JP2013107480A - Strength evaluating method of taper part connecting structure of composite material structure, taper part connecting structure of composite material structure, composite material structure, and aircraft fuselage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合材構造体に適用されたテーパ部連結構造の強度を評価するための方法に関する。また、本発明は、発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合材構造体、該複合材構造体に適用されるテーパ部連結構造、該複合材構造体を適用した航空機胴体に関する。 The present invention relates to a method for evaluating the strength of a tapered connecting structure applied to a composite structure composed of a foam core sandwich panel. The present invention also relates to a composite structure composed of a foamed core sandwich panel, a tapered connecting structure applied to the composite structure, and an aircraft fuselage to which the composite structure is applied.
近年、複合材の航空機胴体への適用が進んでいる。とりわけ、一体成形が可能であること及び曲面部材への成形性に優れるとの特性が着目され、炭素繊維強化プラスチック積層板の航空機胴体への適用が現実のものとなってきている。航空機胴体に適用される複合材の構造様式には、従前一般的なもの、すなわちアルミニウム合金製の機体に長年採用され続けてきたセミモノコック構造を流用するのが主流である。しかし、セミモノコック構造は、フレーム及びストリンガーを張り巡らせているので、重量及び部品点数が大きくなる。 In recent years, the application of composite materials to aircraft fuselage has progressed. In particular, attention has been paid to the characteristics of being capable of integral molding and excellent formability to curved members, and the application of carbon fiber reinforced plastic laminates to aircraft fuselage has become a reality. As a structural mode of a composite material applied to an aircraft fuselage, it is a mainstream to use a conventional structure, that is, a semi-monocoque structure that has been used for many years in an aluminum alloy body. However, since the semi-monocoque structure stretches the frame and the stringer, the weight and the number of parts increase.
これに対し、非特許文献1では、航空機胴体に適用される複合材の構造様式に、発泡コアサンドイッチパネルによる一体成形構造を採用することが提案されている。発泡コアサンドイッチパネルは、発泡材で製作される板状のコアと、コアの両面に接着されてコアを挟む一対の面板とを備えている。非特許文献1によれば、面板を炭素繊維強化プラスチックで製作しているので、前述の特性を生かした材料を提供することができるとしている。また、板金組立のセミモノコック構造と比べ、重量及び部品点数を低減することができるとしている。
On the other hand, Non-Patent
発泡コアサンドイッチパネルは炭素繊維強化プラスチック製の面板を備えているので、その製造過程でオートクレーブ成型を必要とする。よって、航空機胴体のような大型の構造体に発泡コアサンドイッチパネルを適用する場合は、オートクレーブ装置の寸法上の制約に鑑み、小分けされた複数のパネルを個別に製造してこれらパネル同士を互いに結合するという方法を用いて構造体を得るのが現実的である。 Since the foam core sandwich panel is provided with a face plate made of carbon fiber reinforced plastic, autoclave molding is required in the manufacturing process. Therefore, when applying foam core sandwich panels to large structures such as aircraft fuselage, considering the dimensional constraints of autoclave equipment, several subdivided panels are manufactured individually and these panels are joined together. It is realistic to obtain a structure using the method of doing.
そこで、非特許文献1では、発泡コアサンドイッチパネルにおける結合部位にいわゆるテーパードエンドクロージャー方式(tapered end closure type)を採用すること、及び、結合部位同士の結合にいわゆるバットスプライス方式(butt splice type)を採用することが提案されている。テーパードエンドクロージャー方式は、結合部位近傍でコアを傾斜させ、結合部位では2枚の面板を重ねて積層板にするという構造様式である。バットスプライス方式は、このような結合部位同士を対向させ(あるいは突き合わせ)、スプライス板を結合部位に架け渡して当該結合部位に結合するという継手様式であり、スプライス板を結合部位に結合するために、ボルト及びナット等のファスナが用いられる。
Therefore, in Non-Patent
テーパードエンドクロージャー方式及びバットスプライス方式を採用した結合構造を有する複合材構造体の設計においては、結合構造における破壊をなるべく遅らせることと、複合材構造体の全体としての重量をなるべく低減することとを両立させることが肝要となる。結合構造における強度を定性的に、望ましくは定量的に評価することができればこの両立が可能になるかもしれないが、現在のところ、結合構造における強度を評価するための手法は十分には確立されていない。 In designing a composite structure having a coupling structure employing a tapered end closure system and a butt splice system, delaying the breakage in the coupling structure as much as possible and reducing the overall weight of the composite structure as much as possible. It is important to achieve both. This may be possible if the strength in the bonded structure can be evaluated qualitatively, preferably quantitatively, but at present, methods for evaluating the strength in the bonded structure are well established. Not.
結合構造の強度が結合構造及び発泡コアサンドイッチパネルの設計パラメータに依存することは無論であると言えるが、どの設計パラメータが結合構造の強度にどの程度影響を及ぼすのかについては確たる知見が存在しない。つまり、結合強度を適正に強度を評価するうえで重要となる設計パラメータが何であるのかも、明確に特定されていないのが現状である。例えば、テーパ部のテーパ角度は、オートクレーブ成型で適正に加圧し得る角度範囲の最大値(例えば45度程度)に経験的に設定され、半ば定数のように設定されているに過ぎず、実用に供されている状態における荷重条件に照らして設計されてはいない。 It goes without saying that the strength of the bond structure depends on the design parameters of the bond structure and the foam core sandwich panel, but there is no definitive knowledge as to which design parameter affects the strength of the bond structure. In other words, the present situation is that the design parameters that are important in appropriately evaluating the bonding strength are not clearly specified. For example, the taper angle of the taper portion is empirically set to the maximum value (for example, about 45 degrees) of the angle range in which pressure can be appropriately applied by autoclave molding, and is set to a half constant, practically. It is not designed in light of the loading conditions in the state in which it is served.
また、1つ1つの発泡コアサンドイッチパネルが、一対のテーパ部同士が対向してこれらテーパ部が互いに連続するような部位を有することもある。このような場合も、テーパ部が互いに連続する部位では板厚が特異に変化するので、他の部位とは独立してその強度を評価可能であることが好ましい。 In addition, each foam core sandwich panel may have a portion where a pair of tapered portions face each other and the tapered portions are continuous with each other. Even in such a case, since the plate thickness changes peculiarly at the portions where the tapered portions are continuous with each other, it is preferable that the strength can be evaluated independently of other portions.
そこで本発明は、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合材構造体を提供するに際し、当該複合材構造体に適用されたテーパ部連結構造の強度を適正に評価可能にし、それによりテーパ部連結構造、発泡コアサンドイッチパネル、複合材構造体及び航空機胴体を最適に設計可能にすることを目的としている。 Therefore, the present invention makes it possible to properly evaluate the strength of the taper portion connection structure applied to the composite material structure when providing a composite material structure composed of a foamed core sandwich panel having a taper portion. It is an object to make it possible to optimally design a taper connection structure, a foam core sandwich panel, a composite structure, and an aircraft fuselage.
なお、ここで言う「テーパ部連結構造」は、互いに対向する一対のテーパ部を連結する構造である。当該一対のテーパ部は、別個の2つの発泡コアサンドイッチパネルにそれぞれ設けられていてもよいし、単一の発泡コアサンドイッチパネルに設けられていてもよい。前者の場合、テーパ部連結構造は、一対のテーパ部を結合するための継手として機能する。後者の場合、テーパ部連結構造は、単一の発泡コアサンドイッチパネルに含まれる部位であって、一対のテーパ部を当該発泡コアサンドイッチパネル内で連続させる部位として機能する。 The “taper connection structure” referred to here is a structure that connects a pair of taper portions facing each other. The pair of taper portions may be provided in two separate foam core sandwich panels, or may be provided in a single foam core sandwich panel. In the former case, the tapered portion connecting structure functions as a joint for coupling a pair of tapered portions. In the latter case, the tapered part connecting structure functions as a part included in a single foam core sandwich panel, and a pair of tapered parts are continued in the foam core sandwich panel.
