(57)【要約】【課題】部品の総数が少なく、高い曲げ強度を有するが、Ｉ字断面ストリンガーのコストおよび複雑さを伴わない一体のストリンガーを備える航空機用の複合材料外皮パネルを提供する。【解決手段】内面を有する複合材料パネルのためのブレードストリンガーが、前記パネルの内面に取り付けられて前記パネルの内面からほぼ垂直に延びているウェブを備える近位部分と、遠位自由端とを備える。前記ウェブは、厚さおよび高さを有し、複数の連続的な複合材料のプライを含む。前記遠位自由端は、前記連続的なプライの間に挟まれ、前記連続的なプライと一緒に硬化させられた複数の局所プライを有し、前記ウェブの厚さよりも大きくかつ前記ウェブの高さの約３分の１よりも小さい厚さを有する膨らみを定めている。【選択図】図１
2015147412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面を有する複合材料パネルのためのブレードストリンガー（１０２）であって、
ウェブ（１０８）を備える近位部分であって、前記ウェブ（１０８）が前記パネル（１００）の内面（１０４）に取り付けられ、且つ前記パネル（１００）の内面（１０４）からほぼ垂直に延びており、該ウェブ（１０８）が、ウェブ厚さおよびウェブ高さを有するとともに、複数の連続的な複合材料のプライを含む、近位部分と、
複数の局所プライを有する遠位自由端（１１２）であって、前記複数の局所プライが、前記連続的なプライの間に挟まれ、且つ前記連続的なプライと一緒に硬化させられ、前記複数の局所プライが、前記ウェブ（１０８）の前記連続的な複合材料のプライに実質的に平行であり、前記ウェブ厚さよりも大きくかつ前記ウェブ高さの約３分の１よりも小さい厚さを有する膨らみ（１１０）を定めている、遠位自由端（１１２）と
を備えるブレードストリンガー（１０２）。
【請求項２】
前記ウェブ（１０８）を前記パネル（１００）に取り付ける近位フランジをさらに備える請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項３】
前記近位フランジが、約２インチ〜約８インチの幅を有する請求項２に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項４】
前記近位フランジが、約０．０２インチ〜約０．５インチの厚さを有する請求項２に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項５】
前記膨らみ（１１０）が、約０．０４インチよりも大きく、３と１／３インチよりも小さい厚さを有する請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項６】
前記膨らみ（１１０）が、該膨らみの厚さから前記ウェブ厚さを引き算した値の７．５倍以上かつ前記ウェブ高さの１／３以下の高さを有する請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項７】
前記ウェブ高さが、約２インチ〜１０インチであり、前記ウェブ厚さが、約０．０４インチ〜約１インチである請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項８】
前記複数の局所プライおよび前記複数の連続的なプライが、ほぼ等しい数であり、前記局所プライが、連続的なプライの間にほぼ交互に配置されている請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項９】
前記膨らみ（１１０）の外側寄りに位置する局所プライが、該膨らみの内側寄りに位置する局所プライよりも、前記ウェブの高さに対してより短い長さを有する請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項１０】
前記パネル（１００）の隣のブレードストリンガーから約５インチ〜１５インチに、該隣のブレードストリンガーに実質的に平行に位置する請求項１に記載のブレードストリンガー（１０２）。
【請求項１１】
航空機用の複合材料外皮パネル（１００）を製造するための方法であって、
複数の連続的な複合材料のプライを、ストリンガーの近位フランジ部分と、中間のウェブ部分と、遠位自由端（１１２）とを定めるストリンガー積層体にて用意するステップと、
前記遠位端にて終端する領域において前記連続的な複合材料のプライのうちの少なくとも特定のプライの間に複数の局所複合材料プライを挟み、前記ウェブ部分の厚さよりも大きい厚さを有する前記遠位端の膨らみ（１１０）を形成するステップと、
前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを一緒に硬化させ、近位側のフランジと遠位側の膨らみとを有する単一のストリンガーを生み出すステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記連続的な複合材料のプライのうちの少なくとも特定のプライの間に前記複数の局所複合材料プライを挟むステップが、前記膨らみ（１１０）の外側寄りでは前記ウェブの高さに対してより低い高さを有する局所プライを挟み、前記膨らみ（１１０）の内側寄りでは前記ウェブの高さに対してより高い高さを有する局所プライを挟むステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを硬化させるステップが、一体のストリンガーを備える複合材料製の単一の外皮パネル（１００）を生み出すために、前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを、前記フランジ部分を複合材料製の外皮パネル（１００）に当接する関係に配置して、該複合材料製の外皮パネル（１００）と一緒に硬化させるステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ストリンガーの遠位端を実質的に四角形の端部を定めるように切り整えるステップ
