復(fù)合材料構(gòu)造體、具有該復(fù)合材料構(gòu)造體的航空機機翼及航空機機身、以及復(fù)合材料構(gòu)造 ...的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于，提供一種可抑制強度降低且重量輕的復(fù)合材料構(gòu)造體。一種復(fù)合材料構(gòu)造體，其采用向一個方向延伸并且多個孔(5)在一個方向上間隔排列形成的纖維增強塑料制復(fù)合材料，并且在一個方向上承受拉伸負荷及/或壓縮負荷，其特征在于，孔(5)的周圍區(qū)域(3a)含有第1區(qū)域(10)，該第1區(qū)域(10)形成為，利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料以所述復(fù)合材料的寬度W的中心線穿過相鄰的孔(5)與孔(5)之間的方式彎曲并向一個方向曲折，孔(5)的周圍區(qū)域(3a)在一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性小于包圍該周圍區(qū)域(3a)的其他區(qū)域(3b)在一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性。
【專利說明】
復(fù)合材料構(gòu)造體、具有該復(fù)合材料構(gòu)造體的航空機機翼及航空機機身、以及復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料構(gòu)造體、具有該復(fù)合材料構(gòu)造體的航空機機翼及航空機機身、以及復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法。本發(fā)明尤其以向一個方向排列形成的具有多個孔的復(fù)合材料構(gòu)造體為對象。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空機、船舶、車輛等領(lǐng)域中，作為具有高強度且輕量化的構(gòu)造體，廣泛使用著纖維增強塑料(FRP:Fiber Reinforced Plastics)制的復(fù)合材料(專利文獻I)。與金屬相比，復(fù)合材料的優(yōu)點在于“重量輕且硬度高”。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻I:日本專利特開2013-180627號公報(權(quán)利要求1、權(quán)利要求3)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明要解決的問題
[0007]為了進行檢查或用于組裝時的出入，有時會在此種復(fù)合材料上形成孔。形成有孔時，會在孔的周圍區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中。使用金屬時，應(yīng)力集中部即使到達屈服應(yīng)力也不會立即斷裂，而會隨著塑性變形最終導致?lián)p壞。根據(jù)一般的設(shè)計，例如具有孔的平板時，利用將負荷除以除孔以外的剖面積后獲得的凈應(yīng)力評估靜態(tài)強度。另一方面，復(fù)合材料的塑性變形少于金屬，因此對于應(yīng)力集中(孔、缺口)的靈敏度高，靜態(tài)強度評估時也必須考慮應(yīng)力集中。其結(jié)果是，會通過增加孔周圍的板厚來進行增強，有時會失去“重量輕且硬度高”的優(yōu)點。
[0008]為了解決上述課題，專利文獻I中提出，使孔的周圍區(qū)域在一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性小于包圍該周圍區(qū)域的其他區(qū)域在一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性，緩和對孔的周圍區(qū)域施加的應(yīng)力集中，減少增強。專利文獻I中，將其他區(qū)域的纖維取向設(shè)為O。，將孔的周圍區(qū)域的纖維取向設(shè)為45°或-45°。
[0009]專利文獻I中，其他區(qū)域與周圍區(qū)域鄰接，使纖維取向不同的2種復(fù)合材料(周圍區(qū)域和其他區(qū)域)對接時，對接的界限部分(鄰接部分)的纖維并不連續(xù)，作為基材的樹脂會傳遞負荷，因此有時會成為使復(fù)合材料構(gòu)造體的強度降低的主要原因。
[0010]專利文獻I中記載的航空機的主翼等上，會向孔的排列方向施加主負荷，但有時也會同時施加剪切負荷。專利文獻I中，在夾住周圍區(qū)域的兩側(cè)鄰接著纖維取向與周圍區(qū)域不同的其他區(qū)域，因此可能會成為在與主負荷方向正交的方向上出現(xiàn)強度降低的主要原因。纖維不連續(xù)且纖維取向出現(xiàn)切換的界限存在于與孔的主負荷方向正交的直徑的延長線上時，強度降低的風險會增高。
