JP3133333B2 - 応力結合による複合構造物における改良された制動 - Google Patents
応力結合による複合構造物における改良された制動Info
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Description
【発明の詳細な説明】 背 景 分野 本発明は複合構造物に関する。本発明は特に多層複合
構造物に関するもので、著しく改良された制動性をもつ
多セグメント構造物を提供する。
構造物に関するもので、著しく改良された制動性をもつ
多セグメント構造物を提供する。
技術の状態 複合構造物の振動の制御は、宇宙空間、自動車、他の
工業において重要な研究領域である。たとえば、姿勢調
節スラスター、モーター、熱誘発応力により開始される
宇宙機の振動は、宇宙機がのせているアンテナおよび他
の装置の正確な照準を妨げる。上記振動は宇宙機および
関連する装置に重大な破損をまねき得る。構造成分の疲
労破損は十分な静荷重限度以下の応力で起こり得る。
工業において重要な研究領域である。たとえば、姿勢調
節スラスター、モーター、熱誘発応力により開始される
宇宙機の振動は、宇宙機がのせているアンテナおよび他
の装置の正確な照準を妨げる。上記振動は宇宙機および
関連する装置に重大な破損をまねき得る。構造成分の疲
労破損は十分な静荷重限度以下の応力で起こり得る。
複合材料は、管、囲い、はり、板、不規則形状物を含
め、種々の構造要素の構成に使われてきた。ロケットモ
ーターハウジング、スポーツ用品のような様々な物体、
特にスキー、アーチェリーの矢、棒高跳びのポール、テ
ニスラケットは複合材料からつくられてきた。複合構造
物は、優れた強度、剛性、軽量のような多くの著しい利
点を与えてきたが、上記構造物の劣った振動制動性が重
要となってきた。論文「分別ある振動測定」George F.L
ang、音と振動（Sound and Vibration）、３月、1976、
第26頁は、環境荷重下の機械構造物の振動の一般に受け
入れられる数学的処理を示している。この処理は一般に
複合構造物に適用し、増幅因子Ｑおよび粘性制動因子に
対するその関係を説明するこの開示の目的のため、ここ
で引用文献とする。この開示で言われる「損失比」はLa
ngが定義した粘性制動因子の２倍である。
め、種々の構造要素の構成に使われてきた。ロケットモ
ーターハウジング、スポーツ用品のような様々な物体、
特にスキー、アーチェリーの矢、棒高跳びのポール、テ
ニスラケットは複合材料からつくられてきた。複合構造
物は、優れた強度、剛性、軽量のような多くの著しい利
点を与えてきたが、上記構造物の劣った振動制動性が重
要となってきた。論文「分別ある振動測定」George F.L
ang、音と振動（Sound and Vibration）、３月、1976、
第26頁は、環境荷重下の機械構造物の振動の一般に受け
入れられる数学的処理を示している。この処理は一般に
複合構造物に適用し、増幅因子Ｑおよび粘性制動因子に
対するその関係を説明するこの開示の目的のため、ここ
で引用文献とする。この開示で言われる「損失比」はLa
ngが定義した粘性制動因子の２倍である。
「束縛層制動」として知られる技術は、存在する構造
物に制動性を加えることにたよってきた。この技術に従
えば、制動材料、典型的には粘弾性材料を、飛行機の翼
のような複合構造物の表面に適用する。制動材料を、複
合表面と薄いアルミニウムシートのような硬質層の間に
サンドイッチする。この解決法は一般に補習性的なもの
であって、重量、美学、理想的表面形態のような他の配
慮の犠牲において達成される。弾性材料と粘弾性材料の
交互層からなる積層はりは、構造的一体性度を保ちなが
ら、振動エネルギーを消散できることが知られている。
論文「振動サンドイッチはりの複合制動」、DiTaranto
ら、Jour.of Engineering for Industry,Nov.,1967、第
633頁は、上記構造物の理論的記載を示している。
物に制動性を加えることにたよってきた。この技術に従
えば、制動材料、典型的には粘弾性材料を、飛行機の翼
のような複合構造物の表面に適用する。制動材料を、複
合表面と薄いアルミニウムシートのような硬質層の間に
サンドイッチする。この解決法は一般に補習性的なもの
であって、重量、美学、理想的表面形態のような他の配
慮の犠牲において達成される。弾性材料と粘弾性材料の
交互層からなる積層はりは、構造的一体性度を保ちなが
ら、振動エネルギーを消散できることが知られている。
論文「振動サンドイッチはりの複合制動」、DiTaranto
ら、Jour.of Engineering for Industry,Nov.,1967、第
633頁は、上記構造物の理論的記載を示している。
複合構造物中の制動材料の共硬化埋没層の実現可能性
が示されてきた。こうして、実際の構成前に、制動制御
を構造物内に設計できる。間の環状空間が制動層によっ
て占められている一対の同心的複合剛性層から、複合管
がつくられてきた。繊維補強材料を、繊維に平行または
垂直ではない軸に沿って荷重をかけると、せん断変形が
誘発されることが知られている。「軸をはずれ」（管の
中心軸に関し）配向したプライをもつ管は、軸的に荷重
をかけると回転する。管軸に関し対向するが類似の角度
で配向した二つの剛性層のプライでは、管を軸的に荷重
をかけると、強いせん断変形が制動層に誘発される。荷
重は剛性層のみを通過するから、管の剛性は高く保た
