JP2019510655A - 密に充填した四面体から成るオープンコア構造を有するサンドイッチ状構造要素 - Google Patents

密に充填した四面体から成るオープンコア構造を有するサンドイッチ状構造要素 Download PDF

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Abstract

サンドイッチ状構造要素（１００）を開示する。サンドイッチ状構造要素（１００）は、長手方向の長さよりも小さい厚みおよび高さを有し、長手方向に延在する、面を有する第１の要素（１０１）と、長手方向の長さよりも小さい厚みおよび高さを有し、第１の要素と同じ長手方向に延在する、面を有する第２の要素（１０２）であって、前記第１の要素（１０１）の前記面に対向する、第２の要素とを有する。前記サンドイッチ状構造要素は、前記第１の要素（１０１）と前記第２の要素（１０２）との間に配置され、前記第１の要素（１０１）と前記第２の要素（１０２）とに動作可能に接続されたオープンコア構造（１０３）であって、複数の密に充填した四面体構造（２０１）を備えるオープンコア構造をさらに備える。【選択図】図１

Description

本発明は、サンドイッチ状構造要素に関し、特に、オープンコアを有するサンドイッチ状構造要素に関する。
今日直面する、例えば船舶の設計時の課題は、例えば船舶の船体が、現代的な合金および現代的な設計で製造される場合、船体は軽量で頑丈になるということである。しかし、標準的な設計を用いる場合は、船舶の建造に使用するデッキや様々な縦方向（鉛直方向）及び横方向（水平方向）の壁は重いものとなる。したがって、様々な寸法および様々な領域の軽量かつ丈夫なパネルが必要となる。
特許文献１（米国特許第８６５０７５６号明細書）は、このようなパネル用の有望な設計を開示しており、パネルの押出し加工または付加加工／除去加工のいずれかを含む解決策を提供している。押出し加工を用いる場合、建造に利用可能な材料はかなり限定され、また、アルミナ合金等の軽量合金が最有力候補となる。しかしながら、船舶の船体がステンレス鋼で製造される場合には、アルミナ合金とステンレス鋼との接合に関する課題がある。付加加工／除去加工を用いてパネルを製造する代替案が存在するが、大きなパネルが望まれる場合にはこの代替案はかなり高価である。
さらに、特許文献１において用いられるトラス設計はかなり貧弱であり、また、改善の余地があるものである。トラス設計の利点の１つは、金属網をピラミッド格子に曲げることによってサンドイッチ材料のコアを形成し得ることである。例えば、ピラミッド格子のベースコーナー（底角部）の１つが運動量を受ける場合に、このトラス構造が構造強度の観点からは最適というには程遠いものであることは、固体力学（構造力学）では周知である。
米国特許第８６５０７５６号明細書
本発明の目的は、軽量船体を含む現代の船舶設計に適合する課題解決策を提供することである。
本発明の別の目的は、よりロバスト（堅牢、頑丈）で、かつ丈夫であって、同時に非常に低い密度を有するサンドイッチ状構造体を提供することである。
本発明の別の目的は、腐食剤または腐食環境に対して優れた耐性を提供するサンドイッチ状構造体を提供することである。
本発明によれば、独立請求項に従ったサンドイッチ状構造要素を提供することにより、上記目的およびその他の効果が得られる。
一態様では、本発明はサンドイッチ状構造要素を提供する。サンドイッチ状構造要素は、長手方向の長さ（縦長さ）よりも小さい厚みおよび高さ（薄い厚みおよび低い高さ）を有し、長手方向に延在する、面を有する第１の要素を備える。サンドイッチ状構造要素は、長手方向の長さよりも小さい厚みおよび高さを有し、第１の要素と同じ長手方向に延在する、面を有する第２の要素であって、当該第２の要素は第１の要素の平坦な面に対向する、第２の要素をさらに備える。サンドイッチ状構造要素は、第１の要素と第２の要素との間に配置され、また、第１の要素と第２の要素とに動作可能に接続されたオープンコア構造をさらに備える。
サンドイッチ状構造要素は、オープンコア構造が複数の密に充填した四面体構造を備えることを特徴とする。
