加强的交通工具结构零件、交通工具及方法

摘要

本发明提出一种借助区域加强的交通工具结构部件、一种包括该交通工具结构部件的交通工具，以及一种用以加强交通工具结构部件的对应方法。该区域包括第一方向上的压缩残余应力以及垂直于第一方向定位的第二方向上的压缩或拉伸残余应力，其中，第一方向上的压缩残余应力与第二方向上的压缩或拉伸残余应力的比在-0.2和+1.0之间。因此，在该区域中的裂缝的蔓延方向被转向，发生更迅速的压力均衡，并且抑制了进一步的裂缝蔓延。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交通工具结构零件并涉及一种包括这样区域的交 通工具，在该区域中，在第一方向上存在压缩残余应力并在垂直于第一 方向的第二方向上存在压缩或拉伸残余应力。本发明还涉及一种用于加 强交通工具结构零件的方法。

背景技术

在例如飞行器的交通工具结构零件中可能会形成裂缝，并且这可能 会对交通工具结构失效的点造成重大损坏。飞行器结构中的裂缝通常由 特定的静态或动态机械载荷所导致的材料弱化而造成。

例如，还可能由于在不恰当的维护过程中对飞行器结构造成的划痕 形式的意外损坏而使裂缝形成并发展。意外产生的这类损坏可能成为后 继的裂缝形成或者后继的裂缝发展的起始点。因此，权宜之计是消除由 于维修措施导致的这种损坏，从而避免裂缝形成。然而，裂缝还可能具 有其他原因。

在维护过程中，可通过切除已经形成裂缝的整个区域并用新的材料 进行替换而维修受损点，该新的材料被插入其中或者布置于其上。在刮 痕的情形中，其中预计裂缝将从该刮痕处开始形成，维修过程可以以与 用于裂缝维修相同的方式进行。替换机翼单元结构是耗时的并且导致维 修和操作成本增加。在使用前通过激光冲击（激光冲击硬化、激光冲击 处理或激光冲击强化）能够对面临形成裂缝的风险的材料区域进行处 理。在下文中也称作激光冲击的激光冲击强化是用于通过激光冲击对工 件的表面进行处理而产生深度压缩残余应力的区域的方法。激光冲击通 常使用来自脉冲激光的光束脉冲以将撞击波或冲击波传递到工件的表 面上。借助等离子体，从激光束源入射到部件表面上的脉冲激光束在该 表面的一部分上产生强劲的局部压缩力。关于这一点，在激光束的入射 点处，在封闭的液膜下，该表面的薄层或涂层（例如金属胶条或喷涂层） 的突然移除或蒸发产生等离子体，从而导致产生爆炸力。来自迅速膨胀 的等离子体的压缩脉冲发出迁移到该物体中的冲击波。由激光脉冲引起 的该压缩冲击波导致部件中的深度局部压缩变形。这些局部塑性变形在 材料中产生压缩残余应力。在名称为“改变材料特性（Altering Material  Properties）”的美国专利US3,850,698中以及在名称为“激光冲击处理 （Laser Shock Processing）”的美国专利US4,401,477中公开了激光冲 击。在激光冲击过程中，强劲的局部压缩力传递到工件表面的一部分上。 使用激光冲击以便将压缩残余应力带到工件上，从而显著地增加工件对 疲劳断裂的抵抗。例如在名称为“激光强化系统和方法（Laser Peening  System and Method）”的美国专利US4,937,421中公开了该应用。

文献DE102008044407A1和US2001/0290770A1中公开了一种 用于对具有受损点的飞行器部件进行辐射的方法，该方法在对飞行器进 行维护的过程中执行。关于这一点，通过使用脉冲激光束对飞行器结构 零件的靠近受损点的区域进行处理。同时，压缩波经过飞行器结构零件 的辐射区域并在该区域中产生压缩偏置。因此，能够减缓在认为紧要的 区域中的新的或现有的裂缝的蔓延。

发明内容

本发明的目的是减少用于交通工具的维护费用并提高损伤容限。

该目的通过根据文中所述的交通工具结构零件、交通工具以及方法 而实现。能够通过下文的说明而获得改进以及实施方式。

提出一种交通工具结构零件，其中，在第一区域中，在第一方向上 存在压缩残余应力，并在垂直于第一方向的第二方向上存在压缩或拉伸 残余应力。第一方向上的压缩残余应力与第二方向上的压缩或拉伸残余 应力的比在-0.2和+1.0之间。

