JP6534503B2 - 複合ハット型補強材 - Google Patents

Description

複合航空機構造は、民間航空機産業に多くの利点を提供する。複合機体は、アルミニウムなどの材料から構築される機体よりも軽量及び／又は強固となりうる。複合航空機外板は、軽くしなやかに設計することができる。他の航空機の設計と同様に、複合航空機構造は、航空機の動作中に様々な力にさらされる。補強機構は、一般に、航空機の構造的一貫性を維持するために、これらの動作力を吸収及び分散する複合航空機構造に対して、戦略的な場所で使用される。

補強機構の一つの種類は、補強材である。補強材は、外板に与えられる力を、航空機の胴体部分のフレーム、及びリブ、航空機の翼部分の桁、バルクヘッド構造の桁へ伝達する一片の材料である。補強材は、多くの航空機適用のための複合構造で、ねじれ剛性、曲げ剛性、および座屈抵抗を提供することができる。補強材は、外板の厚さを縮小可能にしつつ、航空機の安全操作に必要な強度及び剛性レベルを提供する。

従来の補強材設計は、製造者ごとに、及び航空機ごとに異なる。複合航空機においては、補強材設計は、開閉可能であるハット型補強材の形態をとることができる。他の補強材の設計は、「Ｉ」型補強材、又は「Ｊ」型補強材を含むことができるが、これらに限定されない。航空機の構造的な一体性を維持するために、補強材は、通常、先ほど述べられた力を考慮して設計される。従来の補強材設計と製造上の制約により、いくつかの荷重条件やその他の条件の潜在的な過剰設計のための次善の性能がしばしばもたらされる。例えば、従来のハット型補強材は、しばしば、一定のハット型ウェブ角度を有する。ほぼ垂直なハット型補強材ウェブは、接合面の荷重伝達にはより優れているが、せん断遅れ力から生じるねじれ問題の緩和に役立ちうるストリンガーエンド取付け具による支持が必要な場合がある。緩やかなハット型ウェブ角度を含むハット型補強材は、より効率的にせん断遅れを処理するだろうが、Ｒ部充填材（ｒａｄｉｕｓ ｆｉｌｌｅｒｓ）又は角度取付け具を含む引き抜き接合面で補強する必要があるかもしれない。

これらの観点及び他の観点から、ここに本発明が開示される。

本発明の概要は、以下の詳細な説明に記述される概念を簡単な形に抜粋して紹介するために提供されるものである。本概要は、特許請求された発明の範囲を限定することを意図するものではない。

本発明で開示される一つの態様によれば、ハット型補強材が提供される。前記ハット型補強材は、ハット型キャップ長、前記ハット型キャップ長に沿った一又は複数のハット型フランジ、及びハット型ウェブを有するハット型キャップを含むことができる。前記ハット型ウェブは、前記ハット型キャップ長に沿った第一の傾斜、及び前記ハット型キャップ長に沿った第二の傾斜を含むことができる。前記第二の傾斜は、前記第一の傾斜よりも大きくてもよい。

別の態様によれば、複合構造が提供される。前記複合構造は、複合外板、及び前記複合外板に装着された一又は複数のハット型補強材を含むことができる。前記一又は複数のハット型補強材は、ハット型キャップ長を有するハット型キャップ、前記ハット型キャップ長に沿った一又は複数のハット型フランジ、及びハット型ウェブを含むことができる。前記ハット型ウェブは、前記ハット型キャップ長に沿った第一の傾斜、及び前記ハット型キャップ長に沿った第二の傾斜を含むことができる。前記第二の傾斜は、前記第一の傾斜よりも大きくてもよい。

さらに別の態様によれば、ハット型補強材を形成する方法が提供される。前記方法は、前記ハット型キャップ長に沿った第一のハット型ウェブ傾斜、及び前記ハット型キャップ長に沿った第二のハット型ウェブ傾斜を有するマンドレルを提供することを含むことができる。前記第二のハット型ウェブ傾斜は、前記第一のハット型ウェブ傾斜よりも大きくてもよい。前記方法は、複合材料を提供すること、前記複合材料を前記マンドレルに配置すること、前記複合材料を硬化させること、及び局所的に最適化されたハット型ウェブ傾斜を有するハット型補強材を提供するために、前記複合材料を除去することをさらに含むことができる。

本明細書で説明した特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態で独立して実現することが可能であるか、以下の説明及び図面を参照してさらなる詳細が理解されうる、さらに別の実施形態で組み合わせることが可能である。

従来の複合胴体構造の一部分の斜視図である。 従来のハット型補強材を使用した、従来の複合胴体構造の断面図である。 本発明で提示される実施形態による、局所的に最適化されたハット型補強材を使用した、複合胴体構造の断面図である。 本発明で提示される実施形態による、ハット型補強材の斜視図である。 本発明で提示される実施形態による、別のハット型補強材の斜視図である。 本発明で提示される実施形態による、別のハット型補強材の斜視図である。 本発明で提示される実施形態による、ハット型補強材を形成するために使用することができるマンドレルの斜視図である。 本発明で提示される実施形態による、変更可能なフランジ長を含むマンドレルの斜視図である。 本発明で提示される実施形態による、変更可能なハット高さを含む複合胴体構造の断面図である。 本発明で提示される実施形態による、局所的に最適化された複合ハット型補強材を形成するための例示的方法である。 本発明で提示される実施形態による、局所的に最適化された複合ハット型補強材を使用するための例示的方法である。

