(57)【要約】      （修正有）【課題】複合材の構造的統合を決定するための装置および方法を提供する。【解決手段】航空機用複合材構造３０４の構造的統合の十分性を決定するため、複合材構造３０４の表面に液体小滴３００を適用し、表面と小滴３００の一部との間の３次元接触角３１４、を決定すること、３次元接触角３１４、を閾値角と比較すること、及び、この比較に基づいて、複合材構造３０４の構造的統合が十分であるかどうかを決定する。【選択図】図３Ａ
2015148603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機用の複合材構造（２０２、３０４）の構造的統合の十分性を決定する方法であって、
前記複合材構造（２０２、３０４）の表面に液体小滴（３００）を適用すること；
前記表面と前記小滴（３００）の一部との間の３次元接触角（３１４、３４２、３４４）を決定すること；
前記３次元接触角（３１４、３４２、３４４）を閾値角と比較すること；及び
前記複合材構造（２０２、３０４）の前記構造的統合が十分であるかどうかを、前記比較に基づいて決定すること
を含む、方法。
【請求項２】
前記構造的統合が十分である場合に、アセンブリへの統合のために前記複合材構造（２０２、３０４）を選択することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複合材構造（２０２、３０４）のアセンブリへの統合の後に前記構造的統合が十分である場合に、前記複合材構造（２０２、３０４）を承認することをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値角未満である前記３次元接触角（３１４、３４２、３４４）は、前記複合材構造（２０２、３０４）の十分な構造的統合を示す、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記閾値角を上回る前記３次元接触角（３１４、３４２、３４４）は、前記複合材構造（２０２、３０４）の不十分な構造的統合を示す、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記３次元接触角（３１４、３４２、３４４）を決定することは、前記小滴（３００）の直径（３４６）及び体積を測定することを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記小滴（３００）の部分は、前記小滴（３００）のヘッド（３０８）又はテール（３１２）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記複合材構造（２０２、３０４）は、ビスマレイミド、エポキシ、ポリアミド、又は熱可塑性物質を含み、前記複合材構造（２０２、３０４）の表面と、前記液体小滴（３００）のヘッド（３０８）もしくはテール（３１２）部分との間の、１０度の所定の閾値角未満の３次元接触角（３１４、３４２、３４４）は、前記複合材構造（２０２、３０４）が所定の耐荷重能力を提供するのに十分な構造的統合を有することを示す、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記閾値角の計算は、平衡状態にある前記小滴（３００）の蒸気相−気相に起因する前記表面の表面張力の成分を含む方程式を使用して計算される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
より少ない締結具を要求する改善された航空機コンポーネントであって、
航空機の外板表面（３０２）エリアを画定する接合された複合材構造を有する、外部外板（２０４）；
支持フレーム；及び
前記外部外板（２０４）を前記支持フレームに取り付けるために前記複合材構造（２０２、３０４）に適用される接着剤
を含み、
前記複合材構造（２０２、３０４）は、前記外部外板と前記支持フレームとを結合するため前記外板表面（３０２）エリアの１平方フィートあたり平均０．５０個未満の締結具を伴って前記外部外板（２０４）の前記支持フレームへの接着取付けができるよう、十分な構造的統合を有し、前記複合材構造（２０２、３０４）と前記複合材構造（２０２、３０４）の前記表面上に適用される液体小滴（３００）の一部との間の３次元接触角（３１４、３４２、３４４）が、１０度の所定の角度未満である、航空機コンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、概して複合材に関し、より詳細には、複合材構造の統合性を決定するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビークル（例えば、航空機、自動車、宇宙船、ミサイルなど）に使用される複合材構造は、外板層及び支持層（例えば、航空機におけるストリンガー層）で構成され得る。耐荷重用途において、接着層間の構造的統合は十分性が不確実であるので、接着剤の代わりに又は接着剤に加えて、外板層及び支持層は、締結具を介して共連結される。ビークルにおいて複合材構造の層を連結するために締結具を使用することは、大幅に重量を付加し及び／又は空力特性に否定的な影響（例えば、抗力の増大）を与え得る。さらに、複合材構造における締結具の使用は、かなりの製造コスト（すなわち、時間、部品、及び労力）を要求し得る。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の開示は、航空機用複合材構造の構造的統合の十分性を決定するための例示的な方法を提供し、この方法は、複合材構造の表面上に液体小滴を適用すること、表面と液体小滴の一部との間の３次元接触角を決定すること、３次元接触角を閾値角と比較すること、及び、複合材構造の構造的統合が十分であるかどうかを、この比較に基づいて決定することを含む。好ましくは、閾値角は、所定の耐荷重能力に基づいて計算され、液体小滴を適用することは、ピペット又は弾道的な堆積（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を使用することを含む。
