JP2012532785A - ストリンガ、複合構造、航空機、及びストリンガの製造方法 - Google Patents

Abstract

長手方向の一端に終端部を有し、複合構造のプライの積層スタックを有する積層複合構造のストリンガであって、前記スタックの内部のプライは、前記ストリンガの終端部に向けて連続的に終端されて、スタックの厚さが減少するテーパを提供するようにしたストリンガを開示する。また、パネルとストリンガとを有する複合構造及び、ストリンガを製造する方法を開示する。複合構造は、航空機に用いることができる。

Description

本発明は、終端部にテーパを有する積層複合構造のストリンガ、及び、かかるストリンガを形成する方法に関する。

航空機の翼や胴体のスキンといったパネルは、パネルの長さに沿って走る一連の細長いストリンガにより補強することができる。かかるストリンガは、典型的に、パネルに対し垂直に延在するウェブと、パネルに係合するフランジとを有する。

補強材は、邪魔になるため、パネルとストリンガの構造が平板形状を呈するように、所定の箇所にて終端させる必要がある。航空機の場合、補強材は、たとえば、翼端や点検口などで終端させる必要がある。ストリンガの終端部では、ストリンガにかかる応力がパネルに伝達される。したがって、ストリンガの終端部は、局所的な応力集中の部位となり、かかる部位ではパネルとストリンガが分離しがちになる。

パネルとストリンガとの耐分離性を向上させるために、ストリンガのフランジはその終端部付近に拡張部分、いわゆる「ストリンガフット」を有するのがよい。これは、パネルにボルト締めするか、さもなければ、貼り付けることができる。その代わりに、あるいは追加的に、フィンガープレートやカバープレートをストリンガフットを覆うように設けて、パネルにボルト締めすることもできる。これらの手段は、ストリンガの荷重をパネルに分散させるのに役立つが、依然として応力の強い集中はそのままである。

ウェブは、横方向の曲げと軸方向の剛性とを徐々に増やして応力の局所的な集中を緩和させることで、スキンからストリンガへの荷重の伝達を促進するために、典型的に、パネルに垂直方向の高さが終端部付近で減少するテーパを有している。

特許文献１には、終端部付近で高さが減少するようなテーパを有するウェブを備えたストリンガが記載されている。特許文献２には、プラトー（ｐｌａｔｅａｕ）で分離された、終端部付近で高さが減少する２つのテーパ領域を有するウェブを備えたストリンガが記載されている。

従来の極めて基本的なストリンガの終端部の形状は、金属製から複合材料製へと移行しただけで、数年にわたりほとんど変化していない。しかしながら、これらのストリンガ終端部形状は、ストリンガを複合材料により構成する恩恵を十分に享受していない。

国際公開ＷＯ２００８／１３２４９８号公報 欧州特許出願公開ＥＰ１５６６３３４号公報

本発明の第１の態様によれば、長手方向の一端に終端部を有し、複合構造のプライの積層スタックを有する積層複合構造のストリンガであって、前記スタックの内部のプライは前記ストリンガの終端部に向けて連続的に終端されて、前記スタックの厚さが減少するようなテーパを提供するようにしたストリンガが提供される。

本発明の第２の態様によれば、パネルと、当該パネルに接合される前記第１の態様におけるストリンガとを有する複合構造が提供される。

本発明の第３の態様によれば、前記第２の態様における複合構造を有する航空機が提供される。

本発明の第４の態様によれば、長手方向の一端に終端部を有するとともに複合構造のプライの積層スタックを有する積層複合構造のストリンガにして、前記スタックの内部のプライは、前記ストリンガの終端に向けて連続的に終端されて、前記スタックの厚さが減少するようなテーパを提供するようにしたストリンガの製造方法であって、当該方法が、前記複合構造プライを所望の終端輪郭に切断するステップと、前記複合構造プライを積み重ねるステップとを備える、ストリンガの製造方法が提供される。