本明細書で使用する用語「平坦」、「密に充填した」および「単位セル（ユニットセル）」は、広い意味で解釈されるべきである。用語「平坦」は、本質的に平坦であると解釈されるべきである。用語「密に充填した」は、全体を満たすものとして解釈されるべきであり、「単位セル」は、空間形状（所定体積を有する空間）を密に充填するため、すなわち単位セルで空間形状を完全に満たすために使用する要素として解釈されるべきである。
サンドイッチ状構造要素の一実施形態では、オープンコア構造は、第１の要素と第２の要素との間に配置された少なくとも２つの平坦な要素を備え、当該少なくとも２つの平坦な要素は、第１の要素の面と第２の要素の面との間に配置され、かつ、２つの要素の間の第１の距離で互いに対向する。
サンドイッチ状構造要素の一実施形態では、オープンコア構造は、少なくとも２つの平坦な要素の間に配置された複数の単位セルを備え、各単位セルは２つの平坦な平行四辺形を備え、当該２つの平坦な平行四辺形は、２つの平坦な平行四辺形の間の角度で、２つの平坦な平行四辺形の対角線に沿って重なって交差する関係に配置される。
一実施形態では、平行四辺形の各々は、平行四辺形の角から少なくとも平行四辺形の中央部への平行四辺形の対角線に沿ったスリットを備え、当該スリットは、２つの平行四辺形が各平行四辺形の対角線に沿って接合されるように、スリットを有する対応する平行四辺形を受けるよう構成する。このようにして、第１の平行四辺形と第２の平行四辺形との間の強く柔軟な接合が得られる。
一実施形態では、単位セルの平行四辺形の各々は、対角線から距離を置いて配置された凹部を備える。このようにすることで、複数の単位セル間の開放接続が可能になる。さらに、これにより、不必要な質量を伴わずに、特定の荷重のための単位セルの寸法決めが可能となる。
一実施形態では、対角線は２つの平坦な平行四辺形の最短対角線である。このようにして、好ましい単位セルが得られる。
一実施形態では、第１の要素の面および第２の要素の面は平坦である。このようにして、対称的な建造要素が得られる。
一実施形態では、複数の単位セルは２つの平坦なアレイによって形成され、各平坦なアレイは、中間平行四辺形の縁部に動作可能に接続された第１の縁部を有する第１の平行四辺形によって形成された反復三角波パターンを備える。このようにして、単位セルを製造する効率的な方法が得られる。
一実施形態では、サンドイッチ状構造体は板金を備え、また、好ましい実施形態では板金はステンレス鋼製である。このようにして、サンドイッチ構造が軽量で、また優れた構造強度を提供するのと同時に、サンドイッチ構造は腐食剤および腐食環境に耐え得る。
本発明のより完全な理解、ならびにさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面を参照することによって得られるであろう。
本発明によるサンドイッチ構造の一実施形態の分解概略斜視図である。 本発明によるサンドイッチ状構造体の一実施形態の概略斜視図である。 本発明による単位セルの概略斜視図である。 本発明による平行四辺形の概略平面図である。 本発明による平坦なアレイの一実施形態の平面図である。 本発明による平坦なアレイの一実施形態の概略斜視図である。
以下の説明は、本発明の説明および例示のためのものにすぎず、本発明を、記載した具体的な実施形態に限定することを意図するものではない。
特許および特許出願を含む、本明細書において挙げた参考文献はすべて、参照によりその全体が組み込まれる。
特に定義していない限り、科学技術用語は、本発明が属する技術分野の当業者に一般的に理解されているものと同じ意味を有する。
本明細書で使用する「平坦」、「密に充填した」および「単位セル」という用語の意味は以下の通りである。
用語「フラット」は、本質的に平坦であると解釈されるべきである。
用語「密に充填した」は、空間形状が基本的な構造体で、対称的に、かつ反復して完全に満たされていることを意味する。
「単位セル」とは、空間形状の密な充填に使用する基本的形状である。
図１は、本発明の第１の実施形態による、総じて１００にて示すサンドイッチ状構造要素の分解斜視図である。サンドイッチ状構造要素１００は、平坦な面を有する第１の要素１０１と、第１の要素１０１の平坦な面と平行であり、また第１の要素１０１の平坦な面と対向する平坦な面を有する第２の要素１０２とを備える。サンドイッチ状構造要素は、第１の要素１０１と第２の要素１０２との間に配置されたオープンコア構造をさらに備える。オープンコア構造１０３は、第１の要素１０１と第２の要素１０２とに動作可能に接続される。
