(57)【要約】      （修正有）【課題】強度重量比が高く、局部座屈と全体座屈を防止する補強パネルを提供する。【解決手段】フラクタル構造により補強された支持構造体、及び、その構造体の製造方法が提示される。支持構造体の製造に先立って、少なとも３つの結節部（１’）について最適な位置が決定され、第１群ウェブ（２’）は支持構造体の第１面に形成され、これら結節部（１’）にて結合されて第１ポケット領域（８’）を形成する。第１ポケット領域（８’）内に第２群ウェブ（２７）が形成されて、第２ポケット領域（３１）を形成する。第１群ウェブ（２’）は構造体の第１面から垂直に延出し、その高さは、構造体の第１面から垂直に延出する第２群ウェブ（２’）よりも高い。【選択図】図２
2017001667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の設計及び製造方法であって、
前記構造体における少なくとも３つの結節部の位置を決定し、
第１群ウェブを前記構造体の第１面に形成し、その際に、当該第１群ウェブは、前記第１面から垂直に延出して第１高さを規定する第１リニアリブを有するものとし、当該第１群ウェブは、前記結節部の位置と一致する位置において互いに一体に結合され、これにより第１ポケット領域を規定するようにし、
第２群ウェブを前記第１ポケット領域内に形成し、その際に、当該第２群ウェブは、前記構造体の前記第１面から垂直に延出して第２高さを規定する第２リニアリブを有し、前記第２高さは前記第１高さよりも低く、前記第２リニアリブは、互いに結合して第２ポケット領域を規定するようにする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
第３群ウェブを前記第２ポケット領域内に形成し、その際に、当該第３群ウェブは、前記構造体の前記第１面から垂直に延出して、前記第１高さよりも低い第３高さを規定する第３リニアリブを有するものとする、方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法であって、
前記結節部の位置を決定するに際して、前記結節部が第１正三角形の頂点を形成し、前記第１群ウェブが前記第１正三角形の辺を形成するようにする、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記第２群ウェブを形成するに際して、前記第２リニアリブを前記第１群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第２ポケット領域を第２正三角形の形状に形成する、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記第３群ウェブを形成するに際して、前記第３リニアリブを前記第２群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第３ポケット領域を第３正三角形の形状に形成する、方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法であって、前記構造体は中実のシートであり、前記第１及び第２ポケット領域は、連続的なミリング処理にて形成される、方法。
【請求項７】
所与の厚み、内表面、及び外表面を有する外皮シートと、
均一な第１多角形の繰り返しパターンをなす第１群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記内表面からの第１高さを規定する第１リニアリブを有するとともに、最適化された位置になるように予め決定された結節部と一致する位置で互いに結合して、前記内表面上に第１ポケット領域を規定する第１群ウェブと、
前記第１ポケット領域内において均一な第２多角形の繰り返しパターンをなす第２群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記第１高さよりも低い、前記内表面からの第２高さを規定する第２リニアリブを有するとともに、前記第２リニアリブは互いに結合して第２ポケット領域を規定する、第２群ウェブと、
を含む支持構造体パネル。
【請求項８】
前記第２群ウェブの前記第２リニアリブは、長手軸を有すると共に、当該長手軸が前記第１群ウェブの第１リニアリブを二等分するように、前記第１群ウェブの前記第１リニアリブに結合する、請求項７に記載の支持構造体パネル。
【請求項９】
前記第１及び第２群ウェブは、前記外皮シートと一体である、請求項７又は８に記載の支持構造体パネル。
【請求項１０】
前記第１及び第２多角形パターンは、正三角形から成る、請求項７〜９のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【請求項１１】
