JP5149276B2 - 層間剥離を阻止するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層要素又は構造を層間剥離から保護するために積層要素又は構造の湾曲部分を圧縮するための装置及び方法に関する。

繊維強化積層材は、多くの既存の金属材料と比較すると、剛性及び耐久性の点でかなりの利点がある。これらはそれ自体、多くの産業、特に構造の重量が非常に重要である航空機の製造において幅広く使用されている。しかし、繊維強化積層材の構成要素を設計する際にいくつか複雑な点がある。設計において特に考慮しなければならないことは、最終製品内部において耐荷重性能のほとんどが構造内における繊維の配向から生じるという事実に起因する。一般に、構造は、構造によって支えられるべき主要な荷重が繊維の層の長手方向に作用するように設計される。

積層構造は、一般に、先行する繊維の層の上に繊維の層を組み立てることによって積み重ねられる。各繊維層内において、全ての繊維は同じ方向に延びている。すなわち、縦糸と横糸の織りは必然的に繊維を縮ませて圧縮荷重に抵抗する能力を減少させるので、各層は縦糸と横糸の織りではない。１つの要素を製造するために層は交互に異なる方向、一般に相互に９０度に置かれる。しかし、単純化のためにこのような積層材料の層で構成される平らなパネルを考えると、パネルの平面に作用する力に関してはパネルを比較的強くすることができるが、パネルの平面に直交して通る繊維はない。したがって、パネルはパネルの層を相互に分離しようとする張力に対しては比較的弱いだろう。このような限界は、平面的要素の構造を考えると一般にあまり重要ではないが、積層要素が湾曲領域を有する場合にはより重要になる。

本発明の第１の態様によれば、積層要素と、積層要素の湾曲領域を圧縮するための圧縮装置との組合せであって、積層要素が、第１の湾曲経路を辿る第１の表面領域と、第１の表面領域とは反対側の、第２の湾曲経路を辿る第２の表面領域とを有しており、圧縮装置が第１の圧縮部材を備え、第１の圧縮部材が、第１の表面領域に接して配置されると共に、第２の表面領域に接して配置された第２の圧縮部材に向かわされることを特徴とする、組合せが提供される。

このようにして、あらかじめ決められた最大荷重よりも小さい荷重において、積層要素の湾曲部分の繊維が隣接する繊維層に対し常に圧縮状態に保持されるのを確保するために、クランプのジョーとして効果的に作用する第１の圧縮部材と第２の圧縮部材との間に、積層要素の湾曲領域を把持することができる。

一般に、積層要素の湾曲領域は、積層要素が隣接する要素に固定されうるように要素の壁とフランジとの間の境界面を形成するように画定される。湾曲領域はある程度の距離を延びうる部分筒状表面を形成することができる。有利には、第１及び第２の圧縮部材は、積層要素の湾曲領域をその長さの大部分好ましくはその長さの全てにわたって保護するために１つ又は複数の部材が第１及び第２の表面領域の各々に接して配置されうるように、細長い部材である。

有利には、第１及び第２の圧縮部材を相互に向かわせそれによってそれらの間にある積層要素の湾曲領域を把持するために、少なくとも１つの締結具が第１の圧縮部材と第２の圧縮部材との間に張力を受けて延びる。

この組合せは、さらに、ネジ、ボルト、リベット又は接着剤などの締結具によって積層要素に接合されうる第２の要素を備えることができる。一般に積層要素は第２の要素に接合可能なフランジを有する。好ましくは、フランジは第２の要素の表面にほぼ平行に置かれるのに適する。

一般に、湾曲部分は積層要素の第１の側に凹面を有し、積層要素の第２の側に凸面を有し、第２の要素は積層要素にその第２の面で接合されるのに適する。

本発明の第２の態様によれば、積層要素の湾曲領域を層間剥離から保護するための方法であって、該方法が、第１の部材を前記湾曲領域の第１の表面に接して配置すると共に第２の部材を前記湾曲領域の第２の表面に接して配置するステップであって、前記第１の表面及び前記第２の表面が前記湾曲領域の互いに反対側にあるステップと、前記湾曲領域が前記第１の部材と第２の部材との間で圧縮されるように、前記第１の部材及び第２の部材を互いに他に向かわせるステップと、を含む方法が提供される。

