JP2020142504A - 複合構造およびその形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】微視亀裂の形成および構造の層間剥離などの損傷が生じやすい。【解決手段】複数の材料層と、複数の材料層内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層とを含む多層積層体を含む複合構造。多層積層体は、第1の腹板領域および第2の腹板領域を対向関係で画定し、かつ第1の腹板領域と第2の腹板領域との間に画定される折り曲げ先端領域を画定するように折り曲げられる。少なくとも1つの亀裂バリア層は、亀裂伝播が折り曲げ先端領域で複数の材料層を通じて広がることを制限するように構成されている。【選択図】図1

Description

本分野は、概して複合構造に関し、特に、耐衝撃性および耐亀裂伝播性が向上したパンチ形成ブレード型縦通材複合構造に関する。
一般的に、多層積層構造の作製は、金属(たとえば、アルミニウム、チタンや耐食鋼(CRES))補強材料、および/または母材と組み合わせて剛性構造を形成する非金属(たとえば、炭素繊維、ホウ素やガラス繊維)補強材料の層を接合することを含む。補強材料により、積層構造が強化されて剛性が高まり、母材により、硬化プロセス後に補強材料が支持される。多層積層構造は一般的に重量比強度が高く、様々な形状および寸法に形成することができる。少なくとも一部の周知の航空機構成要素は、炭素繊維強化ポリマー(CFRP)などの非金属複合材料の多層積層構造から作製される。複合材料は、アルミニウム、チタンおよび/またはスチールなどの金属材料と組み合わせて使用され、航空機の全体重量を低減する。一般的に、全体重量を低減することは航空機の燃料効率の上昇に寄与する。しかし、CFRPから作製された一般的な多層積層構造には、その製造中および/または就航中に微視亀裂の形成および構造の層間剥離などの損傷が生じやすい場合がある。このような構造に対する周知の損傷は微細であり、定期整備中に検出するのが困難である場合がある。
本記載箇所は、以降で説明および/または請求されている本開示の様々な態様に関連し得る技術の様々な態様を読者に紹介することを意図している。本説明は、読者に背景の知識を提供して本開示の様々な態様のよりよい理解を促すのに役立つと考えられる。したがって、当該記載はこの観点で読まれるものであり、従来技術の自認として読まれるものではないと当然解する。
一態様では、複合構造が、複数の材料層と、複数の材料層内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層とを含む多層積層体を含む。多層積層体は、第1の腹板領域および第2の腹板領域を対向関係で画定し、かつ第1の腹板領域と第2の腹板領域との間に画定される折り曲げ先端領域を画定するように折り曲げられる。少なくとも1つの亀裂バリア層は、亀裂伝播が折り曲げ先端領域で複数の材料層を通じて広がることを制限するように構成されている。
別の態様において、縦通材が、第1の腹板領域と、第1の腹板領域と対向関係にある第2の腹板領域と、第1および第2の腹板領域間に画定される折り曲げ先端領域とを含む腹板を含む。基部が腹板から延伸する。基部は、第1の腹板領域から延伸する第1の基部領域と、第2の腹板領域から延伸する第2の基部領域とを含む。腹板および基部は、複数の材料層と、複数の材料層内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層とを含む多層積層体から形成される。少なくとも1つの亀裂バリア層は、亀裂伝播が折り曲げ先端領域で複数の材料層を通じて広がることを制限するように構成されている。
さらに別の態様では、複合構造を形成する方法が、複数の材料層と、複数の材料層内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層とを含む多層積層体を形成するステップと、第1の腹板領域および第2の腹板領域を対向関係で画定し、かつ第1の腹板領域と第2の腹板領域との間に画定される折り曲げ先端領域を画定するために多層積層体を折り曲げるステップとを含む。また、方法は、多層積層体を硬化させるステップであって、少なくとも1つの亀裂バリア層は、亀裂伝播が折り曲げ先端領域で複数の材料層を通じて広がることを制限するように構成される、ステップも含む。
本開示の上述の態様に関して示されている形態の様々な改良が存在する。さらに、本開示の上述の態様にさらなる形態も組み入れてもよい。当該改良および追加の形態は個別に存在しても任意の組み合わせで存在してもよい。たとえば、本開示の図示されている実施形態のいずれかに関して以下で説明されている様々な形態を、本開示の上記で説明されている態様のいずれかに単独で組み入れても任意の組み合わせで組み入れてもよい。
複合構造例の図である。 図1に示されている複合構造の折り曲げ先端領域の拡大図である。 図1に示されている複合構造を形成するための一連のプロセスステップを示す。
図面全体にわたって、対応する参照符号が対応する部分を示す。