スタックの厚さがウェブのテーパ部でも同じである従来のものと比べ、本発明のストリンガは、スタックの厚さが減少するテーパを有する。このことにより、ストリンガの終端部の幾何学的な可能性が格段に高まり、ストリンガからパネルへ格段に効率良く荷重が伝達される。荷重の移行は、局所的な応力集中を管理しなければならない代わりに、フリーフロー形式で制御され、一様に分散される。ほとんどの荷重シナリオにとって、荷重移行はあるものの、追加的なフィンガープレートやカバープライは必要なくなり、ボルトのサイズや数を最小限に抑えることができる。この終端部の構造は、亀裂の発生を抑え、破壊のメカニズムを改善する。

ストリンガは、パネルに係合させるフランジを備えても良い。また、スタックのテーパはフランジに設けてもよい。フランジにおけるスタックのテーパは、長手方向及び／または横方向に設けられる。フランジのテーパが長手方向と横方向の両方向に先細りとなるところで、応力の集中が最も効率よく低減される。

ストリンガは、直立ウェブを備えてもよい。また、ウェブにスタックのテーパを設けてもよい。ウェブは、好ましくは、終端部で二股に分岐させ、非構造の充填材を分岐したウェブの「ブランチ」間に設けることができる。

ストリンガのフランジ及びウェブは、複合構造のプライを積層したほぼＬ字状の一対のスタックを背中合わせに結合させて形成することができる。複合プライの角における最小の半径に制約されることで、Ｌ字状のスタックの間に隙間が生じるが、その隙間は非構造の充填材により充填される。

スタックの厚さが減少するテーパだけでなく、ストリンガは、ウェブの高さ及び／またはフランジの幅が終端部で先細となるように、テーパ状に形成することができる。フランジの幅は、終端部のすぐ内側の部位の方が、終端部から遠い内側の部位より大きくなるようにすることができる。

プライは、たとえば、レーザやウォータージェットにより切断できる。各プライは、スタックに積み重ねたら即座に切断することが好ましい。また、自動的なテープ敷設機を用いて各プライを切断し、載置して、スタックを形成してもよい。

プライは、最初のプライが最も大きくかつ最も遠くに置かれ、より小さいプライがその上に積み重ねられて、上位のプライが下位のプライより先に終端することで終端部でスタックの厚さが減少するようなテーパが形成される。最後に積み重ねられる最上位のプライが最も小さくなるので、中間のプライの縁部は露出されることになる。この中間のプライの縁部を保護するために、プライスタックの上にプライの覆いを設けることができる。プライの縁部を保護することで、より耐剥離性が改善される。

その代わりに、最初のプライが最も小さくかつ最も遠くに置かれ、より大きいプライをその上に積み重ねるようにして、下位のプライが上位のプライより先に終端することで終端部でスタックの厚さが減少するようなテーパを形成してもよい。この逆レイアップの上位のプライは、下位のプライの縁部を保護し、最上のプライは連続的な表面を形成する。パネルにストリンガを接合、あるいは固定するとき、最下プライはパネルに最も近接し、最上プライはパネルから最も遠くに位置する。

プライは、樹脂を予め含浸させたファイバー補強の積層物、いわゆる「プリプレグ」とするのが好ましい。または、プライをドライファイバーの積層物とすることができ、これらを切断して積み重ねた後には、積層物中に樹脂を注入する必要がある。樹脂は、いずれの場合も、たとえばオートクレーブ内で硬化させる必要がある。ファイバーには、炭素、ガラス、その他の好適な材質とすることができる。樹脂は、エポキシ樹脂が好ましい。

第１の実施形態におけるストリンガ用の複合レイアップの一端の平面図である。 図１におけるレイアップの側面図である。 カバー層を有する、図１のレイアップの平面図である。 図３のレイアップとカバープライの投影図である。 図４のストリンガ終端部の拡大図である。 硬化して完成させた第１の実施形態のストリンガを示す図である。 図６のＡの部分の詳細図である。 図７のスタックのテーパの拡大図である。 図６のストリンガの側面図である。 図９のＢ−Ｂ断面である。 図６のストリンガの端面図である。 図６のストリンガの投影図である。 リブフィートの位置を示す図６のストリンガの平面図である。 第１の実施形態のストリンガを形成するためのプライレイアップの概略図である。 図１４のレイアップを硬化させた概略図である。 第２の実施形態のストリンガの平面図である。 図１６のストリンガの投影図である。 図１６のストリンガの下方からの投影図である。 第２の実施形態のストリンガを形成するためのプライレイアップの概略図である。 図１８のレイアップを硬化させた概略図である。 第３の実施形態によるストリンガの投影図である。 パネルに装着されストリンガフットを覆うパッドを備えた図２１のストリンガの切断図である。 パネルに装着されストリンガフットを覆うパッドを備えた図２１のストリンガの切断図である。 パネルに装着されストリンガフットを覆うパッドを備えた図２１のストリンガの切断図である。 ストリンガフットを覆う代替的なパッドを備えパネルに装着されたストリンガからパネルへの荷重伝達の方向を示す図２１のストリンガの概略図である。

