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技術 ファイバーステアリングを使用した複合材積層板の適合された熱膨張率

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 ブローム,アドリアナウィレムピェ
出願日 2015年10月13日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2015-201875
公開日 2016年8月25日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2016-153216
状態 特許登録済
技術分野 積層体(2) 飛行船・気球・飛行機
主要キーワード 重量要素 非マッチング 接触構造体 ボルト接続 システムインテグレーター システムインテグレーション 下請業者 複合材構造体
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図面 (9)

課題

複合材構造体を種々の熱膨張率(CTE)を有する他の構造体接合するための新しい、改良された解決法の提供。

解決手段

第2の構造体102は、重なり、移行108、及び基準領域110を有する。重なり領域106は、第1の構造体104と直接的に接触し、第1の構造体のCTEと同等なCTEを有する。基準領域110は、第1の構造体から離れ、かつ異なるCTEを有する。これらのCTEの各々は、そのそれぞれの領域において一様であり得る。移行領域は、基準領域と重なり領域とを相互接続し得、一端部から他端部へ傾斜したCTEの変化を有し得る。第2の複合材構造体のCTEの変化は、全ての3つの領域を通って延伸する少なくとも1つのプライにおける繊維の角度を変化させることによって取得され得る。例えば、いかなるプライも、ファイバーステアリングに委ねられ得るアセンブリ

概要

背景

アセンブリを完成させるために、種々のタイプの材料が、しばしば、接合される。例えば、複合材部品及び複合材構造体が、しばしば、金属構造体に接合される。しかしながら、複合材部品及び複合材構造体は、接合される金属構造体の熱膨張率(CTE)とは、非常に異なる、時々は桁違いである、CTEを有し得る。多くの用途では、温度変化が最小なので、このことは重要ではないかもしれない。しかしながら、他の用途では、材料は広い温度範囲にわたり急速な加熱及び/又は冷却を受け得る。例えば、宇宙船の用途では、紫外線放射への直接的な露出の有無のために、様々な構成要素を加熱及び冷却に晒す。実質的な温度変化を受ける環境における非常に、実質的に異なったCTEを有する2つの構造体から形成されたアセンブリを有することは、有害な効果をもたらし得る。

変動する熱膨張によって誘起される応力を低減するために、複合材構造体と接合される金属構造体との間に、付加的なインターフェース構造体が使用され得る。これらの付加的なインターフェースは、幾らかのCTEのミスマッチ許容するアダプタ及びスペーサを含み得る。しかしながら、熱膨張アダプタは、全体のアセンブリに対して重量を付加し得、費用を増加し得る。これらの熱膨張アダプタは、製造することが困難であり得、かつ損傷を受けやすい。

結論として、複合材構造体を種々のCTEを有する他の構造体に接合するための新しく、改良された解決法を提供することが望ましく、これらの解決法は、既存のメカニズムの欠点を克服するやり方で、変動する熱膨張率に対処する。

概要

複合材構造体を種々の熱膨張率(CTE)を有する他の構造体に接合するための新しい、改良された解決法の提供。第2の構造体102は、重なり、移行108、及び基準領域110を有する。重なり領域106は、第1の構造体104と直接的に接触し、第1の構造体のCTEと同等なCTEを有する。基準領域110は、第1の構造体から離れ、かつ異なるCTEを有する。これらのCTEの各々は、そのそれぞれの領域において一様であり得る。移行領域は、基準領域と重なり領域とを相互接続し得、一端部から他端部へ傾斜したCTEの変化を有し得る。第2の複合材構造体のCTEの変化は、全ての3つの領域を通って延伸する少なくとも1つのプライにおける繊維の角度を変化させることによって取得され得る。例えば、いかなるプライも、ファイバーステアリングに委ねられ得るアセンブリ。

目的

結論として、複合材構造体を種々のCTEを有する他の構造体に接合するための新しく、改良された解決法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1の熱膨張率(CTE)を有する第1の構造体であって、前記第1のCTEが前記第1の構造体の全体の体積を通して実質的に一様である、第1の構造体、並びに第1の繊維プライ及び第2の繊維プライを備えた複合材料から形成された第2の構造体であって、前記第1の繊維プライ及び前記第2の繊維プライが前記第2の構造体の重なり領域、移行領域、及び基準領域を通して連続的に延伸し、前記重なり領域は前記第1の構造体と接触し、前記基準領域は前記第1の構造体から離れて位置決めされ、前記移行領域は前記重なり領域と前記基準領域とを相互接続し、かつ前記第1の繊維プライ内の前記重なり領域内の第1の繊維角度は、前記第1の繊維プライ内の前記基準領域内の第2の繊維角度と異なり、それによって、前記第2の構造体の前記重なり領域は、前記第1のCTEと実質的に一致する第2のCTEを有し、かつ前記第2の構造体の前記基準領域は、前記第2のCTE及び前記第1のCTEと実質的に異なる第3のCTEを有する、第2の構造体を備える、アセンブリ

請求項2

前記第1の繊維プライは、前記移行領域を通るファイバーステアリングを有し、前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン表現のうちの1つを利用する、請求項1に記載のアセンブリ。

