JP2014159155A - スパイラル積層構造の円錐及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダーツやつなぎを必要とせずに製造可能で、高い強度を有する円錐形状複合品の提供。
【解決手段】円錐形状複合品は、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列１５８を有する少なくとも四つの一方向プライ１８０を含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターン１６８を有する内側部分積層板１５６と、内側スタック配列１５８の鏡像である外側スタック配列１６２を有する外側部分積層板１６０とを含む円錐形状複合品１１４であって、前記一方向プライ１８０の各々が、プライの弧長１９０に沿って連続して前記円錐形状複合品１１４の周りを３６０°にわたって包み、各一方向プライ１８０の対向するプライ端部２００がプライ継ぎ目２０４で終端。
【選択図】図６

Description

本発明は、概して複合品に関し、具体的には、積層複合材料から形成される円錐形状品に関する。

通信衛星のような宇宙機は、打上げ用ロケットを使用して軌道中に打ち上げられ、典型的には打上げ用ロケットの頂部に取り付けられたフェアリング内部に封入される。フェアリングは、打上げ用ロケットが大気圏内を上昇するときに自然界の要素から宇宙機を保護する。宇宙機は、円錐状ペイロード接続用結合金具により打上げ用ロケットに連結される。ペイロード接続用結合金具は、宇宙機から打上げ用ロケット中へと軸方向荷重、曲げ荷重、及びねじり荷重を伝達できなければならない。ペイロード接続用結合金具にかかる軸方向荷重は、打上げ用ロケットのリフトオフの間に極めて大きくなりうる。ペイロード接続用結合金具にかかる曲げ荷重は、高い高度で打上げ用ロケットに作用する空力的乱気流の結果として高くなりうる。

複合材料は、宇宙機の荷重を打上げ用ロケットに連結するためのペイロード接続用結合金具のためなどの、軽量で強度の高い構造又は物品を製造するために使用される。残念なことに、円錐状の複合構造を製造する従来の方法では、複合材プライを構造の形状寸法に一致させるために、個々の複合材プライのダーティング（ｄａｒｔｉｎｇ）を使用することが必要である。加えて、円錐状の複合構造を製造する従来の方法では、複合材プライを構造の形状寸法に一致させるために、複合材プライの重複するつなぎを使用することが必要である。複合材プライにダーティングと重複つなぎとを使用することは、複合構造の重量を増加させる。加えて、複合材プライのダーティングと重複つなぎとは、複合構造に、複合構造の強度特性を損なわせうるボイドやしわきずを生じさせる危険がある。

このように、当技術分野において、ダーツやつなぎを必要とせずに製造することが可能で、高い強度を有するように生産することができる円錐形状の複合品が必要とされている。さらに、当技術分野において、異なる方向及び大きさの様々な荷重を伝達することのできる軽量で強度の高い円錐形状の複合品が必要とされている。

複合品に関連付けられる上記のニーズに、円錐形状の複合品を提供する本発明は取組み、対処する。前記円錐形状複合品は、内側積層板のいずれの位置においてもレイアップパターンが疑似等方性となるように、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む内側部分積層板を含んでいる。円錐形状の複合品は、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む外側部分積層板も含む。一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って連続して円錐形状複合品の周りを３６０°にわたって包み、対向するプライ端部はプライ継ぎ目で終端する。

さらなる実施形態では、円錐形状を有する円錐形状複合品が開示され、この円錐形状複合品は、内側積層板のいずれの位置においてもレイアップが疑似等方性となるように、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む、円錐形状の内側部分積層板を含んでいる。円錐形状複合品は、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層も含む。一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って連続して円錐形状複合品の周りを３６０°にわたって包み、対向するプライ端部はプライ継ぎ目で終端する。さらに、円錐形状複合品は、内側部分積層及び外側部分積層を有する少なくとも一つの全周囲軸方向プライも含む。全周囲軸方向プライは、横並びの関係に配置されて、円錐形状複合品の周りに３６０°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジも含む。各軸方向プライウェッジの繊維角度は、円錐形状複合品の長手軸と概ね整列している。

さらには、円錐形状複合品の製造方法が開示される。この方法は、円錐形状のマンドレルの周りを３６０°にわたって包むように構成されたフラットパターンにおいて連続する弧形状に一方向プライを提供するステップであって、各一方向プライの対向するプライ端部がプライ継ぎ目で終端する、提供するステップを含む。方法は、さらに、内側部分積層板を円錐形状マンドレル上にレイアップするステップを含むことができる。内側部分積層板は、いずれの位置においてもレイアップが疑似等方性となるように、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列を有する一方向プライのうちの四つを含むことができる。方法は、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列に、外側部分積層板をレイアップすることを含んでもよい。

部分積層板に含まれる四つの一方向プライは、どのような順序で配置されてもよく、上述の０／９０／＋４５／−４５の順序で配置されることに限定されない。これに関して、各部分積層板に含まれる四つの一方向プライは、少なくとも０°のプライ、９０°のプライ、＋４５°のプライ、及び−４５°のプライを含み、任意の順序に配置されて、厚み方向の中央面（厚みの中央線）の片側に疑似等方性のレイアップを、反対側に、鏡像のスタック配列内に四つの一方向プライを含む鏡像の疑似等方性の部分積層板を、それぞれ形成することができる。これについては後述する。加えて、複合材積層板は、中央面の片側に複数の疑似等方性の部分積層板を有し、中央面の反対側に同数の疑似等方性の部分積層板を有することにより、平衡化された対称なレイアップを形成するように提供される。これについては後述する。複合材積層板は、負の繊維角度を有する各プライ（例えば、−４５°のプライ）が対応する正の繊維角度を有するプライ（例えば、＋４５°のプライ）によって平衡化されているという意味で、平衡化されている。複合材積層板は、中央面の片側のプライが、中央面の反対側のプライの鏡像であり、且つ中央面から同じ距離に位置しているという意味で、対称である。

上述の特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

本発明の上述の特徴及び他の特徴は、添付図面からさらに明らかとなる。図を通して、同様の参照番号は同様の部品を示す。

打上げ用ロケット内部に封入された宇宙機の断面図であり、宇宙機を打上げ用ロケットに連結する円錐形状の複合品を示している。 円錐形状複合品の斜視図である。 円錐形状複合品の上面図である。 図３の線４に沿った円錐形状複合品の断面図である。 円錐形状複合品の一実施形態における一方向プライから形成される内側部分積層板及び外側部分積層板を示す概略斜視図である。 図５に示す円錐形状複合品の実施形態の、内側部分積層板及び外側部分積層板を示す概略的分解斜視図である。 図６に示す外側部分積層板の外側スタック配列の一部を示す概略図であり、疑似等方性レイアップパターンを示している。 図６に示す内側部分積層板の内側スタック配列の一部を示す概略図であり、図７の外側スタック配列の疑似等方性レイアップパターンの鏡像である疑似等方性レイアップパターンを示している。 図５及び６に示す円錐形状複合品の一実施形態のプライスタック配列を示す表である。 疑似等方性レイアップパターンにおける繊維角度の符号規約（ｓｉｇｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）を示す繊維角度のローゼット（ｒｏｓｅｔｔｅ）である。 内側部分積層板及び外側部分積層板を形成する一方向プライの分解斜視図である。 図９の表により示される円錐形状複合品の一方向プライ継ぎ目の位置を示す線図である。 内側部分積層板及び外側部分積層板を形成する一方向プライのうちの二つについてプライパターンＡを示している。 内側部分積層板及び外側部分積層板を形成する一方向プライのうちの二つについてプライパターンＢを示しており、プライパターンＢの繊維角度はプライパターンＡの繊維角度に対して９０°である。 複数の全周囲軸方向プライを有する円錐形状複合品の一実施形態のプライスタック配列の表であり、上述の０／９０／＋４５／−４５スタック配列の代替的実施形態における内側及び外側スタック配列をさらに示している。 図１５の円錐形状複合品の実施形態について一方向プライ継ぎ目位置を示す線図である。 全周囲軸方向プライを有する円錐形状複合品の上面図であり、全周囲軸方向プライを形成する複数の軸方向プライウェッジを示している。 軸方向プライウェッジを形成するためのプライパターンＣを示している。 円錐形状マンドレルと、マンドレル表面の外周の周りの一方向プライのレイアップとを示す斜視図である。 円錐形状複合品の製造方法を示すフロー図である。 航空機の製造及び保守方法を示すフロー図である。 航空機のブロック図である。

