WO2015098147A1 - アイソグリッドパネル構造体およびアイソグリッドパネル構造体製造方法 - Google Patents

Abstract

外板がリブにより補強されることにより形成されるアイソグリッドパネル構造体を低コストで作製する。管（１１）を複数の管（１２－１～１２－ｎ）に切断すること（ステップＳ１）、外板（１４）を補強するリブが複数の管（１２－１～１２－ｎ）から形成されるように、複数の管（１２－１～１２－ｎ）を外板（１４）に接合すること（ステップＳ２）と、を備えている。このようなアイソグリッドパネル構造体製造方法よれば、外板（１４）を補強するリブを複数の管（１２－１～１２－ｎ）から形成することにより、外板（１４）がリブにより補強されることにより形成されるアイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することができる。

Description

アイソグリッドパネル構造体およびアイソグリッドパネル構造体製造方法

　本発明は、アイソグリッドパネル構造体およびアイソグリッドパネル構造体製造方法に関し、特に、繊維強化樹脂から形成されるアイソグリッドパネル構造体およびアイソグリッドパネル構造体製造方法に関する。

　航空機やロケット等の製品は、軽量であることが要求され、外板を薄くすることが望まれ、外板に炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ、Ｃａｒｂｏｎ－Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）に例示される複合材を適用することが望まれている（特許文献１参照。）。

特開平９－１６８１号公報

　航空機やロケット等の製品の外板は、さらに、座屈を防止する必要がある。座屈を防止する構造として、外板に格子状の小骨（リブ）が設けられたアイソグリッド構造が知られている。炭素繊維強化樹脂を用いて形成されたアイソグリッドパネル構造体は、金属を用いて形成されたアイソグリッドパネル構造体に比較して、成形にコストを要する。繊維強化樹脂から形成されるアイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することが望まれている。

　本発明の課題は、低コストで作製されるアイソグリッドパネル構造体およびアイソグリッドパネル構造体製造方法を提供することにある。

　本発明の第１の態様にかかるアイソグリッドパネル構造体は、繊維強化樹脂から形成される複数の管が互いに接合されることにより形成されるリブと、繊維強化樹脂から形成される外板とを備えている。このとき、前記リブは、前記複数の管の各々の一端が前記外板により塞がれるように、前記外板に接合される。
　このようなアイソグリッドパネル構造体は、外板を補強するリブが複数の管から形成されることにより、容易に作製されることができる。

　前記第１の態様にかかるアイソグリッドパネル構造体は、前記複数の管を互いに接着する接着剤をさらに備えていてもよい。
　このようなアイソグリッドパネル構造体は、接着剤を用いて複数の管が互いに接着されることにより、外板を補強するリブが容易に作製されることができ、容易に作製されることができる。

　前記第１の態様にかかるアイソグリッドパネル構造体は、前記複数の管が接合される接合領域に沿って配置される強化部材をさらに備えていてもよい。
　このようなアイソグリッドパネル構造体は、強化部材が沿う直線の方向の曲げ剛性を向上させることができる。

　前記複数の管が形成される材料は、前記外板が形成される材料と異なっていてもよい。
　このようなアイソグリッドパネル構造体は、リブと外板とが異なる材料から形成されることにより、リブと外板とが同一の材料から形成される他のアイソグリッドパネル構造体に比較して、適切な属性（強度・曲げ剛性・減衰性）を有するように形成されることができる。

　前記複数の管は、アラミド系繊維を含むアラミド系繊維強化樹脂から形成され、前記外板は、炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂から形成されていてもよい。
　このようなアイソグリッドパネル構造体は、航空機の翼に好適である属性（強度・曲げ剛性・減衰性）を有している。

　前記複数の管は、前記複数の管のうちの隣り合う２つの管が接合される接合面に沿う平面が、前記複数の管のうちの前記２つの管と異なる他の管に重なるように、配置されていてもよい。

　前記複数の管は、複数の小管と、複数の大管とを含んでいる。このとき、前記複数の大管のうちの任意の大管の断面積は、前記複数の小管のうちの任意の小管の断面積より大きくてもよい。
　このようなアイソグリッドパネル構造体は、リブを形成する複数の管が複数の小管と複数の大管とを含むことにより、外板が平坦でない場合でも、外板に複数の管を適切に敷き詰めることができ、適切な属性を有するように低コストで作製されることができる。

