BRPI0709782A2

BRPI0709782A2 - aparelho para, e mÉtodo de inibir deslaminaÇço

Info

Publication number: BRPI0709782A2
Application number: BRPI0709782-4A
Authority: BR
Inventors: Christopher Gordon Thomas Payne
Original assignee: Airbus Uk Ltd
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2011-07-26
Also published as: CA2646552A1; GB0609166D0; US9346223B2; EP2021164B1; JP5149276B2; US20100224084A1; CN101437668A; RU2008143424A; JP2009536114A; WO2007128997A1; EP2021164A1; RU2441755C2; CA2646552C; CN101437668B

Abstract

<B>APARELHO PARA, E MÉTODO DE INIBIR DESLAMINAÇçO<D>A presente invenção refere-se a um aparelho de compressão para comprimir uma região encurvada de um elemento laminado (2) que tem uma primeira região superficial que segue um primeiro trajeto encurvado e uma segunda região superficial oposta à primeira região superficial, que segue um segundo trajeto encurvado, no qual um primeiro elemento de compressão (40) é colocado contra a primeira região superficial e forçado no sentido de um segundo elemento de compressão (50) colocado contra a segunda região superficial.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOPARA, E MÉTODO DE INIBIR DESLAMINAÇÃO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um aparelho para, e método decomprimir uma região encurvada de um elemento ou estrutura laminada, demodo a proteger o elemento ou estrutura contra deslaminação.

Antecedente da Invenção

Laminados reforçados com fibra oferecem vantagens considerá-veis em termos de rigidez e durabilidade quando comparados a diversos ma-teriais metálicos existentes. Como tal eles descobriram utilização amplamen-te espalhada em diversas indústrias e, de maneira notável, dentro da fabri-cação de aeronaves, onde o peso da estrutura é de importância crítica. Exis-tem, contudo, diversas dificuldades ao projetar componentes de laminadosreforçados com fibra. Uma consideração predominante de projeto se originano fato que, dentro de um produto final, muito do desempenho de suporte decarga é derivado do alinhamento das fibras dentro da estrutura. Em geral, asestruturas são projetadas de tal modo que as cargas primárias a serem su-portadas pelas estruturas atuam em uma direção longitudinal de camadas defibras.

Uma estrutura laminada é genericamente constituída acumulan-do uma camada de fibras sobre camadas precedentes de fibras. Dentro decada camada de fibra todas as fibras correm na mesma direção. Isto querdizer que cada camada não é uma tessitura de fibras de trama e urdidura,uma vez que isto coloca necessariamente uma ruga nas fibras, o que reduzsua capacidade de resistir a cargas de compressão. Camadas alternadassão depositadas em diferentes direções, genericamente a 90° com uma ou-tra, para produzir um componente. Contudo, caso se considere, para simpli-cidade, um painel plano constituído de tais camadas de material laminado,pode ser visto que o painel pode ser feito relativamente forte em relação aforças que atuam no plano do painel, porém não há fibras correndo perpen-diculares ao plano do painel. Portanto, o painel poderia ser relativamentefraco em resposta à tensão que busca separar as camadas do painel umada outra. Esta limitação, de modo geral não é significativo ao considerar aconstrução de elementos planos, porém se torna mais significativa quandoum elemento laminado tem uma curva formada nele.

Sumário da Invenção

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção é for-necido um aparelho de compressão para comprimir uma região encurvadade um elemento laminado que tem uma primeira região superficial que se-gue um primeiro trajeto encurvado, e uma segunda região superficial quesegue um segundo trajeto encurvado oposto à primeira região superficial, noqual um primeiro elemento de completação é colocado contra a primeira re-gião superficial e forçado no sentido de um segundo elemento de compres-são colocado contra a segunda região superficial.

Assim é possível prender uma região encurvada de um elementolaminado entre primeiro e segundo elementos de compressão, que atuamefetivamente como mandíbulas de um grampo, de modo a assegurar que asfibras na porção encurvada do elemento laminado estão sempre mantidasem compressão com relação a uma camada adjacente de fibras para cargasmenores do que uma carga máxima predeterminada.

Tipicamente a região encurvada do elemento laminado é defini-da de modo a formar uma interface entre uma parede do elemento e umflange de tal modo que o elemento laminado pode ser preso a um elementoadjacente. A região encurvada pode formar uma superfície cilíndrica parcialque pode se estender por alguma distância considerável. De maneira vanta-josa, os primeiro e segundo elementos de compressão são elementos alon-gados de tal modo que um ou mais elementos podem ser colocados contracada uma das primeira e segunda regiões superficiais para proteger a regiãoencurvada do elemento laminado sobre uma porção substancial, e preferi-velmente todo o seu comprimento.

