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図面 (20)

課題

ダーツつなぎを必要とせずに製造可能で、高い強度を有する円錐形複合品の提供。

解決手段

円錐形状複合品は、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列158を有する少なくとも四つの一方向プライ180を含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターン168を有する内側部分積層板156と、内側スタック配列158の鏡像である外側スタック配列162を有する外側部分積層板160とを含む円錐形状複合品114であって、前記一方向プライ180の各々が、プライの弧長190に沿って連続して前記円錐形状複合品114の周りを360°にわたって包み、各一方向プライ180の対向するプライ端部200がプライ継ぎ目204で終端

概要

背景

通信衛星のような宇宙機は、打上げ用ロケットを使用して軌道中に打ち上げられ、典型的には打上げ用ロケットの頂部に取り付けられたフェアリング内部に封入される。フェアリングは、打上げ用ロケットが大気圏内を上昇するときに自然界の要素から宇宙機を保護する。宇宙機は、円錐ペイロード接続用結合金具により打上げ用ロケットに連結される。ペイロード接続用結合金具は、宇宙機から打上げ用ロケット中へと軸方向荷重曲げ荷重、及びねじり荷重を伝達できなければならない。ペイロード接続用結合金具にかかる軸方向荷重は、打上げ用ロケットのリフトオフの間に極めて大きくなりうる。ペイロード接続用結合金具にかかる曲げ荷重は、高い高度で打上げ用ロケットに作用する空力乱気流の結果として高くなりうる。

複合材料は、宇宙機の荷重を打上げ用ロケットに連結するためのペイロード接続用結合金具のためなどの、軽量で強度の高い構造又は物品を製造するために使用される。残念なことに、円錐状の複合構造を製造する従来の方法では、複合材プライを構造の形状寸法に一致させるために、個々の複合材プライのダーティング(darting)を使用することが必要である。加えて、円錐状の複合構造を製造する従来の方法では、複合材プライを構造の形状寸法に一致させるために、複合材プライの重複するつなぎを使用することが必要である。複合材プライにダーティングと重複つなぎとを使用することは、複合構造の重量を増加させる。加えて、複合材プライのダーティングと重複つなぎとは、複合構造に、複合構造の強度特性を損なわせうるボイドしわきずを生じさせる危険がある。

このように、当技術分野において、ダーツやつなぎを必要とせずに製造することが可能で、高い強度を有するように生産することができる円錐形状の複合品が必要とされている。さらに、当技術分野において、異なる方向及び大きさの様々な荷重を伝達することのできる軽量で強度の高い円錐形状の複合品が必要とされている。

概要

ダーツやつなぎを必要とせずに製造可能で、高い強度を有する円錐形状複合品の提供。円錐形状複合品は、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列158を有する少なくとも四つの一方向プライ180を含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターン168を有する内側部分積層板156と、内側スタック配列158の鏡像である外側スタック配列162を有する外側部分積層板160とを含む円錐形状複合品114であって、前記一方向プライ180の各々が、プライの弧長190に沿って連続して前記円錐形状複合品114の周りを360°にわたって包み、各一方向プライ180の対向するプライ端部200がプライ継ぎ目204で終端

目的

複合品に関連付けられる上記のニーズに、円錐形状の複合品を提供する

効果

実績

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請求項1

円錐形状(152)を有する内側部分積層板(156)であって、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列(158)を有する少なくとも四つの一方向プライ(180)を含み、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターン(168)を有する内側部分積層板(156)と、前記内側スタック配列(158)の鏡像である外側スタック配列(162)を有する外側部分積層板(160)とを含む円錐形状複合品(114)であって、前記一方向プライ(180)の各々が、プライの弧長(190)に沿って連続して前記円錐形状複合品(114)の周りを360°にわたって包み、各一方向プライ(180)の対向するプライ端部(200)がプライ継ぎ目(204)で終端している、前記円錐形状複合品。

請求項2

前記内側部分積層板(156)及び前記外側部分積層板(160)の各々に含まれる前記四つの一方向プライ(180)は、各々が、第1の繊維角度(184)を有し、且つ互いに時計方向に180°ずれたプライ継ぎ目(204)を有する一方向プライの第1の対(182)と、各々が第1の繊維角度(184)に対して90°に方向付けられた第2の繊維角度(188)を有する一方向プライの第2の対(186)であって、各一方向プライのプライ継ぎ目(204)が、前記円錐形状複合品(114)の外周(134)上で互いに時計方向に180°ずれて位置し、且つ前記一方向プライの第1の対(182)の前記プライ継ぎ目(204)に位置合わせされている、一方向プライの第2の対(186)とを含んでいる、請求項1に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項3

前記プライ継ぎ目(204)はプライ突合せ継手(206)を含む、前記1又は2に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項4

前記内側部分積層板(156)及び前記外側部分積層板(160)は平衡レイアップ(166)を含み、前記円錐形状複合品(114)は複数の前記平衡レイアップ(166)を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項5

前記一方向プライ(180)のうちの少なくとも一つは、互いに横並びの関係に配置された一方向テープ(230)の複数のコース(232)からなっている、請求項1から4のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項6

前記内側部分積層板(156)及び前記外側部分積層板(160)を用いて積層された少なくとも一つの全周囲軸方向プライ(250)であって、前記円錐形状複合品(114)の周りに360°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジ(254)を含む全周囲軸方向プライ(250)をさらに含み、各軸方向プライウェッジ(254)の繊維角度(252)は前記円錐形状複合品(114)の長手軸(116)と概ね整列している、請求項1から5のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項7

前記一方向プライ(180)は予備含浸した複合材プライであり、前記予備含浸した複合材プライは、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向炭素繊維を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項8

前記一方向プライ(180)は、約30〜70×106ポンド平方インチ引張り応力を有する繊維を含み、約50〜350グラム平方メートル気中濃度を有し、且つ少なくとも約0.002インチプライ厚を有している、請求項1から7のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品(114)。

請求項9

円錐形状複合品(114)の製造方法であって、各一方向プライ(180)の対向するプライ端部(200)がプライ継ぎ目(204)で終端するように、円錐形状マンドレル(300)の周りを360°にわたって包むように構成された平坦なパターンにおいて連続する弧形状(192)に、一方向プライを提供するステップと、前記円錐形状マンドレル(300)上に、繊維角度が−45°、90°、0°、+45°である内側スタック配列(158)を有する前記一方向プライ(180)を少なくとも四つ含む内側部分積層板(156)であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップ(168)を有する前記内側部分積層板(156)をレイアップするステップと、前記内側スタック配列(158)の鏡像である外側スタック配列(162)に外側部分積層板(160)をレイアップするステップとを含む方法。

請求項10

前記内側部分積層板(156)をレイアップするステップ及び前記外側部分積層板(160)をレイアップするステップが、各々が第1の繊維角度(184)を有する一方向プライの第1の対(182)を提供することと、前記一方向プライの第1の対(182)の前記プライ継ぎ目(204)を、前記円錐形状複合品(114)の外周(134)上において、互いに時計方向に180°ずらして配置することと、各々が前記第1の繊維角度(184)に対して90°に方向付けられた第2の繊維角度(188)を有する一方向プライの第2の対(186)を提供することと、前記一方向プライの第2の対(186)の前記プライ継ぎ目(204)を、互いに時計方向に180°ずらして、且つ前記一方向プライの第1の対(182)の前記プライ継ぎ目(204)と位置合わせして配置することとを含む、請求項9に記載の前記方法。

請求項11

前記一方向プライ(180)のうちの少なくとも一つの前記プライ継ぎ目(204)がプライ突合せ継手(206)を形成するように、前記一方向プライ(180)をレイアップすることをさらに含む請求項9又は10に記載の前記方法。

請求項12

前記弧形状(192)のプライ端部を前記円錐形状マンドレル(300)上の継ぎ目位置インデックスマーク(304)と位置合わせすることにより、前記一方向プライ(180)の各々をレイアップすることと、前記弧形状(192)の内径(194)及び外径(196)を、前記円錐形状マンドレル(300)上の上縁インデックスマーク(306)及び下縁インデックスマーク(308)のそれぞれ一つに、垂直方向に位置合わせすることとをさらに含む請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。

請求項13

複数の平衡レイアップ(166)をレイアップすることをさらに含み、前記平衡レイアップ(166)の各々は、内側部分積層板(156)と、前記内側部分積層板(156)の鏡像である外側部分積層板(160)との対を含む、請求項9から12のいずれか一項に記載の前記方法。

