JP6103239B2

JP6103239B2 - 補強梁材

Info

Publication number: JP6103239B2
Application number: JP2013227030A
Authority: JP
Inventors: 堀　藤夫; 藤夫堀
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JP2015085627A

Description

本発明は、補強梁材に係り、詳しくは複合材製航空機胴体を構成するスキンの補強に使用されるスティフナーのように、被補強材が薄い場合に好適な補強梁材に関する。

通常、複合材で航空機胴体を製造する場合、スキンを強化すべく構造部材が複合材スキンに取り付けられることが多い。航空宇宙産業におけるスティフナーの使用の典型例は、複合材のスティフナー（ストリンガー）がウイングカバー又はウイングスキンの内面に取り付けられる航空機の翼の構成においてである。スティフナーは、さまざまな断面形状を示すように形成されるが、典型的にはＴ字形断面に形成される。Ｔ字形断面のスティフナーは平らかつ未硬化の予め含浸された複合材積層体から生産され、複合材積層体はＬ字形断面に形成され、その後、Ｌ字形断面は、生産する所望のＴ字形断面に背中合わせで圧縮されてＴ字形断面のスティフナーが生産される。図１２に示すように、Ｔ字形断面のスティフナー５１は、スキン（薄板）５２に接着されてスキン５２と一体化される（特許文献１参照）。

Ｔ字形断面のプリフォームの製造方法として、炭素繊維あるいはガラス繊維等のＦＲＰ用繊維素材に対して、予め熱可塑性繊維素材を合糸した合糸繊維束からブレイディングによりチューブ状のＦＲＰ組織体を製造した後、チューブ状のＦＲＰ組織体を径方向に密着して変形し、密着された部分に熱を加えて融着する方法が提案されている（特許文献２参照。）
また、スティフナー５１の使用方法として、図１３に示すように、連結部材５３を介して他の部材５４と連結され、かつ連結部材５３から往復方向に作用する力Ｆを受けて使用される場合がある。

特表２０１１−５２８２９１号公報特開２００５−１５３４２８号公報

特許文献１に記載のＴ字形断面のスティフナーは、２つのＬ字形断面の複合材積層体を背中合わせで圧縮して形成されるため、製造工程が複雑になる。一方、特許文献２に記載の方法では、Ｔ字形断面のスティフナーは、チューブ状のＦＲＰ組織体を径方向に密着して変形することで形成でき、２つの複合材積層体から形成する場合に比べて製造が簡単になる。

図１３で示す状態でスティフナー５１を使用する場合、スティフナー５１は、一端側が連結部材５３に接合され、残りの部分がスキン５２に接合された状態で使用される。スキン５２からの力を効率良く連結部材５３に伝えるためには、スティフナー５１の連結部材５３に対する接合面積を増やす必要がある。しかし、単純にスティフナー５１を大きくした場合は、スティフナー５１がスキン５２と接合される部分の面積が必要以上に大きくなり、スティフナー５１を構成する無駄な材料が多くなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、不要な部分の面積を大きくせずに効率良くスキンからの力を受けることができる補強梁材を提供することにある。

上記課題を解決する補強梁材は、一端側がテーパ状に拡径された円筒状ブレイディング材が基準板部と突出部とからなる断面Ｔ字形に折り曲げられて形成された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材からなる。ここで、「円筒状」とは、断面が楕円の場合も含む。

この構成によれば、径が一定の円筒状ブレイディング材から形成された三次元繊維構造体を強化材とした場合と異なり、補強梁材がスティフナーとしてスキンに接合されて使用される場合に、スキンに対する接合面となる基準板部の単位長さ当たりの面積は、基準板部の一端側の面積が、基準板部における他の部分の面積より大きくなる。したがって、補強梁材は、不要な部分の面積を大きくせずに効率良くスキンからの力を受けることができる。

前記円筒状ブレイディング材は３軸構成で、前記三次元繊維構造体は、前記突出部の先端側が前記基準板部に向かって傾斜するように形成されていることが好ましい。この構成によれば、補強梁材がスティフナーとしてスキンに接合されて使用される場合、３軸構成の円筒状ブレイディング材が単純に断面Ｔ字形に折り曲げられて形成された三次元繊維構造体を構成する軸方向繊維と異なり、三次元繊維構造体の軸方向繊維の一端側が補強梁材の基準面に向かって延びた状態で、スキンからの力を受ける。そのため、スキンからスティフナーにその接合面と平行な力が加わった場合、軸方向繊維を介して効率良くスキンからの力をスティフナーに伝えることができる。また、補強梁材は、基準面から突出している部分の一端側が基準面に向かって傾斜しているため、応力集中を緩和することができる。