以下の詳細な説明は、ハット型補強材のハット型キャップ長に沿った変更可能なハット型ウェブ傾斜を包含するハット型補強材を対象とする。変更可能なハット型ウェブ傾斜を包含することにより、引き抜き接合面で略垂直に傾斜するハット型ウェブを含むハット型補強材を提供することができる。変更可能なハット型ウェブ傾斜はまた、終端又はランアウト（ｒｕｎ−ｏｕｔ）、補強材の端部、若しくは垂直なウェブが必要でない領域に、より段階的に傾斜するハット型ウェブを提供することもできる。いくつかの構成では、略垂直なハット型ウェブ傾斜は、この面外荷重を周囲の構造に運ぶために、ハットのフランジに適用される接合面荷重とハット型ウェブにより提供される荷重経路との間の偏り（ｏｆｆｓｅｔ）を減少させることができる。偏りの減少は、接合面で誘発されるＲ部の曲げ（ｉｎｄｕｃｅｄ ｒａｄｉｕｓ ｂｅｎｄｉｎｇ）を減少させることができる。その結果、層間の張力荷重は、引き抜き接合面で減少しうる。

ランアウトでより段階的に傾斜するウェブは、補強材の終端より前に、補強材のキャップから外板に戻るまで、面内せん断の荷重経路を提供することができる。面内せん断の荷重経路を提供することにより、補強材ランアウトのＲ部の曲げ不足及び層間の引張不足につながる可能性のある、増大するせん断遅れの量を減らすことができる。マンドレルの形状は、ここで述べられる種々の態様による補強材を製造するために変更することができる。

ハット型補強材を形成する複合プライは、通常のハット型補強材と同一の方法でレイアップされ、マンドレルツールにドレープされ（ｄｒａｐｅｄ）、バッギングされ（ｂａｇｇｅｄ）及び硬化されうる。補強材は、次いで、バルクヘッド又は外板に固定、接着、又は相互に接着することができる。いくつかの構成では、追加の部品が必要とされないことがあり、おそらく、追加のランアウト取付け具、又は引き抜き接合面取付け具／Ｒ部充填材を減らす又は除去することにより、部品数、組立時間、及び分析労力を減らすことができる。

下記の詳細な説明において、添付図面を参照するが、添付図面は本明細書の一部を形成するものであり、例示、特定の実施形態又は実施例の形で示される。ここで図面を参照するが、それらの図面において、類似の参照番号はいくつかの図面を通して類似の要素を表しており、変更可能なハット型角度を包含するハット型補強材の態様及び他の態様が提示されるだろう。

ここで図１を参照すると、先行技術の一部分、即ち、従来の複合胴体構造１００が図示される。胴体構造１００は、外板１０２を含むことができる。外板１０２は、通常、数層のプライから形成される複合材料マトリックスである。プライは、硬化されると、外板１０２を形成する数層の材料を含むことができる。外板１０２の底面に取り付けられたハット型補強材１０４は、構造的支持を外板１０２に提供する。複合材料マトリックスから構築される外板１０２、及び複合材料マトリックスから構築されてもよいハット型補強材１０４の組み合わせは、構造的に頑丈であるが比較的軽量でありうる胴体構造１００を提供することができる。

図２は、ハット型補強材１０４Ａとして図示される、ハット型補強材１０４のうちの一つの断面図である。ハット型補強材１０４Ａは、構造的支持を外板１０２に提供するために一体的に作動する種々のコンポーネントから形成される。コンポーネントは、ハット型キャップ２０６、ハット型ウェブ２０８Ａ、２０８Ｂ、及びハット型フランジ２１０Ａ、２１０Ｂを含む。いくつかの構成において、ハット型キャップ２０６は、航空機のフレーム（図示せず）に接合される。ハット型キャップ２０６は、曲げ剛性を補強材１０４Ａに提供することができる。ハット型ウェブ２０８Ａ、２０８Ｂは、ハット型キャップ２０６を外板１０２からずらす（ｏｆｆｓｅｔ）ことができ、ハット型ウェブ２０８Ａ、２０８Ｂの曲げ剛性への寄与率（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を増加させる。さらに、ハット型ウェブ２０８Ａ、２０８Ｂはまた、面外せん断抵抗を提供することもでき、ハット型補強材１０４Ａが荷重を周囲の構造に伝達できるようにする。いくつかの構成では、ハット型キャップ２０６はまた、面内せん断を吸収することもできる。ハットウェブ２０８Ａ、２０８Ｂは、外板１０２とハット型キャップ２０６及びハット型キャップ２０６と外板１０２との間で面内せん断を伝達するための荷重経路を提供することができる。

他の構成では、ハット型キャップ２０６は、外板の第二の層（図示せず）など、別の複合構造に接合することもできる。いくつかの実施形態では、フレームは、マウスホールが施され（ｍｏｕｓｅ ｈｏｌｅｄ）、フランジ内で締まるハットを跨ぐ（ｓｔｅｐ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｈａｔ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆｌａｎｇｅｓ）ことができ、又は、桁が外板の他の側面に設置され、次いで取り付けられたフランジを通して締めることによりハットに装着されるだろう。いくつかの実施形態では、ハット型キャップ２０６は、取り付け可能であるが、ハットのキャップに取り付けられたいかなるものをも点検することは難しいので、通常は避けられる。

