JP2004217208A - 特に航空機のための軽量構造構成部分および該軽量構造構成部分を製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インテグラルな構成にも関わらず差異的な損壊特性を有しており、接合ゾーンおよびその直接的な周囲における、減じられた荷重応力および荷重延伸に至り、さらに最新の製作方法により簡単に製造可能であるような軽量構造構成部分を提供する。
【解決手段】補強エレメント（２）のウェブ（４）が、外皮金属薄板（１）に面した側で、２つの脚片（５；５′，６，６′）から成っており、両脚片が２つの分割された接合ゾーン（７，８）により素材結合式に外皮域（１）に結合されているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの外皮金属薄板と、該外皮金属薄板に沿って縦方向または横方向にまたは縦方向および横方向に配置された補強エレメントとから成る、特に航空機のための軽量構造構成部分であって、補強エレメントがその都度そのベースでもって素材結合式に完全にまたは少なくとも部分的に外皮金属薄板に結合されている形式のものに関する。さらに本発明は、上記の軽量構造構成部分を製作する方法に関する。

本発明は軽量構造構成部分の設計および製作に関する。その使用が合目的および可能である対象は、面荷重としての荷重受容の主な部分が外皮金属薄板を介して実施される、全ての大型の軽量構造構成部分であって、該軽量構造構成部分には、荷重分配、荷重導出、たわみの軽減、またはバルジまたは座屈の防止のために補強エレメントが設けられている。典型的には、そのような負荷事例は、構造荷重の他に外皮金属薄板の外側と内側との間の圧力差により負荷されている多くの軽量構造において特に際立っている。特に有利に、本発明は航空機構造のために、特に胴体構造のために使用可能であるが、翼構造、エンジンインテーク、耐圧壁、離着陸装置室カバー等のためにも使用可能である。別の使用分野は液体タンクまたはガスタンク、圧力容器または真空容器、ミサイルもしくはロケットおよびそのエンジンの構成部分ならびに軽量船舶の胴体構造にある。

普遍性を制限することなく、従来技術および本発明の背景は例えば航空機胴体構造の構造を用いて説明することにする。一般に航空機胴体はリベット組立てされた外皮域から製作されており、外皮域は、リベット締めされた補強エレメント、すなわちそれぞれ胴体チューブに沿って長手方向で延びるストリンガおよび周方向で延びるフレームにより強化される。典型的にストリンガは、適当に成形されたストリンガヘッドと、ストリンガウェブと、外皮域台座上に載着していてストリンガウェブに対して９０°の分だけ屈曲したストリンガ台座とから成っており、ストリンガ台座が外皮域台座にリベット締めされる。

外皮域・補強エレメント・構造の負荷は種々異なる荷重導入と、極めて多数のパラメータに依存した静力学的な荷重および周期的な荷重とに基づいて極めて複雑である。そのように構成される航空機胴体の設計の場合、予め規定された静力学的な強度要求が遵守され、疲れ強さが考慮され、かつ予め規定された種々異なる臨界的な損傷シナリオに対する安全性が保証されなければならない。リベット締めされた構造としての航空機胴体の構成では、これらの要求は、外皮域、ストリンガ、フレームの厚さ、ストリンガもしくはフレームの形状および間隔、外皮域台座およびリベットの寸法、ならびにリベット間隔およびその他多数の条件を、位置および荷重に関連して選択することにより顧慮される。従来慣用のリベット締めされた構造の設計の場合、構造方式に関する重量節減可能性が大幅に失われており、かつそのような差異構造もしくはフェイルセーフ構造の製作が、制限されたリベット締め速度により、極めて手間がかかると共に、それに加え全く品質上の改善可能性が存在しないことが欠点である。

リベット締めを、２つのレーザを用いてストリンガベースを外皮域台座に両側から同時に溶接することによって代替することが公知である［Ｐ．Ｈｅｉｄｅｒ著：「Ｌａｓｅｒｇｅｒｅｃｈｔｅ Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏｎ ｕｎｄ ｌａｓｅｒｇｅｒｅｃｈｔｅ Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｍｉｔｔｅｌ ｚｕｍ Ｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ ｇｒｏｓｓｆｏｒｍａｔｉｇｅｒ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ−Ｓｔｒｕｋｔｕｒｂａｕｔｅｉｌｅ」（出典：『ＶＤＩ−Ｆｏｒｔｓｃｈｒｉｔｔｓｂｅｒｉｃｈｔｅ、Ｒｅｉｈｅ２：Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ』Ｎｒ．３２６、ＶＤＩ出版社、デュッセルドルフ、１９９４年）参照］。この結合部が、十分に良好に形成された溶接シームルートを備えて、かつ気孔を少なく実現されるためには、両レーザビームが１つの共通の溶融池を形成することが必要である。このことは、両レーザビームが、対向して位置するような形で、接合突合せ部に関して同一の位置に集束されることにより達成される。この場合、熱間き裂もしくは高温割れは、適当なワイヤ状の溶接付加材料、例えば合金ＡｌＳｉ１２のワイヤの使用により回避される。この方法の極めて僅かな区間エネルギ（Ｓｔｒｅｃｋｅｎｅｎｅｒｇｉｅ）と、ストリンガに対して対称的なエネルギ入力とにより、ひずみは制限される。

この原理の別の構成では、ストリンガ、フレーム、クリップ、分配帯およびフレームヘッドを含む、完全に溶接されたシェル構成部分の構造が可能である［Ｐ．Ｂｒｉｎｃｋ等の「Ｓｃｈａｌｅｎｂａｕｔｅｉｌ ｆｕｅｒ ｅｉｎ Ｆｌｕｇｚｅｕｇ ｕｎｄ Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｚｕｒ Ｈｅｒｓｔｅｌｌｕｎｇ」（ドイツ連邦共和国特許第１９８４４０３５号明細書）参照］。

リベット結合に対して改善された静力学的な強度およびより高い剛性にもかかわらず、そのように製作された結合部の欠点は、その比較的に悪い損傷許容性にあって、このことは、例えばストリンガの横断後の、周方向き裂のより高いき裂進展速度、ならびにより僅かな残存強度に現われる。この原因は、き裂が、溶接された補強エレメントに到達すると、補強エレメントに伝播する点にある。従来の差異構造方式の場合、き裂先端が繰返し荷重の所定の回数の間は補強エレメントに伝播することはなく、しかも無傷の補強材により維持されるために、リベット締めまたは接着された補強材、例えばストリンガまたはフレームにより、胴体外板におけるき裂進展が遅延されるのに対して、溶接された補強エレメントの場合、き裂は同時に外板および補強エレメントで進展して、その際、き裂の進展を遅らせる明確な作用は現れない。これにより、レーザビーム溶接された胴体シェルの、重量節減性の使用は、損傷許容性に関する設計基準を満たす必要がない胴体領域のためだけに、つまり胴体の下面シェルのためだけに可能である。

この欠点の原因は、補強エレメントの接合部の、公知のインテグラルな構成が、クラックストップ、損傷の比較的少ないき裂分岐、またはき裂先端近傍におけるエネルギ散逸に関する、幾何学的な、荷重に応じた、またはミクロ構造的な可能性を十分に提供していない点にある。これにより、き裂は妨げられることなく補強エレメントへと伝播してしまう。

別の欠点は、両側で同時にレーザビーム溶接されたストリンガ・外皮域・接合部のヘッド引張強さが、溶接シーム深さの増大と共に、すなわちストリンガ厚さの増大と共に減少する点にある。

このことは、より大きな溶接シーム深さを生ぜしめるために、溶接パラメータが、より大きな区間エネルギと、溶接速度に対する溶接付加材料のワイヤ供給速度の比較的不利な割合とを選択せざるを得ないように変更されなければならない等の点に原因がある。両者は固体力学的な影響と相俟って、溶接ゾーンにおけるより大きなアンダーマッチング（ｕｎｄｅｒ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）、熱影響ゾーンにおけるより幅広な老化した領域、および微細な熱間き裂を形成する危険の拡大へとつながる。

溶接された補強エレメントを備えたシェル構成部分のき裂進展挙動を改善するために、補強エレメントのウェブを溶接ゾーンの近傍において、両側で同時に構成されたレーザビーム溶接シームの接合深さを高めることなく、肉厚化することが公知になっている［Ｆ．Ｐａｌｍの「Ｍｅｔａｌｌｉｓｃｈｅｓ Ｓｃｈａｌｅｎｂａｕｔｅｉｌ」（ドイツ連邦共和国特許第１９９２４９０９号明細書）参照］。本発明の別の構成では、減じられた溶接シーム深さ、または溶接シームと肉厚化部との間に刻み目を設けることが記載されている。全ての３つの手段は、ストリンガヘッド方向でのき裂の進展を困難にする目的を有している。場合によっては、き裂は変向されて、溶接シーム内または溶接シームに沿ってある程度の距離を進行することができる。

