JP2021017127A - Structure of movable body, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動体の構造体、および移動体の構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a moving body structure and a method for manufacturing the moving body structure.
自動車産業では、自動車構造材として、これまで主流であった鉄鋼材の代替として、より軽いアルミニウムやチタンなどの金属材、更には、軽量な炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)などの複合材と組み合わせることにより、車体を軽量化するマルチマテリアル技術が注目されている。しかし、CFRPは、(1)金属に比べて加工性が低いという問題があり、また、(2)導電性が低いため、落雷などで構造材に大電流が流れたときに、大きく損傷する恐れがあるという問題もある。さらには、(3)CFRPのような脆性材料を構造材に用いた場合は、構造材同士の結合部に対して応力集中が発生し易く、強度不具合が発生する恐れがあるという問題もある。 In the automobile industry, as an alternative to steel materials, which have been the mainstream for automobile structural materials, lighter metal materials such as aluminum and titanium, and lightweight carbon fiber reinforced plastics (CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) are used. Multi-material technology that reduces the weight of the vehicle body by combining it with a composite material is drawing attention. However, CFRP has the problem of (1) lower workability than metal, and (2) lower conductivity, so there is a risk of significant damage when a large current flows through the structural material due to a lightning strike or the like. There is also the problem that there is. Further, when a brittle material such as (3) CFRP is used as the structural material, there is a problem that stress concentration is likely to occur at the joint portion between the structural materials, and a strength defect may occur.
従って、自動車等の構造材では、全ての部材をCFRPで構成するのではなく、金属とCFRPを適材適所で使用し、生産性や安全性を確保しながら、構造材の軽量化を目指すことが検討されてきた。例えば特許文献1には、アルミニウム合金からなる展伸部材とCFRP部材とを複合した構造材において、圧縮曲げ荷重の付与時に引張応力が発生する展伸部材の裏面の一部に対し、CFRP部材を接着して、補強することが開示されている。 Therefore, in structural materials such as automobiles, instead of constructing all members with CFRP, it is necessary to use metal and CFRP in the right place and aim to reduce the weight of the structural material while ensuring productivity and safety. It has been considered. For example, in Patent Document 1, in a structural material in which a stretching member made of an aluminum alloy and a CFRP member are composited, a CFRP member is provided for a part of the back surface of the stretching member in which tensile stress is generated when a compressive bending load is applied. It is disclosed to bond and reinforce.
一方、航空機産業では、CFRPは構造材として既に幅広く使用されており、CFRP構造材(母材)を金属材(補強材)で補強した技術も提案されている。例えば特許文献2には、サイズの大きな航空機の構成部品において、CRPプレプレッグ材料で形成された構成部品の力導入領域や接続領域を、金属フォイルからなる補強材料で補強する技術が開示されている。また、特許文献3には、表面仕上げ層と、繊維強化材料層と、金属箔からなる伝導層と、絶縁粘着層と、キャリアペーパー層とが積層された一体型落雷防護材料シートを製造し、CFRPからなる複合構造材である複合スキン上に、当該一体型落雷防護材料シートを帯状に貼り付ける技術が開示されている。
On the other hand, in the aircraft industry, CFRP is already widely used as a structural material, and a technique of reinforcing a CFRP structural material (base material) with a metal material (reinforcing material) has also been proposed. For example,
しかしながら、上記特許文献2、3に記載のように、CFRP複合材を母材とし、アルミニウムやチタン等の金属材を補強材として使用した航空機等の構造材では、構造材の軽量化と強度向上を図るためには、CFRP複合材と金属材のそれぞれの材料自体の特性を改善するしかなかった。このため、CFRP複合材(母材)と金属材(補強材)とを単純に組み合わせるだけでは、航空機の構造体全体の軽量化と、補強が必要な部位の強度向上の両立に限界があるという問題があった。さらには、CFRP複合材を構造材の母材として用いた場合には、上述したCFRPの材質的な問題点(1)〜(3)も依然として残っていた。
However, as described in
そこで、本発明は、航空機または車両等の移動体の構造体の軽量化と、補強が必要な部位の強度向上を両立させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to achieve both weight reduction of a structure of a moving body such as an aircraft or a vehicle and improvement of strength of a portion requiring reinforcement.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、移動体の構造体の母材となる金属板と、前記金属板の補強材として、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状に接合された複数本の繊維強化複合材と、を備え、前記繊維強化複合材は、前記移動体の移動時に前記金属板に作用する応力に応じて配置される、移動体の構造体が提供される。 In order to solve the above problems, according to a certain viewpoint of the present invention, with respect to at least one surface of the metal plate as a base material of the structure of the moving body and as a reinforcing material of the metal plate. , A plurality of fiber-reinforced composites joined in a linear shape including a curved shape, and the fiber-reinforced composites are arranged according to the stress acting on the metal plate when the moving body moves. A moving body structure is provided.
前記繊維強化複合材は、前記移動体の移動時に前記金属板に作用する主応力方向に沿って、曲線状を含む線状に配置されるようにしてもよい。 The fiber-reinforced composite material may be arranged in a linear shape including a curved shape along the main stress direction acting on the metal plate when the moving body moves.
前記繊維強化複合材は、前記移動体の移動時に前記金属板に作用する応力が集中する応力集中部位に対して配置されるようにしてもよい。 The fiber-reinforced composite material may be arranged at a stress concentration portion where the stress acting on the metal plate is concentrated when the moving body moves.