[0011]本發(fā)明鑒于上述情況開發(fā)而成，其目的在于提供一種可抑制強度降低且重量輕的復(fù)合材料構(gòu)造體。
[0012]技術(shù)方案
[0013]為了解決上述課題，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料構(gòu)造體，其采用向一個方向延伸并且多個孔在所述一個方向上間隔排列而形成的纖維增強塑料制復(fù)合材料，并在所述一個方向上承受拉伸負荷及/或壓縮負荷，其特征在于，所述孔的周圍區(qū)域含有第I區(qū)域，該第I區(qū)域形成為，利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料以所述復(fù)合材料的寬度W的中心線穿過相鄰的孔與孔之間的方式彎曲，并向所述一個方向曲折，所述周圍區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性小于包圍該周圍區(qū)域的其他區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性。
[0014]孔的周圍區(qū)域的一個方向上的拉伸剛性小于包圍孔的周圍區(qū)域的其他區(qū)域的一個方向上的拉伸剛性，因此拉伸負荷主要由其他區(qū)域承擔。因此，對孔的周圍區(qū)域施加的拉伸負荷相對較小，因此對孔的周圍區(qū)域施加的應(yīng)力集中會得到緩和。因此，與對孔的周圍區(qū)域施加與其他區(qū)域等同的拉伸剛性時相比，能夠減少孔的周圍區(qū)域的增強。
[0015]孔的周圍區(qū)域的一個方向上的壓縮剛性小于包圍孔的周圍區(qū)域的其他區(qū)域的一個方向上的壓縮剛性時，壓縮負荷主要由其他區(qū)域承擔。因此，對孔的周圍區(qū)域施加的壓縮負荷相對較小，因此對孔的周圍區(qū)域施加的應(yīng)力集中會得到緩和。因此，與對孔的周圍區(qū)域施加與其他區(qū)域等同的壓縮剛性時相比，能夠減少孔的周圍區(qū)域的增強。
[0016]對復(fù)合材料構(gòu)造體施加拉伸負荷和壓縮負荷時(即施加彎曲負荷時)，優(yōu)選使孔的周圍區(qū)域的一個方向上的拉伸剛性和壓縮剛性小于其他區(qū)域的一個方向上的拉伸剛性和壓縮剛性，拉伸負荷和壓縮負荷主要由其他區(qū)域承擔。
[0017]周圍區(qū)域含有第I區(qū)域，該第I區(qū)域由利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料(復(fù)合材料A)構(gòu)成。通過使復(fù)合材料A彎曲，能夠使纖維的方向朝向不同的方向。通過改變纖維的方向進行配置，能夠使復(fù)合材料構(gòu)造體的強度和剛性發(fā)生變化。在復(fù)合材料A配置成纖維向一個方向傾斜的區(qū)域中，一個方向上的拉伸剛性和壓縮剛性小于其他區(qū)域的一個方向上的拉伸剛性和壓縮剛性。此外，在復(fù)合材料A配置成纖維朝向一個方向時，纖維取向與其他區(qū)域一致，因此能夠排除在周圍區(qū)域與其他區(qū)域的界限發(fā)生強度降低的風險。
[0018]即使復(fù)合材料A彎曲，也能夠維持纖維連續(xù)的狀態(tài)。由于纖維連續(xù)，所以與使用短纖維時相比，能夠提高一個方向上的強度。本發(fā)明中纖維連續(xù)，因此在第I區(qū)域內(nèi)的纖維取向進行切換的部分，不會出現(xiàn)纖維的間隙。因此，可形成精度高于以往的復(fù)合材料構(gòu)造體。
[0019]通過以穿過孔之間的方式曲折復(fù)合材料A，能夠跨越多個孔地配置一片復(fù)合材料A，因此能夠高效率地制造復(fù)合材料構(gòu)造體。復(fù)合材料A也能夠通過機械進行配置。
[0020]上述發(fā)明的一實施方式中，所述第I區(qū)域含有傾斜部，該傾斜部在將所述一個方向設(shè)為0°時，所述連續(xù)纖維朝向±30°以上±60°以下、優(yōu)選為±45°的方向，所述傾斜部優(yōu)選配置在相鄰的孔與孔之間。
[0021 ]通過將傾斜部配置在孔與孔之間，能夠?qū)崿F(xiàn)0°方向(一個方向)上的拉伸剛性降低且容許拉伸方向(及/或壓縮方向)上的伸長的區(qū)域。由于在傾斜部中，纖維朝向± 30°以上±60°以下的方向、優(yōu)選為±45°方向，所以剪切方向(與一個方向正交的方向、即±90°方向)的強度會增大，并且能夠提高扭轉(zhuǎn)剛性。
[0022]上述發(fā)明的一實施方式中，所述第I區(qū)域含有所述連續(xù)纖維配置為朝向0°方向的平行部，所述平行部可配置在所述第I區(qū)域中至少含有朝向所述孔的±90°方向的直徑的延長線的位置，并與所述孔相接。
[0023]通過在朝向孔的±90°方向的直徑的延長線上設(shè)置平行部，并使其與孔相接，能夠不降低容易破裂的部位的強度，緩和對孔的周圍區(qū)域施加的應(yīng)力集中。因此，可形成實體強度大的復(fù)合材料構(gòu)造體。
