JP5731192B2 - パネルの凹部に埋め込まれたパッドを有するストリンガを具備する複合構造体及び力の伝達方法 - Google Patents

Description

本発明は、パネルと、前記パネルの表面に結合されたストリンガとを具備する複合構造体に関するものであり、前記ストリンガは、端面と、前記端面から遠ざかるようにストリンガに沿って縦方向に延びる一対の側面とを有するものである。

図１は、例えば航空機の翼又は胴体の外板を構成するパネル１のラン・アウト（run-out）部を示している。パネルは、該パネルの長さに沿って走る一連の細長いストリンガによって補強されており、前記ストリンガの一つが図１において断面で示されている。ストリンガ２は、パネルに対して垂直に延びるウェブ３と、パネル１に係合しているフランジ４とを具備している。

ストリンガ２は図示されたように終端されている。ウェブ３は、横の曲げ剛性及び軸方向剛性を次第に増加させること及び局部的な応力集中を軽減することによって、外板からストリンガへの荷重の伝達を促進するために、終端の近くでテーパーを付けられている。さらにフランジ４は、スティフナの先端をより従順にして、パネルが曲げられたとき追随可能にするためにウェブの端を越えて延びている。

層間剥離又は結合部の分離を防ぐために予張力発生ボルト５が使用される。図２に示されるように、予張力荷重６がパネル１の部分７及びフランジ４を圧縮状態にさせる。しかしながら、圧縮された領域７と、圧縮されていないフランジ４の先端９との間に端領域８がある。従ってボルト５は、フランジ４の先端９がパネル１に出会う界面１０における破綻の開始を遅らせることができない。

改良されたデザインが図３に示されている。この場合、厚さを貫く圧縮領域をフランジの先端まで移して先端における剥離破損モードを抑えるために座金１１が使用される。しかしながら、図３の解決法は先端における滑り破損モードを抑えない。

本発明の第１の態様は、パネルと、前記パネルの表面に結合されたストリンガにして、端面、及びストリンガの縦方向に沿って前記端面から遠ざかるように延びる一対の側面を有するストリンガとを具備する複合構造体であって、パネルの表面が、ストリンガの端面に係合する第１壁と、ストリンガの他の部分に係合する第２壁とを有するように形成されている複合構造体を提供する。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様の複合構造体における力の伝達方法であって、
パネルの表面に形成された第１壁とストリンガの端面との間の法線反力によって、パネルからストリンガへ圧縮力を伝達する段階と、
パネルの表面に形成された第２壁とストリンガの他の表面との間の法線反力によって、パネルからストリンガへ引張力を伝達する段階と、を含む力の伝達方法を提供する。

ストリンガとパネルとの間の結合が、それらの部品の間に接着剤の層を塗布することによって、又はそれらの部品を共に硬化させることによって、又は他の任意の方法で前記部品を共に結合することによって形成される。

前記パネルは、単一部片から形成されるか、又は材料の二以上の層から形成されてよい。この場合、各層は、エポキシ樹脂基材で含浸された炭素繊維のような複合材料から典型的に形成される。

一実施例では、ストリンガは、第１端面の反対側のストリンガの端部に第２端面を有しており、パネルに形成された第２壁がストリンガの第２端面に係合する。

他の実施例では、ストリンガは、パネルの表面に結合された基部と、前記基部から突出してパネルの凹部に埋め込まれるパッドとを具備している。パッドは、凹部の第１端壁に係合する第１端面と、凹部の第２端壁に係合する第２端面とを有している。この場合、凹部は、パネル全体の幅を横切って延びてよい（及び従って側壁を有さない）が、より好適には、パッドは、凹部の第１側壁に係合する第１側面と、凹部の第２側壁に係合する第２側面とを有している。パッドは、凹部に結合されてよいが、より好適には、ストリンガの基部とパネルの表面との間の結合はパッドにおいて終端をなしている。この場合、パッドを凹部内に固定するために（ファスナーのような）他の手段が採用されてよい。

前記壁は、ストリンガの幅を鋭角に横切って延びてよい、又は凹状若しくは凸状に形成されてよい。しかしながらより好適には、パネルの表面に形成された第１及び第２壁は、ほぼ反対向きに配向されて、ストリンガの長さにほぼ垂直にストリンガの幅を横切って延びる。この構成は、法線反力がパネルとストリンガとの間で効率的に伝達されることを可能にする。