ハットウェブ２０８Ａ、２０８Ｂは、ハット型キャップ２０６とハット型フランジ２１０Ａ、２１０Ｂとの間で支持構造を形成する。ハット型フランジ２１０Ａ、２１０Ｂは、ハット型補強材１０４Ａの一つの側面を、外板１０２などの航空機の一部に接合する。ハット型フランジ２１０Ａ、２１０Ｂは、外板１０２と一体的に形成することができ、若しくは接着剤２１２又は他の接着技術又は装着技術の使用により、外板１０２に装着することができる。

ハット型キャップ２０６の長さＲに対するフランジ２１０Ａの内面とフランジ２１０Ｂの内面との間隔Ｑが、補強材ウェブ角度αを提供する。補強材ウェブ角度αは、外板１０２からハット型キャップ２０６への、及び荷重消散のための航空機の他の構造への力の伝達方法に影響を与えうる。ハット型キャップ２０６は、ハット型ウェブ２０８から力を伝達し、同じくウェブフランジ２１０から力を伝達するための力伝達機構として作動する。ハット型補強材１０４Ａは、複数のベクトルの種々の力を受けることができる。

例えば、ハット型補強材１０４Ａは、図２で示される方向を有する荷重力である、引き抜き力Ｃを受けることができる。一つの構成では、引き抜き力Ｃの所望の伝達経路は、外板１０２から、ハット型補強材１０４Ａを通り、他の種々の構造を通って、航空機のフレームで終了する。ハット型補強材１０４Ａはまた、引き抜き力Ｃに概して垂直に通る力である、せん断力Ｓにもさらされる。このせん断力Ｓは、外板１０２及びハット型フランジ２１０Ａ、２１０Ｂのせん断に起因するハット型キャップ２０６の反応でありうる。この反応のため、ハット型キャップ２０６に存在するせん断力Ｓは、外板１０２に存在するせん断力Ｓに対向するベクトル（外板１０２の力ベクトルを通る二本斜線により明示される）を有する。このせん断は、ハット型キャップ２０６で増大することがあり、せん断遅れとも言われるが、次にハット型補強材１０４Ａの端部で反応が終了する（ｇｅｔ ｒｅａｃｔｅｄ ｏｕｔ）。ハット型補強材１０４Ａの端部において、ハット型キャップ２０６は、経験トルク（ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｔｏｒｑｕｅ）でありうるので、全体のせん断力Ｓは、ハット型キャップ２０６から外板１０２に戻るように移動する必要があり、以下でより詳しく述べられる、Ｒ部の曲げ問題を引き起こす。一つの構成では、せん断力Ｓの所望の伝達経路は、外板１０２から、ハット型フランジ２１０Ａに入り、ハット型ウェブ２０８Ａ、ハット型キャップ２０６を通り、ハット型フランジ２１０Ｂ、外板１０２に戻ることができる。

方向転換時、高度の増減時、客室与圧の適用時など、航空機の特定の操作、及び他の要因だけではなく、航空機におけるハット型補強材１０４Ａの場所、又は特定のハット型補強材の長さに沿った場所次第で、せん断力Ｓに対する引き抜き力Ｃの大きさは、変更することができる。ウェブ角度αは、種々の力の伝達時に、ハット型補強材１４０Ａがどれだけ上手く機能するかに関して、影響を及ぼす。たとえば、小さなウェブ角度αは、相対的に大きなハット型ウェブ傾斜に変換可能であるが、引き抜き力Ｃのより好ましい伝達を提供できる一方で、せん断力Ｓを同様に伝達することはできない。しかしながら、同一の方法において、相対的に小さなウェブ角度αで、ハット型補強材１０４AのＲ部２１４でせん断力Sに耐えるためのハット型補強材１０４Aの能力は、最適でないかもしれない。これは、Ｒ部の曲げにより引き起こされるＲ部２１４の層間の引張不足、さらにその結果として、ハット型補強材１０４Ａの構造的故障につながる可能性がある。

従来の補強材は、ハット型補強材に作用する力を補償するために追加のコンポーネントを使用するかもしれないが、ここで述べられる対象の種々の構成は、ハット型補強材において異なるハット型ウェブ傾斜を使用する。本明細書で使用されるように、ハット型ウェブ傾斜は、ハット型ウェブとハット型フランジとの交点で始まり、ハット型ウェブとハット型キャップとの交点で終わる直線の傾きである。ハット型ウェブ傾斜は、ここではハット型ウェブ角度の観点から述べることができるが、別のハット型ウェブ傾斜に相対的な観点から述べられてもよい。ハット型補強材の特定の場所におけるハット型ウェブ傾斜は、特定の場所でのハット型補強材の性能要件に基づいて構成することができる。ここで述べられるハット型補強材の傾斜、角度及び一般形状は、単なる例示であるということが理解されるべきである。さらに、斜面が本質的に相対的なので、本発明の開示は、傾斜度のいずれか特定の決定に限定されない。使用される「大きい」及び「小さい」という用語は、相対的な用語である。

ここで図３を参照すると、ハット型ウェブ傾斜を提供するためにウェブ角度の変更を伴う、例示的なハット型補強材３０４の断面図が示される。ハット型補強材３０４は、以下の図４から図６でさらなる詳細が述べられる、その長さに沿った一つの場所にウェブ角度α、及びその長さに沿ったもう一つの場所にウェブ角度α’を有する。ウェブ角度αが第一のハット型ウェブ傾斜を提供することができる一方で、ウェブ角度α’は、第二のハット型ウェブ傾斜を提供することができる。ここで開示される対象の実施形態は、二以上のハット型ウェブ傾斜を含むことができる。図３に示されるように、第一のハット型ウェブ傾斜は、第二のハット型ウェブ傾斜よりも小さい。先ほど述べられたように、ウェブ角度αなどの比較的大きなウェブ角度は、ウェブ角度α’などの比較的小さなウェブ角度よりも好ましく、ハット型フランジ３１０Ａ及び３１０Ｂとハット型キャップ３０６との間を、ハット型ウェブ３０８Ａ及び３０８Ｂを介して、せん断力Ｓを伝達することができる。

