JP6808313B2 - 複合材料における複合荷重 - Google Patents

Description

本発明は、材料の試験及びパネルの設計に関し、より具体的には、複合された力の同時適用によるパネル設計における使用のための複合材料の試験及び分析に関する。

航空機及び他の製品で使用することができる５ストリンガパネル（５ ｓｔｒｉｎｇｅｒ ｐａｎｅｌｓ）などの複合パネルは、プロジェクトの研究開発段階中に試験され、航空機又は類似製品で使用できるようになる前に認可プロセス中に試験されなければならない。現在、これらの５ストリンガパネルは、３つの一般的な方法のうちの１つを使用して試験される。それは、完全な５ストリンガパネルを試験すること、コンピュータシミュレーションを使用して５ストリンガパネルをモデリング及び分析すること、或いは、単一の引張又は圧縮荷重を使用してより小さいサンプルパネル（クーポン）を試験し、完全な５ストリンガパネルに戻って結果を推定することである。しかしながら、これらの現状の方法は、それぞれ固有の欠陥及び非効率な面を有する。

例えば、完全な複合５ストリンガパネルを製造し試験するには、年間で何百万ドルとかかる場合がある。構造設計物が航空機で使用される前、複合構造物が認可されるには少なくとも１つの５ストリンガパネルの試験が必要であるが、完全な５ストリンガパネルは、それぞれ、最大で＄１、２００、０００かかる場合があり、製造と試験に最長６か月かかる場合がある。それに加えて、使用が検討されている厚みとレイアップの範囲にわたって、統計的に意味のあるデータセットを得るためには、新しい複合技術に対して複数の５ストリンガパネルの試験を実行しなければならない。リードタイムが長く、コストが高いため、５ストリンガパネルのために複数の可能性のある設計及び／又は材料を試験することは、法外な時間とコストがかかる場合があり、設計者は、特定の設計適用にとって最善な又は最適なパネル設計ではなく、特定の設計適用にとって十分な設計に落ち着く場合がある。

それに加えて、５ストリンガパネルのコンピュータモデリングを使用することよって、現状では、プロジェクトの研究開発段階に必要とされる正確さが提供されない。例えば、現在のコンピュータモデルは、不具合荷重（ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄ）、不具合モード（ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ）、及び損傷軌道（ｄａｍａｇｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）の予測に信頼性がない。コンピュータモデルの現状の信頼性は、約７０〜８０％くらいである。これは、これらの分析方法が２０〜３０％の割合で結果の予測に失敗することを意味する。これにより、最終的な設計及び荷重を６〜１２か月後ろに引き伸ばし、失敗が生じる度、試験用の追加の５ストリンガパネルの製造により多くの費用をかけることによって、設計が変更され、プログラムのコストとスケジュールに影響が出る結果となる場合がある。

最後に、クーポン（すなわち、５ストリンガパネルにおいて使用される材料の小さな断片）の試験が、新しい複合材料に関連する全体的なコストを減少させる試みにおいて利用されている。残念ながら、既存のクーポン試験方法は、一軸的にクーポンに荷重をかけるものであって、５ストリンガパネルの状態を表すような方法で材料に荷重をかけるものではない。このため、現状のクーポン試験方法は、５ストリンガ複合パネルの性能を信頼性を有して正確に予測することに失敗する。

したがって、低コストであり、迅速で正確であり、且つ信頼性の高い材料試験方法とパネル設計方法が必要とされる。

本発明の１つの実施形態では、材料の不具合を判定する方法であって、材料から製作されるクーポンを製造するステップ、クーポン上に第１の力及び第２の力を適用するステップであって、第２の力は第１の力とは異なる、適用するステップ、及び第１の力及び第２の力の適用に起因する材料の不具合を特徴付けるステップを含む方法が提供される。

本発明の別の実施形態では、複合パネルを設計する方法であって、第１のノッチを有するパネルをモデリングし、且つ第１のノッチに近接する複合ストレス状態を判定するステップ、パネルの複合ストレス状態を複製するためにクーポンのストレス状態をモデリングするステップ、各々が第２のノッチを有する複数のクーポンを製造し、且つ複数の試験結果を得るために複数のクーポンを試験するステップ、試験結果に基づいてデータベースを構築するステップ、データベース内の複数の試験結果に基づいてパネルを製造するステップ、及びパネルを試験するステップを含む方法が提供される。