本発明の実施例が、添付図面を参照してここで説明される。

第１の従来型のストリンガのラン・アウト（run-out）の縦断面図である。 図１のストリンガのラン・アウトの部分拡大図であって、予張力荷重の効果を図解する図である。 第２の従来型のストリンガのラン・アウトの縦断面図である。 本発明の第１実施例による複合構造体の斜視図である。 図４に示されるストリンガの一つのラン・アウト部を通る縦断面図である。 図４に示されるストリンガの一つのラン・アウト部を通る縦断面図である。 図４に示されるストリンガの一つのラン・アウト部を通る縦断面図である。 ストリンガの様々な代替実施例のラン・アウト部を通る縦断面図である。 ストリンガの様々な代替実施例のラン・アウト部を通る縦断面図である。 ストリンガの様々な代替実施例のラン・アウト部を通る縦断面図である。 ストリンガの様々な代替実施例のラン・アウト部を通る縦断面図である。 本発明のさらに別の実施例による複合構造体の縦断面図である。 本発明のさらに別の実施例による複合構造体の縦断面図である。

図４は、例えば航空機の翼又は胴体の外板を形成する複合構造体の一部分を示している。前記構造体は、パネル２０と、前記パネル２０の表面に結合された一連のストリンガ２１〜２３とを具備している。各ストリンガは一対の端部（各端部は「ストリンガのラン・アウト（run-out）」として従来知られている）及びストリンガのラン・アウト（run-out）の間に縦方向に延びる一対の側面を有している。航空機の翼の場合には、ストリンガは翼の根元からその先端へ向けて翼幅方向に走っている。

図４は、複合構造体の小部分だけを示している。図４に示される部分はストリンガ２２のラン・アウト、及びストリンガ２１及び２３の中間区域（即ちストリンガ２１及び２３のラン・アウトは示されない）が示されている。各ストリンガは、パネル２０に対して垂直に延びるウェブ２４と、一対のフランジ２５及び２６とを具備しており、前記フランジ２５及び２６はパネルと共平面にある。

ウェブ２４は、横の曲げ剛性及び軸方向剛性を次第に増加させること、並びに局部的応力集中を軽減することによって、外板からストリンガへの荷重の伝達を促進するためにラン・アウトにおいてテーパー付けされている。

パッド２７が、ストリンガ２２の基部から下方に突出してウェブ２４及びフランジ２５及び２６の端を越えて延びている。パッド２７は、パネルの凹部に埋め込まれていて、前記凹部は図５において縦断面で示されている。凹部は右側の端壁３０と左側の端壁３１とを有している。端壁３０及び３１は、ほぼ反対向きに方向付けられていて、ストリンガの長さに対してほぼ垂直に、ストリンガの幅を横切って延びている。端壁３０は、パッド２７の右側端面３２に係合し、端壁３１はパッド２７の左側端面３３に係合している。前記凹部は、ストリンガの長さに平行に走る側壁も有しており、前記側壁は図４で示される界面３７及び３８においてパッド２７のそれぞれの側壁に係合する。

パネル２０は、“プリプレグ”（エポキシ樹脂基材で含浸された一軸炭素繊維の層）のスタックを積層し、次いでオートクレーブ内でスタックを硬化させることによって製造される。前記凹部は、パネルの表面に（例えば酸を所望の領域のパネルに塗布することによって）切り込まれることが可能である。代わりに、凹部が積層工程の間に形成されてもよい。つまり、プリプレグの各層が自動テープ敷設（ＡＴＬ）機によって敷かれて、ＡＴＬ機が一連の層を凹部の基部まで敷き、次いで凹部の領域で連続する層を終端させる。

ストリンガ２２は、二つのＬ形プリフォームを積層し、次にＬ形プリフォームをオートクレーブ内で背中合わせに配置して共に硬化させることによって製造される。各Ｌ形プリフォームはプリプレグのスタックをそれぞれのマンドレルに敷くことによって形成されたものである。

