JP2013527812A - 複合材構造部材 - Google Patents

Abstract

複合材構造部材（１）の製造方法は、繊維強化ラミネート層の積層体（１２）を積層するステップを含み、層のうちの少なくとも一つは別個の第１層部分（１３）と第２層部分（１４）として積層され、第２部分（１４）の繊維は第１部分（１３）の繊維とは異なる特性を有する。また、本発明に従って製造された複合材構造部材（１）が提供される。

Description

本発明は、複合材構造部材の製造方法に関し、且つ、そのように形成された複合材構造部材に関する。

多くの構造体では、座屈安定性を改善すべく、パネルに強化構造部材が取り付けられてきた。航空機では、スキンパネル（例えばウイングカバー）が強化構造部材（例えばストリンガ）を有しうる。強化構造部材は、様々な障害物と交わり、このため、「ランアウト（run-out）」又は終端される必要がある。強化部材と強化されるスキンパネルとの間のランアウト領域における荷重の伝達の問題が公知である。典型的には、接着線（bond line）が、ストリンガフランジをスキンに取り付けるのに使用され、荷重をスキンに伝達すべくボルト留めと併せて使用されてもよい。

従来の金属ストリンガは既定の断面（例えば「Ｉ」、「Ｔ」、「Ｌ」）から終端部の平坦な延在フランジに機械加工されることができる。ストリンガは、横方向の曲げ剛性及び軸線方向の剛性を徐々に減少させることによって荷重伝達を促進すべく、初めのウェブテーパー部（initial web taper）（すなわち小さなウェブ高さ）を有しうる。スキンが面内荷重の偏心によって曲げられるとき、取り付けられた平坦な延在フランジによって、ストリンガの先端はスキンにより追従するようになる。ランアウトにおいて、スキンにより近いストリンガの中立軸線（neutral axis）を下げて著しく小さな断面積及び断面二次モーメントによってストリンガの剛性を徐々に低下させることの効果は、接着及び／又はボルト留めを介して荷重を徐々に伝達することである。

複合材のストリンガは中央のウェブ区域において背中合わせの接合部を通常含むが、これらは、荷重時のウェブの亀裂を防止すべく最小の取付高さがヌードル（noodle）（接合部の割れ目における繊維フィルタ）の上に残されなければならないので、この理想的な形態においてランアウトされることができない。このため、このことは中立軸線を下げることと断面積の減少とを制限する。結果として、ストリンガの終端領域における幾何学的なテーパー形状ひいては荷重伝達は比較的急になりがちであり、曲げ時のスキンへの追従性が低い。

スキンへの強化部材の接着又は共硬化は、高い接着線剛性と取り付けられたフランジの終端位置におけるピークせん断荷重とのために、この状況を悪化させる。また、これら接着された接合部は剥離損傷の影響を受けやすい傾向にある。これら要因は、これら領域において時期尚早な亀裂、剥離及び剥がれの成長を引き起こすことに寄与する。このことは、複合材パネルにおいて、強化部材とスキンとの間に剛性の著しい不整合がある場合、より深刻である。共硬化／共接着構造の利点も守る、可能性のある重量を実現すべく、斯かる問題を克服することが重要である。

複合材「Ｔ」ストリンガについて典型的なランアウトは、残部の高さが背中合わせのウェブ区域間に適切な接着範囲を確保するのに十分な高さになるまで、ウェブ区域の角度が付けられたテーパー部を具備する。この幾何学的なテーパー部がストリンガをその所望の位置で終端させるのに十分ではないことがあるので、所望の終端位置の内側の別の構造部材（例えば航空機のウイングリブ）が、荷重伝達によって亀裂の開始／剥がれをより効率的に遅らせることを補助するのに使用されてもよい。この早い終端の結果、スキンの厚みはストリンガのランアウトの結果として増大されなければならず、このことは重量の不利益を生じさせる。さらに、追加の支持構造部材が、新しい荷重の原因となる変更を必要とすることがあり、ランアウト領域の修理がより複雑になる。

