JP2009083551A - サンドイッチパネルの亀裂進展防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 亀裂の進展を防止または抑制し、生産性を向上することができるサンドイッチパネルの剥離進展防止構造を提供する。
【解決手段】 発泡合成樹脂から成る発泡コア２１，２２の厚み方向両側の各表面２５，２６に、繊維強化複合材料から成る面板２７，２８が積層された状態で一体的に形成されるサンドイッチパネル２０において、発泡コア２１，２２には、その厚み方向一方側の表面２５から厚み方向他方側の表面２６ら向かって傾斜する傾斜部２９，３０が形成され、これらの傾斜部２９，３０と各面板２７，２８とが鋭角で交差する先端部２３，２４に、発泡コア２１，２２よりも剛性の高い材料から成るアレスタ３２，３３を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発泡合成樹脂から成る発泡コアとその表面に積層して一体的に形成される面板との間の亀裂の発生およびその進展を防止して、面板が発泡コアから剥離することを防止するサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造に関する。

近年、航空機の機体を形成する構造材料として、発泡コアサンドイッチパネル（Foam
Core Sandwich Panel）が用いられている。この発泡コアサンドイッチパネルは、発泡合成樹脂から成る発泡コアに繊維強化複合材料から成る面板を積層して一体成形され、ハニカムコアサンドイッチパネルのように水浸入の問題がなく、軽量化および部品点数の削減を図る上で有効なパネル材として用いられている。

図８は従来技術の発泡コアサンドイッチパネル１の構造を示す一部の断面図であり、図９は図８に示す発泡コアサンドイッチパネル１のコア層２の先端部３ａ付近の拡大断面図である。発泡コアサンドイッチパネル１は、面方向に複数の発泡コア２ａ，２ｂが隣接してコア層２を構成し、コア層２の前記面方向に垂直な厚み方向一方側の表面および厚み方向他方側の表面には、面板４ａ，４ｂがそれぞれ積層されて一体的に形成される。前記発泡コア２ａ，２ｂは、フォームコアとも呼ばれ、発泡合成樹脂から成る。また、前記各面板４ａ，４ｂは、繊維強化複合材料から成る。

前述の発泡コアサンドイッチパネル１において、各発泡コア２ａ，２ｂは、各面板４ａ，４ｂと発泡コア２ａ，２ｂとの剥離を防止するため、各面板４ａ，４ｂ間にわたってアレスタ５が設けられる。このアレスタ５は、鋭角に加工された発泡コア２ａ，２ｂの先端部３ａ，３ｂを覆う折曲げ部７と、折曲げ部７から各面板４ａ，４ｂに沿って延びる面板部８と、各発泡コア２ａ，２ｂの互いに傾斜して対向する傾斜部に沿って延びるスプライス部９とを有する。このようなアレスタ５は、前記面板４ａ，４ｂと同様な繊維強化複合材料から成る（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−２８２０４６号公報

前述の従来技術では、各面板４ａ，４ｂ間にわたって設けられるアレスタ５は、各発泡コア２ａ，２ｂの先端部を覆う折曲げ部７の両側に面板部８とスプライス部９とが連なって形成され、このようなアレスタ５を形成するために、各発泡コア２ａ，２ｂに、前記折曲げ部７、面板部８およびスプライス部９に対応する位置にわたって、繊維強化複合材料の前駆体である未硬化のプリプレグを手作業で慎重に折曲げて積層しなければならず、製造時の作業性が悪いという問題がある。また、鋭角に加工した各発泡コア２ａ，２ｂの先端部３ａ，３ｂは、加工時に損傷しやすいため、加工に手間を要し、生産性が悪いという問題がある。

本発明の目的は、発泡コアの先端部を損傷することなく、発泡コアにプリプレグを容易に積層することができ、生産性を向上することができるサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造を提供することである。

本発明は、発泡合成樹脂から成る発泡コアの厚み方向両側の各表面に、繊維強化複合材料から成る面板が積層された状態で一体的に形成されるサンドイッチパネルにおいて、
前記発泡コアは、その厚み方向一方側の表面から前記厚み方向他方側の表面に向かって傾斜する傾斜部を有し、この傾斜部と面板とが鋭角で交差する先端部に、前記発泡コアよりも剛性の高い材料から成るアレスタが形成されることを特徴とするサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造である。

本発明に従えば、発泡合成樹脂から成る発泡コアの厚み方向両側の各表面に、繊維強化複合材料から成る面板が積層される。前記発泡コアは、その厚み方向一方側の表面から前記厚み方向他方側の表面に向かって傾斜する傾斜部を有する。前記発泡コアの傾斜部と面板とが鋭角で交差する先端部は、前記発泡コアよりも剛性の高い材料から成るアレスタが形成される。

