JP2021092274A - 締結構造、構造部材、締結具、移動体及び締結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】締結具から締結用の孔へのせん断負荷による孔付近の圧潰や繊維の座屈を回避すること。【解決手段】締結構造１は、強化繊維が直線状に配向する層１１〜１４を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、２×ｎ角形の各辺１５−１〜１５−８が各層１１〜１４のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔１５が設けられた構造部材１０と、締結用の孔１５に係合する２×ｎ角形の係合部としての多角形部３１ｂを有する締結具３０とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、航空機などの構造物の構造部材を締結するのに好適な締結構造、構造部材、締結具、移動体及び締結方法に関する。

航空機などの構造物の構造部材には、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料が用いられる（特許文献１参照）。このような構造部材で構造物を構成する場合、接着による接合の信頼性が十分でないため、剥離の発生及び成長を抑制するよう、接着端部をボルトやリベットで締結する工法が多用される。

特開２０１９−１５０９５３号公報

しかし、このような構造部材に円孔を開け、円断面のボルトやリベットで締結した場合に、強化繊維が直線状に配向している一層に着目してみると、せん断方向に負荷されたときに強化繊維を横向きに倒す力が円形の中心から荷重と直角方向に遠ざかるにつれて極度に増大していた。この結果、剛性が高く塑性変形できない複合材料では繊維の曲げ折れ、所謂微視的座屈（マイクロバックリング）が生じて荷重を支持する能力が大幅に減少し、荷重支持能力が損なわれてしまうことが課題として残されていた。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、締結具から締結用の孔へのせん断負荷による孔付近の圧潰や繊維の座屈を回避することができる締結構造、構造部材、締結具、移動体及び締結方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る締結構造は、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた構造部材と、前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具とを具備する。

本発明では、荷重がかかった締結具から締結用の孔にかかる面圧は負荷方向に対して均一化する。これにより、締結具から締結用の孔へのせん断負荷による孔付近の圧潰や繊維の座屈を回避することができる。

前記締結具は、前記締結用の孔の形状に対応して２×ｎ角形の形状でかつ前記締結用の孔に実質的に係合するサイズの前記係合部としての多角形部と、ねじ部とを有するボルトを有し、前記ねじ部の最大直径は、前記締結用の孔の最小直径より小さく構成してもよい。

複数の前記構造部材を相互の前記締結用の孔が連通するように重ね、前記締結具は、繊維強化複合材料からなり、連通する複数の前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形のリベットを有する構成としてもよい。

前記締結用の孔は、正２×ｎ角形であり、前記係合は、正２×ｎ角形である構成としてもよい。

本発明に係る構造部材は、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられている。この構造部材に用いられる、本発明に係る締結具は、前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する。

本発明に係る、航空機、ロケット、自動車、船舶等の移動体は、維強化複合材料からなる構造部材を用いた締結構造を有する移動体であって、前記締結構造は、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた前記構造部材と、前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具とを有する。

本発明に係る締結方法は、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた構造部材を準備し、前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具を、前記締結用の孔に係合し、かつ、被締結側に締結させるものである。

本発明によれば、締結具から締結用の孔へのせん断負荷による孔付近の圧潰や繊維の座屈を回避することができる。

本発明の第１の実施形態に係る締結構造を示す平面図である。 図１の断面Ａ−Ａを示す断面図である。 図３は図２を分解して示した一部断面図である。 疑似等方積層材［４５／０／−４５／９０］２Ｓの構造の説明図である。 従来の締結構造の一例を示す概略的平面図である。 図５に対応する本実施形態に係る締結構造を示す概略的平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る締結構造を示す断面図である。 航空機の主翼の構造の一例を示す図である。 図８に示したスパーとスキンとの連結に本発明に係る締結構造を適用した例を説明するための平面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態に係る締結構造＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る締結構造を示す平面図、図２は図１の断面Ａ−Ａを示す断面図、図３は図２を分解して示した一部断面図である。
これらの図に示すように、締結構造１は、構造部材１０と、構造部材２０と、締結具３０とを有する。
構造部材１０は、繊維強化複合材料として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）における代表的な疑似等方積層材［４５／０／−４５／９０］２Ｓからなり、第１の層１１、第２の層１２、第３の層１３及び第４の層１４を積層した４層構造を有する（図４参照）。各層１１〜１４は、それぞれ、強化繊維を直線状に配向し、配向する方向がそれぞれ異なる。水平面をＺとしたとき、第１の層１１の強化繊維の配向は水平面Ｚより９０°をなし、第２の層１２の強化繊維の配向は水平面Ｚより４５°をなし、第３の層１３の強化繊維の配向は水平面Ｚより０°をなし、第４の層１４の強化繊維の配向は水平面Ｚより−４５°をなしている。図１中各層１１〜１４の表面に示された細線は、強化繊維の配向の方向を示している。