上記目的達成のため、本発明に係る複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法は、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成された複合材構造体に適用され、互いに対向する一対のテーパ部を連結するテーパ部連結構造の強度を評価するための方法であって、前記テーパ部連結構造における初期破壊及びその発生部位を特定する破壊特定ステップと、特定された初期破壊に応じて、前記テーパ部連結構造の強度を評価するための評価パラメータを選定するパラメータ特定ステップと、前記テーパ部連結構造の設計条件及び荷重条件を設定する条件設定ステップと、設定された設計条件及び荷重条件下において、特定された初期破壊の発生部位に対し、選定された評価パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、算出された評価パラメータを所定の評価閾値と比較する比較ステップと、を有する。 In order to achieve the above object, the strength evaluation method for a taper portion connection structure of a composite structure according to the present invention is applied to a composite material structure composed of a foamed core sandwich panel having a taper portion, and a pair of facing each other. A method for evaluating the strength of the taper portion connecting structure for connecting the taper portion, according to the initial failure in the taper portion connecting structure and the failure specifying step for specifying the occurrence site, and the specified initial failure, A parameter specifying step for selecting an evaluation parameter for evaluating the strength of the tapered portion connecting structure, a condition setting step for setting design conditions and load conditions of the tapered portion connecting structure, and the set design conditions and load conditions A parameter calculating step for calculating the selected evaluation parameter for the identified initial fracture occurrence site, And having, a comparison step of the evaluation parameter with a predetermined evaluation threshold.
前記初期破壊の発生部位が、前記一対のテーパ部の間に位置する積層面板であり、前記初期破壊が、当該積層面板の亀裂であってもよい。 The generation site of the initial fracture may be a laminated face plate positioned between the pair of taper portions, and the initial fracture may be a crack in the laminated face plate.
前記評価パラメータが、前記初期破壊の発生部位におけるエネルギー解放率であり、前記評価閾値が、前記初期破壊の発生部位を成す材料の破壊靱性値であってもよい。 The evaluation parameter may be an energy release rate at the initial fracture occurrence site, and the evaluation threshold may be a fracture toughness value of a material constituting the initial fracture occurrence site.
前記設計条件が、前記テーパ部のテーパ角度、前記発泡コアサンドイッチパネルの板厚を含んでいてもよい。 The design condition may include a taper angle of the taper portion and a plate thickness of the foam core sandwich panel.
前記一対のテーパ部が前記複合材構造体の長手方向に対向し、前記テーパ部連結構造が前記一対のテーパ部を前記長手方向に連結するものであり、前記設計条件が、前記長手方向に隣接した前記テーパ部連結構造間、又は、前記テーパ部連結構造と前記複合材構造体の前記長手方向の端部との間の長さを含んでいてもよい。 The pair of taper portions oppose each other in the longitudinal direction of the composite material structure, the taper portion connecting structure connects the pair of taper portions in the longitudinal direction, and the design condition is adjacent to the longitudinal direction. A length between the tapered portion connecting structures or between the tapered portion connecting structure and the end portion in the longitudinal direction of the composite structure may be included.
前記複合材構造体が円筒状であり、前記一対のテーパ部が前記複合材構造体の円周方向に対向し、前記テーパ部連結構造が前記一対のテーパ部を前記円周方向に連結するものであり、前記設計条件が、前記複合材構造体の半径を含んでいてもよい。 The composite material structure is cylindrical, the pair of taper portions are opposed to each other in the circumferential direction of the composite material structure, and the taper portion connection structure connects the pair of taper portions in the circumferential direction. And the design condition may include a radius of the composite structure.
前記複合材構造体が航空機胴体に適用されるものであり、前記荷重条件が、前記航空機胴体内外圧力差による与圧荷重を含んでいてもよい。 The composite material structure may be applied to an aircraft fuselage, and the load condition may include a pressurized load due to an external pressure difference between the aircraft fuselage.
前記一対のテーパ部が前記航空機胴体の長手方向に対向し、前記テーパ部連結構造が前記一対のテーパ部を前記長手方向に連結し、前記荷重条件が、前記与圧荷重に基づく前記長手方向の引張り荷重と、前記航空機胴体の内面に付与される与圧荷重とを含んでいてもよい。 The pair of taper portions are opposed to the longitudinal direction of the aircraft fuselage, the taper portion connecting structure connects the pair of taper portions in the longitudinal direction, and the load condition is the longitudinal direction based on the pressurized load. A tensile load and a pressurized load applied to the inner surface of the aircraft fuselage may be included.
前記一対のテーパ部が前記航空機胴体の円周方向に対向し、前記テーパ部連結構造が前記一対のテーパ部を前記円周方向に連結し、前記荷重条件が、前記与圧荷重に基づく前記円周方向の引張り荷重を含んでいてもよい。 The pair of taper portions oppose each other in the circumferential direction of the aircraft fuselage, the taper portion connection structure connects the pair of taper portions in the circumferential direction, and the load condition is based on the pressurized load. A circumferential tensile load may be included.
前記比較ステップにおける比較結果に基づいて前記設計条件を変更する条件再設定ステップを更に有し、前記条件再設定ステップの後に、前記パラメータ算出ステップ及び前記比較ステップが再試行されてもよい。 The method may further include a condition resetting step for changing the design condition based on a comparison result in the comparison step, and the parameter calculation step and the comparison step may be retried after the condition resetting step.
前記比較ステップにおいて、直前に算出された評価パラメータが、前記評価閾値と比べて第1偏差を越えて小さい又は第1比率を超えて小さいとの比較結果が出た場合、前記条件再設定ステップにおいて、前記テーパ部のテーパ角度を大きくするように又は前記発泡コアサンドイッチパネルの板厚を小さくするようにして、前記設計条件が変更されてもよい。 In the comparison step, when a comparison result that the evaluation parameter calculated immediately before is smaller than the first threshold or smaller than the first ratio or smaller than the first ratio is obtained, in the condition resetting step The design condition may be changed by increasing the taper angle of the tapered portion or decreasing the thickness of the foam core sandwich panel.
本発明に係る複合材構造体のテーパ部連結構造は、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成された複合材構造体に適用され、互いに対向する一対のテーパ部を連結するテーパ部連結構造であって、前記一対のテーパ部が、前記複合材構造体の長手方向に対向しており、前記テーパ部のテーパ角度をθLとした場合、10度≦θL≦15度である。 The taper portion connection structure of the composite material structure according to the present invention is applied to a composite material structure formed of a foam core sandwich panel having a taper portion, and is a taper portion connection structure that connects a pair of taper portions facing each other. The pair of taper portions are opposed to each other in the longitudinal direction of the composite material structure, and when the taper angle of the taper portion is θL, 10 degrees ≦ θL ≦ 15 degrees.
前記長手方向に隣接した前記テーパ部連結構造間、又は、前記テーパ部連結構造と前記複合材構造体の前記長手方向の端部との間の長さをLとした場合、1000mm≦L≦1300mmであってもよい。 When the length between the taper portion connecting structures adjacent to each other in the longitudinal direction or between the taper portion connecting structure and the end portion in the longitudinal direction of the composite material structure is L, 1000 mm ≦ L ≦ 1300 mm It may be.
本発明に係る複合材構造体のテーパ部連結構造は、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成された円筒状の複合材構造体に適用され、互いに対向する一対のテーパ部を連結するテーパ部連結構造であって、前記一対のテーパ部が前記複合材構造体の円周方向に対向しており、前記テーパ部のテーパ角度をθCとした場合、10度≦θC<30度である。 The taper part connection structure of the composite material structure according to the present invention is applied to a cylindrical composite material structure formed of a foamed core sandwich panel having a taper part, and connects a pair of taper parts facing each other. In the connecting structure, the pair of tapered portions are opposed to each other in the circumferential direction of the composite structure, and when the taper angle of the tapered portion is θC, 10 degrees ≦ θC <30 degrees.
本発明に係る複合材構造体は、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成される円筒状の複合材構造体であって、長手方向に対向する一対のテーパ部を連結する長手方向連結構造と、円周方向に対向する一対のテーパ部を連結する円周方向連結構造と、を備え、前記長手方向連結構造における前記テーパ部のテーパ角度が、前記円周方向連結構造における前記テーパ部のテーパ角度付近である。 A composite material structure according to the present invention is a cylindrical composite material structure composed of a foam core sandwich panel having a taper portion, and a longitudinal connection structure that connects a pair of taper portions opposed to each other in the longitudinal direction. A circumferential connection structure that connects a pair of taper portions facing each other in the circumferential direction, and a taper angle of the taper portion in the longitudinal connection structure is a taper of the taper portion in the circumferential connection structure Near the angle.
