JP5818715B2 - 複合構造体 - Google Patents

Description

本発明は、第１のセクション、第２のセクション、及び第１のセクションと第２のセクションとを接合する湾曲した角部を含む複合構造体であって、繊維強化プライ(fibre-reinforced plies：繊維補強層）のスタックを含む、複合構造体に関する。

ねじり応力及び曲げ応力を効果的に伝達することができる閉セクションを有する構造体がトルクボックスである。トルクボックスは、航空宇宙用途及び自動車用途を含む様々な用途において用いられている。例えば、航空機翼、垂直尾翼及び水平尾翼の主要な構成要素はトルクボックスである。

従来のトルクボックスの組立てには、大きな構成要素（桁（spar：スパー)、リブ、カバー、ストリンガー等）が機械的締結具を用いて一緒に接合される一連のプロセスが伴う。

図１は、従来のウイングボックス１の概略的な斜視図である。ウイングボックスは、繊維強化プライのスタックをそれぞれが含む、前桁２、後桁３、上側カバー４及び下側カバー５を備える。図２は、前桁２及び下側カバー５のみを示す。カバー５中の繊維がカバーロゼット（rosette）６と整列しており、桁３中の繊維が、カバーロゼット６と実質的に平行ではない桁ロゼット７と整列している。

各構成要素は、該構成要素に合わせてプライレイアップを個々に調整することによって重量に関して最適化される。したがって例えば、桁のレイアップは、５／７／７／５（すなわち、５つの０度のプライ、７つの４５度のプライ、７つの１３５度のプライ及び５つの９０度のプライ）とすることができ、一方でカバーは、同じ厚さであるがより多くの０度のプライ（例えば１０／６／６／２）のレイアップを有する。

本発明の第１の態様は、第１のセクション、第２のセクション、及び前記第１のセクションと前記第２のセクションとを接合する湾曲した角部を含む複合構造体であって、繊維強化プライのスタックを含み、該スタックは、前記第１のセクションから前記角部の内側を曲がって前記第２のセクションへ延びる第１の外側プライと、前記第１のセクションから前記角部の外側を曲がって前記第２のセクションへ延びる第２の外側プライと、第１の内側プライであって、前記第１の外側プライ及び前記第２の外側プライ間に挟まれており、前記第１のセクションから前記角部を曲がって前記第２のセクションへ延び、前記第２のセクションの内部で途切れており、そのため、前記第２のセクション内よりも前記第１のセクション内に該内側プライが多く位置する、第１の内側プライと、第２の内側プライであって、前記第１の外側プライ及び前記第２の外側プライ間に挟まれており、前記第２のセクションから前記角部を曲がって前記第１のセクションへ延び、前記第１のセクションの内部で途切れており、そのため、前記第１のセクション内よりも前記第２のセクション内に該第２の内側プライが多く位置する、第２の内側プライとを含み、該構造体は、前記第１の内側プライ及び前記第２の内側プライが重なり合うところで厚さが増大している、複合構造体を提供する。

本発明の第１の態様は、構造体の様々な部品が別個に形成されている図１の従来の構成とは対照的に、第１のセクション及び第２のセクションが単部品として一緒に形成されている複合構造体を提供する。第１の内側プライを、角部又は第１のセクション内において途切れさせるのではなく、第２のセクションの内部で途切れさせることによって、角部にわたる良好な荷重伝達が達成される（第２の内側プライに関して逆の場合も同様である）。角部における厚さの増大は、最小限の重量ペナルティで角部における改善された荷重伝達及び補強を提供する。

第１のプライ及び第２のプライは同じ繊維角度を有することができるが、より好ましくは、第１のセクションのレイアップは、第１の内側プライ及び第２の内側プライに異なる繊維角度を割り当てることによって第２のセクションに比べて調整される。