前述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において個別に実現可能であるか、或いは、後述の説明及び図面を参照して更なる詳細を理解することができる更に別の実施形態において組み合わせることができる。

例示的な試験用クーポンの上平面図である。 材料のクーポンを試験するための例示的な方法のフロー図である。 複合パネルを設計するための例示的な方法のフロー図である。

本明細書に記載の１つの方法は、低コストで迅速な材料試験を提供する。この試験は、複合されたせん断ストレスと引張／圧縮ストレスとを同時に適用することによって、複合積層材などの材料の強度をより正確に信頼性をもって判定するために使用することができる。局所荷重が５ストリンガパネル構造の複雑な荷重環境を模倣するため、マルチストリンガ構造の予測が可能になる。この材料試験方法は、完全な５ストリンガパネルを製造し試験するよりは、遥かに速く、安価であり得る。例えば、この試験方法を使用して１つのクーポンを製造し試験するコストは、完全な５ストリンガパネルを製造し試験するときの＄７００、０００から＄１、２０００、００に比べて、クーポンにつき、約＄３、０００から＄５，０００であり得る。この試験方法によって、純粋なコンピュータモデリングよりも正確な結果が更にもたらされる場合があり、現状の一軸的な、単一の力によるクーポンの試験よりも信頼性の高い結果がもたらされる場合がある。

図１を参照すると、例示的な試験用クーポン１０は、平坦な厚み又は不均一な厚みを有し得る、積層複合材又は他の材料の０．６１メートル×０．６１メートル（２フィート×２フィート）のパネルから構成される。クーポン１０は、クーポン１０内に形成されるノッチ２０を更に有することができる。ノッチ２０は、航空機で使用するパネルの一部の試験で必要とされるもののなど、５ストリンガパネルに対する潜在的な損傷をシミュレート又は模倣するために使用することができる。図示した例では、ノッチ２０は、丸みを帯びた端部を有する細長いスロットであるが、特定の用途又は試験のために所望される又は必要とされる任意の形状又は大きさであってもよい。

図２を参照すると、以上で説明され且つ図１で図示される例示的なクーポン１０を使用する例示的な材料試験方法が示される。この例示的な方法は、クーポン１０を使用して説明されるが、この方法は、所望される任意の大きさ、構造、材料、寸法などの任意の材料を試験するために使用することができる。

ステップ１００では、試験用クーポン１０が製造される。上述のように、クーポン１０は、クーポン１０内に形成されるノッチ２０を有する、０．６１メートル×０．６１メートル（２フィート×２フィート）の積層複合材パネルであってもよい。

ステップ１１０では、アクチュエータ又は他の周知の装置を使用して、第１の力Ｆ１（図１を参照）が材料に適用される。第１の力Ｆ１は、実行中の試験に応じて、引張力又は圧縮力であってもよい。

ステップ１２０では、アクチュエータ又は他の周知の装置を使用して、第２の力Ｆ２（図１を参照）が材料に同時に適用される。第２の力Ｆ２も、実行中の試験に応じて、引張力又は圧縮力であってもよく、第１の力Ｆ１とは異なる（例えば、第１の力Ｆ１よりも大きいか、又はより小さい）。例えば、一部の試験シナリオでは、第１の力Ｆ１は、第２の力Ｄ２の２から１０倍であってもよい。

２つの異なる力から生じるクーポン１０上のストレス状態は、引張／圧縮及びせん断を含み、これは、５ストリンガパネルで経験される状態に似ており、５ストリンガパネルで外板が経験する同じストレス状態をシミュレートすることができる。

ステップ１３０では、一旦、複合材の不具合又は材料に対する構造的損傷が観察されると、材料の不具合が特徴付けられる。材料の不具合を特徴付けることは、材料の不具合開始、不具合方向、不具合モード（例えば、開始及び成長）における荷重、ストレス状態に対する最良のレイアップなどを判定することを含むことができる。クーポン１０は、任意のストリンガ、アレストメント（ａｒｒｅｓｔｍｅｎｔ）、大規模な損傷成長、及びストリンガ解体を含むことができないため、クーポン１０のみの試験によって挙動を判定することはできない。

