JP2010527836A - 成形複合ストリンガー及び成形複合ストリンガーを作製する方法 - Google Patents

Abstract

複合材料の航空機外板と、航空機外板と結合した複合ストリンガーを含む航空機の補強外板である。このストリンガーは一対のストリンガー側面を有し、各側面はストリンガー最上部からストリンガー脚部まで延びている。ストリンガー側面はそれぞれ、広い半径の滑らかな連続的曲線を描いてストリンガー脚部まで延びることができる。広い半径の滑らかな連続的曲線は、ストリンガー側面がストリンガー脚部に遷移する領域において、ストリンガー側面の基部に近接することが可能である。

Description

本明細書に説明される本発明は、概して航空機のストリンガーに関し、さらに具体的には、成形複合ストリンガー及びこれらを作製する方法に関するものである。

航空機は概して機体を含み、機体は下層の骨組と見なすことができ、これに外板が取り付けられて滑らかな航空力学的外面を形成する。翼も外板で覆われた下層構造を備えている。通常外板は、航空機の重量を最小化し、航空機のペイロード及び範囲を増加するために軽量で薄くなっている。外板は薄いため、おおむね柔軟性があり、飛行中の望ましくない動き、屈曲及び振動を防ぐために補強が必要である。

航空宇宙産業においては何十年もの間、民間航空機及び軍用機のいずれにおいても、金属製機体部分と金属製翼外板を補強するのにハットストリンガーが使用されてきた。これらのストリンガーは鋭角を有するゆえに台形である薄い金属製外板からできている。金属をこの形状に必要な鋭角に屈曲させるために、比較的単純な金属成形技術が使用される。これらの金属成形技術は、金属をブレーキ成形およびローラによってハットストリンガー形状にする方法が挙げられる。これらの技術により、急な一定の角度のある屈曲と、真っ直ぐな又は平らな脚部を有するハットストリンガーの製造が可能になる。例えば図１においては、ハットストリンガー１０の脚部１６に沿って間隔をおいて取り付けられた一連の締め具２５（２つ図示されている）によって機体外板２０にハットストリンガー１０が取り付けられている。ハットストリンガー１０は、平坦な上面１２と、脚部１６に対してある角度をなす傾斜した側面１４を有する台形であり、脚部１６は平坦な上面１２とほぼ整列している。側面１４及び脚部１６の間の交差点は、尖った急な屈曲、又は半径の小さい屈曲が特徴であり得る。

樹脂マトリクス及び充填材を含む複合材料は、比較的軽量であり、好適な物理的特性を持つために、航空宇宙産業への応用が増加している。一般には、充填材は本来補強する又は補強しないものであってよく、例えば、粉、微粒子、単向性繊維の繊維テープ、織布等、様々な形状を有することができる。樹脂は有機ポリマー材料であり、例えば一般に使用されるエポキシ樹脂を含むことができる。

複合材料（例えばカーボン繊維及びエポキシマトリクス樹脂）のこの業界における機体外板及び翼外板への使用がさらに一般的になると、様々な理由によりハットストリンガーが常に良く使われるようになった。例えば、ハットストリンガーは単一材料から作製可能であるが、例えばＩ字形状、Ｊ字形状、又はＴ字形状等の他のあまり一般的でない形状のスティフナーには、複数の積層及び半径充填材の組み合わせが必要となる。

ストリンガーの材料が金属材料から複合材料に移り変わった際に、ストリンガーの形状をハットストリンガーの真っ直ぐな脚部と急な屈曲から変えることはさほど重要視されなかった。これは主として、従来のハット形状の構造的性能は良く知られており、複合ハットを硬化させることができるツールを作製するときに、比較的小さい半径の細部を有する真っ直ぐな又は平坦な形状は、製造するのにより簡単であるためである。

今日複合ハットストリンガーは、特定の民間輸送機に広く用いられている。複合ストリンガーを機体部分に取り付けるプロセスの例を図２に示す。ハットストリンガー１０は、半剛性コールシート３５によって支持された機体外板の上に設置されている。空洞のハットストリンガー１０は内部に膨張可能なゴム製ブラダー３６を有し、外部は内側型ライン（ＩＭＬ）ツールによってカバーされている。ブラダー３６は、ＩＭＬツールによってハットストリンガー１０を外側から加圧している間に膨張される。これにより、ハットストリンガー１０は、ＩＭＬツール３０（及びブラダー３６）の圧力と樹脂の硬化によって、機体外板２０と結合する一方、コールシート３５によって機体外板２０の輪郭が制御される。