[0024]上述發(fā)明的一實施方式中，所述平行部優(yōu)選配置在與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中包含所述第I區(qū)域的外緣的位置。
[0025]位于與孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中的第I區(qū)域的外緣是指，位于與其他區(qū)域的界限的周圍區(qū)域。復(fù)合材料A以復(fù)合材料A的寬度W的中心線穿過孔與孔之間的方式曲折形成。以孔的0°方向的直徑為軸進行觀察時，對于一個孔來說位于一側(cè)的復(fù)合材料A對于下一個孔來說，位于另一側(cè)。通過在與其他區(qū)域的界限配置平行部，能夠使周圍區(qū)域的纖維的方向與鄰接的其他區(qū)域的纖維的方向一致。因此，能夠抑制在周圍區(qū)域與其他區(qū)域的連接部出現(xiàn)±90°方向上的強度降低。
[0026]上述發(fā)明的一實施方式中，I個所述傾斜部的連續(xù)纖維的方向與下一個傾斜部的連續(xù)纖維的方向正交時，所述寬度W可定義為相鄰的孔的中心間距離L的I/V 2以下。
[0027]復(fù)合材料A在孔與孔之間曲折形成，因此一個傾斜部的纖維的方向與下一個傾斜部的纖維的方向不同。一個傾斜部的纖維的方向與下一個傾斜部的纖維的方向成直角時，通過將復(fù)合材料A的寬度W設(shè)為孔的中心間距離L的I/V 2以下，能夠?qū)⑵叫胁颗渲迷诔蚩椎摹?90°方向的直徑的延長線上。
[0028]上述發(fā)明的一實施方式中，所述平行部優(yōu)選為與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域。
[0029]因此，與孔并行的區(qū)域都為平行部，因此能夠提高孔周圍對于0°方向的強度。在孔的± 90°方向上不存在纖維的方向出現(xiàn)切換的界限，因此能夠提高孔周圍對于± 90°方向的強度。
[0030]上述發(fā)明的一實施方式中，優(yōu)選使含有第I區(qū)域A的層與含有第I區(qū)域B的層以所述第I區(qū)域A的峰部與所述第I區(qū)域B的谷部上下成對的方式實施層疊，該第I區(qū)域A中，利用向所述長度方向拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料按照峰部、谷部的順序重復(fù)彎曲，該第I區(qū)域B中，利用向所述長度方向拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料按照谷部、峰部的順序重復(fù)彎曲。
[0031]第I區(qū)域的傾斜部的纖維與同一層內(nèi)鄰接的其他區(qū)域的纖維并不連續(xù)，并且纖維的方向不同。上述發(fā)明的一實施方式中，第I區(qū)域A的峰部與第I區(qū)域B的谷部形成為上下成對，因此傾斜部和與其鄰接的區(qū)域的界限能夠在上下方向上錯開。因此，能夠分散±90°方向上的強度降低風險。
[0032]上述發(fā)明的一實施方式中，所述孔可用作形成在航空機的機翼的下表面外板的出入孔。
[0033]下表面外板構(gòu)成承擔對航空機的主翼施加的負荷的抗扭翼盒的下表面部分。因此，飛行時，會對該下表面外板向主翼長度方向施加拉伸負荷。將出入孔的周圍的規(guī)定區(qū)域設(shè)為上述周圍區(qū)域，將包圍該周圍區(qū)域的區(qū)域設(shè)為上述其他區(qū)域時，拉伸負荷主要由其他區(qū)域承擔，并且只會對周圍區(qū)域施加較小的拉伸負荷。因此，能夠減少出入孔的周圍區(qū)域的增強，并且能夠提供實現(xiàn)輕量化的主翼。
[0034]上述發(fā)明的一實施方式中，所述孔可用作形成在航空機的機身的外板上的窗用孔。
[0035]對于航空機的機身，會在長度方向上施加拉伸負荷和壓縮負荷(即彎曲負荷)。將窗用孔的周圍的規(guī)定區(qū)域設(shè)為上述周圍區(qū)域，將包圍該周圍區(qū)域的區(qū)域設(shè)為上述其他區(qū)域，因此拉伸負荷和壓縮負荷主要由其他區(qū)域承擔，并且只會對周圍區(qū)域施加較小的拉伸負荷和壓縮負荷。因此，能夠減少窗用孔的周圍區(qū)域的增強，并且提供實現(xiàn)輕量化的航空機機身。
[0036]本發(fā)明提供一種復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，該復(fù)合材料構(gòu)造體采用向一個方向延伸并且多個孔在該一個方向上間隔排列而形成的纖維增強塑料制復(fù)合材料，并在所述一個方向上承受拉伸負荷及/或壓縮負荷，其特征在于，使利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料以該復(fù)合材料的寬度W的中心線穿過相鄰的孔與孔之間的方式彎曲，并向所述一個方向曲折配置，所述孔的周圍區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性小于包圍該周圍區(qū)域的其他區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性。
