(57)【要約】【課題】強度低下を抑制しつつ、軽量な複合材構造体を提供することを目的とする。【解決手段】一方向に延在するとともに、複数の孔５が一方向に間隔を空けて並べて形成された繊維強化プラスチック製の複合材とされ、一方向に引張り荷重および／または圧縮荷重が負荷される複合材構造体において、孔５の周縁領域３ａは、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が前記複合材の幅Ｗの中心線が隣合う孔５と孔５との間をぬうように屈曲し一方向に向かって蛇行してなる第１エリア１０を含み、孔５の周縁領域３ａの一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性が、該周縁領域３ａを取り囲む他領域３ｂの一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性よりも小さい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延在するとともに、複数の孔が前記一方向に間隔を空けて並べて形成された繊維強化プラスチック製の複合材とされ、前記一方向に引張り荷重および／または圧縮荷重が負荷される複合材構造体において、
前記孔の周縁領域は、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が前記複合材の幅Ｗの中心線が隣合う孔と孔との間をぬうように屈曲し前記一方向に向かって蛇行してなる第１エリアを含み、
前記周縁領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性が、該周縁領域を取り囲む他領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性よりも小さい複合材構造体。
【請求項２】
前記第１エリアは、前記一方向を０°とした場合に前記連続繊維が±３０°以上±６０°以下の方向を向く傾斜部を含み、
前記傾斜部が、隣合う孔と孔との間に配置されている請求項１に記載の複合材構造体。
【請求項３】
前記第１エリアは、前記一方向を０°とした場合に前記連続繊維が±４５°方向を向く傾斜部を含み、
前記傾斜部が、隣合う孔と孔との間に配置されている請求項１に記載の複合材構造体。
【請求項４】
前記第１エリアは、前記連続繊維が０°方向を向くよう配置された平行部を含み、
前記平行部は、前記第１エリアの少なくとも前記孔の±９０°方向を向く直径の延長線を含む位置に配置され、前記孔と接している請求項１から請求項３のいずれかに記載の複合材構造体。
【請求項５】
前記平行部は、前記孔の０°方向の直径に並行する領域にある前記第１エリアの外縁を含む位置に配置されている請求項４に記載の複合材構造体。
【請求項６】
１の前記傾斜部の連続繊維の向きが次の傾斜部の連続繊維の向きと直交する場合、前記幅Ｗは隣合う孔の中心間距離Ｌの１／√２以下と定義される請求項２から請求項５のいずれかに記載の複合材構造体。
【請求項７】
前記平行部は、前記孔の０°方向の直径と並行する領域にある前記第１エリアである請求項４に記載の複合材構造体。
【請求項８】
前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が山部、谷部の順に屈曲を繰り返す第１エリアＡを含む層と、
前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が谷部、山部の順に屈曲を繰り返す第１エリアＢを含む層と、
が、前記第１エリアＡの山部と前記第１エリアＢの谷部とが上下対になるよう積層されている請求項１から請求項７のいずれかに記載の複合材構造体。
【請求項９】
前記孔は、航空機の翼の下面外板に形成されたアクセスホールである請求項１から請求項８のいずれかに記載の複合材構造体。
【請求項１０】
前記孔は、航空機の胴体の外板に形成された窓用孔である請求項１から請求項８のいずれかに記載の複合材構造体。
【請求項１１】
請求項９に記載の複合材構造体を備えている航空機翼。
【請求項１２】
請求項１０に記載の複合材構造体を備えている航空機胴体。
【請求項１３】
一方向に延在するとともに、複数の孔が該一方向に間隔を空けて並べて形成された繊維強化プラスチック製の積層複合材とされ、前記一方向に引張り荷重および／または圧縮荷重が負荷される複合材構造体の製造方法において、
長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を該複合材の幅Ｗの中心線が前記孔と孔との間をぬうように屈曲させ前記一方向に向けて蛇行配置し、
