JP2004338465A - コーナーフィーラー及びコーナーフィーラーを充填した構造体及びコーナーフィーラーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形された「Ｉ」字型又は「Ｔ」字型等の桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される楔型の隙間に充填するためのコーナーフィーラーを製造する方法を提供する。
【解決手段】前記の隙間に充填するためのコーナーフィーラーを、以下の流れで製造する。
（１）前記ジョイント部の楔型の隙間の体積Ｖ〔ｃｍ３〕を算出する。
（２）該隙間の体積に基づき必要繊維量Ｙ〔ｇ〕を算出する。
（３）該必要繊維量Ｙ〔ｇ〕から組糸の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材の使用量Ｙ２〔ｇ〕とを算出する。
（４）該コア材に該組糸を巻回していき紐状のコーナーフィーラーを成形する。
【選択図】図３
【解決手段】前記の隙間に充填するためのコーナーフィーラーを、以下の流れで製造する。
（１）前記ジョイント部の楔型の隙間の体積Ｖ〔ｃｍ３〕を算出する。
（２）該隙間の体積に基づき必要繊維量Ｙ〔ｇ〕を算出する。
（３）該必要繊維量Ｙ〔ｇ〕から組糸の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材の使用量Ｙ２〔ｇ〕とを算出する。
（４）該コア材に該組糸を巻回していき紐状のコーナーフィーラーを成形する。
【選択図】図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強化繊維と樹脂とから成る複合材で成形された「Ｉ」字型又は「Ｔ」字型等の桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される楔型の隙間に充填するためのコーナーフィーラーの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）などの、強化繊維と樹脂とから成る複合材料は、金属材料に比べて軽量かつ高い比強度・比剛性を持つため、航空機、鉄道車輌、建築資材等に広く用いられている。
航空機の翼などのように曲げや捻りを受ける構造体では、該構造体の外板に剛性を高くし座屈荷重を大きくするために、「Ｉ」字型、「Ｔ」字型、「Π」字型等の様々な断面形状を持った複合材製の桁材が取り付けられている。
【０００３】
図１に示すように、例えば、航空機のスキン（例えば、翼）２には、「Ｉ」字型の桁材３が取り付けられており、この「Ｉ」字型の桁材３は一対の「コ」字型のピース３Ａ・３Ａから成り、該ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合して形成されている。この「コ」字型のピース３Ａは、ＵＤ材、クロス材、プレプリグシート材を幾層にも積層して成形されており、この種の複合材よりなる「コ」字型のピース３Ａの内部組織構造は、製造上の理由から、上下の水平部分３ｂ・３ｂと、該水平部分３ｂ・３ｂを接続する垂直部分３ｃとが直交するコーナー部３ｄで、垂直部分３ｃの積層部材が水平方向に曲がって水平部材３ｂと積層されるため、該コーナー部３ｄはＲ形状となっている。
【０００４】
従って、ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合するとともに、下方の水平部分３ｂ・３ｂをスキン２に接合したときに、該ピース３Ａ・３Ａの下方のコーナー部３ｄ・３ｄとスキン２との間で囲われる部分に楔型の隙間４が生じる。この桁材３とスキン２とのジョイント部には、非常に大きなテンションが作用した場合、この楔型の隙間４から剥離、傷等が発生する可能性が高い。そこで、これに耐えるため、この部分の補強対策が必要である。具体的な補強対策として、このジョイント部内に生ずる楔型の隙間４に、繊維束を挿入したり、あるいは、繊維強化プラスチックよりなるインサートピースを挿入したりして、これを接着およびまたは縫着によって「Ｉ」字型桁材３を構成する部材（水平部材３ｂ及び垂直部材３ｃ）に堅固に取り付けていた。
【０００５】
前者の方法では、この隙間４に、繊維束を１本ずつ挿入していき、該繊維束を並べて該隙間４を埋め、ジョイント部の補強を行っていた。
一方、後者の方法では、特許文献１や特許文献２で開示されているように、この隙間４に、該隙間４と同形状のインサートピースを挿入して、該インサートピースを桁材を構成する部材（水平部材及び垂直部材）に取り付けていた。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第４３３１７２３号明細書
【０００７】
【特許文献２】
特公平７−９０６０５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前者の方法では、スキン２と桁材３との間にできる隙間４に、繊維束を１本ずつ挿入して並べていくために手間隙がかかり、作業効率があまり良くない。
一方、後者の方法では、スキン２と桁材３との間にできる隙間４に、該隙間４と同形状のインサートピースを挿入することで、該隙間４を埋めることができるが、該インサートピースの形状は複雑で、その製造工程も多く、コスト的にはあまり有利とは言えない。