ここで、本発明の種々の好適な実施形態の例示を目的とする図面を参照する。図１は、打上げ用ロケット１００の頂部に取り付けられたフェアリング１０２内部に封入されている宇宙機１０４の断面図である。宇宙機１０４は、打上げ用ロケット１００に宇宙機１０４を連結することが可能なペイロード接続用結合金具１１２によって支持される。ペイロード接続用結合金具１１２は、円錐形状複合品１１４として構成され、軸方向荷重１０６、曲げ荷重１０８、及びねじり荷重１１０を、宇宙機１０４から打上げ用ロケット１００へ伝達するように構成される。

図２は、垂直に延びる長手軸１１６を中心に有する円錐形状複合品１１４を示す斜視図である。円錐形状複合品１１４は、上縁１１８及び下縁１２２を含む。図示されていないが、宇宙機１０４（図１）に円錐形状複合品１１４を連結するための金属リング及び機械的ハードウェア（例えば、分離ハードウェア）が、上縁１１８に固定されていてよい。打上げ用ロケット１００（図１）に円錐形状複合品１１４を解除可能に連結するための金属リング及び機械的ハードウェア（例えば、分離ハードウェア）が、下縁１２２にも固定されていてよい。円錐形状複合品１１４は、複数の一方向プライ１８０から形成される複合材積層板１５０として形成することができる。

図３及び４は、図２の円錐形状複合品１１４の、それぞれ上面図及び断面図である。上縁１１８は、宇宙機１０４（図１）とのインターフェース（図示しない）の直径に相補的な上縁直径１２０を有することができる。下縁１２２は、打上げ用ロケット１００（図１）とのインターフェース（図示しない）の直径に相補的な下縁直径１２４を有することができる。ペイロード接続用結合金具１１２（図１）の一実施形態では、宇宙機１０４及び打上げ用ロケット１００のインターフェースの寸法に応じて、円錐形状複合品１１４は、約１０インチ〜３６インチ以上の円錐高１３０（図４）、及び約５°〜４０°以上の半角を有することができる。

図４に示す一実施形態では、上縁直径１２０は約１２〜４８インチ以上であり、下縁直径１２４は約１８〜６０インチ以上である。円錐形状複合品１１４は、円錐内表面１２６と円錐外表面１２８との間に延びる壁厚１３２を有することができる。一実施形態では、壁厚１３２は、宇宙機１０４（図１）を打上げ用ロケット１００（図１）に連結するための強度及び剛性要件に応じて、約０．１０インチ〜１．０インチ以上である。しかしながら、円錐形状複合品１１４は、限定されることなく、様々に異なる大きさ及び構成のいずれか一つにおいて提供することができ、上記寸法範囲に限定されない。

図５は、複合材料からなる複数の一方向プライ１８０を含む固体の複合材積層板１５０の一実施形態を概略的に示している。一方向プライ１８０は、積層されて円錐形状複合品１１４を形成している。円錐形状複合品１１４の複合材積層板は、円錐形状マンドレル３００（図１９）の上に最初の一方向プライ１８０をレイアップすることにより製作される。一方向プライ１８０の局所的繊維角度１５４（図９）は、円錐形状複合品１１４の長手軸１１６（図４）に対し、螺旋パターンで連続的に変化する。一方向プライ１８０のプライ端部２００は、ギャップ２０８を有するプライ継ぎ目２０４において接合されるか、又は付き合わせられる。ギャップ２０８は、プライ端部２００間のプライ突合せ継手２０６を示すために、図５では誇張して示されている。これに関して、一方向プライ１８０のいずれか一つのプライ突合せ継手２０６のギャップ２０８は、好ましくは、プライ端部２００間において約０．１０インチ未満であるが、それよりも大きなギャップ２０８も考慮される。一実施形態では、プライ端部は、プライ突合せ継手２０６が、円錐形状複合品１１４の長手軸１１６と整列するほぼ直線を形成するように、ほぼ直線である。しかしながら、プライ突合せ継手２０６は、どのような形状にも形成することができ、長手軸１１６と整列する直線的構造に限定されない。本発明はプライ継ぎ目２０４をプライ突合せ継手２０６として示すが、プライ端部２００を重複継手（図示しない）として形成することが考慮されうることにも注意されたい。

図５では、第２の一方向プライ１８０が最初の一方向プライ１８０の上にレイアップされ、その際第２の一方向プライ１８０のプライ継ぎ目２０４は最初の一方向プライ１８０の継ぎ目２０４に対して時計方向に１８０°ずれており、円錐形状複合品１１４の外周１３４の周りでらせん状になる０／４５°のレイアップパターンを有する２プライ式積層板が得られている。さらに二つの一方向プライ１８０が、最初の二つの一方向プライ１８０に対して９０°に方向付けられた局所的繊維角度でレイアップされることにより、疑似等方性のレイアップパターン１６８を有する４プライ式積層板が得られる。疑似等方性のレイアップパターン１６８の方向は、円錐形状複合品１１４の円周方向に沿ってらせん状に、連続的に変化する。

図５では、４プライ式疑似等方性のレイアップパターン１６８がさらに複合材積層板１５０に追加され、円錐形状複合品１１４の外周１３４の周りで時計方向に異なる角度に方向付けられることにより、所望の強度及び剛性特性を有する複合材積層板１５０が提供されている。上述のように、このような追加の４プライ式疑似等方性レイアップパターン１６８は、複合材積層板１５０の中央面１６４を挟んで互いの鏡像となる平衡化されたレイアップ１６６に配置される。例えば、図１５に示すように、追加の内側部分積層板１５６の各々について、中央面１６４の反対側に一つの外側部分積層板１６０が提供され、このとき、外側部分積層板１６０の外側スタック配列１５８は、内側部分積層板１５６の内側スタック配列１５８の鏡像である。但し、追加の内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０が隣接し合うことは必要でない。これについては後述でさらに詳細に説明する。後述するように、随意で全周囲軸方向プライ２５０（図１７）を複合材積層板１５０に追加することにより、円錐形状複合品１１４の軸方向の強度及び剛性を増大させることができる。本明細書に開示されるシステム及び方法により、有利には、複合材積層板１５０硬化後の冷却期間中といった処理の間に、複合材積層板１５０のねじれ又は反りを防止する平衡化された対称なレイアップが提供される。加えて、本明細書に開示されるシステム及び方法により、重複するつなぎ部の発生が最小化又は排除され、これにより複合材積層板１５０の総重量が減少し、構造的一体性が増し、且つ硬化中に複合材積層板１５０にしわきずが発生する可能性が有意に低下する、又は排除される。

図６は、円錐形状複合品１１４の複合材積層板１５０の一実施形態を形成している内側部分積層板１５６と外側部分積層板１６０の概略分解図である。内側部分積層板１５６は、繊維強化ポリマーマトリックス材から形成された四（４）つの一方向プライ１８０を包含しており、これらの一方向プライ１８０は、局所的繊維角度が０°、９０°、−４５°、及び＋４５°である内側スタック配列１５８か、又は４プライ式疑似等方性レイアップパターン１６８の他の組み合わせ（例えば、０／＋４５／９０／−４５のパターン、＋４５／０／−４５／−９０のパターン、−４５／０／＋４５／９０のパターン、及び他のパターン）を有している。これについては後述する。これに関して、内側部分積層板１５６の内側スタック配列１５８は、有利には、上述のように、円錐形状１５２のいずれの位置においても疑似等方性のレイアップパターン１６８を提供する。外側部分積層板１６０も、内側スタック配列１５８の鏡像（すなわち、厚み方向における）である外側スタック配列１６２を有する四（４）つの一方向プライ１８０を包含する。これについては上述する。これに関して、外側部分積層板１６０も、円錐形状１５２のいずれの位置においても疑似等方性のレイアップパターン１６８を提供する。

図７及び８には、内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０の一部が示されており、円錐形状１５２（図６）のいずれの位置においても疑似等方性のレイアップパターン１６８が示されている。図７は、互いに９０°に方向付けられた繊維角度１５４（図９）を有する外側部分積層板１６０の最も外側の二つのプライを示している。外側部分積層板１６０の最も内側の二つのプライは、やはり互いに９０°に方向付けられ、且つ最も外側の二つのプライに対して４５°に方向付けられた繊維角度１５４を有することにより、疑似等方性レイアップパターン１６８を有している。図８は、互いに９０°に方向付けられた繊維角度１５４を有する内側部分積層板１５６の最も外側の二つのプライと、互いに９０°に、最も外側の二つのプライに対して局所的に４５°に、それぞれ方向付けられた局所的繊維角度１５４を有することにより疑似等方性のレイアップパターン１６８を有している最も内側の二つのプライとを示している。図８の一方向プライ１８０の繊維角度１５４は、図７の一方向プライ１８０の繊維角度１５４の鏡像である

