KR20140131600A - 패널의 리세스에 삽입된 패드를 갖는 스트링거를 포함하는 복합 구조체 및 힘 전달 방법 - Google Patents

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Abstract

패널; 및 상기 패널의 표면에 접착되는 스트링거를 포함하며, 상기 스트링거는 단부면과, 상기 단부면보다 긴 길이를 가지도록 상기 단부면으로부터 스트링거의 길이방향을 따라 연장하는 한 쌍의 측면들을 갖는다. 상기 패널의 표면은 상기 스트링거의 단부면과 접하는 제1 말단 벽과 상기 스트링거의 다른 부분과 접하는 제2 말단 벽을 갖는다.
압축력은 패널의 표면에 형성된 제1 벽과 스트링거의 단부면 사이에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 전달된다. 인장력은 패널의 표면에 형성된 제2 벽과 스트링거의 반대면 사이에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 전달된다.

Description

패널의 리세스에 삽입된 패드를 갖는 스트링거를 포함하는 복합 구조체 및 힘 전달 방법{COMPOSITE STRUCTURE COMPRISING A STRINGER WITH A PAD EMBEDDED IN THE RECESS OF A PANEL AND METHOD OF TRANSMITTING FORCES}
본 발명은 패널, 패널의 표면에 접착된 스트링거를 포함하며, 상기 스트링거는 단부면과 상기 단부면으로부터 스트링거를 따라 길이방향으로 연장하는 한 쌍의 측면들을 갖는 복합 구조체에 관한 것이다.
도 1은 예를 들어, 항공기 날개 또는 동체의 외판(skin)을 형성할 수 있는 패널(1)의 런아웃(run-out) 부분을 도시한다. 패널은 상기 패널의 길이를 따라 연장하는 스트링거들의 연속(series)에 의해 강화되며, 도 1에서 스트링거들 중 하나의 단면이 도시된다. 스트링거(2)는 패널에 수직으로 연장하는 웹(3)과, 상기 패널(1)에 접하는 플랜지(4)를 포함한다.
스트링거(2)는 도시된 바와 같이 형성된다. 웹(3)은 횡 굽힘(transverse bending)과 축 강성을 점진적으로 증가시키며, 국부적 응력 집중을 경감하는 것에 의해, 외판으로부터 스트링거로의 부하(load) 전달이 용이하도록 경계선 근처에서 테이퍼(taper)진다. 또한, 플랜지(4)는 보강재 팁(stiffener tip)이 더 유연하고 굽혀질 때 패널을 따라갈 수 있도록 웹의 말단을 지나 연장한다.
프리텐션(pre-tensioned) 볼트(5)는 박리 또는 얇은 층으로 갈라지는 것을 예방하도록 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 프리텐션 로드(6)는 패널(1)의 일부 영역(7)과 플랜지(4)를 압축시킨다. 그러나, 압축된 영역(7)과 압축되지 않은 플랜지(4)의 팁(9) 사이에 말단 영역(8)이 존재한다. 따라서, 볼트(5)는 플랜지(4)의 팁(9)이 패널(1)과 만나는 경계면(10)에서 시작하는 파괴(failure)를 지연시킬 수 없다.
개선된 디자인이 도 3에 도시된다. 이 경우에 워셔(washer)(11)는 압축 영역이 두께를 통해 플랜지의 팁까지 전달되도록 사용되며, 따라서 팁에서 박리 파괴 모드(peeling failure mode)를 억제한다. 그러나, 도 3의 해결책은 팁에서 슬라이딩(sliding) 파괴 모드를 억제하지 않는다.
본 발명의 제1 양상은 패널; 및 상기 패널의 표면에 접착되는 스트링거를 포함하며, 상기 스트링거는 단부면과 상기 단부면으로부터 스트링거를 따라 길이방향으로 연장하는 한 쌍의 측면들을 가지며, 상기 패널의 표면은 상기 스트링거의 단부면과 접하는 제1 벽과 상기 스트링거의 다른 부분과 접하는 제2 벽을 가지며 형성되는 복합 구조체를 제공한다.
