JP2015519222A - 傾斜ウェブ付きハット型スティフナーおよびその形成方法 - Google Patents

Abstract

傾斜ウェブ部（５２ａおよび５２ｂ）を備えるハット型スティフナー（５０）と、それを製造するための方法が開示される。ハット型スティフナーはキャップ（５６）を有する。ハット型スティフナーはさらに、キャップの両端部から延びる第１ウェブ（５２ａ）および第２ウェブ（５２ｂ）を有する。第１ウェブおよび第２ウェブは非直線状であり、かつ少なくとも１つの傾斜部（６４）を含む。ハット型スティフナーはさらに、第１ウェブのベース部から外方に延びる第１フランジ（８４ａ）および第２ウェブのベース部から外方に延びる第２フランジ（８４ｂ）を有する。【選択図】 図３Ａ

Description

本開示は、一般的に構造部品、および構造部品の製造に関し、さらに詳しくは、航空機で使用されるような補強パネル構造体を形成するのに使用されるハット型スティフナー構成および方法に関する。

複合材および金属製の構造体は多種多様な用途で使用される。航空機の建造では、複合材および金属は通常、胴体、翼、尾部領域、およびその他の航空機構成要素を形成するために使用される。例えば航空機胴体は、補強パネル構造体から形成することができ、当該補強パネル構造体は、複合材または金属から構成された外板パネル構造体を有し、当該外板パネル構造体は、その強度、剛性、および安定性が向上するようにストリンガのような補強要素を結合することができる。ストリンガは外板パネル構造体に接合しあるいは取り付けることができ、かつ様々な荷重を支持するように構成することができる。加えて航空機はストリンガのような補強要素を翼に組み込むことができ、そこでストリンガは、翼の上面および下面を形成するために、外板パネル構造体に結合することができる。

ストリンガのような補強要素は、多種多様な断面形状で提供される。例えばストリンガは、金属材または複数の複合材プライで構成され、かつハット型の形状を持つ断面を有するハット型スティフナーを備えることができる。ハット型スティフナーはキャップと、各々がキャップの両端部から延びる１対のウェブと、各々が各ウェブのベース部から外方に延びる１対のフランジとを有することができる。フランジは、ストリンガの外板パネル構造体への結合を容易にすることができる。

ハット型スティフナーにより強化されたような補強パネル構造体の設計は、ハット型スティフナーのウェブの安定性によって性能および／または重量効率が制限される。例えば、補強パネル構造体の曲げ剛性の向上を達成するため、ハット型スティフナーのキャップを外板パネル構造体からより遠くに離して偏位させることが有利であろう。しかし、キャップを支持するハット型スティフナーのウェブの高さが増大すると、座屈などによって不安定になる傾向がある。したがって、ハット型スティフナーのウェブ安定性は、ハット型スティフナーにより強化されたような補強パネル構造体の設計および最適化における制限要素となり得る。

ハット型スティフナーにより強化された補強パネル構造体を設計し、かつ大きさを決定するための方法およびシステムが存在する。例えば１つの公知の方法は、ハット型スティフナーのウェブの高さを制限することである。しかし、補強パネル構造体の屈曲効率は、ハット型スティフナーのウェブの相対的高さに関係している。したがって、ウェブの高さを制限することによって、潜在的屈曲効率を制限することになる。

ハット型スティフナーにより強化された補強パネル構造体を設計し、かつ大きさを決定するための別の公知の方法およびシステムは、ハット型スティフナー全体の厚さを増大すること、またはハット型スティフナーのウェブの厚さを増大することである。しかし、ハット型スティフナー全体の厚さまたはハット型スティフナーのウェブだけの厚さでも増大することは、座屈抵抗またはクリップリング抵抗(clippling resistance)を生成するための最も重量効率の高い方法ではないので、最終結果として、設計はかなりの強度余裕を有するが、安定余裕は最小または零になる。そのような設計は結果的に補強パネル構造体の全体的重量を増大させ、それは次に燃料コストの増大および乗物効率の低下をもたらす。

さらに、ハット型スティフナーにより強化された補強パネル構造体を設計しかつ大きさを決定するための別の公知の方法およびシステムは、キャップ角度すなわちキャップと各ウェブとの間に形成される角度を低減することであり、それは各ウェブの勾配を増大させる。そのようなキャップ角度を低減すると、補強パネル構造体の外板パネル構造体に対するキャップの特定の偏位を達成するために必要な各ウェブの長さも減少する。しかし、これは、キャップ角度が９０度に近づくと効果が薄れる。さらに、ウェブが急勾配になるにつれて、キャップと外板パネル構造体との間の剪断経路は損なわれ、それは次に、補強パネル構造体に剪断荷重が加えられた場合に、半径開口問題を導く。

したがって、当該分野では、公知の設計および方法より優れた利点をもたらす改善されたハット型スティフナーおよび方法が必要とされている。

改善されたハット型スティフナーおよび方法のこの必要性は満たすために、以下の詳細な説明で論じる通り、改善されたハット型スティフナーおよび方法の実施形態は、公知の設計および方法より著しく優れた利点を有する。

開示の実施形態では、ハット型スティフナーが提供される。ハット型スティフナーはキャップを備える。ハット型スティフナーはさらに、キャップの両端部から延びる第１ウェブおよび第２ウェブを備える。第１ウェブおよび第２ウェブは非直線状であり、少なくとも１つの傾斜部を含む。ハット型スティフナーはさらに、第１ウェブベース部から外方に延びる第１フランジと、第２ウェブベース部から外方に延びる第２フランジとを備える。