オープンコア構造１０３は、複数の密に充填した（密集した）四面体構造２０１を備える。
さらに、オープンコア構造は第１の要素１０１と第２の要素１０２との間に配置された少なくとも２つの平坦な要素１０４、１０５を備える。少なくとも２つの平坦な要素１０４、１０５は、第１の要素１０１の平坦な面と第２の要素１０２の平坦な面とに対して垂直に配置され、２つの平坦な要素１０４、１０５の間の第１の距離で互いに対向する。
２つの平坦な要素１０４、１０５および第１の要素１０１ならびに第２の要素１０２は、箱形の空間形状を画定する。図１の分解図に示すように、この空間形状を単位セル１０６で、反復パターンで満たす。
図２ａにおいて、サンドイッチ状構造要素１００が、そろって充填された単位セル１０６と共に示されている。この図２ａにおいて、単位セルを一斉に充填することによって、箱形の空間形状が四面体構造２０１で満たされて密に充填されていることを示す。この図では、第１の要素１０１および第２の要素１０２は、四面体構造２０１の斜視図の妨げとなるため図示しない。図２ｂにおいて、追加の平坦な要素２０２が、第１の距離に等しい距離で少なくとも２つの平坦な要素１０４、１０５に追加され、また、平坦な要素１０５、２０２によって画定された空間形状は、四面体構造で密に充填されている。さらなる平坦な要素および単位セルを追加することにより、任意の大きさのパネルを反復パターンで形成することができる。
図３において、理解の助けとなる構造として追加した仮想の点線で示す箱３００と共に、単位セル１０６を斜視図で示す。点線で示す箱３００は、幅ｂ、深さｄ、および高さｈを任意の単位で有する。第１の角部３０７には、箱３００の幅方向の基線に沿ったＸ軸と、箱３００の奥行き方向の基線に沿って延在するＹ軸と、箱３００の高さ方向の基線に沿って延在するＺ軸とで画定される座標系がある。単位セル１０６を画定するため、６つの点が必要である。これらの６つの点は、ｐ１＝［０，０，０］、ｐ２＝［ｂ／２，０，ｈ］、ｐ３＝［０，ｄ，ｈ］、ｐ４＝［ｂ／２，ｄ，０］ｐ５＝［ｂ，ｄ，ｈ］、およびｐ６＝［ｂ，０，０］であり、ここで［ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標］である。
図３から分かるように、上記に定義した単位セル内の６つの点は、対角スパインを共有する２つの四面体を画定する。四面体は、ＸＹ平面に垂直なＸＺ平面を有することができ、したがって非対称四面体である。
図３は、第１の平行四辺形３０１が、点ｐ２、ｐ３、ｐ４およびｐ６によって形成されることを示す。第２の平行四辺形３０２は、ｐ１、ｐ２、ｐ５、およびｐ４によって形成される。これらの２つの平坦な平行四辺形３０１、３０２は、点ｐ２と点ｐ４との間の対角線ｄに沿って、２つの平坦な平行四辺形３０１、３０２の間の角度３０３で重なる交差関係で配置される。この図から、点ｐ１、ｐ２、およびｐ６間のＸＺ平面に三角形が特定され、また、固体力学の観点から、この三角形は最も好ましくは正三角形である。
本開示による単位セルでは、四面体の間に空間形状が形成され、当該四面体は非対称であり、また、空間形状は垂直な２つの平面を有する。これは、互い違いの向きに配置された単位セルを有するパターンが直方体状の空間形状を作り得るという点で有利である。すなわち、平行な側面（辺）を有する空間形状は、例えば、シート、プレート、柱およびビームの輪郭形状（プロファイル）を形成する上で有利である。これは、対称四面体に基づく単位セルとは対照的である。対称四面体は４つの正三角形面を有するものとして定義され、ここで、いずれの面内角度も６０°であり、いずれの辺も等しい長さである。対称四面体は、平坦で平行な辺を与えるパターンで容易に組み立てることができない。ここで図４ａ〜ｃを参照し、平行四辺形３０１、３０２の異なる実施形態を説明する。
図４ａに、平行四辺形４００ａの第１の実施形態を示す。平行四辺形４００ａは、平行四辺形の対角線ｄに沿った、平行四辺形の角から平行四辺形の少なくとも中央部４０３まで延びるスリット４０１を備える。
