JP2006281664A - 複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構成で、亀裂の発生または進展を防止し、耐荷重強度の向上を図ることができる複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法を提供する。
【解決手段】 第１および第２スキン層２６，２７の積層開始点２８とコア先端部との間に、合成樹脂から成る補強用充填材２９を挿入する。
【選択図】 図１
【解決手段】 第１および第２スキン層２６，２７の積層開始点２８とコア先端部との間に、合成樹脂から成る補強用充填材２９を挿入する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、航空機の外板などに好適に実施することができる複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法に関する。
図１２は、従来の技術を説明するための航空機の機首１の構造を簡略化して示す斜視図であり、図１３は図１２の切断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから見た一部の拡大断面図である。近年、航空機の機体にフォームコアサンドイッチパネル（Foam Core Sandwich Panel）とも呼ばれる繊維強化複合材サンドイッチパネル２が採用されている。この複合材サンドイッチパネル２は、疲労に強く、断熱性および遮音性にも優れ、一体成形によって重量および部品点数を低減できるという利点があり、ハニカムサンドイッチパネルのように、ハニカムコアへの水の浸入という問題もない優れた構造形態として着目されている。
実機への適用にあたっては、たとえば機首１への適用例について述べると、複合材サンドイッチパネル２の構造材３への結合部４が設計上の重要な要素となる。この結合部４の構造は、目視による点検が容易な突合せ結合とし、前記構造材３にハイロックボルトなどによって実現されるファスナ７によって接合されたスプライスプレートとも呼ばれる添え板５を介して、面方向に隣接する２枚の複合材サンドイッチパネル２を、ハイロックボルトなどによって実現される複数のファスナ６によって結合する手法を採用している。このような複合材サンドイッチパネル２をより軽量化するためには、層間剥離の防止を如何にして解決するかが重要な課題とされる。
他の従来の技術では、加熱成形時にコア材の積層フォーム間に閉じ込められたガスに起因するボイド（泡状の）欠陥の発生を防止し、このボイド欠陥の発生による強度低下を防止して、軽量で高強度の複合繊維強化プラスチック構造体を実現するために、成形型上に、マトリックス樹脂中に低密度付与充填材を内包するコア材の少なくとも２層間に、マトリクス樹脂の成形温度よりも高い融点を有する合成樹脂からなる不織布を挟み、少なくとも片面のほぼ全域に繊維強化プラスチックのプリプレグを配置し、バッグフィルムによって全体を覆って気密化し、バッグフィルム内を真空引きしながら加熱することによって一体成形される複合材サンドイッチパネルおよびその製造方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
前述の特許文献１に記載される従来の技術では、コア材の各層間のボイド欠陥の発生という製造上の問題は解消されるが、この複合材サンドイッチパネルに荷重が作用したとき、結合部の耐荷重強度に達する前に、結合部とコア層の傾斜部との間に亀裂が発生し、その亀裂が進展して層間剥離が生じ、終局的には破壊に至ってしまい、十分な耐荷重が得られないという実使用上の問題を有する。
本発明の目的は、簡単な構成で、亀裂の発生または進展を防止し、耐荷重強度の向上を図ることができる複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法を提供することである。