본 발명의 제2 양상은 본 발명의 제1 양상의 복합 구조체에서 힘 전달 방법을 제공하며, 상기 방법은:
패널의 표면에 형성된 제1 벽과 스트링거의 단부면 사이에서 수직 반작용(normal reaction)에 의해 패널로부터 스트링거로 압축력을 전달하는 단계; 및
패널의 표면에 형성된 제2 벽과 스트링거의 반대면 사이에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 인장력을 전달하는 단계를 포함한다.
상기 스트링거와 패널 사이의 접착은 부품들 사이에 접착층을 가하거나, 부품들을 공경화(co-curing)하거나, 다른 어떠한 방법으로 부품들을 접착하는 것에 의해 형성될 수 있다.
상기 패널은 단일 피스(piece)로부터 형성되거나, 2 이상의 재료의 겹들(plies)로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 각각의 겹은 일반적으로 에폭시 수지 매트릭스에 주입된 탄소-섬유와 같은 복합 재료로부터 형성된다.
일 실시예에서, 스트링거는 스트링거의 제1 단부면과 반대편 말단에 있는 제2 단부면을 가지며, 패널 내에 형성된 제2 벽은 상기 스트링거의 제2 단부면과 접한다.
다른 실시예들에서, 스트링거는 패널의 표면에 접착되는 기저(base)와, 상기 기저로부터 돌출하며 상기 패널 내 리세스에 삽입되는 패드를 포함한다. 상기 패드는 리세스의 제1 말단 벽에 접하는 제1 단부면과, 리세스의 제2 말단 벽에 접하는 제2 단부면을 갖는다. 이 경우에, 리세스는 전체 패널의 폭을 따라 연장할 수 있으며(따라서 측벽들을 가지지 않음), 더 바람직하게 상기 패드는 리세스의 제1 측벽에 접하는 제1 측면과 리세스의 제2 측벽에 접하는 제2 측면을 갖는다. 상기 패드는 리세스에 접착될 수 있으며, 더 바람직하게 스트링거의 기저와 패널 표면 사이의 접착은 패드에서 끝난다. 이 경우에, (패스너(fastener)와 같은) 다른 수단들이 상기 패드를 상기 리세스에 고정하도록 사용될 수 있다.
상기 벽들은 상기 스트링거의 폭을 따라 예각(acute angle)으로 연장할 수 있으며, 오목하거나 볼록한 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 더 바람직하게 패널의 표면에 형성된 제1 및 제2 벽들은 실질적으로 서로 대향하는 방위에 있으며(oriented), 상기 스트링거의 길이에 실질적으로 수직하게 상기 스트링거의 폭을 따라 연장한다. 이러한 배열은 수직 반작용 힘들이 패널과 스트링거 사이에서 효과적으로 전달될 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 제1 스트링거 런아웃(run-out)을 지나는 종단면도이다.
도 2는 프리텐션 부하(load)의 효과를 설명하는 도 1의 스트링거 런아웃 부분의 확대도이다.
도 3은 종래의 제2 스트링거 런아웃(run-out)을 지나는 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 구조체의 사시도이다.
도 5 내지 7은 도 4에 도시된 스트링거들 중 하나의 런아웃 영역을 지나는 종단면도들이다.
도 8 내지 11은 다양한 대안적인 스트링거 실시예들의 런아웃 영역들을 지나는 종단면도들이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 구조체의 종단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 구조체의 종단면도이다.
도 4는 예를 들어, 항공기 날개 또는 동체의 외판을 형성할 수 있는 복합 구조체의 일부분을 도시한다. 상기 구조체는 패널(20)과, 상기 패널(20)의 표면에 접착되는 스트링거들(21-23)의 연속(series)을 포함한다. 각각의 스트링거는 한 쌍의 말단들(각각의 말단은 종래에 "스트링거 런아웃"으로 알려짐)과, 스트링거 런아웃들 사이에서 길이방향으로 연장하는 한 쌍의 측면들을 갖는다. 항공기 날개의 경우에, 스트링거들은 날개의 루트(root)로부터 그 팁(tip)까지 날개길이(span-wise) 방향으로 연장한다.
