KR20120086326A

KR20120086326A - 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조

Info

Publication number: KR20120086326A
Application number: KR1020127013843A
Authority: KR
Inventors: 신스케 타케우치; 에이이치 사토
Original assignee: 도쿠리츠교우세이호우징 우츄우고우쿠우켄큐우카이하츠키코우
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-08-02
Also published as: CN102596723A; CN102596723B; EP2495171A4; US8763846B2; KR101718572B1; JP5729563B2; JPWO2011052714A1; US20120325832A1; EP2495171A1; WO2011052714A1

Abstract

복합재 부재와 상기 복합재 부재에 접합면 방식으로 접착된 금속 부재의 접합 구조가 제공된다. 상기 금속 부재는 상기 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 상기 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 구비한다.

Description

금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조 {JOINT STRUCTURE FOR METAL MEMBER AND COMPOSITE MEMBER}

본 발명은, 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 부재와 복합재 부재의 접착부를 가지는 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조에 관한 것이다.

일반적으로 금속 부재와 복합재 부재의 접착부에서는 그들의 특성, 예를 들면, 열팽창률?강성이 불연속적으로 변화하게 되기 때문에, 응력 집중이 발생하여 박리가 발생하기 쉬운 상황에 있다. 따라서, 금속 부재와 복합재 부재와의 박리와 그 진전은 금속 부재와 복합재 부재의 접착부를 포함하는 구조체의 파괴로 이어진다.

예를 들면, 복합재 탱크는 금속제 탱크에 비해 경량이며, 항공 우주 분야?자동차 등에서 현행의 금속제 탱크의 대체품으로서 기대되고 있다. 현행 기술로는 배관 등과의 접속부에는 금속제의 캡 이나 슬리브등의 보강기구로서 구금(口金)이 필요하며, 탱크 전부를 복합재로 제작하는 것은 불가능하여, 반드시 금속 부재와 복합재 부재의 접착부가 존재한다. 상기와 같이, 일반적으로 금속 부재와 복합재 부재의 접착부에서는 그들의 특성, 예를 들면, 열팽창률?강성이 불연속적으로 변화하게 되기 때문에, 응력 집중이 발생하여 박리가 발생하기 쉬운 상황에 있다. 탱크 전체의 강도는 복합재에서 가지고 있기 때문에, 금속 부재와 복합재 부재와의 박리와 그 진전은 탱크의 파괴로 이어진다.

특히 항공 우주 분야에서 극저온 추진제(액체 수소?액체 산소 등)의 탱크로서 사용한 경우, 극저온에서는 접착제의 인성이 크게 저하되기 때문에, 매우 박리의 발생?진전이 일어나기 쉬운 상황이 된다. 이 박리 방지를 위해, 탱크 개구부의 주위 부분이 금속제인 내각(內殼)과 복합재제의 외각(外殼)에 대하여, 개구부의 주위 부분에 내각과 외각을 서로 구속하는 고정 수단을 설치하는 기술이 제안되고 있다(특허 문헌 1).

한편 상온에서 사용하는 기축기나 자동차용의 연료 탱크이지만, 상온에서는 접착제의 인성이 비교적 높기 때문에, 현 상황의 크기?압력으로는 박리가 문제가 되는 상황이 아니다. 그러나 박리를 지배하는 지표(에너지 해방률)는 통상의 설계에 이용하고 있는 지표(강도)와 서로 달라, 압력의 2승에 비례하여 증가(강도 지표에서는 압력의 1승)하고, 크기의 1승에 비례하여 증가(강도 지표에서는 크기에 상관없음)하기 때문에, 앞으로 탱크가 고압화?대형화되었을 때에는 마찬가지로 금속 부재와 복합재 부재간의 박리가 문제가 될 것으로 예측된다.

또한, 금속 부재와 복합재 부재의 접착부를 가지는 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조는 인공 위성 구조체(body structure)에서의 복합재제의 스러스트 튜브와 상기 복합재제의 스러스트 튜브와 상면 패널 및 및/또는 하면 패널의 접합에 이용되는 금속제 브래킷과의 접합 구조, 로켓에서의 미익을 구성하는 복합재제의 표피판과 상기 복합재제의 표피판과 로켓 동체의 접합에 이용되는 로켓 동체에 접합된 취부 금구와의 접합 구조에서도 이용되고 있으며, 이들 접합 구조에서 상기와 마찬가지로 금속 부재와 복합재 부재간의 박리가 문제가 된다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-10036호 공보

