特許第6811033号(P6811033)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6811033
(24)【登録日】2020年12月16日
(45)【発行日】2021年1月13日
(54)【発明の名称】フラクタル補強構造
(51)【国際特許分類】
   B64C 1/12 20060101AFI20201228BHJP
【FI】
   B64C1/12
【請求項の数】13
【外国語出願】
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2016-113326(P2016-113326)
(22)【出願日】2016年6月7日
(65)【公開番号】特開2017-1667(P2017-1667A)
(43)【公開日】2017年1月5日
【審査請求日】2019年5月27日
(31)【優先権主張番号】14/739,539
(32)【優先日】2015年6月15日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
(74)【代理人】
【識別番号】100086380
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 稔
(74)【代理人】
【識別番号】100103078
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 達也
(74)【代理人】
【識別番号】100130650
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 泰光
(74)【代理人】
【識別番号】100135389
【弁理士】
【氏名又は名称】臼井 尚
(74)【代理人】
【識別番号】100161274
【弁理士】
【氏名又は名称】土居 史明
(74)【代理人】
【識別番号】100168044
【弁理士】
【氏名又は名称】小淵 景太
(74)【代理人】
【識別番号】100168099
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 伸太郎
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド ウィリアム ハーパー
【審査官】 長谷井 雅昭
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許第04725334(US,A)
【文献】 独国特許出願公開第102012101914(DE,A1)
【文献】 米国特許第05273806(US,A)
【文献】 米国特許出願公開第2001/0004096(US,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2012/0245862(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B64C 1/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
構造体の設計及び製造方法であって、
前記構造体における少なくとも3つの結節部の位置を決定し、
第1群ウェブを前記構造体の第1面に形成し、その際に、当該第1群ウェブは、前記第1面から垂直に延出して第1高さを規定する第1リニアリブを有するものとし、当該第1群ウェブは、前記結節部の位置と一致する位置において互いに一体に結合され、これにより第1ポケット領域を規定するようにし、
第2群ウェブを前記第1ポケット領域内に形成し、その際に、当該第2群ウェブは、前記構造体の前記第1面から垂直に延出して第2高さを規定する第2リニアリブを有し、前記第2高さは前記第1高さよりも低く、前記第2リニアリブは、互いに結合して第2ポケット領域を規定するようにし、
第3群ウェブを前記第2ポケット領域内に形成し、その際に、当該第3群ウェブは、前記構造体の前記第1面から垂直に延出して、前記第1高さ及び第2高さよりも低い第3高さを規定する第3リニアリブを有するものとし、
前記第3群ウェブの前記第3リニアリブは、前記第1群ウェブの前記第1リニアリブ又は前記第2群ウェブの前記第2リニアリブに結合して、同一形状の複数の第3ポケット領域を規定するようにした、方法。
【請求項2】
請求項1に記載の方法であって、
前記結節部の位置を決定するに際して、前記結節部が第1正三角形の頂点を形成し、前記第1群ウェブが前記第1正三角形の辺を形成するようにする、方法。
【請求項3】
請求項2に記載の方法であって、
前記第2群ウェブを形成するに際して、前記第2リニアリブを前記第1群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第2ポケット領域を第2正三角形の形状に形成する、方法。
【請求項4】
請求項3に記載の方法であって、