【００１０】
そこで、本発明では、これらの点を鑑み、スキン２と桁材３との間にできる隙間４に充填する該隙間４の形状に合わせて変形容易なコーナーフィーラーを提供するとともに、該コーナーフィーラーを製造する製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、この課題を解決するための手段は、次に示すとおりである。
まず、請求項１に記載のように、強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形される桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される隙間に充填するためのコーナーフィーラーであって、前記ジョイント部の隙間の体積を算出し、該隙間の体積に基づき必要繊維量を算出して、該必要繊維量から組糸の使用量とコア材の使用量とを算出し、該コア材に該組糸を組んでいき紐状に成形したことを特徴とするコーナーフィーラー。
【００１２】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載のコーナーフィーラーを、前記桁材と前記スキンとから成る構造体のジョイント部に形成される隙間の形状に合わせて変形して充填する。
【００１３】
そして、請求項３に記載のように、強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形される桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される隙間に充填するためのコーナーフィーラーを、以下の手順で製造する。
（１）前記ジョイント部の楔型の隙間の体積を算出する。
（２）該隙間の体積に基づき必要繊維量を算出する。
（３）該必要繊維量から組糸の使用量とコア材の使用量とを算出する。
（４）該コア材に該組糸を組んでいき紐状のコーナーフィーラーを成形する。
【００１４】
また、請求項４に記載のように、前記組糸の組角度を前記コア材の軸芯方向に対して４５度以下とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態を、図面を参照しながら説明する。
ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）などの、強化繊維と樹脂とから成る複合材料は、金属材料に比べて軽量かつ高い比強度・比剛性を持つため、航空機、鉄道車輌、建築資材等に広く用いられている。
航空機の翼などのように曲げや捻りを受ける構造体では、該構造体の外板に剛性を高くし座屈荷重を大きくするために、「Ｉ」字型、「Ｔ」字型、「Π」字型等の様々な断面形状を持った複合材製の桁材が取り付けられている。
【００１６】
図１は、航空機等のスキン（例えば、翼）２に取り付けられた「Ｉ」字型の桁材３を示し、該スキン２と該桁材３とは複合材料で成形されている。
「Ｉ」字型の桁材３は、一対の「コ」字型のピース３Ａ・３Ａから成り、該ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合して形成されており、該「コ」字型のピース３Ａは、ＵＤ材、クロス材、プレプリグシート材を幾層にも積層して成形されている。この種の複合材よりなる「コ」字型のピース３Ａの内部組織構造は、製造上の理由から、上下の水平部分３ｂ・３ｂと、該水平部分３ｂ・３ｂを接続する垂直部分３ｃとが直交するコーナー部３ｄで、垂直部分３ｃの積層部材が水平方向に曲がって水平部材３ｂと積層されるため、該コーナー部３ｄはＲ形状となっている。
【００１７】
従って、ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合するとともに、下方の水平部分３ｂ・３ｂをスキン２に接合したときに、該ピース３Ａ・３Ａの下方のコーナー部３ｄ・３ｄとスキン２との間で囲われる部分に楔型の隙間４が生じる。この桁材３とスキン２とのジョイント部には、非常に大きなテンションが作用した場合、この楔型の隙間４から剥離、傷等が発生する可能性が高い。そこで、これに耐えるため、この部分の補強対策が必要であり、本発明では、このジョイント部内に生ずる楔型の隙間４に、図２に示すような、紐状の部材であるコーナーフィーラー１を充填して、補強することとする。
【００１８】
次に、コーナーフィーラー１の製造方法について図３に示す流れ図を参照しながら説明する。
まず、作業者は、桁材３におけるピース３Ａのコーナー部３ｄの内側（反隙間４側）の極率半径Ｒｉｎと該ピース３Ａの厚みｔとを求め（図４参照）、該極率半径Ｒｉｎ〔ｃｍ〕と該厚みｔ〔ｃｍ〕とにより該コーナー部３ｄの外側（隙間４側）の極率半径Ｒｏｕｔ〔ｃｍ〕を算出する（ステップＳ１）。
本実施の形態では、ピース３Ａのコーナー部３ｄの外側（隙間４側）の極率半径Ｒｏｕｔ〔ｃｍ〕は下記（１）式で求めることができる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
次に、ピース３Ａのコーナー部３ｄの外側の極率半径Ｒｏｕｔ〔ｃｍ〕により、該コーナー部３ｄ・３ｄとスキン２との間で囲われる楔型の隙間４部分の断面積Ｓ〔ｃｍ２〕を算出し、該ピース３Ａの奥行方向の長さ（図４においては、紙面に直交する方向）をｗ〔ｃｍ〕とすると、該断面積Ｓ〔ｃｍ２〕と該奥行方向長さｗ〔ｃｍ〕とにより、該隙間４部分の体積Ｖ〔ｃｍ３〕を算出する（ステップＳ２）。