ストリンガの終端領域において更なる幾何学的な変更が可能であるが、これら変更は、関連した治具（tooling）、許容性（tolerance）及び製造の複雑さを有する。このため、複合材のストリンガを幾何学的な変更無しで終端領域においてより弾性的にすることが望ましい。加えて又は代替的に、ランアウト領域の内側の一つ以上の位置においてストリンガをより弾性的にすることが望ましい。より一般的には、任意の複合材構造部材の所定の領域を幾何学的な変更無しでより弾性的にすることが望ましい。

本発明の第１態様では、複合材構造部材の製造方法であって、繊維強化ラミネート層の積層体（stack of fibre reinforced laminate plies）を積層するステップを含み、層のうちの少なくとも一つが別個の第１層部分と第２層部分として積層され、第２部分の繊維が第１部分の繊維とは異なる特性を有し、第２部分が構造部材の縁まで延在し、第１部分が縁の内側に配置される、複合材構造部材の製造方法が提供される。

本発明の更なる態様では、第１態様の方法に従って製造された複合材構造部材が提供される。

本発明は、層の一部又は一群の層が、異なる繊維特性を有する層部分に置換されることにおいて有利である。置換部を含む層は積層体における連続した層の間に提供されうる。繊維の特性は、繊維の弾性率、方向及び／又は材料でありうる。例えば、０°の方向を有する層が、構造部材の置換された領域において軸線方向の剛性を有利に低下させるように、±４５°の繊維を含む置換された部分を有する。代替的に、置換された層部分は、置換された領域において軸線方向の剛性を低くするという効果と同じ効果を得るべく、層の残部の弾性率よりも低い弾性率を有するが層の残部と同じ方向の繊維を有してもよい。第１層部分及び第２層部分は同じ材料（例えば一方の部分については中間弾性率（ＩＭＳ）炭素、他方の部分については高引張強度（ＨＴＳ）炭素）の繊維を有してもよく、又は層部分は、置換された領域において軸線方向の剛性の低下を実現するように、異なる材料（例えば炭素とガラス）の繊維を有してもよい。

好ましくは、第１部分及び第２部分の層は製造の容易さのために同じ厚みを有する。しかしながら、第１部分の個々の層と第２部分の個々の層との間の厚みの差に適応するように、一群の近接層が異なる数の一群の層で置換されてもよいことが考えられる。例えば、局所的な厚み変動が生じないように、０．１２５ｍｍ厚の四つの層が第１領域において提供され、０．２５ｍｍ厚の二つの層が第２領域において提供されてもよい。

第１部分及び２部分の近接縁が、局所的な厚み変動が存在しないことを確実なものとすることを補助するように隣接していてもよい。しかしながら、ラミネートにおける効率的な荷重伝達は、第１部分及び第２部分の重なる近接縁によって実現されうる。重なる距離は、簡易化された治具要求を実現するのに必要とされる場合、局所的な厚み変化への影響を最小にするように制御されることができる。

好ましくは、層は、少なくとも部分的に自動層堆積技術を使用して積層される。例えば、自動テープ載置機（ＡＴＬ）又は自動繊維設置機が構造部材の層の大部分を積層するのに使用されてもよい。置換される層を手作業によって積層することが費用効率がより高いことがある。しかしながら、積層全体が自動化されうることが考えられる。例えば、置換される層部分が積層における別の層と同じ繊維テープを具備する場合、この置換を行うための自動プロセスをプログラムすることは困難ではない。

特に自動化された積層の場合、第１層部分及び第２層部分がそれぞれ一方向繊維を具備することは有利でありうる。しかしながら、第１部分及び／又は第２部分について、いわゆる織物又は混合繊維の層の使用が制限されることはない。

好ましくは、第１部分及び第２部分は、積層体における次の層を積層する前に連続して積層される。しかしながら、一群の層が置換される場合、群における全ての第２層部分を積層する前又は積層した後に群における全ての第１層部分を積層することが好ましい場合がある。

