(57)【要約】  本願発明は、複合材料から形成された構造フレームに関する。本願発明の目的は、構造において単純な状態のままである一方、高い機械的性能を有する構造フレームを得ることである。この目的は、所定の角度で構造フレームのメイン部分における単一方向の繊維の複数のセットを配置することで達成される。このシステムは、特に航空機の胴体のための構造フレームとして使用されることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に航空機の胴体（１０）のために設計され、複合材料から形成された構造フレーム（１３）であって、
略平坦な環状メイン部分（３１）を備えている構造フレーム（１３）において、
前記環状メイン部分（３１）は、
前記構造フレーム（１３）の円周方向軸から約２５°と約３５°との間の角度（３７）を形成している単一方向の繊維の複数の第１セット（３４）と、
前記構造フレーム（１３）の前記円周方向軸から約−３５°と約−２５°との間の角度（３８）を形成している単一方向の繊維の複数の第２セット（３５）と、を備え、
前記第１セット（３４）及び前記第２セット（３５）は、前記メイン部分の厚さに亘って均一に分散されることを特徴とする、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項２】
前記単一方向の繊維の複数の前記第１セット（３４）及び前記単一方向の繊維の複数の前記第２セット（３５）の方向は、前記構造フレーム（１３）の前記円周方向軸に関して対称的であることを特徴とする請求項１に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項３】
前記メイン部分（３１）は、前記構造フレーム（１３）の前記円周方向軸から約３０°に等しい角度（３７）を形成している前記単一方向の繊維の複数の前記第１セット（３４）と、前記構造フレーム（１３）の前記円周方向軸から約−３０°に等しい角度（３８）を形成している前記単一方向の繊維の複数の前記第２セット（３５）とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項４】
前記構造フレーム（１３）は、前記メイン部分（３１）の周りの周囲縁部（３９）に配置され、且つ前記メイン部分（３１）に対して略垂直に延在している補助部分（３２）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項５】
前記メイン部分（３１）は、前記構造フレーム（１３）の前記円周方向軸に対して相対的に略９０°に等しい角度を形成している前記単一方向の繊維の複数の第３セット（３６）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項６】
前記補助部分（３２）は、前記構造フレーム（１３）の略前記円周方向において配置された単一方向の繊維の複数のセット（４１）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項７】
前記構造フレーム（１３）は、前記メイン部分（３１）の内側周囲縁部（４０）上に配置され、且つ前記メイン部分（３１）に対して略垂直に延在している第２の補助部分（３３）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項８】
前記第２の補助部分（３３）は、前記構造フレーム（１３）の略前記円周方向において配置された単一方向の繊維の複数のセット（４２）を備えていることを特徴とする請求項７に記載の、複合材料から形成された構造フレーム（１３）。
【請求項９】
フレーム構造（１０）と、
前記フレーム構造上に固定された外層と、
を備える航空機の胴体であって、
前記フレーム構造（１０）は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の、少なくとも１つの構造フレーム（１３）を備えている特徴とする航空機の胴体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、複合材料から形成される構造フレームに関し、特に、高い機械的性能を有するように設計される一方、構成において単純な状態のままである構造フレームに関する。
【０００２】
本願発明の一の特定の用途は、航空機の胴体の外層が固定される構造フレームのためである。
【０００３】
本願発明はまた、本願発明による１つ又は複数の構造フレームから成る航空機の胴体に関する。
【背景技術】
【０００４】
航空機の胴体構造は、胴体の全長に沿って均一に分散され、且つ外層が固定される構造フレームを備える。
【０００５】