れ、制動層は構造物に殆ど重量を加えない。不幸にも、
殆どのせん断変形が管の自由端で起こる。管のどちらか
の端における剛性プライの回転変形の束縛は、その端に
おける制動層のせん断変形をなくし、それによって系の
制動効果を減少する。そこで、なお軸荷重を伝動しなが
ら、要求される自由端変位を許すためには、複雑な端部
取付具を必要とする。
が示されてきた。こうして、実際の構成前に、制動制御
を構造物内に設計できる。間の環状空間が制動層によっ
て占められている一対の同心的複合剛性層から、複合管
がつくられてきた。繊維補強材料を、繊維に平行または
垂直ではない軸に沿って荷重をかけると、せん断変形が
誘発されることが知られている。「軸をはずれ」（管の
中心軸に関し）配向したプライをもつ管は、軸的に荷重
をかけると回転する。管軸に関し対向するが類似の角度
で配向した二つの剛性層のプライでは、管を軸的に荷重
をかけると、強いせん断変形が制動層に誘発される。荷
重は剛性層のみを通過するから、管の剛性は高く保た
れ、制動層は構造物に殆ど重量を加えない。不幸にも、
殆どのせん断変形が管の自由端で起こる。管のどちらか
の端における剛性プライの回転変形の束縛は、その端に
おける制動層のせん断変形をなくし、それによって系の
制動効果を減少する。そこで、なお軸荷重を伝動しなが
ら、要求される自由端変位を許すためには、複雑な端部
取付具を必要とする。
振動を制動するための複合支柱の使用が、NASA Tech.
Brief,Vol 15,No.4,Item ＃87,April 1991により提案さ
れている。この提案に従えば、繊維の向かい合ったシェ
ブロンパタン（chevron pattern）を有するプライは、
中間粘弾性層において縦振動応力をせん断応力に変換
し、中間粘弾性層は振動エネルギーを消散する。提案さ
れた一つの特定の構造は、０゜で配向した内部プライ、
45゜で配向した第２層、中心粘弾性層（繊維補強のまた
は補強しない）、−45゜で配向した次の層、90゜で配向
した外層を有する管である。この公表物は、従来の技術
の通常の粘弾性管状束縛ダンパを記載しており、提案の
複合支柱は10−30％の制動因子を与えると仮定してい
る。
Brief,Vol 15,No.4,Item ＃87,April 1991により提案さ
れている。この提案に従えば、繊維の向かい合ったシェ
ブロンパタン（chevron pattern）を有するプライは、
中間粘弾性層において縦振動応力をせん断応力に変換
し、中間粘弾性層は振動エネルギーを消散する。提案さ
れた一つの特定の構造は、０゜で配向した内部プライ、
45゜で配向した第２層、中心粘弾性層（繊維補強のまた
は補強しない）、−45゜で配向した次の層、90゜で配向
した外層を有する管である。この公表物は、従来の技術
の通常の粘弾性管状束縛ダンパを記載しており、提案の
複合支柱は10−30％の制動因子を与えると仮定してい
る。
複合体製造の材料、方法、応用が文献に詳しく述べら
れている。この種の情報源の例は教本「複合体製造の基
礎」、A.Brent Strong,The Society of Manufacturing
Engineers,Dearborn,Michigan,1989版である。この教本
の開示を、現在実施されている複合体製造技術の説明の
ため、ここで引用文献とする。同様に、教本「重合体の
粘弾性」、John D.Ferry,Wiley,New York（3rd.Ed.198
0）は、制動材料として使うため、複合体の技術者が選
ぶことのできる典型的材料の性質、挙動、素性の十分な
総括を示している。この開示に関連の材料に適用される
粘弾性の良い議論が、the Structural Products Depart
ment of 3M Company,St.Paul,Minesotaから入手できる
公表物「線形粘弾性」、Driscollらに示されている。
れている。この種の情報源の例は教本「複合体製造の基
礎」、A.Brent Strong,The Society of Manufacturing
Engineers,Dearborn,Michigan,1989版である。この教本
の開示を、現在実施されている複合体製造技術の説明の
ため、ここで引用文献とする。同様に、教本「重合体の
粘弾性」、John D.Ferry,Wiley,New York（3rd.Ed.198
0）は、制動材料として使うため、複合体の技術者が選
ぶことのできる典型的材料の性質、挙動、素性の十分な
総括を示している。この開示に関連の材料に適用される
粘弾性の良い議論が、the Structural Products Depart
ment of 3M Company,St.Paul,Minesotaから入手できる
公表物「線形粘弾性」、Driscollらに示されている。
改良された制動特性をもった種々の形態であることが
でき、複合材料に使うため従来暗示された構造的解決法
の限界を避ける複合構造物の必要性が存在する。
でき、複合材料に使うため従来暗示された構造的解決法
の限界を避ける複合構造物の必要性が存在する。
本発明の総括 本発明に従えば、複合多層構造物がセグメントで形成
される。隣接セグメントは、異なる軸をはずれた配向で
設けられた夫々の剛性層のプライをもつ。こうして、多
高せん断領域が、構造物の端から離れたセグメント間の
境界につくり出される。従って、構造物の全体としての
制動性を著しく減少することなく、構造物の端を抑止で