De maneira vantajosa, no mínimo um fixador se estende em ten-são entre os primeiro e segundo elementos de compressão de modo a forçá-los no sentido um do outro e com isto prender a região encurvada do ele-mento laminado entre eles.De acordo com um segundo aspecto da presente invenção éfornecida uma combinação de um elemento laminado que tem uma porçãoencurvada; e aparelho de compressão de acordo com o primeiro aspecto dainvenção, para comprimir a porção encurvada do elemento laminado.

A combinação pode ainda compreender um segundo elementoque pode ser unido ao elemento laminado por meio de um fixador tal comoum parafuso, prisioneiro, rebite ou adesivo. Tipicamente o elemento lamina-do tem um flange que pode ser unido ao segundo elemento. Preferivelmenteo flange é adaptado para se situar substancialmente paralelo a uma superfí-cie do segundo elemento.

Tipicamente a porção encurvada tem uma face côncava sobreum primeiro lado do elemento laminado, e uma face convexa em um segun-do lado do elemento laminado, e o segundo elemento é adaptado para serunido ao elemento laminado em seu segundo lado.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção é for-necido um método de proteger uma região encurvada de um elemento lami-nado contra deslaminação, o método compreendendo colocar um primeiroelemento contra uma primeira superfície da região encurvada e colocar umsegundo elemento contra uma segunda superfície da região encurvada, di-tas primeira e segunda superfícies estando em lados opostos da região en-curvada e forçando juntos o primeiro e o segundo elementos, de modo a co-locar a região encurvada entre eles sob compressão.

Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção será ainda descrita a guisa de exemplo,apenas com referências aos desenhos que acompanham, nos quais:a figura 1 ilustra, de maneira esquemática, como forças que atu-am dentro do plano em um primeiro elemento laminado podem dar origem aforças de deslaminação em uma região encurvada daquele elemento;a figura 2 mostra uma solução da técnica precedente.

a figura 3 é uma vista em planta de um aparelho de compressãoque constitui uma modalidade da presente invenção; e

a figura 4 é uma vista em perspectiva que mostra o aparelho dafigura 3 em utilização, de modo a facilitar a junção de uma Iongarina de asaa uma superfície de asa.

Descrição de Modalidades Preferenciais da Presente Invenção

A figura 1 ilustra de maneira esquemática uma interface entreum primeiro elemento laminado, genericamente indicado 2 e um segundoelemento 4. O segundo elemento 4 pode ou não ser laminado. Os elementos2 e 4 são presos juntos por uma pluralidade de fixadores, dos quais um fixa-dor 6 está mostrado para simplicidade. O fixador pode ser qualquer fixadoradequado para manter juntos os elemento 2 e 4, para resistir a movimentorelativo entre eles em resposta a cargas que atuam entre os elementos 2 e4. Fixadores adequados podem incluir sem limitação parafusos, prisioneiros,rebites e adesivo. O elemento 2 tem uma região encurvada 10 com uma facecôncava em um primeiro lado do elemento 2, e uma face convexa em umsegundo lado do elemento 2. O elemento 4 é unido ao elemento 2 em seusegundo lado (isto é, do mesmo lado que a face convexa). Suponha paraefeito de discussão que o fixador 6 é um prisioneiro, opcionalmente comuma cabeça rebaixada, de modo a deixar uma superfície externa lisa, e queuma carga é esperada atuar nas direções A ou B de tal modo que a carga ésubstancialmente perpendicular ao painel 4 e atua substancialmente dentrodo plano de uma região não encurvada 8 do painel 2. Contudo, será vistoque na região encurvada, genericamente indicada 10, do painel 2 então asforças dentro do painel não irão se situar ao longo do eixo local das fibrasdentro do painel.

Embora o painel 2 seja sólido, é instrutivo considerar os efeitosde uma carga que atua somente nas superfícies a mais interna e a mais ex-terna do painel 2. A região encurvada do painel pode ser considerada comose estendendo entre uma primeira linha tracejada 12 e uma segunda linhatracejada 14. Deveria ser visto que o comprimento Li das fibras que se es-tendem entre as linhas 12 e 14 em uma superfície a mais interna 16 do pai-nel é menor do que a distância L0 de fibras que se estendem entre as mes-mas linhas 12 e 14 em uma superfície a mais externa 18 do painel.