前記第3群ウェブを形成するに際して、前記第3リニアリブを前記第2群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第3ポケット領域を第3正三角形の形状に形成する、方法。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の方法であって、前記構造体は中実のシートであり、前記第1及び第2ポケット領域は、連続的なミリング処理にて形成される、方法。
【請求項6】
所与の厚み、内表面、及び外表面を有する外皮シートと、
均一な第1多角形の繰り返しパターンをなす第1群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記内表面からの第1高さを規定する第1リニアリブを有するとともに、最適化された位置になるように予め決定された結節部と一致する位置で互いに結合して、前記内表面上に第1ポケット領域を規定する第1群ウェブと、
前記第1ポケット領域内において均一な第2多角形の繰り返しパターンをなす第2群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記第1高さよりも低い、前記内表面からの第2高さを規定する第2リニアリブを有するとともに、前記第2リニアリブは互いに結合して第2ポケット領域を規定する、第2群ウェブと、
前記第2ポケット領域内において均一な第3多角形の繰り返しパターンをなす第3群ウェブであって、当該第3群ウェブは、前記構造体の前記第1面から垂直に延出して、前記第1高さ及び第2高さよりも低い第3高さを規定する第3リニアリブを有する第3群ウェブと、を含む支持構造体パネルであって、
前記第3群ウェブの前記第3リニアリブは、前記第1群ウェブの前記第1リニアリブ又は前記第2群ウェブの前記第2リニアリブに結合して、同一形状の複数の第3ポケット領域を規定する、支持構造体パネル。
【請求項7】
前記第2群ウェブの前記第2リニアリブは、長手軸を有すると共に、当該長手軸が前記第1群ウェブの第1リニアリブを二等分するように、前記第1群ウェブの前記第1リニアリブに結合する、請求項6に記載の支持構造体パネル。
【請求項8】
前記第1及び第2群ウェブは、前記外皮シートと一体である、請求項6又は7に記載の支持構造体パネル。
【請求項9】
前記第1及び第2多角形パターンは、正三角形から成る、請求項6〜8のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【請求項10】
前記第1群ウェブにおける各ウェブは、第2リブに囲まれた各三角形の頂部にある結節部で結合する、請求項9に記載の支持構造体パネル。
【請求項11】
前記第1及び第2のリニアリブは、T字型の断面を有する、請求項6〜10のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【請求項12】
前記第2高さは、前記第1高さの10%と50%の間である、請求項6〜11のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【請求項13】
前記第2高さは、前記外皮シートの厚みの2倍と4倍の間である、請求項6〜12のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、フラクタル補強構造に関する。より具体的には、本開示は、本明細書においてフラクタルグリッド(fractalgrid)と呼ぶアイソグリッド(isogrid)及び直交グリッド(orthogrid)支持構造を用いたフラクタル補強構造に関する。
【背景技術】
【0002】
航空機や航空宇宙構造などの特殊な用途に、強度重量比の非常に高い構造が数多く開発されてきた。典型的にはアルミニウムやチタンといった金属から製造されるこれらの構造の中には、重量効率が非常に高い形態によって、所望の強度、剛性などを得ているものもある。アイソグリッドと呼ばれる周知の形態では、外皮(あるいは膜)材と概ね一体な起立リブが、正三角形の繰り返しパターンにて配置されており、アイソグリッド形態における正三角形は、共有する辺と三角形の角部で別の正三角形に接触している。補強材(stiffener)の交点は、三角形の角部が接触する位置であり、通常、結節部(node)と呼ばれ、しばしば二次構造体(secondary structure)の取り付け位置(attachment point)として利用される。アイソグリッドや、これに類する直交グリッドなどの補強形態は、一体化したグリッドによる補強パネルに最も一般的に用いられる設計である。グリッドにより補強された支持構造体は、例えば、燃料タンクや航空宇宙用途の耐荷重性パネルといった様々な輸送体部品の製造に利用可能である。標準的なアイソグリッド、直交グリッド、その他のグリッドによる補強パネルの適用例は、一般的に、局部座屈、及び全体座屈を防止するように設計されている。
【0003】
