(57)【要約】      （修正有）【課題】複合構造体の作製方法の提供。【解決手段】複合構造体の第１セクション（１０８）を形成し、この際に、第１セクションの第１端部（１１２）がシェブロン形状（１１４）を有し、第１セクションに含まれる第１複合レイヤ（１２８）が、第１端部に第１階段状パターン（１１８）を構成する。複合構造体の第２セクション（１１０）を形成し、この際に、第２セクションの第２端部（１２０）が、シェブロン形状の相手側形状（１４１）を有し、第２セクションに含まれる第２複合レイヤ（１２４）が、第２端部に第２階段状パターン（１２６）を構成するようにする。第１階段状パターンに含まれる第１複合レイヤが、第２階段状パターンに含まれる第２複合レイヤと、スプライス位置（１３２）で重なり合うように、第１端部及び第２端部を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構造体の階段状ラップスプライスを形成する方法であって、
第１セクションの各レイヤにシェブロン形状を形成して、前記第１セクションに形成された複数のシェブロン部位から成る第１階段状ラップパターンを前記第１セクションに構成し、
第２セクションの各レイヤに相手側形状を形成して、前記第２セクションに形成された複数の相手側部位から成る第２階段状ラップパターンを前記第２セクションに構成し、
前記シェブロン形状を有する各レイヤを、前記第２セクションにおける相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、階段状ラップスプライスを形成する、方法。
【請求項２】
前記複合構造体の前記階段状ラップスプライスに含まれる重なり及び隙間の位置は、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を低減させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記階段状ラップスプライスは、前記複合構造体における所定数の位置に配置され、前記所定数の位置は、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を低減するように選択される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
エンドエフェクタシステムを用いて前記第１セクション及び前記第２セクションのうちの少なくとも１つの配向を操作して、前記シェブロン形状を有する各レイヤを前記第２セクションにおける相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、前記階段状ラップスプライスを形成する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記複数のシェブロン部位、及び、前記複数の相手側部位は、前記複合構造体又は前記階段状ラップスプライスの少なくとも１つにおける亀裂の進展を抑制する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記複合構造体に座屈を生じさせる圧縮応力を低減するように、前記複合構造体における前記階段状ラップスプライスを設けるスプライス位置を選択することをさらに含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
複合構造体であって、
前記複合構造体の第１セクションと、前記複合構造体の第２セクションと、を含み、
前記第１セクションは、シェブロン形状の第１端部を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤは、前記第１端部に第１階段状パターンを有し、
前記第２セクションは、前記シェブロン形状の相手側形状の第２端部を有し、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤは、前記第２端部に第２階段状パターンを有し、前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合うように配置されている、複合構造体。
【請求項８】
前記スプライス位置で、前記複合構造体における望ましくない皺の発生が低減されている、請求項７に記載の複合構造体。
【請求項９】
前記スプライス位置のスプライスと、前記スプライス位置以外の前記複合構造体における位置と、の少なくとも１つで、望ましくない皺の発生が低減されている、請求項７に記載の複合構造体。
【請求項１０】
前記複合構造体は、ストリンガであり、前記第１セクション及び前記第２セクションは、所望の断面形状を有する、請求項７〜９のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項１１】
前記所望の断面形状は、ハット型、Ｕ字型、及び、Ｃ字型を含む群から選択される、請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１２】
前記第１セクション及び前記第２セクションは、ツール上で硬化されて前記複合構造体を形成する、請求項７〜１１のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項１３】
前記シェブロン形状は、一組のシェブロン部位から成る、請求項７〜１２のいずかに記載の複合構造体。
【請求項１４】
前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、前記スプライス位置において重なり合うように配置されており、前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間には、隙間又は重なりの少なくとも１つがあり、これにより、前記スプライス位置で応力が低減される、請求項７〜１３のいずかに記載の複合構造体。
【請求項１５】
前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと重なり合って、前記スプライス位置にラップスプライス継手を構成するように配置されている、請求項７〜１４のいずかに記載の複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して複合構造体の作製に関し、具体的には、スプライス（splice）を有する複合構造体の作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材胴体部は、複雑な幾何形状を有する。胴体部の一部は直径が一定であるが、胴体部のノーズ部分及びテール部分では、直径が先細りになっている。また、胴体部内部に曲げ、捩じり、段付き部（joggle）を有するスティフナも複雑な幾何形状を有する。このようなスティフナを、自動機器を用いて作製するには、皺、プライのブリッジング、あるいは、その他の望ましくない不具合の削減など、対応すべき課題がいくつかある。
【０００３】
例えば、高度な輪郭形状であっても、レイヤを一層ずつ手作業でツールにドレーピングすれば作製可能であるが、そのようなプロセスは、多くの労力とスペースとを要する。
【０００４】
したがって、上述の事項の少なくともいくつかと、その他の潜在的な事項を考慮した方法及び装置の提供が望まれる。例えば、複雑な幾何形状の複合構造体の作製に際して、望ましくない不具合の発生を低減するという技術的課題を克服した方法及び装置の提供が望まれる。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一実施形態は、複合構造体の階段状ラップスプライスを形成する方法を提供する。第１セクションの各レイヤにシェブロン形状を形成して、前記第１セクションに形成された複数のシェブロン部位から成る第１階段状ラップパターンを前記第１セクションに構成する。第２セクションの各レイヤに相手側形状を形成して、前記第２セクションに形成された複数の相手側部位から成る第２階段状ラップパターンを前記第２セクションに構成する。前記シェブロン形状を有する各レイヤを、前記第２セクションにおける相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、階段状ラップスプライスを形成する。
【０００６】
本開示の別の実施形態は、複合構造体における亀裂の進展を抑制するための方法を提供する。前記複合構造体において、前記複合構造体に作用する応力を低減するスプライス位置を特定する。前記スプライス位置に階段状ラップスプライスを形成し、この際に、前記階段状ラップスプライスが、第１セクションの各レイヤにシェブロン形状を有するとともに、前記第１セクションにおける複数のシェブロン部位から成る第１階段状ラップパターンが前記第１セクションに構成されるようにする。また、前記階段状ラップスプライスが、第２セクションの各レイヤに相手側形状を有するとともに、前記第２セクションにおける複数の相手側部位からなる第２階段状ラップパターンが前記第２セクションに構成されるようにする。前記シェブロン形状を有する各レイヤを前記第２セクションにおける別のレイヤの相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、前記階段状ラップスプライスを形成する。
【０００７】
本開示のさらに別の実施形態は、第１階段状ラップパターンと第２階段状ラップパターンを含む複合構造体を提供する。前記第１階段状ラップパターンは、複合構造体の第１セクションが有する複数のシェブロン部位から成る。前記第２階段状ラップパターンは、前記複合構造体の第２セクションが有する複数の相手側部位から成る。前記第１階段状ラップパターンと前記第２階段状ラップパターンが互いに重なり合って、階段状ラップスプライスを構成する。
【０００８】
本開示のさらに別の実施形態は、複合構造体を作製するための方法を提供する。前記複合構造体の第１セクションを形成し、この際に、前記第１セクションの第１端部がシェブロン形状を有するとともに、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤが前記第１端部に第１階段状パターンを構成するようにする。また、前記複合構造体の第２セクションを形成し、この際に、前記第２セクションの第２端部が、前記シェブロン形状の相手側形状を有するとともに、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤが前記第２端部に第２階段状パターンを構成するようにする。前記第１複合レイヤのうちの特定の第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤのうちの特定の第２複合レイヤとスプライス位置において重なり合うように、前記第１端部及び前記第２端部を配置する。
【０００９】
本開示のさらに別の実施形態は、第１セクションと第２セクションとを含む複合構造体を提供する。前記第１セクションはシェブロン形状の第１端部を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤは、前記第１端部に第１階段状パターンを有する。前記第２セクションは、前記シェブロン形状の相手側形状の第２端部を有する。前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤは、前記第２端部に第２階段状パターンを有する。前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合うように配置されている。
【００１０】
本開示のさらに別の実施形態は、複合構造体を作製するための方法を提供する。前記複合構造体の第１セクションを形成し、この際に、前記第１セクションの第１端部がシェブロン形状を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤが、前記第１端部に第１階段状パターンを構成するようにする。前記シェブロン形状は、一組のシェブロン部位から成る。また、前記複合構造体の第２セクションを形成し、この際に、前記第２セクションの第２端部が、前記シェブロン形状の相手側形状を有し、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤが、前記第２端部に第２階段状パターンを構成するようにする。前記第１セクション及び前記第２セクションは、実質的に平面状である。前記第１セクション及び前記第２セクションを所望の断面形状に成形する。前記第１端部及び前記第２端部をツールに配置し、この際に、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合ってラップスプライス継手を構成するようにし、前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間に隙間又は重なりの少なくとも１つが形成されるようにし、これにより、前記ラップスプライス継手における応力を低減させるとともに、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を前記スプライス位置で低減させるようにする。前記第１セクション及び前記第２セクションを硬化させて、前記複合構造体を形成する。
