(57)【要約】【課題】異物衝突時の損傷を抑える複合材ボックス構造の桁を提供すること。【解決手段】樹脂を含浸したカーボン繊維１０を積層してなる複合材により桁９が構成されている。該桁９は、ウェブ１１ａと該ウェブ１１ａの一端に設けられたフランジ１１ｂとを備え、該フランジ１１ｂと飛行体の翼体外板１とがファスナ（固定部材）１２によって固定されている。さらに、前記フランジ１１ｂのファスナ１２近傍から、前記ウェブ１１ａのフランジ１１ｂ側に渡って、前記カーボン繊維１０の層に挟まれてチタン箔１３が設けられており、チタン箔１３を貫通するように、ファスナ１４がチタン箔１３を固定している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂を含浸した繊維を積層して成形した複合材により構成され、ウェブと、該ウェブの一端に設けられ飛行体の翼体外板と固定部材によって固定されるフランジとを備えたボックス構造の桁において、
前記フランジの前記固定部材の近傍から前記ウェブに渡って、前記繊維の層に挟まれたチタン箔が設けられ、前記ウェブ内の前記チタン箔を貫通するとともに前記ウェブを両側面から締め付ける固定部材が設けられていることを特徴とする複合材ボックス構造の桁。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材ボックス構造の桁において、
前記ウェブ内のチタン箔と該チタン箔を挟む前記繊維とに対して、ニードルパンチが施されていることを特徴とする複合材ボックス構造の桁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行体の翼体内部構造であるボックス構造に用いられる桁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は飛行機の翼体の概略構造について示した図である。図の翼体はボックス構造となっており、外板１，２の間に、梁として複合材からなる桁３が多数設けられている。これら桁３によって翼体内は複数のセルに分割されている。このように、外板１，２と桁３とによって、揚力に起因する荷重を支持するようになっている。
図４は桁３の拡大断面図である。桁３は樹脂を含浸したカーボン繊維４を多数積層し、同時加熱硬化することで一体成型したものである。桁３は、下側の外板２から立ちあがるウェブ５ａと、ウェブ５ａの上端から左右にＴ字形状に広がるフランジ５ｂとを備えている。本例の桁３を構成する複合材はカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であるが、他の複合材として、他の素材の繊維に樹脂を含浸させたものが用いられる場合もある。
【０００３】
この複合材は、上記のように多数のカーボン繊維４を積層しているため、板厚方向の強度は比較的弱い。このため、フランジ５ｂと上側の外板１とを、フランジ面を貫通する方向に設けたファスナ（ボルト、リベットなど）６によって剛に拘束し、固定強度を保っている。これにより、フランジ５ｂと外板１との間のずれだけでなく、フランジ５ｂを構成するカーボン繊維４相互のずれを拘束している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１９３２９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この複合材は外部から異物の衝突によって強い衝撃が与えられた場合、局所的に突発的な圧力が発生し、図５のように上部のフランジ５ｂの近傍に割れ７が生ずることが実験によって確認されている。外部からの異物とは、例えば戦闘機において炸裂弾を受けた場合などを想定している。
この損傷は、以下の点が原因と考えられる。まず、複合材に特有の性質として、延性に乏しく衝撃荷重に弱いという点が挙げられる。このため、衝撃によって発生した突発的圧力は複合材の変形で吸収されることなく、複合材を破壊するエネルギーとなる。特に、上記のようにフランジ５ｂは外板１と剛に固定されていて剛性が高いため、剛性が低下するウェブ５ａの上部を破壊するものと考えられる。
これは、損傷がウェブ５ａの上部（外板１側）に発生し、外板２と一体でファスナが設けられていない下部には発生していないことからも理解することができる。
このような損傷は飛行体の安全性を損なうため、損傷を防ぐ技術の開発が望まれている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、異物衝突時の損傷を抑えるボックス構造の桁を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、樹脂を含浸した繊維を積層して成形した複合材により構成され、ウェブと、該ウェブの一端に設けられ飛行体の翼体外板と固定部材によって固定されるフランジとを備えた複合材ボックス構造の桁において、前記フランジの前記固定部材の近傍から前記ウェブに渡って、前記繊維の層に挟まれたチタン箔が設けられ、前記ウェブ内の前記チタン箔を貫通するとともに前記ウェブを両側面から締め付ける固定部材が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
純チタンは延性が高く、延びることによってエネルギーを吸収する。本発明においては、衝撃によって生ずるエネルギーへの対応として，剛性が高い部位と比較的低い部位とをチタン箔によってつなげることで、桁の損傷を防ぐ。
また、チタンはアルミニウムやスチールと比較し、複合材に対する親和性が高く、腐食に強いという利点も有する。
なお、ウェブに設けるチタン箔は、少なくともウェブのフランジ側（すなわち剛性急変部位）に設けていればよい。
【０００９】
複合材は積層した繊維の板厚方向の力に対して比較的弱いため、複合材とチタン箔との界面においてもはがれが発生する可能性がある。このため、固定部材によってウェブにおけるチタン箔と複合材とを締め付け、チタン箔が複合材のはがれ要因とならないようにする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の複合材ボックス構造の桁において、前記ウェブ内のチタン箔と該チタン箔を挟む前記繊維とに対して、ニードルパンチングが施されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、前記請求項１に記載の固定部材に換えて、またはこれと組み合わせて、ニードルパンチングによってチタン箔と繊維との結合を補強する。具体的には、ウェブ内のチタン箔およびこのチタン箔を挟む繊維に対してニードルを打ち込み、チタン箔に穿った小孔を通じて両側の繊維どうしを絡ませることで繊維とチタン箔との結合力を高め、チタン箔が複合材のはがれ要因となることを防止する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、全体構成は従来の例と同様であり、同一の部材には同一の符号を用い、その説明を省略する。
