(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空宇宙構造物に使用するための長尺構造メンバであって、
前記構造メンバは、多数の層を含む複合材料により構成され、
前記構造メンバは、前記構造メンバの長さ方向へ延びる基部と前記基部から延びるウェブとを有し、
前記構造メンバは、前記構造メンバの長さの一部に沿って、
構造物に隣接するように形成される前記基部上の第１表面と、
前記第１表面の反対側に位置する前記基部上の第２表面と、
前記第１表面と同様に前記複合材料内の同一の前記層に位置する前記ウェブ上あるいは内の第３表面と、
前記第２表面と同様に前記構造メンバの同じ側面上に位置する前記ウェブ上の第４表面と、
前記第１および第３表面間に介在されて結合する第５表面と、
前記第２および第４表面間に介在されて結合する第６表面と、
を定め、
前記構造メンバの長さの一部に沿ったいかなる点での、前記構造メンバの長さ方向に平行な垂直軸を有する平面によるいかなる横断面において、前記第５表面の少なくとも一部は、前記第１表面の一部に隣接する部分に対して鋭角に傾斜されるとともに、前記第５表面の少なくとも一部は、前記第３表面の一部に隣接する部分に対して鋭角に傾斜され、
さらに、
構造メンバのジオメトリは、
前記構造メンバの長さ方向に沿って前記第５表面の幅が減少した時に、前記第１表面が前記第２表面の方へ転置されるように、前記構造メンバの長さ方向に沿って変化する、ことを特徴とする構造メンバ。
【請求項２】
前記第５および前記第６表面は、前記構造メンバの前記ウェブ上あるいは内の少なくとも一部分であることを特徴とする請求項１に記載の構造メンバ。
【請求項３】
前記第５および前記第６表面は、前記構造メンバの前記基部から前記ウェブの一部まで延びる面取りにより定められることを特徴とする請求項１または２に記載の構造メンバ。
【請求項４】
前記面取りと前記構造メンバの前記基部との間の接合部で、前記構造メンバの前記表面の傾斜が変化するとともに、前記面取りと前記構造メンバの前記ウェブとの間の接合部で、前記構造メンバの前記表面の傾斜が変化することを特徴とする請求項３に記載の構造メンバ。
【請求項５】
前記第５および第６表面は、前記構造メンバの前記基部から前記ウェブの一部まで延びる前記構造メンバの湾曲した領域により定められることを特徴とする請求項１または２に記載の構造メンバ。
【請求項６】
前記湾曲した領域と前記構造メンバの前記基部との間の接合部で、前記湾曲した領域は前記基部に対して平行であり、かつ、前記湾曲した領域と前記構造メンバの前記ウェブとの間の接合部で、前記湾曲した領域は前記ウェブに対して平行であることを特徴とする請求項５に記載の構造メンバ。
【請求項７】
前記湾曲した領域は、与えられたいかなる横断面でも実質的に一定である曲率半径を有することを特徴とする請求項５または６に記載の構造メンバ。
【請求項８】
前記構造メンバの長さ方向に沿って前記構造メンバの長さ方向の基点からの距離が増加するのに伴い、前記第１表面は前記第２表面の方へ転置されるが、前記第３表面は前記第４表面の方向へも離れる方向へも転置されないことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項９】
前記構造メンバの長さ方向に沿って前記構造メンバの長さ方向の基点からの距離が増加するのに伴い、前記第１表面は、前記第５表面の前記横断面における長さが増加する場合に、前記第２表面から離れて転置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１０】
前記構造メンバは、前記構造メンバの局部的な長さ方向の方向に対して平行な法線を有する平面による各横断面と、前記基部が前記ウェブから延びる方向に対して垂直な第１仮想基準線と、前記第３表面上に位置するとともに前記ウェブが前記基部から延びる方向に対して垂直な第２仮想基準線と、を定め、
前記第１仮想基準線と前記第２仮想基準線とに交差する前記構造メンバの各横断面で、前記表面に沿って測定された前記第１仮想基準線と前記第２仮想基準線との間の距離が、前記構造メンバの長さの少なくとも一部に沿って実質的に一定となるように、前記構造メンバの断面ジオメトリは、前記構造メンバの長さの少なくとも一部に沿って変化する、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１１】
前記構造メンバは、リブの形をとることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１２】
前記構造メンバは、概してＨ形の断面形状を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１３】
前記構造メンバは、スパーの形をとることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１４】
前記構造メンバは、概してＵ形の断面形状を有することを特徴とする請求項１〜１０、１３のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１５】
前記構造メンバは、第２基部、その２つの基部間を延びる前記メンバの前記ウェブを有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１６】
前記構造メンバは、ストリンガの形をとることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１７】
前記メンバは、概してＹ形の断面形状を有することを特徴とする請求項１〜１０、１６のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１８】
前記構造メンバは、概してＬ形の断面形状を有することを特徴とする請求項１〜１０、１６のいずれかに記載の構造メンバ。
【請求項１９】
航空宇宙構造物の外郭を構成する外板を有し、
前記外板の内側面は、請求項１〜１８のいずれかに基づく構造メンバに関連する長尺構造メンバの基部に隣接することを特徴とする航空宇宙構造物。
【請求項２０】
航空機の外郭を構成する外板を有し、
