KR102140346B1

KR102140346B1 - 복합재 햇 보강재

Info

Publication number: KR102140346B1
Application number: KR1020140042557A
Authority: KR
Inventors: 로렌스 퍼코 제이슨; 마짜 크리스토퍼
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2020-08-03
Also published as: AU2014201363A1; AU2014201363B2; CN104210643B; US20140356581A1; RU2595713C2; BR102014012851B1; EP2808249B1; RU2014115429A; BR102014012851A2; KR20140141435A; EP3309056A1; CN104210643A; CN107738741A; CN107738741B; CA2845742C; EP2808249A1; ES2665025T3; US10308343B2; CA2845742A1; BR102014012851B8

Abstract

여기에 개시된 햇 보강재는 국부적으로 최적화된 경사면을 갖는 웹 부위를 포함한다. 햇 보강재는 전단력을 처리하기 위하여 최적화된 비교적 작은 경사면을 갖는 웹 부위를 포함할 수 있다. 햇 보강재는 박리력 또는 경계면 힘을 처리하기 위하여 최적화된 비교적 큰 경사면을 갖는 웹 부위를 포함할 수 있다. 햇 보강재는 이 햇 보강재의 길이를 따라 가변 폭을 갖는 햇 캡을 포함할 수 있다. 햇 보강재는 비교적 큰 경사를 갖는 웹 부위로부터 비교적 작은 경사를 갖는 웹 부위로 천이하는 천이 웹 부위를 더 포함할 수 있다. 여기에 개시된 개념은 한 조각의 햇 보강재를 생성하게 하고, 이는 다른 하중 조건에 대하여 구조적인 성능 및 효율을 개선하기 위하여 국부적으로 최적화될 수 있다.

Description

복합재 햇 보강재{Composite hat stiffener}

복합재 항공기 구조물은 상업용 항공기 산업에 대하여 많은 이점을 제공한다. 복합재 기체(airframe)는 알루미늄과 같은 재료로 제작된 기체보다 더 가볍고 및/또는 더 강할 수 있다. 복합재 항공기 외피(skin)는 경량이고 또 유연하게 설계될 수 있다. 다른 항공기 설계와 같이, 복합재 항공기 구조물은 항공기가 운항하는 동안에 다양한 힘을 받게 된다. 항공기의 구조적인 완전성을 유지하기 위하여 이러한 운항 중의 힘을 흡수 및 분배하도록 복합재 항공기 구조물에 대한 전략적인 위치에서 보강기구(mechanism)가 통상적으로 사용된다.

보강기구의 한 타입은 보강재(stiffener)이다. 보강재는 외피에 인가된 힘을 항공기의 동체 부위의 프레임으로 또 리브(rib)로, 항공기의 날개부위의 스파(spar), 및 격벽(bulkhead)구조물 상의 비임으로 전달한다. 보강재는 많은 항공기 적용예를 위하여 복합재 구조물에 비틀림 강성, 굽힘 강성 및 좌굴 저항을 제공할 수 있다. 보강재는 외피의 두께 감소를 허용할 수 있는 한편, 항공기의 안전 운항을 위해 필요한 소정 레벨의 강도 및 강성을 제공한다.

통상적인 보강재 디자인은 제조자별로 또 항공기별로 다르다. 복합재 항공기에서, 보강재 디자인은 개방 또는 폐쇄될 수 있는 모자형상의 햇 보강재(hat stiffener ) 형태를 취할 수 있다. 다른 보강재 디자인은 "I"보강재 또는 "J"보강재를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 항공기의 구조적인 완전성을 유지하기 위하여, 보강재는 일반적으로 상술된 힘을 감당하도록 설계된다. 통상적인 보강재 디자인 및 제조 상의 제약은 종종 어떤 하중 조건에 대하여 최적 이하의 성능을 또 다른 조건에 대하여 잠재적인 과잉 설계로 이어진다. 예컨대, 전통적인 햇 보강재는 종종 일정한 햇 웹 각도(hat web angle)를 갖는다. 수직에 가까운 햇 보강재 웹은 경계면 하중의 전달을 위해 더 좋지만 전단 지체력(shear lag force)으로부터 얻어지는 비틀림 문제를 완화하는 것을 도울 수 있는 스트링거-단부 이음부재에 의해 보강이 필요할 수 있다. 덜 가파른 핵 웹 각도를 갖는 햇 보강재는 보다 효율적으로 전단 지체를 처리하지만, 반경 필러(filler) 또는 각도 이음부재로써 박리(pull-off)경계면에서 보강이 필요할 수 있다.

이들 및 다른 고려사항에 대하여 여기에 주어진 개시내용이 제시된다.

본 요약은 이하의 상세한 설명에 추가로 기재된 간략화된 형태로 개념 선택을 도입하기 위하여 제공된다. 본 요약은 특허청구된 주제의 범위를 한정하려는 것은 아니다.

본 개시의 하나의 관점에 따르면, 햇 보강재가 제공된다. 햇 보강재는 햇 캡 길이를 갖는 햇 캡(hat cap)과, 햇 캡 길이를 따른 하나 이상의 햇 플랜지 및 햇 웹(hat web)을 포함할 수 있다. 햇 웹은 햇 캡 길이를 따른 제1경사면과 햇 캡 길이를 따른 제2경사면을 포함할 수 있다. 제2경사는 제1경사보다 더 클 수 있다.

다른 관점에 따르면, 복합재 구조물이 제공된다. 복합재 구조물은 복합재 외피와 이 복합재 외피에 부착된 하나 이상의 햇 보강재를 포함할 수 있다. 하나 이상의 햇 보강재는 햇 캡 길이를 갖는 햇 캡과, 햇 캡 길이를 따른 하나 이상의 햇 플랜지 및 햇 웹을 포함할 수 있다. 햇 웹은 햇 캡 길이를 따른 제1경사면과 햇 캡 길이를 따른 제2경사면을 포함할 수 있다. 제2경사면은 제1경사면보다 더 클 수 있다.