局部座屈は、補強材の損傷(crippling)や外皮のポケット座屈(pocket buckling)として現れることがあり、全体座屈は、構造体全体における大規模な潰れ(general, large scale collapse)として特徴づけられることが多い。局部座屈を防止するためにグリッド補強された構造体の重量を最適化しようとすると、ポケットの小型化(補強材同士が近接する配置)及び、補強材の小型化にパネル設計が偏りがちであり、全体座屈対策については、ポケットの大型化、及び、補強材の大型化・高効率化にパネルが偏りがちである。このように、局部座屈と全体座屈とは、パネルの寸法に関して相反する関係にあり、典型的なグリッド補強パネルは、局部座屈の防止と全体座屈の防止との折衷で成り立っている。
【0004】
航空宇宙用構造体の性能を向上させるには、現行の設計を上回る強度重量比を有しつつ、座屈を防止するように改良されたアイソグリッド構造と直交グリッド構造が求められる。特に、アイソグリッド構造は、宇宙船、打ち上げ機、及び航空機に理想的であるので、本開示により得られる大幅な軽量化は、より多くの有料荷重を軌道に乗せることや、燃料効率の向上を可能にする。これら及び他の利点について、添付の図面を参照して説明する。
【発明の概要】
【0005】
フラクタルグリッド形態で補強された支持構造体、即ちフラクタルグリッドは、主補強構造と共に、1つ又は複数の補助補強構造を備えるように製造できる。フラクタルグリッドにより補強された構造体の好ましい設計及び製造方法では、先ず、材料の性質、設計上の要件、及び製造上の制約に基づいてパネル寸法を決定し、その後、第1群ウェブを構造体の第1面に形成する。前記第1群ウェブは、前記第1面から垂直に延出して、前記構造からの第1高さを規定する第1リニアリブを有する。前記第1群ウェブは、予め定められた結節部位置に一致する位置で互いに一体とされ、これにより前記第1群ウェブと前記結節部とにより第1ポケット領域が形成される。前記第1群ウェブの形成と同時に、第2群ウェブ(あるいは複数の第2群ウェブ)を前記第1ポケット領域内に形成する。
【0006】
第2群ウェブにおける各ウェブは、前記構造体の前記第1面から垂直に延出して前記構造体からの第2高さを規定する第2リニアリブを有し、前記第2高さは、前記第1群ウェブの前記第1高さより低い。前記第2群ウェブは、互いに結合すると共に、前記第1群ウェブに結合して、第2ポケット領域を規定する。本製造方法により得られる支持構造体パネルは、内表面と外表面とを有する外皮シートを含む。補強構造は、典型的には、前記2つの表面のいずれかに設けられるが、両方の表面に補強構造が設けられていてもよい。前記内表面上の第1群ウェブは、均一な第1繰り返しパターンをなす第1群ウェブ群である。前記第1群ウェブは、前記外皮の前記内表面から垂直に、前記内表面から第1高さだけ延出する第1リニアリブを有する。前記第1群ウェブは、予め定められた位置になるように選択された結節部と一致する位置で互いに一体に結合する。前記第1群ウェブは、前記内表面上に第1ポケット領域規定する。
【0007】
加えて、均一な第2繰り返しパターンの第2群ウェブが前記第1ポケット領域内に設けられている。前記第2群ウェブは、前記内表面から垂直に延出して、前記内表面からの第2高さを規定する第2リニアリブを有する。前記第2高さは前記第1高さよりも低い。前記第2リニアリブは互いに結合して第2ポケット領域を規定する。前記第2群ウェブの前記第2リニアリブは長手軸を有する。当該長手軸は、前記第1群フェブの第1リニアリブに対して、前記第1群ウェブとの交点において垂直になるように、第1リニアリブに交差する。前記第2リニアリブは、典型的には、前記第1リニアリブを二等分する。ただし、複数の第2リニアリブが第1リニアリブを分割していてもよい。
【0008】
上述の特徴、機能、利点は、種々の実施形態において個別に達成可能であり、また、さらに別の実施形態と組み合わせることも可能であり、その詳細は、以下の説明及び図面を参照することにより明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本開示は、下記の詳細な説明及び添付の図面からより深く理解されるであろう。尚、これらは例示に過ぎず、よって、本開示の限定ではない。
【0010】
図1】既知のアイソグリッド支持構造体の断面を示す斜視図である。
図2】本開示の一例による、補助フラクタル補強構造を有するフラクタルグリッド支持構造体の断面を示す斜視図である。
図3】本開示の別の例による、補助フラクタル補強構造を有するフラクタルグリッド支持構造体の断面を示す斜視図である。
図4】追加の例による、直交グリッドを基礎とするフラクタルグリッド構造体の断面を示す図である。
図5】さらに別の追加の例による、直交グリッドを基礎とするフラクタルグリッド構造体の断面を示す図である。
図6】既知のアイソグリッド構造体と、本開示のフラクタルグリッド構造体との双方について、構造体なパネル重量とポケットサイズとの関係を示すグラフである。
図7】本開示のフラクタルグリッド構造体を取り入れた燃料タンクの設計の一例を示す断面図である。
図8】一例による主リブと補助リブの構造の断面形状を示す図である。