前記孔の周縁領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性を、該周縁領域を取り囲む他領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性よりも小さくする複合材構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記一方向を０°とした場合に、隣合う孔と孔との間で、前記連続繊維が±３０°以上±６０°以下の方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置する請求項１３に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記一方向を０°とした場合に、隣合う孔と孔との間で、前記連続繊維が±４５°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置する請求項１３に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項１６】
前記孔の±９０°方向を向く直径の延長線を含む位置に、前記連続繊維が０°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置する請求項１３から請求項１５のいずれかに記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項１７】
前記孔の０°方向の直径に並行する領域に、外縁において前記連続繊維が０°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置する請求項１６に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項１８】
前記孔の０°方向の直径に並行する領域の前記連続繊維が０°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置する請求項１６に記載の複合材構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材構造体、これを備えた航空機翼および航空機胴体、並びに複合材構造体の製造方法に関するものである。本発明は、特に、一方向に並んで形成された複数の孔を有する複合材構造体を対象としている。
【背景技術】
【０００２】
航空機、船舶、車両等の分野にて、高強度かつ軽量化とされた構造体として繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製の複合材が広く用いられている（特許文献１）。複合材は金属に比べて「軽くて強い」ことが利点とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１８０６２７号公報（請求項１、請求項３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような複合材に対して、点検のためや組立時のアクセス用のために、孔が形成されることがある。孔が形成された場合、孔の周縁領域には応力集中が生じる。金属は、応力集中部が降伏応力に達してもすぐに破断せず、塑性変形を伴って最終破壊に至る。一般的な設計では、例えば孔を有する平板の場合、孔を除く断面積で荷重を除したネット応力で静的強度を評価する。一方、複合材は金属に比べて塑性変形が少ないため応力集中（孔、切欠き）に対する感度が高く、静的強度評価においても応力集中を考慮する必要がある。この結果、孔周りの板厚を増やして補強することとなり、「軽くて強い」利点を生かせないことがある。
【０００５】
上記課題を解決するため、特許文献１では孔の周縁領域の一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性を、該周縁領域を取り囲む他領域の一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性よりも小さくし、孔の周縁領域に加わる応力集中を緩和させて補強を少なくしている。特許文献１では、他領域の繊維配向を０°とし、孔の周縁領域の繊維配向を４５°または−４５°としている。
【０００６】
特許文献１において、他領域は周縁領域に隣接しているが、繊維配向が異なる２つの複合材（周縁領域および他領域）を突き合わせた場合、突合せた境界部分（隣接部分）は繊維が連続しておらず、基材となる樹脂が荷重を伝達することとなるため、複合材構造体の強度を低下させる要因となることがある。