또 다른 관점에 따르면, 햇 보강재를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 햇 캡 길이를 따른 제1햇 웹 경사면과 햇 캡 길이를 따른 제2햇 웹 경사면을 갖는 맨드릴을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 제2햇 웹 경사면은 제1햇 웹 경사면보다 더 클 수 있다. 방법은 복합재 재료를 제공하고, 맨드릴에 복합재 재료를 배치하며, 복합재 재료를 경화하고, 및 국부적으로 최적화된 햇 웹 경사면을 갖는 햇 보강재를 제공하기 위하여 복합재 재료를 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.

여기서 논의된 특징, 기능 및 이점은 본 개시의 다양한 실시예에서 독립적으로 이루어질 수 있거나 또는 또 다른 실시예에 조합될 수 있으며, 이들의 추가적인 상세 내용은 이하의 설명 및 도면을 참조하여 알 수 있다.

도 1은 종래의 복합재 동체 구조물의 일부의 사시도이다.
도 2는 종래의 햇 보강재를 사용한 종래의 복합재 동체 구조물의 단면도이다.
도 3은 본 발명 실시예에 따른 국부적으로 최적화된 햇 보강재를 사용한 복합재 동체 구조물의 단면도이다.
도 4는 본 발명 실시예에 따른 햇 보강재의 사시도이다.
도 5는 본 발명 실시예에 따른 대체 햇 보강재의 사시도이다.
도 6은 본 발명 실시예에 따른 대체 햇 보강재의 사시도이다.
도 7은 본 발명 실시예에 따른 햇 보강재를 형성하기 위하여 사용될 수 있는 맨드릴의 사시도이다.
도 8은 본 발명 실시예에 따른 가변 플랜지 길이를 갖는 햇 보강재의 사시도이다.
도 9는 본 발명 실시예에 따른 가변 햇 높이를 갖는 복합재 동체 구조물의 단면도이다.
도 10은 본 발명 실시예에 따른 국부적으로 최적화된 복합재 햇 보강재를 형성하기 위한 예시적인 방법이다.
도 11은 본 발명 실시예에 따른 국부적으로 최적화된 복합재 햇 보강재를 형성하기 위한 예시적인 방법이다.

이하의 상세한 설명은 햇 보강재의 햇 캡 길이를 따라 가변적인 햇 웹 경사면을 통합하는 햇 보강재에 대한 것이다. 가변적인 햇 웹 경사면의 통합은 박리 경계면에 거의 수직으로 경사진 햇 웹을 갖는 햇 보강재를 제공할 수 있다. 가변적인 햇 웹 경사면은 말단부(termination), 또는 돌출부(run-out)에서, 보강재의 단부에서, 또는 수직 웹이 필요하지 않은 영역에 보다 점진적으로 경사진 햇 웹을 또한 제공할 수 있다. 몇몇 구성에서, 거의 수직인 햇 웹 경사면은, 햇의 플랜지에 인가된 경계 하중과 이러한 면외(out of plane) 하중을 주변 구조물로 이송하기 위하여 햇 웹에의해 제공된 하중경로 사이의 옵셋(offset)을 감소할 수 있다. 옵셋의 감소는 경계면에서 유발된 반경 굽힘(radius bending)을 감소할 수 있다. 그 결과, 층간 인장하중은 박리 경계면에서 감소될 수 있다.

돌출부에서 보다 점진적으로 경사진 웹은 보강재 마감 이전에, 보강재의 캡으로부터 외피까지, 면내(inplane) 전단에 대한 하중경로를 제공할 수 있다. 면내 전단에 대한 하중경로를 제공하는 것은, 생성되는 전단 지체의 양을 감소시킬 수 있고, 가능하게는 보강재 돌출부에서 반경 굽힘 및 층간 인장파괴(interlaminar tension failure)로 이어진다. 맨드릴 기하구조는 여기에 기재된 다양한 관점에 따른 보강재를 제조하기 위하여 변할 수 있다.

햇 보강재를 형성하는 복합재 플라이는 전통적인 햇 보강재와 동일한 방식으로 레이업되고 맨드릴 공구내에 포위되며, 배깅되고(bagged) 또 경화된다. 그러면 보강재는 격벽 또는 외피에 체결, 접합 또는 공동 접합될 수 있다. 몇몇 구성에서, 더 이상의 추가적인 부품들이 필요하지 않을 수 있고, 가능하게는 추가적인 돌출부 , 또는 박리 경계면 이음부재/반경 필러를 부착하기 위한 필요성을 감소 또는 제거함으로써 부품 수, 조립시간 및 분석노력을 감소한다.

이하의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하고, 또 특정한 실시예 또는 예를 설명함으로써 도시된 첨부도면을 참조한다. 이제 도면을 참조하면, 몇몇 도면을 통하여 같은 참조번호는 같은 부재를 나타내고, 가변적인 햇 각도를 통합하는 햇 보강재의 관점과 다른 관점이 제시된다.

이제 도 1을 참조하면, 종래 기술, 통상적인 복합재 동체 구조물(100)의 일부가 도시된다. 동체 구조물(100)은 외피(102)를 포함할 수 있다. 외피(102)는 플라이의 몇개 층으로 형성된 복합재 매트릭스(matrix)이다. 플라이는, 경화되면, 외피(102)를 형성하는 몇 개 층의 재료를 포함할 수 있다. 외피(102)의 아랫면에 부착된 햇 보강재(104)는 외피(102)에 구조적인 지지를 제공한다. 복합재 매트릭스로 구성된 외피(102)와 복합재 매트릭스로 구성될 수도 있는 햇 보강재(104)의 조합은 비교적 경량이면서 구조적으로 튼튼할 수 있는 동체 구조물(100)을 제공할 수 있다.

