JP5475639B2 - 複合トラス構造のための方法とシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、概して、軽量のトラス材を形成するための方法と構造に関し、具体的には複合ウィングリブ及びトラス材を形成するための方法と構造に関する。

従来の航空機の翼の構造には、通常、胴体の縦軸に対して横方向に延びる一又は複数の桁が含まれ、この桁は、横方向に間隔を開けて縦方向に延び、翼型の形状を画定する複数のリブを支持する。リブの垂直なウェブ部分は、圧縮及び伸張による負荷を支えて翼型の形状を維持するように構成された構造要素を含んでいる。航空機のウィングリブにトラス設計を用いることは、翼構造全体に負荷を伝達及び分配するための効率的な方法である。トラス構造は、橋、床及びその他の支持構造にも使用されている。既知のトラス構造の少なくとも一部は、トラス構造の構造要素及び金属製の部品の使用により重量が大きい。軽量の材料を使用して頑丈な軽量トラス構造を作ることもできるが、現在の複合リブは製造が複雑で、且つトラス構造要素間に負荷を十分に伝達するために、一般に重量が大きい。また、翼に複合リブを用いる航空機の翼の組み立ては困難であることが分かっている。

必要なのは、トラス構造と接続部品の製造を容易にし、組み立て時間を短縮する軽量な支持構造を提供するための方法と構造である。

一実施形態では、複合トラスの構造は、複合材料からなる複数のシートから形成されたウェブを含み、これらシートの各々は、それぞれが長さと幅を有する第１面と、第１面の反対側の第２面とを有する。複数のシートの各々は、各面の長さと幅とが、隣接するシートの面の長さと幅とにほぼ一致するように、複数のシートのうちの他の少なくとも一つと向かい合わせに連結される。複数のシートは、上弦材、下弦材、及びそれらの間に配置される複数のウェブ材を含むように形成される。この構造は、ウェブの外周縁の近位でウェブに連結される少なくとも第１のフランジプレートも含む。

また別の実施形態では、複合構造部材を形成する方法は、複合材料からなる複数のシートを向かい合わせに連結してウェブを形成するステップ、ウェブを成形することにより上弦と下弦を形成するステップ、及びウェブに複数の開口を形成することにより、上弦と下弦の間に延びる複数の構造ウェブ部材を形成するステップを含む。本方法はまた、少なくとも一つのフランジプレートを、上弦及び下弦の少なくとも一方の外周縁に連結するステップを含む。

別の実施形態では、複合ウィングリブを含む航空機の翼を形成する方法は、ウィングリブを形成するステップを含み、このウィングリブ形成ステップは、向かい合わせに連結された複数の複合シートからウェブを形成するステップと、上弦材、下弦材、及び各々がウェブに形成された複数の開口により画定される複数のウェブ材を含むウェブ内に、相互接続された複数の構造要素を形成するステップと、ウィングリブの外周縁に近位の側に、横方向に延びるフランジ部材を含むフランジプレートを連結するステップとを含む。本方法はさらに、前部桁と後部桁の少なくとも一方に少なくとも一つのウィングリブを取り付けるステップと、横方向に延びるフランジ部材を用いて桁とウィングリブとのアセンブリに後縁外板を取り付けるステップとを含む。本方法はまた、上部及び下部の中央外板を、リブ、桁及び後縁外板からなるアセンブリに、中央外板が後縁外板に重なるように取り付けるステップと、前縁外板を、翼アセンブリに、前縁外板が中央外板と後縁外板とのアセンブリに重なるように取り付けるステップとを含む。

本発明の一実施形態による航空機の翼構造の切開等角図である。 本発明の例示的一実施形態によるトラスリブアセンブリの側方断面図である。 図２のトラスリブアセンブリの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図２のトラスリブアセンブリの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 図２のトラスリブアセンブリの線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。 図２のトラスリブアセンブリの線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。 図２のトラスリブアセンブリの線Ｅ−Ｅに沿った断面図である。 本明細書の別の例示的実施形態によるトラスリブアセンブリの側方断面図である。