前記外板の内側面は、請求項１〜１８のいずれかに基づく構造メンバに関連する長尺構造メンバの基部に隣接することを特徴とする航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空宇宙分野で利用される複合材料構造物に関する。特に、限定しないが、本発明は、例えば、複合スパー、複合リブ、複合ストリンガー、あるいは同種類の長尺複合構造メンバに関する。また、本発明は、例えば、適正にプログラムされたコンピュータを利用することによる、このような長尺複合構造メンバの設計方法および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、複合スパー、複合リブ、複合ストリンガー、あるいは同種類の長尺複合構造メンバは、概して、大部分あるいは局部的に構造物の構造支持体として利用される。スパーおよびリブは、例えば、翼枠、胴体部分、あるいは同種の構造物に利用される。ストリンガーは、例えば、補強メンバとして利用される。
【０００３】
長尺複合構造メンバは、このように、例えば、補強、強化、および／または他の構成部品等の支持のために、他の構成部品に隣接して適用される部品を有する。長尺複合構造に当接する構成部品は、例えば、航空機の表面を構成するパネルあるいは外板の形をとって隣接する。
【０００４】
このような長尺複合構造メンバは、Ｕ形、Ｔ形、Ｌ形あるいは他の適当な形状の断面を有することができる。典型的に、構造メンバは、補強／支持のための構造／部品の表面に隣接するのに適した形状および基部から突出するとともに補強／支持のための構造／部品の表面から離れているウェブ、構造メンバの補強／強化を増大させるウェブ、を有する基部を備える。ウェブは、時として構造メンバのブレードと呼ばれることがある。
【０００５】
補強／支持のための構造／部品の表面の厚さあるいはジオメトリは変化し、その結果、構造メンバに隣接した構造／部品の外観上に局所的特徴が生じる。このように、構造メンバのジオメトリにおける付随する変化を要する。構造メンバのジオメトリにおける局部的変化は、しかしながら、複合構造メンバの製造時に製造上の問題を引き起こすことになる。例えば、航空機翼パネル等の部品の局部的な強度あるいは剛性を増大させるために、局部的に特別な剛性あるいは強度を要する部品の厚さを変化させることは一般的な方法である。これは、構造メンバに面する表面の部品プロフィールのパッドアップをもたらす。これに伴い、結合された構造メンバの長さに沿った方向の増加に伴い、部品の厚さは、局部的に厚い部分が増加し、その上薄い部分が減少する。部品の厚さの変化に合わせるため、結合された構造メンバの基部は、相応じて増加および減少する必要がある。構造メンバの形状は、それゆえ、その全長に沿った距離の作用としての、その断面ジオメトリにおける局部的変化を含む。
【０００６】
パネルの補強として使用するための構造メンバの望ましい形状は、その結果、複雑化されるとともに、直線対称であるジオメトリから偏向することになる。複雑化したジオメトリを有する複合構造メンバの製造は難しいところがある。構造メンバのジオメトリ断面の局部的変化を要する場合、製造工程中に欠陥がもたらされることがある。このような欠陥は、通常、局部的ジオメトリを考慮して過剰な材料が存在する、内部が圧縮あるいは折重なったファイバ材料の層に起因するものである。これは、典型的には、横方向の層の形で、最終製品内にクリースを生じさせる。欠陥もまた、局部的ジオメトリを考慮して過少な材料が存在する、内部に引張りおよび／または圧力が付加されたファイバ材料の層に起因するものである。これはまた、典型的には、長さ方向のクリースの形をとって、最終製品内にクリースを生じさせる。前述した欠陥のタイプ（過少な材料あるいは過剰な材料）のどちらかは、複合材料の内部に、望ましくない強度低下、および／または、局部的な応力が発生する結果となる。このような欠陥は、典型的には、強度低下の欠陥を打ち消すために、内部に特別な材料を付加することによりつくられた適当なマージンが考慮されている。結果として生じる部品の強度に欠陥を生じさせると同時に、この技術は、重量の不利および過度な構造上の大型化をもたらす。
【０００７】
本発明は、上述された問題を軽減しようとするものである。選択的あるいは付加的に、本発明は、長尺複合構造メンバの改良された形状、および／または、その設計および／または製造の改良された方法を提供しようとするものである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、航空宇宙構造に使用される長尺構造メンバを提供し、
前記構造メンバは、多数の層を含む複合材料により構成され、
前記構造メンバは、基部と前記基部から延びるウェブとを有し、
前記構造メンバは、その長さの一部に沿って、
構造物（例えば、翼パネル等のもう一方の部品）に隣接するように形成される前記基部上の第１表面と、
前記第１表面の反対側に位置する前記基部上の第２表面と、
前記第１表面と同様に前記複合材料内の同一の前記層に位置する前記ウェブ上あるいは内の第３表面と、
前記第２表面と同様に前記構造メンバの同じ側面上に位置する前記ウェブ上の第４表面と、
前記第１および第３表面間に介在されて結合する第５表面と、
前記第２および第４表面間に介在されて結合する第６表面と、
を定義し、
前記構造メンバの前記長さの一部に沿ったある点での前記構造メンバのある断面、前記構造メンバの前記長さに平行なその垂直軸を有する平面を横断する部分に向けて、前記第５表面の少なくとも一部は、前記第１表面の近接した一部に対して鋭角に傾斜されるとともに、前記第５表面の少なくとも一部は、前記第３表面の近接した一部に対して鋭角に傾斜され、
さらに、
前記構造メンバの長さに沿って与えられた方向の距離の増加に伴い、前記第５表面の幅が減少した時に前記第１表面が前記第２表面の方へ転置されるように、前記構造メンバのジオメトリは、その長さの前記部分に沿って変化する。
【０００９】
