrada (11 ) de forma tubular según Ia reivindicación 1 , caracterizada porque dicha sección transversal cumple las siguientes condiciones en relación con una superficie de referencia (43) perpendicular a Ia superficie exterior (31 ) de Ia piel (21 ) a Io largo de Ia traza (41 ): - b1 ) los vértices de los pies (51 , 53) están ubicados en Ia intersección de Ia superficie interior (33) de Ia piel (11 ) con superficies paralelas a dicha superficie de referencia (43) a una distancia predeterminada (Lfo/2) de ella; - b2) Ia cabeza (55) está delimitada por unas superficies paralelas a dicha superficie de referencia (43) a una distancia predeterminada (Lho/2) de ella, es paralela a una hipotética superficie (45) entre los vértices de los pies (51 , 53) y está situada a una distancia predeterminada (Ho) de ella. 3.- Estructura cerrada (11 ) de forma tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2 caracterizada porque tiene forma cilindrica o troncocónica. 4.- Estructura cerrada de forma tubular (11 ) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -3 caracterizada porque es una estructura que forma parte del fuselaje de una aeronave. |
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una estructura cerrada fabricada en material compuesto como una pieza unitaria, tal como una sección del fuselaje de una aeronave, cuyos larguerillos de refuerzo tienen una sección transversal en forma de omega.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La solicitud WO 2008/092971 describe una estructura cerrada en material compuesto para un fuselaje de aeronave conformada sobre un útil macho del que puede separarse en una determinada dirección. La estructura está formada por una piel de una pieza y una pluralidad de rigidizadores longitudinales interiores con forma de omega integrados en dicho panel y se consolida en un autoclave. El útil macho incluye unos alojamientos para posicionar los larguerillos longitudinales en fresco sobre los que se encinta Ia piel y es de aluminio, material que tiene un coeficiente de contracción superior al del material compuesto, por Io que al enfriarse Ia estructura al salir del autoclave, se genera una holgura entre Ia estructura y el útil que permite el desmoldeo de Ia estructura según una dirección de desmoldeo predeterminada (próxima al eje X de Ia aeronave).
El diseño de los larguerillos longitudinales debe llevarse a cabo compatibilizando distintas exigencias y, en particular, exigencias de desmoldeabilidad, resistencia estructural y fabricabilidad.
En el caso de componentes de fuselaje de gran tamaño, aunque su forma externa suele aproximarse en términos generales a Ia de una superficie de revolución cilindrica o cónica, existen zonas locales donde eso no es así por distintos motivos. Por su parte, el espesor de Ia piel no es constante ya que los esfuerzos a los que está sometido el fuselaje son muy distintos de una zona a otra y ello implica, entre otras consecuencias, que los pies de los larguerillos longitudinales se apoyan en Ia piel a alturas distintas. Esas circunstancias dificultan que el diseño de Ia sección de los larguerillos longitudinales en forma de omega se lleve a cabo satisfaciendo simultáneamente las exigencias mencionadas.
La presente invención está orientada a Ia solución de ese inconveniente.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Es un objeto de Ia presente invención proporcionar una estructura cerrada realizada en material compuesto y dotada interiormente de larguerillos de refuerzos con sección transversal con forma de omega, tal como una sección del fuselaje de una aeronave fabricado como una pieza unitaria, en Ia que dichos larguerillos estén conformados de manera que se logre un equilibrio apropiado entre las exigencias de desmoldeabilidad, resistencia estructural y fabricabilidad.
Es otro objeto de Ia presente invención proporcionar una estructura cerrada realizada en material compuesto y dotada interiormente de larguerillos de refuerzos con sección transversal con forma de omega, tal como una sección del fuselaje de una aeronave fabricado como una pieza unitaria, en Ia que el diseño de los larguerillos facilite su modelización para facilitar su análisis detallado.