をさらに含む請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストリンガーが取り付けられた航空機の外皮パネルに関する。より詳しくは、本発明は、複合材料製の航空機の外皮パネルのための積層Ｉ字ブレードストリンガーに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機は、一般に、滑らかな空気力学的な外面を形成すべく外皮パネルを取り付けることができる内部の骨格と見なすことができる機体を備える。翼も、外皮パネルで覆われる内部の構造を備える。典型的には、外皮パネルは、航空機の重量を最小限にし、積載量および航続距離を大きくするために、軽量で薄い。外皮パネルは薄いため、通常は曲がりやすく、飛行時の望ましくない運動、たわみ、および振動を防止するために、補強が設けられることが多い。
【０００３】
航空機の外皮パネルは、多くの場合、所望の補強をもたらすためにストリンガーを備える。これらのストリンガーは、「フレーム」、「スティフナ」、または「フランジ」と称されることもあるが、基本的には、パネルの下面（複合材料パネルの「内側成形線」またはＩＭＬとも称される）に固定に取り付けられ、パネルの平面に対しておおむね垂直な直立リブである。ストリンガーは、曲げにおいて比較的剛性の低い平坦なパネルを効果的に引き受け、曲げ剛性を実質的に向上させる。リブは、パネルの断面の奥行きを大きく増加させ、剛性の顕著な向上をもたらすという効果を有する。これらのストリンガーは、Ｓ字形、Ｉ字形、箱形またはＵ字形、直線的またはブレード状など、さまざまな断面形状を有することができる。ストリンガーがもたらす追加の剛性の量は、そのサイズ、形状、厚さ、および隣り同士のストリンガーの間隔に依存する。
【０００４】
ストリンガーを有する航空機の外皮パネルは、金属外皮（例えば、アルミニウム）の航空機および複合構造の航空機の両方において使用される。アルミニウム製の航空機の場合、ストリンガーを備える外皮パネルをもたらすために、通常は、金属製の構造形状のフランジをリベット、接着剤、または何らかの他の固定方法で航空機の外皮パネルの片面に取り付ける必要がある。ストリンガーの構造形状は、例えば圧延または押し出しによる断面であってよい。
【０００５】
しかしながら、複合材料製の航空機の場合には、パネルが硬化させた炭素繊維複合材料であり、複合材料の細長い構造形状の製造に用いられるプロセスが、通常は金属の構造形状に用いられるプロセスと同じではないことに鑑みて、外皮パネルにストリンガーを設けることがより複雑である。代わりに、複合材料の構造形状は、通常は、複合材料のいくつかの異なるプライを所望の形状をもたらす型において一緒に加熱して硬化させることによって生み出され、あるいは同時に固められる熱可塑性の各層によって生み出される。これらのプロセスは、多数の部品を必要とする可能性があり、或る程度労働集約的になる可能性がある。したがって、ブレードの形状以外の何らかの形状の同時硬化によるストリンガーを備える複合材料外皮パネルの製造には、かなりの時間および複雑さが伴い、これが航空機のコストを増大させる。
【０００６】
本発明は、上述の問題のうちの１つ以上の問題への対処に向けられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
部品の総数が少ない一体のストリンガーを備える航空機用の複合材料外皮パネルを有することが、望ましいと考えられる。
【０００８】
また、高い曲げ強度を有しつつ、Ｉ字断面ストリンガーのコストおよび複雑さを伴わない一体のストリンガーを備える航空機用の複合材料外皮パネルを有することが、望ましいと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態によれば、本発明は、内面を有する複合材料パネルのためのブレードストリンガーを提供する。ブレードストリンガーが、近位部分と、遠位自由端とを備え、近位部分が、パネルの内面に取り付けられてパネルの内面からほぼ垂直に延びるウェブを備える。ウェブは、厚さおよび高さを有し、複数の連続的な複合材料のプライを備える。遠位自由端は、前記連続的なプライの間に挟まれ、前記連続的なプライと一緒に硬化させられた複数の局所プライを有し、ウェブの厚さよりも大きくかつウェブ高さの約３分の１よりも小さい厚さを有する膨らみを定めている。
【００１０】
別の実施形態によれば、本発明は、航空機用の複合材料外皮パネルを提供する。複合材料外皮パネルが、複合材料のパネルを備え、少なくとも１つのブレードストリンガーが、この外皮パネルにおおむね垂直に延び、複数の複合材料層を備える。ブレードストリンガーは、中間のウェブ部分と、ウェブの遠位端の膨らみとを有し、ウェブ部分が、複合材料のプライを備え、ウェブ高さおよびウェブ厚さを有し、ウェブの遠位端の膨らみが、複合材料のプライを備え、ウェブ厚さよりも大きくかつウェブ高さの約３分の１よりも小さい膨らみ厚さを有する。
【００１１】
さらに別の実施形態によれば、本発明は、航空機用の複合材料外皮パネルを製造するための方法を提供する。本方法は、複数の連続的な複合材料のプライを、ストリンガーの近位フランジ部分と、中間のウェブ部分と、遠位自由端とを定めるストリンガー積層体にて用意するステップを含む。本方法は、前記遠位端にて終端する領域において前記連続的な複合材料のプライのうちの少なくとも特定のプライの間に複数の局所複合材料プライを挟み、前記ウェブ部分の厚さよりも大きい厚さを有する遠位端の膨らみを形成するステップをさらに含む。本方法は、前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを一緒に硬化させ、近位側のフランジと遠位側の膨らみとを有する単一のストリンガーを生み出すステップをさらに含む。