このように、例えば、スパー、リブあるいはストリンガー等の複合構造メンバは、メンバのウェブの一部とメンバの基部の一部との間に位置された部分（第５および第６表面を含む）と、メンバの基部がジョッグルアップする（第１表面から第２表面へ向う方向へ移動する）に伴い減少する幅を有する部分と、を備える。第５および第６表面を含むメンバの部分の幅の変化を伴う基部上のジョッグルの一致は、局部的クリース、局部的応力および／または局部的伸びのリスクを減少させる形で構造メンバの製造中に、構造メンバを形成する複合材料の層が蓄えられることを許容し、何故なら、別の形で欠陥を引き起こす、基部におけるジオメトリの変化は（例えば、単一直線ジオメトリからの偏り）、メンバの前述した部分の幅の変化により相殺される。
【００１０】
第５表面の部分と第１表面の部分との間の傾斜角度は、傾斜角度0が、第１および第５表面が平面の接合部で相互に接合することを意味するように、測定されるべきである（例えば、第５表面は、第１表面の連続的な延び、および第１表面に対して大体同じ方向へ延びるように思える）。比較により、＋／−１８０度に近い傾斜角度は、第１表面を二つに折り重ねた第５表面に一致し、第１および第５表面管の接合部で（１８０度に近い角度の回転）方向への急な変化があることがわかる。
【００１１】
構造メンバは、構造メンバの長さの前記部分に沿ったある点での構造メンバのある断面に向けて、少なくとも第６表面の一部が第２表面の近接した部分に対して鋭角で傾斜される、および／または、少なくとも第６表面の一部が第４表面の近接した部分に対して鋭角で傾斜されるような、ジオメトリを有することが、前記記述から理解されるであろう。
【００１２】
欠陥となるリスクの減少は、メンバの複合材料の層に沿った展開幅が連続する横断面間で重大に変化しないようにすることができるように、構造メンバのジオメトリを設定することにより成し遂げることができる。例えば、他の方法でのより大きい展開幅のバリエーションは、メンバの第５および／または第６表面の幅を変化させることにより、減少させることができる。このような展開幅の測定は、構造メンバの断面での点間距離が第１および第２仮想基準線と交差することにより導かれ、距離が構造メンバ内あるいは上の複合材料の層の表面に沿って測定される。展開幅を測定する方法のこの例に関連して、断面は、例えば、構造メンバの局部的に長い方向に平行な垂直軸を有する平面上に設定することができる。第１仮想線は、例えば、第１表面上に位置されるとともに基部がこのような断面の全てでウェブから延びる方向に対して垂直となるように形成される。第２仮想線は、例えば、第３表面上に位置されるとともにウェブがこのような断面の全てで基部から延びる方向に対して垂直となるように形成される。
【００１３】
望ましくは、展開幅（例えば、上述したように測定された）は、構造メンバの断面ジオメトリがその長さの少なくとも一部に沿って変化するが、その長さの少なくとも一部に沿った構造メンバのこのような断面の全てに向けて、実質的に一定である。本発明のこの態様の例に基づく構造メンバは、ロア翼パネルの頂部に隣接するのに適合した基部を有し、メンバが翼長方向（例えば、翼弦方向に対して横切る方向）へ延びている。メンバは、この例において、一定の展開横幅（翼弦方向）を持つジオメトリを有する。この例に関連する展開横幅は、メンバの基部の遠端での点からメンバのウェブの遠端での点までの、第１、第３および第５表面に沿った翼弦方向の距離である。このような一定の展開幅を持つことは、メンバを形成する複合材料の層に、複合材料内のファイバの局部的なクリーシングあるいはバンチングおよび／または局部的な伸びのリスクを減少させる形で、メンバの製造中に蓄えることを許容する。
【００１４】
長尺構造メンバは、長さが変化している間、概して同じタイプの形状を有する断面を持つ。断面形状は、例えば、２つの基部と基部間に延びるウェブとを有し、相互の基部の中心線からあるいは近傍に突出する、Ｈ形とすることができる。断面形状は、例えば、２つの基部と基部間に延びるウェブとを有し、相互の基部のエッジからあるいは近傍に突出する、Ｕ形とすることができる。断面形状は、例えば、同じ表面に接するための２つの基部と２つの基部から延びるウェブとを有し、ウェブが２つの基部を接続する端の反対側の露出端を有するブレードの形をとる、Ｙ形とすることができる。断面形状は、例えば、１つの基部と基部のエッジから延びるウェブとを有し、ウェブが基部を接続する端の反対側の露出端を有するブレードの形をとる、Ｌ形とすることができる。
【００１５】
本発明は、上記に定義されたように、構造メンバ自身に関連するとともに構造メンバが隣接するのに適合した構造物（例えば、翼パネルのような部品）を必然的に含まないことが、認識されるであろう。
【００１６】
本発明の長尺構造メンバは、航空機における構造物の一部を形成することができる。例えば、構造メンバが部品／構造物に取り付けられた、例えばストリンガの形で、他の部品／構造物、例えば航空機の翼パネルの形をとって、構造メンバが提供されることがある。
【００１７】
本発明は、航空宇宙構造物（例えば、胴体、翼枠、あるいはそれらの一部）、ここで説明あるいはクレームされた本発明のいくつかの態様に基づく構造メンバに対応して、外板の内側表面が長尺構造メンバの基部に隣接して外板により定義された外側表面を提供する。例えば、外板は、例えばストリンガー等の、外板上に取付けられ、各構造メンバが本発明に基づき構成される多数の長尺構造メンバにより、航空宇宙構造物の内側から補強することができる。
【００１８】
本発明は、航空機、内側表面がここで説明あるいはクレームされた本発明のいくつかの態様に基づく長尺構造メンバの基部に隣接する外板により定義される外側表面をも提供する。
【００１９】
本発明は、構造メンバがここで説明あるいはクレームされた本発明のいくつかの態様に基づく構造メンバである長尺複合構造メンバのための設計モデルを構築する方法をさらに提供する。方法は、
構造メンバモデルの基部の望ましいジオメトリを定義する第１データ、構造メンバの長さに沿って変化する基準面からの基部の分離距離を提供するステップと、
基準平面からの基部の分離距離における変化がある第１データから求められた領域でのメンバのジオメトリにおける局部的変化を含む構造メンバモデルのウェブのジオメトリを定義する第２データを生成するステップと、
基部およびウェブを含む構造メンバモデルを出力するために第１データおよび第２データを使用するステップと、
の各ステップを含み、
第１データは、長尺構造メンバが隣接するのに適合する部品／構造物のモデルを定義するデータの集まりの少なくとも一部を形成することができる。長尺構造メンバの基部の望ましいジオメトリは、これにより、このようなデータの集まりから間接的に得ることができる。
