JP5792076B2 - 複合構造の予測可能な結合補修のためのテーパつきパッチ - Google Patents

Description

本発明は、概して複合構造に関し、具体的には不整合箇所を含む複合構造の領域を補修するための方法と複合パッチに対処する。

複合構造は、ときに、構造を設計許容度内に適応させるために補修が必要な一又は複数の不整合箇所を含む局所領域を有する。

過去の一補修プロセスは、不整合領域を覆うように配置されて、メカニカルファスナーを用いて親構造に固定されるパッチを使用して実行された。このような補修技術は、ファスナーの目視検査を行うことにより長時間にわたってパッチの状態を監視できるので望ましい。しかしながら、ファスナーの使用は航空機の重量及び／又は航空機上の抗力を増大させる可能性があり、また用途によっては美的に望ましくない。

幾つかの用途では、補修パッチは接着継手の使用により親構造に固定されているが、この技術も、停止機構を形成して不整合箇所の進展を制限する第２の負荷経路となるメカニカルファスナーを使用することが必要である。更に、親構造上に補修パッチを固定する接着継手に生じる変化は、継手又は継手のインターフェースの停止機構が目視できないため、長時間にわたって容易に監視することができない。

したがって、目視又は他の種類の非破壊的検査技術を用いた長時間にわたる補修領域の状態の監視を可能にしながら、複合構造の不整合領域を補修する補修パッチ及び補修方法が必要とされている。

開示される実施形態により、補修パッチ、並びにメカニカルファスナーを必要とせずに結合式補修パッチを使用して複合構造を補修する方法が提供される。この補修パッチは、補修された領域の状態を長時間にわたって目視検査することが可能で、将来的な接着継手の変化を確実に予測することができるという特徴を有している。補修領域の状態が目視検査可能であり、且つ未来の結合状態に関する予測が可能であるため、本結合式補修パッチ及び目視検査技術は航空機認可機関による補修の認可を可能にするものである。

開示される一実施形態によれば、複合構造の不整合領域を補修するためのパッチが提供される。本パッチは、不整合領域を覆う複合積層パッチと、積層パッチを複合構造に結合する接着層とを含んでいる。積層パッチは、テーパの付いた断面を有し、それぞれ異なる破壊靭性を有する第１及び第２の領域を含む複数の複合プライを含んでいる。パッチの第１及び第２の領域は、第１組及び第２組のプライによって画定され、各組のプライの縁がテーパの付いた断面を形成している。一実施形態では、積層パッチは、第１及び第２の領域の破壊靭性とは異なる破壊靱性を有する第３の領域を含んでいる。第１の領域と第２の領域とは、互いに実質的に隣接し、且つ同心に配置されている。接着層の厚さは、層の外縁から中心領域に向かって次第に薄くなっていてよい。

別の実施形態によれば、複合積層パッチと、複合構造に積層パッチを結合する接着層とを含む、複合構造の不整合領域の補修用パッチが提供される。積層パッチは、異なる積層内破壊靭性を有する第１及び第２の領域をそれぞれ画定する少なくとも第１組及び第２組の複合積層プライを含んでいる。第１組のプライの幅は第２組のプライの幅より大きく、プライの各組はテーパの付いた縁を有することができる。第１組及び第２組それぞれのプライは、異なる成層配向シーケンス及び／又は異なるプライ数を有することができる。

また別の実施形態によれば、複合構造の不整合領域の補修は、不整合領域を囲む複合構造上のテーパ付きの縁、及び不整合領域を覆うテーパ付きの複合パッチを含む。構造上のテーパ付きの縁は、それぞれ第１及び第２のスカーフ角度を有する第１及び第２のテーパ付き表面を含んでいる。パッチは、複合構造の第１及び第２のテーパ付き表面にそれぞれ結合される第１及び第２のテーパ付き部分を有するナッジ部を含んでいる。一実施形態では、複合構造のテーパの付いた縁は、第３のスカーフ角度を有する第３のテーパ付き表面を含み、テーパ付きパッチの縁は、複合構造の縁の第３のテーパ付き表面に結合される第３の部分を含む。複合パッチは、異なる積層内破壊靭性を有する第１及び第２の領域をそれぞれ画定する少なくとも第１組及び第２組の複合積層プライを含んでいる。

開示される方法の一実施形態によれば、複合構造内の、不整合を含む一の領域が補修される。本方法は、不整合な領域を囲む構造の縁にテーパを付けることを含み、縁に少なくとも第１及び第２のスカーフ角度を形成することを含む。テーパの付いた縁を有する複合パッチが形成される。結合されるスカーフ継手は、パッチのテーパの付いた縁と、複合構造のテーパの付いた縁との間に形成される。複合パッチの形成は、構造の縁に位置する第１及び第２のスカーフ角度にそれぞれ対応する、パッチの縁に位置する第１及び第２のテーパ角度を含むことができる。

開示される実施形態は、補修状態を目視により監視することができ、接着継手のあらゆる変化を目視検査に基づいて予測できる、複合材料の不整合領域の補修を可能にする方法と結合式複合材補修パッチとに対する需要を満たす。