도 2는 햇 보강재(104A)로 도시된 햇 보강재(104)중의 하나의 단면도이다. 햇 보강재(104A)는 함께 외피(102)에 구조적인 지지를 제공하는 역할을 하는 다양한 구성부품으로부터 형성된다. 구성부품은 햇 캡(206)과, 햇 웹(208A, 208B) 및 햇 플랜지(210A, 210B)를 포함한다. 몇몇 구성에서, 햇 캡(206)은 항공기(도시 안 됨)의 프레임에 연결된다. 햇 캡(206)은 보강재(104A)에 굽힘 강성을 제공할 수 있다. 햇 웹(208A, 208B)은 외피(102)로부터 햇 캡(206)을 옵셋시킬 수 있고, 굽힙강성에 대한 햇 웹(208A, 208B)의 기여도를 증가할 수 있다. 또한, 햇 웹(208A, 208B)은 면외 전단저항을 제공할 수도 있고, 햇 보강재(104A)가 주변 구조물로 하중을 전달하게 한다. 몇몇 구성에서, 햇 캡(206)은 면내 전단(inplane shear)을 흡수할 수도 있다. 햇 웹(208A, 208B)은 외피(102)와 햇 캡(206) 및 햇 캡(206)과 외피(102)사이의 면내 전단을 전달하는 하중경로를 제공할 수 있다.

다른 구성에서, 햇 캡(206)은 외피(도시 안 됨)의 제2층과 같은, 다른 복합재 구조물에 연결될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 프레임은 천공되고 또 플랜지 내부로의 햇 체결부위에 걸쳐질 수 있거나, 또는 외피의 외부 측면에 비임이 장착되어 부착된 플랜지를 통해 체결됨으로써 햇에 부착될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 햇 캡(206)은 부착될 수 있지만, 그러나 이는 햇의 캡에 부착된 것을 검사하기 어렵기 때문에 일반적으로 부착되지 않는다.

햇 웹(208A, 208B)은 햇 캡(206)과 햇 플랜지(210A, 210B)사이에 지지 구조물을 형성한다. 햇 플랜지(210A, 210B)는 햇 보강재(104A)의 한쪽 측면을 외피(102)와 같은 항공기의 부위에 연결한다. 햇 플랜지(210A, 210B)는 외피(102)와 일체로 형성될 수 있고, 또는 접착제(212) 또는 다른 접합 또는 부착기술의 사용을 통해 외피(102)에 부착될 수 있다.

햇 캡(206)의 길이(R)와 관련하여 플랜지(210A)와 플랜지(210B)의 내부표면 사이의 간격(Q)은 보강재 웹 각도(α)를 제공한다. 보강재 웹 각도(α)는 하중분산을 위하여 외피(102)로부터 햇 캡(206)으로 또 항공기의 다른 구조물로 어떻게 힘이 전달되는지에 영향을 줄 수 있다. 햇 캡(206)은 햇 웹(208)으로부터 힘을 전달하는, 그리고 웹 플랜지(210)로부터 힘을 전달하는 힘 전달기구로서 역할을 한다. 햇 보강재(104A)는 다수의 벡터로된 다양한 힘을 받을 수 있다.

예컨대, 햇 보강재(104A)는 도 2에 표시된 방향을 갖는 하중 힘인, 박리력(C)을 받을 수 있다. 하나의 구성에서, 박리력(C)에 대한 원하는 전달 경로는 햇 보강재(104A)를 통해 또 다른 다양한 구조물을 통해 외피(102)로부터이고, 항공기의 프레임에서 끝난다. 햇 보강재(104A)는 또한 전단력(S)을 받을 수 있는데, 이는 박리력(C)에 일반적으로 수직으로 작용하는 힘이다. 이러한 전단력(S)은 외피(102)와 햇 플랜지(210A, 210B)에서의 전단으로 인한 햇 캡(206)에서의 반작용일 수 있다. 이러한 반작용때문에, 햇 캡(206)상에 존재하는 전단력(S)은 외피(102)에 존재하는 전단력(S)에 대하여 반대방향 벡터(외피(102)상의 힘 벡터을 매개로 2개의 사선으로표시된)을 갖는다. 이러한 전단은 햇 캡(206)에서 생성될 수 있고, 또 전단 지체(shear lag)로 불리며, 또 햇 보강재(104A)의 단부에서 작용하게 된다. 햇 보강재(104A)의 단부에서, 햇 캡(206)은 토오크를 받을 수 있고, 따라서 전체 전단력(S)이 햇 캡(206)으로부터 외피(102)로 되돌려 이동될 것이 요구되어, 이하에서 상세히 논의되는 반경 굽힘(radius bending) 문제를 야기한다. 하나의 구성에서, 전단력(S)에 대한 바람직한 전달경로는 외피(012)로부터 햇 플랜지(210A)로, 햇 웹(208), 햇 캡(206)을 매개로 햇 플랜지(210B)로 되돌려지고 또 외피(102)상으로 되돌려질 수 있다.

전단력(S)과 비교하여 박리력(C)의 크기는, 항공기에서 햇 보강재(104A)의 위치, 또는 특별한 햇 보강재의 길이를 따른 위치뿐만 아니라, 변하는 방향, 증가하는 고도 또는 감소하는 고도, 객실 압력의 적용 뿐 만 아니라 다른 인자와 같은 항공기의 특별한 작동에 따라 변할 수 있다. 웹 각도(α)는 여러 힘을 전달할 때, 햇 보강재(104A)가 어떻게 잘 이행할 지에 영향을 준다. 예컨대, 비교적 큰 햇 웹 경사면으로 해석되는 작은 웹 각도(α)는 전단력(S)을 잘 전달하지 않지만 박리력(C)은 양호하게 전달할 수 있다. 그러나 동일한 방식으로 비교적 작은 웹 각도(α)로는, 햇 보강재(104A)의 반경(214)에서 전단력(S)을 지탱하는 햇 보강재(104A)의 능력은 최적 이하일 수 있다. 이는 반경 굽힘에 의해 야기된 반경(214)에서 층간 인장파괴로 이어질 수 있고, 햇 보강재(104A)의 구조적인 파손이 될 수 있다.