【００２０】
本発明の実施形態では、ウェブのジオメトリにおける局部的変化は、構造メンバに基づき層をなす複合材料を原材料とする構造メンバにおけるクリースができる欠陥のリスクを減少させるのに有利に発生する。例えば、ウェブのジオメトリは、ウェブにおけるある角度に向けられた領域を含むことができ、その角度に向けられた領域が、メンバの基部まで延びるとともに、断面で見た時に、ウェブの支持部と基準平面との間の角度よりも小さい角度に向けられた基準平面に対してある角度に向けられる。ウェブのジオメトリは、ウェブの支持部とモデルの基部との間の面取りされた領域を含むことができる。ウェブのジオメトリは、ウェブの支持部とモデルの基部との間の曲面（例えば、モデルの側面視に基づく凹状あるいは凸状表面）を含む。
【００２１】
ウェブのジオメトリは、基部上の第１基準線からウェブ表面上の第２基準線までの構造メンバモデルの表面に沿って測定された距離のある変化を減少させるために設計することができる。第１基準線は、構造メンバモデルの基部上の外側表面上に設定され、ラインは、その長さに沿った位置の全てで、基部が構造メンバモデルのウェブから延びる方向に対して垂直となるように形成される。第２基準線は、ウェブ上／内の表面上に設定され、表面は、第１表面（第１基準線が基部上の同じ外側表面から分離される場合に、同じ距離（あるいは零）でウェブの外側表面から分離される）とモデル内の同じレベルにある。
【００２２】
設計方法は、望ましくは、例えば、適当にプログラムされたコンピュータの使用を伴い、電子工学的に実施されることが望ましい。ひとたび構造メンバモデルが生成されると、構造メンバは、そうして生成されたモデルに基づき製造することができる。構造メンバモデルの設計は、このような製造方法の使用を他国に輸出されたスパーモデルの典型が示されている電子データを伴い、一国内で実施することができる。
【００２３】
本発明は、構造メンバを製造する方法も提供し、その方法は、
ここで説明あるいはクレームされた発明のいかなる態様に基づく設計方法により生成された構造メンバモデルに基づくプロフィールを有する金型を提供するステップと、
金型上に複合材料の層を蓄えるステップと、
それから複合材料の層を矯正するステップと、
の各ステップを含む。
【００２４】
本発明の一態様に関連して説明された特徴を、本発明の他の態様に組み込むことができることは、もちろん、認識されるであろう。例えば、本発明の方法は、本発明の構造メンバに関連して説明されたいかなる特徴も組み込むことができるし、またその逆も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に関連し、翼パネル上に設けられ、図において示される部分のみの、Ｙ形ストリンガの透視図を示す。
【図２】図２ａはストリンガの部分のみおよび図１の翼パネルの透視図であり、図２ｂは図２ａに示されるＦ−Ｆ平面に沿って切断したストリンガおよび翼パネルの断面視であり、図２ｃは図２ｂに示されるＧ−Ｇ平面に沿って切断したストリンガおよび翼パネルの断面視であり、図２ｄは図２ｂに示されるＨ−Ｈ平面に沿って切断したストリンガおよび翼パネルの断面視であり、図２ｅは図２ｂに示されるＪ−Ｊ平面に沿って切断したストリンガおよび翼パネルの断面視であり、図２ｆは様々な寸法表示を伴う図２ｄに示されるストリンガの断面図を示す。
【図３】第２実施形態に関連するストリンガの断面図を示す。
【図４】図４ａおよび４ｂは、第３実施形態に関連するストリンガを示す。
【図５】図５ａおよび５ｂは、第１実施形態に関連するストリンガを示す。
【図６】図６ａおよび６ｂは、第４実施形態に関連するストリンガを示す。
【図７】本発明の第５実施形態に関連する設計方法を図解するブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に、本発明の第１実施形態に係る長尺構造メンバの透視図を示す。この実施形態における構造メンバは、ストリンガ１０２の形をとる。ストリンガ１０２は、翼パネル１０４上に設けられ、翼パネル１０４の一部だけが図１に示されている。ストリンガ１０２および翼パネル１０４の双方は、材料の多数の層を含む複合材料からなる。ストリンガ１０２は、概して、Ｙ形断面を有する。ストリンガ１０２の複合材料の層（図中には個々に示されていない）は、ストリンガの断面プロフィールに沿ってばらで続く。例えば、パネル１０４に隣接する基部１０６の領域におけるファイバ材料の層の平面は、パネル１０４のアッパ表面に平行である。ウェブの先端の領域（パネル表面に対して垂直に延びる部分）におけるファイバ材料の層の平面は、ウェブの側面（左および右側面）に平行である。
【００２７】
断面のＹ形は、Ｙ形のアームの部分が翼パネル１０４に隣接するように反転され、これにより、ストリンガ１０２の基部１０６が定義される。基部１０６は、翼パネル１０４に平行に置かれる。Ｙ形のストークは、ストリンガ１０２のウェブ１０８の部分（時にはブレードとも呼ばれる）を定義する。ウェブ１０８の先端（図１に示されるような）は、基部がパネル１０４を横切って延びる方向に対して垂直な方向に延びる。（ウェブは別の角度でパネル１０４のアッパ表面に関連する方向へ延びることが認識されるであろう）。
【００２８】
側面毎に１つの基部１０６を有する、各側面（図１における左および右側面）において、ストリンガ１０２は、翼パネル１０４に隣接する基部１０６の下面上に第１表面（ストリンガの外面上）を有する。第１表面１１０の反対側には、基部１０６上に第２表面１１２（ストリンガの外面上）が存在する。ウェブの上部は、ウェブ１０８の内面内に、第３表面１１４を定義し、第３表面は第１表面１１０と複合材料構造物内の同じ層に存在する。第４表面（ストリンガの外面上）は、第２表面１１２と複合材料構造物内の同じ層に存在する。第４表面１１６は、その結果、ウェブ上および第２表面１１２とストリンガの同じ側面上に存在する。この実施形態において、第１、第２、第３および第４表面１１０、１１２、１１４、１１６は、概して、平坦（平面）である。
【００２９】