図9】他例による主リブと補助リブの構造の断面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
全ての図を通して、対応する部分には同一の符号が付されている。
【0012】
以下に、添付図面を参照して本開示の実施形態をより詳細に説明する。図面は、開示の実施形態のいくつかを示しており、全てを示してはいない。実際、いくつかの異なる実施形態を提示しているものの、本開示に記載した実施形態に限定されると解釈されるべきではない。
【0013】
典型的な航空宇宙船や航空宇宙システムにおいては、その全体質量の大部分を耐荷重構造体が占める。本開示のアイソグリッド支持構造体及び直交グリッド支持構造体は、2つの利点を奏する。一つは、性能を損なうことのない軽量化であり、もう一つは、大幅な重量増加を伴うことなく、より大型補強材の位置調節の自由度がより高いことである。大幅な重量増加なしに結節部位置の調整が可能であるので、荷重の変化に伴う重量増加の可能性を小さくできると共に、結節部の位置を最適化する性能を改善できるので、主構造体に合わせたアタッチメントを二次構造体に設ける必要がなく、二次構造体による重量を削減できる。言い換えると、以下に説明するように、1つ又は2つ以上の補助補強構造を用いると、主構造の結節部を予め定めた態様に配置して、これらの結節部が、1つ又は2つ以上の二次ハードウェアや構造体を支持し、固定するための取付け位置として最適に利用されるようにできる。
【0014】
本開示の一例によるフラクタルグリッド構造体の設計では、主アイソグリッド補強構造に、1つ又は複数の補助アイソグリッド補強構造が追加されている。ウェブ(補強材)群により規定されるポケット領域は、追加の構造毎に半分の大きさになる。フラクタルグリッド設計の主な利点は、軽量化である。補強構造の追加により、外皮の局部座屈が防止でき、よって、外皮の厚みを小さくすることが可能になる(これが、主な軽量化をもたらす)。補助構造(secondary structure)に含まれる補強材、フィレット、及びラウンド部の追加は、部分的に見れば軽量化に逆行するが、フラクタルグリッド設計全体として見ると、初期見積もりで11%超の軽量化が期待できる。補助補強構造は、全体座屈の防止にも利点となる。理論上は、補助補強構造の繰り返しの回数は無限であるが、ラウンド部及びフィレットの追加に伴う質量増加のため、質量削減に限界が生じ、特定の用途では、補助補強構造が1つでも過剰にあると、質量削減が増加に転じることになる。本開示によるフラクタルグリッド構造体の第2の利点は、設計のカスタマイズがより容易になり、特定の寸法の変更による影響がより少ないことである。これにより、二次ハードウェアアタッチメント及び製造上の制限事項に基づいて所望のグリッド間隔を予め決定しつつ、主構造のアイソグリッド寸法の変更に伴う重量増加を避けることができる。標準的なアイソグリッド設計では、結節部間隔(即ち、ポケットの大きさ)は重量に大きく影響するので、結節部間隔の変更が大幅な重量増加につながる場合もある。加えて、結節部間隔が重量に影響するので、性能要件と質量要件とにより結節部間隔が決まることもしばしばある。よって、二次アタッチメントに好適な結節部間隔を選択するのではなく、選択された結節部間隔に二次ハードウェアを適合させる必要がある。例えば、標準的なアイソグリッド形態における最適な結節部間隔が5インチであるのに対し、大半の取り付けハードウェアは、12インチよりも大きな結節部間隔を必要とする場合、そのような取り付けハードウェアは、より重量の大きい、より複雑な構成になることが多い(より多くの設計時間と費用を要する)。逆に、標準的なアイソグリッドに修正を施して取り付けハードウェアに適合させる場合、それに伴うアイソグリッド自体の重量の増加が、性能要件や重量要件の観点から許容できないものとなりうる。
【0015】
本開示のフラクタルグリッド形態では、主結節部の間隔を変更する場合は、補助補強構造及び外皮の最適化を改めて行えるので、あらゆる重量増加の可能性を低減できる。この調整可能性により、本開示のフラクタルグリッドは、主結節部間隔の変更に重量が左右されにくい。したがって、フラクタルグリッドの結節部間隔を、二次アタッチメントに関する要因、例えば、二次ハードウェアのサイズ、二次ハードウェアの質量、既存の取り付けハードウェアの再利用、二次荷重の削減、フラクタルグリッドと二次構造体との最小合計質量、あるいはこれらの組み合わせなど、に基づいて決定することができる。主結節部位置が最も頑丈な取付け位置ではあるものの、フラクタルグリッドの補助結節部位置も同様に利用可能であり、これにより、標準的なアイソグリッドに比べてより高密度に取付け位置が設けられる。
【0016】
本開示のフラクタルグリッドは、独自の概念による補強を実現して、圧縮や座屈が重要である用途や、他の多くの荷重環境でも同様に利用可能な、より軽量の構造体を提供する。例えば、グリッド補強パネルは、多くの航空宇宙用途に利用可能であり、また、燃料タンクの構築を例とする、重量や材料コストが大きく影響するような商業用用途に利用可能である。図7は、そのような燃料タンク80の一例を示しており、これには、フラクタルグリッドパネル81が、タンク80の内側円筒部82に組み込まれている。フラクタルグリッドパネル81は、タンク表面85と連結する連結リング(interface ring)83及び84により支持されている。
