JPH07156888A - 複合材フィッティング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、航空機の胴体構造に翼桁を結合す
るとき使用される、複合材フィッティングに関する。従
来の複合材フィッティングは、結合荷重を保持するテン
ションボルトの装着場所が１個しかないため、荷重の増
大に対処するために色々の不具合が生じていた。 【構成】 本発明は、複合材フィッティングの胴体構造
との結合部であるエンドパット部を複数にして、荷重の
増大に対応して、軽量特性を損わず、また荷重伝達効率
を損わず、テンションボルトを複数本にして、強度を増
大させることができる。また、翼桁との結合部である側
板部を３ヶ以上にすることにより、エンドパット部から
伝達された荷重を広く、小さく分散して翼桁に分散でき
る。また、側板部を広くとれることにより、ファスナボ
ルトの面圧を小さくできる利点もある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、航空機、宇宙機器、又
は自動車、若しくは建築構造物等の軽量、高強度を必要
とする、構造部材に適用される繊維強化複合材フィッテ
ィングに関する。

【０００２】

【従来の技術】軽量で、かつ高強度を必要とする構造部
材の結合部には、複合材フィッティングが使用されてい
る。図４は、その一例として航空機の胴体構造と、主翼
桁との結合部に適用された複合材フィッティングの使用
状況を示す図であって、図４（Ａ）は正面図、図４
（Ｂ）は斜視図である。高強度アルミ材等で形成された
胴体構造０１の両側部に、主翼を形成し、主翼の荷重を
保持するＩ型の翼桁０２の端部が溶接等により固着され
る。さらに、翼桁０２の端部と、胴体構造０１との結合
部には、上，下に複合材フィッティング１が介装され
て、胴体構造０１と翼桁０２の結合力が補強されてい
る。なお、図４には本発明の一実施例としての複合材フ
ィッティング１を示している。

【０００３】従来、使用されている複合材フィッティン
グ０３の構造の例を、図５により説明する。図５（Ａ）
に示すように、炭素繊維、アラミド繊維、又はガラス繊
維等の強化繊維が、繊維方向０５を種々変えて配向され
た多数のプライシート０１０を、図５（Ｂ）に示すよう
に、高さ方向（Ｚ方向）に多数積層し、これに熱を加
え、硬化させることにより、図５（Ｃ）に示すように立
体構造に形成する。この複合材フィッティング０３は、
図５（Ｃ）に示すように大きく分けて、内側面が円弧状
にされ、外側面に結合面を設けたエンドパット部０６
と、エンドパット部０６の内側面の接線方向に、エンド
パット部０６の両側から延長されて設けられた側板部０
７と、エンドパット部０６と、側板部０７との境界を形
成する繋ぎ部０４とからなる。エンドパット部０６は、
外側面に胴体構造０１の外面（ＹＺ面）と密着できるよ
うに、平面が形成されるとともに、内側面はその内部に
半円筒状の空間を形成する、ラウンド形状の円弧部０８
を形成されている。円弧部０８内側の半円筒状の空間に
は、半円筒形状の当て金０９が嵌挿され、当て金０９の
略中央からエンドパット部０６を貫通して、テンション
ボルト０１１が挿入され、複合材フィッティング０３
と、胴体構造０１とを結合している。また、円弧部０８
には、円周方向に強化繊維が配向されたプライシート０
１０が積層されており、テンションボルト０１１に作用
する引張り荷重０１３等の荷重は、当て金０９を介して
円弧部０８の強化繊維に伝達される。