せん断力Ｓよりもさらに引き抜き力Cを考慮することが望まれるハット型補強材３０４の部分において、ハット型補強材３０４は、第二のハット型ウェブ傾斜を提供するウェブ角度α’を有する。この構成では、引き抜き力Cは、図４にさらなる詳細が示されるハット型フランジ３１０Ａ’及び３１０Ｂ’から、荷重を航空機の別の構造的コンポーネントに伝達移行することができるハット型ウェブ３０８Ａ’及び３０８Ｂ’まで、効果的に伝達することができる。Ｒ部３１４Ａと比較すると、小さなウェブ角度α'は、Ｒ部３１４Ｂに適用されるモーメントをわずかしか引き起こさず、増加したＲ部の曲げ及び層間の張力を引き起こすので、Ｒ部３１４Ｂは、引き抜き力Ｃにより好ましく耐えることができる。

引き抜き力Ｃよりもせん断力Sをより考慮することが望まれるハット型補強材３０４の部分において、ハット型補強材３０４は、ウェブ角度α’により提供されるハット型ウェブ傾斜よりも小さなハット型ウェブ傾斜を有することができる、第二のハット型ウェブ傾斜を提供するウェブ角度αを有する。この構成において、せん断力Ｓは、外板１０２とハット型キャップ３０６との間で、ハット型ウェブ３０８Ａ及び３０８Ｂを介して、効果的に伝達することができる。せん断力Ｓの状況におけるＲ部３１４Ｂと比較すると、大きなウェブ角度α'は、Ｒ部３１４Ａに適用されるモーメントをほとんど引き起こさず、ゆえにＲ部の曲げ及び層間の引張を減少させるので、Ｒ部３１４Ａは、Ｒ部３１４Ｂよりもせん断力Ｓに上手く耐えることができる。

ハット型補強材３０４は、通常の取付け手段を使用して、外板１２０に取り付けることができる。例えば、ハット型補強材３０４は、接着剤２１２の使用を通して、外板１０２に装着することができる。固定、接着、相互接着、相互硬化、溶接、リベット固定を含む、本明細書に記載される種々のコンポーネントを形成するために使用される材料次第で、他の装着技術が使用されてもよい。本発明の開示は、ハット型補強材３０４を外板１０２に装着するためのいかなる特定の技術にも限定されない。ここで述べられる概念に従って構築されるハット型補強材を含む、他のハット型補強材が、航空機で使用するための複合構造の一部分を形成するために、外板１０２に装着されてもよい。

ウェブ角度が変更されると、内側の幅もまた変更されうる。図３では、第一の内側の幅Ｗは、ウェブ角度αに対応する。また、ウェブ角度α’に対応する第二の内側の幅Ｗ’も示される。ハット型補強材３０４の種々のコンポーネントが変更されると、種々の場所でのハット型補強材３０４の内側の幅は、第一の内側の幅Ｗから第二の内側の幅Ｗ’まで変更可能である。第一の内側の幅Wと第二の内側の幅Ｗ’が、ハット型フランジ３１０Ａ及び３１０Ｂの底面付近の場所で測定されるものとして示されるが、第一の内側の幅Ｗ及び第二の内側の幅Ｗ’は、ハット型補強材に沿った種々の場所で測定することができると理解されるべきである。さらに、ハット型補強材３０４の内側の幅は、ウェブ角度の変更を介する以外の方法で変更されてもよいと理解されるべきである。

図４は、ハット型補強材４０４の長さに沿った複数のハット型ウェブ傾斜を有するハット型補強材４０４の図である。図４のハット型補強材４０４は、ハット型キャップ４０６、ハット型ウェブ４０８、及びハット型フランジ４１０を有する。ハット型ウェブ４０８は、ハット型補強材４０４のハット型キャップ長ＸＹに沿った種々の傾斜を有する。より詳細は以下で述べられるが、種々の傾斜は、ハット型補強材４０４の荷重のより効果的な伝達を促進することができる。例えば、高いせん断力Ｓの領域では、ハット型ウェブ４０８の傾斜は、ハット型補強材４０４のＲ部で感知されるモーメントの量を減少させるために、比較的小さくてもよい。もう一つの例では、高い引き抜き力Ｃの領域では、ハット型ウェブ４０８の傾斜は、引き抜き力Ｃをより好ましく伝達するために、比較的大きくてもよい。

ハット型補強材４０４の第一のハット型ウェブ傾斜は、ウェブフランジ３１０Ａ及び３１０Ｂを含むウェブ領域４２０である。ウェブエリア４２０は、図３のウェブ角度αにより提供されるハット型ウェブ傾斜と類似の、比較的小さなハット型ウェブ傾斜を有するものとして示される。先ほど述べられたように、ウェブ角度α’と比較される場合に、ウェブ角度αは小さな傾斜を提供するので、そのウェブ角度を有するハット型補強材４０４の部分は、ウェブ角度α’により提供される傾斜を含むハット型補強材よりも効果的にせん断力Ｓを処理するように構成される。せん断力Ｓの処理能力は、引き抜き力Ｃと比べて高いせん断力Ｓにより影響される場所で役立つ可能性がある。たとえば、ハット型補強材部分４２６は、せん断力Ｓが引き抜き力Ｃよりも力の大きな要因である領域では、より効果的となりうる。