【００１１】
本開示のさらに別の実施形態は、第１セクションと第２セクションと、を含む複合構造体を提供する。前記第１セクションは、一組のシェブロン部位から成るシェブロン形状の第１端部を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤは、前記第１端部に第１階段状パターンを有する。前記第２セクションは、前記シェブロン形状の相手側形状の第２端部を有し、前記第１セクション及び前記第２セクションは、所望の断面形状を有し、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤは、前記第２端部に第２階段状パターンを有する。前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合うように配置されており、ラップスプライス継手を形成する前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間には、隙間又は重なりの少なくとも１つがあり、これにより、前記スプライス位置で応力が低減されているとともに、前記複合構造体における望ましくない皺の発生が前記スプライス位置で低減されている。
【００１２】
本開示のさらに別の実施形態は、複合構造体にスプライスを配置するための方法を提供する。前記複合構造体に設けるスプライス位置の数を選択する。前記複合構造体を形成するためのセクションを階段状パターンに配置して、前記選択された数のスプライス位置に所定数のスプライスを形成し、これにより、前記選択された数のスプライス位置のうちの特定のスプライス位置と、前記スプライス位置以外の前記複合構造体における位置と、の少なくとも１つにおいて、望ましくない皺の発生を低減させる。
【００１３】
これらの特徴及び機能は、本開示の様々な実施形態において個別に達成することもできるし、さらに他の実施形態と組み合わせることも可能である。その詳細は、以下の記載、及び、添付図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
例示的な実施形態に特有であると考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。ただし、例示的な実施形態、並びに、好ましい使用形態、さらに、その目的及び利点は、以下に示す本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を、添付の図面と併せて参照することで最もよく理解されるであろう。
【００１５】
【図１】例示的な実施形態による複合材の製造環境を示すブロック図である。
【図２】例示的な実施形態による複合構造体であるスティフナを示す図である。
【図３】例示的な実施形態によるスティフナのセクションを構成するレイヤを示す図である。
【図４】例示的な実施形態によるスティフナのセクションを示す分解側面図である。
【図５】例示的な実施形態によるスティフナのセクションを示す分解断面図である。
【図６】例示的な実施形態によるスティフナのセクションの階段状パターンを示す図である。
【図７】例示的な実施形態によるスティフナを形成するように配置された第１セクション及び第２セクションを示す図である。
【図８】例示的な実施形態によるスティフナのセクションを所望の形状に成形するためのツールを示す図である。
【図９】例示的な実施形態によるスティフナのセクション及びツールを示す断面図である。
【図１０】例示的な実施形態によるスティフナのセクションをツールで所望の断面形状に成形した状態を示す断面図である。
【図１１】例示的な実施形態によるセクションのハット型の断面形状を示す図である。
【図１２】例示的な実施形態によるスティフナの２つのセクションをツールに配置した状態を示す図である。
【図１３】例示的な実施形態によるスティフナを示す図である。
【図１４】例示的な実施形態によるスティフナのセクションの処理において用いられる離型層を示す図である。
【図１５】例示的な実施形態による複合構造体における弧長の違いを示す図である。
【図１６】例示的な実施形態による複合構造体の複数のセクションを示す図である。
【図１７】例示的な実施形態による複数のセクションから成るスティフナを示す図である。
【図１８】例示的な実施形態による複合構造体を作製するプロセスを示すフローチャートである。
【図１９】例示的な実施形態による複合構造体におけるスプライスの設計プロセスを示すフローチャートである。
【図２０】例示的な実施形態による複合構造体の階段状ラップスプライスを形成するプロセスを示すフローチャートである。
【図２１】例示的な実施形態による複合構造体における亀裂の進展を抑制するプロセスを示すフローチャートである。
【図２２】例示的な実施形態による複合構造体にスプライスを配置するプロセスを示すフローチャートである。
【図２３】例示的な実施形態による航空機の製造及び使用方法を示すブロック図である。
【図２４】例示的な実施形態による航空機を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
例示的な実施形態では、１つ以上の異なる事項が認識及び考慮されている。例えば、例示的な実施形態では、複合材料を三次元形状に積層して複合構造体を形成するプロセスは、必要以上に煩雑で時間を要することが認識及び考慮されている。例示的な実施形態では、曲線形状又は捩りのうちの少なくとも１つを含むストリンガなどの複合構造体を、半自動で作製可能であることが認識及び考慮されている。ただし、所望の幾何形状に適合させた独自の形状の成形型を備える機器を使用する必要がある。
【００１７】
さらに、例示的な実施形態では、垂直切込みを設ける接合技術（splicing technique）をスティフナに利用可能であることが認識及び考慮されている。例示的な実施形態では、このような接合よれば、皺の発生を幾分か低減することができるものの、皺などの望ましくない不具合の発生に完全には対処できていないことが認識及び考慮されている。したがって、例示的な実施形態では、望ましくない不具合の発生を低減するように接合可能な、チャージ材などの形材を用いた複合構造体の作製方法、装置、及び、システムが提供される。
【００１８】
例示的な実施例では、このような種類の複合構造体は、二次元形状のセクション（section）を用いて作製可能である。このような二次元形状のセクションは、三次元形状に接合する際に、望ましくない不具合の発生を低減するように接合可能な構成を有する。例えば、望ましくない皺を発生させることなく二次元形状のセクションを接合して、曲面及び捩じりを含むような複雑な輪郭形状のストリンガを形成することができる。
【００１９】
例えば、シェブロン式（chevron approach）接合を利用すれば、複合構造体を所望の領域に分割することが可能になる。この結果、過剰な圧縮荷重は低減されるが、弧長（arc length）やその違いが生じる場合がある。弧長の違いは、構造体が曲面形状に成形されて、円弧形状の部位を有する場合に生じる。構造体の両側に形成される円弧は、互いに長さが異なる。２つの円弧の差が大きくなると、構造体の小さい方の円弧の側に中間剪断荷重によって圧縮座屈（皺）が生じる。
【００２０】
例示的な実施例で利用可能なセクションの両端には、複合材料が保証された状態（insured state）で、平行繊維がより大きく分離されるよう設計されたスプライスを構成するパターンが形成されている。このように大きな分離は、複雑な輪郭形状を有する領域を介して発生しうる。このようなスプライス領域は、繊維の角度と数を選択することでカスタマイズすることが可能である。さらに、両端に形成するパターンは、角度のついたスプライス領域において、交差する繊維を取り除くことで、平行繊維が互いに切断されるように構成することができる。
【００２１】
以下、添付図面を、具体的には、図１を参照すると、例示的な実施形態による複合材の製造環境のブロック図が示されている。複合材製造環境１００は、三次元の複合部材１０２を作製することができる環境の一例である。
【００２２】
複合部材１０２は、例えば、長尺状の複合構造体１０４である。この実施例では、複合構造体１０６は、複合部材１０２に含まれる。複合構造体１０６は、航空機の複合構造体、スティフナ、ストリンガ、ロンジロン、ビーム、あるいは、その他の適当な種類の複合構造体のうちの少なくとも１つからから選択することができる。本明細書において、「少なくとも１つ」という語句がアイテムの列挙とともに用いられている場合、列挙されたアイテムの１つ以上を様々に組み合わせて使用できることを意味し、また、列挙された各アイテムの１つだけを必要とする場合もあることを意味する。すなわち、「少なくとも１つ」は、列挙されたアイテムから任意の数のアイテムを任意の組み合わせで使用することができるが、列挙されたアイテムのすべてを必要とするわけではないということを意味する。また、アイテムとは、例えば、ある特定の対象、物、又はカテゴリである。
【００２３】
例を挙げると、「アイテムＡ、アイテムＢ、又は、アイテムＣのうちの少なくとも１つ」は、限定するものではないが、アイテムＡを含む場合、あるいは、アイテムＡとアイテムＢを含む場合、あるいは、アイテムＢを含む場合がありうる。また、この例は、アイテムＡとアイテムＢとアイテムＣを含む場合、あるいは、アイテムＢとアイテムＣを含む場合がありうる。当然ながら、これらのアイテムのあらゆる組み合わせが可能である。他の例を挙げると、「少なくとも１つ」は、例えば、限定するものではないが、２個のアイテムＡであってもよいし、１個のアイテムＢであってもよいし、１０個のアイテムＣであってもよいし、４個のアイテムＢと７個のアイテムＣであってもよい。あるいは、他の適当な組み合わせも可能である。
【００２４】
複合構造体１０６がストリンガである場合、このストリンガは、航空機１１１の胴体部１０９における複合材筒状セクション１０７に取り付けられるよう構成される。この場合、複合構造体１０６は、複雑な輪郭形状１４４の三次元形状を有する。複雑な輪郭形状１４４は、複合材筒状セクション１０７に適合する形状でもよい。
【００２５】
この例示的な実施例では、第１セクション１０８及び第２セクション１１０を用いて、複合構造体１０６を構成することができる。図示の通り、複合構造体１０６の第１セクション１０８は、シェブロン形状（chevron shape）１１４の第１端部１１２を有する。
【００２６】
図示したこの実施例では、シェブロン形状１１４は、第１端部１１２に形成された一組のシェブロン部位（chevron）をから成る。本明細書において、「一組の」という語句がアイテムとともに用いられている場合、１つ又は複数のアイテムを意味する。例えば、「一組のシェブロン部位」とは、１つ又は複数のシェブロン部位を意味する。シェブロン部位とは、第１端部１１２に向かって幅が小さくなっている長尺状部位である。
【００２７】
シェブロン形状１１４は、１つ以上のパラメータに基づいて選択される。パラメータには、例えば、限定するものではないが、該当するパーツを完成させるのに必要な材料の総量、スプライスに許容されるスペース及び厚さ（gage）、製造能力、重なり要件、及び、その他の適当なパラメータが含まれる。
【００２８】
例えば、ストリンガの一方の側が、パッドアップ（padup）により増厚した外皮を跨いで延びている場合、その一方の側が延びる距離は、ストリンガの他方よりも長くなる。このため、そのパーツを完成させるために必要な材料の量が多くなる。例えば、シェブロン部材が接合部におす側部分とめす側部分を備える設計の場合、パッドアップにより増厚された外皮上に延びるめす側部分の重なり長さは、ストリンガの長い方の側の距離が長くなっている分だけ長くなる。
【００２９】
他の例を挙げると、スプライスにおける重なりは、軸方向及び横方向の値が同じでなくてはならないとしてよい。この例では、スプライスの角度が４５度であると、重なり及び隙間の公称値が両方向（縦方向及び横方向）で同じになるので好ましい。
【００３０】
さらに他の例を挙げると、スプライス全体のサイズが制限されている。このため、厚さ及び重なり量の設計要件を考慮して形状が設計される。この例では、スプライスの角度を小さくして９０度に近づけると、得られる効果は小さくなるが、長さ制限を満たすような形状にすることができる。例示的な実施例では、スプライスは、スカーフ継手（scarf splice）の構成を有する。この実施例では、スカーフ継手では、厚さが同じ２つの階段状パターンが形成されており、両者を合わせると、互いの相補形状を有するレイヤが重なり合う。ここで、重なりと隙間の領域においては、全体の厚さが一レイヤ分だけ厚くなる場合がある。
【００３１】