開示の別の実施形態では、航空機用のハット型補強パネル構造体が提供される。ハット型補強パネル構造体は外板パネル構造体を備える。ハット型補強パネル構造体はさらに、外板パネル構造体に装着されたハット型スティフナーを備える。ハット型スティフナーはキャップを含む。ハット型スティフナーはさらに、キャップの両端部から延びる第１ウェブおよび第２ウェブを含む。第１ウェブおよび第２ウェブは非直線状であり、少なくとも１つの傾斜部を含む。ハット型スティフナーはさらに、第１ウェブベース部から外方に延びる第１フランジと、第２ウェブベース部から外方に延びる第２フランジとを含む。

開示の別の実施形態では、傾斜ウェブを備える複合材料製の複合ハット型スティフナーを形成する方法が提供される。当該方法は、ハット型ツールの加工面に、ハット型ツールの実質的にハット型の断面形状を一体的に機械加工することを含む。ハット型の断面形状は、キャップと、キャップの両端部からそれぞれ延びる第１ウェブおよび第２ウェブであって、両方とも非直線状でありかつ少なくとも１つの傾斜部を含む第１ウェブおよび第２ウェブと、第１ウェブベース部から外方に延びる第１フランジおよび第２ウェブベース部から外方に延びる第２フランジとを含む。方法はさらに、ハット型ツールの加工面上に複合材プライを積層することによって、ハット型スティフナーを形成することを含む。ハット型スティフナーは、ハット型ツールの実質的ハット型断面形状と一致するハット型スティフナーの実質的ハット型断面形状を持つように形成される。方法はさらに、ハット型スティフナーのハット型スティフナーキャビティにマンドレルを挿入することを含む。方法はさらに、ハット型スティフナーを硬化させて、第１ウェブおよび第２ウェブの両方に少なくとも１つの傾斜部が形成された複合材料製のハット型スティフナーを形成することを含む。方法はさらに、ハット型ツールからハット型スティフナーを取り出すことを含む。

開示の別の実施形態では、金属材料から作られた傾斜ウェブ付きのハット型スティフナーを形成する方法が提供される。方法は、ハット型ツールの加工面に、ハット型ツールの実質的にハット型の断面形状を一体的に機械加工することを含む。ハット型断面形状は、キャップと、各々がキャップの両端部から延びる第１ウェブおよび第２ウェブであって、両方とも非直線状でありかつ少なくとも１つの傾斜部を含む第１ウェブおよび第２ウェブと、第１ウェブベース部から外方に延びる第１フランジおよび第２ウェブベース部から外方に延びる第２フランジとを含む。方法はさらに、ハット型ツールの加工面上で金属薄板を変形することによってハット型スティフナーを形成することを含む。ハット型スティフナーは、ハット型ツールの実質的ハット型断面形状と一致するハット型スティフナーの実質的ハット型断面形状を持つように形成され、ハット型スティフナーは金属材料製であり、第１ウェブおよび第２ウェブの両方に少なくとも１つの傾斜部が形成される。方法はさらに、ハット型ツールからハット型スティフナーを取り出すことを含む。

記載した特徴、機能、および利点は、開示の様々な実施形態で個別に達成することができ、あるいはさらに他の実施形態で組み合わせることができ、それについてのさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照することにより理解することができる。

本開示は、好適な例示的実施形態を示すが必ずしも一定の縮尺で描かれていない添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することによって、いっそうよく理解することができる。

航空機のハット型補強パネル構造体に傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの１つ以上の例示的実施形態を組み込むことのできる航空機の斜視図である。 公知のウェブハット型スティフナーの斜視図である。 図２Ａの公知のウェブハット型スティフナーの前端面図である。 本開示の傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの一実施形態の斜視図である。 ハット型ツールに隣接して示された、図３Ａの傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの前端面図である。 本開示の傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの別の実施形態の斜視図である。 ハット型ツールに隣接して示された、図４Ａの傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの前端面図である。 外板パネル構造体に装着された傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの一実施形態の斜視図である。 本開示の傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの実施形態を形成するのに使用することのできるハット型ツール、ハット型スティフナー、およびマンドレルの分解斜視図である。 本開示の方法の一実施形態のフローチャートである。 本開示の方法の別の実施形態のフローチャートである。

次に、開示する実施形態について、添付の図面を参照しながら、以下でさらに詳述する。図面には、開示する実施形態の全部ではなく、一部が示されている。実際、幾つかの異なる実施形態を提供することができ、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底した完全なものになるように、かつ開示の範囲が当業者に充分に伝わるようにするために提供するものである。

次に図を参照すると、図１は、航空機１０のハット型補強パネル構造体２６に傾斜ウェブ付きハット型スティフナーの１つ以上の例示的実施形態を組み込むことのできる航空機１０の斜視図である。図１に示す通り、航空機１０は胴体１２、機首１４、コックピット１６、翼１８、１つ以上の推進ユニット２０、垂直尾翼部２２、および水平尾翼部２４を備える。図１に示す航空機１０は、１つ以上のハット型補強パネル構造体２６を有する民間旅客機を一般的に表しているが、開示する実施形態の教示は、他の旅客機、貨物航空機、軍用航空機、回転翼航空機、および他の種類の航空機または空中機のみならず、航空宇宙機、衛星、宇宙打上機、ロケット、および他の航空宇宙ビークル、さらにはボートおよび他の船舶、列車、自動車、トラック、バス、または１つ以上のハット型補強パネル構造体２６を有する他の適切な構造体にも適用することができる。