場所によっては、ブラケット取付けでの引張／引き抜き荷重などの、ハット型補強材４０４に適用される局所的面外荷重が存在するかもしれない。例えば、ハット型補強材部分４２８は、別個の接合面荷重の適用をもたらすかもしれない、桁がパネルの反対側に取り付けられ、又はブラケットが取り付けられるような、航空機の部分に存在するかもしれない。この構成では、ハット型補強材部分４２８は、ハット型フランジ３１０Ａ’及び３１０Ｂ’を含むハット型ウェブ角度α’により提供される傾斜を有することができる。この構成では、ハット型補強材４０４は、せん断力Ｓよりも引き抜き接合面力Ｃの効果を処理するようにより好ましく構成することができる。

ハット型補強材４０４はまた、ハット型ウェブ領域４２０とハット型ウェブ領域４２２との間に移行領域、即ちハット型ウェブ領域４２４も有することができる。ハット型ウェブ領域４２４は、ハット型ウェブ領域４２０の小さな傾斜からハット型ウェブ領域４２２の大きな傾斜までの移行を可能にするため、その長さに沿った角度を変更する移行傾斜を含むウェブを有することができる。本発明はいずれかの特定の恩恵に限定されないが、ハット型ウェブ領域４２０の小さな傾斜からハット型ウェブ領域４２２の大きな傾斜までの移行は、鋭角を縮小することにより、ハット型補強材４０４の構造的な一体性の増大を促進することができる。

例えば、複合材料を使用して製造されるときに、一つの面からもう一つの面までの角度の急な移行は、特に二つの面の間の曲がりで、応力集中、及び層間の応力の原因となりうる。ハット型ウェブ領域４２４を提供することにより、移行の効果を縮小することができ、他方で、正しく実行するために必要な構造的剛性をなおも提供することができる。図５において、例として示されるハット型補強材部分をほとんど含まない又はもっと多く含むいくつかのハット型補強材が製造されるので、本開示はいずれかの特定の関連ハット型補強材部分に限定されるべきではないと理解されるべきである。

図５は、図４のハット型補強材４０４よりも少ないウェブ傾斜、及びハット型キャップ４０６の一定の幅を有するハット型補強材５０４の斜視図である。ハット型補強材５０４は、ハット型ウェブ領域５２０Ａを有する。ハット型ウェブ領域５２０Ａは、図４のハット型ウェブ領域４２０に類似の、相対的に小さな傾斜を有する。ハット型ウェブ領域５２０Ａは、小さな傾斜から大きな傾斜へ、ハット型ウェブ領域５２４Ａを介して移行し、場所５３２で大きな傾斜を提供する。ゆえに、場所５３２のハット型補強材の傾斜は、ハット型ウェブ領域５２０Ａでの傾斜よりも大きい。ハット型補強材５０４の外形は、ハット型ウェブ領域５２４Ａからハット型ウェブ領域５２４Ｂまで続き、これは、場所５３２の大きな傾斜からハット型ウェブ領域５２０Ｂまでの移行である。ハット型ウェブ領域５２０Ｂは、ハット型ウェブ領域５２０Ａに類似の傾斜を有することができる。

注目すべきは、ハット型ウェブ領域５２４Ａ及び５２４Ｂなどの移行部分は、特定の形状を有さなくてもよいということである。例えば、図４のハット型ウェブ領域４２４及び図５のハット型ウェブ領域５２４Ａ及び５２４Ｂは、一般的な凹形状を有して示されているが、他の構成は、凸形状を提供してもよい。また、種々の構成は、図６に示される例のように、変更可能なハット型キャップの大きさを提供することができる。

図６では、ハット型補強材６０４は、ハット型ウェブ領域６２０Ａ及びハット型ウェブ領域６２０Ｂを有するが、その両方が、図５のハット型ウェブ領域５２０Ａ及び５２０Ｂに類似の傾斜を有してもよい。ここで述べられるいくつかの構成におけるように、せん断荷重Ｓよりはむしろ引き抜き荷重Ｃを処理するために最適なウェブ角度を含むハット型補強材を有することが望ましいかもしれない。そのような構成では、ハット型補強材６０４は、ハット型ウェブ領域６２０Ａ及び６２０Ｂから場所６３２に見られる傾斜まで傾斜を移行し、ハット型ウェブ領域６２０Ａ及び６２０Ｂよりも大きな傾斜を有することができる、ハット型ウェブ領域６２４Ａ及び６２４Ｂを有する。

図６では、ハット型ウェブ領域６２４Ａ及び６２４Ｂは、図４及び図５に見ることができる凹型移行とは異なる方法で、凸型構成を介して、大きな傾斜に移行する。図６の構成では、凸型移行は、その長さに沿って変更できる大きさを含むハット型キャップ６０６を提供する。例えば、ハット型キャップ６０６は、Ａの幅を有するハット型キャップの端部近くに部分６３４を有することができるのに対し、ハット型キャップ６０６は、Ａ＋Ｂの幅を有する場所６３２近くに部分６３６を有することができる。いずれかの特定の恩恵に限定されないが、場所６３４よりも大きな幅を有する場所６３６は、付加的な恩恵を提供することができる。例えば、場所６３６は、特定の荷重に耐えるために必要な付加的な表面領域を提供することができる。別の例では、場所６３６は、ハット型補強材６０４に対するせん断力Ｓを処理するために最適化されるとき、及び引き抜き荷重Ｃを処理するために最適化されるときに、ハット型補強材６０４からのより好ましい移行を提供することができる。