さらに他の例を挙げると、長さの制限がない場合には、スプライスのサイズが大きいほうが、複合材料のレイヤを積層する製造能力において有利である。この例では、スプライスの角度を大きくすることができ、レイヤドロップ間隔（layer drop spacing）を全体として大きくすることができるので、製造性を高めることができる。
【００３２】
さらに他の例では、製造機器における制約を考慮する場合がある。レイヤ切断装置によって切断可能な角度が１つのみであれば、４５度、あるいは、他の所望の１つの角度で横方向の分離を行う。
【００３３】
さらに、第１セクション１０８に含まれる第１複合レイヤ１１６は、第１階段状パターン１１８を第１端部１１２に有する。この実施例では、複合構造体１０６の第２セクション１１０は、シェブロン形状１１４の相手側形状（counterpart shape）１２２を第２端部１２０に有する。この例示的な実施例では、相手側形状１２２は、シェブロン形状１１４に対して相補的な幾何形状であって、組み立て後のスプライスの断面形状が、所望の部品の断面形状を画成する。
【００３４】
第２セクション１１０に含まれる第２複合レイヤ１２４は、第２端部１２０に第２階段状パターン１２６を有する。この例示的な実施例では、第１複合レイヤ１１６は、第１プリプレグであり、第２複合レイヤ１２４は、第２プリプレグである。図示の通り、第１セクション１０８に含まれる第１複合レイヤ１１６は、第１プリプレグであり、第２セクション１１０に含まれる第２複合レイヤ１２４は、第２プリプレグである。
【００３５】
図示の通り、第１端部１１２及び第２端部１２０は互いに相対的に配置され、これにより、第１階段状パターン１１８を構成する複数の第１複合レイヤ１１６のうちの特定の第１複合レイヤ１２８が、第２階段状パターン１２６を構成する複数の第２複合レイヤ１２４のうちの特定の第２複合レイヤ１３０とスプライス位置１３２において重なり合って、スプライス１３４が形成される。この例示的な実施例では、第１階段状パターン１１８の段部と第２階段状パターン１２６の段部が、スプライス１３４において互い違いに重なり合っている。このように、第１端部１１２に第１階段状パターン１１８を有する第１複合レイヤ１１６と、第２端部１２０に第２階段状パターン１２６を有すると第２複合レイヤ１２４と、が交互に重ね合わされることで、ラップスプライス継手１４６が形成される。このスプライスは、くさび型スプライス（wedge splice）１４７とも呼ばれる。
【００３６】
この実施例では、スプライス位置１３２において、屈曲部、角度、捩じり、あるいは、その他の特異部の少なくとも１つを有する複雑な輪郭形状１４４であっても、複合構造体１０６における望ましくない皺１３６の発生がスプライス位置１３２で低減される。
【００３７】
図示の通り、第１端部１１２及び第２端部１２０の配置は、第１階段状パターン１１８を構成する第１複合レイヤ１１６のうち、シェブロン形状１１４を有する第１複合レイヤ１２８が、第２階段状パターン１２６を構成する第２複合レイヤ１２４のうち、相手側形状１２２を有する第２複合レイヤ１３０と重なり合うような配置になっている。これにより、スプライス位置１３２に、ラップスプライス継手１４６であるスプライス１３４が形成される。
【００３８】
複合構造体１０６を作製する際は、複合構造体１０６の第１セクション１０８及び第２セクション１１０が形成される。この際に、第１セクション１０８は、第１複合レイヤ１１６を積層して形成され、第２セクション１１０は、第２複合レイヤ１２４を積層して形成され、いずれのセクションも実質的平面１３８である。
【００３９】
例示的な実施例では、第１セクション１０８の第１複合レイヤ１１６、及び、第２複合レイヤ１２４はプリプレグであり、強化繊維などの材料のレイヤに樹脂系が予備含浸されて構成される。
【００４０】
例示的な実施例では、第１セクション１０８及び第２セクション１１０は、実質的平面１３８の形状を成形して、所望の断面形状１４０を有する複雑な輪郭形状１４４を構成することができる。この例示的な実施例では、所望の断面形状１４０は、ハット型、Ｕ字型、Ｃ字型、あるいは、その他の適当な断面形状を含む群から、複雑な輪郭形状１４４として選択される。
【００４１】
図示の通り、第１セクション１０８及び第２セクション１１０は、複合構造体１０６用のツール１４２に配置される。第１セクション１０８及び第２セクション１１０は、ツール１４２に配置されることによって、複合構造体１０６の複雑な輪郭形状１４４である三次元形状に成形される。第１セクション１０８及び第２セクション１１０は、ツール１４２上で硬化されて、複雑な輪郭形状１４４を有する複合構造体１０６を形成する。
【００４２】
他の例示的な実施例では、複合構造体１０６は、第１階段状ラップパターン１８１及び第２階段状ラップパターン１８７から成る階段状ラップスプライス１７１を有する。第１階段状ラップパターン１８１は、複合構造体１０６の第１セクション１０８が有する複数のシェブロン部位１８３で構成されており、複合構造体１０６の第２セクション１１０が有する複数の相手側部位１８５で構成された第２階段状ラップパターン１８７と重なり合っている。
【００４３】
さらに、第１複合レイヤ１１６と第２複合レイヤ１２４の間には、スプライス１３４において隙間１９３及び重なり１９５が形成されている。隙間１９３及び重なり１９５は、複合構造体１０６における望ましくない皺１３６の発生を低減するように構成することができる。
【００４４】
さらに他の例示的な実施例では、スプライス１３４は、複合材製造環境１００で製造される複合構造体１０６の階段状ラップスプライス１７１の形態をとることができる。スプライス１３４に関し、複合構造体１０６に階段状ラップスプライス１７１を設けるためのスプライス位置１３２は、複合構造体１０６における応力１４９を低減するように選択される。
【００４５】
この実施例では、階段状ラップスプライス１７１では、第１セクション１０８の各レイヤがシェブロン形状１１４を有しており、第１セクション１０８に第１階段状ラップパターン１８１が構成されている。第１セクション１０８のスプライス位置１３２には、複数のシェブロン部位１８３が形成される。
【００４６】
加えて、階段状ラップスプライス１７１では、第２セクション１１０の各レイヤが相手側形状１２２を有しており、第２セクション１１０に第２階段状ラップパターン１８７が構成されている。第２セクション１１０のスプライス位置１３２には、複数の相手側部位１８５が形成されている。第１セクション１０８及び第２セクション１１０に含まれるレイヤは、複合材のレイヤであり、硬化することができる。これらのレイヤは、プライの形態をとることができる。各レイヤは、１つ以上のプライから構成することができる。
【００４７】
例示的な実施例では、複数のシェブロン部位１８３及び複数の相手側部位１８５により、複合構造体１０６又は階段状ラップスプライス１７１の少なくとも１つにおける亀裂の進展を抑制することができる。例えば、亀裂の進展を抑制するには、複合構造体１０６に隣接する他の複合構造体（図示せず）との間のスプライスが、その横断面全体に連続するような重なり部分を含む状態を排除すればよい。互いに隣接する異なるスティフナ（図示せず）の間に、このような種類のスプライスを配置しないようにすれば、１つのスティフナの亀裂がスプライスを介して別のスティフナに進展する可能性を低減することができる。例えば、あるストリンガにおけるシェブロン部位の重なりを、隣接するストリンガにおけるシェブロン部位の重なりに対して角度をつけて配置することができる。これにより、スティフナに対して垂直なフレームベイ（図示せず）を介して進行してくる亀裂は、重なり部分に対して正面からの侵入に近い角度で侵入しようとすることになるので阻止される。
【００４８】
本プロセスでは、シェブロン形状１１４を有する各レイヤを、第２セクション１１０における対応する相手側形状１４１にそれぞれ重ね合わせて、階段状ラップスプライス１７１を形成する。階段状ラップスプライス１７１は、重なり１９５及び隙間１９３を有する。重なり１９５及び隙間１９３は、複合構造体１０６における望ましくない皺１３６の発生を低減するように、階段状ラップスプライス１７１における複数の位置に設けられている。
【００４９】
複合構造体１０６の作製の一工程において、エンドエフェクタシステム１９１を用いて、第１セクション１０８及び第２セクション１１０のうちの少なくとも１つの配向を操作して、シェブロン形状１１４を有する各レイヤを第２セクション１１０における対応する相手側形状１４１に重ね合わせ、これにより階段状ラップスプライス１７１を形成する。エンドエフェクタシステム１９１は、１つ以上のエンドエフェクタを含む物理的なシステムである。エンドエフェクタは、ロボットアーム又はその他の機械によって移動させて、第１セクション１０８及び第２セクション１１０などのアイテムの移動及び配置を行うことができる。
【００５０】
図示の通り、階段状ラップスプライス１７１は、スプライス位置１３２に加えて、あるいは、替えて、複合構造体１０６における所定数の位置１７７に配置することができる。所定数の位置１７７は、複合構造体１０６における望ましくない皺１３６の発生を低減するように選択される。例えば、階段状ラップスプライス１７１に設けるスプライス位置１３２については、階段状ラップスプライス１７１と、階段状ラップスプライス１７１以外の位置１７７と、の少なくとも１つにおいて、望ましくない皺１３６の発生が少なくなるような位置が選択される。
【００５１】
例示的な一実施例では、複雑な幾何形状を有する複合構造体を作製するに際し、望ましくない不具合の発生を低減するという技術的課題を克服する１つ以上の技術的解決が提示される。この結果、１つ以上の技術的解決において、スプライスの形状又は階段状パターンの少なくとも１つが、皺などの望ましくない不具合の発生を低減するよう構成されたスプライスを利用できるという技術的効果が得られる。
【００５２】
図１に示した複合材製造環境は、例示的な実施形態を実施可能な態様に、物理的な限定や構成上の限定を加えることを意図したものではない。例示した部材に対して、追加の部材あるいは代替の部材を使用することも可能である。また、いくつかの部材が不要な場合もある。また、ブロックは、いくつかの機能的なコンポーネントを説明するために示している。例示的な実施形態を実現するに際し、これらのブロックを分割したり、組み合わせたり、組み合わせてから異なるブロックに分割したりすることができる。
【００５３】
例えば、第１セクション１０８及び第２セクション１１０に追加して、あるいは、替えて、１つ以上のセクションが存在してもよい。例えば、追加のセクションが１つあれば、スプライス１３４に加えて、もう１つスプライスを形成することができる。図示の通り、第１複合レイヤ１１６と第２複合レイヤ１２４は、同じ数のレイヤを含むこともできるし、互いに異なる数のレイヤを含むこともできる。他の例示的な実施例では、所望の断面形状１４０は、第１セクション１０８及び第２セクション１１０をツール１４２に配置する際に形成される。
【００５４】
図２〜図１０は、例示的な実施形態による複合材スティフナを形成するプロセスを示す図である。先ず、図２を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体であるスティフナが示されており、未硬化のスティフナ２００の上面視が示されている。スティフナ２００は、図１のブロック図に示した複合構造体１０６の実施態様の例である。この実施例では、スティフナ２００は、未硬化であって、屈曲部２０１を有する。
【００５５】
図示の実施例では、スティフナ２００は、第１セクション２０２及び第２セクション２０４を用いて構成されている。図示の通り、これら２つのセクションは未硬化の多層体であって、スプライス中心線２０８で示すスプライス位置２０６に相対的に配置されてスプライス２１０を形成している。
【００５６】
次に図３を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナのセクションを構成するレイヤが示されている。例示的な実施例では、複数の図面において、同一の参照符号が用いられている。異なる図面においても同じ参照符号が用いられているが、これらは、異なる図面における同一の要素を表している。構造体を構成するレイヤは、互いにレイヤ境界をずらして積層されている。
【００５７】
この図では、図２のスティフナ２００を構成する第１セクション２０２及び第２セクション２０４を構成する複数のレイヤ３００は、未硬化の状態である。図示の通り、レイヤ３００は、複合材のレイヤであって、多くの異なる形態が可能である。例えば、レイヤ３００は、樹脂を含浸させた織物である。他の例示的な実施例では、レイヤ３００は、一方向材料を用いて形成される。他の例示的な実施例では、レイヤ３００は、プリプレグである。図示の通り、レイヤ３００は、スティフナ２００の第１セクション２０２を構成するレイヤ３０２、レイヤ３０４、及び、レイヤ３０６を含む。加えて、レイヤ３００は、スティフナ２００の第２セクション２０４を構成するレイヤ３０８、レイヤ３１０、及び、レイヤ３１２を含む。
【００５８】