１０．複合構造の不整合領域を補修するためのパッチであって、
少なくとも第１組及び第２組の複合積層プライを含む、不整合領域を覆う複合積層パッチであって、第１組及び第２組の複合積層プライが、異なる積層内破壊靭性を有する第１及び第２の領域をそれぞれ画定し、第１組のプライが第１の幅を有し、第２組のプライが、第１の幅とは異なる第２の幅を有する複合積層パッチと、
複合構造に積層パッチを結合する接着層と
を含むパッチ。

１１．第１の幅が第２の幅より狭く、
第１組のプライが第１の面を有し、
第２組のプライが、第１の面とは反対方向を向き、接着層により複合構造に結合される第２の面を有する、
請求項１０に記載のパッチ。

１２．第１組及び第２組それぞれのプライがテーパの付いた縁を含んでいる、請求項１０に記載のパッチ。

１３．第１組及び第２組それぞれのプライが、ファイバ配向及び成層配向のシーケンスを有する補強ファイバを含んでおり、
第１組のプライの成層シーケンスが、第２組のプライの成層シーケンスとは異なっている、
請求項１０に記載のパッチ。

１４．第１組のプライの数が第２組のプライの数とは異なっている、請求項１０に記載のパッチ。

１５．第１組のプライの厚さが第２組のプライの厚さとは異なっている、請求項１０に記載のパッチ。

１６．接着層の厚さが、層の外縁から層の中央に向かって次第に薄くなっている、請求項１０に記載のパッチ。

１７．複合構造の不整合領域の補修が、
不整合領域を囲む複合構造のテーパ付きの縁であって、それぞれ第１及び第２のスカーフ角度を有する第１及び第２のテーパ付き表面を含むテーパ付きの縁と、
不整合領域を覆うテーパ付き複合積層パッチであって、複合構造の縁の第１及び第２のテーパ付き表面にそれぞれ結合された第１及び第２のテーパ付き部分を有する縁を含み、複合構造とテーパ付き複合積層パッチとの間にスカーフ継手を形成するテーパ付き複合積層パッチと
を含む補修。

１８．複合構造上のテーパ付きの縁が、第３のスカーフ角度を有する第３のテーパ付き表面を含み、
テーパ付きパッチの縁が、複合構造の縁の第３のテーパ付き表面に結合される第３の部分を含む、
請求項１７に記載の補修。

１９．テーパ付き積層パッチが、異なる積層内破壊靭性を有する第１及び第２の領域をそれぞれ画定する少なくとも第１組及び第２組の複合積層プライを含む、
請求項１７に記載の補修。

２４．航空機の複合構造の不整合領域を補修するためのパッチであって、
破壊靱性の異なる第１、第２、及び第３の領域をそれぞれ画定する第１組、第２組、及び第３組の積み重ねられた複合プライを含み、不整合領域を覆う複合積層パッチと、
それぞれ第１、第２、及び第３の角度にテーパを付けた縁を有する第１組、第２組、及び第３組のプライと、
不整合領域を囲む複合構造の縁に形成されて、第１、第２、及び第３の角度と概ね一致するスカーフ角度をそれぞれ有する第１、第２、及び第３の表面と、
複合構造の縁の第１、第２及び第３の表面にプライの縁を結合する接着層と
を含むパッチ。

２５．航空機の複合構造の、不整合性を有する一領域を補修する方法であって、
不整合な領域を囲む複合構造の縁にテーパを付けることであって、第１のスカーフ角度を有する第１のテーパ付き表面を形成すること、第２のスカーフ角度を有する第２のテーパ付き表面を形成すること、及び第３のスカーフ角度を有する第３のテーパ付き表面を形成することを含むことと、
テーパの付いた複合積層パッチを形成することであって、
第１組、第２組、及び第３組の複合プライを積み重ねること、
各組のプライに異なる複合材料を使用することにより、それぞれ異なる積層内破壊靭性を有する第１、第２、及び第３の領域を積層パッチ内に形成すること、並びに
各組のプライの縁に、第１、第２、及び第３のスカーフ角度にそれぞれ対応する角度でテーパを付けること
を含むことと、
航空機の複合構造の該当領域を覆うようにパッチを配置することと、
プライの組の縁と、航空機の複合構造の第１、第２、及び第３の面との間に接着層を導入することと、
接着層を使用して、テーパの付いたパッチのプライの組の縁を、航空機の複合構造の縁に結合することと
を含む方法。

図１は、複合構造上の結合式補修パッチを示している。 図２は、図１の線２−２に沿った断面図である。 図３は、図２に示す接着層の平面図である。 図３Ａ〜Ｃは、図３に示す接着層のセクションそれぞれの平面図である。 図４は、図３の線４−４に沿った断面図である。 図５は、図１に示される補修パッチの一部を形成する複合積層パッチの平面図である。 図６は、図５の線６−６に沿った断面図である。 図７は、不整合性を含む一領域内の親構造に結合されたテーパ付きパッチの断面図である。 図８は、図７に類似であるが、パッチの個々のプライと、接着継手を形成する接着層とを示している。 図８Ａは、パッチの別の実施形態の部分断面図である。 図９は、図８に示す接着層の断面図である。 図１０は、スカーフ継手を使用して親構造に結合されたテーパ付き補修パッチの断面図である。 図１１は、図１０に示す親構造の一部の断面図であり、材料を除去して複数のテーパを形成する領域が分かり易く示されている。 図１２は、図７に示すテーパ付き補修パッチの平面図であり、剥離の典型的な伝播経路を示している。 図１３は、テーパ付きパッチの複数の領域にまたがる剥離の進行を示す断面図である。 図１４は、テーパ付きパッチの複数の領域にまたがる剥離の進行を示す断面図である。 図１５は、テーパ付きパッチの複数の領域にまたがる剥離の進行を示す断面図である。 図１６は、テーパ付き補修パッチを使用して複合構造の不整合領域を補修する方法のフロー図である。 図１７は、航空機の製造及び整備方法のフロー図である。 図１８は、航空機のブロック図である。