종래의 햇 보강재는, 이 햇 보강재 상에 작용하는 힘을 보상하기 위하여 추가적인 구성부품을 사용할 수 있는데, 여기에 기재된 주제의 다양한 구성은 햇 보강재에서 다른 햇 웹 경사면을 사용한다. 여기에 사용된 바와 같이, 햇 웹 경사면은 햇 웹과 햇 플랜지의 교차점에서 시작하여 햇 웹과 햇 캡의 교차점에서 끝나는 라인의 구배(gradient)이다. 햇 웹 경사면은 햇 웹 각도의 용어로 여기에 기재될 수 있지만, 다른 햇 웹 경사면에 상대적인 용어로 기재될 수도 있다. 햇 보강재의 특별한 위치에서 햇 웹 경사면은 특별한 위치에서 햇 보강재의 성능 요구조건에 기초하여 구성될 수 있다. 여기에 기재된 햇 보강재의 경사면, 각도 및 일반적인 형상은 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 개시는 경사면이 그 속성상 상대적이기 때문에, 경사정도의 임의의 특정한 측정에 한정되지 않는다. 용어 "더 큰" 및 "더 작은"의 사용은 상대적인 용어이다.

이제 도 3을 참조하면, 변하는 웹 경사면을 제공하기 위하여 변하는 웹 각도를 갖는 예시적인 햇 보강재(304)의 단면도가 도시된다. 햇 보강재(304)는 이하의 도 4-6에서 추가로 상세히 기재된, 자신의 길이를 따른 한 위치에서 웹 각도(α)와 자신의 길이를 따른 다른 위치에서 웹 각도(α')를 갖는다. 웹 각도(α)는 제1햇 웹 경사면을 제공할 수 있는 한편, 웹 각도(α')는 제2햇 웹 경사면을 제공할 수 있다. 지금 개시된 주제의 구현예는 2개 이상의 햇 웹 경사면을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1햇 웹 경사면의 각도는 제2햇 웹 경사면의 각도보다 더 작다. 위에서 논의된 바와 같이, 웹 각도(α)와 같은 비교적 큰 웹 각도는, 웹 각도(α')와 같은 비교적 더 작은 웹 각도보다 햇 플랜지(310A, 310B)와 햇 캡(306)사이의 전단력(S)을 햇 웹(308A, 308B)을 매개하여 더 잘 전달할 수 있다.

전단력(S)보다 더 큰 정도로 박리력(C)을 감당하는 것이 바람직한 햇 보강재(304)의 부위에서, 햇 보강재(304)는 제2햇 웹 경사면을 제공하는 웹 각도(α')를 갖는다. 이러한 구성에서, 박리력(C)은 이하의 도 4에서 더욱 상세히 기재된, 햇 플랜지(310A', 310B')로부터 햇 웹(308A', 308B')으로 효과적으로 전달될 수 있고, 햇 웹(308A', 308B')은 항공기의 다른 구조적인 구성부품으로 하중을 전달할 수 있다. 반경(310A)와 비교할 때, 반경(314B)은 박리력(C)을 더 잘 지탱할 수 있는데, 왜냐하면 더 작은 웹 각도(α')는 반경(314B)에 더 작은 모멘트가 인가되게 하기 때문에, 증가한 반경 굽힘 및 층간 인장을 유발한다.

박리력(C)보다 더 큰 정도로 전단력(S)을 감당하는 것이 바람직한 햇 보강재(304)의 부위에서, 햇 보강재(304)는 제2햇 웹 경사면을 제공하는 웹 각도(α)를 갖고, 이는 웹 각도(α')에 위해 제공된 햇 웹 경사면의 각도보다 더 작은 햇 웹 경사면의 각도를 가질 수 있다. 이러한 구성에서, 전단력(S)은 햇 웹(308A, 308B)을 매개하여 외피(102)와 햇 캡(306)사이에서 효과적으로 전달될 수 있다. 더 큰 웹 각도(α')가 반경(314A)에 더 작은 모멘트가 인가되게 하기 때문에, 반경(314A)은 반경(314B)보다 전단력(S)을 더 잘 지탱할 수 있고, 따라서 전단력(S)의 경우에 반경(314B)와 비교할 때 반경 굽힘 및 층간 인장을 감소한다.

햇 보강재(304)는 종래의 부착수단을 사용하여 외피(102)에 부착될 수 있다. 예컨대, 햇 보강재(304)는 접착제(210)의 사용을 통해 외피(102)에 부착될 수 있다 . 여기에 기재된 다양한 구성부품을 형성하기 위하여 사용된 재료에 따라, 체결, 접합, 상호접합, 상호 경화, 용접 및 리벳팅을 포함하는 다른 부착수단이 사용될 수 있다. 본 개시는 햇 보강재(304)를 외피(102)에 부착하기 위하여 임의의 특별한 기술에 한정되지 않는다. 여기에 기재된 개념에 따라 구성된 햇 보강재를 포함하는 다른 햇 보강재는, 항공기에 사용하기 위한 복합재 구조물의 일부를 형성하기 위하여 외피(102)에 부착될 수 있다.

변하는 웹 각도는 변하는 내부 폭을 제공할 수도 있다. 도 3에서, 제1내부 폭(W)은 웹 각도(α)에 대응한다. 또한 도시된 것은 웹 각도(α')에 대응하는 제2내부 폭(W')이다. 햇 보강재(304)의 다양한 구성부품은 수정되기 때문에, 다양한 위치에서 햇 보강재(304)의 내부 폭은 제1내부 폭(W)으로부터 제2내부 폭(W')까지 변할 수 있다. 제1내부 폭(W)과 제2내부 폭(W')은 햇 플랜지(310A, 310B)의 베이스에 가까운 위치에서 측정된 것으로 도시되고, 그러나 제1내부 폭(W)과 제2내부 폭(W')은 햇 보강재를 따른 다양한 위치에서 측정될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 햇 보강재(304)의 내부 폭은 웹 각도에서 직접적인 변화 이외의 방식으로 변할 수 있다.

