1.サンドイッチ構造
航空機の設計において、設計者にとって、強度を損なうことなく設計コンポーネントを可能な限り軽量にすることが最大の課題です。これには、引張、圧縮、せん断荷重の複合作用下でも安定するように薄肉構造を設計する必要があります。過去においては、伝統的な航空機構造設計手法が依然として一部の分野で使用されています。長いトラスとリブ/フレームを使用して縦方向と横方向の補強を形成し、ボードの安定性を向上させます。実際、一部の二次構造は、強度と剛性の要件を満たすためにサンドイッチ構造で設計することもできます。サンドイッチ構造は通常、ハニカムまたはフォームコア材料を採用します。

構造高さが大きい翼形構造の場合、ハニカムパネルの代わりにサンドイッチ構造を使用したスキンパネル（特に上部翼形パネル）は、重量を大幅に削減できます。構造高さが低い翼型構造（特に操縦翼面）の場合、ビームリブ構造の代わりにフルハイトのサンドイッチ構造にすることも、大幅な軽量化効果をもたらします。サンドイッチ構造の最大の利点は、曲げ剛性と強度が高いことです。

航空機の複合サンドイッチ構造は通常、パネルとして高度な複合材料を使用し、サンドイッチコアは軽量の材料で作られています。サンドイッチ構造の曲げ剛性性能は、主にパネルの性能と 2 層のパネル間の高さに依存します。高さが大きいほど曲げ剛性は高くなります。サンドイッチ構造のサンドイッチコアは主にせん断応力に耐え、安定性を失うことなくパネルを支えます。通常、この種の構造物のせん断力は小さいです。サンドイッチコアとして軽量の材料を選択すると、コンポーネントの重量を大幅に軽減できます。また、サンドイッチ構造の使用経験から、コストの面からサンドイッチ構造を評価する場合には、製造コストだけでなく、航空機の生涯コストも考慮する必要があることが分かりました。

2. 強化ストリップ構造
補強材の使用は、エンジン吸気口やナセルのサイドパネル、翼の外板やテールブームなどの薄肉カーボンファイバー/エポキシパネルを強化する最も効果的な方法でもあります。リブの使用は、構造の剛性と安定性を最も効果的に向上させます。

3. 発泡充填A型リブ構造
アメリカのNASAとヨーロッパのエアバスは、長年にわたるサンドイッチ構造と補強ストリップの使用に基づいて、最近、構造設計と製造プロセスを最大限に最適化するために、エアバスA380のような球面フレームのフォーム充填補強ストリップ構造を提案しました。気密性の高いキャビンなど。

PMIフォーム：PMI（ポリメタクリルイミド、ポリメタクリルイミド）フォームは、適切な高温処理後の高温複合材料硬化プロセス要件に耐えることができるため、PMIフォームは航空分野で広く使用されています。中密度 PMI フォームは優れた圧縮クリープ特性を備えており、120℃ ～ 180℃ の温度および 0.3 ～ 0.5MPa の圧力でオートクレーブ滅菌することができます。 PMI フォームは、通常のプリプレグ硬化プロセスのクリープ性能要件を満たすことができ、サンドイッチ構造の同時硬化を実現できます。航空宇宙材料としての PMI フォームは、基本的に同じ孔径を持つ均一な硬質独立気泡フォームです。 PMI フォームは FST 要件も満たします。 NOMEX® ハニカムサンドイッチ構造と比較したフォームサンドイッチ構造のもう 1 つの特徴は、耐湿性がはるかに優れていることです。フォームは独立気泡であるため、水分や湿気がサンドイッチコアに入りにくいです。 NOMEX® ハニカムサンドイッチ構造も同時硬化できますが、複合パネルの強度が低下します。共硬化工程中の芯材のつぶれやサイドシフトを避けるため、硬化圧力は通常の積層板の0.69MPaではなく、通常0.28～0.35MPaとなります。これにより、複合パネルの気孔率が高くなります。さらに、ハニカム構造の細孔直径が大きいため、スキンはハニカム壁でのみ支持されるため、繊維が曲がり、複合スキンラミネートの強度が低下します。

ハニカムコア材料と発泡コア材料との比較に基づいて、通常、発泡材料がA字型リブ構造の充填コア材料として選択されます。中子型として使用すると、A型リブの構造芯材となります。 、加工副資材でもあります。

