JP6709032B2 - ファイバーステアリングを使用した複合材積層板の適合された熱膨張率 - Google Patents

Description

アセンブリを完成させるために、種々のタイプの材料が、しばしば、接合される。例えば、複合材部品及び複合材構造体が、しばしば、金属構造体に接合される。しかしながら、複合材部品及び複合材構造体は、接合される金属構造体の熱膨張率（ＣＴＥ）とは、非常に異なる、時々は桁違いである、ＣＴＥを有し得る。多くの用途では、温度変化が最小なので、このことは重要ではないかもしれない。しかしながら、他の用途では、材料は広い温度範囲にわたり急速な加熱及び／又は冷却を受け得る。例えば、宇宙船の用途では、紫外線放射への直接的な露出の有無のために、様々な構成要素を加熱及び冷却に晒す。実質的な温度変化を受ける環境における非常に、実質的に異なったＣＴＥを有する２つの構造体から形成されたアセンブリを有することは、有害な効果をもたらし得る。

変動する熱膨張によって誘起される応力を低減するために、複合材構造体と接合される金属構造体との間に、付加的なインターフェース構造体が使用され得る。これらの付加的なインターフェースは、幾らかのＣＴＥのミスマッチを許容するアダプタ及びスペーサを含み得る。しかしながら、熱膨張アダプタは、全体のアセンブリに対して重量を付加し得、費用を増加し得る。これらの熱膨張アダプタは、製造することが困難であり得、かつ損傷を受けやすい。

結論として、複合材構造体を種々のＣＴＥを有する他の構造体に接合するための新しく、改良された解決法を提供することが望ましく、これらの解決法は、既存のメカニズムの欠点を克服するやり方で、変動する熱膨張率に対処する。

各々が、一様な熱膨張率（ＣＴＥ）を有する第１の構造体、及び変動し得るＣＴＥを有する第２の複合材構造体を含む、アセンブリが提供される。そのようなアセンブリが形成する方法も、また、提供される。第２の構造体は、重なり領域、移行領域、及び基準領域（ｂａｓｅ ｌｉｎｅ ｒｅｇｉｏｎｓ）を有する。重なり領域は、第１の構造体と直接的に接触し、第１の構造体のＣＴＥと同等なＣＴＥを有する。基準領域は、第１の構造体から離れ、かつ異なるＣＴＥを有する。これらのＣＴＥの各々は、そのそれぞれの領域において一様であり得る。移行領域は、基準領域と重なり領域とを相互接続し得、一端部から他端部へ傾斜したＣＴＥの変化を有し得る。第２の複合材構造体のＣＴＥの変化は、全ての３つの領域を通って延伸する少なくとも１つのプライにおける繊維の角度を変化させることによって取得され得る。例えば、プライの少なくとも１つは、ファイバーステアリング（ｆｉｂｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ）に委ねられ得る。ファイバーステアリングされたプライは、第１の構造体に最も近いプライなどの、複合材構造体内の任意のプライであり得る。

幾つかの実施形態では、アセンブリは、第１の構造体及び第２の構造体を含む。第１の構造体は、第１の構造体の全体の体積を通して実質的に一様な第１のＣＴＥを有する。第１の構造体は、金属、複合材料、又は所与の用途に対して適切な何らかの他の材料から形成され得る。第２の構造体は、第１のプライ及び第２のプライを含む複合材料から形成される。第１の繊維プライ及び第２の繊維プライは、第２の構造体の、重なり領域、移行領域、及び基準領域を通って連続的に延伸する。重なり領域は、第１の構造体と接触する。基準領域は、第１の構造体から離れて位置決めされる。移行領域は、重なり領域と基準領域とを相互接続する。幾つかの実施形態では、第１の繊維プライ内の重なり領域内の繊維角度は、第１の繊維プライ内の基準領域内の繊維角度とは異なり、それによって、第２の構造体の重なり領域は、第１の構造体のＣＴＥ（すなわち、第１のＣＴＥ）と実質的に一致するＣＴＥ（すなわち、第２のＣＴＥ）を有する。

第２の構造体を形成する材料が異方性材料である場合に、第２の構造体は種々の方向において種々のＣＴＥ値を有し得ることに、注意すべきである。この状況では、１つの方向（すなわち、マッチング方向）における第２の構造体のＣＴＥは、第１の構造体のＣＴＥと一致し得、一方、別の方向（すなわち、非マッチング方向）における第２の構造体のＣＴＥは、第１の構造体のＣＴＥと一致しないかもしれない。マッチング方向は、最も長い重なりの方向にあり得る。例えば、第１の構造体と第２の構造体との間の重なりは、円筒の高さよりも長い円周を有する円筒形状を有し得る。この場合では、マッチング方向は円周方向であり得、一方、非マッチング方向は軸方向であり得る。代替的に、この円筒形状の重なりは、円筒形状の重なりの高さよりも短い円周を有し得る。この場合では、マッチング方向は軸方向であり得、一方、非マッチング方向は円周方向であり得る。種々の方向のＣＴＥ値は、幾つかの実施形態では、桁違いであり得る。更に、種々の方向のＣＴＥ値は、反対の符号を有し得る。例えば、軸方向のＣＴＥは正であり得、一方、円周方向のＣＴＥは負であり得、逆もまた真なりである。

