JPH04153024A - Ｆｒｐ製のパイプ状構造物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はＦＲＰ製のパイプ状構造物およびその製造方法
に関し、特に、所要の剛性を低下させることなく軽量化
を図るもので、航空、宇宙分野をはじぬ軽量化が要求さ
れる種々の分野に好適に利用されるものである。

従来の技術 従来より、ＦＲＰ製のパイプ状構造物は、主として強化
繊維とマトリクス樹脂からなる複合材料の特性を生かし
て種々の分野において使用されている。

上記ＦＲＰ製のパイプ状構造物は使用状態により負荷条
件が異なった場合、パイプ状構造物に作用する曲げモー
メント、ねじりモーメント等はかならずしも一様に分布
していない。

例えば、第１１図に及び第１２図に示すようにパイプ状
構造物ｌの一端を固定端１ａとし、他端を自由端１ｂし
た所謂片持ち梁の状態で、上記自由端１ｂに偏心荷重Ｐ
、を負荷して曲げねじりの力を加えると、パイプ状構造
物ｌの任意の断面の受けるの曲げモーメント及びねじり
モーメントの分布は上記自由端１ａからの距離をＺとす
るとそれぞれ第１３図及び第１４図に示すようになる。

即ち、上記の例では、曲げモーメントは固定端１ａを最
大として自由端１ｂに向かって線形的に減少する分布を
示す一方、ねじりモーメントは軸線Ｇ方向に一様に分布
している。

従来、上記のように曲げモーメントやねじりモーメント
の分布が一様でない場合に、最適な剛性を得るためには
、断面積や断面形状により定まる断面二次モーメントを
軸線方向で変化させる試みがなされている。

例えば、上記した片持ち梁の場合には、第１５図から第
１７図に示すバイブ状構造物２のように固定端２ａから
自由端２ｂにかけて先細りとなるテーパー状として軸線
Ｇ方向の曲げモーメントの分布に対応した剛性に設定し
ている。この場合は軸線Ｇに対する強化繊維Ｆの角度（
＃＆維配向角θ１）は一定に設定している。

また、上記ように曲げモーメン等の分布に対応して断面
積等を変化させることなく、最も剛性が必要となる部分
（例えば、上記片持ち粱ｌの場合では固定端１ａ）に対
応する剛性を有するように断面積等を設定して、軸線方
向でこれを一定とする場合もある。

さらに、強化繊維の剛性を向上することによりバイブ状
構造物全体の剛性を高める等の試みもなされている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、断面積や断面二次モーメントを軸線方向
で異ならせて所定の剛性を得る方法は複合材料であるＦ
ＲＰでなくとも行うことが可能であるが、断面積や断面
二次モーメントを異ならせるためには、必然的にパイプ
の断面形状を軸線方向で異ならせる必要が生じ、製作が
面倒であり生産効率が悪い欠点がある。

また、量も剛性か必要な部分に適合するように断面積等
を設定して、これを軸線方向で一定として異ならせない
方法を用いる場合は、必要以上の剛性を備える部分があ
り、その分だけ必要以上の重量が増加する欠点がある。

さらに、強化繊維の弾性率を高める方法にも限界がある
。

上記ように、従来のＦＲＰ製のパイプ状構造物では、最
適な特性が得られるように設定可能であるという複合材
料の特性を十分に生かしておらず、軽量化には限界があ
った。

本発明は、上記のような従来のＦＲＰ製のパイプ状構造
物における問題を解決するためになされたものであって
、ＦＲＰの複合材料としての特性を十分に生かして剛性
の分布を最適に設定しえるようにして、ＦＲＰ製パイプ
状構造物の軽量化を図ることを目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明は下記のような原理に基づいてなされたものであ
る。

ＦＲＰ製のパイプ状構造物では曲げモーメンに対しては
、繊維配向角が０°に近いほうがより強い剛性が得られ
る一方、ねじりに対しては上記繊維配向角は４５゛に近
いほうがより強い剛性が得られる。従って、パイプ状構
造物に作用する任意の負荷条件において、曲げモーメン
トがねじりモーメントに対して相対的に強く作用する部
分では繊維配向角を０°に近づける一方、ねじりモーメ
ントが曲げモーメントに対して相対的に強く作用する部
分では繊維配向角を４５°に近づけるように、繊維配向
角をパイプ状構造物の軸線方向で異ならせれば、曲げモ
ーメント及びねじりモーメントの分布に対応して最適な
剛性を得ることができる。

従って、本発明は、ＦＲＰ製のパイプ状構造物において
、パイプの軸線方向で繊維配向角を異ならせていること
を特徴とするＦＲＰ製のパイプ状構造物を提供するもの
である。