【００１２】
本発明のさらなる特徴および利点が、以下の詳細な説明を図面と併せて理解することによって、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による複数のＩ字ブレードストリンガーを有する複合材料外皮パネルの実施形態の斜視図である。
【図２】航空機の翼構造の部分切断の斜視図であり、ストリンガーを有する翼外皮パネルの位置および構成を示している。
【図３】Ｉ字の断面形状を有するストリンガーを有する先行技術の翼外皮パネルの斜視図である。
【図４】ブレード状のストリンガーを有する先行技術の翼外皮パネルの斜視図である。
【図５】本発明による複合材料Ｉ字ブレードストリンガーの断面図であり、膨らみ部分の挟み込まれたプライを示している。
【図６】本発明による複合材料Ｉ字ブレードストリンガーの製造に使用することができる炭素繊維当て板の斜視図を示している。
【図７】本発明による複合材料Ｉ字ブレードストリンガーの炭素繊維のプライの周囲に配置された当て板の向きを示す断面図である。
【図８】硬化前の積層されたＩ字ブレードストリンガーの一部分の斜視図である。
【図９】硬化後かつ切り整えられる前の本発明による硬化したＩ字ブレードストリンガーおよび外皮部分の実施形態の斜視図である。
【図１０】切り整えられた後の本発明による複合材料Ｉ字ブレードストリンガーの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、種々の変更および代案の形態の余地を有するが、特定の実施形態が、図面に例として示されており、本明細書において詳しく説明される。しかしながら、本発明が開示される特定の形態に限られるわけではないことを、理解すべきである。むしろ、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的思想および技術的範囲に包含されるすべての変更、均等物、および代案が、保護対象として意図される。
【００１５】
複合構造は、多くの点で金属構造よりも効率的でありうるが、ストリンガーを備える複合材料製の航空機の外皮パネルをもたらすためには、複合材料の製造のプロセスおよび特性の相違ゆえに、金属製の航空機の外皮について行われるプロセスとは異なるプロセスが必要である。このプロセスは、多数の部品が関係する可能性があり、或る程度労働集約的になる可能性があり、したがってかなりの時間および複雑さを伴い、航空機などの構造のコストを高くする。
【００１６】
好都合なことに、ストリンガーを有する複合材料製の外皮パネルおよびその製作の方法であって、金属材料からなる同等のパネルと比べてより軽量、より効率的、かつより安価でありうる大幅に強化された複合パネルをもたらしながら、ストリンガーを備える複合材料製の外皮パネルの他の製造方法につきまとう複雑さおよび労力を軽減する外皮パネルおよび方法が開発された。図１が、本発明の実施形態による複数の一体型のＩ字ブレードストリンガー（Ｉ−ｂｌａｄｅ  ｓｔｒｉｎｇｅｒ）１０２を有する複合材料製の航空機の外皮パネル１００の一実施形態の一部分の斜視図である。外皮パネル１００は湾曲しており、内面１０４および外面１０６を備え、パネルを航空機の構造に取り付けるための取り付け点１０７を備える。Ｉ字ブレードストリンガー１０２は、通常は直線状であり、内面１０４から延びる実質的に平行なアレイにて並べられている。Ｉ字ブレードストリンガー１０２の各々は、外皮パネル１００の内面１０４に対して実質的に垂直に直立する直立ウェブ部分１０８を備え、各々のストリンガー１０２の遠位自由端１１２に厚くされた膨らみ部分１１０が位置している。外皮パネル１００が湾曲しているが、本発明が、湾曲していないパネルにおけるストリンガーにも適用可能であることを、理解すべきである。
【００１７】
当業者であれば、比較的薄い外皮パネル１００に一体に取り付けられた直立ストリンガー１０２が、パネルの図心軸（図５の１０５）を中心とする慣性モーメントを大きくする効果を有し、特に厚くされた膨らみ部分１１０を設けることで、膨らみ部分を持たない同等のストリンガーと比べてストリンガーの断面の慣性モーメントが大きくなることを、理解できるであろう。この慣性モーメントの増大が、断面の図心軸（図５の１０５）を中心とする曲げにおいて、パネルとストリンガーとを組み合わせた集合体の強度を向上させる。これは、通常であればはるかに背の高いブレード状ストリンガーを設けなければならないような曲げ剛性を有する複合パネルの製造を可能にする。背の低いストリンガーは、航空機の構造においてシステムおよび積荷のための空間をより大きくすることができる。本明細書に示される検討において、用語「剛性」および「曲げ剛性」は、文脈に応じて、ストリンガーまたはストリンガーを備えるパネルの曲げ強度を指して入れ換え可能に使用される。同様に、本明細書は、パネルおよび／またはストリンガーの「剛性」または「曲げ剛性」あるいは「慣性モーメント」の増大に、入れ換え可能に言及する。本明細書において使用されるとき、用語「安定性」は、一般に座屈に対する抵抗に関係し、より具体的には、圧縮荷重によって引き起こされる圧縮荷重の方向に対して垂直な方向の横変形に対する構造部材の抵抗を指す。
【００１８】
ストリンガーを備える外皮パネルは、航空機の製造において一般的に知られている。航空機の翼構造２００の分解斜視図が、図２に示されている。翼構造は、翼２００の根元２０８から翼の先端２１０に延びる前部の翼桁２０２、中央部の翼桁２０４、および後部の翼桁２０６を備える。これらの翼桁２０２、２０４、２０６は、翼２００の根元から先端に先細りであり、全長にわたって複数のリブ２１２が取り付けられている。リブ２１２は、翼桁２０２、２０４、２０６に対しておおむね垂直に向けられ、各々のリブ位置における翼２００の断面形状に対応する外形を有する。