【0017】
本開示は、好ましくは、従来のアイソグリッド設計を基礎としつつ、フラクタルグリッド支持構造体(fractalgrid support structure)の設計及び製造方法を提供するものであるが、アイソグリッドの主ウェブ構造の内部に1つ又は複数の補助補強グリッド構造を有する点において、既知の構造と異なり、また既知の構造に対して改良されているものである一実施形態では、かかる製造方法により、どの方向においても測定する性質がすべて等しい等方性の構造体が生成される。これは、主構造と補助フラクタルグリッド構造とのいずれも、正三角形のウェブを形成するようにウェブ群(補強材)を作成することによって実現される。
【0018】
本開示のフラクタルグリッド支持構造体は、例えば、アルミニウムなどの金属製の単一シート材あるいは板材を機械加工して作成してもよいし、複合積層体を用いて作成してもよい。金属材料については、パネル表面(外皮、膜、あるいは、壁とも言う)の所望の厚さに合わせて、化学ミリングを用いる場合もある。フラクタルグリッドの製造には、標準的なアイソグリッド設計の製造に利用するのと同じ製造技術を利用可能である。典型的なコンピュータ数値制御(CNC:Computer Numerical Control)の工作機械を用いる場合、製造用ハードウェアには一切調整を加えることなく、再プログラミングのみで、本開示のフラクタルグリッドを製造可能である。
【0019】
図1は、既知のアイソグリッド設計10のパネルの一部の断面を示し、概ね円形の結節部1で結合するウェブ群2が含まれている。各ウェブは、リニアリブ4の形態を取り、支持構造体10を有するパネル3の一方の面から垂直に(紙面外に向かって)高さ、即ち距離H1だけ延出している。図1のアイソグリッド設計では、結節部1は、正三角形の頂部を構成し、結節部とウェブの組合せにより、ポケット領域8(即ち、繰り返し配列されている各正三角形の内部領域)が規定される。好ましくは、リニアリブ4はパネル3と一体であって、フィレット9によりリブ4とパネル3とが結合されている。
【0020】
図2は、本開示のフラクタルグリッド構造体20の一例の第1実施形態によるパネルの一部の断面を示す図であり、主フラクタルグリッドの構造材1’、2’、4’のポケット領域8’の内部に、補助フラクタルグリッドの構造材21、22、27が配置されている。第1群ウェブ2’と結節部1’とが組み合わさって、主フラクタルグリッドの構造の第1ポケット領域8’が形成されている。第1ポケット領域8’の内部に第2群ウェブ27が配置されており、第2群ウェブ27における各ウェブは、リニアリブ22の形態を取り、構造体パネル3’の一方の面から垂直に(紙面外に向かって)高さ(即ち、距離)H2だけ延出している。距離H2は、距離H1よりも小さく、典型的には、H2はH1の約10〜50%である。H2とH1の関係に影響を与える因子には、材料の性質、製造上の制約、外皮厚み、及び結節部間隔が含まれ、重量のみを考慮する場合と、二次アッタッチメントなどの他の要因を考慮する場合とがある。補助フラクタルグリッド構造のリニアリブ22は、結合されて二等分ラウンド部(bisecting round)を形成し、これは、好ましくは主フラクタルグリッド構造のリニアリブ4’と一体である。各リニアリブ22の長手軸25は、好ましくは、リニアリブ4’を二等分して、第2群ウェブ27から成る正三角形を構成する。リニアリブ22の結合により、第1ポケット領域8’内に第2ポケット領域31が規定される。
【0021】
中実基板、金属材料、複合材料、又はこれに類する材料を出発材料として用い、例えば、機械ミリング処理を行って本開示のフラクタルグリッドを製造する場合、二等分ラウンド部21に加えて、フィレット23、28、及びラウンド部30を形成可能である。フィレットは、補強材と外皮との間に滑らかな移行部を形成し、これは、高い局部応力や亀裂成長を誘発する鋭い角よりも好ましい。補強材の間のフィレットは、主構造と補助構造のいずれにおいても、応力を削減し、亀裂成長の懸念を小さくする。ただし、いくつかの結節部あるいは全ての結節部において、例えば、インサートやボルト穴などの二次ハードウェアアタッチメントに適切な材料のためフィレットを増加させる場合がある。補強材と補強材の間のフィレットが少ないと、軽量化をさらに促進できるものの、小型のカッターを用いたCNC機械加工処理が必要となるので、加工時間が長くなりうる。一例による設計及び製造処理では、先ず、結節部1’の位置を予め決定する。この際、本開示のフラクタルグリッド構造体の製造後に二次ハードウェアを追加する可能性を念頭においておく。結節部位置を予め決定する一方法では、有限要素解析、又は閉形式解の包括的な集合(comprehensive set of closed-form solutions)と、二次アッタッチメントについての考慮事項とを用いて、結節部位置を決定し、開始材料を選択する。