ストレスを受けた肌

機械工学において、ストレススキンは、スキンまたはカバーが構造荷重の一部を引き受ける剛性構造であり、スキンが荷重のすべてまたはほとんどを引き受けるモノコックと、荷重を受けないカバーを持つ剛性フレームの中間です。通常、メインフレームは長方形の構造を持ち、カバーによって三角形に分割されます。ストレススキン構造には、局所的な圧縮を受ける要素 (長方形のフレーム) と、分散された張力を受ける要素 (スキン) があります。

説明

4 つの個別のメンバーを持つ単純なフレームワークボックスは、比較的軽い負荷がかかると正方形から変形するため、本質的に剛性がありません。ただし、張力または圧縮のいずれかを受ける 1 つ以上の対角要素を追加すると、ボックスが直角から外れるには対角線も変更する必要があるため、剛性が増します。対角要素は、張力を提供するために使用されるワイヤのように柔軟である場合もあれば、ウォーレントラスやプラットトラスのように、圧縮に抵抗するために剛性になる場合もあります。いずれの場合も、個別の対角メンバーを追加すると、スキンが構造剛性にほとんどまたはまったく寄与しないフルフレーム構造になります。

ストレススキン設計では、スキンまたは外側のカバーがフレームに接着またはピン留めされ、長方形構造の歪みに抵抗する三角形の部材として機能して構造剛性を高めます。^[1]スキンは、面内せん断応力を吸収することで全体的な構造剛性の大部分を提供しますが、面外荷重に対する抵抗力は非常に小さいです。^[2]^{: 1}

マーフィー・ムースのストレススキン構造の内部。フレームとサポートスキンが見える。

これらのタイプの構造は、モノコック設計と区別するためにセミモノコックと呼ばれることもあります。モノコック、セミモノコック（ストレスドスキン）、およびリジッドフレーム構造には、スキンが構造剛性に占める割合に応じて、一部重複する部分があります。モノコック設計では、スキンがすべてまたはほとんどの応力を引き受け、構造には個別のフレーム要素が少なく、縦方向または横方向の部材のみが含まれる場合もあります。^[3]^{: 175}対照的に、リジッドフレーム構造では、全体的な剛性のごく一部のみがスキンから得られ、個別のフレーム要素が大部分を提供します。

このストレススキン工法は、フルフレーム構造よりも軽量で、フルモノコックほど設計が複雑ではありません。

歴史

ウィリアム・フェアバーンは、 1849年にチェスター・アンド・ホーリーヘッド鉄道のブリタニア橋とコンウィ橋の開発について文書化した。 ^[4]その中で、フェアバーンは、ロバート・スティーブンソンが、チェーンで支えられた円形または卵形の断面を持つリベット留めの鋼管の中に鉄道交通を通すというスティーブンソンの当初の構想を修正するために、彼の協力を得た経緯を述べている。^[4]^{: 2}縮尺模型での実験の結果、フェアバーンは代わりに中空の長方形の梁を提案し、その上部と下部の縦方向のストリンガーを構造カバーにしっかりと固定した。「2枚の縦方向のプレートを垂直のプレートで分割して正方形を形成し、最初に圧縮応力に耐えるように計算し、下部は [...] 縦方向のプレートで、リベット接合部でしっかりと接続され、2番目の引張応力に耐える十分な厚さになっている」。^[4]^{: 16}これは、サンドイッチまたは二重船殻としても知られる応力外皮設計の最初の例とされている。^[5]

1900年代初頭の最初の航空機は、木製またはスチール製のチューブフレーム部材にニス塗りの布地または合板を張ったフルフレームで製造されていたが、チューリップウッドの薄い層を曲げて積層したモノコック構造の開発を始めた企業もあった。^[6]^{: 8} オズワルド・ショートは1920年代初頭に全金属製のストレスドスキン翼の特許を取得した。^[7]^{: 97}^[8] 1923年に「ストレスドスキン」という用語を作ったのはアドルフ・ローバッハ博士とされている。 ^[7]^{: 169} 1940年までに、ジュラルミン板が木材に取って代わり、ほぼすべての新しい設計でモノコック構造が採用された。^[6]^{: 8}

ストレススキン構造の採用により、滑らかな表面による抗力の低減、外部支柱の排除、格納式着陸装置用の内部スペースの確保により、航空機の速度と航続距離が向上しました。^[9]^{: 25}

例

例としては、ほぼすべての現代の全金属製の飛行機、および一部の鉄道車両、バス、キャンピングカーが挙げられる。ロンドン交通局の AEC ルートマスターには、構造物のせん断荷重のほとんどを受け止めるフレームにリベット留めされた内部パネルが組み込まれていた。自動車のユニボディも、斜めの支柱のないフレーム構造の建物と同様に、応力を受けた外皮の一種である。

ドルニエ・ツェッペリン DI (1918): 全金属製の応力外皮戦闘機と応力外皮翼を備えた最初の機体
ツェッペリン・リンダウ（ドルニエ）Rs.IV（1918年）：全金属製の応力外皮胴体を持つ最初の航空機。
ツェッペリン・シュターケン E-4/20 (1919) : 初の全金属製応力外板 4 発旅客機
ショートシルバーストリーク(1920) : イギリス初の全金属製応力外皮航空機^[7]^{: 164}
ノースロップアルファ（1930年）：アメリカ初の全金属製応力外皮航空機^[10]
GM ニュールックバス(1959) : ストレススキンバス。1959 年以降 44,000 台以上が製造され、現在も多数が稼働中。