【００１９】
翼２００の最終的な形状および空気力学的な外形をもたらす外皮パネル２１４が、翼のリブ２１２に取り付けられている。各々の外皮パネル２１４が、おおむね平滑な外面２１６を有し、所与の位置において航空機の構造に取り付けられるように形作られている。典型的な外皮パネル２１４が、図２において翼２００から取り外され、このパネルの内面２１８を見て取ることができるように裏返されている。翼パネルの内面２１８に、互いにおおむね平行かつ翼２００の翼桁２０２、２０４、２０６に対しておおむね平行に向けられた複数のストリンガー２２０が配置されている。図２に示される実施形態においては、リブ２１２が、リブ２１２に対しておおむね垂直に延びるストリンガー２２０を通すことができるように、外周の複数の切り欠き２２２（当業者にとって、「マウスホール」としても知られる）を備える。リブ２１２の構成から理解できるとおり、例えば翼の上面および下面ならびに根元２０８の付近および先端２１０の付近など、翼２００の大部分において、外皮パネルが剛性を高めるためにストリンガーを備えることが考えられる。ストリンガー２２０は、比較的薄い外皮パネル２１４にかなりの剛性を加える。例えば胴体などの航空機の他の部分の外皮パネルも、強度を高めるためにストリンガーを備えることができる。本発明に従って構成されるストリンガーの別のさらなる利益は、ストリンガーが構造的により効率的（例えば、所与の強度においてより背が低く、さらには／あるいはより薄い）であることで、切り欠き２２２をより小さくすることができ、したがってリブ２１２も構造的により効率的にできる点にある。
【００２０】
ストリンガー２２０を、さまざまなやり方で構成することができる。Ｉ字の断面形状を有するストリンガー２２０ａを有する先行技術の外皮パネル２１４ａの一実施形態の内面２１８ａの斜視図が、図３に示されている。すなわち、各々のストリンガー２２０ａが、パネル２１４ａの内面２１８ａに対しておおむね垂直に直立するウェブ部分２２６ａを備え、各々のストリンガー２２０ａの遠位自由端２３０ａに、ウェブ部分２２６ａに対しておおむね垂直に向けられた遠位部フランジ２２８が配置されている。このストリンガーの構成は、外皮パネル２１４ａにかなりの剛性をもたらす。しかしながら、複合材料の製造技術を用いてこの種の外皮パネルを製造することは、比較的複雑である。例えば、図３に示したストリンガーのようなＩ字断面ストリンガーを有する複合材料製の外皮パネルは、各々のＩ字断面ストリンガーを形成するために、翼の外皮に一緒に接着される６つの別々の部品を含む可能性がある。この数に所与のパネルにおけるストリンガーの数が掛け算されるとき、どのように部品の総数が多くなり、製造における労苦が多大になるのかを、容易に理解することができる。さらに、複合材料および複合材料の技術を用いてこの構成を製造する場合、典型的には、各々のＴ字合流点において隣接するプライ群の間に細長い丸み付け用の充てん材を配置しなければならず、結果として部品の総数および製造における複雑さが増し、製造欠陥につながる可能性がある。
【００２１】
複合材料製の外皮パネルにストリンガーを設けるための１つの代案として、切り整えられたブレード状断面のストリンガーが使用されている。図４に、ブレード型または直線的なストリンガー２２０ｂを有する先行技術の翼外皮パネル２１４ｂの内面２１８ｂの斜視図が示されている。これらのストリンガー２２０ｂの各々は、パネル２１４ｂの内面２１８ｂに対しておおむね垂直に直立するウェブ部分２２６ｂを備える。図３の実施形態と異なり、これらのストリンガー２２０ｂは、遠位端２３０ｂの底部フランジを備えておらず、むしろ直線的なウェブ部分２２６ｂが遠位端２３０ｂにおいて単純に途切れている。このストリンガーの構成は、図３に示したＩ字断面ストリンガーの構成と比べて部品の数が少ないが、所与のストリンガー２２０ｂの全高、厚さ、および間隔において、図３の実施形態と比べて曲げ剛性の向上が少なく（すなわち、慣性モーメントが小さい）、外皮パネル２１４ｂの安定性の向上も小さい。この設計は、図３に示したＩ字断面ストリンガーの構成と比べて構造的にあまり効率的でなく、ストリンガーの高さが限られる場合に同等の外皮パネルの剛性を得るために、より多くの材料を必要とすると考えられる。すなわち、同等の外皮パネルの剛性を得るために、ストリンガーの厚さを増し、さらには／あるいは外皮パネル部分ごとにより多数のストリンガーを追加する（すなわち、ストリンガーをより密な間隔で配置する）必要があると考えられる。これらの手法のいずれも、外皮パネルの重量を増加させ、ブレード状ストリンガーを使用するそもそもの利点の一部を少なくとも部分的に打ち消すことになる。
【００２２】
好都合なことに、図１に示したＩ字ブレードストリンガー１０２は、ほぼブレード状ストリンガーの単純さを有しつつ、Ｉ字断面ストリンガーと同様の剛性および安定性の顕著な向上を、より少ない部品であまり複雑になることなくもたらす複合材料製の外皮パネルの製造を可能にする。ブレード状ストリンガーのコストおよび単純化の利点の多くが、Ｉ字ブレードストリンガーの構成にも当てはまるが、構造的には、上部が切り整えられたＩ字ブレードストリンガーは、Ｉ字断面とほぼ同様に機能する。したがって、用語「Ｉ字ブレード」が、本明細書において、ブレード状ストリンガーおよびＩ字断面ストリンガーの両方の特徴を有するストリンガー１０２の断面形状を指して使用されることは、明らかであろう。すなわち、ストリンガー１０２は、ブレード状ストリンガーと同様に底部フランジを有していないが、Ｉ字断面ストリンガーと同様に、同等のブレード状ストリンガーよりも大きい慣性モーメントを有する。この断面形状を指して、他の用語も使用可能であることを理解すべきである。例えば、この形状を「膨らみＴ字（ｂｕｌｂ−ｔｅｅ）」断面と称することも可能である。しかしながら、用語「Ｉ字ブレード」が、本明細書において使用される。