前記移動体は航空機であり、前記応力集中部位は、前記航空機の胴体と主翼との結合部を含むようにしてもよい。 The moving body is an aircraft, and the stress concentration site may include a joint portion between the fuselage and the main wing of the aircraft.
前記移動体は航空機であり、前記移動体の構造体は、前記航空機の胴体または主翼のうちの少なくともいずれかの外装材であるようにしてもよい。 The moving body may be an aircraft, and the structure of the moving body may be an exterior material of at least one of the fuselage or main wings of the aircraft.
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、移動体の構造体の母材となる金属板の補強材として、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状に接合された複数本の繊維強化複合材を、前記移動体の移動時に前記金属板に作用する応力に応じて配置するステップを含む、移動体の構造体の製造方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to another aspect of the present invention, as a reinforcing material of a metal plate as a base material of a structure of a moving body, a curved shape is formed with respect to at least one surface of the metal plate. Provided is a method for manufacturing a structure of a moving body, which comprises a step of arranging a plurality of linearly joined fiber-reinforced composite materials including a plurality of fiber-reinforced composite materials according to a stress acting on the metal plate when the moving body moves. ..
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、トポロジー最適化または複合材積層構成最適化のうち少なくともいずれかを含む構造最適化シミュレーションにより、移動体の構造体の母材となる金属板に対して補強材として接合される繊維強化複合材の骨組みモデルを設計するステップと、前記骨組みモデルに基づいて、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状の繊維強化複合材を複数本接合することにより、移動体の構造体を製造するステップと、を含む、移動体の構造体の製造方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to another aspect of the present invention, a structural optimization simulation including at least one of topology optimization or composite laminated structure optimization is performed to obtain a base material of a moving body structure. Based on the step of designing a frame model of a fiber reinforced composite material to be joined as a reinforcing material to a metal plate, and the linear shape including a curved shape with respect to at least one surface of the metal plate based on the frame model. A method for manufacturing a structure of a moving body, including a step of manufacturing the structure of the moving body, is provided by joining a plurality of the fiber-reinforced composite materials of the above.
前記移動体の構造体の成立性の観点に基づいて、前記骨組みモデルを設計するステップで設計された前記骨組みモデルから、一部の繊維強化複合材を間引くステップをさらに含み、前記移動体の構造体を製造するステップでは、前記一部の繊維強化複合材が間引かれた後の前記骨組みモデルに基づいて、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状の繊維強化複合材を複数本接合するようにしてもよい。 Based on the viewpoint of the feasibility of the structure of the moving body, the structure of the moving body further includes a step of thinning out a part of the fiber reinforced composite material from the frame model designed in the step of designing the frame model. In the step of manufacturing the body, linear fiber reinforcement including a curve is applied to at least one surface of the metal plate based on the skeleton model after the partial fiber reinforced composite is thinned out. A plurality of composite materials may be joined.
本発明によれば、航空機または車両等の移動体の構造体の軽量化と、補強が必要な部位の強度向上を両立させることができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both weight reduction of a structure of a moving body such as an aircraft or a vehicle and improvement of strength of a portion requiring reinforcement.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, other specific numerical values, etc. shown in the embodiment are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals to omit duplicate description, and elements not directly related to the present invention are not shown. To do.
[1.航空機の構造体の構成]
まず、図1および図2を参照して、本発明の第1の実施形態に係る航空機の構造体の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る航空機の構造体の裏面を示す模式図である。図2は、本実施形態に係る構造体を用いて製造された航空機を示す斜視図である。
[1. Structure of the aircraft]
First, the configuration of the structure of the aircraft according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic view showing the back surface of the structure of the aircraft according to the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view showing an aircraft manufactured by using the structure according to the present embodiment.
図1および図2に示すように、本実施形態では、移動体の構造体の一例として、航空機の構造体1であって、航空機の胴体または主翼の外装材となる構造体の例を挙げて説明するが、本発明の航空機の構造体は、かかる例に限定されない。 As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, as an example of the structure of the moving body, an example of the structure 1 of the aircraft, which is the exterior material of the fuselage or the main wing of the aircraft, is given. As described above, the structure of the aircraft of the present invention is not limited to such an example.