きる。その結果、高い軸剛性および軽量を有する構造要
素を生じる。本発明の構造要素は、著しく優れた制動能
力を与えるが、それにも拘らず単純な取付具と方法を利
用できる。設計者は、本発明の開示の教えを板、管、は
り、スポーツ装置、駆動軸、高精密照準および焦点合わ
せ装置のような様々の用途に応用できる。
される。隣接セグメントは、異なる軸をはずれた配向で
設けられた夫々の剛性層のプライをもつ。こうして、多
高せん断領域が、構造物の端から離れたセグメント間の
境界につくり出される。従って、構造物の全体としての
制動性を著しく減少することなく、構造物の端を抑止で
きる。その結果、高い軸剛性および軽量を有する構造要
素を生じる。本発明の構造要素は、著しく優れた制動能
力を与えるが、それにも拘らず単純な取付具と方法を利
用できる。設計者は、本発明の開示の教えを板、管、は
り、スポーツ装置、駆動軸、高精密照準および焦点合わ
せ装置のような様々の用途に応用できる。
本発明の複合構造物は、管、板、はり、または他の規
則形状または不規則形状を含め、種々の形をとることが
できる。ともかく、典型的構造物は最低第１剛性層、中
間制動層、第２剛性層を含む。各剛性層は、補強繊維の
少なくとも１プライを含み、少なくとも千分の数インチ
の厚さである。多プライではるかに一層大きい厚さ、た
とえば数インチの厚さの層も意図されている。層の個々
のプライは類似のまたは似ていない配向をとることがで
きる。用途、および選んだ制動材料の性質に依存して、
中間制動層は適当な厚さであることができる。典型的に
は、過度の重量を構造物に加えるのを避けるために、制
動層はできるだけ薄くする。しかし、制動層が剛性層の
全厚さを越えることは異常ではない。剛性層は、特定の
用途に適当である補強繊維および樹脂状材料から構成で
きる。制動材料は、複合構造物が遭遇することが予想さ
れる温度と振動周波数で最適の制動損失を与えるように
選ばれる。
則形状または不規則形状を含め、種々の形をとることが
できる。ともかく、典型的構造物は最低第１剛性層、中
間制動層、第２剛性層を含む。各剛性層は、補強繊維の
少なくとも１プライを含み、少なくとも千分の数インチ
の厚さである。多プライではるかに一層大きい厚さ、た
とえば数インチの厚さの層も意図されている。層の個々
のプライは類似のまたは似ていない配向をとることがで
きる。用途、および選んだ制動材料の性質に依存して、
中間制動層は適当な厚さであることができる。典型的に
は、過度の重量を構造物に加えるのを避けるために、制
動層はできるだけ薄くする。しかし、制動層が剛性層の
全厚さを越えることは異常ではない。剛性層は、特定の
用途に適当である補強繊維および樹脂状材料から構成で
きる。制動材料は、複合構造物が遭遇することが予想さ
れる温度と振動周波数で最適の制動損失を与えるように
選ばれる。
二つの剛性層では、せん断は一つの中間制動層に課せ
られる。他の実施態様は多制動層の使用を意図してい
る。たとえば、三つの剛性層の使用は、一層大きい制動
効果をもつ二つの中間制動層の使用を許す。全体として
または含浸樹脂の一部分として粘弾性材料を利用するこ
とにより、剛性層と制動層を結合できる。剛性層と制動
層の共硬化は、複合構造および構造成分の構成を単純化
する。
られる。他の実施態様は多制動層の使用を意図してい
る。たとえば、三つの剛性層の使用は、一層大きい制動
効果をもつ二つの中間制動層の使用を許す。全体として
または含浸樹脂の一部分として粘弾性材料を利用するこ
とにより、剛性層と制動層を結合できる。剛性層と制動
層の共硬化は、複合構造および構造成分の構成を単純化
する。
図面の簡単な説明 本発明を実施するための最良の形態とみなされる示し
た図において、 図１は本発明の典型的一般具体化の分解組立図であ
り、 図２は本発明の特別な具体化の図であり、 図３は本発明の別の具体化の断片一般図であり、 図４は本発明の別の具体化の図であり、 図５は本発明の好ましい構造物の図であり、 図６は本発明のある種の具体化の構造成分の一部分斜
視的平面図である。
た図において、 図１は本発明の典型的一般具体化の分解組立図であ
り、 図２は本発明の特別な具体化の図であり、 図３は本発明の別の具体化の断片一般図であり、 図４は本発明の別の具体化の図であり、 図５は本発明の好ましい構造物の図であり、 図６は本発明のある種の具体化の構造成分の一部分斜
視的平面図である。
図７−10は、本発明のある種の管構造物のパラメトリ
ック研究から得られたデータのプロットである。
ック研究から得られたデータのプロットである。
例示の実施態様の説明 図１は本発明の複合構造物の単純な具体化を示してお
り、この場合第１剛性層11と第２剛性層13が中間粘弾性
層15をサンドイッチしている。単一剛性層を利用した構
造物も実施できるが、ふつうは好ましくない。各層は例
示のために分解して示してあるが、手または機械で重
ね、ついで共硬化される一体構造の層を表すと理解すべ
きである。図示のように、第１層11は夫々セグメント11
A、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する。第２剛性層13は同様に夫々相
当するセグメントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する。繊維プライ
配向角はライン17で示され、剛性層11、13における補強
繊維を示している。配向角は隣接セグメント、たとえば
11Cと11D、相対する向かい合うセグメント、たとえば11
