JP5964600B2 - 軽量ビーム構造 - Google Patents

Description

本開示は、一般的に構造部材に関し、特に、軽量ビーム構造に関する。

軽量ビームは、引き抜き成形機又はマンドレル（金型）の周囲のフィラメント・ワインディングを使用して、一般に形成される。このような技術は、資材に歪みを及ぼし、形成されたビームからマンドレルを取り外すことを困難にする。

本開示は、軽量ビームの形成を容易にすることを目的とする。

下記の事項は、そのような態様の基礎知識を提供するため、１つ以上の態様の簡単な概要を提示する。この概要は、すべての熟考された態様の外延的な要旨でなく、また、すべての態様のキー又は重大な要素を識別するものでもなければ、任意又はすべての態様の範囲を詳しく説明するものでもない。その唯一の目的は、後述するより詳細な説明の前段階として、１つ以上の態様のいくつかの概念を簡単な形式で提示することである。

いくつかの態様によれば、本開示は、三軸織物（triaxial fabric）のカバーとコアの頂点に隣接した少なくとも１本のロッドとを有する、三角柱のコアを含む軽量ビームを提供する。ロッドは、コアの中心線と略平行に延びることができる。いくつかの態様によれば、複数の軽量ビームが結合し、構造を形成することができる。ある態様によれば、軽量ビームは、コアとコアの少なくとも１つの頂点に隣接した少なくとも１本のロッドとを提供し、コアに三軸織物のカバーを巻き付けることで形成することができる。

主題技術の付加的な特徴及び利点は、下記の説明で述べられるが、一部分で説明から明らかであり、又は、主題技術の実施によって知ることができる。主題技術の利点は、明細書及びそのクレームで特に指摘された構造、並びに、添付図面によって、理解及び達成されるであろう。

当然のことながら、前述した概要と以下の詳細な説明との両方は、例示的かつ説明的であり、クレームとしての本発明のさらなる説明を提供する意図である。
主題技術のさらなる理解を提供するためのものであり、この明細書に組み込まれ、また、その一部を構成する添付図面は、主題技術の態様を説明し、説明と共に主題技術の原理を説明する。

軽量ビームの形成を容易にすることができる。

本開示の一態様に係る、軽量ビームの斜視図である。 本開示の一態様に係る、複数の軽量ビームから形成される軽量構造の斜視図である。 本開示の一態様に係る、軽量ビームを形成する方法を示すフローチャートである。

以下の詳細な説明では、多数の具体的詳細は、主題技術についての十分な理解を与えるために提示される。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的詳細のうちのいくつかがなくても、主題技術が実施できることは明らかであろう。他の例では、公知の構造及び技術は、主題技術を曖昧にしないために、詳細に示されていない。類似した構成要素は、理解し易くするために、同一の要素番号を付す。

ここで、図１を参照して、本開示の一態様に従って、軽量ビーム１０について説明する。軽量ビーム１０は、荷重支持、剪断抵抗などの特別な機能にとって有用である。軽量ビーム１０の機能は、モジュール方式とすることにより、軽量ビーム１０の重量を最小にしつつ、強度のような特別な機能を最適化することを可能にする。いくつかの態様では、軽量ビーム１０を形成するために使用される材料及び方法により、オートクレーブ・プロセスから簡単に軽量ビーム１０のハンドレイアップが可能となるが、これは、軽量ビーム１０の形成において、フィラメント・ワインディング、及び、マンドレルの使用に用いられる引き抜き成形機に付随するコストを低減するものである。