【０００４】
本開示の別の態様によれば、より少ない締結具を要求する改善された航空機コンポーネントが提供される。この航空機コンポーネントは、航空機の外板表面エリアを画定する接合された複合材構造を有する外部外板、支持フレーム、及び、外部外板を支持フレームに取り付けるために複合材構造に塗布された接着剤を含む。この複合材構造は、外部外板とフレームとの結合のための締結具を外板表面の１平方フィートあたり平均０．５０個未満とし、外部外板の支持フレームへの接着取り付けを可能にするための、十分な構造的統合を有し、当該複合材構造と当該複合材構造の表面上に適用される液体小滴の一部との間の３次元接触角は、約１０度の所定の閾値角を下回る。
【０００５】
本開示のさらなる態様によれば、記憶された指令を有する例示的な有形機械可読媒体が記載され、この媒体は、実行時、複合材構造の表面上に配置された小滴の３次元接触角を、小滴の測定される直径及び体積に基づいて、機械に計算させ、且つこの３次元接触角を閾値角と比較させる。閾値角未満の３次元接触角は、複合材構造の十分な構造的統合を示す。閾値角を上回る３次元接触角は、複合材構造の不十分な構造的統合を示す。実行時、指令は、機械に、複合材構造が十分な構造的統合を有するかどうかを出力させる。好ましくは、機械可読媒体は、実行時、機械に、小滴の体積及び直径を測定させ、さらに、機械に複合材構造の分子間表面張力を計算させる。計算された分子間表面張力は、表面の、平衡状態にある小滴の蒸気相−気相に起因する表面張力の成分を含む方程式を使用して決定される。より好ましくは、機械可読媒体は、実行時、さらに、機械に、一又は複数の分子間表面張力、及び、分子間表面張力に基づく安全因子を出力させ、さらに、機械に、３次元接触角が十分な構造的統合を示す場合に、承認のための構造的仕様を生成させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本明細書に記載の実施例が実装され得る例示的な航空機を示す。
【図２】本明細書に記載の実施例が実装され得る、複合材構造を有する例示的な航空機翼の破断図である。
【図３Ａ】本開示の教示による、複合材表面上の動的な小滴の全体的なロフト（ｌｏｆｔ）である。
【図３Ｂ】図３Ａの小滴の断面図である。
【図４】典型的な複合外板の例示的な分子構造を示す。
【図５】ビスマレイミド複合材構造内のフッ素汚染を、複合材構造の表面上に堆積した小滴の接触角度に関連付けるグラフである。
【図６】エポキシ複合材構造内のフッ素汚染を、複合材構造の表面上に堆積した小滴の接触角度に関連付ける別のグラフである。
【図７】複合材構造の表面処理後の、分子構成を結合エネルギーに関連付けるグラフである。
【図８】本明細書に記載の実施例が実装され得る、例示的な複合材分析装置である。
【図９】図８の複合材分析装置を実装するために使用され得る例示的な方法を表すフロー図である。
【図１０】図９の方法を実装するための機械可読指令を実行することのできる、例示的なプロセッサプラットフォームのブロック図である。
【０００７】
図面及び添付の記載の全体を通して、可能な箇所にはすべて、同じ部分又は類似の部分を指すために同じ参照番号が使用される。本開示において使用される、任意の部分（例えば、層、フィルム、エリア、又はプレート）が、任意の方式で、別の部分の（例えば、上に配置される、上に位置される、上に設置される、上に形成される、など）の表現は、言及される部分がもう一方の部分と接触している、又は、言及される部分が、もう一方との間に一又は複数の中間部分を伴ってもう一方の部分の上部にある、のいずれをも意味する。任意の部分が別の部分と接触しているとの表現は、当該２つの部分の間に中間部分がないことを意味する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書では、耐荷重複合材構造の接着層を連結する締結具を排除する又はその数を大幅に減らすための、装置および方法が開示される。複合材構造の層を共に保持するために主に締結具に依存する複合材構造と比較して、本明細書に記載の実施例により、重量、複雑性、コスト、製造時間、及び付随する修理／保証コストの低減が可能となる。複合材構造は、締結具及び／又は接着剤を介して共結合される、２つ又はそれ以上の材料（例えば層など）から構成されることが一般的である。層の結合に接着剤のみを使用することは、結果として、層が十分な構造的統合を有するかどうかという点で不確実となる。例えば、複合材構造を耐荷重用途で使用するには、層が互いに対して十分に接合されていないかもしれない。例えばフッ素などの汚染物質が、層の構造的統合を低減させるかもしれない。耐荷重用途（例えば、航空機又は他のビークル）では、構造的統合が不確実であることによって、複合材構造層の十分な全体的強度及び／又は結合を確実にするために、追加の又は多種の機械的締結具（例えば、ねじ、リベットなど）の使用を余儀なくさせられるかもしれない。締結具の使用は、特に、複合材構造の十分な強度を確保するために締結具が短い間隔で離間される用途において、複合材構造の重量を大幅に増加させる。さらに、締結具の使用は、製造中にかなりのアセンブリ時間、部品コスト、及び／又は労力を要求することがしばしばでる。