請求項3

前記第2の構造体の前記第2のCTEは、2つの直交する方向において異なり、前記2つの直交する方向は、円周方向及び軸方向を含む、請求項1又は2に記載のアセンブリ。

請求項4

前記第1の構造体は金属を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項5

前記第2の繊維プライは、前記重なり領域内の第3の繊維角度及び前記基準領域内の第4の繊維角度を有し、前記第3の繊維角度は前記第4の繊維角度と異なり、前記重なり領域内の前記第1の繊維プライ内の前記第1の繊維角度の絶対値は、前記重なり領域内の前記第2の繊維プライ内の前記第3の繊維角度の絶対値と異なる、請求項1から4のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項6

前記第2の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で同じ繊維角度を有する、請求項1から5のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項7

第3の繊維プライ及び第4の繊維プライを更に備える、請求項1から6のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項8

前記第1の繊維角度は、前記第2の構造体に関連するポアソン比の値と、前記第2のCTEの前記第1のCTEとの一致とをバランスさせるように選択される、請求項1から7のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項9

複合材構造体を設計するための方法であって、前記方法は、接触構造体のCTEを有する接触構造体との接続のために、重なり領域のCTEを有する第1の複合材内の第1の積層板レイアップを決定すること、設定された特性を有する第2の積層板のレイアップを決定すること、前記第1の積層板のレイアップ内の第1の繊維プライ内の重なり領域及び基準領域における繊維角度を決定すること、ポアソン比の値をバランスさせるために、CTEのミスマッチ許容するように、前記重なり領域における繊維角度を調整すること、及びファイバーステアリングを使用して前記第1の積層板のレイアップを実施することを含む、方法。

請求項10

前記第1の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有し、前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン表現のうちの1つを利用する、請求項9に記載の方法。

請求項11

前記接触構造体のCTEは、円周方向における前記重なり領域のCTEに対応する、請求項9又は10に記載の方法。

請求項12

前記接触構造体は金属を含む、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。

請求項13

第2の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域において異なる繊維角度を有し、前記第1の繊維プライ内の前記繊維角度の絶対値は、前記第2の繊維プライ内の前記繊維角度とは異なる、請求項9から12のいずれか一項に記載の方法。

請求項14

第3の繊維プライ及び第4の繊維プライを更に備え、前記第2の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で一様な繊維角度を有する、請求項9から13のいずれか一項に記載の方法。

請求項15

前記第1のプライ及び前記第2のプライ内の前記繊維角度は、前記複合材に関連するポアソン比の値と、前記重なり領域のCTEの前記接触構造体のCTEとの一致とをバランスさせるように選択される、請求項9から14のいずれか一項に記載の方法。

背景技術

0001

アセンブリを完成させるために、種々のタイプの材料が、しばしば、接合される。例えば、複合材部品及び複合材構造体が、しばしば、金属構造体に接合される。しかしながら、複合材部品及び複合材構造体は、接合される金属構造体の熱膨張率(CTE)とは、非常に異なる、時々は桁違いである、CTEを有し得る。多くの用途では、温度変化が最小なので、このことは重要ではないかもしれない。しかしながら、他の用途では、材料は広い温度範囲にわたり急速な加熱及び/又は冷却を受け得る。例えば、宇宙船の用途では、紫外線放射への直接的な露出の有無のために、様々な構成要素を加熱及び冷却に晒す。実質的な温度変化を受ける環境における非常に、実質的に異なったCTEを有する2つの構造体から形成されたアセンブリを有することは、有害な効果をもたらし得る。

0002

変動する熱膨張によって誘起される応力を低減するために、複合材構造体と接合される金属構造体との間に、付加的なインターフェース構造体が使用され得る。これらの付加的なインターフェースは、幾らかのCTEのミスマッチ許容するアダプタ及びスペーサを含み得る。しかしながら、熱膨張アダプタは、全体のアセンブリに対して重量を付加し得、費用を増加し得る。これらの熱膨張アダプタは、製造することが困難であり得、かつ損傷を受けやすい。

0003

結論として、複合材構造体を種々のCTEを有する他の構造体に接合するための新しく、改良された解決法を提供することが望ましく、これらの解決法は、既存のメカニズムの欠点を克服するやり方で、変動する熱膨張率に対処する。

0004

各々が、一様な熱膨張率(CTE)を有する第1の構造体、及び変動し得るCTEを有する第2の複合材構造体を含む、アセンブリが提供される。そのようなアセンブリが形成する方法も、また、提供される。第2の構造体は、重なり領域、移行領域、及び基準領域(base line regions)を有する。重なり領域は、第1の構造体と直接的に接触し、第1の構造体のCTEと同等なCTEを有する。基準領域は、第1の構造体から離れ、かつ異なるCTEを有する。これらのCTEの各々は、そのそれぞれの領域において一様であり得る。移行領域は、基準領域と重なり領域とを相互接続し得、一端部から他端部へ傾斜したCTEの変化を有し得る。第2の複合材構造体のCTEの変化は、全ての3つの領域を通って延伸する少なくとも1つのプライにおける繊維の角度を変化させることによって取得され得る。例えば、プライの少なくとも1つは、ファイバーステアリング(fiber steering)に委ねられ得る。ファイバーステアリングされたプライは、第1の構造体に最も近いプライなどの、複合材構造体内の任意のプライであり得る。