以下、上記のような図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の第１の実施形態におけるストリンガについて、以下に説明する。図１に示すように、ストリンガ１００は、幅Ｗのフランジ１０１と、高さＨの直立ウェブ１０２とを有する。ここでは、ストリンガの一端部のみを図１に示す。ストリンガ１００は、一端部に終端部１０３を有している。ストリンガ１００は、終端部の内側に、ほぼ一定の断面を有する（図１では図示されない）。フランジ１０１は、終端部１０３の近傍に、幅が幅Ｗ´に広がった部位を有し、この部位によりストリンガフット１０４が形成される。ストリンガ１００は、Ｌ字状の複合積層プライ１０５のスタックを一対背中合わせにして形成される。

プライ１０５は、最下プライ１０５ａが最も大きいプライで、最上プライ１０５ｂが最も小さいプライとなるように配置される。プライは、最下プライ１０５ａがストリンガの終端部１０３にて終端し、最上プライ１０５ｂが終端部１０３のかなり内側で終端するように、切断する。残りのプライ１０５、すなわちプライ１０５ａと、１０５ｂとの中間のプライは、プライスタックの厚さが終端部１０３に向けて減少するようなテーパ、またはランプを形成するように連続的に切断する。

図１に見て取れるように、フランジ１０１におけるプライスタックの厚さが減少するテーパは、長手方向Ｘと横方向Ｙの両方に設ける。図２に見て取れるように、フランジ１０１におけるスタックの厚さが減少するテーパは、垂直方向Ｚにも設ける。さらに、図１、２に見てとれるように、ウェブ１０２におけるスタックの厚さが減少するテーパは、横方向Ｙに設ける。終端部１０３付近では、フランジ１０１の幅Ｗも、直立ウェブの高さＨと同様に先細りになる。フランジ１０１における幅Ｗのテーパ１０６は、長手方向Ｘに対し約４５度の角度で設けられる。第２のテーパ部位が長手方向Ｘに対し約５度の角度に設けられることで、ストリンガフット１０４のテーパ部１０６と一定幅の部分Ｗ’との間が調和する。ウェブ１０２における高さＨのテーパ１０７は、水平方向に対し約３０度の角度で設ける。プライ１０５によるスタックは、最下プライ１０５ａだけが終端部１０３で残るように切断する。

フランジ１０１とウェブ１０２の、スタックの厚さが減少するテーパ部における、切断されたプライ１０５の露出した縁部は、層間剥離しやすい。これは、最上プライ１０５ｂを覆うようにカバープライ１０５ｃを設けることで克服できる。カバープライ１０５ｃは、少なくとも最下プライ１０５ａと同等の大きさで、カバープライ１０５ｃがプライ１０５をすべて覆うような寸法とする。図３に示すように、カバープライ１０５ｃは、最下プライ１０５ａを越えて延在する縁部１０８をさらに有する。これらの縁部１０８は、ストリンガ１００をパネルに固定するために用いることができる。なお、このような固定具は、非構造であり、カバープライ１０５ｃがパネルから剥がれるのを防ぐためにのみ設けられる。図６には、縁部１０８に設けられる固定具の孔１０９が示される。

カバープライ１０５ｃは、硬化前プライのスタックの上に適用した場合に、他のプライ１０５にはスタックの厚さが減少するテーパがあることにより、終端部に隙間が形成される。この隙間１０９は、図５の拡大図に明示してある。プライのレイアップを完成したら、ストリンガ１００を硬化させることで、カバープライ１０５ｃを、下部の他のプライ１０５のスタックの厚さが減少するテーパに一致させる。