同図には、これらのレイヤ３００のパターンが示されている。第１セクション２０２は、レイヤ３０２の第１端部３１６にシェブロン形状３１４を有し、レイヤ３０４の第１端部３２０にシェブロン形状３１８を有し、レイヤ３０６の第１端部３２４にシェブロン形状３２２を有する。第２セクション２０４を構成するレイヤ３００では、レイヤ３０８の第２端３２８に相手側形状３２６を有し、レイヤ３１０の第２端３３２に相手側形状３３０を有し、レイヤ３１２の第２端３３６に相手側形状３３４を有する。
【００５９】
この例示的な実施例では、シェブロン形状３１４、シェブロン形状３１８、及び、シェブロン形状３２２は、それぞれ１つのシェブロン部位を有する。他の例示的な実施例では、具体的な態様に合わせて、複数のシェブロン部位を有する形状も可能である。
【００６０】
また、２つのセクションの各々について３つのレイヤのみを示したが、これは例示的な実施形態における異なる特徴を説明するためである。実際の態様では、もっと多くのレイヤが用いられるが、例示的な実施形態の異なる特徴を示す妨げにならないように図示を省略している。
【００６１】
次に、図４を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナを構成するセクションの分解側面図が示されている。この図は、スティフナ２００の第１セクション２０２及び第２セクション２０４を、図２の線４−４の方向から見た側面を分解して示している。
【００６２】
この図では、レイヤ３００間の隙間と重なりが示されている。例えば、第２セクション２０４のレイヤ３０８と第１セクション２０２のレイヤ３０２の間には、隙間４００がある。また、第１セクション２０２のレイヤ３０４と第２セクション２０４のレイヤ３１２の間には、隙間４０２がある。
【００６３】
図示の通り、第２セクション２０４のレイヤ３０８と第１セクション２０２のレイヤ３０２の間には、重なり４０４がある。加えて、第２セクション２０４のレイヤ３１０と第１セクション２０２のレイヤ３０４の間には、重なり４０６がある。また、第２セクション２０４のレイヤ３１２と第１セクション２０２のレイヤ３０６の間には、重なり４０８がある。
【００６４】
この実施例では、図に示す重なり長さ４１１は、スプライスに掛かる荷重を伝達するように選択することができる。また、隙間４００及び隙間４０２は、不要な重なり（図示せず）を少なくするために設計されたものである。隙間４００及び隙間４０２は、圧力が低い領域を発生させる。隙間４００及び隙間４０２に、皺が発生しうる。このように、隙間４００及び隙間４０２で皺が寄っても、重なり４０４、重なり４０６、及び、重なり４０８の長さ４１１で調整されるので、皺を小さくすることができる。例えば、１つの大きな皺に代わって、複数の小さい皺にすることができる。このような小さな皺は、分散させることができるので、この実施例によれば、望ましい構造体強度を維持することができる。皺を記述する場合、皺の（谷から頂部までの）高さを該当セクションの厚さに対する比率（ｄ／ｔ）で、また、皺の長さを、当該高さに対する比率（Ｌ／Ｄ）で表すことができる。例えば、ある皺のＤ／ｔが０．５（該当セクションの厚さに対する振幅比が５０％）であり、Ｌ／Ｄが１０であれば、その皺は、例えば、ｄ／ｔが０．１で、Ｌ／Ｄが５０の場合よりも片寄り（deviation）が大きいことになる。
【００６５】
このように、重なりと隙間の選択は、スプライスが所望の強度特性を有し、且つ、スプライスにおける望ましくない皺の発生を低減させるように決定することができる。記載した程度の小さな皺であれば、レイヤの厚さがそれほど大きくなることはない。
【００６６】
次に、図５を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナのセクションの分解断面図が示されている。この図では、スティフナ２００の第１セクション２０２及び第２セクション２０４を、図２の線５−５の方向から見た断面を分解して示している。この断面図には、第１セクション２０２のレイヤ３０２、レイヤ３０４、及び、レイヤ３０６、並びに、第２セクション２０４のレイヤ３０８、レイヤ３１０、及び、レイヤ３１２が示されている。
【００６７】
この断面図には、レイヤ３０２の第１端部３１６のシェブロン形状３１４と、レイヤ３０４の第１端部３２０のシェブロン形状３１８と、レイヤ３０６の第１端部３２４のシェブロン形状３２２の中心が現れている。また、レイヤ３０８の第２端３２８の相手側形状３２６と、レイヤ３１０の第２端３３２の相手側形状３３０と、レイヤ３１２の第２端３３６の相手側形状３３４の中心が現れている。
【００６８】
この図では、第１セクション２０２のレイヤ３０２と第２セクション２０４のレイヤ３０８との間に重なり５００がある。また、第１セクション２０２のレイヤ３０４と第２セクション２０４のレイヤ３１０の間に重なり５０２がある。さらに、第１セクション２０２のレイヤ３０６と第２セクション２０４のレイヤ３１２の間に重なり５０４がある。
【００６９】
さらに、第１セクション２０２のレイヤ３０２と第２セクション２０４のレイヤ３１０の間に隙間５０６がある。加えて、第１セクション２０２のレイヤ３０４と第２セクション２０４のレイヤ３１２の間に隙間５０８がある。
【００７０】
次に図６を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナのセクションが有する階段状パターンが示されている。この図では、第１階段状パターン６００は、第１セクション２０２の第１端部６０２にシェブロン形状を有する。第１階段状パターン６００は、レイヤ３０２、レイヤ３０４、及び、レイヤ３０６で構成されている。図示のとおり、第２階段状パターン６０４は、第２セクション２０４の第２端部６０６においてレイヤ３０８、レイヤ３１０、及び、レイヤ３１２が有する相手側形状で構成されている。
【００７１】
次に、図７を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナを構成するように配置された第１セクション及び第２セクションが示されている。この実施例では、第２セクション２０４が第１セクション２０２の上に配置されており、スティフナ２００の形状７００が形成されている。この例示的な実施例では、一方の側面における外側半径を他方の側面よりも大きくすることで、屈曲部２０１が形成されている。例えば、第２セクション２０４の側面７０１が、側面７０３よりも大きな半径を有するように配置することができる。
【００７２】
図８を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナのセクションを所望の形状に成形するためのツールが示されている。この例示的な実施例では、ツール８００に配置された第１セクション２０２の透視図が示されている。この例示的な実施例では、ツール８００は、上側ダイ８０２と下側ダイ８０４を含む。第１セクション２０２は、ツール８００の上側ダイ８０２と下側ダイ８０４の間に配置されている。この位置で、第１セクション２０２は、ツール８００で圧縮及び固化される。
【００７３】
図９には、例示的な実施形態によるスティフナのセクション及びツールの断面が示されている。この図では、ツール８００に配置された第１セクション２０２を、図８の線９−９に沿った断面で示している。同図に示すように、第１セクション２０２は、ツール８００の上側ダイ８０２と下側ダイ８０４の間に配置されている。
【００７４】
次に、図１０を参照すると、例示的な実施例によるスティフナのセクションを、ツールで成形した所望の断面形状が示されている。同図では、図８の線９−９に沿った断面が示されており、上側ダイ８０２を矢印１０００の方向に移動させて下側ダイ８０４に接近させた状態である。
【００７５】
図示の通り、第１セクション２０２は、ハット型１００１の断面形状を有する。ハット型１００１は、フランジ１００２、フランジ１００４、ウェブ１００３、及び、キャップ１００６から成る。
【００７６】
図８〜図１０では、スティフナ２００のレイヤ３００が、レイヤ３００間で滑らないように制御されている場合の成形方法を示している。例えば、レイヤ３０２、レイヤ３０４、及び、レイヤ３０６は、これらの図に示すように、レイヤ同士が滑らないように処理することが可能である。
【００７７】
スプライスに段付き部を設けると、セクションを長さ方向に段階的に接合することができる。第１端部６０２にシェブロン形状を有する第１セクション２０２を下側ダイ８０４に配置し、下側ダイ８０４に配置する第２の部材として、第２端部６０６に相手側形状を有する第２セクション２０４を配置する。第２セクション２０３（図示せず）も、同様に、ハット型１００１の断面形状を有するように成形することができる。
【００７８】
次に図１１を参照すると、例示的な実施形態による、ハット型の断面形状を有するセクションが示されている。同図では、セクション１１００が透視図で示されている。図示の第１セクション２０２は、フランジ１００２、フランジ１００４、ウェブ１００３、及び、キャップ１００６を有するハット型１００１に成形された後の状態である。また、第２セクション２０４は、フランジ１１０１、フランジ１１０３、ウェブ１１０７、及び、キャップ１１０５を有するハット型１１０２に成形された後の状態である。
【００７９】
図示の通り、第１セクション２０２における第１階段状パターン６００は、複数の段差１１２３を有する。この実施例では、第１セクション２０２の第１端部６０２には、レイヤ３０２、レイヤ３０４、及び、レイヤ３０６をずらして配置することで、複数の段差１１２３が形成されている。
【００８０】
第２セクション２０４の透視図も、ハット型１１０２に成形された後の状態を示す。図示の通り、第２セクション２０４の第２端部６０６に、第２階段状パターン６０４が見えている。複数の段差１１０４は、レイヤ３０８、レイヤ３１０、及び、レイヤ３１２をずらして配置することで形成されている。この実施例では、複数の段差１１２３は、複数の段差１１０４に対応しており、複数の段差１１２３を複数の段差１１０４に重ね合わせることができる。他の例示的な実施例では、複数の段差１１２３と複数の段差１１０４は、段差１１２３が段差１１０４の間に交互に差し込まれるように構成することができる。
【００８１】
次に、図１２を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナの２つのセクションをツールに配置した状態が示されている。図示の通り、第１セクション２０２及び第２セクション２０４が、ツール１２００に配置されている。この実施例では、ツール１２００は、めす型ツールであり、スティフナ２００の外表面に接触する。
【００８２】
この図では、第１セクション２０２がツール１２００に配置されている。この実施例では、ツール１２００は、めす型ツールであるが、他の例示的な実施例では、めす型ツールの代わりにおす型ツールを使用することも可能である。
【００８３】
次に、第２セクション２０４をツール１２００に配置して、第２階段状パターン６０４（図示せず）及び第２セクション２０４を、第１セクション２０２の第１階段状パターン６００（図示せず）に重ね合わせる。本実施例のスプライス１２０２を構成するこの重ね合わせは、スカーフ接合、又は、段付きラップ接合（stepped lap）であってもよい。第１セクション２０２及び第２セクション２０４は、ツール１２００上で硬化させて、スティフナ２００を形成することができる。
【００８４】
次に図１３を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナのセクションが示されている。この実施例では、スティフナ２００は、硬化された状態であり、三次元形状を有する。このスティフナ２００の構成によれば、ハット型ストリンガに屈曲部を形成しても皺が発生しないか、あるいは、皺の発生を制御することが可能であり、よって、所望の性能を有するハット型スティフナを得ることができる。
【００８５】
例示的な実施形態により図１の複合構造体１０６を作成する一態様を示すことを目的として、図２〜図１３の２つのセクションを用いてスティフナを作成する処理について記載する。この説明は、他の例示的な実施例の実施態様に限定を課すものではない。
【００８６】
例えば、他の例示的な実施例では、複数のスプライスを含みうる。スプライスが複数ある場合、各スプライスには、シェブロン形状の段差に接合可能な領域と、相手側形状の段差に接合可能な領域と、の別個の領域を有する。例えば、複合構造体に３つのセクションを用いれば、２つのスプライスを形成することができる。さらに、異なる数のレイヤを用いることができる。例えば、１０レイヤ、１７レイヤ、１９レイヤ、３３レイヤ、あるいは、その他の数のレイヤを、異なるセクションに用いることができる。さらに、別の例示的な実施例では、第１セクション２０２は、第２セクション２０４とは異なる数のレイヤを含んでいてもよい。さらに別の例示的な実施例では、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）系のフィルムを、パーツ同士を分離する離型層として用いることができる。