図７は、本発明で述べられる種々の実施形態による、ハット型補強材を形成するために使用することができるマンドレル７００の図である。マンドレル７００は、複合材料７０２の一又は複数の層を受けるように成形することができる。複合材料７０２は、多様な種類の材料から形成される積層体でありうる。ここで述べられる概念は、いずれかの特定の材料の積層体に限定されない。

図７で示されるように、マンドレル７００は、ここで述べられる種々の構成によるハット型補強材を形成するために使用されるときに、種々の傾斜を含むハット型補強材を形成する種々の傾斜を有する。マンドレル７００は、図４のハット型ウェブ領域４２０などの、小さな傾斜を含むハット型補強材部分を形成するために使用することができる領域７０４を有する。マンドレル７００はまた、領域７０４の傾斜から領域７０８の傾斜まで、ハット型補強材の傾斜を増加させる移行領域７０６も有することができる。複合材料７０２は、マンドレル７００に配置され、従来の硬化技術により形成することができる。マンドレル７００は一又は複数の片から形成されてもよく、又はその技術がいずれかの特定の構成に限定されない単体構造から形成されてもよいと理解されるべきである。

図８は、種々の幅を含むフランジを有するハット型補強材８０４の図である。ここで開示される対象は、いずれかの特定の恩恵又は利益に限定されないが、いくつかの実施形態では、変更できる幅は、いくつかの機能性を提供することができる。例えば、せん断力Ｓ又は引き抜き力Ｃが相対的に大きな場所では、幅の大きなハット型フランジは、ハット型補強材８０４が外板１０２に取り付けられる付加的な表面領域を提供することができる。

一つの例示的実施形態を示すと、ハット型補強材８０４は、ハット型フランジ８１０の長さに沿って変更可能な幅を含むハット型フランジ８１０を有する。ハット型フランジ８１０の場所８４０では、ハット型フランジ８１０は、「Ｈ」の幅を有する。ハット型フランジ８１０の場所８４２では、ハット型フランジ８１０は、「Ｈ＋Ｉ」の幅を有する。図示されたように、幅「Ｈ＋Ｉ」は、幅「Ｈ」よりも大きい。場所８４４では、ハット型フランジ８１０は、「Ｈ」の幅を有する。当然のことながら、本発明の開示は、ハット型フランジ８１０の幅の変更のいずれかの特定の順序に限定されない。例えば、図８に示される実施形態は、ハット型補強材８０４の末端近くの幅が類似する幅の外形を有するハット型フランジ８１０を示す。これらの構成及び他の構成は、本発明の開示範囲にあるとみなされる。

図９は、変更可能な高さを含む、ハット型補強材９０４の断面図である。 ハット型補強材９０４は、ハット型キャップ９０６、ハット型ウェブ９０８Ａ及び９０８Ｂ、及びハット型フランジ９１０Ａ及び９１０Ｂを含む。図３について先ほど述べられたように、ハット型補強材９０４のハット型ウェブ傾斜は、変更することができる。図９に示される実施形態において、ハット型キャップの高さは、変更可能なハット型ウェブ傾斜に収容できるように修正されたものである。ハット型キャップ９０６、ハット型ウェブ９０８Ａ及び９０８Ｂ、並びにハット型フランジ９１０Ａ及び９１０Ｂにより提供されるハット型ウェブ傾斜は、ハットの高さ「Ｌ」を提供する。一定のハットの高さを維持する代わりに、ハットの高さは、増減することができる。例えば、ハット型補強材９０４は、ハット型キャップ９０６’、ハット型ウェブ９０８Ａ’及び９０８Ｂ’、並びにハット型フランジ９１０Ａ’及び９１０Ｂ’により提供される「Ｌ＋Ｇ」のハットの高さを有するが、これは、ハットの高さ「Ｌ」を提供するハット型ウェブ傾斜よりも大きなハット型ウェブ角度である。ハット型補強材の他のコンポーネントは、変更することができる。例えば、ハット型補強材９０４の厚さ、又は限定されないが、ハット型ウェブ９０８Ａ及び９０８Ｂ、ハット型キャップ９０６及びハット型フランジ９１０Ａ及び９１０Ｂなどの、構成コンポーネントの厚さは、変更されてもよい。

ここで図１０を参照すると、局所的に最適化されたハット型ウェブ傾斜を含むハット型補強材を形成するための例示的なルーチン１０００が、ここに提供される。別段の提示がない限り、当然ながら、図面に示され本明細書に述べられるよりも多い工程又は少ない工程が実行されうる。さらに、別段の提示がない限り、これらの工程は、本明細書で述べられるものとは異なる順番で実行されうる。

ルーチン１０００は工程１００２で開始し、ここでマンドレル７００が提供される。局所的に最適化されたハット型ウェブ角度を提供するために、ハット型ウェブの変更可能な角度を含むマンドレル７００が提供される。一つの構成では、マンドレル７００は、ハット型補強材４０４が、引き抜き荷重Ｃよりも効果的な方法で、せん断力Ｓを処理するように好ましくは構成される領域に、小さな傾斜を有する。別の構成では、マンドレル７００は、ハット型補強材４０４が、せん断力Ｓよりも効果的な方法で、引き抜き荷重Ｃを処理するように好ましくは構成される領域に、大きなウェブ傾斜を有する。

