(57)【要約】      （修正有）【課題】破壊亀裂の発生の低減が得られる複合積層体の開口部強化構造体を提供する。【解決手段】一実施形態では、第１の開口部１４を有する第１のシート材１２、第１の開口部１４に合致する第２の開口部を有する第２のシート材、並びに、第１のシート材１２又は第２のシート材の少なくとも１つに固定されており第１の開口部１４又は第２の開口部の少なくとも１つを包囲する複数の渦巻を含む連続繊維、及び複数の渦巻を互いに結合する樹脂を有する強化構造体４０を含む複合積層体７０が開示される。【選択図】図７
2012106500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口部（１４）を有する第１のシート材（１２）と、
第１の開口部（１４）に合致する第２の開口部（４８）を有する第２のシート材（４６）と、
第１のシート材（１２）又は第２のシート材（４６）の少なくとも１つに固定されており、第１の開口部（１４）又は第２の開口部（４８）の少なくとも１つを包囲する複数の渦巻（４４）を含む連続繊維（４２）と、
複数の渦巻（４４）を互いに結合する樹脂（５０）と
を有する強化構造体（４０）を含む複合積層体（７０）。
【請求項２】
繊維（４２）が４０度より大きいトウ曲げ角度の剛性を有する、請求項１記載の複合積層体（７０）。
【請求項３】
樹脂（５０）が複数の渦巻（４４）の間で約０．０１８〜０．０２４ｃｍの厚さを有する、請求項１記載の複合積層体（７０）。
【請求項４】
強化構造体（４０）が連続繊維（４２）の幅とほぼ等しい厚さを有する、請求項１記載の複合積層体（７０）。
【請求項５】
第１のシート材（１２）又は第２のシート材（４６）の少なくとも１つが垂直向性である、請求項１記載の複合積層体（７０）。
【請求項６】
第１の開口部（１２）及び第２の開口部（４６）が実質的に円形である、請求項１記載の複合積層体（７０）。
【請求項７】
複数の渦巻（４４）が第１の開口部（１２）又は第２の開口部（４６）の少なくとも１つの回りで実質的に同心である、請求項６記載の複合積層体（７０）。
【請求項８】
各々が実質的に位置を合わせて並んでいる実質的に円形の開口部（１４、４８）を有する複数の積み重ねたシート材（１２、４６）と、
複数の積み重ねたシート材（１２、４６）の間に散在する複数の強化構造体（４０）と
を含む複合積層体（７０）であって、
前記複数の強化構造体（４０）の各々が、
前記複数の積み重ねたシート材（１２、４６）の少なくとも１つに固定されており、実質的に円形の開口部（１４、４８）を包囲する複数の渦巻（４４）を含む連続繊維（４２）、及び
複数の渦巻（４４）を互いに結合する樹脂（５０）
を有する複合積層体（７０）。
【請求項９】
繊維（４２）が４０度より大きいトウ曲げ角度の剛性を有する、請求項８記載の複合積層体（７０）。
【請求項１０】
開口部（４８）を有する単一のシート材（４６）と、
単一のシート材（４６）に固定された強化構造体（４０）と
を含む強化モノリシック素材であって、前記強化構造体（４０）が、
前記単一のシート材（４６）に固定されており、開口部（４８）を包囲する複数の渦巻（４４）を含む連続繊維（４２）、及び
前記複数の渦巻（４４）を互いに結合する樹脂（５０）
を含む強化モノリシック素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は開口強化構造体に関する。具体的には、本明細書に開示されている主題は、素材内の開口部（又は、穴）を強化するための構造体、及び強化用構造体を形成するための関連方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
穴を有する平坦なプレート又はシェルのような構造体は、その構造体の穴と関連する嵌め合いピン又はボルトとの間の荷重伝達がその構造体の素材の剪断強度を超えると過大な応力がかかり得る。例えば、その穴の位置における剪断引き裂きが、モノリシック構造体（例えば、プレート）、及び複合材からなる構造体の両方で起こる可能性がある。
【０００３】