Dと13Dでは同様ではない。矢印Ｌで示した方向にかけた
荷重では、矢印19A、B;21A、B;23A、Ｂに示したように
変位が誘発される。層11に関連した横変位は、層13に関
連した相当する横変位とは方向が反対である。その結
果、高せん断領域19C、21C、23Cが、隣接セグメント、
たとえば13A、13Bの間の境界付近、たとえば27で粘弾性
層15内に起こる。この構造的解決法は、制動材料として
働くことのできる材料を利用し、複合材料から形成され
る構造物に一般に適用できる。
り、この場合第１剛性層11と第２剛性層13が中間粘弾性
層15をサンドイッチしている。単一剛性層を利用した構
造物も実施できるが、ふつうは好ましくない。各層は例
示のために分解して示してあるが、手または機械で重
ね、ついで共硬化される一体構造の層を表すと理解すべ
きである。図示のように、第１層11は夫々セグメント11
A、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する。第２剛性層13は同様に夫々相
当するセグメントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する。繊維プライ
配向角はライン17で示され、剛性層11、13における補強
繊維を示している。配向角は隣接セグメント、たとえば
11Cと11D、相対する向かい合うセグメント、たとえば11
Dと13Dでは同様ではない。矢印Ｌで示した方向にかけた
荷重では、矢印19A、B;21A、B;23A、Ｂに示したように
変位が誘発される。層11に関連した横変位は、層13に関
連した相当する横変位とは方向が反対である。その結
果、高せん断領域19C、21C、23Cが、隣接セグメント、
たとえば13A、13Bの間の境界付近、たとえば27で粘弾性
層15内に起こる。この構造的解決法は、制動材料として
働くことのできる材料を利用し、複合材料から形成され
る構造物に一般に適用できる。
図１に示した基本構造物を、図２に示した管のよう
に、種々の形態にできる。図示のように、多複合層31、
33は交互の巻き（配向）角をもつセグメントを有する。
すなわち、プライ繊維37は、正の巻き角をもつとみなさ
れ、プライ繊維39は負の巻き角をもつとみなすことがで
きる。そこで、高せん断領域がセグメント間の境界に生
じる。このせん断エネルギーは、粘弾性材料の一層以上
から構成できる中間制動層43により熱として消散され
る。
に、種々の形態にできる。図示のように、多複合層31、
33は交互の巻き（配向）角をもつセグメントを有する。
すなわち、プライ繊維37は、正の巻き角をもつとみなさ
れ、プライ繊維39は負の巻き角をもつとみなすことがで
きる。そこで、高せん断領域がセグメント間の境界に生
じる。このせん断エネルギーは、粘弾性材料の一層以上
から構成できる中間制動層43により熱として消散され
る。
図３は、示したように曲がったセグメントとしてまた
は他の方式で具体化される本発明がもくろむ構造の詳細
の可変性を示す。ともかく、複合材料の便利な数の剛性
層51（層で厚さ、特定の材料の選択、補強繊維のプライ
の数と配向は変化できる）を含めることができる。各層
51は、隣接して境界55を形成する多セグメント53を含
む。配向角のサインは同一剛性層の隣接セグメントで交
互であることが一般に好ましい。同様に、配向角のサイ
ンは平行剛性層の直接向かい合うセグメントで交互であ
ることが一般に好ましい。
は他の方式で具体化される本発明がもくろむ構造の詳細
の可変性を示す。ともかく、複合材料の便利な数の剛性
層51（層で厚さ、特定の材料の選択、補強繊維のプライ
の数と配向は変化できる）を含めることができる。各層
51は、隣接して境界55を形成する多セグメント53を含
む。配向角のサインは同一剛性層の隣接セグメントで交
互であることが一般に好ましい。同様に、配向角のサイ
ンは平行剛性層の直接向かい合うセグメントで交互であ
ることが一般に好ましい。
図示のように、境界、たとえば55Aと55Bは別の境界と
直接向かい合っている。しかし、他の境界構造も意図さ
れている。セグメント53は、セグメント長さを変化で
き、巻き角度を変化できる。特に本発明に従い構成され
た構造部材の有用な応用環境を広げることが望まれると
きは、この点につき均一性のないことがある場合には好
ましい。
直接向かい合っている。しかし、他の境界構造も意図さ
れている。セグメント53は、セグメント長さを変化で
き、巻き角度を変化できる。特に本発明に従い構成され
た構造部材の有用な応用環境を広げることが望まれると
きは、この点につき均一性のないことがある場合には好
ましい。
均一かまたは組成と寸法の変化する複数の制動層57を
含めることができる。典型的には、制動層57を剛性層51
の各対間に設ける。
含めることができる。典型的には、制動層57を剛性層51
の各対間に設ける。
図４は、一般的に全て図３に関し記載した可変設計パ
ラメータに従っている複数の剛性層63および制動層65か
らなるはり61として形態づけられた、図１に一般的に示
した構造を示している。こうして構成されたはり61に、
特定の用途で望まれるように、矢印ＭおよびＮで示した
ように荷重をかけることができる。軸方向、ねじれ方
向、およびその組合せの荷重もすべて可能であり、意図
されている。
ラメータに従っている複数の剛性層63および制動層65か
らなるはり61として形態づけられた、図１に一般的に示