前記円筒状ブレイディング材は、３層以上に形成され、かつ最も外側となる円筒状ブレイディング材より内側に位置する円筒状ブレイディング材は、内側の円筒状ブレイディング材の拡径部が外側の円筒状ブレイディング材の拡径部より長く形成され、最外層の円筒状ブレイディング材が内側の円筒状ブレイディング材を覆うように形成されていることが好ましい。この構成によれば、三次元繊維構造体を複数層で構成する場合、全ての層を相似形状に構成する場合に比べて、拡径部の折り曲げが容易になる。また、階段状に先端に向け順次板厚を薄くすることで、応力集中が緩和できる。

前記円筒状ブレイディング材は、本体部の中心線と、前記本体部の一端に連続するテーパ状の拡径部の中心線とが屈曲する状態に形成されていることが好ましい。この構成によれば、円筒状ブレイディング材の軸方向繊維を切断することなく基準板部のスキンとの接合面付近にまで延ばすことができ、スキンからの力がより効率的に補強梁材に伝達される。

本発明によれば、不要な部分の面積を大きくせずに効率良くスキンからの力を受けることができる。

第１の実施形態の補強梁材がスキンに接着された状態の概略斜視図。円筒状ブレイディング材の概略斜視図。（ａ）は折り曲げ工程で使用する型材の概略斜視図、（ｂ）は同じく外型の概略斜視図。折り曲げ工程の概略斜視図。スティフナーとしての使用状態の概略斜視図。第２実施形態の補強梁材の概略斜視図。１層目及び２層目の三次元繊維構造体の先端側概略斜視図。１層目と２層目の円筒状ブレイディング材の関係を示す概略斜視図。３層目をブレイディングした状態を示す概略斜視図。別の実施形態の補強梁材の概略斜視図。別の実施形態の補強梁材の概略斜視図。従来技術のスティフナーとスキンの概略斜視図。スティフナーの使用例を示す概略図。

以下、本発明を具体化した補強梁材の一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、スティフナーとしての補強梁材１０は、一端側がテーパ状に拡径された円筒状ブレイディング材を、断面Ｔ字形に折り曲げられて形成された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材で形成されている。

詳述すると、補強梁材１０は、スティフナーとしてスキン１１に接合されて使用される場合にスキン１１に対する接合面となる基準面を有する基準板部１２と、基準板部１２から垂直に突出する突出部１３とを有する。基準板部１２は、補強梁材１０の長手方向の一端側に端部に向かってテーパ状に拡幅された拡幅部１２ａを有する。そのため、補強梁材１０がスティフナーとしてスキン１１に接合されて使用される場合に、スキン１１に対する接合面となる基準板部１２の単位長さ当たりの面積のうち、基準板部１２の一端側、即ち拡幅部１２ａの面積が、基準板部１２における他の部分の面積より大きくなる。

突出部１３は、拡幅部１２ａと対応する部分が拡幅部１２ａの先端側に向かって傾斜するように形成されている。即ち、補強梁材１０を構成する三次元繊維構造体は、基準面に対して直角状となる部分（突出部１３を構成する部分）の先端側が基準面に向かって傾斜するように形成されている。拡幅部１２ａの端面に向かい順次板厚が薄くなるので、応力集中が緩和できる。

次に前記のように構成された補強梁材１０の製造方法を説明する。
補強梁材１０の製造方法は、円筒状ブレイディング材を形成するブレイディング工程と、得られた円筒状ブレイディング材を折り曲げて三次元繊維構造体を形成する折り曲げ工程と、得られた三次元繊維構造体に樹脂を含浸硬化させる樹脂含浸硬化工程とを備えている。

