JP6854045B2

JP6854045B2 - 継手構造の製造方法

Info

Publication number: JP6854045B2
Application number: JP2017185952A
Authority: JP
Inventors: 拓史杉山; 良輔橋爪
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP2019060420A

Description

本発明は、継手構造の製造方法に関するものである。

航空機の機体を形成する胴体、主翼等の航空機部品は、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）によって製作される場合があり、ＣＦＲＰは、金属に比べて、低密度で高強度であるという特徴がある。

ＣＦＲＰは、樹脂を含浸させた炭素繊維シートであるプリプレグを複数層に積層して所望の厚さに形成される。プリプレグは、一般的に１枚0.2mm程度の厚さである。ＣＦＲＰは、同一厚さの板材で比較した場合、上述した一般的なプリプレグよりも厚さの薄いプリプレグを積層したものの方が、一般的なプリプレグを積層したものよりも強度が高いことが知られている。

下記の特許文献１には、複合プライ（層）のラミネートの自由端において生じる剥離を防止するため、0.08mm以下の厚さの薄肉プライを用いてラミネートを構築する技術が開示されている。

特表２００８−５１４４５８号公報

航空機部品において、複数の板材を接合してより広い板面を形成する場合、ボルトやリベット等の締結用部材を複数の板材に貫通させて、締結用部材が複数の板材を挟み込んで複数の板材同士を固定する。複数の板材の面内方向に引張り力が作用した場合、ボルトやリベット等の締結用部材には、板材によってせん断力が発生する。このとき、板材に形成された貫通孔の内面は、反作用によって締結用部材から押圧される。

板材がＣＦＲＰ製である場合、貫通孔の内面に作用する押圧力によって、板材の各プライが剥離して板厚方向に開き、破損する恐れがある。そのため、板材がＣＦＲＰ製である場合、板材の強度を確保するため、板厚を金属製の板材よりも厚くする必要がある。したがって、締結用部材によって複数の板材が接合される継手部においては、金属製の板材をＣＦＲＰ製の板材に置き換えた場合の重量軽減効果が少ないという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、板材の面内方向に引張り力が作用し、板材の貫通孔の内面に締結用部材から押圧力を受けた場合において、板材の貫通孔の表面側において破損を生じにくくさせることが可能な継手構造の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の継手構造の製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る継手構造の製造方法は、貫通穴が形成された複数の板材と、前記複数の板材が重ねられ、前記複数の板材の各前記貫通穴に貫通して設置された締結用部材とを有し、前記締結用部材によって前記複数の板材が接合された継手構造の製造方法であって、炭素繊維を含む複数の第１プリプレグを積層して第１群とし、前記第１群の前記第１プリプレグよりも厚さが薄く炭素繊維を含む複数の第２プリプレグを積層して第２群とし、前記第１板材の前記第２群を、前記第１板材と接する第２板材側の表面側に配置する。

この構成によれば、継手構造は、複数の板材が重ねられ、板材に形成された貫通穴に締結用部材が貫通して設置されることによって、複数の板材が締結用部材によって接合されたものである。複数の板材のうち少なくとも１枚の第１板材は、複数のプリプレグが積層された炭素繊維強化プラスチック製であり、第１板材は、複数の第１プリプレグが積層された第１群と、第１群の第１プリプレグよりも厚さの薄い複数の第２プリプレグが積層された第２群とを有し、第１群と第２群が板厚方向に配置される。第１板材の第２群が、第１板材と接する第２板材側の表面側に配置されることから、第１板材の面内方向に引張り力が作用し、第１板材の貫通孔の内面に押圧力が生じた場合でも、第１板材の表面側において破損が生じにくい。

上記一態様において、前記第２群の板厚は、前記第１板材の中心から一面側における前記第１群と前記第２群の合計板厚のうち２０％以上の割合に設定されてもよい。

上記一態様において、前記第２群の板厚は、前記第１板材の中心から一面側における前記第１群と前記第２群の合計板厚のうち４０％以上の割合に設定されてもよい。

上記一態様において、前記第２群の板厚は、前記第１板材の中心から一面側における前記第１群と前記第２群の合計板厚のうち６０％以下の割合に設定されてもよい。

上記一態様において、繊維の主軸方向の変更が繰り返される前記第１プリプレグの１回の繰り返し単位を１サイクルとするとき、前記第２プリプレグを、前記第１プリプレグの前記１サイクルの１倍又は２倍の板厚分で積層して前記第２群とする構成されてもよい。