この隙間４部分の断面積Ｓ〔ｃｍ２〕は下記（２）式で求めることができ、隙間４部分の体積Ｖ〔ｃｍ３〕は下記（３）式で求めることができる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
この隙間４部分の体積Ｖ〔ｃｍ３〕より繊維体積割合Ｖｆ〔％〕を桁材３の繊維体積割合と同等にして、コーナーフィーラー１を組成するのに必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕を算出する（ステップＳ３）。この繊維体積割合とは、強化繊維と樹脂とから成る複合材料における強化繊維の体積分率をいう。
強化繊維の繊維密度をｄ〔ｇ／ｃｍ３〕とすると、この繊維体積割合Ｖｆ〔％〕は下記の（４）式で表すことができ、これにより必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕は下記の（５）式で求めることができる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
（５）式により必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕が算出されると、該繊維量Ｙ〔ｇ〕から組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕とを算出する（ステップＳ４）。
この必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕と強化繊維から成る組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕と、複数本の強化繊維製の糸条を束ねたコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕との関係式は下記の（６）式となる。
【００２５】
【数４】
【００２６】
このとき、組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ〔ｇ〕は、該使用量Ｙ〔ｇ〕に基づく組糸１２・１２・・・の本数が該組糸１２・１２・・・でコア材１１を巻回したときに、コア材１１がばらけない適切な本数とするとともに、組糸１２・１２・・・の組角度θについても適切な角度として、コア材１１がばらけないようにする。
図５に示すように、この組糸１２・１２・・・の組角度θは、コア材１１の軸芯方向に対する角度であり、該組角度は４５度以下とし、好ましくは１０度とする。
【００２７】
さらに詳述すると、この組糸１２・１２・・・の組角度θが小さく、組本数が少なすぎると、該組糸１２・１２・・・と該コア材１１とで組成したコーナーフィーラー１の組みが疎になり、該コーナーフィーラー４を桁材３とスキン２との間の隙間４に挿入しようとするときに、該隙間４の形状に合わせて該コーナーフィーラー４を変形させ易いが、該コア材１１がばらける可能性が高く、フィーラーコーナー１の取り扱いが困難となる。
【００２８】
また、逆に、この組糸１２・１２・・・の組角度θが大きく、組本数が多すぎると、該組糸１２・１２・・・と該コア材１１とで組成したコーナーフィーラー１の組みが密になり、該コーナーフィーラー４を桁材３とスキン２との間の隙間４に挿入するとき、該コーナーフィーラー４は変形し難く、隙間４の形状に馴染ませ難くなる。
【００２９】
以上のような理由から、組糸１２・１２・・・の本数は適切な本数とするとともに、組角度θも適切な角度としてやり、この適切な本数の組糸１２・１２・・・で適切な組角度θでコア材１１に巻回していき、紐状のコーナーフィーラー１を成形する（ステップＳ５）。
【００３０】
このように成形されたコーナーフィーラー１は、桁材３とスキン２とから成る構造体のジョイント部に形成される隙間４に容易に挿入できるとともに、該隙間４の形状に合わせてしなやかに変形させることができ、該隙間４にフィットさせて充填させることができる（図６参照）。そして、この隙間に挿入したコーナーフィーラー１に硬化性樹脂を含浸させて、桁材３とスキン２とのジョイント部を補強する。
【００３１】
上記のような組角度θ、組本数で成形されたコーナーフィーラー１のコア材１１がばらけることなく、該コーナーフィーラー１はその半径方向並びに軸芯方向に容易に変形させることができ、桁材３とスキン２との隙間４の形状に合わせてしなやかに変形させることができる。このように、このコーナーフィーラー１は隙間４の形状に馴染み易く、該隙間４に該コーナーフィーラー１を充填することで、桁材３とスキン２とのジョイント部の強度の向上を図ることができる。
なお、このコーナーフィーラー１と桁材３とは同じ成分の複合材料で構成することが望ましい。
【００３２】
以上のような流れで、コーナーフィーラー１を製造するものとする。
なお、前記組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕とは、パーソナルコンピュータ６等の電子計算機を用いて算出してもよく、その算出結果に基づき自動制御でコーナーフィーラー１を製造するようにしてもよい。