【０００９】
各複合材構造の構造的統合の十分性をアセンブル前に決定することにより、これらの複合材構造が比較的少ない締結具を有する又は締結具を有さないことが可能となり、且つ、例えば航空機又は他のビークルなどの耐荷重用途で使用可能となる。例えば航空機において、複合材構造層の構造的統合の十分性を、それらが航空機へとアセンブルされる前に決定することによって、複合材構造の層を共に保持している締結具が少ない又は締結具を有さない、接合された（例えば接着された）機外複合材構造（例えば、翼、フィン、支柱など）の使用が可能となる。例えば翼構造は、少ない締結具で又は締結具なしで外部外板を支持構造（例えばストリンガー）に連結する又は取り付ける、接着剤を有し得る。例えば、各翼構造における接着層の構造的統合をテストすることを利用して、各翼構造又は任意の他の適切な構造的複合材を、その十分な強度、またすなわち最終的なアセンブル統合を認可するために、承認することができる。
【００１０】
本発明の教示によれば、例示的な方法は、複合材構造の接着される又は接合される層の構造的統合の十分性を、これら複合材構造の使用及び／又は最終的なアセンブリへのアセンブル前に、決定するために使用され得る。この決定によって、耐荷重用途における使用において少ない締結具を有する又はまったく有さない、接合される個々の複合材構造の使用及び／又は承認が可能となる。このような決定を行うために、評価対象である複合材構造の表面上に弾道的に（ｂａｌｌｉｓｔｉｃａｌｌｙ）堆積される動的な小滴が、例えばピペットによって滴下される。動的な液体小滴の表面ロフトの３次元ベクトルと複合材構造表面との間の角度である、小滴の３次元接触角が、複合材構造の表面張力を示す。換言すれば、このベクトルは、複合材構造の表面に対して３つの次元における成分を有する。代替的に、接触角は、小滴の２次元断面測定によって画定されてもよい。３次元接触角は決定され、例えば対応する強度要件に基づく閾値角と比較され得る。複合材構造の構造的統合の十分性は、この比較によって示され得る。例えば、３次元接触角が閾値角未満である場合、複合材構造の十分な構造的統合が存在する。小滴の３次元接触角は、例えば、複合材構造の表面上に堆積された小滴の体積及び／又は直径を測定することによって、測定され得る及び／又は計算され得る。
【００１１】
後述でより詳細に述べるように、複合材構造上の３次元の小滴の接触角を決定することによって、各複合材構造の構造的統合の十分性の評価が、最終アセンブル前に可能となる。航空機の実施例では、接合される複合材構造を有する外部外板が支持フレームに接着されて耐荷重複合材構造を画定し得、この外部外板の複合材構造は、小滴を介して構造的に検証され得る。この検証によって、複合材層を共結合する締結具が少ない又はそれらを有さない複合材構造が可能となる。幾つかの実施例で、複合材構造は、最終的なアセンブリ統合の前にテストされる。したがって、不十分な構造的統合を有すると決定された複合材構造は、最終アセンブル前に、再加工される及び／又は拒絶されることができ、これにより、不十分な構造的統合を備える複合材構造がアセンブルされることを防止することができる。結果として、不十分な構造的統合を備える複合材構造のアセンブル後の、潜在的な修理及び／又は再加工を省くことが実現される。付加的に又は代替的に、テスト用小滴は、複合材構造の強度を定量的に決定するために使用され得る（例えば、測定された又は計算された３次元の小滴接触角に基づく数値）。
【００１２】
本明細書に記載の実施例を使用して、フレームに接合される外部外板の耐荷重複合材構造が、複合材層を結合するために、外板表面エリアの１平方フィートあたり平均０．５０個未満の締結具を有するようにすることができる。幾つかの実施例で、複合材構造は、複合材構造を支持フレームに接着接合するのみで、最終アセンブリへと統合され得る。接合される翼複合材構造の例では、複合材構造を支持フレームと共結合させるために使用される締結具の数を減少させることが、結果として、既知の翼アセンブリと比較して、６０〜７０％相当の重量削減となり得る。さらに、使用される締結具の数が減少すると、外板表面の平滑性（例えば表面の平坦性）が大幅に増大することによって、空力的用途（例えば翼など）における複合材構造に関する抗力係数などの空力因子が改善し得る。
【００１３】
図１は、本明細書に記載の実施例を実装可能な、胴体１０６に取り付けられた安定板１０２及び翼１０４を有する例示的な航空機１００を示す。本明細書に記載の実施例は、安定板１０２、翼１０４、及び／又は胴体１０６の任意の他の外装構造もしくは機外構造（例えば、水平安定板、翼支柱、エンジン支柱、先尾安定板など）のいずれにも、応用することができる。例えば、翼１０４及び／又は安定板１０２は、複合材構造で作製された外部外板を有し得、ここで接合面が内部支持フレームに接着され得る。上述のように、接着された複合材構造は、構造的統合において主に締結具に依存する複合材構造と比較して、大幅に重量を削減し得る。航空機が図示されているが、本明細書に記載の実施例は、耐荷重複合材構造が使用される任意のビークル又は任意の他のシナリオに応用できる。
【００１４】