Pode ser visto de maneira intuitiva que se uma força devesseagir ao longo da direção C de modo a tentar endireitar a região encurvada 10do painel, então quando a curva fosse removida do painel, o que quer dizera curva ser "aberta" para fora de seu ângulo de fabricação, as distânciasentre as linhas 12 e 14 ao longo da superfície interna e da superfície externa deveriam tender a equalizar. Contudo, as fibras resistem à extensão oucompressão e isto dá origem a uma força que atua ao longo da direção daseta F que força as camadas adjacentes do material composto a separaremuma da outra. Esta força é referida como uma carga de tração "de espessu-ra transversa" e coloca a resina que sustenta camadas adjacentes do Iami-nado em tensão, e se as forças excedem a resistência à tração da resina,então o produto laminado irá deslaminar. A matriz de material dentro do la-minado não é reforçada ao longo de direções normais à sua superfície, e daísua capacidade para resistir a esta força de deslaminação é pobre compara-da com a resistência dentro do plano local do produto laminado. É menos intuitivo, porém não obstante um fato, que as forças que atuam nas direçõesAeB irão também dar origem a efeitos similares quando a força irá atuarseja para abrir ou fechar a curva de sua forma fabricada e pode dar origem aambas as ações ocorrerem simultaneamente em pontos diferentes da curva.O leitor pode observar isto dobrando um bloco de papel para seguir um traje- to encurvado similar àquele mostrado na figura 1, e então aplicando forçasao longo das direções AeB, como apropriado. Quando as forças são apli-cadas (tendo em mente que a posição da porção plana 8 do painel 2 é gene-ricamente inibida quanto a mover lateralmente) então os raios de curvaturamudam ligeiramente, levando a partes da curva experimentarem forças de compressão que atuam entre as faces interna e externa, e outras partes dacurva experimentarem forças de tração que atuam entre as faces interna eexterna.

Este problema de controlar cargas internas geradas dentro deum raio de canto de uma estrutura laminada que reage contra uma carga aplicada é conhecido, e soluções foram propostas na técnica precedente demodo a superar isto. Uma tal solução é a inclusão de arruelas individuaisque se estendem desde um fixador até a "garganta" 28 dos raios de canto,como mostrado na figura 2, em uma tentativa para transferir a carga maispróximo do plano da junta (seção vertical mostrada na figura 2). Assim, nes-te exemplo, a arruela 30 tem um perfil simétrico de maneira não circular, etem uma porção 32 que se estende no sentido da superfície encurvada 34do elemento laminado 2. A arruela é perfilada de modo a corresponder coma superfície encurvada 34, transferido com isto a carga para a seção verticaldo elemento laminado. Na figura 2 a arruela e os elementos 2 e 4 estãomostrados como sendo mantidos juntos por meio de um prisioneiro 36 queopera em conjunto com uma porca 38. Esta solução pode ser vista ter su-cesso apenas parcialmente, e somente pode ser aplicada a juntas que têmfixadores passantes, tais como prisioneiros ou parafusos. Ela não trabalhacom juntas ligadas.

Uma outra tentativa da técnica precedente para proteger a regi-ão encurvada do elemento 2 contra deslaminação é inserir "pinos Z" atravésdo material laminado. Estas são efetivamente seções curtas de fibra que seestendem substancialmente perpendiculares à normal da superfície local doelemento laminado, em uma tentativa de aumentar sua resistência na dire-ção perpendicular à superfície local. Contudo, os pinos Z são, eles mesmos,apenas presos à estrutura laminada pela resina utilizada para ligar junta aestrutura e, conseqüentemente, a força máxima que pode ser absorvida porum pino Z varia como uma função da distância a partir da superfície da es-trutura laminada. Isto porque, como com qualquer material reforçado comfibra, a eficiência do reforço é proporcional ao comprimento das fibras. As-sim, dentro de uma seção fina de laminado, pinos Z não são longos o sufici-ente para absorver completamente e reagir contra a carga que tende a des-Iaminar o material. Adicionalmente, quando pinos Z são inseridos no lamina-do, eles criam uma distorção das fibras existentes, o que pode conduzir adesempenho para degradação dentro do laminado como um todo e cuja de-gradação é também proporcional à espessura do laminado.

Para evitar o risco de deslaminação, o inventor imaginou que aporção encurvada da estrutura laminada poderia ser pré-carregada em com-pressão, de tal modo que camadas adjacentes da estrutura laminada sãoforçadas uma no sentido da outra. Como uma conseqüência destas forçasinternas dentro da estrutura tendendo a forçar separadas as camadas adja-centes, agora têm que atuar contra a pré-carga compressiva absorvendocom isto todas as cargas de espessura transversal (ou no mínimo reduzindosubstancialmente) geradas por qualquer "abertura" do canto.