好ましくは、第１の外側プライは、第１の内側プライが途切れているところに斜面を有し、第２の外側プライは、第２の内側プライが途切れているところに斜面を有する。このようにスタックの対向する両側面に斜面を設けることは、構造体が実質的に平面的な外面を有すること（このことが望ましい場合）を可能にする。

第１の内側プライの繊維は、第１の内側プライの繊維及び第２の内側プライの繊維が重なり合うところで第２の内側プライの繊維に対して角度θで延びる。第１の内側プライ及び第２の内側プライ中の繊維は、同じロゼットに対して整列することができ、この場合、角度θはおよそ０度、４５度又は９０度であり得る。しかし、これは最適な配置ではない可能性がある。したがって、より好ましくは、角度θは３度よりも大きく４２度よりも小さい。換言すると、第１の内側プライの繊維は第１のロゼットと整列し、一方で第２の内側プライの繊維は第２のロゼットと整列するが、第１のロゼットとは整列しない。ロゼット間のずれの角度は、例えば７度、又は１０度よりも大きい任意の所望の角度とすることができる。

これらの内側プライが構造体の主軸に対して同じ基準方向(nominal direction方向）を有する場合（例えば両方とも０度のプライ又は両方とも＋４５度のプライ）、角度θは典型的には２０度よりも小さく、最も好ましくは１０度よりも小さい。したがって例えば、第１の内側プライは、第１のセクションの長さ軸と概ね整列している（±３度）繊維を有する０度のプライとすることができ、第２の内側プライは、第２のセクションの長さ軸と概ね整列している（±３度）繊維を有する０度のプライとすることができる。

これらの内側プライが異なる基準方向を有する場合（例えば一方は０度のプライであり他方は＋４５度のプライ）、角度θをより大きく、例えば３５度〜４２度とすることができる。したがって、別の例では、第２の内側プライは、第２のセクションの長さ軸と概ね整列している（±３度）繊維を有する０度のプライとすることができ、第１の内側プライは、第１のセクションの長さ軸と概ね４５度（±３度）で整列している繊維を有するバイアスプライとすることができる。

湾曲した角部における内側プライは全て、第１のセクションから角部を曲がって第２のセクションに延び、第１のセクション及び／又は第２のセクションにおいて途切れている不連続的なプライであり得る。しかし、この構成は、角部の厚さが第１のセクション及び第２のセクションと比べてほぼ２倍になる可能性があるため、好ましくない。したがって、より好ましくは、１つ又は複数の連続的な内側プライが第１の外側プライと第２の外側プライとの間に挟まれ、この内側プライは、第１のセクションから角部を曲がって第２のセクションに延び、第１のセクション又は第２のセクションの内部で途切れていない。

外側プライ及び／又は各内側プライは、２つ以上の方向に延びる繊維を有することができ、例えば各プライは織成繊維又は編成繊維を含むことができる。しかし、より一般的には、各外側プライ及び／又は各内側プライは、一方向にのみ延びる繊維を含む。

構造体は、組み付け及び圧密後にマトリックスを注入される乾燥繊維プリフォームから、すなわち予め含浸された繊維層から形成されるいわゆる「プリプレグ」のスタックから形成することができる。

構造体はエーロフォイル（aerofoil）の一部を形成することができ、エーロフォイルは、該エーロフォイルの低圧面及び高圧面を形成する一対の外板と、これらの外板を接合する一対の桁とを含み、これらの外板の一方及びこれらの桁の少なくとも一方は本発明による複合構造体によって形成される。エーロフォイルは、翼、水平尾翼、翼端装置（wing tip device）又はタービンブレードであり得る。代替的には、構造体は、航空機翼、タービンブレード又は他の構造体の桁を含むことができ、第１のセクションは桁のフランジを含み、第２のセクションは桁のウェブを含む。