도 4는 햇 보강재(404)의 길이를 따라 복수의 햇 웹 경사면을 갖는 햇 보강재(404)를 도시한다. 도 4의 햇 보강재(404)는 햇 캡(406)과, 햇 웹(408) 및 햇 플랜지(410)을 갖는다. 햇 웹(408)은 햇 보강재(404)의 햇 캡 길이(XY)를 따라 다양한 경사면을 갖는다. 이하에서 더욱 상세하게 기재된 다양한 경사면은 햇 보강재(404)가 더욱 효과적으로 하중을 전달하는 것을 도울 수 있다. 예컨대, 높은 전단력(S)의 영역에서, 햇 웹(408)의 경사는 햇 보강재(404)의 반경에서 경험되는 모멘트의 양을 감소시키기 위하여 비교적 작을 수 있다. 다른 예에서, 높은 박리력(C)영역에서, 햇 웹(408)의 경사는 박리력(C)을 더 잘 전달하기 위하여 비교적 더 클 수 있다.

햇 보강재(404)의 제1햇 웹 경사면은 웹 플랜지(310A, 310B)을 갖춘 웹 영역(420)이다. 웹 영역(420)은 도 3의 웹 각도(α)에 의해 제공된 햇 웹과 유사하게, 비교적 더 작은 햇 웹 경사면의 각도를 갖는 것으로 도시된다. 상술한 바와 같이, 웹 각도(α')와 비교할 때보다 웹 각도(α)는 더 작은 경사를 제공하기 때문에, 그러한 웹 각도를 갖는 햇 보강재(404)의 부위는 웹 각도(α')에 의해 제공된 경사를 갖는 햇 보강재보다 더 효과적으로 전단력(S)을 처리하도록 구성된다. 전단력(S)을 처리하는 능력은 박리력(C)과 비교하여, 더 큰 정도의 전단력(S)에 의해 영향을 받는 위치에서 유용할 수 있다. 예컨대, 햇 보강재 부위(426)는, 전단력(S)이 박리력(C)보다 더 큰 힘으로 기여하는 영역에서 더욱 효율적일 수 있다.

몇몇 위치에서, 브래킷 부착시의 인장/박리 하중과 같은 햇 보강재(404)에 적용된 면외 하중이 있을 수 있다. 예컨대, 햇 보강재 부위(428)는 패널의 다른 쪽에 비임이 부착되거나, 브래킷이 부착되는 등의 항공기의 부위일 수 있고, 이는 별개의 경계면 하중의 적용을 유발할 수 있다. 이러한 구성에서, 햇 보강재 부위(428)는 햇 플랜지(310A', 310B')를 갖는 햇 웹 각도(α')에 의해 제공된 경사면을 가질 수 있다. 이러한 구성에서, 햇 보강재(404)는 전단력(S)보다 경계면 박리력(C)의 효과를 처리하도록 더 잘 구성될 수 있다.

햇 보강재(404)는 햇 웹 영역(420)과 햇 웹 영역(422) 사이에, 천이영역인 햇 웹 영역(424)을 또한 가질 수 있다. 햇 웹 영역(424)은, 햇 웹 영역(420)의 더 작은 경사면으로부터 햇 웹 영역(422)의 더 큰 경사면까지 천이하도록 자신의 길이를 따라 변하는 각도의 천이 경사면을 갖는 웹을 가질 수 있다. 비록 본 개시는 임의의 특별한 이점에 한정되지 않지만, 햇 웹 영역(420)의 더 작은 경사면으로부터 햇 웹 영역(422)의 더 큰 경사면까지의 천이는 날카로운 각도를 감소함으로써 햇 보강재(404)의 구조적인 완전성을 증가하는 것을 도울 수 있다.

예컨대, 복합재 재료를 사용하여 제조될 때, 하나의 표면으로부터 다른 표면으로 각도에서의 급격한 천이는 특히 2개 표면 사이의 굽힘부에서 응력 집중 및 층간 응력으로 이어질 수 있다. 햇 웹 영역(424)을 제공하는 것은 적절하게 수행하기 위하여 필요한 구조적인 강성을 여전히 제공하면서 천이의 효과를 감소할 수 있다. 본 개시는 몇몇 햇 보강재가 도 5에 예로써 도시된 소수의 햇 보강재 부위를 갖고 제조되기 때문에, 임의의 특별한 관련 햇 보강재 부위에 한정되지 않음이 이해되어야 한다.

도 5는 도 4의 햇 보강재(404)보다 더 작은 웹 경사면 및 햇 캡(406)에 대하여 이러한 폭을 갖는 햇 보강재(504)의 사시도이다. 햇 보강재(504)는 햇 웹 영역(520A)을 갖는다. 햇 웹 영역(520A)은 도 4의 햇 웹 영역(420)과 유사하게, 비교적 더 작은 경사를 갖는다. 햇 웹 영역(520A)은, 위치(532)에 큰 경사를 제공하는 햇 웹 영역(524A)을 매개로 더 작은 경사면으로부터 더 큰 경사면으로 천이한다. 따라서 위치(532)에서 햇 보강재의 경사는 햇 웹 영역(520A)에서의 경사보다 더 크다. 햇 보강재(504)의 프로파일은 햇 웹 영역(524A)으로부터 햇 웹 영역(524B)까지 계속하고, 이는 위치(532)에서 큰 경사면으로부터 햇 웹 영역(524B)가지의 천이이다. 햇 웹 영역(524B)은 햇 웹 영역(524A)과 유사한 경사를 가질 수 있다.

햇 웹 영역(524A, 524B)과 같은 천이 부위는 특별한 형상을 갖지 않을 수 있음을 주목해야 한다. 예컨대, 도 4의 햇 웹 영역(424)과 도 5의 햇 웹 영역(524A, 524B)은 일반적으로 오목한 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 다른 구성은 볼록한 형상을 제공할 수 있다. 또한, 다양한 구성은 가변 햇 캡 사이즈를 제공할 수 있고, 그 예가 도 6에 도시된다.