本発明は、発泡合成樹脂から成り、厚み方向一方側の第１表面と前記厚み方向他方側の第２表面とが平行な基部に、前記第１表面と第２表面とが相互に近接する方向に傾斜する傾斜部が連なるコア層と、繊維強化複合材料から成り、コア層の前記第１表面上に一体的に形成される第１スキン層と、繊維強化複合材料から成り、コア層の前記第２表面上に一体的に形成される第２スキン層とによって、パネル本体部が形成されるとともに、前記第１スキン層と第２スキン層とを積層して一体化した結合部が形成される複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法であって、
前記コア層の傾斜部と第１および第２スキン層の積層開始点との間に、補強用充填材を介在させて、前記第１および第２スキン層ならびにコア層に一体化することを特徴とする複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法である。
前記コア層の傾斜部と第１および第２スキン層の積層開始点との間に、補強用充填材を介在させて、前記第１および第２スキン層ならびにコア層に一体化することを特徴とする複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法である。
また本発明は、前記補強用充填材は、コア層よりも剛性の高い合成樹脂から成ることを特徴とする。
さらに本発明は、前記補強用充填材は、未硬化の合成樹脂から成ることを特徴とする。
さらに本発明は、前記補強用充填材は、硬化した合成樹脂から成ることを特徴とする。
さらに本発明は、前記補強用充填材は、硬化した合成樹脂から成ることを特徴とする。
本発明によれば、コア層の傾斜部と第１および第２スキン層の積層開始点との間に、第１および第２スキン層ならびにコア層に一体化した補強用充填材を介在させるので、複合材サンドイッチパネルに荷重が作用すると、補強用充填材にも荷重が負荷されて分散し、亀裂発生箇所の応力が低減されて、簡単な構成によって、亀裂の発生および進展を抑制することができる。
また本発明によれば、補強用充填材がコア層よりも剛性の高い合成樹脂から成るので、補強材充填材による分担される荷重を大きくして、亀裂の発生および進展の抑制範囲を大きくして、耐荷重特性を向上することができる。
さらに本発明によれば、補強用充填材が未硬化の合成樹脂から成るので、複合材サンドイッチパネルの製造時において、補強用充填材の充填位置、充填範囲、被充填領域の形状などに応じて形態を柔軟に変更することが可能であり、これによって補強用充填材の設計上の自由度を向上することができる。
さらに本発明によれば、補強用充填材が硬化した合成樹脂から成るので、複合材サンドイッチパネルの製造時において、補強用充填材の形態が一定あり、これによって補強用充填材の充填作業上の取り扱いが容易であり、製造作業の作業性が向上され、複合材サンドイッチパネルの生産性を向上することができる。
図１は、本発明の実施の一形態の亀裂発生抑制方法が適用された複合材サンドイッチパネル２０の構成を示す一部の断面図である。本実施の形態の亀裂発生抑制方法が適用された複合材サンドイッチパネル２０は、発泡合成樹脂から成り、厚み方向一方側の第１表面２１と前記厚み方向他方側の第２表面２２とが平行な基部２３に、前記第１表面２１と第２表面２２とが相互に近接する方向に傾斜する傾斜部２４が連なるコア層２５と、繊維強化複合材料から成り、コア層２５の前記第１表面２１上に一体的に形成される第１スキン層２６と、繊維強化複合材料から成り、コア層２５の前記第２表面２２上に一体的に形成される第２スキン層２７と、前記コア層２５の傾斜部２４と第１および第２スキン層２６，２７の積層開始点２８との間に介在される補強用充填材２９とを含む。
第１スキン層２６と第２スキン層２７とコア層２５とによって、３層構造のパネル本体部３０が形成されるとともに、第１スキン層２６と第２スキン層２７とが積層して一体化することによって、２層構造の結合部３１が形成される。図１において上方に配置される複合材サンドイッチパネル２０と、下方に配置される複合材サンドイッチパネル２０とは、上方の複合材サンドイッチパネル２０の下部の結合部３１と、下方の複合材サンドイッチパネル２０の上部の結合部３１とが上下に突合わせた状態で、スプライスプレートとも呼ばれる添え板３３にシムあるいは接着材３４を介して複数のファスナ３５によって締結され、相互に結合されている。