図７及び８は、複合材積層板１５０（図６）の中央面１６４（図６）を中心にした内側部分積層板１５６と外側部分積層板１６０とによって提供される平衡レイアップ１６６（図９）を示している。中央面１６４は、内側部分積層板１５６の最も外側の一方向プライ１８０と、外側部分積層板１６０の最も内側の一方向プライ１８０との間に位置しており、ここで中央面１６４は、互いの鏡像となっている内側部分積層板１５６の繊維角度１５４と外側部分積層板１６０の繊維角度１５４との真中となる厚み方向位置を表している。加えて、複合材積層板１５０は、一方向プライ１８０が中央面１６４を中心として対称となるように配置され、ここで内側部分積層板１５６と外側部分積層板１６０の、鏡像となる一方向プライ１８０の対は、中央面１６４から等距離に位置しており、これにより複合材積層板１５０の硬化中の変形又は反りが最小化される。本発明では、内側部分積層板１５６は、円錐形状複合品１１４の内側（すなわち、円錐の内表面１２６に最も近い位置−図４）に位置しており、外側部分積層板１６０は、円錐形状複合品１１４の外側（すなわち、円錐の外表面１２８に最も近い位置）に位置している。

図９は、図１１の円錐形状複合品１１４のプライスタック配列の一実施形態を示す表である。図９のプライ番号付け（例えば、プライＮｏ．）の列は、図１９に示す円錐形状マンドレル３００のマンドレル表面３０２のようなツール表面においてプライ１から始まる一方向プライ１８０のスタック順序を表す。図９のプライパターンの列は、複合材積層板１５０にレイアップされる一方向プライ１８０を形成するために実施される二つのプライパターンのうちの一つ（例えば、プライパターンＡ又はプライパターンＢ−図１３、１４）を表す。継ぎ目位置の列は、各一方向プライ１８０のプライ継ぎ目２０４の継ぎ目位置を示す図１２の継ぎ目の図を参照する。繊維角度の列は、図１１の円錐形状複合品１１４上の０°の継ぎ目位置における、互いに対する一方向プライ１８０の繊維角度を示している。図１１の０°の継ぎ目位置において、プライ１〜プライ８の繊維角度は、＋４５／９０／０／−４５／−４５／０／９０／＋４５であり、これは図９の繊維角度の列に対応している。

図９の表は、一方向プライの第１の対（プライ１とプライ２）１８２から構成される内側部分積層板１５６のスタック配列を列挙しており、この対の両方は、プライ１とプライ２に同じ繊維角度で一方向プライ材料を用いるプライパターンＡから形成される。例えば、図１３は、一方向プライの第１の対（プライ１とプライ２）１８２の、繊維角度が９０°である（すなわち、基準端部２０２に対して）プライパターンＡを示している。図９の表には、一方向プライの第２の対（プライ３とプライ４）１８６も列挙されており、この対は、プライ３とプライ４に同じ繊維角度を有する一方向プライ材料を用いるプライパターンＢから形成されている。例えば、図１４は、一方向プライの第２の対（プライ３とプライ４）１８６（プライ３とプライ４）の、繊維角度が０°である（すなわち、基準端部２０２に対して）プライパターンＢを示している。図９の表は、やはり一方向プライの第１の対１８２と一方向プライの第２の対１８６とから構成される外側部分積層板１６０の外側スタック配列も列挙しており、これらの一方向プライの対１８２、１８６は、内側部分積層板１５６の一方向プライの第１の対１８２及び第２の対１８６の鏡像となるように配置されて、複合材積層板１５０の平衡レイアップ１６６を提供している。

図１０は、本発明の疑似等方性レイアップパターン１６８（図９）の繊維角度１５４の符号規約を示す繊維角度のローゼット２１０を示している。この符号規約は、ツールに適用される一方向プライ１８０（図９）を上から見たときの相対的な繊維角度方向を表している。本発明では、ツールは図１９に示すような円錐形状マンドレル３００を含むことができる。一実施形態では、円錐形状複合品１１４（図９）上のいずれの位置においても、相対的繊維角度１５４が側部分積層板１５６（図９）及び外側部分積層板１６０（図９）の疑似等方性レイアップパターン１６８の０／９０／±４５°の繊維角度の約±２°以内に維持されるように、一方向プライ１８０をレイアップすることができる。

図１１は、図９に示すプライスタック配列に対応する内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０の一方向プライ１８０の分解斜視図である。図１１では、一方向プライ１８０の各々は、プライの弧長１９０（図１３）に沿って連続して（プライ継ぎ目２０４を除き）円錐形状複合品１１４の周りを３６０°にわたって包んでいる。一方向プライ１８０の各々は、プライ継ぎ目２０４で終端する対向するプライ端部２００を有する。プライ端部２００の一方は基準端部２０２を構成し（図１３、１４）、基準端部は、円錐形状マンドレル３００（図１９）の周囲に、又は直前に積層された一方向プライ１８０の上に一方向プライ１８０を巻きつける前に一方向プライ１８０を継ぎ目位置に位置合わせするプライ端部２００を構成する。上述のように、プライ継ぎ目２０４は、プライ突合せ継手２０６として形成されるが、プライ継ぎ目２０４の一又は複数は重複継手（図示しない）として形成されてもよい。一実施形態では、一方向プライ１８０の各々は、円錐形状複合品１１４（図５）の少なくとも上縁１１８（図５）から少なくとも下縁１２２（図５）まで延びるプライ幅１９８（図１３）を有するように形成される。しかしながら、一方向プライ１８０の一又は複数は、レイアップの間に、最終的な円錐形状複合品１１４の上縁１１８の上方まで、及び／又は下縁１２２の下方まで延びるプライ幅１９８（図１３）を有してもよい。上端１１８の上方及び／又は下端１２２の下方の余分なプライ材料は、硬化後に円錐形状複合品１１４からトリミングすることができる。

図１１では、内側部分積層板１５６は一方向プライの第１の対１８２（プライ１とプライ２）を含み、これらはともに第１の繊維角度１８４を有するプライパターンＡを用いて形成される。プライ１及びプライ２のプライ継ぎ目２０４が互いに対して時計方向に１８０°ずれていることにより、０°／４５°の積層板が得られている。内側部分積層板１５６は、一方向プライの第２の対（プライ３とプラ４）も含み、これらは共に第２の繊維角度１８８を有するプライパターンＢを用いて形成されている。図１４では、プライパターンＢの繊維角度１５４は、基準端部２０２に対して９０°に方向付けられている。図１３では、プライパターンＡの繊維角度１５４は、基準端部２０２に対して０°に方向付けられている。しかしながら、プライパターンＡ及びプライパターンＢの繊維角度１５４は、プライパターンＡの繊維角度１５４がプライパターンＢの繊維角度１５４に対して９０°に方向付けられている限り、基準端部２０２に対してどのような角度にも方向付けられていてよい。

図１１及び１２では、一方向プライの第２の対（プライ３とプライ４）１８６のプライ継ぎ目２０４は、互いに時計方向に１８０°ずれている。加えて、一方向プライの第２の対（プライ３とプライ４）１８６のプライ継ぎ目２０４一方向プライの第１の対（プライ１とプライ２）１８２のプライ継ぎ目と位置合わせされていることにより、図８に示すように、内側部分積層板１５６が疑似等方性レイアップされる。例えば、０°の継ぎ目位置において、プライ１〜プライ４の内側部分積層板１５６は、＋４５／９０／０／−４５の疑似等方性レイアップパターンを有する。言うまでもなく、一方向プライ１８０は、異なる疑似等方性レイアップパターン１６８を提供するように配置されてもよい。例えば、一方向性プライ１８０は、０／＋４５／９０／−４５のパターン、＋４５／０／−４５／−９０のパターン、−４５／０／＋４５／９０のパターン、及びその他のパターンを提供するように配置されてもよい。図１１に示すように、外側部分積層板１６０の一方向プライ１８０は、内側部分積層板１５６の一方向プライ１８０の鏡像となるように配置されて、上述のような平衡レイアップ１６６を提供する。

図１３及び１４は、一方向プライ１８０を形成するプライパターンＡ及びプライパターンＢの弧形状１９２を示している。プライパターンＡ及びプライパターンＢは、同じ内径１９４、外径１９６、プライ幅１９８、及びプライ端部２００間の弧長などが同じ寸法に形成されている。プライパターンＡ及びＢの各々は、円錐形状のマンドレル３００の周りを３６０°にわたって包む平坦なパターンに一方向プライ１８０を形成する連続的な弧形状１９２を表しており、各一方向プライ１８０の対向するプライ端部２００はプライ突合せ継手２０６（図１１）のようなプライ継ぎ目２０４において終端する。加えて、プライパターンＡ及びＢの各々のプライ幅１９８は、一方向プライ１８０が円錐形状マンドレル３００（図１９）上にレイアップされたときに、弧形状１９２の内径１９４が円錐形状複合品の上縁１１８（図５）とほぼ位置合わせされ、弧形状１９２の外径１９６が円錐形状複合品１１４の下縁１２２（図５）とほぼ位置合わせされるように提供される。しかしながら、一方向プライ１８０は、最終的な円錐形状複合品１１４の上縁１１８の上方及び下縁１２２の下方にそれぞれ延長する内径１９４及び外径１９６に形成し、硬化後にそのような上端１１８及び下端１２２をトリミングしてもよい。