따라서, 본 발명은 금속 부재와 복합재 부재의 접착부를 가지는 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조에서 금속 부재와 복합재 부재의 접착 박리를 방지하는 것, 예를 들면, 극저온 유체의 복합재 탱크, 고압화?대형화된 복합재 탱크 등에서 배관부 주변의 금속 부재와 복합재 부재의 접착 박리를 방지하는 것, 인공 위성 구조체에서 복합재제의 스러스트 튜브와 상기 복합재제의 스러스트 튜브와 상면 패널 및 하면 패널의 접합에 이용되는 금속제 브래킷의 접착 박리를 방지하는 것, 로켓에서 미익을 구성하는 복합재제의 표피판과 상기 복합재제의 표피판과 로켓 동체의 접합에 이용되는 로켓 동체에 접합된 취부 금구의 접착 박리를 방지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1의 양태는 복합재 부재와, 상기 복합재 부재와 접착면을 개재하여 접착되어 있는 금속 부재를 구비하고, 상기 금속 부재는 상기 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 상기 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 가지고 있는 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조를 제공하는 것이다.

여기서, 본 명세서에서 "접착면을 따라 연장된다"는 것은, 접착면과 평형하게 연장되는 양태뿐만 아니라, 접착면에 대해 평행하지 않은, 즉 접착면에 대해 소정의 각도를 이루면서 연장되는 양태도 포함한다.

바람직하게는, 상기 슬릿에 유연한 충전제가 충전되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿의 바닥부는 R 가공되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿의 바닥부는 반원형의 횡단면 형상을 갖는다.

바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 접착면에 대해 평행하지 않게 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 금속 부재의 상기 접착면을 포함하는 면으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속되어 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 접착면의 상기 슬릿의 길이 방향의 일부를 따라, 1개 또는 복수 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿의 측단부면은 R 가공되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿의 폭은 상기 슬릿의 길이 방향으로 연속적으로 변화한다.

바람직하게는, 상기 슬릿에 의해 상기 박육부가 형성됨으로써, 상기 금속 부재의 상기 접착면측의 강성이 저하된다.

바람직하게는, 상기 복합재 부재는 인공 위성 구조체를 구성하는 스러스트 튜브이며, 상기 금속 부재는 상기 스러스트 튜브와 인공 위성 구조체를 구성하는 상면 패널 또는 하면 패널을 접합하는 브래킷이다.

바람직하게는, 상기 복합재 부재는 로켓 미익의 표피판이며, 상기 금속 부재는 상기 표피판이 접착됨으로써, 상기 로켓 미익와 로켓 동체를 접합하기 위한 취부 금구이다.

본 발명의 제2의 양태는, 상기 접합 구조를 포함하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3의 양태는, 상기 접합 구조에 이용하는 금속 부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 제4의 양태는, 복합재제의 외각과, 상기 외각이 구비하는 개구부에서 상기 외각과 접속되어 있는 통 형상부를 가지는 금속제의 구금을 구비하는 탱크로서, 상기 통 형상부의 외주면의 적어도 일부가 상기 개구부와 접착되어, 상기 통 형상부의 외연부에 슬릿이 형성되어 있는 탱크를 제공하는 것이다.

바람직하게는, 상기 슬릿에는 유연한 충전제가 충전되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿의 바닥부는 R 가공되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 구금의 외주면에 대해 평행하지 않게 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 구금의 외주면으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속되어 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 통 형상부의 외연부의 일부에 1개 또는 복수 형성되어 있다.

바람직하게는, 상기 슬릿의 측단부면은 R 가공되어 있다.

바람직하게는, 내각을 더 구비하고, 상기 내각은 수지에 의해 형성되어 있다.

바람직하게는, 내각을 더 구비하고, 상기 내각은 구금과 일체적으로 형성된 금속에 의해 형성되어 있다.

본 발명의 제5의 양태는, 복합재제의 외각을 포함하는 탱크에 있어서, 상기 외각이 구비하는 개구부에서 상기 외각과 접속되는 금속제의 구금으로서, 통 형상부를 가지고, 상기 통 형상부의 외주면의 적어도 일부가 상기 개구부와 접착되어, 상기 통 형상부의 외연부에 슬릿이 형성되어 있는 구금을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 금속 부재와 복합재 부재의 접착부를 가지는 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조에 있어서, 금속 부재에 금속 부재와 복합재 부재의 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 형성함으로써, 금속 부재의 접착면측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 금속 부재와 복합재 부재의 접착면의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 접착 박리를 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복합재제의 외각과, 상기 외각이 구비하는 개구부에서 상기 외각과 접속되어 있는 통 형상부를 가지는 금속제의 구금을 구비하는 탱크에 있어서, 탱크의 구금의 통 형상부의 외연부에 슬릿을 형성하고, 탱크의 복합재제의 외각과 구금의 통 형상부의 접착부 부근의 구금의 판 두께를 얇게 함으로써, 즉, 구금의 통 형상부에 복합재제의 외각과 구금의 통 형상부의 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 형성함으로써, 구금의 통 형상부의 접착면측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 복합재제의 외각과 금속제의 구금의 접착부의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 접착 박리를 방지할 수 있다.