*도 4는 복합 구조체의 단지 일부분을 도시한다. 도 4에 도시된 부분은 스트링거(22)의 런아웃과, 스트링거들(21, 23)의 중간 영역들(즉, 스트링거들(21, 23)의 런아웃들은 미도시)을 포함한다. 각각의 스트링거는 패널(20)에 수직하게 연장하는 웹(24)과, 상기 패널과 같은 평면에 있는 한 쌍의 플랜지들(25, 26)을 포함한다.
웹(24)은 횡 굽힘과 축 강성을 점진적으로 증가시키며, 국부적 응력 집중을 경감하는 것에 의해, 외판으로부터 스트링거로의 부하(load) 전달이 용이하도록 런아웃에서 테이퍼(taper)진다.
패드(27)는 스트링거(22)의 기저로부터 하방으로 돌출하며, 웹(24)의 말단들과 플랜지들(25, 26)을 지나서 연장한다. 패드(27)는 도 5의 종단면도에 도시되는 패널 내 리세스에 삽입된다. 상기 리세스는 우측 말단 벽(30)과 좌측 말단 벽(31)을 갖는다. 상기 벽들(30, 31)은 실질적으로 서로 대향하는 방위에 있으며, 스트링거의 길이에 실질적으로 수직하게 스트링거의 폭을 따라 연장한다. 말단 벽(30)은 패드(27)의 우측 단부면(32)과 접하며, 말단 벽(31)은 패드(27)의 좌측 단부면(33)과 접한다. 또한, 리세스는 도 4에 도시된 경계면들(37, 38)에서 패드(27)의 각 측벽들과 접하는 스트링거의 길이에 평행하게 연장하는 측벽들을 갖는다.
패널(20)은 "수지 침투 가공재들(prepregs)"(에폭시 수지 매트릭스에 주입된 단일-축 탄소 섬유의 층들)의 스택(stack)을 적층하고, 오토클레이브(autoclave)에서 상기 스택을 경화하는 것에 의해 제조된다. 리세스는 패널의 표면에서 깍여질 수 있다(예를 들어, 원하는 영역에서 패널에 산(acid)을 적용). 대안적으로 상기 리세스는 적층 공정동안 형성될 수 있다. 즉, 수지 침투 가공재의 각각의 층은 자동화 테입 레잉(automated tape laying, ATL) 기계에 의해 적층되며, 상기 ATL 기계는 리세스의 기저까지 층들의 연속을 적층하며, 리세스의 영역에서 연속적인 층들을 한정시킨다.
스트링거(22)는, 각 주축(mandrel) 상에 수지 침투 가공재의 스택을 적층하는 것에 의해 형성되는 2개의 L-형상 프리폼들(preforms)을 적층하며, 상기 L-형상 프리폼들을 오토클레이브 내에 연속적으로 배치하고, 상기 L-형상 프리폼들을 공경화하는 것에 의해 제조된다.
스트링거(22)의 기저는 접착층(34)으로 코팅된다. 접착층(34)은 패드(27)의 좌측 단부면(33)에서 끝난다. 다음으로 스트링거는 적소에 설비되며, 접착층(34)이 경화되고, 패스너들(35)이 설비되며 프리텐션 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 압축력(40)이 가해질 때, 이 압축력은 표면들(30, 32) 사이의 우측 경계면에서 수직 반작용 σx, right 에 의해 패널로부터 스트링거로 전달된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 인장력(41)이 가해질 때, 이 인장력은 표면들(31, 33) 사이의 좌측 경계면에서 수직 반작용 σx, left 에 의해 패널로부터 스트링거로 전달된다. 이러한 경계면들이 접착되지 않았다는 것은 인장 수직 응력이 경계면을 가로질러 전달될 수 없다는 것을 의미한다. 패드(27)의 기저와 리세스의 기저 사이의 경계면(36)에 어떠한 전단 반작용(shear reaction)도 존재하지 않으며, 이는 경계면(36)이 접착되지 않기 때문이다.