[0037]上述發(fā)明的一實施方式中，優(yōu)選配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，將所述一個方向設(shè)為0°時，所述連續(xù)纖維在相鄰的孔與孔之間以朝向±30°以上±60°以下的方向、優(yōu)選為± 45°方向的方式，在所述長度方向上拉齊。
[0038]上述發(fā)明的一實施方式中，優(yōu)選配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，在包含朝向所述孔的±90°方向的直徑的延長線的位置，所述連續(xù)纖維以朝向0°方向的方式在所述長度方向上拉齊。
[0039]上述發(fā)明的一實施方式中，優(yōu)選配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，在與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中，所述連續(xù)纖維在外緣以朝向0°方向的方式在所述長度方向上拉齊。
[0040]上述發(fā)明的一實施方式中，優(yōu)選配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域的所述連續(xù)纖維以朝向0°方向的方式在所述長度方向上拉齊。
[0041 ] 有益效果
[0042]根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料構(gòu)造體、具有該復(fù)合材料構(gòu)造體的航空機機翼及航空機機身、以及復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，能夠曲折配置利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，因此能夠排除強度降低的主要原因，實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0043]圖1顯示了本發(fā)明的復(fù)合材料構(gòu)造體的一實施方式所涉及的航空機的主翼的下表面外板，(a)為平面圖，(b)為(a)的A-A的縱剖面圖。
[0044]圖2是顯示構(gòu)成作為盒構(gòu)造的主翼的一部分的下表面外板和縱梁的立體圖。
[0045]圖3是圖2的A-A的橫剖面圖。
[0046]圖4是顯示纖維板的層疊構(gòu)造的主要部分解立體圖。
[0047]圖5是第I實施方式的第2層的主要部分平面圖。
[0048]圖6是第2實施方式的第2層的主要部分平面圖。
【具體實施方式】
[0049][第I實施方式]
[0050]以下，使用圖1至圖3說明本發(fā)明的一實施方式。
[0051]圖1(a)中，顯示了航空機的主翼I的下表面外板3。下表面外板3由纖維增強塑料(FRP:Fiber Reinforced Plastics)制的復(fù)合材料構(gòu)造體形成。該圖中所示的虛線表示含有襟翼和縫翼等的主翼I的外形線。
[0052]下表面外板3如圖2和圖3所示，從下表面外板3的寬度方向兩端開始直立設(shè)置且成為側(cè)面外板的前梁20和后梁22與將該前梁20和后梁22的上端相互連接的上表面外板24—同形成箱形的抗扭翼盒，承擔主翼I的負荷。
[0053]在主翼I的長度方向上，設(shè)有多個縱梁26?？v梁26與下表面外板3等同樣采用FRP制的復(fù)合材料。各縱梁26固定在下表面外板3和上表面外板24的內(nèi)表面，主要承擔主翼I在長度方向上的負荷。
[0054]在采用盒構(gòu)造的主翼I的內(nèi)部，設(shè)有翼肋28，將該內(nèi)部空間在長度方向上分割為多個空間。翼肋28為向主翼I的寬度方向(與長度方向正交的方向)延伸的板狀，在長度方向上以規(guī)定間隔配置有多個。如圖3所示，各翼肋28的前后端部分別利用螺栓和螺母等規(guī)定扣件30固定在前梁20和后梁22上。
[0055]如圖1所示，在下表面外板3上，沿主翼I的延伸方向以規(guī)定間隔形成有多個出入孔(孔)5，該出入孔(孔)5用于對設(shè)置在主翼I內(nèi)的燃油箱實施檢查時和組裝時等。
[0056]下表面外板3由位于各出入孔5的周圍的周圍區(qū)域3a和包圍該周圍區(qū)域3a的其他區(qū)域3b構(gòu)成，利用一體的復(fù)合材料形成。
[0057]周圍區(qū)域3a以通過各出入孔5的中心的沿主翼I的延伸方向的線為軸，并且以規(guī)定寬度d設(shè)置在該軸的兩側(cè)。此處，“寬度d”是指，與主翼I的延伸方向正交的方向上的周圍區(qū)域的距離。