0005

幾つかの実施形態では、アセンブリは、第1の構造体及び第2の構造体を含む。第1の構造体は、第1の構造体の全体の体積を通して実質的に一様な第1のCTEを有する。第1の構造体は、金属、複合材料、又は所与の用途に対して適切な何らかの他の材料から形成され得る。第2の構造体は、第1のプライ及び第2のプライを含む複合材料から形成される。第1の繊維プライ及び第2の繊維プライは、第2の構造体の、重なり領域、移行領域、及び基準領域を通って連続的に延伸する。重なり領域は、第1の構造体と接触する。基準領域は、第1の構造体から離れて位置決めされる。移行領域は、重なり領域と基準領域とを相互接続する。幾つかの実施形態では、第1の繊維プライ内の重なり領域内の繊維角度は、第1の繊維プライ内の基準領域内の繊維角度とは異なり、それによって、第2の構造体の重なり領域は、第1の構造体のCTE(すなわち、第1のCTE)と実質的に一致するCTE(すなわち、第2のCTE)を有する。

0006

第2の構造体を形成する材料が異方性材料である場合に、第2の構造体は種々の方向において種々のCTE値を有し得ることに、注意すべきである。この状況では、1つの方向(すなわち、マッチング方向)における第2の構造体のCTEは、第1の構造体のCTEと一致し得、一方、別の方向(すなわち、非マッチング方向)における第2の構造体のCTEは、第1の構造体のCTEと一致しないかもしれない。マッチング方向は、最も長い重なりの方向にあり得る。例えば、第1の構造体と第2の構造体との間の重なりは、円筒の高さよりも長い円周を有する円筒形状を有し得る。この場合では、マッチング方向は円周方向であり得、一方、非マッチング方向は軸方向であり得る。代替的に、この円筒形状の重なりは、円筒形状の重なりの高さよりも短い円周を有し得る。この場合では、マッチング方向は軸方向であり得、一方、非マッチング方向は円周方向であり得る。種々の方向のCTE値は、幾つかの実施形態では、桁違いであり得る。更に、種々の方向のCTE値は、反対の符号を有し得る。例えば、軸方向のCTEは正であり得、一方、円周方向のCTEは負であり得、逆もまた真なりである。

0007

幾つかの実施形態では、マッチング方向と非マッチング方向との間のCTE値における差異は、100%未満であり、より具体的には50%未満である。この説明において特段記述がない限り、2つの構成要素の間のCTE値の比較は、マッチング方向に沿って実行される。複合材構造体のCTE値は、マッチング方向に沿って変化することにも注意すべきである。例えば、重なり領域におけるマッチング方向のCTE値(すなわち、第2のCTE)は、基準領域におけるマッチング方向のCTE値(すなわち、第3のCTE)とは異なる。

0008

いくつかの実施形態では、第1の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有する。移行領域を通るファイバーステアリングは、線形角度変化(a linear angle change)の1つを使用し得る。代替的に、移行領域を通るファイバーステアリングは、一定のステアリング半径(a constant steering radius)を有する経路に従い得る。更に、繊維経路スプライン表現(a spline representation)であり得る。

0009

幾つかの実施形態では、第2の繊維プライは、基準領域内の第4の繊維角度とは異なる重なり領域内の第3の繊維角度を有する。重なり領域内の第1の繊維プライ内の第1の繊維角度の絶対値は、重なり領域内の第2の繊維プライ内の第3の繊維角度の絶対値と異なり得る。

0010

幾つかの実施形態では、第2の繊維プライは、重なり領域及び基準領域内で同じ繊維角度を有する。アセンブリは、第3の繊維プライ及び第4の繊維プライを含み得る。第1の繊維角度は、第2の構造体と関連するポアソン比の値と、第2のCTEの第1のCTEとの一致とをバランスさせるように選択され得る。例えば、第1のCTEに対する第2のCTEの正確な一致は、1より大きい第2の構造体の重なり領域におけるポアソン比をもたらし得る。第2のCTEと第1のCTEとの間の幾らかのミスマッチを許容することは、第2の構造体の重なり領域におけるポアソン比を、0.5未満の値まで低減し得、それは、第2の構造体の整合性に対してより望ましい可能性がある。

0011

いくつかの実施形態では、複合材構造体を設計するための方法は、第1の積層板レイアップ及び第2の積層板のレイアップを決定し、繊維角度を決定し、繊維角度を調整し、かつ第1の積層板のレイアップを実施することを含む。第1の複合材内の第1の積層板のレイアップは、接触する構造体に対する接続のための重なり領域のCTEを有する。設定された特性を有する第2の積層板のレイアップは、例えば、積層板の強度又は構造的剛性などの構造上の要件に基づいて決定され得る。第1の積層板のレイアップ内の第1の繊維プライ内の重なり領域及び基準領域における繊維角度が、決定される。重なり領域における繊維角度は、ポアソン比をバランスさせるためにCTEのミスマッチを許容するように調整される。第1及び第2の積層板のレイアップ、及び第1から第2の積層板のレイアップへの移行は、ファイバーステアリングを使用して実施される。