図1に示すように、本実施形態に係る航空機の構造体1は、構造体1の母材となる金属板2と、当該金属板2を補強するための補強材となるCFRP複合材3とからなる。構造体1は、例えば、航空機の胴体または主翼等の外装材を構成し、航空機の機体の外殻となる機体構造材として機能する。
As shown in FIG. 1, the aircraft structure 1 according to the present embodiment includes a
金属板2は、航空機の胴体等の形状に合わせて成形される。図1では、航空機の胴体の上部側の外装材を構成する金属板2を、裏側(機体内側)から見た状態を示している。金属板2は、1枚板を加工して成形されてもよいし、同一または異なる材料からなる複数枚の金属板を接合して、成形されてもよい。金属板2の材料は、軽量化の観点から、例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム、またはこれら金属を主体とする合金(アルミニウム合金、チタン合金など)であることが好ましい。しかし、金属板2の材料は、鉄鋼、ステンレス鋼、その他の金属材料であってもよい。
The
金属板2の厚みは、例えば、0.5〜100mmであり、好ましくは2〜10mmである。構造体1の軽量化の観点からは、金属板2の厚みは薄い方が好ましいが、構造体1の強度の維持の観点からは、金属板2の厚みは厚い方が好ましい。このため、航空機の機体で使用される構造体1の部位ごとの必要強度に応じて、金属板2を適宜変更してもよい。
The thickness of the
CFRP複合材3は、本発明の繊維強化複合材の一例であり、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)からなる複合材料で形成される。CFRPは、強化材として炭素繊維を用い、この炭素繊維を樹脂で固めた材料である。
The CFRP
母材となる樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ビスマレイミド樹脂または不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂などを用いることができる。なお、本発明の繊維強化複合材の材料は、CFRPの例に限定されず、例えば、強化材としてガラス繊維を用いたガラス繊維強化プラスチック(GFRP:Glass FRP)、ボロン繊維強化プラスチック(BFRP:Boron FRP)、アラミド、ケブラー、ダイニーマ、ザイロンなどの樹脂繊維を強化材として用いた樹脂繊維強化複合材(AFRP:Aramid FRP、KFRP:Kevlar FRP、DFRP:Dyneema FRP、ZFRP:Zylon FRPなど)、炭素とケイ素の化合物を繊維化した炭化ケイ素繊維強化複合材(SiCFRP:Silicon Carbide FRP)など、各種の繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastic)を使用することもできる。 As the base material resin, for example, a thermosetting resin such as an epoxy resin, a polyamide resin, a phenol resin, a benzoxazine resin, a bismaleimide resin or an unsaturated polyester can be used. The material of the fiber reinforced composite material of the present invention is not limited to the example of CFRP, for example, glass fiber reinforced plastic (GFRP: Glass FRP) using glass fiber as the reinforcing material, and boron fiber reinforced plastic (BFRP: Boron). FRP), aramid, Kevlar, Dyneema, Zylon and other resin fibers as reinforcing materials Resin fiber reinforced composite materials (AFRP: Aramid FRP, KFRP: Kevlar FRP, DFRP: Dyneema FRP, ZFRP: Zylon FRP, etc.), carbon Various fiber reinforced plastics (FRP: Fiber Reinforced Plastic) such as silicon carbide fiber reinforced composite material (SiCFRP: Silicon Carbide FRP) obtained by fiberizing a silicon compound can also be used.
CFRP複合材3は、例えば、厚み0.1〜100mm、好ましくは0.5〜10mmの炭素繊維シート(炭素繊維に樹脂を含浸させたシート状の部材。「プリプレグ」とも称される。)を複数枚積層することにより、形成される。炭素繊維シートは、強度に異方性があり、特定の方向(強化繊維の配向方向)に対しては高強度であるが、他の方向に対しては低強度となる。このため、複数枚の炭素繊維シートを積層する場合、複数枚の炭素繊維シートの配向が相互に異なる向きとなるように積層する必要がある。しかし、CFRP複合材全体として最適な配向となるように、炭素繊維シートを積層することは難しい。また、従来技術のように、大きな構造材の母材としてCFRP複合材を用いる場合には、板厚を得るために多数枚の炭素繊維シートを積層する必要があるので、積層作業に時間がかかってしまう。
The CFRP
これに対し、本実施形態では、構造体1の母材として強度に異方性のない金属板2を使用し、CFRP複合材3をあくまでも補強材として使用する。これにより、補強材としてCFRP複合材3を設けるに当たり、炭素繊維シートの積層数や積層作業時間、コストなどを低減できるという利点がある。
On the other hand, in the present embodiment, the
本実施形態に係る構造体1では、CFRP複合材3は、従来一般的な面状(シート状)の部材ではなく、曲線状、直線状等を含む線状(帯状)の細長い部材として、金属板2に接合されることを特徴とする。特に、本実施形態では、広い面状の金属板2に対して、細長い帯状のCFRP複合材3を、波を打つような湾曲線状に接合することを特徴としている。帯状のCFRP複合材3の厚みは、補強部位によって異なるが、例えば、0.1〜100mmであり、好ましくは0.5〜10mmである。また、帯状のCFRP複合材3の幅は、補強部位によって異なるが、例えば、5〜1000mmであり、好ましくは10〜200mmである。
In the structure 1 according to the present embodiment, the CFRP
図1および図2に示すように、金属板2の少なくとも一方の面(図示の例では裏面、即ち、機体内側の面)に対して、複数本の線状のCFRP複合材3が接合される。これらCFRP複合材3は、互いに交差するように配置され、全体としては、例えばトラス構造のような網目状に配置される。なお、本明細書において、「線状」とは、曲線状、直線状、ジグザク状などの任意の形状の線状、またはこれらの組み合わせを含む。また、「金属板2に対して複数本のCFRP複合材3を線状に接合する」とは、例えば複数本の帯状のCFRP複合材3を相互に交差しないように接合することと、相互に交差するように接合すること、および円、楕円、多角形などの無端状の環状でCFRP複合材3に接合すること、などを含む。強度向上の観点からは、トラス構造のように、複数本のCFRP複合材3を相互に交差させて配置する方が好ましい。
As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of linear CFRP
金属板2に対するCFRP複合材3の接合方法としては、例えば、図1に示すように、熱融着と圧着を組み合わせる接合方法を用いることができる。例えば、レーザー加熱装置等の加熱装置21により、帯状のプリプレグ3Aと金属板2との接合部付近において、プリプレグ3Aを加熱して、プリプレグ3Aの樹脂を溶かしながら、圧着ローラー22によりプリプレグ3Aを金属板2の表面に対して押し付ける。これにより、金属板2に対してプリプレグ3Aを熱融着して、金属板2に対してCFRP複合材3を接合することができる。金属板2の同一部位に対して、複数枚のプリプレグ3Aを繰り返し積層することにより、金属板2上におけるCFRP複合材3の厚みを厚くして、CFRP複合材3の強度を高め、当該部位の補強強度を高めることができる。また、金属板2の補強対象部位に対して、幅広のプリプレグ3Aを積層することにより、金属板2上におけるCFRP複合材3の幅を太くして、CFRP複合材3の強度を高め、当該部位の補強強度を高めることもできる。