構造部材１０は、締結具３０を構成するボルト３１が挿通して係合する締結用の孔１５が設けられている。孔１５の形状は、円径ではなく、構造部材１０の配向する方向の数をｎとしたときに正２×ｎ角形である。本実施形態では、構造部材１０の配向する方向の数が４であるから、孔１５は正８角形である。加えて、孔１５の２×ｎ角形の各辺は、各層１１〜１４のうちいずれかの強化繊維と直交する。本実施形態では、８角形の孔１５の辺１５−１、１５−５は第１の層１１の強化繊維と直交し、辺１５−２、１５−６は第２の層１２の強化繊維と直交し、辺１５−３、１５−７は第３の層１３の強化繊維と直交し、辺１５−４、１５−８は第４の層１４の強化繊維と直交している。孔１５は典型的にはルーロー多角形断面ドリルを用いて８角形に穿孔する。

構造部材２０は、例えば構造部材１０を所定の位置に固定するための部材である。構造部材２０は、ボルト３１が螺着されるネジ孔２１が設けられている。

締結具３０は、ボルト３１と、ナット３２とを有する。通常のボルトは、ヘッド部と、円筒部と、ねじ部とから構成されるが、本実施形態に係るボルト３１は、ヘッド部３１ａと、円筒部でなく上記構造部材１０の孔１５の形状に対応して正８角形の形状でかつ孔１５に実質的に係合するサイズの多角形部３１ｂと、ねじ部３１ｃとから構成される。ねじ部３１ｃの最大直径は、構造部材１０の孔１５の最小直径より小さい。多角形部３１ｂの長さは、構造部材１０の厚さとほぼ等しい、乃至それ以上であることが好ましい。ボルト３１の首下長さ（多角形部３１ｂ＋ねじ部３１ｃ）は、構造部材１０の厚さと構造部材２０の厚さとナット３２に高さとを加えた長さ以上であることが好ましい。

締結構造１では、締結具３０を使って構造部材１０と構造部材２０とを以下のとおり締結する。

作業者は、構造部材２０のネジ孔２１と構造部材１０の締結用の孔１５とが連通するように、構造部材１０を構造部材２０に重ねる。

作業者は、孔１５にボルト３１を挿入し、さらにネジ孔２１に螺着し、構造部材２０より突き出し、ボルト３１の突き出した先端側よりボルト３１にナット３２を螺着する。

図５は従来の締結構造の一例を示し、図６はこれに対応する本実施形態に係る締結構造を示している。

図５に示すように、構造部材１０'に円形の孔１５'が設けられ、孔１５'に断面円形のボルト３１'が挿入されている従来の場合、ボルト３１'の外周面が構造部材１０'の各層の強化繊維１８'と大きな角度で局所的に接する箇所が生じてしまう。この場合、例えばボルト３１'にかかるせん断負荷の方向が強化繊維１８'の方向と直交する方向Ｆ_１のとき、強化繊維１８'を横向きになぎ倒す大きな荷重が生じ（図中Ａ_１）、強化繊維１８'の曲げや折れが発生する。また、例えばボルト３１'にかかるせん断負荷の方向が強化繊維１８'の方向と同じ方向Ｆ_２のとき、強化繊維１８'を座屈させる荷重が生じ（図中Ａ_２）、強化繊維１８'の曲げが発生する。このような強化繊維の曲げや折れによって、構造部材１０'の孔１５'が塑性変形し、荷重支持能力が損なわれる。

これに対して、図６に示すように、本実施形態に係る締結構造１の場合、ボルト３１の外周面が構造部材１０の各層の強化繊維１８と大きな角度で局所的に接する箇所はなく、強化繊維１８の方向とは所定の辺で均一に接触する。この場合、例えばボルト３１にかかるせん断負荷の方向が強化繊維１８の方向と直交する方向Ｆ_１のとき、強化繊維１８には局所的な荷重がかからず強化繊維１８を横向きになぎ倒す大きな荷重が生じない（図中Ａ_１）。従って、強化繊維１８の曲げや折れが発生し難くなる。また、例えばボルト３１にかかるせん断負荷の方向が強化繊維１８の方向と同じ方向Ｆ_２のとき、強化繊維１８がボルト３１の所定の辺で均一に接触するので、強化繊維１８を座屈させる荷重が生じ難くなる（図中Ａ_２）。従って、強化繊維１８の曲げが発生し難くなる。よって、構造部材１０の孔１５が塑性変形し難くなり、荷重支持能力の低下を抑えることが可能となる。

