複合材料構造の修理法

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Kyushu University Institutional Repository

複合材料構造の修理法

中村, 俊一郎

九州大学大学院工学府航空宇宙工学専攻

https://doi.org/10.15017/26637

出版情報：Kyushu University, 2012, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

九州大学大学院博士論文

複合材料構造の修理法

2013 年 1 月

九州大学大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻

中村俊一郎

目次

第１章 序論 --- 1

１．１ 本研究の背景 --- 1

１．１．１ 先進複合材料の航空機への適用 --- 1

１．１．２ 航空機の事故等と修理 --- 3

１．２ 複合材料構造の修理に於ける課題 --- 5

１．２．１ 修理方法の分類 --- 5

１．２．１．１ 航空機の運航ができない期間を短くする修理方法 --- 5

１．２．１．２ 修理した構造に適用する静強度 --- 6

１．２．２ 構造の違いによる修理方法 --- 7

１．２．３ 修理時期 --- 8

１．２．４ 修理作業 --- 8

１．２．４．１ 損傷部検査 --- 8

１．２．４．２ 修理構造の設計 --- 9

１．２．４．３ 修理の実施 --- 10

１．３ 修理に関する従来の研究 --- 12

１．３．１ 継手の研究 --- 12

１．３．２ 修理法の研究 --- 15

１．４ 本研究の目的と意義 --- 17

１．５ 本論文の構成 --- 19

第２章 修理構造の設計手法 --- 20

２．１ 緒言 --- 20

２．２ 設計制限荷重および設計終極荷重における設計応力 --- 20

２．３ 修理供試体の設計 --- 20

２．３．１ CFRP積層板の板厚 --- 21

２．３．２ ファスナ継手 --- 23

２．３．３ チタニウムパッチとアルミニウムパッチの板厚 --- 24

２．３．４ 接着継手 --- 25

２．３．５ 修理供試体 --- 25

２．４ 結言 --- 26 ｉ

第３章 CFRP修理供試体の製作プロセスに関する考察 --- 31

３．１ 修理供試体概要 --- 31

３．２ CFRP積層板の製作 --- 31

３．２．１ CFRP積層板の層構成 --- 31

３．２．２ 製作手順および作業時間 --- 32

３．２．３ 板厚計測結果 --- 38

３．２．４ 製作に要する作業時間 --- 38

３．３ 修理供試体の製作 --- 39

３．３．１ 修理供試体 --- 39

３．３．２ 製作手順および作業時間 --- 40

３．３．３ 修理に要する作業時間 --- 47

３．４ 結言 --- 48

第４章 CFRP積層板および矩形孔を有する母材の引張試験と破壊のメカニズム 50

４．１ 緒言 --- 50

４．２ CFRP積層板の引張強度 --- 50

４．２．１ 試験片の製作 --- 50

４．２．２ 引張試験 --- 51

４．２．３ 試験結果 --- 52

４．２．４ 考察 --- 57

４．３ コーナRのある矩形切欠孔を有する母材の強度 --- 58

４．３．１ 試験供試体 --- 58

４．３．２ 引張試験 --- 58

４．３．３ 応力集中部のFEM解析 --- 61

４．３．４ 考察 --- 62

４．４ 修理供試体の強度推算法 --- 65

４・４・１ ファスナ修理供試体の強度 --- 65

４．４．２ 接着修理供試体の強度 --- 67

４．４．３ 考察 --- 68

４．５ 結言 --- 69

ii

第５章 修理供試体の引張試験と破壊のメカニズム --- 70

５．１ 緒言 --- 70

５．２ 修理供試体の強度 --- 70

５．２．１ 引張試験 --- 70

５．２．２ 強度 --- 71

５．３ ひずみ計測結果 --- 78

５．３．１ ファスナ修理供試体 --- 78

５．３．２ 接着修理供試体 --- 78

５．３．３ 考察 --- 81

５．４ 修理供試体の破損モード --- 87

５．４．１ 破損モード --- 87

５．４．２ 考察 --- 92

５．５ 緒言 --- 93

第６章 結論 --- 106

Appendix A 構造の分類 --- 109

Appendix B 航空機の強度要件 --- 110

Appendix C 旅客機の定期整備 --- 112

Appendix D 非破壊検査法 --- 113

Appendix E 使用設備 --- 115

参考文献 --- 116

謝辞 --- 119

iii

1 第 １ 章 序 論

１ ． １ 本 研 究 の 背 景

本 研 究 の 背 景 で あ る 先 進 複 合 材 料 の 航 空 機 へ の 適 用 お よ び 事 故 等 に よ り 受 け た 損 傷 の 修 理 に つ い て 述 べ る 。

１ ． １ ． １ 先 進 複 合 材 料 の 航 空 機 へ の 適 用

航 空 機 の 機 体 重 量 を 軽 減 す る こ と は 、 有 効 搭 載 量 を 増 大 さ せ 、 ま た 飛 行 性 能 を 向 上 さ せ る 上 で 不 可 欠 で あ る 。 構 造 設 計 を は じ め と す る 機 体 設 計 の 歴 史 は 、 安 全 性 を 確 保 し つ つ 如 何 に 軽 量 化 を 達 成 す る か の 歴 史 と い っ て も よ い 。 こ の た め 航 空 機 に 長 年 に わ た り 広 範 囲 に 使 わ れ た ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 、 あ る い は 軽 量 化 に 貢 献 す る と 期 待 さ れ る チ タ ニ ウ ム 合 金 に 比 べ 、 引 張 強 さ ／ 比 重 （ 比 強 度 ） お よ び 縦 弾 性 率 ／ 比 重 （ 比 弾 性 率 ） に 優 れ る 先 進 複 合 材 料 が 注 目 さ れ 、 一 層 の 軽 量 化 が 期 待 さ れ る よ う に な っ た 。

先 進 複 合 材 料 ¹⁾は 強 化 材 と マ ト リ ッ ク ス 材 の 二 種 類 の 基 材 で 構 成 さ れ 、 そ れ ぞ れ の 基 材 よ り も 優 れ た 特 性 を 持 つ 材 料 で あ る 。 強 化 材 と し て の 繊 維 に は ガ ラ ス 繊 維 、 ボ ロ ン 繊 維 、 ア ラ ミ ド 繊 維 お よ び 炭 素 繊 維 が あ り 、 マ ト リ ッ ク ス 材 と し て の プ ラ ス チ ッ ク に は 熱 硬 化 性 の エ ポ キ シ 系 樹 脂 お よ び 不 飽 和 ポ リ エ ス テ ル 系 樹 脂 、 熱 可 塑 性 の ポ リ エ ー テ ル エ ー テ ル ケ ト ン （PEEK） な ど が あ る 。 熱 硬 化 性 複 合 材 料 と し て 代 表 的 な も の は 炭 素 長 繊 維 強 化 エ ポ キ シ 樹 脂 系 複 合 材 料 （CFRP） で あ る 。

航 空 機 に 使 わ れ る CFRP 製 品 は 積 層 し た プ リ プ レ グ を 加 圧 ･加 熱 に よ り 硬 化 し 成 型 し た も の が 現 在 で は 大 半 を 占 め て い る 。 プ リ プ レ グ は 一 方 向 ま た は 織 物 に し た 繊 維 に エ ポ キ シ 樹 脂 を 含 浸 さ せ 、半 硬 化 状 態 で シ ー ト 状 に し た 中 間 材 料 で あ る 。

航 空 機 へ の 複 合 材 料 の 適 用 は ¹⁾、 ガ ラ ス 繊 維 強 化 不 飽 和 ポ リ エ ス テ ル 樹 脂

（GFRP）が1940 年 代 に 開 発 さ れ 、レ ド ー ム に 使 わ れ た の が 始 ま り と の 説 な ど が あ る 。1959年 に ア ク リ ル 繊 維 を 出 発 原 料 と す る「 軽 く て 強 い 炭 素 繊 維 」が 大 阪 工 業 試 験 場 の 新 藤 昭 男 氏 に よ り 発 明 さ れ ²⁾、 い わ ゆ る 先 進 複 合 材 料 と し て の CFRP

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が 開 発 さ れ た こ と に よ り 構 造 部 材 へ 適 用 さ れ る よ う に な っ た 。CFRP の 構 造 部 材 へ の 適 用 は 、軽 量 化 が 機 体 性 能 に 大 き く 寄 与 す る ヘ リ コ プ タ ー に 始 ま り 、軍 用 機 、 民 間 旅 客 機 へ と 拡 大 さ れ て き た 。民 間 旅 客 機 へ の CFRP適 用 は 航 空 会 社 で 運 航 し て い る 飛 行 機 に CFRP製 部 品 を 取 り 付 け て 評 価 す る こ と か ら 始 ま っ た 。

米 国 で は 1972 年 か ら ア メ リ カ 航 空 宇 宙 局（NASA）が ス ポ ン サ ー と な っ た プ ロ グ ラ ム の 中 で Boeing 727の エ レ ベ ー タ 、Boeing 737-200 の 水 平 安 定 板 、 ロ ッ キ ー ド 社 L-1011 の エ ル ロ ン お よ び ダ グ ラ ス 社 DC-10 の ラ ダ ー と 垂 直 安 定 板 に CFRP を 適 用 し て 評 価 が 行 な わ れ た ³⁾。 こ れ ら の 成 果 と し て ボ ー イ ン グ 社 に あ っ て は Boeing 737-300/-400の エ ル ロ ン 、 エ レ ベ ー タ 、 ラ ダ ー と い っ た 舵 面 、 お よ び エ ン ジ ン カ ウ ル ド ア と い っ た 飛 行 安 全 に 大 き な 影 響 を 与 え な い 二 次 構 造 に 適 用 さ れ た 。Boeing 757 で は こ れ ら の 適 用 部 位 に 加 え 、舵 面 で は ス ポ イ ラ と 後 縁 フ ラ ッ プ 、二 次 構 造 で は エ ン ジ ン カ ウ リ ン グ に 適 用 さ れ 、Boeing 767で も 舵 面 で は ス ポ イ ラ 、二 次 構 造 で は 脚 扉 お よ び エ ン ジ ン カ ウ リ ン グ に 適 用 さ れ て き た 。Boeing 777 で は こ れ ら の 舵 面 お よ び 二 次 構 造 に 加 え 、 飛 行 安 全 に 大 き な 影 響 を 与 え る 一 次 構 造 で あ る 水 平 尾 翼 、 垂 直 尾 翼 お よ び 胴 体 客 室 床 ビ ー ム に 適 用 を 広 げ ^1）、 Boeing 787 で は さ ら に 一 次 構 造 の 主 翼 桁 間 、 胴 体 パ ネ ル へ と 拡 大 し て い っ た 。 Boeing 787で は 一 次 構 造 、舵 面 お よ び 二 次 構 造 を 合 わ せ る と 複 合 材 料 の 適 用 率 は 構 造 重 量 の 50％^4）に も 及 ぶ よ う に な っ た 。

