JP6423635B2 - 球形複合材圧力隔壁用の自然経路ティアストラップ及び補剛材 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は概して、複合構造に関し、より具体的には、各ストラップがもう一つのストラップと単一の重複のみを有する、球形の又はほぼ球形の複合材圧力隔壁上のティアストラップ（ｔｅａｒ ｓｔｒａｐ）及び補強材のための垂直測地線構成（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｇｅｏｄｅｓｉｃ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を採用する複合積層体に関する。

航空機の胴体及び他の航空宇宙構造などの複合構造内の隔壁は、必要とされる構造強度及び損傷耐性を提供するためのティアストラップ及び補剛材で圧力健全性のためのウェブを提供することができる。多くの隔壁は湾曲しており、ウェブの部分的に球形の形状又はほぼ球形の形状を採用する。図１の従来技術の例に示されているように、ストラップ及び補剛材２は、典型的に外周周囲４から隔壁８の中心頂点６まで延在するように配置されている。ストラップ及び補剛材が頂点６に向かって上昇するにつれて、幾何学的にマージして重複し始め、又は重複を避けるために、ポイント９で例示されているように、終端処理される。構造的連続性のために、幾つかのストラップは頂点６において重複しなければならなく、結果として、頂点において複数の積層体が重複することになる。重複を避けるためにストラップを終端処理する必要性は複雑な終端構造を必要とし、特に頂点において複数のストラップが重複することにより、構造体内で望ましくない厚み又は積み重なりがつくりだされる。

したがって、終端処理する必要をなくし、且つ複数の重複を回避するために、隔壁構造用のティアストラップ及び補剛材の構造的配置を提供することが望ましい。

本明細書に開示されている実施形態は、外周及び頂点においてドームに対して垂直な軸を備える頂点を有する実質的に球形のドーム部分を採用する隔壁を提供する。第１の複数のストラップは、ドームの外周を越えて仮想ポール第１の対によって画定された測地線上のドームの外周から出て来る。第２の複数のストラップは、ドームの外周を越えて仮想ポールの第２の対によって画定された第２測地線上のドームの外周から出て来て、第１の複数のストラップの中の個別のストラップ上の任意の重複が、第２の複数のストラップの中の個別のストラップの１つのみに対して単一である。

実施形態は、実質的に球形のドームを形成することにより、隔壁上にティアストラップ及び補剛材を配置する方法を提供する。所定の相対角度が画定され、且つドームの頂点を通して延在する第１主平面及び第２主平面が相対角度において確立される。仮想ポールが、ドームの外周周囲を越えて第１及び第２主平面によって画定される。測地線形成平面（ｇｅｏｄｅｓｉｃ ｆｏｒｍｉｎｇ ｐｌａｎｅｓ）が所定の角度オフセット（ａｎｇｕｌａｒ ｏｆｆｓｅｔｓ）において第１及び第２主平面からオフセットされ、且つドームの表面上の対応する測地線が特定される。特定された測地線によってストラップ位置が決定され、結果として、測地線の交差点においてストラップの単一の重複のみが生じる。

既に説明した特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態で独立に実現することが可能であり、又はさらなる別の実施形態で組み合わせることが可能であり、その詳細は以下の説明及び図面を参照すると理解できる。

図１は、先行技術の複合隔壁の正面図である。 図２Ａは、部分的に球形の隔壁の現在の実施形態の等角図である。 図２Ｂは、部分的に球形の隔壁の現在の実施形態の側面図である。 図２Ｃは、部分的に球形の隔壁の現在の実施形態の正面図である。 図３Ａは、半球形の隔壁の第２の現在の実施形態の等角図である。 図３Ｂは、半球形の隔壁の第２の現在の実施形態の側面図である。 図３ＡＣは、半球形の隔壁の第２の現在の実施形態の正面図である。 図４は、ティアストラップ及び補剛材を配置するための測地線を画定する半球形平面の実施例の図解である。 図５は、ウェブ内に実質的に球形部分を有する非円形の外周をもつ例示的な隔壁の図解である。 図６は、本明細書に開示される隔壁の実施形態を製造する方法のフロー図である。

本明細書に開示されている実施形態は、各ストラップがもう一つのストラップと単一の重複のみを有する、ドームの外周周囲の範囲を越えた仮想ポールに基づいて決定された測地線構成を採用した球形の又はほぼ球形の複合材圧力隔壁を形成する構造ドーム上のティアストラップ及び補強材のための自然経路複合積層体を提供する。