As a method of joining the CFRP
本実施形態に係る構造体1では、航空機の飛行時(本発明の「移動体の移動時」に相当する。)に、構造体1の母材である金属板2に作用する主応力方向に沿って、CFRP複合材3が曲線状に接合される。主応力方向とは、飛行時に構造体1に対して作用する各種の応力(圧縮応力、引張応力、せん断応力等)の合わさったものが最大となる主応力面の方向を意味する。この主応力方向に沿って、CFRP複合材3を金属板2に接合することにより、金属板2のうち構造上、補強が必要な部位(以下、「補強必要部位」という。)を、重点的かつ効果的、効率的に補強できる。
In the structure 1 according to the present embodiment, in the direction of the principal stress acting on the
また、本実施形態に係る構造体1では、航空機の飛行時に、金属板2に作用する応力が集中する部位(以下、「応力集中部位」という。)に対して、CFRP複合材3が重点的に接合される。ここで、「応力集中部位」とは、構造体1のうち他の部位よりも応力値の高い応力が集中して作用する部位であり、例えば、航空機の胴体と翼の接合部や、胴体の中央の背骨部分などである。また、「応力集中部位に対して重点的に接合する」とは、応力集中部位におけるCFRP複合材3の厚みを他の部位よりも厚くすること、応力集中部位におけるCFRP複合材3の幅を他の部位よりも広くすること、応力集中部位に対して複数本のCFRP複合材3を集中的に高密度で接合すること、などを含む。
Further, in the structure 1 according to the present embodiment, the CFRP
飛行時に、金属板2の応力集中部位には、他の部位よりも大きな応力値の応力が作用するため、構造体1が破損または変形しやすい。このため、応力集中部位を集中的に補強することが好ましい。そこで、金属板2の応力集中部位に対してCFRP複合材3を重点的に接合することによって、応力集中部位を効果的かつ効率的に補強でき、構造体1の破損または変形を抑制できる。
During flight, the stress concentration portion of the
以上のように、本実施形態では、主応力方向に沿って線状のCFRP複合材3を金属板2に接合するとともに、金属板2の応力集中部位に対して重点的に線状のCFRP複合材3を接合する。これにより、構造体1のうち高強度が求められる必要部位のみに対して、必要な方向(主応力方向に沿った方向)で、帯状のCFRP複合材3を、曲線を含む線状の軌跡で接合して補強できる。つまり、航空機の飛行時等に構造体1に作用する荷重の大きさや方向に合わせて、金属板2をCFRP複合材3で適切に補強できる。従って、航空機の構造体1の軽量化と、構造体1のうち補強必要部位の強度向上とを両立させることができる。よって、金属とCFRPからなるマルチマテリアル構造体において、生産性や安全性を確保しつつ、軽量化も実現できる有用な構造体1を提供できる。
As described above, in the present embodiment, the linear CFRP
[2.航空機の構造体の製造方法]
次に、図3を参照して、本実施形態に係る航空機の構造体1の製造方法について説明する。図3は、本実施形態に係る航空機の構造体1の製造方法を示すフローチャートである。
[2. Manufacturing method of aircraft structure]
Next, a method of manufacturing the aircraft structure 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing method of the aircraft structure 1 according to the present embodiment.
図3に示すように、本実施形態に係る航空機の構造体1の製造方法は、大別すると、金属板2およびCFRP複合材3を設計するステップ(S10)と、構造体1を製造するステップ(S20)とを含む。設計ステップ(S10)は、金属板の設計ステップ(S12)、トポロジー最適化ステップ(S14)と、複合材の間引きステップ(S16)と、複合材積層構成最適化ステップ(S18)とを含む。製造ステップ(S20)は、金属板2の成形ステップ(S22)と、複合材の接合(積層)ステップ(S24)とを含む。以下に各ステップについて詳述する。
As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the aircraft structure 1 according to the present embodiment is roughly divided into a step (S10) of designing the
(S12)金属板の設計ステップ
まず、航空機の構造体1の母材となる金属板2の構成が設計される。ここでは、構造体1が航空機の胴体および主翼の外装材であり、当該外装材を構成する金属板2を設計する例について説明する。図1および図2に示したように、航空機の胴体および主翼に求められる形状、強度、機能等の特性に応じて、金属板2の形状、大きさ、材質等が設計される。
(S12) Metal Plate Design Step First, the configuration of the
次いで、上記S12で設計された金属板2に対する補強材として、CFRP複合材3の構成が設計される。トポロジー最適化(S14)および複合材積層構成最適化(S18)を含む構造最適化シミュレーションにより、金属板2に対して接合されるCFRP複合材3の骨組みモデルと積層構成が設計される。このCFRP複合材3の設計では、以下の3つのステップ(S14、S16、S18)を含むことが好ましい。
Next, the configuration of the CFRP
(S14)トポロジー最適化ステップ
本ステップ(S14)では、トポロジー最適化シミュレーションにより、CFRP複合材3の骨組みモデルの最適解が解析、設計されて、CFRP複合材3の基本配置が決定される。
(S14) Topology optimization step In this step (S14), the optimum solution of the framework model of the CFRP
構造材の形状を設計する際に利用される構造最適化としては、寸法最適化、形状最適化、トポロジー最適化などの解析方法がある。このうち、トポロジー最適化の基本的な考え方は、「構造体1の利用時に想定される構造的な制約、荷重・拘束条件の下で、設定した設計空間において、最も効率のよい材料の分布を見つけること」にある。トポロジー最適化は、当該条件下で不要な材料を削って最適な設計案を見出していく解析方法であり、トポロジー最適化の実行過程では、シミュレーションの繰り返しと、効率的な解探索とが行われる。 Structural optimization used when designing the shape of a structural material includes analysis methods such as dimensional optimization, shape optimization, and topology optimization. Of these, the basic idea of topology optimization is "Under the structural constraints, loads and constraints assumed when using structure 1, the most efficient material distribution in the set design space. To find it. " Topology optimization is an analysis method that finds the optimum design plan by scraping unnecessary materials under the relevant conditions. In the execution process of topology optimization, simulation is repeated and efficient solution search is performed. ..