【０００７】
特許文献１に記載の航空機の主翼などでは孔が並んだ方向に主荷重がかかるが、同時に剪断荷重もかかることがある。特許文献１では、周縁領域を挟んだ両側に、周縁領域とは繊維配向の異なる他領域が隣接しているため、主荷重方向と直交する方向での強度低下の要因となりうる。繊維が不連続であり且つ繊維配向が切り替わる境界が、孔の主荷重方向と直交する径の延長線上に存在すると、強度低下のリスクは高くなる。
【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、強度低下を抑制しつつ、軽量な複合材構造体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、本発明は、一方向に延在するとともに、複数の孔が前記一方向に間隔を空けて並べて形成された繊維強化プラスチック製の複合材とされ、前記一方向に引張り荷重および／または圧縮荷重が負荷される複合材構造体において、前記孔の周縁領域は、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が前記複合材の幅Ｗの中心線が隣合う孔と孔との間をぬうように屈曲し前記一方向に向かって蛇行してなる第１エリアを含み、前記周縁領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性が、該周縁領域を取り囲む他領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性よりも小さい複合材構造体を提供する。
【００１０】
孔の周縁領域の一方向における引張り剛性が、孔の周縁領域を取り囲む他領域の一方向における引張り剛性よりも小さいので、引張り荷重は他領域が主として負担することになる。したがって、孔の周縁領域に加わる引張り荷重が相対的に小さくなるので、孔の周縁領域に加わる応力集中が緩和される。これにより、孔の周縁領域を他領域と同等の引張り剛性にした場合に比べて、孔の周縁領域の補強を少なくすることができる。
【００１１】
また、孔の周縁領域の一方向における圧縮剛性が、孔の周縁領域を取り囲む他領域の一方向における圧縮剛性よりも小さい場合には、圧縮荷重は他領域が主として負担することになる。したがって、孔の周縁領域に加わる圧縮荷重が相対的に小さくなるので、孔の周縁領域に加わる応力集中が緩和される。これにより、孔の周縁領域を他領域と同等の圧縮剛性にした場合に比べて、孔の周縁領域の補強を少なくすることができる。
【００１２】
さらに、複合材構造部材に引張り荷重および圧縮荷重が加わる場合（すなわち曲げ荷重が加わる場合）には、孔の周縁領域の一方向における引張り剛性および圧縮剛性を、他領域の一方向における引張り剛性および圧縮剛性よりも小さくして、引張り荷重および圧縮荷重を他領域が主として負担することとすればよい。
【００１３】
周縁領域は、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材（複合材Ａ）で構成された第１エリアを含む。複合材Ａは、屈曲させることで繊維の向きを異なる方向に向けることができる。繊維の向きを変えて配置することで、複合材構造体の強度・剛性を変化させられうる。繊維を一方向に対して傾斜させるよう複合材Ａが配置された領域では、一方向における引張り剛性および圧縮剛性は、他領域の一方向における引張り剛性および圧縮剛性よりも小さくなる。また、繊維を一方向に向けるよう複合材Ａが配置された場合では、繊維配向が他領域と揃うため周縁領域と他領域との境界における強度低下のリスクを排除できる。
【００１４】
複合材Ａは、屈曲させても繊維は連続した状態が維持される。繊維が連続していることで、短繊維を用いた場合と比較して、一方向における強度を向上できる。また本発明は、繊維が連続しているため、第１エリア内の繊維配向が切り替わる部分において繊維の隙間が発生する懸念もない。これにより、従来よりも高精度の複合材構造体となる。
【００１５】
孔の間をぬうように複合材Ａを蛇行させることで、複数の孔にわたって一枚の複合材Ａを配置できるため、効率的に製造できるようになる。複合材Ａは、機械により配置することもできる。
【００１６】
上記発明の一態様において、前記第１エリアは、前記一方向を０°とした場合に前記連続繊維が±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°の方向を向く傾斜部を含み、前記傾斜部が、隣合う孔と孔との間に配置されているとよい。