前記添え板３３は、断面が略Ｔ字状の軽量アルミ合金から成り、前述の図１２に示される航空機の機首１の構造材３にファスナ３８によって接合される。前記ファスナ３５，３８は、ハイロックボルト３６およびカラー３７などを含んで構成される。
第１および第２スキン層２６，２７を構成する材料としては、炭素繊維強化合成樹脂（略称ＣＦＲＰ）が用いられ、具体的には、異なる繊維方向を有する複数のプリプレグが用いられる。またコア層２５を構成する材料としては、独立気泡発泡の硬質合成樹脂が用いられる。さらに補強用充填材を構成する材料としては、硬化後の状態でコア層２５の剛性よりも高い剛性を有する材料、たとえば前記第１および第２スキン層２６，２７の材料と同一材料、すなわち未硬化のプリプレグが用いられる。これらの第１および第２スキン層２６，２７ならびにコア層２５は、前記各材料に補強用充填材２９の材料を充填した状態で、成形型上に乗載して、たとえばオートクレーブ内で２〜３時間、加熱されて一体化される。
図２は、本件発明者による引張り試験で用いた供試体４１および歪ゲージＡ〜Ｄの取り付け位置を示す断面図であり、図３は引張り試験によって得られた荷重と歪との関係を示すグラフである。本件発明者は、従来の複合材サンドイッチパネル２０を模擬した供試体４１を作成し、この供試体４１に引張り試験機によって引張り力Ｆを与えて引張り試験を行い、破壊モードおよび破壊荷重を確認した。その結果、試験荷重Ｆ＝３９ｋＮでコア先端部４６に図４に示されるように長さＬ＝７ｍｍの亀裂が生じ、試験荷重Ｆ＝１１２ｋＮで、結合部３１で第１および第２スキン層２６，２７が破断した。
次に、図４に示される複合材サンドイッチパネル２０の傾斜部２４を含む供試体モデル４５を作成し、この供試体モデル４５を利用して、図５に示されるコア先端部４６に補強用充填材２９が挿入されないコア先端部４６付近の供試体モデル４７と、図６に示される補強用充填材２９を挿入したコア先端部４６付近の供試体モデル４８とを作成し、単位荷重を負荷した状態を模擬したＦＥＭ(Finite-Element Method)解析を実施した。
図７は、補強用充填材２９を挿入しない場合の供試体モデル４７のせん断応力の発生状態を示す図であり、図８は補強用充填材２９を挿入した場合の供試体モデル４８のせん断応力の発生状態を示す図である。前記ＦＥＭ解析の結果、補強用充填材２９を挿入しない場合は、図７に示されるように、亀裂発生想定位置Ｐでのせん断応力の最大値τｍａｘ１は、１．７×１０−２ＭＰａであった。これに対して、補強用充填材２９を挿入した場合は、図８に示されるように、亀裂発生想定位置Ｐでのせん断応力の最大値τｍａｘ２は、１．１×１０−２ＭＰａであり、３５％低減することを確認した。
また、補強用充填材２９を挿入しない場合は、図７に示されるように、コア先端部４６付近のせん断応力τ１は、１．５×１０−６ＭＰａであった。これに対して、補強用充填材２９を挿入した場合は、図８に示されるように、コア先端部４６付近のせん断応力τ２は、６．９×１０−４ＭＰａに増加した。この現象は、発泡コアより剛性が高い補強用充填材２９がコア先端部４６と結合部３１との間に存在することによって、補強用充填材２９が荷重を負担して、亀裂先端部の応力が減少したことを示している。この亀裂先端部の応力低下により、亀裂の発生および進展を遅延させることが確認された。このように補強用充填材２９の剛性については、コア層２５以上のせん断剛性があれば、十分なせん断応力の緩和が期待できることが判明した。
図９は、挿入される補強用充填材の材料剛性を説明するためのグラフであり、図１０は補強用充填材２９の範囲を説明するための供試体モデルを示す図であり、図１１は補強用充填材２９のせん断応力への影響の範囲を示すグラフである。補強用充填材２９の範囲について評価したところ、コア先端部４６から１０ｍｍ程度の範囲内に充填すれば、十分なせん断応力の緩和が期待できることを確認した。補強用充填材２９の材料選定や充填範囲Ｘの決定は、安価な合成樹脂を、限定した範囲で充填すれば十分な効果が得られることがわかる。
本実施の形態によれば、コア層２５の傾斜部２４と第１および第２スキン層２６，２７の積層開始点２８との間に、第１および第２スキン層２６，２７ならびにコア層２５に一体化した補強用充填材２９を介在させるので、複合材サンドイッチパネル２０に荷重が作用すると、補強用充填材２９にも荷重が負荷されて分散し、亀裂発生箇所の応力が低減されて、簡単な構成によって、亀裂の発生および進展を抑制することができる。
