構造要素のためのカバーパネル

本発明は、航空機構造要素のためのカバーパネル及びかかるカバーパネルに用いられる航空機構造要素、特に、航空機における客室のパーティション壁に関する。

例えば、航空学、土木工学、又は建築学における構築作業のための梁、ジョイスト、及びフレームは、それぞれの梁の延在方向に垂直に作用する曲げ力に耐えるように設計されている。従来の梁は、縁部におけるフランジとフランジ間にまたがるウェブとの一体部品として実装され得る。代替として、ウェブの代わりに、切削加工されたストラットが、平行に延びる長手方向支持バー間に実装されてもよい。これにより、梁の形成に使用される材料が少なくなるため、梁の重量が減少する。

航空機に搭載される重量を軽減するために、航空機構造要素の設計を最適化するいくつかの試みが行われてきた。例えば、特許文献1(国際公開第2014/111707号)は、対象物を設計する方法を開示しており、該方法は、対象物の使用中に比較的高い応力を受けると判断されている部分に関して、対象物に相当するデジタルモデルを解析することを含む。それらの高応力領域は、対象物のどの部分を、付加製造(AM)プロセスを使用して作製すべきか、また対象物のどの部分を、機械加工プロセスなどの異なる適切なプロセスを使用して作製すべきかを判断するのに使用される。特許文献2(独国特許出願公開第10 2010 064 100号)は、サンドウィッチ状の表面構造を備えた、航空機の客室エリアを分離するためのパーティション壁を開示している。

所定の設計基準にしたがって構造対象物を設計するための構造トポロジー最適化方法は、例えば、特許文献3(国際公開第2007/076357号)に開示されている。

特許文献4(米国特許出願公開第2009/0224103号)は、個別に形成されたシステム構成要素により構成された支持要素と、支持要素によって支持され引っ張られた状態で取り付けられた材料とを含んで、エリア形状のパーティション壁を形成する、航空機のパーティション壁を開示している。

国際公開第2014/111707号

独国特許出願公開第10 2010 064 100号明細書

国際公開第2007/076357号

米国特許出願公開第2009/0224103号明細書

しかしながら、容易にラインフィット又はレトロフィットすることができ、航空機の設計、外観及びブランディングのより高い柔軟性が得られる航空機構造要素が求められている。

したがって、本発明の1つの目的は、航空機構造要素のためのカバー構造を実装するのに必要な材料の量及び重量を減少させる解決手段を提供することである。

この目的は、請求項1の特徴を有するカバーパネル及び請求項11の特徴を有する航空機構造要素によって達成される。

本開示の第1の態様は、航空機構造要素のコアパネルのためのカバーパネルに関し、該カバーパネルは、該コアパネルの外側形状に対応する外側形状を有すると共に少なくとも1つの切り抜き開口を含む保護カバーと、該保護カバーに装着されて該少なくとも1つの切り抜き開口を覆っている少なくとも1つの布地パネルとを備えている。

本開示の第2の態様によれば、航空機構造要素は、耐荷立体骨組ロッドの立体骨組構造を有する実質的に平面のコアパネルと、本開示の第1の態様にかかるカバーパネルとを備え、該カバーパネルは、該コアパネルの前面に装着され、該コアパネルと該保護カバーとの間に挟み込まれた該少なくとも1つの布地パネルを備えている。

立体骨組設計について、高い機械的安定性と効率的な荷重伝達及び分配に向けて最適化された軽量立体骨組構造を構築するため、2段階の展開ルート発見アルゴリズムが使用される。第1段階では、最も顕著な負荷経路に追随するマクロ立体骨組モデルをヒューリスティックに決定する適応動態スキームが用いられる。第1段階の適応動態スキームは、アメーバ生命体であるモジホコリ(Physarum polycephalum)の輸送ネットワークの適応動態に由来する。最適化エンジンは、所定のパラメータモデルの入力値を変動させ、様々な立体骨組設計の選択肢を生成し、単純化したことによって高速に働く有限要素(FE)モデルを用いた性能評価の後、最も性能が低い設計の選択肢を破棄する。残存した設計の初期パラメータは、より良好な性能の設計を展開させるための開始点として使用され、それによって、アルゴリズムの停止基準としてのパレート境界に近づく。

次に、第2段階では、第1段階で決定された立体骨組部材についてのそれぞれのミクロ構造が、各立体骨組部材において主応力の方向に部材材料を繰返し追加する成長アルゴリズムを用いて展開される。該アルゴリズムは、哺乳類の体内で骨及び組織が成長する経過を模倣している。ここでは、最大ひずみ破損は、繰返し最適化ループの停止基準として使用される。

生成的に設計された立体骨組構造は、構造要素の外観を形作るとともにそれを航空機の周囲構造に適合させている周囲のキャリアフレームに統合される。生成的な設計アプローチは、有利には、低重量及び少ない構造変形の両方を最適化する多数の設計の選択肢を評価する。したがって、このアプローチは、同等の構造性能を維持しつつ、従来のハニカムコアサンドウィッチ構造に比べて最大45%の重量低減に到達することができる。