複合材からなるプレート又はより複雑な構造体は垂直向性を有し得る。すなわち、かかる複合材の強度と剛性はその繊維に平行な方向の方がその繊維の横断方向よりも大きい。かかる垂直向性の素材において穴の最も近くにかかる応力は、平行方向、横断方向、又は平行と横断の間の方向でその構造体の物性の剪断強度又は引張強度を超える可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５９６８６３９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の様々な態様は開口強化構造体を提供する。一実施形態では、第１の開口部を有する第１のシート材と、第１の開口部に合致する第２の開口部を有する第２のシート材と、第１のシート材又は第２のシート材の少なくとも１つに固定され、第１の開口部又は第２の開口部の少なくとも１つを包囲する複数の渦巻を含む連続繊維、及び複数の渦巻を互いに結合する樹脂を有する強化構造体とを含む複合積層体が開示される。
【０００６】
本発明の第１の態様は、第１の開口部を含む第１のシート材と、第１の開口部に合致する第２の開口部を有する第２のシート材と、第１のシート材又は第２のシート材の少なくとも１つに固定され、第１の開口部又は第２の開口部の少なくとも１つを包囲する複数の渦巻を含む連続繊維、及び複数の渦巻を互いに結合する樹脂を有する強化構造体とを有する複合積層体を含む。
【０００７】
本発明の第２の態様は、各々が実質的に円形の開口部を含み、その実質的に円形の開口部が各々実質的に位置を合わせて並んでいる、複数の積み重ねたシート材と、複数の積み重ねたシート材の間に散在しており、各々が、複数の積み重ねたシート材の少なくとも１つに固定され、実質的に円形の開口部を包囲する複数の渦巻を含む連続繊維、及び複数の渦巻を互いに結合する樹脂を有する複数の強化構造体とを有する複合積層体を含む。
【０００８】
本発明の第３の態様は、実質的に円形の開口部を有する単一のシート材と、単一のシート材に固定され、単一のシート材に固定され実質的に円形の開口部を包囲する複数の渦巻を有する連続繊維及び複数の渦巻を互いに結合する樹脂を含む強化構造体とを含む強化モノリシック素材を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を描いた添付の図面と関連した本発明の様々な態様についての以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう。
【図１】図１は、従来の素材強化系の切り取った(cut-away)平面図である。
【図２】図２は、従来の素材強化系の切り取った平面図である。
【図３】図３は、従来の素材強化系の切り取った平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態による強化構造体の平面単離図(top isolation view)である。
【図５】図５は、本発明の実施形態による強化構造体を作成するための系の三次元透視図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態による強化構造体を作成するための系の一部を切り取った側面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態による強化構造体を含む複合積層体の切り取った平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の図面は一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。これらの図面は、本発明の典型的な態様のみを示すためのものであり、従って本発明の範囲を限定すると考えてはならない。図面中、類似の番号付けは図面間で類似の要素を表す。
【００１１】
本明細書で述べるように、複合構造体の物性制限に対処するための従来の方法は、交互の９０度配向を有する交互パターンのクロスプライ積層体を含ませることである。この従来の方法は複合積層体の繊維を一より多くの方向に並ばせるように行われ、これにより複合材の垂直向性の強度制限に対抗させるものである。しかし、それでもクロスプライ積層体法は二つの方向（例えば、素材繊維に対して平行及び素材繊維を横断する方向）での素材強度の制限に対処するのみである。相変わらず、素材の繊維に対して平行及び横断方向以外の方向における縁部亀裂、剪断による破壊亀裂、等を防ぐことはできない可能性がある。
【００１２】
従来の方法とは対照的に、本発明の様々な態様は、構造体の穴の円周方向の強化を提供する螺旋状に巻き付けられた繊維を含む。本発明のこれらの態様により、最終部品における構造体の配向に関係なく構造体の穴の強化が可能になり得る。本発明の様々な態様によって、従来の穴−強化機構と比べて縁部亀裂の発生と剪断による破壊亀裂の発生の低減が得られ得る。