図１及び２に示すように、開示される実施形態によれば、補修用複合パッチ３０は、複合構造２４の不整合領域２２を補修するために使用される。本明細書で使用する「不整合領域」、「不整合性」、及び「不整合箇所」は、いずれも設計の公差を逸脱する複合構造２４の局所領域を指す。不整合性２２は、限定しないが、例えば、複合構造２４が製造される時点で生じるか、又はその後複合構造２４の耐用期間中に生じうる空隙、凹み、又は気孔を含む。

複合パッチ３０は、不整合領域２２の上に重なり、構造用接着剤の層３４により複合構造２４に結合されて接着継手４２を形成する複合積層パッチ３２を含んでいる。パッチ３０の大きさは、用途及び不整合領域２２の寸法に応じて変化させることができる。接着層３４は、接着継手４２及び領域２２を、構造２４とパッチ３０との間で伝達される遷移負荷を円滑に減少させうる第１、第２、及び第３の制御領域３６、３８、４０に分割する。第１の制御領域３６は、不整合領域２２を覆って中心に位置しており、第２及び第３の制御領域４６、４８は、それぞれ中央に位置する第１の領域３６を囲む一対のほぼ同心円状のリング域を含んでいる。図では、開示される実施形態の領域３６、３８、４０はほぼ円形であるが、他の様々な形状が可能である。また、他の実施形態では、パッチ３０は二つの制御領域３６、３８のみを有してもよく、又は三つの制御領域３６、３８、４０より多い制御領域を有してもよい。

第１の制御領域３６は、有利な面内付着応力を示すことができる。第２の制御領域３８は耐久性領域と呼ばれ、この領域内のパッチ３２と親構造２４との間に生じた剥離については、評価及び定量化することにより補修の必要性を決定することが必要である。第３の制御領域４０は、最大の面内せん断及び剥離モーメントを有することができ、パッチ３２と親構造２４との間の全体的な構造的結合の挙動に影響しうる。

次に図２〜４を参照すると、接着層３４は、中央に円形セクション４４を含み、この円形セクション４４は同心のリング形状セクション４６及び４８により囲まれている。接着セクション４４、４６、４８の大きさ及び形状は、それぞれ補修パッチ３０の第１、第２、及び第３の制御領域３６、３８、４０に概ね相当する。接着セクション４４、４６、４８の各々は、通常は所望の形状に切り離すことが可能なフィルム状又はシート状の市販の構造接着剤からなる一又は複数のプライを含むことができる。接着セクション４４、４６、４８は、市販の構造接着ペーストから形成することもできる。上述のように、接着性のシート材からなる複数のプライ（図示しない）を積み上げて、接着セクション４４、４６、４８の各々について所望の厚さ「ｔ」を形成することができる。結合の強さは、パッチ３２と構造２４との間の厚さ「ｔ」を用いて調節することができる。用途及び接着シートの厚さに応じて、接着性のシート材のプライを一つしか必要としない用途もあれば、複数のプライが必要な用途もある。

一実施形態では、接着セクション４４、４６、４８の間に環状の隙間「ｇ」を形成することにより、積層パッチ３２と複合構造２４との間の潜在的剥離の進展を停止させることを補助することができる。このような停止の補助となる隙間「ｇ」の一方又は両方に、充填剤５０を配置することができる。

接着セクション４４、４６、４８の各々の特性は、接着継手４２の第１、第２、及び第３の制御領域３６、３８、４０からそれぞれ歪みエネルギーが放出される速度に影響するように調節することができる。接着セクション４４、４６、４８の各々の調節は、厚さ「ｔ」又は幅「ｗ」といった接着セクション４４、４６、４８の寸法を変更することにより、或いはフィルム、ペースト、スクリムなどの形状を変更することにより、加えて破壊靭性、剥離又はせん断特性といった接着層の構造特性を変更することにより、或いは接着セクション４４、４６、４８の間に隙間「ｇ」を設けることにより、達成することができる。破壊靱性は、剥離に対する材料の全体的な耐久性とすることができる。加えて、スペーサ又は充填剤５０を接着セクション４４、４６、４８の間に挿入することにより、剥離の進展の停止を助けることができる。本明細書で使用する場合、「層内破壊靭性」及び「破壊靱性」は、一般に、層間剥離に対する積層材料の耐久性を指す。具体的には、これらの用語は、破壊力学において、積層のプライを引き離すように又は積層に亀裂を生じるように作用する引張力により最初に生じるモードＩ型の剥離に対する耐久性として知られるものを指す。