前記第１群ウェブにおける各ウェブは、第２リブに囲まれた各三角形の頂部にある結節部で結合する、請求項１０に記載の支持構造体パネル。
【請求項１２】
前記第１及び第２のリニアリブは、Ｔ字型の断面を有する、請求項７〜１１のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【請求項１３】
前記第２高さは、おおよそ前記第１高さの１０％と５０％の間である、請求項７〜１２のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【請求項１４】
前記第２高さは、おおよそ前記外皮シートの厚みの２倍と４倍の間である、請求項７〜１３のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、フラクタル補強構造に関する。より具体的には、本開示は、本明細書においてフラクタルグリッド（fractalgrid）と呼ぶアイソグリッド（isogrid）及び直交グリッド（orthogrid）支持構造を用いたフラクタル補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機や航空宇宙構造などの特殊な用途に、強度重量比の非常に高い構造が数多く開発されてきた。典型的にはアルミニウムやチタンといった金属から製造されるこれらの構造の中には、重量効率が非常に高い形態によって、所望の強度、剛性などを得ているものもある。アイソグリッドと呼ばれる周知の形態では、外皮（あるいは膜）材と概ね一体な起立リブが、正三角形の繰り返しパターンにて配置されており、アイソグリッド形態における正三角形は、共有する辺と三角形の角部で別の正三角形に接触している。補強材（stiffener）の交点は、三角形の角部が接触する位置であり、通常、結節部（node）と呼ばれ、しばしば二次構造体（secondary structure）の取り付け位置（attachment point）として利用される。アイソグリッドや、これに類する直交グリッドなどの補強形態は、一体化したグリッドによる補強パネルに最も一般的に用いられる設計である。グリッドにより補強された支持構造体は、例えば、燃料タンクや航空宇宙用途の耐荷重性パネルといった様々な輸送体部品の製造に利用可能である。標準的なアイソグリッド、直交グリッド、その他のグリッドによる補強パネルの適用例は、一般的に、局部座屈、及び全体座屈を防止するように設計されている。
【０００３】
局部座屈は、補強材の損傷（crippling）や外皮のポケット座屈（pocket buckling）として現れることがあり、全体座屈は、構造体全体における大規模な潰れ（general, large scale collapse）として特徴づけられることが多い。局部座屈を防止するためにグリッド補強された構造体の重量を最適化しようとすると、ポケットの小型化（補強材同士が近接する配置）及び、補強材の小型化にパネル設計が偏りがちであり、全体座屈対策については、ポケットの大型化、及び、補強材の大型化・高効率化にパネルが偏りがちである。このように、局部座屈と全体座屈とは、パネルの寸法に関して相反する関係にあり、典型的なグリッド補強パネルは、局部座屈の防止と全体座屈の防止との折衷で成り立っている。
【０００４】
航空宇宙用構造体の性能を向上させるには、現行の設計を上回る強度重量比を有しつつ、座屈を防止するように改良されたアイソグリッド構造と直交グリッド構造が求められる。特に、アイソグリッド構造は、宇宙船、打ち上げ機、及び航空機に理想的であるので、本開示により得られる大幅な軽量化は、より多くの有料荷重を軌道に乗せることや、燃料効率の向上を可能にする。これら及び他の利点について、添付の図面を参照して説明する。
【発明の概要】
【０００５】
フラクタルグリッド形態で補強された支持構造体、即ちフラクタルグリッドは、主補強構造と共に、１つ又は複数の補助補強構造を備えるように製造できる。フラクタルグリッドにより補強された構造体の好ましい設計及び製造方法では、先ず、材料の性質、設計上の要件、及び製造上の制約に基づいてパネル寸法を決定し、その後、第１群ウェブを構造体の第１面に形成する。前記第１群ウェブは、前記第１面から垂直に延出して、前記構造からの第１高さを規定する第１リニアリブを有する。前記第１群ウェブは、予め定められた結節部位置に一致する位置で互いに一体とされ、これにより前記第１群ウェブと前記結節部とにより第１ポケット領域が形成される。前記第１群ウェブの形成と同時に、第２群ウェブ（あるいは複数の第２群ウェブ）を前記第１ポケット領域内に形成する。
【０００６】