図１に示される翼パネル１０４のエッジ１１８から理解できるように、翼パネル１０４の厚さは、ストリンガ１０２の長さＬに沿って変化し、翼パネル１０４は、このように、異なる厚さの、長さ方向のＬ方向へ、連続する領域を含む。翼パネル１０４は、隣接する領域よりも厚い領域ならびに厚さが異なる領域間で移行をもたらすランピングアップ領域およびランピングダウン領域を含む。図２ａは、図１において矢印Ｅで示される領域内のストリンガおよび翼パネル１０４の一部を示す。図２ａを参照すると、パネルは、このように、ランピングアップ領域（領域１０４ｂ）を経由して厚い領域（領域１０４ｃ）まで至る、薄い領域（領域１０４ａ）を有する。ストリンガの基部１０６は、ストリンガ１０２の第１表面１１０（翼パネル１０４に隣接する表面）が翼パネル１０４のアッパ表面（図１および図２ａに示される）に至るように、同様に、ランプアップおよびランプダウンする。基部１０６およびウェブ１０８の領域内のストリンガの厚さは、ストリンガ１０２の長さに沿って、実質的に、一定を維持する。その結果、長さＬの増加に伴い、各基部１０６上の第２表面１１２もまた、仮想基準平面上で翼パネル１０４のアッパ表面（図１および図２ａに示される）の高さに沿って続く。
【００３０】
各側面上のストリンガ１０２は、基部１０６とストリンガ１０２のウェブ１０８との間に延びる面取り１０７も含み、面取り１０７の幅（ストリンガを横切って測定される）は仮想基準平面１２８から基部１０６の高さに関連して変化する。面取り１０７は、図２ａの透視図において明瞭に理解することができる。
【００３１】
基部１０６とウェブ１０８とを接続する面取り１０７は、第５および第６表面１３０、１３２を定義し、第５表面は第１および第３表面１１０、１１４との間に介在するとともに接続し、第６表面は第２および第４表面１１２、１１６との間に介在するとともに接続する。この実施形態において、第５および第６表面１３０、１３２は、概して、平坦（平面）である。第１、第３および第５表面１１０、１１４、１３０は、本実施形態において、ストリンガ１０２の複合材料の同じ襞（層）により定義される。同様に、第２、第４および第６表面１１２、１１６、１３２は、本実施形態において、ストリンガ１０２の複合材料の同じ襞（層）により定義される。この実施形態における面取り１０７は、基部１０６から約４５°の角度かつウェブ１０８から約４５°の角度で延び、ウェブ１０８は基部１０６に対して垂直である。基部１０６と面取り１０７との間および面取り１０７とウェブ１０８との間の角度は、もちろん、本発明の他の実施形態では異なる。第５および第６表面１３０、１３２は、その結果、第１、第２、第３および第４表面１１２、１１２、１１４、１１６のいかなる表面に対して垂直ではない。面取り１０７は、ウェブ１０８の一部を形成すると見做される。(i)ウェブ１０８のアッパ部と面取り１０７との間の移動ならびに(ii)面取り１０７と構造メンバ１０２の基部１０６との間の移動での傾きの変化の結果として、第１実施形態の面取り１０７が明確に定義された範囲を有することは、当業者であれば容易に理解されるであろう。このように、与えられたある横断面における第５および第６表面の範囲は、容易に確かめることができる。
【００３２】
図２ｂおよび２ｃは、平面Ｆ−Ｆ（図２ａに示される）およびＧ−Ｇ（図２ｂに示される）にそれぞれ沿った、ストリンガ１０２の断面視を示す。ストリンガ１０２の基部１０６の高さ同様に仮想基準平面１２８の上方で徐々に小さくなる面取り領域１０７が増加することは、図２ｂおよび２ｃにおける左から右へ（矢印Ｌにより示される方向）ストリンガの長さに沿って延びることにより明らかである。このように、基部１０６同様に徐々に小さくなる面取り領域１０７は、上方へ向う方向（ストリンガの長さＬに対して直角をなす方向かつ第１表面１１０からストリンガ１０２の基部１０６の第２表面へ向う方向である、図２ｂにおける矢印Ｔ方向）へ移動する。
【００３３】
図２ｄおよび２ｅは、図２ｂにおける線分Ｈ−ＨおよびＪ−Ｊにより表される垂直面に沿って切り取られたストリンガ１０２および翼パネル１０４の断面図である。図２ｄおよび２ｅは、２つの仮想基準線間を測定することで得られるストリンガの展開幅が、ストリンガの長さＬに沿って実質的に一定のままであることを図解するものである。このような一定の展開幅を持つことは、ストリンガ１０２の断面ジオメトリの変化にも関わらず、例えば、ストリンガ１０２を形成する複合材料の層を蓄える場合に、別な方法で引き起こされるクリース等の欠陥を減少させることを助力する。寸法は、このような展開幅が図２ｂ〜２ｅを参照して今後説明されることにより表される。
【００３４】
図２ｂおよび２ｃは、ストリンガ１０２の断面の展開幅が測定される第１および第２仮想線１２０、１２２の位置を示す。図２ｂおよび２ｃに示される第１仮想基準線１２０および第２仮想基準線１２２は、必ずしも厳密に平行ではないが、双方とも概して、ストリンガの長さＬに沿って延びる。第１仮想線１２０は、ストリンガ１０２の第１表面１１０上に設定されるとともに基部１０６がウェブ１０８の面取りされた部分１０７から延びる方向に対して垂直な（この方向は、この実施形態において、図２ｂに示されるようにＴ方向に対して平行な方向）、その長さに沿った全ての位置で具現化される。ストリンガ１０２が概して一直線の軸線に沿って設定された長さＬを有する場合、第１仮想線１２０は、ストリンガの長さＬに平行な平面上に設定され、その平面は基部がウェブから延びる方向の垂直軸線を有し、この方向は図２ｃに示されるＷ方向に対して平行な方向である。（図２ｃにおいて、第１表面１１０は、第２表面１１２の後側に存在し、視野から隠されていることは、認識されるであろう。）
【００３５】
第２仮想線１２２は第３表面１１４上に設定され、仮想線１２２はその長さに沿った全ての位置で具現化され、それはウェブ１０８の先端が面取り１０７および基部１０６から延びる方向に対して垂直である（この方向は、この実施形態において、図２ｃに示されるようにＷ方向に対して平行な方向である）。ストリンガ１０２が、概して一直線の軸線に沿って設定される長さＬを有する場合、第２仮想線１２２は、ストリンガの長さＬに平行な平面上に設定され、平面はウェブが面取りされた部分から延びる方向の垂直軸線を有し、この方向は図２ｂに示されるようにＴ方向に対して平行である。（図２において、第３表面１１４が視野から隠されて、第４表面１１６の後側に存在することは、認識されるであろう。）図２ｂおよび２ｃから明らかなように、第１仮想線１２０は、第１表面１１０に沿って続き、傾斜された交差する領域１０４ｃに適応させるために、ある角度に向けられた部分を含む。