図１３及び１４では、一方向プライ１８０は、プライパターンＡ及びＢの平坦なパターンの弧形状１９２に一方向材料を切り出すことにより形成される。例えば、一方向プライ１８０は、単一の大きな一方向材片からプライパターンＡ又はプライパターンＢの弧形状１９２を切り取ることにより形成することができる。或いは、一方向プライ１８０は、互いに横並びの関係に配置された一方向テープ２３０の複数の個別ストリップ又はコース２３２から形成してもよい。一方向テープ２３０は、約１〜２０インチ以上の範囲内のテープ幅２３４で入手可能である。一実施形態では、一方向テープ２３０は、所望のテープ幅２３４の予備含浸炭素繊維一方向テープ２３０を含む。

図１３及び１４では、一方向テープ２３０の複数のコース２３２は、繊維角度１５４がプライパターンＡの基準端部２０２に平行になるように、横並びの関係に配置されている。プライパターンＢの場合、一方向テープ２３０は、繊維角度１５４がプライパターンＢの基準端部２０２に垂直になるように配置されている。プライパターンＡ及びＢの基準端部２０２は、円錐形状マンドレル３００（図１９）上で一方向プライ１０８を継ぎ目位置に位置合わせされるプライ端部２０２を含む。一方向テープ２３０の横並びのコース２３２は、プライパターンＡの弧形状１９２に切り取られる。一方向テープ２３０のコース２３２は、継ぎ目位置インデックスマーク３０４（図１９）、上縁インデックスマーク３０６（図１９）、及び／又は下縁インデックスマーク３０８（図１９）としてマンドレル表面３０２（図１９）上に設けられるインデックスマークに一方向テープ２３０のコース２３２を位置合わせすることにより個別にレイアップされる。一方向テープ２３０のコース２３２のテープの両側２３６は、互いに横方向に接するように配置されて、連続する完全な３６０°の一方向プライ１８０を形成する。

一実施形態では、一方向プライ１８０は、上述のように、繊維強化ポリマーマトリックス材を含む一方向材料からなる。例えば、一方向材料は、予備含浸一方向テープといった予備含浸複合材料（例えば、一又は複数のプライ）を含む。しかしながら、一方向材料は、プライパターンＡ及びＢの弧形状に切り取って円錐形状マンドレル３００上にレイアップすることができる乾燥繊維プリフォーム（図示しない）のような乾燥繊維材料（図示しない）も含むことができ、このプリフォームにはその後、別のステップ（図示しない）において液体樹脂を注入することができる。

一実施形態では、一方向材料は、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向繊維を含むことができる。ポリマーマトリックス材料は、熱可塑性マトリックス材料又は熱硬化性マトリックス材料を含むことができる。繊維は、炭素、ガラス、アラミド、金属、及び／又は任意の繊維材料、又はこれらの組み合わせから形成することができる。一実施形態では、一方向プライ１８０は、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した、比較的厚い、高密度で高弾性の一方向炭素繊維として提供される。例えば、一方向プライ１８０は、少なくとも約０．００２インチ、例えば約０．０２０インチのプライ厚を有する。一方向プライ１８０は、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向炭素繊維であって、約０．０１０インチの硬化後公称プライ厚保を有する一方向炭素繊維を含みうる。

上述のように、一方向プライ１８０は、円錐形状複合品１１４に対し、全方位に比較的高い剛性を与える、約３０〜７０×１０^６ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の比較的高い弾性を有する繊維を含むことができる。加えて、一方向プライ１８０は、例えば約５０〜３５０グラム／平方メートルといった比較的高い気中濃度を有することができ、この高い気中濃度と約０．０２０インチという比較的大きな厚みとの組み合わせにより、運航中に円錐形状複合品１１４（図４）が受けうる荷重を支持するために必要な壁厚１３２（図４）を達成するために要求される一方向プライ１０８及び全周囲軸方向プライ２５０（後述）の総量が最小化される。湿式レイアップ法（例えば、樹脂注入乾燥プリフォーム）の代わりに予備含浸ポリマーマトリックス材料を使用することにより、最終的な円錐形状複合品１１４の繊維体積分率をよりよく制御できる。一実施形態では、繊維形状複合品１１４は、約４５〜６０％、例えば約５２〜５６％の繊維体積分率を有するように製造されるが、これよりも大きい又は小さい繊維体積分率も考慮される。

図１５は、所望の壁厚１３２（図４）を達成する複数の平衡レイアップ１６６（図１１）を有する円錐形状複合品１１４（図１１）の一実施形態のプライスタック配列の表である。上述のように、平衡レイアップ１６６は、内側スタック配列１５８を有する内側部分積層板１５６と、内側スタック配列１５８の鏡像となる外側スタック配列１６２を有する外側部分積層板１６０とを含む。図１５は、中央面１６４（すなわち、プライ１６とプライ１７の間の中央面）の片側に三（３）つの内側部分積層板１５６を、中央面１６４の他方の側に三（３）つの外側部分積層板１６０をそれぞれ含む、三（３）つの平衡レイアップ１６６を示している。上述のように、各内側部分積層板１５６及び各外側部分積層板１６０は、円錐形状複合品１４４のいずれの位置においても疑似等方性レイアップを形成するように配置された四（４）つの一方向プライ１８０を含む。各平衡レイアップ１６６について、内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０は、上述し図９に示したように、互いに時計方向に１８０°ずれたプライ継ぎ目２０４を含む。図１５に示す複数の平衡レイアップ１６６を有する円錐形状複合品１１４の場合、平衡レイアップ１６６のプライ継ぎ目２０４（図１１）は、円錐形状複合品１１４の外周１３４の周りの時計方向に異なる継ぎ目位置に配置される。平衡レイアップ１６６の継ぎ目位置のクロッキング（ｃｌｏｃｋｉｎｇ）により、一箇所に複数の継ぎ目位置２０４が生じることが防止されて、円錐形状複合品１１４の外周１３４の周りの応力分散が改善される。

図１５に示す一実施形態では、円錐形状複合品１１４は、随意で、円錐形状複合品１１４（図４）の軸方向強度及び剛性を増大させるための一又は複数の全周囲軸方向プライ２５０を含むことができる。全周囲軸方向プライ２５０は、内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０の一方向プライ１８０に使用される一方向材料に類似の一方向材料から形成することができる。全周囲軸方向プライ２５０は、繊維角度２５２（図１８）が円錐形状複合品１１４の長手軸１１６（図４）とほぼ整列するように配置される。一又は複数の全周囲軸方向プライ２５０は、内側部分積層板１５６内部及び外側部分積層板１６０内部に積層される。例えば、図１５は、プライ１、４、５、及び７からなる内側部分積層板１５６のプライ１とプライ３の間に積層された二（２）つの全周囲軸方向プライ２５０と、プライ５とプライ７の間に積層された別の全周囲軸方向プライ２５０とを示している。平衡レイアップ１６６（図１１）を提供するために、プライ２６、２８、２９、及び３２からなる外側部分積層板１６０は、内側部分積層板１５６内の全周囲軸方向プライ２５０の鏡像となるように積層された同数の全周囲軸方向プライ２５０を有する。円錐形状複合品１１４は、随意で、隣接して配置される内側部分積層板５６間）に積層される一又は複数の全周囲軸方向プライ２５０（すなわち、プライ８）、及び隣接して配置される外側部分積層板１６０間に積層される一又は複数の全周囲軸方向プライ２５０（すなわち、プライ２５）を含むことができ、これにより平衡レイアップ１６６が提供される。図１５には八（８）つの全周囲軸方向プライ２５０が示されているが、部分積層板１５６、１６０内部に、及び／又は部分積層板１５６、１６０間に配置される全周囲軸方向プライ２５０の数はどのような数でもよい。

図１６は、図１５に示した円錐形状複合品１１４の内側及び外側部分積層板１５６、１６０の継ぎ目位置を示す線図である。プライ継ぎ目２０４の位置は、円錐形状複合品１１４の強度特性を向上させるように、等角度に配置されている（例えば、４５°ずつずれている）。上述のように、プライ継ぎ目２０４のクロッキング（ｃｌｏｃｋｉｎｇ）により、一箇所に複数のプライ継ぎ目２０４が生じることが回避され、代わりにプライ継ぎ目２０４はずらして配置される。このようにして、プライ突合せ継手２０６に重なる一方向プライ１８０は、一方向プライ１８０の対向するプライ端部２００を互いに接続する重複つなぎとして働く。図１６ではプライ継ぎ目２０４は等しい角度で分散しているが、プライ継ぎ目２０４は等しくない角度で配置されてもよい。