この解決策の欠点は、この構成が負荷事例「ツー・ベイ・クラック（Ｔｗｏ‐Ｂａｙ‐Ｃｒａｃｋ）」のため、要するに２つのフレーム区分またはストリンガ区分にわたっての長手方向き裂または周方向き裂の耐用のために組まれている点である。下側の胴体領域においておよびフレームに関して発生するような、荷重事例「補強エレメントのヘッド方向での引張」に関しても、組合わされた荷重事例、すなわち剪断・圧縮で負荷された胴体の領域に存在するような、「補強エレメントのヘッドの方向での引張」および「補強エレメントに対して直交する曲げたわみを有した曲げ」に関しても、提案された解決策は、耐え得る荷重の減少もしくは早期的なストリンガ裂離またはフレーム裂離へと至る。

この欠点の原因は、インテグラルに、つまり一体に溶接された構造の両欠点、すなわちき裂を遅らせるための有効なメカニズムの欠如および溶接シームにおける局所的に高められたき裂進展速度に対して、別の負荷事例のための耐荷量に関して不都合な結果を伴ってのみ対処可能であるか、もしくは全くもって対処し得ない点にある。

残存強度の向上を達成し、ひいては溶接された胴体シェルを胴体の側面シェル領域および上面シェル領域のためにも使用可能であるべき、外皮域および強化エレメントの、溶接された配置の構成は、Ｈ．Ｊ．Ｓｃｈｍｉｄｔ［『ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３１５１０号明細書』］により公知になっている。このために、レーザビーム溶接前に強化材が補強エレメントに設けられる。この場合、強化材はダブラとして、またはタイロッドとして配置されていることができる。

ダブラは高強度のＡｌ合金または繊維強化された金属積層材から成っており、かつリベット結合または接着結合により被着される。これにより、ダブラは溶接シームに対して十分な、溶接プロセスの温度域により決定される間隔を有していなければならない。タイロッドは高強度の鋼合金もしくはチタン合金または繊維複合材から成っており、かつ前もって穿設されなければならない貫通孔内に挿入されて捻られる。貫通孔を収容するために、横断面強化部が補強エレメントの、下側のウェブ領域に設けられている。別の変化例では、下側のウェブ領域にスリットを形成し、タイロッドを、収容開口を通して、スリット形成された下側のウェブ領域内に導入し、挿入されたタイロッドを、スリット形成されたウェブ領域を形状結合式にタイロッドに圧着することによって結合し、最終的に公知の形式でレーザビーム溶接により外皮金属薄板に結合するようになっている。

強化材の、き裂を遅らせる作用により、残存強度の向上が達成される。このことは、補強エレメントを完全に分断するのに必要な繰返し荷重の回数が増加され、かつ強化エレメントが補強エレメントよりも遅れて初めて損壊することに起因する。後者の影響により、強化エレメントは、補強エレメントの損壊と強化エレメントの損壊との間の時間にわたって、き裂開き角を小さくし、き裂先端における応力を減じることができる。

溶接シーム自体の構成は、これまで公知の背景技術に対して変化はない。要するに、ストリンガベースまたはフレームベースはその全幅にわたって唯一の溶接シームにより外皮金属薄板に接合され、その際、溶接シームは両側で同時のレーザビーム溶接により形成される。

この配置の欠点は、この配置が背景技術を臨界的な両負荷事例「補強エレメントのヘッド方向での引張」および「補強エレメントに対して直交する方向での曲げ」に関して改善するのには適していないという点にある。それゆえ、特に側面シェルにおける剪断・圧縮荷重において補強エレメントが外皮域から解離する結果としての静力学的な損壊の危険は存在したままになっている。

この原因は、変更されていない溶接シーム配置および溶接シーム周囲環境により、補強エレメントの長手方向に対して直交する、より大きな曲げ荷重またはヘッド引張荷重には耐えることができないという点にある。

さらに、補強エレメントの強化材が溶接シームおよびその直接的な周囲における局所的なき裂進展速度を低減しないことは欠点である。このことは特に、例えば剪断・圧縮荷重のような荷重事例に該当し、その場合、溶接シームに沿ったき裂伝播の危険が存在する。

この原因は、強化材が方法および配置の制限上、溶接シームに対して間隔をおいて取り付けられなければならない点にあって、溶接シーム内では、溶接シームの応力軽減に関する強化部の作用は極めて僅かである。

別の欠点は、強化エレメントが経済的には補強エレメントに載設または埋設されることができない点にある。

この原因は、強化材の載設のために付加的な作業ステップ、例えばダブラのリベット締め、ダブラの接着、または極めて長い貫通孔の穿設が必要である点にあって、これらの作業ステップ自体は極めて手間がかかるし、もしくは一部ではそれにも増して、補強エレメントと外皮域との、代替しようとしているリベット締めよりも手間がかかることになってしまう。

さらに、装填されたタイロッドを備えた変化例がフレームのためには適していないことは欠点である。この原因は、湾曲した長孔を穿設することの不可能性、またはスリット形成された下側のウェブ領域の両脚片をタイロッドの装填後に塑性的に、全補強エレメントの材料損傷または残留するひずみなしに、曲げ合わせることの不可能性に起因している。
ドイツ連邦共和国特許第１９８４４０３５号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９９２４９０９号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３１５１０号明細書 Ｐ．Ｈｅｉｄｅｒ著：「Ｌａｓｅｒｇｅｒｅｃｈｔｅ Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏｎ ｕｎｄ ｌａｓｅｒｇｅｒｅｃｈｔｅ Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｍｉｔｔｅｌ ｚｕｍ Ｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ ｇｒｏｓｓｆｏｒｍａｔｉｇｅｒ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ−Ｓｔｒｕｋｔｕｒｂａｕｔｅｉｌｅ」（出典：『ＶＤＩ−Ｆｏｒｔｓｃｈｒｉｔｔｓｂｅｒｉｃｈｔｅ、Ｒｅｉｈｅ２：Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ』Ｎｒ．３２６、ＶＤＩ出版社、デュッセルドルフ、１９９４年）

本発明は、特に航空機のための、新しいタイプの軽量構造構成部分と、該軽量構造構成部分を効果的かつコスト減に製作する方法とを提供して、複雑な荷重事例にも適しており、直線的な補強エレメントのためにも湾曲した補強エレメントのためにも適用可能であり、改善された損傷許容性とヘッド引張強さと剪断・圧縮耐荷量と曲げ剛性とを有しており、より厚い補強エレメントにおいても使用可能であり、かつ手間のかかる付加的な別個の作業ステップなしに済ませることができるようにすることを目的とする。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の軽量構造構成部分を改良して、インテグラルな構成にも関わらず差異的な損壊特性を有しており、接合ゾーンおよびその直接的な周囲における、減じられた荷重応力および荷重延伸に至り、さらに最新の製作方法により簡単に製造可能であるような軽量構造構成部分を提供することである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、補強エレメントのウェブが、外皮金属薄板に面した側で、２つの脚片から成っており、両脚片が２つの分割された接合ゾーンにより素材結合式に外皮域に結合されているようにした。さらに、補強エレメントのウェブが、外皮金属薄板に面した側で、２つの脚片から成っており、両脚片が２つの分割された接合ゾーンにより素材結合式に外皮域に結合されており、外皮域が接合ゾーンの接続箇所の領域に肉厚化部を有しており、かつ両脚片と外皮域補強台座とにより形成された空隙内に強化エレメントが位置しており、該強化エレメントが、外皮金属薄板または補強エレメントの材料の弾性率よりも大きな弾性率を有した高強度の材料から成っており、かつ強化エレメントが摩擦力結合式および／または形状結合式に、両脚片および／または外皮域補強台座に結合されているようにした。上記課題を解決するために本発明の方法では、以下のステップ、すなわちａ）外皮金属薄板の肉厚化部を作り出すための、ケミカルミーリングまたは機械的なフライス削り、ｂ）補強エレメントの押出加工、ｃ）外皮域の緊締もしくは固定、ｄ）外皮金属薄板の肉厚化部上での補強エレメントの対称的な位置決め、ｅ）接合面の平らな当て付けを実現するための、補強エレメントの緊締もしくは固定、ｆ）少なくとも局所的な機械的な緊締の下で、分割された２つの接合ゾーンによる、外皮金属薄板と補強エレメントとの接合というステップに従って製作するようにした。軽量構造構成部分のための本発明による解決策の変化形は従属請求項２〜２９および従属請求項３１〜４９に記載されている。方法技術的な変化形は従属請求項５１〜６３に掲載されている。

これに関して本発明により主として以下の３つの新しい認識が利用される。
‐インテグラルな軽量構造および本明細書では特に航空機胴体構造の、背景技術に基づき公知の実施形態は、溶接に適していない構造的な設計の結果として、接合技術の可能性を十分に利用していないこと。
‐インテグラルな構造が、溶接シームの弱部を回避しかつ差異的な損壊パターンを生ぜしめる、局所的に有効なエレメントを備えて構成されることも可能であること。
‐最高のビーム品質と適当な、プロセスに適合されたビーム形成（ツインスポットまたは長円形のビーム）とを備えた、新しいレーザビーム源、ならびに適当な溶接付加材料を使用すると、十分に欠陥のない溶接が、１つの共通の溶融池を伴う両側で同時のレーザビーム溶接なしにも可能であること。