ルーチン１０００は、工程１００２から工程１００４に続き、そこで、複合材料７０２がマンドレル７００に配置される。先ほど述べられたように、複合材料７０２は、特定の適用次第では、種々の材料から形成されるマトリックスであってもよい。複合材料７０２は、一つの工程又は連続的な層でマンドレル７００に配置することができ、その現在の技術は、いずれかの特定の構成に限定されない。複合材料７０２は、種々の方法でマンドレル７００に配置され、しっかり固定することができる。例えば、複合材料７０２は、マンドレル７００に適合するブラダー（図示せず）を使用して、マンドレル７００で押圧することができる。アセンブリ全体、即ち、マンドレル７００、複合材料７０２、及びブラダーは、次いでバッギングされ、アセンブリで圧力が形成されるように真空が適合され、硬化プロセス中に複合材料７０２をマンドレル７００の形状にすることができる。ここで開示される対象は、マンドレル７００の複合材料７０２を固定するいずれかの特定の手段に限定されない。

ルーチン１０００は、工程１００４から工程１００６に続き、そこで、複合材料７０２が硬化される。ここで述べられる概念及び技術は、いずれかの特定の硬化プロセスに限定されない。いくつかの構成では、ハット型ウェブ傾斜外形変更のため、マンドレル７００の長さに沿った硬化プロセス中に、マンドレル７００の温度又は圧力を変更することが有利又は必要でありうる。いかなる特定の理由にも限定されないが、温度又は圧力は、傾斜変更のために他の領域よりもハット型補強材４０４のいくつかの領域に存在しうる付加的な材料を考慮して変更することができる。しかしながら、ここで開示される対象は、硬化のためのいずれかの特定の温度又は圧力に限定されない。

ルーチン１０００は、工程１００６から工程１００８に続き、そこで、硬化されたハット型補強材がマンドレル７００から除去される。いくつかの構成では、ハット型補強材は、ハット型ウェブに対応するマンドレル７００において変更可能な角度により形成される、局所的に最適化されたハット型ウェブ傾斜を含む。本技術は、いかなる特定の除去プロセスに限定されないと理解されるべきである。さらに、除去プロセスの一部として、ここで硬化される複合材料７０２のいくつかの材料は、必要な設計構造に従って、ハット型補強材を成形するために除去することができる。ルーチン１０００は、その後、終了する。

図１１は、種々の実施形態による、ハット型補強材を使用するための例示的ルーチンである。ルーチン１１００が開始すると、工程１１０２に進み、ここで、局所的に最適化されたハット型補強材で、動作力が受けられる。先ほど述べられたように、局所的に最適化されたハット型補強材は、ある機能を実行することができる。第一の機能は、外板に適用される荷重をピックアップし、荷重を集め、次いで、これらの荷重を他の、荷重を処理できるより強固な構造上に又はその内部に伝達する。荷重は、圧力荷重、又は別の局所的に適用された又は分散された荷重を含むがこれらに限定されない、種々の動作力によるものでありうる。適用された荷重の場所、又は他の構造を含む接合面は、かなりの量の引き抜き荷重を発達させる場所でありうる。第二の機能は、外板を安定化させることでありうる。本発明の開示の局所的に最適化されたハット型補強材は、面外剛性を提供し、それによりパネルのバックリング又は落下などを減らすことにより、これを行うことができる。

局所的に最適化されたハット型補強材の種々の構成は、広い設置面積を有していてもよく、これは、パネルの相対的に大きな領域を安定化させるための効果的な機構でありうる。ねじり剛性及びせん断剛性もまた、同様にパネルの安定化も促進することができる。加圧中に、ハット型補強材は、概して、圧力荷重を受け、それを周囲の構造に再分散することができる。離陸／着陸／操縦中に、胴体、及び構造のバルクヘッドは、荷重にさらされうる。胴体の異なる領域で、異なる荷重状況（ｌｏａｄｉｎｇ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ）についての上昇したせん断荷重がみられるだろう。

ルーチン１１００は、工程１１０２から工程１１０４へ進み、ここで、局所的に最適化されたハット型補強材が、動作力の少なくとも一部を吸収する（又は収集する）。動作力は、複数の局所的に最適化されたハット型補強材により吸収されうる。局所的最適化のために、ここで述べられる種々の構成に従ったハット型補強材は、ハット型補強材の長さに沿った種々の場所で動作力を吸収することができる。例えば、一つの種類の動作力のために最適化されたハット型補強材上の場所が、相当量の動作力を吸収することができないのに対し、動作力のために最適化されたハット型補強材上の場所は、動作力のかなりの部分を吸収することができる。

ルーチン１１００は、工程１１０４から工程１１０６に進み、ここで、吸収された動作力が、周囲構造に分散される。周囲の構造は、航空機のフレーム、他のパネルなどを含むことができるが、これらに限定されない。ルーチン１１００は、その後、終了する。