これにより、締結箇所における、せん断負荷に伴う繊維強化複合材料の圧潰や繊維の座屈を回避することができる。

また、繊維強化複合材料の孔側面が潰れないため「がたつき」がなく、長期寿命が改善する。

さらに、孔面側が潰れ難いため公差が緩やかなボルトを押し込んでよく、公差管理に要するコストを削減できる。

＜第２の実施形態に係る締結構造＞
図７は、本発明の第２の実施形態に係る締結構造を示す断面図である。
図７に示すように、締結構造１０１は、構造部材１１０と、構造部材１２０と、締結具１３０とを有する。
構造部材１１０及び１２０は、それぞれ、繊維強化複合材料からなる疑似等方積層材［４５／０／−４５／９０］２Ｓからなる（図４参照）。

構造部材１１０及び１２０は、それぞれ、締結具１３０を構成するリベット１３１が挿通して係合する締結用の孔１１５、１２５が設けられている。孔１１５、１２５の形状及び大きさは等しく、それぞれ、正８角形であり、かつ、孔１１５、１２５の各辺は、それぞれ、各層のうちいずれかの強化繊維と直交する。孔１１５の開口端には、切り欠き１１６が設けられている。

締結具１３０は、リベット１３１と、楔１３２とを有する。リベット１３１は、繊維強化複合材料からなるＣＦＲＰ一方向材製棒であり、上記構造部材１１０、１２０の孔１１５、１２５の形状に対応して正８角形の形状でかつ孔１１５、１２５に実質的に係合するサイズである。

接着剤１３３は、リベット１３１と孔１１５、１２５との間及び切り欠き１１６による空間に充填される。

締結構造１０１では、リベット１３１を使って構造部材１１０と構造部材１２０とを以下のとおり締結する。

作業者は、構造部材１２０の孔１２５と構造部材１１０の締結用の孔１１５とが連通するように、構造部材１１０と構造部材１２０とを重ねる。構造部材１１０の切り欠き１１６は構造部材１２０と接する側と反対の側に位置するようにする。

作業者は、リベット１３１の表面に接着剤１３３を塗布し、孔１１５にリベット１３１を挿入し、さらに孔１２５に挿入し、構造部材１２０より突き出させる。

構造部材１１０の表面及び構造部材１２０の表面より突き出るリベット１３１を切断し、構造部材１１０の表面及び構造部材１２０の表面を平らにする。

構造部材１１０の表面に露出するリベット１３１の切断面に楔１３２を打ち込み、切り欠き１１６による空間に接着剤１３３を充填し、接着剤１３３の硬化を待つ。

以上により構造部材１１０と構造部材１２０とが強固に締結される。

＜航空機への適用例＞
図８に示すように、航空機の主翼２０１はスパン方向に延びる複数のスパー２０２に、コード方向に延びる複数のリブ２０３を所定の間隔で固定し、それらのスパー２０２及びリブ２０３の表裏をスキン２０４で覆った構造を有する。

スパー２０２は、例えば、繊維強化複合材料からなる疑似等方積層材［４５／０／−４５／９０］２Ｓが用いられる。スパー２０２は翼端２０５でスキン２０４と連結される。

図９はスパー２０２とスキン２０４との連結に本発明に係る締結構造を適用した例を示す。
図９に示すように、スパー２０２の先端部はフランジ部２０２ａを有する。フランジ部２０２ａは同様に繊維強化複合材料からなる疑似等方積層材［４５／０／−４５／９０］２Ｓである。フランジ部２０２ａには、第１の実施形態に係る締結構造１で示したものと同様の正８角形の孔１５が複数設けられている。スキン２０４にもこれらの孔１５に対応する位置に正８角形のネジ孔（図示せず。第１の実施形態に係る締結構造１で示したネジ孔２１と同様のもの）が設けられている。孔１５にボルト（図示せず。第１の実施形態に係る締結構造１で示したボルト３１と同様のもの）を挿入し、さらにスキン２０４のネジ孔に螺着し、スキン２０４より突き出し、ボルトの突き出した先端側よりボルトにナット（図示せず。第１の実施形態に係る締結構造１で示したナット３２と同様のもの）を螺着する。

これ以外にも航空機は、強固にして軽量な繊維強化複合材料を使った構造部材が多用される。これらの構造部材の締結に本発明に係る締結構造を適用できる。また、航空機以外のロケットや自動車などの移動体にも本発明に係る締結構造を適用できる。

＜その他＞
本発明は、上記の実施形態には限定されず、その技術思想の範囲内で様々な変形や応用も可能である。そのような変形や応用しての実施も本発明の技術的範囲に属する。