【００３３】
この場合、図７に示すように、コーナーフィーラー１の製造装置が構成され、該コーナーフィーラー１の製造装置は、組紐を組成するブレイダー５と、該ブレイダー５を制御する制御手段であるパーソナルコンピュータ６とを備え、該ブレイダー５と該パーソナルコンピューター６とは制御線を介して接続されている。
【００３４】
このパーソナルコンピュータ５に、桁材３におけるピース３Ａのコーナー部３ｄの内側の極率半径Ｒｉｎと、ピース３Ａの厚みｔ等を入力することで、図３に示す流れに沿って、該パーソナルコンピュータ６のハードディスクで、組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕とが演算されるとともに、組糸１２・１２・・・の最適な組本数と最適な組角度θが選定されて、これらを情報を含むデータがブレイダー５に出力されて、該ブレイダー５によりコーナーフィーラー１が自動的に製造されるように構成されている。
【００３５】
ブレイダー５は、円筒または球体を輪切りにした形状の軌道面５１を備えており、ブレイダー５の中心部には、複合材製の糸条を束ねたコア材１１が配置されている。ブレイダー５の軌道面５１には２つの交錯する溝状の環状軌道５２・５３が形成され、各環状軌道５２・５３・５２・５３・・・の溝には、多数のボビンキャリア５４・５４・５４・５４・・・が案内され、軌道５２・５３のそれぞれに沿って逆方向に交錯走行するようになっている。
【００３６】
そして、ボビンキャリア５４が環状軌道５２・５３に沿って走行するとともに、ブレイダー５の中心部のコア材１１に対する位置が制御され、それによって、ボビンキャリア５４とコア材１１の間に渡された多数の複合材製の組糸１２・１２・・・がコア材１１のまわりに交錯旋回することにより、ブレイディングが行われてコア材１１上にブレイディング層が組成されるようになっている。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、次に示すような効果を奏する。
まず、請求項１に記載の発明では、コーナーフィーラーをコア材を組糸で巻回して成形したことで、該コーナーフィーラーを桁材とスキンとの間の隙間に挿入するときに、コア材がばらけることなく、該隙間の形状に合わせてしなやかに変形させることができるようになっている。このため、このコーナーフィーラーは隙間の形状に馴染み易く、該隙間に該コーナーフィーラーを充填することで、桁材とスキンとのジョイント部の強度の向上を図ることができる。
【００３８】
また、請求項２に記載の発明では、コーナーフィーラーを桁材とスキンとから成る構造体のジョイント部に形成される隙間に充填することで、該構造体のジョイント部の強度の向上を図ることができる。このコーナーフィーラーは、桁材とスキンとの間の隙間に挿入するときに、コア材がばらけることなく、該隙間の形状に合わせてしなやかに変形させることができるようになっている。このため、このコーナーフィーラーは隙間の形状に馴染み易く、該隙間に該コーナーフィーラーを容易に充填することできる。
【００３９】
そして、請求項３に記載の発明では、桁材とスキンとのジョイント部を補強するコーナーフィーラーを安価に製造することができる。このコア材を組糸で巻回して組成したコーナーフィーラーは、桁材とスキンとの間の隙間に挿入するときに、コア材がばらけることなく、該隙間の形状に合わせてしなやかに変形させることができるようになっている。このため、このコーナーフィーラーは隙間の形状に馴染み易く、該隙間に該コーナーフィーラーを充填することで、桁材とスキンとのジョイント部の強度の向上を図ることができる。
【００４０】
また、請求項４に記載のように、前記組糸の組角度を前記コア材の軸芯方向に対して４５度以下とすることで、ばらけることなく隙間の形状に馴染み易いコーナーフィーラーを製造することができる。
補足すると、組糸の組角度が小さく、組本数が少なすぎると、該組糸と該コア材とで組成したコーナーフィーラーの組みが疎になり、該コーナーフィーラーを桁材とスキンとの間の隙間に挿入しようとするときに、該隙間の形状に合わせて該コーナーフィーラーを変形させ易いが、該フィーラーコーナーがばらけてしまう可能性が高く、該フィーラーコーナーの取り扱いが困難となる。
逆に、この組糸の組角度が大きく、組本数が多すぎると、該組糸と該コア材とで組成したコーナーフィーラーの組みが密になり、該コーナーフィーラーを桁材とスキンとの間の隙間に挿入するとき、該コーナーフィーラーは変形し難く、隙間４の形状に馴染ませ難くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スキン２に取り付けた桁材３の正面図。
【図２】コーナーフィーラー１の側面断面図。
【図３】コーナーフィーラー１の製造方法を説明する流れ図。
【図４】スキン２に取り付けた桁材３の正面図。
【図５】コーナーフィーラー１の側面図。
【図６】桁材３とスキン２との間の隙間４にコーナーフィーラー１を充填した状態の図。
【図７】コーナーフィーラー１の製造装置を説明する概略図。
【符号の説明】
１ コーナーフィーラー
２ スキン
３ 桁材
３Ａ ピース
３ｂ 水平部分
３ｃ 垂直部分
３ｄ コーナー部
４ 隙間
５ ブレイダー
１１ コア材