前記長手方向連結構造及び前記円周方向連結構造のうち少なくとも何れか一方が、別個の2つの発泡コアサンドイッチパネルの継手を成しており、前記継手は、前記2つの発泡コアサンドイッチパネルの外縁部それぞれに形成されたテーパ部同士を互いに結合してもよい。 At least one of the longitudinal connection structure and the circumferential connection structure forms a joint of two separate foam core sandwich panels, and the joint is an outer edge of the two foam core sandwich panels. You may couple | bond together the taper part formed in each.
前記継手が、前記一対のテーパ部に架け渡されたスプライス板と、前記スプライス板を前記一対のテーパ部それぞれに固定するファスナとを備えていてもよい。 The joint may include a splice plate that spans the pair of tapered portions, and a fastener that fixes the splice plate to each of the pair of tapered portions.
本発明に係る航空機胴体は、上記複合材構造体によって構成される。 The aircraft fuselage according to the present invention is constituted by the composite material structure.
上記本発明によれば、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合材構造体を提供するに際し、当該複合材構造体に適用されたテーパ部連結構造の強度を適正に評価することができる。それにより、テーパ部連結構造、発泡コアサンドイッチパネル、複合材構造体及び航空機胴体の設計を最適化することができる。 According to the present invention, when providing a composite material structure including a foam core sandwich panel having a taper portion, it is possible to appropriately evaluate the strength of the taper portion connection structure applied to the composite material structure. it can. Thereby, the design of the taper connection structure, the foam core sandwich panel, the composite structure and the aircraft fuselage can be optimized.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Throughout the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[航空機胴体,複合材構造体,発泡コアサンドイッチパネル,テーパ部連結構造]
図1は、本発明の実施形態に係る複合材構造体の一例として示す航空機胴体の斜視図である。図1に示す航空機胴体1は、発泡コアサンドイッチパネル製の複数個のセグメント2を順次に結合することにより構成された複合材構造体であり、全体として略円筒状に形成されている。なお、円周方向におけるセグメント2の個数や、長手方向におけるセグメント2の個数は、特に限定されない。本実施形態では一例として、4個のセグメント2が円周方向に順次に結合され、2個のセグメント2が長手方向に順次に結合されるものとしている。図1に示す航空機胴体1の構造様式は、サンドイッチパネルの一体成形構造であり、フレーム及びストリンガーを備えていない。なお、セグメント2は、単一の発泡コアサンドイッチパネルから成るので、以下の説明では、セグメントと同様、発泡コアサンドイッチパネルにも参照符号2を付して説明する。
[Aircraft fuselage, composite structure, foam core sandwich panel, taper connection structure]
FIG. 1 is a perspective view of an aircraft fuselage shown as an example of a composite structure according to an embodiment of the present invention. An
図2は、図1のII−II線に沿って切断して示す断面図である。図2に示すように、発泡コアサンドイッチパネル2は、板状のコア3と、コア3の表面3b及び裏面3aそれぞれに設けられた一対の面板5,4とを有しており、コア3が一対の面板4,5にサンドイッチされている。コア3は、ポリエーテルイミド等の発泡材から製作される。一対の面板4,5は、炭素繊維強化プラスチック(以下、CFRP)から製作され、炭素繊維綾織物を強化材とするプリプレグを積層することによって構成される。この場合、面板4,5は、プリプレグを[{(+45, -45)/(0. 90)}4]symで計16層積層して成るCFRP積層板とすることができる。また、計16層のプリプレグのうち、コアに隣接する(0, 90)層及び(+45, -45)層の2層については、樹脂体積含有率を他14層の含有率よりも大きくしたり、層厚を他14層の層厚よりも厚くしたりしてもよい。コア3と面板4の界面には樹脂フィルム(図示せず)が介在しており、それにより一対の面板4,5のコア3への接合信頼性の向上が図られている。
2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. As shown in FIG. 2, the foam
本実施形態に係る発泡コアサンドイッチパネル2には、いわゆるテーパードエンドクロージャー方式が適用されている。つまり、コア3の縁部には、テーパ部6が設けられている。テーパ部6において、表面3bは、コア3の中心寄りの部分と滑らかに連続している。そこで、テーパ部6は、裏面3aから表面3bに向かって傾斜して裏面3aを表面3bに繋ぐテーパ面7を有している。以下では、表面3bとテーパ面7とが成す角を「テーパ角度θ」と定義する。なお、テーパ部連結構造10の部位に応じて、θに添え字C又はLを付す場合もある。
A so-called tapered end closure system is applied to the foam
面板4は、裏面3aからテーパ面7にまで亘り連続的に設けられている。一対の面板4,5は、表面3bとテーパ面7とが交わる尖端部8で重ね合わされる。尖端部8の内側には、一対の面板4,5が積層されることにより構成された積層面板部9が設けられる。このようにして、テーパ部6が、積層面板部9により外囲され且つ積層面板部9により閉塞されている。
The
このような構造を有した発泡コアサンドイッチパネル2の製造においては、コア3に樹脂フィルムが貼り付けられた後にプリプレグが積層される。このようにして製作された組立体がオートクレーブ成型される。これにより、炭素繊維強化プラスチック製の一対の面板4,5でコア3をサンドイッチした構造体を得ることができる。表面3bを治具上に設置する場合においては、テーパ角度θを45度以下に設定しておくことが好ましい。このように設定すると、面板4を構成するプリプレグのうちテーパ面7上に設けられている部分を良好に加圧することができ、強度を確保することができる。
In the manufacture of the foam
航空機胴体1には、円周方向又は長手方向に隣り合うセグメント2同士を連結するため、テーパ部連結構造10が設けられている。テーパ部連結構造10は、互いに対向する一対のテーパ部6を連結する構造であり、本実施形態に係るテーパ部連結構造10には、いわゆるバットスプライス方式が適用されている。
The
隣り合う2つのセグメント2は、互いのテーパ部6及びこれを外囲する積層面板部9が対向するようにして並べられている。互いの表面3bは同じ側に向けられ、互いの積層面板部9は近接している。すると、一方のセグメント2の面板4及び積層面板部9、他方のセグメント2の面板4及び積層面板部9により、逆台形状の凹部11が形成される。この凹部11内に、平板状のスプライス板12が収容される。スプライス板12は、一方の積層面板部9と他方の積層面板部9との間に架け渡され、積層面板部9それぞれにボルト及びナット等のファスナ13を用いて結合される。スプライス板12は、アルミニウム合金で製作することができ、ファスナ13はチタン合金で製作することができる。
Two
図1に括弧書参照符号を用いて関係性を示しているとおり、円周方向に隣り合うセグメント2同士を連結する構造10Cにも、長手方向に隣り合うセグメント2同士を連結する構造10Lにも、図2に示した構造様式を有するテーパ部連結構造10が適用されている。以下の説明では、上記構造10Cを「円周方向連結構造10C」、上記構造10Lを「長手方向連結構造10L」と称する。
As shown in FIG. 1 using parenthesis reference numerals, the
円周方向連結構造10Cと長手方向連結構造10Lは、同じ構造様式を有しているが、航空機胴体11が実用に供されると、各連結構造10C,10Lに作用する荷重の態様は異なる。荷重条件が異なるので、設計条件も個々に最適化しておかなければ、何れか一方の疲労の進行が極端に速くなる又は遅くなる等の不都合が生じてしまう。
Although the
後に詳述するが、テーパ部連結構造10を有する円筒状の複合材構造体を航空機胴体1に適用した場合、セグメント2及びテーパ部連結構造10の設計条件に、胴体半径、面板4,5及びコア3の板厚、セグメント2の長手方向寸法(以下「パネル長L」と称す)、テーパ角度θが含まれる。なお、従前、少なくともテーパ角度θは、オートクレーブ成型時の制約のみに照らして半ば定数のように設定されているに過ぎず、実用に供されている状態における荷重条件に照らして設定されてはいない。
As will be described in detail later, when a cylindrical composite material structure having the tapered
本実施形態に係るテーパ部連結構造10では、パネル長L及びテーパ角度θが、後述の強度評価方法を行うことによって得られた値に設定されており、それにより、テーパ部連結構造10に必要とされる強度を確保することができる。
In the taper
具体的な一例を挙げると、航空機胴体1が小型旅客機用であってその半径が2.5〜3.0m程度(例えば2.87m)であり、コア3の板厚が30〜35mm程度(例えば34mm)であり、面板4,5の板厚が6〜7mm程度(例えば6.24mm)である場合において、パネル長Lは、長手方向連結構造10Lに必要な強度との兼ね合いから、1000〜1300mmに設定される。長手方向連結構造10Lのテーパ角度θLは、長手方向連結構造10Lに求められる強度との兼ね合いから、10〜30度、好ましくは15度付近に設定される。円周方向連結構造10Cのテーパ角度θCは、円周方向連結構造10Cに求められる強度との兼ね合いから、10〜30度、好ましくは15度付近に設定される。長手方向連結構造10Lのテーパ角度θLが円周方向連結構造10Cのテーパ角度θC付近の角度に設定されていれば、セグメント2の製造が簡単になって有益である。共に15度付近に設定されていれば、必要な強度も得られるので有益である。
As a specific example, the
以下、テーパ部連結構造10の強度評価方法を説明した後、上記のように設計条件を設定することの妥当性について説明する。
Hereinafter, after describing the strength evaluation method of the taper
[強度評価方法]
図3は、本発明の実施形態に係る強度評価方法の手順を示すフローチャートである。図3に示すように、まず、テーパ部連結構造10における初期破壊及びその発生部位を特定する(ステップS1)。次に、特定された初期破壊に応じて、テーパ部連結構造10の強度を評価するための評価パラメータを選定する(ステップS2)。次に、テーパ部連結構造10の設計条件及び荷重条件を設定する(ステップS3)。次に、設定された設計条件及び荷重条件下において、特定された初期破壊の発生部位に対し、選定された評価パラメータを算出する(ステップS4)。次に、算出された評価パラメータを所定の評価閾値と比較し(ステップS5)、それによりテーパ部連結構造10の強度を評価する。
[Strength evaluation method]
FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the strength evaluation method according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, first, the initial breakage and the site where the