外皮とリブの間のフィレットの大きさは、主に、製造上及び応力の考慮事項に基づいて選択され、リブとリブの間のフィレットは、取付け位置及び製造上の考慮事項に基づいて選択される。加工時間とさらなる軽量化との釣合いを取って選択されるカッターの大きさに基づいて、アッタッチメントを有する結節部については、より大きいフィレットを有するように加工し、アッタッチメントを有さない結節部については、より小さいフィレットを有するように加工する。次の工程では、第1群ウェブ2’と、第2群ウェブ27と、パネル即ち外皮3’とを、同時に形成するように構成されたコンピュータ制御のフライス盤(milling machine)を用いることが好ましい。
【0022】
複数の補助フラクタルグリッド構造(例えば、H2以下の高さを有する)を用いて、本開示のフラクタルグリッド構造体を完成させることが可能であり、各補助フラクタルグリッド構造の追加により、外皮における局部座屈の可能性をさらに低減でき、よって、外皮厚みを薄くすることが可能になる。各補助フラクタルグリッド構造における典型的な縮小率は2であり、これは、追加の補助フラクタルグリッド構造毎にポケットサイズが縮小される率を定義している。補助フラクタルグリッド構造を2つ用いる場合、約11%の重力削減が見込まれる。ただし、削減重量は、設計荷重、予め定めた材料、製造上の制約に依存して変動する。このことは、図6に示されている。この図は、ポケット領域の大きさに対するパネル重量の相関関係を、既知のアイソグリッド構造と本開示のフラクタルグリッドとを比較して示している。このグラフからわかるように、標準的なアイソグリッドは、重量への影響を受けやすく、重量効率が良いのは結節部間隔が小さい範囲に限られる。本開示のフラクタルグリッド形態は、補助構造が1つの場合も2つの場合も、主結節部間隔の変更に合わせて補助補強材を調整し、改めて最適化することが可能であるので、結節部間隔による影響が比較的小さい。補助補強構造を1つのみ備える構成では、結節部間隔が同じであれば標準的なアイソグリッドに比べて重量的な効果は高く、また、結節部間隔がより大きい場合でも重量的な効果が高くなりうる。補助補強部構造を2つ備える構成では、主結節部の間隔を大幅に広げて、さらに重量を削減する必要がある。
【0023】
フラクタル構造の補強グリッド設計を用いると、補強材(ウェブ)を、主グリッド構造と、1つ又は複数の補助フラクタルグリッド構造とに分散させることができるので、軽量化が可能になる。主グリッド構造、及び、そのポケットサイズの選択は、全体座屈の防止を目的とすればよく、局部座屈については最低限考慮するだけでよい。補助フラクタルグリッド構造の選択は、局部座屈の防止を目的とすると共に、全体座屈についてもある程度有利なように行う。この結果、質量の小さい補助補強材(ウェブ)及び厚みの小さい外皮又はパネルを備えるよう改良された主補強材(ウェブ)が得られる。本方法は、全体座屈と局部座屈の防止のために補強材効率(stiffener efficiency)と外皮厚みとの折衷が求められる単一の補強構造を有するアイソグリッド設計に比べて優れている。一体グリッドにより補強されたフラクタルグリッド構造体の設計では、全体座屈現象と局部座屈現象の対象になる補強構造を別々のものとすることができ、これにより、フラクタルグリッドによる補強構造の補強材効率や外皮効率(skin efficiency)をより向上させることができる。外皮効率は、ポケットが小さいほど高くなるのに対し、補強材効率は、ポケットと補強材とが大きいほど高くなる。利点には、軽量化、主補強構造材の間隔による影響がより小さいこと、等方性の挙動(isotropic behavior)、及び自己相似的なスケール可変性(self-similar scalability)が含まれる。自己相似とは、1つ又は複数の補助フラクタルグリッド構造における補助ポケットが、主グリッド構造における主ポケットの縮小版であることを意味し、主グリッド構造の結節部間隔を整数の倍率で拡大することにより、主構造と補助構造における結節部の数や位置を変えることなく、別の補助フラクタルグリッド構造を追加することが可能である。例えば、ポケットの大きさを二倍にするなら倍率は2であり、ポケットの大きさを三倍にするなら倍率は3である。これに代えて、既存の主グリッド構造と補助グリッド構造に別の補助構造を追加することも可能であり、この場合、主グリッド構造と補助グリッド構造における既存の結節部の位置を変えることなく、主グリッド構造と補助グリッド構造の内部に結節部の数を増やすことができる。
【0024】