第２部分は構造部材の縁まで延在し、第１部分は縁の内側に配置される。構造部材がストリンガである場合、層はランアウト領域において置換されうる。一つの実施形態では、ストリンガがストリンガの残部と比較してランアウト領域における軸線方向の低い剛性を有するように、実質的にストリンガの長手方向に向けられた繊維を有する一つ以上の層が、異なる特性を有する繊維でランアウト領域において置換された部分を有する。構造部材が、マンホールの切欠き部を有するパネルである場合、例えば、層は、切欠き部に近接した領域において置換される。一つの実施形態では、望ましくは、パネルは、切欠き部の内側の高い剛性と切欠き部に近接した領域における低い剛性、ひいては改善された損傷許容性を有する。

層の置換はラミネート積層体を通じて複数の層又は一群の層について繰り返されうる。置換による任意の局所的な厚み変動又は荷重伝達の低下が構造部材の一つの領域に集中しないように、第１層部分と第２層部分との間の移行部は積層体の厚み方向に亘ってずらして配置されてもよい。

図１ａは、パネルに固定されたストリンガの終端部の断面図を示す。 図１ｂは、パネルに固定されたストリンガの終端部の断面図を示す。 図２ａは、複数の複合材構成要素からストリンガを形成する方法を示す。 図２ｂは、複数の複合材構成要素からストリンガを形成する方法を示す。 図２ｃは、複数の複合材構成要素からストリンガを形成する方法を示す。 図２ｄは、複数の複合材構成要素からストリンガを形成する方法を示す。 図２ｅは、複数の複合材構成要素からストリンガを形成する方法を示す。 図３は、ストリンガの構成要素のうちの一つについてラミネート積層体を示し、図３では、層のうちの一つがその外側端部において置換される部分を有する。 図４は、置換された層を詳細に示す。 図５は、パネルに固定されたストリンガのフランジを通した断面図を示す。 図６は、隣接する置換された層部分を示す、図５の詳細Ｃの第１の例を示す。 図７は、重なる置換された層部分を示す、詳細Ｃの第２の例を示す。 図８は、異なる数の層で置換された複数の層を示す、詳細Ｃの第３の例を示す。 図９は、ａ）置換された層部分への緩やかな移行と、ｂ）置換された層部分への瞬間的な移行と、ｃ）置換された層部分への段付きの移行とを示す。 図１０は従来技術の航空機のウイングボックスの部分切取り図を示し、図１０では、理想的なストリンガの終端位置（破線）と、厚くされたスキンに付随した強要されたストリンガの終端位置とが示される。 図１１は本発明に係る変更されたストリンガの第１の例を含む航空機のウイングボックスの部分切取り図を示し、終端部において剛性を限定的に低下させるための層置換の導入部を破線が示す。 図１２は本発明に係る変更されたストリンガの第２の例を含む航空機のウイングボックスの部分切取り図を示し、終端部において剛性を著しく低下させるための様々な層置換の導入部を破線が示す。 図１３は本発明に係る変更されたウイングカバーを含む航空機のウイングボックスの部分切取り図を示し、ウイングカバーの縁において限定的に剛性を低下させるための層置換の導入部をマンホールカバーの周りの破線が示す。

以下、本発明の実施形態が添付の図面を参照して記述される。図１ａ及び図１ｂは、一組の「Ｌ」断面部材２、３とベース積層体４と中央積層体５とを具備する「Ｔ」断面の複合材ストリンガ１を示す。図１ｂは図１ａにおけるＡ−Ａに沿った断面図を示し、図１ａは図１ｂにおけるＢ−Ｂに沿った断面図を示す。

ストリンガ１は接着線９と従来型の一連の締結具１０とによってラミネート複合材パネル８に取り付けられる。接合線９及び締結具１０は、ストリンガの終端部における荷重をパネル８に伝達することを補助する。ストリンガ構成要素２、３、４、５の各々は、以下により詳細に記述されるように、複合材構造層のラミネート積層体を具備する。「Ｌ」断面構成要素２、３の限定的な曲げ半径によって、図１ｂにおいて最もよく見られるように、ヌードル（noodle）１１が背中合わせの「Ｌ」断面２、３と中央積層体５との間の割れ目に設けられる。ヌードル１１は繊維フィルタ材料を含む。

