JP6758892B2 - 金属構造体に埋設されたテアストラップ - Google Patents

Description

本開示は、航空機金属構造体の補強方法及び補強された金属構造体を含む航空機に関する。

航空機外板にテアストラップ（tear strap）を設けて、損傷許容性を得ることが可能である。例えば、テアストラップを設けることにより、航空機外板における亀裂の進展を抑制することが可能である。

テアストラップを設けない場合は、フレームやストリンガなどの補強部材を、航空機外板における亀裂の進展を抑制するような構成とすることがある。このような補強部材は、通常の荷重と損傷抑制の荷重との双方を受け持つための大型化を伴う。

通常、テアストラップは、航空機外板の内側表面における種々な位置に個別に固締及び／又は接合される。

本開示は、これらの事項及び他の事項に関して提供される。

本明細書における一実施形態による方法は、成形完了後の輪郭及び厚みを有する航空機金属構造体にテアストラップを埋設することを含む。前記テアストラップは、前記航空機金属構造体よりも相当に高強度かつ高剛性の繊維の条片からなる。前記繊維は、前記航空機金属構造体の少なくとも１つの表面の内側に超音波接合を用いて埋設される。

本明細書における別の実施形態によるシステムは、金属構造体と、前記金属構造体よりも相当に高強度及び高剛性の繊維を含むテアストラップと、前記テアストラップの前記繊維を、前記金属構造体の一表面の内側に埋設するためのエンドエフェクターと、を備える。前記エンドエフェクターは、前記繊維を前記金属構造体の一表面上に配置させるためのヘッドと、前記繊維が配置されるのに伴って前記繊維を押圧するための車輪形態のホーンと、前記車輪形態のホーンに超音波振動を印加するためのソースとを有する。

本明細書における別の実施形態による航空機は、胴体部と、翼部と、尾部と、を備える。前記胴体部、前記翼部、及び、前記尾部のうちの少なくとも１つにおける金属外板は、埋設されたテアストラップを備える。前記埋設されたテアストラップは、前記金属外板の一表面の内側に埋設された繊維を含む。前記繊維は、前記金属外板よりも相当に高剛性かつ高強度である。前記テアストラップは、前記金属外板を完全には覆っていない。

上述の特徴及び機能は、様々な実施形態において個別に達成可能であり、また、他の実施形態との組み合わせも可能である。実施形態の更なる詳細については、以下の記載と図面から明らかであろう。

航空機金属構造体に損傷食い止め部を付加する方法を示す図である。 埋設されたテアストラップを備える航空機外板を示す図である。 埋設されたテアストラップを備える航空機外板を示す図である。 航空機構造体にテアストラップを埋設するためのシステムを示す図である。 航空機を示す図である。 テアストラップ埋設前の外板パネルを示す図である。 テアストラップ埋設後の外板パネルを示す図である。

航空機の金属外板に損傷食い止め部を付加する方法を示す図１を参照する。航空機の金属外板は、アルミニウムなどの金属のシートを１枚または複数枚含む。

損傷食い止め部は、航空機金属外板における亀裂の進展を停止するように設計及び配置されたテアストラップを含む。各テアストラップは、繊維方向が好ましくは単一である繊維（つまり、一方向性繊維）の条片の形態をとる。ただし、いくつかの構成では、繊維は、織物状（fabric）や組紐状（braid）であってもよい。

これらの繊維は、航空機金属外板より相当に高強度である。これらの繊維の強度は、航空機金属外板の６倍以上である。

テアストラップは、航空機金属外板の全体には埋設しないことが好ましい。繊維の強度が航空機金属外板より相当に高ければ、比較的細幅のテアストラップで航空機金属外板の亀裂に耐えることが可能である。例えば、繊維の強度が４５０ｋｓｉであり、航空機金属外板の強度が７０ｋｓｉであると想定する。航空機金属外板及びテアストラップのそれぞれが面積の５０％において繊維体積率５０％である場合、埋設したテアストラップの強度は、理論上２６０ｋｓｉとなる。次に、０．０４０インチ厚の外板が損傷許容状態で２０ｋｓｉの荷重を負担し、テアストラップが１８インチの間隔で配置されていると想定する。この航空機金属外板において、２つのテアストラップ間に延びる亀裂が発生したとする。この亀裂の長さは１８インチであり、亀裂の各端での荷重は２０ｋｓｉ×１８ｉｎ×０．０４０ｉｎ／２＝７，２００ｌｂとなる。テアストラップ領域の強度が２６０ｋｓｉであれば、荷重に耐えるのに必要なテアストラップの面積は、７，２００ｌｂ／２６０ｋｓｉ＝０．０２７７平方インチとなる。各テアストラップの厚みが０．０１０インチであり、かつ、テアストラップが航空機金属外板の両側の表面に埋設されていれば、各テアストラップの幅は０．０２７７ｉｎ²／０．０１０ｉｎ／２＝１．３９インチにできる。つまり、比較的細幅のテアストラップで、亀裂の荷重に耐えることが可能である。