このＩＭＬ加工方法では、幾つかのステップを完璧に行うことが要求される。例えば、複合材料をＩＭＬツールの空洞内に正確に位置させて、合わせの過剰な又は不足の隙間がないようにする必要がある。硬化中に圧縮及び硬化圧力をかけるために、ブラダーを膨張させなければならない。コールシートは材料の厚さの変動、及び／又は層の誤配置を許容できるほど十分柔軟でなければならないと同時に、滑らかな航空力学的表面を作り出すために十分硬くなくてはならない。

図３にＯＭＬ（外側型ライン）硬化プロセスを示す。ハットストリンガー１０のような形のこれらのコールパネル４２により、硬化サイクル中及びでこぼこを平滑化する際に、複合材料が半径内に押し込みやすくなる。これにより、機体外板２０は外側型ラインツール（ＯＭＬ）３２によって支持され、内部にブラダー３６を有するハットストリンガー１０は機体２０上に位置している。ハットストリンガー１０の外側形状と一致するコールパネル４２はストリンガー１０の上に位置している。バッグ４０により、少なくともコールパネル４２と機体外板２０の上面が包まれている。ブラダー３６が膨張する間にバッグ４０から真空を引いてＩＭＬツール３２を介して圧力を加え、樹脂が硬化するときにハットストリンガー１０が機体と結合し、複合機体外板を複合ストリンガー１０に接着させる。このコールパネル補助同時硬化法では、固有のデザインの手間がかかるコール及びそれに付随するマスターツールを何百も加工し使用する必要があり、かなりの費用の負担が発生する。

したがって、プロセスを簡略化し費用を削減する、複合ストリンガーとこれを作製する方法を開発することが望ましい。加えて、複合ストリンガーは、未処理の複合材料からストリンガーを形成しやすくするために、半径が大きいことが望ましい。さらに、複合材料で作られたときのストリンガーの形状は構造的に従来の台形形状のハットと同じあるいはそれ以上の性能（例えば、柱の座屈及び４点曲げ等）を持つはずである。さらに、ストリンガー基部近くの湾曲半径が滑らかで緩やかで（より大きく）、ストリンガーを外板に同時硬化させやすくするためのコールシートの使用の必要を除去する複合ストリンガーを作製する方法が必要である。さらに、複合ストリンガーの他の望ましい特徴及び性質は、添付の図面と、上述した技術分野及び背景技術に併せて、これに続く詳細説明及び添付の請求項から明らかとなる。

例示の実施形態では、複合材料でできた航空機外板と、航空機外板と結合した複合ストリンガーを含む航空機の補強外板が提供される。ストリンガーは一対のストリンガー側面を有し、各ストリンガー側面はストリンガー最上部からストリンガー脚部まで延びている。ストリンガー側面はそれぞれ滑らかで連続的な広い半径の曲線を描いてストリンガー脚部まで曲がっている。

別の例示の実施形態では、複合材料の補強外板と、外板と結合した複合ストリンガーが提供される。このストリンガーは一対のストリンガー側面を有し、各ストリンガー側面はストリンガー最上部からストリンガー脚部まで延びている。取付け区域は、ストリンガーの一部と、外板へのストリンガーの取付けポイントに近接する外板の一部を含む。この取付け区域には、ストリンガー複合材料の壊れた又は分離した充填材はほぼないに等しい。

一実施形態のさらなる例では、ストリンガーで複合外板を補強する方法が提供されている。この方法は、補強されるべき複合外板上のストリンガーの位置と間隔を決定するステップと、成形ツール上で複合外板を位置づけするステップを含む。この方法はさらに、複合外板上に形成されるべきストリンガーの形と一致する型を決定した位置及び間隔に置くステップを含む。さらにこの方法は、ストリンガーを形成するための複合材料のレイアップを作製し；作製した複合材料のレイアップを各型の上に置き、少なくとも複合外板とレイアップでカバーされた型を真空バッグで包み込むステップを含む。このストリンガーを加熱及び加圧して複合外板と結合させ、補強複合外板を作製する。作製された外板は、ストリンガーがそれぞれ、滑らかな広い半径の連続的な曲線を描いてストリンガー脚部まで延びる一対のストリンガー側面を有することを特徴とする。