上記強度評価方法を活用して設計の最適化を図ることも可能である。すなわち、評価パラメータを評価閾値と比較した結果、強度が不足しているとの評価や強度が過剰であるとの評価がなされると(ステップS6:NO)、テーパ部連結構造10の設計条件が変更される(ステップS3再試行)。なお、強度が不足しているとの評価がなされる場合の例として、直前に算出された評価パラメータが評価閾値と等しい場合を挙げることができる。強度が過剰であるとの評価がなされる場合の例として、直前に算出された評価パラメータが評価閾値と比べて第1偏差を超えて小さい場合、直前に算出された評価パラメータが評価閾値と比べて第1比率を超えて小さい場合を挙げることができる。このように、評価パラメータは、加減算に基づいて評価閾値と比較されてもよいし、乗除算に基づいて評価閾値と比較されてもよい。なお、第1偏差はゼロを含む概念であり第1比率は1を含む概念である。つまり、評価パラメータが単純に評価閾値よりも小さい場合に、強度不足であるとして設計条件を変更してもよい。
It is also possible to optimize the design using the strength evaluation method. That is, as a result of comparing the evaluation parameter with the evaluation threshold value, when the evaluation that the strength is insufficient or the evaluation that the strength is excessive is made (step S6: NO), the design condition of the tapered
ステップS3の再試行後、今回変更された設計条件下且つ前回設定された荷重条件下で、評価パラメータを前回同様にして算出する(ステップS4再試行)。次に、今回算出された評価パラメータを評価閾値と再比較し、それによりテーパ部連結構造10の強度を再評価する(ステップS5再試行)。強度が足りているとの評価がなされれば(ステップS6:YES)、設計条件が確定することとなる。 After the retry of step S3, the evaluation parameter is calculated in the same manner as the previous time under the design condition changed this time and the previously set load condition (retry of step S4). Next, the evaluation parameter calculated this time is re-compared with the evaluation threshold value, thereby re-evaluating the strength of the tapered portion connecting structure 10 (step S5 retry). If it is evaluated that the strength is sufficient (step S6: YES), the design condition is determined.
このように、本実施形態に係る強度評価方法によれば、テーパ部連結構造10において初期破壊及びその発生部位が特定され、当該初期破壊に応じて評価パラメータが選定され、設定された設計条件及び荷重条件下での評価パラメータが評価閾値と比較される。このような手順を踏むことにより、初期破壊が発生すると特定又は想定される部位において、強度を適正に評価することができ、構造全体に必要とされる強度をもたせた設計を適切に行うことができる。
As described above, according to the strength evaluation method according to the present embodiment, the initial fracture and the generation site thereof are specified in the tapered
次に、テーパ部連結構造10を有する円筒状の複合材構造体が航空機胴体1に適用されているとの想定の下で、上記方法をその手順に沿って具体的に説明する。
Next, under the assumption that a cylindrical composite structure having the taper
[初期破壊及びその発生部位の特定]
テーパ部連結構造10の初期破壊の破壊モード及びその発生部位を特定するため、模型を用いた強度試験を行うことが好ましい。なお、模型は、勿論実物大でもよいし、実物大を三次元的に縮小したものでもよいし、図2紙面直交方向にカットされたものでもよい。図2に参照符号「CIP」(すなわち、亀裂発生位置)で示すように、本件発明者が模型を用いて強度試験を行った結果、テーパ部連結構造10の初期破壊の発生部位は、積層面板部9の内部であってコア3の尖端部8から5mm程度離れた箇所であり、破壊モードは、当該部分の亀裂(層間剥離)であるとの知見を得た。なお、この強度試験では、テーパ部連結構造10に、一対のテーパ部6が向き合う方向に引張り荷重を破壊が生じるまで付加しており、テーパ角度θを30度に設定している。
[Initial destruction and identification of the site of its occurrence]
In order to specify the failure mode of the initial fracture of the taper
この知見の確証性を得るため、FEMモデル等を用いて数値解析を付帯的に行うことが好ましい。図4は、長手方向連結構造10LについてのFEMモデルを例示している。図4に例示するモデルは、図1に示すII−II線に沿って切断して示す断面内の二次元モデルであり、円周方向には形状変化がない部位を対象としている。面板、コア、樹脂フィルムには、4節点平面ひずみ要素を用いている。
In order to obtain confirmation of this knowledge, it is preferable to perform numerical analysis incidentally using an FEM model or the like. FIG. 4 illustrates an FEM model for the
FEM解析を行うに先立ち、面板、コア及び樹脂フィルム等の寸法及び材料など、テーパ部連結構造10の仕様(つまり、設計条件)や、テーパ部連結構造10に付加される荷重条件をモデル内で設定する必要がある。また、後述するように、FEMモデルは、初期破壊を特定するステップのみならず、設計条件及び荷重条件を設定するステップや、評価パラメータを算出するステップでも活用され得るものである。
Prior to performing the FEM analysis, the specifications (that is, design conditions) of the taper
初期破壊及びその発生部位を特定するステップでは、FEMモデル内における面板、コア及び樹脂フィルムの仕様や荷重条件が、強度試験で用いた模型の仕様と同じに設定される。例えば、コアの板厚は34mm、各面板の板厚は6.24mm、積層面板部の板厚はその2倍、樹脂フィルムの板厚は0.254mm、テーパ角度θは30度としている。なお、面板は、プリプレグUT500/#135(強化材体積含有率Vf=56%)を[{(+45, -45)/(0. 90)}4]symで計16層積層して成るCFRP積層板としており、プリプレグ1層の層厚が0.38mmである。ただし、一対の面板のいずれも、コアに隣接する(0, 90)層及び(+45, -45)層の2層については、強化材体積含有率を46%、層厚を0.46mmとしている。表1は、コア3、樹脂フィルム及び4パターンのプリプレグの材料定数を示している。なお、表1中、Eは縦弾性率、Gは横弾性率、νはポアソン比である。
In the step of identifying the initial fracture and the site where the fracture occurs, the specifications and load conditions of the face plate, core, and resin film in the FEM model are set to be the same as the specifications of the model used in the strength test. For example, the thickness of the core is 34 mm, the thickness of each face plate is 6.24 mm, the thickness of the laminated face plate portion is twice that, the thickness of the resin film is 0.254 mm, and the taper angle θ is 30 degrees. The face plate is made of a total of 16 layers of prepreg UT500 / # 135 (reinforcement volume content V f = 56%) with [{(+45, -45) / (0. 90)} 4 ] sym . A CFRP laminate is used, and the thickness of one prepreg layer is 0.38 mm. However, in each of the pair of face plates, the reinforcing material volume content is 46% and the layer thickness is 0.46 mm for the (0, 90) layer and (+45, -45) layer adjacent to the core. . Table 1 shows the material constants of the
このステップでは、初期破壊の破壊モードがCFRP積層板の亀裂(層間剥離)であることに照らして、FEMモデルを用いて、強度試験により初期破壊が発生すると想定された部位(すなわち、積層面板部の内部であって尖端部から5mm程度離れた部位)におけるエネルギー解放率が算出される。エネルギー解放率は亀裂進展に伴って生じる全エネルギーの変化であり、エネルギー解放率が破壊靱性値と等しくなるときに、亀裂(層間剥離)が進展する。よって、算出されたエネルギー解放率が、積層面板部の材料の破壊靱性値と同じ値であれば、初期破壊の破壊モードが亀裂であってその発生部位が積層面板部の内部であるとする強度試験の結果に確証性が得られることとなる。
In this step, in light of the fact that the failure mode of the initial failure is a crack (delamination) of the CFRP laminate, the site where the initial failure occurred by the strength test using the FEM model (that is, the laminated face plate part) The energy release rate is calculated at a
本件発明者が解析した結果、強度試験により初期破壊が発生すると想定された部位におけるエネルギー解放率が、積層面板部の材料の破壊靱性値と略同じ値(1.53kJ/m2)となることが判った。よって、テーパ部連結構造10における初期破壊及びその発生部位が確証をもって特定された。
As a result of analysis by the present inventors, the energy release rate at the site where the initial fracture is assumed to occur by the strength test may be substantially the same value (1.53 kJ / m 2 ) as the fracture toughness value of the material of the laminated faceplate part. understood. Therefore, the initial fracture in the taper