幾つかの実施形態では、マッチング方向と非マッチング方向との間のＣＴＥ値における差異は、１００％未満であり、より具体的には５０％未満である。この説明において特段の記述がない限り、２つの構成要素の間のＣＴＥ値の比較は、マッチング方向に沿って実行される。複合材構造体のＣＴＥ値は、マッチング方向に沿って変化することにも注意すべきである。例えば、重なり領域におけるマッチング方向のＣＴＥ値（すなわち、第２のＣＴＥ）は、基準領域におけるマッチング方向のＣＴＥ値（すなわち、第３のＣＴＥ）とは異なる。

いくつかの実施形態では、第１の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有する。移行領域を通るファイバーステアリングは、線形な角度変化（ａ ｌｉｎｅａｒ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅ）の１つを使用し得る。代替的に、移行領域を通るファイバーステアリングは、一定のステアリング半径（ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ）を有する経路に従い得る。更に、繊維経路はスプライン表現（ａ ｓｐｌｉｎｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）であり得る。

幾つかの実施形態では、第２の繊維プライは、基準領域内の第４の繊維角度とは異なる重なり領域内の第３の繊維角度を有する。重なり領域内の第１の繊維プライ内の第１の繊維角度の絶対値は、重なり領域内の第２の繊維プライ内の第３の繊維角度の絶対値と異なり得る。

幾つかの実施形態では、第２の繊維プライは、重なり領域及び基準領域内で同じ繊維角度を有する。アセンブリは、第３の繊維プライ及び第４の繊維プライを含み得る。第１の繊維角度は、第２の構造体と関連するポアソン比の値と、第２のＣＴＥの第１のＣＴＥとの一致とをバランスさせるように選択され得る。例えば、第１のＣＴＥに対する第２のＣＴＥの正確な一致は、１より大きい第２の構造体の重なり領域におけるポアソン比をもたらし得る。第２のＣＴＥと第１のＣＴＥとの間の幾らかのミスマッチを許容することは、第２の構造体の重なり領域におけるポアソン比を、０．５未満の値まで低減し得、それは、第２の構造体の整合性に対してより望ましい可能性がある。

いくつかの実施形態では、複合材構造体を設計するための方法は、第１の積層板のレイアップ及び第２の積層板のレイアップを決定し、繊維角度を決定し、繊維角度を調整し、かつ第１の積層板のレイアップを実施することを含む。第１の複合材内の第１の積層板のレイアップは、接触する構造体に対する接続のための重なり領域のＣＴＥを有する。設定された特性を有する第２の積層板のレイアップは、例えば、積層板の強度又は構造的剛性などの構造上の要件に基づいて決定され得る。第１の積層板のレイアップ内の第１の繊維プライ内の重なり領域及び基準領域における繊維角度が、決定される。重なり領域における繊維角度は、ポアソン比をバランスさせるためにＣＴＥのミスマッチを許容するように調整される。第１及び第２の積層板のレイアップ、及び第１から第２の積層板のレイアップへの移行は、ファイバーステアリングを使用して実施される。

幾つかの実施形態では、第１の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有する。移行領域を通るファイバーステアリングは、線形な角度変化の１つを使用し得る。代替的に、移行領域を通るファイバーステアリングは、一定のステアリング半径を有する経路に従い得る。更に、繊維経路はスプライン表現であり得る。

幾つかの実施形態では、第２の構造体の円周方向における第２のＣＴＥは、第１の構造体の第１のＣＴＥに対応する。第１の構造体は、金属を含み得る。

幾つかの実施形態では、第２の繊維プライは、基準領域内の第４の繊維角度と異なる重なり領域内の第３の角度を有する。重なり領域内の第１の繊維プライ内の第１の繊維角度の絶対値は、重なり領域内の第２の繊維プライ内の第３の繊維角度の絶対値と異なり得る。

幾つかの実施形態では、第２の繊維プライは、重なり領域及び基準領域内で同じ繊維角度を有する。アセンブリは、第３の繊維プライ及び第４の繊維プライを含み得る。第１の繊維角度は、第２の構造体と関連するポアソン比の値と、第２のＣＴＥの第１のＣＴＥとの一致とをバランスさせるように選択され得る。

幾つかの実施形態では、第２の構造体の重なり領域内のプライの数は、基準領域内のプライの数と異なり得る。第２の構造体は、重なり領域から基準領域へ連続する少なくとも１つの繊維プライを有する。