航空機金属外板の厚みは、テアストラップよりも相当に厚い。一般的に、外板厚み対テアストラップ厚みの比率は、約１０：１である。

外板厚み対繊維直径の比率は、約１００：１である。一例として、ある種類の繊維の単繊維径は０．０００４インチであり、航空機金属外板の厚みは０．０４０インチである。

繊維は、ロービング（rovings）であってもよい（ロービングとは、撚らずにゆるくまとめた繊維の束である）。例えば、１本のロービングは４００本の繊維からなる。

ロービングは、平行に配置してもよい。例えば、幅３インチのテアストラップは、７５本のロービングを平行に並べることにより形成しうる。

繊維は、航空機金属外板より相当に高剛性である。繊維の剛性は、航空機金属外板の５倍以上である。ただし、いくつかの構成では、繊維の剛性が５倍より低い場合もあり、航空機金属外板と同等の剛性である場合もある。

繊維の破損歪（strain to failure）は、航空機金属外板よりも小さい。

航空機金属外板よりも相当に高強度であれば、繊維は金属繊維であってもよいし、非金属繊維であってもよい。航空機金属外板がアルミニウムあるいはこれに類する材料から成る場合、繊維は、アラミド繊維、セラミック繊維、炭化ケイ素繊維と、から成る群から選択してもよい。これらの繊維は、アルミニウム製の航空機外板よりも剛性が相当に高く、また、アルミニウム製の航空機外板よりも破損歪が低い。加えて、これらの繊維は、アルミニウムに対する親和性を有しており、アルミニウム製の航空機外板を腐食させない。

ブロック１１０で、成形完了後の厚みと輪郭を有する航空機金属外板に対して上述の方法を開始する。そのような構造体を対象として方法を開始する理由は、テアストラップの埋設後に航空機金属外板の曲げ加工や絞り加工を行うのが困難であることによる。航空機金属外板の厚み及び輪郭に影響しないのであれば、後から航空機金属外板の一部を除去（例えば、開口を形成したり、塗装系を追加したり）することは可能である。

図２Ａをさらに参照する。上述の方法のブロック１２０において、航空機金属外板２１０の少なくとも一方の表面２１２の内側に、超音波接合を用いてロービング繊維２００を埋設し、これによりテアストラップを航空機金属外板２１０に埋設する。図２Ａでは、埋設された繊維２００を点線で示し、埋設前の繊維２００を実線で示す。繊維２００は、航空機金属外板２１０の表面２１２から少なくとも０．００１インチ内側に埋設する。

超音波接合は、（ａ）車輪形態のホーン２３０を用いて圧力を印加して、繊維２００を航空機金属外板２１０に押し付けることを含み、このことは、（ｂ）高周波（一般的には、２０，０００ヘルツ）の超音波振動を繊維２００及び航空機金属外板２１０に印加しながら行う。圧力と超音波振動との組み合わせにより、繊維２００が航空機金属外板２１０に埋設される。処理の効率的のため、航空機金属外板２１０を華氏３００度付近まで加熱してもよい。テアストラップを埋設するシステムの実施例については、後述する。

テアストラップは、図２Ａに示すように、航空機金属外板２１０の一方の表面２１２（内側表面と外側表面のいずれか）のみの内側に埋設してもよい。あるいは、航空機金属外板２１０の両表面の内側に埋設してもよい。