第２群ウェブにおける各ウェブは、前記構造体の前記第１面から垂直に延出して前記構造体からの第２高さを規定する第２リニアリブを有し、前記第２高さは、前記第１群ウェブの前記第１高さより低い。前記第２群ウェブは、互いに結合すると共に、前記第１群ウェブに結合して、第２ポケット領域を規定する。本製造方法により得られる支持構造体パネルは、内表面と外表面とを有する外皮シートを含む。補強構造は、典型的には、前記２つの表面のいずれかに設けられるが、両方の表面に補強構造が設けられていてもよい。前記内表面上の第１群ウェブは、均一な第１繰り返しパターンをなす第１群ウェブ群である。前記第１群ウェブは、前記外皮の前記内表面から垂直に、前記内表面から第１高さだけ延出する第１リニアリブを有する。前記第１群ウェブは、予め定められた位置になるように選択された結節部と一致する位置で互いに一体に結合する。前記第１群ウェブは、前記内表面上に第１ポケット領域規定する。
【０００７】
加えて、均一な第２繰り返しパターンの第２群ウェブが前記第１ポケット領域内に設けられている。前記第２群ウェブは、前記内表面から垂直に延出して、前記内表面からの第２高さを規定する第２リニアリブを有する。前記第２高さは前記第１高さよりも低い。前記第２リニアリブは互いに結合して第２ポケット領域を規定する。前記第２群ウェブの前記第２リニアリブは長手軸を有する。当該長手軸は、前記第１群フェブの第１リニアリブに対して、前記第１群ウェブとの交点において垂直になるように、第１リニアリブに交差する。前記第２リニアリブは、典型的には、前記第１リニアリブを二等分する。ただし、複数の第２リニアリブが第１リニアリブを分割していてもよい。
【０００８】
上述の特徴、機能、利点は、種々の実施形態において個別に達成可能であり、また、さらに別の実施形態と組み合わせることも可能であり、その詳細は、以下の説明及び図面を参照することにより明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本開示は、下記の詳細な説明及び添付の図面からより深く理解されるであろう。尚、これらは例示に過ぎず、よって、本開示の限定ではない。
【００１０】
【図１】既知のアイソグリッド支持構造体の断面を示す斜視図である。
【図２】本開示の一例による、補助フラクタル補強構造を有するフラクタルグリッド支持構造体の断面を示す斜視図である。
【図３】本開示の別の例による、補助フラクタル補強構造を有するフラクタルグリッド支持構造体の断面を示す斜視図である。
【図４】追加の例による、直交グリッドを基礎とするフラクタルグリッド構造体の断面を示す図である。
【図５】さらに別の追加の例による、直交グリッドを基礎とするフラクタルグリッド構造体の断面を示す図である。
【図６】既知のアイソグリッド構造体と、本開示のフラクタルグリッド構造体との双方について、構造体なパネル重量とポケットサイズとの関係を示すグラフである。
【図７】本開示のフラクタルグリッド構造体を取り入れた燃料タンクの設計の一例を示す断面図である。
【図８】一例による主リブと補助リブの構造の断面形状を示す図である。
【図９】他例による主リブと補助リブの構造の断面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
全ての図を通して、対応する部分には同一の符号が付されている。
【００１２】
以下に、添付図面を参照して本開示の実施形態をより詳細に説明する。図面は、開示の実施形態のいくつかを示しており、全てを示してはいない。実際、いくつかの異なる実施形態を提示しているものの、本開示に記載した実施形態に限定されると解釈されるべきではない。
【００１３】
典型的な航空宇宙船や航空宇宙システムにおいては、その全体質量の大部分を耐荷重構造体が占める。本開示のアイソグリッド支持構造体及び直交グリッド支持構造体は、２つの利点を奏する。一つは、性能を損なうことのない軽量化であり、もう一つは、大幅な重量増加を伴うことなく、より大型補強材の位置調節の自由度がより高いことである。大幅な重量増加なしに結節部位置の調整が可能であるので、荷重の変化に伴う重量増加の可能性を小さくできると共に、結節部の位置を最適化する性能を改善できるので、主構造体に合わせたアタッチメントを二次構造体に設ける必要がなく、二次構造体による重量を削減できる。言い換えると、以下に説明するように、１つ又は２つ以上の補助補強構造を用いると、主構造の結節部を予め定めた態様に配置して、これらの結節部が、１つ又は２つ以上の二次ハードウェアや構造体を支持し、固定するための取付け位置として最適に利用されるようにできる。
【００１４】