図１７は、円錐形状複合品１１４の上面図であり、複数の軸方向プライウェッジ２５４からなる全周囲軸方向プライ２５０を示している。図１７は、外側部分積層板１６０内部に積層される全周囲軸方向プライ２５０であるプライ３０及びプライ３１を示すために部分的に切り離されたプライ３２を例示している。全周囲軸方向プライ２５０の各々は、互いに横並びの関係に配置されて円錐形状複合品１１４の周りに３６０°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジ２５４から構成される。軸方向プライウェッジ２５４の各々は、円錐形状複合品１１４の長手軸１１６（図１８）とほぼ整列する（例えば、±１０°以内）繊維角度２５２（図１８）を有する。隣接し合う軸方向プライウェッジ２５４のウェッジ側面２６２は、互いに横方向に接するように配置され、複数のウェッジ突合せ継手２６４を形成する。

図１７では、各全周囲軸方向プライ２５０は、内側部分積層板１５６又は外側部分積層板１６０の少なくとも一つの連続する一方向プライ１８０と重複する。一方向プライ１８０は、ウェッジ突合せ継手２６４の重複つなぎとして働き、隣接して配置される軸方向プライウェッジ２５４を相互接続することができる。例えば、プライ３２は、プライ３１のウェッジ突合せ継手２６４への重複つなぎとして働くように、全周囲軸方向プライであるプライ３１と重複する一方向プライ１８０である。図示しないが、プライ２９も、全周囲軸方向プライであるプライ３０のウェッジ突合せ継手２６４への重複つなぎとして働くことのできる一方向プライ１８０である。

図１７の実施形態では、全周囲軸方向プライ２５０の各々のウェッジ突合せ継手２６４が、残りの全周囲軸方向プライ２５０のうちの一又は複数のウェッジ突合せ継手２６４とずれていることにより、円錐形状複合品１１４上の一箇所に二つ以上のウェッジ突合せ継手２６４が生じることが回避されている。例えば、図１７は、プライ３０のウェッジ突合せ継手２６４がプライ３１のウェッジ突合せ継手２６４とずれていることを示している。一実施形態では、全周囲軸方向プライ２５０のうちの一又は複数のウェッジ突合せ継手２６４は、残りの全周囲軸方向プライ２５０のうちの一又は複数のウェッジ突合せ継手２６４と少なくとも０．５０インチのずれ２６６を有するように配置されるが、ずれ２６６の量は０．５０インチ未満でもよい。一実施形態では、全周囲軸方向プライ２５０のうちの一つのウェッジ突合せ継手２６４のうちの一又は複数は、他の全周囲軸方向プライ２５０のウェッジ突合せ継手２６４のうちの一又は複数とほぼ整列している。

図１８は、軸方向プライウェッジ２５４を形成するためのプライパターンＣの一実施形態を示している。プライパターンＣは、軸方向プライウェッジ２５４のウェッジ高さ２６０を画定する内径２５６及び外径２５８を有する。一実施形態では、軸方向プライウェッジ２５４のウェッジ高さ２６０は、プライパターンＡ（図１３）及びプライパターンＢ（図１４）のプライ幅１９８（図１３、１４）にほぼ等しい。これに関して、軸方向プライウェッジ２５４のウェッジ高さ２６０は、円錐形状複合品１１４の上縁１１８（図１７）と下縁１２２（図１７）の間に延びる大きさを有しうる。しかしながら、軸方向プライウェッジ２５４は、軸方向プライウェッジ２５４のレイアップ中に上縁１１８及び／又は下縁１２２の上方又は下方に延びるウェッジ高さ２６０に形成することができる。

図１８では、軸方向プライウェッジ２５４は、円錐形状複合品１１４の周囲３６０°にわたる全周囲軸方向プライ２５０（図１７）を形成するために必要な軸方向プライウェッジ２５４の数を最小化する弧長に設けられる。しかしながら、この弧長は、各軸方向プライウェッジ２５４の両側の繊維角度２５２と円錐形状複合品１１４の長手軸１１６（図１７）との不整列の量を最小化するために最小化されてもよい。各軸方向プライウェッジ２５４の両側の繊維角度２５２と長手軸１１６との不整列を最小化することにより、全周囲軸方向プライ２５０の軸方向耐荷重能及び軸方向剛性が最大化される。各軸方向プライウェッジ２５４は、一方向プライ１８０について上述した一方向材料と同様の一方向材料から形成することができる。一方向材料の繊維角度２５２は、プライパターンＣの弧長を二分する半径とほぼ整列させることができる。一実施形態では、軸方向プライウェッジ２５４は、一方向テープ２３０から一方向プライ１８０を形成する上述のプロセスと同様にして、一方向テープ２３０の複数のストリップ又はコース２３２（図１３）が横並びの関係に配置されている一方向テープ２３０から形成することができる。

図１８では、軸方向プライウェッジ２５４は、軸方向プライウェッジ２５４の中心における軸方向プライの繊維角度２５２が円錐形状複合品１１４（図１７）の長手軸１１６に対してほぼ整列する（すなわち、０°の繊維角度を有する）ように構成することができ、対向するウェッジ側面２６２は、最大８°のウェッジ切り込み角度２６８を有するように形成することができる。例えば、軸方向プライウェッジ２５４は、ウェッジ側面２６２の各々が約５°のウェッジ切り込み角度２６８で形成されるように構成することができる。ウェッジ切り込み角度２６８を最小化することにより、軸方向プライの繊維角度２５２のオフセット（すなわち、垂直線からの）が最小化される。

図１９は、一方向プライをレイアップするための円錐形状マンドレル３００と、随意で設けられる、円錐形状マンドレル３００の外周１３４の周りの全周囲軸方向プライ２５０（図１７）との一実施形態を示している。円錐形状マンドレル３００は、円錐形状複合品１１４の成形及び硬化に適合する特徴を有する金属材料（例えば、鋼、アルミニウム、インバー（登録商標））又は複合材料（例えば、黒鉛エポキシ）から形成することができる。マンドレル表面３０２は、一方向プライ１８０及び全周囲軸方向プライ２５０と上縁１１８及び下縁１２２（図１７）との整列を容易にし、各一方向プライ１８０のプライ端部２００を所定の継ぎ目位置と整列させるためのインデックスマークを含むことができる。インデックスマークは、マンドレル表面３０２に直接形成されたスクライブマークを含む。例えば、円錐形状マンドレル３００は、継ぎ目位置インデックスマーク３０４、上縁インデックスマーク３０６、及び下縁インデックスマーク３０８を含むことができ、これらはプライの位置をマークするためのマンドレル表面３０２への刻み目、又は他の手段として形成されたスクライブマークとして設けることができる。図１９は、０°の継ぎ目位置と整列してマンドレル表面３０２上に留められた基準端部２０２を有する一方向プライ１８０を示しており、この一方向プライ１８０は、まず円錐形状マンドレル３００の周りに巻きつけられ、その後、残りのプライ端部２００が０°の継ぎ目位置に戻ってきたところでマンドレル表面３０２に留められる。

図１９の実施形態では、インデックスマークは、円錐形状マンドレル３００又は直前に積層されたプライ上の所定のインデックス位置にレーザ光を投射するように構成されたレーザ位置合わせシステムにより設けられる。例えば、このようなレーザ位置合わせシステムは、円錐形状マンドレル３００の表面上に、継ぎ目位置、上縁１１８、及び下縁１２２を投影するように構成することができる。加えて、このようなレーザ位置合わせシステムは、レイアッププロセスの間に、軸方向プライ１８０の形状寸法、全周囲一方向プライ２５０の形状寸法、及びスタック配列を、円錐形状マンドレル３００、或いは直前に積層された一方向プライ１８０又は全周囲軸方向プライ２５０上に投影することにより、新規に適用される一方向プライ１８０及び全周囲軸方向プライ２５０の各々の公称位置を示すことができる。

図２０は、図１７に示すような円錐形状複合品１１４の製造方法４００を示すフロー図である。方法は、円錐形状マンドレル３００の周りを３６０°にわたって包むように構成された平坦なパターンの連続する弧形状１９２に一方向プライ１８０を提供することからなるステップ４０２を含む。一実施形態では、一又は複数の一方向プライ１８０の対向するプライ端部２００はプライ突合せ継手２０６で終端するが、プライ端部２００は重複してもよい。方法は、上述のように互いに横並びの関係に配置された一方向テープ２３０の複数のコース２３２から一方向プライ１８０のうちの少なくとも一つを形成することを含んでもよい。一方向プライ１８０は、円錐形状複合品１１４の少なくとも上縁１１８から少なくとも下縁１２２まで延びるプライ幅１９８で提供されうる。

