改进的飞行器复合树脂窗户框架结构.pdf

一种安装在复合树脂飞行器机身中的复合树脂窗户框架(1)及其制造方法。所述复合树脂窗户框架具有接收并牢固连接飞行器窗户透明件的内法兰(2)和适配地连接飞行器机身结构的外法兰(3)。所述框架具有基本上平坦的结构，所以不需要额外的强度增强构件，诸如垂直于所述结构的额外法兰。这种复合树脂窗户框架具有足够的长度，以将窗户透明件牢固连接到复合树脂机身。

1.  一种安装在复合树脂飞行器机身中的复合树脂窗户框架，所述框架包括用于接收并牢固连接飞行器窗户透明件的内法兰和用来连接飞行器机身结构的外法兰，在不具有垂直增强构件的情况下，所述框架具有基本上平坦的结构，所述复合树脂框架足够坚固，在不具有额外的强度增强构件的情况下，能将所述窗户透明件牢固连接到所述复合树脂机身。

2.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述基本上平坦的结构截面厚度大约为0.3到0.6cm，从内法兰边缘到外法兰边缘测量的截面宽度大约为5.5到6.0cm。

3.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述复合树脂是增强纤维和可固结树脂基体的结合体。

4.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述可固结树脂基体是热塑性树脂。

5.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述可固结树脂基体是热固性塑料树脂。

6.  如权利要求5所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述可固结树脂基体是环氧树脂。

7.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述增强纤维从碳纤维和玻璃纤维组成的组中选择。

8.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述框架通过压缩成型来制造。

9.  如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，其特征在于，所述框架通过预浸渍体手糊方法制造。

10.  一种飞行器复合树脂窗户框架组件，包括如权利要求1所述的复合树脂窗户框架，所述窗户框架具有一件或多件连接到所述内法兰的透明件，所述框架和窗户组合体安装在飞行器机身的窗户开口中，从而所述框架的外法兰牢固连接到所述复合机身，从而所述复合树脂窗户框架组件承受其压缩、剪切和应力载荷，并将所述载荷传递到所述复合树脂机身。

11.  如权利要求10所述的复合树脂窗户框架组件，其特征在于，所述窗户透明件包括两件或多件单一透明件形成的层压件。

12.  如权利要求10所述的复合树脂窗户框架组件，其特征在于，窗户透明件是拉拔聚丙烯透明件。

13.  如权利要求10所述的复合树脂窗户框架组件，其特征在于，所述窗户透明件借助密封剂连接到所述窗户框架的所述内法兰。

14.  如权利要求10所述的复合树脂窗户框架组件，其特征在于，所述密封剂是橡胶密封剂。

15.  如权利要求10所述的复合树脂窗户框架组件，其特征在于，所述外法兰借助机械紧固装置连接到飞行器的复合机身。

16.  一种制造安装在飞行器复合树脂机身上的复合树脂窗户框架的方法，所述复合树脂窗户框架具有用来接收并牢固连接飞行器窗户透明件的内法兰和适配地连接到飞行器机身的外法兰，不具有任何额外的强度增强构件，所述方法包括步骤：
a.在预定形状和尺寸的框架成型工具中装载可固结塑料树脂和增强纤维材料的复合基体；
b.以足够的热量和压力成型所述复合树脂框架，从而固结所述成型部件；和
c.冷却所述成型部件，以提供复合树脂窗户框架部件。

17.  如权利要求16所述的制造复合树脂窗户框架的方法，其特征在于，所述成型步骤通过预浸渍体手糊过程来完成。

18.  如权利要求16所述的制造复合树脂窗户框架的方法，其特征在于，所述成型步骤借助从以下选择的过程来完成：热区域成形、带材层压、利用板材成型化合物制造、拖带放置、狭带放置、树脂传递成型、液态树脂浸渍、树脂膜浸渍、体树脂浸渍以及增强型热塑料层压、树脂注射成型、压缩成型或树脂传递成型。

19.  如权利要求16所述的制造复合树脂窗户框架的方法，其特征在于，所述塑料树脂是可固结环氧树脂。

20.  如权利要求16所述的制造复合树脂窗户框架的方法，其特征在于，所述增强纤维是碳纤维或玻璃纤维以及它们的混合物。

21.  如权利要求16所述的制造复合树脂窗户框架的方法，其特征在于，所述框架成型工具预先装载有预制插件，该插件包括树脂基体插件、金属插件或金属-复合物混合插件。