또한, 탱크 개구부의 주위 부분이 금속제인 내각과 복합재제의 외각에 대하여, 개구부의 주위 부분에 내각과 외각을 서로 구속하는 고정 수단을 설치하는 종래의 특허 문헌 1의 기술과 비교하여, 나사 가공이나 고정용 부품을 필요로 하지 않으므로, 가공이 용이하고, 부품 점수가 감소하여 경량화할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복합재제의 스러스트 튜브와 상면 패널 및 하면 패널의 적어도 일측이 금속제 브래킷에 의해 접합되는 인공 위성 구조체에 있어서, 금속제의 브래킷에 금속제의 브래킷과 복합재제의 스러스트 튜브의 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 형성함으로써, 금속제의 브래킷의 접착면측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 스러스트 튜브와 금속제의 브래킷의 접착면의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 스러스트 튜브와 금속제의 브래킷의 접착 박리를 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 미익를 구성하는 복합재제의 표피판과 로켓 동체가 로켓 동체에 접합된 금속제의 취부 금구에 의해 접합되는 로켓에 있어서, 금속제의 취부 금구에 금속제의 취부 금구과 미익의 복합재제의 표피판의 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 형성함으로써, 금속제의 취부 금구의 접착면측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 미익의 표피판과 금속제의 취부 금구의 접착면의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 미익의 표피판과 금속제의 취부 금구의 접착 박리를 방지할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 탱크의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 탱크의 구금 부분의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태의 원리에 관한 시뮬레이션의 탱크의 모델을 도시하는 도면이다.
도 4는, 도 3의 모델에서의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태의 시뮬레이션에 따른 탱크의 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태의 시뮬레이션에 따른 탱크의 구금 부분의 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 탱크의 구금 부분의 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 탱크의 구금 부분의 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 인공 위성 구조체의 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 인공 위성 구조체의 스러스트 튜브와 상면 패널의 접합부의 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 로켓의 단면도이다.
도 12는, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 로켓의 동체와 미익의 접합부의 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 탱크(1)의 단면도, 도 2는 탱크(1)의 구금 부분의 단면도이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 탱크(1)는 내각(10)과, 내각(10)을 덮는 외각(20)과, 외각(20)이 구비하는 개구부(30)에서 외각(20)과 접속되어 있는 구금(40)을 구비하여 구성된다. 도 1에서는, 개구부(30)는 탱크(1)의 상부에만 설치되어 있지만, 더 나아가 탱크(1)의 바닥부에도 개구부(30) 및 구금(40)을 설치해도 좋다.

내각(10)은, 예를 들면 액정 폴리머와 같은 가스 배리어성이 높은 수지제의 라이너로 형성되어 있고, 내부 유체의 누설을 방지하도록 되어 있다.

구금(40)은, 예를 들면 티타늄과 같은 금속제로서, 그 형상은 원통 형상이며, 그 탱크 내측의 단부에 형성된 플랜지부(40a)와, 플랜지부(40a)로부터 상승하는 통 형상부(40b)를 갖는다.

외각(20)은 내각(10) 및 구금(40)의 외측을 덮는다. 외각(20)이 구비하는 개구부(30)는, 구금(40)의 플랜지부(40a)의 외측의 면 및 구금(40)의 통 형상부(40b)의 외주면의 적어도 일부와 접착되어 있고, 구금(40)의 통 형상부(40b)의 외주면의 적어도 일부와 외각(20)이 구비하는 개구부(30)는 주방향으로 연장되는 가늘고 긴 접착면(60)을 개재하여 접착되어 있다. 외각(20)은, 예를 들면 CFRP와 같은 복합재제이며, 예를 들면 필라멘트 와인딩법에 의해 성형된다.

이상과 같은 구조의 탱크(1)에서, 구금 부분의 구조에 대해 추가로 도 2를 참조하여 설명한다.