【００８７】
次に、図１４を参照すると、例示的な実施形態によるセクションの処理において用いられる離型層が示されている。図示の通り、セクション１４００の側面が示されている。セクション１４００は、複数のレイヤ１４０１を有する。図示の通り、複数のレイヤ１４０１は、レイヤ１４０２、レイヤ１４０４、及び、レイヤ１４０６を含む。複数のレイヤ１４０１は、シェブロン形状１４２１の端部１４２３を有する。図示の例では、セクション１４００の複数のレイヤ１４０１を積層する際に、シム１４０８を用いて端部１４２３をアライメントしている。シム１４０８は、レイヤ１４１０、レイヤ１４１２、レイヤ１４１４を有する。シム１４０８は、セクション１４００のシェブロン形状に対応する相手側形状を有する。シム１４０８は、セクション１４００と同じプリプレグ材で形成することができる。この材料は、セクション１４００の階段状パターン１４１６に類似する階段状パターン１４１５をシム１４０８に形成できるように、スムーズに厚みを変化させることが可能なものが選択される。
【００８８】
この例示的な実施例で図示するように、ＦＥＰフィルム層１４１８及びＦＥＰフィルム層１４２０が、シム１４０８の階段状パターン１４１５とセクション１４００の階段状パターン１４１６との間に配置されている。ＦＥＰフィルム層１４１８及びＦＥＰフィルム層１４２０は、離型層として機能するので、成形したレイヤを歪ませることなく、セクション１４００からシム１４０８を取り外すことができる。例えば、ＦＥＰフィルム層１４１８及びＦＥＰフィルム層１４２０を用いることにより、セクション１４００をハット型、又は、その他の形状に成形した後に、シム１４０８をより容易に取り外すことができる。当然ながら、他の例示的な実施例では、記載とは異なる数のＦＥＰフィルム層を用いることができる。例えば、他の例示的な実施例では、２層、４層、あるいは、その他の数の層を用いることができる。
【００８９】
シム１４０８を用いる代わりに、第２セクション（図示せず）をシム１４０８の代わりに利用することができる。例えば、レイヤ１４０１がシェブロン形状（図示せず）を有する場合には、そのシェブロン形状の相手側形状を有する第２セクション（図示せず）をシム１４０８の代わりに利用して端部１４２３をアライメントすることができる。
【００９０】
次に、図１５を参照すると、例示的な実施形態の複合構造体における弧長の違いが示されている。この例示的な実施例におけるハット型のスティフナ１５００は、図１に示した複合構造体１０６の実施態様の例である。この実施例では、ハット型のスティフナ１５００は、フランジ１５０２、フランジ１５０４、及び、ウェブ１５０６を有する。
【００９１】
例示的な実施例では、ハット型のスティフナ１５００は、円弧１５０１及び円弧１５０３を有する。ハット型スティフナ１５００は湾曲１５２１を有するので、円弧１５０１の長さは、円弧１５０３の長さよりも長い。
【００９２】
図示の通り、セクション１５０７とセクション１５０９の接続箇所であるスプライス１５０５は、円弧１５０１と円弧１５０３の長さが異なることにより生じうる問題を低減するように選択されている。さらに、レイヤの設計（図示せず）、及び、レイヤの形状（図示せず）は、皺に関する問題を低減し、ハット型スティフナ１５００が所望の特性を備えるように選択されている。必要に応じて、異なる複数の箇所に複数のストリンガを設けて、湾曲や段付き部における比率を低減することができる。スプライスを追加すれば、弧長の不均衡を分散させることができる。半径が一定の大きさを超える場合は、長さの不一致を解消する必要があるが、この解消をスプライスにおいて生じさせることができる。
【００９３】
例示的な実施例では、材料を切断する機器をプログラミングする際に、接合するレイヤ同士の一方又は両方を非対称なパターンに形成するようなプロセスを盛り込むことができる。これにより、弧長の違いを吸収し、また、重なり誤差を必要な範囲に維持するようにできる。例えば、航空宇宙産業で一般的に用いられるモデリングソフトウェアにおいて、フラット・パターニング法を利用可能である。さらに、レイヤの切断パターンも、曲率を考慮して作製することができる。
【００９４】
さらにスプライスを追加することもできる。例えば、ストリンガが長尺で、掃引曲線も長い場合、多くのスプライスが必要となりうる。これらのスプライスは、例えば、段付き部、ひねり、曲率が高くなっている部位（additional curvature）、内部層の落ち込み部（internal layer drop）、あるいは、座屈を助長するようなその他の特異部などの特異部と係合（interact）する曲線に配置することができる。
【００９５】
曲率半径が大きくなると、皺の発生頻度や大きさが許容可能なレベルまで低減されるので、ハット型スティフナ１５００の性能が望ましくないレベルや仕様に不適合なレベルに低下すること回避できる。例えば、繊維長が長ければ、限られた場所ではなく、より多くの場所で座屈を発生させることができる。また、レイヤを所定のパターンに切断する機器のコンピュータ数値制御に、補正係数を採用することができる。補正係数を用いることにより、座屈が生じる材料の長さを延ばしても、所望の重なり公差を維持することができる適切な材料を得ることができる。図示のとおり、ＸＹ平面１５０８は、面内曲率（in-plane curvature）を示し、ＸＺ平面１５１０は、面外曲率（out-of-plane curvature）を示す。
【００９６】
この例示的な実施例では、ハット型のスティフナ１５００は、ＸＺ平面１５１０内の屈曲に対しては、扁平に変形するのが自然な反応である。ハット型スティフナ１５００の元の断面形状が維持されて扁平変形が抑制されると、ウェブ１５０６、フランジ１５０２、又は、フランジ１５０４のいずれかに皺が発生しうる。ＸＹ平面１５０８内の屈曲に対しても、同様の反応が生じる。
【００９７】
このような皺が発生するのは、ハット型スティフナ１５００の幾何形状が、ＸＺ平面１５１０におけるウェブ１５０６及びフランジ１５０４と、ＸＹ平面１５０８におけるフランジ１５０２と、の２つの主平面を含むからである。ウェブ１５０６、フランジ１５０２、及び、フランジ１５０４は、断面が拘束された状態で、２つの異なる円弧に押込まれる。
【００９８】
このような状況が生じるのは、スティフナの幾何形状が２つの主平面を含み、これら主平面が、断面が拘束された状態で２つの異なる円弧に押込まれるからである。これらの平面とは、ＸＺ平面１５１０におけるウェブ１５０６及びフランジ１５０４の平面と、ＸＹ平面１５０８におけるフランジ１５０２からフランジ１５０４までの平面と、の２つである。
【００９９】
例示的な実施例では、曲率の外側半径は長くなっていない。したがって、弧長におけるデルタ全体が内側半径に押込まれるので、材料に掛かる圧縮荷重は、外側半径から内側半径に向かって増加して、最終的には、圧縮荷重が積層体の座屈閾値を超える。この実施例では、内側半径（ＸＹ平面の曲率については、内側のフランジ、ＸＺ平面の曲率については、屈曲の方向に依存して、キャップ、あるいは、フランジのいずれか）における圧縮荷重が最も高い。場合によっては、ウェブにも、ＸＹ平面とＸＺ平面との両方の座屈が発生しうる。例示的な実施例では、座屈は、皺の発生を意味する。
【０１００】
断面形状が拘束されるのは、表面１５２０と表面１５２２との２つの表面の間の積層厚さによるものであり、各レイヤ間の接着特性、個々のレイヤの剛性、あるいは、積層体全体を合わせた剛性のうちの少なくとも１つの関数として示される。表面１５２０は、ハット型スティフナ１５００の２つのフランジ、即ち、フランジ１５０２及びフランジ１５０４によって画成され、表面１５２２は、ウェブ１５０６によって画成される。
【０１０１】
この拘束により、長い方の円弧に張力が生じ、短い方の円弧に圧縮が生じる。図示の通り、ハット型スティフナ１５００の断面は、拘束されている。スプライスの位置及び数は、そのパーツの仕様に従って決定することができる。例えば、留め具、フレーム、及び、位置スプライスには、スプライスを配置できない位置を定めるルールがある。
【０１０２】
ハット型スティフナ１５００などのスティフナの長さ方向におけるスプライスの数及び位置は、多くの異なる要因に関連する。例えば、２つのセクションを組み立ててスティフナを構成する場合、これらのセクションは、組み立てなしにスティフナを構成する単一のセクションよりも基本的に堅いので、スプライスの数は最小限に抑えることが望ましい。加えて、航空機の分析は、スティフナ及びフレームをグリッドとして行われるので、隣接する、あるいは、連続するグリッドセルにスプライスを設けることは望ましくない。
【０１０３】
要因の他の例としては、スプライスは、１つのフレームベイ（フレーム間のスティフナ）について１つのスプライスを設けるように設計されていることがある。他の例としては、スプライスのサイズが、段付き部のサイズと同じであってもよいし、それより大きくてもよい。湾曲したストリンガにスプライスを設ける位置としては、可能であれば、両側に直線状部分を有する屈曲部の鋭角な頂部に設けることが望ましい。ストリンガの湾曲が緩やか（more general）であれば、湾曲部に沿ってより多くのスプライスを設けることが望ましい。
【０１０４】
仕様に従ってスプライスの位置及び数を制限することを前提とするが、スプライス無しでは皺が発生すると予測される位置にはスプライスを設ければよい。例えば、スプライスは、段付き部の領域に設けてもよいし、曲率の高い領域の頂部に設けてもよい。あるいは、湾曲した領域に複数のスプライスを用いるのであれば、頂部の両側における直近領域（おそらくは、前後方向に隣接するフレームベイ）にスプライスを設けることができる。
【０１０５】
図１６を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体の複数のセクションが示されている。図示の通り、セクション１６００、セクション１６０２、及び、セクション１６０４は、接合されてストリンガなどの複合構造体を構成する。
【０１０６】
この例示的な実施例では、セクション１６００の端部１６０８は、シェブロン形状１６０６を有する。セクション１６０２の端部１６１２は、シェブロン形状１６０６の相手側形状１６１０を有する。また、セクション１６０２の端部１６１６は、シェブロン形状１６１４を有する。セクション１６０４の端部１６２０は、シェブロン形状１６１４の相手側形状１６１８を有する。この実施例では、セクション１６００が、最初にツール（図示せず）に配置される。続いて、セクション１６０２がツール（図示せず）に配置されて、相手側形状１６１０の段差１６２２が、シェブロン形状１６０６の段差１６２４に重ね合わされる。次に、セクション１６０４がツールに配置されて、相手側形状１６１８の段差１６２６が、セクション１６０２のシェブロン形状１６１４の段差１６２８に重ね合わされる。
【０１０７】
次に図１７を参照すると、例示的な実施形態によるスティフナの複数のセクションが示されている。この例示的な実施例では、スティフナ１７００は、セクション１７０２、セクション１７０４、及び、セクション１７０６を含む。
【０１０８】
セクションをレイアップしスティフナ１７００を形成する場合、セクション１７０２をツールに配置し、続いて、セクション１７０４及びセクション１７０６をレイアップする。図示の通り、スティフナ１７００は、段付き部１７０８及び段付き部１７１０を含む。
【０１０９】
セクション１７０２のレイヤ１７１２、レイヤ１７１４、及び、レイヤ１７１６は、シェブロン形状（図示せず）を有する。セクション１７０４のレイヤ１７１８、レイヤ１７２０、及び、レイヤ１７２２は、端部１７２４に相手側形状（図示せず）を有する。セクション１７０６のレイヤ１７３０、レイヤ１７３２、及び、レイヤ１７３４は、端部１７２６に相手側形状（図示せず）を有する。
【０１１０】
次に、図１８を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体の作製プロセスのフローチャートが示されている。図１に示したプロセスを実行すれば、複合材製造環境１００において複合構造体１０６を作成することができる。
【０１１１】
本プロセスでは、先ず、複合構造体１０６の第１セクション１０８を形成する（処理１８００）。第１セクション１０８は、第１端部１１２にシェブロン形状１１４を有する。第１セクション１０８における第１複合レイヤ１１６は、第１端部１１２に第１階段状パターン１１８を有する。
【０１１２】
本プロセスでは、複合構造体１０６の第２セクション１１０を形成する（処理１８０２）。第２セクション１１０は、シェブロン形状１１４に対する相手側形状１２２を第２端部１２０に有する。第２セクション１１０における第２複合レイヤ１２４は、第２端部１２０に第２階段状パターン１２６を有する。
【０１１３】
本プロセスでは、第１セクション１０８及び第２セクション１１０を所望の断面形状１４０に成形する（処理１８０４）。次いで、第１階段状パターン１１８を有する複数の第１複合レイヤ１１６のうちの特定の第１複合レイヤ１２８が、第２階段状パターン１２６を有する複数の第２複合レイヤ１２４のうちの特定の第２複合レイヤ１３０と、スプライス１３４において重なり合うように、第１端部１１２及び第２端部１２０を配置する（処理１８０６）。