これら及び他の実施形態は、図面を参照しながら以下に更に説明される。

幾つかの実施形態による、種々のＣＴＥを有する種々の領域を有する複合材構造体を含んだアセンブリの一実施例を示す。 特定の実施形態による、一定のＣＴＥをもたらすバランスされた対称積層パラメータのための全ての可能な組み合わせを示す一実施例である。 幾つかの実施形態による、複合材構造体の種々の領域を横断する種々の繊維角度の一実施例を示すグラフである。 幾つかの実施形態による、複合材構造体の種々の領域を横断する種々のＣＴＥの一実施例を示すグラフである。 幾つかの実施形態による、ミスマッチの円周方向のＣＴＥとポアソン比とをバランスさせる一実施例を示す。 図５は、幾つかの実施形態による、複合材構造体のＣＴＥを接合される構造体のＣＴＥと一致させるためのプロセスの一実施例を示す。 図６Ａは、幾つかの実施形態による、製造の初期段階から運航に供されるまでの宇宙船のライフサイクルにおける主要な動作を反映したプロセスの流れ図である。 図６Ｂは、幾つかの実施形態による、宇宙船の様々な主要な構成要素を示すブロック図である。

以下の説明では、提示されている概念の完全な理解をもたらすために、多数の具体的な詳細事項が明記されている。提示されている概念は、これらの具体的な詳細事項の一部又は全てを含まずとも実施可能である。他の事例においては、説明されている概念を不必要に分かりにくくしないように、よく知られているプロセス作業については詳細に説明していない。幾つかの概念が具体的な実施形態との関係の中で説明される一方で、これらの実施形態は限定的であることを企図しないことが理解されるだろう。
（イントロダクション）

アセンブリを生成するために、しばしば、種々のＣＴＥを有する種々のタイプの材料が接合される。例えば、複合材料は、別の複合材料又は金属に接合され得る。特定の実施例では、水素タンク複合材後部スカートは、宇宙へ行くアセンブリ上のアルミニウムの水素タンクとＣＴＥミスマッチを有し得る。そのようなアセンブリを形成する従来の技術は、ＣＴＥミスマッチを埋め合わせるための、アダプタ、インターフェース、又はスペーサを使用する。しかしながら、これらのアダプタ、インターフェース、又はスペーサは、製造することが困難であり得、かつ全体のアセンブリに非常に大きな重量を付加し得る。特定の実施例では、アルミニウムの水素タンクと、水素タンク後部スカートとの間のインターフェースリングは、５００ポンドを超える重量を有し得る。

本明細書で説明される様々なアセンブリ及び方法は、複合材構造体の、ある領域のＣＴＥを、この領域が直接的に接触する材料のＣＴＥと一致させることによって、付加的なアダプタ、インターフェース、又はスペーサに対する必要性を除去し、又はそれらの複雑さを低減する。この領域は、重なり領域と呼ばれ得る。その材料に接触しない複合材構造体の別の領域は、異なるＣＴＥを有し得る。この領域は、基準領域と呼ばれ得る。複合材構造体は、モノリシックであり、それらのＣＴＥにかかわりなく全ての領域を通って延伸する連続的な繊維を有し得る。言い換えると、同じ繊維が、重なり領域においてスタートし得、かつ基準領域の中へ延伸し得る。ＣＴＥは、接続する構造体と接触する重なり領域から基準領域へ徐々に変化し得、基準領域は接続する構造体から離れている。ＣＴＥの漸進的な変化は、複合材構造体自身の範囲内におけるＣＴＥのミスマッチの効果を低減する。ＣＴＥの値が徐々に変化する領域は、移行領域と呼ばれ得る。

様々な実施形態によれば、同じ複合材構造体の種々の領域を横断してＣＴＥを変化させることは、複合材構造体が製造される際の適合されたファイバーステアリングの技術によって取得され得る。具体的には、複合材構造体内の単一の積層板層は、例えば、高度な繊維配置（ａｄｖａｎｃｅｄ ｆｉｂｅｒ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）又は連続的なトウせん断（ｃｏｎｔｉｎｏｕｓ ｔｏｗ ｓｈｅａｒｉｎｇ）を使用してファイバーステアリングされ得る。他の実施例では、複数の積層板層がファイバーステアリングされ得る。複合材料内の１以上の積層板層のファイバーステアリングは、金属などの接合される材料とのより近いＣＴＥマッチングを獲得することを可能にし得る。幾つかの実施形態では、カスタマイズされたファイバーステアリングされた積層板（ＳＦＬ）が、複合材の円周のＣＴＥを金属リングのＣＴＥと一致させるために提供される。

更に、ＣＴＥマッチングは、ポアソン比などの他の特性を用いてバランスされ得る。具体的には、ファイバーステアリングなどのメカニズムを使用して複合材構造体の種々の領域を横断してＣＴＥを変化させることは、ポアソン比を著しく増加させ得る。複合材料が、接続する構造体に接合されない複合材構造体のほとんどの領域で疑似等方性（ｑｕａｓｉ‐ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）であり得る（例えば、金属から作られる）一方で、複合材構造体が接続する構造体と接合される領域内でＣＴＥを一致させる試みは、高いポアソン比をもたらし得る。複数のプライをステアリングすることは、ポアソン比を効果的に低減し得るが、複数のプライをステアリングすることは、製造の複雑さを増加する。結論として、様々な技術が、ＣＴＥミスマッチをポアソン比とバランスさせるために説明される。