[0058]其他區(qū)域3b位于周圍區(qū)域3a的周圍，并且以周圍區(qū)域3a以外的大致所有區(qū)域為存在范圍。
[0059]構(gòu)成下表面外板3的周圍區(qū)域3a和其他區(qū)域3b為采用碳纖維增強塑料(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)作為主體的復(fù)合材料。復(fù)合材料的層疊數(shù)根據(jù)要承擔的強度來決定，例如為數(shù)十左右。
[0060]其他區(qū)域3b的碳纖維的取向比率為用作航空機的構(gòu)造體的通常程度，例如，將主翼1的延伸方向(長度方向)設(shè)為0°時，由取向比率為(0°、+45°、-45°、90°) = (30%、30%、30%、10%)的具有各纖維方向的多個纖維板層疊而成。
[0061 ]周圍區(qū)域3a的碳纖維的取向的比率與其他區(qū)域3b不同，將主翼I的延伸方向設(shè)為0°時，以相鄰的孔5與孔5之間±30°以上±60°以下、優(yōu)選±45°為主體。也就是說，使±30°以上±60°以下、優(yōu)選為±45°的取向比率大于其他區(qū)域3b，例如±45°的取向比率為70%以上，由具有各纖維方向的多個纖維板層疊而成。并且，為了降低0°方向上的拉伸剛性，可將0°方向上的纖維從碳纖維變更為玻璃纖維(Glass fiber)或芳綸纖維(Aramid fiber)等。
[0062]參照圖4說明實現(xiàn)上述取向比率的下表面外板3的層疊構(gòu)造。圖4是顯示纖維板的層疊構(gòu)造的主要部分解立體圖。圖4的層疊構(gòu)造由第I層41至第5層45構(gòu)成。第I層41至第5層45中，孔5、周圍區(qū)域3a以及其他區(qū)域3b的位置在上下方向上分別對應(yīng)。圖4中，將孔5的排列方向(主翼I的延伸方向)設(shè)為0°。
[0063]第I層41是纖維取向為+45°方向的層。第I層41形成為，將+45°纖維板配置在周圍區(qū)域3a和其他區(qū)域3b。
[0064]第2層42主要是纖維取向為0°方向的層。第2層42形成為，將用于周圍區(qū)域的復(fù)合材料配置在周圍區(qū)域3a，將用于其他區(qū)域的復(fù)合材料配置在其他區(qū)域3b。后面將說明用于周圍區(qū)域的復(fù)合材料以及用于其他區(qū)域的復(fù)合材料的詳細配置。
[0065]第3層43是纖維取向為90°方向的層。第3層43形成為，將90°纖維板配置在周圍區(qū)域3a和其他區(qū)域3b。
[0066]第4層44主要是纖維取向為0°方向的層。第4層44形成為，將用于周圍區(qū)域的復(fù)合材料配置在周圍區(qū)域3a，將用于其他區(qū)域的復(fù)合材料配置在其他區(qū)域3b。
[0067]第5層45與第I層41同樣，是纖維取向為+45°方向的層。第5層45形成為，將+45°纖維板配置在周圍區(qū)域3a和其他區(qū)域3b。
[0068]參照圖5，進一步詳細說明第2層42。圖5是第2層42的主要部分平面圖。圖5中，第2層42由沿承受主負荷的方向t間隔排列形成的多個孔5、位于孔5的周圍的周圍區(qū)域3a、以及夾住周圍區(qū)域3a形成在其兩側(cè)的其他區(qū)域3b構(gòu)成。周圍區(qū)域3a含有配置用于第I周圍區(qū)域的復(fù)合材料而成的第I區(qū)域10以及配置用于第2周圍區(qū)域的復(fù)合材料而成的第2區(qū)域11。用于第I周圍區(qū)域的復(fù)合材料和用于第2周圍區(qū)域的復(fù)合材料是利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料(復(fù)合材料A)。此處，“連續(xù)纖維”表示周圍區(qū)域3a在t方向上未被切斷的狀態(tài)。復(fù)合材料A是片狀的預(yù)浸料或半含浸的預(yù)浸料等。
[0069]第I區(qū)域10使復(fù)合材料A以復(fù)合材料A的寬度W的中心線穿過相鄰的孔5與孔5之間的方式彎曲并曲折配置而成。復(fù)合材料A可以通過多個孔5的中心的線為軸，對稱地曲折。復(fù)合材料A可以是排列多個較窄的預(yù)浸料后形成寬度W的材料。
[0070]寬度W可以是在將復(fù)合材料A曲折配置時，利用復(fù)合材料A埋入相鄰的孔5與孔5之間的長度。寬度W是與連續(xù)纖維的取向正交的方向上的復(fù)合材料的長度。復(fù)合材料A的寬度W能夠根據(jù)相鄰的孔5的中心間距離L來決定。例如，如圖5所示，I個傾斜部的纖維的方向與下一個傾斜部的纖維的方向正交(θ = 90°)時，寬度W為相鄰的孔5的中心間距離L的I/V 2以下。
[0071]第I區(qū)域10含有傾斜部12和平行部13。傾斜部12和平行部13交替配置。圖5中，從傾斜部12成為平行部13時，復(fù)合材料A以纖維取向按照規(guī)定角度切換的方式進行彎曲，也可使纖維取向如畫曲線般慢慢變化地進行彎曲。