図６は、硬化後の完成ストリンガを示し、カバープライ１０５ｃは連続外表面をなし、図６のＡの詳細を図７に示す。また、ウェブ１０２におけるプライの先細りスタックの拡大図を図８に示す。図８から見て取れるように、プライ１０５は、長手方向Ｘにおいてそれぞれ平行であって、プライが連続的に終端することで、横方向Ｙにおけるスタックの厚さが減少するテーパが形成される。カバープライ１０５ｃは、実際には、２つのプライ１０５ｃで形成する。これらのカバープライ１０５ｃは、テーパ部では長手方向Ｘに対して平行ではなく、むしろテーパの角度に一致するように設ける。カバープライ１０５ｃと残りのプライ１０５の縁部間における小さな間隙１１０は、樹脂で充填する。

図９は、ストリンガ１００の側面図を示し、図１０には、図９のＢ−Ｂ線での断面図を示してある。図１０では、ストリンガフット１０４の連続した断面領域に、背中合わせにした一対の、複合プライ１０５によるＬ字状のスタックが見て取れる。各プライ１０５は、ウェブ部位１０２の厚さがフランジ部分１０１の厚さの２倍になるように連続する。積層プライ１０５により規定される最小の半径ｒに起因して、背中合わせになったＬ字状のスタック間に裂け目が生じうる。この裂け目は、非構造の充填物１１１で充填され、そうすることでストリンガ１００の下側の表面１１２がほぼ平坦になり、ストリンガ１００がパネルにしっかり接合される。

ストリンガ１００の端面図を図１１に示し、完成したストリンガ１００の投影図を図１２に示してある。ストリンガ１００は、航空機の翼のカバーまたはスキンに固定するために用いられる。航空機の翼は、典型的には、切欠きを備えたリブを有し、その切欠きにストリンガを通す。リブは、典型的には、翼のカバーまたはスキンに接続され、リブフィートによりストリンガに接続される。図１３は、リブフィートがストリンガ１００に接続できる箇所１１３を示す。

図１４は、プライのレイアップの概略図を示す。最下プライ１０５ａと最上プライ１０５ｂの間のプライは、プライスタックの厚さが減少するテーパ部にが階段状の構造を形成する。カバープライ１０５ｃは、最下プライ１０５ａを超えて延在する。プライのスタックは、オートクレーブ内で熱及び圧力Ｐを加えて硬化させて、カバープライ１０５ｃを他のプライ１０５によるテーパ形状に一致させる。図１５は、オートクレーブから取り出した際の硬化プライを示す。

上記した第１の実施形態において、ストリンガ１００は、スタックの厚さが多様な方向で減少するテーパ部を含むプライのスタックを有する。各テーパに共通の特徴として、内部のプライはストリンガの終端部に向けて連続的に終端し、スタックの厚さが減少するテーパを形成する。上位プライの露出した縁部は、ストリンガ１００が完成した状態では、オプションのカバープライ１０５ｃで覆われるようにすることができる。

第２の実施形態では、ストリンガ２００は、全体的にストリンガ１００と類似した形状を有する。第２の実施形態のストリンガ２００と第１の実施形態のストリンガ１００の主な違いは、ストリンガ２００では、オプションのカバープライを用いない場合であっても、内部のプライの縁部が露出しないように内部のプライが終端することにある。ストリンガ２００は、フランジ２０１、ウェブ２０２、終端部２０３、ストリンガフット２０４、フランジ幅が終端部２０３に向けて減少するテーパ部２０６、ウェブ高さが終端部２０３に向けて減少するテーパ部２０７、及び非構造のテーパ状ヌードル２１１を有する。ストリンガ２００の外部形状はストリンガ１００の外部形状と類似するが、ウェブ２０２が終端部２０３にいたるまで一定の幅を有する点が異なる。これは、スタックの厚さがウェブ２０２の長手方向Ｘで減少するテーパが形成されているにもかかわらず、テーパ状のヌードル２１１によって達成される。