図１ａ及び図１ｂに示されるストリンガ１はベース積層体４及び中央積層体５を含むが、これら構成要素が採用随意であり、代替的に「Ｔ」断面ストリンガが背中合わせの「Ｌ」断面構成要素２、３のみを有して形成されてもよく、又は中央積層体５とベース積層体４とのうちの一つが省かれてもよいことが当業者によって理解されるだろう。本明細書で記述される特定の実施形態は「Ｔ」断面ストリンガに関するが、本発明の同一の原理が例えば「Ｉ」断面及び「Ｌ」断面のような他の断面のストリンガにも同様に適用されることにも留意すべきである。

ストリンガ１は、背中合わせの「Ｌ」断面２、３、中央積層体５及びベース積層体４について、別々の積層体を積層することによって所要の仕様に製造される。図２ａは構造層のラミネート積層体１２のサンプルを示す。平面状のラミネート積層体がベース積層体４及び中央積層体５の各々を形成するのに必要とされる。更なる平面状のラミネート積層体が「Ｌ」部２、３の各々を形成するのに必要とされる。図２ｂ及び図２ｃに示されるように、「Ｌ」部は、折り目Ｆに沿ってラミネート積層体１２を折り曲げることによって形成される。四つのストリンガ構成要素２、３、４、５は、その後、図２ｄに示されるように組み立てられ、図２ｅに示されるようにストリンガ１を形成すべく硬化せしめられる。

積層体１２は自動層堆積技術を使用して構築されうる。例えば、自動テープ載置機（ＡＴＬ）又は自動繊維設置機が使用されてもよい。しかしながら、積層体１２は手作業で同様に積層されてもよい。

層積層体１２は、図３においてより明確に示され、様々な繊維方向の一方向繊維層を含む。積層体１２の各層について、繊維方向は図３において見られることができる。示される方向は０°、±４５°及び９０°の層を含むが、これらは単なる模範例であり、実際には適切な任意の方向が選択されうる。留意すべき重要なことは、層「Ｓ」が置換される部分を含むことである。

層Ｓは、図４においてより詳細に示され、０°方向を有する一方向繊維の第１部分１３を含む。すなわち、０°繊維はストリンガの長手方向に整列される。層Ｓは、ストリンガのランアウト部に配設された第２部分１４も含む。実際には、０°層Ｓの一部が、異なる繊維特性を有する層部分１４で置換された。図４では、置換された層部分１４は、層Ｓの残部に対して異なる方向の繊維を含む。実際、図４に示される第２部分１４は±４５°の層方向を有する。ストリンガの終端部において０°層を中断させて、異なる繊維方向を有する第２層部分１４に置換することによって、ストリンガの軸線方向の剛性がストリンガの終端部において低下する。この例における層部分１４は、その方向を除いた全ての点において、層部分１３と同一の特性を有する。例えば、層部分１３、１４は、両方とも、同じラミネート厚の中間弾性率カーボンエポキシ（intermediate modulus carbon-epoxy）のような実質的に同一の一方向繊維強化複合材料を具備しうる。

この例では、０°層がストリンガの軸線方向の剛性に最も寄与するので、ストリンガの終端部において、０°層が置換された部分を含むように選択された。この置換によって、導入される±４５°の層部分１４がストリンガの軸線方向において剛性がより低いので、ストリンガの終端部におけるストリンガの軸線方向の剛性が低下しうる。さらに、±４５°の層への置換によって、変更されてないストリンガと比較したとき、ストリンガの終端部における改善された支圧強度及び捻り剛性という追加の利点が提供される。層部分１４が層部分１３と同じ厚みを有するので、層の積層体１２を通じて厚みの変動がなく又は最小である。

図５は、パネル８に接着されたストリンガ１のフランジ７を通した断面図を示す。図５から見られるように、直立ウェブ６は、ストリンガの終端部において幾何学的なウェブテーパーを形成すべく、ストリンガ１及びパネル８を硬化させた後に切断された。図５において「詳細Ｃ」の記号が付された範囲について、三つの代替的な層置換積層（ply substitution lay up）が図６〜図８に示される。この範囲はストリンガ１のフランジ７の層積層体の上半分を覆う。積層体の下半分は基本的に積層体の上半分の鏡面Ｍ周りの鏡像である。