１２ 組糸
ｄ 繊維密度
Ｒｉｎ コーナー部３ｄの内側の極率半径
Ｒｏｕｔ コーナー部３ｄの外側の極率半径
ｔ ピース３Ａの厚み
Ｖ 隙間４の体積
Ｖｆ 繊維体積割合
Ｙ 必要繊維量
Ｙ１ 組糸１２・１２・・・の使用量
Ｙ２ コア材１１の使用量
【発明の属する技術分野】
本発明は、強化繊維と樹脂とから成る複合材で成形された「Ｉ」字型又は「Ｔ」字型等の桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される楔型の隙間に充填するためのコーナーフィーラーの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）などの、強化繊維と樹脂とから成る複合材料は、金属材料に比べて軽量かつ高い比強度・比剛性を持つため、航空機、鉄道車輌、建築資材等に広く用いられている。
航空機の翼などのように曲げや捻りを受ける構造体では、該構造体の外板に剛性を高くし座屈荷重を大きくするために、「Ｉ」字型、「Ｔ」字型、「Π」字型等の様々な断面形状を持った複合材製の桁材が取り付けられている。
【０００３】
図１に示すように、例えば、航空機のスキン（例えば、翼）２には、「Ｉ」字型の桁材３が取り付けられており、この「Ｉ」字型の桁材３は一対の「コ」字型のピース３Ａ・３Ａから成り、該ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合して形成されている。この「コ」字型のピース３Ａは、ＵＤ材、クロス材、プレプリグシート材を幾層にも積層して成形されており、この種の複合材よりなる「コ」字型のピース３Ａの内部組織構造は、製造上の理由から、上下の水平部分３ｂ・３ｂと、該水平部分３ｂ・３ｂを接続する垂直部分３ｃとが直交するコーナー部３ｄで、垂直部分３ｃの積層部材が水平方向に曲がって水平部材３ｂと積層されるため、該コーナー部３ｄはＲ形状となっている。
【０００４】
従って、ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合するとともに、下方の水平部分３ｂ・３ｂをスキン２に接合したときに、該ピース３Ａ・３Ａの下方のコーナー部３ｄ・３ｄとスキン２との間で囲われる部分に楔型の隙間４が生じる。この桁材３とスキン２とのジョイント部には、非常に大きなテンションが作用した場合、この楔型の隙間４から剥離、傷等が発生する可能性が高い。そこで、これに耐えるため、この部分の補強対策が必要である。具体的な補強対策として、このジョイント部内に生ずる楔型の隙間４に、繊維束を挿入したり、あるいは、繊維強化プラスチックよりなるインサートピースを挿入したりして、これを接着およびまたは縫着によって「Ｉ」字型桁材３を構成する部材（水平部材３ｂ及び垂直部材３ｃ）に堅固に取り付けていた。
【０００５】
前者の方法では、この隙間４に、繊維束を１本ずつ挿入していき、該繊維束を並べて該隙間４を埋め、ジョイント部の補強を行っていた。
一方、後者の方法では、特許文献１や特許文献２で開示されているように、この隙間４に、該隙間４と同形状のインサートピースを挿入して、該インサートピースを桁材を構成する部材（水平部材及び垂直部材）に取り付けていた。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第４３３１７２３号明細書
【０００７】
【特許文献２】
特公平７−９０６０５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前者の方法では、スキン２と桁材３との間にできる隙間４に、繊維束を１本ずつ挿入して並べていくために手間隙がかかり、作業効率があまり良くない。
一方、後者の方法では、スキン２と桁材３との間にできる隙間４に、該隙間４と同形状のインサートピースを挿入することで、該隙間４を埋めることができるが、該インサートピースの形状は複雑で、その製造工程も多く、コスト的にはあまり有利とは言えない。
【００１０】
そこで、本発明では、これらの点を鑑み、スキン２と桁材３との間にできる隙間４に充填する該隙間４の形状に合わせて変形容易なコーナーフィーラーを提供するとともに、該コーナーフィーラーを製造する製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、この課題を解決するための手段は、次に示すとおりである。
まず、請求項１に記載のように、強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形される桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される隙間に充填するためのコーナーフィーラーであって、前記ジョイント部の隙間の体積を算出し、該隙間の体積に基づき必要繊維量を算出して、該必要繊維量から組糸の使用量とコア材の使用量とを算出し、該コア材に該組糸を組んでいき紐状に成形したことを特徴とするコーナーフィーラー。
【００１２】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載のコーナーフィーラーを、前記桁材と前記スキンとから成る構造体のジョイント部に形成される隙間の形状に合わせて変形して充填する。
【００１３】
