JP2020050330A - 熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化航空機胴体構造 - Google Patents

熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化航空機胴体構造 Download PDF

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Abstract

【課題】熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化航空機胴体構造を提供する。【解決手段】航空機構造およびその構築方法は、航空機構造を構築する現在の方法に伴う非効率性を回避し、航空機構造の構築に必要な製造時間を短縮し、航空機構造の構築に伴うコストを削減する。航空機構造およびその構築方法は、格子フレームワークおよび外板パネルのオーバーモールド/共固化によって熱可塑性複合材胴体外板パネルの内面に接合される交差する熱可塑性複合材ストリップの測地線または多重格子フレームワークからなる。【選択図】図1

Description

本開示は、航空機構造と、航空機構造を構築する現在の方法に伴う非効率性を回避し、航空機構造の構築に必要な製造時間を短縮し、航空機構造の構築に伴うコストを削減するその構築方法とに関する。より具体的には、本開示の航空機構造およびその構築方法は、格子フレームワークおよび外板パネルのオーバーモールドおよび/または共固化によって熱可塑性複合材胴体外板パネルの内面に接合される交差する熱可塑性複合材ストリップの測地線または多重格子フレームワークからなる。
従来の基本的な航空機構造では、航空機の胴体を構成する航空機の外板パネルは、補剛フレームワーク上に取り付けられて支持される。フレームワークは、多くの場合、胴体の外周に延在するフレームと、フレームに取り付けられ胴体の長手方向に延び得るストリンガとからなる概ね長方形の外形を有する。航空機胴体を形成する外板パネルは、締め具、接着剤、共硬化、または他の同等の手段によってストリンガに取り付けられる。ストリンガは、胴体の曲げ荷重を支え、外板パネルの座屈を防止するために外板パネルを支持するのに役立つ。ストリンガはまた、フレームに接続されている場合、航空機胴体の外板パネルから航空機フレームワークのフレームに荷重を伝達し得る。
ストリンガおよびフレームからなるフレームワークで航空機を構築するコストは、航空機の全体的なコストの大きな一因となる。多くの場合、ストリンガおよびフレームは、複合材構造の場合はいくつかの製造ステップを要し、しわを防ぐために特別な注意を必要とし得る複雑な外形上に形成される必要がある。ストリンガおよびフレームを互いに位置合わせして胴体の外板パネルに取り付けることは、航空機を構築するために必要な時間の大きな一因となり、その結果、航空機の全体的なコストの一因となる。
フレームおよびストリンガから航空機のフレームワークを構築することは、胴体外板の不規則な内面に沿って複雑なパターンでフレームおよびストリンガを構築することも必要とする。これは、航空機の構築に必要なエンジニアリング時間および工具コストの大きな一因となる。さらに、ストリンガ、フレーム、および外板の接続に使用される締め具は、航空機の組み立て時間および航空機の重量の大きな一因となる。
さらに、概ね長方形の外形を有する、フレームおよびストリンガのフレームワークでは、窓開口部または他の概ね円形の開口部をフレームワークに組み込むことが問題となり得る。フレームワークが構築された後に窓フレームまたは円形開口部フレームをフレームワークにボルトで固定することが多くの場合に必要である。ドレンマストまたはアンテナなど用の他の貫通口は、複合材レイアップに小さなパイルを含めることによって達成される、外板の局所的な補強を必要とする。これにより、航空機構造に必要な時間が長くなり、航空機構造の重量が増大する。
本開示の熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化航空機胴体構造およびその構築方法は、前述の航空機胴体を構築する現在の実践に関連する欠点の多くを克服する。本開示の航空機構造は、航空機構造を大幅に単純化し、航空機構造の構築に必要な時間を大幅に短縮するオーバーモールドプロセスを採用している。
本明細書で説明されている航空機構造およびその構築方法は、完全な航空機胴体のごく一部の部分である。しかしながら、本明細書で説明されている航空機構造および方法は、航空機胴体の全体構造を形成するために後で組み立てられる、航空機胴体の大きな部分を構築する際に使用することができる。さらに、航空機構造およびその構築方法は、航空機の他の部分を構築する際に使用することができる。