欧 州 で は ^3）1980 年 に エ ア バ ス 社 が A300 の エ ア ブ レ ー キ と ス ポ イ ラ に 一 方 向 材 お よ び 織 物 材 CFRPを 適 用 し て 評 価 を 行 っ て い る 。こ の 評 価 プ ロ グ ラ ム で は ラ ダ ー 、 脚 扉 、 主 翼 後 縁 に つ い て も CFRP が 適 用 さ れ た 。 こ れ ら の 成 果 を 踏 ま え 、 エ ア ロ ス パ ッ シ ャ ル 社 ／ ア レ ニ ア 社 が 国 際 共 同 開 発 し た ATR72 で は 、 主 翼 桁 間 の 厚 板 構 造 と い っ た 一 次 構 造 に 適 用 さ れ 、1989 年 に 運 航 を 始 め た 。 エ ア バ ス 社 A310 で は 一 次 構 造 と し て は 垂 直 尾 翼 に 、 舵 面 と し て は ラ ダ ー 、 エ レ ベ ー タ 、 ス ポ イ ラ に 、 二 次 構 造 と し て は 脚 扉 、 主 翼 前 縁 、 後 縁 、 エ ン ジ ン ナ セ ル に 適 用 さ れ た 。A300-600 で は A310 の 技 術 が そ の ま ま 受 け 継 が れ た 。A320で は こ れ ら の 機 体 の 適 用 部 位 に 加 え 、 一 次 構 造 と し て は 水 平 尾 翼 に 、 舵 面 と し て は フ ラ ッ プ に 適 用 さ れ た 。A330/A340 で は こ れ ま で の 技 術 が 引 き 継 が れ た 。A380 で は 一 次 構 造 と し て は 中 央 翼 、 外 翼 桁 間 の リ ブ 、 二 階 客 室 床 ビ ー ム 、 胴 体 尾 部 お よ び 後 部 隔 壁

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ま で 適 用 を 広 げ ^1）、 複 合 材 料 の 適 用 率 は 構 造 重 量 の 22％ と な っ た 。 さ ら に A380 で は ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 板 と ア ラ ミ ド 繊 維 複 合 材 料 と を 積 層 し た ハ イ プ リ ッ ド 材 GLARE を 構 造 重 量 の 3％ 適 用 し て い る 。 開 発 中 の A350XWB で は さ ら に 主 翼 、 胴 体 パ ネ ル へ と 拡 大 し 、 複 合 材 料 の 適 用 率 は 構 造 重 量 の 52％ と な る 。

こ の よ う にCFRPの 適 用 は 、各 種 扉 お よ び エ ン ジ ン ナ セ ル な ど の 二 次 構 造 か ら 、 ラ ダ ー 、 エ レ ベ ー タ お よ び ス ポ イ ラ な ど の 舵 面 、 さ ら に は 尾 翼 、 主 翼 お よ び 胴 体 な ど の 一 次 構 造 へ と 着 実 に 範 囲 を 拡 大 し て い っ た 。 こ の 適 用 範 囲 の 拡 大 は 、 比 強 度・比 弾 性 率 に 優 れ て い る こ と を 生 か し 、か つ 使 用 部 位 に 要 求 さ れ る 強 度 ･剛 性 が 得 ら れ る よ う な 積 層 構 成 に 設 計 す る こ と 、 お よ び 繰 り 返 し 荷 重 に よ る 損 傷 発 生 の 可 能 性 が 低 い こ と か ら 応 力 レ ベ ル を 高 め に す る こ と が で き る な ど に よ り 軽 量 化 が 可 能 と な る た め で あ る 。 さ ら に 耐 腐 食 性 の 良 さ を 生 か し て 、 腐 蝕 環 境 の 悪 い 部 位 に 適 用 し て 整 備 コ ス ト を 低 減 で き る こ と 、 お よ び 大 型 一 体 成 型 が 可 能 で あ り 、 組 立 コ ス ト を 低 減 で き る こ と な ど も 期 待 で き る 。 し か し 、 衝 撃 圧 縮 に 対 す る 強 度 の 向 上 、高 温 ･吸 湿 対 策 、耐 雷 対 策 お よ び 製 造 コ ス ト の さ ら な る 低 減 の み な ら ず 、運 航 時 に 損 傷 を 受 け た 時 の 整 備 コ ス ト 低 減 と い っ た 課 題 が あ る 。 運 航 時 の 整 備 コ ス ト と は 、 定 期 的 に 行 う 検 査 お よ び 整 備 に 加 え 、 事 故 等 に よ り 受 け た 損 傷 に 対 す る 修 理 な ど に か か る も の で あ る 。

１ ． １ ． ２ 航 空 機 の 事 故 等 と 修 理

航 空 機 構 造 が 運 航 中 に 受 け る 損 傷 は 次 の よ う に 大 別 で き る 。 (1) 設 計 お よ び 製 造 に 起 因 す る 損 傷

(2) 経 年 劣 化 に よ る 損 傷 （ 疲 労 損 傷 、 腐 食 、 応 力 腐 食 、 非 金 属 材 料 の 環 境 に よ る 劣 化 ）

(3) 開 発 時 点 で は 想 定 し 得 な い 気 象 環 境 お よ び 荷 重 に よ る 損 傷 (4) 事 故 等 に よ る 損 傷

こ の う ち(1)お よ び(2)に つ い て は 、 損 傷 許 容 設 計 と 運 航 時 点 検 と の 組 み 合 せ に よ り 、飛 行 安 全 に か か わ る よ う な 重 大 な 損 傷 へ 進 展 す る 以 前 に 発 見 し 修 理 す る 方 策 が 取 ら れ て い る 。

(3)に つ い て は 想 定 す る こ と が 難 し く 、事 故 等 が 生 じ 、原 因 を 究 明 し て 初 め て わ

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か る こ と で あ る 。過 去 の 事 例 か ら は 自 然 現 象 、操 縦 す る 人 間 と 機 械 と の イ ン タ ー フ ェ イ ス 、新 技 術 の 適 用 等 に 起 因 し て お り 、こ れ ら へ の 対 応 は 耐 空 性 審 査 要 領 ^5） に 随 時 反 映 さ れ て い る 。

(4)の 事 故 等 と は 、 事 故 と し て 取 り 扱 わ れ る (ア)航 空 機 の 墜 落 ･衝 突 ま た は 火 災 、(イ)航 空 機 と の 接 触 ま た は エ ン ジ ン 給 排 気 な ど に よ る 人 の 死 傷 ま た は 物 件 の 損 壊 、(ウ)航 空 機 内 に あ る 者 の 死 亡 ま た は 行 方 不 明 、(エ)運 航 中 の 航 空 機 が 損 傷 を 受 け た 事 態 、お よ び 重 大 イ ン シ デ ン ト と 取 り 扱 わ れ る 事 故 が 発 生 す る 恐 れ が あ る と 認 め ら れ る 事 態 を 示 す ⁶⁾。

日 本 に お け る 旅 客 機 （ 輸 送 機 T 類 ） の 事 故 は ^6）1994 年 か ら 19 年 間 で 61 件 発 生 し 、機 体 が 損 傷 を 受 け た 20 件 の う ち 、修 理 可 能 な 胴 体 の 損 傷 は 14件 で あ る 。一 方 、 重 大 イ ン シ デ ン ト は ^6）2001 年 か ら 12 年 間 で 63 件 発 生 し 、 機 体 が 損 傷 を 受 け た 8 件 の う ち 修 理 可 能 な 胴 体 の 損 傷 は 2件 で あ る 。 い ず れ も １ 機 単 独 で 起 き て い る 。

米 国 エ ア ラ イ ン に お い て 、1987 年 か ら 2003 年 の 17年 間 で 空 港 ラ ン プ エ リ ア で の 事 故 等 が 727件 発 生 し て い る ^7),8）。空 港 ラ ン プ エ リ ア が 非 常 に 混 雑 し 、限 ら れ た ス ペ ー ス に 種 々 雑 多 な 車 両 や 機 材 あ る い は 作 業 者 が 集 中 し て 頻 繁 に 動 い て い る こ と に 起 因 す る も の で あ る 。こ の う ち 航 空 機 と 地 上 車 両 と の 衝 突 、航 空 機 同 士 の 衝 突 、航 空 機 と ボ ー デ ィ ン グ ブ リ ッ ジ と の 衝 突 な ど に よ り 航 空 機 に か な り の 損 傷 を 与 え た も の が 41 件 、 軽 い 損 傷 を 与 え た も の が 245件 あ り 、 航 空 機 の 修 理 が 必 要 と な っ て い る 。

こ れ ら の 事 故 等 は 、 修 理 に 要 す る 費 用 や 修 理 期 間 中 の 代 替 え 航 空 機 の 費 用 等 、 エ ア ラ イ ン に と っ て は 多 大 な 出 費 を 強 い ら れ る こ と に な り 、事 故 等 を 起 こ さ な い 対 策 を 十 分 に 行 う と と も に 、修 理 期 間 の 短 縮 を 図 り 航 空 機 が 運 航 で き な い 期 間 を 最 短 に し な け れ ば な ら な い ⁹⁾。

従 っ て 、航 空 機 構 造 の 修 理 、と り わ け 近 年 CFRPの 適 用 が 始 ま っ た 薄 板 の 胴 体 構 造 に と っ て 修 理 期 間 を い か に 短 縮 す る か が 課 題 で あ り 、そ の 修 理 法 の 研 究 が 重 要 と な る。