図１は、幾つかの実施形態による、変化するＣＴＥを有する複合材構造体１０４を有するアセンブリの一実施例を示す。具体的には、複合材構造体１０４は、別の構造体１０２と直接的に接触する重なり領域１０６を有し、別の構造体１０２は、接続する構造体１０２と呼ばれ得る。重なり領域１０６のＣＴＥは、接続する構造体１０２のＣＴＥと実質的に同じであり得る。複合材構造体は、また、重なり領域１０６のＣＴＥとは異なるＣＴＥを有する基準領域１１０を含む。重なり領域１０６のＣＴＥは、実質的には一定であり得る。同様に、重なり領域１０６のＣＴＥは、実質的には一定であり得る。複合材構造体１０４は、また、重なり領域１０６と基準領域１１０とを接合し、かつ変化するＣＴＥを有する移行領域１０８を含み得る。具体的には、移行領域１０８の一端部は、重なり領域１０６のそれと同様なＣＴＥを有し得、一方、移行領域１０８の一端部は、基準領域１１０のそれと同様なＣＴＥを有し得る。

複合材構造体１０４は、複数の層、又は第１のプライ１１２及び第２のプライ１１４などのプライを含み得る。第１のプライ１１２及び第２のプライ１１４の各々内の繊維の方向は、同じか又は異なり得る。第１のプライ１１２又は第２のプライ１１４のうちの少なくとも１つ内の繊維の方向は、例えば、ファイバーステアリングを使用して、重なり領域１０６から基準領域１１０へ変化し得る。

円周方向などの特定の方向におけるＣＴＥは、複合材構造体１０４の１以上のプライ内でファイバーステアリングを使用して一致され得ることが、認識されている。幾つかの実施形態では、第１のプライ１１２又は第２のプライ１１４の複数のプライのうちの１つの組だけがステアリングされ、疑似等方性レイアップは、複合材構造体１０４の全体の剛性を維持するために、重なり領域１０６から離れるように維持され得る。疑似等方性の特性を有する従来の積層板は、０°、９０°、＋／−４５°を使用し、０、９０、＋／−４５の積層板と呼ばれ得る。幾つかの実施形態では、基準領域１１０において又は基準領域１１０の近くで疑似等方性の特性を有する複合材構造体１０４は、重なり領域１０６において又は重なり領域１０６の近くで＋／−２２．５°によって回転された０、９０、＋／−４５の積層板であるだろう。すなわち、疑似等方性の特性を有する［±Θ_１、±Θ_２］レイアップは、Θ_１＝２２．５°、Θ_２＝６７．５°又はΘ_１＝６７．５°、Θ_２＝２２．５°のいずれかを条件として規定し得る。疑似等方性の積層板を、クロスプライの積層板として、すなわち［±Θ_１、±Θ_２］の積層板として規定することは、ファイバーステアリングを介した１つのレイアップから別のレイアップへの移行を容易にし得る。様々な実施形態によれば、複合材構造体は、バランスされたレイアップ、［±Θ_１、±Θ_２］を有する４つのプライを含み得、繊維角度の各々は、プライ内の位置の関数である。積層板内の角度を変化させることは、例えば、モジュラス（ｍｏｄｕｌｕｓ）、ＣＴＥ、又はポアソン比などの効果的な積層板の特性をもたらす。

複合材積層板構造体のＣＴＥは、以下のように規定されることが認識されている。

数式１では、［Ａ］^−１は、平面内の積層板の剛性の行列Ａの逆行例であり、［Ｑ］は、積層板の剛性の行列の回転行列であり、ｍ＝ｃｏｓΘ、ｎ＝ｓｉｎΘ、ｈ＝積層板の厚さ、かつα１及びα２は、繊維方向における各々のプライのＣＴＥであり、それぞれ、繊維方向を横断する。複合材のレイアップ内の繊維角度を変化させることは、Ａ行列における変化をもたらし、かつ数式１内のｍ項及びｎ項の変化をもたらし、これによって、ＣＴＥの変化をもたらす。例えば、ＣＴＥのうちの１つは、望ましい結果をもたらすレイアップ内の角度の組み合わせを探索する数値アルゴリズムを使用して、接続する構造体のＣＴＥに一致され得る。種々のＡ行列を有する同じＣＴＥの値をもたらす１より多い数のレイアップが存在し得る。更に、正確に同じＡ行列及び同じＣＴＥをもたらす１より多い数のレイアップが存在し得る。レイアップを明確に規定する前に構造的特性を変化させるために、複合材積層板のＡ行列及びＣＴＥを規定するために使用され得る方法は、積層パラメータ（ＬＰｓ）の使用である。ＬＰの定義は、よく知られている（Ｚ．Ｇｕｒｄａｌ、Ｒ．Ｔ．Ｈａｆｋａ、Ｐ．ＨａｊｅｌａのＤｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓを参照せよ）。対称的なバランスされた積層板に対するＣＴＥをＶ１及びＶ３の関数として規定すると、以下のように簡略化され得る。すなわち、