本開示の一例によるフラクタルグリッド構造体の設計では、主アイソグリッド補強構造に、１つ又は複数の補助アイソグリッド補強構造が追加されている。ウェブ（補強材）群により規定されるポケット領域は、追加の構造毎に半分の大きさになる。フラクタルグリッド設計の主な利点は、軽量化である。補強構造の追加により、外皮の局部座屈が防止でき、よって、外皮の厚みを小さくすることが可能になる（これが、主な軽量化をもたらす）。補助構造（secondary structure）に含まれる補強材、フィレット、及びラウンド部の追加は、部分的に見れば軽量化に逆行するが、フラクタルグリッド設計全体として見ると、初期見積もりで１１％超の軽量化が期待できる。補助補強構造は、全体座屈の防止にも利点となる。理論上は、補助補強構造の繰り返しの回数は無限であるが、ラウンド部及びフィレットの追加に伴う質量増加のため、質量削減に限界が生じ、特定の用途では、補助補強構造が１つでも過剰にあると、質量削減が増加に転じることになる。本開示によるフラクタルグリッド構造体の第２の利点は、設計のカスタマイズがより容易になり、特定の寸法の変更による影響がより少ないことである。これにより、二次ハードウェアアタッチメント及び製造上の制限事項に基づいて所望のグリッド間隔を予め決定しつつ、主構造のアイソグリッド寸法の変更に伴う重量増加を避けることができる。標準的なアイソグリッド設計では、結節部間隔（即ち、ポケットの大きさ）は重量に大きく影響するので、結節部間隔の変更が大幅な重量増加につながる場合もある。加えて、結節部間隔が重量に影響するので、性能要件と質量要件とにより結節部間隔が決まることもしばしばある。よって、二次アタッチメントに好適な結節部間隔を選択するのではなく、選択された結節部間隔に二次ハードウェアを適合させる必要がある。例えば、標準的なアイソグリッド形態における最適な結節部間隔が５インチであるのに対し、大半の取り付けハードウェアは、１２インチよりも大きな結節部間隔を必要とする場合、そのような取り付けハードウェアは、より重量の大きい、より複雑な構成になることが多い（より多くの設計時間と費用を要する）。逆に、標準的なアイソグリッドに修正を施して取り付けハードウェアに適合させる場合、それに伴うアイソグリッド自体の重量の増加が、性能要件や重量要件の観点から許容できないものとなりうる。
【００１５】
本開示のフラクタルグリッド形態では、主結節部の間隔を変更する場合は、補助補強構造及び外皮の最適化を改めて行えるので、あらゆる重量増加の可能性を低減できる。この調整可能性により、本開示のフラクタルグリッドは、主結節部間隔の変更に重量が左右されにくい。したがって、フラクタルグリッドの結節部間隔を、二次アタッチメントに関する要因、例えば、二次ハードウェアのサイズ、二次ハードウェアの質量、既存の取り付けハードウェアの再利用、二次荷重の削減、フラクタルグリッドと二次構造体との最小合計質量、あるいはこれらの組み合わせなど、に基づいて決定することができる。主結節部位置が最も頑丈な取付け位置ではあるものの、フラクタルグリッドの補助結節部位置も同様に利用可能であり、これにより、標準的なアイソグリッドに比べてより高密度に取付け位置が設けられる。
【００１６】
本開示のフラクタルグリッドは、独自の概念による補強を実現して、圧縮や座屈が重要である用途や、他の多くの荷重環境でも同様に利用可能な、より軽量の構造体を提供する。例えば、グリッド補強パネルは、多くの航空宇宙用途に利用可能であり、また、燃料タンクの構築を例とする、重量や材料コストが大きく影響するような商業用用途に利用可能である。図７は、そのような燃料タンク８０の一例を示しており、これには、フラクタルグリッドパネル８１が、タンク８０の内側円筒部８２に組み込まれている。フラクタルグリッドパネル８１は、タンク表面８５と連結する連結リング（interface ring）８３及び８４により支持されている。
【００１７】
本開示は、好ましくは、従来のアイソグリッド設計を基礎としつつ、フラクタルグリッド支持構造体（fractalgrid support structure）の設計及び製造方法を提供するものであるが、アイソグリッドの主ウェブ構造の内部に１つ又は複数の補助補強グリッド構造を有する点において、既知の構造と異なり、また既知の構造に対して改良されているものである一実施形態では、かかる製造方法により、どの方向においても測定する性質がすべて等しい等方性の構造体が生成される。これは、主構造と補助フラクタルグリッド構造とのいずれも、正三角形のウェブを形成するようにウェブ群（補強材）を作成することによって実現される。
【００１８】
本開示のフラクタルグリッド支持構造体は、例えば、アルミニウムなどの金属製の単一シート材あるいは板材を機械加工して作成してもよいし、複合積層体を用いて作成してもよい。金属材料については、パネル表面（外皮、膜、あるいは、壁とも言う）の所望の厚さに合わせて、化学ミリングを用いる場合もある。フラクタルグリッドの製造には、標準的なアイソグリッド設計の製造に利用するのと同じ製造技術を利用可能である。典型的なコンピュータ数値制御（ＣＮＣ：Computer Numerical Control）の工作機械を用いる場合、製造用ハードウェアには一切調整を加えることなく、再プログラミングのみで、本開示のフラクタルグリッドを製造可能である。
【００１９】