5 １ ． ２ 複 合 材 料 構 造 の 修 理 に 於 け る 課 題

航 空 機 構 造 は Appendix A に 示 す よ う に 、 一 次 構 造 、 舵 面 、 二 次 構 造 に 分 類 さ れ る 。複 合 材 料 を 適 用 し た 構 造 が 運 航 中 に 損 傷 を 受 け 、こ れ を 修 理 す る と の 観 点 か ら 見 る と 、二 次 構 造 お よ び 舵 面 に 適 用 し て い る 間 は 部 品 交 換 等 が 可 能 な た め 修 理 に よ り 運 航 に 重 大 な 支 障 を 及 ぼ す こ と も な か っ た 。し か し 、主 翼 や 胴 体 な ど の 一 次 構 造 に 適 用 さ れ る よ う に な る と 、修 理 期 間 が 長 く な り 、運 航 に 支 障 を 及 ぼ す こ と が 問 題 と な っ て き た 。そ の た め 修 理 期 間 を 短 縮 す る た め に 修 理 方 法 と 修 理 時 期 を 決 め る こ と が 重 要 と な っ て き た 。

修 理 作 業 は 修 理 要 領 に 従 っ て 行 わ れ る 。修 理 要 領 の 作 成 に あ た っ て は 次 の こ と を 考 慮 し て 修 理 方 法 お よ び 修 理 時 期 が 決 め ら れ る 。

(1) 運 航 中 に 損 傷 を 受 け た 構 造 （ 被 損 傷 構 造 ） の 類 別

・ 一 次 構 造 、 舵 面 、 二 次 構 造 の い ず れ か 。

・ 構 造 を 構 成 す る 部 品 が 厚 板 、薄 板 、ハ ニ カ ム サ ン ド イ ッ チ の い ず れ に 該 当 す る か 。

・ 損 傷 範 囲 が 単 一 部 材 か 複 数 の 部 材 に わ た る か 。 (2) 修 理 し た 構 造 の 強 度 要 件

(3) 運 航 で き な い 時 間 を 極 力 短 縮 し た 修 理 時 期 と 修 理 方 法

１ ． ２ ． １ 修 理 方 法 の 分 類

修 理 方 法 を 決 め る に あ た っ て 、 ま ず 被 損 傷 構 造 に 要 求 さ れ る 新 造 機 の 強 度 要 件 を 把 握 し な け れ ば な ら な い 。 被 損 傷 構 造 は 修 理 後 も 同 じ 強 度 要 件 を 満 足 す る こ と が 求 め ら れ る 。 強 度 要 件 に は Appendix Bに 示 す 静 強 度 、 耐 久 性 、 損 傷 許 容 性 、 剛 性 が あ る 。 す べ て の 構 造 に 静 強 度 お よ び 剛 性 が 要 求 さ れ る 。 さ ら に 一 次 構 造 お よ び 舵 面 に は 損 傷 許 容 性 ま た は 耐 久 性 が 要 求 さ れ る ⁵⁾。

１ ． ２ ． １ ． １ 運 航 が で き な い 期 間 を 短 く す る 修 理 方 法

航 空 機 メ ー カ ー で あ る ボ ー イ ン グ 社 の 修 理 マ ニ ュ ア ル ¹⁰⁾（SRM：Structure Repair Manual） に よ る と 、 損 傷 を 受 け た 構 造 を 構 成 す る 部 品 が 損 傷 許 容 性 を 要

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求 さ れ て い る か 否 か に よ り 下 記 の(1)ま た は(2)に 分 類 さ れ る 。 (1) 損 傷 許 容 性 が 要 求 さ れ て い る 場 合

対 象 と な る の は Appendix Aに 示 す 一 次 構 造 お よ び 舵 面 を 構 成 す る 、 静 強 度 お よ び 損 傷 許 容 性 で 設 計 さ れ た 部 品 で あ る 。修 理 方 法 は 以 下 の a．～c．と な る 。 a. 新 造 時 の 構 造 と 同 等 の 強 度 ・ 剛 性 を 有 す る 恒 久 的 な 修 理 （ 恒 久 修 理 ） を 行 う 。 修 理 後 は 検 査 マ ニ ュ ア ル （MPD：Maintenance Planning Document）

に よ る 定 期 検 査 を 行 い 、運 航 中 に 新 た な 傷 が 生 じ て い な い こ と を 確 認 す る 。 b. 恒 久 修 理 を 行 う 。 修 理 後 は MPD に よ る 定 期 検 査 に 加 え 、 修 理 部 の 損 傷 許

容 性 を 保 持 す る た め の 追 加 検 査 を 行 う 。 追 加 検 査 要 領 は 恒 久 修 理 を し た 部 品 に 新 た な 損 傷 が 生 じ て い な い こ と 、 お よ び 損 傷 が あ っ て も 破 壊 に い た る 大 き さ に 進 展 し て い な い こ と を 確 認 で き る 検 査 方 法 お よ び 検 査 間 隔 か ら な る 。

c. 限 定 さ れ た 強 度 ・ 剛 性 を 有 す る 一 時 的 な 修 理 （ 一 時 修 理 ） を 行 う 。 修 理 後 は MPD に 加 え 修 理 部 の 特 別 な 検 査 を 行 っ て 運 航 し 、24ヶ 月 以 内 に は 恒 久 修 理 を 行 う 。 特 別 検 査 要 領 は 一 時 修 理 し た 部 品 に 許 容 さ れ な い 損 傷 が 生 じ て い な い か を 確 認 で き る 検 査 方 法 お よ び 検 査 間 隔 か ら な る 。

(2) 損 傷 を 受 け た 構 造 に 損 傷 許 容 性 が 要 求 さ れ て い な い 場 合

こ の 構 造 は 静 強 度 、耐 久 性 ま た は 剛 性 で 設 計 さ れ た 部 品 か ら 構 成 さ れ て い る 。 修 理 は 恒 久 修 理 、 一 時 修 理 に 分 類 さ れ る 。 い ず れ も 新 造 時 ま た は 修 理 後 に 損 傷 の 存 在 を 想 定 し て い な い 。

一 時 修 理 は 修 理 期 間 を 短 縮 し 航 空 機 が 運 航 で き な い 日 数 を 極 力 短 く す る た め に 考 え 出 さ れ た 修 理 方 法 で あ る 。 本 論 文 で は 一 時 修 理 の 有 効 性 を 課 題 と し て 取 り 上 げ る こ と と し 、（1）a． の 恒 久 修 理 と （1）c． の 一 時 修 理 を 対 象 と す る 。

１ ． ２ ． １ ． ２ 修 理 し た 構 造 に 適 用 す る 静 強 度

ボ ー イ ン グ 社 の SRM で は 恒 久 修 理 ま た は 一 時 修 理 を し た 部 位 は 共 に 設 計 終 極 荷 重（DUL：Design Ultimate Load）に 耐 え る こ と と 記 載 さ れ て い る 。一 方 、参 考 文 献 3） の 第 8 章 に 複 合 材 構 造 の 恒 久 修 理 と 一 時 修 理 に つ い て の 記 述 が あ り 、

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恒 久 修 理 で は DUL に 耐 荷 す る こ と 、 お よ び 一 時 修 理 は 設 計 制 限 荷 重 （DLL：

Design Limit Load） に 耐 荷 す る こ と と あ る 。

こ れ ら を 踏 ま え 、 修 理 し た 構 造 へ の 静 強 度 要 求 は 次 の よ う に す る 。

恒 久 修 理 し た 構 造 は 修 理 後 も MPD に よ る 定 期 検 査 が 行 わ れ る こ と か ら 、 新 造 時 と 同 じ く DULに 耐 荷 す る も の と す る 。一 方 、一 時 修 理 し た 構 造 は 修 理 後 のMPD に よ る 定 期 検 査 に 加 え 、 特 別 な 検 査 を 追 加 す る こ と に よ り 許 容 さ れ な い 損 傷 が 容 易 に 発 見 で き る よ う に す る こ と 、 お よ び 24 ヶ 月 以 内 に 恒 久 修 理 さ れ る こ と を 考 慮 し 、DLL に 耐 荷 す る も の と す る 。 こ れ は Appendix Bの 図 B1に 示 す 傷 の サ イ ズ と 強 度 と の 関 係 か ら 、 容 易 に 発 見 で き る 傷 の あ る 構 造 は DLL に 耐 え る こ と 、 お よ び DLL は 航 空 機 が 運 航 中 に 予 想 さ れ る 最 大 荷 重 と 定 義 さ れ る こ と を 応 用 し た も の で あ る 。

１ ． ２ ． ２ 構 造 の 違 い に よ る 修 理 方 法

修 理 方 法 は CFRP構 造 が 厚 板 積 層 板 、薄 板 積 層 板 あ る い は ハ ニ カ ム サ ン ド イ ッ チ か に よ り 異 な っ て く る 。各 構 造 の 修 理 例 は 参 考 文 献 3)の 第 8章 お よ び 参 考 文 献 9)な ど に 示 さ れ て い る 。

厚 板 積 層 板 構 造 の 場 合 、 損 傷 を ス テ ッ プ ま た は ス カ ー フ の 形 状 に 切 り 取 り 、 こ の 部 分 に CFRP 積 層 板 を 埋 め 込 ん で 接 着 し 、さ ら に 表 面 に 薄 い CFRP 積 層 板 パ ッ チ を 接 着 し て 修 理 す る 。

薄 板 積 層 板 構 造 の 場 合 、 損 傷 を 切 り 取 り 、 そ の 部 分 に 金 属 パ ッ チ を フ ァ ス ナ で 結 合 し て 当 て る か 、 ま た は CFRP 積 層 板 パ ッ チ を 接 着 で 当 て る 修 理 す る 。

ハ ニ カ ム サ ン ド イ ッ チ 構 造 の 場 合 は 、損 傷 し た 薄 い CFRP積 層 板 表 皮 お よ び ハ ニ カ ム を 切 除 し 、切 除 部 分 を 樹 脂 等 で 埋 め 、さ ら に 表 皮 に 薄 い CFRP 積 層 板 パ ッ チ を 接 着 で 当 て る 修 理 す る 。

１ ．１ 項 で 示 し た よ う に 、本 論 文 で は 薄 板 の CFRP積 層 板 で 作 ら れ た 胴 体 構 造 が 損 傷 を 受 け る こ と を 想 定 し て い る 。 従 っ て 、 修 理 は パ ッ チ を 被 修 理 構 造 に フ ァ ス ナ で 結 合 す る （ フ ァ ス ナ 継 手 ） ま た は 接 着 し て 当 て る （ 接 着 継 手 ） の い ず れ か の 方 法 と す る 。