【００２３】
図５に、本発明による複合材料Ｉ字ブレードストリンガー１０２の断面図が、外皮パネル１００の一部分に取り付けられて示されている。このストリンガー１０２は、外皮パネル１００に沿ったフランジ１１４と、鉛直ウェブ１０８と、ウェブ１０８の遠位自由端１１２に位置するウェブ安定化膨らみ部分１１０とを備える。外皮パネル１００が、内面１０４および外面１０６を備え、Ｉ字ブレードストリンガー１０２が、内面１０４からおおむね垂直に延びている。Ｉ字ブレードストリンガー１０２は、外皮パネル１００の内面１０４に平行であり、外皮パネル１００の内面１０４に貼り付けられている底部フランジ１１４を備え、外皮パネル１００は、やはり貼り合わせられた複数のプライ１０３で構成されている。底部フランジ１１４の各部は、樹脂材料で含浸され、互いに上下に重ねられ、一ユニットとしてストリンガー全体と一体に硬化（すなわち、型内に保持されて熱に曝露）させられた炭素繊維（例えば、織られた繊維または直線的な繊維）のシートの複数の連続的な層またはプライ１１６の積層である。ストリンガー１０２を、一ユニットとして別途硬化させ、次いで第２の効果段階においてすでに硬化済みの外皮パネル１００に貼り合わせることができる。あるいは、ストリンガー１０２および外皮パネル１００を、１つのユニットとして一緒に硬化させることができる。フランジ１１４の各側を形成している連続的なプライ１１６は、直立しているウェブ部分１０８に上方に一緒に湾曲している。底部フランジ１１４の各部分の連続的なプライ１１６の積層が、上方に湾曲して互いに当接し、そこでこれらの積層が一体に結合し、ウェブ部分１０８を形成している。このようにして、ウェブ部分１０８は、各々のフランジ１１４の厚さの基本的に２倍の厚さを有する。
【００２４】
フランジおよびウェブ部分の連続的なプライ１１６は、ストリンガー１０２の遠位端１１２に続いている。しかしながら、ストリンガーは、遠位端に厚くなった膨らみ部分１１０を備え、この膨らみ部分１１０は、この膨らみ部分１１０を厚くするために連続的なプライ１１６の間に複数の局所プライ１１８を交互に重ねることによって生み出されている。局所プライ１１８は、ウェブ１０８の遠位端１１２の厚さ（したがって、断面積）を所望の量だけ増やすために、所定の量および配置にてウェブ１０８の遠位端１１２に追加されている。この遠位端１１２の追加の厚さが、ストリンガー１０２の断面の慣性モーメントを増やし、したがってストリンガーの曲げ剛性および衝突後の圧縮に対する抵抗を大きく向上させる。
【００２５】
好都合なことに、この特有のストリンガー形状を、現行のドレープ成形技術または他の製造技術によって実現することができる。本明細書においては、当て板（ｃａｕｌ  ｐｌａｔｅｓ）のみを使用するドレープ成形技術を提案するが、これがあくまでも１つの考えられる製造技術にすぎないことを、理解すべきである。ここには示されないが、ドレープ成形技術が、典型的には、炭素繊維複合材料のプライを何らかの種類の型またはツールに対して配置し、この集合体を硬化させるときに当て板、クランプ、などによってこれらのプライを型およびお互いに対して固定および圧縮することを必要とすることを、当業者であれば理解できるであろう。また、製造の目的において必ずしもドレープ成形法を選択しなくてもよく、積層複合材料部品を製造するための任意の適切な方法を使用することができる。例えば、熱可塑性の同時硬化プロセスを使用することもできる。図６に、本発明による複合材料Ｉ字ブレードストリンガー１０２の製造に使用した炭素繊維の当て板１２０の斜視図が示されている。図７が、複合材料Ｉ字ブレードストリンガー１０２の炭素繊維のプライ１１６、１１８の周囲に配置された当て板１２０の向きを示す断面図を示しており、図８が、硬化前の当て板１２０の間に挟まれたドレープ成形によるＩ字ブレードストリンガー１０２の一部分の斜視図を示している。各々の当て板１２０が、ブレードストリンガー１０２の片側の外形のそれぞれの部分に対応するフランジ部分１２２、ウェブ部分１２４、および膨らみ部分１２６を備える。
【００２６】
本明細書に示されるドレープ成形法においては、フランジおよびウェブ部分１１４、１０８のプライ１１６、１１８が、（ツールまたは型を使用することなく）当て板１２０に対して掛けられ、次いで機械的に一体に締め付けられ、その後に型など（図示されていない）によって外皮パネル１００のプライ１０３の積層に対して固定される。再び図５を参照すると、ウェブ部分１０８から膨らみ１１０への緩やかなテーパをもたらすために、局所プライ１１８は、膨らみ１１０の内側寄りよりも膨らみ１１０の外側寄りにおいて（ウェブ１０８の高さに対して）より短い。これが、ウェブ１０８から膨らみ１１０への移行の領域に、テーパ状の外面１３０をもたらす。
【００２７】
連続的なプライ１１６の数に対する追加の局所プライ１１８の数は、さまざまであってよい。一実施形態においては、追加の局所プライ１１８の数が連続的なプライ１１６の数よりも少なく、したがって局所プライ１１８が、少なくとも膨らみ１１０の断面の一部分において、すべての連続的なプライの間に配置されるよりも少ない。別の実施形態においては、追加の局所プライ１１８の数が連続的なプライ１１６の数にほぼ等しく、したがって局所プライ１１８が、連続的なプライ１１６の各組またはほぼすべての組の間に配置される。追加の局所プライ１１８の数は、連続的なプライ１１６の数より多くてもよい。局所プライ１１８および連続的なプライ１１６が共通の厚さである場合、この後者の構成は、ウェブ１０８のほぼ２倍の厚さの膨らみ１１０を生み出す。あるいは、局所プライ１１８が、連続的なプライ１１６の厚さとは異なる（すなわち、より厚く、あるいはより薄い）厚さを有してもよい。さらに、当業者であれば理解できるとおり、連続的なプライ１１６および局所プライ１１８のいずれかまたは両方が、種々の厚さであってよい。局所プライ１１８の数およびプライの厚さについて、種々の構成を使用することもできる。