【００３６】
第１仮想線１２０に一致する第１表面１１０上の点から第２仮想線１２２に一致する第３表面１１４上の点までの、ストリンガの断面を与えるための展開幅は、ストリンガ１０２の全ての横断面について実質的に一定である。この第１実施形態において、展開幅は、面取り１０７の幅を変化させることにより一定に維持される。図２ｄおよび２ｅを参照すると、これは、ストリンガ１０２の基部１０６が上方へ移動する時に面取り領域１０７を縮小することにより成し遂げられる。
【００３７】
図２ｄにより図解される断面は、展開幅DWの測定値を示し、それは、断面でストリンガ１０２の表面に沿って測定した場合の第１および第２仮想線１２０、１２２間の距離である。この測定値は、第１仮想線１２０（図２ｄに図示されていない）に一致する第１端１２４ａを有するとともに第２仮想線１２２（図２ｄに図示されていない）に一致する第２端１２４ｂを有する双頭矢印１２４により表される。同様に、切断面Ｊ−Ｊでのストリンガの断面を示す図２ｅは、図解された断面における、第１仮想線１２０（図２ｅに図示されていない）の位置１２６ａから第２仮想線１２２（図２ｄに図示されていない）の位置１２６ｂまでの距離の測定値を示す双頭矢印１２６を含む。図２ｄおよび２ｅにおける双頭矢印１２４、１２６により表される展開幅は、実質的に等しい（それは、許容公差の範囲内で等しい）。これを成し遂げるため、第１表面１１０がＴ方向へ移動する総距離は、面取り１０７の幅の変化により相殺する。
【００３８】
ストリンガ１０２のウェブ１０８のアッパ部の水平位置（図２ｄおよび２ｅに示される）がストリンガの長さＬが増加されるにつれて変化しないことに留意すべきであろう。したがって、図１において理解できるように、基部１０６およびストリンガ１０２の一側面のウェブ１０８は、基部１０６およびストリンガの他側面のウェブ１０８に対して対称であり、左あるいは右にジョッグルしないでストリンガの中心線に沿って進むウェブ１０８を伴う。
【００３９】
図２ｆは、ある与えられた横断面で２つの仮想線間の一定の展開幅を維持するために必要な面取りの幅の算出方法を示す。面取りを伴わないストリンガのための展開幅DW1は、面取り１０７を含むストリンガ１０２の断面に隣接して示され、ストリンガは展開幅DW2を有する。第１仮想線の水平位置が、図２ｆにおいて点線１２０´により示されるとともに、第２仮想線の垂直位置が点線１２２´により示されることは、理解されるであろう。ストリンガ１０２のウェブ１０８は、面取りされていない線DW1から距離Zだけオフセットされる。基部１０６の下面上の第１表面１１０は、面取りされていない線分DW1から垂直距離Yだけ離されている。面取り１０７は、基部１０６からθの角度で延びるとともに、第１表面１１０上方で垂直距離Xで境界をなす。与えられた望ましいオフセット量YおよびZは、面取りが始まるおよび終わるべき距離がどれくらいであるかを知ることが必要であり、これは以下の数式により算出することができる。
【数１】
0005686287.tif 000002
【００４０】
この場合、θ=４５°とすると、この数式は以下のように簡単に表すことができる。
X＝1.707×（Y＋Z）
【００４１】
本（第１）実施形態において、水平オフセット量Zは、ストリンガ１０２のウェブ１０８が左あるいは右にジョッグルしないように、一定であるとともに零に設定することができる。これにより、上記数式は、X＝1.707Yとさらに簡単に表すことができる。
【００４２】
２つの仮想線間の距離の展開幅DWは、他の特徴を導入することによりストリンガの長さに沿ったある断面で一定を維持することが、認識されるであろう。例えば、基部とストリンガのウェブとの間の接合部で面取りを提供する代わりに、例えば、曲面により、円滑な移行がその代わりに提供される。図３は、本発明の第２実施形態を図解し、このようないくつかの技術がどのように使用されるかを図解する。このように、長尺メンバは、概してＬ形のストリンガ２０２の形をとったこの実施形態において、基部２０６と曲面２０７を含むウェブ２０８を有し、基部２０６とウェブ２０８の支持部との間に介在される。さらに、仮想展開幅DW1は、ストリンガ２０２の基部２０６がその最も高い位置で設定される。仮想展開幅DW1は、ストリンガの第１、第３および第５表面（第１、第３および第５表面は、第１実施形態に関連して前述したように、ストリンガ上／内の同じ表面に存在する）を通過し、断面でストリンガの表面に沿ってさらに測定される。このように、第１表面２１０は基部２０６の下面上に位置され、第３表面２１４はウェブ２０８内に位置され、および第５表面２３０は第１および第３表面を接続する。この第２実施形態において、第５表面２３０は、一定の曲率半径を有する円滑な曲面により定義される。仮想展開幅DW1に基づく第５表面の曲率半径はR1である。展開幅DW1を一定に維持するため、第５表面の曲率半径は、オフセット量に応じて基部２０６の位置の垂直方向へ、および／または、オフセット量に応じてウェブ２０８の位置の水平方向へ変化し、このようなオフセット量は、図３においてYおよびZにより、それぞれ図解されている。与えられたオフセット量YおよびZおよび一定の展開幅DW＝DW1＝DW2を維持するため、ストリンガ２０２の第５表面２３０の曲率半径は、以下の数式を満たす半径R2により定義される。
【数２】
0005686287.tif 000003
【００４３】
第２実施形態において、第５および第６表面を含む湾曲部２０７の範囲は、以下のように容易に確かめられる。第５表面は、ウェブ２０８と基部２０６との間の接合部で端（点２３０ａにより表される）を有することが考慮され、第１表面２１０の範囲（基部／上の）は、この例の脈絡の中で、翼パネル（図３に示されていない）に隣接するために適合したメンバの面積により定義される。第５表面２３０の反対側の端（図３において、点２３０ｂにより表される）は、この例の脈絡の中で、構造メンバ２０２のウェブ２０８（断面視の場合）がウェブ２０８の上側の直線部分（例えばこの場合、湾曲部２０７がウェブ２０８の平坦部分に合わさる時の接合部）に対してもはや平行でない位置で接合部として定義される。第５および第６表面２３０、２３２が平坦ではないのに対し、第１、第２、第３および第４表面２１０、２１２、２１４、２１６が概して平坦であることは、第２実施形態において言及されている。