調節された接着セクション４４、４６、４８の使用により、複数の制御領域３６、３８、４０に分割された結合式補修パッチ３０ができあがる。これらの制御領域３６、３８、４０は、それぞれ異なる速さで歪みエネルギーを放出する。第１、第２、及び第３の制御領域３６、３８、４０は、パッチ３２と構造２４との間の遷移負荷を徐々に減少させ、これにより剥離が広がる経路を予測できるだけでなく、単純な目視検査、又はその他の非破壊検査技術による補修パッチ３０の状態の評価が可能となる。三つの制御領域３６、３８、４０を示して説明するが、制御領域の数は三つより多くても少なくてもよい。

不整合領域２２の上に重なるパッチ３０の第１の制御領域３６は、接着継手４２の剥離の境界周辺に応力が集中することを抑制できる有利な面内応力を示す。第１の制御領域３６内の全体的な付着応力は、複合構造２４に印加される最大負荷限度下で剥離が延長するのに必要な歪みエネルギー放出速度を低下させることができる。

第２の制御領域３８内における補修パッチ３０の特性は、第２の制御領域３８の歪みエネルギーの放出速度が第１の制御領域３６の歪みエネルギーの放出速度より大きくなるようなものにすることができる。接着継手４２内の第２の制御領域３８に生じるどのような剥離も、剥離の進展を開始させるのに必要な仕事投入量を規定する疲労耐久性剥離曲線（図示しない）により予想することができる。第３の制御領域４０の特性は、第３の制御領域４０内の歪みエネルギー放出速度が第２の制御領域３８の歪みエネルギー放出速度より大きくなるように選択することができ、それにより剥離の開始及び進展が抑制されるとともに、面内せん断及び剥離モーメントが抑えられる。

次に図５及び６を参照する。図５及び６はファイバ補強ポリマーからなる複数のプライ５２を含む積層パッチ３２を示し、これらのプライ５２は、第１、第２、及び第３の制御領域３６、３８、４０が所望の歪みエネルギー放出速度を有するように調節することができるものである。積層パッチ３２内の歪みエネルギー放出速度は、領域３６、３８、４０の各々のプライが異なる特性を有するようにプライを選択及び／又は配置することにより、制御領域３６、３８、４０内で調節することができる。即ち、領域３６、３８、４０の各々は、それぞれの領域に固有のプライ特性を有することができる。したがって、例えば、領域３８のプライは領域３６又は４０のプライとは異なる特性を有することができ、領域３６のプライは領域３８及び４０のプライとは異なる特性を有することができる。本明細書において使用される「特性」及び「プライ特性」は、限定しないが、プライ中のファイバ補強の種類、大きさ、又は量、プライの厚さ、プライ間の隙間、プライ間に配置される材料、要素又は構造、プライの数、プライ中に使用される基質の種類又は密度、各プライの成層の配向（角度）、及び／又はプライのスタック中のプライの配向シーケンスを指す。

制御領域３６、３８、４０の一又は複数の内部の歪みエネルギー放出速度は、パッチ３２と構造２４との間にスカーフ継手又はテーパ付き継手（図示しない）を形成することにより調節することができる。歪みエネルギー放出速度は、プライ５２間の特定の領域に隙間（図示しない）を設けて制御領域３６、３８、４０の各々の積層されたパッチ３２の機械特性を変更することによっても調節することができる。更に、プライ５２に様々な配向シーケンスを採用することにより、画定された制御領域３６、３８、４０の実現を補助することができる。配向とは、成層の角度又はプライ中の補強ファイバの方向を指し、限定しないが、例えば０°、３０°、６０°、９０°、及び／又は０°、＋４５°、−４５°、９０度である。

図５及び６に示される実施例では、第１の制御領域３６は、当該領域内のプライ５２に使用される材料及び／又は配向シーケンスにより最高の歪み放出速度を有し、第２及び第３の制御領域３８及び４０は、これらの領域それぞれの材料の選択及び／又はプライ配向シーケンスにより、それぞれ中程度、及び最低の歪み放出速度を有している。しかしながら、他の実施形態では、用途に応じて、第３の制御領域４０が最高の歪みエンエルギー放出速度を有し、第１の制御領域３６が最低の歪みエネルギー放出速度を有する場合がある。

図７は、複合構造２４の、一又は複数の不整合性２２を内部に含む一領域を補修するために使用できる補修パッチ３０ａの別の実施形態を示している。この補修パッチ３０ａは、積層された複合プライの組５９、６１、６３からなるテーパの付いた積層パッチ３２ａを含んでおり、これら複合プライの組５９、６１、６３の各々は、限定しないが、例えば、炭素繊維エポキシといったファイバ補強ポリマーを含んでいる。積層パッチ３２ａは、図５に示した積層パッチ３２に類似した概ね円形の構造を有することができ、この円形構造は、それぞれが異なる層内破壊靭性を有する円形形状の第１、第２、及び第３の領域３６、３８、４０を含んでいる。第１の領域３６は、プライの三つの組５９、６１、６３のすべてから構成されるが、第２の領域３８はプライの組６１、６３のみから構成される。第３の領域４０は、プライの組６３から構成される。プライの組５９、６１、６３は、複合構造２４の不整合箇所２２を中心に、互いに同心に配置されている。