航空機構造は、外面および反対側の内面を有する外板パネルからなる。外板パネルの外面は、航空機胴体の外面の一部を形成する。本開示の方法によれば、外板パネルは、外板パネルの外面が金型の表面に接触するように金型内に配置される。代替的な方法では、複数のストリップが金型内に配置され、複数のストリップ上に外板パネルが配置され、次に、金型が閉じられる。
次に、複数のストリップが、金型内の外板パネルの内面に配置される。複数のストリップは、細長い長さ寸法、幅寸法、および厚さ寸法を有する。複数のストリップはまた、部分的にストリップの幅寸法にわたって延在するスロットを有する。スロットは、複数のストリップをそれらのスロットで互いに組み立てることによって交差、測地線、または多重格子構造で複数のストリップを互いに組み立てることを可能にする。測地線または多重格子構造で互いに組み立てられる複数のストリップは、複数のストリップの縁部が外板パネルの内面に係合するように金型内で外板パネルの内面に配置される。これにより、金型内の外板パネルの内面から外側に延びる、複数のストリップの幅寸法が位置合わせされる。
次に、金型が、金型内部の外板パネルの内面上の複数のストリップ上で閉じられる。次に、加熱され液化されたオーバーモールド材料が、金型に注入される。オーバーモールド材料は、金型を通って流れ、外板パネルの内面と外板パネルの内面上の複数のストリップとの間に広がる。オーバーモールド材料の熱は、外板パネルの内面と複数のストリップとの接触部分を溶解させ、外板パネルの内面と複数のストリップとの接触部分を互いに融合させる。次に、金型に注入されたオーバーモールド材料を冷却することが可能であり、これにより、外板パネルの内面と複数のストリップとの接触部分に接合部が形成される。このようにして、オーバーモールド材料は、複数のストリップを外板パネルの内面に固定し、複数のストリップをスロットの接触箇所で互いに固定する。
次に、金型が開かれ、外板パネルと、外板パネルの内面上の複数のストリップと、複数のストリップを外板パネルの内面に固定するオーバーモールド材料とからなる航空機構造が、金型から取り出される。
上記の方法によれば、外板パネルと、外板パネルの内面に固定された複数の交差するストリップと、複数のストリップを外板パネルの内面に固定するオーバーモールド材料とからなる航空機胴体構造が構築される。
外板、複数のストリップ、またはこれら両方を支持するための、外板および/または複数のストリップに垂直なより小さな補剛要素を形成するために、座屈を防止するためにまたは荷重を加えるために、それらが貫通する箇所でダブラとして機能するように外板または複数のストリップに厚さを追加するために、金型内の追加の空隙部にオーバーモールド材料が充填されてもよい。
これまで述べてきた特徴、機能、および利点は、様々な実施形態において単独で達成されてもよいし、さらなる他の実施形態では組み合わされてもよい。なお、これらのさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して理解され得る。
本開示の方法に従って構築された熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化航空機胴体の断面立面の概略図である。 図1に示されている航空機胴体の熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化胴体構造の上面斜視図である。 熱可塑性多重格子オーバーモールド/共固化胴体構造を構築する、本開示の方法のフローチャート図である。 図2と同様の図であり、交差する補剛ストリップ間の補剛フィレットとして形成され、補剛トライアングル(stiffener triangle)として形成されたオーバーモールド材料の例を示している。
図1は、航空機胴体10の外板14の内面に接合され固定される補剛ストリップ12からなる航空機胴体10の断面立面図である。胴体の補剛ストリップ12および外板14は、繊維強化熱可塑性複合材料から構築される。補剛ストリップ12は、交差し、外板14の内面に固定される測地線または多重格子フレームワーク16として互いに固定される。外板14は、胴体10の外板を形成する複数の航空機外板パネルからなる。