ストリンガ２２の基部は、次に接着剤層３４によって被覆される。接着剤層３４はパッド２７の左側の端面３３で終端している。ストリンガは、次に所定の場所に取り付けられて、接着剤３４が硬化されて、ファスナ３５が取り付けられてそれに予張力が発生させられる。

図６に示されるように、圧縮荷重４０が加えられたとき、この荷重は、表面３０と３２との間の右側の界面における法線反力σ_x右によってパネルからストリンガへ伝達される。図７に示されるように、引張荷重４１が加えられたとき、この荷重は、表面３１と３３との間の左側の界面における法線反力σ_x左によってパネルからストリンガに伝達される。これらの界面における結合の欠如は、引張法線応力は前記界面を越えて伝達され得ないことを意味している。パッド２７の基部と凹部の基部との間の界面３６には、剪断反力は発生しない、というのもこの界面３６も接着剤を有さないからである。

応力集中及び端縁効果のどちらも、図４及び５で示される埋め込み構造形では誘発されず、従って継手の全体的強度は高いであろう。

図５を見ると、表面３０〜３３と凹部の基部との間の角度は全て約９０度である。代替実施例（不図示）では、これらの角度は９０度より大又は９０度未満であってよく、又は表面３０〜３３は平面ではなくてもよい。

さらに別の実施例（不図示）では、接着剤層３４が、凹部の基部と端壁と側壁とを被覆してもよい。この場合には、局部的な平面内全荷重の半分だけが、引張荷重を加えられた壁によって伝達される。他の半分は、圧縮荷重を加えられた壁によって負担されて、破損モードを誘発することはない。クラック伝播に対する損傷許容性及びフェイルセーフの観点では、クラックが壁の一つで発生したなら、クラックは接着剤から隣接する層へ飛び上がっておそらく組立体を通して伝播するだろう、というのも前記層はその中を通してクラックを伝播させるエネルギー量を少量しか必要としないからである。

代わりに、パッドと凹部との間に共硬化結合を形成するために、ストリンガがパネルと共に硬化されてよい。共硬化結合は接着剤による結合よりも良好に機能する。クラックが、埋め込まれたパッド２７と引張荷重を加えられた壁のパネルとの間の樹脂層で発生したなら、隣接する層が樹脂それ自身よりも強靭なので、クラックは同じ樹脂層を通して伝播するだろう。さらに、圧縮荷重を加えられた残りの壁は、他の壁の破損を償う、つまり破損された壁によって先に反作用を及ぼされた荷重のほとんど全量を支える。従って、埋め込まれたパッドは、フェイルセーフ要求の観点で冗長性を達成する。

接着剤が界面３６に沿って含まれるなら（又はストリンガとパネルとがこの界面に沿って共に硬化されることによって結合されるなら）、剪断応力が発生する。しかしながら、パッド２７が、パネルの軸方向剛性に近似した軸方向剛性を有するように設計されているなら、この応力の成分は小さくまた無視され得る。

代替の埋め込まれたパッドの外形が図８〜１１に示される。

図８の実施例では、ストリンガのパッドと凹部との間の左側界面５０が、ウェブの先端５３よりも右側に配置されている。滑らかな荷重の伝達を保証するため及び結合の分離に必要な強度を高めるために、フランジ５１が、ストリンガのラン・アウトにおいてテーパ付けされた上表面５２を有していることも注目される。

図９の実施例では、ストリンガのパッドと凹部との間の左側界面６０が、ウェブの先端よりも左側に位置決めされている。フランジ６１が、ストリンガのラン・アウトにおいてテーパー付けされた上表面６２を有していることも注目される。

図１０の実施例では、ストリンガのパッドと凹部との間の左側界面７０がウェブの先端よりも左側に位置決めされている。フランジ７１がストリンガのラン・アウトにおいてテーパー付けされた上表面７２を有していること、及びストリンガの端面７３がウェブの先端と同一線上にあることも注目される。

図１１の実施例では、ストリンガのパッドと凹部との間の左側界面８０がウェブの先端よりも左側に位置決めされている。フランジ８１がストリンガのラン・アウトにおいてテーパー付けされた上表面８２を有していることも注目される。