[0072]傾斜部12位于相鄰的孔5與孔5之間，復(fù)合材料A中的連續(xù)纖維朝向±30°以上土60°以下、優(yōu)選為± 45°的方向。
[0073]平行部13配置在包含孔5的短直徑(朝向±90°方向的直徑)的延長線的位置上。平行部13還可配置在與孔5的長直徑(孔5的0°方向的直徑)并行的區(qū)域中包含第I區(qū)域10的外緣13a的位置。平行部13至少一部分與孔5相接。
[0074]第2區(qū)域11是曲折的第I區(qū)域的彎曲部分即谷部。第2區(qū)域11在該谷部配置用于第2周圍區(qū)域的復(fù)合材料而成，使纖維取向為0°方向。
[0075]第4層44的結(jié)構(gòu)也與第2層42相同。但是，第4層44的第I區(qū)域優(yōu)選為峰谷部的配置與第2層42的第I區(qū)域相反的曲折形狀。具體而言，第2層42的第I區(qū)域10為復(fù)合材料A按照峰部、谷部的順序重復(fù)彎曲的曲折形狀時，第4層44的第I區(qū)域為復(fù)合材料A按照谷部、峰部的順序重復(fù)彎曲的曲折形狀。將含有這種第I區(qū)域的第2層42和第4層44進行層疊后，第2層42的第I區(qū)域的峰部與第4層44的第I區(qū)域的谷部上下成對。
[0076]通過重復(fù)如上的第I層41至第5層45或者將這些層適當?shù)厝我饨M合(參照圖5)，與其他區(qū)域3b相比，能夠使周圍區(qū)域3a以±30°以上±60°以下、優(yōu)選為±45°的取向比率為主體。
[0077]以下，說明使用上述結(jié)構(gòu)的主翼I時的作用效果。
[0078]飛行時，會對主翼I施加使其前端向上方向變位的負荷。因此，會在主翼I的下表面外板3的延伸方向(0°方向)上，對其施加拉伸負荷。0°方向的拉伸負荷并非由周圍區(qū)域3a，而是主要由下表面外板3的其他區(qū)域3b承擔。其原因在于，與其他區(qū)域3b相比，周圍區(qū)域3a主體為±30°以上土60°以下、優(yōu)選為±45°取向的纖維，其為對于0°方向的拉伸負荷的剛性較低的區(qū)域。因此，由于周圍區(qū)域3a僅會承受小于其他區(qū)域3b的拉伸負荷，所以可降低周圍區(qū)域3a的必要強度。也就是說，無需在孔周圍設(shè)置用來增厚的用于強化的層疊體。為了便于理解，圖1(b)中一同顯示了用于強化的層疊體104。如此，由于不需要設(shè)置用于強化的層疊體104，所以能夠減輕與該部分相應(yīng)的重量。
[0079]周圍區(qū)域3a以±30°以上± 60°以下、優(yōu)選±45°為主體，因此可強化剪切方向的剛性即扭轉(zhuǎn)剛性。因此，周圍區(qū)域3a不承擔軸力(拉伸負荷)，而承擔扭轉(zhuǎn)負荷。
[0080]周圍區(qū)域3a含有使利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料A曲折而成的第I區(qū)域10。由于復(fù)合材料A含有連續(xù)纖維，所以即使復(fù)合材料A彎曲，纖維也能夠維持連續(xù)的狀態(tài)。由于纖維連續(xù)，所以與使用短纖維時相比，能夠提高0°方向上的強度。由于使用利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，所以不會在第I區(qū)域內(nèi)的纖維取向出現(xiàn)變化的界限產(chǎn)生間隙。因此，可形成精度高于以往的復(fù)合材料構(gòu)造體。
[0081]由于通過以穿過孔5之間的方式使復(fù)合材料A曲折，能夠在多個孔周圍統(tǒng)一形成第I區(qū)域10，所以可以利用機械來配置復(fù)合材料A，并且能夠高效率地進行制造。
[0082]通過將傾斜部12配置在孔5與孔5之間，能夠?qū)崿F(xiàn)0°方向(一個方向)上的拉伸剛性降低，并且容許拉伸方向(及/或壓縮方向)上的伸長的區(qū)域。由于在傾斜部12中，纖維朝向±30°以上±60°以下的方向、優(yōu)選為±45°方向，所以剪切方向(與一個方向正交的方向、SP± 90°方向)的強度會增大，并且能夠提高扭轉(zhuǎn)剛性。
[0083]通過在與朝向孔5的±90°方向的直徑的延長線上設(shè)置平行部，能夠不降低容易破裂的部位的強度，緩和對孔5的周圍區(qū)域3a施加的應(yīng)力集中。因此，可形成實體強度大的復(fù)合材料構(gòu)造體。
[0084]通過在成為界限的周圍區(qū)域3a配置平行部13，能夠使周圍區(qū)域3a的纖維的方向與鄰接的其他區(qū)域3b的纖維的方向一致。因此，能夠抑制在周圍區(qū)域3a與其他區(qū)域3b的界限處出現(xiàn)±90°方向上的強度降低。
[0085]在層疊纖維板時，通過使一個層的第I區(qū)域A的峰部與另一個層的第I區(qū)域B的谷部成對，能夠?qū)⒗w維板的界限在上下方向上錯開。因此，能夠分散±90°方向上的強度降低風險。