図２は、本明細書に記載の実施例が実装され得る、複合材構造２０２を備える例示的な航空機翼２００の破断図である。外部外板２０４は、一定のパターンで配置されて複合材構造２０２を支持するストリンガー２０６（例えば、支持フレーム）に結合され且つこれを取り囲む、接合された複合材構造２０２を含む。ストリンガー２０６が対応する横桁を備える規則的なパターンで示されているが、不規則に間隔をあけたパターン、又は角度付けされたパターンなどで配置されてもよい。典型的には、翼２００が遭遇する動作上の負荷に耐える十分な構造上の剛性をもたらすために、ストリンガー２０６は、複数の締結具を介して外部外板２０４に結合される。これらの締結具は、通常、外部外板２０４とストリンガー２０６との間で十分な結合を確保するために、比較的近い間隔で離間され、これにより複合材構造２０２は、全体的な機械的強度を十分に有することができる。しかしながら、図２の例では、外部外板２０４を形成する複合材構造２０２は、締結具ではなく主に接着剤によって外部外板２０４をストリンガー２０６に結合させる、十分な構造的統合（又は分子間の動的な力）を有し、したがって、重量を大幅に削減すること（例えば、構造において６０〜７０％の重量減）となる。好ましくは、複合材構造の表面と複合材構造の表面上に適用された液体小滴の一部との間の３次元接触角が、所定の閾値未満である場合に、複合材構造２０２は、外部外板の支持フレームへの接着取り付けを外板表面エリアの１平方フィートあたり０．５０個未満の締結具で可能にするための、十分な構造的完全性を有する。さらに、締結具の数を減少させ、締結具により発生する空力的な外板摩擦を低減させることによって、空力的パフォーマンスの向上も可能となる。締結具の数を減少させること又は締結具を排除することによって、部品コスト、製造時間、労力などを省くことも可能となる。
【００１５】
いくつかの場合では、複合材構造の形成により、結果として、複合材構造の構造的統合が部分的又は不十分なものとなり得るが、これは複合材構造の接合面の汚染に起因するものであり得る。最終アセンブル（例えば統合）前に複合材構造を検証することによって、不十分な構造的統合及び不十分な耐荷重強度を備えた複合材構造がアセンブルされることを防止することができ、これにより、再加工又は修理の労力を低減する及び／又は不要とすることができる。例えば、検証は、締結具の使用により、接合により、又は他の適切な取付け方法により、翼２００の取り付け部分２０８が航空機２０１の胴体に統合される前に、なされ得る。複合材構造がビークル（例えば、航空機、自動車など）の最終アセンブリへと統合される前に検証することによって、当該ビークルの耐荷重複合材構造が、外板とフレームとを結合するために、外板によって画定される表面エリアの１平方フィートあたり平均して０．５０個未満の締結具を有することが可能となる。
【００１６】
図３Ａは、本開示の教示による、複合材構造３０４の複合材表面３０２上の動的な小滴３００の全体的なロフト（すなわち、形状）である。座標軸３０６は、３次元座標軸を示す。小滴３００は、複合材構造３０４が、複合材層の十分な構造的統合を有するかどうかを決定するために使用される。小滴３００は、複合材外板表面３０２上に適用される（例えば、堆積される）が、これは、ピペット又は任意の他の適切な堆積手段で行われ得る。小滴３００の体積は、小滴３００が堆積されているときに、又は適用される液体の既知の量に基づいて、測定され得る。
【００１７】
小滴３００の形状は、複合材構造３０４の構造的統合の度合いを示す。小滴３００は、ヘッド（ｈｅａｄ）３０８、センター（ｃｅｎｔｅｒ）３１０、及びテール（ｔａｉｌ）３１２を有する。テール３１２は、テール３０２の３次元ロフトのベクトルと表面３０２との間の、記号θで表される３次元接触角３１４を画定する。３次元接触角３１４は、複合材構造３０４における及び／又は複合材構造３０４の安全マージン（例えば、安全因子）における、分子間力を決定するために使用され得る、動的な角度である。代替的に、３次元接触角３１４は、小滴３００の２次元断面測定によって画定されてもよい。小滴３００は、小滴３００に作用する様々な力に対応する、表面張力ベクトルを有する。記号γＳＬで表される固相−液相張力ベクトル３１６は、表面３０２と小滴３００との間の張力を示す。γＳＬは、外板３０２上の小滴３００の界面張力である。記号γＳＶで表される固相−蒸気相張力ベクトル３１８は、表面３０２と小滴３００の蒸気成分との間の張力を示す。γＬＶで表される張力ベクトル３２０、及びγＬＧで表される張力ベクトル３２１は、液相−蒸気相力、及び液相−気相力をそれぞれ示す。γＬＧは、小滴３００が液体小滴３００の気相と平衡にあることに起因する表面３０２の表面張力を示す。Ｔｈｅ  Ｂｏｅｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ社により開発された、ヤングの式を修正したものである下記の方程式１は、複合材構造と小滴との間の表面張力を計算するために親水部分を考慮するように、気相γＬＧを含む。
2015148603.tif 000003
【００１８】
πＳは、複合材表面３０２上に堆積した小滴３００の平衡拡張圧（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を表す項である。方程式１は、上述の張力の特定の例示的な関係を示すが、表面張力及び／又は３次元接触角を関連付けるために、他の方程式が使用されてもよい。
【００１９】