図面を参照すると、図２Ａ−Ｃは、ドームの頂点１６に相対して、第１方向に配向するストラップ１２及び第２方向に配向するストラップ１４と併せて呼ばれるティアストラップ及び／又は補強材を有する、奥行がない実質的に球形のキャップ又はドーム１０のための第１の実施形態を示す（図中で明確に示すために、各方向で２つのストラップのみが要素番号を付されている）。この図に示すように、ストラップ１２及びストラップ１４は、任意の重複位置１８において１つのストラップとのみ重複する（単一の重複位置が例示として要素番号を付される）。ストラップの重複は、積層体に関係なく、１つのストラップ（又は補剛材）がもう１つと単純に重なり合うことによって達成されうる。代替的には、複数のプライの２つのストラップが交差する、より複雑な構成が採用されうる。この場合、この交差は、第１ストラップからのプライを第２ストラップのプライで分散させる。

図２Ｂ及び２Ｃで示されたように、ストラップ１２及び１４は、ドームの外周２０から出てきて、且つ後にさらに詳しく説明する仮想ポールから出てきた測地曲線又は測地線の上に位置する。外周におけるストラップの終端処理は、すべてのプライが隔壁の端部において共に終端する、１つの例示的な実施形態で達成される。代替的には、複数のプライをもつストラップについては、ストラップが隔壁の端部に接近するにつれて、ストラップのプライは段階的に終端処理されうる。例示的な実施形態では、補剛材が、隔壁の端部と共に終端することもでき、又は応力集中を最小限にするために特別にトリミングされることができる。示されている実施形態については、測地線ポール（ｇｅｏｄｅｓｉｃ ｐｏｌｅｓ）は、互いに対して直角に配向し、及び頂点１６を通じてドームの表面に対して垂直な軸２２に対して直角に配向する。代替的な実施形態では、測地線ポールは、直角角度（極軸が垂直でない）以外の角度で配向しうる。図２Ｂに示されるように、奥行がないドームは、４５度以下の円錐角２４を有する球面の一部に対している。

図３Ａ−Ｃは、奥行があるドーム３０の第２の実施形態を明示する。先の実施形態のように、奥行があるドーム３０の頂点３６に対して、ストラップ３２は第１方向に配向し、ストラップ３４は第２方向に配向する。この図に示すように、ストラップ３２及びストラップ３４は、任意の重複位置３８において１つのストラップとのみ重複する。図３Ｂ及び３Ｃで示されたように、ストラップ３２及び３４は、ドームの外周４０から出てきて、且つ後にさらに詳しく幾何学的に説明する、仮想ポールから出てきた測地曲線又は測地線の上に位置する。示されている実施形態については、測地線ポールは、互いに対して直角に配向し、及び頂点３６を通じてドームの表面に対して垂直な軸４２に対して直角に配向する。代替的な実施形態では、測地線ポールは、直角角度（極軸が垂直でない）以外の角度で配向しうる。図３Ｂに示されるように、奥行があるドームは、４５度より大きい角度の円錐角４４を有する球面の一部に対している。

図４は、先に説明された実施形態のストラップ１２、１４、３２及び３４の位置に対する測地線及び仮想ポールの幾何学的構成を示す。半球体５０は、頂点６０（例示的な実施形態の軸２２及び４２に対応する）を通して球状中心５８から延在する軸５６を通して延在する第１主平面５２及び第２主平面５４によって区切られる。半球体５０の外周周囲６２と第１及び第２主平面の交差は、例示的な実施形態のドーム１０及び３０に対応するドーム６８に対して、仮想ポール６４ａ及び６４ｂの第１の対並びに仮想ポール６６ａ及び６６ｂの第２の対のそれぞれを生成する。ドーム６８と第１主平面５２の交差は第１測地線７０を生成し、ドーム６８と第２主平面５４の交差は第２測地線７２を生成する。