以下に様々な実施形態を下記の図面と併せて説明するが、図面は原寸に比例しておらず、事実上概略である可能性があり、同じ番号は同じ要素を表している。

図１は航空機外板に取り付けられた従来技術のハットストリンガーの斜視図である。 図２は膨張可能なブラダーとコールシートを使用した従来技術の内側型ラインのレイアップを示す端面概略図である。 図３はコールパネルと内側ブラダーを使用した従来技術の外側型ラインのレイアップの端面概略図である。 図４は成形した複合ストリンガーを加工するのにＯＭＬツールを使用したレイアップの例示の実施形態の端面概略図である。 図５は複合ストリンガー形状の例示の実施形態の非限定的なリストを端面図で表したものである。 図６は複合ストリンガー形状の例示の実施形態の非限定的なリストを端面図で表したものである。 図７は複合ストリンガー形状の例示の実施形態の非限定的なリストを端面図で表したものである。 図８は複合ストリンガー形状の例示の実施形態の非限定的なリストを端面図で表したものである。 図９は複合ストリンガー形状の例示の実施形態の非限定的なリストを端面図で表したものである。 図１０は補強外板を作製する方法の実例となる実施形態を示す図である。

下記の詳細説明は事実上単なる例示であり、説明した実施形態又は説明した実施形態の応用及び使用を限定するものではない。さらに、前述の技術分野、背景技術、発明の概要、又は下記の詳細説明において提示された表現された又は暗示された全ての理論によって制約されるように意図されたものではない。

例示の実施形態では、改良されたストリンガー構造、及び補強されるべき外板との結合が提供される。ストリンガー形状を、小さい半径をなくすように再構成することによって、実施形態の少なくともストリンガー側面がストリンガー脚部と結合するところにおいて、大きい半径曲線を有する滑らかな形状が提供される。ストリンガーの側面は滑らかな遷移点である変曲点を有することができる。ストリンガーを形成するのに使用される複合材料は、自然に垂れて滑らかな形状に一致する。輪郭成形は布の代わりにテープ層を使用することができるように十分に滑らかで緩やか（すなわち急な遷移箇所又は小さい半径なし）であり、この結果重量が大幅に減る。ストリンガーの性能を損なうことなく、構造的統合性が維持される。

一般的に、ストリンガーの幾つかの例示の実施形態では、ストリンガー側面の湾曲が、凸曲線から凹曲線へ、又は凹曲線から凸曲線へ滑らかに遷移する変曲点を含む中間区域を含む側面を有している。ストリンガーの湾曲に関連した「滑らか」という用語は、曲線への接点における直線から曲線への遷移、又は共通接点における一つの曲線から他の曲線への遷移を表す。曲線に関連した用語「連続的」は、滑らかな湾曲において途切れがなく鋭角な曲げ又はよじれがないという意味である。中間区域は、ストリンガーの中央（ストリンガーの高さに対して）に近接する、又はストリンガー側面の下端又は上端に近接するストリンガー側面に沿って位置することができる。ストリンガーの例示の実施形態は、例えば図５〜９に示し且つ下に説明するように、垂直な中央線の両側において対称的である。

例示の実施形態では、布がその特有の柔軟性に基づいた自然経路を介して垂れることにより成形することが可能になる。これにより加工プロセスが簡略化される。従来の台形ハットストリンガーの持つ小さい半径に対して必要である、ストリンガー予備成形作業を行う必要なく、成形された硬化マンドレルの上にテープ又は布がかぶせられる。これらの特別に成形されたストリンガーに使用される硬化マンドレルは、様々な材料から選択することができ、例えば、ひらひらした材料（すなわち、膨張ブラダーの必要性を除去する低密度フォーム）のマンドレル、膨張可能なゴム製ブラダー、又は取り外し可能な固体又は空洞マンドレル等を含むことができる。フォームマンドレルは、例えば音響減衰、火炎遅延、及び構造的負荷担持能力等の特定の性能特性に基づいて選択することができる。特有の形状によってストリンガーの負荷担持能力を向上させることによって、断面領域を減らすことができ、重量削減を実現させることができる。