本発明によれば、板材の面内方向に引張り力が作用し、板材の貫通孔の内面に締結用部材から押圧力を受けた場合において、板材の貫通孔の表面側において破損を生じにくくさせることができる。

本発明の一実施形態に係る継手構造を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る継手構造を示す平面図である。比較例に係る継手構造の構成を示す概略図である。本発明の一実施形態の第１実施例に係る継手構造の構成を示す概略図である。本発明の一実施形態の第２実施例に係る継手構造の構成を示す概略図である。板材の面圧強度と、比較例の第１プリプレグに対して置き換えられた第２プリプレグの割合との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る継手構造の第１変形例を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る継手構造の第２変形例を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る継手構造の第３変形例を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る継手構造の第４変形例を示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る継手構造１について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施形態に係る継手構造１は、ＣＦＲＰ板２と、複数の金属板３と、ＣＦＲＰ板２及び金属板３を一体的に固定するボルト４及びナット５などを備える。

ＣＦＲＰ板２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の板材であり、金属板３は、例えば、アルミニウム合金製の板材である。なお、本実施形態において、ＣＦＲＰ板２は、本発明の第１板材の一例であり、金属板３は、本発明の第２板材の一例である。
ＣＦＲＰ板２と金属板３には、それぞれボルト４の軸部が貫通して設置される貫通孔２Ａ，３Ａが形成されている。なお、本実施形態では、締結用部材の一例として、ボルト４及びナット５の例について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、締結用部材は、リベットでもよい。

継手構造１は、図２に示すように、例えば、１枚のＣＦＲＰ板２と、ＣＦＲＰ板２の両面にそれぞれ１枚ずつ配置される２枚の金属板３とが、ボルト４及びナット５によって接合されたものである。

ＣＦＲＰ板２は、複数のプリプレグが積層されて生成されたＣＦＲＰ製である。ＣＦＲＰ板２のプリプレグにおける繊維の主軸方向は、一方向に対して４５°、９０°、−４５°又は０°であり、プリプレグの繊維の主軸方向が、層ごとに変化するように、複数のプリプレグが積層される。複数のプリプレグは、例えば、繊維の主軸方向が４５°、９０°、−４５°、０°の順となるように積層される。

ＣＦＲＰ板２は、繊維の主軸方向が４５°、９０°、−４５°、０°の順に積層された４層のプリプレグを１サイクルとしたとき、複数のサイクルから構成される。すなわち、１サイクルとは、繊維の主軸方向の変更が繰り返されるプリプレグの１回の繰り返し単位である。

なお、ＣＦＲＰ板２は、板厚方向の中央を中心として、板厚方向に対称となる構造を有することが好ましい。すなわち、中心に対して一面側において、中心から一面側の表面へ向けて、各プリプレグの繊維の主軸方向が０°、−４５°、９０°、４５°の順に繰り返し積層される場合、中心に対して他面側においても、中心から他面側の表面へ向けて、各プリプレグの繊維の主軸方向が０°、−４５°、９０°、４５°の順に積層される。

ＣＦＲＰ板２は、図１に示すように、複数の第１プリプレグが積層された第１群６と、第１群６の第１プリプレグよりも厚さの薄い複数の第２プリプレグが積層された第２群７を有する。また、ＣＦＲＰ板２の第２群７は、ＣＦＲＰ板２と接する金属板３側の表面側に配置される。

第１群６は、例えば、板厚が例えば0.2mmである第１プリプレグが積層される。第２群７は、例えば板厚が例えば0.08mm未満である第２プリプレグが積層される。厚さの薄い複数の第２プリプレグが積層された第２群７は、第１群６よりも強度が高い。

本実施形態では、ＣＦＲＰ板２において、厚さの薄い複数の第２プリプレグが積層された第２群７が、ＣＦＲＰ板２と接する金属板３側の表面側に配置されることから、ＣＦＲＰ板２の面内方向に引張り力が作用し、ＣＦＲＰ板２の貫通孔２Ａの内面にボルト４によって押圧力が生じた場合でも、ＣＦＲＰ板２の表面側において破損が生じにくい。