このように発泡コアの先端部を、この発泡コアよりも剛性に高い材料によって代替させるので、面板と発泡コアとの間の亀裂の進展を阻止し、剥離を防止することができる。このようなサンドイッチパネルの発泡コアには、鋭角の先端部を形成する必要がなく、前述のように発泡コアよりも剛性の高い材料によって先端部にアレスタが形成されるので、加工時における先端部が容易に損傷することを防止することができる。また、前記従来技術のように、発泡合成樹脂から成る発泡コアの先端部に、繊維強化複合材料の前駆体であるプリプレグを手作業で慎重に折曲げて積層する必要がないので、製造時の手間を削減することができ、生産性を向上することができる。

また本発明は、前記発泡コアは、その厚み方向一方側の表面から前記厚み方向他方側の表面に向かって傾斜する第１傾斜部と、第１傾斜部に対向して平行に延びる第２傾斜部とを有し、第１傾斜部と第２傾斜部とは、繊維強化複合材料から成るスプライス部を介して一体的に形成されることを特徴とする。

本発明に従えば、前記発泡コアは、第１傾斜部と第２傾斜部とを有し、第１傾斜部と第２傾斜部とは、繊維強化複合材料から成るスプライス部を介して一体的に形成されるので、製造時に手間を要することなく、生産性を向上して、面板と発泡コアとの間の亀裂の発生または進展を、より一層確実に防止することができる。

さらに本発明は、前記アレスタは、前記繊維強化複合材料から成ることを特徴とする。
本発明に従えば、前記アレスタが前記繊維強化複合材料から成るので、アレスタと面板とを共通な繊維強化複合材料によって形成することができ、これによって面板とアレスタとを材質的に一様な構造とし、荷重を広範囲に分散して発生させることができ、局所的に高い応力が発生することを防止し、より一層確実に亀裂の発生または進展を抑制することができる。

本発明によれば、発泡コアの先端部にアレスタを発泡コアよりも剛性の高い材料によって形成するので、加工時における先端部の損傷を防止し、先端部の繊維強化複合材料の前駆体であるプリプレグの積層作業を容易化し、生産性を向上して、確実に亀裂の発生または進展を抑制することができる。

また本発明によれば、発泡コアが第１傾斜部と第２傾斜部とがスプライス部を介して一体的に形成されるので、面板と発泡コアとのに間の亀裂の発生または進展をより一層確実に防止することができる。

さらに本発明によれば、アレスタが繊維強化複合材料から成るので、アレスタと面板とを共通な繊維強化複合材料によって形成することができ、これによってアレスタと面板とを一体化し、荷重をアレスタと面板とに分散して応力を軽減し、より一層確実に亀裂の発生または進展を防止することができる。

図１は本発明の実施の一形態の剥離進展防止構造が適用されたサンドイッチパネル２０の一部の断面図であり、図２は一方の発泡コア２１の先端部２３付近の拡大断面図である。航空機の機体などの構造用材料として好適に用いられるサンドイッチパネル２０は、面方向（図１の左右方向）に隣接し、発泡合成樹脂から成る複数（本実施の形態では２）の発泡コア２１，２２と、各発泡コア２１，２２の厚み方向（図１の上下方向）Ｙ両側の各表面２５，２６上に積層されて一体的に設けられる面板２７，２８とを有する。

各発泡コア２１，２２は、厚み方向Ｙ一方側の表面２５から厚み方向他方側の表面２６に向かって傾斜する第１傾斜部２９と、第１傾斜部２９に対向して平行に延びる第２傾斜部３０とを有し、第１傾斜部２９と第２傾斜部３０とはスプライス部３１を介して一体的に形成される。

前記発泡コア２１，２２は、発泡合成樹脂材料から成る。この発泡合成樹脂材料としては、たとえぼポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリメタクリルイミド（ＰＭＩ）またはポリビニルクロライド（ＰＶＣ）が好適に用いられる。このような発泡合成樹脂は、独立気泡であってもよく、連続気泡であってもよい。

各面板２７，２８は、繊維強化複合材料から成る。この繊維強化複合材料は、強化繊維から成る基材に、マトリクス樹脂を含浸させたいわゆるシート状のプリプレグとして商業的に入手可能な材料を積層して加熱し、硬化させたものである。強化繊維は、たとえば炭素繊維またはガラス繊維が用いられ、２次元または３次元の織物あるいは編物によって実現される。また前記マトリクス樹脂は、たとえばエポキシ樹脂を用いることができ、このエポキシ樹脂を含浸させた未硬化の状態、すなわち前述のプリプレグを発泡コア２１，２２の各表面２５，２６上に積層し、加熱硬化させることによってサンドイッチパネル２０が形成される。