【００２８】
当業者であれば理解できるとおり、本明細書に示されるＩ字ブレードストリンガー１０２は、フランジ１１４およびウェブ１０８の合流点にＴ字の断面をさらに備える。このストリンガーのためのプライを積層するために、丸み付け用の充てん材１３２を、ウェブ１０８の根元の小さな空間に配置することができる。この丸み付け用の充てん材１３２は、おおむね三角形の形状を有し、炭素繊維（例えば、織られており、あるいは織られていない）および樹脂や、適切な接着剤（例えば、樹脂製材料）を有するチタニウムなどの金属など、種々の材料からなってよい。丸み付け用の充てん材１３２の形状および材料は、ウェブ１０８の根元の空間を満たし、ストリンガー１０２および外皮パネル１００の複合材料を結合させるように選択され、丸み付け用の充てん材の材料に応じて、ストリンガーおよび外皮パネルの隣接部位間で荷重を伝達することもできる。好都合なことに、Ｉ字ブレードストリンガー１０２のこの構成は、Ｉ字断面ストリンガーに存在するような遠位端のフランジが存在しないため、ストリンガー部分の遠位端に丸み付け用の充てん材を含まない。丸み付け用の充てん材の使用を減らすことは、部品の総数の削減および製造の複雑さの軽減に役立ち、製造欠陥の可能性を減らし、硬化時の部品の熱安定性を向上させることができる。Ｔ字断面のストリンガーが図示および本明細書において説明されているが、１対のフランジ１１４よりもむしろＬ字形の断面およびただ１つのフランジを有するＩ字ブレードストリンガーも、本発明に従って構成できることを、理解できるであろう。
【００２９】
局所プライ１１８を挟み込むことによってウェブ１０８の遠位端１１２に膨らみ１１０を設けることで、連続的なプライ１１６の面内の補強繊維に丸みの特徴（図３の「Ｉ字」断面ストリンガーに遠位端のフランジを追加するために必要な９０°の丸みなど）を付加することなく、遠位端１１２を安定化させることができる。この構成は、ストリンガーの複雑さの軽減に役立ち、種々の不具合の態様を減らすうえでも役に立つことができる。さらに、膨らみ１１０は、Ｉ字ブレードストリンガー１０２を、膨らみを持たない同等の真っ直ぐなブレード状ストリンガーと比べてより少数の複合材料の連続的なプライ１１６で構成することも可能にする。間に配置された局所プライ１１８が、膨らみ１１０の領域における層間の応力を比較的小さくし、使用される連続的なプライ１１６の数が少なくても、真っ直ぐなブレード形状と比べてウェブ１０８の安定性を向上させる。
【００３０】
ストリンガー１０２および外皮パネル１００は、プライの積層後にそれぞれの型に固定され、積層されたアセンブリの全体がオートクレーブ内に配置され、まとめて硬化（すなわち、「同時硬化」）させられることで、複合材料の樹脂が染み込んで炭素繊維のすべてのプライを一体に結合させ、おおむね単一または一体の構造を生じさせる。好都合なことに、Ｉ字ブレードの構成は、硬化および冷却の段階の全体を通して良好な熱特性を呈することが明らかになっている。
【００３１】
複合材料の積層の硬化および冷却後に、アセンブリ全体がオートクレーブから取り出され、すべての型、当て板、および固定具を取り除くことができる。この時点で、硬化した素材アセンブリについて、最終的な製品とするための種々のやり方でのさらなる機械加工または処理が、すぐに可能である。これは、最終的な形状および構成を生み出すためのトリミング、切断、成形、研削、バリ取り、などを含むことができる。図９に、硬化後およびトリミング前の本発明による硬化済みのＩ字ブレードストリンガー１０２および外皮１００の実施形態の斜視図が示されている。図８および図９の図に示されるとおり、連続的なプライ１１６を、フランジ１１４の近位側の縁１２６において比較的良好に整列させることができ、したがってこの位置においては、トリミングがほとんどまたはまったく不要である。しかしながら、連続的なプライ１１６および局所プライ１１８が充分な長さを有することを確実にするために、これらのプライは、最初に積層されるときにストリンガーの遠位端１１２を過ぎて延びてよい。硬化後に、ストリンガー１０２の遠位端１１２を、図１０に示される一様かつ四角い端部の構成、あるいは丸みを帯びた形状、斜めの形状、放物線の形状、などの任意の他の所望の形状を生み出すように、切り整えることができる。
【００３２】
Ｉ字ブレードストリンガー１０２の寸法は、幅広くさまざまであってよい。図１０の断面図が、ストリンガー１０２の種々の一般的な寸法を示している。この図において、膨らみ１１０の厚さがＴｂで示されており、ウェブ１０８の厚さはＴｗであり、フランジ部分１１４の厚さがＴｆである。フランジの全体の幅がＷｆである。ストリンガーの全高がＨｓである。膨らみ１１０を含むウェブの高さがＨｗであり、つなぎ目のテーパ１３０を含む膨らみ１１０の高さがＨｂである。一般に、膨らみ１１０が、ウェブの厚さＴｗよりも大きいが、ウェブの高さＨｗの３分の１よりも小さい厚さＴｂを有することが、望ましいと考えられる。一典型的な実施形態においては、ウェブの高さＨｗが約２インチ〜１０インチであり、ウェブの厚さＴｗが約０．０４０インチ〜１インチの範囲である。ウェブの厚さＴｗがフランジの厚さＴｆの２倍であることは明らかであろう。フランジの幅Ｗｆは、約２インチ〜約８インチであってよい。膨らみの高さＨｂは、膨らみ１１０の厚さＴｂおよびウェブ１０８の厚さＴｗの関数であってよい。一実施形態においては、Ｈｂの最大値が約１／３（Ｈｗ）であり、Ｈｂの最小値が約７．５＊（Ｔｂ−Ｔｗ）である。この最小値は、全体としての厚さの増加の半分に対して１０：１であるつなぎのテーパの角度の１．５倍である。他の割合も使用可能である。外皮の厚さＴｓは、任意の厚さであってよい。すなわち、製造の目的において、ストリンガー１０２の寸法は、外皮１００の厚さに依存せず、理論的には、ほぼ任意の寸法設定のストリンガーを、任意の厚さの外皮において使用することができる。上述の寸法があくまでも例示にすぎず、他の寸法も使用可能であることを、理解すべきである。