　本発明の第２の態様にかかる航空機は、本発明によるアイソグリッドパネル構造体から形成される翼を備えている。このとき、前記強化部材は、前記翼の翼長方向に平行である直線に沿って配置されている。
　このような航空機は、翼の翼長方向の引張強度が高く、好ましい。

　本発明の第３の態様にかかるアイソグリッドパネル構造体製造方法は、管を複数の管に切断することと、外板を補強するリブが前記複数の管から形成されるように、前記複数の管を前記外板に接合することと、を備えている。
　このようなアイソグリッドパネル構造体製造方法よれば、外板を補強するリブを複数の管から形成することにより、外板がリブにより補強されることにより形成されるアイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することができる。

　前記第３の態様にかかるアイソグリッドパネル構造体製造方法は、フィラメントワインディングにより前記管を作製することをさらに備えていてもよい。
　フィラメントワインディングにより作製された管は、モールディングにより作製する管に比較して、位置による強度のむらが少ない。このため、このようなアイソグリッドパネル構造体製造方法よれば、複数の管が一様の強度を有するように作製することができ、強度が適切であるアイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することができる。

　前記管は、繊維に樹脂が含浸された半硬化体から形成されている。このとき、前記複数の管は、加熱されることにより、互いに接合されてもよい。
　このようなアイソグリッドパネル構造体製造方法によれば、別途に接着剤を利用することなく、外板がリブにより補強されることにより形成されるアイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することができる。

　本発明によるアイソグリッドパネル構造体およびアイソグリッドパネル構造体製造方法は、外板を補強するリブが複数の管から形成されることにより、製造コストを低減することができる。

アイソグリッドパネル構造体を示す斜視図である。 アイソグリッドパネル構造体のリブを示す平面図である。 アイソグリッドパネル構造体を示す断面図である。 アイソグリッドパネル構造体製造方法を示す図である。 他のアイソグリッドパネル構造体を示す斜視図である。 他のアイソグリッドパネル構造体を示す断面図である。 さらに他のアイソグリッドパネル構造体を示す斜視図である。 さらに他のアイソグリッドパネル構造体のリブを示す平面図である。

　図面を参照して、アイソグリッドパネル構造体の実施の形態が以下に記載される。そのアイソグリッドパネル構造体１は、図１に示されているように、外板２とリブ３とを備えている。外板２は、炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂から形成される平坦な板に形成されている。リブ３は、外板２の一方の面に接合されている。

　リブ３は、図２に示されるように、複数の管５－１～５－ｎ（ｎ＝２，３，４，…）と接着剤６とを備えている。複数の管５－１～５－ｎは、それぞれ、アラミド系繊維を含むアラミド系繊維強化樹脂から形成され、互いに合同である。複数の管５－１～５－ｎの任意の管５－ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）は、断面形状が概ね正方形である管状に形成され、概ね平坦である４つの外側面が形成されている。複数の管５－１～５－ｎは、格子状に配置され、すなわち、管５－ｉの外側面が他の管５－ｊの外側面に対向するように、配置されている。

　接着剤６は、熱可塑性樹脂から形成されている。接着剤６は、複数の管５－１～５－ｎの間に挟まれた空間に充填され、複数の管５－１～５－ｎを互いに接着している。

　複数の管５－１～５－ｎは、さらに、図３に示されるように、管５－ｉの内部に形成された流路の一端が外板２の一方の面により閉鎖されるように、接着剤６を介して外板２に接着されている。複数の管５－１～５－ｎは、さらに、各管５－ｉにより形成される流路の方向が外板２の表面に垂直になるように、外板２に接合されている。このため、リブ３は、外板２の表面に垂直である複数の平面にそれぞれ沿う複数の板状部材から形成される。その結果、アイソグリッドパネル構造体１は、所謂アイソグリッドパネル構造に形成される。

　アイソグリッドパネル構造体１は、このように外板２にリブ３が接合されることにより、所定の強度を有するように、所定の曲げ剛性を有するように形成される。炭素繊維で強化された炭素繊維強化樹脂は、アラミド系繊維で強化されたアラミド系繊維強化樹脂に比較して、強度がより高く、曲げ剛性がより高い。アラミド系繊維強化樹脂は、炭素繊維強化樹脂に比較して、振動減衰性がより高い。このため、アイソグリッドパネル構造体１は、所定の強度・曲げ剛性を有し、所定の振動減衰性を有している。アイソグリッドパネル構造体１は、所定の強度・曲げ剛性と所定の振動減衰性とを有していることにより、航空機の胴体の外板に好適であり、航空機の翼の外板に好適である。

