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JPH0661885B2 - 可変密度コアを有する複合要素 - Google Patents

可変密度コアを有する複合要素

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Publication number
JPH0661885B2
JPH0661885B2 JP3225342A JP22534291A JPH0661885B2 JP H0661885 B2 JPH0661885 B2 JP H0661885B2 JP 3225342 A JP3225342 A JP 3225342A JP 22534291 A JP22534291 A JP 22534291A JP H0661885 B2 JPH0661885 B2 JP H0661885B2
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JP3225342A
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ブライアン・アーサー・ロスィ
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、一般に構造要素に関
し、特に、特定の荷重条件を受ける構造要素に関する。
【０００２】
【従来の技術】はり（ビーム）、平板（プレート）およ
び胴（シェル）の形態に作製した複合構造要素は、建築
物から航空機まで種々広範な構造体に使用されている。
これらの複合要素は、代表的には、内部コア材料とそれ
を囲むモノリシック外皮（スキン）とからなり、構造技
術者が複合要素を特定の特性をもつように改変できるも
のである。このような複合要素の例が種々の工業分野で
見い出され、航空機工業では、ハニカムコアとアルミニ
ウムスキンを有する航空機翼として、音響工業では、特
定のオーディオ特性を有する要素として、建築工業で
は、絶縁コアとそれに取り付けた乾式壁体のようなモノ
リシックスキンを有する要素として、そして炉工業で
は、セラミックコアと鋼スキンを有する要素として用い
られている。所定のコア材料、たとえばセラミック材料
に関して、コア密度が要素の強さに直接関係することが
知られている。米国特許第４，５３９，２５２号、第
４，３５５，７５４号、第３，８６４，４４４号、第
３，８１６，２３３号、第３，０６６，０５９号および
第２，８６６，７３０号に、コア密度がコア厚さに沿っ
て変化する要素が開示されている。
【０００３】航空工業では、航空機の重量を減らすこと
により、航空機が輸送できるペイロードを増加し、その
燃料効率を向上させることができるので、航空機から余
分な重量をなくす手段として複合要素に特に大きな関心
が払われている。航空機の全体重量を著しく増加する特
定の領域はエンジンである。エンジンに必要とされる構
造要素は、高温と高圧の両方を受ける。これらの構造要
素には、一般に、高い温度および圧力勾配に耐えること
にできるコアを有する複合材料を用いる。さらに、これ
らの要素は通常、平板やはりの形態をとり、その端縁
（エッジ）に沿って構造フレームに取り付ける。上記の
条件下で、これらの要素は、平常の曲げ応力よりはるか
に大きいせん断応力およびせん断力を発揮し、そのた
め、これらの要素が破損する場合、それはせん断応力の
せいである。さらに、せん断応力は取付け端縁で最大で
あり、要素の長さに沿って変化し、せん断応力は要素の
中間部分で最小になる。
【０００４】現在の構造要素は、機械特性の要求が要素
の幅に沿って大きく変わっている場合であっても、その
長さに沿って一定の機械的特性をもっている。この結
果、上述したエンジン要素の場合のように、要素が要素
の端縁付近にしか大きなせん断強さ特性を必要としない
場合でも、過剰設計の、必要以上に重い要素となってし
まう。
【０００５】したがって、この発明の目的は、特定の領
域での必要な強さを犠牲にすることなく、軽量の構造用
複合要素を提供することにある。
【０００６】
【発明の概要】この発明の複合要素は、２つの表面を有
するコアを含む。コアは、長さ方向軸線に沿った長さお
よび長さ方向軸線に直交する横方向軸線に沿った厚さを