した構造を示している。こうして構成されたはり61に、
特定の用途で望まれるように、矢印ＭおよびＮで示した
ように荷重をかけることができる。軸方向、ねじれ方
向、およびその組合せの荷重もすべて可能であり、意図
されている。
この開示の教え内に入る示したおよび他の構造物は、
複合材料の類似の構造物に比較し増加した制動を示す。
繊維補強複合メンバーの長さに沿った隣接セグメント中
の繊維の配向角の変化（巻き角度のサインを交互にする
ような）は、複合材料に固有の応力結合性によりセグメ
ント接合点でせん断ひずみを誘発する。二つの上記複合
メンバー間に粘弾性材料の層をサンドイッチし、ついで
得られる構造物に荷重をかけると、粘弾性材料を横切り
せん断ひずみと応力を誘発する。粘弾性層におけるヒス
テリシス損（hysterisis loss）は、全構造物の制動を
誘発する。せん断はセグメント接合点で実質上増す。こ
の高せん断領域の数は、多数のセグメントを利用するこ
とにより増す。そこで、設計者には著しい可変因子が与
えられる。
複合材料の類似の構造物に比較し増加した制動を示す。
繊維補強複合メンバーの長さに沿った隣接セグメント中
の繊維の配向角の変化（巻き角度のサインを交互にする
ような）は、複合材料に固有の応力結合性によりセグメ
ント接合点でせん断ひずみを誘発する。二つの上記複合
メンバー間に粘弾性材料の層をサンドイッチし、ついで
得られる構造物に荷重をかけると、粘弾性材料を横切り
せん断ひずみと応力を誘発する。粘弾性層におけるヒス
テリシス損（hysterisis loss）は、全構造物の制動を
誘発する。せん断はセグメント接合点で実質上増す。こ
の高せん断領域の数は、多数のセグメントを利用するこ
とにより増す。そこで、設計者には著しい可変因子が与
えられる。
設計の点からは、セグメント数の増加は、軸剛性の適
度の損失を生じるが、損失因子の著しく高い獲得を生じ
る。損失因子は、セグメント数の増加と共にほぼ直線的
に増す。同様に、軸からはずれた配向角の大きさは、軸
剛性に幾分一層大きい減少をきたすが、損失因子のはる
かに多い意味ある増加を生じる。損失因子はサイクル当
り基準で決定されるから、この因子の小さな数学的増加
でさえも、当該技術において商業上意義ある進歩に相当
する。典型的構造物の損失因子は１％未満である。各々
４セグメントの二つの剛性層と単一の制動層を含む本発
明の具体化によって、５％以上の損失因子を達成でき
る。一層複雑な構造配置では、25％以上の損失因子が達
成できると思われる。
度の損失を生じるが、損失因子の著しく高い獲得を生じ
る。損失因子は、セグメント数の増加と共にほぼ直線的
に増す。同様に、軸からはずれた配向角の大きさは、軸
剛性に幾分一層大きい減少をきたすが、損失因子のはる
かに多い意味ある増加を生じる。損失因子はサイクル当
り基準で決定されるから、この因子の小さな数学的増加
でさえも、当該技術において商業上意義ある進歩に相当
する。典型的構造物の損失因子は１％未満である。各々
４セグメントの二つの剛性層と単一の制動層を含む本発
明の具体化によって、５％以上の損失因子を達成でき
る。一層複雑な構造配置では、25％以上の損失因子が達
成できると思われる。
実施例Ｉ FIBERITE6048黒鉛／エポキシ（121℃硬化）から数個
の管をつくった。3Mから供給されたAF−32およびISD112
膜接着剤を制動層として使った。AF−32は強靱構造の接
着剤であり、ISD112はふつう3MのSCOTCHDAMP振動制動テ
ープ中に存在する。管を手かさね法でつくった。２セグ
メントを図５に示したように接合し、10mmの交互の重な
りを使った。制動管を、コンパクト化を増すために、２
枚のパット板間でまずロールかけして硬化のため準備し
た。高張力下セロファンテープでロールづつみすること
により、さらにコンパクト化を達成した。ついで、垂直
にぶらさげて、管を121℃の炉で硬化した。長さ371mm、
内径25.4mm、５プライ剛性層の２セットで４試料をつく
った。管間の差は次の通りであった。
の管をつくった。3Mから供給されたAF−32およびISD112
膜接着剤を制動層として使った。AF−32は強靱構造の接
着剤であり、ISD112はふつう3MのSCOTCHDAMP振動制動テ
ープ中に存在する。管を手かさね法でつくった。２セグ
メントを図５に示したように接合し、10mmの交互の重な
りを使った。制動管を、コンパクト化を増すために、２
枚のパット板間でまずロールかけして硬化のため準備し
た。高張力下セロファンテープでロールづつみすること
により、さらにコンパクト化を達成した。ついで、垂直
にぶらさげて、管を121℃の炉で硬化した。長さ371mm、
内径25.4mm、５プライ剛性層の２セットで４試料をつく
った。管間の差は次の通りであった。
自由−自由境界条件をシミュレーションするために、
各管をゴムバンドからつるした。Fndevco Model 2250−
Ａ加速時計を、みつろうで管の一端に結合した。管の他
端をPCB Pierotronics,Inc.Model 086 B01衝撃ハンマ
ーで打ち、縦振動を誘発した。HP35660A動的信号分析器
は、25衝撃結果を平均することにより、管の波数応答関
数Ｇ（jw）（力以上の加速）を計算した。損失因子は次
式から計算した。
各管をゴムバンドからつるした。Fndevco Model 2250−
Ａ加速時計を、みつろうで管の一端に結合した。管の他
端をPCB Pierotronics,Inc.Model 086 B01衝撃ハンマ