請求項14

互いに横並びの関係に配置された一方向テープ(230)の複数のコースから、前記一方向プライ(180)のうちの少なくとも一つを形成することをさらに含む請求項9から13のいずれか一項に記載の前記方法。

請求項15

横並びの関係に、且つ前記円錐形状マンドレル(300)の周りに360°にわたって延びるように、複数の軸方向プライウェッジ(254)をレイアップすることにより、前記円錐形状複合品(114)の長手軸(116)と概ね整列する繊維角度を有する全周囲軸方向プライ(250)を形成することと、前記複数の軸方向プライウェッジ(254)をレイアップして複数のウェッジ突合せ継手(264)を形成することと、前記全周囲軸方向プライ(250)の各々の前記ウェッジ突合せ継手(264)を、前記全周囲軸方向プライ(250)のうちの残りの前記ウェッジ突合せ継手(264)とずらして配置することとをさらに含む請求項9ないし14のいずれか一項に記載の前記方法。

技術分野

0001

本発明は、概して複合品に関し、具体的には、積層複合材料から形成される円錐形状品に関する。

背景技術

0002

通信衛星のような宇宙機は、打上げ用ロケットを使用して軌道中に打ち上げられ、典型的には打上げ用ロケットの頂部に取り付けられたフェアリング内部に封入される。フェアリングは、打上げ用ロケットが大気圏内を上昇するときに自然界の要素から宇宙機を保護する。宇宙機は、円錐ペイロード接続用結合金具により打上げ用ロケットに連結される。ペイロード接続用結合金具は、宇宙機から打上げ用ロケット中へと軸方向荷重曲げ荷重、及びねじり荷重を伝達できなければならない。ペイロード接続用結合金具にかかる軸方向荷重は、打上げ用ロケットのリフトオフの間に極めて大きくなりうる。ペイロード接続用結合金具にかかる曲げ荷重は、高い高度で打上げ用ロケットに作用する空力乱気流の結果として高くなりうる。

0003

複合材料は、宇宙機の荷重を打上げ用ロケットに連結するためのペイロード接続用結合金具のためなどの、軽量で強度の高い構造又は物品を製造するために使用される。残念なことに、円錐状の複合構造を製造する従来の方法では、複合材プライを構造の形状寸法に一致させるために、個々の複合材プライのダーティング(darting)を使用することが必要である。加えて、円錐状の複合構造を製造する従来の方法では、複合材プライを構造の形状寸法に一致させるために、複合材プライの重複するつなぎを使用することが必要である。複合材プライにダーティングと重複つなぎとを使用することは、複合構造の重量を増加させる。加えて、複合材プライのダーティングと重複つなぎとは、複合構造に、複合構造の強度特性を損なわせうるボイドしわきずを生じさせる危険がある。

0004

このように、当技術分野において、ダーツやつなぎを必要とせずに製造することが可能で、高い強度を有するように生産することができる円錐形状の複合品が必要とされている。さらに、当技術分野において、異なる方向及び大きさの様々な荷重を伝達することのできる軽量で強度の高い円錐形状の複合品が必要とされている。

0005

複合品に関連付けられる上記のニーズに、円錐形状の複合品を提供する本発明は取組み、対処する。前記円錐形状複合品は、内側積層板のいずれの位置においてもレイアップパターン疑似等方性となるように、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む内側部分積層板を含んでいる。円錐形状の複合品は、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む外側部分積層板も含む。一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って連続して円錐形状複合品の周りを360°にわたって包み、対向するプライ端部はプライ継ぎ目終端する。

0006

さらなる実施形態では、円錐形状を有する円錐形状複合品が開示され、この円錐形状複合品は、内側積層板のいずれの位置においてもレイアップが疑似等方性となるように、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む、円錐形状の内側部分積層板を含んでいる。円錐形状複合品は、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層も含む。一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って連続して円錐形状複合品の周りを360°にわたって包み、対向するプライ端部はプライ継ぎ目で終端する。さらに、円錐形状複合品は、内側部分積層及び外側部分積層を有する少なくとも一つの全周囲軸方向プライも含む。全周囲軸方向プライは、横並びの関係に配置されて、円錐形状複合品の周りに360°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジも含む。各軸方向プライウェッジの繊維角度は、円錐形状複合品の長手軸と概ね整列している。

0007

さらには、円錐形状複合品の製造方法が開示される。この方法は、円錐形状のマンドレルの周りを360°にわたって包むように構成されたフラットパターンにおいて連続する弧形状に一方向プライを提供するステップであって、各一方向プライの対向するプライ端部がプライ継ぎ目で終端する、提供するステップを含む。方法は、さらに、内側部分積層板を円錐形状マンドレル上にレイアップするステップを含むことができる。内側部分積層板は、いずれの位置においてもレイアップが疑似等方性となるように、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列を有する一方向プライのうちの四つを含むことができる。方法は、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列に、外側部分積層板をレイアップすることを含んでもよい。

0008

部分積層板に含まれる四つの一方向プライは、どのような順序で配置されてもよく、上述の0/90/+45/−45の順序で配置されることに限定されない。これに関して、各部分積層板に含まれる四つの一方向プライは、少なくとも0°のプライ、90°のプライ、+45°のプライ、及び−45°のプライを含み、任意の順序に配置されて、厚み方向の中央面(厚みの中央線)の片側に疑似等方性のレイアップを、反対側に、鏡像のスタック配列内に四つの一方向プライを含む鏡像の疑似等方性の部分積層板を、それぞれ形成することができる。これについては後述する。加えて、複合材積層板は、中央面の片側に複数の疑似等方性の部分積層板を有し、中央面の反対側に同数の疑似等方性の部分積層板を有することにより、平衡化された対称なレイアップを形成するように提供される。これについては後述する。複合材積層板は、負の繊維角度を有する各プライ(例えば、−45°のプライ)が対応する正の繊維角度を有するプライ(例えば、+45°のプライ)によって平衡化されているという意味で、平衡化されている。複合材積層板は、中央面の片側のプライが、中央面の反対側のプライの鏡像であり、且つ中央面から同じ距離に位置しているという意味で、対称である。

0009

上述の特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0010

本発明の上述の特徴及び他の特徴は、添付図面からさらに明らかとなる。図を通して、同様の参照番号は同様の部品を示す。

0011

打上げ用ロケット内部に封入された宇宙機の断面図であり、宇宙機を打上げ用ロケットに連結する円錐形状の複合品を示している。
円錐形状複合品の斜視図である。
円錐形状複合品の上面図である。
図3の線4に沿った円錐形状複合品の断面図である。
円錐形状複合品の一実施形態における一方向プライから形成される内側部分積層板及び外側部分積層板を示す概略斜視図である。
図5に示す円錐形状複合品の実施形態の、内側部分積層板及び外側部分積層板を示す概略的分解斜視図である。
図6に示す外側部分積層板の外側スタック配列の一部を示す概略図であり、疑似等方性レイアップパターンを示している。
図6に示す内側部分積層板の内側スタック配列の一部を示す概略図であり、図7の外側スタック配列の疑似等方性レイアップパターンの鏡像である疑似等方性レイアップパターンを示している。
図5及び6に示す円錐形状複合品の一実施形態のプライスタック配列を示す表である。
疑似等方性レイアップパターンにおける繊維角度の符号規約(sign convention)を示す繊維角度のローゼット(rosette)である。
内側部分積層板及び外側部分積層板を形成する一方向プライの分解斜視図である。
図9の表により示される円錐形状複合品の一方向プライ継ぎ目の位置を示す線図である。
内側部分積層板及び外側部分積層板を形成する一方向プライのうちの二つについてプライパターンAを示している。
内側部分積層板及び外側部分積層板を形成する一方向プライのうちの二つについてプライパターンBを示しており、プライパターンBの繊維角度はプライパターンAの繊維角度に対して90°である。
複数の全周囲軸方向プライを有する円錐形状複合品の一実施形態のプライスタック配列の表であり、上述の0/90/+45/−45スタック配列の代替的実施形態における内側及び外側スタック配列をさらに示している。
図15の円錐形状複合品の実施形態について一方向プライ継ぎ目位置を示す線図である。
全周囲軸方向プライを有する円錐形状複合品の上面図であり、全周囲軸方向プライを形成する複数の軸方向プライウェッジを示している。
軸方向プライウェッジを形成するためのプライパターンCを示している。
円錐形状マンドレルと、マンドレル表面の外周の周りの一方向プライのレイアップとを示す斜視図である。
円錐形状複合品の製造方法を示すフロー図である。
航空機の製造及び保守方法を示すフロー図である。
航空機のブロック図である。