【００４４】
図４ａおよび４ｂは、本発明の第３実施形態に関連するストリンガ３０２を図解する。図４ａは一方向から見たストリンガ３０２を示し、図４ｂは反対方向から見たストリンガを示す。ストリンガ３０２は、概して逆さまにされたＹの形状の断面を有し、ストリンガは基部３０６およびウェブ部３０８を含む。各基部３０６は、湾曲部３０７を経由してウェブ部３０８に接続される。湾曲部３０７は、ストリンガの基部３０６が翼パネル３０４の厚さの変化に適応させるためにジョッグルアップおよびダウンする場合、ストリンガ３０２の長さに沿って変化する曲率半径および幅を有する。ストリンガのウェブ３０８は、上方から見た時に実質上の直線に続くとともに、それによりいかなる横向きのジョッグルを含まない。湾曲部３０７の曲率半径は、このように、以下の数式を満足する。
【数３】
0005686287.tif 000004
ここで、Yは仮想基準平面上方のストリンガの基部の垂直方向の変位の測定値を表し、R1は予め与えられた定数である。
【００４５】
図５ａおよび５ｂは、第１実施形態に関連するストリンガの反対側の端を示すとともに、図４ａ〜６ｂにより図解されたストリンガの比較を助けるために含まれる。
【００４６】
図６ａおよび６ｂは、第４実施形態に関連するストリンガ４０２を示す。ストリンガの半分の一方は、第１実施形態からの概念を利用する。第４実施形態の半分の他方は、Ｌ形断面を有するジョッグルされたストリンガから得られた概念を利用する。このようなジョッグルされたストリンガは、本出願と出願日が同じで、整理番号がＸＡ２３４３で、発明の名称が「複合パネル補強材」の同時係属の英国出願において、説明およびクレームされている。出願の範囲は、言及することでこの中に十分に組み込まれている。本出願のクレームは、特許出願の中で説明されたいずれの特徴も組み込まれる。特に、本出願のクレームは、ストリンガを横切る連続する断面で実質的に一定であるストリンガの展開幅に関連する特徴を含むように補正することができる。図６ａを参照すると、ストリンガの左手部分４０２Ｌは、ストリンガ４０２が翼パネル４０４の厚さの変化に適応してジョッグルアップおよびダウンする時に左方向および右方向へジョッグルするウェブを有するＬ形により定義される。ストリンガの左手部分４０２Ｌは、このように、上に言及された英国特許出願のＬ形ストリンガに類似する。ストリンガの右手部分４０２Ｒ（図６ａにおける右方向上）は、面取り（ストリンガのこの部分４０２Ｒの左側に示される反対側の端からストリンガを見た時に、図６ｂにおいて最も容易に理解される）を含む。面取りの幅は、翼パネルの厚さが変化した時の基部のジョッグルアップおよびダウンに関連して変化するとともに、ストリンガの左手側面部分４０２Ｌのウェブのジョッグルに適応して変化する。ストリンガの右手部分４０２Ｒは、このように、多層複合ストリンガの製造時の欠陥を減少させるアドバンテージを提供する、実質的に一定の展開幅を維持している間、ストリンガのジオメトリ内のジョッグルに適応するための面取りを含む点において、本発明の第１実施形態のストリンガの半分の一方に類似する。ストリンガのウェブが左方向および右方向のジョッグル（図６ａおよび６ｂにおいて示される方法）を含む点で、第４実施形態のストリンガが第１実施形態のストリンガと異なることは、留意されるであろう。
【００４７】
ここで、長尺構造メンバ（この実施形態では、スパーの形をとる）のコンピュータモデルの設計方法に関連する第５実施形態を説明し、コンピュータモデルは複合材料から複合スパーを製造するために後で利用される。図７は、コンピュータ５０２が第５実施形態に関連する方法を成し遂げることを可能にするソフトウェア５０４がプログラムされたコンピュータ５０２を概略的に図解するブロック線図を示す。
【００４８】
翼パネルモデル５０８のジオメトリを定義するデータセット５０６を提供する。翼パネルモデル５０８は、翼パネル５０８のアッパ表面５１０（図７に示される）のジオメトリを定義するデータを含む。創作されるべきスパーモデルは、ロア表面が翼パネルのアッパ表面５１０に隣接するように設計される。このように、データ５０６は、基準平面５１２からの翼パネル５０８の前記表面５１０の分離距離を定義する。分離距離は、図７における矢印Ｖにより示される方向に測定される。生成されるべきスパーモデルは、２つの基部を含み、一方は、翼パネル５０８の前記表面５１０に一致するジオメトリおよび前記基部間に延びるウェブを有する。
【００４９】
第５実施形態の方法は、コンピュータ５０２が入力データ５０６を受信するステップを含む。この基準平面５１２からの基部の分離距離に関する情報を提供するデータ５０６は、スパーモデルの基部の望ましいジオメトリを有効に定義し、分離距離はスパーの長さ（スパーの長さは図７において矢印Ｌにより示される）に沿って変化する。プログラムされたコンピュータ５０２を伴うソフトウェア５０４は、スパーモデル５１２のジオメトリを定義する出力データ５１４を生成するための入力データを処理するモジュールを含む。ソフトウェア５０４の制御下にあるコンピュータ５０２は、スパーモデルの基部のジオメトリおよびスパーモデル５１２のウェブのジオメトリを生成する。スパーモデル５１２のウェブのジオメトリは、スパーモデルの基部のジオメトリの局部的変化の関数としてコンピュータにより生成される。スパーモデルのウェブのジオメトリが生成される過程は、前述した発明の実施形態あるいはそのバリエーションのいずれかに基づき生成される。例えば、過程は、第４実施形態に基づく手段による、スパーの幅（図７における双頭矢印Ｗを参照）を横切る左方向および右方向のジョッグルを引き起こす。選択的あるいは付加的に、面取りあるいは半径は、第１〜第３実施形態のいずれかに基づくウェブ（確定した領域において基部の幅を減少させることが可能）の中で紹介されている。このようなスパーモデルのウェブのジオメトリの局部的変化は、スパーモデルに基づく層状の複合材料を原材料とするスパー内に発生する欠陥のリスクを減少させる。スパーモデル５１２のジオメトリを表すデータを含むデータ５１４は、それから、コンピュータ５０４から出力する。