22.  如权利要求15所述的复合树脂窗户框架组件，其特征在于，所述紧固装置是机械铆钉。

改进的飞行器复合树脂窗户框架结构
技术领域
本发明利用复合树脂窗户框架结构为飞行器提供生产改进方案。
背景技术
飞行器窗户框架组件必须足够坚固以保持窗户透明件就位，同时补偿在穿透机身蒙皮来接收该透明件的地方出现的任何强度损失。飞行器窗户框架组件一般用金属结构制造来提供强度，但是这种结构传统上存在重量和腐蚀缺陷方面的担忧。
目前飞行器的铝制机身具有锻造的窗户框架，与窗户旁边具有局部加强件的窗带相结合。用在现有技术的铝制框架中的直立法兰防止蒙皮穿过窗户切口以及在窗户切口附近皱曲。这种窗户框架上的直立法兰常见于铝制飞行器上，并且还在组装过程中用来引导窗户安装就位。
与用铝锻造框架相对照，利用复合树脂制造直立腿相对困难并且昂贵，因为其形状难于成型。其轮廓通常为T形部件，难于从复合树脂模具中取出。
已经对利用成型树脂等的复合框架组件进行过研究，但是迄今为止仍存在其他的问题。例如，PCT申请公开WO2005/115728在窗户框架组件中采用复合树脂，但是结构轮廓要求直立或垂直腿，以加强窗户框架。这种额外的法兰结构增加了重量、成本以及框架及其制造过程的复杂程度。直立腿还引起更为复杂的形状而带来了制造方面的困难。
发明内容
本发明复合树脂框架设计方案的一项突出优势在于取消了直立腿，显著降低了部件重量，而且降低了用复合树脂制造窗户框架的难度。
本发明另一项显著特征在于认识到飞行器机身蒙皮可以用来承受载荷，在穿透机身提供透明件开口时，该载荷发生位移。复合窗户框架承载透明件以及任何相关载荷。
截至目前，尚未存在其他方法能消除现有技术窗户框架组件中的直立加强腿。本发明的设计方案和方法结合使用复合窗户框架与复合飞行器机身提供了低风险、低重量、低成本的解决方案。
本发明的设计方案还提供更平坦的窗户框架系统或组件，从而能使制造和安装更容易。此外，任何所需的蒙皮规格增大将局限在安装窗户框架的位置。
本发明的复合树脂窗户框架设计方案还确保了剪切载荷留在复合蒙皮结构中。此外，复合树脂窗户框架蒙皮能承载环状载荷，因此更为节省重量。
为了提供这种功能，复合树脂窗户框架组件依赖于复合机身蒙皮和桁条的强度，桁条由框架和窗户加载并保持框架和窗户。
本发明的复合树脂窗户框架设计方案并不需要现有技术的框架中的直立加强腿。新设计方案通过在新框架上进行载荷分析来实现，从而发现传统的直立腿或法兰对于稳定蒙皮来说并不是必须的。相反，通过在窗户开口附近使用更厚的复合树脂蒙皮，也可以稳定载荷。
因此，去掉直立腿带来了前述的好处，特别是显著降低了窗户框架重量，同时简化了框架制造过程。
一种安装在复合树脂飞行器机身中的复合树脂窗户框架及其制造方法。框架具有接收并牢固连接飞行器窗户透明件的内法兰和用来连接飞行器机身结构的外法兰。复合树脂框架足够坚固，所以不需要额外的强度增强构件，诸如现有技术中的直立腿或法兰结构。由于不存在垂直加强构件诸如直立腿或法兰，在通常安装情况下，所述框架具有基本上平坦的结构，从内法兰边缘到外法兰边缘进行测量，其截面厚度大约为0.3到0.6cm，而截面宽度大约为5.5到6.0cm。这种复合树脂窗户框架将窗户透明件牢固连接到复合树脂机身并承受其遇到的压力、张力和剪切力，并将这些力传递到复合树脂机身。
复合树脂窗户框架用可固结树脂基体和增强纤维结合物来制造。可固结树脂基体通常为热塑性树脂或热固性树脂。常用可固结树脂是与碳或玻璃增强纤维或它们的混合物相结合的环氧树脂。
复合树脂窗户框架与其他元件相结合，提供飞行器窗户框架组件。复合树脂窗户框架具有一个或多个固定在其内法兰上的飞行器窗户透明件，该框架和窗户组合安装在飞行器机身的窗户开口中，而框架的外法兰牢固连接到复合机身。这样承受了其所遇到的全部载荷，并将它们传递到复合树脂机身。