実施例

0012

ここで、本発明の種々の好適な実施形態の例示を目的とする図面を参照する。図1は、打上げ用ロケット100の頂部に取り付けられたフェアリング102内部に封入されている宇宙機104の断面図である。宇宙機104は、打上げ用ロケット100に宇宙機104を連結することが可能なペイロード接続用結合金具112によって支持される。ペイロード接続用結合金具112は、円錐形状複合品114として構成され、軸方向荷重106、曲げ荷重108、及びねじり荷重110を、宇宙機104から打上げ用ロケット100へ伝達するように構成される。

0013

図2は、垂直に延びる長手軸116を中心に有する円錐形状複合品114を示す斜視図である。円錐形状複合品114は、上縁118及び下縁122を含む。図示されていないが、宇宙機104(図1)に円錐形状複合品114を連結するための金属リング及び機械ハードウェア(例えば、分離ハードウェア)が、上縁118に固定されていてよい。打上げ用ロケット100(図1)に円錐形状複合品114を解除可能に連結するための金属リング及び機械的ハードウェア(例えば、分離ハードウェア)が、下縁122にも固定されていてよい。円錐形状複合品114は、複数の一方向プライ180から形成される複合材積層板150として形成することができる。

0014

図3及び4は、図2の円錐形状複合品114の、それぞれ上面図及び断面図である。上縁118は、宇宙機104(図1)とのインターフェース(図示しない)の直径に相補的な上縁直径120を有することができる。下縁122は、打上げ用ロケット100(図1)とのインターフェース(図示しない)の直径に相補的な下縁直径124を有することができる。ペイロード接続用結合金具112(図1)の一実施形態では、宇宙機104及び打上げ用ロケット100のインターフェースの寸法に応じて、円錐形状複合品114は、約10インチ〜36インチ以上の円錐高130(図4)、及び約5°〜40°以上の半角を有することができる。

0015

図4に示す一実施形態では、上縁直径120は約12〜48インチ以上であり、下縁直径124は約18〜60インチ以上である。円錐形状複合品114は、円錐内表面126と円錐外表面128との間に延びる壁厚132を有することができる。一実施形態では、壁厚132は、宇宙機104(図1)を打上げ用ロケット100(図1)に連結するための強度及び剛性要件に応じて、約0.10インチ〜1.0インチ以上である。しかしながら、円錐形状複合品114は、限定されることなく、様々に異なる大きさ及び構成のいずれか一つにおいて提供することができ、上記寸法範囲に限定されない。

0016

図5は、複合材料からなる複数の一方向プライ180を含む固体の複合材積層板150の一実施形態を概略的に示している。一方向プライ180は、積層されて円錐形状複合品114を形成している。円錐形状複合品114の複合材積層板は、円錐形状マンドレル300(図19)の上に最初の一方向プライ180をレイアップすることにより製作される。一方向プライ180の局所的繊維角度154(図9)は、円錐形状複合品114の長手軸116(図4)に対し、螺旋パターンで連続的に変化する。一方向プライ180のプライ端部200は、ギャップ208を有するプライ継ぎ目204において接合されるか、又は付き合わせられる。ギャップ208は、プライ端部200間のプライ突合せ継手206を示すために、図5では誇張して示されている。これに関して、一方向プライ180のいずれか一つのプライ突合せ継手206のギャップ208は、好ましくは、プライ端部200間において約0.10インチ未満であるが、それよりも大きなギャップ208も考慮される。一実施形態では、プライ端部は、プライ突合せ継手206が、円錐形状複合品114の長手軸116と整列するほぼ直線を形成するように、ほぼ直線である。しかしながら、プライ突合せ継手206は、どのような形状にも形成することができ、長手軸116と整列する直線的構造に限定されない。本発明はプライ継ぎ目204をプライ突合せ継手206として示すが、プライ端部200を重複継手(図示しない)として形成することが考慮されうることにも注意されたい。

0017

図5では、第2の一方向プライ180が最初の一方向プライ180の上にレイアップされ、その際第2の一方向プライ180のプライ継ぎ目204は最初の一方向プライ180の継ぎ目204に対して時計方向に180°ずれており、円錐形状複合品114の外周134の周りでらせん状になる0/45°のレイアップパターンを有する2プライ式積層板が得られている。さらに二つの一方向プライ180が、最初の二つの一方向プライ180に対して90°に方向付けられた局所的繊維角度でレイアップされることにより、疑似等方性のレイアップパターン168を有する4プライ式積層板が得られる。疑似等方性のレイアップパターン168の方向は、円錐形状複合品114の円周方向に沿ってらせん状に、連続的に変化する。

0018

図5では、4プライ式疑似等方性のレイアップパターン168がさらに複合材積層板150に追加され、円錐形状複合品114の外周134の周りで時計方向に異なる角度に方向付けられることにより、所望の強度及び剛性特性を有する複合材積層板150が提供されている。上述のように、このような追加の4プライ式疑似等方性レイアップパターン168は、複合材積層板150の中央面164を挟んで互いの鏡像となる平衡化されたレイアップ166に配置される。例えば、図15に示すように、追加の内側部分積層板156の各々について、中央面164の反対側に一つの外側部分積層板160が提供され、このとき、外側部分積層板160の外側スタック配列158は、内側部分積層板156の内側スタック配列158の鏡像である。但し、追加の内側部分積層板156及び外側部分積層板160が隣接し合うことは必要でない。これについては後述でさらに詳細に説明する。後述するように、随意で全周囲軸方向プライ250(図17)を複合材積層板150に追加することにより、円錐形状複合品114の軸方向の強度及び剛性を増大させることができる。本明細書に開示されるシステム及び方法により、有利には、複合材積層板150硬化後の冷却期間中といった処理の間に、複合材積層板150のねじれ又は反りを防止する平衡化された対称なレイアップが提供される。加えて、本明細書に開示されるシステム及び方法により、重複するつなぎ部の発生が最小化又は排除され、これにより複合材積層板150の総重量が減少し、構造的一体性増し、且つ硬化中に複合材積層板150にしわきずが発生する可能性が有意に低下する、又は排除される。

0019

図6は、円錐形状複合品114の複合材積層板150の一実施形態を形成している内側部分積層板156と外側部分積層板160の概略分解図である。内側部分積層板156は、繊維強化ポリママトリックス材から形成された四(4)つの一方向プライ180を包含しており、これらの一方向プライ180は、局所的繊維角度が0°、90°、−45°、及び+45°である内側スタック配列158か、又は4プライ式疑似等方性レイアップパターン168の他の組み合わせ(例えば、0/+45/90/−45のパターン、+45/0/−45/−90のパターン、−45/0/+45/90のパターン、及び他のパターン)を有している。これについては後述する。これに関して、内側部分積層板156の内側スタック配列158は、有利には、上述のように、円錐形状152のいずれの位置においても疑似等方性のレイアップパターン168を提供する。外側部分積層板160も、内側スタック配列158の鏡像(すなわち、厚み方向における)である外側スタック配列162を有する四(4)つの一方向プライ180を包含する。これについては上述する。これに関して、外側部分積層板160も、円錐形状152のいずれの位置においても疑似等方性のレイアップパターン168を提供する。

0020

図7及び8には、内側部分積層板156及び外側部分積層板160の一部が示されており、円錐形状152(図6)のいずれの位置においても疑似等方性のレイアップパターン168が示されている。図7は、互いに90°に方向付けられた繊維角度154(図9)を有する外側部分積層板160の最も外側の二つのプライを示している。外側部分積層板160の最も内側の二つのプライは、やはり互いに90°に方向付けられ、且つ最も外側の二つのプライに対して45°に方向付けられた繊維角度154を有することにより、疑似等方性レイアップパターン168を有している。図8は、互いに90°に方向付けられた繊維角度154を有する内側部分積層板156の最も外側の二つのプライと、互いに90°に、最も外側の二つのプライに対して局所的に45°に、それぞれ方向付けられた局所的繊維角度154を有することにより疑似等方性のレイアップパターン168を有している最も内側の二つのプライとを示している。図8の一方向プライ180の繊維角度154は、図7の一方向プライ180の繊維角度154の鏡像である