フランジ２０１とウェブ２０２は、ストリンガ１００の構造と同様に、複合構造のプライを積層したＬ字状のスタックを２つ背中合わせに結合させて形成する。

ストリンガ１００とストリンガ２００の主要な相違を、図１８〜２０を参照して説明する。ストリンガ２００の場合、そのレイアップは、ストリンガ１００のそれとは反対向きである。図１８に見て取れるように、プライ２０５は、最小のプライ２０５ａを最初に、最大のプライ２０５ｂを最後に載置するようにしてレイアップする。その後、オプションのカバープライ２０５ｃは、プライ２０５ｂの上に置くことができる。図１９に示すように、第１のプライ２０５ａは、最初に置く。最上プライ２０５ｂ（またはカバープライ２０５ｃ）は、オーバーハングを形成するように、最後に置く。ストリンガ２００のプライは、ストリンガ１００のプライと同じ材質で形成することができる。プライ２０５のスタックを一旦アセンブルしたら、それをオートクレーブ等の内部で硬化する。図２０は、硬化後のプライ２０５の概略的な部分的断面図を示す。最上プライ２０５ｂは、オプションのカバープライ２０５ｃ同様、終端部２０３に向けてスタックの厚さが減少するテーパ部の上に概ね滑らかな遷移部を形成する。内部のプライは、自然に変形し、その縁部は内部のモールドライン（すなわち、プライスタックが設けられる面）に対して垂直になる。

図２０に概略的に示すように、フランジ２０１は、ウェブ２０２の範囲を超えて延在する部分２１３を有する。これは、フランジ２０１を接続するパネルからこのフランジが剥離するおそれがあるようなストリンガ２００に、随意に設けることができる。延在部位２１３は、接合表面を増やし、線２１４で示すように、固定具によってパネルに取り付けることができる。

図２１〜２４は、ストリンガ３００の第３の実施形態を示す。ストリンガ３００は、ストリンガ１００のプライと同じように配置されるプライ３０５のスタックを有する。すなわち、最下プライ３０５ａが最も大きいプライで、最上プライ３０５ｂが最も小さいプライである。ストリンガフット３０４は、ストリンガ１００のプライ１０５の角ばった切断縁部の形状とは対照的に、ほぼ連続して湾曲した自由形状の構造をしている。ストリンガフット３０４の形状は、ストリンガ３００を取り付けるパネルに荷重を伝達するように最適化されている。しかしながら、プライ３０５の湾曲縁部は、ストリンガ１００及び２００のそれぞれのプライ１０５及び２０５における直線状の縁部より、切断が難しい。

パネル３５０ａへのストリンガフット３０４の接合を改善するために、ストリンガフット３０４の上にパッド３７０を載置する。パッド３７０は、パネル３５０に対して、パネルの厚さが増した部位として有効に作用する。パッド３７０は、ほぼ均一の厚さの、概ね半円形またはＤ字状の構造を有する。パッドは、一方向のまたは編んだ複合繊維材料で形成することができる。パッド３７０は、ストリンガ３００とパネル３５０と一緒に前もってアセンブルし、かつ、共に硬化され、ストリンガ３００、パッド３７０、及びパネル３５０を一緒に結合することができる。既成のパッド３７０は、ストリンガ３００に対してパッド３７０を位置決めするためのロボットアームに真空パッドを利用する自動化プロセスで、ストリンガフット３０４の上に載置することができる。

第３の実施形態における第２の例では、図２５に示すように、パッド３７０を、パッド３８０と置き換える。不在のパッド３７０の輪郭を、図２５に３７０により示してある。第２の例におけるパッド３８０の形状は、荷重がストリンガ３００からパネル３５０へ伝達されるときの荷重線３８１に従うように最適化してある。パッド３８０は、ほぼ均一の厚さであり、分岐する近位端３８２、中間の概ね平行な側部３８３、及びフォーク状の遠位端３８４を有している。パッド３８０の形状は、単純な「Ｄ字形状」パッド３７０より切断が困難であるが、ストリンガ３００とパネル３５０の間の荷重伝達を改善する。