そして、請求項３に記載のように、強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形される桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される隙間に充填するためのコーナーフィーラーを、以下の手順で製造する。
（１）前記ジョイント部の楔型の隙間の体積を算出する。
（２）該隙間の体積に基づき必要繊維量を算出する。
（３）該必要繊維量から組糸の使用量とコア材の使用量とを算出する。
（４）該コア材に該組糸を組んでいき紐状のコーナーフィーラーを成形する。
【００１４】
また、請求項４に記載のように、前記組糸の組角度を前記コア材の軸芯方向に対して４５度以下とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態を、図面を参照しながら説明する。
ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）などの、強化繊維と樹脂とから成る複合材料は、金属材料に比べて軽量かつ高い比強度・比剛性を持つため、航空機、鉄道車輌、建築資材等に広く用いられている。
航空機の翼などのように曲げや捻りを受ける構造体では、該構造体の外板に剛性を高くし座屈荷重を大きくするために、「Ｉ」字型、「Ｔ」字型、「Π」字型等の様々な断面形状を持った複合材製の桁材が取り付けられている。
【００１６】
図１は、航空機等のスキン（例えば、翼）２に取り付けられた「Ｉ」字型の桁材３を示し、該スキン２と該桁材３とは複合材料で成形されている。
「Ｉ」字型の桁材３は、一対の「コ」字型のピース３Ａ・３Ａから成り、該ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合して形成されており、該「コ」字型のピース３Ａは、ＵＤ材、クロス材、プレプリグシート材を幾層にも積層して成形されている。この種の複合材よりなる「コ」字型のピース３Ａの内部組織構造は、製造上の理由から、上下の水平部分３ｂ・３ｂと、該水平部分３ｂ・３ｂを接続する垂直部分３ｃとが直交するコーナー部３ｄで、垂直部分３ｃの積層部材が水平方向に曲がって水平部材３ｂと積層されるため、該コーナー部３ｄはＲ形状となっている。
【００１７】
従って、ピース３Ａ・３Ａの垂直部分３ｃ・３ｃを接合するとともに、下方の水平部分３ｂ・３ｂをスキン２に接合したときに、該ピース３Ａ・３Ａの下方のコーナー部３ｄ・３ｄとスキン２との間で囲われる部分に楔型の隙間４が生じる。この桁材３とスキン２とのジョイント部には、非常に大きなテンションが作用した場合、この楔型の隙間４から剥離、傷等が発生する可能性が高い。そこで、これに耐えるため、この部分の補強対策が必要であり、本発明では、このジョイント部内に生ずる楔型の隙間４に、図２に示すような、紐状の部材であるコーナーフィーラー１を充填して、補強することとする。
【００１８】
次に、コーナーフィーラー１の製造方法について図３に示す流れ図を参照しながら説明する。
まず、作業者は、桁材３におけるピース３Ａのコーナー部３ｄの内側（反隙間４側）の極率半径Ｒｉｎと該ピース３Ａの厚みｔとを求め（図４参照）、該極率半径Ｒｉｎ〔ｃｍ〕と該厚みｔ〔ｃｍ〕とにより該コーナー部３ｄの外側（隙間４側）の極率半径Ｒｏｕｔ〔ｃｍ〕を算出する（ステップＳ１）。
本実施の形態では、ピース３Ａのコーナー部３ｄの外側（隙間４側）の極率半径Ｒｏｕｔ〔ｃｍ〕は下記（１）式で求めることができる。
【００１９】
【数１】
次に、ピース３Ａのコーナー部３ｄの外側の極率半径Ｒｏｕｔ〔ｃｍ〕により、該コーナー部３ｄ・３ｄとスキン２との間で囲われる楔型の隙間４部分の断面積Ｓ〔ｃｍ２〕を算出し、該ピース３Ａの奥行方向の長さ（図４においては、紙面に直交する方向）をｗ〔ｃｍ〕とすると、該断面積Ｓ〔ｃｍ２〕と該奥行方向長さｗ〔ｃｍ〕とにより、該隙間４部分の体積Ｖ〔ｃｍ３〕を算出する（ステップＳ２）。
この隙間４部分の断面積Ｓ〔ｃｍ２〕は下記（２）式で求めることができ、隙間４部分の体積Ｖ〔ｃｍ３〕は下記（３）式で求めることができる。
【００２１】
【数２】
この隙間４部分の体積Ｖ〔ｃｍ３〕より繊維体積割合Ｖｆ〔％〕を桁材３の繊維体積割合と同等にして、コーナーフィーラー１を組成するのに必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕を算出する（ステップＳ３）。この繊維体積割合とは、強化繊維と樹脂とから成る複合材料における強化繊維の体積分率をいう。
強化繊維の繊維密度をｄ〔ｇ／ｃｍ３〕とすると、この繊維体積割合Ｖｆ〔％〕は下記の（４）式で表すことができ、これにより必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕は下記の（５）式で求めることができる。
【００２３】
【数３】
（５）式により必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕が算出されると、該繊維量Ｙ〔ｇ〕から組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕とを算出する（ステップＳ４）。