【００３３】
製造および試験した１つの特定の例では、ストリンガーの全高Ｈｓを３と３／８インチにし、ウェブの高さＨｗを３インチとし、膨らみ１１０の厚さＴｂを１３／１６インチとした。この実施形態において、ウェブの厚さＴｗを３／８インチとし、フランジの厚さＴｆを３／１６インチとする一方で、全体としてのフランジの幅Ｗｆを５と１／８インチにした。この特定の例においては、膨らみの高さＨｂを１と３／１６インチにし、膨らみのテーパ１３０の長さを１／２インチにした。この特定の実施形態において、ウェブ１０８の複合材料の連続的なプライの数は、合計で５０であり、膨らみ１１０を生み出すために追加された局所プライの数は、５６であった。これらの局所プライの高さは、３／４インチ〜１と１／４インチであった。やはり、上述の寸法があくまでも例示にすぎず、他の寸法も使用できることを、理解すべきである。
【００３４】
個々の用途における本発明によるＩ字ブレードストリンガーの寸法が、隣り合うストリンガーの間隔に少なくとも部分的に依存する可能性が高いことが、明らかであろう。図１を参照すると、ストリンガー１０２が、互いに実質的に平行であり、間隔Ｓｓだけ離れている。５インチ〜１５インチのストリンガー間隔Ｓｓを使用できると考えられる。任意の所与の状況において所望される間隔は、該当の個々の外皮パネルおよび外皮パネルに加わる空気力学的な荷重に依存し、さらにパネルの厚さ、形状、および曲率などの他の因子、ならびにストリンガーのサイズについての幾何学的および空間的な制約に依存することができる。
【００３５】
本明細書に開示のＩ字ブレードストリンガーは、複合材料パネルのためのストリンガーであって、パネル１００に沿ったフランジ１１４と、鉛直なウェブ１０８と、ウェブの遠位自由端１１２に位置するウェブ安定化の膨らみ１１０とを備えるストリンガーを提供する。本明細書に開示のＩ字ブレードストリンガーは、航空機の外皮パネルの文脈において提示されているが、この用途に限られるわけではない。この開示は、多数のさまざまな種類および多数のさまざまな用途のためのパネルに適用可能である。本発明に従って構成された外皮パネルを、翼または胴体のパネル、あるいは航空機の他の部品に使用することができる。このストリンガーの構成は、航空機の外皮に取り付けられたＩ字断面と或る程度同じように機能し、ブレード状ストリンガーがもたらす製造におけるコストの節約をほぼ維持しつつ、ブレード状ストリンガーと比べて曲げ剛性およびウェブの安定性の向上をもたらす。したがって、この構成は、Ｉ字断面ストリンガーおよびブレード状ストリンガーの両方からの望ましい特徴を適合させる。Ｉ断面を置き換えることが可能でありながら、部品が少なくて済み、それでいて優れた曲げ剛性およびウェブの安定性を依然として提供する。Ｉ字ブレードストリンガーは、同等の寸法のブレード状ストリンガーと比べたときに、曲げ剛性を維持するために所与の外皮パネル面積について必要なストリンガーの数を減らすこともできる。遠位端に膨らみを有するこのストリンガーの構成は、圧縮荷重のもとでの座屈に対して良好な抵抗も提供する。好都合なことに、Ｉ字ブレードストリンガーは、ウェブの遠位端に丸み付け用の造作を備えることがなく、これは、複合材料製の外皮パネルの製造において部品の総数の削減に役立つ。これは、外皮パネルの製造に関与する工具類を削減する役に立ち、したがってコストの節約をもたらす。
【００３６】
［条項１］内面を有する複合材料パネルのためのブレードストリンガーであって、
ウェブを備える近位部分であって、前記ウェブが前記パネルの内面に取り付けられ、且つ前記パネルの内面からほぼ垂直に延びており、該ウェブが、ウェブ厚さおよびウェブ高さを有するとともに、複数の連続的な複合材料のプライを含む、近位部分と、
複数の局所プライを有する遠位自由端であって、前記複数の局所プライが前記連続的なプライの間に挟まれ、且つ前記連続的なプライと一緒に硬化させられ、前記複数の局所プライが前記ウェブの前記連続的な複合材料のプライに実質的に平行であり、前記ウェブ厚さよりも大きくかつ前記ウェブ高さの約３分の１よりも小さい厚さを有する膨らみを定めている遠位自由端と
を備えるブレードストリンガー。
【００３７】
［条項２］前記ウェブを前記パネルに取り付ける近位フランジをさらに備える条項１に記載のブレードストリンガー。
【００３８】
［条項３］前記近位フランジが、約２インチ〜約８インチの幅を有する条項２に記載のブレードストリンガー。
【００３９】
［条項４］前記近位フランジが、約０．０２インチ〜約０．５インチの厚さを有する条項２に記載のブレードストリンガー。
【００４０】
［条項５］前記膨らみが、約０．０４インチよりも大きくかつ３と１／３インチよりも小さい厚さを有する条項１に記載のブレードストリンガー。
【００４１】
［条項６］前記膨らみが、該膨らみの厚さから前記ウェブ厚さを引き算した値の７．５倍以上かつ前記ウェブ高さの１／３以下の高さを有する条項１に記載のブレードストリンガー。
【００４２】
［条項７］前記ウェブ高さが、約２インチ〜１０インチであり、前記ウェブ厚さが、約０．０４インチ〜約１インチである条項１に記載のブレードストリンガー。
【００４３】
［条項８］前記複数の局所プライおよび前記複数の連続的なプライが、ほぼ等しい数であり、前記局所プライが、連続的なプライの間にほぼ交互に配置されている条項１に記載のブレードストリンガー。