後述の詳細な説明は、例示を目的としたものであり、本発明を限定するものではない。下記の説明により、当業者であれば本開示内容を作製及び使用することができ、この説明は、本発明を実行するベストモードと思われるものを含め、本発明の複数の実施形態、適用例、変形例、代替形態、及び使用法について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による航空機の翼構造１００の切開等角図である。この例示的な実施形態では、航空機の翼構造１００は複数のトラスリブアセンブリ１０２を含み、これらのトラスリブアセンブリ１０２は、航空機の翼構造１００の前縁１０８と後縁１１０の間で、前方１０４と後方１０６に延びている。航空機の翼構造１００は、航空機の胴体（図示しない）から延びる前部翼桁１１２及び後部翼桁１１４も含む。下方翼被覆セクション又は外板１１６は、前縁１０８と後縁１１０の間でトラスリブアセンブリ１０２の下部に接合されている。同様に、上方翼被覆セクション又は外板１１８は、前縁１０８と後縁１１０の間でトラスリブ１０２の上部に結合されている。

図２は、本発明の例示的一実施形態によるトラスリブアセンブリ１０２の側方断面図である。翼などの航空機の翼型のリブとして記載するが、本構造及びこのような構造を製造する方法は、例えば、限定しないが、梁、小屋組、及び船橋楼甲板支持部材といった他の複合トラス構造にも使用することができる。このような実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は、一又は複数の被覆部材を受けてその上に被覆部材を支持するように構成される。

この実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は複合トラス構造を含む。トラスリブアセンブリ１０２は、上弦材２０２、下弦材２０４、及びそれらの間に配置される複数のウェブ材２０６を含む。上弦材２０２、下弦材２０４、及びウェブ材２０６はそれぞれ、並んで搭載される少なくとも第１の部分２０２と第２の部分２０４とから形成される。各部分は、限定しないが、平織（ＰＷ）又は硬度５（５Ｈ）材のような繊維強化シート材から形成される。繊維ガラスなどの繊維強化材、グラファイト、限定しないがアラミド繊維エポキシなどの芳香族ポリアミド、又は熱可塑性物質も使用できる。各部分は、互いに結合又は連結される。これらの部分が互いに結合又は連結されると、トラス構造要素の全ては各構造要素についてボックス構造を形成する。リブの蓋部２０６は開いており、翼の外板がリブに結合されるとき閉じられる。リブ又はトラスの空のスペースにはフォームコアを使用することができる。

この例示的実施形態のトラスリブアセンブリ１０２は、トラスリブアセンブリ１０２の外周に連結されて、トラスリブアセンブリ１０２から側方に延びる側方フランジを含む。側方フランジ２０８は、互いの反対方向に延びる右手部分と左手部分を有することができる。他の実施形態では、右手フランジ及び左手フランジの一方のみが使用される。例示的な一実施形態では、フランジ２０８はトラスリブアセンブリ１０２の全周囲に延びる。別の実施形態では、フランジ２０８はトラスリブアセンブリ１０２の周囲の一部のみに延びる。前部桁フランジ２１０と後部桁フランジ２１２は、側方フランジ２０８と同様に形成されているが、各桁の開口２１４及び２１６の内縁をそれぞれ取り囲んでいる。桁及び蓋部の位置に示されたフランジ２０８、２１０、２１２は、リブ及び／又はリブセクションを個々の外板に結合して外板アセンブリを形成し、次いでそれらのサブアセンブリを完成された翼に結合するように構成されている。各ウェブ開口２１８は、内側に向かってウェブ開口２１８内に延びる対応する右手及び／又は左手フランジ２２０によって取り囲まれている。

図には、単一のトラスリブアセンブリ１０２として作製されたトラスリブアセンブリ１０２が示されているが、トラスリブアセンブリ１０２は、異なる翼アセンブリ方法が適用できるように、複数の個別の部品から作製されてもよい。このような複合トラスリブの使用は、航空機の翼に限定されず、建物の床又は小屋組、及び異なる場所で製造されて現場で組み立てられる橋トラスにも使用される。