　アイソグリッドパネル構造体製造方法の実施の形態は、アイソグリッドパネル構造体１を作製する方法である。アイソグリッドパネル構造体製造方法では、図４に示されるように、まず、断面が概ね正方形である管１１が準備される。管１１は、アラミド系繊維で強化されたアラミド系繊維強化樹脂から形成され、フィラメントワインディングにより作製される。すなわち、管１１は、柱体に形成された型の側面に巻き付けられたアラミド系繊維に含浸させた樹脂を硬化させることにより作製される。管１１は、所定の長さごとに切断され、互いに合同である複数の管１２－１～１２－ｎに分割される（ステップＳ１）。

　外板１４がさらに準備され、複数の管１２－１～１２－ｎは、各管１２－ｉの内部に形成された流路の一端が外板１４の一方の面により閉鎖されるように、かつ、管１２－ｉの外側面が他の管１２－ｊの外側面に対向するように格子状に、配置される（ステップＳ２）。このとき、複数の管１２－１～１２－ｎは、互いに合同に形成されていることにより、外板１４の一方の面に容易に充填することができる。複数の管１２－１～１２－ｎの外側面の間には、熱可塑性樹脂が充填され、複数の管１２－１～１２－ｎと外板１４との間にも、熱可塑性樹脂が充填される。

　複数の管１２－１～１２－ｎと外板１４とは、組み立てられた状態で、加熱される。熱可塑性樹脂は、複数の管１２－１～１２－ｎと外板１４とが加熱されることにより、硬化し、複数の管１２－１～１２－ｎを互いに接着させ、複数の管１２－１～１２－ｎを外板１４に接着させる。複数の管１２－１～１２－ｎと外板１４とは、熱可塑性樹脂が複数の管１２－１～１２－ｎを互いに接着し、熱可塑性樹脂が複数の管１２－１～１２－ｎを外板１４に接着することにより、アイソグリッドパネル構造体１に形成される。すなわち、このように作製されたアイソグリッドパネル構造体１は、外板２が外板１４に対応し、複数の管５－１～５－ｎが複数の管１２－１～１２－ｎに対応し、接着剤６が熱可塑性樹脂に対応している。

　このようなアイソグリッドパネル構造体製造方法によれば、複数の管１２－１～１２－ｎからリブ３を形成することにより、アイソグリッドパネル構造体を一体成形により作製する他の製造方法に比較して、アイソグリッドパネル構造体１をより低コストで作製することができる。

　図５は、アイソグリッドパネル構造体の実施の他の形態を示している。そのアイソグリッドパネル構造体２１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１がさらに複数の強化部材２２を備えている。複数の強化部材２２は、炭素繊維から形成され、紐状に形成されている。複数の強化部材２２は、複数の平行線にそれぞれ沿うように配置され、複数の管５－１～５－ｎの接合部に沿って配置されている。複数の強化部材２２の任意の強化部材は、図６に示されているように、接着剤６を介して複数の管５－１～５－ｎに接合されている。

　このようなアイソグリッドパネル構造体２１は、外板２にリブ３が接合されることにより、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１と同様にして、所定の強度を有し、所定の曲げ剛性を有している。アイソグリッドパネル構造体２１は、さらに、複数の強化部材２２を備えることにより、複数の強化部材２２がそれぞれ沿う複数の平行線の方向に高い引っ張り強度を有する。

　アイソグリッドパネル構造体２１は、航空機の翼の板に適用されるときに、複数の強化部材２２がそれぞれ沿う複数の平行線の方向が翼長方向に概ね平行に配置されるように、利用される。このとき、アイソグリッドパネル構造体２１は、航空機の翼の翼長方向に所定の曲げ剛性を与えることができ、航空機の翼に好適である。

　アイソグリッドパネル構造体２１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１と同様にして、複数の管１２－１～１２－ｎと外板１４とが組み立てられた後に、複数の管１２－１～１２－ｎの接合部に複数の強化部材２２が配置された状態で、加熱されることにより、作製される。すなわち、アイソグリッドパネル構造体２１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１と同様にして、低コストで作成されることができる。