0021

図7及び8は、複合材積層板150(図6)の中央面164(図6)を中心にした内側部分積層板156と外側部分積層板160とによって提供される平衡レイアップ166(図9)を示している。中央面164は、内側部分積層板156の最も外側の一方向プライ180と、外側部分積層板160の最も内側の一方向プライ180との間に位置しており、ここで中央面164は、互いの鏡像となっている内側部分積層板156の繊維角度154と外側部分積層板160の繊維角度154との真中となる厚み方向位置を表している。加えて、複合材積層板150は、一方向プライ180が中央面164を中心として対称となるように配置され、ここで内側部分積層板156と外側部分積層板160の、鏡像となる一方向プライ180の対は、中央面164から等距離に位置しており、これにより複合材積層板150の硬化中の変形又は反りが最小化される。本発明では、内側部分積層板156は、円錐形状複合品114の内側(すなわち、円錐の内表面126に最も近い位置−図4)に位置しており、外側部分積層板160は、円錐形状複合品114の外側(すなわち、円錐の外表面128に最も近い位置)に位置している。

0022

図9は、図11の円錐形状複合品114のプライスタック配列の一実施形態を示す表である。図9のプライ番号付け(例えば、プライNo.)の列は、図19に示す円錐形状マンドレル300のマンドレル表面302のようなツール表面においてプライ1から始まる一方向プライ180のスタック順序を表す。図9のプライパターンの列は、複合材積層板150にレイアップされる一方向プライ180を形成するために実施される二つのプライパターンのうちの一つ(例えば、プライパターンA又はプライパターンB−図13、14)を表す。継ぎ目位置の列は、各一方向プライ180のプライ継ぎ目204の継ぎ目位置を示す図12の継ぎ目の図を参照する。繊維角度の列は、図11の円錐形状複合品114上の0°の継ぎ目位置における、互いに対する一方向プライ180の繊維角度を示している。図11の0°の継ぎ目位置において、プライ1〜プライ8の繊維角度は、+45/90/0/−45/−45/0/90/+45であり、これは図9の繊維角度の列に対応している。

0023

図9の表は、一方向プライの第1の対(プライ1とプライ2)182から構成される内側部分積層板156のスタック配列を列挙しており、この対の両方は、プライ1とプライ2に同じ繊維角度で一方向プライ材料を用いるプライパターンAから形成される。例えば、図13は、一方向プライの第1の対(プライ1とプライ2)182の、繊維角度が90°である(すなわち、基準端部202に対して)プライパターンAを示している。図9の表には、一方向プライの第2の対(プライ3とプライ4)186も列挙されており、この対は、プライ3とプライ4に同じ繊維角度を有する一方向プライ材料を用いるプライパターンBから形成されている。例えば、図14は、一方向プライの第2の対(プライ3とプライ4)186(プライ3とプライ4)の、繊維角度が0°である(すなわち、基準端部202に対して)プライパターンBを示している。図9の表は、やはり一方向プライの第1の対182と一方向プライの第2の対186とから構成される外側部分積層板160の外側スタック配列も列挙しており、これらの一方向プライの対182、186は、内側部分積層板156の一方向プライの第1の対182及び第2の対186の鏡像となるように配置されて、複合材積層板150の平衡レイアップ166を提供している。

0024

図10は、本発明の疑似等方性レイアップパターン168(図9)の繊維角度154の符号規約を示す繊維角度のローゼット210を示している。この符号規約は、ツールに適用される一方向プライ180(図9)を上から見たときの相対的な繊維角度方向を表している。本発明では、ツールは図19に示すような円錐形状マンドレル300を含むことができる。一実施形態では、円錐形状複合品114(図9)上のいずれの位置においても、相対的繊維角度154が側部分積層板156(図9)及び外側部分積層板160(図9)の疑似等方性レイアップパターン168の0/90/±45°の繊維角度の約±2°以内に維持されるように、一方向プライ180をレイアップすることができる。

0025

図11は、図9に示すプライスタック配列に対応する内側部分積層板156及び外側部分積層板160の一方向プライ180の分解斜視図である。図11では、一方向プライ180の各々は、プライの弧長190(図13)に沿って連続して(プライ継ぎ目204を除き)円錐形状複合品114の周りを360°にわたって包んでいる。一方向プライ180の各々は、プライ継ぎ目204で終端する対向するプライ端部200を有する。プライ端部200の一方は基準端部202を構成し(図13、14)、基準端部は、円錐形状マンドレル300(図19)の周囲に、又は直前に積層された一方向プライ180の上に一方向プライ180を巻きつける前に一方向プライ180を継ぎ目位置に位置合わせするプライ端部200を構成する。上述のように、プライ継ぎ目204は、プライ突合せ継手206として形成されるが、プライ継ぎ目204の一又は複数は重複継手(図示しない)として形成されてもよい。一実施形態では、一方向プライ180の各々は、円錐形状複合品114(図5)の少なくとも上縁118(図5)から少なくとも下縁122(図5)まで延びるプライ幅198(図13)を有するように形成される。しかしながら、一方向プライ180の一又は複数は、レイアップの間に、最終的な円錐形状複合品114の上縁118の上方まで、及び/又は下縁122の下方まで延びるプライ幅198(図13)を有してもよい。上端118の上方及び/又は下端122の下方の余分なプライ材料は、硬化後に円錐形状複合品114からトリミングすることができる。

0026

図11では、内側部分積層板156は一方向プライの第1の対182(プライ1とプライ2)を含み、これらはともに第1の繊維角度184を有するプライパターンAを用いて形成される。プライ1及びプライ2のプライ継ぎ目204が互いに対して時計方向に180°ずれていることにより、0°/45°の積層板が得られている。内側部分積層板156は、一方向プライの第2の対(プライ3とプラ4)も含み、これらは共に第2の繊維角度188を有するプライパターンBを用いて形成されている。図14では、プライパターンBの繊維角度154は、基準端部202に対して90°に方向付けられている。図13では、プライパターンAの繊維角度154は、基準端部202に対して0°に方向付けられている。しかしながら、プライパターンA及びプライパターンBの繊維角度154は、プライパターンAの繊維角度154がプライパターンBの繊維角度154に対して90°に方向付けられている限り、基準端部202に対してどのような角度にも方向付けられていてよい。

0027

図11及び12では、一方向プライの第2の対(プライ3とプライ4)186のプライ継ぎ目204は、互いに時計方向に180°ずれている。加えて、一方向プライの第2の対(プライ3とプライ4)186のプライ継ぎ目204一方向プライの第1の対(プライ1とプライ2)182のプライ継ぎ目と位置合わせされていることにより、図8に示すように、内側部分積層板156が疑似等方性レイアップされる。例えば、0°の継ぎ目位置において、プライ1〜プライ4の内側部分積層板156は、+45/90/0/−45の疑似等方性レイアップパターンを有する。言うまでもなく、一方向プライ180は、異なる疑似等方性レイアップパターン168を提供するように配置されてもよい。例えば、一方向性プライ180は、0/+45/90/−45のパターン、+45/0/−45/−90のパターン、−45/0/+45/90のパターン、及びその他のパターンを提供するように配置されてもよい。図11に示すように、外側部分積層板160の一方向プライ180は、内側部分積層板156の一方向プライ180の鏡像となるように配置されて、上述のような平衡レイアップ166を提供する。

0028

図13及び14は、一方向プライ180を形成するプライパターンA及びプライパターンBの弧形状192を示している。プライパターンA及びプライパターンBは、同じ内径194、外径196、プライ幅198、及びプライ端部200間の弧長などが同じ寸法に形成されている。プライパターンA及びBの各々は、円錐形状のマンドレル300の周りを360°にわたって包む平坦なパターンに一方向プライ180を形成する連続的な弧形状192を表しており、各一方向プライ180の対向するプライ端部200はプライ突合せ継手206(図11)のようなプライ継ぎ目204において終端する。加えて、プライパターンA及びBの各々のプライ幅198は、一方向プライ180が円錐形状マンドレル300(図19)上にレイアップされたときに、弧形状192の内径194が円錐形状複合品の上縁118(図5)とほぼ位置合わせされ、弧形状192の外径196が円錐形状複合品114の下縁122(図5)とほぼ位置合わせされるように提供される。しかしながら、一方向プライ180は、最終的な円錐形状複合品114の上縁118の上方及び下縁122の下方にそれぞれ延長する内径194及び外径196に形成し、硬化後にそのような上端118及び下端122をトリミングしてもよい。