[0086][第2實施方式]
[0087]本實施方式所涉及的復(fù)合材料構(gòu)造體除了設(shè)置平行部的范圍不同以外，其結(jié)構(gòu)與第I實施方式相同。
[0088]圖6顯示了本實施方式所涉及的第2層52的主要部分平面圖。本實施方式中，平行部13配置在與孔5的長徑(0°方向的直徑)并行的區(qū)域。平行部的長度與孔5的長徑相同。
[0089]通過將與孔5并行的區(qū)域都設(shè)為平行部，能夠提高孔周圍對于0°方向的強度。在孔的± 90°方向上不存在纖維的方向出現(xiàn)切換的界限，因此能夠提高孔周圍對于± 90°方向的強度。
[0090]另外，上述實施方式說明的是適用于主翼I的下表面外板3的情況，但本發(fā)明并不限定于此，只要是具有孔的復(fù)合材料構(gòu)造體，即可廣泛適用。
[0091 ]例如，在與下表面外板3—同構(gòu)成抗扭翼盒的上表面外板中，也可適用與下表面外板3相同的結(jié)構(gòu)。本實施方式也能夠適用于尾翼等。
[0092]上述實施方式也能夠適用于形成有窗用孔的航空機機身。并且，本發(fā)明的復(fù)合材料構(gòu)造體不限定于航空機，也能夠適用于例如船舶和車輛等。
[0093]上述實施方式中，主要使用碳纖維增強塑料(CFRP)，但本發(fā)明并不限定于此，例如也可使用玻璃纖維增強塑料(GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastic)和芳纟侖纖維增強塑14(AFRP:Aramid Fiber Reinforced Plastic)。
[0094]符號說明
[0095]I 主翼
[0096]3下表面外板(復(fù)合材料構(gòu)造體)
[0097]3a周圍區(qū)域
[0098]3b其他區(qū)域
[0099]5出入孔(孔)
[0100]10第I區(qū)域
[0101]11第2區(qū)域
[0102]12傾斜部
[0103]13平行部
[0104]13a (平行部的)外緣
[0105]20 前梁
[0106]22 后梁
[0107]24上表面外板
[0108]26 縱梁
[0109]28 翼肋
[0110]30 扣件
[0111]41 第I層
[0112]42 第2層
[0113]43 第3層
[0114]44 第4層
[0115]45 第5層
[0116]104用于強化的層疊體
【主權(quán)項】
1.一種復(fù)合材料構(gòu)造體，所述復(fù)合材料構(gòu)造體采用向一個方向延伸并且多個孔在所述一個方向上間隔排列而形成的纖維增強塑料制復(fù)合材料，并在所述一個方向上承受拉伸負荷及/或壓縮負荷，其特征在于， 所述孔的周圍區(qū)域含有第I區(qū)域，所述第I區(qū)域形成為，利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料以所述復(fù)合材料的寬度W的中心線穿過相鄰的孔與孔之間的方式彎曲，并向所述一個方向曲折， 所述周圍區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性小于包圍所述周圍區(qū)域的其他區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述第I區(qū)域含有傾斜部，所述傾斜部在將所述一個方向設(shè)為O。時，所述連續(xù)纖維朝向±30°以上±60°以下的方向， 所述傾斜部配置在相鄰的孔與孔之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述第I區(qū)域含有傾斜部，所述傾斜部在將所述一個方向設(shè)為0°時，所述連續(xù)纖維朝向± 45°方向， 所述傾斜部配置在相鄰的孔與孔之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述第I區(qū)域含有所述連續(xù)纖維配置為朝向0°方向的平行部， 所述平行部可配置在所述第I區(qū)域中至少含有朝向所述孔的±90°方向的直徑的延長線的位置，并與所述孔相接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述平行部配置在與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中包含所述第I區(qū)域的外緣的位置。6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，I個所述傾斜部的連續(xù)纖維的方向與下一個傾斜部的連續(xù)纖維的方向正交時，所述寬度W定義為相鄰的孔的中心間距離L的I/V 2以下。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述平行部是位于與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中的所述第I區(qū)域。