従来、ボルトやリベット等の締結用部材を用いて、複数の板材を接合した継手構造において、板材がＣＦＲＰ製である場合、貫通孔の内面に作用する押圧力によって、板材の各プリプレグが剥離して板厚方向に開き、破損する恐れがあることが知られている。これに対し、発明者らは、板材に形成された貫通孔の内面は、ボルトによって、高さ方向中央側よりも特に表面側において接触面圧が高くなり、圧縮ひずみが大きくなるという知見を得た。これは、解析モデルに対するシミュレーション結果や、実際の引っ張り試験による破損部分の観察結果によって、貫通孔の内面において高さ方向中央側よりも表面側において破損が大きいことが確認されたことに基づいて得られた知見である。

厚さの薄い複数の第２プリプレグが積層された第２群７は、第１群６よりも強度が高い。そして、接触面圧が高くなり、圧縮ひずみが大きくなる貫通孔の内面の表面側において第２群７が配置されることから、第１群６のみで構成された従来の継手構造に比べて、貫通孔の内面の表面側におけるプリプレグの剥離が生じにくくなる。

本実施形態では、ＣＦＲＰ板２のすべてのプリプレグを、厚さの薄い複数の第２プリプレグが積層された第２群７で構成するのではなく、剥離の起点となる表面側のみを第２群７で構成し、中央側は、例えば従来の厚さの複数の第１プリプレグが積層された第１群６で構成する。

したがって、ＣＦＲＰ製の板材のすべてのプリプレグを第２群７で構成する場合に比べて、第２プリプレグの積層数を低減できるため、第２プリプレグを利用した場合のデメリットである製造コストの上昇を抑制できる。また、ＣＦＲＰ製の板材のすべてのプリプレグを第１群６で構成する場合に比べて、ボルト４等の締結部材による貫通孔２Ａ内面の剥離を防ぎ、継手構造の強度を確実に向上させる。

また、本実施形態は、板材のすべてのプリプレグを第１群６で構成する場合に比べて強度が向上することから、本実施形態に係る継手構造において、従来と同程度の強度を確保できればよい場合、ＣＦＲＰ板２の板厚を低減することができる。したがって、本実施形態に係る継手構造は、重量軽減に貢献できる。

次に、面圧強度試験を行った本発明に係る実施例と比較例について説明する。
比較例は、板厚が0.2mmである第１プリプレグが積層された第１群６のみから構成される板材である。比較例は、図３に示すように、繊維の主軸方向が４５°、９０°、−４５°、０°の順に積層された４層のプリプレグを１サイクルとし、板厚方向の中心に対し一面側に５つのサイクル（合計２０層）、他面側に５つのサイクル（合計２０層）が積層される。

これに対し、図４に示すように、本発明の第１実施例に係るＣＦＲＰ板２は、板厚が0.2mmである第１プリプレグが積層された第１群６と、板厚が0.05mmである第２プリプレグが積層された第２群７を有する。第２群７は、第１群６の１つのサイクルの板厚分で構成されたものであり、第１実施例は、比較例と比べると、比較例の第１群６の表面側の１つのサイクルを置き換えたものである。比較例の１つのサイクルの板厚は、0.2mm×４層＝0.8mmであり、これを置き換えた第１実施例の第２群７の板厚も、0.05mm×１６層＝0.8mmである。第１実施例の第１群６は、板厚方向の中心に対し一面側に４つのサイクル（合計１６層）が積層される。第１実施例も、板厚方向の中心に対し一面側と他面側が対称に構成される。したがって、第１実施例は、一面側において、１６層の第１プリプレグが積層された第１群６と、１６層の第２プリプレグが積層された第２群７とを有し、他面側においても、１６層の第１プリプレグが積層された第１群６と、１６層の第２プリプレグが積層された第２群７とを有する。