有する。コアの密度は長さ方向軸線に沿って変化する。
２枚の表面シートがそれぞれ対応するコアの表面に被着
されている。コアは、厚さに沿っては一定の密度を持
ち、セラミック材料またはウレタン材料製とすることが
できる。表面シートは金属またはポリマー母材複合材料
とすることができ、後者の場合、その樹脂母材材料をエ
ポキシ、ポリイミド、ポリエステルおよびウレタンから
選び、繊維成分をアラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維
およびポリエステル繊維から選ぶことができる。コアの
長さが厚さより著しく長く、各表面シートの厚さがコア
の厚さより著しく小さいのが好ましい。この要素ははり
（ビーム）、平板（プレート）またはシェルとすること
ができる。
【０００７】複合要素は、サポート構造に装着するよう
に構成でき、コアは長さ方向軸線に沿って配置された、
サポート構造への取付け用第１端部分および第２端部分
を有し、そしてこれら第１端部分と第２端部分の中間に
配置された中間部分を有する。コアはその密度がコアの
長さに沿って変化し、第１端および第２端で最大で、そ
して中間部分で最小である。コアの密度は、第１端から
中間部分まで連続的に減少し、中間部分から第２端まで
連続的に増加する。
【０００８】複合要素は、２つの表面の一方が他面より
著しく大きな圧力を受ける、高温用複合要素とすること
もできる。
【０００９】複合要素は、サポート構造に装着するシェ
ルとすることもでき、この場合複合要素を構成するシェ
ル状コアは、２つの表面を有し、長さ方向軸線に沿って
延在する長さおよび厚さを有する。コアの密度はコアの
円周に沿って変化する。２枚の表面シートがコアの表面
それぞれに取り付けられる。複合要素は円筒形とするこ
とができる。さらに、コアの密度はコアの長さに沿って
も変化する。
【００１０】
【実施例の記載】図１は長さｌ、厚さｈの単純に支持さ
れた複合要素またははり（ビーム）１０を示す。はり１
０の長さｌは厚さｈより著しく大きい。はり１０の長さ
は長さ方向軸線ｘに沿って延在し、厚さは長さ方向軸線
に直角な横方向軸線ｙに沿って延在する。はり１０はそ
の長さに沿って、はりの長さ方向軸線に直角に作用する
均一な荷重ｗ ｌｂ／ｆｔを受ける。はり１０の第１端
を１２で、第２端を１４で、両方の端部１２および１４
から等距離に位置する中間部を１６で示す。端部サポー
ト構造１８、２０ははり１０をその端部１２、１４で単
純に支持する。
【００１１】用語「単純な支持」は、端部サポートがは
りに力だけを発揮することができ、なんらモーメントを
発揮しないことを意味する。したがって、はりが荷重の
下で反るときに、サポートの位置でのはり端部の角回転
になんの拘束も加えられない。はりの軸線の方向にはな
んの力も存在しないように、サポートの少なくとも１つ
は水平移動できなければならない。均一な荷重ｗを受け
るはり１０は、航空機に用いる構造要素、特にエンジン
に関係する構造要素の適切な表示である。
【００１２】均一な荷重状態で、端部１２、１４でのせ
ん断力反力はｗｌ／２に等しい。端部１２から距離ｘで
の断面におけるはりのせん断力および曲げモーメント
は、つぎの関係式から求めることができる。
【００１３】 ここで、Ｖｘはせん断力、 ｘは端部１２からの長さ方向距離、 Ｍｘは曲げモーメントである。
【００１４】ティモシェンコ、ヤング著「材料の強さの
要素」第５版（Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｔｒｅｎｇ
ｔｈ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋ
ｏ ＆ Ｙｏｕｎｇ，５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ）第１０
６頁参照。
【００１５】図４は、均一な荷重ｗを受けるはり１０の
せん断力をはり長さｌの関数として示すグラフである。
せん断力の式と図４のグラフから、Ｖｘがｘに関して直
線的に変化することが明らかである。
【００１６】航空工業用の構造要素を設計する上で、構
造要素が、その塑性変形や破損につながる力を受けない
ことが重要である。厚さｈの長方形断面を有し、均一に
分布した横荷重を受ける単純支持ばりの場合、はりの中
立軸線からの距離ｙでの垂直応力σｘとせん断応力（τ