【０００４】また、前述の通り、エンドパット部０６の
円弧部０８の両側部から接線方向に延長されて設けられ
た側板部０７の上、下面は、平面に形成されており、こ
の平面にＺ方向に貫通し、複合材フィッティング０３を
翼桁０２に連結するファスナボルト０１２が設けられて
いる。そして、前述の円弧部０８の強化繊維に伝達され
た荷重は、ファスナボルト０１２に伝達される。従来の
複合材フィッティング０３は、上述のように構成され、
テンションボルト０１１により複合材フィッティング０
３にかかる全荷重を支え、しかも、複合材フィッティン
グ０３は、荷重０１３をエンドパット部０６の１点で受
けている。このため、荷重０１３の大きさに対応して、
ラウンド部０８を貫通するテンションボルト０１１の強
度を増加させるため、テンションボルト０１１を２本以
上にして強度を増やそうとしても、これに応じて、当て
金０９のサイズを大きくしなければならず、このため重
量が大きくなり、複合材フィッティング０３使用による
軽量化のメリットが、充分享受できないという不具合が
ある。また、逆にテンションボルト０１１を１本だけ使
用して、大きな荷重に対応させようとすると、テンショ
ンボルト０１１単体の強度の上限が、そのまま複合材フ
ィッティング０３の強度の上限となってしまうため、テ
ンションボルト０１１の径を大きくせざるを得ない。し
かし、テンションボルト０１１の径を大きくするとなる
と、図５（Ｄ）に示すように、荷重０１３のＺ方向荷重
位置ｈがテンションボルト０１１の径によって決まり、
テンションボルト０１１の径が太くなれば、Ｚ方向荷重
位置ｈも高くなり、オフセットモーメントＭが大きくな
ってしまい、それに伴い、繋ぎ部０４の断面係数も大き
くしなければならないという、不具合が生じる。断面係
数を大きくするためには、エンドパット部０６と、側板
部０７の繋ぎ部０４は、図５（Ｃ）に示すように２箇所
しかないため、図５（Ａ）に示すように、繋ぎ部０４の
幅ｔを厚くする必要がある。しかし、幅ｔを厚くする
と、繋ぎ部０４における荷重伝達効率が悪化するという
不具合が生じて来る。すなわち、繋ぎ部０４の荷重伝達
効率は、（繋ぎ部０４の幅ｔ）／（エンドパット部０６
の円弧部０８内周直径ｄ）で決まり、この値が小さいほ
ど応力集中が少なく、荷重伝達効率も良くなるという特
性がある。従って、荷重が大きくなり、これをテンショ
ンボルト０１１の径を太くすることで解決しようとする
と、Ｚ方向荷重位置ｈが大きくなり、これに伴い繋ぎ部
０４の幅ｔを大きくせざるを得ず、ｔ／ｄが大きくな
り、大きな応力集中が起こり、荷重伝達効率は低下して
しまうという不具合が生じる。このように、従来の複合
材フィッティングでは、構造上、大荷重に耐えるものに
することができず、その改善が求められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の複合
材フィッティングの上述不具合を解消するため、荷重の
増加に応じて、複合材フィッティングの特徴である、軽
量化を阻害しないで、テンションボルトの本数を増加さ
せることができ、しかも、Ｚ方向荷重位置を低くして、
オフセットモーメントの増大に伴う応力集中の増大を防
止し、荷重伝達効率を良くして、構造上大荷重に耐える
ことのできる、複合材フィッティングを提供することを
課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複合材フィッテ
ィングは、軽量高強度化を達成させるため、次の手段と
した。

【０００７】（１）少なくとも、周方向の強化繊維が配
向された、プライシートを含む多数のプライシートが積
層されて形成され、外側面に構造物との結合面が形成さ
れ、内側面に構造物との結合を行うテンションボルトを
装着する円弧部を形成したエンドパット部を複数個にし
た。

【０００８】（２）少なくとも、エンドパット部のプラ
イシートの周方向に配向された強化繊維が延長されて、
配向されたプライシートを含む多数のプライシートが積
層されて形成され、エンドパット部の円弧部の接線方向
にエンドパット部から延長して設けられて、構造物に取
付ける桁との結合を行うファスナボルトが、装着される
平面が形成された側板部を３個以上にした。

【０００９】（３）上記エンドパット部と、上記側板部
とを一体に成形した。また、他の本発明の複合材フィッ
ティングは、上記手段に加え、次の手段とした。

【００１０】（４）側板部の一つに積層されたプライシ
ートに、エンドパット部から延長されて配向された多数
の強化繊維の他端側を、当該エンドパット部を経由して
他の特定の１つの側板部に積層されたプライシートに集
中して、又は複数の側板部の積層されたプライシートに
分散して配向した。