図5は、エネルギー解放率の算出法を示す概念図である。エネルギー解放率の算出法は、特に限定されないが、亀裂閉口法(Crack closure method)を好適に採用することができる。亀裂閉口法は、エネルギー解放率が亀裂進展に伴って生じる全エネルギーの変化であるために亀裂進展の過程を逆に辿ればエネルギー解放率を求めることも可能になる、という考え方に基づく算出法である。エネルギー解放率Gは、開口変位(モードI)に対するエネルギー解放率GIと、剪断変位(モードII)に対するエネルギー解放率GIIとの和として定義した。つまり、亀裂先端近傍での節点jにおける節点力のx方向成分及びy方向成分をFxj、Fyjとし、節点(j-1)と節点(j-1)’の相対変位のx方向成分及びy方向成分をUx(j-1)-Ux(j-1)’、Uy(j-1)-Uy(j-1)’とした場合、開口変位に対するエネルギー解放率GI、剪断変位に対するエネルギー解放率GII、及びこれらの和として定義されるエネルギー解放率Gが、次式(1)〜(3)から算出される。 FIG. 5 is a conceptual diagram showing a method for calculating the energy release rate. Although the calculation method of an energy release rate is not specifically limited, The crack closure method (Crack closure method) can be employ | adopted suitably. The crack closure method is a calculation method based on the idea that the energy release rate can be obtained by tracing the crack growth process in reverse since the energy release rate is a change in the total energy that accompanies the crack growth. is there. Energy release rate G is the energy release rate G I with respect to the opening displacement (mode I), optionally in defined as the sum of the energy release rate G II to shear displacement (mode II). That is, the x-direction component and the y-direction component of the nodal force at the node j near the crack tip are F xj and F yj, and the x-direction component of the relative displacement between the node (j-1) and the node (j-1) ′ and When the y-direction component is U x (j-1) -U x (j-1) ' , U y (j-1) -U y (j-1)' , the energy release rate G I for the aperture displacement, The energy release rate G II with respect to the shear displacement and the energy release rate G defined as the sum of these are calculated from the following equations (1) to (3).
[評価パラメータ・評価閾値の選定]
初期破壊を特定していく経緯を踏まえれば、本実施形態においては、評価パラメータに、初期破壊である亀裂(層間剥離)が発生する積層面板部でのエネルギー解放率を選定し、強度評価の際に評価パラメータと対比される評価閾値に、積層面板部の材料の破壊靱性値を採用すると、テーパ部連結構造10の強度を評価するうえで適切であるといえる。なお、初期破壊の破壊モードがCFRP積層板の亀裂(層間剥離)でない場合には、これに応じて評価パラメータ及び評価閾値が別のものに選定される可能性もある。
[Selection of evaluation parameters and evaluation thresholds]
In consideration of the process of specifying the initial fracture, in this embodiment, the energy release rate at the laminated face plate portion where the crack (delamination) that is the initial fracture occurs is selected as the evaluation parameter, and the strength is evaluated. If the fracture toughness value of the material of the laminated face plate portion is adopted as the evaluation threshold value compared with the evaluation parameter, it can be said that it is appropriate for evaluating the strength of the tapered
[荷重条件・設計条件の設定]
図6は、荷重条件を示す模式図を示している。航空機の飛行中は、機内が与圧される。そこで、本実施形態では、テーパ部連結構造10に付加される主要な荷重として、与圧荷重(胴体内外差圧に基づく荷重)を考慮している。円周方向連結構造10Cには、当該与圧荷重に基づき、円周方向の引張り荷重(Hoop荷重)が付加されると考えることができる。長手方向連結構造10Lには、当該与圧荷重に基づき、長手方向の引張り荷重と、胴体内側からの与圧荷重とが付加されると考えることができる。なお、長手方向の引張り荷重は、円周方向の引張り荷重に1/2を乗算することにより得ることができる。
[Load conditions and design conditions]
FIG. 6 is a schematic diagram showing load conditions. During the flight of the aircraft, the cabin is pressurized. Therefore, in the present embodiment, a pressurized load (a load based on the pressure difference outside the body) is considered as a main load added to the tapered
本実施形態では、航空機胴体1が小型旅客機用であってその半径が2.87mであるとしている。また、胴体内部の気圧を0.78atm(気圧高度2000m)とし、胴体外部の気圧を0.26atm(気圧高度10000m)としている。このように設定された胴体半径及び胴体内外差圧に基づき、円周方向連結構造10Cに作用する円周方向の引張り荷重と、長手方向連結構造10Lに作用する長手方向の引張り荷重とが算出される。
In the present embodiment, the
設計条件には、この胴体半径の他、パネル長、コアの板厚、面板の板厚、テーパ角度が含まれるが、胴体半径は、適用対象である航空機の概略仕様が決まれば、殆ど定数として取り扱われることとなる。パネル長は、航空機の概略仕様が決まっても、長手方向に並ぶセグメントの個数に応じて、大きくその値が変わることとなる。コアの板厚、面板の板厚及びテーパ角度は、航空機の概略仕様に関わらず、航空機胴体1の設計の範疇内で比較的自由に設定及び変更可能な設計条件である。
The design conditions include the fuselage radius, panel length, core plate thickness, face plate thickness, and taper angle. The fuselage radius is almost constant if the general specifications of the aircraft to be applied are determined. Will be handled. The panel length varies greatly depending on the number of segments arranged in the longitudinal direction even if the general specifications of the aircraft are determined. The plate thickness of the core, the plate thickness of the face plate, and the taper angle are design conditions that can be set and changed relatively freely within the design category of the
図面を参照するまでもなく、コアの板厚及び面板の板厚は、テーパ部連結構造の強度(すなわち、積層面板部の内部におけるエネルギー解放率)に影響を及ぼす因子である。板厚が大きくなれば、積層面板部のエネルギー解放率は小さくなり、テーパ部連結構造10の強度が向上することとなる。そこで、パネル長及びテーパ角度の特性、すなわち、パネル長及びテーパ角度がテーパ部連結構造の強度に与える影響について、図面を参照しながら説明する。
Needless to refer to the drawings, the plate thickness of the core and the plate thickness of the face plate are factors that affect the strength of the tapered portion connecting structure (that is, the energy release rate inside the laminated face plate portion). If the plate thickness is increased, the energy release rate of the laminated face plate portion is reduced, and the strength of the tapered
図7は、テーパ角度と、長手方向連結構造の積層面板部の内部におけるエネルギー解放率との相関関係を示すグラフである。図7の横軸がテーパ角度、縦軸がエネルギー解放率を表している。図7には、荷重条件として長手方向の引張り荷重のみを考慮した場合を表す線と、荷重条件として長手方向の引張り荷重と与圧荷重とを両方とも考慮した場合を表す線とを示している。2本の線を対比すると、与圧荷重を考慮したエネルギー解放率は、与圧荷重を考慮しないエネルギー解放率よりも大きくなることがわかる。これは、与圧荷重が長手方向連結構造の強度に影響を及ぼしている証左であり、荷重条件として与圧荷重を考慮することに、高い妥当性がある。 FIG. 7 is a graph showing the correlation between the taper angle and the energy release rate inside the laminated face plate portion of the longitudinal connection structure. The horizontal axis in FIG. 7 represents the taper angle, and the vertical axis represents the energy release rate. FIG. 7 shows a line representing the case where only the longitudinal tensile load is considered as the load condition and a line representing the case where both the longitudinal tensile load and the pressurized load are considered as the load condition. . Comparing the two lines, it can be seen that the energy release rate considering the pressurized load is larger than the energy release rate not considering the pressurized load. This is evidence that the pressurized load has an influence on the strength of the longitudinal connection structure, and it is highly appropriate to consider the pressurized load as a load condition.