8 １ ． ２ ． ３ 修 理 時 期

修 理 を す る 時 期 は 、飛 行 安 全 を 第 一 に 考 え た 上 で 、損 傷 の 大 き さ お よ び 修 理 に 費 や す こ と の で き る 時 間 に よ り 決 ま る 。す な わ ち 損 傷 部 を そ の ま ま に し て 日 常 点 検 で 損 傷 の 進 展 の 有 無 を モ ニ タ ー す る か 、直 ち に 新 造 時 の 構 造 と 同 等 の 強 度・剛 性 を 有 す る 恒 久 修 理 を 行 う か 、限 定 さ れ た 強 度・剛 性 を 有 す る 一 時 修 理 を 行 っ た 上 で 定 め ら れ た 飛 行 時 間 以 内 に 恒 久 修 理 を 行 う か の い ず れ か に な る 。い ず れ の 修 理 を 行 う に し て も 航 空 機 が 運 航 で き な い 期 間 を 極 力 短 く す る こ と が 求 め ら れ る 。

一 時 修 理 ま た は 恒 久 修 理 を Appendix C に 示 す 機 体 定 期 整 備 の 間 に 行 う こ と が で き れ ば 、航 空 機 が 運 航 で き な い 時 間 を 極 力 短 く で き る 。ま た 、整 備 工 場 で 修 理 す る こ と に よ り 複 合 材 料 の 取 り 扱 い に 精 通 し た 作 業 者 お よ び 設 備 を 使 え る こ と に な る 。

従 っ て 、修 理 時 期 は 一 時 修 理 を A ま た は B 整 備 時 に 行 い 、恒 久 修 理 は 日 数 を 取 れ る Cま た は SI整 備 時 に 行 う こ と と す る 。

１ ． ２ ． ４ 修 理 作 業

一 次 構 造 が 損 傷 を 受 け 、損 傷 し た 部 位 を 特 定 し 修 理 方 法 と 修 理 時 期 を 決 め た ら 、 次 の 流 れ で 修 理 が 行 わ れ る 。

(1) 修 理 す る 部 位 の 検 査 を 行 い 、 損 傷 範 囲 を 把 握 す る 。 (2) 修 理 構 造 の 設 計 を 行 う 。

(3) 修 理 を 実 施 し 、修 理 後 の 検 査 を 行 い 、正 し く 修 理 さ れ て い る こ と を 確 認 す る 。

１ ． ２ ． ４ ． １ 損 傷 部 検 査

修 理 に あ た っ て 、 ま ず 損 傷 範 囲 の 正 確 な 把 握 が 必 要 と な る 。 検 査 は 以 下 の 手 順 で 行 う 。

(1) 変 形 お よ び 破 損 部 分 を 目 視 検 査 し 、 部 品 の 表 面 に 現 れ た 損 傷 の 範 囲 お よ び 大 き さ を 概 略 把 握 す る 。 目 視 検 査 は 拡 大 鏡 等 を 使 っ て 行 う 。

(2) 複 合 材 料 の 損 傷 は 部 品 の 表 面 に 現 れ な い こ と も 多 く 、ま ず は タ ッ ピ ン グ ･ハ ン マ に よ り 内 部 損 傷 の 把 握 を 行 う 。

(3) 損 傷 の 範 囲 お よ び 大 き さ を 詳 細 に 把 握 す る に は 超 音 波 検 査 法 な ど の 非 破 壊 検

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査 （NDI： Non-Destructive Inspection） に よ り 行 う 。 各 種 の 非 破 壊 検 査 法 の 検 査 方 法 、 欠 陥 検 出 法 お よ び 特 長 を Appendix Dに 示 す 。NDIに つ い て は 例 え ば N.P.Avidelidis 等 ¹¹⁾の サ ー モ グ ラ フ ィ を 使 用 し て 欠 陥 を 検 出 す る な ど の 多 く の 研 究 が 続 け ら れ て お り 、D.K.Hsu 等 ^{1 2)}は タ ッ ピ ン グ や 超 音 波 に よ る NDI の 研 究 を 紹 介 し て い る 。 い ず れ も 複 合 材 料 構 造 の 製 造 お よ び 修 理 に は 簡 便 で 精 度 の よ い 検 査 法 の 開 発 が 不 可 欠 で あ る 。

１ ． ２ ． ４ ． ２ 修 理 構 造 の 設 計 ^9),13)

被 損 傷 構 造 の 修 理 方 法 がSRMに 記 載 さ れ て い な い 場 合 、航 空 機 の 運 航 会 社 は 、 機 体 会 社 の 協 力 を 得 て 修 理 の た め の 設 計 を 行 い 、関 係 機 関 の 承 認 を 得 て 修 理 す る 。 設 計 は 新 造 時 の 構 造 に 要 求 さ れ る 強 度 要 件 、 １ ． ２ ． １ ． ２ 項 の 静 強 度 要 求 お よ び 下 記 の 修 理 部 に 対 す る 構 造 要 求 な ら び に 作 業 環 境 を 考 慮 し て 行 う 。

(1) 構 造 要 求

修 理 す る 複 合 材 構 造 の 修 理 条 件 を 把 握 し た 設 計 を 行 う こ と 。 a. 修 理 部 分 お よ び 周 辺 構 造 の コ ン タ ー 。

b. 装 備 品 取 り 付 け 部 ま た は 点 検 扉 周 り の 補 強 状 況 。 c. 修 理 す る 部 位 の 耐 雷 性 お よ び 導 電 性 要 求 。

d. 修 理 す る 場 所 の 近 く に 修 理 履 歴 が あ る 場 合 、 こ れ が 今 回 の 修 理 範 囲 と 干 渉 す る か 。

e. 外 表 面 平 滑 度 を 保 ち 、 空 気 抵 抗 を 増 大 さ せ な い こ と 。 f. 航 空 機 の 全 重 量 お よ び 重 心 位 置 が 大 き く 変 化 し な い こ と 。 (2) 作 業 環 境

修 理 は 実 際 に 運 航 し て い る 航 空 機 に 対 し て 行 わ れ る た め 、 下 記 の 作 業 環 境 を 考 慮 し た 修 理 作 業 が 行 え る 設 計 と す る 。

a. 損 傷 部 へ の 接 近 性 。

b. 修 理 す る 部 品 の 塗 装 、 吸 湿 お よ び 汚 染 の 状 態 。 特 に 繊 維 を 傷 め な い 塗 装 の 剥 離 、 吸 湿 し た 部 品 の 乾 燥 お よ び 除 染 は 修 理 し た 接 着 継 手 が 十 分 な 強 度 を 有 す る た め に は 重 要 で あ る 。

10 １ ． ２ ． ４ ． ３ 修 理 の 実 施

１ ．２ ．２ 項 に 示 し た よ う に 、損 傷 を 受 け た 薄 板 の CFRP積 層 板 は 、金 属 パ ッ チ を フ ァ ス ナ 継 手 で 当 て る 修 理 （ フ ァ ス ナ 修 理 ）、 ま た は CFRP パ ッ チ を 接 着 継 手 で 当 て る 修 理 （ 接 着 修 理 ） が な さ れ る 。

(1) フ ァ ス ナ 修 理 ³⁾

フ ァ ス ナ 修 理 は 修 理 す る 部 品 の 片 側 ま た は 両 側 に パ ッ チ を 当 て フ ァ ス ナ で 結 合 す る 方 法 で あ る 。 金 属 パ ッ チ に は ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 ま た は チ タ ニ ウ ム 合 金 を 使 用 す る 。ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 が CFRPと 接 触 し た 状 態 で 水 分 が あ る と 電 池 の 陽 極 反 応 を 生 じ 、 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 側 に 電 界 腐 食 を 生 じ る 。 そ の 防 止 策 と し て 両 者 の 間 に ガ ラ ス 繊 維 強 化 エ ポ キ シ 樹 脂 複 合 材 料 （GFRP） を 挟 ま な け れ ば な ら な い 。 チ タ ニ ウ ム 合 金 と CFRP が 接 触 し て も 電 界 腐 蝕 を 生 じ な い 。 作 用 す る 荷 重 が 大 き い 部 品 を 修 理 す る 場 合 は チ タ ニ ウ ム ま た は CFRPパ ッ チ を 使 用 す る 。フ ァ ス ナ の 材 料 に つ い て も CFRPと の 電 界 腐 食 を 生 じ な い チ タ ニ ウ ム 合 金 、ス テ ン レ ス 鋼 ま た は モ ネ ル を 使 用 す る ⁹⁾。修 理 す る CFRP積 層 板 の 板 厚 は フ ァ ス ナ 結 合 を 想 定 し て い な い の で 、 フ ァ ス ナ 孔 の 強 度 を 確 保 す る た め に は 必 要 な フ ァ ス ナ 本 数 の 確 保 ま た は 孔 部 の 補 強 が 必 要 と な る 。

(2) 接 着 修 理 ³⁾

接 着 修 理 はCFRPパ ッ チ を 修 理 す る 部 品 の 両 面 に 当 て る 二 面 せ ん 断 継 手 ま た は 片 面 に 当 て る 一 面 せ ん 断 継 手 で 行 う 。接 着 が 確 実 に 行 わ れ る に は CFRP パ ッ チ と 修 理 す る 部 品 が 密 着 す る こ と が 必 要 と な る 。 そ の た め 修 理 す る 部 品 の コ ン タ ー に 合 わ せ た パ ッ チ の 製 作 が 求 め ら れ る 。 複 合 材 料 は 修 理 す る 構 造 と 同 じ 材 料 お よ び 層 構 成 が 望 ま し い 。CFRPパ ッ チ の 製 作 は 材 料 の 調 達 ･保 管 お よ び 保 有 設 備 に よ り 、 下 記 の 3種 類 が 考 え ら れ る 。

a. Wet lay-up patch： 修 理 す る 現 場 で 炭 素 繊 維 基 材 に 樹 脂 を 含 浸 さ せ て 積 層 し 、 真 空 圧 を 加 え 、 ヒ ー テ ィ ン グ ブ ラ ン ケ ッ ト で 加 熱 し 硬 化 す る 。 真 空 圧 で の 加 圧 お よ び 含 浸 作 業 に 技 量 を 要 す る た め 、 パ ッ チ 内 に ボ イ ド が 残 り や す い た め 、 後 述 の Prepreg patch ま た は Pre-cured patchほ ど の 強 度 が 得