本発明を、一以上の好ましい実施形態につき説明したが、請求項に規定された範囲を逸脱しない限りにおいて、適宜に変形、修正を加えることができる。

本発明の第１の態様によれば、長手方向の一端に終端部を有し、複合構造のプライの積層スタックを有する積層の複合構造のストリンガであって、前記プライのスタックは、前記ストリンガの終端部に向けて前記スタックの内部のプライを連続的に終端させることによって提供される、前記スタックの厚さが減少するテーパを前記ストリンガの終端部に有するストリンガが提供される。

本発明の第４の側面によれば、長手方向の一端に終端部を有するとともに複合構造のプライの積層スタックを有する積層複合構造のストリンガの製造方法であって、当該方法が、前記複合プライを所望の終端輪郭に切断するステップと、前記複合構造プライを積み重ねて、前記積層複合構造のストリンガを形成するステップとを具え、 前記プライのスタックは、前記ストリンガの終端部に向けて前記スタックにおける内部プライを連続的に終端させることで提供される前記スタックの厚さが減少するテーパを前記ストリンガの終端部で有するようにした、ストリンガの製造方法が提供される。

Claims (20)

1. 長手方向の一端に終端部を有し、複合構造のプライのスタックを有する積層複合構造のストリンガであって、前記スタックの内部のプライが前記ストリンガの終端部に向けて連続的に終端されて、前記スタックの厚さが減少するテーパを提供するようにした、ストリンガ。
2. フランジを有し、前記スタックのテーパは前記フランジに設けられる、請求項１に記載のストリンガ。
3. 前記フランジにおける前記スタックのテーパは、長手方向及び／または横方向に設けられる、請求項２に記載のストリンガ。
4. 直立ウェブを有し、前記スタックのテーパは前記ウェブに設けられる、請求項１乃至３のいずれかに記載のストリンガ。
5. 前記ウェブは前記終端で分岐され、当該分岐したウェブに非構造の充填材が設けられる、請求項４に記載のストリンガ。
6. 複合構造のプライを積層したほぼＬ字状の一対のスタックを背中合わせに結合させて形成したフランジと直立ウェブとを有する、請求項１乃至５のいずれかに記載のストリンガ。
7. 前記Ｌ字状スタックの間の隙間に非構造の充填材が設けられる、請求項４に記載のストリンガ。
8. 直立ウェブを有し、当該ウェブは、高さが前記終端部で減少するテーパを有する、請求項１乃至７のいずれかに記載のストリンガ。
9. フランジを有し、当該フランジは、前記終端部で幅が狭くなるテーパを有する、 請求項１乃至８のいずれかに記載のストリンガ。
10. フランジを有し、前記終端部の直ぐ内側のフランジの幅は、前記終端部のさらに内側のフランジの幅よりも大きい、請求項１乃至９のいずれかに記載のストリンガ。
11. パネルと、当該パネルに接合される請求項１乃至１１のいずれかに記載のストリンガとを有する複合構造。
12. 前記スタックの厚さが減少するテーパは、前記パネルに最も近いプライから先に終端させることで達成される、請求項１１に記載の複合構造。
13. 前記スタックの厚さが減少するテーパは、前記パネルから最も遠いプライから先に終端させることで達成される、請求項１１に記載の複合構造。
14. 請求項１１乃至１３のいずれかに記載の複合構造を有する航空機。
15. 長手方向の一端に終端部を有するとともに複合構造のプライの積層スタックを有している積層複合構造のストリンガにして、前記スタックの内部のプライは前記ストリンガの終端部に向けて連続的に終端されて、前記スタックの厚さが減少するようなテーパを提供するようにした、ストリンガの製造方法であって、
    前記複合構造プライを所望の終端輪郭に切断するステップと、
    前記複合構造プライを積み重ねるステップと、
    を備えるストリンガの製造方法。
16. 前記プライは、レーザまたはウォータージェットで切断される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記個々のプライは、前記スタックに積み重ねるときに切断される、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 完成ストリンガにおける最大の前記プライは前記スタックに最初に載置される、請求項１５乃至１７のいずれかに記載の方法。
19. 完成ストリンガにおける最小のプライは前記スタックに最初に載置される、請求項１５乃至１７のいずれかに記載の方法。
20. 前記複合構造のプライのスタックを硬化するステップをさらに備えている、請求項１５乃至１９のいずれかに記載の方法。

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