　図７は、アイソグリッドパネル構造体の実施のさらに他の形態を示している。そのアイソグリッドパネル構造体３１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１の複数の管５－１～５－ｎが他の複数の管３２－１～３２－ｎに置換されている。複数の管３２－１～３２－ｎは、千鳥状に配置され、すなわち、図８に示されているように、複数の管３２－１～３２－ｎは、管３２－ｉの１つの外側面と管３２－ｊの１つの外側面とが重なるように接合されているときに、管３２－ｉと管３２－ｊとの接合面に沿う平面３３が管３２－ｋ（ｋ≠ｉ、かつ、ｋ≠ｊ、かつ、ｋ＝１，２，３，…，ｎ）と交差するように、配置されている。

　このようなアイソグリッドパネル構造体３１は、複数の管３２－１～３２－ｎから形成されるリブが外板２に接合されることにより、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１、２１と同様にして、所定の強度を有し、所定の曲げ剛性を有している。アイソグリッドパネル構造体３１は、さらに、接着剤６のうちの管３２－ｉと管３２－ｊとの間の部分に亀裂が形成されたときに、管３２－ｉと管３２－ｊとの接合面に沿う平面３３が管３２－ｋと重なっていることにより、その亀裂が進展しにくい。このため、アイソグリッドパネル構造体３１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１に比較して、平面３３と垂直な方向の引っ張り強度がより高い。

　アイソグリッドパネル構造体３１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１と同様にして、複数の管１２－１～１２－ｎと外板１４とが組み立てられた後に互いに接合されることにより、作製される。すなわち、アイソグリッドパネル構造体３１は、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体１と同様にして、低コストで作成されることができる。

　アイソグリッドパネル構造体３１は、さらに、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体２１と同様にして、複数の強化部材を備えることができる。その複数の強化部材は、平面３３と垂直な方向に平行である複数の平行線に沿って配置され、複数の管３２－１～３２－ｎを互いに接着する接着剤により複数の管３２－１～３２－ｎに接着される。アイソグリッドパネル構造体は、平面３３と垂直な方向の引っ張り強度がさらに高い。

　複数の管５－１～５－ｎ、３２－１～３２－ｎは、断面が正方形と異なる他の四角形に形成される他の複数の管に置換されることができる。その四角形としては、台形、平行四辺形が例示される。このような複数の管も、外板２の表面に適切に充填されることができ、このような複数の管が適用されるアイソグリッドパネル構造体は、適切な属性（強度・曲げ剛性・減衰性）を有するように形成され、低コストで作製されることができる。

　さらに、複数の管５－１～５－ｎは、断面が四角形と異なる形状に形成される他の複数の管にも置換されることができる。その形状としては、三角形、平行六角形が例示される。複数の管３２－１～３２－ｎに関しては、断面が三角形に形成される複数の管にも置換されることができる。このような複数の管も、外板２の表面に適切に充填されることができ、このような複数の管が適用されるアイソグリッドパネル構造体は、適切な属性（強度・曲げ剛性・減衰性）を有するように形成され、低コストで作製されることができる。

　さらに、複数の管５－１～５－ｎは、互いに十分に強固に接合されることができるときに、複数の管５－１～５－ｎの隙間を接着剤６で充填する必要がなく、複数の管５－１～５－ｎの隙間に接着剤６が充填されない空間が形成されてもよい。このとき、複数の管５－１～５－ｎは、平面を充填可能な形状に断面が形成される必要がなく、たとえば、断面形状が円である複数の管に置換されることもできる。

　外板２は、複数の管５－１～５－ｎが互いに十分に強固に接合されることができるときに、平坦でない曲面に形成された表面を有する外板に置換されることができる。たとえば、複数の管５－１～５－ｎは、複数の管５－１～５－ｎの間の接着剤６の厚さが一様でないように形成されることにより、平坦でない曲面に充填されることができる。このようなアイソグリッドパネル構造体も、適切な属性（強度・曲げ剛性・減衰性）を有するように形成されることができ、低コストで作製されることができる。