図２Ａは、公知のウェブハット型スティフナー３０の斜視図である。図２Ａに示す通り、公知のウェブハット型スティフナー３０はハット型断面形状３２を有する。公知のウェブハット型スティフナー３０は、キャップ３４と、キャップ３４から延びる１対のウェブ３６ａ、３６ｂと、１対のウェブ３６ａ、３６ｂからそれぞれ外方に延びる１対のフランジ３８ａ、３８ｂとを有する。図２Ｂは、図２Ａの公知のウェブハット型スティフナー３０の前端面図である。図２Ｂは、公知のウェブハット型スティフナー３０のウェブ厚さ４０、キャップ角度４２、およびハット高さ４４を示す。ハット高さ４４は、フランジ３８ａの底面４６からキャップ３４の内面４８まで測定される。ウェブ３６ａは直線状である。

図３Ａは、ハット型スティフナー５０の一実施形態の斜視図であり、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂなどの形態である１対の傾斜ウェブ５２を有する形態のハット型スティフナー５０ａとして示されている。図３Ａに示す通り、ハット型スティフナー５０は実質的ハット型断面形状５４ａを有することが好ましい。ハット型スティフナー５０ａの形態であるハット型スティフナー５０はキャップ５６を含む。キャップ５６は第１端５８および第２端６０を有する。

ハット型スティフナー５０ａの形態であるハット型スティフナー５０はさらに、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂなどの形態である傾斜ウェブ５２を含む。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂはそれぞれキャップ５６の両側の第１および第２端５８、６０から延びる。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは非直線状であり、非直線状構成６２を有する（図３Ｂ参照）。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは両方とも少なくとも１つの傾斜部６４を含む。一実施形態では、図３Ａに示す通り、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは両方とも、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの長さ６８に沿った中間部分６６に形成された第１傾斜部６４ａを有する。第１傾斜部６４ａは、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの各々を２つの区間７０、７２に分割する（図３Ｂ参照）。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは両方とも各々、頂部７４（図３Ｂ参照）およびベース部７６（図３Ｂ参照）を有する。

少なくとも１つの傾斜部６４は、キャント角８２（図３Ｂ参照）を有することが好ましく、当該キャント角は、ハット型スティフナー５０のキャップ５６の内面７８（図３Ｂ参照）と、第１ウェブ５２ａの第１傾斜部６４ａのような少なくとも１つの傾斜部６４および特に第１ウェブ５２ａの区間７２（図３Ｂ参照）との間に形成される。ハット型スティフナー５０の形成または製造中にハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａ（図３Ｂ参照）から取り出すことができるように、キャント角８２は９０度より大きいことが好ましい。さらに好ましくは、キャント角８２は９０度から１８０度の間である。キャップ角９２の測定値とキャント角８２の測定値との間の差が安定性特徴部として働く傾斜部６４を形成するように、キャップ角９２（図３Ｂ参照）はキャント角８２（図３Ｂ参照）より大きくすることができる。代替的に、キャップ角９２の測定値とキャント角８２の測定値との間の差が同じく安定性特徴部として働く傾斜部６４を形成するように、キャップ角９２はキャント角８２より小さくしてもよい。選択されるキャント角８２は、外板パネル構造体８６（図５参照）に装着されたハット型スティフナー５０を含むハット型補強パネル構造体２６（図１、図５参照）に加えられる荷重によって異なる。

図３Ａに示す通り、ハット型スティフナー５０ａの形態であるハット型スティフナー５０はさらに、第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂなどの形態である１対のフランジ８４を含む。第１フランジ８４ａは第１ウェブ５２ａのベース部７６（図３Ｂも参照）から外方に延びる。第２フランジ８４ｂは第２ウェブ５２ｂのベース部７６（図３Ｂも参照）から外方に延びる。第１および第２フランジ８４ａ、８４ｂは各々、ハット型スティフナー５０の外板パネル構造体８６（図５参照）への装着（例えば接合または取付け）を容易にする底面９６（図３Ｂも参照）を有する。

図３Ｂは、ハット型スティフナー５０の前端面図であり、ハット型ツール８８ａに隣接して示された傾斜ウェブ５２を有するハット型スティフナー５０ａとして示されている。図３Ｂは第１傾斜部６４ａ、非直線状構成６２、およびウェブ厚さ９０を持つ第１ウェブ５２ａを示す。図３Ｂはさらに、キャップ角９２を示し、当該キャップ角９２は、ハット型スティフナー５０のキャップ５６の内面７８と、ハット型スティフナー５０の第１ウェブ５２ａ、例えば第１ウェブ５２ａの区間７０の内面７８との間に形成される。図３Ｂはさらに、上述したキャント角８２、およびキャント高さ９４を示す。キャント高さ９４は第１フランジ８４ａの底面９６から第１傾斜部６４ａまでの測定寸法である。図３Ｂはさらに、ハット型ツール８８ａに隣接するハット型スティフナー５０の外面８０を示す。