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ら れ な い 。繊 維 と 樹 脂 は 個 別 に 保 管 し て お け る が 、繊 維 は ク ロ ス 材 と な る 。 b. Prepreg patch：材 料 メ ー カ ー か ら 供 給 さ れ る プ リ プ レ グ を 積 層 し 、真 空 圧 で 加 圧 し 、 ヒ ー テ ィ ン グ ブ ラ ン ケ ッ ト で 加 熱 し 硬 化 す る 。 真 空 圧 の 場 合 は 加 圧 力 が 1 気 圧 ま で で あ り Pre-cured patch よ り 強 度 が 落 ち る 。 修 理 に 備 え た プ リ ク レ グ の 調 達 が 必 要 で あ る 。

c. Pre-cured patch： 機 体 の CFRP 外 板 と 同 じ オ ー ト ク レ ー ブ に よ り 加 圧 ･加 熱 硬 化 し て 成 型 す る 。 機 体 修 理 工 場 で 製 作 す る 。 平 板 お よ び そ れ に 近 い 損 傷 部 位 の 修 理 に は あ ら か じ め 積 層 板 を 用 意 し て お け る 。 し か し 、 損 傷 が 想 定 さ れ な い 部 位 の パ ッ チ は 新 た に 製 作 が 必 要 で あ り 、 パ ッ チ が 曲 面 を 持 つ 場 合 は 成 型 冶 具 が 必 要 と な る 。

修 理 す る パ ッ チ の 接 着 は 次 の 方 法 に よ り 行 わ れ る 。

a. Wet lay-up patchは パ ッ チ 製 作 と 同 時 に パ ッ チ の 樹 脂 に よ り 修 理 す る 部 品 と 接 着 さ れ る 。

b. Prepreg patch は パ ッ チ 製 作 と 同 時 に 修 理 す る 部 品 と 接 着 さ れ る 。接 着 は パ ッ チ の 樹 脂 で 行 う 場 合 と 修 理 す る 部 品 と パ ッ チ の 間 に フ ィ ル ム 接 着 剤 を 挟 ん で 行 う 場 合 が あ る 。

c. Pre-cured patchの 場 合 は 製 作 し た パ ッ チ を フ ィ ル ム 接 着 剤 で 接 着 す る 。 パ ッ チ の 製 作 と 接 着 法 に よ り 得 ら れ る 強 度 レ ベ ル が 異 な る こ と が 想 定 さ れ る が 、 本 論 文 で は 損 傷 が あ る 程 度 大 き い 修 理 を 想 定 し 、 パ ッ チ 製 作 と 接 着 作 業 が 明 確 に 分 離 で き る Pre-cured patch を フ ィ ル ム 接 着 剤 で 当 て る 方 法 を と る 。

12 １ ． ３ 修 理 に 関 す る 従 来 の 研 究

損 傷 を 受 け た 構 造 は パ ッ チ な ど の 部 材 を 当 て て 修 理 さ れ る 。 本 論 文 で は 薄 板 の CFRP 積 層 板 の 修 理 を 対 象 に し て お り 、こ れ に 関 係 す る 継 手 の 研 究 お よ び 修 理 法 の 研 究 に つ い て 現 状 を 調 査 す る 。

１ ． ３ ． １ 継 手 の 研 究

CFRP で 作 ら れ た 部 材 同 士 を 接 合 す る 方 法 に は フ ァ ス ナ 継 手 と 接 着 継 手 が あ る 。 こ こ で は こ れ ら に 関 す る 研 究 に つ い て 調 査 す る 。

（ １ ） フ ァ ス ナ 継 手

M.C.Y. Niu⁹⁾は 複 合 材 料 を 用 い た 航 空 機 構 造 の 設 計 を す る 際 の デ ー タ を ま と め て お り 、そ の 中 で フ ァ ス ナ 継 手 設 計 の 目 安 と し て 、フ ァ ス ナ 径 D に 対 し て 行 間 隔 s/D、ピ ッ チp/D、端 距 離 e/D、縁 距 離 b/D の 最 小 値 を 示 し て い る 。J.M.Zhang¹⁴⁾ は フ ァ ス ナ 孔 周 り の 詳 細 な 解 析 を 行 い 破 損 荷 重 の 予 測 を 行 っ て い る 。G.Kelly 等

15)は ボ ル ト を 孔 に は め 込 む 際 の 孔 と ボ ル ト 径 の 隙 間 が 孔 の 面 圧 強 度 に お よ ぼ す 影 響 を 研 究 し て お り 、 孔 径 が 4%変 形 す る 時 の 面 圧 強 度 は 大 き く 低 下 す る が 、 終 極 の 面 圧 強 度 に は 影 響 し な い と 述 べ て い る 。 さ ら に ボ ル ト 結 合 に よ り 締 め 付 け 力 が あ る 場 合 の 効 果 も 研 究 し て い る 。A.Aktas等 ¹⁶⁾は 異 な る 積 層 順 の ピ ン 結 合 が 面 圧 強 度 に 及 ぼ す 影 響 を 研 究 し て お り 、 表 層 に 90°層 の あ る 積 層 が 0°層 が あ る 積 層 よ り 面 圧 強 度 が 20%高 い と の 結 果 を 得 て い る 。J.Ekh 等 ¹⁷⁾は CFRP 積 層 板 と ア ル ミ ニ ウ ム 板 を 多 数 の フ ァ ス ナ で 結 合 し た 一 面 せ ん 断 継 手 の 荷 重 伝 達 に つ い て 研 究 し て い る 。 各 フ ァ ス ナ の 伝 達 荷 重 は ボ ル ト 径 と 孔 径 の 隙 間 が 最 も 重 要 な フ ァ ク タ で あ る と 述 べ て い る 。T.Yýlmaz等¹⁸⁾は ピ ン 結 合 の 破 損 に つ い て 研 究 し て い る 。 引 張 破 損 ま た は せ ん 断 破 損 の 破 損 モ ー ド は 急 激 に 生 じ 、 面 圧 破 損 は 徐 々 に 起 こ る と 述 べ て い る 。S.D.Thoppul 等 ¹⁹⁾は フ ァ ス ナ に よ る 機 械 的 継 手 の 研 究 を レ ビ ュ ー し て い る 。 こ れ ま で は フ ァ ス ナ 継 手 に 関 す る 幾 何 学 的 寸 度 を パ ラ メ ー タ と し た 応 力 解 析 や 強 度 予 測 が 主 で あ っ た が 、近 年 は 損 傷 モ ー ド 、繰 り 返 し 荷 重 に よ る 損 傷 、 フ ァ ス ナ に よ る 締 め 付 け 力 の 影 響 、 高 温 ・ 吸 湿 環 境 の 影 響 な ど さ ま ざ ま な 面 か ら

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研 究 さ れ て い る と 述 べ て い る 。 さ ら に 、 多 数 の フ ァ ス ナ を し ま り ば め で 装 着 し た 継 手 お よ び 湿 度 ・ 熱 環 境 の 繰 り 返 し に よ る 影 響 な ど に 研 究 課 題 が あ る こ と を 示 し て い る 。F.X.Irisarri 等 ²⁰⁾は 一 本 の フ ァ ス ナ 継 手 に よ る 面 圧 強 度 に つ い て 研 究 し て お り 、 フ ァ ス ナ 継 手 の 強 度 に 影 響 す る 要 因 を 取 り 込 ん だ 有 限 要 素 法 解 析 を 行 っ て い る 。A.Ataş 等 ²¹⁾は ボ ル ト 結 合 な ど の 継 手 に お け る 締 め 付 け 力 が 面 圧 強 度 に 与 え る 効 果 を 研 究 し て い る 。 こ の 中 で 剥 離 の 発 生 や 成 長 に つ い て 調 べ て い る 。 O.Limam 等 ²²⁾は ピ ン 結 合 の 継 手 に つ い て 終 極 破 損 荷 重 の 予 測 を 研 究 し て い る 。 J.Wang 等 ²³⁾は 単 層 板 ／ 積 層 板 の 多 く の 試 験 デ ー タ と ボ ル ト 結 合 の 少 な い 試 験 デ ー タ か ら 統 計 処 理 さ れ た 設 計 許 容 値 の 設 定 法 を 提 案 し て い る 。 こ の 研 究 は 参 考 文 献 3） の 第 4 章 に 示 す 許 容 値 設 定 の 統 計 処 理 で は 数 百 点 に お よ ぶ 実 験 デ ー タ が 必 要 に な る こ と に 対 応 し た も の で あ る 。

こ こ に 示 す い ず れ の 研 究 も 、 一 本 の フ ァ ス ナ に よ る 継 手 の 研 究 が 主 体 で あ り 、 多 数 の フ ァ ス ナ で 結 合 し た 構 造 の 研 究 は 少 な い 。

（ ２ ） 接 着 継 手

R.D.S.G.Campilho 等 24),25),26)は 一 面 ま た は 二 面 せ ん 断 接 着 継 手 の 引 張 荷 重 下 で の 接 着 強 度 を 研 究 し て い る 。 そ の 中 で 接 着 強 度 が そ れ 以 上 は 増 え な い 接 着 長 さ の 限 度 が あ る こ と 、 接 着 剤 の 強 度 が 損 傷 モ ー ド に 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る こ と な ど の 成 果 を 得 て い る 。 更 に 、 接 着 層 の 解 析 モ デ ル を 提 案 し て 評 価 し 、 パ ッ チ の 接 着 端 を 薄 く し た り 、 接 着 端 の 接 着 剤 層 を 厚 く し た り 、 孔 を プ ラ グ イ ン す る こ と に よ る 引 張 強 度 へ の 影 響 を 研 究 し て い る 。M.D.Fitton 等 ²⁷⁾は 二 次 接 着 し た 一 面 せ ん 断 継 手 に お い て 接 着 端 で の 伝 達 荷 重 の 集 中 が 継 手 強 度 を 支 配 す る こ と に 注 目 し 、 接 着 面 の 端 部 と 中 央 と で せ ん 断 剛 性 の 異 な る 接 着 剤 を 用 い る こ と に よ り 継 手 強 度 を 最 適 化 す る 研 究 を 行 っ て い る 。K.S.Kim 等 ^28),29)は 一 方 向 積 層 板 の 一 面 せ ん 断 接 着 継 手 に つ い て 接 着 方 法 の 違 い に よ る 破 損 の 過 程 ､モ ー ド お よ び 強 度 に つ い て 研 究 し て い る 。 強 度 に 関 し て は 接 着 剤 を 使 用 し な い で プ リ プ レ グ を コ キ ュ ア し た 継 手 が 最 も 強 く 、 次 が 二 次 接 着 継 手 で あ り 、 最 も 弱 い の は 接 着 剤 を 挟 ん で プ リ プ レ グ を コ キ ュ ア し た 継 手 で あ る 。 コ キ ュ ア 継 手 は 接 着 面 に 接 着 剤 を 使 用 し て い る か 否 か に か か わ ら ず 壊 滅 的 な 剥 離 破 損 を 生 じ て い る が 、 二 次 接 着 継 手 で は 接