【０１１４】
上記の処理１８０６における配置は、第１セクション１０８及び第２セクション１１０をツールに配置することで実施される。処理１８０６において、スプライス１３４は、くさび型スプライス１４７であってもよく、この場合、第１階段状パターン１１８がシェブロン形状１１４を有し、第２階段状パターン１２６が相手側形状１２２を有する。本プロセスでは、第１セクション１０８及び第２セクション１１０を硬化させる（処理１８０８）。その後、本プロセスを終了する。
【０１１５】
次に、図１９を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体のスプライスの設計プロセスのフローチャートが示されている。本フローチャートに示すプロセスは、図１に示すスプライス１３４を有する複合構造体１０６の設計に用いられる。本プロセスは、ハードウェア又はソフトウェアの少なくとも１つにおいて実現することができる。ソフトウェアを用いる場合、ソフトウェアはプログラムコードの形態であってもよく、コンピュータシステムの処理部によって実行される。
【０１１６】
本プロセスを実行するコンピュータシステムは、１つ以上のデータ処理システムを含む物理的なハードウェアシステムで実現することができる。１つ以上のデータ処理システムが含まれる場合、これらのデータ処理システムは、通信媒体を用いて互いに通信可能である。この通信媒体は、ネットワークでもよい。データ処理システムは、コンピュータ、サーバコンピュータ、ワークステーション、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、電子フライトバッグ、携帯電話、あるいは、その他の適当なデータ処理システムのうちから選択される少なくとも１つである。
【０１１７】
本プロセスでは、先ず、スプライスのシェブロン形状に含めるシェブロン部位の数を特定する（処理１９００）。シェブロン部位の数は、所定数の検討事項に基づいて選択される。例えば、シェブロン形状のシェブロン部位の数は、曲率あるいは捩じりの量のうちの少なくとも１つを考慮して選択することができる。複合構造体が有する曲率あるいは捩じりのうちの少なくとも一方が大きいほど、シェブロン部位の数を多くしてもよい。シェブロン形状に含まれる各シェブロン部位を構成するレイヤは、同じシェブロン形状における他のシェブロン部位を構成するレイヤとは相互作用（interact）しない。この結果、湾曲部分の断面領域における相互作用は、シェブロン部位の数が増えるほど少なくなる。
【０１１８】
本プロセスでは、スプライスについて選択されたシェブロン形状に対応する相手側形状を選択する（処理１９０２）。本プロセスにおいて、シェブロン形状と相手側形状とにおけるレイヤ間の重なりの数を決定する（処理１９０４）。これらを重ね合わせることによって、スプライスの強度を高めて、スプライスがない場合と同等の強度を保証することができる。
【０１１９】
このような重ね合わせを利用することにより、複雑さを低減することができる。重ね合わせの数、及び、重ね合わせの長さは、応力又は歪などの性能低下を生じさせないように選択することができる。
【０１２０】
本プロセスにおいて、各重ね合わせについて重なり量を決定する（処理１９０６）。重なり量によっても、スプライスの強度を高めることができる。加えて、重なり量を大きくすることによって、スプライスを形成するためのセクションの製造、及び、セクションの積層をより容易に実行することができる。換言すると、重なり量を増加させることにより、スプライスを有する複合パーツの製造性を高めることができる。
【０１２１】
例えば、スプライスの設計において、最小限の重なり量である約０．７５インチに、±０．２５インチの誤差を見込んだ値を設定する。重なり量を増やしてスプライスの面積を大きくする場合は、スプライスの許容誤差をより大きく設定してもよい。例えば、重なり量が１．７５インチであれば、誤差は±１．０インチとする。この結果、誤差を見込んで重なり量を大きくすることで、スプライスの強度を高めることができ、また、レイヤを適切に積層する能力も高めることができる。
【０１２２】
本処理では、次いで、スプライスに設ける隙間の数を決定する（処理１９０８）。シェブロン形状を有するセクションにおけるレイヤと、相手側形状を有するセクションにおけるレイヤとの間に隙間を設けると、支持構造体などの複合パーツにおける望ましくない皺の発生を低減することができる。例えば、図４に示す隙間４００及び隙間４０２などの隙間を利用すると、望ましくない皺の発生を低減することができる。隙間を設けた位置では、皺が発生するとしても、望ましくない特性を生じさせることのない小さな皺に限定される。
【０１２３】
本プロセスでは、次いで、選択した数の隙間を設ける位置を選択する（処理１９１０）。隙間の位置は、隙間を設ける位置におけるレイヤの総数が所望の数を超えないように選択される。レイヤの数が所望の数より位置では、レイヤの機械的特性が望ましい剛性よりも大きいので、必要なレベルの負荷を担うことができない。例えば、隙間は、複合パーツが有する曲率又は捩じりのうちの少なくとも１つにおける弧長に差があることによって生じる圧縮負荷を低減させる位置に設けることができる。
【０１２４】
さらに、圧縮負荷が低減されている場合には、スプライス内に隙間を設けることができる。例えば、レイヤ間の重なりとレイヤ間の隙間とが、断面において交互に位置するような構成でもよい。このようにすると、レイヤの重なりと隙間を選択することで、所望の性能特性を有する複合パーツを得ることができる。ここでいう性能特性は、例えば、スプライスにおける複合パーツの圧縮荷重、剛性、強度、あるいは、その他の特性を含む。本処理では、次いで、各隙間の幅を選択する（処理１９１２）。その後、本プロセスを終了する。
【０１２５】
一実施例では、重なりと隙間の数は、レイヤの数と同じである。隙間の幅は、様々な要因に基づいて選択することができ、例えば、レイヤのレイアップにおいて形成可能な隙間のサイズ、レイヤの厚さの比率、発生する皺を局所的な小さな皺に留めるための隙間の幅、及び、その他の適当な要因に基づいて選択することができる。
【０１２６】
次に、図２０を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体における階段状ラップスプライスを形成するプロセスのフローチャートが示されている。図２０に示したプロセスを実行すれば、図１に示す複合材製造環境１００において複合構造体１０６の階段状ラップスプライス１７１であるスプライス１３４を形成することができる。
【０１２７】
本プロセスでは、先ず、複合構造体１０６における応力１４９を低減すべく、複合構造体１０６に設ける階段状ラップスプライス１７１のスプライス位置１３２を選択する（処理２０００）。本プロセスでは、第１セクション１０８に含まれる各レイヤにシェブロン形状１１４を形成して、第１セクション１０８に第１階段状ラップパターン１８１を作製し、この際に、第１セクション１０８のスプライス位置１３２に、複数のシェブロン部位１８３が形成される（処理２００２）。
【０１２８】
本プロセスでは、次いで、第２セクション１１０に含まれる各レイヤに相手側形状１２２を形成して、第２セクション１１０に第２階段状ラップパターン１８７を作製し、この際に、第２セクション１１０のスプライス位置１３２に、複数の相手側部位１８５が形成される（処理２００４）。第１セクション１０８及び第２セクション１１０に含まれるレイヤは、複合材のレイヤであり、硬化することができる。これらのレイヤは、レイヤの形態をとることができる。
【０１２９】
例示的な実施例では、複数のシェブロン部位１８３及び複数の相手側部位１８５によって、複合構造体１０６における亀裂の進展が抑制される。
【０１３０】
本プロセスでは、シェブロン形状１１４を有する各レイヤを、第２セクション１１０における対応する相手側形状１４１とそれぞれ重ね合わせて、階段状ラップスプライス１７１を形成する（処理２００６）。その後、本プロセスを終了する。階段状ラップスプライス１７１には、重なり１９５及び隙間１９３が含まれる。重なり１９５及び隙間１９３は、複合構造体１０６における望ましくない皺１３６の発生を低減するように、階段状ラップスプライス１７１の複数の位置に設けられている。エンドエフェクタシステム１９１を用いて、第１セクション１０８及び第２セクション１１０のうちの少なくとも１つの配向を制御して、シェブロン形状１１４を有する各レイヤを第２セクション１１０における対応する相手側形状１４１それぞれ重ね合わせる。これにより階段状ラップスプライス１７１が形成される。エンドエフェクタシステム１９１は、１つ以上のエンドエフェクタを含む物理的なシステムである。ロボットアーム又はその他の機械によってエンドエフェクタを移動させて、第１セクション１０８及び第２セクション１１０などのアイテムの移動及び配置を行うことができる。
【０１３１】
次に、図２１を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体における亀裂の進展を抑制するプロセスのフローチャートが示されている。図２１に示したプロセスを実行すれば、図１に示す複合材製造環境１００において、複合構造体１０６のスプライス１３４を形成することができる。また、図２１に示したプロセスを実行すれば、複合材製造環境１００において、複合構造体１０６の階段状ラップスプライス１７１であるスプライス１３４を形成し、これを、図１に示す複合構造体１０６における亀裂の進展を抑制するよう構成することができる。
【０１３２】
本プロセスでは、先ず、複合構造体１０６における応力１４９を低減すべく、複合構造体１０６に設けるスプライス位置１３２を特定する（処理２１００）。処理２１００における応力１４９は、座屈を発生させる圧縮応力である。本プロセスでは、スプライス位置１３２に階段状ラップスプライス１７１を形成する（処理２１０２）。その後、本プロセスを終了する。
【０１３３】
処理２１０２で形成される階段状ラップスプライス１７１において、第１セクション１０８の各レイヤがシェブロン形状１１４を有し、これにより、第１セクション１０８に第１階段状ラップパターン１８１が形成されている。第１セクション１０８は、複数のシェブロン部位１８３を有する。加えて、階段状ラップスプライス１７１において、第２セクション１１０の各レイヤが相手側形状を有し、これにより、複数の相手側部位１８５を有する第２階段状ラップパターン１８７が第２セクション１１０に形成されている。シェブロン形状を有する各レイヤが、第２セクション１１０における対応するレイヤの相手側形状と重なり合って、階段状ラップスプライス１７１を形成している。処理２１０２において、スプライス位置１３２は、複合構造体１０６における望ましくない皺１３６の発生又は応力１４９の少なくとも一方を低減する位置に設定される。
【０１３４】
次に、図２２を参照すると、例示的な実施形態による複合構造体にスプライスを配置するプロセスのフローチャートが示されている。図２２に示したプロセスを実行すると、例えば、図１に示す複合材製造環境１００において作製される複合構造体１０６のスプライス１３４のような１つ以上のスプライスを作製することができる。
【０１３５】
本プロセスでは、先ず、複合構造体（１０６）に設けるスプライス位置の数を選択する（処理２２００）。本プロセスでは、次いで、複合構造体（１０６）を構成すべく、階段状パターンを有するセクションを配置して、所定数のスプライス（１３４）を所定数のスプライス位置に形成する（処理２２０２）。その後、本プロセスを終了する。本プロセスによれば、複合構造体（１０６）における望ましくない皺の発生（１３６）を、所定数のスプライス位置のうちの少なくとも１つのスプライス位置（１３２）において、又は、スプライス位置（１３２）以外のその他の位置（１７７）において、低減することができる。
【０１３６】
異なる実施形態において示したフローチャート及びブロック図は、例示的な実施形態における装置及び方法を実施可能ないくつかの態様における構造、機能、及び、処理を示している。この点に関し、フローチャートやブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、機能、及び、処理や工程の一部を表す場合もある。例えば、１つ以上のブロックを、プログラムコード、ハードウェア、又は、プログラムコードとハードウェアの組み合わせとして実現することができる。ハードウェアで実現する場合、そのハードウェアは、例えば、フローチャートやブロック図に記載の１つ以上の処理を実行するように製造あるいは構成された集積回路であってもよい。プログラムコードとハードウェアの組み合わせとして実現する場合、ファームウェアの形態で実現することができる。フローチャートやブロック図における各ブロックは、異なる処理を実行する特定用途向けハードウェアシステムを用いて実現してもよいし、あるいは、特定用途向けハードウェアと、その特定用途向けハードウェアで実行されるプログラムコードとの組み合わせを用いて実現してもよい。