図3は、本開示のフラクタルグリッド構造体パネルの一部を断面で示す図であり、自己相似の概念と、第2の補助フラクタルグリッド構造を用いて構成された、本開示のフラクタルグリッド構造体40の別の例を示す。この補助フラクタルグリッドは、リニアリブ46がラウンド部48及び47で結合されて成る第3群ウェブ(補強材)41を備える。ラウンド部48は、2つのリニアリブ46を、第1の補助フラクタルグリッド構造体のリニアリブ22のうちの1つに結合する。各リニアリブ46は、長手軸42を有する。一実施形態では、ラウンド部48の位置は、軸42をリニアリブ22で二等分した位置と一致する。ラウンド部47は、リニアリブ46を主ウェブ構造のリニアリブ4’に結合する。第3群ウェブ41は、第3ポケット領域45を規定し、これは、図3に示す本実施形態では、正三角形に形成されている。一般的に、ポケット領域の辺の長さは、それぞれ次段階の補助フラクタルグリッド構造毎に、例えば半分に縮小される。ただし、この縮小率は、整数であれば任意の値が可能である。第3群ウェブ41のリニアリブ46は、構造体パネル3’の一方の面から垂直に(紙面外に向かって)距離H3だけ延びている。H3は、H1及びH2のいずれよりも短く、H2の25%〜50%であってもよい。H2あるいはH3は、H1の10%と50%の間であってもよい。H1、H2、及びH3は、材料の性質、製造上の制約、外皮厚み、及び結節部間隔に影響され、重量のみを考慮する場合と、他の要因を考慮する場合とがある。リニアリブ46の高さは、概ね、外皮シートの厚みの2倍と4倍の間である。
【0025】
図8及び図9に示す補強材の断面49は、誇張して図式的に描かれている。図8は、図2の主リブ2’及び補助リブ22の断面形状49を示しており、この形状は矩形を呈している。図9は、リブが取りうる数多くの断面形状のうちの1つを示しており、この形状はT字型の断面49’である。当然ながら、主リブ2’と補助リブ22の断面形状が異なっていてもよい。主構造材と補助構造材の断面形状は、いずれも、設計強度基準だけでなく、製造の容易性にも鑑みて選択できる。
【0026】
矩形の断面形状49を呈する補強材は、高さと、アスペクト比、つまり、高さ対厚みの比と、により定義される。許容可能な重量効率の主補強材は、典型的には、損傷などの局部的な破壊現象を回避可能であり、機械加工の後に行うパネルの曲げ加工や成形加工などの製造上の制約の範囲内である高いアスペクト比を有する。補助補強材も、典型的には、同様の理由により実用的な範囲内で高いアスペクト比を有するが、製造に先立って設計段階で決定される追加フィレットの質量を削減するために、これより低いアスペクト比であってもよい。リブの断面形状が矩形に限定されないことは、理解されよう。T字状、台形状、厚みが一定でない形状などの断面形状も、矩形の断面形状の実用可能な代替形状であり、これらをフラクタルグリッド形態に採用しても、同等の標準的なアイソグリッド形態を上回る軽量化が達成できる。
【0027】
本開示のフラクタルグリッドは、グリッドが外皮又はパネルシート3’と一体である、「閉」構造として作成されてもよいし、外皮を省いた「開」構造として作成されてもよい。図4及び図5に示したような、他のタイプのフラクタルグリッド設計も可能である。なお、いずれの図面も、フラクタルグリッド構造パネルの一部のみを示している。図4は、主構造である直交グリッドと、補助構造である1つの直交グリッドと、を有するフラクタルグリッド50を示す。図5は、主構造である直交グリッドと、補助構造であるアイソグリッドと、を有するフラクタルグリッド60の一例を示す。用途によっては、直交グリッドを用いた主補強構造は、アイソグリッドを用いた主補強構造(例えば、加圧部材)よりも、軽量化の度合いが大きい。加えて、アイソグリッドを用いた主補強構造は、製造上の制約や二次構造体の取り付けの観点から直線的な形態の補強材が望ましい場合には、直交グリッドほど有利ではない。直交グリッドを用いた主補強構造は、アイソグリッドを用いた主補強構造と基本的な機能は同じであると共に、全体座屈に関して最適化することが可能である。補助補強構造は、アイソグリッドであっても、直交グリッドであってもよく、局部座屈に関して最適化することが可能である。図4には、全体座屈を防止する主補強構造としての直交グリッドと、局部座屈を防止する二次及び三次の補助補強構造としての直交グリッドと、が示されている。図5には、全体座屈を防止する主補強構造としての直交グリッドと、局部座屈を防止する補助補強構造としてのアイソグリッドと、が示されている。
【0028】
加えて、本開示は、以下の付記による実施形態も包含する。
【0029】
付記1 構造体の設計及び製造方法であって、
構造体における少なくとも3つの結節部の位置を決定し、
第1群ウェブを前記構造体の第1面に形成し、その際に、当該第1群ウェブは、前記第1面から垂直に延出して第1高さを規定する第1リニアリブを有するものとし、当該第1群ウェブは、前記結節部の位置と一致する位置において互いに一体に結合され、これにより第1ポケット領域を規定するようにし、
第2群ウェブを前記第1ポケット領域内に形成し、その際に、当該第2群ウェブは、前記構造体の前記第1面から垂直に延出して第2高さを規定する第2リニアリブを有し、前記第2高さは前記第1高さよりも低く、前記第2リニアリブは、互いに結合して第2ポケット領域を規定するようにする、方法。
【0030】
付記2 付記1に記載の方法であって、さらに、