請求項１の通り、本発明の解決策は、補強エレメントのウェブが、外皮金属薄板に面した側で、背景技術によりこれまで公知の全ての解決策とは異なって、１つのベースではなく２つの空間的に分割された脚片から成っており、両脚片が２つの分割された接合ゾーンにより素材結合式に外皮域に結合されている点にある。この配置が有する利点は、同じ重量の場合、明らかにより剛性的な配置が実現されている点にあり、この配置は、従来の解決策に比して、溶接シームにおけるヘッド引張および曲げの結果としての機械的な負荷を減じ、溶接欠陥にそれほど敏感に反応することはなく、さらに両レーザビーム相互の案内精度に対する要求に関し、要求を大幅に引き下げる。

例えば航空機構造に通常支配しているような、比較的に高い荷重のために、請求項２に記載の通り、外皮域は、それが接合ゾーンの接続箇所の領域に肉厚化部を有しているように形成される。

請求項３および４の構成によれば、補強エレメントは構造構成部分の本発明による構成ではストリンガとして構成されてもフレームとして構成されてもよい。

本発明考案は、請求項５に記載の通りに接合ゾーンがレーザ溶接シームでなければならないという訳ではない。同様に、請求項６および７に記載の通り、接合ゾーンが摩擦攪拌接合ゾーンまたは接着ゾーンから成っていてもよい。

請求項８は有利には、本願では外皮域補強台座として構成されている、外皮金属薄板の局所的な肉厚化部により、荷重事例「折れたストリンガの下での周方向き裂」におけるき裂進展速度が、ストリンガの横断中に明らかに減じられるという認識を利用している。特に、局所的に肉厚化された外皮金属薄板の支持作用により、溶接シームの荷重は減じられ、かつ第１の脚片におけるき裂進展速度は減じられる。さらに、分割されたき裂先端が、第２のストリンガ脚片およびストリンガウェブおよびストリンガヘッド全体を分断するまでには、複数の経路を辿って、より大きな道程を経なければならない。

請求項９および１０は、補強エレメント・外皮金属薄板・配置の幾何学的な寸法の有利な設計に関する教示を与えている。

請求項１１は全ての荷重事例にとって有益な発明考案を発展しており、補強エレメントを外側に配置することができる。この事例では、溶接シームは半径方向の引張力により負荷されない。溶接シームの横断後のき裂分岐により、き裂進展速度は背景技術に比して局所的に減じられる。

本発明考案は補強エレメントのヘッドがクラシックなＬ字形に形成されることに限定されない。発明考案を損ねることなく、請求項１２に記載されているように、補強材横断面が例えばＵ字形異形成形材としてまたはＵ字形異形成形材に似た異形成形材として形成されることができる。この形状では、Ｕ字形異形成形材のヘッド側が特に良好に、場合によっては必要な付設部分に結合される。以下の請求項１３〜１６はこの事例のための補強エレメントの幾何学的な形状を発展する。

請求項１７〜２１は損傷許容性を改善するための新しい付加的な変化例を紹介している。このことは貫通孔を補強エレメントの脚片内に配置することを意図している。進展するき裂がこれらの貫通孔のうちの１つに進入すると、き裂は止められることができる。この理由は、き裂先端における極めて高い応力拡大係数が、貫通孔内へのき裂の開口後、貫通孔の比較的低いノッチ形状係数に取って代わられることにある。事実上このことは、比較的僅かな応力過昇を有した応力域におけるき裂の再スタートの必要に匹敵する。

実験から判っていることは、一度形成された一次き裂はツー・ベイ・クラック（Ｔｗｏ−Ｂａｙ−Ｃｒａｃｋ）基準の荷重条件下では困難にのみ、その一般的なき裂進展方向から変向される。これにより、き裂が、従来のように形成されたストリンガの場合、両貫通孔間を通過して、局所的に僅かな支持作用により短期的にむしろ加速されるという事態が起こり得る。このことを考慮して、請求項１９に記載の通り、両脚片において貫通孔はずらされて配置されている。下面胴体領域に関して言えば、これらの貫通孔は同時に有利には排水孔として使用されることができる。

請求項２２は有利には、航空機胴体では荷重応力が均一には分布していないという事実を考慮している。それにより、特に高負荷される領域には、損傷許容性のある繊維強化された積層材から成るダブラを局所的に使用することにより、ストリンガベースにおけるき裂進展速度がさらに減じられることができる。特に補強エレメントがフレームである場合のために、フレームウェブに対する引張荷重時の、貫通孔による構造的な、静力学的な耐荷量の減少が補償されることもできる。

請求項２３〜２６は接合ゾーンにおける荷重応力を下げる新しい端緒を許可する。胴体上面シェルの領域において、接合ゾーンは高い引張応力に曝されており、この引張応力は、直接的な近傍に配置された引張荷重軽減エレメントにより明らかに減じられることができる。

請求項２７および２８は有利には、材料集積部が、外皮域の直接的な近傍に位置していれば、特に効果的に外皮域におけるき裂進展を減じることができるという認識を利用している。座屈を回避するために、材料集積部は、その僅かな抵抗モーメントもしくは断面係数に基づいて、それほどの貢献を示さないが、補強エレメントの間隔を若干拡大できるようにして、ひいては全体に重量を節減するには十分である。さらに、材料集積部は、胴体の音響学的な特性を改善することができる。

請求項２９は、ヘッドが補強エレメントの長手方向軸線に対して非対称的に配置されている場合には、補強エレメントが引張荷重においても圧縮荷重または剪断・圧縮荷重においてもその長手方向に対して直交する向きで撓んで、ひいては高い曲げ応力を溶接シーム内に生ぜしめてしまうという認識を転換する。

請求項３０には、軽量構造構成部分のための１つの配置が記載されており、この配置では、補強エレメントの両脚片と外皮金属薄板とにより形成された空隙内に強化エレメントが位置しており、該強化エレメントが、外皮金属薄板および補強エレメントよりも明らかに高い弾性率を有した材料から成っており、かつ強化エレメントが補強エレメントもしくは外皮金属薄板の内の少なくとも一方のパートナーと形状結合式および／または摩擦力結合式に結合されている。外皮域が補強エレメントの長手方向軸線の方向で延伸する場合、強化エレメントと補強エレメントもしくは外皮金属薄板との間の摩擦力結合式および／または形状結合式の結合は補強エレメントのベース領域における、ひいては接合ゾーンにおける延伸を減じる。これにより、両溶接シームは荷重軽減されて、き裂進展に好都合な、溶接ゾーンにおけるミクロ構造にも関わらず、局所的に減じられたき裂進展速度が生ぜしめられる。き裂形成されていない強化エレメントの疲れ強さは外皮金属薄板および補強エレメントにおけるき裂伝播のための応力よりも遥かに大きいので、強化エレメントは、き裂が補強エレメントの両脚片および外皮域補強台座を横断したとしても、まだ無傷のままである。減じられたき裂進展速度の他に、残存強度も高められる。背景技術に比較して、強化エレメントが溶接シームの直接的な近傍に位置しており、ひいては外皮域と補強エレメントとの間の接合箇所へのき裂の接近時に応力強さを効果的に減じることができることは有利である。これにより、強化エレメントの本発明による配置は、損傷許容性に関するインテグラルな構造の欠点を回避もしくは軽減するのに適している。

請求項３１〜４９は請求項３０の有利な構成を示している。

請求項５０は本発明による軽量構造構成部分を製作するための主要な方法ステップについて述べている。請求項５１および５２は最も好都合な方法変化例としてのレーザビーム溶接の使用に関する。請求項５１では、アルミニウムのレーザビーム溶接時の溶接欠陥（気孔、スパッタ）の発生が適当なビーム形成により減じられるという認識が利用される。

さらに発明考案は、請求項５３および５４に記載の通り、接合を摩擦攪拌接合または接着により実施することを許可する。

請求項５５には、両側で同時に実施する接合により、この方法の、サイクルタイムを節減する変化例が記載される。ただし請求項５６に記載されている通り、従来の予想に反して、十分に欠陥のない溶接シームを、片側ずつ相前後して溶接され互いに分割されて位置する溶接シームによっても生ぜしめることができる。これにより可能となる、１つの共通の溶融池を形成して両側で同時に行う溶接を省略することは、軽量構造構成部分を本発明により構成する構造的な余地、ならびに簡単化された方法経過を可能にする。

請求項５７〜５９に記載された方法により、本発明による補強エレメントは特に有利には切削なしに機械的に製作される。請求項５７では、補強エレメントをそのウェブと共に製作するために、押出加工が極めて安価な方法として使用される。補強エレメントがフレームとして形成されると、補強エレメントが例えば航空機胴体の事例では弓形に構成されていなければならないという困難が生じる。そのような弓形の半製品は極めて有利には、請求項５８に記載の通り、押出加工中に押出加工工具の直後で横方向力が半製品に対して加えられると製作される。補強エレメントの高さがその厚さに比べて過度に大きい場合、請求項５９によれば、両脚片を、ローラ押し付け（Ｄｒｕｅｃｋｗａｌｚｅｎ）を用いた分割により製作するのがより有利である。