図2は、航空機胴体10を構成する複数の外板パネルのうちの、繊維強化熱可塑性複合材料の個別の外板パネル18と、外板パネル18の内面24に固定された、繊維強化熱可塑性複合材料の複数のストリップ22との概略図である。図2の外板パネル18およびストリップ22は、図1に示されている航空機胴体10の全体の多重格子フレームワーク16および胴体外板14の一部のみを構成することを理解されたい。図2の外板パネル18および複数のストリップ22の構造は、図1に示されている多重格子フレームワーク16および胴体外板14の全体構造を構成する同様のサブアセンブリにおいて繰り返される。
図2に示されている外板パネル18は、熱可塑性複合材積層体である。外板パネル18の厚さは、航空機胴体10が使用中に受ける荷重に外板パネル18を最も良く適合させるように選択される。図2の4つの縁部26、28、32、34によって示される、外板パネル18の外周縁部は、所望の外形に切断および成形される。図2では、外周縁部は、概ね長方形の外形を有するが、外板パネル18の外周縁部は、他の所望の外形に切断および成形することができる。図2には、外板パネル18を貫通する開口部38も示されている。図2の開口部38は、比較的小さいが、外板パネル18を貫通する必要がある窓開口部またはシステム貫通口などの任意のタイプの開口部を表す。
図2には、外板パネル18の内面24上のパッドアップストリップ42が示されている。パッドアップ42は、パッドアップ42が配置された外板パネル18の領域を補強する。パッドアップ42は、図2では、概ね細長い長方形の外形を有するものとして示されている。しかしながら、パッドアップ42は、パッドアップ42が配置された外板パネル18の領域を補強するために他の任意の外形を有することができる。パッドアップ42はまた、階段状の断面外形を有し、パッドアップのより厚い中央部分でより大きな厚さおよびより大きな補強を外板パネル18に提供する。パッドアップ42もまた熱可塑性複合材積層体であり、外板を構成する積層体と一体化することができる。
複数の補剛ストリップ22は、外板パネル18の内面24に配置される。複数の補剛ストリップ22のそれぞれは、複合材積層体のブランクからある形状に切断しトリミングすることができるし、あるいはそれは、複合材料のストリップまたはテープを用いてレイアップすることができる。複数の補剛ストリップ22のそれぞれは、図2では、複合材料の平坦な積層ストリップとして示されている。しかしながら、複数のストリップ22のそれぞれは、ストリップを湾曲した表面上にレイアップすることによって、または平坦な積層体を加熱プレスで湾曲させることによって予め湾曲させることができる。複数の補剛材22の各補剛材は、異なる方向、例えば+60°、−60°、および/もしくは0°または他の向きに配置された繊維を有する、補剛材を構成する積層体の層で形成することができる。複数の補剛材22の各補剛材は、取付具、ブラケット、または他の同様の形状で形成することもできる。複数の補剛ストリップ22の各補剛ストリップは、補強フランジまたは他の同様の補剛要素を用いて形成することもできる。図2では、5つの補剛ストリップ46、48、52、54、56が示されている。しかしながら、補剛ストリップ22の数は、図2に示されている5つの補剛ストリップ46、48、52、54、56より多くても少なくてもよい。補剛ストリップ46、48、52、54、56のそれぞれは、熱可塑性複合材積層体である。補剛ストリップ46、48、52、54、56のそれぞれは、所望の形状または外形で積層シートから切断される。図2に示されている補剛ストリップ46、48、52、54、56のそれぞれは、概ね長方形の細長い外形を有する。しかしながら、補剛ストリップ22は、他の外形で切断および成形することができる。補剛ストリップ46、48、52、54の4つは、図2では、実質的に同じ長さ寸法、幅寸法、および厚さ寸法を有するものとして示されている。しかしながら、補剛ストリップ22は、異なる長さ寸法、幅寸法、および厚さ寸法を有することができる。図2の中央の補剛ストリップ56は、他の補剛ストリップ46、48、52、54よりも大きい厚さ寸法および他の補剛ストリップ46、48、52、54よりも大きい幅寸法を有する中央部分58を有するものとして示されている。補剛ストリップ46、48、52、54、56のそれぞれは、それぞれ底縁部62、64、66、68、72を有する。それぞれのストリップ46、48、52、54、56の底縁部62、64、66、68、72は、内面24の外形にぴったりと一致し、補剛ストリップ22が外板パネル18の内面24上に取り付けられるときに外板パネル18の内面24に適合し完全に係合するようにトリミング、切断、または成形される。複数のストリップ22のうちの第1のストリップ46および第2のストリップ48には、それぞれ底縁部切り欠き74、76が形成されている。底縁部切り欠き74、76は、第1のストリップ46および第2のストリップ48が図2に示されているように外板パネル18の内面24に配置されるときにパッドアップ42の上面に適合し係合するように成形される。