本発明を、添付図面を参照しながら例を挙げてさらに説明する。

図１は、全体として２で示される第１の積層要素と第２の要素４との間の境界面を図解している。第２の要素４は積層材でもそうでなくてもよい。要素２及び４は複数の締結具によって一体に接合されるが、単純化のために１つの締結具６のみが図示される。締結具は、要素２及び４間に作用する荷重に応じて生ずる要素２及び４間の相対的運動に抵抗するために要素２及び４を一体に保持するのに適した任意の締結具である。適切な締結具にはネジ、ボルト、リベット及び接着剤が含まれるが、これらに限定されない。要素２は要素２の第１の側に凹面を備えかつ要素２の第２の側に凸面を備える湾曲領域１０を有する。要素４は、その第２の側（すなわち、凸面と同じ側）において要素２に接合される。論証のために、締結具６がボルト、任意には外面を滑らかにするためにカウンタサンクヘッド付きボルトであるとし、荷重がパネル４に対してほぼ直角にかつパネル２の非湾曲領域８のほぼ平面内で作用するように荷重が方向Ａ又はＢに作用することが期待されるものとする。しかし、パネルの、全体として１０として示される湾曲領域において、パネル内部の力がパネル内部の繊維の局所軸線に沿っていないことがわかるだろう。

パネル２は中実であるけれども、パネル２の内側面及び外側面にのみ作用する荷重の影響を考えるとわかり易いだろう。パネルの湾曲領域は第１の鎖線１２及び第２の鎖線１４との間に延びると考えることができる。パネルの最内面１６上において線１２及び１４間に延びる繊維の長さＬ_Ｉはパネルの最外面１８において同じ線１２及び１４間に延びる繊維の距離Ｌ_Ｏよりも短いことがわかるだろう。

パネルの湾曲領域１０を真っ直ぐにしようとして力が方向Ｃに沿って作用すると、パネルから湾曲部分が取り除かれるので、すなわち湾曲部分がその製造された角度から「開けられる」ので、内側面及び外側面に沿った線１２及び１４間の距離が等しくなる傾向があることが、直観的にわかるだろう。しかし、繊維は伸縮に抵抗するので、これが矢印Ｆの方向に沿って作用する力を生じ、この力が複合材料の隣り合う層同士を相互に分離させる。この力は、「肉厚貫通」引張り荷重と呼ばれるもので、積層材の隣り合う層同士を保持する樹脂に張力を加え、この力が樹脂の引張り強さを越えると積層製品に層間剥離が生じる。積層材内の材料のマトリクスはその表面に垂直の方向に沿って強化されないので、この層間剥離の力に抵抗する能力は、積層製品の局所平面内の強さに比較して低い。方向Ａ又はＢに作用する力も、湾曲部分をその製造された形状から開閉するよう作用する力と同様の効果を生じ、湾曲部分の様々な点で同時に両方の作用を生じうることは、直観的にはわかりにくいが、事実である。このことは、図１に示される湾曲経路と同様の湾曲経路に従って帳面を折り曲げてから方向Ａ又はＢに沿って力を適切に加えれば、わかるだろう。力が加えられると（パネル２の平面部分８の位置は一般的に側方に動かないようにされていることに留意して）曲率半径がわずかに変化し、それによって湾曲部分の一部が内面と外面との間に作用する圧縮力を受けることになり、湾曲部分の他の部分は内面と外面との間に作用する張力を受けることになる。

加えられる荷重に抗して積層構造のコーナの丸み部分内部に生じる内部荷重を制御するというこの問題は公知であり、これを克服するために先行技術において種々の解決法が提案されている。そのうちの１つの解決法は、図２に示されるように締結具からコーナの丸み部分の「スロート」２８内に延びてより近くの荷重を接合部分の平坦部分（図２に示される垂直断面）に移そうとする個々のワッシャを含めることである。このように、この例において、ワッシャ３０は非円対称形状を有し、積層要素２の湾曲表面３４へ向かって延びる部分３２を有する。ワッシャは、湾曲表面３４に一致しそれによって荷重を積層要素の垂直断面へ移すように輪郭形成される。図２において、ワッシャ並びに要素２及び４は、ナット３８と協働するボルト３６によって一体に保持されるよう示されている。このような解決法は部分的にしか成功せず、ボルト又はネジなど貫通締結具を備えた接合部分にしか応用できない。接着剤による接合部分とは作用しない。

要素２の湾曲領域を層間剥離から保護するための別の先行技術の試みは、積層材料に「Ｚピン」を貫通させることである。これらは、効果的には、積層要素の局所表面の法線にほぼ直角に延びて局所表面に対し直角な方向における強さを増大させようとする短い繊維片である。しかし、Ｚピン自体は積層構造を一体的に結合させるのに使用される樹脂によって積層構造に固定されるだけであり、したがってＺピンが吸収できる最大力は積層構造の表面からの距離に応じて変動する。なぜなら、あらゆる繊維強化材料にも見られるように、強化効率は繊維の長さに比例するからである。したがって、積層材の薄い断面の内部において、Ｚピンは、材料を層間剥離させる傾向を有する荷重を充分に吸収しこれに反応するのに充分に長くない。さらに、Ｚピンが積層材に挿入されると、Ｚピンにより既存の繊維の歪みが生じ、これにより積層材全体の性能が低下するおそれがある。このような劣化は積層材の厚さに比例する。