도 4 및 5에 도시된 삽입된 구조에서 응력 집중도 에지 효과도 유발(trigger)되지 않으므로, 조인트(joint)의 전체 강도는 높아질 수 있다.
도 5에서, 표면들(30-33)과 리세스의 기저 사이의 각들은 모두 대략 90도이다. 대안적인 실시예(미도시)에서, 이러한 각도들은 90도 이상이거나 이하일 수 있으며, 표면들(30-33)은 비-평면일 수 있다.
다른 실시예(미도시)에서, 또한, 접착층(34)은 기저, 말단 벽들, 및 리세스의 측벽들을 코팅할 수 있다. 이 경우, 전체 국부 인플레인(in-plane) 부하의 절반만이 인장력-부하(tensile-loaded) 벽에 의해 전달될 것이며, 나머지 절반은 압축력-부하(compressive loaded) 벽에 의해 취해질 것이고, 어떠한 파괴 모드들도 유발하지 않을 것이다. 균열 전파와 관련된 손상 허용성과 파괴-안전의 관점에서, 만약 균열이 벽들 중 하나에 발생한다면, 균열은 접착제로부터 인접한 박판(lamina)으로 건너뛰어 조립체를 통해 전파될 것이며, 이는 박판이 균열 전파에 적은 에너지 양을 필요로 하기 때문이다.
대안적으로 스트링거는 패드와 리세스 사이에 공경화 접착을 형성하도록 패널과 공경화될 수 있다. 공경화 접착은 접착제 접착보다 더 우수할 수 있다. 만약 인장력-부하 벽 내 패널과 삽입된 패드(27) 사이의 수지 층에 균열이 발생하면, 인접한 박판이 수지 자체보다 단단하므로 균열은 동일한 층을 통해 전파될 것이다. 또한, 나머지 압축력-부하 벽은 파괴된 벽에 의해 앞서 반응한 부하(load)의 거의 전체 양을 감당하면서(carrying), 다른 벽의 파괴를 커버한다. 따라서, 삽입된 패드는 파괴-안전 요구 관점에서 리던던시(redundancy)를 달성한다.
만약 접착제가 경계면(36)을 따라 포함되면(또는 스트링거와 패널이 공경화에 의해 이 경계면을 따라 접착되면), 전단 응력이 존재할 수 있다. 그러나 이 응력 성분은 낮으며, 만약 패드(27)가 패널의 축 강성에 가까운 축 강성으로 디자인되면 무시될 수 있다.
대안적인 삽입된 패드 구조가 도 8 내지 11에 도시된다.
도 8의 예에서, 스트링거 패드와 리세스 사이의 좌측 경계면(50)은 웹의 팁(53)의 우측에 배치된다. 또한, 원활한 부하 전달을 보장하고 박리에 요구되는 강도를 증가시키도록 플랜지(51)는 스트링거의 런아웃에서 테이퍼진 상부 면(52)을 갖는다는 것에 주의한다.
도 9의 예에서, 스트링거 패드와 리세스 사이의 좌측 경계면(60)은 웹의 팁의 좌측에 배치된다. 또한, 플랜지(61)는 스트링거의 런아웃에서 테이퍼진 상부 면(62)을 갖는다는 것에 주의한다.
도 10의 예에서, 스트링거 패드와 리세스 사이의 좌측 경계면(70)은 웹의 팁의 좌측에 배치된다. 또한, 플랜지(71)는 스트링거의 런아웃에서 테이퍼진 상부 면(72)을 가지며, 스트링거의 단부면(73)은 웹의 팁과 일직선인 것에 주의한다.
도 11의 예에서, 스트링거 패드와 리세스 사이의 좌측 경계면(80)은 웹의 팁의 좌측에 배치된다. 또한, 플랜지(81)는 스트링거의 런아웃에서 테이퍼진 상부 면(82)을 갖는다는 것에 주의한다.