図３Ｂは、図３Ａの小滴の断面図である。この図は、液体小滴３００の９つの自由度を示す。γＳＬで表される固相−液相張力ベクトル３１６の方向ベクトル成分３２４、３２６、３２８は、座標軸３０６で示される方向ｘ、ｙ、及びｚにそれぞれ対応する。記号γＬＧで表される液相−気相張力ベクトル３１６の方向ベクトル成分３３０、３３２、３３４は、座標軸３０６で示される方向ｘ、ｙ、及びｚにそれぞれ対応する。記号γＳＧで表される固相−気相張力ベクトル３１６の方向ベクトル成分３３６、３３８、３４０もまた、方向ｘ、ｙ、及びｚにそれぞれ対応する。記号θｃで表される３次元接触角３４２は、小滴３００のテール３１２における３次元角であり、複合材構造３０４における機械的統合の十分性を決定するために、閾値角と比較され得る。幾つかの実施例では、約１０度未満の閾値角が、十分な機械的統合を示し得る。３次元接触角３４２は、小滴３００のヘッド３０８における３次元接触角３４４よりも大きい。３次元接触角３４２、３４４の差は、表面３０２上の小滴３００の、形状的及び／又は回転的摂動に起因する。方程式２（すなわち、Ｂｉｋｅｒｍａｎの式）は、ｄで表される直径３４６、Ｖで表される上述の小滴３００の体積、及び、θｃで表される３次元接触角３４４を、相関させることができる。
2015148603.tif 000004
【００２０】
方程式２は、例えば、小滴３００の直径３４６及び既知の体積に基づいて３次元接触角３４４を計算するために使用され得る。反対に、３次元接触角３４４が直径又は小滴の体積を計算するために使用されてもよい。方程式１及び２は、３次元接触角、閾値角、液体小滴直径、液体小滴体積及び／又は応力基準などを含むがこれらに限定されない変数の、任意の組み合わせを関連付けるために使用され得る、例示的な計算に過ぎない。複合材構造の構造的統合に対する上述の変数を関連付けるために、他の方程式及び／又は関係式が利用され得る。
【００２１】
幾つかの実施例では、閾値角は、接着された複合材構造の接合面上へのシミュレートされた液体小滴の堆積をモデル化することによって決定され得る。シミュレートされた小滴のヘッド及びテールにおける力成分及び／又は複合材構造とシミュレートされた小滴との間の表面張力は、例えば、複合材構造の動作上の力の要件に対応する必須接合強度を使用して、解明され得る。この決定は、例えば、方程式１のようなヤングの式を修正したものを利用してなされ得る。閾値角は、限定するものではないが、複合材構造の応力基準、動作上の負荷、小滴のタイプ、小滴のテスト条件、方程式１のような修正されたヤング式、Ｂｉｋｅｒｍａｎ式（すなわち方程式２）などの、任意の組み合わせを使用して、計算され得る。付加的に又は代替的に、閾値角の決定に経験的方法が使用されてもよい。例えば、閾値小滴接触角は、既知の（例えば、要求される強度基準を満たすよう既に決定された）複合材構造上に堆積された小滴の３次元接触角に基づいて、方程式２と併用して測定され得る及び／又は計算され得る。
【００２２】
図４は、典型的な複合外板の例示的な分子構造を示す。ビスマレイミド構造が示されているが、エポキシ、ポリアミド、熱可塑生物質などの任意の適切な分子構造が使用され得る。この機械的構造は、複合材構造材料に見られる典型的なＣ−Ｃ（炭素−炭素）二重結合を提示する。
【００２３】
図５は、ビスマレイミド複合材構造内のフッ素汚染を、当該複合材構造の表面上に堆積された小滴の接触角に関連付ける、グラフ５００を示す。垂直軸５０２は、複合材接合面内に存在するフッ素原子の量を表す。水平軸５０４は、水滴の対応する測定された接触角を表す。汚染物質として作用するフッ素は、複合材層の構造的統合に影響を与え得る。グラフ５００に示すように、複合材構造内のフッ素原子汚染物質の割合が約０〜３％を超えて増大すると、ポイント５０６のグループ化から見て取れるように、水の接触角は急激に増大する。データポイント５０８は、比較的低いフッ素汚染物質量では、水の接触角の領域５１０がかなり低下することを示す。
【００２４】
図６は、エポキシ複合材構造内のフッ素汚染を、当該複合材構造の表面上に堆積された小滴の接触角に関連付ける、別のグラフ６００を示す。垂直軸６０２は、複合材接合面内に存在するフッ素原子の量を表す。水平軸６０４は、複合材表面上の対応する水滴の測定された接触角を表す。図５のグラフ５００と同様、比較的高い水滴接触角のグループ化６０６は、より高いフッ素含有を有する複合材接合面に対応することが見て取れる。グラフ５００及び６００のグループ化５０６、６０６の類似性は、本明細書に記載の実施例が様々な異なる複合材に応用できるということ、及び、存在する汚染物質の量が複合材接合面の構造的統合に影響を与え得るということを示す。
【００２５】
図７は、複合材接合面を処理した後（例えば、接合面上の３０分の時間積分後）の、分子構成を結合エネルギーと関連付けるグラフ（例えば、Ｘ線光電子分光すなわち「ＸＰＳ」グラフ）７００である。垂直軸７０２は、複合材接合面上に存在する分子構造の電子雲カウントに基づくカウントを表す。水平軸７０４は、複合材表面上の結合エネルギー（すなわち、分子間力）を表す。ピーク７０６、７０８、７１０、７１２は、複合材接合面間（例えば、接合層間）に存在し得る特徴的な分子間汚染物質を示す。ピーク７０６は、特に、複合材層の統合中に存在する、よくある汚染物質であるフッ素に対応する。ピーク７０６は、対応する約７００電子ボルト（ＥＶ）の結合エネルギーを有する。ピーク７０８は酸素に対応し、対応する約５４０ＥＶの結合エネルギーを有する。ピーク７１０は、存在し得る別の汚染物質である窒素に対応し、約４００ＥＶの結合エネルギーを有する。より高い汚染物質結合エネルギーは、複合材構造の分子間結合力に対しより大きな悪影響を有する汚染物質に対応する。したがって、フッ素は、例えば窒素と比較して、より大きな悪影響を分子間結合力に対して有し得る。本質的に、複合材の接合構造強度に対して、異なる汚染物質は異なる影響度を有し得る。下落点７１４は、炭素を表すピーク７１２の近傍にあり、複合材構造の部分である炭素に対応する。