さらに、本発明は、上記したＦＲＰ製構造物を製造する
方法として、回転しているマンドレルに対して、該マン
ドレルの軸心方向に、樹脂を含浸した強化繊維をトラバ
ースさせながら巻き着けるフィラメント・ワインディン
グ法を用いてＦＲＰ製のパイプ状構造物を製作し、 上記トラバースの移動速度及び／またはマンドレルの回
転速度を変化させて、パイプ状構造物の軸線方向での繊
維配向角度を連続的及び／または段階的に変化させるこ
とを特徴とするＦＲＰ製のパイプ状構造物の製造方法を
提供するものである。

具体的には、上記パイプ状構造物は、曲げモーメント及
びねじりモーメントの分布に対応して、曲げモーメント
が相対的に強く作用する部分では繊維配向角を０°に近
付ける一方、ねじりモーメントが相対的に強く作用する
部分では繊維配向角を４５゛に近付けるように、軸線方
向で繊維配向角を異ならせている。

例えば、上記パイプ状構造物の負荷条件が片持ち粱の状
態で先端に偏心荷重を受ける場合には、固定端側の端部
の繊維配向角を０°に近付けるように、また自由端側の
端部の繊維配向角を４５゜に近付けるように、固定端側
から自由端側にかけてパイプ軸線方向で繊維配向角を連
続的あるいは段階的に設定している。

また、上記パイプ状構造物の負荷条件が両端が単純支持
で中央部に荷重を受けると共にトルクが負荷される場合
には、中央部では繊維配向角を０°に近付けるように、
両方の端部では４５°に近付けるように、パイプ軸線方
向で繊維配向角を連続的あるいは段階的に設定している
。

色肋 上記したように本発明に係るＦＲＰ製のパイプ状構造物
では、繊維配向角を軸線方向で変化させ、特に、負荷条
件に応じて曲げモーメント又はねじりモーメントが相対
的に強く作用する部分では、それぞれ、繊維配向角が０
°又は４５゛に近付けるように設定しているため、必要
な剛性を維持しつつ軽量化を図ることができる。また、
上記のように繊維角度を異ならせて剛性を最適に設定し
ているため、従来のように必要のない部位の剛性を高め
る必要がなく、重量の低減を図ることができ、所要の剛
性を保持しながら軽量化を達成することが出来る。

実施例 次に、図面に示す実施例に基づき本発明について詳細に
説明する。

第１図及び第２図に示す本発明の第１実施例は、上記第
１１図汝び第１２図で示す片持ち梁の先端に偏心荷重が
作用して、第１３及び第１４図に示すように曲げモーメ
ント及びねじりモーメントが分布する場合に最適の剛性
を存するように設定したしのである。

具体的な負荷条件は、軸長がｌ＋００ｍｒＬｌのパイプ
５の一端を固定し、該固定端より１０００ｍｍ突出させ
ると共に他端を自由端とした片持ち梁の状態とし、先端
から軸線Ｇ対して垂直方向に５００１偏心した位置にｌ
０２ｋｇの重りを負荷し、該負荷条件でパイプ５の先端
において、たわみ力月Ｏ１以下、かつ、ねじれ角かビ以
下を目標値として設定した。

第１実施例のパイプ５は強化繊維として炭素繊維ヲ用い
、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を用いて成形して
おり、長さしを上記した１１００−１、内径りを５０１
ｍ、肉厚ｔを０．９８ｓ＋ｍの円筒状としている。

上記パイプ５では、片持ち梁とした時に固定端側となる
端部５ａを原点として、Ｚ軸を軸線Ｇと一致するように
円柱座標［（ｒ、θ、ｚ）系座標］を取ると、ｒ方向及
びθ方向、即ち、肉厚方向及び周方向では繊維配向角は
一定であるが、Ｚ方向即ち軸線Ｇの方向では第３図に示
すように繊維配向角を異ならせている。

上記したように、片持ち粱の状態でパイプの先端に曲げ
ねじりの力を加えた場合は、曲げモーメントが固定端に
おいて最大となる一方、ねじれモーメントはパイプ状構
造物の軸線方向に一様に分布するため、第１実施例のパ
イプ５では、これら曲げモーメント及びねじりモーメン
トの分布を考慮して繊維配向角を設定している。即ち、
曲げモーメントが最大となる部分であり、相対的に曲げ
モーメントがねじりモーメントよりも強く作用する固定
側の端部５ａでの繊維配向角θ、を０°に近い２３°と
して曲げモーメントに対する剛性を高める一方、相対的
にねじりモーメントが強く作用する自由端５ｂでの繊維
配向角θ、を４５°に近い３６°としてねじりモーメン
に対する剛性を高め、上記固定端側の端部５ａから上記
自由端５ｂに向けて繊維配向角θが２３°から３６°へ
と連続的に増加するように設定して、中央付近５Ｃでの
繊維配向角θ４を略２８゛　に設定している。