図１は本実施形態に係るボックス構造の桁９である。桁９は樹脂を含浸したカーボン繊維１０を積層し、同時加熱硬化することで下側の外板２とともに一体成型したものである。桁９は、下側の外板２から立ちあがるウェブ１１ａと、ウェブ１１ａの上端から左右にＴ字形状に広がるフランジ１１ｂとを備えている。
図において符号１３はカーボン繊維１０に挟まれたチタン箔である。チタン箔１３は、複数枚重ねて設けられている。
チタン箔１３が設けられている部位は、後述するファスナ１２の近傍、および、ウェブ１１ａの上部（フランジ１１ｂ側）である。これらフランジ１１ｂとウェブ１１ａとにチタン箔１３をつなげて設ける。なお、チタン箔１３はウェブ１１ａの下部まで延長して設けられていてもよい。
【００１３】
この複合材は、上記のように多数のカーボン繊維１０を積層しているため、板厚方向の強度は比較的弱い。このため、桁９のフランジ１１ｂと上側の外板１とを、フランジ１１ｂを貫通する方向に設けたファスナ（固定部材）１２によって剛に拘束し、固定強度を保つ。このファスナは従来技術の例においても設けられているが、本実施形態においては、さらにチタン箔１３とカーボン繊維１０とを締め付ける作用も有している。なお、ファスナ１２としては、剛性の高いチタン合金ボルト、リベットなどが使用される。
【００１４】
ウェブ１１ａにおいてもファスナ（固定部材）１４が設けられている。ファスナ１４はチタン箔１３を貫通した状態で設けられており、ウェブ１１ａを両側面から締め付けている。このファスナ１４についても、上記ファスナ１２と同じ材質のものを使用することができる。
【００１５】
このような構成により、本ボックス構造の桁においては以下のような作用を得る。
ボックス構造の桁９に何らかの衝撃が与えられて局所的に圧力が高まった場合、カーボン繊維１０に挟まれているチタン箔１３が延びることによりエネルギーが吸収される。すなわち、ファスナ１２近傍からウェブ１１ａに渡る剛性急変部位にチタン箔１３が設けられており、局部的な損傷が発生し易い部位をチタン箔１３が延びることで吸収する。これにより、桁９の損傷を狭い範囲に抑えることができる。
【００１６】
一方、複合材は板厚方向について強度が弱いため、カーボン繊維１０とチタン箔１３との界面においてはがれが発生する可能性がある。フランジ１１ｂにおいては従来と同様にファスナ１２が設けられているため、このファスナ１２がチタン箔１３とカーボン繊維１０との剥離を抑える。ウェブ１１ａにおいてもファスナ１４がチタン箔１３とカーボン繊維とを締め付けているから、チタン箔１３が複合材のはがれ要因となることを防止することができる。
【００１７】
また、複合材に挟む金属としてチタンを採用したことにより、以下のような効果を得ることができる。
チタンは延性が高く、上記のようにエネルギー吸収効率が良い。したがって損傷防止効果が高い。さらに、チタンはアルミニウムやスチールと比較し、複合材に対する親和性が高く、腐食に強いという特徴も有する。
【００１８】
なお、上記の実施形態においては、ウェブ１１ａにファスナ１４を設けてチタン箔１３を拘束している。このファスナ１４に換えて、またはファスナ１４に加えて、ニードルパンチングによってチタン箔１３とカーボン繊維１０との結合を補強しても良い。これにより、カーボン繊維１０とチタン箔１３との結合力を高め、チタン箔１３が複合材のはがれ要因となることを防止することができる。
【００１９】
また、本実施形態においては、複合材としてカーボン繊維を樹脂に含浸させ、これを積層したものについて示したが、他の材質の繊維を用いた複合材を用いても良いのはいうまでもない。
【００２０】
以上のように、本実施形態のボックス構造の桁においては、異物が衝突した場合にチタン箔１３がエネルギーを吸収するから、桁９の損傷を防止することができ、飛行体の安全性を高めることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合材ボックス構造の桁においては、以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、衝撃によって突発的な圧力が発生した場合に、フランジからウェブに渡る剛性急変部位における局所的なエネルギーがチタン箔によって吸収される。したがって桁の損傷を狭い範囲に抑えることができる。また、チタン特有の効果として、延性が高いためエネルギー吸収効率が高く、損傷防止効果が高い点、および、複合材に対する親和性が高く、腐食に強いという効果を有する。
さらに、固定部材によってウェブにおけるチタンと複合材とを締め付け、チタン箔が複合材のはがれ要因となることを防止することができる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、ニードルパンチングによってウェブにおけるチタンと複合材との結合を補強し、チタン箔が複合材のはがれ要因となることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態として示した複合材ボックス構造の桁の断面図である。
【図２】同複合材ボックス構造の桁の変形例として、ニードルパンチングを施した状態を示した図である。
【図３】飛行体の翼体内部のボックス構造について示した概略図である。
【図４】従来のボックス構造の桁について示した断面図である。
【図５】同従来の桁に発生した損傷を示した図であり、桁の側面図である。
【符号の説明】
１  外板
９  桁
１０  カーボン繊維
１１ａ  ウェブ
１１ｂ  フランジ
１２  ファスナ（固定部材）
１３  チタン箔
１４  ファスナ（固定部材）
１５  ニードルパンチング
【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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