【００２６】
図８は、本明細書に記載の実施例が実装され得る、例示的な複合材構造分析装置８００である。分析器８０２は、計算器８０４及び比較器８０８を含む。計算器８０４は、入力デバイス８０７（例えば、キーボード、マウス、ターミナル、モバイルデバイスなど）に通信可能に連結される。比較器８０８は、例えば、センサ８１０に通信可能に連結され、センサ８１０は、小滴直径センサ８１２、小滴３次元接触角センサ８１３、及び／又は小滴体積センサ８１４を含み得る。代替的に、小滴直径及び／又は小滴体積などの情報は、入力デバイス８０７を経由して手動で入力されてもよい。比較器８０８は、例えば、小滴の３次元接触角測定値、小滴の直径測定値、及び／又は小滴の体積測定値をセンサ８１０から受信し、測定された３次元接触角を、計算器８０４により計算され得る所定の閾値角と比較する。所定の閾値角は、入力デバイス８０７に供給される入力に基づくことができる。付加的に又は代替的に、小滴３次元接触角測定値、小滴直径測定値、及び／又は小滴体積測定値は、入力デバイス８０７から受信され（例えば、ユーザから提供され）てもよい。例えば、測定された小滴直径及び／又は小滴体積に基づく３次元接触角の計算結果が比較器８０８に供給されることを可能にするために、センサ８１０は、計算器８０４に通信可能に連結される。比較器８０８はまた、閾値角と測定された３次元接触角との間の比較結果及び／又は小滴の３次元接触角に基づいて計算された応力を、出力デバイス８１６に供給する。出力デバイス８１６は、比較結果及び／又は、計算器８０４における計算に基づいた複合材構造の実際の計算された応力を、出力又は表示し得る。付加的に又は代替的に、出力デバイス８１６は、計算された安全因子を出力し得る。出力デバイス８１６はまた、出力デバイス８１６及び／又は比較器８０８からの結果に基づいて承認仕様を生成するための仕様生成器８１８をトリガし得る。幾つかの実施例では、仕様生成器８１８は、個々の複合材構造の各々に関して承認仕様を生成し得る。
【００２７】
図８では、本明細書に記載の実施例の例示的な実装方式が示されているが、図８における一又は複数の要素、プロセス、及び／又はデバイスは、組み合わされ、分割され、再配置され、省略され、及び／又は別の方式で実装されてもよい。さらに、図８の例示的な分析器８０２、例示的な入力デバイス８０７、例示的なセンサ８１０、例示的な出力デバイス８１６、例示的な仕様生成器８１８、及び／又は、より全体的に、例示的な複合材構造分析装置８００は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又はハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアの任意の組み合わせによって実装され得る。したがって、例えば、例示的な分析器８０２、例示的な入力デバイス８０７、例示的なセンサ８１０、例示的な出力デバイス８１６、例示的な仕様生成器８１８、及び／又は、より全体的には、例示的な複合材構造分析装置８００のうちのいずれもは、一又は複数のアナログもしくはデジタル回路、ロジック回路、プログラマブルプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）及び／又はフィールドプログラマブルロジックデバイス（ＦＰＬＤ）によって実装されることができる。本特許文献の装置もしくはシステムクレームを、純粋にソフトウェア及び／又はファームウェア実装を包含するものとして読む場合、例示的な分析器８０２、例示的な入力デバイス８０７、例示的なセンサ８１０、例示的な出力デバイス８１６、及び／又は例示的な仕様生成器８１８のうちの少なくとも１つは、本明細書において、当該ソフトウェア及び／又はファームウェアをストアするための、メモリ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、ブルーレイディスクなどの、有形のコンピュータ可読ストレージデバイスもしくはストレージディスクを含むよう明確に定義される。さらに、例示的な複合材構造分析装置８００は、図８に示されるものの代わりに又はこれらに加えて、一又は複数の要素、プロセス、及び／もしくはデバイスを含み得る、及び／又は、図示される要素、プロセス、及びデバイスのいずれかもしくはすべてのものを１つより多く含み得る。
【００２８】
複合材分析装置８００を実装するために使用され得る例示的な方法を表すフロー図が、図９に示される。この実施例で、方法は、図１０との関連で説明される例示的なプロセッサプラットフォーム１０００に示すプロセッサ１０１２などの、プロセッサによる実行のためのプログラムを備える、機械可読指令を使用して実装され得る。プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、ハードドライブ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディスク、又はプロセッサ１０１２に関連付けられるメモリなどの有形のコンピュータ可読ストレージ上に記憶されたソフトウェア内に埋め込まれてもよいが、代替的に、プログラム全体が及び／又はプログラムの部分がプロセッサ１０１２以外のデバイスによって実行されてもよく、及び／又は、ファームウェアもしくは専用のハードウェアに埋め込まれてもよい。さらに、例示的なプログラムは図９に示すフロー図に関連して記載されているが、例示的な複合材構造分析装置８００を実装する他の多くの方法が代替として使用され得る。例えば、ブロックの実行順は変更されてもよく、及び／又は記載されているブロックの幾つかは変更され、排除され、又は組み合わせてもよい。