도 6에서, 햇 보강재(604)는 햇 웹 영역(620A)과 햇 웹 영역(620B)을 갖고, 이들 모두는 도 5의 햇 웹 영역(520A, 520B)과 유사한 경사면을 가질 수 있다. 여기서 논의된 몇몇 구성에서와 같이, 전단 하중(S)보다 박리력(C)을 처리하도록 최적화된 웹 각도를 갖는 햇 보강재를 갖춘 것이 바람직할 수 있다. 그러한 구성에서 , 햇 보강재(604)는 햇 웹 영역(624A)과 햇 웹 영역(624B)을 갖고, 이는 햇 웹 영역(620A, 620B)으로부터 위치(632)에서 발견되는 경사면까지 경사가 변화하며, 이는 햇 웹 영역(620A, 620B)보다 더 큰 경사를 가질 수 있다.

도 6에서, 햇 웹 영역(624A, 624B)은 도 4와 5에서 발견될 수 있는 볼록한 천이와는 다른 방식으로, 볼록한 구성을 매개하여 더 큰 경사로 천이한다. 도 6의 구성에서, 볼록한 천이는 자신의 길이를 따라 가변 사이즈를 갖는 햇 캡(606)을 제공한다. 예컨대, 햇 캡(606)은 햇 캡의 단부 가까이에 폭(A)을 갖는 부위(634)를 가질 수 있는 한편, 햇 캡(606)은 위치(632) 가까이에 폭(A+B)을 갖는 부위(636)를 가질 수 있다. 비록 임의의 특별한 이점에 한정되지 않지만, 위치(634)보다 더 큰 폭을 갖는 위치(636)는 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 예컨대, 위치(636)는 특별한 하중을 지탱하기 위하여 필요한 추가 표면적을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 위치(636)는 전단력(S)을 처리하기에 최적화된 햇 보강재(604)로부터 박리력(C)을처리하기에 최적화된 햇 보강재(604)까지 더 나은 천이를 제공할 수 있다.

도 7은 여기에 기재된 다양한 실시예에 따른 햇 보강재를 형성하기 위하여 사용될 수 있는 맨드릴(700)을 도시한다. 맨드릴(700)은 하나 이상의 층의 복합재 재료(702)를 수납하도록 형성될 수 있다. 복합재 재료(702)는 다양한 타입의 재료로부터 만들어진 적층체(laminate)일 수 있다. 여기에 기재된 개념은 임의의 특별한 적층체에 한정되지 않는다.

도 7에 도시된 바와 같이, 맨드릴(700)은 여기에 기재된 다양한 구성에 다른 햇 보강재를 형성하기 위하여 사용될 때, 다양한 경사면을 갖는 햇 보강재를 형성하는 다양한 경사를 갖는다. 맨드릴(700)은 도 4의 햇 웹 영역(420)과 같은, 더 작은 경사를 갖는 햇 보강재 부위를 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 맨드릴(700)은 영역(704)의 경사면으로부터 영역(708)의 경사면으로 햇 보강재의 경사를 증가하는 천이영역(706)을 가질 수도 있다. 복합재 재료(702)는 맨드릴(700)내에 위치될 수 있고 또 종래의 경화기술로 형성될 수 있다. 맨드릴(700)은 하나 이상의 조각으로 형성될 수 있거나 일체형 구조일 수 있고, 그 기술은 임의의 특별한 구성에 한정되지 않는다.

도 8은 다양한 폭을 갖는 플랜지를 갖춘 햇 보강재(804)를 도시한다. 몇몇 구현예에서, 비록 현재 개시한 주제가 임의의 특별한 이점 또는 장점에 한정되지 않지만, 가변적인 폭은 몇몇 기능성을 제공할 수 있다. 예컨대, 전단력(S) 또는 박리력(C)이 비교적 클 수 있는 위치에서, 더 넓은 햇 플랜지는 햇 보강재(804)가 외피(102)에 부착될 수 있는 추가적인 표면적을 제공할 수 있다.

하나의 예시적인 실시예를 설명하면, 햇 보강재(804)는 햇 플랜지(810)의 길이를 따라 가변 폭을 갖는 햇 플랜지(810)를 갖는다. 햇 플랜지(810)의 위치(840)에서, 햇 플랜지(810)는 폭(H)을 갖는다. 햇 플랜지(810)의 위치(842)에서, 햇 플랜지(810)는 폭(H+I)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 폭(H+I)은 폭(H)보다 더 넓다. 위치(844)에서, 햇 플랜지(810)는 폭(H)을 갖는다. 본 개시는 햇 플랜지(810)의 폭에 대한 임의의 특별한 크기에 한정되지 않음을 알아야 한다. 예컨대, 도 8에 도시된 구현예는 햇 보강재(804)의 말단부 가까이의 폭이 같은 폭 프로파일을 갖는 햇 플랜지(810)를 도시한다. 이들 및 다른 구성은 본 개시의 범위 내로 생각된다.

도 9는 가변적인 햇 높이를 갖는 햇 보강재(904)의 단면도이다. 햇 보강재(904)는 햇 캡(906)과, 햇 웹(908A, 908B) 및 햇 플랜지(910A, 910B)를 포함한다. 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이, 햇 보강재(904)의 햇 웹 경사면은 변화될 수 있다. 도 9에 도시된 구현예에서, 햇 캡의 높이는 가변적인 햇 웹 경사면을 수용하도록 수정된다. 햇 캡(906)과, 햇 웹(908A, 908B) 및 햇 플랜지(910A, 910B)에 의해 제공된 햇 웹 경사면은 햇 높이(L)를 제공한다. 일정한 햇 높이를 유지하는 대신에, 햇 높이는 증가 또는 감소할 수 있다. 예컨대, 햇 보강재(904)는 햇 캡(906')과, 햇 웹(908A', 908B') 및 햇 플랜지(910A', 910B')에 의해 제공된 햇 높이(L+G)를 갖고, 이는 햇 높이(L)를 제공는 햇 웹 경사면보다 더 큰 햇 웹 각도이다. 햇 보강재의 다른 구성부품은 변할 수 있다. 예컨대, 햇 웹(908A, 908B)과, 햇 캡(906) 및 햇 플랜지(910A, 910B)와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 햇 보강재(904) 또는 이의 구성부품의 두께는 변할 수 있다.

