(57)【要約】【課題】継手と母材との接着面の強度をより強くする、ことを目的とする。【解決手段】継手２０は、板材２６を母材２２に接合させるためのものであって、板材２６に対する引っ張り荷重が加えられる方向と直交する面に対して傾斜する傾斜部２８が、母材２２との接着面２５に形成される。また、母材２２は、継手２０の傾斜部２８が埋め込まれるように、傾斜部２８の形状に応じた堀り込み部３８が形成される。そして、継手２０が母材２２に埋め込まれて接着により接合される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材を母材に接合させるための継手であって、
前記部材に対する引っ張り荷重が加えられる方向と直交する面に対して傾斜する傾斜部が、前記母材との接着面に形成され、
前記傾斜部が前記母材へ埋め込まれて前記母材と接着される継手。
【請求項２】
前記接着面に対して反対の面は、中央部より厚みが薄くなるように端部に向かって傾斜している請求項１記載の継手。
【請求項３】
前記傾斜部は、複数の傾斜面で形成される請求項１又は請求項２記載の継手。
【請求項４】
前記傾斜部は、前記母材に対する角度が異なる複数の傾斜面で形成される請求項３記載の継手。
【請求項５】
前記傾斜部は、一つの傾斜面によって形成される請求項１又は請求項２記載の継手。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項記載の継手と、
前記継手の前記傾斜部が埋め込まれるように、前記傾斜部の形状に応じた堀込み部が形成される母材と、
を備え、
前記継手が前記母材に埋め込まれて接着により接合される航空機構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、継手及び航空機構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機の分野において、例えば炭素繊維強化プラスチック（Carbon-Fiber-Reinforced
Plastic：ＣＦＲＰ）等の複合材の適用範囲が一次構造へ拡大している。そして、複合材が軽量であるというメリットを生かして、構造の軽量化を達成するためにはファスナを用いない継手が好ましい。
【０００３】
継手に差し込まれた部材は接着剤によって接着され、継手と母材も接着剤によって接着される。これにより、部材は、母材に接合される。
【０００４】
そして、構造の組み立てにおいて、母材に接合される板材は高精度に位置決めされなければならない。すなわち、継手が予め母材に設けられている場合は、継手に対して板材が高精度に位置決めされる必要がある。
【０００５】
特許文献１では、板材の側面に位置決め用のピン（突起物）を設け、継手の側面にこのピンが嵌め合わされる切欠きを設け、板材のピンが継手の切欠きに嵌るように板材を差し込むことで、位置決めを行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８４０３５８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている構造では、位置決めを行うことができるが、継手と母材との接着面は、継手が接合される母材の面に対して部材を引っ張る方向に働く荷重（面外方向荷重）に十分な強度を有していなければならない。
部材と母材との接着面は、従来では平坦である。しかし、接着面が平坦であると、面外方向荷重に十分な強度を有しない場合がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、継手と母材との接着面の強度をより強くできる、継手及び航空機構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の継手及び航空機構造は以下の手段を採用する。
【００１０】
本発明の第一態様に係る継手は、部材を母材に接合させるための継手であって、前記部材に対する引っ張り荷重が加えられる方向と直交する面に対して傾斜する傾斜部が、前記母材との接着面に形成され、前記傾斜部が前記母材へ埋め込まれて前記母材と接着される。
【００１１】
本構成に係る継手は、部材を母材に接合させるものである。また、本構成に係る継手は、母材との接着面に傾斜部が形成される。傾斜部は、部材に対する引っ張り荷重が加えられる方向と直交する面に対して傾斜する。換言すると、傾斜部は、母材へ向かって傾斜する。一方、母材における継手との接着面は、継手の傾斜部が埋め込まれるように、傾斜部の形状に応じた掘り込み部が形成される。これにより、継手は、傾斜部が母材へ埋め込まれて母材と接着される。
【００１２】