【００２９】
図９の例示的な方法が、図８の複合材構造分析装置８００との関連で説明される。図９の例示的な方法は、例えば接着剤を使用して複合材層を接合することによって複合材層が集められ処理される（例えば、形成される）ブロック９００（ブロック９００）から開始される。複合材構造の表面上に堆積された小滴の直径及び／又は体積が測定される（ブロック９０２）。次いで、例えば、小滴の測定された直径及び／又は測定された体積を併用し、方程式２を使用して、小滴の３次元接触角が計算される（ブロック９０４）。３次元接触角が、例えばＢｉｋｅｒｍａｎ方程式（すなわち方程式２）を使用して、計算され得る。測定された直径及び測定された体積が記載されているが、任意の他の適切な変数が、３次元接触角を決定するために使用され得る。代替的に、３次元接触角は測定されてもよい。小滴の３次元接触角は、例えば、方程式１のような修正されたヤングの式によって、分子間表面張力値が計算されることを可能にする（ブロック９０６）。次いで、３次元接触角は閾値角と比較される（ブロック９０８）。閾値角未満である３次元接触角は、複合材構造の十分な構造的統合を示し、この複合材構造が統合において承認可能であることを示し（ブロック９１０）、承認のために作成される構造的仕様が生成され得る（ブロック９１２）。このようにして、十分な構造的統合を示す出力メッセージ及び／又は分子間表面張力値の表示が、生成され得る及び／又は表示され（ブロック９１４）、プロセスは終了し得る（ブロック９１６）。出力メッセージは、複合材構造の分子間表面張力に基づく安全因子も含み得る。代替的に、小滴の３次元接触角が閾値角を上回る（ブロック９０８）ことが、複合材構造が十分な構造的統合を有さないことを示し、製品統合には承認不可であるとされてもよい（ブロック９１８）。このようにして、不十分な構造的統合を示す出力メッセージ及び／又は分子間表面張力値の表示（ブロック９２０）が生成され、プロセスは終了し得る（ブロック９１６）。
【００３０】
上述のように、図９の例示的なプロセスは、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び／又は、任意の期間（例えば、長期間、永続的に、短期間、一時的な緩衝用に、及び／又は情報のキャッシング用に）情報が記憶される、任意の他のストレージデバイスもしくはストレージディスクなどの、有形のコンピュータ可読ストレージ媒体に記憶される符号化された指令（例えば、コンピュータ可読指令及び／又は機械可読指令）を使用して、実装されることができる。本明細書で使用する、有形のコンピュータ可読ストレージ媒体という語は、任意のタイプのコンピュータ可読ストレージデバイス及び／又はストレージディスクを含む、伝播信号を除外し、伝送媒体を除外するように明確に定義される。本明細書で使用する「有形のコンピュータ可読ストレージ媒体」の語及び「有形の機械可読ストレージ媒体」の語は、交換可能に使用される。付加的に又は代替的に、図９の例示的なプロセスは、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ、コンパクトディスク、デジタル多用途ディスク、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ及び／又は、任意の期間（例えば、長期間、永続的に、短期間、一時的な緩衝用に、及び／又は情報のキャッシング用に）情報が記憶される、任意の他のストレージデバイスもしくはストレージディスクなどの、非一時的なコンピュータ可読媒体及び／又は機械可読媒体に記憶される符号化された指令（例えば、コンピュータ可読指令及び／又は機械可読指令）を使用して、実装されることができる。本明細書で使用する、非一時的コンピュータ可読媒体という語は、任意のタイプのコンピュータ可読ストレージデバイス及び／又はストレージディスクを含む、伝播信号を除外し、伝送媒体を除外するように明確に定義される。本明細書で使用するフレーズ「少なくとも」は、特許請求項のプリアンブルにおける移行項として使用され、用語「備える」「含む」がオープンエンドであるのと同じ方式でオープンエンドである。
【００３１】
図１０は、図８の複合材構造分析装置８００を実装するために図９の指令を実行することのできる、例示的なプロセッサプラットフォームのブロック図である。プロセッサプラットフォーム１０００は、例えば、サーバー、パーソナルコンピュータ、モバイル機器（例えば、セルラフォン、スマートフォン、ｉＰａｄ（登録商標）などのタブレット）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、インターネット家電、ＤＶＤプレーヤー、ＣＤプレーヤー、デジタルビデオレコーダー、ブルーレイプレーヤー、ゲームコンソール、パーソナルビデオレコーダー、セットトップボックス、又は他のタイプのコンピューティングデバイスであり得る。
【００３２】
図示される実施例のプロセッサプラットフォーム１０００は、プロセッサ１０１２を含む。図示される実施例のプロセッサ１０１２は、ハードウェアである。例えば、プロセッサ１０１２は、任意の望ましいファミリーもしくは製造者からの一又は複数の集積回路、論理回路、マイクロプロセッサ、又はコントローラによって実装されることができる。