図３を参照すると、図２に示される材料試験方法を使用して、５ストリンガパネルなどの複合パネルを設計する方法が示される。

ステップ２００では、５ストリンガパネルなどの複合パネルは、有限要素法（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）又は他の周知の方法を使用してモデリングされ、パネル内のノッチに近接する複合ストレス状態が判定される。

ステップ２１０では、以上で説明され、図１に示されるクーポン１０などの試験用クーポンのためのストレス状態は、以上のステップ２００においてモデリングされた５ストリンガパネルで判定されたストレス状態を複製するために、ＦＥＭ又は他の周知の方法をしてモデリングされる。クーポンのモデリングに基づいて、第１の力Ｆ１及び第２の力Ｆ２のための値が決定される。

ステップ２２０では、試験用クーポン１０は、ステップ１００から１３０で以上で説明され、且つ図２に示されるように、製造且つ試験される。クーポン１０のコスト及び製造時間がより低いため、２０から４０個のクーポンを製造し試験することができる。上述のモデル内のストレス状態に合致させるために、サンプルクーポンを使用して、試験中に第１の力Ｆ１及び第２の力Ｆ２を変更することができる。

ステップ２３０では、ステップ２２０におけるクーポン１０の試験で収集されたデータを含むデータベース又は応答面が構築される。データベース／応答面は、５ストリンガパネルの最終設計において、分析ツール及びオプティマイザによって使用されてもよい。

ステップ２４０では、５ストリンガパネルは、ステップ２３０で生成されたデータベースに含まれるデータに基づいて製造される。様々な設計を分析する試み及び／又は分析を最適化する試みにおいて、複数の５ストリンガパネルを製造するよりは、この方法を用いれば、分析を検証／実証して設計を認可するために１つの５ストリンガパネルのみを製造すればよい。

ステップ２５０では、ステップ２４０で製造された５ストリンガパネルが、周知の試験技法を使用して試験且つ検証される。製造且つ試験する必要のある５ストリンガパネルの数は減少したが、完全になくすことはできない。認可プロセスのため、航空機産業などのほとんどの産業において、少なくとも１つの５ストリンガパネルを依然として製造して試験しなければならない。

以上で説明され、図３で示される方法は、５ストリンガパネルの必要とされる試験の数を減少させることができる。この試験は、試行錯誤して幾つかの５ストリンガパネルを製作する必要なく、現状の方法、ツール、及びデータにおける周知のギャップを埋めることによって、プログラムの成功を達成し、研究開発を加速させ、研究開発コストを削減し、新材料技術に関連する認可コストを削減し、及びより信頼性の高い分析能力を提供するために必要とされる試験である。

更に、本開示は、例示的で非包括的な例を含み、これらは、以下の条項に従って、請求される場合があり、或いは請求されない場合がある。

条項１
材料の不具合を判定する方法であって、
材料から製作されるクーポン（１００）を製造するステップ、
前記クーポン（１００）上に第１の力（１１０）を適用するステップ、
前記クーポン（１０）上に第２の力（１２０）を適用するステップであって、前記第２の力（Ｆ２）は前記第１の力（Ｆ１）とは異なる、適用するステップ、及び
前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）の前記適用に起因する材料の不具合（１３０）を特徴付けるステップ
を含む方法。

条項２
前記クーポン（１０）が、０．６１メートル×０．６１メートル（２フィート×２フィート）のパネルである、条項１に記載の方法。

条項３
前記材料が積層複合材である、条項１に記載の方法。

条項４
前記クーポンがノッチ（２０）を備える、条項１に記載の方法。

条項５
前記ノッチ（２０）が細長いスロットである、条項４に記載の方法。

条項６
前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）が引張力である、条項１に記載の方法。

条項７
前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）が圧縮力である、条項１に記載の方法。

条項８
前記第１の力（Ｆ１）が引張力であり、前記第２の力（Ｆ２）が圧縮力である、条項１に記載の方法。

条項９
前記第１の力（Ｆ１）が前記第２の力（Ｆ２）よりも２倍から１０倍である、条項１に記載の方法。

条項１０
前記材料の不具合を特徴付けることが、材料の不具合開始、不具合方向、及び不具合モードにおける少なくとも１つの荷重を判定することを含む、条項１に記載の方法。