構造フレームは、形状において略円形状とされ、例えば環状又は長円形状とされ、２つ又は３つのローブ（lobes）を有する場合があり、又は、同一の種類の任意の他の形状とされる場合がある。それらの区域は通常、胴体の軸に対して略垂直な方向に沿って延在している略平坦な環状メイン部分と、該環状メイン部分の内側周囲縁部及び外側周囲縁部に取り付けられた２つの補助的な第二のヒール状部分又はソール状部分と、を備える。
【０００６】
構造フレームの機能は、胴体の機械的強度を増加させることである。構造フレームは、高い機械的な引張応力又は圧縮応力、特に円周方向における、言い換えると、構造フレームの周りの円周方向中線に沿った、高い機械的な引張応力又は圧縮応力に耐える。従って、構造フレームは、高い円周方向の剛性を有するように設計されなければならない。それ故に、高い機械的応力下で、小さな変形を有する。さらに、円周方向の圧縮応力が高い場合に、それらの構造フレームは、高い限界座屈応力を有さなければならない。言い換えれば、それらの構造フレームは、作用された機械的応力の方向に対して垂直な方向において撓んではいけない。最終的に、それらの複合材料を製造するためのプロセスは、素早く、且つ経済的である一方、構造フレームの複雑な幾何学形状のために適切とされるように、低減された数のステップを含まなければならない。
【０００７】
円周方向において作用された機械的応力下での高い剛性を達成する一つの手段は、メイン部分において円周方向のみ沿って方向付けされた単一方向の繊維を配置することである。しかしながら、この配置は、低い限界座屈応力を生じるであろう。それ故に、構造フレームは、座屈に対する耐性において大して強くはない。さらに、実際には、複数の層又は織物を使用して形成される、円周方向に沿った単一方向の繊維の配置は、クリース（creases）が避けられなければならないので、特に難しい。
【０００８】
機械的性能及び製造に関連したそれらの問題を防止するために、構造フレームは通常、メイン部分の円周方向軸から所定の非ゼロである角度を形成するように、構造フレームのメイン部分に配置された単一方向の繊維から形成される（この円周方向軸が、このラインに沿って、各点で構造フレームの中央円周方向ラインに対する接線として画定される）。これは、円周方向軸から０°に等しい角度を形成している繊維の必要性を避ける。
【０００９】
例えば、特許文献１には、円周方向軸から所定の角度で配置された複数の補強された繊維を有する湾曲された繊維プリフォームが記載されている。該繊維プリフォームは、円筒状の形状又は平坦な環状形状を有する場合がある。繊維プリフォームのメイン部分は、挿入された繊維がこの円周方向軸から９０°で方向付けされた状態で、メイン部分の円周方向軸からの−４５°及び＋４５°の角度を交互に形成する単一方向の繊維を備える。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載されるような構造フレームのメイン部分における繊維の方向は、構造フレームの円周方向における剛性が最適ではないので、十分に満たされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００４／０１６８４４号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００７／０７４１７９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本願発明の主な目的は、高い機械的性能を有するように設計される一方、製造を単純化した状態のままである、特に航空機の胴体のための複合材料から形成された構造フレームである。
【００１３】
その結果は、本願発明によれば、特に航空機の胴体のために設計され、複合材料から形成された構造フレームであって、略平坦な環状メイン部分を備えている構造フレームにおいて、前記環状メイン部分は、前記構造フレームの円周方向軸から約２０°と約４０°との間の角度を形成している単一方向の繊維の複数の第１セットと、前記構造フレームの前記円周方向軸から約−４０°と約−２０°との間の角度を形成している単一方向の繊維の複数の第２セットとを備え、前記第１セット及び前記第２セットは、前記メイン部分の厚さに亘って均一に分散されることを特徴とする、複合材料から形成された構造フレームを使用して得られる。
【００１４】
有利には、メイン部分は、前記構造フレームの前記円周方向軸から約２５°と約３５°との間の角度を形成している単一方向の繊維の複数の第１セットと、前記構造フレームの前記円周方向軸から約−３５°と約−２５°との間の角度を形成している単一方向の繊維の複数の第２セットとを備え、前記第１セット及び前記第２セットは、前記メイン部分の厚さに亘って均一に分散される。
【００１５】
好ましくは、単一方向の繊維の複数の第１セット及び前記単一方向の繊維の複数の第２セットの方向は、前記構造フレームの前記円周方向軸に関して対称的である。前記メイン部分における前記円周方向軸に沿った単一方向の繊維の全てのセットの角度の絶対値が同一であるので、これは、本願発明による構造フレームを製造することをより容易にさせる。