구금(40)의 통 형상부(40b)의 외연부에는 그 주변 전체(全周)에 걸쳐 연장되는 일정한 폭의 슬릿(40c)이 통 형상부(40b)의 외주면과 평행하게 형성되고, 외각(20)과 통 형상부(40b)의 접착부 부근의 구금(40)의 판 두께를 얇게 하도록 하고 있다. 즉, 구금(40)의 통 형상부(40b)에는 접착면(60)과의 사이에 박육부(40d)가 형성되도록 접착면(60)의 길이 방향을 따라 연장되는 슬릿(40c)이 형성되어 있다.

슬릿(40c)의 바닥부는 응력 집중을 피하기 위해 각을 갖지 않도록 R 가공되어 있다. 또한 그 바닥부가 반원형의 횡단면 형상을 가지면 더욱 바람직하다.

여기서, 본 실시 형태의 원리에 관한 시뮬레이션 예에 대해 도 3~6을 참조하여 설명한다.

우선 원반 모델을 이용한 시뮬레이션에 대해 설명한다. 원반 모델은, 도 3에 도시되는 바와 같은 금속 원반의 외주에 복합재를 접착한 원반으로서, 금속부 직경 50㎜, 복합재부 외경 100㎜, 두께 30㎜이며, 금속부와 복합재부 계면에 길이 L₀의 예균열이 생긴다. 각 부의 재질은 금속부는 티타늄, 복합재부는 주방향이 섬유 방향인 CFRP이다. 복합재의 외주에는 압력 부하를 모의하는 100MPa의 축대칭과 똑같이 인장이 작용하고 있다.

예균열 길이(L₀), 슬릿에 의한 금속부의 나머지 두께(t)를 파라미터로 하여, 슬릿의 깊이(l)를 L₀으로 무차원화한 값을 횡축으로, 그 때의 에너지 해방률(J)을 슬릿이 없는 경우의 에너지 해방률(J0)로 무차원화한 값을 세로축으로 취한 그래프를 도 4에 도시한다. 또한, 이 경우, 에너지 해방률은 압력 부하 모의 하중의 제곱에 비례하기 때문에, 상기 에너지 해방률의 저감 효과는 계산 정밀도의 오차를 제외하고 100MPa라는 절대치에 의존하지 않는다.

도 4로부터, 예균열과 동일한 정도의 깊이의 슬릿을 형성한 경우의 에너지 해방률 저감율은, 80% 전후, 예균열의 2배 정도의 깊이의 슬릿을 형성한 경우에는 10%~20% 정도, 예균열의 3배의 슬릿 깊이의 슬릿을 형성한 경우에는 10% 이하가 되는 것을 알 수 있다. 또한 슬릿에 의한 금속부의 나머지 두께(t)에 관해서는, 슬릿이 얕은 영역에서는 예외는 있으나, 슬릿의 깊이가 예균열 길이의 2배 이상의 영역에서는, t값이 작은 쪽이 보다 에너지 해방률의 값이 작아지는 것을 알 수 있다. 이 때문에, 예상되는 최대 예균열 길이의 2배에서 3배 이상의 슬릿을 가능한 한 계면 부근에 가공함으로써, 계면에 발생하는 에너지 해방률을 효과적으로 저감하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

다음으로, 도 1과 마찬가지의 구조를 갖는 탱크에 대해 실시한 시뮬레이션에 대해 설명한다. 도 5는 본 시뮬레이션에 따른 탱크의 단면도, 도 6은 탱크의 구금 부분의 단면도이다. 도 5, 6에서 도 1, 2와 대응하는 부분에는 동일 부호를 부여하고, 상기 실시 형태와 마찬가지인 부분의 설명은 생략한다.

외각(20)이 구비하는 개구부(30) 및 그것에 접속된 구금(40)은, 도 1에서는 탱크(1)의 상부에만 설치되어 있었지만, 본 시뮬레이션에 따른 탱크에서는 더 나아가 탱크(1)의 바닥부에도 개구부(30) 및 구금(40)이 설치되어 있다. 내각(10)은 액정 폴리머제, 외각(20)은 CFRP층과 그 내측의 필라멘트 와인딩법에 대응하기 위한 핸드레이업에 의한 GFRP 보강층으로 이루어지고, 구금(40)은 티타늄제, 탱크 몸통부의 직경은 700㎜, 탱크의 길이(구금의 통 형상부의 탱크 외측의 단부면 사이의 거리)는 1200㎜, 최대 예상 운용 압력(MEOP)은 32MPa, 보증 내압력(Proof pressure)은 40MPa, 파괴 압력(Burst pressure)은 48MPa이다. 시뮬레이션의 계산 조건은 파괴압에 상당하는 내압 48MPa로 하였다. 또한, 외각(20)과 내각(10)은 접착제에 의해 접착되어 있지만, 구금(40)과 내각(10)은 융착에 의해 직접 접합되어 있는 것으로 하였다.