本実施形態では、上記トポロジー最適化を実行する解析ツールを用いて、構造体1におけるCFRP複合材3の最適な骨組みモデルが設計される。図4は、本実施形態に係るトポロジー最適化の解析結果として、航空機の構造体1のモデルを示す説明図である。図4に示すように、金属板2とCFRP複合材3を合わせた構造体1の最適なモデル31から、CFRP複合材3の最適な骨組みモデル32が導出される。かかる骨組みモデル32では、複数本のCFRP複合材3が例えばトラス構造のような骨組みで配置されている。詳細には、航空機の胴体の構造体1に作用する主応力方向に沿って、複数本の曲線状のCFRP複合材3が交差するように配置されている。航空機の飛行時には、構造体1中に応力集中部位が生じるため、この応力集中部位を重点的に補強できるように、CFRP複合材3が密集して配置されている。
In the present embodiment, the optimum skeleton model of the CFRP
(S16)複合材の間引きステップ
本ステップ(S16)では、航空機の構造体1の成立性の観点に基づいて、上記ステップ(S14)で設計された骨組みモデル32から、一部のCFRP複合材3が間引かれる。
(S16) Thinning Step of Composite Material In this step (S16), a part of CFRP
航空機の構造体1の成立性による制約によって、上記最適化された骨組みモデル32は、実際の航空機の構造体1にそのまま適用できない場合がある。ここで、構造体1の成立性とは、例えば、(1)乗り物としての成立性、(2)空力学としての成立性、(3)製造成立性などを含む。 Due to restrictions due to the feasibility of the aircraft structure 1, the optimized skeleton model 32 may not be directly applicable to the actual aircraft structure 1. Here, the feasibility of the structure 1 includes, for example, (1) feasibility as a vehicle, (2) feasibility as aerodynamics, (3) feasibility of manufacturing, and the like.
例えば、骨組みモデル32のCFRP複合材3が、航空機の出入口付近または客室内の中心に存在する場合には、航空機の実機において当該CFRP複合材3を実際に配置することはできない。つまり、上記(1)乗り物としての空間的な制約により、CFRP複合材3の配置に制約が生じる。従って、骨組みモデル32から、当該出入口付近のCFRP複合材3を取り除くことが好ましい。同様に、(2)航空機の飛行時における空力学の制約の観点や、(3)航空機の機体内の客室を横切るようなCFRP複合材3を配置できないという機体製造面での制約の観点などから、上記最適化された骨組みモデル32をそのまま使用できない場合もある。このため、上記の構造体1の成立性の観点から、必要に応じて、当該骨組みモデル32から一部のCFRP複合材3を間引く(取り除く)ことにより、実機の構造体1の成立性を確保することが好ましい。かかるCFRP複合材3の間引きにより、骨組みモデル32が、より現実的なモデルに設計変更される。
For example, when the CFRP
(S18)複合材積層構成最適化ステップ
次いで、本ステップ(S18)では、複合材積層構成最適化シミュレーションにより、上記ステップ(S14、S16)で設計されたCFRP複合材3の骨組みモデル32に基づいて、構造体1の各部位におけるCFRP複合材3の積層構成(板厚、配向方向等)が最適化される。具体的には、CFRP複合材3の骨組みモデル32において、CFRP複合材3の厚さや幅、当該CFRP複合材3を構成する炭素繊維シート(プリプレグ3A)の積層枚数や炭素繊維の配向方向などといった積層構成が決定される。この解析処理には、複合材積層構成最適化を実行する解析ツールが用いられる。なお、上記ステップ(S16)にて一部のCFRP複合材3が間引かれた場合には、当該間引かれた後の骨組みモデル32に対して、複合材積層構成最適化が行われる。
(S18) Composite Material Laminated Structure Optimization Step Next, in this step (S18), the composite material laminated structure optimization simulation is performed based on the frame model 32 of the CFRP
図5は、本実施形態に係る複合材積層構成最適化の解析結果として、航空機の主翼の構造体1のシミュレーション結果を示す説明図である。図5に示すように、主翼の構造体1の各部位において、炭素繊維シートの積層構成の種類や分布が最適化されている。図5では、CFRP複合材3の厚みは、領域41で比較的厚く、領域42で比較的薄くなるように解析されている。この解析結果に基づいて、実際の主翼の構造体1の各部位におけるCFRP複合材3の積層構成(厚み、幅、配向方向等)が設計される。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a simulation result of the structure 1 of the main wing of an aircraft as an analysis result of the composite material laminated structure optimization according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the type and distribution of the laminated structure of the carbon fiber sheets are optimized at each part of the structure 1 of the main wing. In FIG. 5, the thickness of the CFRP
以上のステップ(S14〜S18)により、金属板2に対して接合されるCFRP複合材3の骨組みモデル32と積層構成が完成する。その後、当該骨組みモデル32と積層構成に基づいて、金属板2に対して複数本の線状のCFRP複合材3が接合されて、構造体1が製造される(S20)。
By the above steps (S14 to S18), the frame model 32 of the CFRP
(S22)金属板の成形ステップ
まず、上記金属板の設計ステップ(S12)で設計された金属板2が、実際に成形される。金属板2の成形方法としては、例えば、プレス加工、曲げ加工、溶接加工等の公知の加工方法を用いて、構造体1の母材となる金属板2が成形される。