本発明の更なる態様は、エーロフォイルであって、該エーロフォイルの低圧面及び高圧面を形成する一対の外板と、これらの外板を接合する一対の桁とを含み、これらの外板の一方及びこれらの桁の少なくとも一方は本発明による複合構造体によって形成される、エーロフォイルを提供する。この場合好ましくは、第１のセクションはエーロフォイルの桁を含み、第２のセクションはエーロフォイルの外板を含む。

様々な他の好ましい特徴が従属項に記載される。

ここで、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。

既知のウイングボックスアセンブリの概略的な斜視図である。 下側カバー及び前桁を示す図である。 本発明の一実施形態によるオメガカバー（omega cover）を組み込んだウイングボックスアセンブリの概略的な斜視図である。 オメガカバーの１つの角部の断面図である。 桁フランジが省かれているオメガカバーの平面図である。 オメガカバーの桁セクションの側面図である。 様々な繊維角度を示す桁の一部の拡大図である。

図３は、本発明の一実施形態によるウイングボックス１０の概略的な斜視図である。ウイングボックスは、それぞれが繊維強化プライのスタックを含むオメガカバー１１及び上側カバー（すなわち外板）１２を含む。オメガカバー１１は、下側カバー（すなわち外板）セクション１３と、前桁セクション１４及び後桁セクション１５と、前桁フランジ１６及び後桁フランジ１７とを含む。これらの部品１２〜１７は、一体の複合構造体として一緒に形成される。カバー１２、１３は、エーロフォイルの低圧面及び高圧面を形成し、桁１４、１５はカバー１２、１３を一緒に接合する。

例として、オメガカバー１１は、一連の「プリプレグ」プライ（各プライがエポキシ樹脂マトリックスで予め含浸された一方向の炭素繊維の層を含む）を成形型（mould tool）上にレイアップすることによって製造することができる。これらのプライは、手で、自動テープ積層（ＡＴＬ）又は繊維配置によって型上に載せることができる。「プリプレグ」プライは次いで熱及び圧力の組合せによって圧密化及び硬化される。上側カバー１２は同様の方法で形成することができる。オメガカバー１１及び上側カバーは、フランジ１６、１７を通る締結具（図示せず）によって一緒に接合される。

下側カバー１３は、湾曲した角部１８、１９によって桁１４、１５に接合されている。角部１８、１９は同様であるため、角部１８のみを図４を参照して詳細に説明する。スタックの一端の第１の外側プライ２０が桁１４からカバー１３へ延び、角部１８の内側を曲がる（pass round）ときには湾曲経路を辿り、スタックの、第１の外側プライとは反対の端の第２の外側プライ２１が桁１４からカバー１３へ延び、角部１８の外側を曲がるときには湾曲経路を辿る。外側プライ２０、２１は、構造体の長さ軸と±４５度で整列している繊維を有するバイアスプライである。より具体的には、図５を参照すると、外側プライ２０、２１中の繊維は、±４５でカバーロゼット２３と整列しており、カバーロゼット２３はさらに、カバーの根本の中点からカバーの先端の中点まで延びる長さ軸２４と整列している。外側プライ２０、２１は、カバー１３又は桁１４、１５においては途切れていない連続的なプライである。換言すると、外側プライ２０、２１は、桁フランジ１６の先端から反対の桁フランジ１７の先端まで連続的に延びる。

オメガカバー１１はまた、外側プライ２０、２１間に挟まれている複数の内側プライを有する。合計で９つの内側プライが図４に示されているが、これは概略的なものにすぎず、必要であれば、より多いか又はより少ないプライを設けることができる。

内側プライのうちの６つの内側プライ２２〜２７は（外側プライ２０、２１のように）連続的なプライであり、カバー１３においても桁１４、１５においても途切れていない。換言すると、内側プライ２２〜２７は、桁フランジ１６の先端から反対の桁フランジ１７の先端まで連続的に延びる。