また、補強用充填材２９がコア層２５よりも剛性の高い合成樹脂から成るので、補強材充填材２９による分担される荷重を大きくして、亀裂の発生および進展の抑制範囲を大きくして、耐荷重特性を向上することができる。
さらに、補強用充填材２９が未硬化の合成樹脂から成るので、複合材サンドイッチパネル２０の製造時において、補強用充填材２９の充填位置、充填範囲、被充填領域の形状などに応じて形態を柔軟に変更することが可能であり、これによって補強用充填材２９の設計上の自由度を向上することができる。
本発明の実施の他の形態では、前記補強用充填材２９は、硬化した合成樹脂から成ってもよい。このような構成によれば、補強用充填材２９が硬化した合成樹脂から成るので、複合材サンドイッチパネル２０の製造時において、補強用充填材２９の形態が一定であり、これによって補強用充填材２９の充填作業上の取り扱いが容易であり、製造作業の作業性が向上され、複合材サンドイッチパネル２０の生産性を向上することができる。
本発明の実施のさらに他の形態では、図１の仮想線５１，５２で示されるように、前述と同様なプレプリグから成る幅ｂ＝約６ｃｍの補助充填材をコア先端部の両側に成形前に貼着し、前述と同様にオートクレーブによって加熱成形して硬化させて一体形成してもよい。この場合には、亀裂発生想定位置のせん断応力τは１．７６×１０−３ｋｇ／ｍｍ２から１．７２×１０−３ｋｇ／ｍｍ２に変化し、約２％低減することができる。このような低減量はわずかであるが、前述の補強用充填材と併用することによって、せん断応力を微調整するために利用することができる。
２０ 複合材サンドイッチパネル
２１ 第１表面
２２ 第２表面
２３ 基部
２４ 傾斜部
２５ コア層
２６ 第１スキン層
２７ 第２スキン層
２８ 積層開始点
２９ 補強用充填材
３０ パネル本体部
３１ 結合部
３３ 添え板
３５ ファスナ
４１ 供試体
４５，４７，４８ 供試体モデル
４６ コア先端部
Ｐ 亀裂発生想定位置
Ａ〜Ｄ 歪ゲージ
２１ 第１表面
２２ 第２表面
２３ 基部
２４ 傾斜部
２５ コア層
２６ 第１スキン層
２７ 第２スキン層
２８ 積層開始点
２９ 補強用充填材
３０ パネル本体部
３１ 結合部
３３ 添え板
３５ ファスナ
４１ 供試体
４５，４７，４８ 供試体モデル
４６ コア先端部
Ｐ 亀裂発生想定位置
Ａ〜Ｄ 歪ゲージ
Claims (4)
- 発泡合成樹脂から成り、厚み方向一方側の第１表面と前記厚み方向他方側の第２表面とが平行な基部に、前記第１表面と第２表面とが相互に近接する方向に傾斜する傾斜部が連なるコア層と、繊維強化複合材料から成り、コア層の前記第１表面上に一体的に形成される第１スキン層と、繊維強化複合材料から成り、コア層の前記第２表面上に一体的に形成される第２スキン層とによって、パネル本体部が形成されるとともに、前記第１スキン層と第２スキン層とを積層して一体化した結合部が形成される複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法であって、
前記コア層の傾斜部と第１および第２スキン層の積層開始点との間に、補強用充填材を介在させて、前記第１および第２スキン層ならびにコア層に一体化することを特徴とする複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法。 - 前記補強用充填材は、コア層よりも剛性の高い合成樹脂から成ることを特徴とする請求項１記載の複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法。
- 前記補強用充填材は、未硬化の合成樹脂から成ることを特徴とする請求項１または２記載の複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法。
- 前記補強用充填材は、硬化した合成樹脂から成ることを特徴とする請求項１または２記載の複合材サンドイッチパネル結合部の亀裂発生抑制方法。
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