【００４４】
［条項９］前記膨らみの外側寄りに位置する局所プライが、該膨らみの内側寄りに位置する局所プライよりも、前記ウェブの高さに対してより短い長さを有する条項１に記載のブレードストリンガー。
【００４５】
［条項１０］前記パネルの隣のブレードストリンガーから約５インチ〜１５インチに、該隣のブレードストリンガーに実質的に平行に位置する条項１に記載のブレードストリンガー。
【００４６】
［条項１１］航空機用の複合材料外皮パネルであって、
複合材料のパネルと、
外皮パネルに対してほぼ垂直に延び、複数の複合材料層を備え、中間のウェブ部分を有し、該ウェブ部分が、複合材料のプライを備えるとともに、ウェブ高さおよびウェブ厚さを有する少なくとも１つのブレードストリンガーと、
前記ウェブの遠位端に位置し、複合材料のプライを備え、前記ウェブ厚さよりも大きくかつ前記ウェブ高さの約３分の１よりも小さい膨らみ厚さを有する膨らみと
を備える複合材料外皮パネル。
【００４７】
［条項１２］前記複合材料のパネルが、湾曲した形状を有し、該パネルを航空機の構造に取り付けるための取り付け点を備える条項１１に記載の複合材料外皮パネル。
【００４８】
［条項１３］前記ウェブ高さが、約２インチ〜１０インチであり、前記ウェブ厚さが、約０．０４インチ〜約１インチである条項１１に記載の複合材料外皮パネル。
【００４９】
［条項１４］前記ウェブを前記外皮パネルに取り付ける近位フランジをさらに備え、該近位フランジが、約２インチ〜約８インチの幅および約０．０２インチ〜約０．５インチの厚さを有する条項１１に記載の複合材料外皮パネル。
【００５０】
［条項１５］前記複合材料のパネルが、複数の実質的に平行なブレードストリンガーを備え、各々のブレードストリンガーは、隣のブレードストリンガーから約５インチ〜１５インチ離れている条項１１に記載の複合材料外皮パネル。
【００５１】
［条項１６］前記ウェブ部分が、前記外皮パネルと一緒に硬化させられる複数の連続的な複合材料のプライを備え、前記膨らみが、前記連続的なプライに挟み込まれて前記連続的なプライと一緒に硬化させられる複数の局所プライを備える条項１１に記載の複合材料外皮パネル。
【００５２】
［条項１７］前記膨らみの外側寄りに位置する局所プライが、該膨らみの内側寄りに位置する局所プライよりも、前記ウェブの高さに対してより短い長さを有する条項１６に記載の複合材料外皮パネル。
【００５３】
［条項１８］航空機用の複合材料外皮パネルを製造するための方法であって、
複数の連続的な複合材料のプライを、ストリンガーの近位フランジ部分と、中間のウェブ部分と、遠位自由端とを定めるストリンガー積層体にて用意するステップと、
前記遠位端にて終端する領域において前記連続的な複合材料のプライのうちの少なくとも特定のプライの間に複数の局所複合材料プライを挟み、前記ウェブ部分の厚さよりも大きい厚さを有する前記遠位端の膨らみを形成するステップと、
前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを一緒に硬化させ、近位側のフランジと遠位側の膨らみとを有する単一のストリンガーを生み出すステップと
を含む方法。
【００５４】
［条項１９］前記連続的な複合材料のプライのうちの少なくとも特定のプライの間に前記複数の局所複合材料プライを挟むステップが、前記膨らみの外側寄りでは前記ウェブの高さに対してより低い高さを有する局所プライを挟み、前記膨らみの内側寄りでは前記ウェブの高さに対してより高い高さを有する局所プライを挟むステップを含む条項１８に記載の方法。
【００５５】
［条項２０］前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを硬化させるステップが、一体のストリンガーを備える単一の複合材料外皮パネルを生み出すために、前記連続的な複合材料のプライおよび前記局所複合材料プライを、前記フランジ部分を複合材料外皮パネルに当接する関係に配置して、該複合材料外皮パネルと一緒に硬化させるステップを含む条項１８に記載の方法。
【００５６】
［条項２１］前記ストリンガーの遠位端を実質的に四角形の端部を定めるように切り整えるステップをさらに含む条項１８に記載の方法。
【００５７】
種々の実施形態を図示および説明したが、本発明はそれらには限定されず、当業者にとって明らかであると考えられるあらゆる変更および変種を含むものと理解される。
【符号の説明】
【００５８】
１００  外皮パネル
１０２  ストリンガー
１０３  プライ
１０４  内面
１０５  図心軸
１０６  外面
１０７  取り付け点
１０８  ウェブ
１１０  膨らみ
１１２  遠位端
１１４  フランジ
１１６  連続的なプライ
１１８  局所プライ
１２０  当て板
１２２  フランジ部分
１２４  ウェブ部分
１２６  膨らみ部分
１３０  テーパ
１３２  充てん材
２００  翼
２０２  前部の翼桁
２０４  中央部の翼桁
２０６  後部の翼桁
２０８  根元
２１０  先端
２１２  リブ
２１４  外皮パネル
２１４ａ  外皮パネル
２１４ｂ  外皮パネル
２１８  内面
２１８ａ  内面
２１８ｂ  内面
２２０  ストリンガー
２２０ａ  ストリンガー
２２０ｂ  ストリンガー
２２２  切り欠き
２２６ａ  ウェブ
２２６ｂ  ウェブ
２２８  フランジ
２３０ａ  遠位端
２３０ｂ  遠位端
【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】
2015147412.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015147412.tif 000011
【図１０】
2015147412.tif 000012
【外国語明細書】
2015147412000001.pdf