0029

図13及び14では、一方向プライ180は、プライパターンA及びBの平坦なパターンの弧形状192に一方向材料を切り出すことにより形成される。例えば、一方向プライ180は、単一の大きな一方向材片からプライパターンA又はプライパターンBの弧形状192を切り取ることにより形成することができる。或いは、一方向プライ180は、互いに横並びの関係に配置された一方向テープ230の複数の個別ストリップ又はコース232から形成してもよい。一方向テープ230は、約1〜20インチ以上の範囲内のテープ幅234で入手可能である。一実施形態では、一方向テープ230は、所望のテープ幅234の予備含浸炭素繊維一方向テープ230を含む。

0030

図13及び14では、一方向テープ230の複数のコース232は、繊維角度154がプライパターンAの基準端部202に平行になるように、横並びの関係に配置されている。プライパターンBの場合、一方向テープ230は、繊維角度154がプライパターンBの基準端部202に垂直になるように配置されている。プライパターンA及びBの基準端部202は、円錐形状マンドレル300(図19)上で一方向プライ108を継ぎ目位置に位置合わせされるプライ端部202を含む。一方向テープ230の横並びのコース232は、プライパターンAの弧形状192に切り取られる。一方向テープ230のコース232は、継ぎ目位置インデックスマーク304(図19)、上縁インデックスマーク306(図19)、及び/又は下縁インデックスマーク308(図19)としてマンドレル表面302(図19)上に設けられるインデックスマークに一方向テープ230のコース232を位置合わせすることにより個別にレイアップされる。一方向テープ230のコース232のテープの両側236は、互いに横方向に接するように配置されて、連続する完全な360°の一方向プライ180を形成する。

0031

一実施形態では、一方向プライ180は、上述のように、繊維強化ポリマーマトリックス材を含む一方向材料からなる。例えば、一方向材料は、予備含浸一方向テープといった予備含浸複合材料(例えば、一又は複数のプライ)を含む。しかしながら、一方向材料は、プライパターンA及びBの弧形状に切り取って円錐形状マンドレル300上にレイアップすることができる乾燥繊維プリフォーム(図示しない)のような乾燥繊維材料(図示しない)も含むことができ、このプリフォームにはその後、別のステップ(図示しない)において液体樹脂注入することができる。

0032

一実施形態では、一方向材料は、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向繊維を含むことができる。ポリマーマトリックス材料は、熱可塑性マトリックス材料又は熱硬化性マトリックス材料を含むことができる。繊維は、炭素ガラスアラミド、金属、及び/又は任意の繊維材料、又はこれらの組み合わせから形成することができる。一実施形態では、一方向プライ180は、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した、比較的厚い、高密度高弾性の一方向炭素繊維として提供される。例えば、一方向プライ180は、少なくとも約0.002インチ、例えば約0.020インチのプライ厚を有する。一方向プライ180は、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向炭素繊維であって、約0.010インチの硬化後公称プライ厚保を有する一方向炭素繊維を含みうる。

0033

上述のように、一方向プライ180は、円錐形状複合品114に対し、全方位に比較的高い剛性を与える、約30〜70×106ポンド平方インチ(psi)の比較的高い弾性を有する繊維を含むことができる。加えて、一方向プライ180は、例えば約50〜350グラム平方メートルといった比較的高い気中濃度を有することができ、この高い気中濃度と約0.020インチという比較的大きな厚みとの組み合わせにより、運航中に円錐形状複合品114(図4)が受けうる荷重を支持するために必要な壁厚132(図4)を達成するために要求される一方向プライ108及び全周囲軸方向プライ250(後述)の総量が最小化される。湿式レイアップ法(例えば、樹脂注入乾燥プリフォーム)の代わりに予備含浸ポリマーマトリックス材料を使用することにより、最終的な円錐形状複合品114の繊維体積分率をよりよく制御できる。一実施形態では、繊維形状複合品114は、約45〜60%、例えば約52〜56%の繊維体積分率を有するように製造されるが、これよりも大きい又は小さい繊維体積分率も考慮される。

0034

図15は、所望の壁厚132(図4)を達成する複数の平衡レイアップ166(図11)を有する円錐形状複合品114(図11)の一実施形態のプライスタック配列の表である。上述のように、平衡レイアップ166は、内側スタック配列158を有する内側部分積層板156と、内側スタック配列158の鏡像となる外側スタック配列162を有する外側部分積層板160とを含む。図15は、中央面164(すなわち、プライ16とプライ17の間の中央面)の片側に三(3)つの内側部分積層板156を、中央面164の他方の側に三(3)つの外側部分積層板160をそれぞれ含む、三(3)つの平衡レイアップ166を示している。上述のように、各内側部分積層板156及び各外側部分積層板160は、円錐形状複合品144のいずれの位置においても疑似等方性レイアップを形成するように配置された四(4)つの一方向プライ180を含む。各平衡レイアップ166について、内側部分積層板156及び外側部分積層板160は、上述し図9に示したように、互いに時計方向に180°ずれたプライ継ぎ目204を含む。図15に示す複数の平衡レイアップ166を有する円錐形状複合品114の場合、平衡レイアップ166のプライ継ぎ目204(図11)は、円錐形状複合品114の外周134の周りの時計方向に異なる継ぎ目位置に配置される。平衡レイアップ166の継ぎ目位置のクロッキング(clocking)により、一箇所に複数の継ぎ目位置204が生じることが防止されて、円錐形状複合品114の外周134の周りの応力分散が改善される。

0035

図15に示す一実施形態では、円錐形状複合品114は、随意で、円錐形状複合品114(図4)の軸方向強度及び剛性を増大させるための一又は複数の全周囲軸方向プライ250を含むことができる。全周囲軸方向プライ250は、内側部分積層板156及び外側部分積層板160の一方向プライ180に使用される一方向材料に類似の一方向材料から形成することができる。全周囲軸方向プライ250は、繊維角度252(図18)が円錐形状複合品114の長手軸116(図4)とほぼ整列するように配置される。一又は複数の全周囲軸方向プライ250は、内側部分積層板156内部及び外側部分積層板160内部に積層される。例えば、図15は、プライ1、4、5、及び7からなる内側部分積層板156のプライ1とプライ3の間に積層された二(2)つの全周囲軸方向プライ250と、プライ5とプライ7の間に積層された別の全周囲軸方向プライ250とを示している。平衡レイアップ166(図11)を提供するために、プライ26、28、29、及び32からなる外側部分積層板160は、内側部分積層板156内の全周囲軸方向プライ250の鏡像となるように積層された同数の全周囲軸方向プライ250を有する。円錐形状複合品114は、随意で、隣接して配置される内側部分積層板56間)に積層される一又は複数の全周囲軸方向プライ250(すなわち、プライ8)、及び隣接して配置される外側部分積層板160間に積層される一又は複数の全周囲軸方向プライ250(すなわち、プライ25)を含むことができ、これにより平衡レイアップ166が提供される。図15には八(8)つの全周囲軸方向プライ250が示されているが、部分積層板156、160内部に、及び/又は部分積層板156、160間に配置される全周囲軸方向プライ250の数はどのような数でもよい。

0036

図16は、図15に示した円錐形状複合品114の内側及び外側部分積層板156、160の継ぎ目位置を示す線図である。プライ継ぎ目204の位置は、円錐形状複合品114の強度特性を向上させるように、等角度に配置されている(例えば、45°ずつずれている)。上述のように、プライ継ぎ目204のクロッキング(clocking)により、一箇所に複数のプライ継ぎ目204が生じることが回避され、代わりにプライ継ぎ目204はずらして配置される。このようにして、プライ突合せ継手206に重なる一方向プライ180は、一方向プライ180の対向するプライ端部200を互いに接続する重複つなぎとして働く。図16ではプライ継ぎ目204は等しい角度で分散しているが、プライ継ぎ目204は等しくない角度で配置されてもよい。