【００１７】
傾斜部を孔と孔との間に配置することで、０°方向（一方向）の引張り剛性が低下して引張り方向（および／または圧縮方向）の伸びを許容する領域を実現することができる。傾斜部では、±３０°以上±６０°以下の方向、好ましくは±４５°方向に繊維が向いているので、剪断方向（一方向に対して直交する方向、すなわち±９０°方向）の強度が大きくなり、捩り剛性を高めることができる。
【００１８】
上記発明の一態様において、前記第１エリアは、前記連続繊維が０°方向を向くよう配置された平行部を含み、前記平行部は、前記第１エリアの少なくとも前記孔の±９０°方向を向く直径の延長線を含む位置に配置され、前記孔と接しているとよい。
【００１９】
孔の±９０°方向を向く直径の延長線上に孔と接するよう平行部を設けることで、破断しやすい箇所の強度を低下させずに、孔の周縁領域に加わる応力集中を緩和することが可能となる。これにより、実体強度の強い複合材構造体となる。
【００２０】
上記発明の一態様において、前記平行部は、前記孔の０°方向の直径に並行する領域にある前記第１エリアの外縁を含む位置に配置されているとよい。
【００２１】
孔の０°方向の直径に並行する領域にある第１エリアの外縁とは、すなわち他領域との境界にある周縁領域である。複合材Ａは、複合材Ａの幅Ｗの中心線が孔と孔との間をぬうように蛇行している。孔の０°方向の直径を軸として見ると、一の孔に対しては一方の側にある複合材Ａは、次の孔に対しては他方の側にくる。他領域との境界に平行部を配置することで、周縁領域での繊維の向きを、隣接する他領域での繊維の向きと揃えることができる。それにより、周縁領域と他領域の接続部における±９０°方向の強度低下を抑制できる。
【００２２】
上記発明の一態様において、１の前記傾斜部の連続繊維の向きが次の傾斜部の連続繊維の向きと直交する場合、前記幅Ｗは隣合う孔の中心間距離Ｌの１／√２以下と定義され得る。
【００２３】
複合材Ａは孔と孔との間を蛇行しているため、一の傾斜部の繊維の方向と、次に来る傾斜部の繊維の方向は違う方を向く。一の傾斜部の繊維の方向に対して次の傾斜部の繊維の方向が直角である場合、複合材Ａの幅Ｗを孔の中心間距離Ｌの１／√２以下とすることで、孔の±９０°方向を向く直径の延長線上に平行部を配置できる。
【００２４】
上記発明の一態様において、前記平行部は、前記孔の０°方向の直径と並行する領域であってもよい。
【００２５】
それにより、孔と並行する領域すべてが平行部となるため、０°方向に対する孔周りの強度を向上できる。また、孔の±９０°方向において繊維の方向が切り替わる境界がなくなるため、±９０°方向に対する孔周りの強度を向上できる。
【００２６】
上記発明の一態様において、前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が山部、谷部の順に屈曲を繰り返す第１エリアＡを含む層と、前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材が谷部、山部の順に屈曲を繰り返す第１エリアＢを含む層と、が前記第１エリアＡの山部と前記第１エリアＢの谷部とが上下対になるよう積層されていることが好ましい。
【００２７】
第１エリアの傾斜部は、同一層内において隣接する他のエリアと繊維が不連続であり、かつ、繊維の向きが異なる。上記発明の一態様では、第１エリアＡの山部と第１エリアＢの谷部とが上下対になるようにすることで、傾斜部とそれに隣接するエリアとの境界を上下方向でずらすことができる。それにより、±９０°方向の強度低下リスクを分散できる。
【００２８】
上記発明の一態様において、前記孔は、航空機の翼の下面外板に形成されたアクセスホールとされ得る。
【００２９】
下面外板は、航空機の主翼に加わる荷重を負担するトルクボックスの下面部分を構成する。したがって、この下面外板には、飛行時に、主翼長手方向に引張り荷重が加わる。アクセスホールの周縁の所定領域を上記の周縁領域とし、この周縁領域を取り囲む領域を上記の他領域としたので、引張り荷重は主として他領域が負担し、周縁領域には比較的小さな引張り荷重しか加わらない。したがって、アクセスホールの周縁領域の補強を少なくでき、軽量化された主翼を提供することができる。
【００３０】
上記発明の一態様において、前記孔は、航空機の胴体の外板に形成された窓用孔とされ得る。
【００３１】
航空機の胴体には、長手方向に引張り荷重および圧縮荷重（すなわち曲げ荷重）が加わる。窓用孔の周縁の所定領域を上記の周縁領域とし、この周縁領域を取り囲む領域を上記の他領域としたので、引張り荷重および圧縮荷重は主として他領域が負担し、周縁領域には比較的小さな引張り荷重および圧縮荷重しか加わらない。したがって、窓用孔の周縁領域の補強を少なくでき、軽量化された航空機胴体を提供することができる。