図２０の方法４００のステップ４０４は、円錐形状マンドレル３００上に内側部分積層板１５６をレイアップすることを含む。上述のように、内側部分積層板１５６は、有利には、繊維角度０°、９０°、＋４５°、−４５°の内側スタック配列を有する少なくとも四（４）つの一方向プライを含む。繊維角度は、４プライ式内側部分積層板１５６内において、異なる順序（例えば、０／＋４５／９０／−４５、０／−４５／９０／＋４５、９０／＋４５／０／−４５、−４５／０／９０／＋４５、など）で配置することができる。４プライ式内側部分積層板１５６は、各々が第１の繊維角度１８４を有する一方向プライの第１の対１８２を提供すること、互いに時計方向に１８０°ずらして一方向プライの第１の対１８２のプライ継ぎ目２０４を配置すること、各々が第１の繊維角度１８４に対して９０°に方向付けられた第２の繊維角度１８８を有する一方向プライの第２の対１８６を提供すること、及び円錐形状複合品の外周１３４の周りに互いに時計方向に１８０°ずらして、一方向プライの第１の対１８２のプライ継ぎ目２０４と位置合わせされるように第２の一方向プライ１８０のプライ継ぎ目２０４を配置することにより、疑似等方性レイアップパターン１６８を提供するように配置することができる（図５、６、及び１１参照）。

上述のように、このような追加の４プライ式疑似等方性レイアップパターン１６８は、好ましくは、複合材積層板１５０の中央面１６４を挟んで対称で平衡化されたレイアップ１６６に配置される。例えば、図１５に示すように、各内側部分積層板１５６について、外側部分積層板１６０が中央面１６４を挟んで反対側に提供され、この対応する外側部分積層板１６０は、内側部分積層板１５６の内側スタック配列１５８の鏡像である外側スタック配列１６２を有する。図１５に示すように、各内側部分積層板１５６及び対応する外側部分積層板１６０は、互いに隣接して配置される。これに関して、内側及び外側部分積層板１５６、１６０の各組は、各内側部分積層板１５６の一方向プライ１８０が、対応する外側部分積層板１６０の一方向プライ１８０と中央面１６４から同じ距離だけ離れて位置するように、中央面１６４を挟んで対称である。このように、複合材積層板１５０が対称で平衡化されたレイアップ１６６に提供されることにより、硬化後の反りが最小化される。

一実施形態では、内側部分積層板１５６は、図１９に示すように、プライ端部２００が円錐形状マンドレル３００上の継ぎ目位置インデックスマーク３０４に位置合わせされるように一方向プライ１８０の各々の弧形状１９２をレイアップすることにより形成される。一実施形態では、一方向プライ１８０の各々のプライ突合せ継手２０６は、プライ端部２００間に約０．１０インチ未満のギャップ２０８が生じるように設けられる。加えて、一方向プライ１８０の各々の弧形状１９２をレイアップするプロセスは、弧形状１９２の内径１９４及び外径１９６を、円錐形状マンドレル３００上の上縁インデックスマーク３０６及び下縁インデックスマーク３０８に、垂直方向に位置合わせすることを含む。一方向プライ１８０をレイアップするプロセスは、手作業により、及び／又は自動繊維配置マシン（図示しない）を用いて実行されうる。

図２０の方法４００のステップ４０６は、内側スタック配列１５８の鏡像である外側スタック配列１６２に、内側部分積層板１５６の上に外側部分積層板１６０をレイアップすることを含む。外側部分積層板１６０のプライ継ぎ目２０４は、内側部分積層板１５６のプライ継ぎ目２０４と位置わせされる。上述のように、内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０の各々は、複合品上のいずれの位置においても疑似等方性レイアップを呈する。内側部分積層板１５６と外側部分積層板１６０との組み合わせは、複合材積層板１５０の硬化後の反りを最小化するために、上述のような平衡レイアップ１６６及び対称レイアップを有する複合材積層板１５０を含む。

円錐形状複合品１１４の製造方法は、使用中に円錐形状複合品１１４が受ける荷重に耐えるための所望の壁厚１３２を達成するために、複数の平衡レイアップ１６６（図１１）を適用することを含む。上述のように、平衡レイアップ１６６の各々は、外側部分積層板１６０と対になる内側部分積層板１５６を含む。外側部分積層板１６０は、内側部分積層板１５６の鏡像として提供される。複数の平衡レイアップ１６６を有する複合材積層板１５０の場合、この複合材積層板は複数の内側部分積層板１５６を含んでおり、各内側部分積層板１５６は、中央面１６４の、内側部分積層板１５６とは反対側に位置する外側部分積層板１６０と対になっている。上述のように、外側部分積層板１６０の各々は、中央面１６４の反対側に位置する対応する内側部分積層板１５６の疑似等方性のスタック配列１６２の鏡像である疑似等方性の外側スタック配列１６２を有している。

図２０の方法４００のステップ４０８は、一又は複数の平衡レイアップ１６６を用いて一又は複数の全周囲軸方向プライ２５０をレイアップすることを含む。例えば、一又は複数の全周囲軸方向プライ２５０は、内側部分積層板１５６及び外側部分積層板１６０の一方向プライ１８０間に積層される。全周囲軸方向プライ２５０をレイアップするステップは、軸方向プライウェッジ２５４が円錐形状マンドレル３００の周囲に３６０°にわたって延びて全周囲軸方向プライ２５０を形成するように、複数の軸方向プライウェッジ２５４を互いに横並びの関係にレイアップすることにより、図１７に示すような複数のウェッジ突合せ継手２６４を形成することを含む。

軸方向プライウェッジ２５４は、プライパターンＣ（図１８）の寸法形状のような平坦なパターンの寸法形状に形成される。各軸方向プライウェッジ２５４の繊維角度２５２は、円錐形状複合品１１４の長手軸１１６と概ね整列する。全周囲軸方向プライ２５０は、円錐形複合品１１４の軸方向強度及び剛性を増加させる。複数の全周囲軸方向プライ２５０を有する円錐形状複合品１１４に関し、方法は、一か所に複数のウェッジ突合せ継手２６４が存在することを避けるために、全周囲軸方向プライ２５０の各々のウェッジ突合せ継手２６４を、全周囲軸方向プライ２５０の残りのウェッジ突合せ継手２６４から少なくとも０．５０インチだけずらして配置することを含む。

図２０の方法４００のステップ４１０は、複合材積層板１５０を圧密化及び硬化させるために、複合材積層板１５０に熱及び／又は圧力を加えることを含む。例えば、レイアップ後、複合材積層板１５０は、一方向プライ１５０のデバルク及び圧密化のために、真空引きされる。オートクレーブ又はオーブン内部に複合材積層板１５０を配置するなどして、複合材積層板１５０に熱を加えることができる。熱はマトリックス材料の温度を上昇させ、その粘度を低下させるので、隣接し合う一方向プライ１８０中のマトリックス材料が混ざり合う。熱を除去し、複合材積層板１５０が冷却して硬化又は圧密化することにより、最終的な円錐形状複合品１１４が得られる。

図示しないが、本発明は、上述のような固体の複合材積層板ではなく、サンドイッチ複合構造として構成された円錐形状複合品も考慮する。このようなサンドイッチ複合構造は、コアの片側に位置する内側スタック配列を有する少なくとも一つの内側部分積層板と、コアの反対側に位置して、内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層板とを含むことにより、平衡レイアップを提供する。コア材料は、発泡材コア、アルミニウム、アラミドなどからなるハニカムコア、又は他のコア構成及び材料を含むことができる。このようなサンドイッチ複合構造の内側及び外側部分積層板は、上述の開示内容に従って作製される。

ここに開示されるシステム及び方法の大きな利点は、ダーツや重複つなぎを必要とせずに円錐形状複合品１１４を作製できることである。上述のように、円錐の外周の周りを包んで３６０°にわたって連続的に延びるプライパターンを使用することにより、円錐の寸法形状に合致するために必要なダーツが最小化又は排除される。加えて、プライ突合せ継手２０６を使用し、重複つなぎを回避することにより、円錐形状複合品１１４にしわきず又はボイドが生じる可能性が大きく低下する。さらに、円錐形状複合品１１４全体に突合せ継手を使用することで、壁厚１３２が約±１０％以上変化しないプライレイアップが得られ、これにより±１０％超の壁厚変動を有する従来のレイアップに対し、円錐形状複合品１１４の比強度が向上する。上記要因の組み合わせにより、宇宙機１０４（図１）を打上げ用ロケット１００（図１）に連結する円錐状のペイロード接続用結合金具１１２（図１）により伝達される軸方向荷重１０６、曲げ荷重１０８、及びねじり荷重１１０（図１）といった、異なる方向及び大きさの種々の荷重を伝達することのできる、軽量で強度及び剛性の高い円錐形状複合品１１４が得られる。