次に、設計されたモデルは、付加製造プロセスで立体骨組部材を製造するための基礎として採用される。可撓性を高めるため、立体骨組部材は、適切な接合メカニズムを備えた下位構成要素に分割されてもよい。それに加えて、特に有利なことに、立体骨組の構成要素、具体的には立体骨組ロッド及び/又はそれに随伴するコネクタを設計する際に任意の種類の層製造技術を採用することに伴い、コスト、重量、リードタイム、部品数、及び製造の複雑性が低減され得る。

本発明のカバーパネルは、かかる設計された立体骨組構造についての、柔軟、軽量かつ適合性のある保護具を提供する。

該カバーパネルの実施形態によれば、該少なくとも1つの布地パネルは、面ファスナー(hook-and-pile fastener)により該保護カバーに留められていてもよい。面ファスナーは、有利には、布地パネルの迅速な取付け及び交換を可能にする。

該カバーパネルのさらなる実施形態によれば、該少なくとも1つの布地パネルは、該少なくとも1つの切り抜き開口の外側形状に合致した外側形状を有していてもよい。これにより、有利には、布地材料が節約される共に、切り抜き開口を覆い隠すための布地パネルの範囲が定められる。

該カバーパネルのさらなる実施形態によれば、該少なくとも1つの布地パネルのサイズは、前記少なくとも1つの切り抜き開口のサイズよりも大きくてもよい。いくつかの実施形態では、該少なくとも1つの布地パネルは、該少なくとも1つの切り抜き開口の縁に、保護カバーに留められている留めフランジ部分を備えていてもよい。これにより、傍観者の目につく箇所から隠された該保護カバーの後面において、該カバーパネルにファスナーを使用可能になり、したがって、該カバーパネルの美観を向上させることができる。

該カバーパネルのさらなる実施形態によれば、該カバーパネルは、異なる外側形状の複数の切り抜き開口を備えていてもよい。この異なる外側形状は、特に、該カバーパネルの背後にある該コアパネルの立体骨組に係る技術的制約に合致していてもよい。

該カバーパネルのさらなる実施形態によれば、該カバーパネルは、該カバーパネルを該コアパネルに留めるための留め部材を受容するのに適合した複数の穿孔をさらに備えていてもよい。このとき、該航空機構造要素全体における全ての層状要素は、該航空機構造要素の全ての層を通って延びる留め部材の使用量を少なくして固定され得る。さらに、該コアパネル内の該穿孔が該コアパネルの厚み全体を通して延びている場合には、該カバーパネルは該コアパネルの両側に取り付けられ得る。

該カバーパネルのさらなる実施形態によれば、該保護カバーは、繊維強化ポリマー材料を備えていてもよい。いくつかの特定の実施形態では、該保護カバーは、ガラス繊維強化ポリマー(GFRP)材料、天然繊維強化ポリマー(NFRP)材料及び炭素繊維強化ポリマー(CFRP)材料のうち1つを備えていてもよい。

該カバーパネルのさらなる実施形態によれば、該カバーパネルは、該少なくとも1つの切り抜き開口の内縁の周りに形成されたリムプロテクタをさらに備えていてもよい。該リムプロテクタによって、該カバーパネルの外観が向上すると共に、機械加工による鋭利な切り抜き端が隠れる。いくつかの特定の実施形態では、該リムプロテクタは、例えば、付加製造(AM)プロセスにて製造されたU字形の細長い外郭部材を備えていてもよい。かかる外郭部材は、該開口の特定の形状に合致するよう柔軟に設計することができ、柔軟なAMプロセスにおいて容易に製造することができる。

該航空機構造要素の実施形態によれば、該航空機構造要素は、航空機における客室のパーティション要素であってもよい。

該航空機構造要素の別の実施形態によれば、該航空機構造要素は、該カバーパネル及び該コアパネルに装着された壁付けの客室乗務員用シートベンチを備えた取付けパネルをさらに備えていてもよい。

本発明は、添付の図面に図示される例示的な実施形態を参照して、さらに詳細に説明される。

添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を例証し、明細書と併せて本発明の原理を説明する役割を果たす。本発明の他の実施形態、及び本発明の多数の意図される利点は、以下の詳細な説明を参照してより良好に理解されるので、容易に認識されるであろう。図面の要素は、必ずしも互いに対して縮尺通りではない。同様の参照番号は、対応する類似の部分を指す。

本発明の一実施形態による、航空機のパーティション要素の構成要素を示す概略分解図である。

本発明の別の実施形態による、図1のパーティション要素のコアパネルを示す概略正面図である。

本発明の別の実施形態による、図2のコアパネルのデジタルシミュレーションモデルに関する計算段階を示す概略図である。

本発明の別の実施形態による、図2のコアパネルのデジタルシミュレーションモデルに関するさらなる計算段階を示す概略図である。

本発明の別の実施形態による、図2のコアパネルにおける立体骨組ロッドの接続点を示す概略詳細図である。

本発明の別の実施形態による、図2のコアパネルの部品を写真で示す概略斜視図である。

本発明のさらなる実施形態による、図2のコアパネルの立体骨組ロッドについての接続のタイプを示す概略詳細図である。

図面中、特段の指示がない限り、同様の参照番号は同様の又は機能的に同様の構成要素を指す。「上」、「下」、「左」、「右」、「上方」、「下方」、「水平」、「垂直」、「後」、「前」のような方向に関するあらゆる用語、及び類似の用語は、単に説明のために使用されるものであり、実施形態を図面に示されるような特定の配置に限定しようとするものではない。