【００３２】
また、本発明は、一方向に延在するとともに、複数の孔が該一方向に間隔を空けて並べて形成された繊維強化プラスチック製の積層複合材とされ、前記一方向に引張り荷重および／または圧縮荷重が負荷される複合材構造体の製造方法において、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を該複合材の幅Ｗの中心線が前記孔と孔との間をぬうように屈曲させ前記一方向に向けて蛇行配置し、前記孔の周縁領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性を、該周縁領域を取り囲む他領域の前記一方向における引張り剛性および／または圧縮剛性よりも小さくする複合材構造体の製造方法を提供する。
【００３３】
上記発明の一態様において、前記一方向を０°とした場合に、隣合う孔と孔との間で、前記連続繊維が±３０°以上±６０°以下の方向、好ましくは±４５°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置するとよい。
【００３４】
上記発明の一態様において、前記孔の±９０°方向を向く直径の延長線を含む位置に、前記連続繊維が０°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置するとよい。
【００３５】
上記発明の一態様において、前記孔の０°方向の直径に並行する領域に、外縁において前記連続繊維が０°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置することが好ましい。
【００３６】
上記発明の一態様において、前記孔の０°方向の直径に並行する領域の前記連続繊維が０°方向を向くよう前記長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を配置してもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の複合材構造体、これを備えた航空機翼および航空機胴体、並びに複合材構造体の製造方法によれば、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材を蛇行配置することで、強度低下要因が排除された軽量構造を実現可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の複合材構造体の一実施形態にかかる航空機の主翼の下面外板を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける縦断面図である。
【図２】ボックス構造とされた主翼の一部を構成する下面外板およびストリンガを示した斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａにおける横断面図である。
【図４】繊維シートの積層構造を示した要部分解斜視図である。
【図５】第１実施形態における第２層の要部平面図である。
【図６】第２実施形態における第２層の要部平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の一実施形態について、図１から図３を用いて説明する。
図１（ａ）には、航空機の主翼１の下面外板３が示されている。下面外板３は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製の複合材構造体で形成されている。同図に示した破線は、フラップやスラット等を含む主翼１の外形線を示している。
【００４０】
下面外板３は、図２及び図３に示すように、下面外板３の幅方向両端から立設する側面外板となるフロントスパー２０及びリアスパー２２と、これらフロントスパー２０及びリアスパー２２の上端同士を接続する上面外板２４と共に箱形のトルクボックスを形成しており、主翼１の荷重を負担する。
【００４１】
主翼１の長手方向には、複数のストリンガ２６が設けられている。ストリンガ２６は、下面外板３等と同様にＦＲＰ製の複合材とされている。各ストリンガ２６は、下面外板３及び上面外板２４の内表面に対して固定されており、主翼１の長手方向の荷重を主として負担する。