図５に示すように、本発明の第２実施例に係るＣＦＲＰ板２は、第１実施例と同様に、板厚が0.2mmである第１プリプレグが積層された第１群６と、板厚が0.05mmである第２プリプレグが積層された第２群７を有する。第２群７は、第１群６の２つのサイクルの板厚分で構成されたものであり、第２実施例は、比較例と比べると、比較例の第１群６の表面側の２つのサイクルを置き換えたものである。比較例の２つのサイクルの板厚は、0.2mm×８層＝1.6mmであり、これを置き換えた第２実施例の第２群７の板厚も、0.05mm×３２層＝1.6mmである。第２実施例の第１群６は、板厚方向の中心に対し一面側に３つのサイクル（合計１２層）が積層される。第２実施例も、板厚方向の中心に対し一面側と他面側が対称に構成される。したがって、第２実施例は、一面側において、１２層の第１プリプレグが積層された第１群６と、３２層の第２プリプレグが積層された第２群７とを有し、他面側においても、１２層の第１プリプレグが積層された第１群６と、３２層の第２プリプレグが積層された第２群７とを有する。

図６には、板材の面圧強度と、比較例の第１プリプレグに対して置き換えられた第２プリプレグの割合との関係を示す。なお、各プロットは、供試体数＝３の平均値である。

第１実施例は、比較例の一面側における第１プリプレグの２０層のうち４層分が第２プリプレグに置き換えられていることから、第２プリプレグの割合は合計板厚のうち２０％である。また、第２実施例は、比較例の一面側における第１プリプレグの２０層のうち８層分が第２プリプレグに置き換えられていることから、第２プリプレグの割合は合計板厚のうち４０％である。

図６のグラフによると、本実施形態（第１実施例、第２実施例）は、板材のすべてのプリプレグを第１群６で構成する場合（比較例）に比べて強度が向上することが分かる。また、第１実施例と第２実施例の強度の向上割合（＝グラフの傾き）は、比較例と第１実施例の強度の向上割合に比べて低い。したがって、板厚の薄い第２プリプレグの割合を４０％以上増加させたとしても、強度の向上はあまり見込まれないことが推測される。したがって、第２プリプレグが積層された第２群７は、表面側に積層することが効果的であるといえる。

以上より、第２プリプレグが積層された第２群７の製造にかかるコストや、強度向上の見込みに鑑みると、第２プリプレグの割合は、合計板厚の６０％以下であることが好ましい。また、第２プリプレグの割合が合計板厚の２０％以上、又は、４０％以上であることが好ましい。第２プリプレグの割合が２０％であれば（上記第１実施例の場合）、比較例に比べて強度が４％向上し、第２プリプレグの割合が４０％であれば（上記第２実施例の場合）、比較例に比べて強度が６％向上する。

なお、上記実施形態において、継手構造１は、図１に示すように、１枚のＣＦＲＰ板２と、ＣＦＲＰ板２の両面にそれぞれ１枚ずつ配置される２枚の金属板３とが、ボルト４及びナット５によって接合されたものである場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。

例えば、図７に示すように、２枚のＣＦＲＰ板２が、ボルト４及びナット５によって接合されたものでもよい。この場合、ＣＦＲＰ板２同士の接触面側において、ボルト４によって貫通孔２Ａの内面にかかる押圧力が高いことから、ＣＦＲＰ板２の第２群７は、隣接するＣＦＲＰ板２と接する表面側に配置され、２枚のＣＦＲＰ板２のそれぞれの第２群７が互いに接するように配置される。この場合、２枚のうち１枚のＣＦＲＰ板２に着目して、その１枚のＣＦＲＰ板２が本発明の第１板材であるとすると、隣接するＣＦＲＰ板２が本発明の第２板材である。

また、図８に示すように、ＣＦＲＰ製の３枚のＣＦＲＰ板２が、ボルト４及びナット５によって接合されたものでもよい。この場合も、ＣＦＲＰ板２同士の接触面側において、ボルト４によって貫通孔２Ａの内面にかかる押圧力が高いことから、ＣＦＲＰ板２の第２群７は、隣接するＣＦＲＰ板２と接する表面側に配置され、２枚のＣＦＲＰ板２のそれぞれの第２群７が互いに接するように配置される。この場合、３枚のうち１枚のＣＦＲＰ板２に着目して、その１枚のＣＦＲＰ板２が本発明の第１板材であるとすると、隣接するＣＦＲＰ板２が本発明の第２板材である。