図４Ａは、ハット型スティフナー５０の別の実施形態の斜視図であり、１対の傾斜ウェブ５２を有する形態のハット型スティフナー５０ｂとして示されている。この実施形態のハット型スティフナー５０ｂは、当該実施形態において第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂが各々、第１傾斜部６４ａおよび第２傾斜部６４ｂなどの形態である２つの傾斜部６４を有することを除いて、図３Ａに示したハット型スティフナー５０ａと同様の特徴を有する。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは両方とも各々、頂部７４（図４Ｂも参照）およびベース部７６（図４Ｂも参照）を有する。図４Ａに示す通り、ハット型スティフナー５０は実質的ハット型断面形状５４ｂを有することが好ましい。ハット型スティフナー５０ｂの形態であるハット型スティフナー５０は、キャップ５６を含む。キャップ５６は第１端５８および第２端６０を有する。

さらに図４Ａに示す通り、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは各々が、キャップ５６の両側の第１および第２端５８、６０からそれぞれ延びる。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは両方とも非直線状であり、かつ２つの傾斜部６４を含む。図４Ａに示す通り、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは両方とも、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの各々の長さ６８に沿った第１部分９８（図４Ｂも参照）に形成された第１傾斜部６４ａを有し、かつさらに第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの各々の長さ６８に沿った第２部分１００（図４Ｂも参照）に形成された第２傾斜部６４ｂを有する。第１傾斜部６４ａおよび第２傾斜部６４ｂは、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの各々の長さ６８に沿って互いに離隔した第１および第２部分９８、１００に形成されることが好ましい。第１傾斜部６４ａおよび第２傾斜部６４ｂは、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの各々をそれぞれ３つの区間１０２、１０４、および１０６に分割する（図４Ａも参照）。

図４Ｂは、ハット型スティフナー５０の前端面図であり、ハット型ツール８８ｂに隣接する傾斜ウェブ５２を有するハット型スティフナー５０ｂとして示されている。図４Ｂは、第１傾斜部６４ａ、第２傾斜部６４ｂ、および非直線状構成６２を持つ第１ウェブ５２ａを示す。図４Ｂはさらに、キャップ角９２を示し、当該キャップ角は、ハット型スティフナー５０のキャップ５６の内面７８と、ハット型スティフナー５０の第１ウェブ５２ａ、例えば第１ウェブ５２ａの区間１０２の内面７８との間に形成される。

図４Ｂはさらに、第１キャント角８２ａを示し、当該第１キャント角は、ハット型スティフナー５０のキャップ５６の内面７８と、第１ウェブ５２ａの第１傾斜部６４ａおよび特に第１ウェブ５２ａの区間１０４との間に形成される。図４Ｂはさらに、第２キャント角８２ｂを示し、当該第２キャント角は、ハット型スティフナー５０のキャップ５６の内面７８と、第１ウェブ５２ａの第２傾斜部６４ｂおよび特に第１ウェブ５２ａの区間１０６との間に形成される。ハット型スティフナー５０の形成または製造中にハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ｂ（図４Ｂ参照）から取り出すことができるように、第１キャント角８２ａおよび第２キャント角８２ｂは各々９０度より大きいことが好ましい。さらに好ましくは、第１キャント角８２ａおよび第２キャント角８２ｂは９０度から１８０度の間である。選択されるキャント角８２は、外板パネル構造体８６（図５参照）に装着されるハット型スティフナー５０を含むハット型補強パネル構造体２６（図１、図５参照）に加えられる荷重によって異なる。

図４Ａにさらに示す通り、ハット型スティフナー５０ｂの形態であるハット型スティフナー５０はさらに、第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂなどの形態である１対のフランジ８４を含む。第１フランジ８４ａは、第１ウェブ５２ａのベース部７６（図３Ｂも参照）から外方に延びる。第２フランジ８４ｂは、第２ウェブ５２ｂのベース部７６（図３Ｂも参照）から外方に延びる。第１および第２フランジ８４ａ、８４ｂの各々は、ハット型スティフナー５０の外板パネル構造体８６（図５参照）への装着（例えば接合または取付け）を容易にする底面９６（図３Ｂも参照）を有する。

図４Ｂはさらに、第１キャント高さ９４ａおよび第２キャント高さ９４ｂを示す。第１キャント高さ９４ａは、第１フランジ８４ａの底面９６から第１傾斜部６４ａまでの測定寸法をいう。第２キャント高さ９４ｂは、第１フランジ８４ａの底面９６から第２傾斜部６４ｂまでの測定寸法をいう。ハット型スティフナー５０の外面８０はハット型ツール８８ｂに隣接する。

ハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）およびハット型スティフナー５０ｂ（図４Ａ参照）などの形態であるハット型スティフナー５０は、複合材料、金属材料、および複合材料および金属材料の組合せ、または他の適切な材料を含む材料から作成することができる。複合材料は、グラファイト、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維、エポキシ、または別の適切な複合材料から作成することのできる、織物または単方向性テープのような複合材料のプリプレグプライを含んでいてもよい。金属材料は軽量アルミニウム、チタン、鋼、または別の適切な金属材料などである。ハット型スティフナー５０が複合材料製のハット型スティフナーである場合、少なくとも１つの傾斜部６４は、以下でさらに詳述するハット型スティフナー５０の形成または製造中に、ハット型スティフナー５０が硬化プロセスを受けるときに形成することが好ましい。