プライの組５９、６１、６３の幅又は外形ｄ１、ｄ２、ｄ３は、積層パッチ３２ａの縁５５の断面が積層パッチ３２ａの第１及び第２の面４７、４９に対してそれぞれテーパ角度θを有するように、漸次大きくなっている。通常、角度θは、用途、組５９、６１、６３の幅又は径ｄ１、ｄ２、ｄ３、及び組５９、６１、６３の厚さに応じて決まる。この実施形態では、積層パッチ３２ａの第２の面４９は構造２４に結合される。

次に、図７に示されるテーパ付きパッチ３２ａの一変形例を示す図８を参照する。図中、プライの組５９、６１、６３の各々は、複数のプライ５２から構成されており、第１及び第２の面４７、４９に対してそれぞれ対応する角度Φのテーパが付いた縁５９ａ、６１ａ、６３ａを含んでいる。テーパの付いた縁５９ａ、６１ａ、６３ａのテーパ角度Φは、互いに同じでも、又は異なっていてもよく、図７の角度θと同じでも、同じでなくともよい。図７に示した実施形態の場合と同様に、図８に示される積層パッチ３２ａは、三つのプライの組５９、６１、６３のすべてによって決定される層内破壊靱性を有する第１の領域３６を有し、第２の領域３８は、プライの組６１及び６３によって決定される層内破壊靭性を有している。最終的に、第３の領域４０の層内破壊靱性は、プライの組６３によって規定される。組５９、６１、６３のテーパの付いた縁５９ａ、６１ａ、６３ａは、この図では、個々のプライ５２の階段状の配置によって形成されているが、プライ５２の厚さに応じて、各プライ５２の外縁は、テーパの付いた縁５９ａ、６１ａ、６３ａが階段状のテーパではなく滑らかなテーパとなるようなスカーフ又はテーパを有することができる。

領域３６、３８、４０内のパッチ３０ａの層内破壊靱性は、部分的にはプライの組５９、６１、６３の寸法と、御領域３６、３８、４０内におけるプライの組５９、６１、６３のその他の特性とによって決定されうる。その他の特性には、限定しないが、ファイバ補強の種類、プライの数、プライの厚さ、及び／又はプライに使用される基質の種類、プライ５２間における隙間（図示しない）の使用、プライ５２の様々なその他機械特性、並びに異なるプライ配向シーケンスの使用が含まれ、これらのすべては図５及び６に示した積層パッチ３２に関して既に説明した。

図８に示されるテーパの付いた積層パッチ３２ａの第２の面４９は、上述の実施形態と同様に、接着継手を形成する構造接着剤の層３４によって複合構造２４に結合される。しかしながら、図８に示される実施形態の場合、接着層３４には図９に示されるようなテーパが付いており、厚さｔ１を有する外縁３４ａが内側に向かうにつれて薄くなり、中心領域３４ｂの厚さは小さくなっているｔ２。接着層３４にテーパを付けることにより、パッチ３２ａの領域３６、３８、４０の層内破壊靱性を補うように接着継手４２内の歪みエネルギー放出速度が調節される。他の実施形態では、接着層３４には、限定しないが、中心領域３４ｂから外縁３４ａへと外側に向かって、中心領域３４ｂから一方の側にのみ向かって、又は縁３４ａの一方の側から他方の側にむかって、他の方法でテーパを付けることができる。

次に図８Ａを参照する。幾つかの実施例では、各組５９、６１、６３に含まれるプライ５２ａの一部又は全部の径が同じであることにより、図８に示すような外縁５９ａ、６１ａ、６３ａではなく、図８Ａに示す様に、各組５９、６１、６３のプライの縁がプライ５２の面にほぼ垂直になってもよい。

次に図１０及び１１を参照する。図８に示されたテーパ付きの積層パッチ３２ａは、平面に適合する補修パッチ３０ａを形成するように構成して裏返すことができ、図では、テーパ付き積層パッチ３２ａの第２の面４９が複合構造２４の表面５１とほぼ同一の平面に延び、第１の面４７が不整合領域２２を覆って不整合領域２２とほぼ同じ領域に広がっている。積層パッチ３２ａの縁５５は、不整合箇所２２を囲む複合構造２４のテーパ付きの縁７１を覆い、結合されたスカーフ継手７３を形成している。テーパの付いた縁７１は、不整合箇所２２を囲む複合構造２４から材料を除去することにより形成される。この材料は、それぞれスカーフ角度θ１、θ２、θ３を形成する実質的に隣接した三つのテーパ付き表面７１ａ、７１ｂ、７１ｃを形成するように除去される。この実施例では、θ２＞θ１、且つθ３＞θ２である。したがって、テーパの付いた表面７１ｃは、テーパの付いた縁７１の中で最大の勾配を有する表面であり、テーパの付いた表面７１ａは、テーパの付いた縁７１の中で最も緩い勾配を有する表面である。最大の勾配を有するスカーフ角度θ３は、最小の負荷担持能を有し、最も勾配の緩いスカーフ角度θ１は最大の負荷担持能を有することができる。複数のスカーフ角度θ１、θ２、θ３の組み合わせを使用することにより、補修パッチ３０ａ内の負荷担持能を変化させ、長時間経過後の補修パッチ３０ａの性能を予測することを助けることができる。ここで、この例示的な実施形態では三つのテーパ付き表面７１ａ、７１ｂ、７１ｃが図示されているが、テーパ付き表面の数は三つより多くても少なくてもよいことに注意されたい。