도 6에 도시되는 바와 같이, 외각(20)과 구금(40)의 접착부의 상단 및 하단에 예균열(50, 51)이 있는 것으로 하여, 도 6과 같이 슬릿(40c)을 형성한 경우와 슬릿을 형성하지 않은 경우의 외각(20)과 구금(40)의 접착부의 상단의 에너지 해방률에 대해 시뮬레이션을 행하였다. 여기서, 슬릿(40c)은 구금(40)의 통 형상부(40b)의 외연부에 그 주변 전체에 걸쳐 일정한 폭으로 통 형상부(40b)의 외주면과 평행하게 형성되고, 예균열(50)의 길이(L₀)는 비파괴 검사에 의한 검출 능력과 계산 메쉬의 크기를 감안하여 4㎜로 하고, 마찬가지로 예균열(51)의 통 형상부(40b)의 외주면을 따른 길이 및 플랜지부(40a)의 탱크 외측의 면을 따른 길이를 각각 약 4㎜, 슬릿 외측의 금속 잔존부의 판 두께(t)를 4㎜, 슬릿의 깊이(l)를 16㎜로 하였다.

그 결과, 슬릿이 없는 경우의 에너지 해방률(J₀)이 약 5200J/㎡인데 반해, 슬릿을 형성한 경우의 에너지 해방률(J)은 약 380J/㎡가 되어, 에너지 해방률이 1자리 이상 저감되었다.

또한, 소성 변형률을 포함하는 von Mises 왜곡의 시뮬레이션도 행하였지만, 슬릿을 형성한 것에 따른 강도면의 설계상의 문제도 없는 것을 확인할 수 있었다.

이상의 시뮬레이션 결과에 입각하면, 외각(20)과 통 형상부(40b)의 접착부 부근의 구금(40)의 판 두께는 가능한 한 얇게 하는 것이 바람직하다. 또한, 슬릿(40c)의 깊이는 비파괴 검사 능력에 의해 결정되는 최소 검출 결함 치수의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이는, 비파괴 검사에 의해 예균열이 발견되지 않은 경우에는, 예균열의 길이는 최소 검출 결함 치수 이하이기 때문에, 예균열의 길이를 그 가능성이 있는 최대치인 최소 검출 결함 치수로 간주하는 것에 따른 것이다.

또한, 슬릿(40c)에는 물 등이 고여 부식 등의 원인이 될 수 있다. 이를 회피하기 위해 슬릿(40c)을 충전제로 충전할 수 있다. 이 때, 접착제 등의 경도가 높은 충전재를 사용하면 슬릿의 효과가 저하되므로, 유연한(경도가 낮은) 충전재, 예를 들면 실리콘 실란트 등으로 충전하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태의 탱크(1)가 고압?대형의 복합재 필라멘트 와인딩 기축기로서, 고압시에 구금으로부터 복합재층이 박리되는 문제가 발생한 경우, 비파괴 검사 능력에 의해 결정되는 최소 검출 결함 치수를 약 4㎜, 즉 예상 예균열을 약 4㎜ 이하로 가정하면, 깊이가 예상 예균열의 2배보다도 충분히 크고 깊은 것이 바람직한 것과 가공 후의 강도를 고려하여 그 5배인 약 20㎜의 슬릿을 외각(20)과 통 형상부(40b)의 접착부 부근의 구금(40)의 판 두께는 가능한 한 얇게 하는 것이 바람직하기 때문에, 가공 한계를 감안하여 판 두께가 1㎜ 정도가 되도록, 통 형상부(40b)의 외주면과 평행하게 주변 전체에 걸쳐 형성(슬릿의 바닥부는 응력 집중을 피하기 위해 반원형의 횡단면 형상을 가지는 것으로 한다)하면, 슬릿이 없는 경우에 비해, 박리가 발생하는 압력을 적어도 3배 정도까지 상승시키는 것이 가능하다.