虽然窗户透明件可以是单一透明件，但是通常两件或多件单一透明件形成层压件。通常窗户透明件可以是拉拔聚丙烯透明件。窗户透明件借助传统保持夹和适当的密封件固定到复合窗户框架。复合树脂窗户框架的外法兰借助传统机械紧固件固定到飞行器复合机身
制造复合树脂窗户框架的方法涉及在预定形状和尺寸的框架成型工具中装载可固结塑料树脂的复合基体和增强纤维材料，并通常利用足够的热量和压力将复合树脂框架成型，以固结成型部件，然后将该部件冷却，以提供复合树脂窗户框架部件。
适当的制造过程包括预浸渍体手糊过程，以及从以下选出的任意过程：热区域成形、带材层压、利用板材成型化合物制造、拖带放置、狭带放置、树脂传递成型、液态树脂浸渍、树脂膜浸渍、体树脂浸渍以及增强型热塑料层压、树脂注射成型、压缩成型或树脂传递成型等过程。
还考虑了这样的制造方法，其中框架成型工具预先装载有预制插件。这种插件可以包括树脂基体插件、金属插件或金属-复合物混合插件。
附图说明
图1是复合树脂窗户框架的平面图；
图2是图1所示复合树脂窗户框架的端视立面图；
图3是图1所示复合树脂窗户框架的侧视立面图；
图4是图1所示复合树脂窗户框架在i-i位置的截面图；
图5是复合树脂窗户框架组件的截面图；
现有技术图5A、5B和5C描绘了具有直立加强腿的复合树脂窗户框架的现有技术实施方式。
具体实施方式
图1示出了复合树脂窗户框架1。作为飞机制造业中的标准，复合窗户框架基本上为椭圆形，通常总体尺寸约为35-40cm乘55-60cm。根据本方法，可以相应适配用于多种机身开口的其他形状和尺寸。在图1中，内法兰2和内法兰边缘4利用适当的保持夹和密封件保持窗户透明件。外法兰3具有外法兰边缘5，用于将复合树脂框架1连接到飞行器机身组件。
图2示出了通常更平更薄的复合树脂窗户框架1，特别是较之现有技术图5B所示。图5B所示现有技术中的直立腿或法兰结构g已经从本发明复合树脂窗户框架1中去除。
图3示出了基本上更平更薄的复合树脂窗户框架1，特别与现有技术图5C相比。同样，非常明显，本发明的复合窗户框架1已经去除了图5C所示现有技术中的法兰g。
图4示出了图1所示复合树脂窗户框架的在i-i位置的截面。
图5示出了复合树脂窗户框架组件的截面图，其中的复合树脂窗户框架1结合到机身蒙皮11。窗户透明件13和15借助机械夹具和密封件17连接到框架1。透明窗户优选为拉拔聚丙烯或者层压拉拔聚丙烯，但是可以是单面或多面(multi-pane)玻璃或替代物。图2-5各自也示出了内法兰4和内法兰边缘2以及外法兰3和外法兰边缘5。
现有技术图5A示出了具有垂直法兰g的复合树脂窗户框架结构的截面图，本发明的设计方案设计成去除该法兰。图5A还示出了机身蒙皮b，其利用以c指示的铆钉紧固到复合框架。窗户透明件d和e借助密封剂f固紧到框架。
现有技术图5B示出了具有细长法兰g的窗户框架端视立面图。
现有技术图5C示出了具有细长法兰g的窗户框架侧视立面图。
本发明认为，飞行器机身蒙皮可以用来承受由机身蒙皮穿孔感生出来的应力所带来的载荷，其中复合树脂窗户框架承载透明件及其相关载荷。本发明主题的复合窗户框架设计方案允许复合机身筒舱有效地发挥作用，而不必进行传统的强度增强，诸如在现有技术的窗户框架设计方案中设置前述直立加强腿。复合窗户框架依赖于复合机身蒙皮以及相关桁条的强度来承受载荷，同时将窗户透明件保持就位。
应力和压力分析证实，本发明的复合树脂窗户框架设计取得了成功，不必再求助于使用传统上增加强度的直立腿，从而对于重量和节约成本都有好处。此外，应该承认本发明主题的复合树脂窗户框架组件的优势也将良好地适用于飞行器机身的其他开口。制造本发明主题的复合树脂框架的另一项好处在于，不需要为机身蒙皮加扇边(scallop)来进行安装。
复合树脂窗户框架和组件可以根据以下过程制造，并且可以使用或结合几种不同的材料和制造方案。制造复合树脂框架的过程并不限于任何单一的复合制造方法，而是可以使用任意数量的方案。