軽量ビーム１０は、コア１２、コア１２の周囲に配設されたカバー１４、及び、コア１２の中心軸又は長手方向の中心線１８と略平行に延びる少なくとも１本のロッド１６から形成することができる。コア１２は、全長（length）２０を有する細長い部材とすることができる。コア１２は、小径又は他の横断面の寸法を有することができる。例えば、全長２０を除くコア１２の最大寸法は、０．５インチ未満とすることができる。コア１２は、三角形、円形、長方形などを含む、多様な断面形状のいずれかを有することができる。一態様では、コア１２は、例えば、正三角柱（要するに、正三角形断面を有する三角柱）などの三角柱形状を形成し、それによって、三角形の土台（base）に固有の安定性を組み込む。三角柱の各面（each side）は、正方形又は円筒形の柱と異なり、幾何学的に固着（lock）することができる。従って、各面の剛性は、効果的にせん断力に対抗するために使用することができる。コア１２は、圧縮強度を有する発泡体及び他の軽量素材の少なくとも一方から作成することができる。発泡体は、いくらかの圧縮強度を提供し、かつ／又は、カバー１４若しくは他の炭素構造を形成する単純化された付着面を周囲に提供するのに適した、クローズドセル発泡体（closed cell foam）、オープンセル発泡体（open cell foam）若しくは他の発泡体、又は、泡状の材料のような、軽量な固形物とすることができる。いくつかの態様では、コア１２は、例えば、発泡体を三角柱又は他の形状に長手方向に押し出すことで、発泡体から作り上げられる。コア１２の表面は、カバー１４又は他の炭素表面をその正確な形状に固着することができる。いくつかの態様では、コア１２は、カバー１４の配置に先立って処理することができる。例えば、接着剤又は他の材料（図示せず）がスプレー又は他の方法で塗布され、コア１２へのカバー１４の良好な接着を確実なものにする。カバー１４がコア１２の周囲に形成されるため、炭素構造がその周囲に形成される土台構造要素としてマンドレルを用いる場合、通常これに付随する欠点を軽減することができる。例えば、マンドレルは、使用に先立って、炭素構造から取り外さなければならない。一方、コア１２は、軽量ビーム１０の一部として、所定位置に残しておくことができる。従って、カバー１４と結合したコア１２は、軽量を維持しつつ、同一寸法の中空ビームよりさらなる強度を提供することができる。

図１をさらに参照すると、カバー１４は、型又は土台としてコア１２を使用し、コア１２の周囲に巻き付けられ、形付けられ、又は、他の方法で形成されるスプール、シート若しくは他のあらゆる材料形態とすることができる。カバー１４は、せん断強度を提供するのに適した、織物又は他の材料のような軽量材料で作成することができる。カバー１４が織物を含む場合、織物は三軸織物とすることができる。三軸織物は、せん断強度の増強など、従来の織物に勝る利点を与えることができる。シンシナティ、オハイオのＡ＆Ｐテクノロジーから入手できる三軸織物の１つＱＩＳＯ（商標）は、０°、＋／−６０°の三軸編込繊維構造、及び、ドレープが可能な一貫した（drapable consistent）繊維配向を有する、単層の擬似等方性の炭素織物である。この三軸織物は、各方向に等重量で、軸糸に対して上下交互に２本が上側、２本が下側にあるバイアス糸を含む。この三軸織物は、同一構造を全層に提供し、これによって、三軸織物の複数層の層間応力を減らすことが可能となる。軸の０°の上下で−６０°と結合された＋６０°バイアスは、標準的な０／９０°の織り方と比較すると、この三軸織物に、所望の方向で層当たり２倍の炭素繊維量を持たせることができる。０／９０°バイアスは、９０°繊維がせん断強度の適用のみに役立つだけである。＋／−４５°配向に変えると、繊維角度は＋／−６０°配向よりせん断強度が小さくなり、結合用の付加的な０°軸繊維が欠ける。従って、カバー１４（例えば、三軸織物の形式で）は、コア１２の下にある長手方向（要するに、中心線１８と平行）に延びる＋／−６０°バイアスで積層（lay up）することができる。三軸織物の少数の層（例えば、わずか１，２又は３層）は、適切な度合のせん断強度を提供することができる。カバー１４がコア１２の周囲に一旦配設されると、それに処理を施すことができる。例えば、コアが矯正、密閉又は他の“設定”がなされる。