航空機金属外板２１０の両表面２１２及び２１４の内側に埋設された繊維２００を示す図２Ｂをさらに参照する。車輪形態のホーン２３０及び２４０は、両表面２１２及び２１４において、繊維２００と航空機金属外板２１０とに圧力を印加し、音響振動を伝達する。振動は、航空機金属外板２１０の両表面２１２及び２１４に対して与えるのが好ましい。表面２１２及び２１４のうちのいずれか一方のみに振動を与えると、航空機金属外板２１０の慣性により、他方の表面への繊維２００の埋設が妨げられることがある。

図１を参照すると、ブロック１３０において、テアストラップを埋設した航空機金属外板を補強部材に組み付ける。例えば、航空機金属外板を、フレームやストリンガなどの補強部材に固締する。

埋設されたテアストラップは、航空機金属外板の強度を局所的に高めて、損傷した領域から伝播される荷重に耐える。埋設されたテアストラップは、航空機金属外板の表面に接合あるいは装着された従来のテアストラップと同等あるいはそれ以上に機能する。

その反面、テアストラップは、航空機金属外板に埋設されるので、従来のテアストラップよりも小型にできる。その結果、埋設テアストラップは、従来のテアストラップより軽量化できる。テアストラップがより軽量であると、重量、燃料費、及び、その他の運航コストの削減が図れる。加えて、埋設テアストラップを固定するための部材や処理（例えば、留め具や接着剤）が不要になる。

上記方法は、航空機金属外板への適用に限定されない。当該方法は、航空機の他の構造体にテアストラップを埋設するのにも利用可能である。例えば、テアストラップは、金属補強部材（例えば、フレーム、ストリンガ、桁、圧力隔壁、及び、リブ）などの航空機金属構造体の表面の内側に埋設してもよい。

以下、テアストラップを金属構造体に埋設するための埋設システム３１０を示す図３を参照する。埋設システム３１０は、金属構造体を支持するための支持体（例えば、テーブル）３０５と、テアストラップとなる繊維を金属構造体の少なくとも一方の表面の内側に埋設するためのエンドエフェクター３２０と、を備える。エンドエフェクター３２０は、ファイバーの条片を金属構造体の表面に配置させるためのヘッド３３０と、配置された繊維を金属構造体内に押し込むための車輪形状のホーン３４０と、車輪形態のホーン３４０に超音波振動を与えるためのソース３５０（例えば、音響変換器）と、を有する。車輪形態のホーン３４０は、配置された繊維を金属構造体に押し込む際に、超音波振動を伝達する。

エンドエフェクター３２０は、ロービング繊維を保持するためのクリール（creel）３６０も有する。クリール３６０は、ヘッド３３０にロービングを供給する。

埋設システム３１０は、配置・配向システム３７０をさらに備えうる。配置・配向システム３７０は、例えば、ロボット、ガントリー（gantry）、あるいは、その組み合わせを含みうる。配置・配向システム３７０は、エンドエフェクター３２０を支持体３０５に対して配置・配向させるか、支持体３０５をエンドエフェクター３２０に対して配置・配向させるか、あるいは、その両方を組み合わせて行う。

図３では、単一のエンドエフェクター３２０のみが示されているが、埋設システム３１０はこれに限定されない。第１の例では、埋設システム３１０は、少なくとももう１つ別のエンドエフェクター３２０を備え、これを金属構造体の別の（例えば、反対側の）表面にテアストラップを埋設するのに用いてもよい。第２の例では、埋設システム３１０は、異なるエンドエフェクター３２０を備え、これを金属構造体において異なる方向にテアストラップを埋設するのに用いてもよい。第３の例では、複数のエンドエフェクター３２０を用いて、同一の表面における異なる部分の内側にテアストラップを埋設するようにしてもよい。

以下、航空機４１０を示す図４を参照する。航空機４１０は、胴体部４２０と、翼部４３０と、尾部４４０とを有する。これらの構造部４２０、４３０、及び、４４０はそれぞれ、金属外板４２２、４３２、及び４４２、並びに、補強部材４２４、４３４、及び、４４４を有する。胴体部４２０の補強部材４２４には、フレームとストリンガが含まれる。翼部４３０及び尾部４４０の補強部材４３４及び４４４には、桁、リブ、ストリンガが含まれる。胴体部４２０（すなわち胴体部外板）、翼部４３０、及び、尾部４４０の金属外板４２２、４３２、及び、４４２のうちの少なくとも１つは、埋設されたテアストラップを備える。