0012

幾つかの実施形態では、第1の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有する。移行領域を通るファイバーステアリングは、線形な角度変化の1つを使用し得る。代替的に、移行領域を通るファイバーステアリングは、一定のステアリング半径を有する経路に従い得る。更に、繊維経路はスプライン表現であり得る。

0013

幾つかの実施形態では、第2の構造体の円周方向における第2のCTEは、第1の構造体の第1のCTEに対応する。第1の構造体は、金属を含み得る。

0014

幾つかの実施形態では、第2の繊維プライは、基準領域内の第4の繊維角度と異なる重なり領域内の第3の角度を有する。重なり領域内の第1の繊維プライ内の第1の繊維角度の絶対値は、重なり領域内の第2の繊維プライ内の第3の繊維角度の絶対値と異なり得る。

0015

幾つかの実施形態では、第2の繊維プライは、重なり領域及び基準領域内で同じ繊維角度を有する。アセンブリは、第3の繊維プライ及び第4の繊維プライを含み得る。第1の繊維角度は、第2の構造体と関連するポアソン比の値と、第2のCTEの第1のCTEとの一致とをバランスさせるように選択され得る。

0016

幾つかの実施形態では、第2の構造体の重なり領域内のプライの数は、基準領域内のプライの数と異なり得る。第2の構造体は、重なり領域から基準領域へ連続する少なくとも1つの繊維プライを有する。

0017

これら及び他の実施形態は、図面を参照しながら以下に更に説明される。

図面の簡単な説明

0018

幾つかの実施形態による、種々のCTEを有する種々の領域を有する複合材構造体を含んだアセンブリの一実施例を示す。
特定の実施形態による、一定のCTEをもたらすバランスされた対称積層パラメータのための全ての可能な組み合わせを示す一実施例である。
幾つかの実施形態による、複合材構造体の種々の領域を横断する種々の繊維角度の一実施例を示すグラフである。
幾つかの実施形態による、複合材構造体の種々の領域を横断する種々のCTEの一実施例を示すグラフである。
幾つかの実施形態による、ミスマッチの円周方向のCTEとポアソン比とをバランスさせる一実施例を示す。
図5は、幾つかの実施形態による、複合材構造体のCTEを接合される構造体のCTEと一致させるためのプロセスの一実施例を示す。
図6Aは、幾つかの実施形態による、製造の初期段階から運航に供されるまでの宇宙船のライフサイクルにおける主要な動作を反映したプロセスの流れ図である。
図6Bは、幾つかの実施形態による、宇宙船の様々な主要な構成要素を示すブロック図である。

実施例

0019

以下の説明では、提示されている概念の完全な理解をもたらすために、多数の具体的な詳細事項明記されている。提示されている概念は、これらの具体的な詳細事項の一部又は全てを含まずとも実施可能である。他の事例においては、説明されている概念を不必要に分かりにくくしないように、よく知られているプロセス作業については詳細に説明していない。幾つかの概念が具体的な実施形態との関係の中で説明される一方で、これらの実施形態は限定的であることを企図しないことが理解されるだろう。
イントロクション)

0020

アセンブリを生成するために、しばしば、種々のCTEを有する種々のタイプの材料が接合される。例えば、複合材料は、別の複合材料又は金属に接合され得る。特定の実施例では、水素タンク複合材後部スカートは、宇宙へ行くアセンブリ上のアルミニウムの水素タンクとCTEミスマッチを有し得る。そのようなアセンブリを形成する従来の技術は、CTEミスマッチを埋め合わせるための、アダプタ、インターフェース、又はスペーサを使用する。しかしながら、これらのアダプタ、インターフェース、又はスペーサは、製造することが困難であり得、かつ全体のアセンブリに非常に大きな重量を付加し得る。特定の実施例では、アルミニウムの水素タンクと、水素タンク後部スカートとの間のインターフェースリングは、500ポンドを超える重量を有し得る。

0021

本明細書で説明される様々なアセンブリ及び方法は、複合材構造体の、ある領域のCTEを、この領域が直接的に接触する材料のCTEと一致させることによって、付加的なアダプタ、インターフェース、又はスペーサに対する必要性を除去し、又はそれらの複雑さを低減する。この領域は、重なり領域と呼ばれ得る。その材料に接触しない複合材構造体の別の領域は、異なるCTEを有し得る。この領域は、基準領域と呼ばれ得る。複合材構造体は、モノリシックであり、それらのCTEにかかわりなく全ての領域を通って延伸する連続的な繊維を有し得る。言い換えると、同じ繊維が、重なり領域においてスタートし得、かつ基準領域の中へ延伸し得る。CTEは、接続する構造体と接触する重なり領域から基準領域へ徐々に変化し得、基準領域は接続する構造体から離れている。CTEの漸進的な変化は、複合材構造体自身の範囲内におけるCTEのミスマッチの効果を低減する。CTEの値が徐々に変化する領域は、移行領域と呼ばれ得る。