ｘｙ）は、次のように計算できる。
【００１７】
【００１８】
【数１】 ここで、Ｉははりの中立軸線に関する断面積の慣性モー
メントである。前掲の「材料の強さの要素」第１７９頁
参照。
【００１９】一般に、航空機エンジンの構造要素は、曲
げ応力ではなくて、大きなせん断応力のために破損す
る。上記式および図４から分かるように、均一な荷重ｗ
を受けている単純支持ばり１０では、端部１２、１４ま
たはその付近に最大のせん断力が生じ、中間部１６に最
小のせん断力が生じる。現在、構造要素は、はりの全長
にわたって最大せん断力に耐えるように設計されてい
る。
【００２０】従来、航空用途に用いられる複合構造要素
は、図２に示すように、２つの表面２２、２３を有する
コア２１と、コアのそれぞれの表面に付着した２つの表
面シート２４、２６とから構成されている。この要素１
０は、一方の表面が他方の表面より著しく大きい圧力を
受ける高温複合要素の代表例でもある。コアの長さは長
さ方向軸線ｘに沿って延在し、コアの厚さは長さ方向軸
線ｘに直角な横方向軸線ｙに沿って延在する。コアはセ
ラミック、ウレタンまたはハニカム構造で形成され、ま
た表面シートはアルミニウムや鋼などの金属とすること
ができ、これらの材料は当業界で周知である。コア材料
の強さはコアの密度（ρ）に直接関係しており、したが
って、コアの密度が高いほど、コアは強くなる。さら
に、現在の設計では、コアの密度は図５のグラフに示す
ように、コアの長さに沿って一定（ρａ）である。この
結果、図８のグラフに示すように、はりの端部１２、１
４に存在する大きなせん断力をその全長にわたって支え
ることができるはりが得られるが、そのような大きな力
をうけるのは、はりのごく一部に過ぎない。ところが、
はり１０は、その長さに沿ってコア密度が一定であるの
で、必要以上に重い。
【００２１】図３は、この発明にしたがって構成した複
合構造要素またははり（ビーム）１０の好適な実施例を
示す。はり１０は、２つの表面２８、２９を有するコア
材料２７と、２つの表面シート３０、３２とを含む。コ
アの長さは長さ方向軸線ｘに沿って延在し、コアの厚さ
は長さ方向軸線ｘに直角な横方向軸線ｙに沿って延在す
る。コア２７の密度はコア２７の長さに沿って変化し、
コア２７の幅に沿って一定である。コア２７の長さはそ
の厚さより著しく、たとえば約１０倍以上、大きく、コ
ア２７の厚さは表面シート３０、３２の厚さより著しく
大きい。図６は、コア２７の理論密度を、図１に示す荷
重条件を受けるはり１０の長さに関して示したグラフで
ある。コア２７のその長さに沿った理論密度は、はり１
０の長さに沿って存在するせん断力に直接関係してお
り、密度（ρａ）ははり端部１２、１４で最大で、中間
部１６で最小、すなわち０である。この結果得られるは
りは、図５と図６との比較から明らかなように、極めて
軽量である。しかし、実際には、はり１０の設計に種々
の安全係数や垂直曲げ応力も考慮しなければならず、し
たがって、実際のコア密度は図６に示すものより大き
い。図７は、コア２７の実際の密度を、図１に示す荷重
条件を受けるはり１０の長さに沿って示したグラフであ
る。コア２７の密度ははりの長さに沿って変化し、図７
に示すように、はり端部１２から中間部１６まで連続的
かつ線形に減少し、そして中間部１６から端部１４まで
連続的かつ線形に増加する。この発明に従って構成した
はりは、同じコア材料の従来のはりの重量に比べて、約
３０〜３５％軽くなる。
【００２２】実際のコア密度は、はりの端部が固定され
ているか、単純に支持されているかに応じて、また荷重
条件に応じて変えることができる。さらに、この発明
は、可変密度コアを有するプレート複合材やシェル複合
材にも適用できる。当業界で周知の、古典的な応力解析
や有限要素応力解析を用いて、必要とされる適正な可変
コア密度を決定することができる。また、この発明は、
プレートやシェル、たとえばチューブ状円筒構造部材に
も同様に適用できる。
【００２３】図１０〜図１２はこの発明の第２の実施例
として、内部単位圧力ｗを受ける、厚さより長さが著し
く大きい円筒形タンクまたはシェル１００を示す。タン
ク１００は外面シート１０２および内面シート１０４を
有し、これら両方のシートが、図３に示したのと同様
の、シェル状可変密度円筒形コア材料１０５に付着して