本出願で説明されている実施形態は、耐衝撃性および耐亀裂伝播性が向上したパンチ形成ブレード型縦通材複合構造に関する。この複合構造は航空機構造の縦通材として用いることができる。複合構造は、基部と、腹板と、腹板の折り曲げ先端領域とを画定するように折り曲げた多層積層構造から形成される。少なくとも一部の周知の複合体製造者は、折り曲げ先端領域を腹板から切り取って、折り曲げ先端領域で発生した亀裂または層間剥離が複合構造の別の部分に伝播するリスクを低減する。例示されている実施形態では、多層積層構造は、複数の材料層と、複数の材料層内で延伸する亀裂バリア層とから形成される。亀裂バリア層は、亀裂伝播が折り曲げ先端領域で複数の層を通じて広がることを制限することを容易にするように配置される。さらに、いくつかの実施形態では、衝撃損傷検出の実現を容易にするために折り曲げ先端領域にわたって検出層が延伸する。結果として得られる複合構造は、高い強度を持ち、側方方向に耐衝撃性を持つ堅牢な先端を有し、僅かにしか見ることができない衝撃損傷を検出する機能を持つ。
図1は複合構造例100の図である。例示されている実施形態では、複合構造100は、腹板102と、腹板102に対して垂直に延伸する基部104とを含む。これの代わりに、腹板102は基部104に対して斜めに向けられる。腹板102は、第1の腹板領域106と、第1の腹板領域106と対向関係にある第2の腹板領域108と、第1の腹板領域106と第2の腹板領域108との間に画定されている折り曲げ先端領域110とを含む。基部104は、第1の腹板領域106から延伸する第1の基部領域112と、第2の腹板領域108から延伸する第2の基部領域114とを含む。第1の基部領域112は第1のテーパ端116を含み、第2の基部領域114は第2のテーパ端118を含む。いくつかの実施形態では、複合構造100は、たとえば、航空機の外板120(図示せず)や別体のベースチャージ(base charge)(図示せず)に結合される。複合構造100により、外板120を支持して剛性を高めることが容易になる。
図2は、折り曲げ先端領域110の拡大図である。例示されている実施形態では、複合構造100は、複数の材料層124と、複数の材料層124内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層126とを含む多層積層体122を含む。たとえば、多層積層体122は、第1の表面128と、反対側の第2の表面130とを有する。以下でより詳細に説明されるように、多層積層体122はそれ自体の上に折り重ねられて複合構造100を形成する。折り重ねられると、第1の表面128は周囲環境に露出し、第1の腹板領域106と第2の腹板領域108との第2の表面130は、中央芯132を画定するために対向接触する。
外面128と中央芯132との間に少なくとも1つの亀裂バリア層126が配置されている。たとえば、複数の層124と亀裂バリア層126とは、複合構造100の少なくとも1つの寸法について境界が重なるように並んでいる。特に、一実施形態では、少なくとも1つの亀裂バリア層126が折り曲げ先端領域110全体にわたって延伸するように複数の層124および亀裂バリア層126が第1のテーパ端116から第2のテーパ端118まで延伸する。これの代わりに、亀裂バリア層126の長さが短く、折り曲げ先端領域110にわたってのみ延伸するなど、複合構造100の所定の領域内で延伸するのに限られる。亀裂および/または層間剥離が中央芯132内で発生し、多層積層体122を通じて伝播する場合がある。このため、少なくとも1つの亀裂バリア層126は、亀裂の伝播が折り曲げ先端領域110で複数の層124を通じて広がることを制限することを容易にするように配置される。
例示されている実施形態では、少なくとも1つの亀裂バリア層126は、多層積層体122内で互いに離間する第1の亀裂バリア層134と第2の亀裂バリア層136とを含む。第1の亀裂バリア層134は第2の亀裂バリア層136よりも中央芯132の近くに配置され、第2の亀裂バリア層136は第1の亀裂バリア層134よりも外面128の近くに配置されている。さらに、第1の亀裂バリア層134は外面128よりも中央芯132の近くに配置されている。このようにして、第1の亀裂バリア層134は中央芯132から既定の距離Dに位置決めされる。第1の亀裂バリア層134は、中央芯132で発生してしまった亀裂伝播が既定の距離Dを越えて広がることを制限する。一実施形態では、多層積層体122内の第1の亀裂バリア層134のレイアップ箇所が折り曲げ先端領域110の閾値厚さの関数として決定される。したがって、多層積層体122中の亀裂(図示せず)が閾値厚さを超える長さまで伝播することが制限される。閾値厚さは、折り曲げ先端領域110の全厚さTの約50パーセントであっても、約40パーセントであっても、約25パーセントであってもよい。さらに、亀裂伝播が第1の亀裂バリア層134を超えて延伸する場合に備えて、冗長性を備えた亀裂伝播保護を実現するように第1の亀裂バリア層134から所定の距離に第2の亀裂バリア層136が配置されている。
材料層124および亀裂バリア層126を、複合構造100がここで説明したように機能することを可能にする任意の材料から作製してもよい。例示されている実施形態では、層124は第1の構造的構成を持ち、亀裂バリア層126は第1の構造的構成とは異なる第2の構造的構成を持つ。このため、多層積層体122の層124の残り材料とは異なる材料から作製された亀裂バリア層126を配置することにより、多層積層体122内に不連続部を形成することが容易になることで、多層積層体122内での亀裂伝播の広がりを抑えることが容易になる。