ーで打ち、縦振動を誘発した。HP35660A動的信号分析器
は、25衝撃結果を平均することにより、管の波数応答関
数Ｇ（jw）（力以上の加速）を計算した。損失因子は次
式から計算した。
式中、Δｆは共鳴波数fr近くの波数応答関数の実数部
分の最大および最小点間の波数スパンである。制動管Ｃ
の質量は、未制動管の質量より2.2％だけ大きかった
が、両基線管Ａ、Ｂに比べ損失因子が増大していた。試
料Ｄの損失因子は4.42％であった。その質量は基体管
Ａ、Ｂの79.234に比べ80.644であった。
分の最大および最小点間の波数スパンである。制動管Ｃ
の質量は、未制動管の質量より2.2％だけ大きかった
が、両基線管Ａ、Ｂに比べ損失因子が増大していた。試
料Ｄの損失因子は4.42％であった。その質量は基体管
Ａ、Ｂの79.234に比べ80.644であった。
実施例 II プライ配向角φを０〜20℃、管中のセグメント数Ｎを
１〜８、AF−32またはISD112の制動層材料、束縛端また
は非束縛端を変えることにより、FORTRAN計算機コード
を使って、パラメトリック研究を実施した。長さが356m
m以外は、管は実施例Ｉの管と同一であった。
１〜８、AF−32またはISD112の制動層材料、束縛端また
は非束縛端を変えることにより、FORTRAN計算機コード
を使って、パラメトリック研究を実施した。長さが356m
m以外は、管は実施例Ｉの管と同一であった。
パラメトリック研究の結果を図７−10に示す。図７は
管中のセグメント数が増加したときの軸剛性の変化のプ
ロットである。夫々、10゜、16゜の巻き角度、束縛およ
び非束縛の回転変位CONおよびUNCONで４サブケースが存
在する。図８はセグメント数の関数としての損失因子の
変化のプロットである。
管中のセグメント数が増加したときの軸剛性の変化のプ
ロットである。夫々、10゜、16゜の巻き角度、束縛およ
び非束縛の回転変位CONおよびUNCONで４サブケースが存
在する。図８はセグメント数の関数としての損失因子の
変化のプロットである。
図９は、巻き角度φの増加に対する軸剛性の損失のプ
ロットである。４サブケースは、４セグメントAF−32試
料および８セグメントISD212試料の両者に対する束縛お
よび非束縛端条件を含む。これらの試料は端束縛の結果
を示し、パラメトリック研究で遭遇した最小および最大
の剛性変化を示す。
ロットである。４サブケースは、４セグメントAF−32試
料および８セグメントISD212試料の両者に対する束縛お
よび非束縛端条件を含む。これらの試料は端束縛の結果
を示し、パラメトリック研究で遭遇した最小および最大
の剛性変化を示す。
増加巻き角度の関数としての制動損失因子の変化を図
10にプロットしてある。８サブケースは束縛および非束
縛端条件、４および８セグメント、AF−32およびISD112
制動材料の組合せを含め、グラフに含まれている。
10にプロットしてある。８サブケースは束縛および非束
縛端条件、４および８セグメント、AF−32およびISD112
制動材料の組合せを含め、グラフに含まれている。
他の試験および計算機モデル化は、選んだ試料の幾何
学に対し、最適の管は６セグメント、14゜の巻き角度を
含み、制動層としてISD112を選ぶことを示した。
学に対し、最適の管は６セグメント、14゜の巻き角度を
含み、制動層としてISD112を選ぶことを示した。
セグメント間の接合点の強度と一体性は、図５に示し
たように層の重なりにより増強される。制動層71が第１
剛性層の多プライ72−75と第２剛性層の多プライ77−80
間にサンドイッチされる。プライの各々は第１部分Ａと
第２部分Ｂをもつ。第１層のプライ72−76のＡ部分は正
の配向角をもち、一方それらのプライのＢ部分は負の配
向角をもつ。プライ77−80のＡおよびＢ部分に関して
は、逆の関係が存在する。プライ75Aと75Bの間の境界81
は、プライ74Aと74Bの間の境界82からは片寄っている。
このパタンは全構造を通してプライからプライへと連続
しており、隣接プライの部分間の境界は常に重なり合っ
ていない。
たように層の重なりにより増強される。制動層71が第１
剛性層の多プライ72−75と第２剛性層の多プライ77−80
間にサンドイッチされる。プライの各々は第１部分Ａと
第２部分Ｂをもつ。第１層のプライ72−76のＡ部分は正
の配向角をもち、一方それらのプライのＢ部分は負の配
向角をもつ。プライ77−80のＡおよびＢ部分に関して
は、逆の関係が存在する。プライ75Aと75Bの間の境界81
は、プライ74Aと74Bの間の境界82からは片寄っている。
このパタンは全構造を通してプライからプライへと連続
しており、隣接プライの部分間の境界は常に重なり合っ
ていない。
交互の配向角でセグメント中に設けられた補強繊維の
セグメントをもつ前含浸テープ形の繊維補強複合材料85
を図６に示す。繊維87は、配向の鋭い角変化87をもっ
て、または方向が一層おだやかな変化89をもった形態で
あることができる。隣接セグメントの長さ91はランダム
にまたは予め選んだパタンで変化できる。テープ支持裏
張り93は、布、紙、またはプラスチックシート材料を含
めいずれの適当な材料であることができる。配向角は、
設計者の要求に合うように、ランダムにパタンに従い連
続的にまたは段階的に変化できる。理想的には、連続繊
維を望む形態で組合せた後、硬化するための樹脂で前含
浸する。示したテープは、本発明の開示の教えと一致す