テーパ付きパッチ３２ａの縁５９ａ、６１ａ、６３ａは、それぞれテーパの付いた縁７１の個々のスカーフ角度θ１、θ２、θ３とほぼ一致するテーパ角度Φ（図８）を有し、それぞれ縁７１のテーパ付き表面７１ａ、７１ｂ、７１ｃに結合される。補修パッチ３２ａのテーパの付いた縁５５は、縁５５と複合構造の縁７１との間に配置された接着層３４によってテーパ付きの縁７１に結合される。

実用的な一実施形態では、積層パッチ３２ａの第１の領域３６は、約２．０インチ−＃インチ^２の層内破壊靱性と、約４５：１のテーパ比に等しいテーパ角度θ１とを有する。４５：１のテーパ比は、積層パッチ３２ａの第１の領域３６から第２及び第３の領域３８、４０へと何らかの亀裂が広がる最大可能性を低減することができる。積層パッチ３２ａの第２の領域３８は、約２．０インチ−＃インチ^２の一定した層内破壊靱性と、約３０：１のテーパ比に等しいテーパ角度θ２とを有し、これにより、縁の層内最大応力と、総疲労閾値歪みエネルギー放出速度の上昇が更に低減されうるので、積層パッチ３２ａの第２の領域３８内の疲労亀裂進展速度が低下するか、又はゼロになる。積層パッチ３２ａの第３の領域４０は、約２．０インチ−＃インチ^２の層内破壊靱性と、約２０：１に等しいテーパ角度を有する。上述した特定のテーパ比は例示に過ぎず、用途に応じて他の比も可能である。

図１２には、第３の制御領域４０の外縁６０における剥離の開始と、内側に向かう進展を停止させることができる様子が示されている。この場合、縁６０において開始する剥離が、６２に示されるように直接内側に向かって進展し、制御領域３８と４０との間の境界６４に到達する。制御領域３６、３８、４０内の材料が異なっていることにより、及び／又は隙間「ｇ」又は充填剤５０（図５）の存在により、及び／又は接着層３４のセクション４４、４６、４８の接着特性が異なっていることにより（図２）、剥離は停止して、第３の制御領域４０の境界６４の周囲６３で環状に移動する。別の場合では、剥離は第３の領域４０から第２の制御領域３８内へと進行し、参照番号６６によって示されているように第１の制御領域３６に向かって内側へと進行する。剥離の進行は、制御領域３６と３８との間の境界６８に到達すると、停止して境界６８の周囲で環状に移動する。

図１２及び１３を同時に参照する。剥離７２（図１３）が開始点６０から内側に向かって進行するにつれて、補修パッチの外縁５４が上方に向かって剥がれることにより、７７の位置で上に位置する塗料６９が裂けて、第３の制御領域４０内における剥離開始及び／又は進展が視覚的に示される。このような剥離の視覚的な表示は、制御領域３８と４０との間の境界６４で終端させることができる。

図１４に示すように、剥離７２が第２の境界６８に向かって第２の制御領域３８へと連続する場合、制御領域３８及び４０のエリアのパッチ３０が上方に向かって剥がれることにより、７７の位置で上に位置する塗料６９が更に裂け、剥離が第２の制御領域３８へ、又は第２の制御領域を通って進展したことを視覚的に示す。図１５は、剥離が不整合箇所２２の境界７５まで進展したことを示している。この時点で、パッチ３０の複数のエリアと、三つの制御領域３６、３８、４０すべてとが上方に向かって剥がれており、７７の位置で上に位置する塗料６９が更に裂けることにより、補修パッチ３０に更に注意を払う必要がある地点まで剥離が進行したことが視覚的に更に明瞭に示されている。ここで、塗料６９の目視検査により７７における塗料の亀裂が検出可能であるが、他の周知の非破壊検査技術を使用して、裸眼では亀裂を視認できない場合に塗料６９の亀裂を検出することができるか、又はそれ以外の場合にパッチ３０の剥離を検出できることに注意されたい。したがって、上述により、補修パッチ３０の制御領域３６、３８、４０が、パッチ３０と構造２４との間の結合状態の非破壊検査を可能とする手段となることが明らかである。

次に図１６を参照する。図１６は、上述のテーパ付き補修パッチ３２ａを使用して不整合箇所２２を含む複合材料２４の一領域を補修する方法を広義に示している。テーパ付きパッチ３２ａは、ステップ７８において、プライ５２を、それぞれ複数組５９、６１、６３のプライを含みうる複数の領域３６、３８、４０に分割することから始まり、次いでステップ８０でプライを積み上げることを含む一連のステップ７４によって形成される。ステップ８２に示されるように、各組５９、６１、６３に含まれるプライ５２には随意でテーパを付けることができる。ステップ８４では、不整合箇所２２を囲む親複合構造２４の縁７１にテーパを付けることができる。このようなテーパ付けは、異なるスカーフ角度θ１、θ２、θ３を有する一又は複数のテーパ付き表面７１ａ、７１ｂ、７１ｃを形成することを含むことができる。