図１は、既知のアイソグリッド設計１０のパネルの一部の断面を示し、概ね円形の結節部１で結合するウェブ群２が含まれている。各ウェブは、リニアリブ４の形態を取り、支持構造体１０を有するパネル３の一方の面から垂直に（紙面外に向かって）高さ、即ち距離Ｈ１だけ延出している。図１のアイソグリッド設計では、結節部１は、正三角形の頂部を構成し、結節部とウェブの組合せにより、ポケット領域８（即ち、繰り返し配列されている各正三角形の内部領域）が規定される。好ましくは、リニアリブ４はパネル３と一体であって、フィレット９によりリブ４とパネル３とが結合されている。
【００２０】
図２は、本開示のフラクタルグリッド構造体２０の一例の第１実施形態によるパネルの一部の断面を示す図であり、主フラクタルグリッドの構造材１’、２’、４’のポケット領域８’の内部に、補助フラクタルグリッドの構造材２１、２２、２７が配置されている。第１群ウェブ２’と結節部１’とが組み合わさって、主フラクタルグリッドの構造の第１ポケット領域８’が形成されている。第１ポケット領域８’の内部に第２群ウェブ２７が配置されており、第２群ウェブ２７における各ウェブは、リニアリブ２２の形態を取り、構造体パネル３’の一方の面から垂直に（紙面外に向かって）高さ（即ち、距離）Ｈ２だけ延出している。距離Ｈ２は、距離Ｈ１よりも小さく、典型的には、Ｈ２はＨ１の約１０〜５０％である。Ｈ２とＨ１の関係に影響を与える因子には、材料の性質、製造上の制約、外皮厚み、及び結節部間隔が含まれ、重量のみを考慮する場合と、二次アッタッチメントなどの他の要因を考慮する場合とがある。補助フラクタルグリッド構造のリニアリブ２２は、結合されて二等分ラウンド部（bisecting round）を形成し、これは、好ましくは主フラクタルグリッド構造のリニアリブ４’と一体である。各リニアリブ２２の長手軸２５は、好ましくは、リニアリブ４’を二等分して、第２群ウェブ２７から成る正三角形を構成する。リニアリブ２２の結合により、第１ポケット領域８’内に第２ポケット領域３１が規定される。
【００２１】
中実基板、金属材料、複合材料、又はこれに類する材料を出発材料として用い、例えば、機械ミリング処理を行って本開示のフラクタルグリッドを製造する場合、二等分ラウンド部２１に加えて、フィレット２３、２８、及びラウンド部３０を形成可能である。フィレットは、補強材と外皮との間に滑らかな移行部を形成し、これは、高い局部応力や亀裂成長を誘発する鋭い角よりも好ましい。補強材の間のフィレットは、主構造と補助構造のいずれにおいても、応力を削減し、亀裂成長の懸念を小さくする。ただし、いくつかの結節部あるいは全ての結節部において、例えば、インサートやボルト穴などの二次ハードウェアアタッチメントに適切な材料のためフィレットを増加させる場合がある。補強材と補強材の間のフィレットが少ないと、軽量化をさらに促進できるものの、小型のカッターを用いたＣＮＣ機械加工処理が必要となるので、加工時間が長くなりうる。一例による設計及び製造処理では、先ず、結節部１’の位置を予め決定する。この際、本開示のフラクタルグリッド構造体の製造後に二次ハードウェアを追加する可能性を念頭においておく。結節部位置を予め決定する一方法では、有限要素解析、又は閉形式解の包括的な集合（comprehensive set of closed-form solutions）と、二次アッタッチメントについての考慮事項とを用いて、結節部位置を決定し、開始材料を選択する。外皮とリブの間のフィレットの大きさは、主に、製造上及び応力の考慮事項に基づいて選択され、リブとリブの間のフィレットは、取付け位置及び製造上の考慮事項に基づいて選択される。加工時間とさらなる軽量化との釣合いを取って選択されるカッターの大きさに基づいて、アッタッチメントを有する結節部については、より大きいフィレットを有するように加工し、アッタッチメントを有さない結節部については、より小さいフィレットを有するように加工する。次の工程では、第１群ウェブ２’と、第２群ウェブ２７と、パネル即ち外皮３’とを、同時に形成するように構成されたコンピュータ制御のフライス盤（milling machine）を用いることが好ましい。
【００２２】