이제 도 10을 참조하면, 국부적으로 최적화된 햇 웹 경사면을 갖는 햇 보강재를 형성하기 위한 예시적인 공정(1000)이 여기에 제공된다. 달리 표시되지 않는한, 도면에 도시되고 또 여기에 기재된 것보다 더 적거나 많은 작동이 수행될 수 있음을 알아야 한다. 또한, 달리 표시되지 않는한, 이러한 작동은 여기에 기재된 것과는 다른 순서로 수행될 수도 있다.

공정(1000)은 맨드릴(700)이 제공되는 작동(1002)에서 시작한다. 국부적으로 최적화된 햇 웹 각도를 제공하기 위하여, 맨드릴(700)은 햇 웹에 대하여 가변적인 각도가 구비된다. 하나의 구성에서, 맨드릴(700)은 햇 보강재(404)가 바람직하게는 박리력(C)보다 전단력(S)을 더 효과적으로 처리하도록 구성된 영역에서 작은 경사를 갖는다. 다른 구성에서, 맨드릴(700)은 햇 보강재(404)가 바람직하게는 전단력(S)보다 박리력(C)을 더 효과적으로 처리하도록 구성된 영역에서 큰 웹 경사면을 갖는다.

공정(100)은 작동(1002)으로부터 작동(1004)으로 계속되고, 복합재 재료(702)가 맨드릴(700)에 위치된다. 상술한 바와같이, 복합재 재료(702)는 특별한 적용예에 따라, 다양한 재료로부터 형성된 매트릭스일 수 있다. 복합재 재료(702)는 하나의 작동으로 또는 순차적인 층으로 맨드릴(700)에 위치될 수 있고, 이들의 현재 기술은 임의의 특별한 구성에 한정되지 않는다. 복합재 재료(702)는 다양한 방식으로 맨드릴(700)에 배치 및 결합될 수 있다. 예컨대, 복합재 재료(702)는 맨드릴(700)에 맞는 블래더(도시 안 됨)를 사용하여 맨드릴(700)에 가압될 수 있다. 전체 조립체, 즉 맨드릴(700), 복합재 재료(702) 및 블래더는 배깅될 수 있고, 경화공정 동안에 복합재 재료(702)를 맨드릴(700)의 형상으로 만들기 위하여 조립체에 압력을 생성하도록 진공이 인가될 수 있다. 현재 개시된 주제는 맨드릴(700)에 복합재 재료(702)를 결합하는 특별한 수단에 한정되지 않는다.

공정(100)은 작동(1004)으로부터 작동(1006)으로 계속되고, 복합재 재료(702)가 경화된다. 여기에 기재된 개념 및 기술은 임의의 특별한 경화 공정에 한정되지 않는다. 몇몇 구성에서, 햇 웹 경사면 프로파일의 변화 때문에, 경화 공정 동안에 맨드릴(700)의 길이를 따라 맨드릴(700)의 온도 또는 압력을 변화시키는 것이 유리하거나 필요할 수 있다. 임의의 특별한 이유에 한정되지는 않으나, 변화하는 경사로 인하여 다른 영역보다 햇 보강재(404)의 몇몇 영역에 존재할 수 있는 추가적인 재료를 감당하기 위하여 온도 또는 압력이 변할 수 있다. 그러나, 현재 개시된 주제는 경화에 대한 임의의 특별한 온도 또는 압력에 한정되지는 않는다.

공정(100)은 작동(1006)으로부터 작동(1008)으로 계속되고, 경화된 햇 보강재가 맨드릴(700)로부터 제거된다. 몇몇 구성에서, 햇 보강재는 햇 웹에 대응하는 맨드릴(700)에서의 다양한 각도에 의해 형성된 국부적으로 최적화된 햇 웹 경사면을 포함한다. 본 기술은 임의의 특별한 제거공정에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 또한, 제거 공정의 일부로서, 막 경화된 복합재 재료(702)의 몇몇 재료는 요구된 디자인 구성에 따른 햇 보강재를 형성하기 위하여 제거될 수 있다. 그 후에 공정(1000)은 끝난다.

도 11은 다양한 실시예에 따라, 햇 보강재를 사용하기 위한 예시적인 공정이다. 공정(1100)은 시작하여 작동(1102)으로 진행하고, 국부적으로 최적화된 햇 보강재에서 작용력이 수용된다. 상술한 바와 같이, 국부적으로 최적화된 햇 보강재는 특정한 기능들을 수행할 수 있다. 제1기능은 외피에 인가된 하중을 찾고, 하중을 수집하며 또 그다음 그러한 하중을 이 하중을 처리할 수 있는 다른 더 튼튼한 구조물로 또는 내부로 전달하는 것일 수 있다. 하중은, 압력 하중 또는 어떤 국부적으로 적용 또는 분배된 하중을 포함하는, 그러나 이에 한정되지 않는, 다양한 작동력에 기인하는 것일 수 있다. 인가된 하중 위치, 또는 다른 구조물과의 경계면은 상당한 양의 박리 하중을 발달시키는 위치일 수 있다. 제2기능은 외피를 안정화하는 것일 수 있다. 본 개시의 국부적으로 최적화된 햇 보강재는 외면 강성을 공급함으로써 이를 행할 수 있고, 이에 따라 패널의 좌굴 또는 파손의 가능성을 감소한다.

국부적으로 최적화된 햇 보강재의 다양한 구성은 넓은 영역(footprint)을 가질 수 있고, 이는 비교적 넓은 영역이 패널을 안정화하기 위한 효과적인 기구일 수 있다. 비틀림 강성 및 전단 강성은 또한 패널을 안정화하는 것을 도울 수 있다. 가압화 동안에, 햇 보강재는 일반적으로 압력하중을 취하고 또 이를 주변 구조물로 재분배할 수 있다. 이륙/착륙 동작 동안에, 동체 또 구조물의 격벽은 하중을 받을 수 있다. 동체의 다른 영역은 다른 하중계획에 대하여 상승된 전단하중을 보일 수 있다.