また、ボックス構造とされた主翼１の内部には、その内部空間を長手方向において複数に分割するようにリブ２８が設けられている。リブ２８は、主翼１の幅方向（長手方向に直交する方向）にわたって延在した板状とされており、長手方向に所定間隔を有して複数配置されている。図３に示すように、各リブ２８の前後の端部は、それぞれ、フロントスパー２０及びリアスパー２２に対してボルト・ナット等の所定のファスナ３０によって固定されている。
【００４２】
図１に示すように、下面外板３には、主翼１内に設けられた燃料タンクの点検時や組立時等に用いるためのアクセスホール（孔）５が、主翼１の延在方向に沿って所定間隔ごとに複数形成されている。
下面外板３は、各アクセスホール５の周囲に位置する周縁領域３ａと、この周縁領域３ａを取り囲む他領域３ｂとから成り、一体の複合材料で形成されている。
【００４３】
周縁領域３ａは、各アクセスホール５の中心を通る主翼１の延在方向に沿った線を軸とし、該軸の両側に所定幅ｄにわたって設けられている。ここで、「幅ｄ」とは、主翼１の延在方向に直交する方向の周縁領域の距離とされる。
【００４４】
他領域３ｂは、周縁領域３ａの周囲に位置するとともに、周縁領域３ａ以外の略全領域を存在範囲とする。
【００４５】
下面外板３を構成する周縁領域３ａ及び他領域３ｂは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）が主体とされた複合材となっている。複合材の積層数は、負担する強度によって決定され、例えば数十程度とされる。
【００４６】
他領域３ｂの炭素繊維の配向の比率は、航空機の構造体として用いられる通常程度とされており、例えば、主翼１の延在方向（長手方向）を０°とした場合、（０°，＋４５°，−４５°，９０°）＝（３０％，３０％，３０％，１０％）となるように、各繊維方向を有する複数の繊維シートが積層されて構成されている。
【００４７】
周縁領域３ａの炭素繊維の配向の比率は、他領域３ｂとは異なり、主翼１の延在方向を０°とした場合、隣合う孔５と孔５との間において±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°を主体としたものとなっている。つまり、他領域３ｂよりも±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°の配向比率を大きくしており、例えば±４５°の配向比率が７０％以上となるように、各繊維方向を有する複数の繊維シートが積層されて構成されている。さらに、０°方向の引張り剛性を低下させるために、０°方向の繊維を炭素繊維からガラス繊維（Ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒ）やアラミド繊維（Ａｒａｍｉｄ  ｆｉｂｅｒ）等に変更しても良い。
【００４８】
上述のような配合比率を実現する下面外板３の積層構造について、図４を参照して説明する。図４は、繊維シートの積層構造を例示した要部分解斜視図である。図４の積層構造は、第１層４１〜第５層４５から構成されている。第１層４１〜第５層４５における孔５、周縁領域３ａ及び他領域３ｂの位置は、上下方向でそれぞれ対応している。図４において、孔５が並べられた方向（主翼１の延在方向）を０°とする。
【００４９】
第１層４１は、繊維が＋４５°方向に配向された層である。第１層４１は、＋４５°繊維シートを周縁領域３ａ及び他領域３ｂにわたって配置して形成する。
【００５０】
第２層４２は、主に繊維が０°方向に配向された層である。第２層４２は、周縁領域３ａに周縁領域用複合材を配置し、他領域３ｂに他領域用複合材を配置して形成する。周縁領域用複合材及び他領域用複合材の詳しい配置については、後に述べる。
【００５１】
第３層４３は、繊維が９０°方向に配向された層である。第３層４３は、９０°繊維シートを周縁領域３ａ及び他領域３ｂにわたって配置して形成する。
【００５２】
第４層４４は、主に繊維が０°方向に配向された層である。第４層４４は、周縁領域３ａに周縁領域用複合材を配置し、他領域３ｂに他領域用複合材を配置して形成する。
【００５３】
第５層４５は、第１層４１と同様に、繊維が＋４５°方向に配向された層である。第５層４５は、＋４５°繊維シートを周縁領域３ａ及び他領域３ｂにわたって配置して形成する。
【００５４】
第２層４２について、図５を参照して更に詳しく説明する。図５は、第２層４２の要部平面図である。図５において、第２層４２は、主荷重が負荷される方向ｔに沿って間隔を空けて並べて形成された複数の孔５と、孔５の周りにある周縁領域３ａと、周縁領域３ａを挟んで両側にある他領域３ｂとから構成されている。周縁領域３ａは、第１周縁領域用複合材が配置されてなる第１エリア１０と第２周縁領域用複合材が配置されてなる第２エリア１１とを含む。第１周縁領域用複合材および第２周縁領域用複合材は、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材（複合材Ａ）である。ここで、「連続繊維」とは周縁領域３ａがｔ方向に切断されていない状態を示す。複合材Ａは、シート状のプリプレグまたは半含浸プリプレグなどである。