いる。２つのサポート１０６および１０８が外面シート
１０２に接触し、タンク１００を地面１１０から支持し
ている。この配置は、回転するブレードを収容する航空
機エンジン用のシュラウドアセンブリを表わす。
【００２４】タンク１００は３つの応力、すなわち、子
午線方向応力（σ１）（長さ方向の応力）、フープ応力
（σ２）（円周方向断面の応力）および半径方向応力
（σ３）（はりのせん断応力に類似）を受ける。フープ
応力は次の式で計算できる。
【００２５】 ここで、σ２＝フープ応力、 ｗ＝単位圧力、 Ｒ＝タンクの円周の曲率半径、 ｔ＝タンク厚さ、 タンク１００の長さおよびＲはｔより著しく大きい。
【００２６】一般に、子午線方向応力は無視でき、フー
プ応力は一定である。円筒１００の半径方向応力を測定
するには、タンク１００を、図１０に破線で示すよう
に、円筒の周囲に沿って配置され、側辺同士でつながっ
た一連の狭い軸線方向要素１１０としてモデル化し、こ
の軸線方向要素１１０がタンクの半径方向応力に等しい
せん断応力を受けるはりであるとして、この要素１１０
に同様の解析を行う。半径方向応力は長さ方向軸線に沿
って変化するだけでなく、タンクの円周のまわりにも変
化する。つまり、サポート１０６および１０８に隣接す
る軸線方向要素は最大値の半径方向応力を受け、それら
から１８０°の位置の軸線方向要素は最小値の半径方向
応力を受ける。図１３は、図１２に示した軸線方向要素
１１０のせん断力荷重のグラフである。タンク１００に
沿った任意の点での合計応力は、σ１＋σ２＋σ３の和
に等しい。一般に、σ１とσ２はタンク１００全体にわ
たって一定である。したがって、コア１０５の密度は、
合計応力が最大である区域、すなわちサポート１０２お
よび１０６に隣接する端部断面の近くで最大で、そして
長さ方向軸線およびタンク円周両方に沿って変化する。
コア密度はタンク１００の頂部の近くで最小である。こ
の結果、コア密度が一定なタンクよりはるかに軽いタン
クが得られる。
【００２７】円筒形加圧タンク１００の端部に半球形の
キャップが設けられ、フランジ付き端部にプレートがボ
ルト止めされている場合、その半球形キャップとフラン
ジとの継ぎ目付近に応力不連続または応力集中が存在す
る。不連続は、タンク１００の他の領域と比べて、継ぎ
目付近の高い応力σ１、σ２、σ３の組み合わせで表わ
される。したがって、このようなタンクにおいて、コア
密度を継ぎ目付近で最大とする必要があり、そしてコア
密度を、タンクの領域がこれらの継ぎ目点から離れるに
つれて減少させることができ、この結果、軽量なタンク
が得られる。
【００２８】この発明のさらに他の実施例として、プレ
ートまたはパネル１５０を図１４に示す。プレートの長
さおよび幅は厚さより著しく大きい。パネル１５０は正
方形で、その上面に均一な横荷重ｗを受ける。パネル１
５０は、可変密度コア材料１５６の表面それぞれに装着
した上面シート１５２および下面シート１５４を含む。
パネル１５０はその角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのまわりで単純に
支持されている。パネル１５０は正方形で、辺１５８の
長さｌが同じであるので、各角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄでの反力
はｗｌ2 ／４に等しい。
【００２９】パネル１５０は応力σｘ、σｙ，σｘｙ，
σｘｚおよびσｙｚを受ける。これらの応力は、当業界
で周知の種々の数学的技法およびコンピュータ技法によ
り近似することができる。辺に沿ったσｘｚおよびσｙ
ｚはせん断力に直接関係している。図１５は、パネル１
５０の辺に沿った近似せん断力を示す。一般に、パネル
１５０の辺に沿ったσｘ、σｙおよびσｘｙは、σｘｚ
およびσｙｚより著しく小さい。したがって、合計応力
（σｘ＋σｙ＋σｘｙ＋σｘｚ＋σｙｚ）は角Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄおよびその付近で最大で、そして辺１５８に沿っ
た中間部で最小である。したがって、パネルの辺に関し
て、コア密度は角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ近くで最大である。プ
レートの残りの部分についても、前述したような応力解