開示の別の実施形態では、航空機１０（図１参照）用のハット型補強パネル構造体２６（図１、図５参照）が提供される。図５は、外板パネル構造体９６に装着されたハット型スティフナー５０の一実施形態の斜視図であり、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂなどの形態である傾斜ウェブ５２を有するハット型スティフナー５０ａとして示されている。図５に示す通り、ハット型補強パネル構造体２６は外板パネル構造体９６を含む。ハット型補強パネル構造体２６はさらに、外板パネル構造体９６に対して第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂにて装着されたハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０を含む。上述の通り、ハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０は、キャップ５６を含む。ハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０はさらに、キャップ５６の両側の第１および第２端５８、６０からそれぞれ延びる第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂを含む。第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂは非直線状であり、少なくとも１つの傾斜部６４を含む。ハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０はさらに、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂのベース部７６からそれぞれ外方に延びる第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂを含む。

ハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）およびハット型スティフナー５０ｂ（図４Ａ参照）などの形態であるハット型スティフナー５０は、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの安定性、強度、および座屈抵抗を向上する実質的ハット型断面形状５４ａ（図３Ａ参照）、５４ｂ（図４Ａ参照）を有する。ハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）およびハット型スティフナー５０ｂ（図４Ａ参照）などの形態であるハット型スティフナー５０の第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂは、外板パネル構造体９６（図５参照）に装着することができる。図５に示す通り、ハット型補強パネル構造体２６（図１も参照）は、、外板パネル構造体８６からキャップ５６の内面７８までの第１ウェブ高さ１０８ａと、外板パネル構造体８６からキャップ５６の内面７８までの第２ウェブ高さ１０８ｂと、外板パネル構造体８６から偏位したキャップ偏位１１０とを有し、これらの寸法は全て既存または公知の補強パネル構造体におけるウェブ高さおよびキャップ偏位と比較してより大きいことが好ましい。そのようなより大きい第１ウェブ高さ１０８ａ、第２ウェブ高さ１０８ｂ、およびキャップ偏位１１０は結果的に、ハット型補強パネル構造体２６の重量効率を改善することができる。

公知のウェブハット型スティフナー３０（図２Ａ参照）の場合、臨界座屈変位は０．２３１７インチと算出された。少なくとも１つの傾斜部６４を有するハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）などの形態であるハット型スティフナー５０では、臨界座屈変位は、公知のウェブハット型スティフナー３０の臨界座屈変位より８％高い０．２５０１インチと算出された。したがって、ハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０は、改善された座屈抵抗を有することが示された。改善された座屈抵抗は、キャント角８２および／または傾斜部６４の数を変更することによって変更または増大させることができる。

開示の他の実施形態では、傾斜ウェブ５２を有するハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）またはハット型スティフナー５０ｂ（図３Ｂ参照）などの形態であるハット型スティフナー５０を形成する方法１５０（図７参照）および方法２００（図８参照）が提供される。ここでハット型スティフナー５０は複合材料（図７参照）または金属材料（図８参照）とすることができる。図６は、ハット型ツール８８ａと、複合材料製のハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０と、傾斜ウェブ５２付きハット型スティフナー５０の開示された実施形態の形成または製造で使用することのできるマンドレル１１２とを示す分解斜視図である。図７は、傾斜ウェブ５２（図３Ａ、図４Ａ参照）付きハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）を形成する方法１５０の一実施形態のフローチャートであり、当該実施形態ではハット型スティフナー５０は複合材料から作成される。図８は、傾斜ウェブ５２（図３Ａ、図４Ａ参照）付きハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）を形成する別の実施形態の方法２００を示すフローチャートであり、同実施形態ではハット型スティフナー５０は金属材料製である。

図７に示す通り、方法１５０は、ハット型ツール８８ａ（図６参照）の加工面１１４（図６参照）に、ハット型ツールの実質的にハット型の断面形状１１６（図６参照）を一体的に機械加工するステップ１５２を含む。ハット型断面形状は、キャップ５６と、キャップ５６の両側の第１および第２端５８、６０からそれぞれ延びる第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂであって、非直線状でありかつ少なくとも１つの傾斜部６４を含む第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂと、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂのベース部７６からそれぞれ外方に延びる第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂとを含む。

方法１５０はさらに、ハット型ツール８８ａの加工面１１４（図６参照）上に複合材プライ１１８（図５および図６参照）を積層することによって、ハット型スティフナー５０を形成するステップ１５４を含む。複合材プライ１１８は、ハット型ツール８８ａの加工面１１４上に手動で積層することができる。代替的に、複合材プライ１１８は平坦な加工面（図示せず）上に手動で、または自動テープ積層機械を使用して積層し、次いで、複合材プライをハット型スティフナー５０の形状に成形するために、ホットドレープ成形を利用するプロセスまたは別の公知のプロセスなどによってハット型ツール８８ａにプレス成形することができる。ハット型スティフナー５０は、ハット型ツールの実質的ハット型断面形状１１６と一致するハット型スティフナーの実質的ハット型断面形状５４ａ（図３Ａも参照）を持つように成形されることが好ましい。方法１５０はさらに、ハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０のハット型スティフナーキャビティ１２０（図６参照）内にマンドレル１１２（図６参照）を挿入するステップ１５６を含む。