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着 剤 層 に 沿 っ た 進 行 性 の 破 損 を 生 じ 、 剥 離 破 損 を 遅 ら す こ と に よ り 強 度 を 増 す と 結 論 づ け て い る 。 ま た 、 接 着 面 の 表 面 粗 さ や 接 着 層 の 厚 さ が 強 度 に 与 え る 効 果 も 研 究 し て い る 。 更 に 、 接 着 剤 の 弾 塑 性 モ デ ル と 剥 離 破 損 基 準 を 用 い た 有 権 要 素 法 に よ る 解 析 で 破 損 を 予 測 す る 研 究 を 行 っ て い る 。K.Shahin 等 ³⁰⁾は 帯 板 の 両 端 に そ れ ぞ れ 別 の 帯 板 を 一 面 せ ん 断 で 接 着 し た 継 手 組 立 に 引 張 荷 重 を 加 え 、 得 ら れ る 面 外 変 形 か ら 接 着 端 に お け る 曲 げ モ ー メ ン ト と せ ん 断 力 を 求 め る 研 究 を し て い る 。 Z.Y.Wang 等 ³¹⁾は 一 面 せ ん 断 継 手 の 接 着 端 近 傍 に お け る ひ ず み /応 力 分 布 に 関 す る 研 究 を 行 っ て い る 。 こ の 中 で 接 着 端 の フ ィ レ ッ ト に 積 層 の 一 部 を 張 り 出 さ せ る こ と に よ り 、 接 着 端 に お け る 応 力 集 中 が 緩 和 す る と 述 べ て い る 。M.G.Song等 ³²⁾ は 接 着 方 法 が 異 な る 4種 類 の 一 面 せ ん 断 接 着 継 手 に 関 し 、強 度 に ど の よ う な 差 を 生 じ る か を 研 究 し て い る 。 強 度 は 積 層 し た プ リ プ レ グ 同 士 を 接 着 剤 な し で コ キ ュ ア し た 継 手 が 最 も 強 く 、 続 い て 積 層 し た プ リ プ レ グ 同 士 に 接 着 材 を 挟 ん で コ キ ュ ア し た 継 手 と 積 層 板 同 士 を 接 着 剤 で 二 次 接 着 し た 継 手 と な り 、 積 層 板 と 積 層 し た プ リ プ レ グ に 接 着 剤 を 挟 ん で コ ボ ン ド し た 継 手 が 一 番 弱 か っ た 。 更 に 、 そ れ ぞ れ の 接 着 方 法 に つ い て 接 着 長 さ 、 接 着 剤 厚 さ 、 積 層 構 成 の 違 い に よ る 強 度 へ の 影 響 を 調 べ て い る 。Y.B.Park 等 ³³⁾は M.G.Song 等 が 研 究 し た 4 種 類 の 接 着 方 法 に よ る 一 面 せ ん 断 接 着 継 手 に つ い て 、3 つ の 異 な る 環 境 条 件 で 試 験 を 行 い 、 い ず れ の 環 境 条 件 で も 積 層 し た プ リ プ レ グ 同 士 を 接 着 剤 な し で コ キ ュ ア し た 継 手 が 最 も 強 い こ と を 示 し て い る 。 温 度 ・ 湿 度 環 境 の 違 い に よ る 継 手 強 度 へ の 影 響 は 、 室 温 条 件 に 比 べ 高 温 ・ 吸 湿 条 件 が 高 く な り 、 低 温 ・ 乾 燥 条 件 で は 低 く な る こ と を 示 し 、 こ の 原 因 と し て 積 層 板 の 剥 離 強 度 と 接 着 剤 の せ ん 断 強 度 が 関 与 し て い る と 述 べ て い る 。 た だ し 、 積 層 板 と 積 層 し た プ リ プ レ グ に 接 着 剤 を 挟 ん で コ ボ ン ド し た 継 手 は 異 な る 傾 向 を 示 す と 述 べ て い る 。C.V.Katsiropoulos 等 ³⁴⁾は 新 し く 開 発 さ れ た 航 空 宇 宙 構 造 用 接 着 剤 の 熱 サ イ ク ル の 繰 り 返 し な ど の 機 械 的 性 能 に つ い て 研 究 し て い る 。X.He³⁵⁾は こ れ ま で の 接 着 継 手 に 関 す る 研 究 を 調 査 し 、今 後 の 接 着 継 手 の 設 計 や 製 造 に と っ て 有 限 要 素 法 解 析 に よ る シ ュ ミ レ ー シ ョ ン が 有 効 で あ る と 述 べ て い る 。 更 に 、 解 析 の 有 効 性 や 動 的 解 析 の 取 り 組 み を 行 う こ と 、 お よ び 解 析 に 時 間 を 要 す る こ と が 課 題 で あ る と 述 べ て い る 。G.Kelly³⁶⁾は 接 着 継 手 と フ ァ ス ナ 継 手 を 併 用 し た 一 面 せ ん 断 継 手 の 荷 重 伝 達 に つ い て 研 究 し て い る 。 有 限 要 素 法 で 接

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着 面 の ピ ー ル 応 力 と せ ん 断 応 力 を 求 め て お り 、 せ ん 断 応 力 が 大 幅 に 減 少 す る 結 果 を 得 て い る 。

こ れ ら の 研 究 は い ず れ も 試 験 片 レ ベ ル に 留 ま っ て お り 、 大 き さ の あ る 開 口 を 修 理 す る 構 造 レ ベ ル の 研 究 は 見 ら れ な い 。

１ ． ３ ． ２ 修 理 法 の 研 究

Boeing777 の 尾 翼 に CFRPを 適 用 す る に あ た り 、 ア メ リ カ 連 邦 航 空 局 （FAA： Federal Aviation Administration） と Boeingは 安 全 性 を 実 証 す る た め の 様 々 な 構 造 試 験 を 実 施 し て い る ³⁷⁾。修 理 に 関 し て は 尾 翼 桁 間 構 造 を 構 成 す る ス ト リ ン ガ と 外 板 の 一 体 成 型 CFRP パ ネ ル に つ い て 実 施 し て お り 、ス ト リ ン ガ を 修 理 す る た め に 外 板 に 矩 形 の ア ク セ ス 孔 を あ け 、 ス ト リ ン ガ と 外 板 ア ク セ ス 孔 を 修 理 し 、 静 強 度 お よ び 疲 労 強 度 を 確 認 し て い る 。 修 理 方 法 は チ タ ニ ウ ム ダ ブ ラ を ボ ル ト 結 合 す る も の 、お よ び ス カ ー フ 状 に し た プ リ プ レ グ を 接 着 継 手 で 結 合 す る も の で あ る 。 ま た 、 複 合 材 料 の 適 用 範 囲 が 増 え る こ と に よ り 金 属 材 料 構 造 と 比 較 し て 修 理 に 時 間 と コ ス ト が か か る と の 懸 念 か ら 、 複 合 材 料 構 造 の 修 理 方 法 な ど を 標 準 化 す る こ と を 目 的 と し て 、欧 米 の 運 航 会 社 を 中 心 に 機 体 製 造 メ ー カ 、FAAお よ び 材 料 メ ー カ な ど の 協 力 を 得 て 委 員 会 （CACRC: Commercial Aircraft Composite Repair Committee） が 結 成 さ れ 、 研 究 が 行 な わ れ て い る 。 そ の 成 果 は 機 体 メ ー カ か ら 提 供 さ れ る 修 理 マ ニ ュ ア ル に 反 映 さ れ て い る ³⁸⁾。し か し 、こ れ ら の 研 究 成 果 の 詳 細 は 公 開 さ れ て い な い 。

P.J.Gray 等 ³⁹⁾は 円 孔 の あ る 一 面 せ ん 断 ま た は 二 面 せ ん 断 継 手 積 層 板 に 円 孔 を あ け 、 そ の 周 囲 を ボ ル ト ２ ０ 本 で 結 合 し 、 ボ ル ト の 伝 達 荷 重 分 布 に 関 す る 研 究 を し て い る 。R.D.S.G.Campilho等 ⁴⁰⁾は 円 孔 の あ る 積 層 板 に 積 層 構 成 や 大 き さ の 異 な る 円 形 の パ ッ チ を 片 面 ま た は 両 面 に 当 て て 修 理 し 、 強 度 を 予 測 す る 研 究 を 行 っ て い る 。P.Cheng 等 ⁴¹⁾も 円 孔 の あ る 積 層 板 の 片 面 に パ ッ チ を 当 て て 修 理 し 、 最 適 な パ ッ チ の 積 層 構 成 を 求 め る 研 究 を し て い る 。参 考 文 献 9)で は 円 孔 を ア ル ミ ニ ウ ム パ ッ チ で フ ァ ス ナ 修 理 を す る 例 、 お よ び 円 孔 ま た は 細 長 い ス リ ッ ト に パ ッ チ を 当 て て 接 着 修 理 す る 例 を 示 し て い る 。 接 着 修 理 の 例 は オ ー ト ク レ ー ブ で 加 圧 ・ 加 熱 硬 化 す る 場 合 よ り 低 い 圧 力 と 温 度 で 硬 化 さ せ る 方 法 が あ る こ と を 述 べ て い る 。

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こ れ ら の 研 究 は い ず れ も 円 孔 の あ る 積 層 板 に つ い て の 研 究 が 主 で あ る が 、 一 つ の 試 験 供 試 体 で 一 面 せ ん 断 継 手 に よ り パ ッ チ に １ ０ ０ ％ 荷 重 伝 達 す る 部 分 と 半 分 程 度 伝 達 す る 部 分 が 組 み 合 わ さ れ て い る よ う な 構 造 レ ベ ル の 研 究 に は 至 っ て い な い 。