(S22) Metal Plate Molding Step First, the
(S24)複合材の接合(積層)ステップ
次いで、上記ステップ(S14〜S18)にて設計された骨組みモデル32と積層構成に基づいて、上記成形ステップ(S22)で成形された金属板2の片面または両面に対して、複数本の線状のCFRP複合材3が接合される(S24)。この接合方法は、図1に示したように、加熱装置21と圧着ローラー22を用いた熱融着を使用することができる。さらに、上記設計した積層構成に基づいて、複数枚のプリプレグ3Aを積層することで、構造体1の各部位におけるCFRP複合材3の厚みや幅が調整される。かかるプリプレグ3Aの積層処理は、ロボット等を用いた自動積層技術を適用することが好ましい。
(S24) Joining (Laminating) Step of Composite Material Next, one side of the
以上により、金属板2に対して複数本の線状のCFRP複合材3が接合されて、航空機の構造体1の製造が完了する。本実施形態に係る航空機の構造体1の製造方法によれば、航空機の構造体1の母材となる金属板2の補強材として、金属板2の少なくとも一方の面に対して、複数本の繊維強化複合材(CFRP複合材3)を、航空機の移動時に金属板2に作用する応力に応じて配置する。さらに、本実施形態に係る製造方法では、細長い帯状のプリプレグ3Aを、波を打つような湾曲線状に積層する技術を用いることで、複数本の湾曲線状のCFRP複合材3を、金属板2の応力集中部位等の必要な部位に、主応力方向に沿った適切な方向で接合する。これにより、トラス構造のように相互に交差する複数本のCFRP複合材3からなる補強材を用いて、金属板2を補強でき、当該金属板2(母材)とCFRP複合材3(補強材)からなるマルチマテリアル構造体を製造できる。
As described above, a plurality of linear CFRP
[3.主応力方向に沿った複合材の配置]
次に、図6〜図8を参照して、本発明の第2の実施形態に係る線状のCFRP複合材と金属板を組み合わせた構造体について、より詳細に説明する。図6は、本発明の第2の実施形態に係る航空機の主翼の構造体5の金属板6に作用する主応力方向を示す斜視図である。図7は、従来技術に係るCFRP複合材103のみで構成された主翼の構造体105を示す斜視図である。図8は、本実施形態に係る金属板6とCFRP複合材3で構成された主翼の構造体5を示す斜視図である。
[3. Arrangement of composite material along the principal stress direction]
Next, with reference to FIGS. 6 to 8, the structure in which the linear CFRP composite material and the metal plate according to the second embodiment of the present invention are combined will be described in more detail. FIG. 6 is a perspective view showing the direction of the main stress acting on the metal plate 6 of the
図6に示すように、航空機の飛行時において、主翼を構成する構造体5の母材である金属板6に応力が作用した場合を考える。この場合、主応力方向7は、主翼の長手方向に延びつつ湾曲する曲線状となる。従って、構造体5の強度を向上させるためには、曲線状の主応力方向7に沿って、CFRP複合材の炭素繊維を配向させることが好ましい。
As shown in FIG. 6, consider a case where stress acts on a metal plate 6 which is a base material of a
しかしながら、図7に示すように、従来技術に係るCFRP複合材103のみを母材として用いた構造体105では、曲線状の主応力方向7に沿った曲率を持たせるように、CFRP複合材103の炭素繊維を配向させることは、CFRP複合材103の製造上の制約により困難である。
However, as shown in FIG. 7, in the
即ち、CFRP複合材103は、複数枚の炭素繊維シートを積層して構成されるが、図7に示すように、炭素繊維の配向方向が0°、45°、90°等のように特定の方向に限定される。例えば、従来一般的なCFRP複合材103では、表面層の剥離を防ぐために、45°に配向された炭素繊維シートを最外層に積層するが、この配向方向は、主応力方向7(概ね0°方向)とは合致しない。このように、CFRP複合材103のみで構造体105を構成する場合には、CFRP複合材の製造上の制約による特定の積層構成から逸脱することはできない。この結果、CFRP複合材103は、擬似等方性の積層板となってしまい、図示のような曲線状の主応力方向7に沿って炭素繊維の配向方向を調整することは難しい。従って、従来技術に係るCFRP複合材103のみからなる構造体105では、構造体105の軽量化と、補強が必要な方向の強度確保とを両立することが困難であった。
That is, the CFRP
これに対し、図8に示すように、本実施形態に係る構造体5では、曲線状の主応力方向7(概ね0°方向)に沿って、曲線状のCFRP複合材3を複数本配置することを、容易に実現できる。かかる曲線状のCFRP複合材3により、補強が必要な主応力方向7に沿って金属板6を効果的かつ効率的に補強できる。このように、本実施形態に係る構造体5は、構造体5の母材として強度に異方性のない金属板6を用い、曲線状のCFRP複合材3を、金属板6の必要な部位に、必要な方向で積層する構成である。これにより、主応力方向7にほぼ合致する方向の強度や、応力集中部位の強度を特に高めて、構造体5を効率良く設計、製造することができる。従って、構造体5の必要な部位や方向の強度を確保しつつ、無駄な部位にはCFRP複合材3を配置しないので、構造体5を軽量化できる。
On the other hand, as shown in FIG. 8, in the
[4.航空機の構造体の適用例]
次に、図9〜図12を参照して、本発明の第3の実施形態に係る航空機の構造体を、航空機の胴体と主翼との結合部に適用した例について説明する。図9は、本発明の第3の実施形態に係る航空機の胴体の構造体1と、胴体と主翼の結合部10を示す斜視図である。
[4. Application example of aircraft structure]
Next, an example in which the aircraft structure according to the third embodiment of the present invention is applied to the joint portion between the fuselage and the main wing of the aircraft will be described with reference to FIGS. 9 to 12. FIG. 9 is a perspective view showing the structure 1 of the fuselage of the aircraft according to the third embodiment of the present invention and the