Para fornecer uma pré-carga um primeiro elemento de compres-são 40 é fornecido no lado convexo da região encurvada 10 do elemento 2,e um segundo elemento de compressão 50 é colocado no lado côncavo daregião encurvada. O primeiro elemento de compressão tem uma superfíciegenericamente cilíndrico-côncava 42 adaptada para corresponder de manei-ra aproximada ao raio de curvatura correspondente da face externa convexa18 do elemento 2. De maneira vantajosa, quaisquer tolerâncias de fabrica-ção deveriam ser estabelecidas de tal modo que o raio de curvatura da facecôncava é marginalmente maior do que o raio de curvatura da face externaconvexa 18 na região encurvada, de tal modo que qualquer espaço entreelas possa ser enchido com um enchimento tal como uma resina e misturade particulados, assegurando com isto a transferência de carga uniformeentre o primeiro elemento de compressão 40 e a face a mais externa 18 doelemento laminado.

O segundo elemento de compressão 50 tem uma fase convexacilíndrica 52 que corresponde substancialmente ao raio de curvatura da su-perfície encurvada côncava direcionada para dentro 54 do elemento 2. Aquiqualquer tolerância de fabricação deveria ter erro do lado da superfície con-vexa que tem um raio de curvatura ligeiramente menor do que a superfíciecôncava 54, de tal modo que quaisquer espaços entre eles possam ser en-chidos com um enchimento. Os primeiro e segundo elementos de compres-são podem ser extrusões alongadas como mostrado na figura 4. Os primeiroe segundo elementos de compressão são forçados para engatamento comrespectivas superfícies que operam em conjunto do elemento laminado 2 pormeio de uma pluralidade de fixadores 60 que se estendem sob tensão atra-vés de respectivos canais, tais como furos de broca que se estendem atra-vés do primeiro elemento de compressão 40 do segundo elemento de com-pressão 50 e da porção encurvada da estrutura laminada colocada entreeles.

O ou cada fixador de tração pode, por exemplo, ser um prisionei-ro ou um parafuso. O prisioneiro pode engatar com uma porca fornecida ex-ternamente ou pode engatar com uma porção rosqueada de um dos elemen-tos de compressão. Como mostrado na figura 3 uma arruela 62 pode sercolocada entre uma cabeça de um prisioneiro 64 e qualquer um dos elemen-tos de compressão 40 ou 50, como apropriado, neste exemplo o segundoelemento de compressão 50, de modo a dispersar as forças de compressãode maneira mais equilibrada dentro dos elementos de compressão 40 e 50.O primeiro elemento de compressão 40 mostrado na figura 3 é dotado deuma face rosqueada internamente na passagem nele, de modo a engatarcom as roscas no prisioneiro.

Os elementos de compressão 40 e 50 podem ser feitos de qual-quer material adequado, e assim, por exemplo, poderiam ser formados deum metal extrudado. Alumínio representa um material candidato adequado.Contudo eles podem ser feitos de maneira conveniente e de laminado refor-çado com fibra, com a direção longitudinal das fibra sendo paralela ao eixolongitudinal do elemento de compressão (isto é, para cima e para baixo da direção mostrada na figura 4). Fazer os elementos de compressão de lami-nado reforçado com fibra, tem a vantagem de reduzir corrosão galvânica dasfixações metálicas utilizadas para prender o elemento de compressão dequalquer lado do elemento laminado 2.

Os elementos de compressão podem ser olhados como elemen-tos de reforço, e podem, eles mesmos, ajudar a interface com a própria jun-ta. Assim, olha-se a figura 4 o elemento de compressão 40 encontra o ele-mento 4 e, como tal, pode ajudar transferência de carga entre o elemento 2e o elemento 4. Além disto, se adesivo é utilizado entre o elemento de com-pressão 40 e os elementos 2 e 4, então a resistência global da junta é au-mentada.

A colocação (número, tamanho e distância entre fixadores) dosfixadores 60 é determinada pelas cargas locais - e daí o grau de pré-cargarequerido. Conseqüentemente, elementos de compressão de tamanho simi-lar podem ser utilizados sobre faixas de carga amplamente variáveis, desdeque o número apropriado de fixadores seja utilizado para a carga esperada.

Os elementos de compressão são colocados ao redor do ele-mento 2 depois que o elemento tenha sido formado e preferivelmente, de-pois que a resina tenha curado. Assim a ação de perfurar os furos vazadosnão rompe com o alinhamento de fibra dentro do laminado, exceto na regiãodo próprio furo. Como resultado da integridade global do componente lami-nado não ser tão adversamente afetada, e o desempenho da combinação docomponente 2 e seu arranjo de compressão deveria ser significativamentemelhor do que aquele de um componente não modificado equivalente 2 so-zinho.