特定の実施形態について本明細書に図示及び記載しているが、様々な代替及び/又は均等の実装例が、本発明の範囲から逸脱することなく図示及び記載された特定の実施形態と置き換えられてもよいことが、当業者には認識されるであろう。概して、本出願は、本明細書において考察された特定の実施形態のあらゆる適合又は変形を包含するものとする。

上記に開示したような構成要素、要素、及びアセンブリのいくつかは、自由造形法(FFF:free form fabrication)、直接製造(DM:direct manufacturing)、熱溶解積層法(FDM: fused deposition modelling)、粉体印刷(PBP:powder bed printing)、薄膜積層法(LOM:laminated object manufacturing)、光造形法(SL:stereolithography)、選択的レーザ焼結法(SLS:selective laser sintering)、選択的レーザ溶融法(SLM:selective laser melting)、選択的加熱焼結法(SHS:selective heat sintering)、電子ビーム溶融法(EBM:electron beam melting)、直接インク書き込み法(DIW:direct ink writing)、デジタル光加工法(DLP:digital light processing)、及び/又は付加層製造(AM:additive layer manufacturing)を使用して作製されてもよい。それらの技法は、付加製造(AM)法の一般的な分類体系に属する。3Dプリントと称される場合が多いそれらのシステムは、形成するオブジェクトの断面パターンを作成し、材料の層を連続して構築することで三次元固体オブジェクトを形成することによって、三次元オブジェクトを生成するのに使用される。かかる手順の任意のものを、以下の説明において、一般性を損なうことなく、AM又は3Dプリントと呼ぶものとする。AM又は3Dプリント技法は、通常、材料を層ごとに選択的に堆積させ、材料を選択的に溶解又は固化し、必要に応じて余分な材料を除去することを含む。

3D又はAM技法は、デジタルモデルデータに基づいて三次元固体オブジェクトを構築する手順で使用されてもよい。3D/AMは、材料の層が異なる形状で連続して構築される付加プロセスを用いる。3D/AMは、現在、工学、建設、工業デザイン、自動車産業、及び航空宇宙産業において、複数の用途における試作及び分散製造に使用されている。

本開示の意味の範囲内での立体骨組は、空間内において幾何学的組立体に編成された複数の構築要素から成る任意のトラス状構造を包含してもよい。構築要素は、組立体に作用する力が実質的に構築要素の2つの点にのみ作用するように形作られる。構築要素自体は、任意の所望の形状又は形態を有しており、組立体のジョイント又はノードにおいて他の構築要素に相互接続されてもよい。

図1は、航空機のパーティション要素100の構成要素を概略的に示す分解図を示している。パーティション要素100は、例えば、旅客機の客室内における異なるエリア間の分割壁としての役割を果たしてもよい。パーティション要素100は、図1では、全面パーティションとして例示的に示されており、例えば、旅客機の機尾エリアに設置されていてもよい。パーティション要素100は、例えば、機尾の調理室と客室との間の分離壁としての役割を果たしてもよい。パーティション要素100は、機体に対して他の又は従来のパーティション要素と同じインターフェースを使用して、ラインフィットソリューション又はレトロフィットソリューションとして実装されてもよい。当然ながら、パーティション要素100は、本発明のいくつかの特徴及び態様について記載し説明することを目的とする単なる一例としての役割を果たすものであり、図1のパーティション要素100と併せて記述されるものと全く同じ原理に従って、航空機の他の構造要素が同様に実装されてもよい。

いくつかの実施形態では、パーティション要素100は、概して、要素100の後ろにおける耐荷立体骨組ロッドRMの立体骨組構造T1を有する実質的に平面のコアパネル30と、コアパネル30の前面に装着されるカバーパネル20と、機能的要素をパーティション要素100に取り付けるように構成された取付けパネル10とを含んでもよい。取付けパネル10は、例えば、枢動式シート4を備えた壁付けの客室乗務員用シートベンチ5(CASベンチ)をパーティション要素100に装着するように適合されてもよい。パーティション要素100は、特に、FAAの耐空性規格に、例えば16g動的試験に準拠するように設計されてもよい。

カバーパネル20は、前面6と少なくとも1つの布地パネル7とを備えた実質的に剛性の保護カバー3を含んでもよく、該布地パネル7は、保護カバー3にその後面から装着されている。そのため、該布地パネル7は、カバーパネル20がコアパネル30に取り付けられる際に、コアパネル30と保護カバー3との間に挟み込まれる。図1に示されるように、保護カバー3は、概して、コアパネル30の外側形状に対応する外側形状を有してもよい。様々な形状の1つ又は複数の切り抜き開口2が、保護カバー3の材料から切り抜かれていてもよい。保護カバー3は、例えば、ガラス繊維強化ポリマー(GFRP)材料、天然繊維強化ポリマー(NFRP)材料、及び炭素繊維強化ポリマー(CFRP)材料などの、繊維強化ポリマー材料から作られてもよい。