第４図は軸線Ｇ方向の肉厚りの分布を示し、該肉厚りは
上記したように略一定となっている。

第１実施例のパイプ状構造物５は下記のようにしてフィ
ラメント・ワインディング法（ＦＷ法）により製作して
いる。

即ち、フィラメント・ワインディング・マシン（ＦＷマ
シン）のマンドレルの回転速度ヲ一定に保持し、トラバ
ースの移動速度を、繊維配向角θを小さく設定するとこ
ろでは速くする一方、繊維配向角θを大きく設定すると
ころでは遅く移動させて樹脂を含浸した強化繊維をマン
ドレルに巻上げていく。即ち、上記した固定端側の端部
５ａでは繊維配向角θ、は２３°で最小となるのでトラ
バースの移動速度は最も速く、以後、自由端５ｂに近付
くにつれて漸次トラバースの移動速度を遅くしている。

自由端５ｂに達すると、固定端５ａに向けて逆方向にト
ラバースさせ、トラバースの移動速度を上記と逆に漸次
速くして、マンドレルに巻上げていく強化繊維配向角θ
、を３６゛から２３°へと漸次小さくしている。よって
、軸方向に垂直方向のパイプの断面では強化繊維の配向
角θ、は図示のように軸線に対して正負の関係で同一角
度になるようにしている。上記固定端から自由端へ、自
由端から固定端への往復移動を繰り返すことにより必要
な暦数の繊維強化層を巻き付けている。

上記のようにしてマンドレルに樹脂を含浸した強化繊維
を巻上げた後に、ラブピングチーブにより加圧し、さら
に、オーブンで硬化させて、ＦＲＰ製のパイプを製造し
ている。

尚、第１実施例のパイプ５の製造方法は上記のものに限
定されず、例えば、トラバースの移動速度を一定として
マンドレルの回転速度を上記繊維配向角θを大きく設定
する部分では高速とする一方、小さく設定する部分では
低速に変化させてもよい。あるいは、上記マンドレルの
回転速度及びトラバースの移動速度の双方を変化させて
もよい。

上記のように、第１実施例のパイプ５は前記負荷条件で
の曲げモーメント及びねしりモーメントの分布に対応し
て、曲げモーメントがねじりモーメントより相対的に強
く作用する部分では繊維配向角を０゛に近付ける一方、
ねじりモーメントが曲げモーメントより相対的に強く作
用する部分では繊維配向角を４５°に近付けるように設
定している。そのため、上記曲げモーメント等の分布に
対応した剛性が得られる。従って、従来のパイプ状構造
物のように、部分的に必要以上の剛性を有する部分がな
く、要求される必要な剛性を維持しつつ軽量化を図るこ
とができると共に、断面形状が一定とすることができる
。また、マンドレルの回転速度とトラバースの移動速度
を調整することにより簡単に製作製作することができる
。

第５図（ＡＸＢ）及び第６図に示す本発明の第２実施例
では、パイプ８に対する負荷条件は、両端を単純支持と
し、軸線Ｇ方向の中点８ａに荷重Ｐｔが作用すると共に
トルクＴが作用するようにしている。この負荷条件では
、曲げモーメントは第７図に示すように上記中点８ａに
おいて最大で両方の端部８ｂ、８ｃに向けて線形的に減
少する分布を示す。一方、第８図に示すように、ねじり
モーメントの大きさは軸線Ｇ方向で一定である。第２実
施例のパイプ８は上記の負荷条件で最適な剛性を有する
ように設定したものである。

第２実施例のパイプ状構造物８は上記第１実施例の場合
と同様に、長さＬｏて肉厚一定の円筒状であり、軸線Ｇ
方向で繊維配向角を変化させている。この繊維配向角の
分布は第９図に示すように設定している。

即ち、曲げモーメントが最大となり、相対的に曲げモー
メントをねじりモーメントより考慮すべきである中点８
ａ付近では繊維配向角θ４を０°に近い３０°とする一
方、曲げモーメントが上記中点８ａと比べて小さく相対
的に曲げモーメントよりねじりモーメントを考慮すべき
である両方の端ｆｆ１８ｂ、８ｃ付近では繊維配向角θ
、を４５°に近い４１’に設定している。

第２実施例では、上記のような負荷条件での曲げモーメ
ント及びねじりモーメントの分布に対応して繊維配向角
を設定しているため、上記第１実施例と同様に必要な剛
性を維持しつつ軽量化を図ることができる。

尚、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、
パイプの中空部に発泡ウレタン算を充填して振動減衰能
を高めたり、あるいは、上記マンドレルを樹脂により形
成して繊維の巻付けが終了した後もそのまま中空部を充
填する充填部材として用いる構成としてもよい。