主要な方法ステップは補強エレメントおよび／または外皮金属薄板と強化エレメントとの間の摩擦力結合式および／または形状結合式の結合部の製作を成している。請求項６０〜６３はこれに関する有利な変化形を意味している。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。実施例は図１〜図１１に詳しく記載される。図中、同一の特徴を有する部分には同一の符号を付与した。

例１
航空機の胴体下面は、より高いバルジ安定性もしくは座屈安定性と、改善された剛性とを備えて構成されるべきである。同時に製作コストおよび重量は節減されるべきである。このために、リベット締めされた構造からレーザビーム溶接された構造へと本発明による構成では移行され、この構造は図１にストリンガ・外皮域の変化形として示されている。本例は優先的に請求項１〜５、請求項５０〜５２ならびに請求項５７〜５９に関する。

外皮域（１）は外皮域台座（１１）を有している。ストリンガヘッド（１２）に標準的に構成されるストリンガもしくは縦通材（２）は外皮金属薄板に面した側に２つの脚片（５，６）を有している。両脚片（５，６）の下面は水平に延びており、それにより平らに、同じく平坦な外皮域台座（１１）上に載置されている。両脚片（５，６）は、その中心線が外皮域台座（１１）の表面に対してそれぞれγ＝２０°の角度を形成する、２つの分割された接合ゾーン（７，８）によって素材結合式（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）に外皮域台座と結合されている。接合ゾーン（７，８）はレーザビーム溶接により生ぜしめられる。両接合ゾーンの深さの合計はストリンガ厚さｄ_ｓに相当する。

軽量構造エレメントの構成のために以下の寸法が選択される：
外皮域厚さ：ｄ_Ｈ＝１．６ｍｍ、ストリンガ高さ：ｈ_ｓ＝３１．５ｍｍ、外皮域台座の厚さ：ｄ_Ｈｓ＝２．４ｍｍ、外皮域台座の幅：ｂ_ＨＡ＝２３ｍｍ、脚片長さ：ｓ_ｓ＝８．５ｍｍ、ストリンガ厚さ：ｄ_ｓ＝３．３ｍｍ、ストリンガヘッド幅：ｂ_ｓ＝１７．５ｍｍ、接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さおよび溶接シームの接合深さ：ｔ_ｓ＝１．６５ｍｍ、両脚片（５，６）間の角度：α＝４０°、外皮域台座上での両脚片の内縁の間隔：ｂ_ｒｓ＝３．０ｍｍ。ストリンガも外皮域も、溶接可能なＡｌ材料、本事例では合金６０１３Ｔ４から製作される。外皮金属薄板（１）の肉厚化部（１１）はケミカルミーリングにより外皮金属薄板から作り出される。ストリンガ（２）は脚片（５，６）を含めて押出加工される。引き続き、外皮域（１）は真空緊締装置（Ｖａｋｕｕｍｓｐａｎｎｖｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）を用いて緊締される。溶接ヘッドに統合されて共に運動する緊締ユニットを用いて、ストリンガ（２）は対称的に外皮域台座（１１）上に位置決めされ、約２０ｋｇの力を加えることにより、外皮域（１）に圧着される。側方のローラによって、両脚片相互の位置が、ストリンガを外皮域上で方向付けることにより惹起される圧力または横向きの力の結果として、変化してしまうことは防止される。

接合はそれぞれ２８００Ｗの出力を有した２つのＣＯ_２レーザにより実施される。熱間き裂もしくは高温割れを回避するために、合金ＡｌＳｉ１２から成るワイヤ状の溶接付加材料と共に処理される。溶接ワイヤは０．８ｍｍの直径を有しており、４５００ｍｍ／ｍｉｎのワイヤ送り速度でもって供給される。溶接速度は４４００ｍｍ／ｍｉｎである。ひずみを最小化するために、両面で同時に溶接される。レーザビーム軸線と外皮域（１）の表面との間の角度γとしてγ＝２０°が調整される。

当業者の意見［例えばＨｅｉｄｅｒ著「Ｌａｓｅｒｇｅｒｅｃｈｔｅ Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏｎ ｕｎｄ ｌａｓｅｒｇｅｒｅｃｈｔｅ Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｍｉｔｔｅｌ ｚｕｍ Ｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ ｇｒｏｓｓｆｏｒｍａｔｉｇｅｒ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ−Ｓｔｒｕｋｔｕｒｂａｕｔｅｉｌｅ」（出典：『ＶＤＩ−Ｆｏｒｔｓｃｈｒｉｔｔｓｂｅｒｉｃｈｔｅ、Ｒｅｉｈｅ２：Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ、Ｎｒ．３２６』、ＶＤＩ出版、デュッセルドルフ、１９９４年）参照］によれば、溶接欠陥（熱間き裂、ポロシティ、スパッタ）の少ないストリンガ・外皮・結合は、両レーザビームの１つの共通の溶融池を保証した上での両側からの同時の溶接によってのみ達成され得る。

しかしながら、より新しい研究によれば、き裂がなくて、気孔が少なくて、かつスパッタがない溶接シームは、通常は円形のレーザビーム焦点の、適当なビーム形成によっても得られることが判っている。レーザビームを、送り方向で見て相前後して位置する２つのビームに分割することが特に有利であることが判っている。それゆえ、スパッタを回避するために、かつポロシティを減じるために、ツインスポットミラーが使用される。焦点の間隔として、レーザ出力が３５００Ｗで、両者の出力成分の分配が６０：４０の割合である場合には、０．３ｍｍが選択される。

全パラメータを調節した後、溶接プロセスが開始され、予定された接合ラインに沿ってＣＮＣ制御されてストリンガ緊締ユニットの連行下で進行する。溶接後にパネルはＴ６の状態で熱処理もしくは時効硬化処理される。

補強エレメント（２）の高さおよびヘッドにまで同一の幾何学的な寸法を有して、フレームが構成されてもよい。この場合、付加的に注意すべきことは、外皮域が半径Ｒ＝２８２０ｍｍでもって湾曲している点である。つまりフレームは、両脚片（５，６）の下面が同じ半径を備えた円筒シェルを成すように湾曲して構成されなければならない。このことは、押出加工時に押出加工工具の下流側でフレームヘッド方向の横方向力を作用させることにより実現される。本方法に従ってフレームの接合はストリンガと同様に進行する。

結果として、有利かつリベット締めに比較して安価かつ迅速に、しかも重量増加なしに、座屈ならびに周期的な圧縮荷重に対してより耐性を有していて、より剛性的な航空機胴体下面シェルが得られる。

この最も簡単な実施形態において、本発明による軽量構造エレメントは、船舶、特にスポーツボートおよびレースボートの、剛性的なアルミニウム・胴体の製作のためにも好適である。別の極めて有利な適用は圧力容器および真空容器である。

例２
別の本発明による利点は、明らかに良好な損傷許容特性へとつながる改良された実施形態を参照しながら説明される。本実施形態は特に、胴体側面領域および胴体上面領域のために、すなわち剪断・圧縮荷重および／または引張荷重のために適している。

このストリンガ・外皮・接合部は以下の寸法で設計される。すなわち、ストリンガ高さｈ_ｓ＝３７ｍｍ、ストリンガヘッド幅ｂ_ｓ＝２１ｍｍ、ストリンガ厚さｄ_ｓ＝４．４ｍｍ、外皮域の厚さｄ_Ｈ＝２．４ｍｍ、外皮域台座の厚さｄ_Ｈｓ＝３．４ｍｍ、外皮域補強エレメント（１３）の厚さｄ_Ｈｖ＝５．０ｍｍ、外皮域台座の幅ｂ_Ｈｓ＝１５．２ｍｍ、外皮域補強台座の幅ｂ_ｒｓ＝９．２ｍｍ、両脚片の分岐点の近傍における脚片厚さｂ_ｓ０＝２．２ｍｍ、脚片高さｓ_ｓ＝１１．０ｍｍ、接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さおよび同時に溶接シームの接合深さｔ_ｓ＝２．７ｍｍ、両脚片間の角度α＝４０°、接合面（７，８）と外皮域との間の角度β＝２２．０°、分岐点（１４）における半径０．６ｍｍ。

製造ステップは外皮域補強台座（１３）の製作までは例１における製造ステップと同様に経過する。両脚片（５，６）の内面と、外皮域補強台座の側面（１６）および接合面（９，１０）との間の、合致可能な当て付けを保証するために、これらの部位はＨＳＣフライス削りによって、前もって化学的な除去により生ぜしめられた外皮域（１）に作り出される。ただし、化学的な除去を完全に省略して、外皮金属薄板（１）の厚さ全体の断面形状をＨＳＣフライス削りにより製作することも可能である。