切り抜き開口2は、立体骨組ロッドRMが前面からカバーパネル3によって覆われ、隣接した立体骨組ロッドRM間の隙間の少なくとも一部が、カバーパネル20の切り抜き開口2を通して見えるようにして、コアパネル30の立体骨組構造T1の形状に合致するようにされてもよい。

布地パネル7は、保護カバー3に装着されており、好ましくは、切り抜き開口2のいくつか又は全てをカバーパネル20の後面から覆っている。布地パネル7は、例えば、面ファスナー(hook-and-pile fastener)により保護カバー3に留められていてもよく、布地パネル7自体が後面に面ファスナーを備えることによって布地パネル7をコアパネル30に取り付けてもよい。布地パネル7の外部形状がそれらの切り抜き開口2の外部形状に対して相合するという意味で、布地パネル7の外側形状を、切り抜き開口2それぞれの外側形状に合致させるのが有利であり得る。布地パネル7のサイズは、特に、留めフランジ部分が保護カバー3の後方にある1つ以上の切り抜き開口2の外縁上に伸びるように、対応する切り抜き開口2のサイズよりも大きくてもよい。それによって、布地パネル7の留めフランジ部分は、例えば上述の面ファスナーによって、該縁の周りで保護カバー3に留められてもよい。

保護カバー3及び必要に応じて保護カバー3の後方の布地材料には、複数の穿孔又は穴1が穿孔又は別の方法で作り出されてもよい。穿孔1は、カバーパネル20全体をコアパネル30に接続可能な留め部材のための穴の役割を果たしてもよい。同様に、コアパネル30は、立体骨組ロッドRM及び/又はキャリアフレーム部分において、対応して位置する穿孔を含んでいてもよい。

切り抜き開口2の内縁に沿った端が鋭利となることを避けるために、リムプロテクタ8がそれらの縁の周りに形成されてもよい。リムプロテクタ8は、例えば、U字形の細長い外郭部材を含んでもよい。かかる外郭部材は、付加製造(AM)プロセスにて製造されてもよい。

パーティションのカバーが、取り付けられるコアパネル30とは独立しているため、カバーパネル20により、航空会社に新しいカスタム化の可能性がもたらされる。顧客は、「閉鎖された」フラットカバー、柔軟な布地の組込み、明かりの組込み、又はスクリーンもしくはディスプレイのような他の特徴の組込みなど、異なるカバーコンセプトの中から選ぶことができる。さらに、保護カバーの平滑な前面には、装飾的なフレーム又はパネル要素が簡単かつ交換可能に配置されてもよく、それによって、個々の航空会社のブランド戦略、及び任意の所望の企業デザインの生成に対する幅広い可能性がもたらされる。

図1に示されるコアパネル30は、図2にて前方からさらに詳細に示されている。コアパネル30及びカバーパネル20は両方とも、ストレッチャーフラップSFの位置に窪んだ内部フレームを有してもよい。ストレッチャーフラップSFは、例えば航空機に乗る担送患者を運ぶための台車としてのストレッチャーのようなストレッチャーの積込みエリアへのアクセスを提供するように構成されてもよい。コアパネル30の外側形状は、概して、例えば胴体構造のヒンジ式インターフェースSに取り付けられるタイロッドを用いて、コアパネル30が取り付けられ得る胴体区画の内部形状に合致させられる。客室の床部分では、コアパネル30は、例えば、客室アンカーポイントKにおいて、ボルトによって客室に留められてもよい。周囲の胴体構造内への平滑で信頼性の高い荷重伝達経路を確保するために、アンカーポイントK及びヒンジ式インターフェースSに対するタイロッドの取付け点は、補強され局所的に厚くされてもよい。

図2のコアパネル30は、概して、複数の部分的に交差する立体骨組ロッドRのマクロ立体骨組構造T1により構築される。立体骨組ロッドモデルRMの特定の配置は、例えば、立体骨組ロッドRのトラスを通る負荷経路を最適化するメタヒューリスティック最適化アルゴリズムを用いたコンピュータ実装設計手順によって決定されてもよい。コアパネル30は、概して、コアパネル30の外側形状の縁部周りに延びているキャリアフレームFと、キャリアフレームFに跨る面内に延在する立体骨組構造T1とを備えてもよい。コアパネル30の総厚みは、特に、3cm未満であってもよい。