航空機４１０の中には、外板がパネルで構成されているものもある。外板パネルは、航空機金属外板を構成し、補強部材を有する。

図５は、テアストラップを埋設する前の胴体部の外板パネル５１０を示す。外板パネル５１０の外板５２０は、成形完了後の輪郭及び厚みを有している。テアストラップの埋設は、外板５２０に補強部材を取り付けるに先立って行われる。

図６は、直交グリッド状（ortho-grid）のテアストラップ６１０及び６２０を埋設した後の外板パネル５１０を示す。テアストラップのうちのいくつかのテアストラップ６１０は、周方向に延びており、別のいくつかのテアストラップ６２０は長手方向、即ち前後方向に延びている。長手方向のテアストラップ６２０は、周方向のテアストラップ６１０と、実質的に直角に交わる。２つのテアストラップ６１０及び６２０の交点では、一方のテアストラップが他方のテアストラップよりも深く埋設されている。

第１の組のテアストラップ６１０及び６２０を外板５２０の内側表面の内側に埋設し、第２の組のテアストラップ６１０及び６２０を外板５２０の外側表面の内側に埋設してもよい。これに対し、従来のテアストラップは、外板の内側表面のみに取り付けられる。

テアストラップ６１０及び６２０を内側表面と外側表面の両方の内側に埋設する場合には、周方向テアストラップ６１０の位置は、内側表面の内側に埋設されるものと外側表面の内側に埋設されるものとで整列していることが望ましい。また、長手方向テアストラップ６２０の位置は、内側表面の内側に埋設されるものと外側表面の内側に埋設されるものとで整列していることが望ましい。しかしながら、テアストラップ６１０及び６２０は、これに限定されない。

胴体部における周方向テアストラップ６１０は、フレーム位置に配置されているが、これに限定されない。また、長手方向テアストラップ６２０は、ストリンガ位置に配置されているが、これに限定されない。

テアストラップは、直交グリッドには限定されない。例えば、テアストラップを、ひし形パターンで配置してもよい。

さらに、本開示は、下記の付記による実施形態も包含する。

付記１ 成形完了後の輪郭及び厚みを有する航空機金属構造体にテアストラップを埋設することを含み、前記テアストラップは、前記航空機金属構造体よりも相当に高強度かつ高剛性の繊維の条片からなり、前記繊維は、前記航空機金属構造体の少なくとも１つの表面の内側に超音波接合を用いて埋設される、方法。

付記２ 前記繊維は、前記航空機金属構造体の６倍以上の強度を有する、付記１に記載の方法。

付記３ 前記繊維は、前記航空機金属構造体の５倍以上の剛性を有する付記１に記載の方法。

付記４ 前記テアストラップは、前記航空機金属構造体を完全には覆わない付記１に記載の方法。

付記５ 前記テアストラップを埋設することに先だって、前記航空機金属構造体の成形を完了することをさらに含む、付記１に記載の方法。

付記６ 前記繊維は、アラミド繊維と、セラミック繊維と、炭化ケイ素繊維と、から成る群から選択される、付記１に記載の方法。

付記７ 前記テアストラップのそれぞれにおいて、前記繊維は一方向性であり、ロービングとして埋設される、付記１に記載の方法。

付記８ 前記ロービングは、前記航空機金属構造体の少なくとも１つの表面から少なくとも０．００１インチ内側に埋設される、付記７に記載の方法。

付記９ 前記航空機金属構造体は、航空機金属外板を含み、前記繊維は、前記航空機金属外板に埋設される、付記１に記載の方法。

付記１０ 外板厚み対テアストラップ厚みの比率は、約１０：１である、付記９に記載の方法。

付記１１ 前記繊維は、前記航空機金属外板の内側表面及び外側表面の内側に埋設され、前記超音波接合の間、埋設圧および振動が前記航空機金属外板の両表面に印加される、付記９に記載の方法。

付記１２ 前記航空機金属外板は、航空機胴体部外板を含み、前記テアストラップは、前記航空機胴体部外板の周方向及び長手方向に延びている、付記９に記載の方法。

付記１３ 前記テアストラップを前記航空機金属外板に埋設した後に、前記航空機金属外板を補強部材に組み付けることをさらに含む、付記９に記載の方法。

付記１４ 前記航空機金属構造体は、パネル化された航空機金属外板を有し、前記繊維は、前記航空機金属外板の内側表面及び外側表面の内側に埋設される、付記１に記載の方法。