ここで、接着強度として、部材を引っ張る方向（面外方向）の強度である面外方向強度がある。すなわち、面外方向強度は、部材に対する引っ張り荷重（面外方向荷重）に対する強度である。また、接着強度は、面外方向強度の他に、接着面に対してせん断する方向（面内方向）の強度である面内方向強度に分けられる。
【００１３】
そして、接着面が平坦である場合、面外方向強度と面内方向強度は直交する。このため、面外方向荷重に対する理論接着強度は、面外方向強度となる。
一方、本構成のように接着面に傾斜部が形成されている場合、面内方向強度は面外方向の強度成分を有する。このため、面外方向荷重に対する理論接着強度は、面外接着強度に面内接着強度の正弦成分が加算された強度となる。
【００１４】
すなわち、接着面に傾斜部が形成されている場合の方が、接着面が平坦である場合に比べて、接着強度が強くなる。特に、面外方向荷重を受けたときの接着面の端部におけるピーク応力が、傾斜部が形成されない場合に比べて低減される。
従って、本構成は、継手と母材との接着面の強度をより強くできる。
【００１５】
上記第一態様では、前記接着面に対して反対の面が、中央部より厚みが薄くなるように端部に向かって傾斜している。
【００１６】
本構成は、接着面に対して反対の面が傾斜していない場合、すなわち継手の端部が例えば母材に対して垂直になっている場合に比べ、継手と母材との剛性差が小さくなる。なお、接着面に対して反対の面が傾斜することで、継手の端部の強度が低下することが懸念される。しかし、接着面に傾斜部が形成されることで、面外方向荷重を受けたときの継手の端部におけるピーク応力が低減されるので、継手の端部の破損が抑制される。
【００１７】
上記第一態様では、前記傾斜部が、複数の傾斜面で形成される。
【００１８】
本構成によれば、接着面の接着強度を均等にできる。
【００１９】
上記第一態様では、前記傾斜部が、前記母材に対する角度が異なる複数の傾斜面で形成される。
【００２０】
本構成によれば、継手に加わると予想される荷重に応じて、角度を異ならせることで接着面の強度を調整できる。
【００２１】
上記第一態様では、前記傾斜部が、一つの傾斜面によって形成される。
【００２２】
本構成によれば、簡易な構成で、継手と母材との接着面の強度をより強くできる。
【００２３】
本発明の第二態様に係る航空機構造は、上記記載の継手と、前記継手の前記傾斜部が埋め込まれるように、前記傾斜部の形状に応じた堀込み部が形成される母材と、を備え、前記継手が前記母材に埋め込まれて接着により接合される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、継手と母材との接着面の強度をより強くできる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】航空機の主翼を一部破断して示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る継手及び母材の形状を示す側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る継手と母材とが接合した側面図である。
【図４】図３に示される領域Ａの拡大図である。
【図５】本発明の実施形態に係る継手及び母材の形状を示す斜視図である。
【図６】母材に掘り込み部が形成されていない接着層の接着強度を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る接着層の接着強度を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係る接着層に生じる応力を算出するための数値解析モデルの構成図である。
【図９】図８に示される領域Ｂの拡大図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る数値解析結果を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１変形例に係る継手及び母材の形状を示す側面図である。
【図１２】図１１に示される領域Ｃの拡大図である。
【図１３】本発明の第２変形例に係る継手及び母材の形状を示す側面図である。
【図１４】図１３に示される領域Ｄの拡大図である。
【図１５】本発明の第３変形例に係る継手及び母材の形状を示す側面図である。
【図１６】本発明の第４変形例に係る継手及び母材の形状を示す側面図である。
【図１７】本発明の第５変形例に係る継手及び母材の形状を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る継手及び航空機構造の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、航空機の主翼１を一部破断して示す斜視図である。
【００２８】