【００１３】
例えば、一実施形態では、ａ）第１の開口部を有する第１のシート材、ｂ）第１の開口部に合致する第２の開口部を有する第２のシート材、並びに、ｃ）第１のシート材又は第２のシート材の少なくとも１つに固定され、第１の開口部又は第２の開口部の少なくとも１つを包囲する複数の渦巻を有する連続繊維、及び複数の渦巻を互いに結合する樹脂を含む強化構造体を含む複合積層体が開示される。
【００１４】
別の実施形態では、本発明の態様は、素材（例えば、複合材又はモノリシック素材）中の開口部を強化するように構成された強化構造体を形成する方法を提供する。幾つかの実施形態では、この方法は、一対のガイドディスク間で中央のマンドレルの回りに繊維を巻き付け、樹脂系のスラリーを用いてこの繊維を自身に結合させて強化構造体を形成することを含み得る。
【００１５】
図１を見ると、従来の素材強化系１０の切り取った平面図が示されている。この従来の系では、開口部１４を含む一片の素材（例えば、モノリシック又は複合材のシート）１２が示されている。一実施形態では、開口部１４はｚ−方向（ｚ−軸に沿って紙面の表裏に向かう方向）に実質的に素材１２を貫通して延びる。開口部１４はピン、ボルト、リベット、ネジ、等のような結合部材（図示してない）を受け入れるように構成することができるものと理解される。また、強化系１０には、積層体として素材１２に固定され得るか、又は元の素材１２内に（例えば、挿入物として）形成し得るクロスプライ強化構造体１６、１８も示されている。図に示されているように、クロスプライ強化構造体は、約９０度の角度で交差する強化部材１６、１８を（それぞれｘ−軸、ｙ−軸に沿って）含んでいる。いずれにしても、開口部を有する素材を強化する従来の方法に関して記載したように、クロスプライ強化構造体１６、１８は、ｘ軸及びｙ軸に沿う方向以外の方向における縁部亀裂の発生及び／又は剪断による破壊亀裂の発生のような素材の破壊を防ぐことができない可能性がある。
【００１６】
図２は、図１の従来の素材強化系１０を示しており、さらに開口部１４の近くでの縁部亀裂の発生２０を図解している。本明細書に記載されているように、縁部亀裂の発生２０は、例えば、ｚ−軸（紙面の表裏方向）に沿って、すなわちシート材１２の平面に対して垂直にかかる「引き裂き」その他の力が原因で起こり得る。この場合、例えば、開口部１４を通るピン又はボルトの移動は縁部亀裂の発生２０、その後素材の破壊を生じ得る。
【００１７】
図３は、図１の従来の素材強化系１０を示しており、さらに開口部１４の近くでの剪断による破壊亀裂の発生２２を図解している。本明細書に記載されているように、剪断による破壊亀裂の発生２２は、開口部１４内でｙ−軸（又は、例えば他の場合のｘ−軸）に沿って、このクロスプライ強化構造体１８（又はｘ−軸に沿う１６）が耐えることができるより大きい力がかかることに起因して起こり得る。これにより、元の開口部１４の伸び、及び元の開口部１４の近くのｙ−軸に沿った亀裂発生が起こる。ｙ−軸（又は、他の場合のｘ−軸、若しくはｘ−ｙ軸、等）に沿ってかかるこの力は、開口部１４内に受け入れられるボルト、ネジ、ピンその他の部材によってかけられ得る。例えば、ピンはｙ−軸方向に剪断力を受け、その剪断力を開口部１４の内側の表面に伝達することにより開口部を引き延ばし得る。
【００１８】
図４を見ると、本発明の実施形態による強化構造体４０の平面単離図が示されている。図に示されているように、強化構造体４０は、その中の開口部４８を強化するために少なくとも１つのシート材４６（幽霊線で示されている）に固定された複数の渦巻４４を有する連続繊維４２を含み得る。素材４６及び開口部４８は幽霊線で示されており、強化構造体４０が素材４６と別個に形成し、後に１以上のシート材４６に例えば積層によって取り付けてもよいことを示していることが理解される。繊維４２の渦巻４４は開口部４８（この実施形態では円形の穴である）の回りで実質的に同心の回転体を形成し得る。しかし、他の渦巻、例えば長円形の渦巻を用いて、例えば長円形状の開口部を強化することもできることが理解される。一実施形態では、繊維４２は幅が約０．０１５〜０．０２０ｃｍで、４０度より大きいトウ曲げ角度の剛性を有し得る。当技術分野で公知のように、用語「トウ」は、繊維４２が糸のように共通の軸の回りに巻き付けられた複数の繊維要素からなり得るという意味で繊維４２の構造体を指称し得る。