この必要な繊維量Ｙ〔ｇ〕と強化繊維から成る組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕と、複数本の強化繊維製の糸条を束ねたコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕との関係式は下記の（６）式となる。
【００２５】
【数４】
このとき、組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ〔ｇ〕は、該使用量Ｙ〔ｇ〕に基づく組糸１２・１２・・・の本数が該組糸１２・１２・・・でコア材１１を巻回したときに、コア材１１がばらけない適切な本数とするとともに、組糸１２・１２・・・の組角度θについても適切な角度として、コア材１１がばらけないようにする。
図５に示すように、この組糸１２・１２・・・の組角度θは、コア材１１の軸芯方向に対する角度であり、該組角度は４５度以下とし、好ましくは１０度とする。
【００２７】
さらに詳述すると、この組糸１２・１２・・・の組角度θが小さく、組本数が少なすぎると、該組糸１２・１２・・・と該コア材１１とで組成したコーナーフィーラー１の組みが疎になり、該コーナーフィーラー４を桁材３とスキン２との間の隙間４に挿入しようとするときに、該隙間４の形状に合わせて該コーナーフィーラー４を変形させ易いが、該コア材１１がばらける可能性が高く、フィーラーコーナー１の取り扱いが困難となる。
【００２８】
また、逆に、この組糸１２・１２・・・の組角度θが大きく、組本数が多すぎると、該組糸１２・１２・・・と該コア材１１とで組成したコーナーフィーラー１の組みが密になり、該コーナーフィーラー４を桁材３とスキン２との間の隙間４に挿入するとき、該コーナーフィーラー４は変形し難く、隙間４の形状に馴染ませ難くなる。
【００２９】
以上のような理由から、組糸１２・１２・・・の本数は適切な本数とするとともに、組角度θも適切な角度としてやり、この適切な本数の組糸１２・１２・・・で適切な組角度θでコア材１１に巻回していき、紐状のコーナーフィーラー１を成形する（ステップＳ５）。
【００３０】
このように成形されたコーナーフィーラー１は、桁材３とスキン２とから成る構造体のジョイント部に形成される隙間４に容易に挿入できるとともに、該隙間４の形状に合わせてしなやかに変形させることができ、該隙間４にフィットさせて充填させることができる（図６参照）。そして、この隙間に挿入したコーナーフィーラー１に硬化性樹脂を含浸させて、桁材３とスキン２とのジョイント部を補強する。
【００３１】
上記のような組角度θ、組本数で成形されたコーナーフィーラー１のコア材１１がばらけることなく、該コーナーフィーラー１はその半径方向並びに軸芯方向に容易に変形させることができ、桁材３とスキン２との隙間４の形状に合わせてしなやかに変形させることができる。このように、このコーナーフィーラー１は隙間４の形状に馴染み易く、該隙間４に該コーナーフィーラー１を充填することで、桁材３とスキン２とのジョイント部の強度の向上を図ることができる。
なお、このコーナーフィーラー１と桁材３とは同じ成分の複合材料で構成することが望ましい。
【００３２】
以上のような流れで、コーナーフィーラー１を製造するものとする。
なお、前記組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕とは、パーソナルコンピュータ６等の電子計算機を用いて算出してもよく、その算出結果に基づき自動制御でコーナーフィーラー１を製造するようにしてもよい。
【００３３】
この場合、図７に示すように、コーナーフィーラー１の製造装置が構成され、該コーナーフィーラー１の製造装置は、組紐を組成するブレイダー５と、該ブレイダー５を制御する制御手段であるパーソナルコンピュータ６とを備え、該ブレイダー５と該パーソナルコンピューター６とは制御線を介して接続されている。
【００３４】
このパーソナルコンピュータ５に、桁材３におけるピース３Ａのコーナー部３ｄの内側の極率半径Ｒｉｎと、ピース３Ａの厚みｔ等を入力することで、図３に示す流れに沿って、該パーソナルコンピュータ６のハードディスクで、組糸１２・１２・・・の使用量Ｙ１〔ｇ〕とコア材１１の使用量Ｙ２〔ｇ〕とが演算されるとともに、組糸１２・１２・・・の最適な組本数と最適な組角度θが選定されて、これらを情報を含むデータがブレイダー５に出力されて、該ブレイダー５によりコーナーフィーラー１が自動的に製造されるように構成されている。
【００３５】
ブレイダー５は、円筒または球体を輪切りにした形状の軌道面５１を備えており、ブレイダー５の中心部には、複合材製の糸条を束ねたコア材１１が配置されている。ブレイダー５の軌道面５１には２つの交錯する溝状の環状軌道５２・５３が形成され、各環状軌道５２・５３・５２・５３・・・の溝には、多数のボビンキャリア５４・５４・５４・５４・・・が案内され、軌道５２・５３のそれぞれに沿って逆方向に交錯走行するようになっている。
【００３６】
そして、ボビンキャリア５４が環状軌道５２・５３に沿って走行するとともに、ブレイダー５の中心部のコア材１１に対する位置が制御され、それによって、ボビンキャリア５４とコア材１１の間に渡された多数の複合材製の組糸１２・１２・・・がコア材１１のまわりに交錯旋回することにより、ブレイディングが行われてコア材１１上にブレイディング層が組成されるようになっている。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、次に示すような効果を奏する。