ブレイディング工程では、図２に示すように、一定径の本体部２０ａの一端側にテーパ状の拡径部２０ｂを有する円筒状ブレイディング材２０を形成する。ブレイディング工程では、例えば、公知の三次元ブレイディング装置を使用し、本体部２０ａに対応する部分と、拡径部２０ｂに対応する部分とに分割可能な図示しない分割型のマンドレルを使用して、マンドレル上に繊維束がブレイディングされて円筒状ブレイディング材２０が形成される。繊維束としては、例えば、炭素繊維が使用される。

折り曲げ工程では、図３（ａ）に示すように、断面Ｌ字形で、先端側に傾斜面２５ａ及び拡幅部２５ｂを有する２個の型材２５と、図３（ｂ）に示すように、凹部２６ａを有する外型２６とを使用して円筒状ブレイディング材２０の折り曲げ賦形を行う。凹部２６ａは、補強梁材１０の基準板部１２の拡幅部１２ａの外形に対応する形状に形成されている。

折り曲げ方法は、図４に示すように、先ず円筒状ブレイディング材２０を２個の型材２５の拡幅部２５ｂ側が円筒状ブレイディング材２０の拡径部２０ｂ側となるように挟む。次にその状態で、円筒状ブレイディング材２０の拡径部２０ｂ側を外型２６の凹部２６ａ内に配置する。そして、円筒状ブレイディング材２０の拡径部２０ｂを型材２５と外型２６とで挟み、図示しない先端が曲がった棒状の部材（補助治具）を使用して、円筒状ブレイディング材２０の拡径部２０ｂ側を所定の形状に整えて、図１に示す補強梁材１０に対応する三次元繊維構造体を形成する。

図２に示すように、円筒状ブレイディング材２０は、一定径の本体部２０ａの中心線Ｌ１と、拡径部２０ｂの中心線Ｌ２とが屈曲する状態に形成されている。そのため、円筒状ブレイディング材２０を折り曲げて補強梁材１０に対応した所定の形状の三次元繊維構造体を形成する作業が、一定径の本体部２０ａの中心線Ｌ１と、拡径部２０ｂの中心線Ｌ２とが同軸線上に存在する円筒状ブレイディング材２０を折り曲げて形成する場合に比べて簡単になる。なお、円筒状ブレイディング材２０を折り曲げる際、両中心線Ｌ１，Ｌ２を含む仮想平面と円筒状ブレイディング材２０との交線のうち、円筒状ブレイディング材２０の屈曲状態外側の部分との交線が突出部１３の突出端側に位置するように折り曲げる。

樹脂含浸硬化工程では、折り曲げ工程で得られた三次元繊維構造体に、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で熱硬化性樹脂を含浸させるとともに熱硬化させることにより補強梁材１０が得られる。

補強梁材１０は、図１に示すように、基準板部１２全体がスキン１１に接合されて使用される場合に限らない。例えば、図５に示すように、スキン１１の一端が接合された連結部材２８に対して複数の補強梁材１０の拡幅部１２ａ側が接合され、基準板部１２の大部分がスキン１１に接合された状態において、連結部材２８に連結された他の部材２９から連結部材２８に矢印で示す往復方向に作用する力Ｆを受けて使用される場合がある。なお、連結部材２８は、例えば、連結部材２８に形成されている孔に挿通されるボルトを介して他の部材２９と連結される。

突出部１３を構成する三次元繊維構造体の軸方向繊維（軸方向糸）は、全てが全長にわたって基準板部１２と平行に延びるのではなく、一部の軸方向繊維は、一端側が基準面に向かって延びる状態、あるいは一端側が突出部１３から基準板部１２に跨るように配列されている。そのため、スキン１１から基準板部１２に対して面方向に加わった力が、基準板部１２から突出部１３に跨る状態で存在する軸方向繊維等を介して突出部１３に伝わり、スキン１１から基準板部１２に伝わる力が効率良く突出部１３にも伝わる。なお、図１及び図２において軸方向繊維を破線で表している。また、円筒状ブレイディング材２０を折り曲げて形成（賦形）された三次元繊維構造体は、基準板部１２の拡幅部１２ａの先端が図１に示すように直線状ではなく円弧状になるが、便宜的に直線状に図示している。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）補強梁材１０は、一端側がテーパ状に拡径された円筒状ブレイディング材２０が断面Ｔ字形に折り曲げられて形成された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材からなる。この構成によれば、径が一定の円筒状ブレイディング材から形成された三次元繊維構造体を強化材とした場合と異なり、補強梁材１０がスティフナーとしてスキン１１に接合されて使用される場合にスキン１１に対する接合面となる基準板部１２の単位長さ当たりの面積のうち、基準板部１２の一端側、即ち拡幅部１２ａの面積が基準板部１２における他の部分の面積より大きくなる。したがって、補強梁材１０は、不要な部分の面積を大きくせずに効率良くスキン１１からの力を受けることができる。