る制動構造物の直接の組合せに有用な点で、利用できる
「プレプレグ（prepreg）」材料とは異なる。すなわ
ち、テープ内のせん断結合誘起変位を使って、粘弾性材
料に有効な制動機構をつくり出すことができる。テープ
の主方向に沿う平均モジュールは、全ての繊維が０゜で
配向している通常のプレプレグテープと殆ど同じように
高い。テープの主方向に垂直な平均モジュールは上記通
常のテープよりもはるかに高い。
セグメントをもつ前含浸テープ形の繊維補強複合材料85
を図６に示す。繊維87は、配向の鋭い角変化87をもっ
て、または方向が一層おだやかな変化89をもった形態で
あることができる。隣接セグメントの長さ91はランダム
にまたは予め選んだパタンで変化できる。テープ支持裏
張り93は、布、紙、またはプラスチックシート材料を含
めいずれの適当な材料であることができる。配向角は、
設計者の要求に合うように、ランダムにパタンに従い連
続的にまたは段階的に変化できる。理想的には、連続繊
維を望む形態で組合せた後、硬化するための樹脂で前含
浸する。示したテープは、本発明の開示の教えと一致す
る制動構造物の直接の組合せに有用な点で、利用できる
「プレプレグ（prepreg）」材料とは異なる。すなわ
ち、テープ内のせん断結合誘起変位を使って、粘弾性材
料に有効な制動機構をつくり出すことができる。テープ
の主方向に沿う平均モジュールは、全ての繊維が０゜で
配向している通常のプレプレグテープと殆ど同じように
高い。テープの主方向に垂直な平均モジュールは上記通
常のテープよりもはるかに高い。
示した好ましい実施態様の詳細は、特定の記載した実
施態様の等価なものを含む本発明を規定することが意図
されている請求の範囲を限定する意図はない。
施態様の等価なものを含む本発明を規定することが意図
されている請求の範囲を限定する意図はない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｆ 15/02 Ｆ１６Ｆ 15/02 Ｑ (56)参考文献 特開 平１−204735（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−169634（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−214649（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B32B 1/00 - 35/00 F16F 15/02
Claims (16)
- 【請求項１】樹脂を含浸させた補強繊維からなる剛性層
を制動層に接着させてなる複合構造物であって、剛性層
が複数のセグメントとして設けられており、隣接するセ
グメント中の補強繊維の方位が、剛性層に沿って、隣接
するセグメントの境界を横切るように荷重をかけたとき
に、応力が該境界に集中するように、互いに異ならせて
配向させてあることを特徴とする複合構造物。 - 【請求項２】第１の剛性層、第２の剛性層、および粘弾
性材料の中間制動層を含んでいる請求項１の構造物。 - 【請求項３】第１および第２の剛性層の各々が、対応す
る数のセグメントを有しており、それらセグメントが、
第１剛性層の隣接するセグメント間の境界が、第２剛性
層の隣接するセグメント間の対応する境界と、制動層に
関してほぼ対向するように構成され、かつ配置されてい
る請求項２の構造物。 - 【請求項４】含浸補強繊維からなる剛性層を有する複合
構造物であって、剛性層が複数のセグメントとして設け
られており、隣接するセグメント中の補強繊維が、剛性
層に沿って、隣接するセグメント間の境界を横切るよう
に荷重をかけたときに、応力が該境界に集中するよう
に、互いに異なる方位に配向していることを特徴とする
複合構造物。 - 【請求項５】補強繊維が、少なくとも部分的に粘弾性材
料で含浸してある請求項４の構造物。 - 【請求項６】剛性層が制動層に接着してある請求項４の
構造物。 - 【請求項７】第１の剛性層、第２の剛性層、および粘弾
性材料の中間制動層を含んでいる請求項６の構造物。 - 【請求項８】第１および第２の剛性層の各々が、対応す
る数のセグメントを有しており、それらセグメントが、
第１剛性層の隣接するセグメント間の境界が、第２剛性
層の隣接するセグメント間の対応する境界と、制動層に
関してほぼ対向するように構成され、かつ配置されてい
る請求項７の構造物。 - 【請求項９】剛性層が樹脂を含浸させた補強繊維からな
る複合構造物であって、剛性層が複数のセグメントとし
て設けられており、隣接するセグメント中の補強繊維
が、剛性層に沿って、隣接するセグメントの境界を横切
るように荷重をかけたときに、応力が該境界に集中する
ように、互いに異なる方位に配向していることを特徴と
する複合構造物。 - 【請求項１０】第１の剛性層、第２の剛性層、および粘
弾性材料の中間制動層を含んでいる請求項９の構造物。 - 【請求項１１】剛性層が、剛性層に制動性を与えるのに
十分な粘弾性材料を含んでいる請求項９の構造物。 - 【請求項１２】第１の剛性層、第２の剛性層、および粘
弾性材料の中間制動層を含んでいる請求項11の構造物。 - 【請求項１３】中空管としての形態を有し、剛性層が該
管の壁を構成している請求項９の構造物。 - 【請求項１４】壁が、同心に配置された複数の剛性層か
らなり、隣接する剛性層により規定される環を制動層が
うめている請求項13の構造物。 - 【請求項１５】複数のセグメントからなる剛性層を有す