接着層３４は、ステップ８６に示されるようにテーパ付きの積層パッチ３２ａの領域３６、３８、４０に合わせて接着層３４の厚さを調節することから始まるステップ７６により形成される。ステップ８８では、接着層３４を、それぞれ異なる速度で歪みエネルギーを解放する複数のセクション４４、４６、４８に分割することができるか、或いは図９に示されるように、接着層３４にテーパを付けることにより調節することができる。

次に、ステップ９０では、テーパ付き補修パッチ３２ａの領域３６、３８、４０を接着層３４と位置合わせする。ステップ９２に示されるように、接着層３４は、テーパの付き補修パッチ３２ａを複合構造２４に結合するために使用される。最後に、ステップ９４では、補修パッチ３０の状態を周期的に目視検査することにより、各領域３６、３８、４０のパッチ３０ａの状態を決定することができる。

本発明の実施形態は、例えば、航空宇宙、船舶、及び自動車の分野を含む特に輸送産業において、種々の潜在的な分野に用途を見出すことができる。したがって、次に図１７及び１８に示すように、本発明の実施形態を、図１７に示される航空機の製造及び整備方法１００、及び図１８に示される航空機１０２に関して使用することが可能である。製造前の段階では、例示的な方法１００は、航空機１０２の仕様及び設計１０４と、材料調達１０６とを含みうる。補修用のテーパ付きパッチ３０ａの仕様及び設計は、航空機１０２の仕様及び設計１０４の一部として行われ、調達プロセス１０６の一部として調達されうる。製造段階では、航空機１０２のコンポーネント及びサブアセンブリの製造１０８と、システムインテグレーション１１０とが行われる。テーパ付きパッチ３０ａは、製造１０８及び／又はシステムインテグレーション１１０の間に発生する不整合箇所を補修するための製造の間に使用されうる。その後、航空機１０２は認可及び納品１１２を経て就航１１４される。テーパ付きパッチ３０ａは、不整合箇所を補修することにより航空機１０２の認可を得るため、及び／又は納品要件を満たすために使用されうる。顧客により就航される間に、航空機１０２は定期的なメンテナンス及び整備１１６（改造、再構成、改修なども含みうる）を受ける。テーパ付きパッチ３０ａは、航空機１０２が就航されている間に、就航中に不整合箇所が拡大しうる航空機１０２のエリアを補修するために、又は周期的なメンテナンスルーチンの一部として、使用されうる。

方法１００の各プロセスは、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実施又は実行されうる。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、及び主要なシステム下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図１８に示されるように、例示的方法１００によって製造された航空機１０２は、複数のシステム１２０及び内装１２２を有する機体１１８を含むことができる。テーパ付きパッチ３０ａは、機体１１８の不整合箇所を補修するために使用することができる。高レベルのシステム１２０の例には、推進システム１２４、電気システム１２６、油圧システム１２８、及び環境システム１３０のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、本発明の原理は、船舶及び自動車産業のような他の産業にも適用可能である。

本明細書に具現化されたシステム及び方法は、製造及び整備方法１００の一又は複数の任意の段階で採用することができる。例えば、製造プロセス１０８に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機１０２が就航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリと同様の方法で作製又は製造することができる。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせは、例えば、航空機１０２の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機１０２のコストを削減することにより、製造段階１０８及び１１０の間に利用することができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせのうちの一又は複数を、航空機１０２の就航中に、限定しないが、例えばメンテナンス及び整備１１６に利用することができる。