付記１５ 車輪形態のホーンにより前記繊維に埋設圧が印加され、前記ホーンが前記繊維を前記金属構造体に押し込むのに伴って、前記ホーンに超音波振動が印加される、付記１に記載の方法。

付記１６ 金属構造体と、
前記金属構造体よりも相当に高強度及び高剛性の繊維を含むテアストラップと、
前記テアストラップの前記繊維を、前記金属構造体の一表面の内側に埋設するためのエンドエフェクターと、を備えるシステムであって、前記エンドエフェクターは、前記繊維を前記金属構造体の一表面上に配置させるためのヘッドと、前記繊維が配置されるのに伴って前記繊維を押圧するための車輪形態のホーンと、前記車輪形態のホーンに超音波振動を印加するソースとを有する、システム。

付記１７ 前記金属構造体は、航空機金属外板を含む、付記１６に記載のシステム。

付記１８ 胴体部と、
翼部と、
尾部と、を備える航空機であって、
前記胴体部、前記翼部、及び、前記尾部のうちの少なくとも１つにおける金属外板は、埋設されたテアストラップを備え、前記埋設されたテアストラップは、前記金属外板の一表面の内側に埋設された繊維を含み、前記繊維は、前記金属外板よりも相当に高剛性かつ高強度であり、前記テアストラップは、前記外板を完全には覆っていない航空機。

付記１９ 前記テアストラップのうちの第１群は、前記外板内で周方向に延びており、前記テアストラップのうちの第２群は、前記外板内で長手方向に延びている、付記１８に記載の航空機。

付記２０ 前記テアストラップは、前記金属外板の外側表面及び内側表面の内側に埋設されている、付記１８に記載の航空機。

上述の方法及びシステムは、航空機の構造体に関連して説明したが、方法及びシステムはこれに限定されない。航空機に関連しない構造体には、圧力容器がある。

Claims (10)

1. 成形完了後の輪郭及び厚みを有する航空機金属構造体にテアストラップを埋設することを含み、前記テアストラップは、前記航空機金属構造体よりも相当に高強度かつ高剛性の繊維（２００）の条片からなり、前記繊維は、前記航空機金属構造体の少なくとも１つの表面（２１２）の内側に超音波接合を用いて埋設される、方法であって、
   前記航空機金属構造体は、航空機金属外板（２１０）を含み、前記繊維（２００）は、前記航空機金属外板（２１０）の内側表面及び外側表面の内側に埋設され、前記超音波接合の間、埋設圧および振動が前記航空機金属外板の両表面に印加され、前記方法は、さらに、前記テアストラップを前記航空機金属外板に埋設した後に、前記航空機金属外板を補強部材に組み付けることを含む、方法。
2. 前記繊維（２００）は、前記航空機金属構造体の６倍以上の強度を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記繊維（２００）は、前記航空機金属構造体の５倍以上の剛性を有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記テアストラップは、前記航空機金属構造体を完全には覆わない、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記テアストラップを埋設することに先だって、前記航空機金属構造体の成形を完了することをさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記繊維（２００）は、アラミド繊維と、セラミック繊維と、炭化ケイ素繊維と、から成る群から選択される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記テアストラップのそれぞれにおいて、前記繊維（２００）は一方向性であり、ロービングとして埋設され、前記ロービングは、前記航空機金属構造体の少なくとも１つの表面（２１２）から少なくとも０．００１インチ内側に埋設される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 外板厚み対テアストラップ厚みの比率は、約１０：１であり、前記航空機金属外板（２１０）は、航空機胴体部外板を含み、前記テアストラップは、前記航空機胴体部外板の周方向及び長手方向に延びている、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記航空機金属構造体は、パネル化された航空機金属外板を有し、前記繊維（２００）は、前記航空機金属外板の内側表面及び外側表面の内側に埋設される、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 車輪形態のホーン（２３０）により前記繊維（２００）に埋設圧が印加され、前記ホーンが前記繊維を前記航空機金属構造体に押し込むのに伴って、前記ホーンに超音波振動が印加される、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。

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