各発泡コア２１，２２の各先端部２３，２４には、発泡コア２１，２２よりも剛性の高い材料から成るアレスタ３２，３３が形成される。このようなアレスタ３２，３３は、各発泡コア２１，２２の先端部２３，２４を面方向に予め定める幅Ｗだけ切落し、フィラー材を充填し、硬化させることによって形成される。

このようなアレスタ３２，３３を形成することによって、各発泡コア２１，２２の各先端部２３，２４の鋭角部に前述したプリプレグを巻付ける際に、先端部２３，２４が損傷してしまうという不具合を回避することができ、しかも従来技術のようにプリプレグを手作業に慎重に折曲げて積層する必要がないので、製造時の手間が少なくてすみ、生産性を向上することができる。

このようなアレスタ３２，３３を形成するフィラー材としては、前述の面板２７，２８と同種材料、すなわち繊維強化複合材料から成り、前記スプライス部３１もまた同種材料から成る。面板スプライスは織物材であり、フィラーは一方向材でともにＣＦＲＰ材である。また、材料はＣＦＲＰ材に限らず、エポキシ樹脂（レジン材）でも、適用可能である。

このようなアレスタ３２，３３は各発泡コア２１，２２の接合部に設けられ、本実施の形態では格子状に設けられる。各発泡コア２１，２２が平板状の場合、アレスタ３２，３３は直線状に延び、また各発泡コア２１，２２が曲面状に湾曲して形成される場合には、その曲面に沿って直線状に延びる。

このようにアレスタ３２，３３を各面板２７，２８の素材である繊維強化複合材料と同種材料を用いることによって、各面板２７，２８とスプライス部３１と各アレスタ３２，３３とを材質的に一様な構造として、荷重が作用したときに、その荷重を広範囲に分散し、局所的に高い応力が発生することを防止し、亀裂の発生または進展を抑制することができる。

図３はアレスタ３２の剥離進展防止効果を確認するための解析モデル３５を示す図であり、図４は解析モデル３５へのモードＩ負荷形態を示す図であり、図５は解析モード３５へのモードＩＩ負荷形態を示す図である。本件発明者は、アレスタ３２による剥離進展防止効果を確認するために、サンドイッチパネル２０を模擬する解析モデル３５を図３に示すように想定し、有限要素法（ＦＥＭ）解析によってアレスタ３２による剥離進展防止効果を評価した。なお、解析モデル３５において、サンドイッチパネル２０と対応する部分には同一の参照符を付す。

解析モデル３５では、発泡コア２１，２２の厚み方向Ｙ両側に面板２７，２８が積層され、各面板２７，２８は樹脂層３６を介して各発泡コア２１，２２の各表面２５，２６に接着され、各発泡コア２１，２２の各先端部２３，２４にはアレスタ３２，３３が設けられる。各アレスタ３２，３３の断面形状は直角三角形であり、最も長い一辺がスプライス部３１に臨み、次に長い一辺が面板２７，２８に臨み、最も短かい一辺が発泡コア２１，２２に臨むように設けられる。

またこの解析モデル３５では、樹脂層３６は各アレスタ３２，３３と各面板２７，２８の間に介在されていない。各面板２７，２８は、発泡コア２１，２２寄りの厚み方向内方に配置される第１層と、その外側の第２層とから成る。第１層は、各表面２５，２６に平行な図３の左右方向である面方向Ｘに対して成す角度が０度および９０度の繊維から成る２次元織物を基材とし、第２層は、前記面方向Ｘに対して成す角度が±４５度の繊維から成る２次元織物を基材とする。

この解析モデル３５におけるサンドイッチパネル２０の前記面方向Ｘに沿う全長Ｌ０が３００ｍｍであり、前記面方向Ｘ一端部の端面から距離Ｌ１の位置に、アレスタ３２が設けられる。このような解析モデル３５によって表わされるサンドイッチパネル２０の前記面方向Ｘ一端部の端面から面方向Ｘ他端部の端面に向けて他方の発泡コア２２と面板２７との間、さらに詳しくは他方の発泡コア２２と一方の面板２７を接着する樹脂層３６との間に剥離長さａの剥離３７が生じているものと仮定する。