慣用の「ドループ角度」試験を用いて繊維４２の剛性を決定することができ、一実施形態では、繊維４２は１０ｃｍの支持されてない長さの繊維４２に付き約２ｃｍのドループを有する。また、渦巻４４の間に、各々の隣接する渦巻４４を互いに結合するのに使用されている樹脂５０も示されている。本明細書中にさらに記載されているように、樹脂５０は、例えば、室温で半剛性で、組み立てプロセス中の操作を可能にし得るポリビニルブチラールポリマー結合材から形成され得る。樹脂５０は約０．０１５〜０．０２０ｃｍの厚さを有する隣接する渦巻４４の間に形成され得る。一実施形態では、樹脂５０は本明細書でさらに記載されるように繊維４２を渦巻４４状に巻き付ける前に繊維４２に適用してもよい。幾つかの実施形態では、樹脂５０は、繊維４２を素材４６に固定する前に渦巻４４の形成中に繊維４２に適用し得るものと理解される。
【００１９】
図５及び６を見ると、それぞれ、強化構造体（例えば、図４の強化構造体４０）を作成するための系６０の三次元透視図及び一部を切り取った側面図が示されている。一実施形態では、系６０はマンドレル６２、一対のガイドディスク６４、及びスラリートレイ６６（図５−６では概略的に示されている）を含み得る。破線の矢印で示されているように、繊維４２は、マンドレル６２の回転（例えば、図６では時計回り）によってマンドレル６２の回りに巻き付けることができる。すなわち、繊維４２の第１の端部をマンドレル６２の表面に（例えば、接着剤又はピンのような化学的又は機械的固定具によって）固定することができ、マンドレル６２をオペレーター（例えば、人間のオペレーター又は機械）により回転させることができる。マンドレル６２は繊維４２を引っ張ることができ、一方ガイドディスク６４がマンドレル６２の回転軸に沿った繊維４２の移動を制御することで、繊維４２の各々の渦巻４４（図６）が隣接する渦巻４４の上に巻き付けられ、実質的に同心の構造体が作成される。一実施形態では、ガイドディスク６４は約０．０１８〜０．０２４ｃｍ離れて（距離、Ｄ）位置しており、この距離は繊維４２の厚さより大きいが、より大きいが、繊維４２の２つの接触するセグメントの厚さより小さい距離であり得る。一実施形態では、繊維４２は、スラリートレイ６６を通して供給して、マンドレル６２の回りに巻き付ける前に繊維４２の外面を樹脂５０（図６）で実質的に被覆し得る。樹脂５０は、繊維の渦巻がマンドレル６２に巻き付けられるときに繊維４２の隣接する渦巻４４を互いに結合することができる接着剤を含んでいてもよい。さらに、樹脂５０は幾つかの実施形態では反応して熱くなるように構成されていてもよい。例えば、場合によって、樹脂５０は、例えば、樹脂５０と繊維４２の混合が望ましくないとき、焼散段階（例えば、セ氏約４００度）中に消耗性であってもよい。他の場合、樹脂５０は、（繊維４２と樹脂５０の）複合材を処理して圧密化するときに（例えば、工学プロセス雰囲気内で加熱し、その後冷却することにより）繊維４２と一体化するようになってもよい。いずれにしても、樹脂５０が保持されるにせよ、消耗させるにせよ、本明細書に記載した１以上のプロセスは、シート材に結合する（又は、シート材と一体化させる）ことができる強化構造体（例えば、強化構造体４０）を形成するという技術的効果を有し得る。主として、連続的に巻き付けられる繊維４２の渦巻４４として図面に示し、本明細書に記載するが、繊維４２の１以上の渦巻４４は別個に（例えば、リングのような円周方向の強化部材として）形成し、互いに結合させてもよいことが理解される。すなわち、各々の渦巻は図５及び６の系６０によって形成してもよいが、場合によって、隣接する渦巻はマンドレル６２の回りに連続的に巻き付けることなく、例えば樹脂によって互いに結合してもよい。
【００２０】
図７を見ると、本発明の実施形態による複合積層体７０の切り取った平面図が示されている。一実施形態では、複合積層体７０は、開口部１４を有する第１のシート材１２（例えば、鋼、アルミニウム、等のようなシートメタル）を含んでいる。幾つかの実施形態では、第１のシート材１２（又は複合積層体中の他のシート材）は実質的に垂直向性であり得る。すなわち、これらの垂直向性素材は素材繊維に平行な方向の強度と剛性が素材繊維を横断する方向より大きい。複合積層体７０は互いに（例えば、ｚ−軸に沿って）積み重ねた複数のシート材１２を含んでいてもよいと理解され、それらのシート材１２の少なくとも２つが開口部１４を有している。さらに、複数のシート材１２中の各開口部１４は、穴が複数のシート材１２を貫通して延びるように、実質的に位置を合わせて並び得ることが理解される。これらの追加のシート材１２は説明を明確にするためにこの切り取った図からは省略されている。