上記の実施形態では、構造部材の繊維強化複合材料が疑似等方積層材［４５／０／−４５／９０］２Ｓである場合を例にとり説明したが、他の積層材にも本発明を適用できる。

例えば、０°、±６０°積層材にも本発明を適用できる。０°、±６０°積層材は、第１の層、第２の層及び第３の層の３層構造を有し、各層は、それぞれ、強化繊維を直線状に配向し、配向する方向がそれぞれ異なり、第１の層の強化繊維の配向は水平面より６０°をなし、第２の層の強化繊維の配向は水平面より０°をなし、第３の層の強化繊維の配向は水平面より−６０°をなしている。この場合に、ボルトの多角形部は正６角形とすればよい。また、０°、９０°積層材にも本発明を適用できる。０°、９０°積層材は、第１の層及び第２の層の２層構造を有し、各層は、それぞれ、強化繊維を直線状に配向し、配向する方向がそれぞれ異なり、第１の層の強化繊維の配向は水平面より９０°をなし、第２の層の強化繊維の配向は水平面より０°をなしている。この場合に、ボルトの多角形部は正４角形とすればよい。勿論、本発明はこれ以外の繊維強化複合材料からなる積層材にも適用できる。

また、上記の実施形態では、構造部材の孔の形状を正８角形等の正２×ｎ角形としていたが、８角形等の２×ｎ角形であっても構わない。

上記の実施形態では、締結具としてボルトやリベットを用いた例を説明したが、鋲螺、釘などのファスナー類全般に本発明を適用することができる。

上記の実施形態では、構造部材の繊維強化複合材料として炭素繊維強化プラスチックを用いていたが、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を用いた場合にも本発明を適用できる。
なお、本発明において用いる繊維強化複合材料は、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料である。ここで、直線状の配向とは、実施形態として図示したような配向方向が一方向のみである場合に限定されない。繊維強化複合材料は、微視的にみると配向方向に多少のばらつきを有する。従って直線状の配向には、配向方向の平均値が一方向である場合も含まれる。繊維強化複合材料の微視的な配向方向は、Ｘ線を用いた透視画像や、Ｘ線ＣＴ、光学顕微鏡等によって確認することができる。

本発明は、航空機以外に、繊維強化複合材料を使用するあらゆる分野で使用可能であり、例えばＦＲＰを使用する輸送機器、製造業、メンテナンス、修理、オーバーホールなどの現場で利用可能である。

１ ：締結構造
１０ ：構造部材
１５ ：孔
１５−１〜１５−８ ：辺
１８ ：強化繊維
２０ ：構造部材
３０ ：締結具
３１ ：ボルト
３１ｂ ：多角形部
３１ｃ ：ねじ部
１０１ ：締結構造
１１０ ：構造部材
１１５ ：孔
１２０ ：構造部材
１２５ ：孔
１３０ ：締結具
１３１ ：リベット

Claims (8)

1. 強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた構造部材と、
   前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具と
   を具備する締結構造。
2. 請求項１に記載の締結構造であって、
   前記締結具は、前記締結用の孔の形状に対応して２×ｎ角形の形状でかつ前記締結用の孔に実質的に係合するサイズの前記係合部としての多角形部と、ねじ部とを有するボルトを有し、
   前記ねじ部の最大直径は、前記締結用の孔の最小直径より小さい
   締結構造。
3. 請求項１に記載の締結構造であって、
   複数の前記構造部材を相互の前記締結用の孔が連通するように重ね、
   前記締結具は、繊維強化複合材料からなり、連通する複数の前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形のリベットを有する
   締結構造。
4. 請求項１乃至３に記載の締結構造であって、
   前記締結用の孔は、正２×ｎ角形であり、
   前記係合部は、正２×ｎ角形である
   締結構造。
5. 強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた構造部材。
6. 請求項５に記載の構造部材に用いられる締結具であって、
   前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具。
7. 維強化複合材料からなる構造部材を用いた締結構造を有する移動体であって、
   前記締結構造は、強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた前記構造部材と、前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具とを有する
   移動体。
8. 強化繊維が直線状に配向する層を、配向する方向が異なるように積層した繊維強化複合材料からなり、前記配向する方向の数をｎとしたときに２×ｎ角形で、かつ、前記２×ｎ角形の各辺が各前記層のうちいずれかの強化繊維と直交する締結用の孔が設けられた構造部材を準備し、
   前記締結用の孔に係合する２×ｎ角形の係合部を有する締結具を、前記締結用の孔に係合し、かつ、被締結側に締結させる
   締結方法。

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