本発明の開示の一つの態様によれば、複合外板、及び前記複合外板に装着された複数のハット型補強材（１０４）を含み、前記複数のハット型補強材は、ハット型キャップ（２０６）長を有するハット型キャップ（２０６）、前記ハット型キャップ（２０６）長に沿った複数のハット型フランジ（２１０Ａ、２１０Ｂ）、並びに前記ハット型キャップ（２０６）長に沿った第一の傾斜及び前記ハット型キャップ（２０６）長に沿った第二の傾斜を有するハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）であって、前記第二の傾斜は前記第一の傾斜よりも大きい、前記ハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）を備える、複合構造が提供される。

有利には、前記第一の傾斜は、せん断力のために構成される。有利には、前記第二の傾斜は、引き抜き力のために構成される。有利には、前記ハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）は、移行傾斜をさらに備える。有利には、前記移行傾斜は、前記第一の傾斜から前記第二の傾斜までの移行を提供する。有利には、前記ハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）は、第三の傾斜をさらに備える。有利には、前記ハット型補強材の高さは、前記ハット型補強材の長さに沿って変わる。有利には、前記ハット型キャップ（２０６）の幅は、前記ハット型キャップ（２０６）長に沿って変わる。有利には、前記複数のハット型補強材の少なくとも一部分は、第一の内側の幅及び第二の内側の幅をさらに備える。

上記の対象は例示の形でのみ提示されており、限定的なものと解釈されるべきではない。図示され説明が加えられた実施形態や適用例に正確に従わなくとも、本発明の開示の真の精神と範囲から逸脱しなければ、ここで述べられた内容に対し、様々な修正や変更が行われてもよく、それらの実施形態が後に続く請求の範囲で明記される。

１０２ 外板
１０４ ハット型補強材
２０６ ハット型キャップ
２０８ ハット型ウェブ
２１０ ハット型フランジ
２１２ 接着剤
２１４ Ｒ部
３０６ ハット型キャップ
３０８ ハット型ウェブ
３１０ ハット型フランジ
３１４ Ｒ部
４０４ ハット型補強材
４０６ ハット型キャップ
４０８ ハット型ウェブ
４１０ ハット型フランジ
４２０ ハット型ウェブ領域
４２２ ハット型ウェブ領域
４２４ ハット型ウェブ領域
４２８ ハット型補強材部分
５０４ ハット型補強材
５２０ ハット型ウェブ領域
５２４ ハット型ウェブ領域
５３２ 場所
６０４ ハット型補強材
６０６ ハット型キャップ
６２０ ハット型ウェブ領域
６２４ ハット型ウェブ領域
６３２ 場所
６３４ 場所
６３６ 場所
７００ マンドレル
７０２ 複合材料
７０４ 領域
７０６ 移行領域
７０８ 領域
８０４ ハット型補強材
８１０ ハット型フランジ
８４０ 場所
８４４ 場所
９０４ ハット型補強材
９０６ ハット型キャップ
９０８ ハット型ウェブ
９１０ ハット型フランジ

Claims (10)

1. 航空機の一部に接合され、ハット型キャップ（２０６）長を有し、ハット型キャップ（２０６）長に沿って平坦な構造を有するハット型キャップ（２０６）、
   前記航空機の他の一部に接合され、前記ハット型キャップ（２０６）長に沿って平坦な構造を有する複数のハット型フランジ（２１０Ａ、２１０Ｂ）、及び
   前記ハット型キャップ（２０６）長に沿った第一の位置において、前記ハット型キャップから前記ハット型フランジに延び、第一の傾斜を有する第一のウェブ部分と、前記ハット型キャップ（２０６）長に沿った第二の位置において、前記ハット型キャップから前記ハット型フランジに延び、第二の傾斜を有する第二のウェブ部分と、を有するハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）であって、前記第二の傾斜は前記第一の傾斜よりも大きい、前記ハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）
   を備え、
   前記ハット型キャップ（２０６）の幅は、前記ハット型キャップ（２０６）長に沿って変わり、
   前記第二の傾斜に対応する前記ハット型キャップ（２０６）の前記幅は、前記第一の傾斜に対応する前記ハット型キャップ（２０６）の前記幅よりも大きい、
   複合航空機構造のハット型補強材。
2. 前記第一の傾斜は、せん断力のために構成される、請求項１に記載のハット型補強材。
3. 前記第二の傾斜は、引き抜き力のために構成される、請求項１又は２に記載のハット型補強材。
4. 前記ハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）は、移行傾斜をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のハット型補強材。
5. 前記移行傾斜は、前記第一の傾斜から前記第二の傾斜までの移行を提供する、請求項４に記載のハット型補強材。
6. 前記ハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）は、第三の傾斜をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のハット型補強材。
7. 前記第三の傾斜は、前記第一の傾斜と同一である、請求項６に記載のハット型補強材。
8. 複合外板をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のハット型補強材。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合航空機構造のハット型補強材を形成する方法であって、前記方法は、
   ハット型キャップ（２０６）長に沿った第一のハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）傾斜により画定される第一のハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）部分、及び前記ハット型キャップ（２０６）長に沿った第二のハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）傾斜により画定される第二のハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）部分を有するマンドレル（７００）を提供することであって、前記第二のハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）傾斜は、前記第一のハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）傾斜よりも大きい、前記マンドレル（７００）を提供すること、
   複合材料を提供すること、
   前記複合材料を前記マンドレルに配置すること、
   前記複合材料を硬化させること、及び
   局所的に最適化されたハット型ウェブ（２０８Ａ、２０８Ｂ）傾斜を有するハット型補強材を提供するために、前記複合材料を除去すること、
   を含む方法。
10. 前記ハット型補強材（１０４）を成形することをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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