コアパネル30の全ての構造部材は、特に、付加製造(AM)プロセスを使用して製造されてもよい。コアパネル30の構造部材は、例えば、AMプロセスに利用可能な適切な材料、例えばScalmalloy(商標)などから作られてもよい。Scalmalloy(商標)は、高強度及び超高強度押出し用に開発されたアルミニウム−マグネシウム−スカンジウム合金(AlMgSc)であり、非常に高い疲労特性、及びAlMgScシート材料と同じ良好な製造傾向を提供する。いくつかの実施形態では、コアパネル30は、より小型のAM機械及びAMシステムが使用され得るように、部品単位で製造されてもよい。例えば、立体骨組構造T1の構造的トポロジーをいくつかの下位構成要素R(例証のため、そのうち2つに参照符号を付して図2に例示している)に分解可能であってもよく、例えば、異なるALMシステム上で別個に3Dプリントされ得る20〜150個の下位構成要素Rに分解可能であってもよい。各下位構成要素Rは、異なるコネクタタイプC1及びC2の標準化されたコネクタ(例として、そのうち2つに参照符号をそれぞれ付して図2に例示している)を含んでいてもよく、それにより、結合されるそれぞれの下位構成要素R間を適切に接続し、隣接した下位構成要素R間の公差を調節することが可能になる。損傷した場合、影響を受けた下位構成要素Rを低コストで簡単に交換することができる。2つの異なるコネクタタイプC1及びC2のコネクタについては、図7と併せて以下で説明し記載する。

図6は、コアパネル30の立体骨組組み合わせ資材の形状及びトポロジーをより良好に例示するための、コアパネル30の部分を写真で示す斜視図である。図中に見られるように、キャリアフレームは、コアパネル30を周囲の胴体構造に接続するための厚肉のアンカーポイントKを底部に含む。立体骨組ロッドRの下端部のいくつかは、キャリアフレームと一体的に製造されるものとして、ならびに互いに一体的に製造されるものとして示されている。各立体骨組ロッドRはそれ自体が、局所ノードで互いの中で相互接続され得る複数の横方向及び対角線方向に延びるストラットを備えたミクロ骨格として形成されている。

ミクロ骨格T2は、図5と併せて示されており、隣接した立体骨組ロッド間の3つの異なる相互接続ノードタイプ(A)、(B)、及び(C)が例示的に示されている。ミクロ骨格T2は、所定の境界条件下で荷重分配モデルから導き出すことが可能な局所荷重分配にしたがって設計されてもよい。交差する立体骨組ロッド間のノード領域Nでは、各立体骨組ロッドのミクロ骨格T2の横方向及び対角線方向に延びるストラットが、互いに適切に併合されてもよい。各ロッドRについて、ロッドのコア部分は、トラス構造として形成されてもよい。すなわち、三次元構造に組み立てられノードで接続された、二力部材(two-force member)から成る構造として形成されてもよい。典型的には、かかるトラス構造は、多角形に構築された直線部材を備えてもよく、その端部及び場合により中間部分が、トラスノードにて接続される。図5及び6の例示的な事例では、ミクロ骨格T2は、立体骨組ロッドRの延長方向に沿って延在する4つの実質的に平行な桁と、4つの実質的に平行な桁間の対角線方向に互い違いとなった横桁によって形成されるクロスハッチ状の骨格パッチとを有する骨組形状をとる。

立体骨組ロッドR自体のトポロジーは、ほぼ二次元のレイアウトを有し得るマクロ骨格T1を形成する。すなわち、立体骨組ロッドRは、実質的に1つの延長面(図面に表される例では、垂直に延在する面)内にある。立体骨組ロッドRのいくつか又は全ては、それらのロッド端部部分のそれぞれにコネクタC1又はC2を備えていてもよく、それらのコネクタタイプについては、図7にさらに詳細に示す。

コネクタタイプC1は、立体骨組ロッドの端部部分に形成されたロッドコネクタダクトRHであってもよく、雄ねじコネクタスタッドCに対する雌コネクタ部分として作用する雌ねじを備えている。コネクタスタッドCは、例えばScalmalloy(商標)から、付加製造(AM)プロセスにより一体的に形成される。コネクタスタッドCの第1のシャンクH1には、左回りの外ねじ部分が形成され、コネクタスタッドCの反対側に位置する第2のシャンクH2には、右回りの外ねじ部分が形成される。コネクタスタッドCが、両方ともその端部に同様のロッドコネクタダクトRHを備える2つの隣接したロッドR間に挿入された場合、回転運動D1によってトルクが作り出され、それによって第1及び第2のシャンクH1及びH2の両方のねじ部分が、それぞれの雌ねじ付きロッドコネクタダクトRH内に同時に差し込まれる。このようにして、コネクタタイプC1によって接合されるロッドが互いに向かって引っ張られる。ロッド間の可変距離は、コネクタスタッドCに加えられる回転回数に応じて決まる。コネクタスタッドCへのトルクの付与を支援するため、コネクタスタッドは、第1及び第2のシャンクH1及びH2と一体的に両方のシャンク間に形成されたねじ回し外形(wrenching contour)Gを備える。第1及び第2のシャンクH1及びH2に形成されたねじ山は、特に、同様のピッチを有してもよい。しかしながら、いくつかの変形例では、例えば、ロッドが立体骨組に不適切に装填されるのを防ぐためにポカヨケ機構が適所に入れられる場合、第1及び第2のシャンクH1及びH2のねじ山は、異なるピッチを有してもよい。第1及び第2のシャンクH1及びH2にて延びるねじ山は一条であってもよいが、いくつかの変形例では、組立てに対するより高い耐性を提供するために、二条が設けられてもよい。