長手方向の引張り荷重と与圧荷重とを両方とも考慮した場合を表す線を参照すると、テーパ角度の変化に伴ってエネルギー解放率が変化している。これは、テーパ角度が長手方向連結構造の強度に影響を及ぼす因子である証左である。具体的に言えば、テーパ角度が45度から小さくなるに連れて、エネルギー解放率が小さくなる。エネルギー解放率は、テーパ角度が15度付近の値をとるときに最小値をとる。テーパ角度が15度から小さくなるにつれて、エネルギー解放率は増加する。 Referring to the line representing the case where both the tensile load and the pressurized load in the longitudinal direction are considered, the energy release rate changes as the taper angle changes. This is evidence that the taper angle is a factor affecting the strength of the longitudinal connection structure. Specifically, the energy release rate decreases as the taper angle decreases from 45 degrees. The energy release rate takes the minimum value when the taper angle takes a value near 15 degrees. As the taper angle decreases from 15 degrees, the energy release rate increases.
図8は、パネル長及びテーパ角度がエネルギー解放率に与える影響を示したグラフである。図8に示すように、パネル長が大きくなるに連れ、長手方向連結構造の積層面板部の内部におけるエネルギー解放率が大きくなる。これは、パネル長が長手方向連結構造の強度に影響を及ぼす因子である証左である。 FIG. 8 is a graph showing the influence of the panel length and taper angle on the energy release rate. As shown in FIG. 8, as the panel length increases, the energy release rate inside the laminated face plate portion of the longitudinal connection structure increases. This is evidence that the panel length is a factor affecting the strength of the longitudinal connection structure.
図8には、円周方向連結構造のテーパ角度と、円周方向連結構造の積層面板部の内部におけるエネルギー解放率との相関関係を併せて示している。図8に示すように、円周方向連結構造においても、テーパ角度の変化に伴ってエネルギー解放率が変化している。これは、テーパ角度が円周方向連結構造の強度に影響を及ぼす因子である証左である。円周方向連結構造では、長手方向連結構造とは異なり、テーパ角度が小さくなるに連れ、エネルギー解放率が単調減少する。詳細には、テーパ角度が45度から30度まで小さくなっていく間は、エネルギー解放率は緩やかに小さくなっていくが、テーパ角度θが30度から小さくなるに連れ、エネルギー解放率がそれまでと比べると急激に小さくなっていく。 FIG. 8 also shows the correlation between the taper angle of the circumferential connection structure and the energy release rate inside the laminated face plate portion of the circumferential connection structure. As shown in FIG. 8, also in the circumferential connection structure, the energy release rate changes with the change of the taper angle. This is evidence that the taper angle is a factor affecting the strength of the circumferential connecting structure. In the circumferential connection structure, unlike the longitudinal connection structure, the energy release rate monotonously decreases as the taper angle decreases. Specifically, while the taper angle decreases from 45 degrees to 30 degrees, the energy release rate gradually decreases. However, as the taper angle θ decreases from 30 degrees, the energy release rate decreases until then. Compared to, it becomes smaller rapidly.
以上のとおり、長手方向連結構造においても円周方向連結構造においても、テーパ角度は、テーパ部連結構造の強度に影響を及ぼす因子である。長手方向連結構造では、テーパ角度が15度付近であるときに、エネルギー解放率が最小値をとることが判る。一方、円周方向連結構造では、テーパ角度が小さくなるに連れ、エネルギー解放率が単調減少するが、テーパ角度が30度未満になると減少傾向が大きくなる。また、長手方向連結構造では、パネル長が連結構造の強度に影響を及ぼす因子であり、パネル長が短くなるにつれてエネルギー解放率が小さくなる。 As described above, the taper angle is a factor that affects the strength of the tapered portion coupling structure in both the longitudinal direction coupling structure and the circumferential direction coupling structure. It can be seen that in the longitudinal connection structure, the energy release rate takes the minimum value when the taper angle is around 15 degrees. On the other hand, in the circumferential connection structure, the energy release rate monotonously decreases as the taper angle decreases, but the tendency to decrease increases when the taper angle is less than 30 degrees. In the longitudinal connection structure, the panel length is a factor affecting the strength of the connection structure, and the energy release rate decreases as the panel length decreases.
従前、このような知見が存在しなかったので、テーパ角度及びパネル長が定数のように取り扱われていた。これに対し、本件発明者は、当該知見に基づいて、テーパ角度及びパネル長が、テーパ部連結構造の設計を強度との兼ね合いから最適化しようとするうえで変数のように取り扱われるべき設計条件であり、この設計条件の変更によって設計の最適化をなし得るとの着想を得た。当該知見及び着想の下、荷重条件と共に設計条件が設定される。 In the past, since such knowledge did not exist, the taper angle and the panel length were treated like constants. On the other hand, the present inventors based on this knowledge, the taper angle and the panel length are the design conditions that should be handled like variables when trying to optimize the design of the taper connection structure from the viewpoint of strength. The idea is that the design can be optimized by changing the design conditions. Based on the knowledge and idea, design conditions are set together with load conditions.
[評価パラメータの算出]
設計条件及び荷重条件が設定されると、FEMモデルを用いて、積層面板部の内部におけるエネルギー解放率が算出される。エネルギー解放率の算出法は、前述したとおり、亀裂閉口法を好適に用いることができる。
[Calculation of evaluation parameters]
When the design condition and the load condition are set, the energy release rate inside the laminated face plate portion is calculated using the FEM model. As described above, the crack closure method can be suitably used as the energy release rate calculation method.