【００５５】
第１エリア１０は、複合材Ａの幅Ｗの中心線が隣合う孔５と孔５との間をぬうように通るよう複合材Ａを屈曲させ蛇行配置してなる。複合材Ａは、複数の孔５の中心を通る線を軸として対象に蛇行させるとよい。複合材Ａは、複数の幅細のプリプレグが並べられて幅Ｗとなったものでもよい。
【００５６】
幅Ｗは、複合材Ａを蛇行配置したときに隣合う孔５と孔５との間を複合材Ａで埋められる長さにするとよい。幅Ｗは、連続繊維の配向に直交する方向における複合材の長さである。複合材Ａの幅Ｗは、隣合う孔５の中心間距離Ｌにより定めることができる。例えば、図５のように１の傾斜部の繊維の向きが次の傾斜部の繊維の向きと直交する（θ＝９０°の）場合、幅Ｗは隣合う孔５の中心間距離Ｌの１／√２以下にするとよい。
【００５７】
第１エリア１０は、傾斜部１２および平行部１３を含む。傾斜部１２および平行部１３は交互に配置されている。図５では、傾斜部１２から平行部１３となる際は、所定の角度で繊維配向が切り替わるよう複合材Ａが屈曲しているが、曲線を描くように徐々に繊維配向が変化するよう屈曲させてもよい。
【００５８】
傾斜部１２は、隣合う孔５と孔５との間に位置し、複合材Ａ中の連続繊維が±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°の方向を向いている。
【００５９】
平行部１３は、孔５の短径（±９０°方向を向く直径）の延長線を含む位置に配置されている。平行部１３は、孔５の長径（孔５の０°方向の直径）に並行する領域にある第１エリア１０の外縁１３ａを含む位置にも配置されているとよい。平行部１３は、少なくとも一部が孔５に接している。
【００６０】
第２エリア１１は、蛇行した第１エリアの屈曲した部分である谷部である。第２エリア１１は、繊維配向が０°方向となるよう該谷部に第２周縁領域用複合材を配置してなる。
【００６１】
第４層４４も、第２層４２と同様の構成である。ただし、第４層４４の第１エリアは、第２層４２の第１エリアと山谷部の配置が逆となる蛇行形状であることが好ましい。具体的には、第２層４２における第１エリア１０が、複合材Ａが山部・谷部の順に屈曲を繰り返す蛇行形状であるとすると、第４層４４における第１エリアは、複合材Ａが谷部、山部の順に屈曲を繰り返す蛇行形状とする。そのような第１エリアを含む第２層４２および第４層４４を積層すると、第２層４２の第１エリアの山部と、第４層４４の第１エリアの谷部とが上下対になる。
【００６２】
以上のような第１層４１〜第５層４５を繰り返し、あるいはこれらの層の任意の組み合わせを適宜行う（図５参照）ことによって、他領域３ｂに比べて、周縁領域３ａを±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°の配向比率を主体とすることができる。
【００６３】
次に、上記構成の主翼１を用いた際の作用効果について説明する。
飛行時、主翼１には、その先端が上向きに変位するように荷重が加わる。したがって、主翼１の下面外板３には、その延在方向（０°方向）に引張り荷重が加わる。０°方向の引張り荷重は、周縁領域３ａではなく、下面外板３の他領域３ｂが主として負担する。なぜなら、周縁領域３ａは、他領域３ｂに比べて±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°配向の繊維が主体とされており０°方向の引張り荷重に対して剛性が低い領域とされているからである。したがって、周縁領域３ａには、他領域３ｂに比べて小さな引張り荷重しか加わらないので、周縁領域３ａの必要強度が下がる。つまり、増厚のための強化用積層体を孔周りに設ける必要がない。理解の容易のために、図１（ｂ）には、強化用積層体１０４が併せて示されている。このように、強化用積層体１０４が不要となるので、この分だけ軽量化することができる。
【００６４】
また、周縁領域３ａは、±３０°以上±６０°以下、好ましくは±４５°を主体としているので、剪断方向の剛性すなわち捩り剛性については強化されている。したがって、周縁領域３ａは、軸力（引張り荷重）を負担せず、捩り荷重を負担するようになっている。
【００６５】