关于这一点，拉伸残余应力定义为具有单位Pa的正值且压缩残余 应力定义为具有单位Pa的负值。这些压缩和拉伸残余应力还总体地称 作残余应力。此外，该区域还可包括在垂直于第一和第二方向的方向上 的压缩和/或拉伸残余应力。

根据本发明的实施方式，第一区域从交通工具结构零件的表面延伸 至交通工具结构零件中。例如，压缩残余张力处于与交通工具结构零件 的表面相切地延伸的第一方向上，并且压缩或拉伸残余张力处于与交通 工具结构零件的表面相切并垂直于第一方向的方向上。

因此，通过在压缩残余应力的方向上施加拉伸力能够因此补偿压缩 残余应力。同样地，能够通过施加压缩力而补偿拉伸残余应力。

例如，在第一方向上存在压缩残余应力以及在第二方向上存在拉伸 残余应力。该区域可布置成使得在交通工具结构零件中蔓延的未来裂缝 的预计裂缝蔓延方向在初始阶段将基本上对应于第二方向。

当裂缝到达第一区域时，在第一区域中的在第一方向上的压缩残余 应力防止裂缝在第二方向上蔓延。同时，在第一区域中的在第二方向上 延伸的拉伸残余应力提供在第一方向上的裂缝蔓延。

因此，至少在裂缝到达包括残余应力的区域时，裂缝蔓延方向能够 从初始的第二方向转向至第一方向。因此，第一和第二方向上的残余应 力的比的选择性构造导致裂缝蔓延方向的受控的转向。

在本发明的涵义内的包括压缩和/或拉伸残余应力的区域导致裂缝 的蔓延方向被转向，从而产生例如U型或L型裂缝。U型或L型裂缝 能够引起飞行器结构零件的与裂缝毗邻的U型或L型区域摆动打开， 并且因此与具有直的裂缝的情形相比产生明显更快的压力均衡。因此， 能够防止形成长的裂缝，并且能够保护结构零件免于完全失效并且使得 结构零件更能容忍损坏。

根据本发明的实施方式，能够通过激光冲击强化（激光冲击）产生 第一方向上的压缩残余应力以及第二方向上的压缩或拉伸残余应力。关 于这一点，用脉冲激光束对设置有薄层（例如设置有金属胶条或喷涂层） 的表面进行处理。在激光束的入射点处，该薄层的突然移除或蒸发产生 等离子体，从而导致产生爆炸力。由迅速膨胀的等离子体产生的压缩脉 冲发出冲击波，该冲击波迁移到交通工具结构零件中并且导致深度局部 压缩变形，并且因此在交通工具结构零件中产生残余应力。

能够通过使用处理参数控制不同方向上的残余应力的比，处理参数 例如为由激光发出的辐射的波长、辐射的功率密度、激光的重复率、光 束直径或激光脉冲的几何形状。此外，可在多个层中通过激光冲击对该 区域进行处理。关于这一点，能够例如通过辐射层的数量以及其重叠程 度对残余应力的比进行控制。

基本上，两种不同的布置用于激光冲击硬化或激光冲击。

在直接烧蚀中，入射的激光辐射在暴露的材料表面上被吸收。由此 形成的材料蒸发（等离子体）能够不受阻碍地扩散到周围环境中。

相比之下，通过覆盖层来限制烧蚀，其中该覆盖层对于激光辐射是 可透过的并且被涂覆于材料表面上。入射辐射不受阻碍地穿透覆盖层并 且入射到表面上，入射辐射在该表面上被吸收并产生等离子体。然而， 等离子体的扩散现在被覆盖层阻止。该布置的目的是加大表面上的压力 并加长该压力作用的时间。

在针对限制烧蚀的变型中，工件的表面此外还设置有吸收层，该吸 收层位于该表面与覆盖层之间，并且该吸收层——而不是该表面和覆盖 层——被消融。

根据本发明的实施方式，该区域能够从交通工具结构零件的表面区 延伸至交通工具结构零件中超过其材料厚度的30%至100%。这可以例 如通过由激光发出的辐射的波长、辐射的功率密度、激光的重复率、光 束直径得以控制。此外，可在多个层中通过激光冲击对该区域进行处理。 关于这一点，可以例如通过层的数量及其重叠程度对残余应力的深度进 行控制。