A invenção é particularmente adequada para utilização no setoraeroespacial. O elemento 2 pode, por exemplo, ser uma Iongarina dentro deuma asa de aeronave, que se estende entre superfícies superior e inferior deasa, caso em que o elemento 4 pode formar ou a superfície a mais superiorou a mais inferior de uma asa (e a figura seria reorientada como apropriado).

Claims

1. Aparelho de compressão para comprimir uma região encurva-da de um elemento laminado que tem uma primeira região superficial quesegue um primeiro trajeto encurvado e uma segunda região superficial opos-ta à primeira região superficial que segue um segundo trajeto encurvado, noqual um primeiro elemento de compressão é colocado contra a primeira re-gião superficial e forçado no sentido de um segundo elemento de compres-são colocado contra a segunda região superficial.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, no qual no mínimoum fixador se estende entre os primeiro e segundo elementos de compres-são.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, no qual no mínimoum fixador se estende através de uma passagem no elemento laminado.

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, no qual cada fixa-dor passa através de um respectivo canal do elemento laminado.

5. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, 3 ou 4, no qual nomínimo um fixador está em utilização sob tensão.

6. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, no qual o primeiro elemento de compressão tem uma superfície côncavaadaptada para corresponder à primeira região superficial do elemento laminado.

7. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, no qual o segundo elemento de compressão tem uma superfície convexaadaptada para corresponder à segunda região superficial do elemento laminado.

8. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, no qual um dos elementos de compressão tem nele um furo rosqueadopara engatar com um fixador rosqueado.

9. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, no qual o elemento laminado é preso a um outro elemento, e um dos ele-mentos de compressão encontra ambos, o elemento laminado e o outro elemento.

10. Combinação de um elemento laminado que tem uma porçãoencurvada; e aparelho de compressão como definido em qualquer uma dasreivindicações 1 a 9, para comprimir a porção encurvada do elemento lami-nado.

11. Combinação de acordo com a reivindicação 10, ainda com-preendendo um segundo elemento que pode ser unido ao elemento lamina-do.

12. Combinação de acordo com a reivindicação 11, na qual oelemento laminado tem um flange que pode ser unido ao segundo elemento.

13. Combinação de acordo com a reivindicação 12, na qual oflange é adaptado para se situar substancialmente paralelo à superfície dosegundo elemento.

14. Combinação de acordo com qualquer uma das reivindica-ções 11 até 13, na qual a porção encurvada tem uma face côncava em umprimeiro lado do elemento laminado, e uma face convexa em um segundolado do elemento laminado, e no qual o segundo elemento é adaptado paraser unido ao elemento laminado em seu segundo lado.

15. Combinação de acordo com qualquer uma das reivindica-ções 11 até 14, ainda compreendendo um ou mais fixadores para unir o e-Iemento laminado ao segundo elemento.

16. Combinação de acordo com qualquer uma das reivindica-ções 10 até 15, na qual um ou mais fixadores se estendem entre os primeiroe segundo elementos e os fixadores estão em tensão.

17. Combinação de acordo com a reivindicação 16, na qual nomínimo um dos fixadores passa através da porção encurvada do elementolaminado.

18. Aeronave que inclui um aparelho de compressão como defi-nido em qualquer uma das reivindicações 1 até 9.

19. Aeronave que inclui uma combinação de elementos comodefinida em qualquer uma das reivindicações 10 até 17.

20. Método de proteger uma região encurvada de um elementolaminado contra deslaminação, o método compreendendo colocar um pri-meiro elemento contra uma primeira superfície da região encurvada e colo-car um segundo elemento contra uma segunda superfície da região encur-vada, ditas primeira e segunda superfícies estando em lados opostos da re-gião encurvada, e forçar juntos os primeiro e segundo elementos de modo acolocar a região encurvada entre eles sob compressão.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, no qual fixadoresse estendem entre os primeiro e segundo elementos, e os fixadores estão,em utilização, sob tensão.

22. Método de acordo com a reivindicação 20 ou 21, no qual osprimeiro e segundo elementos são perfilados de modo a terem superfíciesque complementam aquelas da região encurvada do elemento laminado.

23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 20até 22 que ainda compreende unir um segundo elemento ao elemento lami-nado.

24. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 20até 23, no qual a região encurvada tem uma face côncava em um primeirolado do elemento laminado e a face côncava em um segundo lado do ele-mento laminado, e no qual o segundo elemento é unido ao elemento lamina-do em seu segundo lado.