スリット４０１は、２つの平行四辺形が各平行四辺形の対角線に沿って接合され、２つの平行四辺形のスリットの端部が重なるように、スリット４０１を有する対応する平行四辺形４００ａを受けるよう構成する。
２つの辺の長さが他の２つの長さよりも長いため、平行四辺形もまた非対称であり、それにより傾斜した矩形を形成する。例えばスリットを介して一方が他方に入ることにより、２つのこのような平行四辺形が接合される場合、それらは交差して２つの四面体の対角背面を成形または形成する。
図４ｂに、平行四辺形４００ｂの第２の実施形態を開示する。この平行四辺形４００ｂは、対角線ｄから距離を置いて配置された凹部４０４ｂを備える。この特定の実施形態では、凹部は三角形であるが、図４ｃに開示するように穴４０４ｂおよび４０４ｃ等の他の形状ももちろん可能である。
凹部の目的は、より軽量な構造を提供すること、または単位セル間の流体連通を可能にすることであってもよい。一実施形態では、少なくとも２つの平坦な要素は、同様の目的のための凹部を備える。
平行四辺形はまた、少なくとも２つの平坦な要素に対向する、平行四辺形の辺に沿ったタブを備え、当該平坦な要素は対応する凹部を備えてもよい。このようにして、単位セルを少なくとも２つの平坦な要素に動作可能に接続し得る。一実施形態では、単位セルを、例えば溶接継手または接着剤を用いて、第１の要素と第２の要素とに動作可能に接続する。図５に、中間平行四辺形７０６を有する平行四辺形７０２、７０５の平坦なアレイ７０１を開示する。この平坦なアレイ７０１は、中間平行四辺形７０６の縁部に動作可能に接続された第１の縁部７０３を有する第１の平行四辺形７０２による、反復三角波パターンを形成する。
一実施形態では、平坦なアレイは、隣接する第１の平行四辺形と中間平行四辺形との間の共通縁部７０３、７０４に沿った折れ線を備え、当該中間平行四辺形は、当該中間平行四辺形の短い対角線に沿った折れ線を備えてもよい。
第１の角度で縁部７０３に沿って第１の平坦なアレイおよび第２の平坦なアレイの平行四辺形を折り曲げ、また、第２の角度で短い対角線に沿って中間平行四辺形を折り曲げることにより、単位セルのアレイを得るために使用可能な折り曲げたアレイを形成する。
図６ａに、折り曲げた第２のアレイ６０２に対向して配置された折り曲げた第１のアレイ６０１があり、ここで対応する凹部は相互に整列する。これらのアレイ６０１、６０２を接合することにより、単位セルのアレイを形成する。これにより、多数の単位セルを効率よく製造することができるという効果がある。
一実施形態では、サンドイッチ状構造要素は板金を備える。また、好ましい実施形態では、板金はステンレス鋼である。このようにして、サンドイッチ状構造要素を現代的な船舶の船体と効率的に一体化させることができる。
サンドイッチ状構造体の一実施形態では、オープンセルコアの単位セルは、単位セルから、少なくとも２つの平坦な要素内の対応する溝内に延在するタブによって、少なくとも２つの平坦な要素に動作可能に接続する。
サンドイッチ状構造要素の一実施形態では、前記オープンセルコアの単位セルは、接着剤によって第１の要素と第２の要素とに動作可能に接続する。
サンドイッチ状構造要素の一実施形態では、前記オープンセルコアの単位セルは、溶接によって第１の要素と第２の要素とに動作可能に接続する。
本発明は上記の好ましい実施形態に限定されない。様々な代替例、変形例および等価例が使用されてもよい。したがって、上記実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして捉えられるべきではない。

Claims (15)

  1. 長手方向の長さよりも小さい厚みおよび高さを有し、長手方向に延在する、面を有する第１の要素（１０１）と、
    長手方向の長さよりも小さい厚みおよび高さを有し、前記第１の要素と同じ長手方向に延在する、面を有する第２の要素（１０２）であって、前記第１の要素（１０１）の前記面に対向する前記第２の要素と、
    前記第１の要素（１０１）と前記第２の要素（１０２）との間に配置され、また、前記第１の要素（１０１）と前記第２の要素（１０２）とに動作可能に接続されたオープンコア構造（１０３）であって、複数の密に充填した四面体構造（２０１）を有するオープンコア構造と、を備える、サンドイッチ状構造要素（１００）。