【００１１】

【作用】本発明の複合材フィッティングは、上述の
（１）〜（３）の手段により、次の作用が得られる。エ
ンドパット部を、荷重の大きさに応じて複数にすること
により、複合材フィッティングの当て金のサイズは大き
くせずに、テンションボルトを複数装着するこ６ができ
る。さらに、同一荷重においても、テンションボルトが
複数にできることにより、テンションボルト径を細くす
ることができ、Ｚ方向荷重位置を低く抑えることができ
る。その結果、オフセットモーメントは小さくすること
ができる。また、エンドパット部を複数にすることによ
り、側板部も３個以上にすることができ、これに伴い、
繋ぎ部も３箇所以上となり、加わる荷重が分散されｔ／
ｄを小さくすることができ、応力集中を小さくでき、荷
重伝達効率を向上させることができる。また、側板部が
３個以上となるため、ファスナボルトを取付ける側板部
ｘｙ面の面積も広げることができ、ファスナボルト径を
細くし、本数を増やすことにより、ファスナボルトによ
る面圧を分散させることができる。

【００１２】また、他の本発明の複合材フィッティング
は、上記作用に加え上述（４）の手段により、次の作用
が得られる。１つのエンドパット部に装着した、テンシ
ョンボルトにかかる、分散された荷重は、さらに必ず２
以上の側板部に分散されて伝達されるため、特定のファ
スナボルトにかかる荷重は小さく、ファスナボルト径を
細くできるとともに、ファスナボルトによる面圧を、よ
り効果的に分散させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の複合材フィッティングの実施
例を、図面により説明する。図１は、本発明の複合材フ
ィッティングの一実施例を示す斜視図である。なお、本
実施例の使用状況は、前述した図４（Ａ），図４（Ｂ）
に示す通りである。複合材フィッティング１は、２個の
エンドパット部２、エンドパット部２に設けられた円弧
部５の接線方向に、エンドパット部２から延長して設け
た側板部３、およびエンドパット部２と、側板部３との
間の繋ぎ部４とからなり、これらが一体に成形されてい
る。すなわち、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）に示すように、
炭素繊維、アラミド繊維、又はガラス繊維等の強化繊維
を、種々の方向に配向した複数枚のプライシート１１を
積層し、これに熱を加え硬化させることより、図１に示
すように立体構造に一体成形されている。エンドパット
部２の内側には、円周方向繊維８、半径方向繊維９及び
斜向方向繊維１０が配向されたプライシート１１を積層
して、ラウンド形状にされた前記円弧部５が形成されて
いる。この円弧部５が形成された内側面には、同一の円
弧面を外周面に形成した半円筒形状の当て金６が装着さ
れて、後述するテンションボルト７から、当て金６に伝
達される荷重Ｆを、円周方向繊維８により円滑に側板部
３へ伝達するようにしている。また、エンドパット部２
の外側は、図２（Ａ）に示すように周方向繊維１２が外
側面のすぐ近傍まで配向され、パットアップ１３され
て、図４（Ｂ）に示す胴体構造０１の側面に密着して、
後述するテンションボルト孔１４による強度低下を補強
し、圧縮荷重時にはこの面で荷重を受け、エンドパット
部２、側板部３に圧縮応力を伝達できるように、平らな
結合面１５が形成されている。さらに、円弧部５が形成
された内側面と、結合面１５が形成された外側面の間に
は、テンションボルト６を挿通するテンションボルト孔
１４があけられるとともに、当て金６にも、当て金６が
円弧部５に正規状態に挿入されたとき、テンションボル
ト孔１４に連通する孔１６が設けられている。テンショ
ンボルト７は、当て金６にあけられた孔１６、およびエ
ンドパット部２にあけられたテンションボルト孔１４に
挿通されて、エンドパット部２を胴体構造０１の側面に
結合する。