0022

様々な実施形態によれば、同じ複合材構造体の種々の領域を横断してCTEを変化させることは、複合材構造体が製造される際の適合されたファイバーステアリングの技術によって取得され得る。具体的には、複合材構造体内の単一の積層板層は、例えば、高度な繊維配置(advanced fiber placement)又は連続的なトウせん断(continous tow shearing)を使用してファイバーステアリングされ得る。他の実施例では、複数の積層板層がファイバーステアリングされ得る。複合材料内の1以上の積層板層のファイバーステアリングは、金属などの接合される材料とのより近いCTEマッチングを獲得することを可能にし得る。幾つかの実施形態では、カスタマイズされたファイバーステアリングされた積層板(SFL)が、複合材の円周のCTEを金属リングのCTEと一致させるために提供される。

0023

更に、CTEマッチングは、ポアソン比などの他の特性を用いてバランスされ得る。具体的には、ファイバーステアリングなどのメカニズムを使用して複合材構造体の種々の領域を横断してCTEを変化させることは、ポアソン比を著しく増加させ得る。複合材料が、接続する構造体に接合されない複合材構造体のほとんどの領域で疑似等方性(quasi‐isotropic)であり得る(例えば、金属から作られる)一方で、複合材構造体が接続する構造体と接合される領域内でCTEを一致させる試みは、高いポアソン比をもたらし得る。複数のプライをステアリングすることは、ポアソン比を効果的に低減し得るが、複数のプライをステアリングすることは、製造の複雑さを増加する。結論として、様々な技術が、CTEミスマッチをポアソン比とバランスさせるために説明される。

0024

図1は、幾つかの実施形態による、変化するCTEを有する複合材構造体104を有するアセンブリの一実施例を示す。具体的には、複合材構造体104は、別の構造体102と直接的に接触する重なり領域106を有し、別の構造体102は、接続する構造体102と呼ばれ得る。重なり領域106のCTEは、接続する構造体102のCTEと実質的に同じであり得る。複合材構造体は、また、重なり領域106のCTEとは異なるCTEを有する基準領域110を含む。重なり領域106のCTEは、実質的には一定であり得る。同様に、重なり領域106のCTEは、実質的には一定であり得る。複合材構造体104は、また、重なり領域106と基準領域110とを接合し、かつ変化するCTEを有する移行領域108を含み得る。具体的には、移行領域108の一端部は、重なり領域106のそれと同様なCTEを有し得、一方、移行領域108の一端部は、基準領域110のそれと同様なCTEを有し得る。

0025

複合材構造体104は、複数の層、又は第1のプライ112及び第2のプライ114などのプライを含み得る。第1のプライ112及び第2のプライ114の各々内の繊維の方向は、同じか又は異なり得る。第1のプライ112又は第2のプライ114のうちの少なくとも1つ内の繊維の方向は、例えば、ファイバーステアリングを使用して、重なり領域106から基準領域110へ変化し得る。

0026

円周方向などの特定の方向におけるCTEは、複合材構造体104の1以上のプライ内でファイバーステアリングを使用して一致され得ることが、認識されている。幾つかの実施形態では、第1のプライ112又は第2のプライ114の複数のプライのうちの1つの組だけがステアリングされ、疑似等方性レイアップは、複合材構造体104の全体の剛性を維持するために、重なり領域106から離れるように維持され得る。疑似等方性の特性を有する従来の積層板は、0°、90°、+/−45°を使用し、0、90、+/−45の積層板と呼ばれ得る。幾つかの実施形態では、基準領域110において又は基準領域110の近くで疑似等方性の特性を有する複合材構造体104は、重なり領域106において又は重なり領域106の近くで+/−22.5°によって回転された0、90、+/−45の積層板であるだろう。すなわち、疑似等方性の特性を有する[±Θ1、±Θ2]レイアップは、Θ1=22.5°、Θ2=67.5°又はΘ1=67.5°、Θ2=22.5°のいずれかを条件として規定し得る。疑似等方性の積層板を、クロスプライの積層板として、すなわち[±Θ1、±Θ2]の積層板として規定することは、ファイバーステアリングを介した1つのレイアップから別のレイアップへの移行を容易にし得る。様々な実施形態によれば、複合材構造体は、バランスされたレイアップ、[±Θ1、±Θ2]を有する4つのプライを含み得、繊維角度の各々は、プライ内の位置の関数である。積層板内の角度を変化させることは、例えば、モジュラス(modulus)、CTE、又はポアソン比などの効果的な積層板の特性をもたらす。