本発明の実施形態を、特定の例示的な実施形態に関連させて説明したが、これらの特定の実施形態は説明を目的としているのであって、限定を目的としているのではなく、当業者であれば他の変形例が想起可能であろう。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
複合構造の不整合領域を補修するためのパッチであって、
テーパの付いた断面を有する複数の複合プライを含む、不整合領域を覆うための複合積層パッチであって、それぞれ異なる破壊靱性を有する少なくとも第１及び第２の領域を含む積層パッチと、
前記積層パッチを前記複合構造に結合するための接着層と
を備えるパッチ。
（態様２）
前記複合プライが、それぞれ第１及び第２の領域を画定する少なくとも第１組及び第２組のプライを含んでいる、態様１に記載のパッチ。
（態様３）
前記第１組及び第２組の各々に含まれるプライの縁が、テーパの付いた断面を形成している、態様２に記載のパッチ。
（態様４）
前記積層パッチが、前記第１及び第２の領域の破壊靭性とは異なる破壊靭性を有する第３の領域を含んでおり、且つ
前記複合プライが、それぞれ第１、第２、及び第３の領域を画定する少なくとも第１、第２、及び第３組のプライを含んでいる、
態様１に記載のパッチ。
（態様５）
前記第１及び第２の領域が、それぞれ概ね円形の外周を有しており、実質的に同心である、態様１に記載のパッチ。
（態様６）
前記接着層の厚さが前記第１の領域から前記第２の領域に向かって次第に小さくなっている、態様１に記載のパッチ。
（態様７）
前記積層パッチが、第１及び第２の面を有し、第１の面から第２の面に向かって外側へと次第に薄くなっており、且つ
前記第２の面が前記接着層によって前記複合構造に結合している、
態様１に記載のパッチ。
（態様８）
前記パッチのプライの前記テーパの付いた断面が、前記接着層によって前記複合構造に結合している、態様１に記載のパッチ。
（態様９）
前記接着層が、それぞれ前記積層パッチの第１及び第２の領域を前記複合構造に結合させる少なくとも第１及び第２のセクションを含んでおり、前記接着層の第１及び第２のセクションが、不整合領域周辺の歪みエネルギーを異なる速度で放出する異なる特性を有している、態様１に記載のパッチ。
（態様１０）
不整合箇所を含む複合構造の一領域を補修する方法であって、
前記不整合領域を囲む複合構造の縁に少なくとも第１及び第２のスカーフ角度を形成することを含む、前記縁にテーパを付けること、
テーパの付いた縁を有する複合積層パッチを形成すること、並びに
前記パッチのテーパの付いた縁と前記複合構造のテーパの付いた縁との間に結合された接着継手を形成すること
を含む方法。
（態様１１）
前記複合パッチを形成することが、それぞれ前記構造の縁の前記第１及び第２のスカーフ角度に対応する第１及び第２のテーパ角度を前記パッチの縁に形成することを含む、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
前記複合構造の縁にテーパを付けることが、縁に第３のスカーフ角度を形成することを含み、且つ
前記複合パッチを形成することが、前記複合構造の縁の前記第３のスカーフ角度に対応する第３のテーパ角度を前記パッチの縁に形成することを含む、
態様１０に記載の方法。
（態様１３）
前記複合パッチを形成することが、
ファイバ補強ポリマーからなる複数のプライを積み上げること、
前記プライを少なくとも二つの領域に分割すること、並びに
前記二つの領域に異なる剛性を付与すること
を含む、態様１０に記載の方法。

Claims (9)

1. 複合構造の不整合領域を補修するためのパッチであって、
   テーパの付いた断面を有する複数の複合プライを含む、不整合領域を覆うための複合積層パッチであって、前記複合プライが、それぞれ第１及び第２の領域を画定する少なくとも第１組及び第２組のプライを含んでおり、各組のプライに異なる基質またはファイバの複合材料を使用することにより、それぞれ異なる破壊靱性を有する少なくとも第１及び第２の領域を含む積層パッチと、
   前記積層パッチを前記複合構造に結合するための接着層と
   を備え、
   前記第１組及び第２組の各々に含まれるプライの縁が、テーパの付いた断面を形成している、
   パッチ。
2. 前記積層パッチが、前記第１及び第２の領域の破壊靭性とは異なる破壊靭性を有する第３の領域を含んでおり、且つ
   前記複合プライが、それぞれ第１、第２、及び第３の領域を画定する少なくとも第１、第２、及び第３組のプライを含んでいる、請求項１に記載のパッチ。
3. 前記第１及び第２の領域が、それぞれ概ね円形の外周を有しており、実質的に同心である、請求項１に記載のパッチ。
4. 前記接着層の厚さが前記第１の領域から前記第２の領域に向かって次第に小さくなっている、請求項１に記載のパッチ。
5. 前記積層パッチが、第１及び第２の面を有し、第１の面から第２の面に向かって外側へと次第に薄くなっており、且つ
   前記第２の面が前記接着層によって前記複合構造に結合している、
   請求項１に記載のパッチ。
6. 前記パッチのプライの前記テーパの付いた断面が、前記接着層によって前記複合構造に結合している、請求項１に記載のパッチ。
7. 前記接着層が、それぞれ前記積層パッチの第１及び第２の領域を前記複合構造に結合させる少なくとも第１及び第２の領域を含んでおり、前記接着層の第１及び第２の領域が、不整合領域周辺の歪みエネルギーを異なる速度で放出する異なる特性を有している、請求項１に記載のパッチ。
8. 複合構造の、不整合性を有する一領域を補修する方法であって、
   不整合な領域を囲む複合構造の縁にテーパを付けること、
   テーパの付いた複合積層パッチを形成することであって、
   第１組、及び第２組の複合プライを積み重ねること、
   各組のプライに異なる基質またはファイバの複合材料を使用することにより、それぞれ異なる積層内破壊靭性を有する第１、及び第２の領域を積層パッチ内に形成すること、並びに
   各組のプライの縁に、第１、及び第２のスカーフ角度にそれぞれ対応する角度でテーパを付けること
   を含むことと、
   該複合構造の該当領域を覆うようにパッチを配置することと、
   プライの組の縁と、該複合構造の第１、及び第２面との間に接着層を導入することと、
   接着層を使用して、テーパの付いたパッチのプライの組の縁を、該複合構造の縁に結合することと
   を含む方法。
9. 不整合な領域を囲む複合構造の縁にテーパを付けることは、第１のスカーフ角度を有する第１のテーパ付き表面を形成すること及び第２のスカーフ角度を有する第２のテーパ付き表面を形成することを含む請求項８に記載の方法。

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