Esos y otros objetos se consiguen proporcionando una estructura cerrada de las características mencionadas que se fabrica como una pieza unitaria sobre un útil macho de un material de un coeficiente de contracción mayor que el del material compuesto, cuya superficie exterior forma un ángulo mayor o igual que 0 o con Ia dirección de desmoldeo y en Ia que cada uno de dichos larguerillos longitudinales está conformado con una traza que sigue una dirección desmoldeable en relación con Ia dirección de desmoldeo y con una sección transversal que mantiene constantes a Io largo de Ia traza su altura
(Ho), Ia longitud de su cabeza (Lho) y Ia longitud entre sus pies (Lfo). En una realización preferente dicha sección transversal cumple dos condiciones en relación con una superficie de referencia perpendicular a Ia superficie exterior de Ia piel a Io largo de Ia traza: los vértices de los pies están ubicados en Ia intersección de Ia superficie interior de Ia piel con superficies paralelas a dicha superficie de referencia a una distancia predeterminada (Lfo/2) de ella; Ia cabeza está delimitada por unas superficies paralelas a dicha superficie de referencia a una distancia predeterminada (Lho/2) de ella, es paralela a una hipotética superficie entre los vértices de los pies y está situada a una distancia predeterminada (Ho) de ella. Se consigue con ello una conformación de larguerillos fácilmente modelizable.
En otra realización preferente, Ia estructura cerrada forma parte del fuselaje de una aeronave. Se consigue con ello fabricar secciones de fuselaje de aeronaves de una sola pieza con las consiguientes ventajas en términos de costes, plazos de ejecución y un menor peso del componente. Otras características y ventajas de Ia presente invención se harán evidentes de Ia siguiente descripción detallada de las realizaciones, ilustrativas de su objeto, junto con las figuras adjuntas.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra un componente de un fuselaje de aeronave con una piel de una sola pieza reforzada por larguerillos longitudinales en forma de omega realizados en material compuesto que está siendo separado del útil utilizado para su conformado. La Figura 2 muestra en sección transversal un detalle de una zona de Ia piel del componente de un fuselaje de aeronave donde se produce un cambio de espesor.
La Figura 3 ilustra Ia geometría de un larguerillo longitudinal de refuerzo de Ia piel del componente de un fuselaje de aeronave según Ia presente invención. - A -
La Figura 4 ilustra Ia sección transversal de un larguerillo longitudinal de refuerzo de Ia piel del componente de un fuselaje de aeronave según Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Describiremos detalladamente Ia invención en relación con un componente 11 de un fuselaje de una aeronave fabricado en material compuesto como una pieza unitaria. La Figura 1 muestra ese componente 11 en un momento del proceso de desmoldeo del útil 13 según Ia dirección de desmoldeo 35.
El componente 11 , que generalmente tiene forma tronco-cónica o cilindrica, está formado por una piel 21 y una pluralidad de larguerillos longitudinales 23 con forma de omega en su interior y el útil 13 incluye unos cajeados 15 de forma similar a Ia de dichos larguerillos longitudinales 23.
El proceso de fabricación del componente 11 con un material compuesto tal como un CFC ("Carbón Fibre Composite") comprende, básicamente, una primera etapa en Ia que se disponen los rigidizadores longitudinales 23 en forma de omega en estado "fresco" en dichos cajeados 15, una segunda etapa en Ia que se lamina el material compuesto sobre dicho útil para conformar Ia piel 21 , una tercera etapa en Ia que se consolida el componente 11 en un autoclave y una cuarta etapa en Ia que se desmoldea el componente 11 separándolo del útil 13.
Para conseguir el desmoldeo del componente 11 hay que asegurar, en primer lugar, que Io haga Ia superficie exterior de su piel 21 y ello implica que esa superficie debe formar un ángulo > 0 o , con respecto a Ia dirección de desmoldeo en cada punto. Pero si consideramos el desmoldeo de Ia superficie interior de Ia piel 21 tenemos que tener en cuenta que esta superficie interior está generada enteramente a partir de superficies paralelas a Ia superficie exterior que serán desmoldeables siempre que Ia superficie exterior Io sea.
Pero Ia superficie interior también está generada por superficies de transición entre los diferentes cambios de espesor de Ia piel 21 que generan mesetas o valles que dan lugar a que, a priori, las superficies de transición no sean desmoldeables.