層間剥離の危険を避けるために、本願発明者は、積層構造の隣り合う層同士を互いに他に向かわせるように積層構造の湾曲部分に圧縮予荷重を加えるべきであることに気付いた。その結果、隣り合う層同士を離そうとする傾向を持つ構造内の内力は圧縮予荷重に対抗して作用しなければならず、それによって、コーナの「開き」によって生じる全ての肉厚貫通荷重を吸収する（又は少なくとも実質的にこれを減少する）。

予荷重を与えるために、部材２の湾曲領域１０の凸側に第１の圧縮部材４０が設けられ、湾曲領域の凹側に第２の圧縮部材５０が配置される。第１の圧縮部材は、部材２の外側凸面１８の曲率半径にぴったりと合致するのに適したほぼ筒状凹面４２を有する。有利には、圧縮部材の凹面と湾曲領域の外側凸面との間の空隙を樹脂又は粒子混合物などのフィラーによって充填しそれによって第１の圧縮部材４０と積層要素の最外面１８との間で均等な荷重伝達が確保されるように、凹面の曲率半径が湾曲領域の外側凸面１８の曲率変形よりもわずかに大きくなるように製造公差を設定すべきである。

第２の圧縮部材５０は要素２の内向き湾曲凹面５４の曲率半径に実質的に合致する筒状凸面５２を有する。この場合、凸面と凹面との間の空隙をフィラーで充填できるように、凹面５４よりもわずかに小さい曲率半径を有する凸面の側にあらゆる製造公差が生ずるようにすべきである。図４に示されるように、第１及び第２の圧縮部材を細長い押出し成形品にすることができる。第１及び第２の圧縮部材は、複数の締結具６０によって積層要素２のそれぞれ対応する協働面に係合される。これら締結具は、第１の圧縮部材４０、第２の圧縮部材５０及びその間に位置する積層構造の湾曲部分を貫通するそれぞれ対応する通路、例えばドリル孔を、張力を受けて貫通する。

一つの又はそれぞれの引張り締結具は例えばボルト又はネジである。ボルトは外付けナットと係合するか又は圧縮部材の一方のネジ部と係合することができる。圧縮力を圧縮部材４０及び５０内により均等に分散するために、図３に示されるようにボルト６４の頭部と圧縮部材４０又は５０の一方（この例においては第２の圧縮部材５０）との間に適切にワッシャ６２を配置することができる。図３に示される第１の圧縮部材４０は、ボルトのネジ山と係合するように、その通路内面にネジ面を備える。

圧縮部材４０及び５０を適切な任意の材料から製作することができ、例えば押出し成形金属から製作することができる。アルミニウムは代表的な適切な材料候補である。しかし、好都合には、圧縮部材を、繊維の長手方向が圧縮部材の長手軸線（すなわち図４において示される上下方向）に平行である繊維強化積層材から製作することができる。繊維強化積層材から圧縮部材を製作することには、圧縮部材を積層要素２の両面に固定するのに使用される固定金具の接触腐食を減少するという利点がある。

圧縮部材を強化要素と見なすことができ、それ自体は接合部分との境界形成を助勢することができる。図４を見ると、圧縮部材４０は要素４に当接し、それ自体、要素２と要素４との間の荷重伝達を助勢することができる。さらに、圧縮部材４０と要素２及び４との間に接着剤が使用される場合には、接合部分の全体長さが増大する。

締結具６０の配置（数、サイズ及び締結具同士間の距離）は、局所荷重したがって要求予荷重の程度によって決定される。したがって、予想される荷重について適切な数の締結具が使用されることを条件として、広く変動する荷重範囲において同様のサイズの圧縮部材を使用することができる。

圧縮部材は、要素２が成形された後、好ましくは樹脂が硬化した後、要素２の周りに配置される。したがって、貫通孔を開ける作用は、孔自体の領域を除いて、積層材内部の繊維の整列を破壊することはない。その結果、積層要素の全体的完全性がひどく悪影響を受けることはなく、要素２とその圧縮配列体の組合せの性能は、同等の未修正の要素２単独での性能よりもずっと優れているはずである。