測地線形成平面は、ドーム上で測地線を生成するために、主平面から所定の角度オフセットにおいて配向される。図４では、２つの例示的な形成平面７４ａ及び７４ｂが、第１主平面５２からの角度オフセット７６で示される。ドーム６８と平面７４ａ及び７４ｂの交差は、ドーム６８の外周周囲８０で終端する測地線７８ａ及び７８ｂを生成するが、該測地線７８ａ及び７８ｂは、外周周囲８０を越えた仮想ポール６４ａ及び６４ｂに幾何学的に延在する。角度オフセット７６は、簡略化ために図中では均等に示されているが、代替的な実施形態のドームストラップの構造要件により決定される任意の所望の角度であることができる。図４に示されるように、第１測地線７０も外周周囲８０で終端するが、仮想ポール６４ａ及び６４ｂに幾何学的に延在する。同様に、第２測地線７２は外周周囲８０で終端するが、仮想ポール６６ａ及び６６ｂに幾何学的に延在する。測地線形成平面７４ａ及び７４ｂに対して説明されたのと同様の方法で、測地線形成平面は、第２主平面５４から所定の角度オフセットで配向され、図２Ａ−Ｃ及び３Ａ−Ｃの実施形態で明示されたストラップのレイアウトを生成するための交差する測地線を生成する。ストラップは、測地線の交差点のみにおいて重複する。奥行のあるドームが、実際の表面を越えて仮想ポールを維持し、それにより、ポールにおいてストラップの複数の重複を回避するために、ドームの深さは約８５度に制限される。これらの実施形態では、第１測地線及び第２測地線に対応するストラップが存在し、頂点において重複する。代替的な実施形態では、ストラップは、第１及び第２測地線上に存在しない場合がある。

図４に示された実施形態では、第１主平面５２及び第２主平面５４は、垂直の所定の相対角度８２で頂点６０を通して配向される。代替的な実施形態では、相対角度８２は、垂直でない場合があり、仮想ポール６４ａ及び６４ｂの第１の対並びに仮想ポール６６ａ及び６６ｂの第２の対のそれぞれの間の極軸８４及び８６は直交せず、それにより、ストラップ（１２、１４、及び３２、３４）の非直交の交差点（位置１８、３８）が生成される。極軸８４及び８６は、頂点を通じた軸５６に対して直交する。

ストラップの現在の測地線構成は、非円形の境界９２を備える隔壁９０に採用することができるが、該隔壁９０は、図５で「石鹸泡薄膜」として説明されるウェブ内の実質的に球形の部分９４を備える。球状中心部分に対して測地線を確立する測地線平面（ｇｅｏｄｅｓｉｃ ｐｌａｎｅｓ）は、上述のように採用され、次いで、ストラップ経路（ｓｔｒａｐ ｐａｔｈｓ）が、ドームの外周における球形の終端周囲から隔壁の端部への有限幅のストラップ又は補剛材の歪みを最小限にすることによって、隔壁の非球形部分を通して延在する。

上述のように、構造ドーム上のストラップの配置及び配向の実施形態は、図６に示す方法を使用して達成されうる。実質的に球形のドームが形成される（ステップ６０２）。所定の相対角度が画定され（ステップ６０３）、且つドームの頂点を通して延在する第１主平面及び第２主平面が相対角度で確立される（ステップ６０４）。仮想ポールが、ドームの外周周囲を越えて第１及び第２主平面によって画定される（ステップ６０６）。測地線形成平面が所定の角度オフセットで第１及び第２主平面からオフセットされ（ステップ６０８）、且つドームの表面上の対応する測地線が特定される（ステップ６１０）。特定された測地線によってストラップ位置が決定され（ステップ６１２）、結果として、測地線の交差点においてストラップの単一の重複のみが生じる。隔壁の非円形の境界にストラップを延長することは、有限幅のストラップ又は補剛材の歪みを最小限にしながら、ドームの外周における球形の終端周囲から隔壁の端部へストラップ又は補剛材を延長することによって達成される（ステップ６１４）。

ここで本発明の様々な実施形態を特許法で要求されるように詳しく説明してきたが、当業者は本明細書に開示された特定の実施形態への変形例及び代替例を認識するだろう。上記変形例は、下記の請求項に定義された本発明の範囲および目的に含まれるものである。