最初に図６に注意を向けると一つの実施形態が示され、この実施形態では、交換層Ｒが、部分的に置換された０°層の残部と面内で隣接する関係において構成される。図６に示される実施形態では、二つの０°層が、隣接する交換層Ｒで部分的に置換される。層の記号が図５の右上の角に示される。図６から見られるように、ストリンガのランアウト部は、軸線方向の剛性が漸進的に減少する領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩを有する。領域Ｉでは、層は、ストリンガの残部、すなわちランアウト部の内側と同じである。領域ＩＩでは、０°層のうちの一つが交換層Ｒで部分的に置換される。領域ＩＩＩでは、０°層のうちの二つが交換層Ｒで部分的に置換された。交換層Ｒは、置換された０°層部分よりもストリンガの長手方向において低い弾性率を有する。このようにして、ストリンガの軸線方向の剛性はランアウト部に向かって漸進的に低下する。

図７は代替的な実施形態を示し、この実施形態では、０°層のうちの二つが、縁が重なる態様で構成された交換層Ｒで部分的に置換された。領域Ｉと領域ＩＩとの間の境界において、０°層のうちの一つが終端され、交換層Ｒの縁は、残りの０°層部分に重なる小さな領域を有する。同様に、領域ＩＩと領域ＩＩＩとの間の境界において、別の０°層が終端され、交換層Ｒの縁は、残りの０°層部分に重なる小さな領域を有する。このことによって、図６の実施形態と同様な態様において、軸線方向の剛性が徐々に減少するようになる。図６と図７との間の差は、図７では重なる交換層Ｒによって層が置換され、このため領域Ｉと領域ＩＩとの間の境界及び領域ＩＩと領域ＩＩＩとの間の境界において層積層体の全体的な厚みにおいて小さな局所的な変動があるということだけである。

図７に示された重なる層置換は、図６に示された隣接する置換よりもラミネートにおけるより効率的な荷重伝達という利点を有するが、隣接する解決策によって与えられる積層体の一様な厚みは、簡易化された治具に関して利点を有する。治具要求への影響を低減すべく、図７の実施形態において層置換が生じる箇所の重なる距離は局所的な厚み変化を最小にするように制御されうる。層の複数の置換が層積層体に亘ってずらして配置されれば、ストリンガの軸線方向の剛性がランアウト部に向かって徐々に低下するだけでなく、このことは局所的な厚み変化を最小にすることも補助する。

図５における「詳細Ｃ」の層積層体の積層の更なる代替的な実施形態が図８に示される。図８から見られるように、層の置換は隣接する構成を形成し、図６に示される構成と同様に局所的な厚み変動はほとんど存在しない。しかしながら、図８に示される層積層体の積層は、０°層のうちの二つが、領域Ｉと領域ＩＩとの間の境界において終端されて、交換層Ｒで置換される個々の０°層の約２倍の厚みを有する交換層Ｒによって置換される点で、図６に示されたものとは異なる。

積層体における層の各々がほぼ同じ層厚を有することが好ましいが、同じ層厚を有する異なる組成の物資を調達することが常に可能ではないことが当業者によって理解されるだろう。加えて、いくつかの状況では、異なる層厚を有する交換層を提供することが望ましい場合もある。図８に示された実施形態では、交換層部分は、ストリンガの長手方向において、交換される０°層部分よりも低い弾性率を有する。このようにして、ストリンガの終端部は、ストリンガの終端部の内側のストリンガの残部よりも低い軸線方向の剛性を有することができる。当然のことながら、図７に描写された重なる構成と同様の態様において、重なる構成で交換層Ｒを提供することが可能である。図８では、置換は、二つの層と、交換される個々の層の約二倍の厚みを有する交換層との間でなされるが、他の様々な組合せが可能であることが当業者によって理解されるだろう。例えば、０．１２５ｍｍ厚の四つの層が領域Ｉに設けられ、０．２５ｍｍ厚の二つの交換層が領域ＩＩに設けられてもよい。