さらに、図９に示すように、ＣＦＲＰ製の１枚のＣＦＲＰ板２と、アルミニウム合金製の１枚の金属板３が、ボルト４及びナット５によって接合されたものでもよい。この場合、ＣＦＲＰ板２が金属板３と接触する面側において、ボルト４によって貫通孔２Ａの内面にかかる押圧力が高いことから、ＣＦＲＰ板２の第２群７は、隣接する金属板３と接する表面側に配置される。この場合、ＣＦＲＰ板２が本発明の第１板材であり、隣接する金属板３が本発明の第２板材である。

またさらに、図１０に示すように、中央に配置されたＣＦＲＰ製の１枚のＣＦＲＰ板２と、１枚のＣＦＲＰ板２を挟んで、一面側に配置されたアルミニウム合金製の１枚の金属板３と、他面側に配置された１枚のＣＦＲＰ板２が、ボルト４及びナット５によって接合されたものでもよい。この場合、中央に配置されたＣＦＲＰ板２は、一面側の金属板３と接触する面側、及び、他面側のＣＦＲＰ板２と接触する面側において、ボルト４によって貫通孔２Ａの内面にかかる押圧力が高いことから、ＣＦＲＰ板２の第２群７は、隣接する金属板３と接する表面側と、隣接するＣＦＲＰ板２と接する表面側に配置される。中央に配置されたＣＦＲＰ板２の他面側に配置されたＣＦＲＰ板２は、一面側のＣＦＲＰ板２と接触する面側において、ボルト４によって貫通孔２Ａの内面にかかる押圧力が高いことから、ＣＦＲＰ板２の第２群７は、隣接するＣＦＲＰ板２と接する表面側に配置される。この場合、２枚のＣＦＲＰ板２のうち中央に配置された１枚のＣＦＲＰ板２に着目して、その１枚のＣＦＲＰ板２が本発明の第１板材であるとすると、隣接するＣＦＲＰ板２及び金属板３が本発明の第２板材である。また、２枚のＣＦＲＰ板２のうち一面に配置された１枚のＣＦＲＰ板２に着目して、その１枚のＣＦＲＰ板２が本発明の第１板材であるとすると、中央に配置されたＣＦＲＰ板２が本発明の第２板材である。

上記変形例の場合においても、接触面圧が高くなり、圧縮ひずみが大きくなる貫通孔２Ａの内面の表面側において第２群７が配置されることから、第１群６のみで構成された従来の継手構造に比べて、貫通孔２Ａの内面の表面側におけるプリプレグの剥離が生じにくくなる。

１：継手構造
２：ＣＦＲＰ板
２Ａ：貫通孔
３：金属板
３Ａ：貫通孔
４：ボルト
５：ナット
６：第１群
７：第２群

Claims

貫通穴が形成された複数の板材と、前記複数の板材が重ねられ、前記複数の板材の各前記貫通穴に貫通して設置された締結用部材と、を有し、前記締結用部材によって前記複数の板材が接合された継手構造の製造方法であって、
炭素繊維を含む複数の第１プリプレグを積層して第１群とし、前記第１群の前記第１プリプレグよりも厚さが薄く炭素繊維を含む複数の第２プリプレグを積層して第２群とし、前記第１群と前記第２群とを有する第１板材を生成し、
前記第１板材の前記第２群を、前記第１板材と接する第２板材側の表面側に配置する継手構造の製造方法。
前記第２群の板厚は、前記第１板材の中心から一面側における前記第１群と前記第２群の合計板厚のうち２０％以上の割合に設定されている請求項１に記載の継手構造の製造方法。
前記第２群の板厚は、前記第１板材の中心から一面側における前記第１群と前記第２群の合計板厚のうち４０％以上の割合に設定されている請求項１に記載の継手構造の製造方法。
前記第２群の板厚は、前記第１板材の中心から一面側における前記第１群と前記第２群の合計板厚のうち６０％以下の割合に設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載の継手構造の製造方法。
繊維の主軸方向の変更が繰り返される前記第１プリプレグの１回の繰り返し単位を１サイクルとするとき、前記第２プリプレグを、前記第１プリプレグの前記１サイクルの１倍又は２倍の板厚分で積層して前記第２群とする請求項１に記載の継手構造の製造方法。