ここで図２１及び２２を参照する。本発明の実施形態は、図２１に示す航空機の製造及び保守方法５００、及び図２２に示す航空機５０２に照らして説明することができる。製造前の段階では、例示的な方法５００は、航空機５０２の仕様及び設計５０４と、材料調達５０６とを含みうる。製造段階では、航空機５０２のコンポーネント及びサブアセンブリの製造５０８と、システムインテグレーション５１０とが行われる。その後、航空機５０２は認可及び納品５１２を経て運航５１４される。顧客により運航される間に、航空機５０２は定期的な整備及び保守５１６（改造、再構成、改修なども含みうる）を受ける。

方法５００のプロセスの各々は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実施又は実行されうる。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、及び主要システムの下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図２２に示されるように、例示的方法５００によって製造された航空機５０２は、複数のシステム５２０及び内装５２２を有する機体５１８を含むことができる。高レベルのシステム５２０の例には、推進システム５２４、電気システム５２６、油圧システム５２８、及び環境システム５３０のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、本発明の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用しうる。

本明細書に具現化された装置と方法は、製造及び保守方法５００の一又は複数の任意の段階で採用することができる。例えば、製造プロセス５０８に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機５０２の運航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリに類似の方法で作製又は製造される。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの組み合わせは、例えば、航空機５０２の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機５０２のコストを削減することにより、製造段階５０８及び５１０の間に利用することができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの組み合わせのうちの一又は複数を、航空機５０２の運航中に、例えば限定しないが、整備及び保守５１６に利用することができる。

さらに、本明細書は、以下の条項による実施形態を含む。

１． 円錐形状を有する内側部分積層板であって、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列を有する少なくとも四つの一方向プライを含み、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターンを有する内側部分積層板と、
前記内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層板と
を含む円錐形状複合品であって、
一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って連続して円錐形状複合品の周りを３６０°にわたって包み、各一方向プライの対向するプライ端部がプライ継ぎ目で終端する、円錐形状複合品。

２． 前記内側部分積層板及び前記外側部分積層板の各々に含まれる前記四つの一方向プライは、
各々が、第１の繊維角度を有し、且つ互いに時計方向に１８０°ずれたプライ継ぎ目を有する一方向プライの第１の対と、
各々が第１の繊維角度に対して９０°に方向付けられた第２の繊維角度を有する一方向プライの第２の対であって、各一方向プライの継ぎ目が円錐形状複合品の外周上で互いに時計方向に１８０°ずれて位置し、且つ一方向プライの第１の対のプライ継ぎ目に位置合わせされている、一方向プライの第２の対と
を含んでいる、条項１の円錐形状複合品。

３． プライ継ぎ目はプライ突合せ継手を含む、条項１の円錐形状複合品。

４． 内側部分積層板及び外側部分積層板が平衡レイアップを含み、
円錐形状複合品は複数の平衡レイアップを有している、
条項１の円錐形状複合品。

５． 一方向プライのうちの少なくとも一つは、互いに横並びの関係に配置された一方向テープの複数のコースからなっている、条項１の円錐形状複合品。

６． 内側部分積層板及び外側部分積層板を用いて積層された少なくとも一つの全周囲軸方向プライであって、円錐形状複合品の周りに３６０°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジを含む全周囲軸方向プライをさらに含み、
各軸方向プライウェッジの繊維角度は、円錐形状複合品の長手軸とほぼ整列している、
条項１の円錐形状複合品。

７． 一方向プライは予備含浸した複合材プライである、条項１の円錐形状複合品。

８． 予備含浸した複合材プライは、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向炭素繊維を含む、条項７の円錐形状複合品。

９． 一方向プライは、約３０〜７０×１０^６ポンド／平方インチの引張り係数を有する繊維を含む、条項１の円錐形状複合品。

１０． 一方向プライは約５０〜３５０ｇ／平方メートルの気中濃度を有している、条項１の円錐形状複合品。

１１． 一方向プライは少なくとも約０．００２インチのプライ厚を有している、条項１の円錐形状複合品。

１２． 円錐形状を有し、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列を有する四つの一方向プライを含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップを有する内側部分積層板と、
前記内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列を有する外側部分積層板と
を含む円錐形状複合品であって、
一方向プライの各々は、プライの弧長に沿って円錐形状複合品の周りを３６０°にわたって連続して延び、且つプライ継ぎ目で終端する対向するプライ端部を有しており、
円錐形状複合品は、さらに、内側部分積層板及び外側部分積層板を用いて積層された少なくとも一つの全周囲軸方向プライであって、円錐形状複合品の周りに３６０°にわたって延びる、横並びの関係に配置された複数の軸方向プライウェッジを含む全周囲軸方向プライを含み、
各軸方向プライウェッジの繊維角度は、円錐形状複合品の長手軸とほぼ整列している、
円錐形状複合品。

１３． 円錐形状複合品の製造方法であって、
円錐形状マンドレルの周りを３６０°にわたって包むように構成されたフラットパターンにおいて連続する弧形状に一方向プライを提供するステップであって、各一方向プライの対向するプライ端部がプライ継ぎ目で終端する、提供するステップと、
円錐形状マンドレル上に、繊維角度が−４５°、９０°、０°、及び＋４５°である内側スタック配列を有する少なくとも四つの一方向プライを含む内側部分積層板であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップを有する内側部分積層板をレイアップするステップと、
前記内側スタック配列の鏡像である外側スタック配列に外側部分積層板をレイアップするステップと
を含む方法。

１４． 内側部分積層板をレイアップするステップ及び外側部分積層板をレイアップするステップが、
各々が第１の繊維角度を有する一方向プライの第１の対を提供することと、
円錐形状複合品の外周上において、一方向プライの第１の対のプライ継ぎ目を、互いに時計方向に１８０°ずらして配置することと、
各々が、第１の繊維角度に対して９０°に方向付けられた第２の繊維角度を有する一方向プライの第２の対を提供することと、
一方向プライの第２の対のプライ継ぎ目を、互いに時計方向に１８０°ずらし、且つ一方向プライの第１の対のプライ継ぎ目と位置合わせして配置することと
を含む、条項１３の方法。

１５． 一方向プライのうちの少なくとも一つのプライ継ぎ目がプライ突合せ継手を形成するように、一方向プライをレイアップすること
をさらに含む、条項１３の方法。

１６． 円錐形状マンドレル上の継ぎ目位置インデックスマークに弧形状のプライ端部を位置合わせすることにより、一方向プライの各々をレイアップすることと、
弧形状の内径及び外径を、円錐形状マンドレル上の上縁インデックスマーク及び下縁インデックスマークのそれぞれ一つに、垂直方向に位置合わせすることと
をさらに含む、条項１３の方法。

１７． 複数の平衡レイアップをレイアップすることをさらに含み、
平衡レイアップの各々が、内側部分積層板と、前記内側部分積層板の鏡像である外側部分積層板との対を含んでいる、条項１３の方法。

１８． 互いに横並びの関係に配置された一方向テープの複数のコースから一方向プライのうちの少なくとも一つを形成することをさらに含む、条項１３の方法。

１９． 横並びの関係に、且つ円錐形状マンドレルの周りに３６０°にわたって延びるように、複数の軸方向プライウェッジをレイアップすることにより、円錐形状複合品の長手軸とほぼ整列する繊維角度を有する全周囲軸方向プライを形成することをさらに含む、条項１３の方法。

２０． 複数の軸方向プライウェッジをレイアップして複数のウェッジ突合せ継手を形成することと、
全周囲軸方向プライの各々のウェッジ突合せ継手を、全周囲軸方向プライのうちの残りのウェッジ突合せ継手とずらして配置することと
をさらに含む、条項１９の方法。

当業者には、本発明の他の修正例及び改良例が明らかであろう。したがって、本明細書に記載及び例示した部分の具体的な組み合わせは、本発明の特定の実施形態を表しているに過ぎず、本発明の精神及び範囲に含まれる別の実施形態又はデバイスを制限するものではない。