  2. 前記オープンコア構造は、前記第１の要素（１０１）と前記第２の要素（１０１）との間に配置された少なくとも２つの平坦な要素（１０４、１０５）を備え、少なくとも２つの前記平坦な要素（１０４、１０５）は前記第１の要素（１０１）の前記面と前記第２の要素（１０２）の前記面との間に配置され、かつ、２つの前記要素（１０４、１０５）の間の第１の距離で互いに対向する、請求項１に記載のサンドイッチ状構造要素（１００）。
  3. 前記オープンコア構造は、少なくとも２つの前記平坦な要素（１０４、１０５）の間に配置された複数の単位セルを備え、各単位セルは２つの平坦な平行四辺形（３０１、３０２）を備え、２つの前記平坦な平行四辺形は、２つの前記平坦な平行四辺形（３０１、３０２）の間の角度（３０３）で、２つの前記平坦な平行四辺形（３０１、３０２）の対角線に沿って重なって交差する関係に配置される、請求項２に記載のサンドイッチ状構造要素。
  4. 前記平行四辺形の各々（３０１、３０２、４００ａ〜ｃ）は、前記平行四辺形の角から少なくとも前記平行四辺形の中央部（４０３）への前記平行四辺形の対角線（４０２）に沿ったスリット（４０１）を備え、前記スリットは、２つの前記平行四辺形が各平行四辺形の前記対角線に沿って接合されるように、スリット（４０１）を有する対応する平行四辺形を受けるよう構成した、請求項３に記載のサンドイッチ状構造要素。
  5. 前記単位セル（１０６）の前記平行四辺形は、前記対角線から距離を置いて配置された凹部を備える、請求項２〜４のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  6. 前記対角線は、２つの前記平坦な平行四辺形（３０１、３０２）の最短対角線である、請求項３〜５のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  7. 前記第１の要素（１０１）の前記面および前記第２の要素（１０２）の前記面は平坦である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  8. 少なくとも２つの前記平坦な要素（１０４、１０５）が、前記第１の要素（１０１）の前記平坦な面と前記第２の要素（１０２）の前記平坦な面とに対して垂直に配置される、請求項７に記載のサンドイッチ状構造要素。
  9. 前記複数の単位セルは２つの平坦なアレイによって形成され、各平坦なアレイ（７０１）は、中間平行四辺形の縁部に動作可能に接続された第１の縁部（７０３）を有する第１の平行四辺形（７０２）によって形成された反復三角波パターンを備える、請求項３〜８のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  10. 前記平坦なアレイ（７０１）は、隣接する前記第１の平行四辺形と前記中間平行四辺形との間の共通の前記縁部（７０３、７０４）に沿った折れ線を備え、前記中間平行四辺形は前記中間平行四辺形の短い対角線に沿った折れ線を備える、請求項７に記載のサンドイッチ状構造要素。
  11. サンドイッチ状構造体が板金を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  12. 前記板金がステンレス鋼である、請求項８に記載のサンドイッチ状構造要素。
  13. オープンセルコアの前記単位セルが、前記単位セルから、少なくとも２つの前記平坦な要素内の対応する溝内に延在するタブによって、少なくとも２つの前記平坦な要素に動作可能に接続される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  14. 前記オープンセルコアの単位セルが、接着剤によって前記第１の要素と前記第２の要素とに動作可能に接続される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
  15. 前記オープンセルコアの単位セルが、溶接によって前記第１の要素と第２の要素とに動作可能に接続される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のサンドイッチ状構造要素。
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