溶接パラメータとして以下の値が選択される：レーザ出力２８００Ｗ、溶接速度４０００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤ送り速度４０００ｍｍ／ｍｉｎ。外皮域の表面に対するレーザビーム軸線の傾きは接合面の傾きに応じてγ＝２２．２°に調節される。その他の全ての溶接パラメータは図１の溶接パラメータと同一に選択される。

そのようにして生ぜしめられた軽量構造・胴体シェルはヘッド引張強さ、バルジおよび座屈安定性、ならびに損傷許容性に関して特に高い値を有している。

同じストリンガ厚さｄ_ｓ＝４．４ｍｍを有した、両面で同時にレーザビーム溶接される通常の変化形に対して、ヘッド引張強さは約２３０ＭＰａから約３２５ＭＰａへと上昇する。さらに、求められたヘッド引張値の分散幅もしくはばらつきは著しく減少する。比較的高いヘッド引張値にもかかわらず、比較可能な荷重の場合、本発明による変化例における溶接シームレベルの材料変形は、４．４ｍｍから２×２．７ｍｍ＝５．４ｍｍへと拡大された接合部幅に基づいて比較的僅かである。

この場合、請求項１０による以下の割合が実現されている：ｔ_ｓ／ｄ_ｓ＝０．６１；ｂ_ｓ０／ｔ_ｓ＝０．８１；ｓ_ｓ／ｈ_ｓ＝０．３０；β＝２２°。後続の熱処理（Ｗａｒｍａｕｓｌａｇｅｒｕｎｇ）を省略すべき場合のために、接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さおよび溶接シームの接合深さｔ_ｓがｔ_ｓ＝４．９ｍｍに高められてもよい。これにより、その他の幾何学的なパラメータがコンスタントに維持された場合、ｔ_ｓ／ｄ_ｓ＝１．１１；ｂ_ｓ０／ｔ_ｓ＝０．４５が成立する。

剪断・圧縮荷重で負荷される胴体シェルでの使用に関する改善は図３に示される。ストリンガの非対称的な構成により、引張荷重においても、圧縮荷重および特に際立った剪断・圧縮荷重においても、曲げモーメントＭはストリンガヘッド（１２）の屈曲した端部の方向でストリンガに作用する（図３ａ参照）。この場合、最大で負荷される横断面は溶接シームにある。曲げモーメントに由来する力Ｆは溶接シーム表面において、

の高さの有効な曲げ応力へとつながり、その際、α_ＫＢは溶接シームの位置における曲げに関するノッチ形状係数（Ｋｅｒｂｆｏｒｍｚａｈｌ）であって、Ｌは外皮域長さもしくはストリンガ長さである。

これに対して本発明による解決策では、最も強く曲げ負荷される横断面はもはや溶接シーム自体ではなく、脚片分岐のレベルにある（図３ｃ参照）。変更されたてこ比と、溶接シームに比較して著しく大きなノッチ半径とに基づいて、最高に負荷された領域における有効な曲げ応力は、

に低下し、その際、α^ｒ _ＫＢは、半径ｒを有した脚片分岐の箇所における曲げに関するノッチ形状係数である。それぞれ最大で曲げ負荷される横断面での応力を比較すると、次の減少係数（Ａｂｍｉｎｄｅｒｕｎｇｓｆａｋｔｏｒ）Ｒ_１：

が得られる。

溶接シームにおける曲げ負荷は、図３ｃで見て下側の脚片の支持作用の結果として、ほぼ

の高さにある引張負荷σ^ｃ _Ｚｅｆｆに置き換えられる（α_ＫＺは溶接シームの箇所における引張荷重に関するノッチ形状係数）。

減少係数Ｒ_１と同様に、曲げモーメントＭの作用の結果としての、溶接シームにおける応力に関する減少係数Ｒ_２も定義され得る。

要するにこのことは、臨界的（極限的）な溶接シーム領域における圧縮荷重、剪断・圧縮荷重または引張荷重の結果としての材料変形が減少し、ひいてはレーザビーム溶接されたインテグラル構造もしくは一体構造が側面シェルおよび上面シェルのためにも使用可能であることを意味している。

本発明による解決策に比べれば、曲げにより惹起される材料変形を減少するための別の解決策、例えばストリンガウェブにおける肉厚化または図３ｂに示したようなストリンガベースの肥厚化はそれ程効果的ではない。例えばストリンガベースのみを肥厚化した場合、ヘッド引張強さは減少し、溶接シームにおける、確かに減じられはするもののそれでもまだ存在する曲げ荷重は、特に剪断・圧縮荷重または引張荷重における耐荷量を減じる。さらに、ヘッド引張強さの減少を補償するために、ひずみの拡大に至らしめる明らかに大きな溶接シーム深さが必要とされることは不都合である。

荷重事例「折れたストリンガの下でのき裂進展」では、溶接シームの直接的な近傍に設けられた外皮域補強台座（１３）がき裂先端近傍における応力過昇を減じるというポジティブな影響がもたらされる。これにより、溶接シームは、局所的に低いき裂進展速度に至る、減じられた延伸振幅（Ｄｅｈｎｕｎｇｓａｍｐｌｉｔｕｄｅ）に曝されるに過ぎない。第１の脚片における溶接シームが破損した後ですら、き裂進展速度はき裂分岐および外皮金属薄板における材料肉厚化により減じられる。さらに、重要であることは、ストリンガが第１の溶接シームおよび第１のストリンガ脚片の破損後でさえも、その安定させる作用をまだ失わないことである。これにより全体として、改善された損傷許容性および残存強度が得られる。

別の利点は、胴体パネルの組み立て中、胴体内部の解体時、または修理時における溶接シームの、意図せざる損傷の回避に関して存在している。例えば背景技術に従って構成された補強エレメント・外皮・接合部の場合、補強エレメント（フレームまたはストリンガ）に対して直交した（例えば組み立て中の衝突による）意図せざる機械的な荷重が早期に、剛性エレメントに何らかの示唆（例えば目に見える形で残された変形）を形成する以前に、亀裂を溶接シームに生成してしまう可能性があるのに対して、本発明による補強エレメントが適当な寸法を有している場合、脚片分岐のレベルは、溶接シームに有害な応力状態または変形状態が達成される前にこれに反応する目標変形箇所として働くことができる。

品質保証の観点からは、溶接シームの分割された位置によって、スパッタまたは極めて細長い気孔により成立し得るような最大の横断面弱化部ですら、両溶接シームの全横断面の最高で５０％を包括するに過ぎないというポジティブな影響を有している。溶接技術的には、高価値で欠陥のない溶接シームを保証する要求が以下の理由から大幅に減じられることは極めて有利である。すなわち、
‐両レーザビームの焦点はもはや必ずしも正確に当てられる必要はない。このことは、特に平坦でない部分を溶接する際に、溶接装置の案内精度に関する要求を減じる。
‐融合不良は簡単に回避することができる。それというのは、目下レーザビーム溶接ヘッドの寸法に基づいて２０°を大幅には下回ることのできない、レーザビーム軸線と接合面との間の角度が、今回可能な接合面の傾きによって、０°にまで減じられることができるからである。これにより、送り方向に対して垂直なレーザビームの案内精度に関する要求も低下し、融合不良の形成の危険が減少する。
‐接合面とレーザビーム軸線との間の角度に対する従来の要求と、その結果として予め規定された最小の溶接シーム幅との欠落により、より小さな区間エネルギでもって溶接されることができ、ひずみは減じられる。
‐溶接技術、溶接確実性およびひずみの観点からは、両側で同時の溶接の要求が省略され得る。

損傷許容性に対するさらに高い要求のために、両脚片（５，６）に、図４ａおよび図４ｂの側面図に示されているように、貫通孔を設けることができる。これらの貫通孔はクラック（き裂）ストッパとして働き、それというのは、クラックストッパ内に進入したき裂はその更なる伝播のためには先ず新しいき裂を準備しなければならないからである。その際、貫通孔（１５′，１５″）の形状および大きさは、貫通孔により引き起こされる補強エレメントの長手方向での剛性損失が可能な限り僅かであるように、かつその一方で貫通孔が、溶接シームを横断したき裂のための有効なクラックストッパとして働くように選択されている。この場合、貫通孔の形状は円形、長円形、長孔としてまたは丸み付けられた三角形として選択され得る。この場合、両脚片（５，６）の貫通孔（１５′，１５″）はその都度相互にずらされて配置されている。これにより、補強エレメント（２）の剛性を僅かに減じるだけで、き裂が貫通孔内に開口しそれにより損傷許容性が向上することが確保される。