Como se ilustra en Ia Figura 2 si en una sección de piel 21 , dispuesta con una cierta holgura sobre el útil 13, hay distintos espesores entre Ia superficie exterior 31 y Ia superficie interior 33, y se supone que las superficies de transición se generan con una relación de caída de telas de 1/20, que se corresponde con un ángulo de caída de 2,86°, hay que asegurar que el ángulo que forma Ia dirección de desmoldeo 35 con Ia superficie exterior 31 donde haya sobre-espesores, sea mayor que 2,86° si se quiere que se desmolden esas pendientes sin considerar Ia contracción relativa del útil de aluminio 13 frente a Ia piel 21.
Para conseguir el desmoldeo del componente 11 hay que asegurar, en segundo lugar que Io hagan los larguerillos longitudinales 23 Io que implica considerar tanto Ia traza 41 que marca su posición sobre Ia piel 21 como su sección transversal.
Siguiendo Ia Figura 3 puede observarse que Ia traza 41 que marca Ia posición del larguerillo longitudinal 23 sobre Ia superficie exterior de Ia piel 21 se genera mediante un plano 43 que debe ser desmoldeable para Io cual debe contener a Ia dirección de desmoldeo 35, o Io que es Io mismo ha de estar generado mediante una recta 35 cuya dirección sea Ia de desmoldeo. De manera que si se genera Ia intersección entre estos planos y Ia superficie exterior de Ia piel se obtienen trazas sobre Ia superficie que siguen direcciones desmoldeables. Habrá tantos planos 43 como larguerillos 23 y a cada uno de estos planos se les hace pasar por dos puntos, uno al principio de Ia sección y otro al final, con el objetivo de conseguir una optimización de Ia posición de los mismos, atendiendo a criterios estructurales.
En cuanto a Ia sección transversal de los larguerillos 23 con forma de omega hay tener en cuenta varios criterios: desmoldeabilidad, resistencia estructural y otros factores de fabricabilidad e industrialización. Si el componente 11 tuviera una forma perfectamente cilindrica ó cónica,
Ia fabricabilidad e industrialización de dichos larguerillos se simplificaría en gran medida. Ahora bien, como eso no sucede en los fuselajes de aeronaves es preciso tener en cuenta todos los criterios mencionados y aceptar ciertas restricciones en su aplicación.
Un factor importante que se tiene en cuenta en Ia presente invención es Ia contracción relativa del útil 13 de aluminio frente a Ia piel 21 de CFC ("Carbón Fiber Composite"). Como es sabido, Ia contracción relativa del útil 11 frente al conjunto piel 21 + larguerillos longitudinales 23 a Ia salida del autoclave es debido a que Ia fibra de carbono cura a una temperatura de 180° C y durante el enfriamiento del conjunto útil 13 - piel 21 nos encontramos que, dado que Ia diferencia entre el coeficiente de contracción del aluminio y el CFC es del orden de un 3/1000, en el momento del desmoldeo se produce una holgura radial a Io largo de toda Ia superficie entre el útil 13 y Ia piel 21 que es fundamental para conseguir el desmoldeo del componente 11. En particular Ia diferente contracción del útil 13 frente al componente 11 resulta fundamental para que se puedan desmoldear los pies de los larguerillos 23 que, debido al festoneado, no son desmoldeables per se y también para ayudar al desmoldeo de los larguerillos 23 con Ia sección transversal que pasamos a describir (que no sería desmoldeable si no existiese Ia holgura mencionada).
La definición de Ia sección transversal de los larguerillos 23 con forma de omega según Ia presente definición se lleva a cabo en primer término en relación a su superficie interior y partiendo de los parámetros básicos de su geometría que aseguran su comportamiento resistente. Tras ello se define Ia superficie exterior mediante paralelas a Ia superficie interior inicialmente obtenida, definiendo así los espesores necesitados y se unen esas superficies exteriores mediante las áreas curvadas de transición correspondientes.