補剛ストリップ22は、交差格子パターンまたは交差測地線もしくは多重格子構造で外板パネル18の内面24に配置される。補剛ストリップ22によって形成されるパターンは、荷重のレベルおよび方向の変動に対応するために局所的に調整することができる。外板パネル18の内面24に配置される補剛ストリップ22の交差測地線または多重格子構造の場合、複数の補剛ストリップ22の幅寸法は、外板パネル18の内面24から外側に延びる。交差する補剛ストリップ22は、交差するストリップに嵌合スロットを設けることによって、そしてその後、後に説明するオーバーモールド材料によって互いに接続される。ストリップ22間の他の同等のタイプの接続を使用することができる。隣接する交差する第1のストリップ46および第2のストリップ48は、部分的にストリップを通って形成されるそれぞれのスロット82、84を有する。第1のストリップ46のスロット82は、ストリップの底縁部62から部分的に第1のストリップ46を通って形成される。第2のストリップ48を通るスロット84は、第2のストリップの上縁部86から部分的に第2のストリップ48を通って形成される。第2のストリップ48は、第2のストリップ48の部分スロット84で第1のストリップ46の部分スロット82に挿入され、第1のストリップ46は、第1のストリップ46の部分スロット82で第2のストリップ48の部分スロット84に挿入される。これにより、第1のストリップ46と第2のストリップ48との交差接合部が形成される。複数のストリップ22の他のストリップの交差部は、第1のストリップ46と第2のストリップ48との交差部と同じ方法で互いに接合することができる。
オーバーモールド化合物またはオーバーモールド材料92は、外板パネル18の内面24上に設けられる。オーバーモールド材料92は、任意のタイプの熱可塑性樹脂、または強化材、例えば短繊維強化材に浸潤される任意のタイプの熱可塑性樹脂とすることができる。オーバーモールド化合物またはオーバーモールド材料92はまた、ニート樹脂、射出/成形材料、または外板パネル18および複数の補剛ストリップ22の樹脂材料と適合性があるタイプの強化樹脂材料とすることができる。オーバーモールド材料92は、外板パネル18の内面24の一部、パッドアップ42、および複数の補剛ストリップ22の一部を覆って延在する。オーバーモールド材料92は、複数の補剛ストリップ22を外板パネル18の内面24およびパッドアップ42に固定し、補剛ストリップをそれぞれの隣接物に固定する。オーバーモールド材料92は、複数の補剛材22のための補強フランジとして、または外板パネル18の内面24上の他のタイプの補強部、例えば、外板パネル18を貫通する開口部38の周囲のより厚い補強外周部として形成することができる。図4は、第1の補剛ストリップ46と第2の補剛ストリップ48との交差部に補剛フィレット92’として形成され、外板パネル18と第1の補剛ストリップ46との間に補剛トライアングル92’’として形成されたオーバーモールド材料92の図である。
図3は、図2の航空機構造を構築することに含まれる方法のステップを示している。最初に、外板パネル18が、金型94内に配置される。外板パネル18は、外板パネル18の外面96が金型94の金型表面98に接触して支持されるように金型94内に配置される。外板パネル18の外面96は、航空機胴体10の外面の一部を形成する。
次に、パッドアップ42および複数の補剛ストリップ22が、外板パネル18の内面24に配置される。複数のストリップ22は、金型94内および外板パネル18の内面24上に配置されるときに測地線または多重格子構造に組み立てられる。複数のストリップ22の幅寸法は、外板パネル18の内面24から外側に延びる。
次に、金型94が、外板パネル18および外板パネル18の内面24上の複数の補剛ストリップ22上で閉じられる。次に、複数のストリップ22および外板パネル18の内面24を加熱するために金型94を加熱することができる。金型94の熱は、パッドアップ42、複数の補剛ストリップ22、および外板パネル18の内面24を部分的に溶解させ、パッドアップ42、複数の補剛ストリップ22、および外板パネル18の内面24を互いに融合させることができる。どのタイプの熱可塑性複合材料が図2の航空機構造の構築に使用されるかによっては、金型94の加熱は必要ない。