在本发明的实施方式中，该区域构造成条带的形状，该条带形区域 布置在交通工具结构零件的表面上并且到达交通工具结构零件中。该条 带可以使在交通工具结构零件的延伸的表面区域中出现的裂缝的蔓延 转向、减缓、或者甚至停止。

根据本发明的另一实施方式，该区域构造成直条带的形状。例如在 飞行器结构零件中，该直条带可以布置于关于飞行器机身的纵向或外围 方向上。因此，在关于飞行器机身的纵向或外围方向上蔓延的裂缝的蔓 延方向能够被转向。另一选择是将条带关于机身方向对角地布置，或者 是使一个或多个条带围绕飞行器机身缠绕成螺旋形状。

根据本发明的实施方式，条带具有至少一个弯曲部。因此，例如， 该条带能够围绕其他结构引导，例如，绕着排出孔。

根据本发明的实施方式，条带具有50mm-10mm或40mm-20mm的 宽度。

根据本发明的实施方式，交通工具结构零件可构造成吸收由驱动操 作引起的拉伸载荷。关于这一点，第一方向布置为不垂直于拉伸载荷。 因此，第一区域包括在拉伸载荷的方向上、与拉伸载荷反向的压缩残余 张力的分量。这导致由于拉伸载荷而造成的裂缝被阻止并且被转向。

根据本发明的实施方式，交通工具结构零件包括第二区域，在第二 区域中，在第三方向上存在压缩残余应力以及在垂直于第三方向的第四 方向上存在压缩或拉伸残余应力。第三方向上的压缩残余应力与第四方 向上的压缩或拉伸残余应力的比在-0.2和+1.0之间。通过设置多个这种类 型的区域，可防止长的裂缝在大面积上蔓延。

根据本发明的实施方式，第一区域和第二区域具有相同形状并且布置 为相互平行。例如，在飞行器机身的结构零件例如蒙皮板上，可沿着飞行 器机身在外围方向上布置多个区域。这样，能够防止直的裂缝在关于飞 行器机身的纵向方向上蔓延。

根据本发明的实施方式，第一区域和第二区域布置成彼此平行并且 彼此相距50cm-10cm或40cm-20cm的距离。第一和第二区域之间的距 离还依赖于结构零件的尺寸以及包含该结构零件的部件的尺寸。第一和 第二区域之间的距离还依赖于该部件使用的位置。

根据本发明的又一实施方式，第一区域和第二区域布置为不相互平 行。因此，例如在飞行器机身的飞行器结构零件中，区域能够沿纵向方 向和外围方向布置，并且能够因此防止裂缝在纵向方向上和外围方向上 的蔓延。

根据本发明的又一实施方式，第一方向上的压缩残余应力与第二方 向上的压缩或拉伸残余应力的比在-0.2和+0.8之间。

根据本发明的另一实施方式，第一方向上的压缩残余应力与第二方 向上的压缩或拉伸残余应力的比在-0.2和+0.6之间。

根据本发明的另一实施方式，第一方向上的压缩残余应力与第二方 向上的压缩或拉伸残余应力的比在-0.2和+0.4之间。

换言之，交通工具结构零件中的残余应力可以不为各向同性的。这 样，可以更有效地使裂缝的蔓延转向、减缓或者停止。

根据本发明的另一实施方式，提供一种包括含有一个或多个该类型的 区域的交通工具结构零件的交通工具。例如，这种类型的交通工具可为飞 行器。然而，该交通工具也可为飞艇、直升飞机、人造卫星部件、火车、 船或机动车辆。

本发明还涉及一种用于加强大型部件（例如交通工具或桅杆、风力涡 轮机的传动装置或叶片连接件）的结构零件的方法，其包括以下步骤：在 第一方向上产生压缩残余张力并在垂直于第一方向的第二方向上产生压 缩或拉伸残余张力；第一方向上的压缩残余应力与第二方向上的压缩或拉 伸残余应力的比在-0.2和+1.0之间。该方法也能够在一个操作中进行。