主翼１には、上側スキン３、下側スキン５、前側スパー７、後側スパー９、及び複数のリブ１１が備えられる。
上側スキン３及び下側スキン５は、主翼１の外形を構成し、空力面も兼ねる薄板であり、前側スパー７、後側スパー９及びストリンガ（図示省略）とともに主翼１に働く引っ張り荷重や、圧縮荷重の一部を受け持つものである。
【００２９】
前側スパー７及び後側スパー９は、図１に示されるように、主翼１の翼長方向に延びる構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５との間にわたって配置される部材である。
前側スパー７と後側スパー９との間を、主翼１の翼長方向に延びる補助部材である複数のストリンガが上側スキン３又は下側スキン５の内側面に配置される。
【００３０】
リブ１１は、図１に示すように、主翼１の翼幅方向に延びるとともに、上側スキン３及び下側スキン５の間にわたって配置される構造部材である。換言すると、リブ１１は、前側スパー７及び後側スパー９と略直交する方向に延びる構造部材であって、主翼１の断面形状に形成された板状の部材である。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る継手２０（図２等参照）は、例えば上側スキン３と前側スパー７や後側スパー９との接合、下側スキン５と前側スパー７や後側スパー９との接合、リブ１１と前側スパー７や後側スパー９との接合等に用いられる。なお、継手２０は、航空機の主翼１以外の構造に用いられてもよい。
【００３２】
次に、本実施形態に係る継手２０の詳細について説明する。
図２は、本実施形態に係る継手２０及び母材２２の形状を示す側面図であり、図３は、継手２０と母材２２とが接合した側面図であり、図４は、図３に示される領域Ａの拡大図であり、図５は、継手２０及び母材２２の形状を示す斜視図である。
【００３３】
本実施形態に係る継手２０は、母材２２に設けられ、溝部２４が形成される所謂パイ（π）型継手である。
継手２０は、例えば、上述のように航空機の機体構造に用いられ、機体構造の一部を構成する部材（本実施形態では一例として板材２６）が溝部２４に差し込まれる。例えば、前側スパー７や後側スパー９が母材２２であり、リブ１１が板材２６である。
【００３４】
そして、板材２６と溝部２４との間隙に接着剤が充填されることにより、板材２６は継手２０に接着される。一方、継手２０は、母材２２に対して接着剤によって接着される。なお、母材２２と継手２０との接着方法及び継手２０と板材２６との接着方法は、特に限定されるものではない。
このように、継手２０を用いた接着により、ファスナが用いられることなく、板材２６は母材２２に接合される。
【００３５】
継手２０、母材２２、及び板材２６の材質は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（Carbon-Fiber-Reinforced  Plastic：ＣＦＲＰ）等の複合材である。ＣＦＲＰは、補強材として炭素繊維が用いられ、マトリックスとして合成樹脂が用いられる。なお、これに限らず、継手２０、母材２２、及び板材２６の材質として、アルミ合金等の金属が用いられてもよい。
【００３６】
そして、本実施形態に係る継手２０は、母材２２との接着面２５に傾斜部２８が形成される。傾斜部２８は、板材２６に対する引っ張り荷重が加えられる方向（垂直方向、図３のＡ方向）と直交する面（水平方向、図３のＢ方向）に対して傾斜する。換言すると、傾斜部２８は、母材２２へ向かって傾斜する。なお、本実施形態に係る傾斜部２８は、継手２０の端部３０から傾斜する。
さらに、傾斜部２８は、二つの傾斜面２８Ａ，２８Ｂによって形成される。そして、傾斜面２８Ａ，２８Ｂが交わって角部３２を形成する。角部３２は、継手２０の長手方向、すなわち継手２０の端部３０と平行に延在する。
また、継手２０の接着面２５に対して反対の面（以下「反対面」という。）３４は、継手２０の中央部より厚みが薄くなるように、端部３０に向かってテーパ状に傾斜している。
【００３７】
一方、母材２２は、継手２０との接着面３６に、継手２０の傾斜部２８が埋め込まれるように、傾斜部２８の形状に応じた掘り込み部３８が形成される。
【００３８】
これにより、継手２０は、傾斜部２８が母材２２へ埋め込まれて母材２２と接着される。
【００３９】
なお、以下の説明において、傾斜面２８Ａ，２８ＢのＢ方向に対する角度を傾斜角θと定義する。また、以下の説明において、継手２０の接着面２５及び母材２２の接着面３６を総称して接着層という。
【００４０】
次に、図６から図１０を参照して、接着層の強度（以下「接着強度」という。）について説明する。
【００４１】
図６は、掘り込み部３８が形成されていない母材２２における接着層の接着強度を示す模式図である。図７は、掘り込み部３８が形成されている母材２２における接着層の接着強度を示す模式図である。