複数の補助フラクタルグリッド構造（例えば、Ｈ２以下の高さを有する）を用いて、本開示のフラクタルグリッド構造体を完成させることが可能であり、各補助フラクタルグリッド構造の追加により、外皮における局部座屈の可能性をさらに低減でき、よって、外皮厚みを薄くすることが可能になる。各補助フラクタルグリッド構造における典型的な縮小率は２であり、これは、追加の補助フラクタルグリッド構造毎にポケットサイズが縮小される率を定義している。補助フラクタルグリッド構造を２つ用いる場合、約１１％の重力削減が見込まれる。ただし、削減重量は、設計荷重、予め定めた材料、製造上の制約に依存して変動する。このことは、図６に示されている。この図は、ポケット領域の大きさに対するパネル重量の相関関係を、既知のアイソグリッド構造と本開示のフラクタルグリッドとを比較して示している。このグラフからわかるように、標準的なアイソグリッドは、重量への影響を受けやすく、重量効率が良いのは結節部間隔が小さい範囲に限られる。本開示のフラクタルグリッド形態は、補助構造が１つの場合も２つの場合も、主結節部間隔の変更に合わせて補助補強材を調整し、改めて最適化することが可能であるので、結節部間隔による影響が比較的小さい。補助補強構造を１つのみ備える構成では、結節部間隔が同じであれば標準的なアイソグリッドに比べて重量的な効果は高く、また、結節部間隔がより大きい場合でも重量的な効果が高くなりうる。補助補強部構造を２つ備える構成では、主結節部の間隔を大幅に広げて、さらに重量を削減する必要がある。
【００２３】
フラクタル構造の補強グリッド設計を用いると、補強材（ウェブ）を、主グリッド構造と、１つ又は複数の補助フラクタルグリッド構造とに分散させることができるので、軽量化が可能になる。主グリッド構造、及び、そのポケットサイズの選択は、全体座屈の防止を目的とすればよく、局部座屈については最低限考慮するだけでよい。補助フラクタルグリッド構造の選択は、局部座屈の防止を目的とすると共に、全体座屈についてもある程度有利なように行う。この結果、質量の小さい補助補強材（ウェブ）及び厚みの小さい外皮又はパネルを備えるよう改良された主補強材（ウェブ）が得られる。本方法は、全体座屈と局部座屈の防止のために補強材効率（stiffener efficiency）と外皮厚みとの折衷が求められる単一の補強構造を有するアイソグリッド設計に比べて優れている。一体グリッドにより補強されたフラクタルグリッド構造体の設計では、全体座屈現象と局部座屈現象の対象になる補強構造を別々のものとすることができ、これにより、フラクタルグリッドによる補強構造の補強材効率や外皮効率（skin efficiency）をより向上させることができる。外皮効率は、ポケットが小さいほど高くなるのに対し、補強材効率は、ポケットと補強材とが大きいほど高くなる。利点には、軽量化、主補強構造材の間隔による影響がより小さいこと、等方性の挙動（isotropic behavior）、及び自己相似的なスケール可変性（self-similar scalability）が含まれる。自己相似とは、１つ又は複数の補助フラクタルグリッド構造における補助ポケットが、主グリッド構造における主ポケットの縮小版であることを意味し、主グリッド構造の結節部間隔を整数の倍率で拡大することにより、主構造と補助構造における結節部の数や位置を変えることなく、別の補助フラクタルグリッド構造を追加することが可能である。例えば、ポケットの大きさを二倍にするなら倍率は２であり、ポケットの大きさを三倍にするなら倍率は３である。これに代えて、既存の主グリッド構造と補助グリッド構造に別の補助構造を追加することも可能であり、この場合、主グリッド構造と補助グリッド構造における既存の結節部の位置を変えることなく、主グリッド構造と補助グリッド構造の内部に結節部の数を増やすことができる。
【００２４】
図３は、本開示のフラクタルグリッド構造体パネルの一部を断面で示す図であり、自己相似の概念と、第２の補助フラクタルグリッド構造を用いて構成された、本開示のフラクタルグリッド構造体４０の別の例を示す。この補助フラクタルグリッドは、リニアリブ４６がラウンド部４８及び４７で結合されて成る第３群ウェブ（補強材）４１を備える。ラウンド部４８は、２つのリニアリブ４６を、第１の補助フラクタルグリッド構造体のリニアリブ２２のうちの１つに結合する。各リニアリブ４６は、長手軸４２を有する。一実施形態では、ラウンド部４８の位置は、軸４２をリニアリブ２２で二等分した位置と一致する。ラウンド部４７は、リニアリブ４６を主ウェブ構造のリニアリブ４’に結合する。第３群ウェブ４１は、第３ポケット領域４５を規定し、これは、図３に示す本実施形態では、正三角形に形成されている。一般的に、ポケット領域の辺の長さは、それぞれ次段階の補助フラクタルグリッド構造毎に、例えば半分に縮小される。ただし、この縮小率は、整数であれば任意の値が可能である。第３群ウェブ４１のリニアリブ４６は、構造体パネル３’の一方の面から垂直に（紙面外に向かって）距離Ｈ３だけ延びている。Ｈ３は、Ｈ１及びＨ２のいずれよりも短く、Ｈ２の２５％〜５０％であってもよい。Ｈ２あるいはＨ３は、Ｈ１の１０％と５０％の間であってもよい。Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３は、材料の性質、製造上の制約、外皮厚み、及び結節部間隔に影響され、重量のみを考慮する場合と、他の要因を考慮する場合とがある。リニアリブ４６の高さは、概ね、外皮シートの厚みの２倍と４倍の間である。
【００２５】