ロッド１６は、コア１２の中心線１８と略平行に延びる補強部材とすることができる。ロッド１６は、三角柱のコア１２の３つの頂点２２の少なくとも１つに隣接して配置することができる。いくつかの態様では、追加のロッドは、追加の頂点に隣接して配置することができる。例えば、３本のロッド１６は、図示されるように、３つの頂点２２に隣接して配置することができる。また、ロッド１６は、コア１２の中、上又は近くに配置することができる。ロッド１６は、カバー１４がコア１２の周囲に配設された後、コア１２及びカバー１４に挿入することができる。また、ロッド１６は、カバー１４がコア１２の周囲に配設される前、コア１２の外表面に配置することができる。さらに他の態様では、ロッド１６は、コア１２に配置される前、後又はその間に、カバー１４内に配置することができる。例えば、ロッド１６は、織物又はカバー１４を形成若しくは他の方法で構成するために使用される他の材料の層２４（例えば、２４ａ及び２４ｂ）の間に位置することができる。ロッド１６は、小径（例えば、わずか０．２０インチ）を有する円形断面を持つことができる。ロッド１６は、コア１２の全長２０の一部又は全体に沿って延びることができる。１つの態様では、ロッド１６は、軽量ビーム１０の断面図が軽量ビーム１０の全長に亘って略一定となるように、コア１２の略全長２０に延びる。ロッド１６は、最適な９０°角度となる強化一方向繊維を提供するように構成された炭素で作り上げることができる。ロッド１６の繊維は、並んで配置された一方向繊維の同程度に薄い層よりせん断強度が強くなるように、束にまとめることができる。炭素に加えて、ロッド１６は、軽量ビーム１０を補強するのに適した他の繊維束又は材料で作り上げることができる。いくつかの態様では、ロッド１６は、作成済みとすることができる。他の態様では、ロッド１６は、軽量ビーム１０の組立直前又はその組立中に形成することができる。所定の軽量ビーム１０において、ロッド１６の本数は、１本、２本又は３本を含む（ただし、必ずしもこれらに限定されない）、何本でも使用されてもよい。従って、三角柱のコア１２を利用する態様では、ロッド１６は、コア１２の中心線１８と略平行に延びる、各頂点２２に配置することができる。

ある態様では、コア１２、カバー１４及びロッド１６の各々は、軽量ビーム１０の重量を最小化するように、軽量又は極めて軽量な材料で形成することができる。しかしながら、軽量ビーム１０の要求変化により、コア１２、カバー１４及びロッド１６に使用される、サイズ、形状及び材料に変化をもたらすことができる。

ここで、図２を参照して、本開示の一態様に従って、軽量構造２６について説明する。いくつかの軽量ビーム１０が結合し、軽量構造２６を形成することができる。従って、軽量ビーム１０は、大規模な軽量構造２６の設計で使用される、作成済みのブロックとしての役割を果たすことができる。軽量構造２６は、建物、容器又は他の構造物のためのトラス、骨組み又は他のコンポーネントのように、いくつかの耐力配置のいずれをも形成することができる。

ここで、図３を参照して、本開示の一態様に従って、軽量ビーム１０を形成する方法のフローチャートについて説明する。軽量ビーム１０を形成する方法は、コア１２を提供するステップ１００（例えば、長手方向の中心線１８を有する三角柱の形式で）と、コア１２の頂点２２に隣接したロッド１６を提供するステップ１０２と、を含むことができる。ロッド１６がコア１２の中心線１８と略平行に延びるように、ロッド１６を配置することができる。この方法は、更に、コア１２にカバー１４（例えば、三軸織物の形式で）を巻き付けるステップ１０４を含むことができる。