図３は、（図２の）線Ａ−Ａに沿ったトラスリブアセンブリ１０２の断面図である。この例示的実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は、上弦材２０２、下弦材２０４、及びウェブ材２０６を形成するように裁断された複合材料からなる一又は複数のシートにより形成されている。シートは並べて互いに結合されており、トラスリブアセンブリ１０２と開口２１８の周囲にはフランジが付けられている。線Ａ−Ａにおけるフランジは、それぞれ複合シートの中心線３０６から延びる左手側方部分３０２及び右手側方部分３０４を含む。フランジはまた、開口２１８内に延びる右手フランジ部分３０８と、このフランジ部分３０８に相補的な左手フランジ部分３１０とを含む。この例示的実施形態では、右手フランジ部分３０８と左手フランジ部分３１０とが互いに結合されていることにより、複合シートを互いに結合することが容易である。左手側方部分３０２と右手側方部分３０４は結合関係において外板部材を受容するように構成され、よって翼構造の組み立てが容易となっている。

図４は、（図２の）線Ｂ−Ｂに沿ったトラスリブアセンブリ１０２の断面図である。この例示的な実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は、線Ｂ−Ｂに沿って、前部桁開口２１４の両側の前部桁フランジ２１０と、開口２１８内に延びて複合シートの相互連結を助けるフランジ２２０とを含む。

図５は、（図２の）線Ｃ−Ｃに沿ったトラスリブアセンブリ１０２の断面図である。この例示的な実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は、線Ｃ−Ｃに沿って、左手フランジの半分５０２と、右手フランジの半分５０４と、開口２１８内に延びて複合シートの相互連結を助けるフランジ２２０とを含む。

図６は、（図２の）線Ｄ−Ｄに沿ったトラスリブアセンブリ１０２の断面図である。この例示的な実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は、線Ｄ−Ｄに沿って、左手フランジの半分６０２と、右手フランジの半分６０４と、開口２１８内に延びて複合シートの相互連結を助けるフランジ２２０とを含む。

図７は、（図２の）線Ｅ−Ｅに沿ったトラスリブアセンブリ１０２の断面図である。この例示的な実施形態では、トラスリブアセンブリ１０２は、線Ｅ−Ｅに沿って、後部桁開口２１６の両側と、左手フランジ７０２と右手フランジ７０４の各々に、後部桁フランジ２１２を含む。トラスリブアセンブリ１０２はまた、上弦材２０２及び下弦材２０４に沿って延びる側方フランジ２０８を含む。後部桁フランジ２１２は、後部桁１１４へのトラスリブアセンブリ１０２の連結を助け、側方フランジ２０８は、組み立ての間に、トラスリブアセンブリ１０２への被覆セクション又は外板部材の連結を助ける。

図８は、本発明の別の例示的実施形態によるトラスリブアセンブリ８００の側方断面図である。この例示的実施形態では、トラスリブアセンブリ８００は、三つの部分、即ち、前部８０２、中央部８０４、及び後部８０６に分けて製造されている。各部分は、トラスウェブを形成する上弦８１０、下弦８１２、及び相互接続構造部材８１４の各部分のパターンに方向付けられたチャネルに巻かれた長繊維、或いはＰＷ又は５Ｈ材料などからなる複合シート材料から形成されている。一部の実施形態では、前部８０２、中央部８０４、及び後部８０６の一又は複数をシート材から形成し、他の部分を繊維加工材を配置することにより形成すると有利でありうる。アセンブリは、前部８０２、中央部８０４、及び後部８０６を接合することにより完成する。一実施形態では、前部８０２と中央部８０４は、互いに接合される前に前部桁（図示しない）に取り付けられ、中央部８０４と後部８０６は互いに接合される前に後部桁（図示しない）に取り付けられる。