析技法を用いて、適正なコア密度を決定することができ
る。
【００３０】前述したように、はりのコア材料として
は、密度の異なるウレタンやセラミックを使用すること
ができる。同様に、パネルやタンク用のコア材料として
も、密度の変化するウレタンを使用することができる。
密度の変化するウレタンコアを製造するには、複数の密
度の異なるウレタン材料を１つのモールドの異なる所定
の位置に射出し、硬化させ、こうして可変密度構造を得
る。あるいは、密度の異なるウレタン・フォームから作
った複数の硬化部分を互いに接着して、可変密度はり、
パネルまたは円筒を得ることもできる。また、コアを押
し出すこともでき、それには、密度の異なる複数のウレ
タン・フォームを、モールドの長さおよび／または幅に
沿った所定の位置に同時に射出し（モールドの長さおよ
び幅は構造要素の長さおよび幅に対応する）、構造要素
を硬化させる。複合要素はポリマー母材の複合材とする
ことができ、この場合、母材材料をエポキシ、ポリイミ
ド、ポリエステルおよびウレタンから選び、繊維成分を
アラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維およびポリエステ
ル繊維から選ぶ。
【００３１】この発明の好適な実施例を説明したが、こ
の発明の要旨の範囲内で他の種々の実施例が可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】均一な圧力荷重を受けている単純支持ばりの側
面図である。
【図２】長さ方向軸線に関して密度が均一な複合要素の
断面図である。
【図３】長さ方向軸線に関して密度が変化するこの発明
の複合要素の断面図である。
【図４】図１のはりのせん断力荷重をはりの長さの関数
として示すグラフである。
【図５】図２のはりのコアの密度を長さに対して示すグ
ラフである。
【図６】この発明にしたがって構成したはりの理論的な
コア密度をはりの長さに対して示すグラフである。
【図７】この発明にしたがって構成したはりの実際のコ
ア密度をはりの長さに対して示すグラフである。
【図８】コア密度の一定なはりの最大せん断強さをはり
の長さに対して示すグラフである。
【図９】この発明に従って構成したはりの最大せん断強
さをはりの長さに対して示すグラフである。
【図１０】サポートに乗った、内部分布荷重を受ける円
筒形タンクの側面図である。
【図１１】図１０の円筒形タンクの端面図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線方向断面図であ
る。
【図１３】図１２の断面のせん断力荷重をはりの長さの
関数として示すグラフである。
【図１４】４つの角で単純保持された、均一な圧力荷重
を受ける正方形プレートの斜視図である。
【図１５】図１４のプレートの辺ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ、Ｄ
Ａに沿ったせん断力荷重のグラフである。
【符号の説明】
１０ 複合要素（はり） １２、１４ 端部 １６ 中心部 １８、２０ サポート ２７ コア ２８、２９ コア表面 ３０、３２ 表面シート １００ タンク １０２、１０４ 表面シート １０５ コア １５０ プレート １５２、１５４ 表面シート １５６ コア １５８ 辺

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの表面を有し、長さ方向軸線に沿った
    長さおよび長さ方向軸線に直交する横方向軸線に沿った
    厚さを有し、密度が長さに沿って変化するコアと、それ
    ぞれ対応するコアの表面に付着した２枚の表面シートと
    を備える複合要素。
  2. 【請求項２】任意の長さ方向位置でのコアの密度がコア
    厚さ方向に一定である請求項１に記載の複合要素。
  3. 【請求項３】上記コアがセラミック材料からなる請求項
    １に記載の複合要素。
  4. 【請求項４】上記コア材料がウレタン・フォームからな
    る請求項１に記載の複合要素。
  5. 【請求項５】上記表面シートが金属からなる請求項１に
    記載の複合要素。
  6. 【請求項６】上記表面シートが繊維強化ポリマー材料ま
    たはポリマー母材複合材料からなる請求項１に記載の複