図４は、例えば機体又は翼外板等の航空機外板１５０の下面を支持するＯＭＬツール２００を含むレイアップ１００の例示の実施形態である。マンドレル又は膨張可能なブラダー１２０は航空機外板１５０の上面に位置し、柔軟性複合層１１０でマンドレル又はブラダー１２０の上が覆われている。真空バッグ１３０により、少なくとも層で覆われたマンドレル又はブラダー１２０が包み込まれ、バッグ１３０に真空が引かれたときに、圧力がかかってマンドレル又はブラダー１２０に層１１０がプレスされる。層１１０が垂れることにより形成された緩やかで滑らかな曲線により、例示の実施形態は鋭い又は小さい角度を有することなく、層１１０が硬化されるときに形成されるべきストリンガーの側面に沿って変曲点１０２を有する。層１１０が、圧力及び層１１０と外板１５０の同時硬化によって航空機外板１５０と結合すると、層１１０から形成されたストリンガー３００（図６）は滑らかに湾曲し、ストリンガーの脚部３０８はストリンガー３００の側面３０４から、鋭い曲がり、「ねじれ」又は小さい角度のいずれもなく、滑らかな曲線で延びている。ストリンガー３００は放物線状又は円錐形によって特徴づけられてもよい。

複合ストリンガーの外板への「取付け区域」とは、「フランジ」としても知られる、ストリンガーが外板に取り付けられた（ストリンガーに対して）最も内側の区域を意味している。ストリンガー最上部からストリンガー脚部まで滑らかな広い半径の連続的な湾曲を有する、ここで示した例示の実施形態により、充填材（例：織布又はテープ）の本体から層が破損、分離する全ての可能性が最小化又は除去され、また過剰な樹脂の蓄積も最小限となる。

複合ストリンガー形状の更なる例示の実施形態の非限定的なグループを図５〜９に示す。他の形状も当然ながら可能であり、現在開示されている技術の範囲内に収まる。
図５では、ストリンガー３００はほぼ放物線形状であり、凸曲線を描きながら側面３０４まで下向きに湾曲している丸い最上部３０２を有している。側面３０４は丸い最上部３０２から接点３０５において最上部３０２の湾曲へと遷移し、そして広い半径曲線３０６の接点においてストリンガー脚部３０８に遷移する前に、直線で降下する。

図６に示すストリンガー３１０は、側面３１４につながる丸い曲線３１３を有するほぼ平坦な最上部３１２を有しており、側面３１４は下向きに滑らかに、ほぼ垂直に延びている。この実施例での各側面３１４は、変曲点３１５を形成している。側面３１４の下端部は、大きな半径で旋回３１８して曲がり、脚部３１６まで延びている。
図７に示すストリンガー３２０は、ほぼ円錐形であり、また側面３２４まで延びる丸い先端部３２５を有するほぼ平坦な最上部３２２を有することを特徴とすることができ、側面３２４は下向きに延び、大きな半径で旋回３２８して脚部３２６まで曲がっている。図示したように、側面３２４は９０度の角度で、及び約９０〜４５度の範囲が可能である角度αで、下向きに真っ直ぐ延ばすことができる。

図８に示すストリンガー３４０は、ほぼ放物線形状又は円錐形である丸い最上部３４２を有する。丸い最上部３４２は、滑らかな凸曲線を描いて側面３４４まで延びており、側面３４４は下向きに延びるほど外向きに広がる。側面３４４はそして広い角度の曲線３４５を通って延び脚部３４６を形成する。図示したように、角度αは約３５〜６５度の範囲が可能である。
図９に示すストリンガー３５０は、ほぼ放物線形状又は円錐形である丸い最上部３５２を有し、図８のストリンガー３４０よりも短い真っ直ぐな側面を有する、より丸い全体形状を有している。丸い最上部３５２は、滑らかな凸曲線を描いて側面３５４まで延びており、側面３５４は下向きに延びるほど外向きに広がる。側面３５４はそして広い角度の曲線３５５を通って延び脚部３５６を形成する。図示したように、角度αは約３５〜６５度の範囲が可能である。