ここで、

かつ

更にここで、

定数をもたらすバランスされた対称的なＬＰであるＶ１及びＶ３に対する全ての可能な組み合わせを示す実施例が、図２Ａで示されており、それはミキダイヤグラム（Ｍｉｋｉ ｄｉａｇｒａｍ）としても呼ばれ得る。一旦、ＬＰが分かると、一致する積層順序は、例えば、Ｖａｎ Ｃａｍｐｅｎによって説明されるような、当業者に知られた方法を使用して見つけることができる。１より多い数の積層順序は、クロスプライ積層板内に３より多い数の顕著な繊維配向が存在する場合に、ＬＰの所与の組に対して存在し得る。このことは、１つの積層板から次へと移行するために必要とされる、最小量のファイバーステアリングをもたらす繊維角度を得る機会を提供する。

移行領域１０８は、重なり領域１０６及び基準領域１０８に対して、一旦、レイアップの候補が決定されてしまうと、規定され得る。種々の繊維角度間の移行は、高度な繊維配置を用いて達成され得る。重なり領域１０６、移行領域１０８、及び基準領域を横断する１以上のプライ内でレイアップを変化させることは、これらの種々の領域又は区域内の複合材を横断する種々のＣＴＥをもたらし得る。

図２Ｂは、幾つかの実施形態による、複合材構造体の種々の領域を横断するプライ内の種々の繊維角度を示すグラフ２００である。様々な実施形態によれば、重なり領域における繊維角度は、（２００ａによって特定される）Θ_Ａであり、一方、基準領域における繊維角度は、（２００ｃによって特定される）Θ_Ｂであり、Θ_Ｂ≠Θ_Ａである。重なり領域における繊維角度（Θ_Ａ）は、上述の方程式に基づいて計算され得、それによって、重なり領域におけるＣＴＥは、複合材に接続される別の材料のＣＴＥに対応する。基準領域における繊維角度（Θ_Ｂ）は、構造的な又は何らかの他の考慮に基づいて選択され得る。Θ_ＢからΘ_Ａへの移行は、移行領域内に現れ、この移行は図２Ｂ内で２００ｂによって特定される。移行２００ｂは、漸次的であり得る。

複数の層を有する複合材積層板の特性は、各々の層の特性（例えば、材料特性、プライの厚さ、及び繊維角度）に応じる。複合材構造体は、例えば、２つの部分がボルト接続によって接合される場合に、厚さの蓄積（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｂｕｉｌｄｕｐｓ）を可能とするために、種々の領域内の種々の数のプライを有し得る。この場合に、重なり領域から基準領域へ連続するプライのみが、繊維角度が異なる場合にファイバーステアリングに委ねられ得る。

図３は、幾つかの実施形態による、複合材構造体内の種々の領域を横断するＣＴＥ変動を示すグラフである。ＣＴＥは、例えば、図２Ｂを参照しながら上述された、複合材構造体の種々の領域内の種々の繊維角度のために変化し得る。重なり領域のＣＴＥ（３００ａによって特定されるα_Ａ）は、接続する構造体のＣＴＥと（例えば、実質的に同じになるように）一致するように選択され得る。基準領域のＣＴＥ（３００ｃによって特定されるα_Ｂ）は、基準領域の特定の設計の結果であり得、それは、構造的な整合性又は他の考慮によって操作され得る（基準領域は接続する構造体とは離れているので、接続する構造体のＣＴＥと一致しない）。（３００ｂによって特定される）移行領域のＣＴＥは、この領域に対して使用されるファイバーステアリングのために、α_Ａからα_Ｂへ移行する。幾つかの実施形態では、重なり領域のＣＴＥは、複合材構造体内の単一のプライをステアリングすることによって、接続する構造体のＣＴＥと緊密に一致され得る。代替的に、重なり領域のＣＴＥは、２以上のプライをステアリングすることによって、接続する構造体のＣＴＥと緊密に一致され得る。例えば、２つのプライ（Θ及びΘ’）がステアリングされ得る。この実施例では、１つのプライ内のステアリング角度（Θ）は、他のプライ内のステアリング角度（Θ’）によってバランスされ、それによって、積層板内の他の至る所で、ΘＡ’＝−ΘＡ、ΘＢ’＝−ΘＢ’、及びΘ’＝−Θとなる。