また、本発明のパイプの製造方法も上記ＦＷ法に限定さ
れらのではなく、例えば、プリプレグシートを用いて製
造してもよい。

（実験例） 本発明のパイプ状構造物の効果を確かめるために実験を
行なった。

実験例として使用したのは、上記第１実施例のパイプ５
に相当するものであり、長さＬがｔｔｏ。

１１内径５０ｍｍ、肉厚ｔを０．９１３＋ｍで一定とし
て、上記第２図に示すように軸線Ｇ方向に繊維配向角を
分布させている。このパイプ５を１０１００Ｏ突出した
片持ち梁として第１Ｏ図に示すような治具１０を用いて
軸線Ｇから垂直方向に７２＝５００ｍｍの位置に１０２
ｋｇの重り１１を吊るして偏心荷重を負荷して自由端で
のたわみ及びねじれ角を調べると共に重量を測定した。

更に、比較例として上記第１実施例と同様に長さが１１
００ｍｍ、内径が５０＠ｍであって、軸線方向で繊維配
向角を一定として、かつ、上記上記第１実施例と同様の
剛性を有するように、第３図及び第４図中点線で示すよ
うに、肉厚を１．０２ａｍ、繊維配向角を２７°に設定
したパイプについても実験例と同様の負荷条件で測定を
行った。

表１ 実験結果は上記の表１に示すようになった。この表１か
ら明らかなように実験例は比較例と比べてたわみ及びね
じれは同程度の値であるが重量は比較例より９％程度少
なく、同程度の剛性で軽量化されていることを確認する
ことができる。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明に係るパイプ状
構造物では、軸線方向で繊維配向角を異ならせて変化さ
せ、該繊維配向角をパイプ状構造物の負荷条件における
曲げモーメントやねじりモーメントの分布に適合させ、
曲げモーメントが大きく作用する部分では繊維配向角を
０°に近付けて設定し、ねじりモーメントが大きく作用
する部分では繊維配向角を４５°に近付けて設定してい
るため、必要な剛性を維持しつつ軽量化を図ることがで
きる。

また、繊維配向角度を軸線方向に変化させることにより
上記のように剛性を最適化しているため、断面形状を軸
線方向で一定とすることができ、簡単な形状のままで剛
性を最適化することができる。

さらに、本発明体るパイプ状構造物の製造方法ではフィ
ラメント・ワインディング法を用いて製ｈ−＃−二−層
一）ｈ　フ゛ノＶＩ、ｆｉ、小Ｈド遣廖〉ｋ→パースの
移動速度を調整するだけで、簡単に軸線方向での繊維配
向角を異ならせることができる等の種々の利点を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るパイプ状構造物の第１実施例を示
す概略斜視図、第２図は第１実施例の繊維配向角の分布
の概略を示す概略平面図、第３図は第１実施例の繊維配
向角の分布を示す線図、第４図はパイプの肉厚の分布を
示す線図、第５図（Ａ）は第２実施例を示す概略図、第
５図（Ｂ）は第２実施例の負荷条件を示す概略斜視図、
藁６図は第２図の繊維配向角の分布の概略を示す概略平
面図、第７図は第２実施例での曲げモーメントの分布を
示す線図、第８図は第２実施例でのねじりモーメントの
分布を示す線図、第９図は第２実施例の繊維配向角の分
布を線図、第１Ｏ図は実験方法を示す概略斜視図、第１
１図及び第１２図は片持ち梁に偏心が負荷した状態を示
す概略図、第１３図及び第１４図は第１１図及び第１２
図における曲げモー　メ　ノ　ｋ下シＴにチコ　ｌ−ｎ
　キー　−ノ　ｋの７５ＪでＡ−云→ト劇１図、第１５
図から第１７図は従来のＩくイブ状構造物の例を示す概
略図である。 ５．８・・・パイプ、　θ・・・繊維配向角。 特許出願人　　　住友ゴム工業株式会社代理人弁理士　
青　山　　葆ほか１名 第１図 デ 第２図 第３図 第４図 パイプめ軸線方向１１Ｆ１位置（ｍｍ）第８図 第９図 第５図（Ａ） 第６図 第５図（Ｂ） ｈ ｇＪ７図 第１０図 第１６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＦＲＰ製のパイプ状構造物において、パイプ状構造
   物の軸線方向で繊維配向角を変化させていることを特徴
   とするＦＲＰ製のパイプ状構造物。 ２、回転しているマンドレルに対して、該マンドレルの
   軸心方向に、樹脂を含浸した強化繊維をトラバースさせ
   ながら巻き着けるフィラメント・ワインディング法を用
   いてＦＲＰ製のパイプ状構造物を製作し、 上記トラバースの移動速度及び／またはマンドレルの回
   転速度を変化させて、パイプ状構造物の軸線方向での繊
   維配向角度を連続的及び／または段階的に変化させるこ
   とを特徴とするＦＲＰ製のパイプ状構造物の製造方法。