第3群ウェブを前記第2ポケット領域内に形成し、その際に、当該第3群ウェブは、前記構造体の前記第1面から垂直に延出して、前記第1高さよりも低い第3高さを規定する第3リニアリブを有するものとする、方法。
【0031】
付記3 付記1又は2に記載の方法であって、
前記結節部の位置を決定するに際して、前記結節部が第1正三角形の頂点を形成し、前記第1群ウェブが前記第1正三角形の辺を形成するようにする、方法。
【0032】
付記4 付記3に記載の方法であって、
前記第2群ウェブを形成するに際して、前記第2リニアリブを前記第1群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第2ポケット領域を第2正三角形の形状に形成する、方法。
【0033】
付記5 付記4に記載の方法であって、
前記第3群ウェブを形成するに際して、前記第3リニアリブを前記第2群ウェブに対して交点が等間隔になるように交差させて、前記第3ポケット領域を第3正三角形の形状に形成する、方法。
【0034】
付記6 付記1〜5のいずれかに記載の方法であって、前記構造体は中実のシートであり、前記第1及び第2ポケット領域は、連続的なミリング処理にて形成される、方法。
【0035】
付記7 構造体パネルの設計及び製造方法であって、
それぞれが外表面と内表面とを有する少なくとも2つの構造体における少なくとも3つの結節部の位置を決定し、
第1群ウェブを前記構造体の内表面に形成することにより燃料タンクの内表面を形成し、その際に、当該第1群ウェブは、前記内表面から垂直に延出して前記内表面からの第1高さを規定する第1リニアリブを有するものとし、当該第1群ウェブは、前記結節部の位置と一致する位置において互いに結合して第1ポケット領域を規定するようにし、
第2群ウェブを前記第1ポケット領域内に形成し、その際に、当該第2群ウェブは、前記内表面から垂直に延出して前記第1高さよりも低い第2高さを規定する第2リニアリブを有し、前記第2リニアリブは、互いに結合して第2ポケット領域を規定するようにし、
前記構造体を接合して、完成した燃料タンクを形成する、方法。
【0036】
付記8 所与の厚み、内表面、及び外表面を有する外皮シートと、
均一な第1多角形の繰り返しパターンをなす第1群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記内表面からの第1高さを規定する第1リニアリブを有するとともに、最適化された位置になるように予め決定された結節部と一致する位置で互いに結合して、前記内表面上に第1ポケット領域を規定する第1群ウェブと、
前記第1ポケット領域内において均一な第2多角形の繰り返しパターンをなす第2群ウェブであって、前記内表面から垂直に延出して、前記第1高さよりも低い、前記内表面からの第2高さを規定する第2リニアリブを有するとともに、前記第2リニアリブが互いに結合して第2ポケット領域を規定する、第2群ウェブと、
を含む支持構造体パネル。
【0037】
付記9 前記第2群ウェブの前記第2リニアリブは、長手軸を有すると共に、当該長手軸が前記第1群ウェブの第1リニアリブを二等分するように、前記第1群ウェブの前記第1リニアリブに結合する、付記8に記載の支持構造体パネル。
【0038】
付記10 前記第1及び第2群ウェブは、前記外皮シートと一体である、付記8又は9に記載の支持構造体パネル。
【0039】
付記11 前記第1及び第2多角形パターンは、正三角形から成る、付記8〜10のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【0040】
付記12 前記第1群ウェブにおける各ウェブは、第2リブに囲まれた各三角形の頂部にある結節部で結合する、付記11に記載の支持構造体パネル。
【0041】
付記13 前記第1及び第2のリニアリブは、T字型の断面を有する、付記8〜12のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【0042】
付記14 前記第2高さは、おおよそ前記第1高さの10%と50%の間である、付記8〜13のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【0043】
付記15 前記第2高さは、おおよそ前記外皮シートの厚みの2倍と4倍の間である、付記8〜14のいずれかに記載の支持構造体パネル。
【0044】
上述した特定の実施形態は、本開示の概括的な性質を明らかにして、当業者の知識を適用することにより、そのような特定の実施形態を種々の用途に合わせて変形及び/又は改変が容易に可能であり、これも本願の包括的な概念から逸脱するものではない。したがって、そのような改変や変形も、開示の実施形態の意味及び均等物の範囲に含まれると解釈されるべきである。本明細書における表現や用語は、説明を目的としており、限定を課すものではない。
図1
図2
図3
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図8
図9