또한, 본 실시 형태의 탱크(1)가 극저온 추진제 복합재 탱크로서, 추진제 충전시에 열 응력에 의해 구금부로부터 복합재층이 박리되는 문제가 발생한 경우, 상기와 마찬가지의 슬릿을 형성하면, 슬릿이 없는 경우에 비해, 추진제 충전시의 박리 발생을 대폭 억제하는 것이 가능하다. 또한, 이 경우, 방부 등을 위해 슬릿에 유연한 충전제를 충전할 때는 충전제는 극저온에서도 경화?붕괴되지 않는 것을 선택한다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 의하면, 탱크의 구금(40)의 통 형상부(40b)의 외연부에 슬릿(40c)을 형성하고, 탱크의 복합재제의 외각(20)과 구금(40)의 통 형상부(40b)의 접착부 부근의 구금의 판 두께를 얇게 함으로써, 즉, 구금(40)의 통 형상부(40b)에 복합재제의 외각(20)과 구금(40)의 통 형상부(40b)의 접착면(60)과의 사이에 박육부(40d)가 형성되도록 접착면(60)을 따라 연장되는 슬릿(40c)을 형성함으로써, 구금의 통 형상부의 접착면측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 외각(20)과 구금(40)의 접착면의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 구금과 복합재의 접착 박리의 방지에 크게 공헌할 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 7, 8은, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 탱크(1)의 구금 부분의 단면도이다. 본 실시 형태에서 구금(40) 이외의 탱크(1)의 구성은 도 1과 마찬가지이며, 도 7, 8에서 도 1, 2와 대응하는 부분에는 동일 부호를 부여하여, 제1 실시 형태와 마찬가지인 부분의 설명은 생략한다.

본 실시 형태는, 구금(40)의 형상에 의해, 구금(40)의 통 형상부(40b)의 탱크 외측의 단면으로부터 슬릿(40c)을 가공하는 것이 어려운 경우에, 통 형상부(40b)의 외주면으로부터 슬릿(40c)을 가공함으로써, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻고자 하는 것이다. 예를 들면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 통 형상부(40b)의 외주면, 즉 접착면(60)에 대해 비스듬하게 슬릿(40c)을 형성한다. 이 경우, 외각(20)과 구금(40)의 접착면의 에너지 해방률의 저감 효과는 슬릿 외측의 금속 잔존부인 박육부(60)의 두께에 의존하기 때문에, 가능한 한 얇게 하는 것이 바람직하다.

또한, 예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같이, 우선 통 형상부(40b)의 외주면, 즉 접착면(60)에 수직으로 홈을 형성하고, 이어서 통 형상부(40b)의 외주면과 평행하게 슬릿(40c)을 형성한다. 이 경우, 상기 홈은 통 형상부(40b)의 외주면에 수직이 아닌, 임의의 각도로 형성해도 좋고, 또한, 슬릿(40c)도 통 형상부(40b)의 외주면과 평행하지 않은, 임의의 각도로 형성해도 좋다. 즉, 슬릿(40c)을 통 형상부(40b)의 외주면, 즉 접착면(60)으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속하여 형성해도 좋다.

이상의 실시 형태에 관하여, 구금(40)에는, 클로저나 유체용의 어댑터 등의 부재를 접속하기 위한 나사 구멍 등이 형성되는 경우가 있으나, 그와 같은 나사 구멍 등의 존재를 위해, 상기와 같은 주변 전체에 걸쳐 연장되는 일정한 폭의 슬릿을 형성할 수 없는 경우, 주변 전체의 일부에만, 즉 접착면(60)의 슬릿(40c)의 길이 방향의 일부를 따라 1개 또는 복수의 슬릿을 형성할 수 있다. 이 때, 슬릿의 바닥부는 R 가공되는 것이 바람직하며, 더 나아가 반원형의 횡단면 형상을 가지는 것이 바람직하다. 그리고, 각 슬릿의 측단부면도 응력 집중의 경감을 위해, R 가공되는 것이 바람직하며, 또한 반원 형상의 횡단면 형상을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 이를 대신하여, 나사 구멍 등의 존재를 위해, 주변 전체에 걸친 일정한 폭의 슬릿을 형성할 수 없는 경우, 나사 구멍부 등 부근만 슬릿 폭을 좁게 함으로써, 나사 구멍 등을 회피할 수 있다. 이 경우, 슬릿 폭의 불연속적인 변화에 의한 응력 집중을 회피하기 위해, 슬릿의 길이 방향의 슬릿 폭의 변화는 연속적인 것으로 하는 것이 바람직하다.

이상의 실시 형태에서, 탱크의 구조는 내각(10)이 구금(40)과는 별체로 수지제의 것이었지만, 내각이 구금(40)과 일체화된 금속으로 형성되어 있는 공지의 구조의 탱크에도 상기 실시 형태의 기술이 적용 가능한 것은 당업자에게 명백할 것이다.