図８及び図９に示す補強材の断面４９は、誇張して図式的に描かれている。図８は、図２の主リブ２’及び補助リブ２２の断面形状４９を示しており、この形状は矩形を呈している。図９は、リブが取りうる数多くの断面形状のうちの１つを示しており、この形状はＴ字型の断面４９’である。当然ながら、主リブ２’と補助リブ２２の断面形状が異なっていてもよい。主構造材と補助構造材の断面形状は、いずれも、設計強度基準だけでなく、製造の容易性にも鑑みて選択できる。
【００２６】
矩形の断面形状４９を呈する補強材は、高さと、アスペクト比、つまり、高さ対厚みの比と、により定義される。許容可能な重量効率の主補強材は、典型的には、損傷などの局部的な破壊現象を回避可能であり、機械加工の後に行うパネルの曲げ加工や成形加工などの製造上の制約の範囲内である高いアスペクト比を有する。補助補強材も、典型的には、同様の理由により実用的な範囲内で高いアスペクト比を有するが、製造に先立って設計段階で決定される追加フィレットの質量を削減するために、これより低いアスペクト比であってもよい。リブの断面形状が矩形に限定されないことは、理解されよう。Ｔ字状、台形状、厚みが一定でない形状などの断面形状も、矩形の断面形状の実用可能な代替形状であり、これらをフラクタルグリッド形態に採用しても、同等の標準的なアイソグリッド形態を上回る軽量化が達成できる。
【００２７】
本開示のフラクタルグリッドは、グリッドが外皮又はパネルシート３’と一体である、「閉」構造として作成されてもよいし、外皮を省いた「開」構造として作成されてもよい。図４及び図５に示したような、他のタイプのフラクタルグリッド設計も可能である。なお、いずれの図面も、フラクタルグリッド構造パネルの一部のみを示している。図４は、主構造である直交グリッドと、補助構造である１つの直交グリッドと、を有するフラクタルグリッド５０を示す。図５は、主構造である直交グリッドと、補助構造であるアイソグリッドと、を有するフラクタルグリッド６０の一例を示す。用途によっては、直交グリッドを用いた主補強構造は、アイソグリッドを用いた主補強構造（例えば、加圧部材）よりも、軽量化の度合いが大きい。加えて、アイソグリッドを用いた主補強構造は、製造上の制約や二次構造体の取り付けの観点から直線的な形態の補強材が望ましい場合には、直交グリッドほど有利ではない。直交グリッドを用いた主補強構造は、アイソグリッドを用いた主補強構造と基本的な機能は同じであると共に、全体座屈に関して最適化することが可能である。補助補強構造は、アイソグリッドであっても、直交グリッドであってもよく、局部座屈に関して最適化することが可能である。図４には、全体座屈を防止する主補強構造としての直交グリッドと、局部座屈を防止する二次及び三次の補助補強構造としての直交グリッドと、が示されている。図５には、全体座屈を防止する主補強構造としての直交グリッドと、局部座屈を防止する補助補強構造としてのアイソグリッドと、が示されている。
【００２８】
加えて、本開示は、以下の付記による実施形態も包含する。
【００２９】
付記１  構造体の設計及び製造方法であって、
構造体における少なくとも３つの結節部の位置を決定し、
第１群ウェブを前記構造体の第１面に形成し、その際に、当該第１群ウェブは、前記第１面から垂直に延出して第１高さを規定する第１リニアリブを有するものとし、当該第１群ウェブは、前記結節部の位置と一致する位置において互いに一体に結合され、これにより第１ポケット領域を規定するようにし、
第２群ウェブを前記第１ポケット領域内に形成し、その際に、当該第２群ウェブは、前記構造体の前記第１面から垂直に延出して第２高さを規定する第２リニアリブを有し、前記第２高さは前記第１高さよりも低く、前記第２リニアリブは、互いに結合して第２ポケット領域を規定するようにする、方法。
【００３０】
付記２  付記１に記載の方法であって、さらに、
第３群ウェブを前記第２ポケット領域内に形成し、その際に、当該第３群ウェブは、前記構造体の前記第１面から垂直に延出して、前記第１高さよりも低い第３高さを規定する第３リニアリブを有するものとする、方法。
【００３１】
付記３  付記１又は２に記載の方法であって、
前記結節部の位置を決定するに際して、前記結節部が第１正三角形の頂点を形成し、前記第１群ウェブが前記第１正三角形の辺を形成するようにする、方法。
【００３２】
付記４  付記３に記載の方法であって、
前記第２群ウェブを形成するに際して、前記第２リニアリブを前記第１群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第２ポケット領域を第２正三角形の形状に形成する、方法。
【００３３】
付記５  付記４に記載の方法であって、
前記第３群ウェブを形成するに際して、前記第３リニアリブを前記第２群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第３ポケット領域を第３正三角形の形状に形成する、方法。