複合材構造体内のファイバーステアリングは、複合材構造体の少なくとも重なり領域に対する大きなポアソン比をもたらし得、それは不都合なことであり得る。幾つかの実施形態では、複合材構造体の重なり領域のポアソン比は、接続する構造体のポアソン比と一致する。ＣＴＥマッチング及びポアソン比マッチングは、種々の結果を生み出し得るため、重量要素は、例えば、ファイバーステアリングの特定の設計を生み出すために、アセンブリの用途に基づいて各々のタイプのマッチングに割り当てられ得る、例えば、受け入れ可能なポアソン比は、幾らかのＣＴＥのミスマッチが許容される場合に、取得され得る。複合材のスカート及びアルミニウムのタンクを含んだ特定の実施例では、ポアソン比は、０．３３”の半径方向のＣＴＥのミスマッチが華氏４９５度の温度勾配において許容される場合に、０．５４まで低減されることができる。ＣＴＥのミスマッチは、ファイバーステアリングが使用されない場合の参考０．９”の半径方向のミスマッチと比較して、大幅に低減される。

図４は、特定の実施例に対する、ミスマッチの円周方向のＣＴＥとポアソン比とのバランスを示す。列４０２内で示される円周方向のＣＴＥは、半径方向のミスマッチ４０４に対応する。所与の半径方向のＣＴＥに対する最も低い可能なポアソン比は、列４０６内で記述されている。低減された半径方向のミスマッチに対する必要性を、低減されたポアソン比に対する必要性とバランスさせることは望ましいことが、認識されている。受け入れ可能なポアソン比を有するＣＴＥにおけるミスマッチの受け入れ可能なレベルを選択することが可能である。特定の実施形態では、０．３３”の半径方向の熱のミスマッチは、ΔＴ＝華氏４９５度において許容される、０．５４のポアソン比及び０．５の円周方向のＣＴＥ（μ／ｉｎ／Ｆ）に対応する。

図５は、幾つかの実施形態による、複合材構造体のＣＴＥを接続される構造体のＣＴＥと一致させるために使用されるプロセス５００の一実施例を示す。５０２では、接触する構造体のＣＴＥに対応するＣＴＥを有する第１の積層板のレイアップが、決定される。ＣＴＥは、例えば、製造における容易性又は低減されたポアソン比などの他の理由のために、特定のレベルのミスマッチが許容され得るので、完全に一致する必要はないことが、注意されるべきである。５０４では、設定された特性を有する第２の積層板のレイアップが、決定される。様々な実施形態によれば、複合材は２以上のプライを有し得る。しかしながら、ファイバーステアリングは、幾つかの実施形態で、積層板内のプライの一部においてのみ必要であり得る。しかしながら、ファイバーステアリングは複数のプライ内で使用され得ることが、認識されている。５０６では、積層板のレイアップ内のプライに対する、重なり領域、基準領域、及び／又は移行領域における繊維角度が、決定される。多くの例では、ファーバーステアリングは、繊維角度を、重なり領域内の角度から基準領域内の角度へ変化させるために使用される。５０８では、他のパラメータ及びプライが考慮される。様々な実施形態によれば、複数のプライ内の繊維角度を修正することは、製造の複雑性を増加するが、複合材の効果的な積層板の特性を改良し得る。特定の実施形態では、様々な温度範囲における繊維角度及びポアソン比の受け入れ可能な組み合わせを特定するために、反復プロセスが使用される。他の実施形態では、積層板のモジュラス又は曲げ剛性が考慮され得る。他のパラメータ又はプライを考慮する必要がない場合は、決定された繊維角度を有する積層板を有する複合材が、５１０で製造される。

図６Ａの中において示される宇宙船の製造及び保守方法６００、及び図６Ｂの中において示される宇宙船６３０は、今や、本明細書の中で提示される方法及びシステムの様々な特徴をよりよく示すために説明される。生産前の段階では、宇宙船の製造及び保守方法６００は、宇宙船６３０の仕様及び設計６０２並びに材料の調達６０４を含み得る。生産段階では、宇宙船６３０の構成要素及びサブアセンブリの製造６０６とシステムインテグレーション６０８とが行われる。その後、宇宙船６３０は認可及び納品６１０を経て運航６１２に供される。顧客により運航される間に、宇宙船６３０は定期的な整備及び保守６１４（改造、再構成、改修なども含み得る）がスケジューリングされる。本明細書の中において説明される実施形態が、概して、宇宙船の構成要素及びサブアセンブリの製造に関する一方で、それらの実施形態は、宇宙船の製造及び保守方法６００の他の段階において実施されてもよい。

宇宙船の製造及び保守方法６００の各プロセスは、システムインテグレーター、サードパーティー、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実施又は実行され得る。本説明の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の宇宙船製造者、及び主要システムの下請業者を含んでもよく、サードパーティーは、例えば、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含んでもよく、オペレーターは、政府機関、リース会社、軍事団体、サービス機関などであってもよい。