(제3 실시 형태)

도 9는, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 인공 위성 구조체(101)의 단면도이다. 도 9에 도시되는 바와 같이, 인공 위성 구조체(101) 내부의 중앙에 원통 형상의 CFRP제 스러스트 튜브(120)가 배치되고, 스러스트 튜브(120)의 상하에는 원형의 상면 패널(102) 및 하면 패널(104)이 금속제 브래킷(140)에 의해 부착되어 있다. 또한, 인공 위성 구조체(101)의 외표면을 구성하는 원통 형상의 외부 패널(106)이 상면 패널(102) 및 하면 패널(104)에 부착되어 있다. 이와 같은 구조에서, 스러스트 튜브(120)는 위성 전체의 하중을 지지하고 있다.

도 10은, 도 9의 주요부(A)의 확대도인 스러스트 튜브(120)와 상면 패널(102)의 접합부의 단면도이다. 도 10에 도시되는 바와 같이, 스러스트 튜브(120)와 금속제의 브래킷(140)의 수직편이 접착면(160)을 개재하여 접착되고, 상면 패널(102)과 금속제의 브래킷(140)의 수평편이 나사 고정됨으로써, 스러스트 튜브(120)와 상면 패널(102)이 접합되어 있다. 또한, 스러스트 튜브(120)와 하면 패널(104)과도 마찬가지의 구조에 의해 접합되어 있다.

금속제의 브래킷(140)에는, 접착면(160)과의 사이에 박육부(140d)가 형성되도록 접착면(160)을 따라 연장되는 슬릿(140c)이 형성되어 있다. 슬릿(140c)의 바닥부는 응력 집중을 피하기 위해 각을 갖지 않도록 R 가공되어 있다. 또한 그 바닥부가 반원형의 횡단면 형상을 가지면 보다 바람직하다.

이와 같이 슬릿(140c)을 형성함으로써 박육부(140d)가 형성됨으로써, 금속제의 브래킷(140)의 접착면(160) 측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 스러스트 튜브(120)와 금속제의 브래킷(140)의 접착면의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 스러스트 튜브와 금속제의 브래킷의 접착 박리의 방지에 크게 공헌할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 대하여, 제1 실시 형태에 대한 제2 실시 형태와 마찬가지로, 슬릿에 유연한 충전제가 충전되어 있는 구성, 슬릿이 접착면에 대해 평행하지 않게 형성되어 있는 구성, 슬릿이 금속 부재의 접착면을 포함하는 면으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속되어 형성되어 있는 구성, 슬릿이 접착면의 슬릿의 길이 방향의 일부를 따라 1개 또는 복수 형성되어 있는 구성, 그 슬릿의 측단면이 R 가공되어 있는 구성, 슬릿의 폭이 슬릿의 길이 방향으로 연속적으로 변화하는 구성 등의 변형을 행할 수 있다.

도 11은, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 로켓(201)의 측면도이다. 도 11에 도시되는 바와 같이, 로켓(201)의 동체(202)의 하부에는 미익(204)이 부착되어 있다.

도 12는, 도 11의 B-B선 단면도인 로켓의 동체(202)와 미익(204)의 접합부의 단면도이다. 도 11에 도시되는 바와 같이, 로켓의 동체(202)의 표면에 알루미늄제의 취부 금구(240)가 설치되어 있다. 또한, 미익(204)은 알루미늄 하니컴(206)을 코어로 하여, CFRP제 표피판(220)이 그 양면에 접착됨으로써 구성되어 있다.

알루미늄제의 취부 금구(240)는 돌기부(240b)를 가지고, 돌기부의 상면이 알루미늄 하니컴(206)과 접하여, 돌기부의 측면과 CFRP제 표피판(220)이 접착면(260)을 개재하여 접착됨으로써, 로켓의 동체(202)와 미익(204)이 접합된다.

알루미늄제의 취부 금구(240)의 돌기부(240b)에는, 접착면(260)과의 사이에 박육부(240d)가 형성되도록 접착면(260)을 따라 연장되는 슬릿(240c)이 형성되어 있다. 슬릿(240c)의 바닥부는 응력 집중을 피하기 위해 각을 갖지 않도록 R 가공되어 있다. 또한 그 바닥부가 반원형의 횡단면 형상을 가지면 보다 바람직하다.

이와 같이 슬릿(240c)을 형성함으로써 박육부(240d)가 형성됨으로써, 알루미늄제의 취부 금구(240)의 접착면(260) 측의 강성이 저하된다. 이에 따라, 미익(204)의 CFRP제 표피판(220)과 알루미늄제의 취부 금구(240)의 접착면의 에너지 해방률을 현저하게 저감하여, 미익(CFRP제 표피판)과 알루미늄제의 취부 금구의 접착 박리의 방지에 크게 공헌할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 대하여, 제1 실시 형태에 대한 제2 실시 형태와 마찬가지로, 슬릿에 유연한 충전제가 충전되어 있는 구성, 슬릿이 접착면에 대해 평행하지 않게 형성되어 있는 구성, 슬릿이 금속 부재의 접착면을 포함하는 면으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속되어 형성되어 있는 구성, 슬릿이 접착면의 슬릿의 길이 방향의 일부를 따라 1개 또는 복수 형성되어 있는 구성, 그 슬릿의 측부단면이 R 가공되어 있는 구성, 슬릿의 폭이 슬릿의 길이 방향으로 연속적으로 변화하는 구성 등의 변형을 행할 수 있다.