0037

図17は、円錐形状複合品114の上面図であり、複数の軸方向プライウェッジ254からなる全周囲軸方向プライ250を示している。図17は、外側部分積層板160内部に積層される全周囲軸方向プライ250であるプライ30及びプライ31を示すために部分的に切り離されたプライ32を例示している。全周囲軸方向プライ250の各々は、互いに横並びの関係に配置されて円錐形状複合品114の周りに360°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジ254から構成される。軸方向プライウェッジ254の各々は、円錐形状複合品114の長手軸116(図18)とほぼ整列する(例えば、±10°以内)繊維角度252(図18)を有する。隣接し合う軸方向プライウェッジ254のウェッジ側面262は、互いに横方向に接するように配置され、複数のウェッジ突合せ継手264を形成する。

0038

図17では、各全周囲軸方向プライ250は、内側部分積層板156又は外側部分積層板160の少なくとも一つの連続する一方向プライ180と重複する。一方向プライ180は、ウェッジ突合せ継手264の重複つなぎとして働き、隣接して配置される軸方向プライウェッジ254を相互接続することができる。例えば、プライ32は、プライ31のウェッジ突合せ継手264への重複つなぎとして働くように、全周囲軸方向プライであるプライ31と重複する一方向プライ180である。図示しないが、プライ29も、全周囲軸方向プライであるプライ30のウェッジ突合せ継手264への重複つなぎとして働くことのできる一方向プライ180である。

0039

図17の実施形態では、全周囲軸方向プライ250の各々のウェッジ突合せ継手264が、残りの全周囲軸方向プライ250のうちの一又は複数のウェッジ突合せ継手264とずれていることにより、円錐形状複合品114上の一箇所に二つ以上のウェッジ突合せ継手264が生じることが回避されている。例えば、図17は、プライ30のウェッジ突合せ継手264がプライ31のウェッジ突合せ継手264とずれていることを示している。一実施形態では、全周囲軸方向プライ250のうちの一又は複数のウェッジ突合せ継手264は、残りの全周囲軸方向プライ250のうちの一又は複数のウェッジ突合せ継手264と少なくとも0.50インチのずれ266を有するように配置されるが、ずれ266の量は0.50インチ未満でもよい。一実施形態では、全周囲軸方向プライ250のうちの一つのウェッジ突合せ継手264のうちの一又は複数は、他の全周囲軸方向プライ250のウェッジ突合せ継手264のうちの一又は複数とほぼ整列している。

0040

図18は、軸方向プライウェッジ254を形成するためのプライパターンCの一実施形態を示している。プライパターンCは、軸方向プライウェッジ254のウェッジ高さ260を画定する内径256及び外径258を有する。一実施形態では、軸方向プライウェッジ254のウェッジ高さ260は、プライパターンA(図13)及びプライパターンB(図14)のプライ幅198(図13、14)にほぼ等しい。これに関して、軸方向プライウェッジ254のウェッジ高さ260は、円錐形状複合品114の上縁118(図17)と下縁122(図17)の間に延びる大きさを有しうる。しかしながら、軸方向プライウェッジ254は、軸方向プライウェッジ254のレイアップ中に上縁118及び/又は下縁122の上方又は下方に延びるウェッジ高さ260に形成することができる。

0041

図18では、軸方向プライウェッジ254は、円錐形状複合品114の周囲360°にわたる全周囲軸方向プライ250(図17)を形成するために必要な軸方向プライウェッジ254の数を最小化する弧長に設けられる。しかしながら、この弧長は、各軸方向プライウェッジ254の両側の繊維角度252と円錐形状複合品114の長手軸116(図17)との不整列の量を最小化するために最小化されてもよい。各軸方向プライウェッジ254の両側の繊維角度252と長手軸116との不整列を最小化することにより、全周囲軸方向プライ250の軸方向耐荷重能及び軸方向剛性最大化される。各軸方向プライウェッジ254は、一方向プライ180について上述した一方向材料と同様の一方向材料から形成することができる。一方向材料の繊維角度252は、プライパターンCの弧長を二分する半径とほぼ整列させることができる。一実施形態では、軸方向プライウェッジ254は、一方向テープ230から一方向プライ180を形成する上述のプロセスと同様にして、一方向テープ230の複数のストリップ又はコース232(図13)が横並びの関係に配置されている一方向テープ230から形成することができる。

0042

図18では、軸方向プライウェッジ254は、軸方向プライウェッジ254の中心における軸方向プライの繊維角度252が円錐形状複合品114(図17)の長手軸116に対してほぼ整列する(すなわち、0°の繊維角度を有する)ように構成することができ、対向するウェッジ側面262は、最大8°のウェッジ切り込み角度268を有するように形成することができる。例えば、軸方向プライウェッジ254は、ウェッジ側面262の各々が約5°のウェッジ切り込み角度268で形成されるように構成することができる。ウェッジ切り込み角度268を最小化することにより、軸方向プライの繊維角度252のオフセット(すなわち、垂直線からの)が最小化される。

0043

図19は、一方向プライをレイアップするための円錐形状マンドレル300と、随意で設けられる、円錐形状マンドレル300の外周134の周りの全周囲軸方向プライ250(図17)との一実施形態を示している。円錐形状マンドレル300は、円錐形状複合品114の成形及び硬化に適合する特徴を有する金属材料(例えば、鋼、アルミニウムインバー登録商標))又は複合材料(例えば、黒鉛エポキシ)から形成することができる。マンドレル表面302は、一方向プライ180及び全周囲軸方向プライ250と上縁118及び下縁122(図17)との整列を容易にし、各一方向プライ180のプライ端部200を所定の継ぎ目位置と整列させるためのインデックスマークを含むことができる。インデックスマークは、マンドレル表面302に直接形成されたスクライブマークを含む。例えば、円錐形状マンドレル300は、継ぎ目位置インデックスマーク304、上縁インデックスマーク306、及び下縁インデックスマーク308を含むことができ、これらはプライの位置をマークするためのマンドレル表面302への刻み目、又は他の手段として形成されたスクライブマークとして設けることができる。図19は、0°の継ぎ目位置と整列してマンドレル表面302上に留められた基準端部202を有する一方向プライ180を示しており、この一方向プライ180は、まず円錐形状マンドレル300の周りに巻きつけられ、その後、残りのプライ端部200が0°の継ぎ目位置に戻ってきたところでマンドレル表面302に留められる。

0044

図19の実施形態では、インデックスマークは、円錐形状マンドレル300又は直前に積層されたプライ上の所定のインデックス位置レーザ光投射するように構成されたレーザ位置合わせシステムにより設けられる。例えば、このようなレーザ位置合わせシステムは、円錐形状マンドレル300の表面上に、継ぎ目位置、上縁118、及び下縁122を投影するように構成することができる。加えて、このようなレーザ位置合わせシステムは、レイアッププロセスの間に、軸方向プライ180の形状寸法、全周囲一方向プライ250の形状寸法、及びスタック配列を、円錐形状マンドレル300、或いは直前に積層された一方向プライ180又は全周囲軸方向プライ250上に投影することにより、新規に適用される一方向プライ180及び全周囲軸方向プライ250の各々の公称位置を示すことができる。

0045

図20は、図17に示すような円錐形状複合品114の製造方法400を示すフロー図である。方法は、円錐形状マンドレル300の周りを360°にわたって包むように構成された平坦なパターンの連続する弧形状192に一方向プライ180を提供することからなるステップ402を含む。一実施形態では、一又は複数の一方向プライ180の対向するプライ端部200はプライ突合せ継手206で終端するが、プライ端部200は重複してもよい。方法は、上述のように互いに横並びの関係に配置された一方向テープ230の複数のコース232から一方向プライ180のうちの少なくとも一つを形成することを含んでもよい。一方向プライ180は、円錐形状複合品114の少なくとも上縁118から少なくとも下縁122まで延びるプライ幅198で提供されうる。

0046

図20の方法400のステップ404は、円錐形状マンドレル300上に内側部分積層板156をレイアップすることを含む。上述のように、内側部分積層板156は、有利には、繊維角度0°、90°、+45°、−45°の内側スタック配列を有する少なくとも四(4)つの一方向プライを含む。繊維角度は、4プライ式内側部分積層板156内において、異なる順序(例えば、0/+45/90/−45、0/−45/90/+45、90/+45/0/−45、−45/0/90/+45、など)で配置することができる。4プライ式内側部分積層板156は、各々が第1の繊維角度184を有する一方向プライの第1の対182を提供すること、互いに時計方向に180°ずらして一方向プライの第1の対182のプライ継ぎ目204を配置すること、各々が第1の繊維角度184に対して90°に方向付けられた第2の繊維角度188を有する一方向プライの第2の対186を提供すること、及び円錐形状複合品の外周134の周りに互いに時計方向に180°ずらして、一方向プライの第1の対182のプライ継ぎ目204と位置合わせされるように第2の一方向プライ180のプライ継ぎ目204を配置することにより、疑似等方性レイアップパターン168を提供するように配置することができる(図5、6、及び11参照)。