いくつかの態様では、コア１２を提供するステップ１００は、発泡体からコア１２を作り上げる前ステップを含む。コア１２を作り上げるステップは、コア１２（例えば、三角柱形式で）を形成するために、長手方向に発泡体を押し出すことを含むことができる。いくつかの態様では、ロッド１６を提供するステップ１０２は、炭素からロッド１６を作り上げる前ステップを含む。いくつかの態様では、ロッド１６を提供するステップ１０２は、カバー１４を巻き付けるステップ１０４に先行する。しかしながら、他の態様では、ロッド１６を提供するステップ１０２は、カバー１４を巻き付けるステップ１０４の後、同時又はその間に実行される。ある態様では、カバー１２は、適切な接着面を提供するために、コア１２にカバー１４を巻き付ける前に処理することができる。同様に、カバー１４は、軽量ビーム１０の所望の表面、要するに、軽量構造２６を提供するために、コア１２に配設された後に処理することができる。いくつかの態様では、ロッド１６を提供するステップ１０２は、第２及び第３の頂点２２に夫々隣接した第２及び第３のロッド１６を提供するステップと共に実行することができる。第２及び第３のロッド１６は、コア１２の中心線１８と略平行に夫々延び、第１のロッド１６と類似した特徴及び構造を有することができる。

前述した説明は、当業者がここで説明された様々な形態を実施できるために提供される。主題技術は、様々な図面及び形態を参照して特に説明されているが、これらは説明目的のためだけのものであり、主題技術の範囲を制限するものでないことを理解すべきである。

主題技術を実施する他の多くの方法がある。ここで説明された様々な機能及び要素は、主題技術の範囲から逸脱しない限りは、説明されたものとは異なって分割することができる。これら形態への様々な修正は当業者にとって極めて明白であり、ここで定義された一般原理は他の形態に適用することができる。従って、多くの変更及び修正が、主題技術の範囲から逸脱しない限りは、当業者によって主題技術に対して行われることができる。

当然のことながら、説明された処理におけるステップの特定の順序又は階層が、例示的なアプローチの説明であり、設計嗜好に基づいて、処理におけるステップの特定の順序又は階層が再編成できることが理解される。いくつかのステップは同時に実行することができる。付随した方法クレームは、順序の一例における様々なステップの要素を提示するものであり、提示された特定の順序又は階層に限定されることを意味しない。

「態様」のような句は、そのような態様が主題技術の本質であること、又は、そのような態様が主題技術のすべての構成に適用されること、を含まない。態様に関連する説明は、すべての構成又は１つ以上の構成に適用することができる。態様のような句は、１つ以上の態様及びその逆にも言及することができる。

また、「含む（include）」、「有する（have）」などの用語は説明又はクレームで使用される限りにおいては、そのような用語が、「含んで構成される（comprise）」がクレームにおける移行単語として採用される場合に解釈されるように、「含んで構成される」という用語と同様な方法で包括的であることを意図する。

「例示的な（exemplary）」という単語は、ここでは「例、実例あるいは図面として機能すること」を意味するために用いられる。「例示的な」としてここで説明された如何なる態様は、他の態様に対して望ましい又は有利であると必ずしも解釈されるものではない。

単数要素への参照は、特に述べない限りは、「１つ及び１つだけ」ではなく、むしろ「１つ以上」を意味することを意図する。「いくつかの（some）」という用語は、全体を含む、１つ以上又は全体の一部を指す。当業者に周知又は後に周知となるこの開示の全体を通して説明された様々な構成要素に対するすべての構造的又は機能的な均等物は、引用によって明らかにここに組み込まれ、主題技術内に包含されることを意図する。また、ここで説明されたものは、その開示が前記説明で明らかに列挙されたか否かにかかわらず、公衆に供されることを意図するものではない。

１０ 軽量ビーム
１２ コア
１４ カバー
１６ ロッド
１８ 中心線
２０ 全長
２２ 頂点
２４（２４ａ，２４ｂ） 層
２６ 軽量構造

Claims (20)

