CN109311512B - 金属管和使用了金属管的车辆用构造构件 - Google Patents

金属管和使用了金属管的车辆用构造构件 Download PDF

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Abstract

金属管(1)具有四边形的截面。金属管(1)包括：高度H的一对侧壁(11、12)，该一对侧壁(11、12)彼此相对；顶面部(13)，其与一对侧壁(11、12)的上端相连接；以及底部(14)，其与一对侧壁(11、12)的下端相连接。金属管(1)的长度是侧壁(11、12)的高度H的6倍以上。一对侧壁(11、12)具有高强度部(11A、12A)和低强度部(11B、12B)。高强度部(11A、12A)在金属管长度方向上跨(2/3)H以上且3H以下的距离地形成于一对侧壁(11、12)的彼此相对的部分，屈服强度为500MPa以上。低强度部(11B、12B)配置于高强度部(11A、12A)的金属管长度方向两侧，屈服强度为高强度部(11A、12A)的屈服强度的60％～85％。

Description

金属管和使用了金属管的车辆用构造构件
技术领域
本发明涉及具有耐冲击性的金属管和使用了金属管的车辆用构造构件。
背景技术
具有四边形的截面的金属管即方管能应用于各种用途。例如，方管能够应用于车辆、建筑物、大型容器的构造构件。对于这样的构造构件要求针对冲击而言的耐冲击性。
例如，在国际公开2005/058624号(专利文献1)公开有一种金属管，其作为耐冲击用，通过两端支承的构造而安装于汽车的车身。在该金属管的全长或局部具有弯曲部。将弯曲部的外周侧以与施加于车身的冲击的方向大致一致的方式配置。与使用了笔直管的加强构件相比，该金属管具有作为加强车身用而言优异的耐冲击性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2005/058624号
发明内容
发明要解决的问题
金属管若受到超过屈服强度的冲击，则会发生弯折并且弯折部突出。若为了轻量化而使金属管薄壁化，则因冲击而弯折时的突出程度容易变大。对此，例如在将金属管用作构造构件的情况下，优选因碰撞所引起的冲击而变形的金属管弯折而突出的程度更小。
因此，本申请公开一种能够使因冲击导致的变形时的突出程度更小的金属管和使用了该金属管的构造构件。
用于解决问题的方案
本发明的技术方案中的金属管是具有四边形的截面且长度为6H以上的金属管。所述金属管具备：高度H的一对侧壁，该一对侧壁彼此相对；顶面部，其与所述一对侧壁的上端相连接；以及底部，其与所述一对侧壁的下端相连接。所述一对侧壁具有高强度部和低强度部。所述高强度部形成于所述金属管长度方向上的尺寸(2/3)H以上且3H以下的部分且是所述一对侧壁的彼此相对的部分，屈服强度为500MPa以上。所述低强度部配置于所述高强度部的所述金属管长度方向两侧，屈服强度为所述高强度部的屈服强度的60％～85％。
发明的效果
采用本申请的公开，能够提供一种能够使因冲击导致的变形时的突出程度更小的金属管和使用该金属管的构造构件。
附图说明
图1A是表示两端部被支承着的方管的结构例的图。
图1B是表示图1A所示的方管的变形行为例的图。
图1C是表示图1A所示的方管的另一变形行为例的图。
图2A是表示本实施方式中的金属管的结构的立体图。
图2B是沿y方向观察图2A所示的金属管而观察到的侧视图。
图2C是沿x方向观察图2A所示的金属管而观察到的侧视图。
图3是用于说明具有均匀的强度分布的金属管的变形行为的图。
图4是用于说明具有夹着高强度部的低强度部的金属管的变形行为的图。
图5A是表示沿z方向观察图2A所示的金属管而观察到的结构的俯视图。
图5B是表示图2A所示的金属管的高强度部和低强度部的配置的变形例的图。