0047

上述のように、このような追加の4プライ式疑似等方性レイアップパターン168は、好ましくは、複合材積層板150の中央面164を挟んで対称で平衡化されたレイアップ166に配置される。例えば、図15に示すように、各内側部分積層板156について、外側部分積層板160が中央面164を挟んで反対側に提供され、この対応する外側部分積層板160は、内側部分積層板156の内側スタック配列158の鏡像である外側スタック配列162を有する。図15に示すように、各内側部分積層板156及び対応する外側部分積層板160は、互いに隣接して配置される。これに関して、内側及び外側部分積層板156、160の各組は、各内側部分積層板156の一方向プライ180が、対応する外側部分積層板160の一方向プライ180と中央面164から同じ距離だけ離れて位置するように、中央面164を挟んで対称である。このように、複合材積層板150が対称で平衡化されたレイアップ166に提供されることにより、硬化後の反りが最小化される。

0048

一実施形態では、内側部分積層板156は、図19に示すように、プライ端部200が円錐形状マンドレル300上の継ぎ目位置インデックスマーク304に位置合わせされるように一方向プライ180の各々の弧形状192をレイアップすることにより形成される。一実施形態では、一方向プライ180の各々のプライ突合せ継手206は、プライ端部200間に約0.10インチ未満のギャップ208が生じるように設けられる。加えて、一方向プライ180の各々の弧形状192をレイアップするプロセスは、弧形状192の内径194及び外径196を、円錐形状マンドレル300上の上縁インデックスマーク306及び下縁インデックスマーク308に、垂直方向に位置合わせすることを含む。一方向プライ180をレイアップするプロセスは、手作業により、及び/又は自動繊維配置マシン(図示しない)を用いて実行されうる。

0049

図20の方法400のステップ406は、内側スタック配列158の鏡像である外側スタック配列162に、内側部分積層板156の上に外側部分積層板160をレイアップすることを含む。外側部分積層板160のプライ継ぎ目204は、内側部分積層板156のプライ継ぎ目204と位置わせされる。上述のように、内側部分積層板156及び外側部分積層板160の各々は、複合品上のいずれの位置においても疑似等方性レイアップを呈する。内側部分積層板156と外側部分積層板160との組み合わせは、複合材積層板150の硬化後の反りを最小化するために、上述のような平衡レイアップ166及び対称レイアップを有する複合材積層板150を含む。

0050

円錐形状複合品114の製造方法は、使用中に円錐形状複合品114が受ける荷重に耐えるための所望の壁厚132を達成するために、複数の平衡レイアップ166(図11)を適用することを含む。上述のように、平衡レイアップ166の各々は、外側部分積層板160と対になる内側部分積層板156を含む。外側部分積層板160は、内側部分積層板156の鏡像として提供される。複数の平衡レイアップ166を有する複合材積層板150の場合、この複合材積層板は複数の内側部分積層板156を含んでおり、各内側部分積層板156は、中央面164の、内側部分積層板156とは反対側に位置する外側部分積層板160と対になっている。上述のように、外側部分積層板160の各々は、中央面164の反対側に位置する対応する内側部分積層板156の疑似等方性のスタック配列162の鏡像である疑似等方性の外側スタック配列162を有している。

0051

図20の方法400のステップ408は、一又は複数の平衡レイアップ166を用いて一又は複数の全周囲軸方向プライ250をレイアップすることを含む。例えば、一又は複数の全周囲軸方向プライ250は、内側部分積層板156及び外側部分積層板160の一方向プライ180間に積層される。全周囲軸方向プライ250をレイアップするステップは、軸方向プライウェッジ254が円錐形状マンドレル300の周囲に360°にわたって延びて全周囲軸方向プライ250を形成するように、複数の軸方向プライウェッジ254を互いに横並びの関係にレイアップすることにより、図17に示すような複数のウェッジ突合せ継手264を形成することを含む。

0052

軸方向プライウェッジ254は、プライパターンC(図18)の寸法形状のような平坦なパターンの寸法形状に形成される。各軸方向プライウェッジ254の繊維角度252は、円錐形状複合品114の長手軸116と概ね整列する。全周囲軸方向プライ250は、円錐形複合品114の軸方向強度及び剛性を増加させる。複数の全周囲軸方向プライ250を有する円錐形状複合品114に関し、方法は、一か所に複数のウェッジ突合せ継手264が存在することを避けるために、全周囲軸方向プライ250の各々のウェッジ突合せ継手264を、全周囲軸方向プライ250の残りのウェッジ突合せ継手264から少なくとも0.50インチだけずらして配置することを含む。

0053

図20の方法400のステップ410は、複合材積層板150を圧密化及び硬化させるために、複合材積層板150に熱及び/又は圧力を加えることを含む。例えば、レイアップ後、複合材積層板150は、一方向プライ150のデバルク及び圧密化のために、真空引きされる。オートクレーブ又はオーブン内部に複合材積層板150を配置するなどして、複合材積層板150に熱を加えることができる。熱はマトリックス材料の温度を上昇させ、その粘度を低下させるので、隣接し合う一方向プライ180中のマトリックス材料が混ざり合う。熱を除去し、複合材積層板150が冷却して硬化又は圧密化することにより、最終的な円錐形状複合品114が得られる。

0054

図示しないが、本発明は、上述のような固体の複合材積層板ではなく、サンドイッチ複合構造として構成された円錐形状複合品も考慮する。このようなサンドイッチ複合構造は、コアの片側に位置する内側スタック配列を有する少なくとも一つの内側部分積層板と、コアの反対側に位置して、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層板とを含むことにより、平衡レイアップを提供する。コア材料は、発泡材コア、アルミニウム、アラミドなどからなるハニカムコア、又は他のコア構成及び材料を含むことができる。このようなサンドイッチ複合構造の内側及び外側部分積層板は、上述の開示内容に従って作製される。

0055

ここに開示されるシステム及び方法の大きな利点は、ダーツや重複つなぎを必要とせずに円錐形状複合品114を作製できることである。上述のように、円錐の外周の周りを包んで360°にわたって連続的に延びるプライパターンを使用することにより、円錐の寸法形状に合致するために必要なダーツが最小化又は排除される。加えて、プライ突合せ継手206を使用し、重複つなぎを回避することにより、円錐形状複合品114にしわきず又はボイドが生じる可能性が大きく低下する。さらに、円錐形状複合品114全体に突合せ継手を使用することで、壁厚132が約±10%以上変化しないプライレイアップが得られ、これにより±10%超の壁厚変動を有する従来のレイアップに対し、円錐形状複合品114の比強度が向上する。上記要因の組み合わせにより、宇宙機104(図1)を打上げ用ロケット100(図1)に連結する円錐状のペイロード接続用結合金具112(図1)により伝達される軸方向荷重106、曲げ荷重108、及びねじり荷重110(図1)といった、異なる方向及び大きさの種々の荷重を伝達することのできる、軽量で強度及び剛性の高い円錐形状複合品114が得られる。

0056

ここで図21及び22を参照する。本発明の実施形態は、図21に示す航空機の製造及び保守方法500、及び図22に示す航空機502に照らして説明することができる。製造前の段階では、例示的な方法500は、航空機502の仕様及び設計504と、材料調達506とを含みうる。製造段階では、航空機502のコンポーネント及びサブアセンブリの製造508と、システムインテグレーション510とが行われる。その後、航空機502は認可及び納品512を経て運航514される。顧客により運航される間に、航空機502は定期的な整備及び保守516(改造再構成改修なども含みうる)を受ける。

0057

方法500のプロセスの各々は、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、及び主要システムの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事団体、サービス機関などでありうる。

0058

図22に示されるように、例示的方法500によって製造された航空機502は、複数のシステム520及び内装522を有する機体518を含むことができる。高レベルのシステム520の例には、推進システム524、電気システム526、油圧システム528、及び環境システム530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、自動車産業などの他の産業にも適用しうる。