0027

複合材積層板構造体のCTEは、以下のように規定されることが認識されている。

0028

数式1では、[A]−1は、平面内の積層板の剛性の行列Aの逆行例であり、[Q]は、積層板の剛性の行列の回転行列であり、m=cosΘ、n=sinΘ、h=積層板の厚さ、かつα1及びα2は、繊維方向における各々のプライのCTEであり、それぞれ、繊維方向を横断する。複合材のレイアップ内の繊維角度を変化させることは、A行列における変化をもたらし、かつ数式1内のm項及びn項の変化をもたらし、これによって、CTEの変化をもたらす。例えば、CTEのうちの1つは、望ましい結果をもたらすレイアップ内の角度の組み合わせを探索する数値アルゴリズムを使用して、接続する構造体のCTEに一致され得る。種々のA行列を有する同じCTEの値をもたらす1より多い数のレイアップが存在し得る。更に、正確に同じA行列及び同じCTEをもたらす1より多い数のレイアップが存在し得る。レイアップを明確に規定する前に構造的特性を変化させるために、複合材積層板のA行列及びCTEを規定するために使用され得る方法は、積層パラメータLPs)の使用である。LPの定義は、よく知られている(Z.Gurdal、R.T.Hafka、P.HajelaのDesign and Optimization of Laminated Composite Materialsを参照せよ)。対称的なバランスされた積層板に対するCTEをV1及びV3の関数として規定すると、以下のように簡略化され得る。すなわち、

ここで、

かつ

更にここで、

0029

定数をもたらすバランスされた対称的なLPであるV1及びV3に対する全ての可能な組み合わせを示す実施例が、図2Aで示されており、それはミキダイヤグラム(Miki diagram)としても呼ばれ得る。一旦、LPが分かると、一致する積層順序は、例えば、Van Campenによって説明されるような、当業者に知られた方法を使用して見つけることができる。1より多い数の積層順序は、クロスプライ積層板内に3より多い数の顕著な繊維配向が存在する場合に、LPの所与の組に対して存在し得る。このことは、1つの積層板から次へと移行するために必要とされる、最小量のファイバーステアリングをもたらす繊維角度を得る機会を提供する。

0030

移行領域108は、重なり領域106及び基準領域108に対して、一旦、レイアップの候補が決定されてしまうと、規定され得る。種々の繊維角度間の移行は、高度な繊維配置を用いて達成され得る。重なり領域106、移行領域108、及び基準領域を横断する1以上のプライ内でレイアップを変化させることは、これらの種々の領域又は区域内の複合材を横断する種々のCTEをもたらし得る。

0031

図2Bは、幾つかの実施形態による、複合材構造体の種々の領域を横断するプライ内の種々の繊維角度を示すグラフ200である。様々な実施形態によれば、重なり領域における繊維角度は、(200aによって特定される)ΘAであり、一方、基準領域における繊維角度は、(200cによって特定される)ΘBであり、ΘB≠ΘAである。重なり領域における繊維角度(ΘA)は、上述の方程式に基づいて計算され得、それによって、重なり領域におけるCTEは、複合材に接続される別の材料のCTEに対応する。基準領域における繊維角度(ΘB)は、構造的な又は何らかの他の考慮に基づいて選択され得る。ΘBからΘAへの移行は、移行領域内に現れ、この移行は図2B内で200bによって特定される。移行200bは、漸次的であり得る。

0032

複数の層を有する複合材積層板の特性は、各々の層の特性(例えば、材料特性、プライの厚さ、及び繊維角度)に応じる。複合材構造体は、例えば、2つの部分がボルト接続によって接合される場合に、厚さの蓄積(thickness buildups)を可能とするために、種々の領域内の種々の数のプライを有し得る。この場合に、重なり領域から基準領域へ連続するプライのみが、繊維角度が異なる場合にファイバーステアリングに委ねられ得る。

0033

図3は、幾つかの実施形態による、複合材構造体内の種々の領域を横断するCTE変動を示すグラフである。CTEは、例えば、図2Bを参照しながら上述された、複合材構造体の種々の領域内の種々の繊維角度のために変化し得る。重なり領域のCTE(300aによって特定されるαA)は、接続する構造体のCTEと(例えば、実質的に同じになるように)一致するように選択され得る。基準領域のCTE(300cによって特定されるαB)は、基準領域の特定の設計の結果であり得、それは、構造的な整合性又は他の考慮によって操作され得る(基準領域は接続する構造体とは離れているので、接続する構造体のCTEと一致しない)。(300bによって特定される)移行領域のCTEは、この領域に対して使用されるファイバーステアリングのために、αAからαBへ移行する。幾つかの実施形態では、重なり領域のCTEは、複合材構造体内の単一のプライをステアリングすることによって、接続する構造体のCTEと緊密に一致され得る。代替的に、重なり領域のCTEは、2以上のプライをステアリングすることによって、接続する構造体のCTEと緊密に一致され得る。例えば、2つのプライ(Θ及びΘ’)がステアリングされ得る。この実施例では、1つのプライ内のステアリング角度(Θ)は、他のプライ内のステアリング角度(Θ’)によってバランスされ、それによって、積層板内の他の至る所で、ΘA’=−ΘA、ΘB’=−ΘB’、及びΘ’=−Θとなる。