さらに、樹脂相溶性および熱膨張の検討に基づいて多層積層体122の内容物向けに層124および亀裂バリア層126が選択される。たとえば、層124および亀裂バリア層126には、多層積層体122を形成するのに十分な相溶性を可能にするように選択された樹脂を予め含浸させてもよい。層124および亀裂バリア層126には同じ樹脂を含浸させても異なる樹脂を含浸させてもよい。さらに、層124および亀裂バリア層126は、層124の材料と亀裂バリア層126の材料とに既定の閾値未満の熱膨張率の差があるように選択される。既定の閾値は、層124の材料の熱膨張率値と亀裂バリア層126の材料の熱膨張率値とのあらゆる差に基づいて、25パーセントであっても20パーセントであっても10パーセントであってもよい。これにより、層124および亀裂バリア層126は、構造的に健全であり層間剥離が発生する尤度が低い多層積層体122の形成を容易にするように選択される。一実施形態では、層124は1方向プリプレグ炭素繊維材料から作製され、亀裂バリア層126は2方向プリプレグ炭素繊維材料から作製される。2方向炭素繊維材料は、亀裂バリア層126がここで説明したように機能することを可能にするいずれかの方向に配向された繊維を有する炭素繊維の織物シートであってもよい。たとえば、織物シートの繊維配向は0/90度または45/45度であってもよい。
例示されている実施形態では、多層積層体122は、折り曲げ先端領域110と、第1の腹板領域106および第2の腹板領域108の少なくとも部分とにわたって延伸する検出層138も含む。検出層138は、複合構造100がここで説明したように機能することを可能にするいずれかの材料から作製してもよい。一実施形態では、検出層138は、一般的にガラス繊維とも呼ばれているガラス繊維強化プラスチック材料から作製される。検出層138の組成は、複合構造100に生じる衝撃損傷の視覚化を容易にするように選択される。たとえば、ガラス繊維は一般的にCFRP材料よりも脆弱であるので、同じ力をガラス繊維に加えたりCFRP材料に加えたりすると、ガラス繊維上でより容易に視認することができより容易に検出することができる。
検出層138は折り曲げ先端領域110を衝撃損傷から保護することも容易にする。たとえば、図1を参照して、折り曲げ先端領域110は、第1の衝撃140、第2の衝撃142および第3の衝撃144などの様々な種類の衝撃を受けやすい場合がある。第1の衝撃140は腹板102とほぼ軸方向に揃い、第2の衝撃142は腹板102に対して約45度に向き、第3の衝撃144は腹板102に対してほぼ側方に向き、腹板102に対して約10度に向く。検出層138がない場合について、折り曲げ先端領域110を有する複合構造100は、既定の閾値未満の力を持つ第3の衝撃144による非限界衝撃損傷にほぼ耐えることができる。検出層138の追加により、複合構造100は、既定の閾値未満の力を持つ第1の衝撃140および第2の衝撃142による非限界衝撃損傷に耐えることができるようになる。このようにして、折り曲げ先端領域110により、第3の衝撃144によって引き起こされる側方の衝撃損傷に耐えるのを容易にする堅牢な耐せん断性が実現され、検出層138により、折り曲げ先端領域110の堅牢性が高まり、第1の衝撃140または第2の衝撃142によって引き起こされる損傷に耐えることが容易になる。折り曲げ先端領域110には耐層間座屈性もある。
図3は、複合構造100(図1に示されている)を形成するための一連のプロセスステップを示す。例示されている実施形態では、複合構造100を形成するのにパンチ形成装置146が用いられる。パンチ形成装置146はパンチ工具148とダイ150とを含む。ダイ150は、互いに所定の距離だけ離間した1対のダイブロック152を含み、これらの間には空隙部154が画定される。パンチ工具148はダイ150に対して平行移動可能であり、ダイブロック152は、空隙部154の寸法を調節するように互いに対して平行移動可能である。
例示されている実施形態では、最初にパンチ工具148がダイ150から所定の距離に配置される。第1のプロセスステップ156は、多層積層体122を形成して多層積層体122をダイ150上に位置決めすることを含む。多層積層体122を空隙部154にわたって延伸するように位置決めする。第2のプロセスステップ158は、多層積層体122を空隙部154に押し込むことを促進して、多層積層体122を折り曲げて折り曲げ先端領域110を画定することを開始するようにパンチ工具148をダイ150に向かって平行移動させることを含む。パンチ工具148が空隙部154に完全に挿入された後、多層積層体122のみが空隙部154内に残るように第3のプロセスステップ160でパンチ工具148が空隙部154から取り出される。第4のプロセスステップ162は、ダイブロック152を互いに向かって平行移動させて、第1の腹板領域106と第2の腹板領域108とが対向関係になるように多層積層体122のさらなる折り曲げを促進することを含む。その後、ダイ150から多層積層体122を取り外して硬化させて複合構造100を形成したり、ダイ150内でその場で硬化させたりしてもよい。