例３
溶接された外皮域・ストリンガ・結合部の、損傷許容性を改善する別の変化形は図１０および図１１に示される。

上面シェル領域では、ストリンガ・外皮・結合部における溶接シームに沿って、高い引張応力が支配している。この引張応力はストリンガに対して平行に外皮域台座内に埋設された引張荷重軽減エレメントにより減じられることができる。その有利な実施形態では、引張荷重軽減エレメントは、極めて高強度の鋼材料、チタン材料またはＮｉ材料から成るワイヤから構成されている。損傷許容性に関するそのポジティブな作用は以下の２つの効果に起因する。第１に、引張荷重軽減エレメントはより高い弾性率に基づいて、ワイヤ軸線に沿った延伸に対し、引張荷重軽減エレメントを取り囲む外皮材料または溶接シームよりも高い抵抗を働かせ、それゆえに、引張荷重軽減エレメントはその周囲の荷重を軽減する。これにより、き裂が引張荷重軽減エレメント、ひいては溶接シームに接近すると、き裂進展速度は低下する。第２に、き裂が引張荷重軽減エレメントの周囲を横断した後でも、引張荷重軽減エレメントがまだ無傷で残されているので、残存強度は改善される。

本発明により複数の実施形態が可能である。図１０に応じて、例えば有利な実施変化例では、インコネル合金から成る多芯で高強度の２つのワイヤが直接的に両溶接シームの左右に、外皮域台座内にローラで押し込まれることができる。このような配置の場合、溶接シーム荷重軽減の効果は特に際立っている。ワイヤロープの押し込みとその構造化された表面とにより、引張荷重軽減エレメントと外皮金属薄板との、機械的に十分に強く負荷可能な結合が成立する。

別の配置（図１１参照）では、引張荷重軽減エレメントが外皮域補強台座の直下に埋入されている。この実施形態の場合、引張荷重軽減エレメントの収容は特に有利には外皮域補強台座の成形技術的な製作に結び付けられる。

例４
図５〜図７に詳細に示された実施例は損傷許容性に関する特に高い要求のために設計されている。

この実施形態は、両脚片（５，６）と外皮域補強台座（１３）とにより形成された空隙内に、外皮材料および補強エレメント材料に比べてより高い弾性率から成る強化エレメント（１７）が位置している点で優れている。本実施例では、強化エレメントはチタン合金Ｔｉ６Ａｌ４Ｖから成っている。この弾性率は、使用されたＡｌ合金が７１ＧＰａであるのに比して、１１０ＧＰａを数える。図５から判るように、強化エレメントは丸み付けられた頂点を備えた二等辺三角形の横断面を有している。強化エレメント（１７）の表面に、ローラがけ（Ｒｏｌｌｉｅｒｅｎ）により、交差する溝の配置が刻み込まれている。

この配置の実現のために、実施例２と同様の寸法が選択される。強化エレメント（１７）の寸法は以下の通りである：台座幅：ｂ_ｖ＝９．２ｍｍ、高さ：ｈ_ｖ＝１０．４ｍｍ。

方法ステップはやはり実施例２と同様に選択される。付加的に、ストリンガ（２）の押出加工後に強化エレメント（１７）がローラで押し込まれる。

両溶接シームの直接的な近傍に強化エレメントを備えた本解決策変化例の特別な利点は、ストリンガ長手方向軸線の方向で外皮域が荷重を受ける際に、直接的な溶接シーム近傍における延伸が、強化エレメントの、およびストリンガに対する形状結合式および／または摩擦力結合式の結合部の、より大きな弾性率の結果としてのより僅かな延伸によって減じられる点にある。このことは溶接シームにおける長手方向引張応力の減少として影響を及ぼす。上記の幾何学的なパラメータ下での評価では約６％の、溶接シーム近傍における応力減少が生ぜしめられる。き裂進展速度の、９５ＭＰａという臨界的な応力範囲にある主応力との強い依存性に基づいて、そこから明らかな寿命延長が結果として得られる。

さらに、貫通孔（１５′，１５″）をストリンガ（２）の脚片（５，６）に設けたにもかかわらず、ストリンガの剛性は背景技術に比べて減じられることはなく、これにより、クラックストップ機能が、外皮域の剛性の低下またはストリンガの支持機能の低下といった、別の不都合な結果を伴わず可能となる。

そのより高いき裂疲れ強さの結果として、強化エレメント（１７）は、き裂が両溶接シームを横断したとしても、まだ無傷のままである。このことは、ストリンガが後にき裂形成した後でも、一時的にき裂進展速度を減じる。き裂成長が増大するに伴い、き裂形成したストリンガの強化エレメントへの荷重移動が行われ、最終的にストリンガに沿って漸進的に、ストリンガとの摩擦力結合式および／または形状結合式の結合が解離して、強化エレメントはエネルギ消費の下で空隙から引き出される。この差異的な破損により残存強度が向上し、破断前の損傷進展はそれほど破滅的なことにはならない。

図６に示された変化例では、強化エレメント（１７）が管として構成されている。図７に示した変化例では、強化エレメント（１７）が溶接前に外皮金属薄板（１）に埋入される。この変化例の場合、溶接シームの延伸阻止は強化エレメントにより特に強く際立っている。

ストリンガ（２）の二辺の構成によって曲げ負荷から溶接シームを荷重軽減することと、強化エレメント（１７）の付加的な、局所的な応力減少の作用とに基づいて、有害な影響なしに、ストリンガヘッド（１２）はより大きな厚さで構成されてもよい（図８参照）。このことは特に剛性的な胴体シェルにつながる。この事例に関して、択一的には、ストリンガの間隔が拡大されてもよい。より大きなストリンガ間隔を達成するためには、ストリンガ（２）またはフレーム（２）から間隔Ｃを置いて付加的な外皮域ウェブ（１９）を外皮域に設けることが有利であることが判っている。外皮域ウェブ（１９）は特に簡単にケミカルミーリングにより製作される。

例５
いくつかの適用事例において、その実施形態ではフレームもしくはストリンガとしての補強エレメント（２）は、さらに付加的な付設部分、荷重受けエレメントまたは内皮を収容していなければならない。この適用にとって、発明考案を損ねることなく、補強エレメントを逆Ｕ字形の異形成形材として構成することが有利であり得る。図９は適当な実施形態を示している。この場合、両脚片（５′，６′）は補強エレメント（２）のヘッド（１２′）にまで延長される。別の特徴は、外皮域補強台座（１３′，１３″）が更なる重量節減のために分割されて構成され得る点にある。