    合要素。
  7. 【請求項７】上記長さ方向軸線に沿ったコアの長さがコ
    アの厚さより著しく大きく、上記表面シートそれぞれの
    厚さがコアの厚さより著しく小さい請求項１に記載の複
    合要素。
  8. 【請求項８】コアの密度がコアの長さに沿って連続的に
    変わる請求項１に記載の複合要素。
  9. 【請求項９】上記要素がはりである請求項１に記載の複
    合要素。
  10. 【請求項１０】上記要素がプレートである請求項１に記
    載の複合要素。
  11. 【請求項１１】上記要素がシェルである請求項１に記載
    の複合要素。
  12. 【請求項１２】コアが２つの表面を有し、長さ方向軸線
    に沿った長さおよび長さ方向軸線に直交する横方向軸線
    に沿った厚さを有し、長さが厚さより著しく大きく、上
    記コアは長さ方向軸線に沿って配置された、サポート構
    造への取付け用第１端部分および第２端部分を有し、そ
    してこれら第１端部分と第２端部分の中間に配置された
    中間部分を有し、上記コアはその密度がコアの長さに沿
    って変化し、上記第１端部分および第２端部分で最大密
    度を有し、そして上記中間部分で最小密度を有し、２枚
    の表面シートがそれぞれ対応するコアの表面に付着し
    た、サポート構造に取り付ける複合要素。
  13. 【請求項１３】上記コアの密度が第１端部分から中間部
    分まで連続的に減少し、中間部分から第２端部分まで連
    続的に増加する請求項１２に記載の複合要素。
  14. 【請求項１４】上記コアがセラミック材料である請求項
    １２に記載の複合材料。
  15. 【請求項１５】上記コア材料がウレタン・フォームであ
    る請求項１２に記載の複合要素。
  16. 【請求項１６】上記表面シートが金属からなる請求項１
    ２に記載の複合要素。
  17. 【請求項１７】上記表面シートがポリマー母材複合材料
    からなり、その樹脂母材材料がエポキシ、ポリイミド、
    ポリエステルおよびウレタンから選ばれ、繊維成分がア
    ラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維およびポリエステル
    繊維から選ばれる請求項１２に記載の複合要素。
  18. 【請求項１８】上記表面シートそれぞれがモノリシック
    材料からなる請求項１２に記載の複合要素。
  19. 【請求項１９】上記要素がシェルである請求項１２に記
    載の複合要素。
  20. 【請求項２０】上記要素がプレートである請求項１２に
    記載の複合要素。
  21. 【請求項２１】上記要素がはりである請求項１２に記載
    の複合要素。
  22. 【請求項２２】サポート構造に装着され、長さ方向軸線
    に沿った長さおよび長さ方向軸線に直交する横方向軸線
    に沿った厚さを有し、長さが厚さより著しく大きい高温
    用複合要素において、コア材料が２つの表面を有し、一
    定の厚さを有し、コア材料の密度が長さ方向軸線に関し
    て変化し、横方向軸線に関して一定であり、２枚の表面
    シートがそれぞれコア材料の対応する表面に結合され、
    上記パネルはサポート構造への装着用第１長さ方向端部
    分と、サポート構造への装着用第２長さ方向端部分と、
    中間部分とを有し、上記表面の一方が他方より著しく大
    きい圧力を受けるようになっており、上記コア密度はコ
    アの上記長さ方向端部分で最大であり、長さ方向中間部
    分で最小である複合要素。
  23. 【請求項２３】２つの表面を有し、長さ方向軸線に沿っ
    た長さおよび厚さを有するシェル状コアであって、コア
    密度が円周に沿って変化するシェル状コアと、それぞれ
    対応するコアの表面に付着した２枚の表面シートとを備
    える、サポート構造に装着する複合要素。
  24. 【請求項２４】上記コアが円筒形である請求項２３に記
    載の複合要素。
  25. 【請求項２５】コア密度がコアの長さに沿っても変化す
    る請求項２３に記載のシェル状複合要素。
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