【００１６】
有利には、前記メイン部分は、前記構造フレームの前記円周方向軸から約３０°に等しい角度を形成している前記単一方向の繊維の複数の第１セットと、前記構造フレームの前記円周方向軸から約−３０°に等しい角度を形成している前記単一方向の繊維の複数の第２セットとを備えており、前記第１セット及び前記第２セットは、前記メイン部分の厚さに亘って均一に分散される。
【００１７】
前記構造フレームのメイン部分における単一方向の繊維の複数のセットのこの方向付けは、前記メイン部分の円周方向軸における剛性を、先行技術において使用されるように構造フレームの円周方向軸からの＋４５°及び−４５°での繊維の方向付けのために得られた剛性より強くさせることができる。さらに、構造フレームのメイン部分における単一方向の繊維の複数のセットのこの配置は、構造フレームの円周方向軸から−４５°及び＋４５°での繊維の複数のセットの配置のために得られた限界座屈応力と同様の値に略等しい限界座屈応力を維持することができる。最終的に、その変化が全て、メイン部分の円周方向軸から単一方向の繊維の複数のセットによって形成された角度の非ゼロの値であるので、本願発明による構造フレームは、製造することを容易にする。互いに平行とされ、且つメイン部分の円周方向軸から０°に等しい角度を形成している繊維の配置は、製造技術を変化させるために必要とされ、技術的な困難性を引き起こし、且つ製造コストを増加させるであろう。
【００１８】
本願発明の好ましい実施形態において、構造フレームは、前記メイン部分の周りの周囲縁部に配置され、且つ前記メイン部分に対して略垂直に延在している補助部分を備えている。
【００１９】
有利には、メイン部分は、前記構造フレームの前記円周方向軸に対して相対的に略９０°に等しい角度を形成している前記単一方向の繊維の第３セットを備えており、第１セット及び第２セットとともに交互に配置され、座屈に対する耐性を増加する。
【００２０】
有利には、前記補助部分は、前記構造フレームの略前記円周方向において配置された単一方向の繊維を備えており、円周方向における構造フレームの剛性を増加させる。
【００２１】
メイン部分における単一方向の繊維の複数のセットは、複数の層のスタックの形態で形成される、又は織物の形態で配置される場合がある。
【００２２】
好ましい実施形態において、第２の補助部分は、前記メイン部分の内側周囲縁部上に配置され、且つ前記メイン部分に対して略垂直に延在している。前記第２の補助部分は、前記構造フレームの略前記円周方向において配置された単一方向の繊維を備えており、それによって、前記円周方向における前記構造フレームの剛性を増加する。
【００２３】
本願発明はまた、フレーム構造と、前記フレーム構造上に固定された外層と、を備える航空機の胴体であって、前記フレーム構造は、ちょうど記載された特徴を有する構造フレームを備えている特徴とする航空機の胴体に関する。
【００２４】
我々は、添付した図面を参照して、制限されていない例として、本願発明の好ましい実施形態を記載するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本願発明による構造フレームを含んでいる航空機の胴体のセグメントを図式的に示している斜視図である。
【図２】胴体の外層が固定される、本願発明の好ましい実施形態によるフレームセクターを示している斜視図である。
【図３】本願発明の好ましい実施形態によるフレームセクターの斜視図である。
【図４】メイン部分における単一方向の繊維のセットと構造フレームの円周方向軸との間で形成された角度の値の関数として、構造フレームのメイン部分のヤング率の変化を図示するグラフである。
【図５】メイン部分における単一方向の繊維のセットと構造フレームの円周方向軸との間で形成された角度の値の関数として、構造フレームのメイン部分の限界座屈応力における変化を図示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に図式的に示されるように、航空機の胴体１０は、複数のスパー１２によって補強された外層１１が固定されるフレーム構造を備える。胴体１０の形状及び寸法は、本願発明のフレーム構造の外側に逸脱することなく、航空機の種類に応じて変化することができる。
【００２７】
胴体１０のフレーム構造は、複数の構造フレーム１３から主に構成される。複数の構造フレーム１３は、胴体の全長に沿って均一に分散される。各フレームは、胴体の長手方向軸Ｉ−Ｉに対して垂直な、胴体に沿って区域で配置され、形状において、略環状、円形状、又は長円形状とされ、２つ又は３つのローブを備える場合がある、又は任意の他の類似種類の形状とされる場合がある。円柱座標系（ｅＲ，ｅＴ，ｅＬ）を使用する直接的な直交座標方式は、図１に示される。ｅＲは、胴体上のある点の半径方向を付与し、ｅＴは、接線方向又は円周方向であり、ｅＬは、長手方向であり、胴体の長手方向軸Ｉ−Ｉと完全に一致する。