【００１４】本実施例においては、テンションボルト７
は、エンドパット部２にそれぞれ１本づつ設けられ、２
本で荷重を分担するので、１本の場合と比較し、径を細
くできる。特に、Ｚ方向荷重位置ｈは、図３に示すよう
に、テンションボルト７の径によって決まり、前述の通
りテンションボルト７の径を細くできることにより、オ
フセットモーメントＭを小さく抑えることができ、繋ぎ
部４の断面係数を大きくする必要がなく、軽量化するこ
とができる。また、間隔をあけた２本のテンションボル
ト７で、複合材フィッティング１を固定することによ
り、１本で固定した時と比較し、ｘ軸回転方向及びｚ軸
回転方向の荷重に対し、安定した固定力が得られる。さ
らに、エンドパット部２と、テンションボルト７の間に
配した当て金６は、テンションボルト７からの荷重Ｆ
を、前述したように側板部３へ円滑に伝達するほか、テ
ンションボルト７からの荷重Ｆを分散し、圧縮応力及び
圧縮応力の分布により生じる層間せん断応力を低下させ
る働きもする。また、当て金６はテンションボルト７、
１本につき１つ設けられており、エンドパット部２に加
わる荷重Ｆも、２つに分散され小さくなるので、繋ぎ部
４の高さのみならず、幅ｔも狭く抑えることができる。
その結果、円弧部５の直径ｄおよび繋ぎ部４の幅ｔの
比、ｔ／ｄで決まる、繋ぎ部４の荷重伝達効率は向上
し、軽量化することができる。

【００１５】次に、側板部３について説明する。側板部
３は前記したように、エンドパット部２の円弧部５の接
線方向に、エンドパット部２から延長して設けられてお
り、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）に示すように、種々の方向
に配向されたプライシート１１を積層して形成されてい
る点は、エンドパット部２と同様である。ここで、重要
なのは、エンドパット部２を構成するプライシート１１
に配向された円周方向繊維８が、延長されて側板部３を
構成するプライシート１１に配向されていることであ
る。これにより、当て金６を介して、エンドパット部２
に伝達されるテンションボルト７からの荷重Ｆは、スム
ーズに側板部３へ伝達される。また、側板部３は、先端
部になるほど幅（Ｙ方向）が３°〜５０°の開き角で拡
げられることにより、高さ（Ｚ方向）を低くした、末広
がりのテーパ形状にすることができる。側板部３の下面
は、翼桁０２の上面に密着できるように、平らな面にさ
れ、上面はテーパ角のついた平面に形成されている。ま
た、側板部３を翼桁０２に固着するための、ファスナボ
ルト２０を挿通する孔２１が、Ｚ方向に貫通されてい
る。そして、側板部３にファスナボルト２０を貫通させ
ることにより、側板部３を構成するプライシート１１間
の層間せん断強度を、ファスナボルト２０のせん断強度
で補強することができる。また、ファスナボルト２０を
貫通させる側板部３は、前述したように、種々の方向の
強化繊維が配向されたプライシート１１を積層して形成
されているので、円周方向繊維８によってエンドパット
部２から荷重が伝達されても、ファスナボルト２０は、
半径方向繊維９、又は斜向方向１０、あるいは円周方向
繊維８によって、阻止されて側板部３から抜け出るよう
なことはない。さらに、前述のように、側板部３をｘ方
向に末広がり、テーパー形状とすることにより、ファス
ナボルト２０を取付ける側板部３のｘｙ面の面積を広げ
ることができ、ファスナボルト２０径を細くし、本数を
増やすことにより、ファスナボルト２０による面圧を分
散さるせることができる。また、形状をテーパ形状にす
ることにより、特定のファスナボルト２０に対する応力
集中も避けることができる。さらに、３個の側板部３の
うち、中心のものを除く２個は特に開き角を大きくする
ことにより、当て金６との接点の応力集中を避けること
もできる。