最后，本发明涉及这样类型的方法，其中，第一方向上的压缩残余张 力和第二方向上的压缩或拉伸残余张力由激光冲击而产生。

附图说明

图1示出通过激光冲击辐射所辐射的区域的截面。

图2以平面图示出根据本发明实施方式的包括残余张力的条带形区 域并示出沿着条带形区域的压缩残余张力的分布。

图3示出在根据本发明实施方式的条带形区域中的残余张力的各向 异性分布。

图4示出在根据本发明实施方式的条带形区域中的残余张力的各向 同性分布。

图5为根据本发明实施方式的结构零件的示意性平面图，其包括布 置为相互平行的两个条带形区域。

图6为根据本发明实施方式的结构零件的示意性平面图，其包括一 个直条带形区域和布置为相互不平行的弯曲的两个条带形区域。

图7为根据本发明实施方式的结构零件的示意性平面图，其包括以 格子图案布置的直条带形区域。

图8为根据本发明实施方式的结构零件的示意性平面图，其包括以 菱形图案布置的直条带形区域。

图9为根据本发明实施方式的飞行器的示意性平面图，其包括两个 结构零件，条带形区域以格子图案布置在飞行器机身的交通工具结构零 件上且以菱形图案布置在机翼的交通工具结构零件上。

图10为根据本发明实施方式的用于生产包括残余张力的结构零件 的方法的流程图。

通过对实施方式的下面说明以及通过附图，使本发明的进一步的特 征、优点和可能的应用变得明显。关于这一点，在附图中公开和/或示 出的所有特征，无论其在各个权利要求或从属权利要求中如何遵从，都 以其本身以及以任何期望的结合形成本发明的主题。在下文的说明中在 相同的附图标记使用于不同的附图的情况下，这些附图标记表示相同或 相似的元件。然而，相同或相似的元件也可由不同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出交通工具结构零件的区域101的截面。

在这一点，应注意，交通工具结构零件也可为另一装置——例如桅 杆的壳体节段、风力涡轮机的传动装置或叶片连接件——的结构零件。

辐射表面区102可包括涂层103（例如金属胶条或喷涂层）。反过来， 在交通工具结构零件的表面区102上方可存在液膜104，例如水膜。为了 在区域101中产生残余张力，由脉冲激光束105经由液膜104对表面区102 进行辐射。在激光束105的入射点处，涂层的突然移除或蒸发产生等离子 体106，从而导致产生爆炸力。产生的压缩脉冲从液膜104反射并引起压 缩冲击波107，压缩冲击波107传播到交通工具结构零件501中。这些局 部塑性变形在材料中产生残余张力，其具有的深度109为在交通工具结构 零件501的区域101中的材料厚度108的30%至100%。

图2为包括残余张力的直条带形区域101的平面图。关于这一点，y 表示在正切于条带形区域101的纵向方向上的表面延伸的第一方向201上 的位置，位置y=0表示在条带形区域101的中央的位置。类似地，x表示 在正切于该表面且垂直于第一方向201的第二方向202上的位置，x=0表 示在条带形区域101的中央的位置。此外，第一方向201上的残余张力203 被描绘为随着第一方向201上的位置y而变化。关于这一点，垂直于条带 形区域101的位置x在x=0处恒定。在条带形区域101内，存在占优势的 压缩残余张力207。就在条带形区域的外侧，交通工具结构零件包括拉伸 残余张力206，并且随着进一步远离区域101，该拉伸残余张力朝向0渐 近地回归（参阅附图标记205）。

图3示出条带形区域101中残余张力的分布，条带形区域101具有 100mm的长度和10mm的宽度，残余张力各向异性地构造。

在图表301中，垂直于条带形区域101的方向202上的残余张力303 被描绘为随着条带形区域101的方向201上的位置y而变化，位置x在x=0 处恒定以及虚线310和311表示条带形区域的边缘。在条带形区域101内， 交通工具结构零件501包括拉伸残余张力306。就在条带形区域101的外 侧，交通工具结构零件501包括压缩残余张力305，压缩残余张力305随 着距离的增加朝向0渐近地回归304。在图表302中，条带形区域101的 方向201上的残余张力203被描绘为随着垂直于条带形区域101的方向201 的方向202上的位置x而变化，位置y在y=0处恒定以及虚线312和313 表示条带形区域101的边缘。在条带形区域101内，交通工具结构零件501 包括压缩残余张力309。就在条带形区域的外侧，交通工具结构零件包括 拉伸残余张力308，拉伸残余张力308随着相距条带形区域101的距离的 增加朝向0渐近地回归307。