本発明は特に航空宇宙産業で使用するのに適する。要素２は例えば航空機の翼の上面と下面との間に延びる翼桁である。この場合、要素４は翼の最上面又は最下面を形成しうる（図の向きを適宜直して）。

第１の積層要素の平面内部において作用する力がどのように当該要素の湾曲領域に層間剥離の力を発生させるかを概略的に示す図である。 先行技術の解決法を示す図である。 本発明の実施形態を構成する圧縮装置の平面図である。 翼桁の翼表面への接合を容易にするために使用されている図３の装置を示す斜視図である。

Claims (20)

1. 先行する繊維の層の上に繊維の層を組み立てることによって積み重ねられる積層要素と、積層要素の湾曲領域を圧縮するための圧縮装置との組合せであって、積層要素が、第１の湾曲経路を辿る第１の表面領域と、第１の表面領域とは反対側の、第２の湾曲経路を辿る第２の表面領域とを有しており、圧縮装置が第１の圧縮部材を備え、第１の圧縮部材が、第１の表面領域に接して配置されると共に、第２の表面領域に接して配置された第２の圧縮部材に向かわされ、１つ又は複数の締結具が前記第１の圧縮部材と第２の圧縮部材との間に延び、前記締結具が張力を受け、前記締結具の少なくとも１つが前記積層要素の前記湾曲領域を貫通する、ことを特徴とする組合せ。
2. 少なくとも１つの締結具が前記第１の圧縮部材と前記第２の圧縮部材との間に延びることを特徴とする、請求項１に記載の組合せ。
3. 前記少なくとも１つの締結具が前記積層要素内の通路を貫通することを特徴とする、請求項２に記載の組合せ。
4. 一つ又はそれぞれの締結具が前記積層要素内のそれぞれの通路を貫通することを特徴とする、請求項２に記載の組合せ。
5. 前記少なくとも１つの締結具が使用中に張力を受けることを特徴とする、請求項２、３又は４に記載の組合せ。
6. 前記第１の圧縮部材が前記積層要素の第１の表面領域に合致するのに適した凹面を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の組合せ。
7. 前記第２の圧縮部材が前記積層要素の第２の表面領域に合致するのに適した凸面を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の組合せ。
8. 前記圧縮部材の一方がネジ付き締結具と係合するためのネジ付き孔を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の組合せ。
9. 前記積層要素に接合可能な第２の要素を更に備えることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の組合せ。
10. 前記圧縮部材の一方が前記積層要素及び前記第２の要素の両方に当接することを特徴とする、請求項９に記載の組合せ。
11. 前記積層要素が前記第２の要素に接合可能なフランジを有することを特徴とする、請求項１０に記載の組合せ。
12. 前記フランジが前記第２の要素の表面に対してほぼ平行に置かれるのに適することを特徴とする、請求項１１に記載の組合せ。
13. 前記湾曲領域が前記積層要素の第１の側に凹面を有しかつ前記積層要素の第２の側に凸面を有し、前記第２の要素が前記積層要素にその第２の側において接合されるのに適することを特徴とする、請求項９から１２までのいずれか一項に記載の組合せ。
14. 前記積層要素を前記第２の要素に接合するための１つ又は複数の締結具を更に備えることを特徴とする、請求項９から１３までのいずれか一項に記載の組合せ。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の要素の組合せを含む航空機。
16. 先行する繊維の層の上に繊維の層を組み立てることによって積み重ねられる積層要素の湾曲領域を層間剥離から保護するための方法であって、該方法が、第１の部材を前記湾曲領域の第１の表面に接して配置すると共に第２の部材を前記湾曲領域の第２の表面に接して配置するステップであって、前記第１の表面及び前記第２の表面が前記湾曲領域の互いに反対側にあるステップと、前記湾曲領域が前記第１の部材と第２の部材との間で圧縮されるように、前記第１の部材及び第２の部材を互いに他に向かわせるステップと、を含み、１つ又は複数の締結具が前記第１の部材と第２の部材との間に延び、前記締結具が張力を受け、前記締結具の少なくとも１つが前記積層要素の前記湾曲領域を貫通する、方法。
17. 前記第１の部材と第２の部材との間に締結具が延びており、前記締結具が使用中に張力を受けることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１及び第２の部材が、前記積層要素の前記湾曲領域の表面を補完する表面を有するように輪郭形成されることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 第２の要素を前記積層要素に接合するステップを更に含む、請求項１６から１８までのいずれか一項に記載の方法。
20. 前記湾曲領域が前記積層要素の第１の側に凹面を有しかつ前記積層要素の第２の側に凸面を有しており、前記第２の要素が前記積層要素にその第２の面において接合されることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。

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