次に、加熱され液化されたオーバーモールド材料92が金型94に注入される。金型94は、金型を通して、外板パネル18の内面24上のパッドアップ42と複数のストリップ22との接触部分と、複数のストリップ22間の交差部または接触部に液化したオーバーモールド材料92を誘導するように構築される。同様に、図2の航空機構造を構築するために使用される熱可塑性複合材料のタイプによっては、液化したオーバーモールド材料92の熱が、パッドアップ42および複数のストリップ22と外板パネル18の内面24との接触部分を部分的に溶解させて互いに融合させる。液化したオーバーモールド材料92は、金型94によって、図2に示されているパッドアップ42、複数の補剛ストリップ22、および外板パネル18の内面24に対するその所定の位置に誘導される。液化したオーバーモールド材料92はまた、外板パネル18を貫通する開口部38の周囲に補強部を形成し、外板パネル18の内面24および/または複数の補剛ストリップ22の補剛要素を形成することができる。次に、金型94に注入されたオーバーモールド材料92を冷却することが可能であり、これにより、パッドアップ42および複数の補剛ストリップ22と外板パネル18の内面24との接触部分に接合部が形成され、パッドアップ42および複数の補剛ストリップ22は、外板パネル18の内面24に固定される。
次に、金型が開かれ、外板パネル18、パッドアップ42、および複数の補剛ストリップ22からなる航空機構造が金型から取り出される。
上記の方法によれば、外板パネル18と、外板パネル18の内面24上のパッドアップ42と、外板パネル18の内面24に固定された複数の交差する補剛ストリップと、パッドアップ42および複数の補剛ストリップ22を外板パネル18の内面24におよび互いに固定するオーバーモールド材料92とからなる図2に示されている航空機胴体構造が構築される。
オーバーモールド構造は、本明細書では航空機構造として説明されているが、オーバーモールド構造は、宇宙打ち上げビークル構造、バルクヘッド構造、または他のそのような構造用途にも適用することができる。
本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明および図示されている航空機構造およびその構築方法に様々な修正を加えることができるため、前述の説明に含まれているかまたは添付の図面に示されているすべての事項は限定としてではなく例示として解釈されなければならないことが意図されている。したがって、本開示の広さおよび範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、本明細書に添付されている以下の特許請求の範囲およびその均等物に従ってのみ規定される。
10 航空機胴体
12 補剛ストリップ
14 外板
16 多重格子フレームワーク
18 外板パネル
22 補剛ストリップ
24 内面
26 縁部
28 縁部
32 縁部
34 縁部
38 開口部
42 パッドアップストリップ
46 補剛ストリップ
48 補剛ストリップ
52 補剛ストリップ
54 補剛ストリップ
58 中央部分
62 底縁部
64 底縁部
66 底縁部
68 底縁部
72 底縁部
74 底縁部切り欠き
76 底縁部切り欠き
82 スロット
84 スロット
86 上縁部
92 オーバーモールド材料
92’ 補剛フィレット
92’’ 補剛トライアングル
94 金型
96 外面
98 金型表面

Claims (20)

  1. パネルであって、前記パネルが、前記パネルの両側に外面および内面を有する、パネルと、
    前記パネルの前記内面上の複数のストリップであって、前記複数のストリップが交差する、複数のストリップと、
    前記複数のストリップ間に延在するオーバーモールド材料であって、前記オーバーモールド材料が、前記複数のストリップを互いに固定する、オーバーモールド材料と、
    を備える航空機構造。
  2. 前記オーバーモールド材料が、前記パネルの前記内面と前記複数のストリップとの間に延在し、前記オーバーモールド材料が、前記複数のストリップを前記パネルの前記内面に固定する
    ことをさらに含む、請求項1に記載の航空機構造。
  3. 前記複数のストリップが、縁部を有し、前記複数のストリップの前記縁部が、前記オーバーモールド材料によって前記パネルの前記内面に固定される
    ことをさらに含む、請求項2に記載の航空機構造。
  4. 前記複数のストリップが、前記パネルの前記内面にわたって延びる長さを有し、