図４に戻ると、置換される層Ｓの平面図が矢印Ａの上に見られる。この図は図９ａ）において再現される。図９ａ）において最もよく見られるように、第１の０°層部分１３は０°層の繊維方向に対して斜めの線で終端する。第２の交換層部分１４は第１の層部分１３の終端部と隣接する関係で構成される。斜めの線に沿った層置換によって、層部分１３と層部分１４との間の効率的な荷重伝達のために、層部分１３と層部分１４との間の緩やかな移行が提供される。しかしながら、図９ｂ）及び図９ｃ）に示されるように、他の構成が提供されてもよいことが理解されるであろう。

図９ｂ）では、層部分１３’と層部分１４’とが、０°層部分１３’の繊維方向に対してほぼ直角の線に沿って隣接する。図９ｂ）に示された構成は、荷重伝達の観点から効率が低いだろうが、特に層積層体が自動層堆積技術を使用して自動的に積層されるとき、製造の容易さに関して明白な利点を有する。図９ｃ）に示される構成は、自動製造の容易さと、層部分１３”と層部分１４”との間の緩やかな荷重伝達との間の妥協案を提供する。図９ｃ）に示されるように、層置換は段付きの領域に沿って生じる。層部分１３”及び層部分１４”の真っ直ぐな切断縁は０°層部分１３”の繊維方向に対して概して垂直である。テープ載置機を使用して層が自動的に積層されると、移行部における段の数は、層の積層に必要とされるテープ幅の数と一致し又はテープ幅の数の整数倍でありうる。

本発明の好ましい実施形態では、ストリンガに適用されるように、一つ以上の０°層（すなわちストリンガの長手方向に向けられた繊維を有する層）がストリンガの終端部において置換される。様々な可能性が交換層について存在する。例えば、０°方向の層又は０°に近い方向の層のいくつか若しくは全てが、同じ層厚を有するが一軸繊維の異なる方向を有する同一の材料の交換層によって置換されてもよい。このアプローチの利点には、許容可能なリザーブファクタ（reserve factor）を改善するための局所的なパッドアップ（pad up）についての要求を取り除き、このため重量の節約を実現できる、±・°層の導入によって改善された支圧強度と、より簡易的な治具要求を提供する、層積層体に亘って変動しない厚み又は最小の厚み変動と、改善された捻り剛性とが含まれる。

代替的に、０°方向の層の又は０°に近い方向の層のいくつか若しくは全てが、より低い弾性率の繊維を有する層部分に置換された層部分を有してもよい。層厚、繊維方向、繊維材料及び樹脂マトリックス材料は元の層のものと同一でありうる。しかしながら、低い弾性率の繊維を有する交換層を提供することによって、ストリンガの軸線方向の剛性はストリンガの終端部で低下しうる。例えば、０°層は中間弾性率炭素（ＩＭＳ）から形成されてもよく、交換層部分は、低い剛性を有する高引張強度（ＨＴＳ）の炭素繊維から形成されてもよい。低い弾性率の層部分の置換によって、より簡易的な治具要求をもたらす変動しない厚み又は最小の厚み変動と、理想的な樹脂が使用される場合の、同様な層特性による（硬化中の）限定的な熱的効果という利点が提供される。加えて、より低い弾性率の交換層は異なる方向の交換層であってもよい。交換層が異なる方向の交換層である場合、更なる利点には、許容可能なリザーブファクタを改善するための局所的なパッドアップについての要求を取り除くことができる、±・°層の改善された支圧強度と、繊維の弾性率及び方向の変化による剛性特性の制御と、±・°層の使用に伴う改善された捻り剛性とが含まれうる。加えて、交換層が異なる材料の積層体から成るので、所要の場合、異なる硬化層厚（cure ply thickness）を使用することによって、ストリンガの終端部において厚み変動を設計できる可能性がある。