コネクタタイプC2は、半重ね継手タイプであってもよい。この場合には、(図6及び7に示されるような)第1のコネクタ部分RJ1が、立体骨組ロッドの端面から離隔されると共に該端面に対して平行に突出する角度付きピンを備えて形成される。(図6にはなく図7にのみ明示される)第2のコネクタ部分RJ2は、立体骨組ロッドの端面から離隔されると共に該端面に対して平行に突出するピンに対するソケットとしての対応する角度付きチューブを備えて形成される。角度付きピン及び角度付きソケットは、接続される立体骨組ロッドの2つの対応する端部部分の摺動又は差込み運動D2によって、互いに係止した配列にされてもよい。例えば、互いに平行に延在する2つ以上の角度付きピン及び対応する角度付きソケットがあってもよい。少なくとも2つのピン及びソケットがある場合、接続部C1は、ねじりモーメントに対して機械的により安定する。

ピン及びソケットは、立体骨組ロッドの延長方向に逃げ溝を形成し、それにより、立体骨組ロッド間のジョイントが引き離されることに対する機械的抵抗がもたらされる。ピンとソケットの内壁との間のグリップをより高めるため、角度付きピンは、図7において参照符号「E」により示される詳細が例示的に見られるように、刻み付き外表面を備えていてもよい。刻み付き外表面は、例えば、ピン表面上に微細な刻み目を多量に作り出す一連の波形、隆起、又は菱形パターンを備えてもよい。これにより、角度付きピンの外表面と角度付きソケットの内壁との間の有効接触面が大きくなる。

コネクタタイプC1及びC2の両方は、互いに対して接合するために必要な立体骨組ロッドの動きがごくわずかでよいように設計される。これにより、隣接した立体骨組ロッドRをわずかな横方向移動で接続することが容易になる。特に、コアパネル30の複雑な構造的トポロジーでは、一般に、組立てに関して立体骨組ロッドRを互いに対して偏位させる余地はほとんどない。したがって、コネクタタイプC1及びC2は、複雑な航空機構造要素を組み立てる際に好適なコネクタタイプである。

立体骨組T1はほぼ三次元のレイアウトを有してもよい。すなわち、立体骨組ロッドRのサブセットによって規定される第1の延長面のそれぞれについて、第1の延長面に対してゼロでない角度で配される少なくとも1つのさらなる第2の延長面を規定するようにして、ロッドRの別のサブセットが前者のサブセットのノードに接続される。立体骨組ロッドRの数は、概して、いかなる特定の数にも限定されないが、その代わりに、その数は最終的に、立体骨組T1の最適設計を見つけるのに用いられる最適化アルゴリズムの結果に応じて決まる。さらに、隣接する立体骨組ロッドRの相互接続部におけるコネクタの数、種類、タイプ、及び特定の設計は、特定の最適化された設計及び/又は単一の立体骨組Rの所望の最大長さに応じて様々であってもよい。

概して、立体骨組ロッドR及びキャリアフレームFの組は、所望の構造要素(例えば、コアパネル30)を構築するのに使用され得る立体骨組構築キットを形成してもよい。上記に開示したような立体骨組構築キットは、多くの用途に使用されてもよい。そのような用途は、航空機構造要素の構築、内装設計、橋梁建造、輸送車両、土木工学、子供のおもちゃ向け用途などを含むが、これらに限定されない、特定の用途としては、航空機構造要素のコアパネルの構築に関する。かかるコアパネルは、例えば剛性の外側キャリアフレームによって予め規定された構成要素境界内において、航空機構造要素の全体的な外側形状を規定する立体骨組ロッドを含んでもよい。

コアパネル30の立体骨組構造T1の立体骨組トポロジーを設計するコンピュータ実装方法について、図3〜5と併せて例示的に説明し記載する。該方法は、特に、立体骨組ロッドRのトラスを通る負荷経路を最適化するメタヒューリスティック最適化アルゴリズムを用いてもよい。

まず、既存の幾何形状データをモデリングソフトウェアにインポートする。幾何形状データは、設計空間候補の境界表現を作成するのに使用されてもよい。 そのような境界表現としては、例えば、航空機における客室のパーティション壁のキャリアフレームモデルFが挙げられる。ソリッド有限要素解析モデルを使用して、設計空間候補の境界表現内の各点にマッピングして負荷応力マップを計算することができる。内部負荷経路及び応力を研究するために、シミュレーションにおいて代表的な負荷を作用させてもよい。

図3に示されるように、モデル化したキャリアフレームFは、設計空間の境界において立体骨組に対する負荷及び応力が周囲の構造へと転換される位置を規定する複数の取付け点Aと、主要負荷が作用することが予期される複数の負荷作用点L(例えば、図1に示されるような取付けパネル10の装着位置)とを備えてもよい。さらに、キャリアフレームにおけるアンカーポイントKが、設計空間内で同様にマークアップされてもよい。このように規定することによって、後に続く生成的ネットワーク最適化アルゴリズムについての開始設定として、カスタマイズされた幾何形状が作成される。