    前記複数のストリップが、前記パネルの前記内面から外側に延びる幅を有する
    ことをさらに含む、請求項2または3に記載の航空機構造。
  5. 前記複数のストリップのうちの一部のストリップが、異なる幅寸法を有する
    ことをさらに含む、請求項4に記載の航空機構造。
  6. 前記複数のストリップのうちの一部のストリップが、異なる厚さ寸法を有する
    ことをさらに含む、請求項2から5のいずれか一項に記載の航空機構造。
  7. 前記複数のストリップが、第1のストリップおよび第2のストリップを含み、前記第1のストリップが、スロットを有し、前記第2のストリップが、前記第1のストリップの前記スロット内に延在する
    ことをさらに含む、請求項2から6のいずれか一項に記載の航空機構造。
  8. 前記第2のストリップが、スロットを有し、
    前記第1のストリップが、前記第2のストリップの前記スロット内に延在する
    ことをさらに含む、請求項7に記載の航空機構造。
  9. 前記複数のストリップが、複合材料の平坦な積層ストリップである
    ことをさらに含む、請求項2から8のいずれか一項に記載の航空機構造。
  10. 前記オーバーモールド材料が、繊維強化熱可塑性物質である
    ことをさらに含む、請求項2から9のいずれか一項に記載の航空機構造。
  11. 外面および前記外面の反対側の内面を有する外板パネルと、
    前記外板パネルの前記内面上の複数のストリップであって、前記複数のストリップが交差し、前記複数のストリップが、前記外板パネルの前記内面に接続される縁部を有する、複数のストリップと
    前記外板パネルの前記内面上のオーバーモールド材料であって、前記オーバーモールド材料が、前記外板パネルの前記内面と前記複数のストリップとの間に延在し、前記オーバーモールド材料が、前記複数のストリップを前記外板パネルの前記内面に固定する、オーバーモールド材料と、
    を備える航空機構造。
  12. 前記複数のストリップが、前記外板パネルの前記内面にわたって延びる長さ寸法を有し、
    前記複数のストリップが、前記外板パネルの前記内面から外側に延びる幅寸法を有する
    ことをさらに含む、請求項11に記載の航空機構造。
  13. 前記複数のストリップのうちの一部のストリップが、異なる幅寸法を有し、
    前記複数のストリップのうちの一部のストリップが、異なる厚さ寸法を有する
    ことをさらに含む、請求項11または12に記載の航空機構造。
  14. 前記複数のストリップのうちの第1のストリップが、スロットを有し、
    前記複数のストリップのうちの第2のストリップが、前記第1のストリップの前記スロット内に延在し、前記スロットで前記第1のストリップと交差する
    ことをさらに含む、請求項11から13のいずれか一項に記載の航空機構造。
  15. 前記オーバーモールド材料が、前記第1のストリップの前記スロットで前記第1のストリップおよび前記第2のストリップを覆って延在する
    ことをさらに含む、請求項14に記載の航空機構造。
  16. 前記第2のストリップが、スロットを有し、
    前記第1のストリップが、前記第2のストリップの前記スロット内に延在することによって前記第2のストリップと交差する
    ことをさらに含む、請求項14または15に記載の航空機構造。
  17. 前記複数のストリップの各ストリップが、複合材料の平坦な積層体である
    ことをさらに含む、請求項11から16のいずれか一項に記載の航空機構造。
  18. 前記オーバーモールド材料が、熱可塑性物質である
    ことをさらに含む、請求項16または17に記載の航空機構造。
  19. 航空機構造を構築する方法であって、前記方法が、
    外面および前記外面の反対側の内面を有するパネルを金型内に、前記パネルの前記外面を前記金型に接触させて配置するステップと、
    複数のストリップを交差格子パターンに並べて前記複数のストリップを前記パネルの前記内面に配置するステップと、
    前記金型を閉じるステップと、
    オーバーモールド材料を前記金型に注入し、前記オーバーモールド材料で前記パネルの前記内面および前記複数のストリップをオーバーモールドするステップと、
    を含む方法。
  20. 前記オーバーモールド材料を前記金型に注入して前記複数のストリップを前記パネルの前記内面に固定するステップ
    をさらに含む、請求項19に記載の方法。
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