図６Ｂに示すように、宇宙船の製造及び保守方法６００によって生産された宇宙船６３０は、機体６３２、内装６３６、並びに複数のシステム６３４を含み得る。システム６３４の例には、推進システム６３８、電気システム６４０、油圧システム６４２、及び環境システム６４４のうちの１以上が含まれる。任意の数の他のシステムがこの実施例の中に含まれることもある。航空宇宙産業の例を示したが、本開示の原理は、海運及び自動車産業などの他の産業にも適用され得る。

本明細書に具現化された装置と方法は、宇宙船の製造及び保守方法６００の任意の１以上の段階で採用することができる。例えば、非限定的に、構成要素及びサブアセンブリの製造６０６に対応する構成要素又はサブアセンブリは、宇宙船６３０の運航中に生産される構成要素又はサブアセンブリと同様の方法で作製又は製造され得る。

また、１以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせは、例えば、非限定的に、宇宙船６３０の組立てを実質的に効率化するか、又は宇宙船６３０のコストを削減することにより、構成要素及びサブアセンブリの製造６０６及びシステムインテグレーション６０８の段階で利用することができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせのうちの１以上は、宇宙船６３０の運航中に利用されることができ、例えば、非限定的に、整備及び保守６１４がシステムインテグレーション６０８及び／又は整備及び保守６１４の間に使用されて、部品が互いにどの部品と接続され及び／又は係合するのかを決定することができる。

更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。
条項１
第１の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する第１の構造体であって、前記第１のＣＴＥが前記第１の構造体の全体の体積を通して実質的に一様である、第１の構造体、並びに
第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを備えた複合材料から形成された第２の構造体であって、
前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライが重なり領域、移行領域、及び基準領域を通して連続的に延伸し、
前記重なり領域は前記第１の構造体と接触し、
前記基準領域は前記第１の構造体から離れて位置決めされ、
前記移行領域は前記重なり領域と前記基準領域とを相互接続し、かつ
前記第１の繊維プライ内の前記重なり領域内の第１の繊維角度は、前記第１の繊維プライ内の前記基準領域内の第２の繊維角度と異なり、それによって、
前記第２の構造体の前記重なり領域は、前記第１のＣＴＥと実質的に一致する第２のＣＴＥを有し、かつ
前記第２の構造体の前記基準領域は、前記第２のＣＴＥ及び前記第１のＣＴＥと実質的に異なる第３のＣＴＥを有する、第２の構造体を備える、アセンブリ。
条項２
前記第１の繊維プライは、前記移行領域を通るファイバーステアリングを有する、条項１に記載のアセンブリ。
条項３
前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン表現のうちの１つを利用する、条項２に記載のアセンブリ。
条項４
前記第２の構造体の前記第２のＣＴＥは、円周方向及び軸方向を含んだ２つの直交する方向において異なる、条項１に記載のアセンブリ。
条項５
前記第１の構造体は金属を含む、条項１に記載のアセンブリ。
条項６
前記第２の繊維プライは、前記重なり領域内の第３の繊維角度及び前記基準領域内の第４の繊維角度を有し、前記第３の繊維角度は前記第４の繊維角度と異なる、条項１に記載のアセンブリ。
条項７
前記重なり領域内の前記第１の繊維プライ内の前記第１の繊維角度の絶対値は、前記重なり領域内の前記第２の繊維プライ内の前記第３の繊維角度の絶対値と異なる、条項６に記載のアセンブリ。
条項８
前記第２の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で同じ繊維角度を有する、条項１に記載のアセンブリ。
条項９
第３の繊維プライ及び第４の繊維プライを更に備える、条項１に記載のアセンブリ。
条項１０
前記第１の繊維角度は、前記第２の構造体に関連するポアソン比の値と、前記第２のＣＴＥの前記第１のＣＴＥとの一致とをバランスさせるように選択される、条項１に記載のアセンブリ。
条項１１
複合材構造体を設計するための方法であって、前記方法は、
接触構造体のＣＴＥを有する接触構造体との接続のために、重なり領域のＣＴＥを有する第１の複合材内の第１の積層板のレイアップを決定すること、
設定された特性を有する第２の積層板のレイアップを決定すること、
前記第１の積層板のレイアップ内の第１の繊維プライ内の重なり領域及び基準領域における繊維角度を決定すること、
ポアソン比の値をバランスさせるために、ＣＴＥのミスマッチを許容するように、前記重なり領域における繊維角度を調整すること、及び
ファイバーステアリングを使用して前記第１の積層板のレイアップを実施することを含む、方法。
条項１２
前記第１の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有する、条項１１に記載の方法。
条項１３
前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン表現のうちの１つを利用する、条項１２に記載の方法。
条項１４
前記接触構造体のＣＴＥは、円周方向における前記重なり領域のＣＴＥに対応する、条項１１に記載の方法。
条項１５
前記接触構造体は金属を含む、条項１１に記載の方法。
条項１６
第２の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域において異なる繊維角度を有する、条項１１に記載の方法。
条項１７
前記第１の繊維プライ内の前記繊維角度の絶対値は、前記第２の繊維プライ内の繊維角度と異なる、条項１６に記載の方法。
条項１８
前記第２の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で一様な繊維角度を有する、条項１１に記載の方法。
条項１９
第３の繊維プライ及び第４の繊維プライを更に備える、条項１１に記載の方法。
条項２０
前記第１のプライ及び前記第２のプライ内の前記繊維角度は、前記複合材に関連するポアソン比の値と、前記重なり領域のＣＴＥの前記接触構造体のＣＴＥとの一致とをバランスさせるように選択される、条項１１に記載のアセンブリ。