参考文献

^ Sood, Pallika (2022年3月3日). 「ストレススキンフロア」. Blue Engineering . 2023年11月28日閲覧。合板を木材の梁の上部または下部に固定すると、重心から離れた大きな質量を持つT字型の梁が効果的に作成されます。これにより、床が強化され、最終的にはより効率的な構造の深さが作成されます。[...] 接着剤とネジによって提供される要素間の接続は、Tセクションを1つの完全なセクションと見なすのに十分です。
^ ブライアン、ER（1973）。鉄骨建物の応力外皮設計。ロンドン：クロスビーロックウッドステープルズ。ISBN 0-258-96858-3。
^ 海軍人事局、訓練基準・カリキュラム課（1945年）。海軍訓練コース：航空機金属加工。政府印刷局。 2023年11月27日閲覧。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
^ abc フェアベアン、ウィリアム（1849年）。ブリタニア橋とコンウェイ管状橋の建設に関する記録、当初のアイデアの発案から、最終的に採用された正確な形状と建設方法を決定した綿密な実験の結論までの、その進捗の完全な歴史。ロンドン：ジョン・ウィールおよびロングマン、ブラウン、グリーン、ロングマンズ。2023年11月28日閲覧。
^ Meyboom, AnnaLisa; Correa, David; Krieg, Oliver David (2019年10月21日〜26日)。ストレススキン木材表面構造。ACADIA 19：ユビキタスと自律性（第39回年次会議議事録）。テキサス大学オースティン校建築学部：建築におけるコンピュータ支援設計協会（ACADIA）。pp. 470〜477。doi ：10.52842 / conf.acadia.2019.470。ISBN 978-0-578-59179-7。
^ ab ガンストン、ビル (1988)。『航空機の解剖学：ライトフライヤーからB-2「ステルス」爆撃機までの90年間の発展』スタンフォード、コネチカット州：ロングメドウ・プレス。ISBN 0-681-40714-X。
^ abc ハワード、フランク; ガンストン、ビル (1972)。『空の征服』。ニューヨーク：ランダムハウス。ISBN 978-0-394-47474-8LCCN 72-3818 。
^ 米国特許 1451059A、ヒュー・オズワルド・ショート、「飛行機、飛行機械、その他の航空機用の金属製の翼および類似部材」、1923 年 4 月 10 日発行
^ Haddon, JD (1945). 航空工学入門。第2巻：構造（第5版）。ロンドン：Sir Isaac Pitman & Sons、Ltd。2023年11月28日閲覧。
^ 「NACAと現代の航空機 - 空の旅アメリカ」airandspace.SI.edu 2019年5月5日閲覧。

外部リンク

ストレスを受けた肌^{[永久リンク切れ‍ ]}
木材から金属へ：現代の飛行機の構造の起源

[1] Sood, Pallika (2022年3月3日). 「ストレススキンフロア」. Blue Engineering . 2023年11月28日閲覧。合板を木材の梁の上部または下部に固定すると、重心から離れた大きな質量を持つT字型の梁が効果的に作成されます。これにより、床が強化され、最終的にはより効率的な構造の深さが作成されます。[...] 接着剤とネジによって提供される要素間の接続は、Tセクションを1つの完全なセクションと見なすのに十分です。

[2] ブライアン、ER（1973）。鉄骨建物の応力外皮設計。ロンドン：クロスビーロックウッドステープルズ。ISBN 0-258-96858-3。

[3] 海軍人事局、訓練基準・カリキュラム課（1945年）。海軍訓練コース：航空機金属加工。政府印刷局。 2023年11月27日閲覧。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)

[Fairbairn-4] フェアベアン、ウィリアム（1849年）。ブリタニア橋とコンウェイ管状橋の建設に関する記録、当初のアイデアの発案から、最終的に採用された正確な形状と建設方法を決定した綿密な実験の結論までの、その進捗の完全な歴史。ロンドン：ジョン・ウィールおよびロングマン、ブラウン、グリーン、ロングマンズ。2023年11月28日閲覧。

[5] Meyboom, AnnaLisa; Correa, David; Krieg, Oliver David (2019年10月21日〜26日)。ストレススキン木材表面構造。ACADIA 19：ユビキタスと自律性（第39回年次会議議事録）。テキサス大学オースティン校建築学部：建築におけるコンピュータ支援設計協会（ACADIA）。pp. 470〜477。doi ：10.52842 / conf.acadia.2019.470。ISBN 978-0-578-59179-7。

[Gunston-6] ガンストン、ビル (1988)。『航空機の解剖学：ライトフライヤーからB-2「ステルス」爆撃機までの90年間の発展』スタンフォード、コネチカット州：ロングメドウ・プレス。ISBN 0-681-40714-X。

[Howard-7] ハワード、フランク; ガンストン、ビル (1972)。『空の征服』。ニューヨーク：ランダムハウス。ISBN 978-0-394-47474-8LCCN 72-3818 。

[8] 米国特許 1451059A、ヒュー・オズワルド・ショート、「飛行機、飛行機械、その他の航空機用の金属製の翼および類似部材」、1923 年 4 月 10 日発行

[Haddon-9] Haddon, JD (1945). 航空工学入門。第2巻：構造（第5版）。ロンドン：Sir Isaac Pitman & Sons、Ltd。2023年11月28日閲覧。

[10] 「NACAと現代の航空機 - 空の旅アメリカ」airandspace.SI.edu 2019年5月5日閲覧。