上述の複合構造部材を形成するための方法と、それによって形成される複合トラス構造とは、費用効率及び信頼性が共に高い。本方法及び構造は、トラスに形成及び相互結合された複合シート材を含み、このトラスには上弦及び下弦、並びに複数のトラス構造要素を含むウェブが含まれている。本トラスは、トラスの固定及び外板の取り付け又はトラス材の被覆を容易にするフランジ部材を含む。複合シート材が互いに結合又は連結されていることにより、強度及び安定性が高まっている。この軽量トラスは、支持装備を低減又は縮小しながら取扱いを単純化する。従って、本方法及び構造により、費用効率的且つ確実に、軽量化及び製造時間の短縮化が促進され、構造部材の強度及び剛度が向上する。

種々の特定の実施形態に関連して本発明の実施形態について説明したが、当業者であれば、本発明の実施形態は、特許請求の理念及び範囲内で、修正を加えて実行可能であることが分かるであろう。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
航空機の２つの胴体部分を組立てる方法であって、
（Ａ）胴体部分の合わせ面の位置を測定し、
（Ｂ）胴体部分の仮の組立を行い、
（Ｃ）胴体部分を連結するのに使用される接合要素の外形を、ステップ（Ｂ）で行われた仮の組立に基づいて生成し、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）で生成した外形に基づいてツール挿入具を作製し、
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で作製したツール挿入具を使用して接合要素を作製し、そして
（Ｆ）接合要素を使用して胴体部分を組立てる
ステップを含む方法。
（態様２）
ステップ（Ａ）が、胴体部分のそれぞれの機構の非接触測定を使用して行われる、態様１に記載の方法。
（態様３）
該測定が、統合された写真測量法及びレーザー追跡プロセスを使用して行われる、態様２に記載の方法。
（態様４）
ステップ（Ｂ）が、胴体部分のコンピュータモデルを作成し、該コンピュータモデルを比較することによって行われる、態様１に記載の方法。
（態様５）
ステップ（Ｃ）が、仮の組立を行った胴体部分の間の隙間の測定を含む、態様１に記載の方法。
（態様６）
ステップ（Ｄ）が、コンピュータによって自動化された固体フリー成形製造技術を使用して行われる、態様１に記載の方法。
（態様７）
固体フリー成形製造技術が、三次元インクジェット印刷によって行われる、態様６に記載の方法。
（態様８）
ステップ（Ｅ）が、
ツール内にツール挿入具を挿入し、
ツール内に未硬化材料を導入し、ツール挿入具に接触させ、
該材料を硬化させて接合要素を形成し、
ツールから接合要素を取り外す
ステップを含む、態様１に記載の方法。
（態様９）
ステップ（Ｅ）が、未硬化材料とツール挿入具を互いに押し付けるステップを含む、態様８に記載の方法。
（態様１０）
ステップ（Ｅ）が、
繊維強化樹脂の複数の層を含む積層体を形成し、
ツール内を真空状態にすることによって該積層体を引き込んでツール挿入具に接触させる
ステップをさらに含む、態様８に記載の方法。
（態様１１）
接合要素によって複数の胴体部分を互いに連結させた、航空機の製造方法であって、
（Ａ）共通座標系における胴体部分の合わせ面の位置を決定し、
（Ｂ）胴体部分の間に仮の嵌合を行うことによって接合要素の外形を決定し、
（Ｃ）ステップ（Ｃ）で生成された外形に基づいてツールを作製し、
（Ｄ）ステップ（Ｄ）において作製されたツールを使用して接合要素を形成し、そして
（Ｅ）ステップ（Ｄ）において形成された接合要素を使用して胴体部分を互いに連結させる
ステップを含む方法。
（態様１２）
ステップ（Ａ）が、非接触測定システムを使用して行われる、態様１１に記載の方法。
（態様１３）
ステップ（Ｂ）が、胴体部分のコンピュータモデルを作成し、該コンピュータモデルを比較することによって行われる、態様１１に記載の方法。
（態様１４）
ステップ（Ｃ）が、
ツール基部を用意し、
ツール挿入具を用意し、
ツール基部内にツール挿入具を導入する
ステップを含む、態様１１に記載の方法。
（態様１５）
ステップ（Ｃ）が、接合要素の外形に補完的に整合する外形を有するツール挿入具を製造するステップを含む、態様１１に記載の方法。
（態様１６）
ステップ（Ｃ）が、コンピュータによって自動化された固体フリー成形製造技術を使用してツール挿入具を製造するステップを含む、態様１１に記載の方法。
（態様１７）
ステップ（Ｄ）が、
複数の層を含むカーボン・ファイバー強化合成樹脂の積層体を形成し、
ツール内に積層体を置き、
該積層体をツールに押し付けて、該ツールの外形を該積層体に写す
ステップを含む、態様１１に記載の方法。
（態様１８）
態様１１に記載の方法で製造された航空機。
（態様１９）
航空機の胴体部分を連結させるのに使用される接合要素であって、
（Ａ）胴体部分のコンピュータモデルを作成し、
（Ｂ）ステップ（Ａ）において作成されたコンピュータモデルを使用して胴体部分の合わせ面の間の隙間を位置づけし、
（Ｃ）ステップ（Ｂ）において位置づけされた隙間をそれぞれ埋める接合要素の外形を生成し、
（Ｄ）ステップ（Ｃ）において生成された外形にそれぞれ基づいた外形を有するツール挿入具を作製し、そして
（Ｅ）ステップ（Ｄ）において作製されたツール挿入具を使用して接合要素を形成する
ステップによって製造された接合要素。
（態様２０）
ステップ（Ａ）が、共通座標系における胴体部分上の機構の空間的位置を測定するステップを含む、態様１９に記載の接合要素。
（態様２１）
該機構の空間的位置が、非接触測定システムを使用して測定される、態様２０に記載の接合要素。
（態様２２）
ステップ（Ｄ）が、コンピュータによって自動化された、固体フリー成形製造技術を使用して行われる、態様１９に記載の接合要素。
（態様２３）
固体フリー成形製造が、三次元インクジェット印刷によって行われる、態様２２に記載の接合要素。
（態様２４）
ステップ（Ｅ）において形成された接合要素がそれぞれ
ツール基部を用意し、
ツール基部内にツール挿入具を挿入し、
複数の層を含む強化合成樹脂材料の積層体を該ツール基部内に導入し、
該積層体を該ツール挿入具に押し付けて、該積層体に該ツール挿入具の外形を写す
ステップによって作製される、態様１９に記載の接合要素。