複合構造内で延伸する亀裂バリア層を有する折り曲げ先端領域を画定するように折り曲げられた複合構造の例示されている実施形態が上記で詳細に説明されている。複合構造の態様は、ここで説明した特定の実施形態に限定されず、さらに言えば、複合構造の複数の構成要素を個別に用いてもよく、ここで説明した他の構成要素とは別に用いてもよい。たとえば、複合構造の態様は、亀裂の伝播が複合構造で広がることを抑制することが望まれる任意の複合構造に含まれてもよい。
本開示またはその実施形態の要素を導く場合、冠詞「a」、「an」、「the」および「said」は、1つ以上の要素が存在することを意味することを意図している。用語「comprising」、「including」、「containing」および「having」は非排他的であることを意図しており、列挙されている要素以外の追加の要素があり得ることを意味する。特定の向きを示す用語(たとえば、「上」、「下」、「側方」など)の使用は、説明の便宜上のものであり、説明されているものの特定の向きをなんら要さない。
本開示の範囲から逸脱することなく上記の構成および方法に様々な変更をなすことができるので、上記の記載に含まれ、添付の図面に示されているすべての事項を例示的なものと解釈するものとし、限定的な意味では解釈しないものとする。
100 複合構造
102 腹板
104 基部
106 第1の腹板領域
108 第2の腹板領域
110 折り曲げ先端領域
112 第1の基部領域
114 第2の基部領域
116 第1のテーパ端
118 第2のテーパ端
120 外板
122 多層積層体
124 材料層
126 亀裂バリア層
128 外面、表面
130 表面
132 中央芯
134 第1の亀裂バリア層
136 第2の亀裂バリア層
138 検出層
140 第1の衝撃
142 第2の衝撃
144 第3の衝撃
146 パンチ形成装置
148 パンチ工具
150 ダイ
152 ダイブロック
154 空隙部

Claims (20)

  1. 複数の材料層(124)と、
    前記複数の材料層(124)内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層(126)と
    を備える多層積層体(122)
    を備え、
    前記多層積層体(122)は、第1の腹板領域(106)および第2の腹板領域(108)を対向関係で画定し、かつ前記第1の腹板領域(106)と前記第2の腹板領域(108)との間に画定される折り曲げ先端領域(110)を画定するように折り曲げられ、前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は、亀裂伝播が前記折り曲げ先端領域(110)内で前記複数の材料層(124)間で広がることを制限するように構成されている、
    複合構造(100)。
  2. 前記複数の材料層(124)は第1の構造的構成を持ち、前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は前記第1の構造的構成とは異なる第2の構造的構成を持つ、請求項1に記載の複合構造(100)。
  3. 前記多層積層体(122)は、順に、第1の基部領域(112)、前記第1の腹板領域(106)、前記折り曲げ先端領域(110)、前記第2の腹板領域(108)および第2の基部領域(114)をさらに画定するように折り曲げられ、前記多層積層体(122)は、前記第1および第2の腹板領域(106,108)が前記第1および第2の基部領域(112,114)に対して垂直または斜めに向けられるように折り曲げられる、請求項1または2に記載の複合構造(100)。
  4. 前記複数の材料層(124)は1方向炭素繊維材料から作製される、請求項1から3のいずれか一項に記載の複合構造(100)。
  5. 前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は2方向炭素繊維材料から作製される、請求項1から4のいずれか一項に記載の複合構造(100)。
  6. 前記多層積層体(122)は、前記折り曲げ先端領域(110)にわたって延伸する検出層(138)をさらに備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の複合構造(100)。
  7. 前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は、前記多層積層体(122)内で互いに離間する第1の亀裂バリア層(134)および第2の亀裂バリア層(136)を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の複合構造(100)。
  8. 前記複数の材料層(124)および前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は少なくとも1つの寸法について境界が重なるように並ぶ、請求項1から7のいずれか一項に記載の複合構造(100)。
  9. 第1の腹板領域(106)と、
    前記第1の腹板領域(106)と対向関係にある第2の腹板領域(108)と、