이상, 본 발명에 대해, 예시를 위해 몇 가지의 실시 형태에 관해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 범위 및 정신에서 벗어나지 않고, 형태 및 상세에 대해, 다양한 변형 및 수정을 행할 수 있는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

1 : 탱크
10 : 내각
20 : 외각
30 : 개구부
40 : 구금
40a : 플랜지부
40b : 통 형상부
40c : 슬릿
40d : 박육부
50 : 예균열
51 : 예균열
60 : 접착면
101 : 인공 위성 구조체
102 : 상면 패널
104 : 하면 패널
106 : 외부 패널
120 : 스러스트 튜브
140 : 브래킷
140c : 슬릿
140d : 박육부
160 : 접착면
201 : 로켓
202 : 동체
204 : 미익
206 : 알루미늄 하니컴
220 : CFRP제 표피판
240 : 취부 금구
240b : 돌기부
240c : 슬릿
240d : 박육부
260 : 접착면

Claims

복합재 부재와,
상기 복합재 부재와 접착면을 개재하여 접착되어 있는 금속 부재
를 구비하고,
상기 금속 부재는 상기 접착면과의 사이에 박육부가 형성되도록 상기 접착면을 따라 연장되는 슬릿을 가지고 있는 금속 부재와 복합재 부재의 접합 구조.
제1항에 있어서,
상기 슬릿에 유연한 충전제가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬릿의 바닥부는 R 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제3항에 있어서,
상기 슬릿의 바닥부는 반원형의 횡단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿은 상기 접착면에 대해 평행하지 않게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿은 상기 금속 부재의 상기 접착면을 포함하는 면으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿은 상기 접착면의 상기 슬릿의 길이 방향의 일부를 따라, 1개 또는 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제7항에 있어서,
상기 슬릿의 측단부면은 R 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿의 폭은 상기 슬릿의 길이 방향으로 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿에 의해 상기 박육부가 형성됨으로써, 상기 금속 부재의 상기 접착면측의 강성이 저하되는 접합 구조.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합재 부재는 인공 위성 구조체를 구성하는 스러스트 튜브이며, 상기 금속 부재는 상기 스러스트 튜브와 인공 위성 구조체를 구성하는 상면 패널 또는 하면 패널을 접합하는 브래킷인 접합 구조.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합재 부재는 로켓 미익의 표피판이며, 상기 금속 부재는 상기 표피판이 접착됨으로써, 상기 로켓 미익와 로켓 동체를 접합하기 위한 취부 금구인 접합 구조.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 접합 구조를 포함하는 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 접합 구조에 이용하는 금속 부재.
복합재제의 외각과, 상기 외각이 구비하는 개구부에서 상기 외각과 접속되어 있는 통 형상부를 가지는 금속제의 구금을 구비하는 탱크로서,
상기 통 형상부의 외주면의 적어도 일부가 상기 개구부와 접착되어, 상기 통 형상부의 외연부에 슬릿이 형성되어 있는 탱크.
제15항에 있어서,
상기 슬릿에 유연한 충전제가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 슬릿의 바닥부는 R 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제17항에 있어서,
상기 슬릿의 바닥부는 반원형의 횡단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿은 상기 구금의 외주면에 대해 평행하지 않게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿은 상기 구금의 외주면으로부터 소정의 길이로 형성된 홈에 접속되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿은 상기 통 형상부의 외연부의 일부에 1개 또는 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제21항에 있어서,
상기 슬릿의 측단부면은 R 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬릿의 폭은 상기 슬릿의 길이 방향으로 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
내각을 더 구비하고, 상기 내각은 수지에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
내각을 더 구비하고, 상기 내각은 구금과 일체적으로 형성된 금속에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탱크.
복합재제의 외각을 포함하는 탱크에 있어서, 상기 외각이 구비하는 개구부에서 상기 외각과 접속되는 금속제의 구금으로서,
통 형상부를 가지고,
상기 통 형상부의 외주면의 적어도 일부가 상기 개구부와 접착되어, 상기 통 형상부의 외연부에 슬릿이 형성되어 있는 구금.