まず、請求項１に記載の発明では、コーナーフィーラーをコア材を組糸で巻回して成形したことで、該コーナーフィーラーを桁材とスキンとの間の隙間に挿入するときに、コア材がばらけることなく、該隙間の形状に合わせてしなやかに変形させることができるようになっている。このため、このコーナーフィーラーは隙間の形状に馴染み易く、該隙間に該コーナーフィーラーを充填することで、桁材とスキンとのジョイント部の強度の向上を図ることができる。
【００３８】
また、請求項２に記載の発明では、コーナーフィーラーを桁材とスキンとから成る構造体のジョイント部に形成される隙間に充填することで、該構造体のジョイント部の強度の向上を図ることができる。このコーナーフィーラーは、桁材とスキンとの間の隙間に挿入するときに、コア材がばらけることなく、該隙間の形状に合わせてしなやかに変形させることができるようになっている。このため、このコーナーフィーラーは隙間の形状に馴染み易く、該隙間に該コーナーフィーラーを容易に充填することできる。
【００３９】
そして、請求項３に記載の発明では、桁材とスキンとのジョイント部を補強するコーナーフィーラーを安価に製造することができる。このコア材を組糸で巻回して組成したコーナーフィーラーは、桁材とスキンとの間の隙間に挿入するときに、コア材がばらけることなく、該隙間の形状に合わせてしなやかに変形させることができるようになっている。このため、このコーナーフィーラーは隙間の形状に馴染み易く、該隙間に該コーナーフィーラーを充填することで、桁材とスキンとのジョイント部の強度の向上を図ることができる。
【００４０】
また、請求項４に記載のように、前記組糸の組角度を前記コア材の軸芯方向に対して４５度以下とすることで、ばらけることなく隙間の形状に馴染み易いコーナーフィーラーを製造することができる。
補足すると、組糸の組角度が小さく、組本数が少なすぎると、該組糸と該コア材とで組成したコーナーフィーラーの組みが疎になり、該コーナーフィーラーを桁材とスキンとの間の隙間に挿入しようとするときに、該隙間の形状に合わせて該コーナーフィーラーを変形させ易いが、該フィーラーコーナーがばらけてしまう可能性が高く、該フィーラーコーナーの取り扱いが困難となる。
逆に、この組糸の組角度が大きく、組本数が多すぎると、該組糸と該コア材とで組成したコーナーフィーラーの組みが密になり、該コーナーフィーラーを桁材とスキンとの間の隙間に挿入するとき、該コーナーフィーラーは変形し難く、隙間４の形状に馴染ませ難くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スキン２に取り付けた桁材３の正面図。
【図２】コーナーフィーラー１の側面断面図。
【図３】コーナーフィーラー１の製造方法を説明する流れ図。
【図４】スキン２に取り付けた桁材３の正面図。
【図５】コーナーフィーラー１の側面図。
【図６】桁材３とスキン２との間の隙間４にコーナーフィーラー１を充填した状態の図。
【図７】コーナーフィーラー１の製造装置を説明する概略図。
【符号の説明】
１ コーナーフィーラー
２ スキン
３ 桁材
３Ａ ピース
３ｂ 水平部分
３ｃ 垂直部分
３ｄ コーナー部
４ 隙間
５ ブレイダー
１１ コア材
１２ 組糸
ｄ 繊維密度
Ｒｉｎ コーナー部３ｄの内側の極率半径
Ｒｏｕｔ コーナー部３ｄの外側の極率半径
ｔ ピース３Ａの厚み
Ｖ 隙間４の体積
Ｖｆ 繊維体積割合
Ｙ 必要繊維量
Ｙ１ 組糸１２・１２・・・の使用量
Ｙ２ コア材１１の使用量
Claims (4)
- 強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形される桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される隙間に充填するためのコーナーフィーラーであって、
前記ジョイント部の隙間の体積を算出し、該隙間の体積に基づき必要繊維量を算出して、該必要繊維量から組糸の使用量とコア材の使用量とを算出し、該コア材に該組糸を組んでいき紐状に成形したことを特徴とするコーナーフィーラー。 - 請求項１に記載のコーナーフィーラーを、前記桁材と前記スキンとから成る構造体のジョイント部に形成される隙間の形状に合わせて変形して充填したことを特徴とするコーナーフィーラーを充填した構造体。
- 強化繊維と樹脂とから成る複合材料で成形される桁材を、スキンに取り付けたときに、該桁材と該スキンとのジョイント部に形成される隙間に充填するためのコーナーフィーラーを、以下の手順で製造することを特徴とするコーナーフィーラーの製造方法。
（１）前記ジョイント部の隙間の体積を算出する。
（２）該隙間の体積に基づき必要繊維量を算出する。
（３）該必要繊維量から組糸の使用量とコア材の使用量とを算出する。
（４）該コア材に該組糸を組んでいき紐状のコーナーフィーラーを成形する。 - 前記組糸の組角度を前記コア材の軸芯方向に対して４５度以下とすることを特徴とする請求項３に記載のコーナーフィーラーの製造方法。
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