    前記第1および第2の腹板領域(108)間に画定される折り曲げ先端領域(110)と
    を備える腹板(102)と、
    前記腹板(102)から延伸する基部(104)であって、前記基部(104)は、
    前記第1の腹板領域(106)から延伸する第1の基部領域(112)と、
    前記第2の腹板領域(108)から延伸する第2の基部領域(114)と
    を備える、基部(104)と
    を備え、
    前記腹板(102)および前記基部(104)は、複数の材料層(124)と、前記複数の材料層(124)内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層(126)とを備える多層積層体(122)から形成され、前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は、亀裂伝播が前記折り曲げ先端領域(110)内で前記複数の材料層(124)間で広がることを制限するように構成される、
    縦通材。
  10. 前記複数の材料層(124)は第1の構造的構成を持ち、前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は前記第1の構造的構成とは異なる第2の構造的構成を持つ、請求項9に記載の縦通材。
  11. 前記複数の材料層(124)は1方向炭素繊維材料から作製される、請求項9または10に記載の縦通材。
  12. 前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は2方向炭素繊維材料から作製される、請求項9から11のいずれか一項に記載の縦通材。
  13. 前記多層積層体(122)は、前記折り曲げ先端領域(110)にわたって延伸する検出層(138)をさらに備える、請求項9から12のいずれか一項に記載の縦通材。
  14. 前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は、前記多層積層体(122)内で互いに離間する第1の亀裂バリア層(134)および第2の亀裂バリア層(136)を備える、請求項9から13のいずれか一項に記載の縦通材。
  15. 前記複数の材料層(124)および前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は少なくとも1つの寸法について境界が重なるように並ぶ、請求項9から14のいずれか一項に記載の縦通材。
  16. 複数の材料層(124)と、前記複数の材料層(124)内で延伸する少なくとも1つの亀裂バリア層(126)とを含む多層積層体(122)を形成するステップと、
    第1の腹板領域(106)および第2の腹板領域(108)を対向関係で画定し、かつ前記第1の腹板領域(106)と前記第2の腹板領域(108)との間に画定される折り曲げ先端領域(110)を画定するために前記多層積層体(122)を折り曲げるステップと、
    前記多層積層体(122)を硬化させるステップであって、前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)は、亀裂伝播が前記折り曲げ先端領域(110)内で前記複数の材料層(124)間で広がることを制限するように構成される、ステップと
    を備える複合構造(100)を形成する方法。
  17. 多層積層体(122)を形成するステップは、第1の構造的構成を持つ前記複数の層(124)と、前記第1の構造的構成とは異なる第2の構造的構成を持つ前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)とから前記多層積層体(122)を形成するステップを備える、請求項16に記載の方法。
  18. 前記多層積層体(122)を折り曲げるステップは、順に、第1の基部領域(112)、前記第1の腹板領域(106)、前記折り曲げ先端領域(110)、前記第2の腹板領域(108)および第2の基部領域(114)をさらに画定するために前記多層積層体(122)を折り曲げるステップであって、前記多層積層体(122)は、前記第1および第2の腹板領域(108)が前記第1および第2の基部領域(114)に対して垂直に向けられるように折り曲げられる、ステップを備える、請求項16または17に記載の方法。
  19. 多層積層体(122)を形成するステップは、1方向炭素繊維材料から作製される前記複数の層(124)と、2方向炭素繊維材料から作製される前記少なくとも1つの亀裂バリア層(126)とから前記多層積層体(122)を形成するステップを備える、請求項16から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 多層積層体(122)を形成するステップは、前記多層積層体(122)が折り曲げられるときに前記折り曲げ先端領域(110)にわたって延伸するように前記多層積層体(122)上に検出層(138)を位置決めするステップを備える、請求項16から19のいずれか一項に記載の方法。
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