【００５０】
このように、基部のエッジから垂直に単に延びるウェブにおけるスパーの名目上の標準ジオメトリと比較すると、ジョッグル、面取り、半径あるいはウェブ上の点からスパーの表面を横切って断面視におけるスパーの基部上の点まで延びるラインの展開幅に影響を及ぼす他の特徴のいずれも伴わないで、方法は、スパーの基部のジオメトリの変化を相殺するためにスパーのウェブのジオメトリの変化を有効に生成する。例えば、スパーモデルのウェブのジオメトリは、スパーの長さに沿って延びる基部表面上の第１基準線から、スパーの長さに沿って延びるウェブ表面上の第２基準線まで（例えば、第１実施形態のスパーの図２ｂおよび２ｃに示される仮想線１２０および１２２を参照）、スパーモデルの表面に沿って測定した時の距離の変化を減少させる方法で、生成される。むしろ、スパーモデルのウェブは、このような第１基準線とこのような第２基準線との間で測定された距離（スパーの長さに沿って測定されたスパーモデルの断面ごとに実質的に一定な距離）の変化がないように生成される。前述した方法によるスパーモデルジオメトリの処理および／または設計は、複合スパーが、平坦なジオメトリから、その結果として発生するスパー内のクリースあるいは欠陥を引き起こすことができる材料の襞内のファイバの隆起あるいは延びを伴わないが予め定義された非一様な形状まで変化することを強制する複合材料の襞（層）を形成されるようにする。
【００５１】
一度スパーモデル５１２が生成されると、様々なコンピュータを使用したテストおよびモデリングは、仮に製造されるスパーが、翼枠あるいは商業用航空機における同様の構造物のスパーとしての機能を実施するために必要な様々な基準に適合することを調べるため、強度および他のスパーモデルの機械的特性の評価が実施される。スパーモデルデータ５１４は、それから、スパーを製造する方法に利用される。スパーは、当業者によく知られている通常の技術により製造される。例えば、ホットドレープフォーミング技術は、成形型上に複合材料の層を積層するために利用され、金型は予め生成されたスパーモデル５１２のジオメトリに基づくプロフィールを有する。成形型上に一度蓄えられた複合材料の層は、周知技術のオートクレーブ内で矯正される。
【００５２】
本発明は特定の実施形態を参照して説明および図解されると同時に、本発明が特にここでは図解していない多くの異なるバリエーションに貢献することは、当業者により認識されるであろう。例だけを通じて、確定した可能なバリエーションが目下説明されている。
【００５３】
第１〜第４実施形態は、前述した実施形態において翼パネル上に設けられるストリンガの形をとる長尺構造メンバのジオメトリに関する。第５実施形態において、長尺構造メンバはスパーの形をとる。発明の前述した実施形態の原理は、長尺構造メンバにより支持および／または補強される航空機の外板のパネルあるいは部分が存在する航空機の構造物の他の部品に応用することができることは、もちろん、認識されるであろう。このように、この発明の実施形態のための出願は、航空宇宙分野の範囲内に広げることができるとともに、厚さが変化する構成要素において要求される複合構造メンバのどのような実例をも含む。例は、スパー、リブおよび翼、水平尾翼あるいは航空機に使用される他の翼枠に利用されるようなものを含む。
【００５４】
図に示されるようなストリンガのウェブは、実質上平坦な表面上に設けられる端表面（図に示されるようなウェブの先端）を有する。複合ストリンガは、ウェブストリンガの先端が実質上の直線に沿って延びないように矯正された後、機械加工される。例えば、ウェブは、航空機の他の部品に適応する１つ以上の切欠きを含む。同様に、ストリンガの基部は、実質上平坦な表面上に設けられる端表面（例えば、図２ａに示されるように、ストリンガのエッジの右方向の隅々まで）を有する必要がない。基部は、例えば、航空機の他の部品あるいはストリンガが隣接するパネルにおけるジオメトリの変化に適応する１つ以上の切欠きを含む。
【００５５】
ストリンガは、図において実質上の直線に沿って縦に延びるように示される。翼パネルおよび航空機における他の翼表面は、典型的に湾曲されるとともに非平面である。そのようなものとして、ストリンガは、一般的な一方向に延びる形状を有すると考えられるが、付随する図面により概略的に図解された典型的なストリンガの直線ジオメトリから偏る。また、複合材料において付加的な機械加工ステップを実施することなく傾斜の急激な変化を持たせることが難しい場合、ストリンガの表面に沿った傾斜の変化が漸次的であることは、当業者により認識されるであろう。
【００５６】
前述された実施形態の１つ以上に一致する長尺構造メンバの部分、および前記実施形態のいずれとも一致しない構造メンバの他の部分は、本発明の範疇である。例えば、構造メンバの長さの部分のみは、本発明の態様に一致する。構造メンバの長さの前記部分は、しかしながら、構造メンバの長さの大部分を表す。
【００５７】
前述の説明、数値あるいは要素は、周知、明白あるいは予見可能な同等のものに言及され、それから、このような同等のものは、あたかも個別に説明するかのように、この中に組み込まれる。本発明の真の範囲を決定するためにクレームに言及すべきであり、クレームは、いかなるこのような同等のものを包含するように解釈されるべきである。本発明の数値あるいは特徴は、望ましい、有利な、都合のよい、あるいは同様のものとなるように任意であるとともに、独立したクレームの範囲を限定しない。
【図１】
0005686287.tif 000005
【図２ａ】
0005686287.tif 000006
【図２ｂ】
0005686287.tif 000007
【図２ｃ】
0005686287.tif 000008
【図２ｄ】
0005686287.tif 000009
【図２ｅ】
0005686287.tif 000010
【図２ｆ】
0005686287.tif 000011
【図３】
0005686287.tif 000012
【図４ａ．５ａ．６ａ】
0005686287.tif 000013
【図４ｂ．５ｂ．６ｂ】
0005686287.tif 000014
【図７】
0005686287.tif 000015