条項１１
複合パネルを設計する方法であって、
第１のノッチを有する前記パネル（２００）をモデリングし、且つ前記第１のノッチに近接する複合ストレス状態を判定するステップ、
前記パネルの前記複合ストレス状態を複製するためにクーポンのストレス状態（２１０）をモデリングするステップ、
複数のクーポンを製造するステップであって、前記複数のクーポンのそれぞれが第２のノッチを備える、製造するステップ、
前記複数のクーポンを試験し、且つ複数の試験結果を得るステップ、
前記試験結果に基づいてデータベース（２３０）を構築するステップ、
前記データベース内の前記複数の試験結果に基づいて前記パネル（２４０）を製造するステップ、及び
前記パネル（２５０）を試験するステップ
を含む方法。

条項１２
前記パネルが、有限要素法を使用してモデリングされる、条項１１に記載の方法。

条項１３
前記クーポンのストレス状態が、有限要素法を使用してモデリングされる、条項１１に記載の方法。

条項１４
前記複数のクーポンが、積層複合材から製作された０．６１メートル×０．６１メートル（２フィート×２フィート）のパネルである、条項１１に記載の方法。

条項１５
前記第２のノッチが細長いスロットを備える、条項１１に記載の方法。

条項１６
前記クーポンのストレス状態をモデリングすることが、試験のために第１の力（Ｆ１）及び第２の力（Ｆ２）を判定することを含み、前記第２の力（Ｆ２）は前記第１の力（Ｆ１）とは異なる、条項１１に記載の方法。

条項１７
前記複数のクーポンを試験することが、
前記第１の力を前記複数のクーポンのうちの１つの上に適用するステップ、
前記第２の力を前記複数のクーポンのうちの前記１つの上に適用するステップ、及び
前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）の前記適用に起因する材料の不具合を特徴付けるステップ
を含む、条項１６に記載の方法。

条項１８
前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）が引張力である、条項１７に記載の方法。

条項１９
前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）が圧縮力である、条項１７に記載の方法。

条項２０
前記材料の不具合を特徴付けることが、材料の不具合開始、不具合方向、及び不具合モードにおける少なくとも１つの荷重を判定することを含む、条項１７に記載の方法。

様々な実施形態が上述されてきたが、この開示は、それらに限定されることを意図するものではない。開示されている実施形態に対しては、更に添付の特許請求の範囲内にある変形例を作成してもよい。

Claims (7)

1. 材料の不具合を判定する方法であって、
   材料から製作される、正方形のクーポン（１０）を製造する（１００）ステップ、
   前記クーポン（１０）の一辺上に第１の力を適用する（１１０）ステップ、
   前記クーポン（１０）の前記一辺上に第２の力を適用する（１２０）ステップであって、前記第２の力（Ｆ２）の方向と前記第１の力（Ｆ１）の方向とは平行であり、前記第２の力（Ｆ２）の大きさと前記第１の力（Ｆ１）の大きさとは異なる、適用するステップ、及び
   前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）の前記適用に起因する材料の不具合（１３０）を特徴付けるステップ
   を含み、
   前記第１の力（Ｆ１）が適用される作用点と前記第２の力（Ｆ２）が適用される作用点とが異なる、
   方法。
2. 前記クーポンが、積層複合材から製作されたパネルであり、前記パネルは、０．６１メートル×０．６１メートルである、請求項１に記載の方法。
3. 前記クーポンがノッチ（２０）を備え、前記ノッチが好適には細長いスロットである、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）が引張力である、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の力（Ｆ１）及び前記第２の力（Ｆ２）が圧縮力である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の力（Ｆ１）が引張力であり、前記第２の力（Ｆ２）が圧縮力である、請求項１に記載の方法。
7. 前記材料の不具合を特徴付けることが、材料の不具合開始、亀裂方向、及び不具合モードにおける少なくとも１つの荷重を判定することを含む、請求項１に記載の方法。

Images