Claims (4)

1. 複合材料からなる複数のシートを含むウェブであって、各シートが、それぞれ長さと幅とを有する第１面と第１面の反対側の第２面とを有し、複数のシートの各々が、各面の長さと幅とが隣接するシートの一面の長さと幅とにほぼ一致するように、複数のシートのうちの他の少なくとも一つと向かい合わせに連結され、複数のシートが、
   一の上弦材、
   一の下弦材、及び
   上弦材と下弦材の間に配置される複数のウェブ材
   を含むように形成される、ウェブと、
   前記ウェブの外周縁の近位で前記ウェブに連結される少なくとも第１のフランジプレートと、
   前記ウェブの、前記第１のフランジプレートとは反対の側に連結される第２のフランジプレートを備え、前記第１のフランジプレートと前記第２のフランジプレートの間に前記ウェブが挟まれ、前記第１及び第２のフランジプレートが柱状の空間を形成し、
   前記複合材料からなる複数のシートから延びて、構造桁を通す開口を囲むフランジをさらに備え、前記フランジが桁に対する前記ウェブの連結を容易にする、複合トラス構造。
2. 前記少なくとも第１のフランジプレートが、各フランジプレートの縁から延びるフランジを備える、請求項１に記載の構造。
3. 前記複数のウェブ材を形成する前記ウェブに設けられた複数の開口をさらに備え、少なくとも一つの開口が、前記複合材料からなる複数のシートの一面と平行なフランジ部材を備える、請求項１に記載の構造。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の構造及び該構造を通る構造桁を有する航空機の翼。

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