【０１３７】
例示的な実施形態のいくつかの代替的な実施態様では、ブロックに示した機能を、図に示した順とは異なる順序で実施可能である。例えば、いくつかの場合には、連続するものとして示されている２つのブロックを、関連する機能によっては、実質的に同時に実行してもよいし、これらのブロックを逆の順序で実行してもよい。また、フローチャートやブロック図に示したブロックに、さらに別のブロックを追加してもよい。
【０１３８】
例えば、ＦＥＰフィルムなどの離型フィルムの設置及び除去のステップを追加することができる。他の例示的な実施例では、セクションを袋に入れて真空にした後に硬化を行って複合構造体を形成することができる。
【０１３９】
本開示の例示的な実施形態を、図２３に示す航空機の製造及び使用方法２３００、及び、図２４に示す航空機２４００に関連させて説明する。先ず、図２３を参照すると、例示的な実施形態による航空機の製造及び使用方法のブロック図が示されている。生産開始前において、例示的な航空機の製造及び使用方法２３００は、図２４の航空機２４００の仕様決定及び設計２３０２、及び、材料調達２３０４を含む。
【０１４０】
製造中には、図２４に示す航空機２４００の部品及び小組立品の製造２３０６、及び、システム統合２３０８が行われる。その後、航空機２４００は、認可及び納品２３１０の工程を経て、使用２３１２に入る。顧客による使用２３１２の間、航空機２４００は、定期的な整備及び保守２３１４のスケジュールに組み込まれる。この整備及び保守には、改良、再構成、改修、及び、その他の適当な保守が含まれうる。
【０１４１】
航空機の製造及び使用方法２３００の各工程は、システムインテグレータ、第三者、及び／又は、オペレータによって実行又は実施することができる。これらの実施例において、オペレータは、例えば顧客である。なお、システムインテグレータは、限定するものではないが、航空機メーカ又は主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよい。第三者は、限定するものではないが、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよい。オペレータは、例えば、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織、及び、その他の適当なオペレータを含む。
【０１４２】
次に図２４を参照すると、例示的な実施形態による航空機のブロック図が示されている。この実施例では、航空機２４００は、図２３に示す航空機の製造及び使用方法２３００によって製造されており、複数のシステム２４０４及び内装２４０６を備えた機体２４０２を含みうる。複数のシステム２４０４の例としては、駆動系２４０８、電気系２４１０、油圧系２４１２、及び、環境系２４１４のうちの１つ以上が挙げられる。
【０１４３】
図１の複合構造体１０６をはじめとする複合部材１０２は、機体２４０２及び内装２４０６の内の少なくとも１つとして製造及び実装することができる。また、その他のシステムをいくつ含んでもよい。なお、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用可能である。本明細書において具体化する装置及び方法は、図２３の航空機の製造及び使用方法２３００における１つ以上のどの段階において採用してもよい。
【０１４４】
例示的な一実施例では、図２３に示す部品及び小組立品の製造２３０６における部品及び小組立品の作製や製造は、航空機２４００が図２３に示す使用２３１２の段階にある間に製造される部品及び小組立品と同様の方法で作製あるいは製造することができる。さらに別の実施例では、装置の実施形態、方法の実施形態、あるいは、その組み合わせの実施形態の１つ以上を、例えば、図２３に示す部品及び小組立品の製造２３０６、及び、システム統合２３０８の段階で用いることができる。装置の実施形態、方法の実施形態、あるいは、その組み合わせの実施形態の１つ以上を、図２３に示す、航空機２４００の使用２３１２において、整備及び保守２３１４において、あるいは、その両方において採用することができる。
【０１４５】
例示的な実施例による複合部材１０２は、航空機の製造及び使用方法２３００における１つ以上のどの段階において採用してもよい。例えば、図１の複合構造体１０６をはじめとする複合部材１０２は、部品及び小組立品の製造２３０６やシステム統合２３０８において作製することもできるし、また、整備及び保守２３１４において作製することもできる。複合構造体１０６をはじめとする複合部材１０２は、整備及び保守２３１４において、航空機２４００の改良、再構成、又は、改修を含む定期的な整備において使用することを目的として作製される場合もある。
【０１４６】
所定数の異なる実施形態を用いることで、例えば、航空機２４００の組み立てを大幅に迅速化したり、航空機２４００のコストを低減したり、あるいは、航空機２４００の組み立て速度の迅速化と、航空機２４００の低コスト化との両方を実現することができる。
【０１４７】
よって、例示的な実施形態によれば、皺などの望ましくない不具合の発生を抑制するように設計されたスプライスを有する複合構造体を作製するための方法、装置、及び、システムが提供される。例示的な一実施例における複合構造体の作製方法は、複合構造体の第１セクションを形成することを含み、この際に、第１セクションの第１端部にシェブロン形状に形成する。第１セクションを構成する第１複合レイヤは、第１端部に第１階段状パターンを有する。また、複合構造体の第２セクションを形成することを含み、この際に、第２セクションの第２端部を、シェブロン形状の相手側形状に形成する。第２セクションを構成する第２複合レイヤは、第２端部に第２階段状パターンを有する。第１端部及び第２端部は、複数の第１複合レイヤのうちのある第１複合レイヤが有する第１階段状パターンが、複数の第２複合レイヤのうちのある第２複合レイヤが有する第２階段状パターンと、スプライス位置において重なり合うように配置される。
【０１４８】
１つ以上の例示的な実施例において、複合構造体の作製に要する労力及び時間が低減される。例示的な実施例において、くさび形の段差パターンと、その相手側形状の段差パターンとを用いて２つのセクションを１つに継ぎ合わせることにより、複合構造体を複数の領域に分離して設計することが可能になる。
【０１４９】
例示的な実施例では、複合構造体の厚さが大きい場合、重なりと隙間の誤差を許容するべく、スプライスの全体長が、弧長の違いを伴う特異部に対して長くなる。図示の実施例の通り、シェブロン形状のスプライス継手を用いることにより、スプライス継手において領域における弧長の違いを緩和することができる。
【０１５０】
異なる例示的な実施形態について記載したが、これは、あくまでも、例示及び説明を目的としており、本開示を網羅するものでも、開示した特定の形態に限定するものでもない。異なる例示的な実施例において、動作や処理を実行する部材について記載した。例示的な実施形態における部材は、記載した動作や処理を実行するように構成されている。例えば、ある部材は、例示的な実施例においてその部材が実行するとして記載され動作又は処理を実行する機能を当該部材に提供するような構造物の構成、又は、設計を有する。
【０１５１】
本開示の装置及び方法は、以下の付記においても言及されている。なお、以下の付記は、請求の範囲と混同すべきものではない。
【０１５２】
Ａ１．複合構造体の階段状ラップスプライスを形成する方法であって、
第１セクションの各レイヤにシェブロン形状を形成して、前記第１セクションに形成された複数のシェブロン部位から成る第１階段状ラップパターンを前記第１セクションに構成し、
第２セクションの各レイヤに相手側形状を形成して、前記第２セクションに形成された複数の相手側部位から成る第２階段状ラップパターンを前記第２セクションに構成し、
前記シェブロン形状を有する各レイヤを、前記第２セクションにおける相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、階段状ラップスプライスを形成する、方法。
【０１５３】
Ａ２．前記複合構造体の前記階段状ラップスプライスに含まれる重なり及び隙間の位置は、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を低減させる、付記Ａ１に記載の方法。
【０１５４】
Ａ３．前記階段状ラップスプライスは、前記複合構造体における所定数の位置に配置され、前記所定数の位置は、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を低減するように選択される、付記Ａ１に記載の方法。
【０１５５】
Ａ４．エンドエフェクタシステムを用いて前記第１セクション及び前記第２セクションのうちの少なくとも１つの配向を操作して、前記シェブロン形状を有する各レイヤを前記第２セクションにおける相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、前記階段状ラップスプライスを形成する、付記Ａ１に記載の方法。
【０１５６】
Ａ５．前記複数のシェブロン部位、及び、前記複数の相手側部位は、前記複合構造体又は前記階段状ラップスプライスの少なくとも１つにおける亀裂の進展を抑制する、付記Ａ１に記載の方法。
【０１５７】
Ａ６．前記複合構造体に座屈を生じさせる圧縮応力を低減するように、前記複合構造体における前記階段状ラップスプライスを設けるスプライス位置を選択することをさらに含む、付記Ａ１に記載の方法。
【０１５８】
Ａ７．付記Ａ１に記載の方法によって組み立てられた航空機の部材。
【０１５９】
Ｂ１．複合構造体における亀裂の進展を抑制するための方法であって、
前記複合構造体において、前記複合構造体に作用する応力を低減するスプライス位置を特定し、
前記スプライス位置に階段状ラップスプライスを形成し、この際に、前記階段状ラップスプライスが第１セクションの各レイヤにシェブロン形状を有するとともに、前記第１セクションにおける複数のシェブロン部位から成る第１階段状ラップパターンが前記第１セクションに構成されるようにし、前記階段状ラップスプライスが第２セクションの各レイヤに相手側形状を有するとともに、前記第２セクションにおける複数の相手側部位からなる第２階段状ラップパターンが前記第２セクションに構成されるようにし、前記シェブロン形状を有する各レイヤを前記第２セクションにおける別のレイヤの相手側形状とそれぞれ重ね合わせて、前記階段状ラップスプライスを形成する、方法。
【０１６０】
Ｂ２．前記スプライス位置に前記階段状ラップスプライスを形成することにより、前記複合構造体における望ましくない皺の発生、又は、応力のうちの少なくとも１つを前記スプライス位置において低減させる、付記Ｂ１に記載の方法。
【０１６１】
Ｂ３．付記Ｂ１に記載の方法によって組み立てられた航空機の部材。
【０１６２】
Ｃ１．複合構造体の第１セクションが有する複数のシェブロン部位から成る第１階段状ラップパターンと、
前記複合構造体の第２セクションが有する複数のシェブロン部位から成る第２階段状ラップパターンと、を含み、前記第１階段状ラップパターンと前記第２階段状ラップパターンが互いに重なり合って、階段状ラップスプライスを構成する、
複合構造体。
【０１６３】
Ｃ２．前記階段状ラップスプライスは、前記複合構造体に作用する応力を低減する、付記Ｃ１に記載の複合構造体。
【０１６４】
Ｃ３．前記階段状ラップスプライスは、前記階段状ラップスプライス内と、前記階段状ラップスプライスの外部の位置と、の少なくとも１つにおいて、望ましくない皺の発生が低減されている、付記Ｃ１に記載の複合構造体。
【０１６５】
Ｃ４．前記複合構造体の前記階段状ラップスプライスには重なり及び隙間があり、これにより、前記複合構造体における望ましくない皺の発生が低減されている、付記Ｃ１に記載の複合構造体。
【０１６６】
Ｃ５．付記Ｃ１に記載の複合構造体を用いた航空機。
【０１６７】
Ｄ１．複合構造体を作製するための方法であって、
前記複合構造体の第１セクションを形成し、この際に、前記第１セクションの第１端部がシェブロン形状を有するとともに、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤが前記第１端部に第１階段状パターンを構成するようにし、
前記複合構造体の第２セクションを形成し、この際に、前記第２セクションの第２端部が、前記シェブロン形状の相手側形状を有するとともに、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤが前記第２端部に第２階段状パターンを構成するようにし、
前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤのうちの特定の第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤのうちの特定の第２複合レイヤとスプライス位置において重なり合うように、前記第１端部及び前記第２端部を配置する、方法。