内側プライのうちの３つの内側プライ２８〜３０は、桁又はカバーにおいて途切れている不連続的なプライである。プライ２８、２９はそれぞれ、桁セクション１４から、角部１８を曲がるときには湾曲経路を辿りながらカバー１３へ延び、カバー１３の内部で途切れているため、カバー内よりも桁内に各プライが多く位置する。同様に、プライ３０は、カバーから、角部を曲がるときには湾曲経路を辿りながら桁へ延び、桁の内部で途切れているため、桁内よりもカバー内にプライ３０が多く位置する。

なお、不連続的なプライ２８〜３０は取って代わられることなく途切れているため、桁１４及びカバー１３は角部１８よりも薄い（すなわち、桁１４及びカバー１３は角部２１よりも少ないプライを含む）。したがって、オメガカバー１１は、内側プライ２８〜３０が重なり合う角部１８の周りで厚さが増大している。この増大した厚さは、相当な重量ペナルティを伴うことなく角部１８の周りの良好な荷重伝達を与える。

第１の外側プライ２０は、プライ２８、２９が途切れているところに斜面３１を有し、第２の外側プライ２１は、プライ３０が途切れているところに斜面３２を有する。これは、外側プライ２１がカバー１３にわたって平滑な空気力学的面を形成し、外側プライ２０が桁１４にわたって平滑な平面を形成し、オメガカバー１１を製造するために必要な任意の内部ツーリング（internal tooling）をなくすことを助けることを確実にする。

角部１８と斜面３１との間のクリアランス距離Ｘはおよそ３０ｍｍである。

外側プライ及び内側プライは、角部１８を曲がるときに湾曲経路を辿るため、桁内の各プライの部分はカバー内の同じプライの部分と同じ平面には存在しない。各プライ（及びプライ中の繊維）の曲率は、桁及びカバー内では比較的低く（又はゼロであり）、角部を曲がるときは比較的高い。

カバー１３は（曲げ荷重を伝達するために）高い割合の０度のプライを有することが概して望ましいため、不連続的なプライ３０は最も典型的には０度のプライである。プライ３０中の０度の繊維の例示的な繊維が図５に２５で示されている。対照的に、桁は高い割合の±４５度のプライを有することが概して望ましいため、不連続的なプライ２８、２９はそれぞれ＋４５度のプライ及び−４５度であり得る。

図５及び図６を参照すると、０度の繊維２５は角度θで角部１９の折り線まで延びる。桁ロゼット３２が図６に示されており、通常は桁の長さ軸と整列している。図６から、０度の繊維２５が桁ロゼット３２と整列していないことが理解されるであろう。同じことが、カバーロゼット２３と整列している任意の９０度のプライ又は±４５度のバイアスプライにも当てはまり、すなわち、これらのプライも桁ロゼット３２と整列していない。通常、ロゼット間の不整列の程度はおよそ７度であるが、必要であればより大きくてもよい。

この問題に部分的に対処するために、不連続的なプライ２８、２９は、カバーロゼット２３と一致しているのではなく桁ロゼット３２と一致している桁に沿ってそれらの繊維が延びている状態で配向されている。図７は、不連続的な＋４５度のプライ２８内のプライの繊維方向４０を示す、桁ロゼット３２付近の桁の拡大図である。この繊維方向４０は桁ロゼット３２に対して＋４５度にある。

対照的に、カバーロゼット２３とは整列しているが桁ロゼットとは整列していない任意の＋４５度のプライは、桁に沿って方向４１に延び、この方向４１は、不連続的な＋４５度のプライ２８中の繊維に対して、これらが重なり合う地点において角度θ（１）にある。この例では、角度θ（１）はおよそ７度である。

また、＋０度のプライ３０（及びカバーロゼット２３とは整列しているが桁ロゼットとは整列していない任意の他の＋０度のプライ）は方向４２に延び、この方向４２は、不連続的な＋４５度のプライ２８中の繊維に対して、これらが重なり合う地点において角度θ（２）にある。この例では、角度θ（２）はおよそ３８度である。