周縁領域３ａは、長手方向に引き揃えられた連続繊維で強化された複合材Ａを蛇行させてなる第１エリア１０を含む。複合材Ａは連続繊維を含むため、屈曲させても繊維は連続した状態が維持される。繊維が連続していることで、短繊維を用いた場合と比較して、０°方向における強度を向上できる。また連続繊維で強化した複合材を用いることで、第１エリア内の繊維配向が変化する境界において隙間が発生する懸念もない。これにより、従来よりも高精度の複合材構造体となる。
【００６６】
孔５の間をぬうように複合材Ａを蛇行させることで、複数の孔周りでまとめて第１エリア１０を形成できるため、機械により複合材Ａを配置させることが可能であるし、効率的に製造できるようになる。
【００６７】
傾斜部１２を孔５と孔５との間に配置することで、０°方向（一方向）の引張り剛性が低下して引張り方向（および／または圧縮方向）の伸びを許容する領域を実現することができる。傾斜部１２では、±３０°以上±６０°以下の方向、好ましくは±４５°方向に繊維が向いているので、剪断方向（一方向に対して直交する方向、すなわち±９０°方向）の強度が大きくなり、捩り剛性を高めることができる。
【００６８】
孔５の±９０°方向を向く径の延長線上に平行部を設けることで、破断しやすい箇所の強度を低下させずに、孔５の周縁領域３ａに加わる応力集中を緩和することが可能となる。これにより、実体強度の強い複合材構造体となる。
【００６９】
境界となる周縁領域３ａに平行部１３を配置することで、周縁領域３ａでの繊維の向きを、隣接する他領域３ｂでの繊維の向きと揃えることができる。それにより、周縁領域３ａと他領域３ｂとの境界における±９０°方向の強度低下を抑制できる。
【００７０】
繊維シートを積層する際、１の層の第１エリアＡの山部と別の層の第１エリアＢの谷部とが対になるようにすることで、繊維シートの境界を上下方向でずらすことができる。それにより、±９０°方向の強度低下リスクを分散できる。
【００７１】
〔第２実施形態〕
本実施形態に係る複合材構造体は、平行部を設ける範囲が異なる以外は第１実施形態と同様の構成である。
図６に、本実施形態に係る第２層５２の要部平面図を示す。本実施形態において、平行部１３は、孔５の長径（０°方向の直径）と並行する領域にわたって配置されている。平行部の長さは、孔５の長径と同じである。
【００７２】
孔５と並行する領域すべてを平行部とすることで、０°方向に対する孔周りの強度を向上できる。また、孔の±９０°方向において繊維の方向が切り替わる境界がなくなるため、±９０°方向に対する孔周りの強度を向上できる。
【００７３】
なお、上記実施形態は主翼１の下面外板３への適用について説明したが、本発明はこれに限定されず、孔を有する複合材構造体であれば広く適用することができる。
例えば、下面外板３とともにトルクボックスを構成する上面外板に、下面外板３と同様の構成を適用しても良い。また、本実施形態は、尾翼などにも適用することができる。
【００７４】
また、上記実施形態は、窓用孔が形成された航空機胴体に適用することもできる。さらには、本発明の複合材構造体は、航空機に限定されず、例えば船舶や車両等にも適用することができる。
【００７５】
また、上記実施形態では、主として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を主として用いることとしたが、本発明はこれに限定されず、例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）やアラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ：Ａｒａｍｉｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）を用いても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１  主翼
３  下面外板（複合材構造体）
３ａ  周縁領域
３ｂ  他領域
５  アクセスホール（孔）
１０  第１エリア
１１  第２エリア
１２  傾斜部
１３  平行部
１３ａ  （平行部の）外縁
２０  フロントスパー
２２  リアスパー
２４  上面外板
２６  ストリンガ
２８  リブ
３０  ファスナ
４１  第１層
４２  第２層
４３  第３層
４４  第４層
４５  第５層
１０４  強化用積層体
【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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