图4示出条带形区域101中残余张力的分布，条带形区域101具有 100mm的长度和10mm的宽度，残余张力各向同性地构造。

在图表401中，垂直于条带形区域101的方向202上的残余张力303 被描绘为随着条带形区域101的方向201上的位置y而变化，位置x在x=0 处恒定以及虚线310和311表示条带形区域101的边缘。在条带形区域101 内，交通工具结构零件501包括压缩残余张力405。就在条带形区域101 的外侧，交通工具结构零件501包括拉伸残余张力404，拉伸残余张力404 随着距离的增加朝向0渐近地回归403。在图表402中，条带形区域101 的方向201上的残余张力203被描绘为随着垂直于条带形区域101的方向 201的方向202上的位置x而变化，位置y在y=0处恒定以及虚线312和 313表示条带形区域101的边缘。在条带形区域101内，交通工具结构零 件501包括压缩残余张力309。就在条带形区域的外侧，交通工具结构零 件包括拉伸残余张力308，拉伸残余张力308随着相距条带形区域101的 距离的增加朝向0渐近地回归307。

图5为根据本发明实施方式的交通工具结构零件501的示意性平面图。 该交通工具结构零件501包括彼此间隔距离505的两个直的、平行的条带 形区域502和503。交通工具结构零件可构造成吸收拉伸载荷504。例如， 条带形区域502和503沿拉伸载荷504的方向509布置。裂缝蔓延方向508 大体垂直于拉伸载荷504的方向509。在与包括残余张力的区域502或503 相距更远的距离处，裂缝507大体在裂缝蔓延方向508上蔓延。裂缝507 越靠近区域502或503中的一个，则其蔓延方向越来越沿条带形区域和拉 伸载荷的方向509发生改变。因此，裂缝可为U形，这带来更迅速的压力 均衡。

图6为根据本发明实施方式的交通工具结构零件501的示意性平面图。 该交通工具结构零件501包括直条带形区域502。交通工具结构零件501 还包括另外的两个条带形区域601和602，条带形区域601和602包括至 少一个弯曲部604。该另外的两个弯曲的条带形区域602中的一个可以例 如围绕排出口605布置。此外，这另外的两个条带形区域601和602可以 以它们相交且形成重叠点603的方式相互不平行地布置604。裂缝606能 够例如以描绘U形的方式从其初始蔓延方向偏斜。同时，例如排出口605 的紧要区域能够被保护免于产生裂缝。

图7为根据本发明实施方式的交通工具结构零件501的示意性平面图。 交通工具结构零件501包括多个直条带形区域502。这些直条带形区域502 以格子图案701布置，其以直角702交叉并形成重叠区域603。因此，沿 方向705蔓延的裂缝703与沿方向706蔓延的裂缝704的蔓延方向都能够 被转向，并且能够因此防止在两个方向上形成更长的裂缝。

图8为根据本发明实施方式的交通工具结构零件501的示意性平面图。 交通工具结构零件501包括多个直条带形区域502，其以菱形图案801布 置。因此，条带形区域以锐角802和钝角803交叉并且形成重叠区域603。

图9为根据本发明实施方式的交通工具的示意性平面图，交通工具使 用飞行器901的示例。飞行器包括飞行器机身902和两个机翼903及904。 飞行器机身902和机翼903可包括交通工具结构零件101。以格子图案701 布置的条带形区域502例如可以形成于飞行器机身的交通工具结构零件 101上。相比之下，在布置于机翼903上的交通工具结构零件101上，条 带形区域502可以菱形图案801布置。

图10为根据本发明实施方式的用于加强交通工具结构零件101的方法 的流程图。在第一步骤1001中，在第一区域中，在第一方向201上产生 压缩残余张力203，并且在垂直于第一方向201的第二方向202上产生压 缩或拉伸残余张力204，第一方向201上的压缩残余应力203与第二方向 202上的压缩或拉伸残余应力204的比在-0.2和+1.0之间。在第二步骤1002 中，在第二区域中，在第三方向上产生压缩残余张力203，并且在第四方 向上产生压缩或拉伸残余张力，第三方向上的压缩残余应力203与第四方 向上的压缩或拉伸残余应力204的比在-0.2和+1.0之间。关于这一点，第 一和第二区域可部分或完全地重叠。随后，可产生这类的更多的区域。

为了完整性，应注意，“包括”或“具有”不排除其他的元件或步骤并 且“一个”不排除复数。还应注意，已经参考上述实施方式中的一个所公 开的特征还能够与上文公开的其他实施方式的其他特征结合使用。权利要 求中的附图标记不应认为是限制性的。