更なる実施形態において、交換層は異なる材料の繊維を含んでもよい。例えば、ストリンガのベースライン（すなわち終端部の内側）が炭素繊維強化層を含み、一方、交換層部分がガラス繊維を含んでもよい。ガラス繊維は、異なる方向、すなわち±・°のガラス繊維であってもよい。上述された利点に加えて、交換層部分におけるガラス繊維の使用は、改善された損傷許容性、改善された落雷特性、容易な機械加工、及びストリンガの終端部における剛性の著しい低下をもたらすことができる。炭素繊維と比較されたガラス繊維の著しい剛性の低下のために、所定の用途において、別の繊維方向についての要求を無くし、代わりに、より簡易化された積層をもたらす織物のガラス繊維の層部分を使用することが可能である。ガラス繊維の層部分の積層が、特にこれらが織物であるとき、手作業の代わりに自動化された又は半自動化された炭素層の積層の間、手作業によってなされうることが予想される。

更なる代替的な実施形態では、交換層部分はアラミド繊維を含んでもよい。炭素層をアラミド繊維層で置換することは、詳細に上記されたようなガラス繊維層の置換に関連した利点と同様の利点を有する。

ストリンガの終端部において層の積層を変更する効果は、以下、図１０〜図１２を参照して詳細に記述される。図１０は、前スパー１０１、リブ１０２、下側ウイングカバーパネル（スキン）１０３、及び強化スティフナ（ストリンガ）１０４ａ、１０４ｂを含む従来技術の航空機のウイングボックス組立体１００を示す。ストリンガ１０４ａは、破線で示された部分を有する。これは、最適化されたストリンガのランアウト部又は終端部、すなわちウイング曲げ荷重のための位置を示す。しかしながら、リブ１０２をはるかに越えてウイングカバーベイ１０３ａ内にストリンガ１０４ａを終端させることは、ストリンガの終端部とカバーパネル１０３ａとの間の許容されないほど高い荷重伝達をもたらしうる。このことは、ウイングカバー１０３ａの剛性と終端位置における複合材ストリンガの剛性との間の著しい不整合に主に起因する。

前述されたように、複合材ストリンガの幾何学的なテーパーだけでは、ストリンガの終端部とウイングカバーとの間の剛性の所望の整合を実現するのに不十分である場合がある。結果として、完全な線で示された位置において又はリブ１０２をちょうど越えた位置においてストリンガ１０４ａを終端することが以前は必要であった。結果として、ウイングカバー１０３ａはストリンガ１０４ａによって不十分に支持され、このため、ウイングカバー１０３ａは、図１０におけるハッチングによって示されたように、ウイングカバー１０３の残部と比較して厚くされなければならない。この次善の解決策は重量の著しい不利益をもたらす。

以下、図１１に戻ると、前スパー２０１、リブ２０２、ウイングカバー（スキン）２０３及びストリンガ２０４を含む航空機のウイングボックス２００の一部が示され、ウイングボックス２００は本発明に係る複合構造部材である。図１１から見られるように、ストリンガの終端部は外側のリブ２０２の位置をはるかに越え、破線Ｔは、領域Ｉにおけるベースラインのストリンガと、異なる特性の置換された層を有する終端領域ＩＩにおける変更されたストリンガとの間の移行部を示す。領域ＩＩにおいて異なる特性を有するように層のうちの少なくともいくつかを変更することによって、ウイングカバー２０３の剛性により良く適合するようにランアウト部又は終端部においてストリンガの軸線方向の剛性を低下させることが可能である。このとき、ウイングカバー２０３はストリンガ２０４によって適切に支持され、このため、ウイングカバーの更なる剛性は必要とされない（すなわち、スキン厚の増加は必要とされない）。