0059

本明細書に具現化された装置と方法は、製造及び保守方法500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508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502の運航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリに類似の方法で作製又は製造される。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの組み合わせは、例えば、航空機502の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機502のコストを削減することにより、製造段階508及び510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、或いはそれらの組み合わせのうちの一又は複数を、航空機502の運航中に、例えば限定しないが、整備及び保守516に利用することができる。

0060

さらに、本明細書は、以下の条項による実施形態を含む。

0061

1.円錐形状を有する内側部分積層板であって、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列を有する少なくとも四つの一方向プライを含み、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターンを有する内側部分積層板と、
前記内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層板と
を含む円錐形状複合品であって、
一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って連続して円錐形状複合品の周りを360°にわたって包み、各一方向プライの対向するプライ端部がプライ継ぎ目で終端する、円錐形状複合品。

0062

2. 前記内側部分積層板及び前記外側部分積層板の各々に含まれる前記四つの一方向プライは、
各々が、第1の繊維角度を有し、且つ互いに時計方向に180°ずれたプライ継ぎ目を有する一方向プライの第1の対と、
各々が第1の繊維角度に対して90°に方向付けられた第2の繊維角度を有する一方向プライの第2の対であって、各一方向プライの継ぎ目が円錐形状複合品の外周上で互いに時計方向に180°ずれて位置し、且つ一方向プライの第1の対のプライ継ぎ目に位置合わせされている、一方向プライの第2の対と
を含んでいる、条項1の円錐形状複合品。

0063

3.プライ継ぎ目はプライ突合せ継手を含む、条項1の円錐形状複合品。

0064

4. 内側部分積層板及び外側部分積層板が平衡レイアップを含み、
円錐形状複合品は複数の平衡レイアップを有している、
条項1の円錐形状複合品。

0065

5. 一方向プライのうちの少なくとも一つは、互いに横並びの関係に配置された一方向テープの複数のコースからなっている、条項1の円錐形状複合品。

0066

6. 内側部分積層板及び外側部分積層板を用いて積層された少なくとも一つの全周囲軸方向プライであって、円錐形状複合品の周りに360°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジを含む全周囲軸方向プライをさらに含み、
各軸方向プライウェッジの繊維角度は、円錐形状複合品の長手軸とほぼ整列している、
条項1の円錐形状複合品。

0067

7. 一方向プライは予備含浸した複合材プライである、条項1の円錐形状複合品。

0068

8.予備含浸した複合材プライは、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向炭素繊維を含む、条項7の円錐形状複合品。

0069

9. 一方向プライは、約30〜70×106ポンド/平方インチの引張り係数を有する繊維を含む、条項1の円錐形状複合品。

0070

10. 一方向プライは約50〜350g/平方メートルの気中濃度を有している、条項1の円錐形状複合品。

0071

11. 一方向プライは少なくとも約0.002インチのプライ厚を有している、条項1の円錐形状複合品。

0072

12.円錐形状を有し、繊維角度が0°、90°、+45°、及び−45°である内側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップを有する内側部分積層板と、
前記内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層板と
を含む円錐形状複合品であって、
一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って円錐形状複合品の周りを360°にわたって連続して延び、且つプライ継ぎ目で終端する対向するプライ端部を有しており、
円錐形状複合品は、さらに、内側部分積層板及び外側部分積層板を用いて積層された少なくとも一つの全周囲軸方向プライであって、円錐形状複合品の周りに360°にわたって延びる、横並びの関係に配置された複数の軸方向プライウェッジを含む全周囲軸方向プライを含み、
各軸方向プライウェッジの繊維角度は、円錐形状複合品の長手軸とほぼ整列している、
円錐形状複合品。

0073

13.円錐形状複合品の製造方法であって、
円錐形状マンドレルの周りを360°にわたって包むように構成されたフラットパターンにおいて連続する弧形状に一方向プライを提供するステップであって、各一方向プライの対向するプライ端部がプライ継ぎ目で終端する、提供するステップと、
円錐形状マンドレル上に、繊維角度が−45°、90°、0°、及び+45°である内側スタック配列を有する少なくとも四つの一方向プライを含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップを有する内側部分積層板をレイアップするステップと、
前記内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列に外側部分積層板をレイアップするステップと
を含む方法。

0074

14. 内側部分積層板をレイアップするステップ及び外側部分積層板をレイアップするステップが、
各々が第1の繊維角度を有する一方向プライの第1の対を提供することと、
円錐形状複合品の外周上において、一方向プライの第1の対のプライ継ぎ目を、互いに時計方向に180°ずらして配置することと、
各々が、第1の繊維角度に対して90°に方向付けられた第2の繊維角度を有する一方向プライの第2の対を提供することと、
一方向プライの第2の対のプライ継ぎ目を、互いに時計方向に180°ずらし、且つ一方向プライの第1の対のプライ継ぎ目と位置合わせして配置することと
を含む、条項13の方法。

0075

15. 一方向プライのうちの少なくとも一つのプライ継ぎ目がプライ突合せ継手を形成するように、一方向プライをレイアップすること
をさらに含む、条項13の方法。

0076

16.円錐形状マンドレル上の継ぎ目位置インデックスマークに弧形状のプライ端部を位置合わせすることにより、一方向プライの各々をレイアップすることと、
弧形状の内径及び外径を、円錐形状マンドレル上の上縁インデックスマーク及び下縁インデックスマークのそれぞれ一つに、垂直方向に位置合わせすることと
をさらに含む、条項13の方法。

0077

17. 複数の平衡レイアップをレイアップすることをさらに含み、
平衡レイアップの各々が、内側部分積層板と、前記内側部分積層板の鏡像である外側部分積層板との対を含んでいる、条項13の方法。

0078

18. 互いに横並びの関係に配置された一方向テープの複数のコースから一方向プライのうちの少なくとも一つを形成することをさらに含む、条項13の方法。

0079

19.横並びの関係に、且つ円錐形状マンドレルの周りに360°にわたって延びるように、複数の軸方向プライウェッジをレイアップすることにより、円錐形状複合品の長手軸とほぼ整列する繊維角度を有する全周囲軸方向プライを形成することをさらに含む、条項13の方法。

0080

20. 複数の軸方向プライウェッジをレイアップして複数のウェッジ突合せ継手を形成することと、
全周囲軸方向プライの各々のウェッジ突合せ継手を、全周囲軸方向プライのうちの残りのウェッジ突合せ継手とずらして配置することと
をさらに含む、条項19の方法。

0081

業者には、本発明の他の修正例及び改良例が明らかであろう。したがって、本明細書に記載及び例示した部分の具体的な組み合わせは、本発明の特定の実施形態を表しているに過ぎず、本発明の精神及び範囲に含まれる別の実施形態又はデバイスを制限するものではない。

0082

100打上げ用ロケット
102フェアリング
104宇宙機
106軸方向荷重
108曲げ荷重
110ねじり荷重
112ペイロード接続用結合金具
114円錐形状複合品
116長手軸
118上縁
120 上縁直径
122下縁
124 下縁直径
126円錐内表面
128 円錐外表面
130 円錐高
132壁厚
134 外周
150複合材積層板
152 円錐形状
154繊維角度
156 内側部分積層板
158内側スタック配列
160 外側部分積層板
162 外側スタック配列
164中央面
166平衡レイアップ
168疑似等方性レイアップパターン
180 一方向プライ
182 一方向プライの第1の対
184 第1の繊維角度
186 一方向プライの第2の対
188 第2の繊維角度
190弧長
192弧形状
194 プライパターンの内径
196 プライパターンの外径
198プライ幅
200プライ端部
202基準端部
204 プライ継ぎ目
206 プライ突合せ継手
208ギャップ
210 繊維角度ローゼット
230 一方向テープ
232コース
234テープ幅
236 コースの側面
250 全周囲軸方向プライ
252 繊維角度
254 軸方向プライウェッジ
256 プライパターンCの内径
258 プライパターンCの外径
260 ウェッジ高さ
262 ウェッジ側面
264 ウェッジ突合せ継手
266 ずれ
268 ウェッジ切り込み角度
300 円錐形状マンドレル
302マンドレル表面
304継ぎ目位置インデックスマーク
306 上縁インデックスマーク
308 下縁インデックスマーク

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