图6是表示金属管1的截面形状的变形例的剖视图。
图7是表示金属管的截面形状的另一变形例的剖视图。
图8是表示金属管的截面形状的又一变形例的剖视图。
图9A是表示弯曲的金属管的例子的侧视图。
图9B是表示弯曲的金属管的例子的侧视图。
图9C是表示弯曲的金属管的例子的侧视图。
图9D是表示弯曲的金属管的例子的侧视图。
图10A是表示配置于车辆的构造构件的一个例子的图。
图10B是表示具有空间框架构造的车身的车辆的一个例子的图。
图11是表示包括低强度部与高强度部的分界在内的金属管的局部的屈服强度的分布的一个例子的图。
图12A是表示模拟中的分析模型的结构的图。
图12B是表示模拟中的分析模型的结构的图。
图13是表示金属管的变形的模拟结果的图。
图14是表示弯折产生时的冲击器行程的模拟结果的图表。
图15是表示改变低强度部与高强度部的强度比并输入冲击载荷的情况下的弯曲变形的变形量的图表。
具体实施方式
发明人对将方管用作构造构件的情况下的针对冲击而言的行为进行了研究。在将方管用作构造构件的情况下，例如，如图1A所示，方管以两端部被支承着的状态构成构造物(例如车辆、建筑物或容器等)的一部分。发明人对两端部被支承着的方管的针对冲击而言的行为进行了研究，得知：在方管的长度方向上的尺寸(长度)是方管的施加冲击的方向上的尺寸的6倍程度以上的情况下，会产生因冲击导致的变形程度变大的事态。
例如，在冲击施加于两端部被支承着的方管的长度方向中央(图1A的y1)的情况下，在冲击后方管较早地弯折而变形(参照图1B)。在冲击施加于方管的长度方向中央与一个支承部之间的位置(图1A的y2)的情况下，方管也变形(参照图1C)。与冲击施加于y2的情况相比，冲击施加于方管的长度方向中央(y1)的情况下的早期弯折变形的突出程度较大。由分析的结果可知：在冲击施加于两端部被支承着的方管的长度方向中央的情况下，力矩的负载最高。
发明人进行了如下研究：通过提升方管的强度来缩小因冲击导致的方管的变形程度。不过，即使提升方管的强度，因变形导致的突出程度也没有变化。因此，发明人进一步进行了如下研究：通过改变方管的强度分布从而抑制弯折变形。
发明人对方管的材料强度和强度分布进行了深入研究，结果想到了如下结构：在方管的侧壁沿着长度方向排列配置强度比其他部分的强度低的低强度部。即，想到了在高强度部的两侧配置强度比高强度部的强度低的低强度部的结构。在该结构中，发现了如下内容：由施加到高强度部的冲击带来的载荷向低强度部传递，弯折变形被抑制。并且，进一步的反复试验的结果发现了如下内容：能够通过恰当地设定高强度部的强度、低强度部相对于高强度部的强度比以及高强度部的长度方向上的尺寸，从而有效地降低因对高强度部的冲击而导致的变形程度。基于该见解，想到了下述实施方式的方管。
[实施方式]
图2A是表示本实施方式中的金属管1的结构的立体图。图2B是沿长度方向(y方向)观察图2A所示的金属管1而观察到的侧视图。图2C是沿与长度方向垂直的方向(x方向)观察图2A所示的金属管1而观察到的侧视图。
如图2A和图2B所示，金属管1是具有四边形的截面的方管。金属管1具备：彼此相对的一对侧壁11、12；顶面部13，其与一对侧壁11、12的上端相连接；以及底部14，其与一对侧壁11、12的下端相连接。金属管1的长度LY是侧壁11、12的高度H的6倍以上即6H以上(LY≥6H)。在图2A～图2B所示的例子中，一对侧壁11、12的高度均相同(H)。在一对侧壁11、12的高度不同的情况下，将一对侧壁11、12的高度中的较高的高度设为H，并将金属管1的长度LY设为H的6倍以上。