前述した実施例から、これらの形状が、ストリンガー側面からストリンガー脚部まで（そしてある場合にはまた、ストリンガー最上部からストリンガー側面まで）の滑らかで、広い半径の遷移を含み、これにより遷移点における過剰な樹脂の蓄積、繊維の分離、層間剥離、繊維皺、マトリクス樹脂の波形又はマーセルウェーブ（面内ウェーブ）及び孔の可能性を最小限に抑える又は除去する限りにおいて、多数の複合ストリンガー形状が可能であり、現在開示されている技術の範囲内に収まることができることが明らかである。

例示の実施形態のストリンガーは、（少なくともストリンガー側面がストリンガー脚部と結合し、またストリンガー最上部と結合する箇所において）滑らかな形状を有するため、これらの実施形態には布のプリプレグではなくテープ層を使用することが可能である。テープ層は、テープの各層を単一面内に有している。テープ内の層の配向により、一連の最適に配向されたテープを使用してストリンガーを形成することが可能になる。テープ層の使用により材料のコストが下がり、重量削減の可能性も出てくる。

図１０に、成形複合ストリンガーを作製する方法４００の実例となる実施形態を示す。もちろん他の方法を使用することも可能である。この場合には、ＯＭＬツールが使用される。プロセス４１０では、ストリンガーで補強されるべき外板、翼、機体又は他の部品上のストリンガーの間隔と位置が決定される。決定が下されると、プロセス４２０においてＯＭＬツール上に部品が置かれる。ストリンガー形状のブラダー又はマンドレルが次に、プロセス４３０において部品の所定の位置及び間隔に置かれる。次にプロセス４４０において、テープレイアップ（又は他の複合繊維レイアップ）が準備される。テープレイアップは一連の方向性を持った積み重なった層を有することができ、テープは予め例えばエポキシ樹脂等の好適な樹脂を含浸させることができる。テープレイアップはプロセス４５０においてブラダー又はマンドレルの上に置かれる。この時点で、部品、ブラダー又はマンドレル、及びテープレイアップのアセンブリはプロセス４６０において真空バッグ内で処理される。プロセス４７０においてバッグに真空が引かれ、テープレイアップが部品と結合する。通常のエポキシ樹脂マトリクスでは、通常温度は華氏約３５０度であってよく、圧力は約８５ｐｓｉであってよい。他の樹脂に対しては、他の温度及び圧力条件が適用される可能性がある。一般に、外板とストリンガーの樹脂は同じであるが、必ずしもそうであるわけではない。したがって、結合中にストリンガーの樹脂と外板の樹脂が共に硬化又は「同時硬化」される。これにより、樹脂が流れて取付け区域内で外板及びストリンガー充填材を含むマトリクスに結合するときに、ストリンガーと外板の間に強い結束が形成されやすくなる。結合後にプロセス４８０において真空バッグが取り外される。ストリンガーはこのように部品に結合される。例示のプロセスでは、柔軟に垂れたテープにより滑らかに曲がったストリンガーが形成されるため、ストリンガーの構造的問題が起こる可能性が最小化される。ストリンガーには小さい半径の曲線又は急な屈曲がなく、滑らかで連続的な広い半径の曲線を有している。さらに幾つかの実例となる実施形態においては、コールパネル又はコールシートを使用する必要がない。これによりこれらのデバイスの使用に関連する費用が除去される。

少なくとも一つの例示の実施形態を前述の詳細説明において示したが、当然ながら膨大な数の変形例が存在する。また当然ながら、例示の実施形態又は複数の例示の実施形態は例えにすぎず、決して説明した実施形態の範囲、適用性、又は構成を限定するものではない。むしろ、前述の詳細説明は、例示の実施形態又は複数の例示の実施形態を当業者が実行するための便利な手引きとなるものである。当然ながら、添付の請求項及び法律上請求項に匹敵するものに記載される範囲を逸脱することなく、要素の機能及び配置構成に様々な変更を加えることができる。例えば、ストリンガーを別々の作業工程で硬化させて、二次的な作業工程において接着剤で外板に接着することが可能である。

Claims (20)