【００２８】
図２は、本願発明の好ましい実施形態による構造フレームセクター１３を示す。構造フレームセクター１３は、胴体の外層１１を支持する。胴体の外層１１は、胴体の長手方向軸Ｉ−Ｉに対して平行に配置され、且つ胴体の周囲に沿って均一に離隔された複数のスパー１２によってその内面上に補強される。
【００２９】
図３は、本願発明の好ましい実施形態による構造フレームセクター１３の詳細を示す。この実施形態において、構造フレームセクター１３は、メイン部分３１と、外側補助部分３２及び内側第二部分３３と、を備える。それ故に、この実施形態は、略Ｃ字状の区域を有する構造フレームに関連する。示されていない他の実施形態において、内側補助部分３３は存在せず、構造フレームセクター１３の区域は、略Ｌ字形状である。
【００３０】
構造フレーム１３のメイン部分３１は、略平坦な環状プレートからなり、該略平坦な環状プレートのために、中央平面（median plane）は、胴体の長手方向軸Ｉ−Ｉに対して略垂直である。メイン部分３１は、中央円周ラインＩＩ−ＩＩに沿って湾曲された形状を有する。方向ｅＴは、全ての点で、中央円周ラインＩＩ−ＩＩに対して接しており、それ故に、中央円周ラインＩＩ−ＩＩに沿った全ての点で、構造フレーム１３の円周方向軸を画定する。
【００３１】
構造フレーム１３は、複合材料から形成される。それは、この種の部分を製造するために通常使用される技術を使用して形成される。特に、それらの技術は、レイアップ技術を含み、該レイアップ技術は、単一方向の繊維又は樹脂を事前含浸させた織物のセットを重ねあわせるステップ、及び樹脂を重合させるステップからなる。
【００３２】
メイン部分３１は、単一方向の繊維の様々なセットを備え、該単一方向の繊維の様々なセットは、内側周囲縁部４０と外側周囲縁部３９との間で、メイン部分３１の全幅に亘って延在する。
【００３３】
それらの単一方向の繊維の複数のセットは、単一方向の繊維の複数の第１セット３４を備え、該単一方向の繊維の複数の第１セット３４は、構造フレーム１３の円周方向軸と非ゼロである所定の角度３７を形成する。本願発明によれば、所定の角度３７は、＋２０°から＋４０°までの変更範囲内である。所定の角度３７は、好ましくは、＋２５°から＋３５°までの変更範囲内であり、有利には、略＋３０°と等しい。
【００３４】
メイン部分３１における単一方向の繊維の複数のセットはまた、単一方向の繊維の複数の第２セット３５を含み、該単一方向の繊維の複数の第２セット３５は、構造フレーム１３の円周方向軸と非ゼロである所定の角度３８を形成する。本願発明によれば、所定の角度３８は、−４０°から−２０°までの変更範囲内である。所定の角度３８は、好ましくは、−３５°から−２５°までの変更範囲内であり、有利には、略−３０°と等しい。
【００３５】
単一方向の繊維の複数の第１セット３４及び単一方向の繊維の複数の第２セット３５は、メイン部分３１の厚さに亘って均一に分散され、すなわち、胴体１０の長手方向軸Ｉ−Ｉに沿って均一に分散される。
【００３６】
本願発明の好ましい実施形態において、単一方向の繊維の複数の第１セット３４及び複数の第２セット３５における単一方向の繊維は、所定の角度３７及び所定の角度３８の絶対値が略等しいように、構造フレーム１３の円周方向軸に関して略対称的に配置される。
【００３７】
随意的に、単一方向の繊維の複数の第３セット３６は、構造フレーム１３の円周方向軸に対して略垂直なメイン部分３１に配置される場合がある、すなわち胴体の半径方向ｅＲに沿ってメイン部分３１に配置される場合がある。この場合において、単一方向の繊維の第１セット、第２セット、及び第３セットは、メイン部分３１の厚さに亘って均一に分散され、すなわち、胴体１０の長手方向軸Ｉ−Ｉに沿って均一に分散される。
【００３８】
図２及び図３に示された好ましい実施形態において、構造フレーム１３は、メイン部分３１の外側周囲縁部３９に接続された外側補助部分３２を備える。外側補助部分３２は、メイン部分３１に対して略垂直に延在するプレートの形態である、すなわち、外側周囲縁部３９の全長に亘って、胴体１０の長手方向ｅＬに沿って延在するプレートの形態である。
【００３９】
随意的に、外側補助部分３２は、構造フレーム１３の円周方向に配置された単一方向の繊維のセット４１を備えることができる。この外側補助部分３２は、例えば、リベット締めされることによって、胴体１０の外層１１に構造フレーム１３を固定するために使用される。記載された方向において配置された単一方向の繊維のセット４１の存在は、構造フレーム１３の剛性を増加することができる。
【００４０】
本願発明の好ましい実施形態によれば、構造フレーム１３はまた、内側補助部分３３を備え、該内側補助部分３３は、メイン部分３１の内側周囲縁部４０に接続され、且つメイン部分３１に対して略垂直に延在する、すなわち、胴体１０の長手方向ｅＬに沿って延在する。内側補助部分３３はまた、構造フレーム１３の円周方向に沿って配置された単一方向の繊維の複数のセット４２を備える場合がある。記載された方向において配置された単一方向の繊維の複数のセット４２の存在は、構造フレーム１３の剛性を増加することができる。