図9に示すように、航空機の胴体の構造体1の左右方向の両端には、胴体と主翼を結合するための複数の結合部10が突設される。この結合部10は、一般的にファスナ結合部とも称される。かかる結合部10は、航空機の飛行時に応力集中部位となるので、胴体と主翼を安定的に結合するためには、結合部10が高強度を有することが求められる。
As shown in FIG. 9, a plurality of connecting
ここで、従来技術1に係る結合部10A(図10参照。)、および従来技術2に係る結合部10B(図11参照。)と比較しながら、本実施形態に係る結合部10(図12参照。)について説明する。
Here, the
図10に示すように、従来技術1では、航空機の胴体の構造体がCFRP複合材120(母材)のみで構成され、胴体の端部の結合部10Aに金属材が用いられる構造である。従来技術1に係る結合部10Aは、上下2つの金属製金具110、111で、胴体のCFRP複合材120の端部を挟み込み、複数のファスナ113で、金属製金具110、111、CFRP複合材120を固定する。金属製金具110、111の先端部には、主翼と連結するための貫通孔112が形成されている。
As shown in FIG. 10, in the prior art 1, the structure of the fuselage of the aircraft is composed of only the CFRP composite material 120 (base material), and the metal material is used for the
CFRP複合材120のような脆性材料は、ファスナ113による結合部10Aにおいて応力集中が発生しやすく、脆性破壊されやすい。このため、上記構造の結合部10Aでは、領域114におけるCFRP複合材120の板厚を厚くする必要がある。このため、厚くした分だけ結合部10Aの重量が増加してしまい、結合部10Aの軽量化が阻害される。
A brittle material such as the CFRP
また、図11に示すように、従来技術2では、航空機の胴体の構造体がCFRP複合材210(母材)のみで構成され、当該胴体の端部の結合部10Bも、当該CFRP複合材210で一体形成される構造である。結合部10BをなすCFRP複合材210の先端部210aには、主翼と連結するための貫通孔212が形成されている。
Further, as shown in FIG. 11, in the
かかる構造の結合部10Bでも、CFRP複合材210は脆性材料であり、その先端部210aの貫通孔212の周辺部位は脆性破壊されやすい。このため、貫通孔212の周囲の面圧強度を確保するために、領域214における先端部210aの板厚を基部210bよりも厚くする必要がある。このため、厚くした分だけ結合部10Bの重量が増加してしまい、結合部10Bの軽量化が阻害される。
Even in the
これに対し、図12に示すように、本実施形態に係る結合部10では、航空機の胴体の構造体が、金属板11(母材)と線状のCFRP複合材3(補強材)のハイブリッド部材で構成され、当該胴体の端部の結合部10も、当該ハイブリッド部材で構成される構造である。結合部10における金属板11の先端には、主翼と連結するための貫通孔12が形成されている。金属板11上には、貫通孔12の周囲に沿って曲線状のCFRP複合材3が配置されており、貫通孔12の周囲の金属板11が補強されている。
On the other hand, as shown in FIG. 12, in the
かかる構造により、補強材であるCFRP複合材3に対しては応力集中部位が生じないので、CFRP複合材3が脆性破壊されることはない。そして、CFRP複合材3により補強された金属板11の強度が高まるので、金属板11の貫通孔12の周囲に応力集中が生じたとしても、金属板11が破壊または変形することを抑制できる。さらに、貫通孔12の周囲の部材を金属板11で構成することにより、貫通孔12の周囲の面圧強度を確保できる。従って、金属板11の板厚を薄くすることができるとともに、CFRP複合材3も必要な部位のみに限定して配置すればよく、その厚みも薄くできる。よって、上記従来技術1、2と比べて、結合部10の重量を軽減できる。
With such a structure, no stress concentration portion is generated on the CFRP
[4.まとめ]
以上、本実施形態に係る航空機の構造体1、5とその製造方法について詳細に説明した。本実施形態によれば、構造体1、5の母材を金属板2、6、11で構成し、当該金属板2、6、11の面上に、湾曲線状または直線状の複数本のCFRP複合材3を積層し、補強材として機能させる。これにより、航空機の構造体1、5の軽量化と、補強必要部位の強度向上とを両立させることができる。
[4. Summary]
The
また、構造体1、5に作用する応力の方向(主応力方向)に沿って、曲線状のCFRP複合材3を配置することで、金属板2、6、11を効率的に補強しつつ、軽量化を実現できる。さらに、構造体1、5に作用する応力の大きさ(応力値)に応じて、線状のCFRP複合材3の厚みや幅を増減することによっても、金属板2、6、11を効率的に補強しつつ、軽量化を実現できる。
Further, by arranging the curved CFRP
また、CFRP複合材3を母材とするのではなく、母材となる金属板2、6、11の面上に、CFRP複合材3を積層するので、炭素繊維シートの積層数が少なくて済み、生産性が良い。さらに、金属板2、6、11を母材とすることで、耐雷性も良い。
Further, since the CFRP
また、航空機の胴体と主翼の結合部10等の応力集中部位には、CFRPのような脆性材料ではなく、金属材料からなる金属板11を適用することで、応力集中部位の強度不具合の抑制と、軽量化が実現できる。
Further, by applying a
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such an embodiment. It is clear that a person skilled in the art can come up with various modifications or modifications within the scope of the claims, and it is understood that these also naturally belong to the technical scope of the present invention. Will be done.