1. 航空機の補強外板であって、
   航空機の複合外板（１５０）；及び
   航空機の外板（１５０）と結合し、ストリンガー最上部（３０２）からストリンガー脚部（３０８）まで広い半径（３０６）の滑らかで連続的な曲線でそれぞれ延びている、一対のストリンガー側面（３０４）を備える複合ストリンガー（３００）
   を備える補強外板。
2. 複合ストリンガー（３００）の上部の断面が、ほぼ放物線形状又は楕円形である、請求項１に記載の補強外板。
3. 複合ストリンガー（３１０）の断面がほぼ円錐形である、請求項１に記載の補強外板。
4. ストリンガー最上部が、ほぼ平坦なストリンガー最上部（３２２）又は凸曲線形状（３４２）を含む、請求項１に記載の補強外板。
5. ストリンガー側面（３０４）がそれぞれ変曲点（３０５）を含む中間区域を含む、請求項１に記載の補強外板。
6. 中間区域が各ストリンガー側面（３０４）の中央に近接して位置する、請求項５に記載の補強外板。
7. 中間区域が各ストリンガー側面（３０４）の下部に近接して位置する、請求項５に記載の補強外板。
8. 複合ストリンガー（３００）が、結合された積み重なったテープ層を含み、積み重なったテープ層の少なくとも幾つかが異なる方向に配向している、請求項１に記載の補強外板。
9. 航空機の複合外板（１５０）と複合ストリンガー（３００）が、共通の樹脂及び充填材を含む、請求項１に記載の補強外板。
10. ストリンガーの、航空機の複合外板（１５０）への取付け点に近接して、複合ストリンガー（３００）の一部と航空機の複合外板（１５０）の一部を含む取付け区域をさらに備え、当該取付け区域には実質的に過剰な樹脂がない、請求項１に記載の補強外板。
11. ストリンガーの、航空機の複合外板（１５０）への取付け点に近接して、複合ストリンガー（３００）の一部と航空機の複合外板（１５０）の一部を含む取付け区域をさらに備え、当該取付け区域には実質的に複合ストリンガー（３００）の繊維性材料から分離した及びはみ出した複合繊維がない、請求項１に記載の補強外板。
12. 複合材料を含む外板（１５０）；
    外板（１５０）と結合し、複合材料を含み、ストリンガー最上部（３０２）からストリンガー脚部（３０８）までそれぞれ延びる一対のストリンガー側面（３０４）を含むストリンガー（３００）；ならびに、
    ストリンガーの、外板（１５０）への取付け点を含むストリンガー（３００）の一部と外板（１５０）の一部を含み、実質的にストリンガー（３００）の複合材料の破損した層がない取付け区域
    を備える、補強外板。
13. ストリンガー（３００）の上部の断面がほぼ放物線形状又は楕円形である、請求項１２に記載の補強外板。
14. ストリンガー（３１０）の断面がほぼ円錐形である、請求項１２に記載の補強外板。
15. ストリンガー（３００）が、結合された積み重なったテープ層を含み、少なくとも幾つかの積み重なったテープ層が異なる方向に配向している、請求項１２に記載の補強外板。
16. 取付け区域に過剰な樹脂がない、請求項１２に記載の補強外板。
17. 取付け区域にストリンガーの繊維性材料から分離した及びはみ出した複合繊維がない、請求項１２に記載の補強外板。
18. ストリンガーで複合外板を補強する方法であって、
    補強されるべき複合外板上のストリンガーの位置及び間隔を決定し、
    成形ツール上に複合外板を位置づけし、
    形成されるべきストリンガーの形状と一致する型を、決定した位置及び間隔で複合外板上に置き、
    ストリンガーを成形するための複合材料のレイアップを準備し、
    準備した複合材料のレイアップをそれぞれの型の上に置き、
    少なくとも複合外板及びレイアップで覆われた型を真空バッグで包み込み、
    加熱及び加圧下でストリンガーを複合外板に結合させ、
    ストリンガー最上部からストリンガー脚部まで連続的で滑らかな曲線でそれぞれ延びている一対のストリンガー側面をそれぞれ含むストリンガーで補強された複合外板を作製する
    ステップを含む方法。
19. 位置づけするステップが、外側型ラインツールで位置づけするステップを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 結合させるステップが、ストリンガーの繊維性材料から分離した及びはみ出した複合繊維がなく、過剰な樹脂がない取付け区域を形成することにより結合させるステップを含む、請求項１８に記載の方法。

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