る複合構造物であって、各セグメントが各補強繊維の配
列を含んでおり、かつ各セグメントが剛性層の長軸に沿
って他のセグメントと隣接して配置されており、さらに
各セグメント中の補強繊維が、隣接するセグメントの補
強繊維と異なる方位に配向していることを特徴とする構
造物。 - 【請求項１６】各セグメントが、それに隣接して配置さ
れた各セグメントと同一平面上に位置している請求項15
の複合構造物。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US78092391A | 1991-10-22 | 1991-10-22 | |
| US780.923 | 1991-10-22 | ||
| PCT/US1992/009176 WO1993008023A1 (en) | 1991-10-22 | 1992-10-22 | Improved damping in composite structures through stress coupling |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07503193A JPH07503193A (ja) | 1995-04-06 |
| JP3133333B2 true JP3133333B2 (ja) | 2001-02-05 |
Family
ID=25121105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05507956A Expired - Fee Related JP3133333B2 (ja) | 1991-10-22 | 1992-10-22 | 応力結合による複合構造物における改良された制動 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0610402B1 (ja) |
| JP (1) | JP3133333B2 (ja) |
| AU (1) | AU2928392A (ja) |
| DE (1) | DE69230941T2 (ja) |
| MX (1) | MX9206033A (ja) |
| WO (1) | WO1993008023A1 (ja) |
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| JP2011183563A (ja) * | 2010-03-04 | 2011-09-22 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 炭素繊維強化プラスチック成形体 |
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| GB2638210A (en) * | 2024-02-15 | 2025-08-20 | Airbus Operations Ltd | Composite structure |
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| US5335463A (en) * | 1991-09-16 | 1994-08-09 | Per Reinhall | Composition for vibration damping |
-
1992
- 1992-10-21 MX MX9206033A patent/MX9206033A/es unknown
- 1992-10-22 DE DE69230941T patent/DE69230941T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1992-10-22 EP EP92923500A patent/EP0610402B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-10-22 AU AU29283/92A patent/AU2928392A/en not_active Abandoned
- 1992-10-22 JP JP05507956A patent/JP3133333B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1992-10-22 WO PCT/US1992/009176 patent/WO1993008023A1/en not_active Ceased
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| JP2011183562A (ja) * | 2010-03-04 | 2011-09-22 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 炭素繊維強化プラスチック成形体 |
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| JPH07503193A (ja) | 1995-04-06 |
| EP0610402B1 (en) | 2000-04-19 |
| AU2928392A (en) | 1993-05-21 |
| DE69230941D1 (de) | 2000-05-25 |
| EP0610402A1 (en) | 1994-08-17 |
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