【００３３】
図示される実施例のプロセッサ１０１２は、ローカルメモリ１０１３（例えば、キャッシュ）を含む。図示される実施例のプロセッサ１０１２は、揮発性メモリ１０１４及び不揮発性メモリ１０１６を含むメインメモリと、バス１０１８を介して通信可能である。揮発性メモリ１０１４は、同期型ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、ＲＡＭＢＵＳダイナミックランダムアクセスメモリ（ＲＤＲＡＭ）、及び／又は任意の他のタイプのランダムアクセスメモリデバイスによって実装され得る。不揮発性メモリ１０１６は、フラッシュメモリ及び／又は任意の望ましいタイプのメモリデバイスによって実装され得る。メインメモリ１０１４、１０１６へのアクセスは、メモリコントローラによって制御される。
【００３４】
図示される実施例のプロセッサプラットフォーム１０００は、インターフェース回路１０２０も含む。インターフェース回路１０２０は、イーサネットインターフェース、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、及び／又はＰＣＩエクスプレスインターフェースなどの任意のタイプのインターフェース規格で実装され得る。
【００３５】
図示される実施例では、一又は複数の入力デバイス１０２２がインターフェース回路１０２０に接続される。入力デバイス１０２２は、ユーザがデータ及び命令をプロセッサ１０１２に入力することを可能にする。入力デバイスは、例えば、音声センサ、マイクロフォン、カメラ（静止又はビデオ）、キーボード、ボタン、マウス、タッチスクリーン、トラックパッド、トラックボール、アイソポイント（ｉｓｏｐｏｉｎｔ）、及び／又は音声認識システムによって実装されることができる。
【００３６】
一又は複数の出力デバイス１０２４も、図示される実施例のインターフェース回路１０２０に接続される。出力デバイス１０２４は、例えば、ディスプレイデバイス（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、液晶ディスプレイ、カソードレイチューブディスプレイ（ＣＲＴ）、タッチスクリーン、触覚出力デバイス、プリンタ及び／又はスピーカ）によって、実装されることができる。したがって、図示の実施例のインターフェース回路１０２０は、典型的にはグラフィックドライバカードを含む。
【００３７】
例示の実施例のインターフェース回路１０２０は、外部の機械（例えば、任意の種類のコンピューティングデバイス）との、ネットワーク１０２６（例えば、イーサネット接続、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、電話線、同軸ケーブル、セルラフォンシステムなど）を介したデータ授受を容易にするための、送信機、受信機、トランシーバ、モデム、及び／又はネットワークインターフェースカードなどの通信デバイスも含む。
【００３８】
図示の例のプロセッサプラットフォーム１０００は、ソフトウェア及び／又はデータを記憶するための一又は複数の大容量記憶装置１０２８も含む。そのような大容量記憶装置１０２８は、フロッピーディスク、ハードドライブディスク、コンパクトディスク、ブルーレイディスク、ＲＡＩＤシステム、及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライブを含む。
【００３９】
本明細書に記載の方法を実装するための符号化された指令１０３２は、大容量記憶装置１０２８内に、揮発性メモリ１０１４内に、不揮発性メモリ１０１６内に、及び／又はＣＤ又はＤＶＤなどの取り外し可能な有形のコンピュータ可読ストレージ媒体に、記憶され得る。
【００４０】
本明細書では特定の例示的な方法、装置、及び製品が記載されるが、本特許出願の範囲はこれらに限定されるものではない。反対に、本特許出願は、本特許出願の特許請求項の範囲内に公正に当てはまるすべての方法、装置、及び製品を包含する。航空機が記載されているが、例示的な装置は、車両、空力構造などに適用され得る。
【符号の説明】
【００４１】
１００    航空機
１０２    安定板
１０４    翼
１０６    胴体
２００    翼
２０２    複合材構造
２０４    外部外板
２０６    ストリンガー
２０８    取り付け部分
３００    液体小滴
３０４    複合材構造
３０６    座標軸
３０８    ヘッド
３１０    センター
３１２    テール
３１４    ３次元接触角
３１６、３１８、３２０、３２１    張力ベクトル
３２４、３２６、３２８、３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０    方向ベクトル成分
３４２、３４４    ３次元接触角
３４６    直径
【図１】
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【図２】
2015148603.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015148603.tif 000015
【外国語明細書】
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2015148603000002.pdf
2015148603000003.pdf
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