0034

複合材構造体内のファイバーステアリングは、複合材構造体の少なくとも重なり領域に対する大きなポアソン比をもたらし得、それは不都合なことであり得る。幾つかの実施形態では、複合材構造体の重なり領域のポアソン比は、接続する構造体のポアソン比と一致する。CTEマッチング及びポアソン比マッチングは、種々の結果を生み出し得るため、重量要素は、例えば、ファイバーステアリングの特定の設計を生み出すために、アセンブリの用途に基づいて各々のタイプのマッチングに割り当てられ得る、例えば、受け入れ可能なポアソン比は、幾らかのCTEのミスマッチが許容される場合に、取得され得る。複合材のスカート及びアルミニウムのタンクを含んだ特定の実施例では、ポアソン比は、0.33”の半径方向のCTEのミスマッチが華氏495度の温度勾配において許容される場合に、0.54まで低減されることができる。CTEのミスマッチは、ファイバーステアリングが使用されない場合の参考0.9”の半径方向のミスマッチと比較して、大幅に低減される。

0035

図4は、特定の実施例に対する、ミスマッチの円周方向のCTEとポアソン比とのバランスを示す。列402内で示される円周方向のCTEは、半径方向のミスマッチ404に対応する。所与の半径方向のCTEに対する最も低い可能なポアソン比は、列406内で記述されている。低減された半径方向のミスマッチに対する必要性を、低減されたポアソン比に対する必要性とバランスさせることは望ましいことが、認識されている。受け入れ可能なポアソン比を有するCTEにおけるミスマッチの受け入れ可能なレベルを選択することが可能である。特定の実施形態では、0.33”の半径方向の熱のミスマッチは、ΔT=華氏495度において許容される、0.54のポアソン比及び0.5の円周方向のCTE(μ/in/F)に対応する。

0036

図5は、幾つかの実施形態による、複合材構造体のCTEを接続される構造体のCTEと一致させるために使用されるプロセス500の一実施例を示す。502では、接触する構造体のCTEに対応するCTEを有する第1の積層板のレイアップが、決定される。CTEは、例えば、製造における容易性又は低減されたポアソン比などの他の理由のために、特定のレベルのミスマッチが許容され得るので、完全に一致する必要はないことが、注意されるべきである。504では、設定された特性を有する第2の積層板のレイアップが、決定される。様々な実施形態によれば、複合材は2以上のプライを有し得る。しかしながら、ファイバーステアリングは、幾つかの実施形態で、積層板内のプライの一部においてのみ必要であり得る。しかしながら、ファイバーステアリングは複数のプライ内で使用され得ることが、認識されている。506では、積層板のレイアップ内のプライに対する、重なり領域、基準領域、及び/又は移行領域における繊維角度が、決定される。多くの例では、ファーバーステアリングは、繊維角度を、重なり領域内の角度から基準領域内の角度へ変化させるために使用される。508では、他のパラメータ及びプライが考慮される。様々な実施形態によれば、複数のプライ内の繊維角度を修正することは、製造の複雑性を増加するが、複合材の効果的な積層板の特性を改良し得る。特定の実施形態では、様々な温度範囲における繊維角度及びポアソン比の受け入れ可能な組み合わせを特定するために、反復プロセスが使用される。他の実施形態では、積層板のモジュラス又は曲げ剛性が考慮され得る。他のパラメータ又はプライを考慮する必要がない場合は、決定された繊維角度を有する積層板を有する複合材が、510で製造される。

0037

図6Aの中において示される宇宙船の製造及び保守方法600、及び図6Bの中において示される宇宙船630は、今や、本明細書の中で提示される方法及びシステムの様々な特徴をよりよく示すために説明される。生産前の段階では、宇宙船の製造及び保守方法600は、宇宙船630の仕様及び設計602並びに材料の調達604を含み得る。生産段階では、宇宙船630の構成要素及びサブアセンブリの製造606とシステムインテグレーション608とが行われる。その後、宇宙船630は認可及び納品610を経て運航612に供される。顧客により運航される間に、宇宙船630は定期的な整備及び保守614(改造再構成改修なども含み得る)がスケジューリングされる。本明細書の中において説明される実施形態が、概して、宇宙船の構成要素及びサブアセンブリの製造に関する一方で、それらの実施形態は、宇宙船の製造及び保守方法600の他の段階において実施されてもよい。

0038

宇宙船の製造及び保守方法600の各プロセスは、システムインテグレーターサードパーティー、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得る。本説明の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の宇宙船製造者、及び主要システムの下請業者を含んでもよく、サードパーティーは、例えば、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含んでもよく、オペレーターは、政府機関リース会社事団体、サービス機関などであってもよい。

0039

図6Bに示すように、宇宙船の製造及び保守方法600によって生産された宇宙船630は、機体632、内装636、並びに複数のシステム634を含み得る。システム634の例には、推進システム638、電気システム640、油圧システム642、及び環境システム644のうちの1以上が含まれる。任意の数の他のシステムがこの実施例の中に含まれることもある。航空宇宙産業の例を示したが、本開示の原理は、海運及び自動車産業などの他の産業にも適用され得る。

0040

本明細書に具現化された装置と方法は、宇宙船の製造及び保守方法600の任意の1以上の段階で採用することができる。例えば、非限定的に、構成要素及びサブアセンブリの製造606に対応する構成要素又はサブアセンブリは、宇宙船630の運航中に生産される構成要素又はサブアセンブリと同様の方法で作製又は製造され得る。