（２）円筒状ブレイディング材２０は３軸構成で、これから形成された三次元繊維構造体は、基準面即ち補強梁材１０がスキン１１に接合されて使用される場合に、スキン１１に対する接合面に対して直角状となる部分（突出部１３）の先端側が基準面に向かって傾斜するように形成されている。この構成によれば、補強梁材１０がスティフナーとしてスキン１１に接合されて使用される場合、突出部１３を構成する軸方向繊維の一端側が補強梁材１０の基準面に向かって延びた状態、あるいは一端側が突出部１３から基準板部１２に跨るように配列された状態でスキン１１からの力を受ける。そのため、スキン１１からスティフナー（補強梁材１０）にその接合面と平行な力が加わった場合、軸方向繊維を介して効率良くスキン１１からの力をスティフナーに伝えることができる。また、補強梁材１０は、基準面から突出している部分の一端側が基準面に向かって傾斜しているため、また拡幅部１２ａが先端に向かって板厚が薄くなり、応力集中を緩和することができる。

（３）円筒状ブレイディング材２０は、一定径の本体部２０ａの中心線Ｌ１と、拡径部２０ｂの中心線Ｌ２とが屈曲する状態に形成されている。したがって、円筒状ブレイディング材２０の軸方向繊維を切断することなく基準板部１２のスキン１１との接合面付近にまで延ばすことができ、スキン１１からの力がより効率的に補強梁材１０に伝達される。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図６〜図９にしたがって説明する。この実施形態では、補強梁材の外形は第１の実施形態の補強梁材１０と基本的に同様であるが、三次元繊維構造体を構成する円筒状ブレイディング材が一層ではなく、３層に形成されている点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図６に示すように、補強梁材３０は、３層の三次元繊維構造体３１，３２，３３を強化材とした繊維強化複合材で構成され、最外層となる三次元繊維構造体３１の内側に中間層となる三次元繊維構造体３２が存在し、三次元繊維構造体３２の内側に最内層となる三次元繊維構造体３３が存在する。図７に示すように、最内層となる三次元繊維構造体３３はその拡幅部３３ａが、中間層となる三次元繊維構造体３２の拡幅部３２ａから突出して階段状となるように形成されている。図６に示すように、最外層となる三次元繊維構造体３１は、補強梁材３０がスティフナーとしてスキン１１に接合されて使用される場合にスキン１１に対する接合面となる基準板部１２と、基準板部１２から垂直に突出する突出部１３とを有する。基準板部１２は、補強梁材１０の長手方向の一端側に端部に向かってテーパ状に拡幅された拡幅部１２ａを有する。突出部１３は、拡幅部１２ａと対応する部分が拡幅部１２ａの先端側に向かって傾斜するように形成されている。拡幅部１２ａ及び突出部１３は、両三次元繊維構造体３２，３３を覆うように形成されている。

補強梁材３０の製造方法におけるブレイディング工程では、３層の三次元繊維構造体３１，３２，３３に対応した３層構造の円筒状ブレイディング材を形成する。ブレイディング工程では、図示しない分割型のマンドレル上に一層目の円筒状ブレイディング材３４を形成し、端部処理をした後、その一層目の円筒状ブレイディング材３４の上に、図８に示すように、２層目の円筒状ブレイディング材３５を形成する。そして、端部処理をした後、図９に示すように、両円筒状ブレイディング材３４，３５を覆うように３層目の円筒状ブレイディング材３６を形成すると３層の円筒状ブレイディング材が形成される。なお、端部処理とは、円筒状ブレイディング材３４，３５の端部の解れを無くすため、熱可塑性樹脂パウダーを端部に付着させた後、加熱溶融処理を行ったり、液状の樹脂を端部に付着させたりすることを意味する。