第１の、特に簡単に製作し得る実施形態における軽量構造構成部分の横断面図である。

損傷許容性に関して高められた要求のための、本発明による構造構成部分の横断面図である。

レーザビーム溶接された従来技術によるストリンガ・外皮・結合部（ａ，ｂ）と、本発明によるストリンガ・外皮・結合部（ｃ）との、曲げ負荷の比較を表す図である。

統合されたクラックストッパを備えたストリンガまたはフレームの構成に関する、択一的な実施形態を示す図である。

剪断・圧縮耐荷量、損傷許容性および残存強度に関する最高の要求のための、装填された強化エレメントにより形成されているストリンガ・外皮・結合部の横断面図である。

最高に負荷可能なストリンガ・外皮・結合部の、第２の実施形態の横断面図である。

最高に負荷可能なストリンガ・外皮・結合部の、第３の実施形態の横断面図である。

外皮域の補強のための付加的なエレメントを備えた実施形態の横断面図である。

補強エレメントがＵ字形異形成形材として構成されている実施形態の横断面図である。

両溶接ゾーンの直接的な近傍において外皮金属薄板内部にワイヤ状の引張荷重軽減エレメントが位置している実施形態の横断面図である。

外皮域補強台座の直下にワイヤロープ状の引張荷重軽減エレメントを備えた実施形態の横断面図である。

符号の説明

１ 外皮金属薄板、外皮域
２ 補強エレメント（ストリンガ、フレーム）
３ 補強エレメントのベース（ストリンガベース、フレームベース）
４ 補強エレメントのウェブ（ストリンガウェブ、フレームウェブ）
５ 脚片１
５′ 脚片１（補強エレメントがＵ字形異形成形材として構成されている場合）
６ 脚片２
６′ 脚片２（補強エレメントがＵ字形異形成形材として構成されている場合）
７ 接合ゾーン１
８ 接合ゾーン２
９ 接合面１（接合ゾーン１の接続箇所）
１０ 接合面２（接合ゾーン２の接続箇所）
１１ 外皮域台座（肉厚化部）
１２ 補強エレメントのヘッド（ストリンガヘッド、フレームヘッド）
１２′ 補強エレメントのヘッド（補強エレメントがＵ字形異形成形材として構成されている場合）
１３ 外皮域補強台座
１３′，１３″ 外皮域補強台座（補強エレメントがＵ字形異形成形材として構成されている場合）
１４ 両脚片５，６の分岐点
１５′ 補強エレメントの脚片１に設けられた貫通孔
１５″ 補強エレメントの脚片２に設けられた貫通孔
１６，１６′，１６″ 外皮域補強台座１３，１３′，１３″の外面
１７ 強化エレメント
１８ 強化エレメントを収容するために外皮域補強台座に設けられた切欠き
１９ 外皮域ウェブ
２０ 補強エレメントのウェブに設けられた貫通孔
２１ レーザビーム軸線
２２ 引張荷重軽減エレメント
ａ 脚片１，２に設けられた貫通孔１５′もしくは１５″の間隔
ａ′ ウェブ４に設けられた貫通孔２０の間隔
ｂ_Ｈｓ 外皮域台座１１の幅
ｂ_ｒｓ 外皮域補強台座の幅、外皮域台座上での両脚片５，６の間隔
ｂ_ｓ 補強エレメントのヘッドの幅（ストリンガヘッド幅）
ｂ_ｓ０ 補強エレメントのベースの分岐の近傍における脚片厚さ
ｂ_ｖ 強化エレメント１７の台座幅
ｃ 補強エレメントの中心線と外皮域ウェブとの間の間隔
ｄ_Ｈ 外皮域厚さ
ｄ_Ｈｓ 外皮域台座を含めた外皮域の厚さ
ｄ_Ｈｖ 外皮域補強台座を含めた外皮域の厚さ
ｄ_ｓ 補強エレメントの厚さ（ストリンガ厚さ、フレーム厚さ）
Ｆ 曲げモーメントの結果としてストリンガに作用する力
Ｆ_ｖ 曲げモーメントの結果として分岐点に作用する力
ｈ_ｓ 補強エレメントの高さ（ストリンガ高さ、フレーム高さ）
ｈ_ｖ 強化エレメント１７の高さ
Ｍ ストリンガに作用する曲げモーメント
Ｒ 外皮域の曲率半径
Ｒ_１；Ｒ_２ 溶接シームにおける応力減少係数
ｒ 補強エレメントのウェブ４と両脚片５，６との間の移行部の曲率半径
ｓ_ｓ 脚片高さ
ｔ_ｓ 接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さ、溶接シームの接合深さ
α 両脚片５，６間の角度
α_ＫＢ 曲げ荷重に関するノッチ形状係数
α_ＫＺ 引張荷重に関するノッチ形状係数
α^ｒ _ＫＢ 脚片分岐の箇所における曲げ荷重に関するノッチ形状係数
β 接合ゾーン７もしくは８の接合面と外皮域１との間の角度
γ レーザビーム軸線２１と外皮金属薄板との間の角度
σ^{（ａ，ｂ，ｃ）} _Ｂｅｆｆ 実施形態（ａ，ｂ，ｃ）における、溶接シームに作用する有効な曲げ応力
σ^{（ａ，ｂ，ｃ）} _Ｚｅｆｆ 実施形態（ａ，ｂ，ｃ）における、溶接シームに作用する有効な引張応力
σ^{（ａ，ｂ，ｃ）０} _Ｂｅｆｆ 実施形態（ａ，ｂ，ｃ）における、補強エレメントのウェブ４と両脚片５，６との間の移行部に作用する有効な曲げ応力

Claims (63)

1. 少なくとも１つの外皮金属薄板（１）と、該外皮金属薄板（１）に沿って縦方向または横方向にまたは縦方向および横方向に配置された補強エレメント（２）とから成る、特に航空機のための軽量構造構成部分であって、補強エレメント（２）がその都度そのベース（３）でもって素材結合式に完全にまたは少なくとも部分的に外皮金属薄板（１）に結合されている形式のものにおいて、補強エレメント（２）のウェブ（４）が、外皮金属薄板（１）に面した側で、２つの脚片（５；５′，６，６′）から成っており、両脚片が２つの分割された接合ゾーン（７，８）により素材結合式に外皮域（１）に結合されていることを特徴とする、特に航空機のための軽量構造構成部分。
2. 外皮域（１）が接合ゾーン（７，８）の接続箇所（９，１０）の領域に肉厚化部（１１）を有している、請求項１記載の軽量構造構成部分。
3. 補強エレメント（２）が、縦方向に延びるストリンガとして形成されている、請求項１または２記載の軽量構造構成部分。
4. 補強エレメント（２）が、周方向に延びるフレームとして形成されている、請求項１または２記載の軽量構造構成部分。
5. 分割された接合ゾーン（７，８）がレーザビーム溶接ゾーンである、請求項１から４までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
6. 分割された接合ゾーン（７，８）が摩擦攪拌接合ゾーンである、請求項１から４までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
7. 分割された接合ゾーン（７，８）が、接着された接合ゾーンである、請求項１から４までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
8. 脚片（５，６）の内面の間に外皮域補強台座（１３）が位置しており、該外皮域補強台座（１３）の厚さｄ_Ｈｖが外皮域台座（１１）の厚さｄ_Ｈｓよりも大きく、外皮域補強台座（１３）の側面（１６）が、脚片（５，６）の内面に当て付けられているように構成されており、かつ両接合ゾーン１および２（７，８）が、外皮域補強台座（１３）の側面（１６）にまで達するように構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
9. 

   請求項１から８までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
10. 補強エレメント（２）の寸法に関して以下の関係：
    ａ）接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さｔ_ｓと補強エレメントの厚さｄ_ｓとの間の割合に関して、
    

    

    ｂ）脚片長さｓ_ｓと、補強エレメントの高さｈ_ｓとの間の割合に関して、
    

    

    ｃ）補強エレメントの両脚片の分岐の近傍における脚片厚さｂ_ｓ０と、接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さｔ_ｓとの間の割合に関して、
    

    

    ｄ）外皮域と接合ゾーンの接合面との間の角度βに関して、
    

    