도 12는 패널(84)과, 상기 패널의 표면에 접착되는 스트링거(83)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 구조체를 도시한다. 상기 스트링거와 패널은 도 8 내지 11에 도시된 구조와 유사하나, 이 경우에 스트링거는 익현(chord) 방향으로(즉, 도 12의 평면의 안팍으로) 패널의 폭을 따라 연장하는 리브(rib)에 볼트로 죄어진다. 상기 리브는 웹(85)과 플랜지(86)를 포함한다. 스트링거의 패드(88)와 리브 플랜지(86)는 볼트들(87)에 의해 패널에 죄어진다.
도 13은 패널(90)과, 상기 패널의 표면에 접착되는 스트링거(91)를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 구조체를 도시한다. 도 13은 스트링거의 일 단부만을 도시하는 도 4 내지 12와 달리 스트링거의 양 단부들을 도시한다.
패널의 표면은 스트링거의 우측 말단(93)에 접하는 우측 말단 벽(92)과, 스트링거의 좌측 말단(95)에 접하는 좌측 말단 벽(94)과 함께 형성된다. 도 13의 실시예에서 스트링거의 기저는 완전히 평평하다는 것에 주의한다. 즉, 스트링거의 어느 말단에도 기저로부터 돌출하는 패드가 존재하지 않는다. 전술한 바와 같이 리세스를 형성하거나, 스트링거의 어느 말단에서 패널로 돌출 부분들을 고정하는 것에 의해 패널의 표면에 벽들(92, 94)이 제공될 수 있다.
압축력이 가해지면, 이 압축력은 우측 경계면(92, 93)에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 전달되며, 인장력이 가해지면, 이 인장력은 좌측 경계면(94, 95)에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 전달된다.
비록 본 발명이 하나 이상의 바람직한 실시예들을 참조하여 상기와 같이 설명되었으나, 첨부된 청구항들과 같이 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다양한 변경 또는 수정이 이루어질 수 있음이 이해될 수 있다.

Claims (8)

  1. 패널; 및 상기 패널의 표면에 접착되는 스트링거를 포함하며, 상기 스트링거는 단부면과, 상기 단부면보다 긴 길이를 가지도록 상기 단부면으로부터 스트링거의 길이방향을 따라 연장하는 한 쌍의 측면들을 가지며, 상기 패널의 표면은 제1 말단 벽과 상기 스트링거의 다른 부분과 접하는 제2 말단 벽을 가지는 리세스로 형성되고,
    상기 스트링거는 패널의 표면에 접착되는 기저(base)와, 상기 기저로부터 돌출하며 상기 패널 내의 상기 리세스에 삽입되는 패드를 포함하며, 상기 패드는 상기 리세스의 제1 말단 벽에 접하는 제1 단부면과, 상기 리세스의 제2 말단 벽에 접하는 제2 단부면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 패드는 리세스의 제1 측벽에 접하는 제1 측면과, 리세스의 제2 측벽에 접하는 제2 측면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 스트링거의 기저는 상기 패널 표면에 접착되고, 상기 접착은 상기 패드 이전까지 형성된 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 패널의 리세스에 형성된 제1 및 제2 벽들은 서로 대향하는 방위에 있는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 패널의 리세스에 형성된 제1 및 제2 벽들은 상기 스트링거의 폭을 따라 연장하며, 상기 스트링거의 길이에 수직인 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 복합 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 외판(skin).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 복합 구조체에서의 힘 전달 방법으로서,
    패널의 표면에 형성된 제1 벽과 스트링거의 단부면 사이에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 압축력을 전달하는 단계; 및
    패널의 표면에 형성된 제2 벽과 스트링거의 반대면 사이에서 수직 반작용에 의해 패널로부터 스트링거로 인장력을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 전달 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 인장력은 상기 패널의 표면에 형성된 제1 벽과 상기 스트링거의 단부면 사이에서 상기 패널로부터 상기 스트링거로 전달되지 않으며, 압축력은 상기 패널의 표면에 형성된 제2 벽과 상기 스트링거의 반대면 사이에서 상기 패널로부터 상기 스트링거로 전달되지 않는 것을 특징으로 하는 힘 전달 방법.
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