このような解析モデル３５を用いて、図４に示すモードＩ負荷形態および図５に示すモードＩＩ負荷形態で剥離の進展について評価した。モードＩ負荷形態では、面方向Ｘ一端部の端面と他方の面板２８の発泡コア２２と反対側の表面とが交差する角部の位置Ｐｓ１を、面方向Ｘおよび厚み方向の変位を阻止するように支持した状態で、面方向Ｘ一端部の端面と一方の面板２７の発泡コア２２に関して反対側の表面２５とが交差する角部の位置Ｐｆ１に、他方の面板２８から一方の面板２７に向かう厚み方向の剥離力Ｆ１を与える負荷形態である。

すなわち、サンドイッチパネル２０の面方向Ｘ一端部を下方から前記面方向Ｘに移動自在に支持して、第１可動支点４１と、サンドイッチパネル２０の面方向Ｘ一端部の下端を面方向Ｘ一方側から厚み方向Ｙに移動自在に支持する第２可動支点４２と、サンドイッチパネル２０の面方向Ｘ一端部を上端で前記面方向Ｘ一方側から厚み方向に移動自在に支持する第３可動支点４３を設け、面方向Ｘ一端部の上面に剥離力Ｆ１を作用させた状態を、モードＩ負荷形態とする。ここで、剥離力Ｆ１は１００Ｎである。

前記モードＩＩ負荷形態は、各サンドイッチパネル２０の面板２８上で、面方向Ｘ両端部の各端面から面方向Ｘ内方へそれぞれ距離Ｌ２，Ｌ３だけ近付いた位置Ｐｓ２１，Ｐｓ２２を、面方向Ｘおよび厚み方向の変位を阻止するように支持した状態で、一方の面板２７の発泡コア２１，２２とは反対側の表面における面方向Ｘ中央位置Ｐｆ２に、一方の面板２７から他方の面板２８に向かって、せん断力Ｆ２を与える負荷形態である。

すなわち、サンドイッチパネル２０の面方向Ｘ両端部の端面から内方に距離Ｌ２，Ｌ３の位置Ｐｓ２１，Ｐｓ２２を下方から面方向Ｘに沿って移動自在な第４可動支点４４によって支持し、サンドイッチパネル２０の下面を面方向Ｘ一端部の端面から内方に距離Ｌ２の位置で前記面方向Ｘ一方側から厚み方向に移動自在に第５可動支点４５によって支持する。サンドイッチパネル２０の面方向Ｘ他端部の端面から内方に距離Ｌ３の位置を前記面方向Ｘに移動自在に第６可動支点４６によって支持し、さらにサンドイッチパネル２０の面方向Ｘ一端部の端面から内方に距離Ｌ３の位置を下面で前記面方向Ｘ一方側から厚み方向に移動自在に第７可動支点４７によって支持し、サンドイッチパネル２０を全長Ｌ０の中央（Ｌ０／２）の上面の位置Ｐｆ２を厚み方向に移動自在に第８可動支点４８によって面方向Ｘ一方側から支持し、この中央の位置Ｐｆ２に上方から、せん断力Ｆ２を作用させた負荷形態である。前記距離Ｌ２，Ｌ３は、５０ｍｍであり、せん断力Ｆ２は１０００Ｎである。

図６は、モードＩ負荷形態での負荷に対する剥離長さａとエネルギ解放率Ｇとの関係を示すグラフである。同図には、炭素繊維を強化繊維とする一方向（紙面に垂直方向、ＵＤ９０度）の材料を基材とする繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）から成るアレスタ３２，３３が設けられるサンドイッチパネル２０のＧ値を示し、横軸は剥離長さａであり、縦軸はＧ値である。

同図において、符号「□」を結ぶライン５１は、アレスタが設けられない場合のＧ値を示し、符号「◇」を結ぶライン５２は、一方向（ＵＤ９０度）の強化繊維を基材として用いた繊維強化複合材料から成るアレスタ３２，３３を設けた場合のＧ値を示し、符号「△」を結ぶライン５３は、発泡コア２１，２２と同様な発泡合成樹脂から成るアレスタ３２，３３を設けた場合のＧ値を示し、符号「〇」を結ぶライン５４は一方向（ＵＤ９０度）の強化繊維を基材とする繊維強化合成樹脂から成るアレスタ３２，３３を設け、かつ３プライ（ＰＬＹ）のスプライス部３１を設けた場合のＧ値を示す。

図７は、モードＩＩ負荷形態での負荷に対する剥離長さａとＧ値との関係を示すグラフである。同図には、炭素繊維を強化繊維とする一方向（紙面に垂直方向、ＵＤ９０度）の材料を基材とした繊維強化複合材料から成るアレスタ３２，３３が設けられた場合のＧ値を示し、横軸は剥離長さａを示し、縦軸はＧ値を示す。