【００２１】
また、図７には、複合積層体７０が本明細書に記載した実施形態による強化構造体４０を含み得ることも示されている。強化構造体４０は、図４−６に関して記載した強化構造体４０と実質的に同様でよく、特に図５−６に関して記載した方法に従って形成し得る。図に示されているように、強化構造体４０は、開口部１４を実質的に包囲し、複数の渦巻（例えば、実質的に円形の渦巻）によって開口部１４の強化を提供するように構成され得る。複合積層体７０はまた、従来の素材シートに関連して記載したクロスプライ強化構造体１６、１８も含んでいるものとして示されている。しかし、一実施形態では、強化構造体４０は、シート材（例えば、素材１２）がクロスプライ強化構造体１６、１８ではなく強化構造体４０によって強化された１以上の開口部（例えば、開口部１４）を含み得るように、クロスプライ強化構造体１６、１８の１以上のセグメントに取って代わり得る。
【００２２】
本明細書に記載されているように、強化構造体４０は繊維４２の幅とほぼ等しい（ｚ−軸に沿った）厚さを有し得る。すなわち、強化構造体４０はｚ−方向に繊維４２の幅より高く盛り上がることはない。これにより、素材−強化構造体の組合せの厚さを実質的に増大することなく、強化構造体４０を、複合積層体中の素材（例えば、素材１２）の層間に配置したり、素材のモノリシック層内に配置したり、又は素材の層に固定したりすることが可能になり得る。
【００２３】
本明細書に記載されているように、本発明の様々な態様により、従来の方法と比べて、素材、例えば、モノリシック素材又は複合材中の開口部のより効果的な強化が可能になる。従来の強化系とは対照的に、本発明の実施形態の強化構造体は平面内で３６０度の範囲に渡って開口部を強化することができる。すなわち、素材のｘ軸及びｙ軸に沿う以外の（例えば、正のｘ−ｙ軸、負のｘ−ｙ軸、等に沿う）角度にかかる応力が、本明細書に記載した強化構造体によって低減され得る。
【００２４】
本明細書で使用した術語は、特定の実施形態を説明する目的のみのものであって、その開示を限定する意図はない。本明細書で使用する場合、単数形態は前後関係から明らかに他のものが示されない限り複数も含めて意味している。さらに、本明細書で使用する場合「含む」という用語は、明記された特徴、完全体(integer)、工程、操作、要素、及び／又は成分の存在を指定するものであり、１以上の他の特徴、完全体、工程、操作、要素、成分、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外するものではないことと理解される。
【００２５】
本明細書では、最良の態様を含めて本発明を開示するため、また当業者があらゆるデバイス又は系を作り使用し、あらゆる組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施することができるようにするために、例を使用した。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲に定義されており、当業者には自明の他の例を含み得る。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的な差のない等価な構造要素を含んでいる場合、特許請求の範囲内に入る。
【符号の説明】
【００２６】
１０  強化系
１２  素材
１４  開口部
１６  クロスプライ強化構造体
１８  クロスプライ強化構造体
２０  縁部亀裂
２２  剪断による破壊亀裂
４０  強化構造体
４２  連続繊維
４４  渦巻
４６  素材
４８  開口部
５０  樹脂
６０  系
６２  マンドレル
６４  ガイドディスク
６６  スラリートレイ
７０  複合積層体
【図１】
2012106500.tif 000003
【図２】
2012106500.tif 000004
【図３】
2012106500.tif 000005
【図４】
2012106500.tif 000006
【図５】
2012106500.tif 000007
【図６】
2012106500.tif 000008
【図７】
2012106500.tif 000009