0041

また、1以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせは、例えば、非限定的に、宇宙船630の組立てを実質的に効率化するか、又は宇宙船630のコストを削減することにより、構成要素及びサブアセンブリの製造606及びシステムインテグレーション608の段階で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、又はこれらの組み合わせのうちの1以上は、宇宙船630の運航中に利用されることができ、例えば、非限定的に、整備及び保守614がシステムインテグレーション608及び/又は整備及び保守614の間に使用されて、部品が互いにどの部品と接続され及び/又は係合するのかを決定することができる。

0042

更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。
条項1
第1の熱膨張率(CTE)を有する第1の構造体であって、前記第1のCTEが前記第1の構造体の全体の体積を通して実質的に一様である、第1の構造体、並びに
第1の繊維プライ及び第2の繊維プライを備えた複合材料から形成された第2の構造体であって、
前記第1の繊維プライ及び前記第2の繊維プライが重なり領域、移行領域、及び基準領域を通して連続的に延伸し、
前記重なり領域は前記第1の構造体と接触し、
前記基準領域は前記第1の構造体から離れて位置決めされ、
前記移行領域は前記重なり領域と前記基準領域とを相互接続し、かつ
前記第1の繊維プライ内の前記重なり領域内の第1の繊維角度は、前記第1の繊維プライ内の前記基準領域内の第2の繊維角度と異なり、それによって、
前記第2の構造体の前記重なり領域は、前記第1のCTEと実質的に一致する第2のCTEを有し、かつ
前記第2の構造体の前記基準領域は、前記第2のCTE及び前記第1のCTEと実質的に異なる第3のCTEを有する、第2の構造体を備える、アセンブリ。
条項2
前記第1の繊維プライは、前記移行領域を通るファイバーステアリングを有する、条項1に記載のアセンブリ。
条項3
前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン表現のうちの1つを利用する、条項2に記載のアセンブリ。
条項4
前記第2の構造体の前記第2のCTEは、円周方向及び軸方向を含んだ2つの直交する方向において異なる、条項1に記載のアセンブリ。
条項5
前記第1の構造体は金属を含む、条項1に記載のアセンブリ。
条項6
前記第2の繊維プライは、前記重なり領域内の第3の繊維角度及び前記基準領域内の第4の繊維角度を有し、前記第3の繊維角度は前記第4の繊維角度と異なる、条項1に記載のアセンブリ。
条項7
前記重なり領域内の前記第1の繊維プライ内の前記第1の繊維角度の絶対値は、前記重なり領域内の前記第2の繊維プライ内の前記第3の繊維角度の絶対値と異なる、条項6に記載のアセンブリ。
条項8
前記第2の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で同じ繊維角度を有する、条項1に記載のアセンブリ。
条項9
第3の繊維プライ及び第4の繊維プライを更に備える、条項1に記載のアセンブリ。
条項10
前記第1の繊維角度は、前記第2の構造体に関連するポアソン比の値と、前記第2のCTEの前記第1のCTEとの一致とをバランスさせるように選択される、条項1に記載のアセンブリ。
条項11
複合材構造体を設計するための方法であって、前記方法は、
接触構造体のCTEを有する接触構造体との接続のために、重なり領域のCTEを有する第1の複合材内の第1の積層板のレイアップを決定すること、
設定された特性を有する第2の積層板のレイアップを決定すること、
前記第1の積層板のレイアップ内の第1の繊維プライ内の重なり領域及び基準領域における繊維角度を決定すること、
ポアソン比の値をバランスさせるために、CTEのミスマッチを許容するように、前記重なり領域における繊維角度を調整すること、及び
ファイバーステアリングを使用して前記第1の積層板のレイアップを実施することを含む、方法。
条項12
前記第1の繊維プライは、移行領域を通るファイバーステアリングを有する、条項11に記載の方法。
条項13
前記移行領域を通る前記ファイバーステアリングは、線形な角度変化、一定のステアリング半径、又はスプライン表現のうちの1つを利用する、条項12に記載の方法。
条項14
前記接触構造体のCTEは、円周方向における前記重なり領域のCTEに対応する、条項11に記載の方法。
条項15
前記接触構造体は金属を含む、条項11に記載の方法。
条項16
第2の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域において異なる繊維角度を有する、条項11に記載の方法。
条項17
前記第1の繊維プライ内の前記繊維角度の絶対値は、前記第2の繊維プライ内の繊維角度と異なる、条項16に記載の方法。
条項18
前記第2の繊維プライは、前記重なり領域及び前記基準領域内で一様な繊維角度を有する、条項11に記載の方法。
条項19
第3の繊維プライ及び第4の繊維プライを更に備える、条項11に記載の方法。
条項20
前記第1のプライ及び前記第2のプライ内の前記繊維角度は、前記複合材に関連するポアソン比の値と、前記重なり領域のCTEの前記接触構造体のCTEとの一致とをバランスさせるように選択される、条項11に記載のアセンブリ。

0043

前述の概念は、理解の明確化を目的としてやや詳細に記述されているが、ある種の変更および修正が、付随する特許請求の範囲内で実践され得ることは明らかであろう。プロセス、システム、及び装置の実装には多数の代替的な方法があることに留意されたい。したがって、本実施形態は、例示的であり、かつ限定的ではないと考えられるべきである。

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