【００４２】
接着強度として、板材２６を引っ張る方向（図６，７のＡ方向、以下「面外方向」という。）の強度である面外方向強度Ｐtallがある。すなわち、面外方向強度Ｐtallは、板材２６に対する引っ張り荷重（以下「面外方向荷重」という。）に対する強度である。
また、接着強度は、面外方向強度Ｐtallの他に、接着層に対してせん断する方向（図６，７のＢ方向、以下「面内方向」という。）の強度である面内方向強度Ｐsallに分けられる。
【００４３】
図６に示されるように接着層が平坦であると（傾斜角θ＝０°）、面外方向強度Ｐtallと面内方向強度Ｐsallは直交する。このため、母材２２に掘り込み部３８が形成されない場合における、面外方向荷重に対する理論接着強度Ｐallは、（１）式に示されるように、面外方向強度Ｐtallとなる。
Ｐall＝Ｐtall  ・・・（１）
【００４４】
一方、図７に示されるように母材２２に掘り込み部３８が形成され、接着層が傾斜していると（傾斜角θ≠０°）、面内方向強度Ｐsallは面外方向の強度成分を有する。このため、面外方向荷重に対する理論接着強度Ｐallは、（２）式に示されるように、面外接着強度Ｐtallに面内接着強度Ｐsallの正弦成分（Ｐsall×sinθ）が加算された強度となる。
Ｐall＝Ｐtall＋Ｐsall×sinθ  ・・・（２）
すなわち、母材２２に掘り込み部３８が形成され、接着層が傾斜している場合の方が、接着層が平坦である場合に比べて、接着強度が強くなる。
【００４５】
次に、母材２２に掘り込み部３８が形成され、接着層が傾斜している場合における、接着層に生じる応力の数値解析結果について説明する。数値解析は、有限要素法を用いて行われた。
【００４６】
図８は数値解析モデル５０の全体図であり、図９は図８の領域Ｂの拡大図である。
【００４７】
図８，９に示されるように、数値解析モデル５０は、掘り込み部３８が形成された母材モデル５２と傾斜部２８が形成された継手モデル５４とで形成される。なお、継手モデル５４は、継手２０と板材２６とを組み合わせたモデルである。
【００４８】
数値解析の条件として、母材モデル５２の両端（端部Ａ，Ｂ）を拘束し、継手モデル５４に対して面外方向であるＹ方向に荷重（面外方向荷重）を付与した。
材料特性としては、母材モデル５２と継手モデル５４を構成する複合材としてＥ＝約６００００ＭＰａ、ギャップフィラーモデル５６をＥ＝約４００００ＭＰａ、接着層モデル５８をＥ＝約３０００ＭＰａとしている。なお、Ｅは、縦弾性係数（ヤング率）である。
【００４９】
また、掘り込み部３８が形成されない母材モデル５２と傾斜部２８が形成されない継手モデル５４とで形成した数値解析モデル５０でも、同様の条件で数値解析を行った。
【００５０】
図１０は、数値解析結果を示すグラフである。
図１０における破線は、母材２２に掘り込み部３８が形成されない数値解析モデル５０の数値解析結果を示す。一方、実線は母材２２に掘り込み部３８が形成された数値解析モデル５０の数値解析結果を示す。また、図１０における横軸は数値解析モデル５０のＸ方向であり、座標Ａは接着層モデル５８の端部を示し、座標ＣＬは接着層モデル５８の中央部を示す（図９も参照）。一方、縦軸は面外方向荷重を受けることにより生じる応力の大きさを示す。
【００５１】
図１０に示されるように、面外方向荷重を受けることにより、接着層モデル５８の端部（座標Ａ）にピーク応力が生じた。掘り込み部３８が形成されない数値解析モデル５０の方が、掘り込み部３８が形成された数値解析モデル５０に比べて、接着層モデル５８の端部（座標Ａ）におけるピーク応力が小さい。この理由は、掘り込み部３８が形成されることにより、母材２２と継手２０の剛性差が滑らかになるためである。
母材２２に掘り込み部３８が形成されることにより、掘り込み部３８が形成されない場合に比べて、接着層モデル５８の端部の応力は、約６割低減される。これにより、掘り込み部３８が形成されることによる接着強度は、全体として約２．５倍向上する。
【００５２】
また、本実施形態に係る継手２０は、反対面３４が端部３０に向かって傾斜している。これにより、本実施形態に係る継手２０は、端部３０が例えば母材２２に対して垂直になっている場合に比べ、継手２０と母材２２との剛性差が小さくなる。
なお、端部３０が傾斜することで端部３０の強度が低下することが懸念される。しかし、継手２０に傾斜部２８が形成され、母材２２に埋め込まれることで、図１０に示されるように、面外方向荷重を受けたときの端部３０におけるピーク応力が低減されるので、反対面３４を端部３０に向かって傾斜させても、端部３０の破損が抑制される。
【００５３】