同図において、符号「□」を結ぶライン６１は、アレスタが設けられない場合のＧ値を示し、符号「◇」を結ぶライン６２は、一方向（ＵＤ９０度）の強化繊維を基材として用いた繊維強化複合材料から成るアレスタ３２，３３を設けた場合のＧ値を示し、符号「△」を結ぶライン６３は、発泡コア２１，２２と同様な発泡合成樹脂から成るアレスタ３２，３３を設けた場合のＧ値を示し、符号「〇」を結ぶライン６４は一方向（ＵＤ９０度）の強化繊維を基材とする繊維強化合成樹脂から成るアレスタ３２，３３を設け、かつ３プライ（ＰＬＹ）のスプライス部３１を設けた場合のＧ値を示す。

前記剥離長さａは、面方向Ｘ一端部の端面寄りの支持位置Ｐｓ２１から剥離３７の先端３７ａまでの距離ｂに、軸線方向一端部の端面から前記支持位置Ｐｓ２１までの距離Ｌ２を加えた値（ａ＝ｂ＋Ｌ２）である。

これらの図６および図７に示すように、剥離長さａを変化させて剥離３７の先端３７ａがアレスタ３２，３３から離れた位置に存在する場合と、近い位置に存在する場合とにおいて、Ｇ値をそれぞれ求めた結果、各負荷形態Ｉ，ＩＩともに、剥離３７の先端３７ａがアレスタ３２，３３に近付くにつれて、エネルギ解放率Ｇが急激に低減することを確認した。

このようにアレスタ３２，３３を設けることによって、剥離３７の先端３７ａがアレスタ３２，３３に近付くと、エネルギ解放率Ｇが低下し、剥離３７の進展を防止または抑制することが確認された。このようにフィラー材を充填することによって、アレスタ３２，３３を前記従来の技術のように加工に手間を要することなく、実現することができ、高い剥離防止機能を有するサンドイッチパネルを容易に製造することが可能となり、生産性を向上することができる。

本発明の実施の他の形態では、前記アレスタ３２，３３をフィラー材を充填するのではなく、別途に半硬化状態のブロックを形成して、サンドイッチパネルの成形時に各発泡コア２１，２２の先端部２３，２４に装着し、同時に硬化させてサンドイッチパネル２０を製造するようにしてもよい。

本発明の実施の一形態の剥離進展防止構造が適用されたサンドイッチパネル２０の一部の断面図である。 一方の発泡コア２１の先端部２３付近の拡大断面図である。 アレスタ３２の剥離進展防止効果を確認するための解析モデル３５を示す図である。 解析モデル３５へのモードＩ負荷形態を示す図である。 解析モード３５へのモードＩＩ負荷形態を示す図である。 モードＩ負荷形態での負荷に対する剥離長さａとエネルギ解放率Ｇとの関係を示すグラフである。 モードＩＩ負荷形態での負荷に対する剥離長さａとＧ値との関係を示すグラフである。 従来技術の発泡コアサンドイッチパネル１の構造を示す一部の断面図である。 図８に示す発泡コアサンドイッチパネル１のコア層２の先端部３ａ付近の拡大断面図である。

符号の説明

２０ サンドイッチパネル
２１，２２ 発泡コア
２３，２４ 先端部
２５，２６ 表面
２７，２８ 面板
２９，３０ 傾斜部
３１ スプライス部
３２，３３ アレスタ

Claims (3)

1. 発泡合成樹脂から成る発泡コアの厚み方向両側の各表面に、繊維強化複合材料から成る面板が積層された状態で一体的に形成されるサンドイッチパネルにおいて、
   前記発泡コアは、その厚み方向一方側の表面から前記厚み方向他方側の表面に向かって傾斜する傾斜部を有し、この傾斜部と面板とが鋭角で交差する先端部に、前記発泡コアよりも剛性の高い材料から成るアレスタが形成されることを特徴とするサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造。
2. 前記発泡コアは、その厚み方向一方側の表面から前記厚み方向他方側の表面に向かって傾斜する第１傾斜部と、第１傾斜部に対向して平行に延びる第２傾斜部とを有し、第１傾斜部と第２傾斜部とは、繊維強化複合材料から成るスプライス部を介して一体的に形成されることを特徴とする請求項１に記載のサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造。
3. 前記アレスタは、前記繊維強化複合材料から成ることを特徴とする請求項２に記載のサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造。