【０１６８】
Ｄ２．前記スプライス位置及びその周辺で、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を低減させる、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１６９】
Ｄ３．前記複合構造体は、ストリンガであり、前記第１セクション及び前記第２セクションは、実質的に平面状であり、さらに、
前記第１セクション及び前記第２セクションを所望の断面形状に成形することを含む、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７０】
Ｄ４．前記所望の断面形状は、ハット型、Ｕ字型、及び、Ｃ字型である、
付記Ｄ３に記載の方法。
【０１７１】
Ｄ５．さらに、前記第１セクション及び前記第２セクションを、前記複合構造体用のツールに配置することと、
前記第１セクション及び前記第２セクションを硬化させて、前記複合構造体を形成することと、を含む、
付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７２】
Ｄ６．前記シェブロン形状は、一組のシェブロン部位から成る、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７３】
Ｄ７．前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、前記スプライス位置で重なり合うように前記第１端部及び前記第２端部を配置するに際し、
前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、前記スプライス位置において重なり合うように前記第１端部及び前記第２端部を配置し、この際に、前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間に、重なり又は隙間の少なくとも１つが形成されるようにし、これにより、前記スプライス位置で応力を低減させる、
付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７４】
Ｄ８．前記複合構造体は、ストリンガであり、さらに、
前記ストリンガを航空機の胴体部における複合材筒状セクションに取り付けることを含む、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７５】
Ｄ９．前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、前記スプライス位置において重なり合うように前記第１端部及び前記第２端部を配置するに際し
前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと重なり合って、前記スプライス位置でくさび型スプライスを形成するように、前記第１端部及び前記第２端部を配置する、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７６】
Ｄ１０．前記第１複合レイヤは、第１プリプレグであり、前記第２複合レイヤは、第２プリプレグである、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７７】
Ｄ１１．前記複合構造体は、スティフナ、ストリンガ、ロンジロン、及び、ビームから選択される１つである、付記Ｄ１に記載の方法。
【０１７８】
Ｄ１２．付記Ｄ１に記載の方法によって組み立てられた航空機の部材。
【０１７９】
Ｅ１．複合構造体であって、
前記複合構造体の第１セクションと、前記複合構造体の第２セクションと、を含み、
前記第１セクションはシェブロン形状の第１端部を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤは、前記第１端部に第１階段状パターンを有し、
前記第２セクションは、前記シェブロン形状の相手側形状の第２端部を有し、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤは、前記第２端部に第２階段状パターンを有し、前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合うように配置されている、複合構造体。
【０１８０】
Ｅ２．前記スプライス位置で、前記複合構造体における望ましくない皺の発生が低減されている、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８１】
Ｅ３．前記スプライス位置のスプライスと、前記スプライス位置以外の前記複合構造体における位置と、の少なくとも１つにおいて、望ましくない皺の発生が低減されている、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８２】
Ｅ４．前記複合構造体は、ストリンガであり、前記第１セクション及び前記第２セクションは、所望の断面形状を有する、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８３】
Ｅ５．前記所望の断面形状は、ハット型、Ｕ字型、及び、Ｃ字型を含む群から選択される、付記Ｅ４に記載の複合構造体。
【０１８４】
Ｅ６．前記第１セクション及び前記第２セクションは、ツール上で硬化されて前記複合構造体を形成する、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８５】
Ｅ７．前記シェブロン形状は、一組のシェブロン部位から成る、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８６】
Ｅ８．前記複合構造体は、航空機の胴体部における複合材筒状セクションに取り付けられるよう構成されたストリンガである、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８７】
Ｅ９．前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、前記スプライス位置において重なり合うように配置されており、前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間には、隙間又は重なりの少なくとも１つがあり、これにより、前記スプライス位置で応力が低減される、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８８】
Ｅ１０．前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと重なり合って、前記スプライス位置にラップスプライス継手を構成するように配置されている、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１８９】
Ｅ１１．前記第１複合レイヤは、第１プリプレグであり、前記第２複合レイヤは、第２プリプレグである、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１９０】
Ｅ１２．前記複合構造体は、スティフナ、ストリンガ、及び、ロンジロンから選択される１つである、付記Ｅ１に記載の複合構造体。
【０１９１】
Ｅ１３．付記Ｅ１に記載の複合構造体を用いて航空機の部材を作製するための方法。
【０１９２】
Ｆ１．複合構造体を作製するための方法であって、
前記複合構造体の第１セクションを形成し、この際に、前記第１セクションの第１端部がシェブロン形状を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤが、前記第１端部に第１階段状パターンを構成し、前記シェブロン形状は、一組のシェブロン部位から成るものとし、
前記複合構造体の第２セクションを形成し、この際に、前記第２セクションの第２端部が、前記シェブロン形状の相手側形状を有し、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤが、前記第２端部に第２階段状パターンを構成するようにし、前記第１セクション及び前記第２セクションは、実質的に平面状であるものとし、
前記第１セクション及び前記第２セクションを所望の断面形状に成形し、
前記第１端部及び前記第２端部をツールに配置し、この際に、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合ってラップスプライス継手を構成するようにし、前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間に隙間又は重なりの少なくとも１つが形成されるようにし、これにより、前記ラップスプライス継手で応力が低減されるとともに、前記複合構造体における望ましくない皺の発生を前記スプライス位置で低減させるようにし、
前記第１セクション及び前記第２セクションを硬化させて、前記複合構造体を形成する、方法。
【０１９３】
Ｆ２．付記Ｆ１に記載の方法によって組み立てられた航空機の部材。
【０１９４】
Ｇ１．複合構造体であって、
前記複合構造体の第１セクションと、前記複合構造体の第２セクションと、を含み、
前記第１セクションは、一組のシェブロン部位から成るシェブロン形状の第１端部を有し、前記第１セクションに含まれる第１複合レイヤは、前記第１端部に第１階段状パターンを有し、
前記第２セクションは、前記シェブロン形状の相手側形状の第２端部を有し、前記第１セクション及び前記第２セクションは、所望の断面形状を有し、前記第２セクションに含まれる第２複合レイヤは、前記第２端部に第２階段状パターンを有し、前記第１端部及び前記第２端部は、前記第１階段状パターンに含まれる前記第１複合レイヤが、前記第２階段状パターンに含まれる前記第２複合レイヤと、スプライス位置で重なり合うように配置されており、ラップスプライス継手を形成する前記第１複合レイヤと前記第２複合レイヤの間には、隙間又は重なりの少なくとも１つがあり、これにより、前記スプライス位置で応力が低減されているとともに、前記複合構造体における望ましくない皺の発生が前記スプライス位置で低減されている、複合構造体。
【０１９５】
Ｇ２．付記Ｇ１に記載の複合構造体を用いた航空機。
【０１９６】
Ｈ１．複合構造体にスプライスを配置するための方法であって、
前記複合構造体に設けるスプライス位置の数を選択し、
前記複合構造体を形成するためのセクションを階段状パターンに配置して、前記選択された数のスプライス位置に所定数のスプライスを形成し、これにより、前記選択された数のスプライス位置のうちの特定のスプライス位置と、前記スプライス位置以外の前記複合構造体における位置と、の少なくとも１つは、望ましくない皺の発生を低減させる、方法。
【０１９７】
Ｈ２．前記セクションのうち、第１スプライスに対応する第１セクションは、前記選択された数のスプライス位置のうちの特定のスプライス位置に、複数のシェブロン形状で構成される第１階段状パターンを有し、前記セクションのうち、前記第１スプライスに対応する第２セクションは、前記選択された数のスプライス位置における前記特定のスプライス位置に相手側形状で構成される第２階段状パターンを有する、付記Ｈ１に記載の方法。
【０１９８】
Ｈ３．前記複合構造体は、ストリンガであり、前記第１セクション及び前記第２セクションは、実質的に平面状であり、さらに、
前記第１セクション及び前記第２セクションを所望の断面形状に成形することを含む、付記Ｈ２に記載の方法。
【０１９９】
Ｈ４．前記所望の断面形状は、ハット型、Ｕ字型、及び、Ｃ字型を含む群から選択される、付記Ｈ３に記載の方法。
【０２００】
Ｈ５．さらに、前記選択された数のスプライスを形成するように配置された前記セクションを硬化させて、前記複合構造体を形成することを含む、付記Ｈ１に記載の方法。
【０２０１】
Ｈ６．前記複合構造体は、スティフナ、ストリンガ、及び、ロンジロンから選択される１つである、付記Ｈ１に記載の方法。
【０２０２】
多くの改変や変形が、当業者には明らかであろう。さらに、例示的な実施形態によっては、他の好適な実施形態とは異なる特徴をもたらす場合がある。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の改変を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019194002.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2019194002.tif 000019
【図１８】
2019194002.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【外国語明細書】
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