本発明を、１つ又は複数の好ましい実施形態を参照して上述したが、添付の特許請求の範囲において規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形又は変更を行うことができることが理解されるであろう。

Claims (14)

1. 第１のセクション、第２のセクション、及び前記第１のセクションと前記第２のセクションとを接合する湾曲した角部を含む複合構造体であって、繊維強化プライのスタックを含み、該スタックは、
   ａ．前記第１のセクションから前記角部の内側を曲がって前記第２のセクションへ延びる第１の外側プライと、
   ｂ．前記第１のセクションから前記角部の外側を曲がって前記第２のセクションへ延びる第２の外側プライと、
   ｃ．第１の内側プライであって、前記第１の外側プライ及び前記第２の外側プライ間に挟まれており、前記第１のセクションから前記角部を曲がって前記第２のセクションへ延び、前記第２のセクションの内部で途切れており、そのため、前記第２のセクション内よりも前記第１のセクション内に該第１の内側プライが多く位置する、第１の内側プライと、
   ｄ．第２の内側プライであって、前記第１の外側プライ及び前記第２の外側プライ間に挟まれており、前記第２のセクションから前記角部を曲がって前記第１のセクションへ延び、前記第１のセクションの内部で途切れており、そのため、前記第１のセクション内よりも前記第２のセクション内に該第２の内側プライが多く位置する、第２の内側プライと、
   前記第１の外側プライ及び前記第２の外側プライ間に挟まれ、前記第１のセクションから前記角部を曲がって前記第２のセクションに延び、前記第１のセクション又は前記第２のセクションの内部で途切れていない、連続的な内側プライと、
   を含み、
   該構造体は、前記第１の内側プライ及び前記第２の内側プライが重なり合うところで厚さが増大している、複合構造体。
2. 前記第１の外側プライは、前記第１の内側プライが途切れているところに斜面を有し、前記第２の外側プライは、前記第２の内側プライが途切れているところに斜面を有する、請求項１に記載の複合構造体。
3. 前記第１の内側プライの繊維は、該第１の内側プライの繊維及び前記第２の内側プライの繊維が重なり合うところで該第２の内側プライの繊維に対して異なる角度で延びる、請求項１又は２に記載の複合構造体。
4. 前記第１の内側プライは、前記第１のセクションの長さ軸と整列している繊維を有する０度のプライであり、前記第２の内側プライは、前記第２のセクションの長さ軸と整列している繊維を有する０度のプライである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合構造体。
5. 前記第１の内側プライは、前記第１のセクションの長さ軸と４５度で整列している繊維を有するバイアスプライであり、前記第２の内側プライは、前記第２のセクションの長さ軸と整列している繊維を有する０度のプライである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合構造体。
6. 前記内側プライはそれぞれ単一の方向にのみ延びる繊維を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合構造体。
7. 前記第１の内側プライの繊維は、該第１の内側プライの繊維及び前記第２の内側プライの繊維が重なり合うところで該第２の内側プライの繊維に対して角度θで延び、該角度θは３度よりも大きく４２度よりも小さい、請求項３に記載の複合構造体。
8. 前記角度θは２０度よりも小さい、請求項７に記載の複合構造体。
9. 前記角度θは１０度よりも小さい、請求項８に記載の複合構造体。
10. 前記角度θは５度よりも大きい、請求項７〜９のいずれか１項に記載の複合構造体。
11. エーロフォイルであって、該エーロフォイルの低圧面及び高圧面を形成する一対の外板と、該外板を接合する一対の桁とを備え、前記外板の一方及び前記桁の少なくとも一方は請求項１〜１０のいずれか１項に記載の複合構造体によって形成される、エーロフォイル。
12. 前記第１のセクションは桁を含み、前記第２のセクションは外板を含む、請求項１１に記載のエーロフォイル。
13. 前記第２の外側プライは前記外板の空気力学的面を形成する、請求項１２に記載のエーロフォイル。
14. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のエーロフォイルを備える航空機翼。
    
    

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