JP2009083553A - サンドイッチパネルの亀裂進展防止構造および補修構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 亀裂の進展を防止または抑制し、簡便に設け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面板２７，２８の亀裂発生部位の亀裂進展方向下流側に、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のアレスタ５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、発泡コア２の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２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、各面板４ａ，４ｂと発泡コア２との剥離を防止するため、面板４から発泡コア２内へ突出するアレスタ５が設けられる。このアレスタ５は、発泡コアサンドイッチパネル１の面方向Ｘ一端面から面方向Ｘ他端部に向かう亀裂６の進展を阻止し、発泡コア２から面板４ａが剥離することを防止することができる。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、面板４ａから発泡コア２内に埋没するように設けられるアレスタ５は、亀裂６の進展を抑制することはできるが、パネルと一体成形するため、パネル成形後には追加できないという問題がある。

本発明の目的は、加工後でもアレスタを容易に設けることができ、適用範囲を拡大することが可能な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、
前記各面板の少なくとも一方の表面の亀裂発生部位における亀裂進展方向下流側に、前記発泡コアよりも剛性の高い材料から成る面状アレスタが設けら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。各面板の少なくとも一方の表面には、亀裂発生部位における亀裂進展方向下流側の領域に、発泡コアよりも剛性の高い材料から成る面状アレスタが設けられる。

このような面状アレスタは、前記発泡コアよりも剛性が高い材料、たとえば面板と同様な繊維強化複合材料を用いることができる。したがって面状アレスタによって、亀裂の進展を阻止し、面板と発泡コアとの間の剥離を防止することができる。しかも、前記従来技術のように、成形後に追加取付可能なので、適用範囲を広げることができる。

また本発明の面状アレスタは、前記亀裂発生部位を外囲するように設けられることを特徴とする。

本発明に従えば、亀裂発生部位を外囲するように面状アレスタが設けられるので、運用時の損傷に起因する面板と発泡コアとの間の亀裂の発生または進展を、簡便に防止することができる。

さらに本発明の面状アレスタは、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、前記面状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、簡便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、少なくとも一方の面板の表面に面状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、サンドイッチパネルの製造作業および応急修理を容易化し、生産性を向上して、簡便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、亀裂発生部位を外囲するように面状アレスタが設けられるので、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、面状アレスタが繊維強化複合材料から成るので、面状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、これによって面状アレスタと面板とを一体化し、亀裂先端のエネルギを面状アレスタと面板とに分散し、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の一部の断面斜視図であり、図２は図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た拡大断面図である。航空機の機体または翼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、発泡合成樹脂から成る発泡コア２１と、発泡コア２１の厚み方向（図２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。

前記発泡コア２１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）またはポリビニルクロライド（ＰＶＣ），ポリメタクリルイミド（ＰＭＩ）等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，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。

一方の面板２７の表面には、亀裂発生部位２４を外囲するように、発泡コア２１よりも剛性の高い材料から成る面状アレスタ３２が形成される。このような面状アレスタ３２は、亀裂発生部位２４における亀裂進展方向下流側に、面板２７，２８と同様な繊維強化複合材料の全躯体であるプリプレグを貼付け、加熱装置によって加熱することによって前記一方の面板２７と一体化させることができる。本実施の形態では、亀裂発生部位２４には、無数の亀裂が多方向に発生した状態を相定し、亀裂発生部位２４の四方を取囲むように面状アレスタ３２が設けられる。

このように面状アレスタ３２を各面板２７，２８の素材である繊維強化複合材料と同一材料を用いることによって、各面板２７，２８と面状アレスタ３２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は面状アレスタ３２の亀裂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は解析モデル３５へのモードＩＩ負荷形態を示す図である。本件発明者は、面状アレスタ３２による亀裂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）解析によって面状アレスタ３２による亀裂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を介して発泡コア２１の各表面２５，２６に接着され、一方の面板２７の表面には面状アレスタ３２が設けられる。面状アレスタ３２の断面形状は長方形であり、樹脂層３６はアレスタ３２と面板２７の間に介在されていない。各面板２７，２８は、発泡コア２１寄りの厚み方向Ｙ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は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、面方向Ｘの幅Ｗが３０ｍｍ、厚さｔが１．５２ｍｍの面状アレスタ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、発泡コア２１と面板２７との間、さらに詳しくは発泡コア２１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負荷形態で亀裂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Ｙ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の表面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Ｙ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に移動自在に支持する第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。

前記モードＩＩ負荷形態は、発泡コア２１の表面２６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Ｙ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の位置から面方向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Ｙに移動自在に第５可動支点４５によって支持する。また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Ｙに移動自在に第６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Ｙに移動自在に第７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である。

図６は、モードＩ負荷形態での負荷に対する亀裂長さ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、面板２７と同じ材料を基材とする繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）から成る面状アレスタ３２が設けられるサンドイッチパネル２０のＧ値を示し、横軸は亀裂長さ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、面状アレスタが設けられない場合のＧ値を示し、符号「◇」で示す点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面状アレスタ３２を設けた場合のＧ値を示す。なお、負荷荷重は、Ｆ１＝１００Ｎである。

図７は、モードＩＩ負荷形態での負荷に対する亀裂長さａとＧ値比との関係を示すグラフである。同図には、面板２７と同じ材料を基材とした繊維強化複合材料から成る面状アレスタ３２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。なお、負荷荷重は、Ｆ２＝１０００Ｎである。

同図において、符号「□」を結ぶライン６１は、面状アレスタが設けられない場合のＧ値比を示し、符号「◇」で示す点６２は、繊維強化複合材料から成る面状アレスタ３２を設けた場合のＧ値を示す。

図５，７において、亀裂長さａは、面方向Ｘ一端部の端面寄りの支持位置Ｐｓ２１から亀裂３７の先端３７ａまでの距離ｂに、面方向Ｘ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。なお、本実施の形態でいう「亀裂」は、発泡コア２１と面板２７の直下で発泡コア２１内を進展する亀裂をいう。

これらの図６および図７に示すように、亀裂長さａを変化させて亀裂３７の先端３７ａが面状アレスタ３２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、モードＩ負荷形態では、亀裂３７の先端３７ａのエネルギ解放率Ｇが約２７％低減することが確認されるが、モードＩＩ負荷形態ではほとんど低減効果がないことが判った。このことから、モードＩ負荷形態が支配的な部位、たとえば圧縮荷重負荷時に面板２７が面外方向に変形して生じるピール荷重によって亀裂が進展する部位に適用すると、容易かつ安価に亀裂の進展を抑制することができる。特に、圧縮荷重が負荷される部位に損傷による剥離が発生し、その剥離を起点とする亀裂の進展を抑制する必要がある場合には、図１に示すように、剥離が発生した亀裂発生部位２４に、２次的に面状アレスタ３２を設けて、応急修理をすることができる。

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の一部の断面斜視図である。 図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た拡大断面図である。 面状アレスタ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亀裂長さ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亀裂長さ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のアレスタ５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 発泡コア
２５，２６ 表面
２７，２８ 面板
３２ 面状アレスタ

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、
   前記各面板の少なくとも一方の表面の亀裂発生部位における亀裂進展方向下流側に、前記発泡コアよりも剛性の高い材料から成る面状アレスタが設けら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. 前記面状アレスタは、前記亀裂発生部位を外囲するように設けら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. 前記面状アレスタは、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１または２に記載のサンドイッチパネルの亀裂進展防止構造。