方法１５０はさらに、ハット型スティフナー５０ａなどの形態であるハット型スティフナー５０を硬化させて、キャップ５６と、第１ウェブ５２ａと、第２ウェブ５２ｂと、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの両方に形成された少なくとも１つの傾斜部６４とを持つ、ハット型スティフナー５０ａなどの形態である複合材料製のハット型スティフナー５０を形成するステップ１５８を含む。硬化ステップ１０８は、オートクレーブ硬化プロセス、真空バッグ硬化プロセス、オートクレーブおよび真空バッグの組合せ硬化プロセス、圧縮成形硬化プロセス、樹脂トランスファ成形プロセス、室温硬化プロセス、または別の適切な硬化プロセスなどの硬化プロセスである。硬化は、ハット型スティフナー５０を効果的に硬化させるために、材料仕様に従って必要に応じて昇温および昇圧で行うことができる。

方法１５０はさらに、複合材料製のハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａから取り出すステップ１６０を含む。硬化後に複合材料製のハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａから取り出すことを容易にするために、少なくとも１つの傾斜部６４をハット型ツール８８ａの加工面１１４（図６参照）内に一体的に機械加工することが好ましい。方法１５０はさらに、複合材料製のハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａから取り出すステップ１６０の後、ハット型スティフナーキャビティ１２０からマンドレル１１２を取り出すステップ１６２を含むことができる。

方法１５０はさらに、複合材料製のハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａから取り出すステップ１６０の後、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの両方に少なくとも１つの傾斜部６４が形成された複合材料製のハット型スティフナー５０を外板パネル構造体８６（図５参照）に装着するステップ１６４を含むことができる。外板パネル構造体８６およびハット型スティフナー５０は、上述の通り、グラファイト‐エポキシ材料または別の複合材料のような複合材料を含むことができ、かつハット型スティフナー５０は外板パネル構造体８６に接着剤で接合することができる。方法１５０のこの実施形態では、ハット型スティフナー５０は、昇温および昇圧での共硬化中に外板パネル構造体８６に接合することができる。

開示の別の実施形態では、金属材料製の傾斜ウェブ５２（図３Ａ、図４Ａ参照）を持つハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）を形成する方法２００が提供される。図８は、ハット型スティフナー５０を金属材料から作成する場合において、傾斜ウェブ５２（図３Ａ、図４Ａ参照）を持つハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）を形成する方法２００の別の実施形態のフローチャートを示す。

図８に示す通り、方法２００は、ハット型ツール８８ａ（図６参照）の加工面１１４（図６参照）に一体的に機械加工して、実質的にハット型の断面形状１１６（図６参照）を作り込むステップ２０２を含む。前記ハット型断面形状は、キャップ５６と、キャップ５６の両側の第１および第２端５８、６０からそれぞれ延びる第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂであって、両方とも非直線状であり、かつ少なくとも１つの傾斜部６４を含む第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂと、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂのベース部７６からそれぞれ外方に延びる第１フランジ８４ａおよび第２フランジ８４ｂとを含む。

方法２００はさらに、当業界で公知の金属薄板のような金属薄板（図示せず）をハット型ツール８８ａの加工面１１４上で変形することによって、ハット型スティフナー５０を形成するステップ２０４を含む。代替的に、ハット型スティフナー５０は、金型を介して金属薄板（図示せず）をプレスし、かつハット型ツール８８ａの加工面１１４上に配置することによって、ハット型スティフナー５０の形状に押出し成形することができる。ハット型スティフナー５０は、ハット型ツールの実質的にハット型の断面形状１１６（図６参照）に一致するハット型スティフナーの実質的にハット型の断面形状５４ａ（図３Ａ、図６参照）を持つように成形され、ハット型スティフナー５０は金属材料から作られ、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの両方に少なくとも１つの傾斜部６４（図６参照）が形成される。方法２００はさらに、ハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａから取り出すステップ２０６を含む。

方法２００はさらに、金属材料製のハット型スティフナー５０をハット型ツール８８ａから取り出すステップ２０６の後、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの両方に少なくとも１つの傾斜部６４が形成された金属材料製のハット型スティフナー５０を外板パネル構造体８６（図５参照）に装着するステップ２０８を含むことができる。この実施形態では、ハット型スティフナー５０は外板パネル構造体８６に鋲着するか他の方法で機械的に取り付けることができ、硬化プロセスは不要である。

ハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）、ハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）、ハット型スティフナー５０ｂ（図４Ａ参照）、方法１５０（図７参照）、および方法２００（図８参照）の開示した実施形態は、安定性が向上し、重量を増大することなく、より最適なハット型スティフナー構成の設計を可能にする、第１ウェブ５２ａ（図３Ａ、図４Ａ参照）および第２ウェブ５２ｂ（図３Ａ、図４Ａ参照）を持つハット型スティフナーを提供する。加えて、ハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）、ハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）、ハット型スティフナー５０ｂ（図４Ａ参照）、方法１５０（図７参照）、および方法２００（図８参照）の開示した実施形態は、既存または公知の製造または製作技術を利用しながら、第１ウェブ５２ａ（図３Ａ、図４Ａ参照）および第２ウェブ５２ｂ（図３Ａ、図４Ａ参照）の安定性、強度、および座屈抵抗を改善する実質的のハット型の断面形状５４ａ（図３Ａ参照）、５４ｂ（図４Ａ参照）および設計を提供する。改善された安定性、強度、および座屈抵抗は、好ましくは既存または公知の補強パネル構造体のウェブ高さおよびキャップ偏位と比較して全てがより大きい、外板パネル構造体８６（図５参照）からキャップ５６の内面７８（図５参照）までの第１ウェブ高さ１０８ａ（図５参照）と、外板パネル構造体８６からキャップ５６の内面７８までの第２ウェブ高さ１０８ｂ（図５参照）と、外板パネル構造体８６から偏位したキャップ偏位１１０（図５参照）とを有する、より最適なハット型補強パネル構造体２６（図１、図５参照）を可能にする。そのようなより大きい第１ウェブ高さ１０８ａ、第２ウェブ高さ１０８ｂ、およびキャップ偏位１１０は結果的に、ハット型補強パネル構造体２６の重量効率を改善することができる。これにより、航空機１０（図１参照）の重量のような乗物の重量の低減、および構造効率の改善をもたらすことができる。重量の低減は航空機の効率に直接関係する。