1. 第１の素材からなり、長手方向の中心線、複数の頂点及び全長を有する、三角柱のコアと、
   前記コアの前記中心線と略平行に延び、かつ、前記複数の頂点の１つに隣接した、少なくとも１本のロッドと、
   前記第１の素材とは異なる第２の素材からなる糸を織って作られ、前記コア及び前記少なくとも１本のロッドの周囲に配設されるカバーと、
   を含んで構成されるビーム。
2. 前記第２の素材は、炭素繊維を含んで構成される、請求項１に記載のビーム。
3. 前記第１の素材は、発泡体を含んで構成される、請求項２に記載のビーム。
4. 前記カバーと前記コアとの間に配設された接着強化物質を更に含んで構成される、請求項２に記載のビーム。
5. 前記カバーは、上下交互に並ぶパターンで織って作られる、請求項１に記載のビーム。
6. 前記少なくとも１本のロッドは、前記コアの略全長に亘って延びる、請求項１に記載のビーム。
7. 前記織られた糸は、織物を形成し、
   前記カバーは、前記織物の複数の層を含んで構成され、
   前記少なくとも１本のロッドは、前記織物の層間に位置する、
   請求項１に記載のビーム。
8. 前記コアの前記中心線と略平行に延び、かつ、前記コアの複数の頂点の２つに夫々隣接した、２本のロッドを含んで構成される、請求項１に記載のビーム。
9. 前記コアの前記中心線と略平行に延び、かつ、前記コアの複数の頂点の３つに夫々隣接した、３本のロッドを含んで構成される、請求項８に記載のビーム。
10. 構造を形成するために結合した複数の軽量ビームを含んで構成された軽量ビーム構造であって、
    前記軽量ビームの各々は、第１の素材からなり、長手方向の中心線及び複数の頂点を有する三角柱のコアと、前記コアの前記中心線と略平行に延び、かつ、前記複数の頂点の１つに隣接した、少なくとも１本のロッドと、前記第１の素材とは異なる第２の素材からなる糸を織って作られ、前記コア及び前記少なくとも１本のロッドの周囲に配設されたカバーと、を含んで構成された軽量ビーム構造。
11. 第１の素材からなり、長手方向の中心線を有する三角柱のコアを提供するステップと、
    前記コアの複数の頂点の少なくとも１つに夫々隣接し、かつ、前記コアの前記中心線と略平行に延びる、少なくとも１本のロッドを提供するステップと、
    前記第１の素材とは異なる第２の素材からなる糸を織って作られるカバーを、前記コアの周囲に巻き付けるステップと、
    を含んで構成されるビーム形成方法。
12. 前記少なくとも１本のロッドを提供するステップは、前記カバーを巻き付けるステップの前に行われる、請求項１１に記載のビーム形成方法。
13. 前記カバーを巻き付けるステップは、前記コアの周囲に前記カバーの第１の層を巻き付けるステップと、前記カバーの前記第１の層の少なくとも一部の周囲に前記カバーの第２の層を巻き付けるその次のステップと、を含んで構成され、
    前記少なくとも１本のロッドを提供するステップは、前記カバーの第１の層を巻き付けるステップと、前記カバーの第２の層を巻き付けるステップと、の間に行われる、請求項１１に記載のビーム形成方法。
14. 前記カバーを巻き付ける前に、前記コアに接着強化物質を塗布するステップを更に含んで構成される、請求項１１に記載のビーム形成方法。
15. 前記コアの周囲に前記カバーが巻き付けられた後に、前記カバーを処理するステップを更に含んで構成される、請求項１１に記載のビーム形成方法。
16. 前記コアを提供するステップは、発泡体から前記コアを作り上げることを含んで構成される、請求項１１に記載のビーム形成方法。
17. 前記コアを作り上げることは、前記三角柱を形成するために、長手方向に前記発泡体を押し出すことを含んで構成される、請求項１６に記載のビーム形成方法。
18. 前記ロッドを提供するステップは、炭素から前記ロッドを作り上げることを含んで構成される、請求項１１に記載のビーム形成方法。
19. 前記ロッドを提供するステップは、前記コアの複数の頂点の第２の頂点に隣接し、かつ、前記コアの前記中心線と略平行に延びる、第２のロッドを提供することを含んで構成される、請求項１１に記載のビーム形成方法。
20. 前記ロッドを提供するステップは、前記コアの複数の頂点の第３の頂点に隣接し、かつ、前記コアの前記中心線と略平行に延びる、第３のロッドを提供することを含んで構成される、請求項１９に記載のビーム形成方法。