修 理 を 行 う に は 時 間 、 作 業 環 境 お よ び 設 備 な ど の 制 約 に よ り い つ で も す ぐ に 恒 久 修 理 が で き な い こ と が あ り 、 そ の 為 の 対 策 と し て 一 時 修 理 が あ る こ と は １ ． ２ 項 で 述 べ た 。こ の 考 え は 参 考 文 献 3） お よ び 10）の ほ か に F.Z.Hu 等 ⁴²⁾の 論 文 が あ る 。

以 上 に 述 べ た 研 究 は 修 理 し た 構 造 の 強 度 を 評 価 す る 上 で 必 要 と な る 試 験 片 レ ベ ル の 研 究 が 中 心 で あ る 。 ま た 、 こ れ ら の 研 究 は 恒 久 修 理 と か 一 時 修 理 と か を 目 的 に し た 修 理 法 や 強 度 評 価 は 入 っ て い な い 。

17 １ ． ４ 本 研 究 の 目 的 と 意 義

航 空 機 は 運 航 中 に 様 々 な 理 由 で 損 傷 を 受 け る 。 運 航 会 社 に と っ て は 航 空 機 が 運 航 で き な い こ と に よ る 損 失 は 大 き い 。こ の こ と か ら CFRPが 航 空 機 構 造 に 大 幅 に 使 わ れ る よ う に な る と 、 受 け た 損 傷 を い か に 安 全 か つ 短 期 間 に 修 理 す る か が 重 要 と な っ て く る 。

航 空 機 構 造 の 修 理 要 領 は 修 理 マ ニ ュ ア ル （SRM） に 記 載 さ れ て い る 。 し か し 、 ど の よ う な 損 傷 を 想 定 し 修 理 す る か の 特 定 は 難 し く 、 一 般 的 な 修 理 の 記 載 に 留 ま っ て い る 。 ま た SRM に 従 っ て 修 理 す る こ と は 、 修 理 し た 部 位 も 新 造 時 に 要 求 さ れ る 強 度 と 同 様 で あ る こ と が 保 証 さ れ る こ と に な る 。SRM に 記 載 さ れ て い な い 修 理 を 行 う に は 、 当 該 航 空 機 を 製 造 し た メ ー カ ー の 技 術 者 と 運 航 会 社 の 技 術 者 が 協 議 し て 修 理 要 領 で 決 め 、 新 造 機 と 同 等 の 強 度 が あ る こ と を 保 証 し な け れ ば な ら な い 。 従 っ て 修 理 要 領 を 作 成 す る に 当 た っ て は 、 類 似 構 造 の 修 理 、 強 度 計 算 お よ び 構 造 試 験 な ど の デ ー タ を 用 い て 要 求 さ れ る 強 度 を 保 証 す る こ と に な る 。 し か し な が ら 、 修 理 を 行 う に あ た り 、 い つ も 十 分 な 時 間 を か け て 恒 久 修 理 を 行 え る と は 限 ら な い 。 そ こ に 限 ら れ た 時 間 で 修 理 を 行 う 一 時 修 理 の 必 要 性 が 出 て く る 。 し か し 一 時 修 理 の 考 え 方 は あ っ て も 、 具 体 的 に ど の よ う な 修 理 を 行 い 、 ど の よ う に 強 度 評 価 を 行 え ば よ い の か を 研 究 し 公 表 さ れ た 論 文 は な い 。 そ こ で 一 時 修 理 に つ い て 具 体 的 な 修 理 法 を 示 し 強 度 評 価 を 行 う こ と は 意 義 の あ る 研 究 と 考 え ら れ る 。

具 体 的 に は 以 下 の よ う に 進 め る こ と と す る 。

こ れ ま で の 項 で 述 べ た よ う に 、修 理 の 対 象 は 薄 板 の CFRP積 層 板 を 適 用 し た フ レ ー ム と ス ト リ ン ガ で 囲 ま れ た 胴 体 外 板 と す る 。 こ の 胴 体 外 板 が 事 故 等 に よ り 損 傷 を 受 け 、 こ れ を 矩 形 に 切 り 取 り 、 こ の 切 欠 孔 に パ ッ チ を 当 て て 修 理 す る こ と と す る 。 修 理 法 と し て 一 時 修 理 ま た は 恒 久 修 理 を 行 う こ と と し 、 パ ッ チ 当 て は こ れ ま で に 研 究 さ れ て き た 試 験 片 レ ベ ル の フ ァ ス ナ 継 手 ま た は 接 着 継 手 の 成 果 を 参 考 と す る こ と に す る 。

強 度 は 静 強 度 評 価 で 行 う こ と と す る 。 損 傷 許 容 性 の 評 価 に つ い て は 、 修 理 し た 構 造 と 損 傷 を 受 け る 以 前 の 構 造 （ 原 構 造 ） と を 比 較 し 、 応 力 分 布 お よ び 構 造 様 式 が 異 な る 部 分 に つ い て 試 験 片 レ ベ ル の 評 価 を 行 う も の と 考 え て お り 、 こ れ は 今 後

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の 課 題 と す る 。 静 強 度 の 評 価 基 準 は 損 傷 許 容 性 に お け る 非 破 壊 検 査 で 検 出 さ れ る 損 傷 サ イ ズ と 静 強 度 レ ベ ル か ら 決 め る こ と に す る 。 即 ち 、 一 時 修 理 を 行 っ た 部 位 は 短 い 間 隔 で の 検 査 を 要 求 す る こ と か ら 損 傷 の 発 見 は 容 易 と 考 え 、 設 計 制 限 荷 重

（DLL）に 耐 え る こ と と す る 。恒 久 修 理 を 行 う 部 位 は 、 原 構 造 と 同 様 に 検 査 マ ニ ュ ア ル に 要 求 さ れ る 点 検 を 行 う の で 、設 計 終 極 荷 重（DUL）に 耐 え な け れ ば な ら な い 。

一 時 修 理 お よ び 恒 久 修 理 の 方 法 と し て 下 記 を 提 案 す る 。 (1) 一 時 修 理

a. チ タ ニ ウ ム パ ッ チ を フ ァ ス ナ 継 手 で 当 て る 修 理 （Ti パ ッ チ フ ァ ス ナ 修 理 ） b. ア ル ミ ニ ウ ム パ ッ チ を フ ァ ス ナ 継 手 で 当 て る 修 理（Alパ ッ チ フ ァ ス ナ 修 理 ） c. CFRP小 型 パ ッ チ を 二 次 接 着 継 手 で 当 て る 修 理（CFRP小 パ ッ チ 接 着 修 理 ） (2) 恒 久 修 理

a. CFRP大 型 パ ッ チ を 二 次 接 着 継 手 で 当 て る 修 理（CFRP小 パ ッ チ 接 着 修 理 ）

こ れ ら の 修 理 を 行 っ た 供 試 体 を 製 作 し 、 製 作 時 間 を 計 測 す る 。 製 作 し た 修 理 供 試 体 に 引 張 荷 重 を 加 え 、 破 断 荷 重 と 破 断 ま で の ひ ず み デ ー タ を 得 る 。 ま た 、 破 断 部 お よ び 破 損 部 の 観 察 、 さ ら に 破 損 部 を 切 断 し て 、 光 学 顕 微 鏡 に よ り 切 断 面 を 詳 細 に 観 察 す る 。な お 、修 理 供 試 体 の 引 張 試 験 に 先 立 ち 、使 用 す る CFRP の 材 料 デ ー タ 取 得 お よ び 損 傷 を 切 り 取 っ た 切 欠 孔 の あ る 供 試 体 の 引 張 試 験 を 実 施 す る 。

研 究 の 目 的 は 、 以 上 の 成 果 か ら 一 時 修 理 お よ び 恒 久 修 理 が 有 効 で あ る こ と 、 お よ び そ れ ぞ れ の 修 理 法 で 破 壊 の メ カ ニ ズ ム に 差 異 が あ る こ と を 明 ら か に す る こ と で あ る 。

19 １ ． ５ 本 論 文 の 構 成

本 論 文 は 次 の よ う に 構 成 さ れ る 。

第 １ 章 序 論 で は 航 空 機 の CFRP 構 造 を 修 理 す る 方 法 を 研 究 す る 背 景 、お よ び 意 義 と 目 的 を 明 ら か に し 、 一 時 修 理 と 恒 久 修 理 の 方 法 を 提 案 す る 。

第 ２ 章 で は CFRP 構 造 の 修 理 供 試 体 設 計 お よ び 簡 易 な 強 度 推 算 法 を 示 す 。 第 ３ 章 で は CFRP 積 層 板 の 製 作 に 要 す る 作 業 時 間 を 示 す 。さ ら に 、提 案 し た ４ 種 類 の 製 作 と 製 作 に 要 す る 作 業 時 間 を 示 す 。

第 ４ 章 で は CFRP積 層 板 試 験 片 お よ び 矩 形 孔 の あ る 積 層 板 の 引 張 試 験 デ ー タ を 示 し 、 試 験 結 果 を 考 察 す る 。

第 ５ 章 で は 提 案 し た ４ 種 類 のCFRP構 造 修 理 供 試 体 の 引 張 試 験 デ ー タ お よ び 供 試 体 の 観 察 結 果 を 示 し 、 こ れ ら を 考 察 す る 。

第 ６ 章 で は 、 第 ５ 章 ま で の 結 果 お よ び 考 察 よ り 得 ら れ る 成 果 を 総 合 し 、 本 研 究 の 目 的 が 達 成 さ れ た こ と を 示 し 、 か つ 今 後 の 課 題 に 言 及 す る 。

20 第 ２ 章 修 理 構 造 の 設 計 手 法 ^{4 3 )}

２ ． １ 緒 言

損 傷 を 受 け 修 理 を 行 う 中 型 旅 客 機 胴 体 外 板 の 修 理 部 設 計 を 行 う 。 ま ず 胴 体 外 板 の C F R P 積 層 板 の 板 厚 を 決 め る 。 次 に 損 傷 部 分 を 切 り 取 り 、 パ ッ チ を 当 て る 修 理 設 計 を 行 う 。設 計 は １ ．４ 項 で 示 し た 一 時 修 理 ３ 案 と 恒 久 修 理 １ 案 に つ い て 行 う 。 設 計 の 成 果 と し て 、 こ れ ら の 修 理 案 を 評 価 す る た め の 修 理 供 試 体 を 示 す 。