    が成立する、請求項８または９記載の軽量構造構成部分。
11. 両脚片（５，６）が全角α＝１８０°でもって拡開されているので、両脚片（５，６）の内面が外皮域台座（１１）の表面に載着している、請求項１から７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
12. 補強エレメント（２）がＵ字形異形成形材から形成され、両脚片（５′；６′）が直接補強エレメントのヘッド（１２′）にまで延びている、請求項１から７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
13. 補強エレメント（２）のヘッド（１２′）が両側で、Ｕ字形異形成形材の、平行に延びる脚片（５′，６′）を超えて張り出している、請求項１から４まで、および請求項１２のいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
14. 補強エレメント（２）のヘッド（１２′）の、脚片（５′，６′）を超えてのび出ている両領域が、その都度１つの、外皮金属薄板（１）の方向を指し示す縁部領域を有している、請求項１から４まで、請求項１２および１３のいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
15. 外皮域補強台座（１３′，１３″）が分割されて構成されており、かつ該外皮域補強台座の両側の外面（１６′，１６″）が、脚片（５′，６′）の内面に当て付けられている、請求項１から４までおよび請求項１２から１４までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
16. 両接合面（９，１０）と、外皮域補強台座（１３）または（１３′，１３″）の外面（１６，１６′，１６″）とが、切削加工された表面を有している、請求項１または８記載の軽量構造構成部分。
17. 両脚片（５，６）に貫通孔（１５′，１５″）が位置しており、該貫通孔が間隔ａを置いて脚片（５，６）に沿って配置されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
18. 貫通孔（１５′，１５″）の境界壁の、接合面（９，１０）に対する間隔が、接合ゾーンのレベルにおける脚片厚さｔ_ｓの１倍半よりも大きい、請求項１から１７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
19. 貫通孔（１５′）と貫通孔（１５″）とが間隔ａ／２ずつずらされて配置されている、請求項１から１８までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
20. 貫通孔（１５′，１５″）が円筒形状を有している、請求項１から１９までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
21. 貫通孔（１５′，１５″）が、丸み付けられた角を備えた、等辺のまたはほぼ等辺の三角形の形状を有しており、貫通孔（１５′，１５″）が脚片（５，６）または（５′，６′）に沿って配置されており、その際、三角形の頂点が交互に外皮域（１）の方向と補強エレメント（１２）のヘッドの方向とを指し示している、請求項１から１９までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
22. 補強エレメント（５，６）または（５′，６′）の両脚片の両外面に、損傷許容性のある繊維強化された積層板から成るダブラが設けられている、請求項１から２１までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
23. 外皮域台座（１１）の内部には、補強エレメント（２）のウェブ（４）に対して対称的かつ接合ゾーン（７，８）の近傍に、１つから５つまでの引張荷重軽減エレメント（２２）が位置しており、該引張荷重軽減エレメント（２２）が、外皮金属薄板（１）の材料よりも、明らかに高い弾性率および高い疲れ強さを有した材料から成っている、請求項１から２２までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
24. 引張荷重軽減エレメント（２２）が高強度のワイヤロープから成っている、請求項１から２３までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
25. 引張荷重軽減エレメントが外皮域補強台座（１３）の直下に位置している、請求項１から２４までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
26. 外皮域補強台座（１３）が、引張荷重軽減エレメント（２２）のローラ押し込み時に合目的に変形される材料から成っている、請求項１から２５までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
27. 外皮域（１）に、補強エレメント（２）に対して平行または垂直にまたは垂直および平行に、外皮域ウェブ（１９）が位置している、請求項１から２６までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
28. 外皮域ウェブ（１９）の高さが外皮域補強台座（１３）の高さに等しく、かつ外皮域（１）に沿った補強エレメント（２）の間隔が、外皮域ウェブ（１９）の間隔Ｃの整数倍である、請求項１から２７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
29. 補強エレメントのヘッド（１２）が対称的に形成されており、かつ中央で補強エレメントのウェブ（４）上に配置されている、請求項１から２８までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
30. 少なくとも１つの外皮金属薄板（１）と、該外皮金属薄板（１）に沿って縦方向または横方向にまたは縦方向および横方向に配置された補強エレメント（２）とから成る、特に航空機のための軽量構造構成部分であって、補強エレメント（２）がその都度そのベース（３）でもって素材結合式に完全にまたは少なくとも部分的に外皮金属薄板（１）に結合されている形式のものにおいて、補強エレメント（２）のウェブ（４）が、外皮金属薄板（１）に面した側で、２つの脚片（５，６）から成っており、両脚片が２つの分割された接合ゾーン（７，８）により素材結合式に外皮域（１）に結合されており、外皮域（１）が接合ゾーン（７；８）の接続箇所（９，１０）の領域に肉厚化部（１１）を有しており、かつ両脚片（５，６）と外皮域補強台座（１３）とにより形成された空隙内に強化エレメント（１７）が位置しており、該強化エレメント（１７）が、外皮金属薄板（１）または補強エレメント（２）の材料の弾性率よりも大きな弾性率を有した高強度の材料から成っており、かつ強化エレメント（１７）が摩擦力結合式および／または形状結合式に、両脚片（５，６）および／または外皮域補強台座（１３）に結合されていることを特徴とする、特に航空機のための軽量構造構成部分。
31. 補強エレメント（２）が、縦方向に延びるストリンガとして形成されている、請求項３０記載の軽量構造構成部分。
32. 補強エレメント（２）が、周方向に延びるフレームとして形成されている、請求項３０記載の軽量構造構成部分。
33. 分割された接合ゾーン（７，８）がレーザビーム溶接ゾーンである、請求項３０から３２までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
34. 分割された接合ゾーン（７，８）が摩擦攪拌接合ゾーンである、請求項３０から３２までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
35. 分割された接合ゾーン（７，８）が、接着された接合ゾーンである、請求項３０から３２までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
36. 両接合面（９，１０）と、外皮域補強台座（１３）の外面（１６）とが、切削加工された表面を有している、請求項３０から３５までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
37. 強化エレメント（１７）の表面が粗面化部または表面異形成形部を有していて、該粗面化部および表面異形成形部の圧痕が、両脚片（５，６）の両内面および／または外皮域強化台座（１３）の表面に位置していることによって、組み合わされた摩擦力結合および形状結合が実現されている、請求項３０から３６までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
38. 両脚片（５，６）および外皮域補強台座（１３）により形成された空隙と、強化エレメント（１７）の横断面とが、同一の、丸み付けられた頂点を有した二等辺三角形を形成している、請求項３０から３７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
39. 強化エレメント（１７）がワイヤまたは管として形成されており、外皮域補強台座（１３）が、ワイヤ直径または管直径を有した円区分として構成されており、補強エレメント（２）のベースにおける両脚片（５，６）の分岐が、ワイヤまたは管を約１８０°の巻き付け角でもって包囲するように形成され、かつ両脚片（５；６）が互いに平行に位置し、該脚片（５；６）の両内面の間隔がワイヤまたは管の直径に等しい、請求項３０から３７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
40. 外皮域補強台座（１３）が、強化エレメント（１７）を収容するための切欠き（１８）を有している、請求項３０から３７までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
41. 補強エレメント（２）のウェブ（４）または脚片（５，６）が貫通孔（２０，１５′，１５″）を有しており、該貫通孔が、間隔ａを置いて、ウェブ（４）に沿ってまたは脚片（５，６）に沿って配置されている、請求項３０から４０までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
42. 貫通孔（２０，１５′，１５″）が円形に形成されている、請求項４１記載の軽量構造構成部分。
43. 貫通孔（２０，１５′，１５″）が、丸み付けられた角を備えた、等辺のまたはほぼ等辺の三角形の形状を有しており、三角形がウェブ（４）または両脚片（５，６）に沿って配置されており、その際、三角形の１つの頂点が交互に外皮域（１）の方向と補強エレメント（１２）のヘッドの方向とを指し示している、請求項４１記載の軽量構造構成部分。
44. 貫通孔（１５′および１５″）が間隔ａ／２ずつずらされて配置されている、請求項４１から４３までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
45. 外皮域台座（１１）の内部には、補強エレメント（２）のウェブ（４）に対して対称的かつ接合ゾーン（７，８）の近傍に、２つまたは４つの引張荷重軽減エレメントが位置しており、該引張荷重軽減エレメントが、外皮金属薄板（１）の材料よりも、明らかに高い弾性率および高い疲れ強さを有した材料から成っている、請求項３０から４４までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
46. 引張荷重軽減エレメント（２２）が高強度のワイヤロープから成っている、請求項３０から４５までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
47. 外皮域（１）に、補強エレメント（２）に対して平行または垂直にまたは平行および垂直に、外皮域ウェブ（１９）が位置している、請求項１または３０記載の、および／またはそれぞれの従属請求項のいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
48. 外皮域ウェブ（１９）の高さが外皮域補強台座（１３）の高さに等しく、かつ外皮金属薄板（１）に沿った補強エレメント（２）の間隔が、外皮域ウェブ（１９）の間隔Ｃの整数倍である、請求項４７記載の軽量構造構成部分。
49. 補強エレメントのヘッド（１２）が対称的に構成されており、かつ中央で補強エレメント（２）のウェブ（４）上に配置されている、請求項３０から４８までのいずれか１項記載の軽量構造構成部分。
50. 請求項１から４９までの少なくともいずれか１項記載の、特に航空機のための軽量構造構成部分を製作する方法において、以下のステップ：
    ａ）外皮金属薄板（１）の肉厚化部（１１）を作り出すための、ケミカルミーリングまたは機械的なフライス削り、
    ｂ）補強エレメント（２）の押出加工、
    ｃ）外皮域（１）の緊締、
    ｄ）外皮金属薄板（１）の肉厚化部（１１）上での補強エレメント（２）の対称的な位置決め、
    ｅ）接合面１および２（９，１０）の平らな当て付けを実現するための、補強エレメント（２）の緊締、
    ｆ）少なくとも局所的な機械的な緊締の下で、分割された２つの接合ゾーンによる、外皮金属薄板（１）と補強エレメント（２）との接合
    に従って製作することを特徴とする、軽量構造構成部分を製作する方法。
51. 接合をレーザビーム溶接により実施する、請求項５０記載の方法。
52. レーザビーム溶接のためにレーザビーム焦点を、該レーザビーム焦点が送り方向で延びているかまたは２つの部分ビームに分割されているように形成する、請求項５１記載の方法。
53. 接合を摩擦攪拌接合により実施する、請求項５０記載の方法。
54. 接合を接着により実施する、請求項５０記載の方法。
55. 補強エレメント（２）の両脚片（５，６）もしくは（５′，６′）の、外皮金属薄板（１）との接合を両側で同時に実施する、請求項５０から５４までのいずれか１項記載の方法。
56. 補強エレメント（２）の両脚片（５，６）もしくは（５′，６′）を片側で順に外皮金属薄板（１）に接合する、請求項５０から５４までのいずれか１項記載の方法。
57. 両脚片（５，６）もしくは（５′，６′）を、押出加工を用いてかつ押出加工中に形成する、請求項５０から５６までのいずれか１項記載の方法。
58. 補強エレメント（２）がフレームである場合、フレーム（２）を、脚片（５，６）もしくは（５′，６′）の両下面が有する半径が外皮域台座（１１）の内面の半径に等しいような半径を備えて押出加工する、請求項５７記載の方法。
59. 補強エレメント（２）を従来通り押出加工し、両脚片（５，６）を、ローラ押し付けを用いた後続の分割により製作する、請求項５０から５６までのいずれか１項記載の方法。
60. 強化エレメント（１７）を、外皮金属薄板（１）上に補強エレメント（２）を位置決めする前に、補強エレメント（２）の脚片（５，６）の間にまたは外皮域補強台座（１３）の切欠き（１８）内に挿入し、かつ機械的な変形によって形状結合式および／または摩擦力結合式に補強エレメント（２）または外皮域補強台座（１３）に結合する、請求項３０から４９までの少なくともいずれか１項記載の軽量構造構成部分を製作する、請求項５０から５９までのいずれか１項記載の方法。
61. 機械的な変形をローラ押し込みにより実施する、請求項６０記載の方法。
62. 補強エレメント（２）と強化エレメント（１７）との間の摩擦力結合式および／または形状結合式の結合を同時押出により形成する、請求項６０記載の方法。
63. 補強エレメント（２）と強化エレメント（１７）との間の摩擦力結合式および／または形状結合式の結合を形成するための機械的な変形を、緊締技術によって、接合プロセスの直前または接合プロセスの前段階に行う、請求項６０記載の方法。

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