折り曲げ工程では、ブレイディング工程で得られた円筒状ブレイディング材を折り曲げて３層の三次元繊維構造体３１，３２，３３を形成（賦形）する。
樹脂含浸硬化工程では、折り曲げ工程で得られた３層の三次元繊維構造体３１，３２，３３に対して、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で熱硬化性樹脂を含浸させるとともに熱硬化させることにより補強梁材３０が得られる。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１），（３）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（４）補強梁材３０の強化材である３層の三次元繊維構造体となる円筒状ブレイディング材は３層に形成されている。そして、最も外側となる円筒状ブレイディング材３６より内側に位置する円筒状ブレイディング材３４，３５は、内側の円筒状ブレイディング材３４の拡径部が外側の円筒状ブレイディング材３５の拡径部より長く形成され、最外層の円筒状ブレイディング材３６が内側の円筒状ブレイディング材３４，３５を覆うように形成されている。この構成によれば、三次元繊維構造体を３層で構成する場合、全ての層を相似形状に構成する場合に比べて、拡径部の折り曲げが容易になる。階段状に先端に向け順次板厚を薄くすることで、応力集中が緩和できる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 第１の実施形態あるいは第２の実施形態において折り曲げ工程で得られた三次元繊維構造体に対して、図１０あるいは図１１に示すように、基準板部１２をスティッチ糸（繊維束）４０で縫合してもよい。この場合、三次元繊維構造体を折り曲げ工程から樹脂含浸硬化工程へ移送する際や、樹脂含浸硬化工程において三次元繊維構造体を取り扱う際の形状保持が良好になる。

○ 補強梁材１０の強化材を構成する三次元繊維構造体は、１層及び３層に限らず２層あるいは４層以上であってもよい。三次元繊維構造体が３層以上に形成される場合は、第２の実施形態の場合のように、最も外側となる円筒状ブレイディング材が全ての内側の円筒状ブレイディング材を覆い、内側に位置する円筒状ブレイディング材の拡径部は、最内層の拡径部が最も長く、以下、次の拡径部から順に短く形成されることが好ましい。

○ 三次元繊維構造体を構成する繊維束は、炭素繊維に限らず、炭化ケイ素繊維（ＳｉＣ繊維）、アルミナ繊維等のセラミック繊維、ガラス繊維等の無機繊維や、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維（ポリパラフェニレン・ベンゾビス・オキサゾール繊維）、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度高弾性の有機繊維を使用してもよい。

○ 補強梁材１０はスキン１１と接合されるスティフナーに限らず、他の部材と接合（連結）されて使用され、他の部材から梁の長手方向に作用する力を受ける補強梁材であってもよい。

○ 円筒状ブレイディング材２０は、必ずしも本体部２０ａが一定径の円筒に限らず、多少テーパ状であってもよい。
○ 円筒状ブレイディング材２０は、中心線Ｌ１及び中心線Ｌ２が屈曲する状態に形成されたものに限らず、中心線Ｌ１及び中心線Ｌ２が同軸となる状態に形成されたものであってもよい。

○ 円筒状ブレイディング材２０は、断面が円に限らず、楕円であってもよい。

Ｌ１，Ｌ２…中心線、１０，３０…補強梁材、１２…基準板部、１３…突出部、２０，３４，３５，３６…円筒状ブレイディング材、２０ｂ…拡径部、３１，３２，３３…三次元繊維構造体。

Claims

一端側がテーパ状に拡径された円筒状ブレイディング材が基準板部と突出部とからなる断面Ｔ字形に折り曲げられて形成された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材からなることを特徴とする補強梁材。
前記円筒状ブレイディング材は３軸構成で、前記三次元繊維構造体は、突出部の先端側が前記基準板部に向かって傾斜するように形成されている請求項１に記載の補強梁材。
前記円筒状ブレイディング材は、３層以上に形成され、かつ最も外側となる円筒状ブレイディング材より内側に位置する円筒状ブレイディング材は、内側の円筒状ブレイディング材の拡径部が外側の円筒状ブレイディング材の拡径部より長く形成され、最外層の円筒状ブレイディング材が内側の円筒状ブレイディング材を覆うように形成されている請求項１又は請求項２に記載の補強梁材。
前記円筒状ブレイディング材は、本体部の中心線と、前記本体部の一端に連続するテーパ状の拡径部の中心線とが屈曲する状態に形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の補強梁材。