２ ． ２ 設 計 制 限 荷 重 お よ び 設 計 終 極 荷 重 に お け る 設 計 応 力

修 理 部 設 計 の 評 価 は １ ． ２ ． １ ． ２ 項 で 示 し た よ う に 設 計 制 限 荷 重 （D L L） お よ び 設 計 終 極 荷 重 （D U L） で 行 う 。D L L と D U L の 定 義 は A p p e n d i x B に 示 す 。 中 型 旅 客 機 の 胴 体 の 主 要 な 設 計 荷 重 は 与 圧 で あ る 。 胴 体 を 薄 肉 円 筒 と 見 な す と 、 与 圧 に よ る 円 周 方 向 応 力 σH お よ び 長 手 方 向 応 力 σX は 次 式 で 計 算 さ れ る 。 座 標 系 は 図 2 . 1 に 示 す 。

σH=ｐm a xｒ / ｔ

σX＝σH/2

図 2 . 1 積 層 板 の 座 標 系 X ( 0°層 方 向 ：L） Y ( 9 0°層 方 向 ：T）

積 層 板 座 標 系

胴 体 長 手 方 向 応 力 σX

胴 体 円 周 方 向 応 力 σH

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こ こ で 、 ｐm a x は 最 大 与 圧 荷 重 を 表 し 、A p p e n d i x B の B 3 項 に 示 す よ う に ｐm a x= 6 8 . 3 k P a で あ る 。 ｒ は 胴 体 半 径 で あ り ｒ= 2 . 7 7 m と す る 。 ｔ は 胴 体 外 板 の 板 厚 で あ り 、２ ．３ ．１ 項 の 設 計 で 決 ま る 。D U L に お け る 設 計 応 力 σH U L Tは 下 記 と な る 。

σH U L T= 1 . 5σH L M T= 1 . 5x6 8 . 3x1 0³x2 . 7 7x1 . 3 3/ ｔ= 1 . 5x2 5 1 . 7x1 0³/ ｔ( P a )

こ こ で 、添 え 字 L M T は D L L を 、U L T は D U L を 示 す 。1 . 3 3 は 与 圧 荷 重 に 対 す る 割 増 係 数 で あ る ^{5 )}。

２ ． ３ 修 理 供 試 体 の 設 計

C F R P 積 層 板 の 板 厚 を 決 め る 。 次 に フ ァ ス ナ 継 手 の 寸 度 、 チ タ ニ ウ ム パ ッ チ と ア ル ミ ニ ウ ム パ ッ チ の 板 厚 、 お よ び 接 着 継 手 の 接 着 長 さ を 決 め 、 最 後 に 修 理 供 試 体 の 設 計 を す る 。

２ ． ３ ． １ C F R P 積 層 板 の 板 厚

C F R P 積 層 材 製 胴 体 外 板 （ 母 材 ） の 板 厚 を 決 め る 。 母 材 は 擬 似 等 方 性 と す る 。 積 層 板 の 強 度 則 は 最 大 応 力 説 、最 大 ひ ず み 説 お よ び H o f f m a n 則 な ど の 相 互 作 用 説 が あ る ^{4 4 )}。 本 論 文 で は 最 大 応 力 説 で 板 厚 を 決 め る 。 古 典 積 層 理 論 に よ り D U L に お け る 各 層 の 応 力 を 計 算 す る ^{4 5 )}。 使 用 す る 単 層 板 の 弾 性 率 E、 ポ ア ソ ン 比 ν お よ び 強 さ F は J A X A - A C D B^{4 6 )}に 記 載 さ れ て い る 東 レ T 8 0 0／E P : # 3 6 3 3 の 値 を 用 い る 。 添 え 字 は 弾 性 主 軸 を L、T で 表 し 、 繊 維 方 向 0 °が L、9 0 °が T、 せ ん 断 方 向 が LT と す る 。 材 料 特 性 値 に ば ら つ き は あ る が 、 こ れ を 統 計 処 理 し た デ ー タ は 公 表 さ れ て い な い 。 参 考 文 献 3 )に は 一 般 的 に 設 計 許 容 値 は 試 験 デ ー タ の 最 小 値 と あ る が 、こ こ で は 強 さ を 1 . 5 で 割 っ た 値 を 強 度 の 設 計 基 準 値（ 強 度 基 準 値 Fa）と し 、 L 方 向 、T 方 向 、LT 方 向 を そ れ ぞ れ FL a、 FT a、 τ_{L T a} で 表 す 。 表 2 . 1 お よ び 表 2 . 2 に 材 料 特 性 値 お よ び 強 度 基 準 値 を 示 す 。

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表 2 . 1 M a t e r i a l p r o p e r t i e s : T o r a y T 8 0 0／E P : # 3 6 3 3 ^{4 6 )} m o d u l u s o f e l a s t i c i t y p o i s s o n ' s r a t i o

u n i t EL ET GL T νL νT

G P a 1 5 6 8 . 8 7 4 . 6 7 0 . 3 4 0 . 0 2

表 2 . 2 S t r e n g t h d a t a o f l a m i n a : T o r a y T 8 0 0／E P : # 3 6 3 3^{4 6 )}

s t r e n g t h o f l a m i n a ( a l l o w a b l e s t r e n g t h )

= ( s t r e n g t h o f l a m i n a）/ 1 . 5

u n i t FL FT τ L T FL a FT a τ L T a

M P a 2 7 0 0 8 1 1 2 0 1 8 0 0 5 4 8 0

参 考 文 献 4 5 )の 式 よ り 、 擬 似 等 方 性 積 層 板 の 各 層 毎 の 応 力[σL，σT， τL T]^T と 平 均 応 力[σx m，σy m， τx y m]^T の 関 係 は 下 記 の よ う に 表 さ れ る 。 こ こ で 、S(θ)の 成 分 は θ= 0 °、9 0 °、 ±4 5 °の 各 層 毎 に 値 が 計 算 さ れ る 応 力 係 数 で あ り 、 次 式 で 表 さ れ る 。

σL σx m SL x SL y SLτ σT ＝ S(θ) σy m _， S(θ)＝ ST x ST y STτ τ_{L T} τ_{x y m} Sτ_x Sτ_y Sτ τ

0 °層 ：SL x＝( EL－ ν_LETν_x) / ( 1－ ν_Lν_T) Ex ，S_Ｌy＝(ν_LET－E_Ｌν_x) / ( 1－ ν_Lν_T) Ex ， ST x＝(ν_LET－E_Ｔν_x) / ( 1－ ν_Lν_T) Ex ，ST y＝( E_Ｔ－ ν_LETν_x) / ( 1－ ν_Lν_T) Ex ， Sτ τ＝GL T/ Gx y ，SLτ＝STτ＝Sτ_x＝Sτ_y＝ ０

90 °層 ：SL x＝( SL y)0 ° ，SL y＝( SL x)0 ° ，ST x＝( ST y)0 ° ，ST y＝( ST x)0 ° ，Sτ τ＝ －( Sτ τ)0 ° ， SLτ＝STτ＝Sτx＝Sτy＝ ０

±4 5 °層：SL x＝SＬy＝( Ea＋Ec) ( 1－ νx)/ Ex ，ST x＝ST y＝( Ea－Ec) ( 1－ νx)/ Ex ， SLτ＝ ∓( Ec＋ES) / Gx y ，STτ＝ ∓( Ec－ES) / Gx y ，Sτx＝ ±GL T/ 2 Gx y ，Sτy＝ ∓GL T/ 2 Gx y ， Sτ τ＝ ０

こ こ で 、Ex＝Ey＝4 Ea( ES＋GL T) / ( 2 Ea＋ES＋GL T) ，

νx＝ νy＝{ 2 Ea－( ES＋GL T) } / ( 2 Ea＋ES+ GL T) ，Gx y= ( ES+ GL T) / 2

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ま た 、Ea＝( EL＋EＴ＋2νLEＴ) / 4 ( 1－ νLνT) ，Es＝( ET＋EＴ－2νLEＴ) / 4 ( 1－ νLνT) ， Ec＝( EL－2 EＴ) / 4 ( 1－ νLνT) ，2 Gx y( 1＋ νx) ＝4 ( ES＋GLＴ) Ea/ ( 2 Ea＋ES＋GL T)＝Ex

最 大 応 力 説 で は 各 層 に 作 用 す る 応 力 が そ れ ぞ れ の 強 度 基 準 値 を 一 つ で も 超 え る と 破 壊 す る と い う 考 え 方 で あ る 。胴 体 に 働 く 応 力 は σx m=σH U L T、σy m=σX U L T=σH U L T／2、

τx y m= 0 と な る 。そ こ で 、下 式 を 用 い 各 層 の 応 力 が 強 度 基 準 値 を 超 え な い た め の 母

材 板 厚 tr e q を 計 算 す る 。 計 算 結 果 は 表 2 . 3 に 示 す 。 こ の 中 の 最 大 値 が 母 材 の 設 計

板 厚 tC F R P と な る 。

σL ：tr e q＞( SL x + SL y／2 )σH U L T／FL a

σT ：tr e q＞( ST x + ST y／2 )σH U L T／FT a

τL T ：tr e q＞( Sτx+ Sτy／2 )σH U L T／ τL T a

表 2 . 3 S k i n t h i c k n e s s f o r e a c h l a m i n a s t r e n g t h m a x i m u m s t r e s s t h e o r y

ｔr e q ( m m )

s t r e n g t h FL a FT a τ L T a

0 ° p l y 0 . 4 7 0 . 4 9 ―

9 0 ° p l y 0 . 1 1 0 . 9 5 ―

± 4 5 ° p l y 0 . 2 9 0 . 7 2 0 . 2 5

計 算 さ れ た tr e q の 最 大 値 は 0 . 9 5 m m と な る 。 こ れ に 近 い 擬 似 等 方 性 積 層 板 は プ リ プ レ グ を[ - 4 5 ° / 0 ° / + 4 5 ° / 9 0 ° ]S の 順 に 積 層 し 、１ 層 あ た り の 厚 さ を 0 . 1 2 5 m m と す

る ^{4 5 )}と 積 層 板 の 厚 さ 1 . 0 0 m m と な り 、 こ れ を 母 材 の 板 厚 ｔ と す る 。

２ ． ３ ． ２ フ ァ ス ナ 継 手

チ タ ニ ウ ム パ ッ チ （Ti パ ッ チ ） お よ び ア ル ミ ニ ウ ム パ ッ チ （A l パ ッ チ ） を フ ァ ス ナ 継 手 で 当 て て 修 理 を 行 う た め の フ ァ ス ナ ピ ッ チ お よ び フ ァ ス ナ 径 を 決 め る 。