１００ 打上げ用ロケット
１０２ フェアリング
１０４ 宇宙機
１０６ 軸方向荷重
１０８ 曲げ荷重
１１０ ねじり荷重
１１２ ペイロード接続用結合金具
１１４ 円錐形状複合品
１１６ 長手軸
１１８ 上縁
１２０ 上縁直径
１２２ 下縁
１２４ 下縁直径
１２６ 円錐内表面
１２８ 円錐外表面
１３０ 円錐高
１３２ 壁厚
１３４ 外周
１５０ 複合材積層板
１５２ 円錐形状
１５４ 繊維角度
１５６ 内側部分積層板
１５８ 内側スタック配列
１６０ 外側部分積層板
１６２ 外側スタック配列
１６４ 中央面
１６６ 平衡レイアップ
１６８ 疑似等方性レイアップパターン
１８０ 一方向プライ
１８２ 一方向プライの第１の対
１８４ 第1の繊維角度
１８６ 一方向プライの第２の対
１８８ 第２の繊維角度
１９０ 弧長
１９２ 弧形状
１９４ プライパターンの内径
１９６ プライパターンの外径
１９８ プライ幅
２００ プライ端部
２０２ 基準端部
２０４ プライ継ぎ目
２０６ プライ突合せ継手
２０８ ギャップ
２１０ 繊維角度ローゼット
２３０ 一方向テープ
２３２ コース
２３４ テープ幅
２３６ コースの側面
２５０ 全周囲軸方向プライ
２５２ 繊維角度
２５４ 軸方向プライウェッジ
２５６ プライパターンＣの内径
２５８ プライパターンＣの外径
２６０ ウェッジ高さ
２６２ ウェッジ側面
２６４ ウェッジ突合せ継手
２６６ ずれ
２６８ ウェッジ切り込み角度
３００ 円錐形状マンドレル
３０２ マンドレル表面
３０４ 継ぎ目位置インデックスマーク
３０６ 上縁インデックスマーク
３０８ 下縁インデックスマーク

Claims (15)

1. 円錐形状（１５２）を有する内側部分積層板（１５６）であって、繊維角度が０°、９０°、＋４５°、及び−４５°である内側スタック配列（１５８）を有する少なくとも四つの一方向プライ（１８０）を含み、いずれの位置においても疑似等方性レイアップパターン（１６８）を有する内側部分積層板（１５６）と、
   前記内側スタック配列（１５８）の鏡像である外側スタック配列（１６２）を有する外側部分積層板（１６０）と
   を含む円錐形状複合品（１１４）であって、
   前記一方向プライ（１８０）の各々が、プライの弧長（１９０）に沿って連続して前記円錐形状複合品（１１４）の周りを３６０°にわたって包み、各一方向プライ（１８０）の対向するプライ端部（２００）がプライ継ぎ目（２０４）で終端している、前記円錐形状複合品。
2. 前記内側部分積層板（１５６）及び前記外側部分積層板（１６０）の各々に含まれる前記四つの一方向プライ（１８０）は、
   各々が、第１の繊維角度（１８４）を有し、且つ互いに時計方向に１８０°ずれたプライ継ぎ目（２０４）を有する一方向プライの第１の対（１８２）と、
   各々が第１の繊維角度（１８４）に対して９０°に方向付けられた第２の繊維角度（１８８）を有する一方向プライの第２の対（１８６）であって、各一方向プライのプライ継ぎ目（２０４）が、前記円錐形状複合品（１１４）の外周（１３４）上で互いに時計方向に１８０°ずれて位置し、且つ前記一方向プライの第１の対（１８２）の前記プライ継ぎ目（２０４）に位置合わせされている、一方向プライの第２の対（１８６）と
   を含んでいる、請求項１に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
3. 前記プライ継ぎ目（２０４）はプライ突合せ継手（２０６）を含む、前記１又は２に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
4. 前記内側部分積層板（１５６）及び前記外側部分積層板（１６０）は平衡レイアップ（１６６）を含み、
   前記円錐形状複合品（１１４）は複数の前記平衡レイアップ（１６６）を有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
5. 前記一方向プライ（１８０）のうちの少なくとも一つは、互いに横並びの関係に配置された一方向テープ（２３０）の複数のコース（２３２）からなっている、請求項１から４のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
6. 前記内側部分積層板（１５６）及び前記外側部分積層板（１６０）を用いて積層された少なくとも一つの全周囲軸方向プライ（２５０）であって、前記円錐形状複合品（１１４）の周りに３６０°にわたって延びる複数の軸方向プライウェッジ（２５４）を含む全周囲軸方向プライ（２５０）をさらに含み、
   各軸方向プライウェッジ（２５４）の繊維角度（２５２）は前記円錐形状複合品（１１４）の長手軸（１１６）と概ね整列している、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
7. 前記一方向プライ（１８０）は予備含浸した複合材プライであり、
   前記予備含浸した複合材プライは、ポリマーマトリックス材料を予備含浸した一方向炭素繊維を含む、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
8. 前記一方向プライ（１８０）は、
   約３０〜７０×１０^６ポンド／平方インチの引張り応力を有する繊維を含み、
   約５０〜３５０グラム／平方メートルの気中濃度を有し、且つ
   少なくとも約０．００２インチのプライ厚を有している、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の前記円錐形状複合品（１１４）。
9. 円錐形状複合品（１１４）の製造方法であって、
   各一方向プライ（１８０）の対向するプライ端部（２００）がプライ継ぎ目（２０４）で終端するように、円錐形状マンドレル（３００）の周りを３６０°にわたって包むように構成された平坦なパターンにおいて連続する弧形状（１９２）に、一方向プライを提供するステップと、
   前記円錐形状マンドレル（３００）上に、繊維角度が−４５°、９０°、０°、＋４５°である内側スタック配列（１５８）を有する前記一方向プライ（１８０）を少なくとも四つ含む内側部分積層板（１５６）であって、いずれの位置においても疑似等方性レイアップ（１６８）を有する前記内側部分積層板（１５６）をレイアップするステップと、
   前記内側スタック配列（１５８）の鏡像である外側スタック配列（１６２）に外側部分積層板（１６０）をレイアップするステップと
   を含む方法。
10. 前記内側部分積層板（１５６）をレイアップするステップ及び前記外側部分積層板（１６０）をレイアップするステップが、
    各々が第１の繊維角度（１８４）を有する一方向プライの第１の対（１８２）を提供することと、
    前記一方向プライの第１の対（１８２）の前記プライ継ぎ目（２０４）を、前記円錐形状複合品（１１４）の外周（１３４）上において、互いに時計方向に１８０°ずらして配置することと、
    各々が前記第１の繊維角度（１８４）に対して９０°に方向付けられた第２の繊維角度（１８８）を有する一方向プライの第２の対（１８６）を提供することと、
    前記一方向プライの第２の対（１８６）の前記プライ継ぎ目（２０４）を、互いに時計方向に１８０°ずらして、且つ前記一方向プライの第１の対（１８２）の前記プライ継ぎ目（２０４）と位置合わせして配置することと
    を含む、請求項９に記載の前記方法。
11. 前記一方向プライ（１８０）のうちの少なくとも一つの前記プライ継ぎ目（２０４）がプライ突合せ継手（２０６）を形成するように、前記一方向プライ（１８０）をレイアップすることをさらに含む請求項９又は１０に記載の前記方法。
12. 前記弧形状（１９２）のプライ端部を前記円錐形状マンドレル（３００）上の継ぎ目位置インデックスマーク（３０４）と位置合わせすることにより、前記一方向プライ（１８０）の各々をレイアップすることと、
    前記弧形状（１９２）の内径（１９４）及び外径（１９６）を、前記円錐形状マンドレル（３００）上の上縁インデックスマーク（３０６）及び下縁インデックスマーク（３０８）のそれぞれ一つに、垂直方向に位置合わせすることと
    をさらに含む請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 複数の平衡レイアップ（１６６）をレイアップすることをさらに含み、
    前記平衡レイアップ（１６６）の各々は、内側部分積層板（１５６）と、前記内側部分積層板（１５６）の鏡像である外側部分積層板（１６０）との対を含む、
    請求項９から１２のいずれか一項に記載の前記方法。
14. 互いに横並びの関係に配置された一方向テープ（２３０）の複数のコースから、前記一方向プライ（１８０）のうちの少なくとも一つを形成することをさらに含む請求項９から１３のいずれか一項に記載の前記方法。
15. 横並びの関係に、且つ前記円錐形状マンドレル（３００）の周りに３６０°にわたって延びるように、複数の軸方向プライウェッジ（２５４）をレイアップすることにより、前記円錐形状複合品（１１４）の長手軸（１１６）と概ね整列する繊維角度を有する全周囲軸方向プライ（２５０）を形成することと、
    前記複数の軸方向プライウェッジ（２５４）をレイアップして複数のウェッジ突合せ継手（２６４）を形成することと、
    前記全周囲軸方向プライ（２５０）の各々の前記ウェッジ突合せ継手（２６４）を、前記全周囲軸方向プライ（２５０）のうちの残りの前記ウェッジ突合せ継手（２６４）とずらして配置することと
    をさらに含む請求項９ないし１４のいずれか一項に記載の前記方法。

Images