【００４１】
メイン部分３１における単一方向の繊維の複数のセット３４、３５、及びことによると３６は、複数の層又は織物のスタックの形態で形成される。単一方向の繊維のセットが存在する場合に、外側補助部分３２及び内側補助部分３３における単一方向の繊維の複数のセット４１、４２は、重ねられた複数の層の形態で形成される。
【００４２】
予想された用途に応じて、メイン部分３１及び外側補助部分３２並びに内側補助部分３３における繊維の異なる複数のセット３４、３５、３６、４１、４２において使用された繊維の性質と、繊維が組み込まれる樹脂の性質とは、複合材料の分野において一般的に使用される繊維と樹脂の間から選択される。それ故に、繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、又はアラミド繊維とされる場合があり、樹脂は、フェノールタイプの樹脂又はエポキシタイプの樹脂などの熱硬化性樹脂とされる場合がある。
【００４３】
図４及び図５は、構造フレーム１３のメイン部分３１の機械的性能に関して構造フレーム１３の円周方向軸に対して相対的な、構造フレーム１３のメイン部分３１における単一方向の繊維の複数のセットの方向の影響の例を示す。図４は、複数の繊維が構造フレームの円周方向軸に対して相対的に方向付けられた角度θ（単位°）の関数として、構造フレーム１３の円周方向に沿って測定された、メイン部分３１におけるヤング率ＥＴ（単位ＭＰａ）の変化を示す。図５は、構造フレームの円周方向軸に対して相対的な繊維方向角度θ（単位°）の関数として、構造フレーム１３の円周方向に沿って測定された、メイン部分３１における限界座屈応力ＮＴ（単位Ｎ／ｍｍ）の変化を示す。
【００４４】
例えば、＋θは、所定の角度３７と等しく、−θは、所定の角度３８と等しい。この例は、−θ／９０°／＋θ／−θ／＋θ／＋θ／９０°／−θで方向付けられた単一方向の繊維の一連の８つセットを積み上げることによって形成された、１５００ｍｍの長さ及び７０ｍｍの高さを有する平坦なプレートからなる。角度θは、１０°から４５°まで変化する。図４は、驚くことではないが、角度θが減少するにつれて、ヤング率ＥＴが増加することを示す。それ故に、θ＝３０°の場合のヤング率の値は、θ＝４５°のヤング率の値の２倍高い。図５は、限界座屈応力ＮＴにおける最大変化が約θ＝３０°であることを示す。さらに、約２５°と約４５°との間の角度θにおいて、限界座屈応力ＮＴは、θ＝４５°に対応するその限界座屈応力に略等しいか、又はより大きい。それ故に、所定の角度３７の＋２５°と＋３５°との間の角度で、及び所定の角度３８の−３５°と−２５°との間の角度で、メイン部分３１における単一方向の繊維の第１セット３４及び第２セット３５を方向付けることは、有利である。構造フレーム１３のメイン部分３１の機械的性能は、改善され、その製造は単純なままである。
【００４５】
本願発明と一致する構造フレーム１３は、当業者に周知なレイアップ技術を使用して形成される。しかしながら、外側補助部分３２及び内側補助部分３３が特許文献２に記載された技術を使用して形成されることができることに留意するべきである。特許文献２は、従来技術と異なり、高圧釜（autoclave）における重合中に、補助部分がそれらの要素の間の接着フィルムの追加によってメイン部分に接続される。特許文献１に記載された技術において、構造フレームの補助部分は、メイン部分を備え、且つ必要とされる形状を有する一体式のアセンブリの縁部に対応する。補助部分は、高温真空下での変形によって得られることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  胴体
１１  外層
１２  スパー
１３  構造フレーム
３１  メイン部分
３２  外側補助部分
３３  内側補助部分
３４  単一方向の繊維の複数の第１セット
３５  単一方向の繊維の複数の第２セット
３６  単一方向の繊維の複数の第３セット
３７  所定の角度
３８  所定の角度
３９  外側周囲縁部
４０  内側周囲縁部
４１  単一方向の繊維のセット
４２  単一方向の繊維のセット
【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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【国際調査報告】
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2010537889.tif 000009
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