PMI フォームは、さまざまな航空機構造のサンドイッチ構造フォームコア材料として使用され、成功を収めています。最も顕著な用途の 1 つは、ボーイング MD 11 航空機後部のエンジン空気取り入れ口サイド パネルです。 CNC 精密機械加工とフォームの熱成形により、敷設コストが大幅に削減されます。高性能 PMI フォームコア材料は、硬化プロセス中の優れた圧縮耐性と耐クリープ性を備えているため、パネルは圧縮され、表面は不均一になります。ハニカムコアと比較して、PMI フォームの等方性細孔構造は、オートクレーブの硬化プロセス中の側圧下での寸法安定性の要件も満たします。ハニカム構造とは異なり、フォームを充填する必要がありません。さらに、フォームはオートクレーブの圧力をフォームの下のパネルの層に均一に伝達することができるため、へこみなどの表面欠陥がなくコンパクトになります。フォーム充填された A タイプの強化ストリップ構造は、レーダー発射面、ナセル壁、胴体外板、垂直尾翼などのコンポーネントに適用できます。

4.フォームフィリングの最新応用 強化されたストリップ構造
フォーム充填リブは、エアバス A340 および A340-600 の後部圧力フレーム構造における最新の応用例です。これまでに、CNC によって熱成形および加工された約 1,700 機の ROHACELL® 71 WF-HT が、A340 で使用するためにハンブルク近郊のエアバス シュターデ工場に納入されました。レイアップおよび硬化プロセス中、形成されたフォームはコアモールドとして機能します。 PMIフォームは硬化時の耐圧縮クリープ性と寸法安定性に優れているため、180℃、0.35MPa、2時間の硬化条件でサンドイッチ構造同時硬化プロセスを採用し、コスト削減を図っています。 PMI フォームは、リブの周囲のプリプレグを完全に圧縮することができるため、膨張式エアバッグのツールの優れた代替品となり、複数の硬化を必要とする膨張式エアバッグの使用などの一連の問題を回避できます。これまでに 170 個を超える後部圧力フレームの製造に成功しており、廃棄物はありません。これは、PMI フォーム補強ストリッププロセスの信頼性と実現可能性も証明しています。

PMI フォーム充填リブ構造を使用した新しい A340 後部圧力フレームの成功に基づいて、A380 後部圧力フレームにもこの技術が使用されています。 A380 の構造では、フォームリブの長さは 2.5 メートルで、形状は比較的複雑です。 PMI フォームの加工と熱成形が容易になり、これがフォーム充填リブ設計の実現の鍵でもあります。現在、エアバス A 380 用に加工されたフォームリブ 200 個がエアバス シュターデ工場に納入されています。

5. 発泡体充填強化ストリップ構造の構造解析
次の例では、コストと重量の最適化を達成し、A 字型リブの適用における 2 つの要件を満たすための PMI フォームコア材料の実現可能性について説明します。ここでは、フォームコア材料が敷設および硬化のプロセスでコアモールドとして使用できるだけでなく、リブ内で特定の構造的役割を果たすこともできることについて説明します。フォームの圧縮強度が高いため、構造の安定性が向上し、サンドイッチ構造のプリプレグ層を減らし、軽量化の目的を達成できます。

曲げと軸方向の圧力の作用下では、薄肉複合構造は安定した破損を起こすことがよくあります。不安定破壊は、材料が圧縮破壊強度に達する前に、常に圧縮部分で発生します。非常に成熟した効果的な方法は、シェル構造の抗不安定性を向上させるために、補強リブをシェル構造に結合することである。中空の A 型リブ構造の側壁と凸状エッジは不安定になりやすく、構造の早期破損につながります。

中空のA字型リブと比較して、PMIフォーム充填リブでは、フォームコア材料が製造プロセス中のコアモールドとして機能するだけでなく、不安定防止性能を向上させる構造材料としても機能します。構造物の形状と強度を維持する前に。発泡体充填Ａ補強ストリップの面内圧縮強度を中空補強ストリップの面内圧縮強度と比較する。構造が初期不安定になると、不安定荷重は約 100% 増加します。コア材料は主にリブの側面に垂直な引張応力と圧縮応力に耐え、炭素繊維/エポキシ複合パネルが降伏強度に達する前に構造の早期破損を回避します。

6. 結論
PMI フォームコアを使用すると、A 字型リブを製造するためのコア金型として使用できるため、コンポーネントの敷設と硬化のコストを大幅に削減できます。プリプレグはフォームコア金型上に簡単に配置できます。 PMI フォームの等方性空隙構造と、オートクレーブ硬化サイクル中の優れた圧縮耐性とクリープ耐性により、ワンステップの同時硬化プロセスを実現できます。また、A 型の補強リブを充填した PMI フォームを使用すると、薄肉カーボンファイバー/エポキシ構造の不安定性防止性能が大幅に向上すると結論付けることもできます。補強材を使用すると、降伏破壊強度が約 30%、不安定破壊強度が約 100% 増加します。