【００１６】なお、上記実施例においては、側板部３は
エンドパット部２の円弧部５の一方から１体で延長され
たものを示したが、これに限定されるものではなく、エ
ンドパット部２の一方から複数個に分けて形成しても良
い。また、この様にすることにより、翼桁０２との取付
けの自由度が増し、さらには、荷重をより広く分散でき
るものである。また、エンドパット部は２個のものを示
したが、３個以上にすることもできるものである。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の複合材フィ
ッティングによれば、請求項１に示す構成により、 （１）エンドパット部を複数にすることにより、複合材
フィッティングの当て金のサイズは大きくせずに、テン
ションボルトを複数にすることができる。 （２）テンションボルトを複数にできることにより、テ
ンションボルトは１本の場合と比較し、径を細くするこ
とができ、、Ｚ方向荷重位置が小さくなり、オフセット
モーメントを小さく抑えることができ、繋ぎ部を軽量化
することができる。 （３）テンションボルトが複数となるため、当て金を介
してエンドパット部に加わる荷重も複数に分散され、小
さくなるので、繋ぎ部の高さのみならず、幅ｔも狭く抑
えることができる。その結果、ｔ／ｄで決まる繋ぎ部の
荷重伝達効率は向上し、軽量化することができる。 （４）側板部が３個以上となるため、ファスナボルトを
取付ける側板部３のｘｙ面の面積を広げることができ、
ファスナボルト径を細くし、本数を増やすことにより、
ファスナボルトによる面圧を分散させことができ、ま
た、特定のファスナボルトに対する応力集中も避けられ
る。 （５）複数のテンションボルト７で複合材フィッティン
グを固定することにより、１本で固定した時と比較しｘ
軸回転方向、及びｚ軸回転方向の荷重に対しても、安定
した固定ができる。

【００１８】また、他の本発明の複合材フィッティング
によれば、請求項２に示す構成により、 （６）複数のテンションボルトにかかる分散された荷重
は、さらに２以上の側板部３に分散されて伝達されるた
め、ファスナボルトにかかる荷重を小さくでき、ファス
ナボルトの径を細くできるとともに、ファスナボルトに
よる面圧をより広く分散させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１図は、本発明の複合材フィッティングの１
実施例を示す斜視図。

【図２】図１の複合材フィッティングを形成するプライ
シートを示す図であって、図２（Ａ）は円周方向の繊維
が配向されたプライシート、図２（Ｂ）は半径方向の繊
維が配向されたプライシート、図２（Ｃ）および図２
（Ｄ）は斜向方向の繊維が配向されたプライシートを示
す。

【図３】図１の矢視Ａ−Ａ断面図。

【図４】図１の複合材フィッティングが航空機の翼胴結
合に適用された図であって、図４（Ａ）は正面図、図４
（Ｂ）は斜視図。

【図５】従来の複合材フィッティングを示す図であっ
て、図５（Ａ）はプライシートの平面図、図５（Ｂ）
は、図５（Ａ）のプライシートの積層状態を示す斜視
図、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）の成形状態を示す斜視図、
図５（Ｄ）は図５（Ｃ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１ 複合材フィッティング ２ エンドパット部 ３ 側板部 ４ 繋ぎ部 ５ 円弧部 ６ 当て金 ７ テンションボルト ８ 周方向繊維 ９ 径方向繊維 １０ 斜向方向繊維 １１ プライシート １２ 周方向繊維 １３ パットアップ部 １４ テンションボルト孔 １５ 結合面 １６ 孔 ２０ ファスナボルト ２１ 孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 31:30

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周方向の強化繊維を配向したプライシー
   トが少くとも積層されて、外側に構造物との結合面を形
   成し、内側に構造物との結合を行うテンションボルトを
   装着する円弧部を形成したエンドパット部と、前記強化
   繊維が延長されて配向されたプライシートが少くとも積
   層されて、前記円弧部の接線方向に延設され、桁との結
   合を行うファスナボルトを装着する面を形成した側板部
   とからなる複合材フィッティングにおいて、前記エンド
   パット部を複数個にして、前記側板部を３個以上にし
   て、一体成形により形成されていることを特徴とする複
   合材フィッティング。
2. 【請求項２】前記側板部の一つに積層されたプライシー
   トに配向された前記強化繊維は、前記エンドパット部に
   積層されたプライシートを経由して、他の前記側板部を
   形成するプライシートに、配向されていることを特徴と
   する請求項１の複合材フィッティング。