[評価パラメータと評価閾値との比較]
算出されたエネルギー解放率は、積層面板部の材料の破壊靱性値と比較される。図9は、強度の評価、設計条件の変更の手順について説明するためのグラフである。横軸がテーパ角度等の設計条件、縦軸がエネルギー解放率を表している。テーパ部連結構造の設計条件に関わらず破壊靱性値は一定であるので、図9の座標系内では、破壊靱性値を表す線は横軸に平行に延びることになる。この座標系内に、算出されたエネルギー解放率を設定された設計条件に対応させてプロットする。破壊靱性値を表す線からプロットまでの縦軸方向の乖離の程度が、強度の評価を反映したものになる。
[Comparison between evaluation parameter and evaluation threshold]
The calculated energy release rate is compared with the fracture toughness value of the material of the laminated faceplate portion. FIG. 9 is a graph for explaining the procedure of strength evaluation and design condition change. The horizontal axis represents design conditions such as the taper angle, and the vertical axis represents the energy release rate. Since the fracture toughness value is constant regardless of the design conditions of the tapered portion connecting structure, the line representing the fracture toughness value extends in parallel with the horizontal axis in the coordinate system of FIG. In this coordinate system, the calculated energy release rate is plotted in correspondence with the set design conditions. The degree of deviation in the vertical axis direction from the line representing the fracture toughness value to the plot reflects the strength evaluation.
つまり、プロットが破壊靱性値を表す線上にある場合、設定された設計条件及び荷重条件下において亀裂の進展を招くこととなるので、強度が不足していると評価されて然るべき状況である。プロットが破壊靱性値を表す線よりも縦軸方向下側にある場合は、設定された設計条件及び荷重条件下において亀裂の進展を抑制可能となるので、強度に余裕があると評価されて然るべき状況である。ただし、プロットが破壊靱性値を大きく下回っている場合(例えば、プロットが示すエネルギー解放率が破壊靱性値と比べて或る偏差ΔGを超えて小さい場合)には、設定された荷重条件に対して強度が過剰である可能性がある。これを受け、強度を若干下げてでも構造を簡略化する等して重量の低減を図る余地が残されていることを容易に認識することが可能になる。 In other words, if the plot is on the line representing the fracture toughness value, it will cause the crack to develop under the set design conditions and load conditions. When the plot is below the line representing the fracture toughness value in the vertical axis direction, crack growth can be suppressed under the set design conditions and load conditions, so it should be evaluated that there is a margin in strength. Is the situation. However, when the plot is significantly below the fracture toughness value (for example, when the energy release rate indicated by the plot is smaller than the fracture toughness value by a certain deviation ΔG), for the set load condition The strength may be excessive. In response to this, it is possible to easily recognize that there is still room for weight reduction by, for example, simplifying the structure even if the strength is slightly reduced.
本実施形態に係る強度評価方法によれば、前述したとおり、初期破壊が発生すると特定又は想定される部位において、強度を適正に評価することができ、構造全体に必要とされる強度をもたせた設計を適切に行うことができる。 According to the strength evaluation method according to the present embodiment, as described above, the strength can be appropriately evaluated in a site that is specified or assumed to cause initial fracture, and the strength required for the entire structure is provided. Design can be done properly.
そして、テーパ部連結構造10における初期破壊の発生部位が積層面板部の内部であり、当該初期破壊が、CFRP積層板から成る積層面板部の亀裂(層間剥離)であることが特定されることにより、当該特定結果に基づいて評価パラメータ及び評価閾値を適正に選定することができる。このため、強度を適正に評価することができる。特に、上記のように初期破壊が特定された場合には、評価パラメータを、初期破壊の発生部位におけるエネルギー解放率とし、評価閾値を初期破壊の発生部位を成す材料の破壊靱性値とすることで、強度を適正に評価することができる。
Then, the occurrence site of the initial failure in the taper
[設計条件の変更]
前述のように、エネルギー解放率が破壊靱性値よりも大きく下回っている場合(例えば、エネルギー解放率が破壊靱性値と比べて或る偏差ΔGを超えて小さい場合)には、強度を若干低下させても亀裂の進展を抑制可能となるので、そのような範囲内で設計条件を変更することが可能である。強度を低下させる方向へと設計条件を変更するにあたり、板厚を薄くしたり、パネル長を大きくしたり、テーパ角度を大きくしたりすることができる。板厚が薄くなれば、重量を小さくすることができる。パネル長が大きくなれば、長手方向のセグメント数を削減し得る。テーパ角度が大きくなれば、テーパ部の長手方向における寸法が小さくなり、テーパ部を比較的容易に製造することができるようになる。なお、板厚を薄くしながら、パネル長を小さくしたりテーパ角度を小さくしたりするのも勿論可能である。
[Change design conditions]
As described above, when the energy release rate is significantly lower than the fracture toughness value (for example, when the energy release rate is smaller than the fracture toughness value by a certain deviation ΔG), the strength is slightly reduced. However, since the progress of cracks can be suppressed, the design conditions can be changed within such a range. In changing the design conditions in the direction of decreasing the strength, the plate thickness can be reduced, the panel length can be increased, and the taper angle can be increased. If the plate thickness is reduced, the weight can be reduced. As the panel length increases, the number of segments in the longitudinal direction can be reduced. When the taper angle is increased, the size of the taper portion in the longitudinal direction is reduced, and the taper portion can be manufactured relatively easily. Of course, it is possible to reduce the panel length or taper angle while reducing the plate thickness.
逆に、エネルギー解放率が破壊靱性値と等しい場合には、強度を向上させなければ亀裂が進展する可能性がある。よって、強度を向上させるべく、パネル長を短くしたり、テーパ角度を小さくしたりすることができる。強度を向上させるために、板厚を大きくしたり、板金組立のセミモノコック構造のように強度部材を追加するという選択肢に直ぐに頼る必要がなく、重量が大きくなるのをなるべく避けながら強度を向上させることができる。 Conversely, when the energy release rate is equal to the fracture toughness value, cracks may develop unless the strength is improved. Therefore, the panel length can be shortened or the taper angle can be reduced in order to improve the strength. In order to improve strength, there is no need to immediately depend on the option of increasing the plate thickness or adding a strength member like the semi-monocoque structure of sheet metal assembly, and improving the strength while avoiding the increase in weight as much as possible be able to.
以上のような手順を踏んだ結果として、前述したように、パネル長Lを1000〜1300mmに設定し、長手方向連結構造10Lのテーパ角度θLを10〜30度、好ましくは15度付近に設定し、円周方向連結構造10Cのテーパ角度θCを10〜30度、好ましくは長手方向連結構造のテーパ角度θL付近である15度付近に設定すると、必要な強度が確保されるようになり、テーパ部連結構造における破壊をなるべく遅らせることと、航空機胴体1の全体としての重量をなるべく低減することとを両立させることが可能になる。
As a result of following the above procedure, as described above, the panel length L is set to 1000 to 1300 mm, and the taper angle θL of the longitudinal connecting
[変形例]
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
[Modification]
From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
例えば、荷重条件として、与圧荷重を考慮したが、その他の空力荷重が考慮されてもよい。また、設計条件を1パターン設定した後、実用に供するにあたって想定される2パターン以上の荷重条件を設定し、当該1パターンの設計条件下において、各荷重条件下での評価パラメータを算出するようにし、算出された全ての評価パラメータを評価閾値と比較するようにしてもよい。 For example, the pressurized load is considered as the load condition, but other aerodynamic loads may be considered. In addition, after setting one design condition, set two or more load conditions assumed for practical use, and calculate the evaluation parameters under each load condition under the design condition of the one pattern. All calculated evaluation parameters may be compared with an evaluation threshold value.
また、上記実施形態では、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合体構造体が円筒状であったが、平板状、直方体状など、その他の形状であってもよい。また、複合体構造体が小型旅客機用の航空機胴体に適用されているが、その他の用途の航空機胴体に適用されてもよいし、高速鉄道車両の先頭部構造等にも好適に適用することができる。 Moreover, in the said embodiment, although the composite structure comprised by the foam core sandwich panel which has a taper part was cylindrical shape, other shapes, such as flat form and a rectangular parallelepiped shape, may be sufficient. In addition, the composite structure is applied to an aircraft fuselage for a small passenger aircraft. However, the composite structure may be applied to an aircraft fuselage for other purposes, and may be suitably applied to the top structure of a high-speed railway vehicle. it can.