図１２は、本発明のさらに別の実施例による複合構造体を示しており、前記複合構造体は、パネル８４と、パネルの表面に結合されたストリンガ８３とを具備している。ストリンガとパネルは図８〜１１に示された外形に同様であるが、この場合にはストリンガはリブにボルト固定されており、前記リブは翼弦方向においてパネルの幅を横切って走っている（つまり図１２の平面から出たり入ったりする）。リブはウェブ８５及びフランジ８６を具備している。ストリンガのパッド８８及びリブのフランジ８６は、ボルト８７によってパネルにボルト固定されている。

図１３は、本発明のさらに別の実施例による複合構造体を示しており、前記複合構造体は、パネル９０と、パネルの表面に結合されたストリンガ９１とを具備している。図１３は、ストリンガの一端のみを示す図４〜１２とは対照的にストリンガの両端を示している。

パネルの表面は、ストリンガの右側端９３に係合する右側端壁９２と、ストリンガの左側端に係合する左側端壁９４とを備えて形成されている。図１３の実施例ではストリンガの基部が完全に平坦であることが注目される。換言すると、ストリンガの両端において基部から突出するパッドはないということである。壁９２及び９３は、前述したように凹部を形成することによって、又は突出する部材をストリンガの両端におけるパネルに固定することによってパネルの表面に備えられる。

圧縮荷重が加えられたとき、この荷重は、右側界面９２及び９３における法線反力によってパネルからストリンガに伝達され、また引張荷重が加えられたとき、この荷重は左側界面９４及び９５における法線反力によってパネルからストリンガに伝達される。

本発明は、一つ以上の好適な実施例を参照して上で説明されたが、様々な変更又は修正が特許請求の範囲で規定された本発明の範囲から逸脱することなく為されることが理解されるであろう。

Claims (9)

1. パネルと、
   前記パネルの表面に結合されたストリンガにして、端面と、該ストリンガの縦方向に沿って前記端面から遠ざかるように延びる一対の側面とを有するストリンガと、を具備する複合構造体であって、
   前記パネルの表面が、前記ストリンガの前記端面に係合する第１壁と、前記ストリンガの他の部分に係合する第２壁とを有するように形成されており、
   前記ストリンガが、前記パネルの前記表面に結合された基部と、前記基部から突出して前記パネルの凹部に埋め込まれるパッドとを具備し、
   前記パッドが、前記凹部の第１端壁に係合する第１端面と、前記凹部の第２端壁に係合する第２端面とを有する、複合構造体。
2. 前記パッドが、前記凹部の第１側壁に係合する第１側面と、前記凹部の第２側壁に係合する第２側面とを有する、請求項１に記載の複合構造体。
3. 前記ストリンガの前記基部と前記パネルの前記表面との間の結合が前記パッドにおいて終端をなしている、請求項１又は２に記載の複合構造体。
4. 前記ストリンガが、前記端面の反対側の該ストリンガの端部に第２端面を有しており、前記パネルに形成された前記第２壁が前記ストリンガの前記第２端面に係合する、請求項１に記載の複合構造体。
5. 前記パネルの前記表面に形成された前記第１壁及び前記第２壁が、ほぼ反対向きに配向されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合構造体。
6. 前記パネルの前記表面に形成された前記第１壁及び前記第２壁が、前記ストリンガの長さに対してほぼ垂直に、前記ストリンガの幅を横切って延びている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合構造体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合構造体を具備する航空機の外板。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合構造体における力の伝達方法であって、
   前記パネルの前記表面に形成された前記第１壁と前記ストリンガの前記端面との間の法線反力によって、前記パネルから前記ストリンガへ圧縮力を伝達する段階と、
   前記パネルの前記表面に形成された前記第２壁と前記ストリンガの他の表面との間の法線反力によって、前記パネルから前記ストリンガへ引張力を伝達する段階と、を含む力の伝達方法。
9. 前記パネルの前記表面に形成された前記第１壁と前記ストリンガの前記端面との間で前記パネルから前記ストリンガへ引張力がほとんど伝達されず、前記パネルの前記表面に形成された前記第２壁と前記ストリンガの前記他の表面との間で前記パネルから前記ストリンガへ圧縮力がほとんど伝達されない、請求項８に記載の力の伝達方法。

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