공정(1100)은 작동(1102)으로부터 작동(1104)으로 진행하고, 국부적으로 최적화된 햇 보강재는 적어도 작용력의 일부를 흡수(또는 수집)한다. 작동력은 하나 이상의 국부적으로 최적화된 햇 보강재에 의해 흡수될 수 있다. 국부적인 최적화로 인해, 여기에 기재된 다양한 구성에 따른 햇 보강재는 햇 보강재의 길이를 다른 다양한 위치에서 작용력을 흡수할 수 있다. 예컨대, 한 타입의 작용력에 대하여 최적화된 햇 보강재 상의 위치는 상당한 양의 작용력을 흡수할 수 없는 반면, 작용력에 대하여 최적화된 햇 보강재 상의 위치는 상당한 양의 작용력을 흡수할 수 있다.

공정(1100)은 작동(1104)으로부터 작동(1106)으로 진행하고, 흡수된 작용력은 주변 구조물로 분배된다. 주변 구조물은, 항공기의 프레임, 다른 패널 등을 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않는다. 그후 공정(1100)은 끝난다.

본 개시의 한 관점에 따르면, 복합재 외피;와 복합재 외피에 부착된 복수의 햇 보강재(104)를 포함하는 복합재 구조물이 제공되고, 복수의 햇 보강재는 햇 캡(206)길이를 갖는 햇 캡(206)과, 햇 캡(206) 길이를 따른 복수의 햇 플랜지(210A, 210B) 및, 햇 캡(206) 길이를 따른 제1경사면과 햇 캡(206) 길이를 따른 제2경사면을 포함하는 햇 웹(208A, 208B)을 포함하고, 제2경사는 제1경사보다 더 크다.

유리하게는, 제1경사면은 전단력을 위하여 구성된다. 유리하게는, 제2경사면은 박리력을 위하여 구성된다. 유리하게는, 햇 웹(208A, 208B)은 천이 경사면을 포함한다. 유리하게는 천이 경사면은 제1경사로부터 제2경사로 천이를 제공한다. 유리하게는, 햇 웹(208A, 208B)은 제3경사면을 포함한다. 유리하게는 햇 보강재의 높이는 햇 보강재의 길이를 따라 변한다. 유리하게는 햇 캡(206)의 폭은 햇 캡(206)의 길이를 따라 변한다. 유리하게는 복수의 햇 보강재의 적어도 일부는 제1내부 폭과 제2내부 폭을 더 포함한다.

상술된 주제는 단지 예로써 제공된 것이고 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 도시되고 또 기재된 실시예 및 적용예를 따르지 않고, 또 후속하는 특허청구범위에 제시된 실시예, 본 개시의 진정한 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이, 여기에 기재된 주제에 대하여 다양한 수정 및 변경이 만들어질 수 있다.

Claims

햇 캡 길이(XY)를 따라 연장되는 햇 캡(206);
상기 햇 캡 길이(XY)를 따라 연장되는 복수의 햇 플랜지(210A, 210B); 및
상기 햇 캡(206)과 상기 햇 플랜지(210A, 210B)를 연결하도록 상기 햇 캡 길이(XY)를 따라 연장되는 제1경사면과, 상기 햇 캡(206)과 상기 햇 플랜지(210A, 210B)를 연결하도록 상기 햇 캡 길이(XY)를 따라 연장되는 제2경사면을 구비하되, 상기 제1경사면 및 상기 제2경사면 각각은 상기 햇 캡(206)과 상기 햇 플랜지(210A, 210B) 사이의 각도를 갖고, 상기 제2경사면의 각도가 상기 제1경사면의 각도보다 더 큰, 햇 웹(208A, 208B); 을 포함하고,
상기 햇 캡(206)의 폭은 햇 캡 길이(XY)를 따라 변하며, 그리고
상기 제2경사면에 대응하는 햇 캡(206)의 폭은 상기 제1경사면에 대응하는 햇 캡(206)의 폭보다 더 큰, 햇 보강재.
제1항에 있어서,
상기 제1경사면은 전단력을 위하여 구성된 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
제1항에 있어서,
상기 제2경사면은 박리력을 위하여 구성된 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
제1항에 있어서,
상기 햇 웹(208A, 208B)은 천이 경사면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
제4항에 있어서,
상기 천이 경사면은 상기 제1경사면으로부터 상기 제2경사면으로 천이를 제공하는 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
제1항에 있어서,
상기 햇 웹(208A, 208B)은 제3경사면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
제6항에 있어서,
상기 제3경사면은 상기 제1경사면과 동일한 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
복합재 외피를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 햇 보강재.
제1항 내지 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 햇 보강재를 제조하는, 햇 보강재 제조방법으로서,
햇 캡 길이(XY)를 따라 연장되는 제1햇 웹(208A, 208B) 경사면에 의해 형성된 제1햇 웹(208A, 208B) 부위와 햇 캡 길이(XY)를 따라 연장되는 제2햇 웹(208A, 208B) 경사면에 의해 형성된 제2햇 웹(208A, 208B) 부위를 구비하되, 제2햇 웹(208A, 208B) 경사면의 각도가 제1햇 웹(208A, 208B) 경사면의 각도보다 더 큰, 맨드릴(700)을 제공하는 단계;
복합재 재료를 제공하는 단계;
상기 맨드릴에 상기 복합재 재료를 배치하는 단계;
상기 복합재 재료를 경화하는 단계; 및
햇 웹(208A, 208B) 경사면을 갖는 햇 보강재를 제공하기 위하여 상기 복합재 재료를 제거하는 단계; 를 포함하는 햇 보강재 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 햇 보강재를 형성하는 단계를 더 포함하는 햇 보강재 제조방법.