前述の概念は、理解の明確化を目的としてやや詳細に記述されているが、ある種の変更および修正が、付随する特許請求の範囲内で実践され得ることは明らかであろう。プロセス、システム、及び装置の実装には多数の代替的な方法があることに留意されたい。したがって、本実施形態は、例示的であり、かつ限定的ではないと考えられるべきである。

Claims (15)

1. 第１の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する第１の構造体であって、前記第１のＣＴＥが前記第１の構造体の全体の体積を通して実質的に一様である、第１の構造体、並びに
   第１の繊維プライ及び第２の繊維プライを備えた複合材料から形成された第２の構造体であって、
   前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライが前記第２の構造体の重なり領域、移行領域、及び基準領域を通して連続的に延伸し、
   前記重なり領域において、前記第２の構造体の一部は前記第１の構造体と接触し、
   前記基準領域において、前記第２の構造体は、前記第１の構造体と接触しないように前記第１の構造体から離れて位置決めされ、
   前記移行領域は前記重なり領域と前記基準領域とを相互接続し、かつ
   前記第１の繊維プライ内の前記重なり領域内の第１の繊維角度は、前記第１の繊維プライ内の前記基準領域内の第２の繊維角度と異なり、それによって、
   前記第２の構造体の前記重なり領域は、前記第１のＣＴＥと実質的に一致する第２のＣＴＥを有し、かつ
   前記第２の構造体の前記基準領域は、前記第２のＣＴＥ及び前記第１のＣＴＥと実質的に異なる第３のＣＴＥを有する、第２の構造体を備える、アセンブリ。
2. 前記第１の繊維プライは、前記移行領域を通るファイバーステアリングを有し、前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン関数表現のうちの１つを利用する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記第２の構造体の前記第２のＣＴＥは、２つの直交する方向において異なり、前記２つの直交する方向は、円周方向及び軸方向を含む、請求項１又は２に記載のアセンブリ。
4. 前記第１の構造体は金属を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
5. 前記第２の繊維プライは、前記重なり領域内の第３の繊維角度及び前記基準領域内の第４の繊維角度を有し、前記第３の繊維角度は前記第４の繊維角度と異なり、前記重なり領域内の前記第１の繊維プライ内の前記第１の繊維角度の絶対値は、前記重なり領域内の前記第２の繊維プライ内の前記第３の繊維角度の絶対値と異なる、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. 前記第２の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で同じ繊維角度を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. 第３の繊維プライ及び第４の繊維プライを更に備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
8. 前記第１の繊維角度は、前記第２の構造体に関連するポアソン比の値と、前記第２のＣＴＥの前記第１のＣＴＥとの一致とをバランスさせるように選択される、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
9. 複合材構造体を設計するための方法であって、前記方法は、
   接触構造体であるＣＴＥを含む接触構造体との接続のために、重なり領域のＣＴＥを有する第１の複合材内の第１の積層板のレイアップを決定すること、
   設定された特性を有する第２の積層板のレイアップを決定すること、
   前記第１の積層板のレイアップ内の第１の繊維プライ内の重なり領域及び基準領域における繊維角度を決定することであって、前記基準領域において、前記第１の複合材は前記接触構造体と接触しない、決定すること、
   ポアソン比の値をバランスさせるために、ＣＴＥのミスマッチを許容するように、前記重なり領域における繊維角度を調整すること、及び
   ファイバーステアリングを使用して前記第１の積層板のレイアップを実施することを含む、方法。
10. 前記第１の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有し、前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン関数表現のうちの１つを利用する、請求項９に記載の方法。
11. 前記接触構造体のＣＴＥは、円周方向における前記重なり領域のＣＴＥに対応する、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記接触構造体は金属を含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記第１の積層板のレイアップ内の第２の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域において異なる繊維角度を有し、前記第１の繊維プライ内の前記繊維角度の絶対値は、前記第２の繊維プライ内の前記繊維角度とは異なる、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の積層板のレイアップ内に第３の繊維プライ及び第４の繊維プライを更に備え、前記第２の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で一様な繊維角度を有する、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記第１の繊維プライ及び前記第２の繊維プライ内の前記繊維角度は、前記複合材に関連するポアソン比の値と、前記重なり領域のＣＴＥの前記接触構造体のＣＴＥとの一致とをバランスさせるように選択される、請求項１３又は１４に記載の方法。
    

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