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，使含有第I區(qū)域A的層與含有第I區(qū)域B的層以所述第I區(qū)域A的峰部與所述第I區(qū)域B的谷部上下成對的方式實施層疊， 所述第I區(qū)域A中，利用向所述長度方向拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料按照峰部、谷部的順序重復(fù)彎曲，所述第I區(qū)域B中，利用向所述長度方向拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料按照谷部、峰部的順序重復(fù)彎曲。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述孔為形成在航空機的機翼的下表面外板上的出入孔。10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的復(fù)合材料構(gòu)造體，其特征在于，所述孔為形成在航空機的機身的外板上的窗用孔。11.一種航空機機翼，所述航空機機翼具有根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合材料構(gòu)造體。12.一種航空機機身，所述航空機機身具有根據(jù)權(quán)利要求10所述的復(fù)合材料構(gòu)造體。13.—種復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，所述復(fù)合材料構(gòu)造體采用向一個方向延伸并且多個孔在所述一個方向上間隔排列而形成的纖維增強塑料制復(fù)合材料，并在所述一個方向上承受拉伸負荷及/或壓縮負荷，其特征在于， 使利用在長度方向上拉齊的連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料以所述復(fù)合材料的寬度W的中心線穿過相鄰的孔與孔之間的方式彎曲，并向所述一個方向曲折配置， 所述孔的周圍區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性小于包圍所述周圍區(qū)域的其他區(qū)域在所述一個方向上的拉伸剛性及/或壓縮剛性。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，其特征在于，配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，將所述一個方向設(shè)為0°時，所述連續(xù)纖維在相鄰的孔與孔之間以朝向±30°以上±60°以下的方向的方式，在所述長度方向上拉齊。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，其特征在于，配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，將所述一個方向設(shè)為0°時，所述連續(xù)纖維在相鄰的孔與孔之間以朝向± 45°方向的方式，在所述長度方向上拉齊。16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項所述的復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，其特征在于，配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，在包含朝向所述孔的±90°方向的直徑的延長線的位置，所述連續(xù)纖維以朝向0°方向的方式在所述長度方向上拉齊。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，其特征在于，配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，在與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中，所述連續(xù)纖維在外緣以朝向0°方向的方式在所述長度方向上拉齊。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料構(gòu)造體的制造方法，其特征在于，配置利用連續(xù)纖維實施過強化的復(fù)合材料，在與所述孔的0°方向的直徑并行的區(qū)域中，所述連續(xù)纖維以朝向0°方向的方式在所述長度方向上拉齊。
【文檔編號】B32B5/12GK106029346SQ201580009194
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年3月17日
【發(fā)明人】柏木圣纮, 野中吉紀, 阿部俊夫
【申請人】三菱重工業(yè)株式會社