また、上記実施形態では、発泡コアサンドイッチパネルの縁部にのみテーパ部を設け、テーパ部連結構造が、2つの発泡コアサンドイッチパネルを結合する継手として機能している。しかし、単一の発泡コアサンドイッチパネル内に互いに対向する一対のテーパ部が設けられていてもよい。この場合、テーパ部連結構造は、単一の発泡コアサンドイッチパネルに含まれる部位であって、一対のテーパ部を当該発泡コアサンドイッチパネル内で連続させる部位として機能する。このようなテーパ部連結構造についても、上記実施形態に係る強度評価方法を行うことによって設計の最適化を図ることができる。 Moreover, in the said embodiment, a taper part is provided only in the edge part of the foam core sandwich panel, and the taper part connection structure functions as a joint which couple | bonds two foam core sandwich panels. However, a pair of taper portions facing each other may be provided in a single foam core sandwich panel. In this case, a taper part connection structure functions as a part contained in a single foam core sandwich panel, and makes a pair of taper parts continue in the foam core sandwich panel. With regard to such a tapered portion connection structure, the design can be optimized by performing the strength evaluation method according to the embodiment.
本発明は、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合材構造体を提供するに際し、当該複合材構造体に適用されたテーパ部連結構造の強度を適正に評価することができ、それにより、テーパ部連結構造、発泡コアサンドイッチパネル、複合材構造体及び航空機胴体の設計を最適化することができるという顕著な作用効果を奏し、テーパ部を有する発泡コアサンドイッチパネルで構成される複合材構造体に適用すると有益である。 When the present invention provides a composite structure comprising a foam core sandwich panel having a taper portion, the strength of the taper portion connection structure applied to the composite structure can be appropriately evaluated. The composite material composed of the foam core sandwich panel having the taper portion, which has a remarkable effect of being able to optimize the design of the taper portion connection structure, the foam core sandwich panel, the composite material structure, and the aircraft fuselage. It is beneficial to apply it to structures.
1 航空機胴体(複合材構造体)
2 セグメント(発泡コアサンドイッチパネル)
3 コア
4,5 面板
6 テーパ部
7 テーパ面
8 尖端部
9 積層面板部
10 テーパ部連結構造
10C 円周方向連結構造
10L 長手方向連結構造
11 凹部
12 スプライス板
13 ファスナ
1 Aircraft fuselage (composite structure)
2 segments (foamed core sandwich panel)
3
Claims (18)
前記テーパ部連結構造における初期破壊及びその発生部位を特定する破壊特定ステップと、
特定された初期破壊に応じて、前記テーパ部連結構造の強度を評価するための評価パラメータを選定するパラメータ特定ステップと、
前記テーパ部連結構造の設計条件及び荷重条件を設定する条件設定ステップと、
設定された設計条件及び荷重条件下において、特定された初期破壊の発生部位に対し、選定された評価パラメータを算出するパラメータ算出ステップと、
算出された評価パラメータを所定の評価閾値と比較する比較ステップと、を有する、複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法。 A method for evaluating the strength of a taper connection structure applied to a composite structure composed of a foam core sandwich panel having a taper, and connecting a pair of tapers facing each other,
Destructive identification step for identifying the initial fracture in the tapered portion connecting structure and its occurrence site;
A parameter specifying step for selecting an evaluation parameter for evaluating the strength of the tapered portion connecting structure according to the specified initial fracture;
A condition setting step for setting a design condition and a load condition of the tapered portion connecting structure;
A parameter calculation step for calculating a selected evaluation parameter for the identified initial fracture occurrence site under the set design conditions and load conditions;
A comparison step of comparing the calculated evaluation parameter with a predetermined evaluation threshold value, and a strength evaluation method of the tapered portion connection structure of the composite structure.
前記設計条件が、前記長手方向に隣接した前記テーパ部連結構造間、又は、前記テーパ部連結構造と前記複合材構造体の前記長手方向の端部との間の長さを含む、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法。 The pair of taper portions are opposed to the longitudinal direction of the composite structure, and the taper portion connection structure connects the pair of taper portions in the longitudinal direction.
The design condition includes a length between the taper portion connecting structures adjacent to each other in the longitudinal direction, or a length between the taper portion connecting structure and an end portion in the longitudinal direction of the composite structure. The strength evaluation method of the taper part connection structure of the composite material structure according to any one of claims 1 to 4.
前記設計条件が、前記複合材構造体の半径を含む、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法。 The composite material structure is cylindrical, the pair of taper portions are opposed to each other in the circumferential direction of the composite material structure, and the taper portion connection structure connects the pair of taper portions in the circumferential direction. And
The strength evaluation method for a tapered portion connection structure of a composite material structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the design condition includes a radius of the composite material structure.
前記荷重条件が、前記与圧荷重に基づく前記長手方向の引張り荷重と、前記航空機胴体の内面に付与される与圧荷重とを含む、請求項7に記載の複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法。 The pair of taper portions are opposed to the longitudinal direction of the aircraft fuselage, the taper portion connection structure connects the pair of taper portions in the longitudinal direction,
The taper part connection structure of the composite material structure according to claim 7, wherein the load condition includes the longitudinal tensile load based on the pressurized load and a pressurized load applied to an inner surface of the aircraft fuselage. Strength evaluation method.
前記荷重条件が、前記与圧荷重に基づく前記円周方向の引張り荷重を含む、請求項7に記載の複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法。 The pair of taper portions oppose each other in a circumferential direction of the aircraft fuselage, and the taper portion connection structure connects the pair of taper portions in the circumferential direction;
The strength evaluation method for a taper portion connection structure of a composite material structure according to claim 7, wherein the load condition includes a tensile load in the circumferential direction based on the pressurized load.
前記条件再設定ステップの後に、前記パラメータ算出ステップ及び前記比較ステップが再試行される、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の複合材構造体のテーパ部連結構造の強度評価方法。 Further comprising a condition resetting step for changing the design condition based on the comparison result in the comparison step;
10. The strength evaluation method for a tapered portion connection structure of a composite structure according to claim 1, wherein the parameter calculation step and the comparison step are retried after the condition resetting step. 11.
前記一対のテーパ部が、前記複合材構造体の長手方向に対向しており、
前記テーパ部のテーパ角をθLとした場合、10度≦θL≦15度である、複合材構造体のテーパ部連結構造。 Applied to a composite material structure composed of a foam core sandwich panel having a taper portion, a taper portion connection structure for connecting a pair of taper portions facing each other,
The pair of taper portions are opposed to the longitudinal direction of the composite structure,
A taper portion connecting structure of a composite structure, wherein 10 ° ≦ θL ≦ 15 °, where the taper angle of the taper portion is θL.
前記一対のテーパ部が前記複合材構造体の円周方向に対向しており、
前記テーパ部のテーパ角度をθCとした場合、10度≦θC<30度である、複合材構造体のテーパ部連結構造。 It is applied to a cylindrical composite structure composed of a foam core sandwich panel having a taper part, and is a taper part connection structure for connecting a pair of taper parts facing each other,
The pair of taper portions are opposed to the circumferential direction of the composite structure,
A taper portion connection structure of a composite structure, wherein 10 ° ≦ θC <30 °, where the taper angle of the taper portion is θC.
長手方向に対向する一対のテーパ部を連結する長手方向連結構造と、
円周方向に対向する一対のテーパ部を連結する円周方向連結構造と、を備え、
前記長手方向連結構造における前記テーパ部のテーパ角度が、前記円周方向連結構造における前記テーパ部のテーパ角度付近である、複合材構造体。 A cylindrical composite structure composed of a foam core sandwich panel having a tapered portion,
A longitudinal connection structure that connects a pair of tapered portions opposed to each other in the longitudinal direction;
A circumferential connection structure that connects a pair of tapered portions facing in the circumferential direction, and
The composite material structure, wherein a taper angle of the taper portion in the longitudinal connection structure is in the vicinity of a taper angle of the taper portion in the circumferential connection structure.
前記継手は、前記2つの発泡コアサンドイッチパネルの外縁部それぞれに形成されたテーパ部同士を互いに結合する、請求項15に記載の複合材構造体。 At least one of the longitudinal connection structure and the circumferential connection structure forms a joint of two separate foam core sandwich panels,
The composite structure according to claim 15, wherein the joint joins the tapered portions formed on the respective outer edges of the two foam core sandwich panels.
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