本发明的复合窗户框架可以利用热固性或热塑性树脂制造。此外，可以在树脂基体中使用许多不同的增强纤维，包括玻璃和碳纤维或者它们的组合物或者其他用来增强复合基体的纤维。
根据传统复合树脂制造技术，所选树脂和增强纤维可以提前结合，也称为预浸渍体手糊(hand lay-up)过程。其他适当方法包括热区域成形、带材层压、利用板材成形化合物制造、拖带或狭带放置、树脂传递成型、液态树脂浸渍、树脂膜浸渍、体树脂浸渍以及增强型热塑料层压。可以选择的是，树脂和纤维可以在模制操作过程中，诸如树脂浸渍、树脂注射成型、压缩成型或树脂传递成型过程中进行组合。本领域技术人员应该明白，本发明的方法容易进行改动，以包含预制插件、金属插件以及包括金属/复合物混合结构的插件。
利用应力分析技术可以改善上述制造方法，以设计、改良并制造多种适当的复合窗户框架，与复合机身一起使用，从而允许窗户框架更坚固，同时降低重量节省成本。由于复合树脂窗户框架依赖于复合机身蒙皮和相关桁条的强度来充分分布剪切载荷，同时仍然保持窗户，所以载荷留在复合蒙皮中。
本发明方案的常用复合窗户框架基本上为椭圆形。框架总体尺寸约为55-60cm长，且较短的尺寸约为35-40cm。在图1中由i-i示出的区域，复合框架的宽度约为5-6cm。因此，图4示出的截面约为0.60cm厚，这与图5C所示的现有技术窗户框架中大约1.0cm的厚度以及2.5cm的直立法兰a形成鲜明的对比。复合树脂框架用于各种尺寸的机身开口，可以利用本发明的制造方法容易地生产。
在生产本发明主题的复合窗户框架方面有用的制造过程的一种实施方式中，选择预浸渍体材料并切成特定部件结构的尺寸，放置在希望形状和尺寸的固结工具中，利用热量和压力固结。
一种可选的制造方法涉及利用先进的纤维放置头进行拖带预浸渍体或狭带放置，该纤维放置头将预浸渍体放置在成型工具中，然后利用热量和压力固结树脂复合物。
另一种可选的制造方法涉及利用干纤维编织件和树脂进行树脂传递成型。编织件置于相配合的压模工具中，然后将树脂注入该工具并利用热量和压力固结。另一种可选的制造方法涉及液态树脂浸渍，其中干纤维编织件置于模型工具(part tool)中，然后以树脂浸渍该编织件并利用热量和压力固结。在真空辅助树脂浸渍方法中，干梭织石墨(woven graphite)进行预成形，并在框架固结前置于便宜的铝制工具之上。
其他可选方法包括液态膜浸渍和体树脂浸渍，其中干纤维编织件置于模型工具中，利用树脂膜浸渍该编织件并利用热量和压力固结。
增强型热塑料层压方法涉及切割热塑料预浸渍体坯料成适当尺寸，在炉具中加热该坯料，在压力机中形成热坯料，冷却部件并从压力机中取出。可以选择的是，切割层片可以堆叠并置于凝固工具上。然后可以利用热量和压力进行凝固，就像在高压釜和压力机方法中那样。
以下示例说明本发明，并不应当认为限制本发明主题方法的普遍适用性。
示例1
通过在成型工具中压缩成型框架来制造本发明的复合窗户框架。成型工具生产的复合窗户框架具有图1-4所示的框架的形状和尺寸。Hexcel压缩成型材料HexMC AS4纤维剁碎，填充到框架模具中并与Hexcel8552可固结环氧树脂相结合。成型后，固结并冷却，从而生产出复合树脂窗户框架。
示例2
另一种尺寸和形状类似的复合树脂窗户框架部件利用中等模量的压缩成型材料Toray BMS8-276碳纤维环氧预浸渍体带材根据制造者的指令进行制造。成型后，固结并冷却，从而生产出本发明的另一种复合树脂窗户框架。
示例3
借助夹具和橡胶密封件将每个框架与聚丙烯透明件相结合，从而将根据前述示例制造的复合树脂窗户框架转化为窗户框架组件，并将组合组件安装在尺寸足够接收的复合机身开口中，并完成集成框架-窗户-机身组件。应力和载荷分析证实，框架令人满意地承受载荷并将载荷传递到周围机身蒙皮结构中。