　複数の管５－１～５－ｎは、大きさが異なる管を含むこともできる。このとき、アイソグリッドパネル構造体は、外板２の表面のうちの曲率が大きい領域に断面積が小さい管を配置し、曲率が小さい領域に断面積が大きい管を配置することにより、複数の管５－１～５－ｎの隙間が比較的小さくなるように、適切に充填することができ、適切な属性（強度・曲げ剛性・減衰性）を有するように形成されることができ、低コストで作製されることができる。

　なお、管１１は、フィラメントワインディングと異なる方法で作製されることができる。その方法としては、モールディングが例示される。すなわち、管１１は、強化繊維が配置された型の内部に樹脂を注入することにより強化繊維に樹脂を含浸させ、強化繊維が配置された型の内部に樹脂を注入することにより強化繊維に樹脂を含浸させ、その樹脂を硬化させることにより作製される。モールディングにより作製された管を用いてアイソグリッドパネル構造体を作製した場合も、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体製造方法と同様にして、アイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することができる。

　複数の管１２－１～１２－ｎは、熱可塑性樹脂を添加しないで互いに接合されることもできる。その方法としては、半硬化体から形成された管１１を用いる方法が例示される。このとき、複数の管１２－１～１２－ｎは、半硬化体から形成された管１１が切断されることにより形成され、互いに接触するように外板１４上に配置された状態で、熱圧着されることにより、互いに接合され、外板１４に接合される。複数の管１２－１～１２－ｎをこのように接合した場合でも、既述の実施の形態におけるアイソグリッドパネル構造体製造方法と同様にして、アイソグリッドパネル構造体を低コストで作製することができる。

　１　：アイソグリッドパネル構造体
　２　：外板
　３　：リブ
　５－１～５－ｎ：複数の管
　６　：接着剤
　１１：管
　１２－１～１２－ｎ：複数の管
　１４：外板
　２１：アイソグリッドパネル構造体
　２２：複数の強化部材
　３１：アイソグリッドパネル構造体
　３２－１～３２－ｎ：複数の管
　３３：平面

Claims (11)

1. 　繊維強化樹脂から形成される複数の管が互いに接合されることにより形成されるリブと、
   　繊維強化樹脂から形成される外板と、を備え、
   　前記リブは、前記複数の管の各々の一端が前記外板により塞がれるように、前記外板に接合されるアイソグリッドパネル構造体。
2. 　前記複数の管を互いに接着する接着剤をさらに備える請求項１に記載されるアイソグリッドパネル構造体。
3. 　前記複数の管が接合される接合領域に沿って配置される強化部材をさらに備える請求項１～請求項２のうちのいずれか一項に記載されるアイソグリッドパネル構造体。
4. 　前記複数の管が形成される材料は、前記外板が形成される材料と異なる請求項１～請求項３のうちのいずれか一項に記載されるアイソグリッドパネル構造体。
5. 　前記複数の管は、アラミド系繊維を含むアラミド系繊維強化樹脂から形成され、
   　前記外板は、炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂から形成される請求項４に記載されるアイソグリッドパネル構造体。
6. 　前記複数の管は、前記複数の管のうちの隣り合う２つの管が接合される接合面に沿う平面が、前記複数の管のうちの前記２つの管と異なる他の管に重なるように、配置される請求項１～請求項５のうちのいずれか一項に記載されるアイソグリッドパネル構造体。
7. 　前記複数の管は、
   　複数の小管と、
   　複数の大管と、を含み、
   　前記複数の大管のうちの任意の大管の断面積は、前記複数の小管のうちの任意の小管の断面積より大きい請求項１～請求項５のうちのいずれか一項に記載されるアイソグリッドパネル構造体。
8. 　請求項３に記載されるアイソグリッドパネル構造体から形成される翼を備え、
   　前記強化部材は、前記翼の翼長方向に平行である直線に沿って配置される航空機。
9. 　管を複数の管に切断することと、
   　外板を補強するリブが前記複数の管から形成されるように、前記複数の管を前記外板に接合することと、
   を備えるアイソグリッドパネル構造体製造方法。
10. 　フィラメントワインディングにより前記管を作製することをさらに備える請求項９に記載されるアイソグリッドパネル構造体製造方法。
11. 　前記管は、繊維に樹脂が含浸された半硬化体から形成され、
    　前記複数の管は、加熱されることにより、互いに接合される請求項９～請求項１０のうちのいずれか一項に記載されるアイソグリッドパネル構造体製造方法。

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