また、本実施形態に係る継手２０は、二面の傾斜面２８Ａ，２８Ｂによって形成されるので、接着面２５の接着強度を左右で均等にできる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態に係る継手２０は、板材２６を母材２２に接合させるためのものであって、板材２６に対する引っ張り荷重が加えられる方向と直交する面に対して傾斜する傾斜部２８が、母材２２との接着面２５に形成される。また、母材２２は、継手２０の傾斜部２８が埋め込まれるように、傾斜部２８の形状に応じた堀り込み部３８が形成される。そして、継手２０が母材２２に埋め込まれて接着により接合される。
【００５５】
従って、本実施形態に係る継手２０は、継手２０と母材２２との接着面の強度をより強くできる。
【００５６】
〔第１変形例〕
以下、本発明の第１変形例について説明する。
【００５７】
図１１は、本第１変形例に係る継手２０及び母材２２の形状を示す側面図であり、図１２は、図１１に示される領域Ｃの拡大図である。なお、図１１，１２における図３，４と同一の構成部分については図３，４と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００５８】
本第１変形例に係る継手２０は、図１１，１２に示されるように接着面２５の端部３０から継手２０の中心方向へ向って平坦部６０Ａ，６０Ｂが形成され、平坦部６０Ａ，６０Ｂの端部から中心方向へ傾斜面２８Ａ，２８Ｂが形成される。
【００５９】
〔第２変形例〕
以下、本発明の第２変形例について説明する。
【００６０】
図１３は、本第２変形例に係る継手２０及び母材２２の形状を示す側面図であり、図１４は、図１３に示される領域Ｄの拡大図である。なお、図１３，１４における図３，４と同一の構成部分については図３，４と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００６１】
本第３変形例に係る傾斜部２８は、傾斜角が異なる複数の傾斜面２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄで形成される。なお、図１３，１４の例では、傾斜面２８Ａと傾斜面２８Ｂは同じ傾斜角であり、傾斜面２８Ｃと傾斜面２８Ｄは同じ傾斜角である。なお、これに限らず、傾斜部２８は、４つ以上の傾斜面で形成されてもよい。
【００６２】
これにより、継手２０に加わると予想される荷重に応じて傾斜角を異ならせることができ、接着面２５の強度が調整可能とされる。
【００６３】
〔第３変形例〕
以下、本発明の第３変形例について説明する。
【００６４】
図１５は、本第３変形例に係る継手２０及び母材２２の形状を示す側面図である。
【００６５】
第３変形例に係る傾斜部２８は、一つの傾斜面によって形成される。
これにより、第３変形例に係る継手２０は、簡易な構成で、継手２０と母材２２との接着面２５の強度をより強くできる。
【００６６】
〔第４変形例〕
以下、本発明の第４変形例について説明する。
【００６７】
図１６は、本第４変形例に係る継手２０Ａ及び母材２２の形状を示す側面図である。
【００６８】
本第４変形例に係る継手２０Ａは、上述したパイ型の継手ではなく、Ｔ字型の継手とされる。
【００６９】
〔第５変形例〕
以下、本発明の第５変形例について説明する。
【００７０】
図１７は、本第５変形例に係る継手２０Ｂ及び母材２２の形状を示す側面図である。
【００７１】
本第５変形例に係る継手２０Ｂは、上述したパイ型の継手ではなく、Ｌ字型の継手とされる。
【００７２】
以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７３】
例えば、上記実施形態では、継手２０を航空機構造に用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、継手２０を航空機以外の構造に用いる形態としてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１      主翼
２０    継手
２２    母材
２５    接着面
２６    板材
２８    傾斜部
３８    掘り込み部
【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】
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【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】
2015072041.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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