いくつかの状況では、複数のリブベイを横切ってストリンガの終端部に向かってストリンガの軸線方向の剛性を徐々に低下させることが必要であり又は望ましい。図１２は、前スパー３０１、リブ３０２、下側ウイングカバー（スキン）３０３及びストリンガ３０５を有する航空機のウイングボックス３００の更なる実施形態を示し、ウイングボックス３００は本発明に係る複合材構造部材である。破線Ｔ_I、Ｔ_II、Ｔ_IIIは、軸線方向の剛性が漸進的に減少する様々なストリンガ領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶの間の移行部を示す。ストリンガ内の、軸線方向の剛性が減少する領域の数は局所荷重に依存し、概して、ベースラインのストリンガに掛かる荷重が高ければ高いほど、必要とされうる軸線方向の剛性が減少する領域の数は多くなる。

本発明は、上述された実施形態では、航空機のストリンガに適用されるように記述されてきたが、航空宇宙用途及び非航空宇宙用途における多様な構造部材に広く適用される。図１３は、前スパー４０１、リブ４０２、及び下側ウイングカバー（スキン）４０３を含む航空機のウイングボックス４００の一部を示す。ウイングカバー４０３では、パネル４０４を含むマンホールのインスペクションハッチ（inspection hatch）が形成される。ウイングカバー４０３はラミネート複合材層の積層体から形成される。マンホールパネル４０４の周りのウイングカバー４０３の縁は特に衝撃損傷を受けやすい。ウイングカバー４０３の大部分は、ストリンガのような最小の強化部材を用いて重量が最適化された解決策を提供するように、望ましくは最適に高い剛性を有する。しかしながら、ウイングカバー４０３の高い剛性によって、マンホールパネル４０４の周りのウイングカバー４０３の縁において、比較的低い損傷許容性がもたらされる。

航空機産業において採用された現行の解決策は、マンホールパネル４０４の周りのカバー４０３の縁において構造的な増強を提供することである。このことは、望まない重量の不利益をもたらす。本発明によれば、ウイングカバー４０３は、図１３の破線内に示される置換される領域４０３ａを有する。ウイングカバー４０３についてベースラインの積層体を作り上げる複合材構造層のうちの一つ以上が、領域４０３ａにおいて、ウイングカバー４０３の残部の特性とは異なる特性を有する層部分に置換される。望ましくは、置換される層部分はより高い強度及び低下した剛性を有し、このことは縁領域４０３ａにおけるパネルの損傷許容性を改善する。このようにして、マンホールパネル４０４のための切欠き部の周りで損傷許容性の要求を満たすことが可能となり、この領域におけるウイングカバー４０３の厚みの増加についての要求が低減される。このことによって重量が著しく節約される。

本発明は一つ以上の好ましい実施形態を参照して上述されてきたが、添付の特許請求の範囲において定義されたような本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更又は修正がなされうることが理解されるであろう。

Claims (15)

1. 複合材構造部材の製造方法であって、
   繊維強化ラミネート層の積層体を積層するステップを含み、前記層のうちの少なくとも一つが別個の第１層部分と第２層部分として積層され、該第２部分の繊維が前記第１部分の繊維とは異なる特性を有し、前記第２部分が前記構造部材の縁まで延在し、前記第１部分が前記縁の内側に配置される、複合材構造部材の製造方法。
2. 前記繊維の特性が、弾性率、方向及び材料を含むグループから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１部分及び第２部分の近接縁が隣接している、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１部分及び第２部分の近接縁が重なっている、請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記層が、少なくとも部分的に自動層堆積技術を使用して積層される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１部分及び第２部分がそれぞれ一方向繊維を具備する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第１部分及び第２部分が同様な厚みを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１部分及び第２部分が、前記積層体における次の層を積層する前に連続して積層される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記積層体における複数の前記層がそれぞれ前記別個の第１層部分及び第２層部分として積層される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１層部分と前記第２層部分との間の移行部が前記積層体の厚み方向に亘ってずらして配置される、請求項９に記載の方法。
11. 完成した積層体の厚みが全体を通じてほぼ一様である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法に従って製造された、複合材構造部材。
13. 請求項１２に記載の一つ以上の複合材構造部材を具備する、ストリンガ。
14. 前記第１層部分の繊維が実質的に当該ストリンガの長手方向に向けられる、請求項１３に記載のストリンガ。
15. 前記第２層部分が当該ストリンガの終端部に配置される、請求項１３又は１４に記載のストリンガ。

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