開始ネットワークとして、複数の取付け点A及び負荷作用点Lのそれぞれ2つの間における複数の相互接続ラインが、設計空間内で作成される。それに加えて、相互接続ラインの開始ネットワークを補強ラインにより強化することが可能であってもよい。これらの補強ラインは、例えば、相互接続ラインのうち1つのライン上のノードNと、設計空間内の複数の取付け点A及び負荷作用点Lのうち1つとの間に延びていてもよい。別の方法として、又はそれに加えて、他の補強ラインが、相互接続ラインのうち隣接するライン上における2つのノードN間を通ってもよい。そのため、開始ネットワークは、最終的な立体骨組設計に対して望ましい数よりもはるかに多数の相互接続ライン及び補強ラインを備える。このラインの開始ネットワーク(一般に、図3及び4に示されるモデル化立体骨組ロッドラインRMと呼ばれる)は、次に、予期される負荷経路に沿って延びる相互接続ライン及び補強ラインをより少数にするために選別する必要がある。したがって、多目的最適化ループは、少なくとも(ラインの数に対応する)最小限の重量を最小限にすると共に所定の応力下での変位を最小限にするための最適化を伴う。

多目的最適化ループは、変形菌綱の粘菌の適応成長より知られる生物経路発見モデルと同様の点が考慮され得る。例えば、Tero,A:Kobyashi,R;Nakagaki,T; “A mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold”,Journal of theoretical biology No.244,vol.4,pp.553-564,February 21,2007、及びTero,A;Takagi,S;Saigusa,T;Ito,K;Bebber,D.P;Fricker,M.D;Yumiki,K;Kobayashi,R;Nakagaki,T; “Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design”,Science No.327,vol.5964,pp.439-442,January 22,2010は、いずれも、生物に学ぶ数学モデル(biologically inspired mathematical model)にて知得された変形菌綱の粘菌の適応ネットワーク形成のコアメカニズム及びアルゴリズムを開示している。

それぞれの相互接続及び/又は補強ラインは、負荷作用因子によりパラメータ化される。負荷作用因子は、負荷応力マップにおいて以前に計算された値から導き出される。続いて、相互接続及び/又は補強ラインの開始ネットワークが選別される。各選別手順は、選別プロセスを規定する異なるパラメータを用いて別々に行ってもよく、それによって複数の異なる立体骨組設計候補がさらなる解析のために生成される。選別パラメータは、例えば、全体的なライン密度、局所的なライン密度、及びラインの長さを含んでもよく、また、補強ラインの場合には、相互接続ライン上のノード位置及び補強ラインの長さを含んでもよい。

解析は、例えば、パラメータモデルの入力値を変動させる最適化エンジンの使用を伴ってもよい。得られた立体骨組設計候補はそれぞれ、有限要素解析を使用して取得され得る性能スコアを用いて評価される。性能スコアは、例えば、提示される立体骨組設計にしたがって製造される立体骨組ロッドの予期される重量や、提案される立体骨組設計にしたがって製造される立体骨組ロッドの外部応力下における変形/変位など、複数の所定の最適化パラメータを考慮に入れてもよい。

立体骨組設計候補は、例えば、パレートフロンティアに近い立体骨組設計を見つけるため、多変量最適化パラメータ図にてクラスタ化されてもよく、それによって、各作成段階に対して最適な性能スコアを有する立体骨組設計候補のみがさらなる解析のために選択される。選別パラメータの組み合わせの新たなセットを生成的に決定するために、最良の立体骨組設計候補、すなわち、最良の性能スコアを有する立体骨組設計の選別パラメータが選択される。所望の収束速度に応じて、所定の性能閾値を上回る性能スコアを有する立体骨組設計のみが、この進化手順のために選択されてもよい。

その後、第2世代の立体骨組設計候補が、選別パラメータの組み合わせの新たなセットを用いて生成され、それについて再び性能評価が行われ得る。このように、さらに進んだ世代の立体骨組設計候補が、以前の世代の最良の特性に基づいて「進化」させられてもよい。繰返しプロセスは、特に、その後に生成された立体骨組設計候補の性能スコアの増分が終了閾値を下回ったとき、終了してもよい。

次に、最適化されたマクロ構造T1を有する1つ又は複数の立体骨組設計が、最適化されたミクロ構造T2を有するカスタムの生成的幾何形状を作成するために選択される。この目的のため、ミクロ構造骨格T2を備えたトラスモデルが、選択された立体骨組設計候補において提示されるマクロラインのそれぞれに対して生成される。図4は、左側にて、最終的に選択されるマクロ構造T1を備えた立体骨組設計の1つを例示的に示している。右側の詳細図には、モデル化された立体骨組ロッドRMの1つについて生成されたトラスモデルのミクロ構造T2を例示的に示している。再び、予め計算された負荷応力マップの対応する値に基づいて、トラスモデルの生成が行われる。続いて、生成されたトラスモデルが、付加製造(AM)プロセスのための入力幾何形状として用いられる。AMプロセスを使用して、立体骨組に組み合わされたときに、低重量、少ない材料消費及び高い機械的安定性という所望の目的を満たすカスタム化された立体骨組ロッドが製造され得る。