【００３４】
付記６  付記１〜５のいずれかに記載の方法であって、前記構造体は中実のシートであり、前記第１及び第２ポケット領域は、連続的なミリング処理にて形成される、方法。
【００３５】
付記７  構造体パネルの設計及び製造方法であって、
それぞれが外表面と内表面とを有する少なくとも２つの構造体における少なくとも３つの結節部の位置を決定し、
第１群ウェブを前記構造体の内表面に形成することにより燃料タンクの内表面を形成し、その際に、当該第１群ウェブは、前記内表面から垂直に延出して前記内表面からの第１高さを規定する第１リニアリブを有するものとし、当該第１群ウェブは、前記結節部の位置と一致する位置において互いに結合して第１ポケット領域を規定するようにし、
第２群ウェブを前記第１ポケット領域内に形成し、その際に、当該第２群ウェブは、前記内表面から垂直に延出して前記第１高さよりも低い第２高さを規定する第２リニアリブを有し、前記第２リニアリブは、互いに結合して第２ポケット領域を規定するようにし、
前記構造体を接合して、完成した燃料タンクを形成する、方法。
【００３６】
付記８  所与の厚み、内表面、及び外表面を有する外皮シートと、
均一な第１多角形の繰り返しパターンをなす第１群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記内表面からの第１高さを規定する第１リニアリブを有するとともに、最適化された位置になるように予め決定された結節部と一致する位置で互いに結合して、前記内表面上に第１ポケット領域を規定する第１群ウェブと、
前記第１ポケット領域内において均一な第２多角形の繰り返しパターンをなす第２群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記第１高さよりも低い、前記内表面からの第２高さを規定する第２リニアリブを有するとともに、前記第２リニアリブが互いに結合して第２ポケット領域を規定する、第２群ウェブと、
を含む支持構造体パネル。
【００３７】
付記９  前記第２群ウェブの前記第２リニアリブは、長手軸を有すると共に、当該長手軸が前記第１群ウェブの第１リニアリブを二等分するように、前記第１群ウェブの前記第１リニアリブに結合する、付記８に記載の支持構造体パネル。
【００３８】
付記１０  前記第１及び第２群ウェブは、前記外皮シートと一体である、付記８又は９に記載の支持構造体パネル。
【００３９】
付記１１  前記第１及び第２多角形パターンは、正三角形から成る、付記８〜１０のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【００４０】
付記１２  前記第１群ウェブにおける各ウェブは、第２リブに囲まれた各三角形の頂部にある結節部で結合する、付記１１に記載の支持構造体パネル。
【００４１】
付記１３  前記第１及び第２のリニアリブは、Ｔ字型の断面を有する、付記８〜１２のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【００４２】
付記１４  前記第２高さは、おおよそ前記第１高さの１０％と５０％の間である、付記８〜１３のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【００４３】
付記１５  前記第２高さは、おおよそ前記外皮シートの厚みの２倍と４倍の間である、付記８〜１４のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【００４４】
上述した特定の実施形態は、本開示の概括的な性質を明らかにして、当業者の知識を適用することにより、そのような特定の実施形態を種々の用途に合わせて変形及び／又は改変が容易に可能であり、これも本願の包括的な概念から逸脱するものではない。したがって、そのような改変や変形も、開示の実施形態の意味及び均等物の範囲に含まれると解釈されるべきである。本明細書における表現や用語は、説明を目的としており、限定を課すものではない。
【図１】
2017001667.tif 000003
【図２】
2017001667.tif 000004
【図３】
2017001667.tif 000005
【図４】
2017001667.tif 000006
【図５】
2017001667.tif 000007
【図６】
2017001667.tif 000008
【図７】
2017001667.tif 000009
【図８】
2017001667.tif 000010
【図９】
2017001667.tif 000011
【外国語明細書】
2017001667000001.pdf
2017001667000002.pdf
2017001667000003.pdf
2017001667000004.pdf