例えば、上記実施形態では、移動体として、航空機の例を挙げて説明したが、本発明は、かかる例に限定されない。本発明の移動体の構造体は、例えば、各種の航空機(旅客機、貨物輸送用航空機、軍用機、無人機、実験機、研究機、ヘリコプタ等)、車両(乗用車、バス、トラック、オートバイ、三輪自動車、農耕作業用車両、貨物運搬用車両、建設土木作業用車両、軍事用車両等)、鉄道用車両(電車、汽車、貨物車、リニアモーターカー等)、船舶または宇宙船等にも適用できる。 For example, in the above embodiment, an example of an aircraft has been described as a moving body, but the present invention is not limited to such an example. The structure of the moving body of the present invention includes, for example, various aircraft (passenger aircraft, freight transport aircraft, military aircraft, unmanned aircraft, experimental aircraft, research aircraft, helicopters, etc.), vehicles (passenger vehicles, buses, trucks, motorcycles, three wheels, etc.). Applicable to automobiles, agricultural work vehicles, freight transport vehicles, construction civil engineering vehicles, military vehicles, etc.), railroad vehicles (trains, trains, freight vehicles, linear motor cars, etc.), ships or spacecraft, etc. ..
本発明は、航空機、自動車等の移動体の構造体に利用することができる。 The present invention can be used for structures of moving bodies such as aircraft and automobiles.
1、5 構造体
2、6、11 金属板
3 CFRP複合材
3A プリプレグ
7 主応力方向
10 結合部
12 貫通孔
32 骨組みモデル
1, 5
Claims (8)
前記金属板の補強材として、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状に接合された複数本の繊維強化複合材と、
を備え、
前記繊維強化複合材は、前記移動体の移動時に前記金属板に作用する応力に応じて配置される、移動体の構造体。 The metal plate that is the base material of the structure of the moving body and
As the reinforcing material of the metal plate, a plurality of fiber-reinforced composite materials joined in a linear shape including a curved shape with respect to at least one surface of the metal plate.
With
The fiber-reinforced composite material is a structure of a moving body, which is arranged according to the stress acting on the metal plate when the moving body moves.
前記応力集中部位は、前記航空機の胴体と主翼との結合部を含む、請求項3に記載の移動体の構造体。 The moving body is an aircraft
The moving body structure according to claim 3, wherein the stress concentration portion includes a joint portion between the fuselage of the aircraft and the main wing.
前記移動体の構造体は、前記航空機の胴体または主翼のうちの少なくともいずれかの外装材である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の移動体の構造体。 The moving body is an aircraft
The structure of the moving body according to any one of claims 1 to 4, wherein the structure of the moving body is an exterior material of at least one of the fuselage or the main wing of the aircraft.
を含む、移動体の構造体の製造方法。 As a reinforcing material for a metal plate that is a base material of a structure of a moving body, a plurality of fiber-reinforced composite materials that are linearly joined to at least one surface of the metal plate, including a curved shape, are moved. A step of arranging according to the stress acting on the metal plate when the body moves,
A method for manufacturing a structure of a mobile body, including.
前記骨組みモデルに基づいて、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状の繊維強化複合材を複数本接合することにより、移動体の構造体を製造するステップと、
を含む、移動体の構造体の製造方法。 A fiber-reinforced composite skeleton that is joined as a reinforcing material to a metal plate that is the base material of a moving body structure by a structural optimization simulation that includes at least one of topology optimization or composite laminated configuration optimization. Steps to design a model and
Based on the skeleton model, a step of manufacturing a structure of a moving body by joining a plurality of linear fiber reinforced composite materials including a curved shape to at least one surface of the metal plate.
A method for manufacturing a structure of a mobile body, including.
をさらに含み、
前記移動体の構造体を製造するステップでは、
前記一部の繊維強化複合材が間引かれた後の前記骨組みモデルに基づいて、前記金属板の少なくとも一方の面に対して、曲線状を含む線状の繊維強化複合材を複数本接合する、請求項7に記載の移動体の構造体の製造方法。 Further including a step of thinning out a part of the fiber reinforced composite material from the skeleton model designed in the step of designing the skeleton model based on the viewpoint of the feasibility of the structure of the moving body.
In the step of manufacturing the structure of the moving body,
Based on the skeleton model after the partial fiber-reinforced composite is thinned out, a plurality of linear fiber-reinforced composites including curved lines are joined to at least one surface of the metal plate. , The method for manufacturing a moving body structure according to claim 7.
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