利用可能である又は使用が望まれるAMシステムに応じて、いくつかの又は全ての立体骨組ロッドは、複数の部分立体骨組ロッドに小分けされてもよい。それらの部分立体骨組ロッドは、特に、利用可能なAMシステムを用いて製造できる最大長さに対応し得る所定の最大長さに限定されてもよい。ここで、小分けされた立体骨組ロッドは、図7と併せて示されるコネクタタイプC1及びC2のうち1つを装備していてもよい。例えば、部分立体骨組ロッドは、雄コネクタスタッドCに接続するための雌ねじ付きロッドコネクタダクトとして形成された端部を有していてもよい。あるいは、部分立体骨組ロッドは、それぞれの端部にある角度付きピンコネクタRJ1及び角度付きソケットコネクタRJ2のうち1つと一体的に形成されてもよい。

上述の立体骨組構築キットは、安価で非常に軽量かつ柔軟なシステムであって、様々な外側形状の複数構造を迅速に構築及び解体することを可能にする。例えば、立体骨組構築キットは、航空機の客室パーティション壁のような航空機構造要素のコアパネルを構築するのに使用されてもよい。かかる立体骨組構築キットにより構築される航空機構造要素は、単一の損傷した骨格要素を容易に交換可能であるため、修理が簡単であり、それにより維持管理コストが低い。さらに、航空機構造要素がモジュール式構造であるため、立体骨組のモジュール部品間のコネクタを調節することによって、構成要素全体の幾何学的公差を容易に補償することができる。

システムとして、例えばパーソナルコンピュータ又はコンピュータワークステーションに見られるような1つ又は複数の処理装置を含むシステムが提供されてもよい。かかるシステムは、立体骨組及び立体骨組構成要素のモデルを設計し、構築し、解析し、最適化する、本明細書に記載された例示的なコンピュータ実装方法を実行するように処理装置を構成可能な命令セットをさらに含むことができる。これらの命令は、記憶媒体などのコンピュータアクセス可能な媒体に提供され得る。当業者であれば、本開示が、1つもしくは複数のプロセッサ及び/又は1つもしくは複数のソフトウェアアプリケーションによって実行可能な1つ又は複数のソフトウェアプロセスとして実装されてもよいことを認識するであろう。それに加えて、本発明は、いかなる特定のプログラミング言語に関しても記載されていない。本明細書に記載された本発明の教示を実装するには、様々なプログラミング言語が使用されてもよいことが認識されるであろう。また、これらの方法は、シーケンシャル、疑似ランダム及びランダムアクセス記憶デバイスの全ての形態を含む、任意の形態のメモリデバイス又は記憶媒体上で具現化されてもよいことを理解されたい。現在の技術において知られる記憶媒体は、全ての形態のランダムアクセスメモリ、磁気及び光学テープ、磁気及び光学ディスク、並びに、例えばハードドライブ、CD−ROMもしくはDVD−ROM、テープもしくはフロッピーディスク、フラッシュドライブ、又は他の任意の固体メモリ記憶媒体のような様々な他の形態の固体大容量記憶デバイスを含む。

上述の詳細な説明では、開示を簡素化する目的で、1つ又は複数の実施例において様々な特徴を併せてグループ化している。上述の記載は例示のためのものであって、限定のためのものではないことを理解されたい。全ての代替物、修正、及び等価物を包含することが企図される。上記明細書を精査することで、他の多くの実施例が当業者に明白となるであろう。

これらの実施形態は、本発明及びその実際的応用の原理を最良に説明し、それによって他の当業者が、特定の使用に適すると想起される様々な修正によって、本発明及び様々な実施形態を最良に利用できるようにするために、選択及び記載されている。添付の特許請求の範囲において、また明細書全体を通じて、“including(〜を含む)”及び“in which(〜において)”という用語は、それぞれの用語“comprising(〜を備える)”及び“wherein(〜における)”に対する平易な英語の等価物として使用される。さらに、本例において、“a”又は“one”は、複数を除外しない。

1 穿孔 2 切り抜き開口 3 保護カバー 4 シート 5 CASベンチ 6 保護カバー前面 7 布地パネル 8 リムプロテクタ 10 取付けパネル 20 カバーパネル 30 コアパネル 100 航空機構造要素 A 取付け点 C コネクタスタッド C1 コネクタ C2 コネクタ D1 回転運動 D2 差込み運動 E 詳細図 F キャリアフレーム G ねじ回し外形 H1 ねじ付きスタッド部分 H2 ねじ付きスタッド部分 K アンカーポイント L 負荷作用点 R 立体骨組ロッド RJ1 ピンコネクタ RJ2 ソケットコネクタ RH ロッドコネクタダクト RM モデル化立体骨組ロッド S ヒンジ式インターフェース SF ストレッチャーフラップ T1 立体骨組構造 T2 ミクロ骨格