さらに、ハット型スティフナー５０（図３Ａ、図４Ａ参照）、ハット型スティフナー５０ａ（図３Ａ参照）、ハット型スティフナー５０ｂ（図４Ａ参照）、方法１５０（図７参照）、および方法２００（図８参照）の開示した実施形態は、少なくとも１つの傾斜部６４（図３Ａ、図４Ａ参照）を持つハット型スティフナーを提供する。少なくとも１つの傾斜部６４は、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂのそれぞれの高さの途中で、第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの１つ以上の部分のキャント角をわずかに変更することによって生成することができる。少なくとも１つの傾斜部６４は、ハット型ツール８８ａ（図３Ｂ参照）、８８ｂ（図４Ｂ参照）に一体的に機械加工することができる。ハット型スティフナー５０が硬化する複合材料である場合、少なくとも１つの傾斜部６４はハット型スティフナー５０の一体的部分とすることができる。複合材料製のハット型スティフナー５０の少なくとも１つの傾斜部６４を作成するために、既存のマンドレルおよびハット型スティフナーのオートクレーブ硬化プロセスまたは他の適切なプロセスを利用することができる。ハット型スティフナー５０の第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂにおけるキャント角の微小な変化は、非常に微小な材料または重量の違いにより、ハット型スティフナー５０の第１ウェブ５２ａおよび第２ウェブ５２ｂの安定性を実質的に高めることができる。さらに、複合材料から作られ硬化プロセスを受けるハット型スティフナー５０がハット型ツール８８ａ（図６参照）から容易に取り出すことができるように、少なくとも１つの傾斜部６４を生成することが好ましい。

本開示の態様では、航空機用のハット型補強パネル構造体を提供する。構造体は外板パネル構造体と、当該外板パネル構造体に装着されるハット型スティフナーとを備え、ハット型スティフナーはキャップと、キャップの両端からそれぞれ延びる第１ウェブおよび第２ウェブであって、非直線状でありかつ少なくとも１つの傾斜部を含む第１ウェブおよび第２ウェブと、第１ウェブベース部から外方に延びる第１フランジと、第２ウェブベース部から外方に延びる第２フランジとを含む。第１ウェブおよび第２ウェブは、当該第１および第２ウェブの各々の長さに沿うよう中間部分に形成された１つの傾斜部を有することが有利である。第１ウェブおよび第２ウェブは、２つの傾斜部を有することが有利であり、これら傾斜部は、第１および第２ウェブの各々の長さに沿うとともに、互いに離隔した第１および第２部分に形成される。前記少なくとも１つの傾斜部は、キャップと少なくとも１つの傾斜部との間に形成されるキャント角を有し、かつさらにキャント角が９０度より大きいことが有利である。キャント角は９０度から１８０度の間であることが有利である。ハット型スティフナーは、複合材料、金属材料、またはそれらの組合せを含む材料から作られることが有利である。ハット型スティフナーは第１ウェブおよび第２ウェブの安定性、強度、および座屈抵抗を向上する実質的ハット型断面形状を有することが有利である。

本開示の一つの態様では、金属材料製の傾斜ウェブ付きハット型スティフナーを製造する方法が提供する。当該方法は、ハット型ツールの加工面に、キャップと、当該キャップの両端部からそれぞれ延びるともに、非直線状であり、かつ少なくとも１つの傾斜部を含む第１ウェブおよび第２ウェブと、第１ウェブのベース部から外方に延びる第１フランジと、第２ウェブのベース部から外方に延びる第２フランジとを含むハット型ツールの実質的ハット型断面形状を一体的に機械加工すること、ハット型ツールの加工面上で金属薄板を変形することによって、ハット型ツールの実質的ハット型断面形状と一致するハット型スティフナーの実質的ハット型断面形状を持つハット型スティフナーであって、金属材料製であり、第１ウェブおよび第２ウェブの両方に少なくとも１つの傾斜部が形成されたハット型スティフナーを形成すること、およびハット型スティフナーをハット型ツールから取り出すことを含む。

本開示が関連する当業者は、上記の開示および添付の図面に提示した教示に基づき、多くの変形および開示の他の実施形態を想起できるであろう。本明細書に記載した実施形態は例示を意図したものであり、限定または網羅を意図するものではない。本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用したものであって、限定する目的で使用したものではない。

Claims (13)