２ ストラップ及び補剛材
４ 外周周囲
６ 中心頂点
８ 隔壁
９ ポイント
１０ ドーム
１２ 第１方向に配向するストラップ
１４ 第２方向に配向するストラップ
１６ 頂点
１８ 重複位置
２０ 外周
２２ 軸
２４ 円錐角
３０ 奥行があるドーム
３２ 第１方向に配向するストラップ
３４ 第２方向に配向するストラップ
３６ 頂点
３８ 重複位置
４０ 外周
４２ 軸
４４ 円錐角
５０ 半球体
５２ 第１主平面
５４ 第２主平面
５６ 軸
６０ 頂点
６２ 外周周囲
６４ａ 仮想ポール
６４ｂ 仮想ポール
６６ａ 仮想ポール
６６ｂ 仮想ポール
６８ ドーム
７０ 第１測地線
７２ 第２測地線
７４ａ 測地線形成平面
７４ｂ 測地線形成平面
７６ 角度オフセット
７８ａ 測地線
７８ｂ 測地線
８０ 外周周囲
８２ 相対角度
８４ 極軸
８６ 極軸
９０ 隔壁
９２ 非円形の境界
９４ 実質的に球形の部分

Claims (13)

1. 外周（２０）及び頂点（１６）においてドーム（１０）に対して垂直な軸を備える前記頂点（１６）を有する実質的に球形のドーム（１０）と、
   前記ドーム（１０）の前記外周（２０）を越えて仮想ポールの第１の対によって画定された第１測地線上の前記ドーム（１０）の前記外周（２０）から出て来る第１の複数のストラップ（１２）と、
   前記ドーム（１０）の前記外周（２０）を越えた仮想ポールの第２の対によって画定された第２測地線上の前記ドーム（１０）の前記外周（２０）から出て来る第２の複数のストラップ（１４）であって、前記第１の複数のストラップ（１２）の中の個別のストラップ上の任意の重複が、前記第２の複数のストラップ（１４）の中の個別のストラップの１つのみに対して単一である、第２の複数のストラップと
   を含み、
   任意の重複が、第１のストラップからの複数のプライを第２のストラップからの複数のプライで分散させる、隔壁。
2. 前記仮想ポールの第１の対及び前記仮想ポールの第２の対が、前記軸に対して直交する、請求項１に記載の隔壁。
3. 前記仮想ポールの第２の対が、前記仮想ポールの第１の対に対して垂直である、請求項１又は２に記載の隔壁。
4. 前記ドーム（１０）が、奥行きがなく、且つ球面の４５度以下の円錐角に対している、請求項１から３のいずれか一項に記載の隔壁。
5. 前記ドーム（１０）が、奥行きがあり、且つ球面の４５度から８５度の間の円錐角に対している、請求項１から３のいずれか一項に記載の隔壁。
6. 前記ストラップのすべてのプライが前記外周（２０）において終端する、請求項１から５のいずれか一項に記載の隔壁。
7. 前記ストラップが前記外周（２０）に接近するにつれて、ストラップのプライが段階的に終端する、請求項１から６のいずれか一項に記載の隔壁。
8. 非円形の境界をさらに含み、前記実質的に球形のドーム（１０）が、前記非円形の境界から延在するウェブの一部を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の隔壁。
9. 第１の複数のストラップ（１２）及び第２の複数のストラップ（１４）が、前記ドーム（１０）の外周（２０）を越えて延在し、それにより、球形の終端周囲から前記非円形の境界への有限幅のストラップの歪みを最小限にする、請求項８に記載の隔壁。
10. 実質的に球形のドーム（１０）を形成することと、
    所定の相対角度を画定することと、
    前記相対角度において前記ドーム（１０）の頂点（１６）を通って延在する第１主平面及び第２主平面を確立することと、
    前記ドーム（１０）の外周周囲を越えて前記第１及び第２主平面によって仮想ポールを画定することと、
    所定の角度オフセットで前記第１主平面からの第１の複数の測地線形成平面及び第２主平面からの第２の複数の測地線形成平面を配置することと、
    前記ドーム（１０）の表面上の前記第１及び第２の複数の測地線形成平面に対応する第１及び第２の複数の測地線を特定することと、
    前記第１及び第２の複数の測地線によって第１及び第２の複数のストラップ位置を決定することであって、前記第１及び第２の複数の測地線の交差点においてストラップの単一の重複のみが存在する、決定することと
    を含み、
    任意の重複が、第１ストラップからの複数のプライを第２ストラップからの複数のプライで分散させる、実質的に球形のドーム（１０）上でストラップを配置する方法。
11. 前記所定の相対角度が垂直である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記所定の角度オフセットが均等である、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 有限幅のストラップの歪みを最小限に抑えながら、前記ドーム（１０）の前記外周周囲の球形の終端から隔壁の境界にかけて、前記隔壁の非円形の境界に前記ストラップを延長すること
    をさらに含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
    

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