El proceso de obtención de Ia superficie interior de Ia sección transversal de los larguerillos 23 con forma de omega representada en Ia Figura 4 consta de los siguientes pasos: a) Se genera Ia traza 41 sobre Ia superficie exterior de Ia piel 21 como hemos mencionado anteriormente. b) A partir de Ia traza 41 se genera una superficie de referencia 43 que contenga dicha traza 41 y que sea perpendicular en todo momento a Ia superficie exterior 31 de Ia piel 21. c) Los pies 51 , 53 y Ia cabeza 55 de Ia omega se relimitan mediante paralelas a Ia superficie de referencia 43. Las paralelas que limitan Ia dimensión de Ia cabeza 55 se generan a una distancia Lho/2 mitad de Ia longitud predeterminada Lho de Ia cabeza 55 mientras que Ia distancia a Ia que han de encontrarse las superficies generadoras de los pies 51 , 53 es Ia distancia Lfo/2 mitad de Ia longitud predeterminada Lfo entre pies. La cabeza 55 de Ia omega se genera como una paralela a una distancia predeterminada Ho de una superficie 45 generada a partir de Ia superficie interior 33 de Ia piel 21 entre los vértices de los pies 51 , 53. De esa manera los ángulos de apertura de Ia omega γ1 , γ2 (que en Ia Figura 4 tienen una magnitud en torno a 50°) pueden variar a Io largo de Ia traza y tener una magnitud distinta en cada sección. Así por ejemplo en Ia sección representada en Ia Figura 4 γ1 es algo mayor que γ2.
Obviamente los parámetros geométricos Lho, Lfo y Ho utilizados en Ia definición de Ia sección transversal así como el espesor de Ia omega vienen definidos por consideraciones resistentes.
Debido a que Ia superficie de referencia 43 no es desmoldeable por definición, Ia sección de Ia omega no Io será; pero debido al hecho de que localmente las desviaciones de esta superficie 43 con respecto al plano 47 del larguerillo 23 que está definido como desmoldeable, y que están representadas por el ángulo α en Ia Figura 4, son pequeñas, nos encontramos con que Ia superficie de Ia omega puede desmoldear gracias a Ia holgura mencionada anteriormente y a Ia conicidad de las geometrías de Ia propia omega y del componente 11 : a Ia vez que Ia omega sale del útil 13 según una dirección longitudinal, también se va despegando del útil 13 debido a Ia conicidad del componente 11. Entre las características relevantes de Ia sección transversal de los larguerillos 23 que venimos de describir cabe citar las siguientes:
- Se encuentra definida en todo momento.
- Es fácilmente modelizable mediante las herramientas proporcionadas por los sistemas CAD.
- Se puede modelizar sin tener definida Ia superficie interior 33 de Ia piel 21 y cuando se tenga obtener fácilmente las secciones definitivas de las omegas mediante las herramientas proporcionadas por los sistemas CAD.
- Su sección y área interior varían muy poco a Io largo de Ia traza 41 del larguerillo, características esenciales para facilitar su fabricación.
Finalmente hay que señalar que dado que un larguerillo 23 con una sección transversal en forma de omega definida de Ia manera descrita no es desmoldeable por definición es preciso realizar una serie de análisis cinemáticos entre Ia piel 21 y el útil 13 en unas condiciones Io más parecidas posibles a las condiciones finales utilizando sistemas CAD. En este sentido, es importante tener en cuenta que pequeñas variaciones en Ia superficie exterior del avión o en Ia posición de los larguerillos 23 pueden hacer que una región que era desmoldeable deje de serlo. De manera que cada vez que se introduzca algún cambio de este tipo en Ia sección, por pequeño que sea, es recomendable rehacer los estudios de desmoldeo para seguir asegurando Ia desmoldeabilidad.
Mediante estos estudios se pueden detectar eventuales problemas locales de desmoldeabilidad que pueden resolverse mediante modificaciones puntuales del diseño del larguerillo. Se pueden introducir en Ia realización preferente que hemos descrito todas aquellas modificaciones que estén comprendidas en el ámbito de las reivindicaciones siguientes.
Next Patent: SYSTEM FOR INCREASING CONTROLLABILITY FOR AN AIRCRAFT