1. キャップ（５６）と、
   前記キャップ（５６）の両端部から延びる第１ウェブ（５２ａ）および第２ウェブ（５２ｂ）であって、非直線状でありかつ少なくとも１つの傾斜部（６４）を含む第１ウェブ（５２ａ）および第２ウェブ（５２ｂ）と、
   第１ウェブ（５２ａ）のベース部から外方に延びる第１フランジ（８４ａ）、および第２ウェブ（５２ｂ）のベース部から外方に延びる第２フランジ（８４ｂ）と、を備えたハット型スティフナー。
2. 前記第１ウェブ（５２ａ）および前記第２ウェブ（５２ｂ）が、前記第１および第２ウェブの各々の長さに沿う中間部分（６６）に形成された１つの傾斜部（６４）を有する、請求項１に記載のハット型スティフナー。
3. 前記第１ウェブ（５２ａ）および前記第２ウェブ（５２ｂ）が、前記第１および第２ウェブの各々の長さに沿う、互いに離隔した第１および第２部分に形成された２つの傾斜部（６４ａ、６４ｂ）を有する、請求項１または２に記載のハット型スティフナー。
4. 前記少なくとも１つの傾斜部（６４）が、前記キャップ（５６）と前記少なくとも１つの傾斜部（６４）との間に形成されるキャント角を有し、前記キャント角が９０度より大きい、請求項１ないし３のいずれかに記載のハット型スティフナー。
5. 前記キャント角が９０度から１８０度の間である、請求項４に記載のハット型スティフナー。
6. 前記ハット型スティフナーが、複合材料、金属材料、またはそれらの組合せを含む材料から作成される、請求項１ないし５のいずれかに記載のハット型スティフナー。
7. 前記ハット型スティフナーが、前記第１ウェブ（５２ａ）および前記第２ウェブ（５２ｂ）の安定性、強度、および座屈抵抗を向上する実質的にハット型の断面形状を有する、請求項１ないし６のいずれかに記載のハット型スティフナー。
8. 前記ハット型スティフナーの前記第１フランジ（８４ａ）および前記第２フランジ（８４ｂ）が外板パネル構造体（９６）に装着されて、前記外板パネル構造体（９６）から前記キャップ（５６）の内面までの第１ウェブ高さ（１０８ａ）と、前記外板パネル構造体（８６）から前記キャップ（５６）の内面（７８）までの第２ウェブ高さ（１０８ｂ）と、前記外板パネル構造体（８６）から偏位したキャップ偏位（１１０）とを有するハット型補強パネル構造体であって、それらが既存の補強パネル構造体の第１および第２ウェブ（５２ｂ）高さならびにキャップ偏位と比較してより大きく、したがって結果的に前記ハット型補強パネル構造体の重量効率が向上したハット型補強パネル構造体を形成する、請求項１ないし７のいずれかに記載のハット型スティフナー。
9. 傾斜ウェブを有する複合材料製のハット型スティフナーを形成する方法であって、
   ハット型ツール（８８ａ）の加工面（１１４）に、キャップ（５６）と、前記キャップ（５６）の両端部からそれぞれ延びる第１ウェブ（５２ａ）および第２ウェブ（５２ｂ）であって、両方とも非直線状でありかつ少なくとも１つの傾斜部（６４）を含む前記第１ウェブ（５２ａ）および前記第２ウェブ（５２ｂ）と、第１ウェブ（５２ａ）のベース部（７６）から外方に延びる第１フランジ（８４ａ）および第２ウェブ（５２ｂ）ベース部（７６）から外方に延びる第２フランジ（８４ｂ）とを含む、ハット型ツール（８８ａ）の実質的にハット型の断面形状を一体的に機械加工するステップと、
   前記ハット型ツール（８８ａ）の前記加工面（１１４）上に複合材プライを積層することによって、ハット型ツール（８８ａ）の実質的ハット型断面形状と一致するハット型スティフナーの実質的にハット型の断面形状を持つようにハット型スティフナーを形成するステップと、
   前記ハット型スティフナーのハット型スティフナーキャビティ（１２０）内にマンドレル（１１２）を挿入するステップと、
   前記ハット型スティフナーを硬化させて、第１ウェブ（５２ａ）および第２ウェブ（５２ｂ）の両方に少なくとも１つの傾斜部（６４）が形成された複合材料製のハット型スティフナーを形成するステップと、
   前記ハット型スティフナーを前記ハット型ツール（８８ａ）から取り出すステップと、
   を含む方法。
10. 前記ハット型スティフナーを前記ハット型ツール（８８ａ）から取り出した後、前記ハット型スティフナーキャビティ（１２０）から前記マンドレル（１１２）を取り出すステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記ハット型スティフナーを前記ハット型ツール（８８ａ）から取り出した後、前記少なくとも１つの傾斜部（６４）が前記第１ウェブ（５２ａ）および前記第２ウェブ（５２ｂ）の両方に形成された前記ハット型スティフナーを外板パネル構造体（８６）に装着するステップをさらに含む、請求項９および１０に記載の方法。
12. 前記硬化ステップが、オートクレーブ硬化プロセス、真空バッグ硬化プロセス、オートクレーブおよび真空バッグの組合せ硬化プロセス、圧縮成形硬化プロセス、および樹脂トランスファ成形プロセスを含む、請求項９ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 硬化後における前記ハット型スティフナーを前記ハット型ツール（８８ａ）から取り出すことを容易にするために、前記少なくとも１つの傾斜部（６４）が前記ハット型ツール（８８ａ）の前記加工面（１１４）に一体的に機械加工される、請求項９に記載の方法。

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