一对侧壁11、12分别具备高强度部11A、12A和低强度部11B、11B。在一对侧壁11、12的彼此相对的部分设有高强度部11A、12A。即，一对侧壁11、12中的一个侧壁11的高强度部11A和另一个侧壁12的高强度部12A设置于彼此相对的位置。低强度部11B、12A也分别在一对侧壁11、12中设置于彼此相对的部分。即，一个侧壁11的低强度部11B和另一个侧壁12的低强度部12B设置于彼此相对的部分。
如图2C所示，彼此相对的高强度部11A、12A的金属管长度方向上的尺寸LA为(2/3)H以上且3H以下(2H/3≤LA≤3H)。高强度部11A、12A的屈服强度是500MPa(在抗拉强度的情况下是980MPa)以上。低强度部11B、12B配置于高强度部11A、12A的金属管长度方向两侧。低强度部11B、12B的屈服强度是高强度部11A、12A的屈服强度的60％～85％(60％以上且85％以下)。此外，低强度部11B、12B的抗拉强度也同样地是高强度部11A、12A的抗拉强度的60％～85％。
高强度部11A、12A形成为在金属管的长度方向上跨(2/3)H以上且3H以下的距离。在一对侧壁11、12的高度不同的情况下，将一对侧壁11、12的高度中的较高的高度设为H，并将高强度部11A、12A的金属管1的长度方向上的尺寸设为(2/3)H以上且3H以下。
将侧壁11、12的除了高强度部11A、12A和低强度部11B、12B以外的部分11C、12C，即低强度部11B、12B的外侧的部分11C、12C的屈服强度设为低强度部11B、12B的屈服强度以上。例如，低强度部11B、12B的外侧的部分11C、12C的屈服强度也可以与高强度部11A、12A的屈服强度相同。在本例中，低强度部11B、12B是屈服强度比周围的屈服强度低的部分。
如图2A～图2C所示，在支承承受冲击载荷的顶面部13的一对侧壁11、12中，通过在高强度部11A、12A的两侧配置低强度部11B、12B，从而能够使由冲击载荷导致的变形向低强度部11B、12B分散而不使该变形集中于高强度部11A、12A。上述情况能够利用如下3点的结构实现。第1，将高强度部11A、12A的屈服强度设为500MPa(在抗拉强度的情况下是980MPa)以上。第2，将低强度部11B、11B相对于高强度部11A、12A的强度比设为60％～85％。第3，将彼此相对的高强度部11A、12A的金属管1的长度方向上的尺寸LA设为(2/3)H以上且3H以下。利用上述3点，能够使由对高强度部11A、12A的冲击带来的载荷所导致的变形在早期向低强度部11B、12B分散。其结果，能够抑制由冲击导致的金属管1的弯折变形。
根据发明人的调查可知：在像金属管1那样的长度LY是6D以上的细长的金属管中，在由沿着长度方向分隔开的两个支承部进行支承的状态下，在将冲击施加于两个支承部的中央附近的情况下，在金属管的两个支承部的中央附近产生的弯矩最大。基于该见解，能够通过在两个支承部的中央附近配置高强度部11A、12A，并在高强度部11A、12A的两侧配置低强度部11B、12B，从而避免由冲击导致的金属管1的中央部的弯折。在冲击施加于金属管的靠近支承部的部位的情况下，与冲击施加于中央的情况相比，弯矩的负载较小。因此，与冲击施加于两个支承部的中央的情况相比，在将相同强度的冲击施加于比中央靠近支承部的位置的情况下不容易使金属管弯折。从该观点出发可知，金属管的两个支承部的中央附近的强度分布较为重要。与两个支承部的中央附近的强度分布相比，金属管的靠近支承部的部位的强度分布的重要度较低。
图3是用于说明具有均匀的强度分布的截面呈四边形的金属管2的变形行为的图。图4是用于说明图2A～图2C所示那样的具有低强度部11B、12B的金属管1的变形行为的图。图3和图4表示使压头沿着与金属管的长度方向垂直的方向进行碰撞的情况下的变形行为。图3和图4表示沿着与压头的碰撞方向和金属管的长度方向垂直的方向进行观察而观察到的侧面的结构。
如图3所示，在具有均匀的强度分布的金属管2中，在冲击的作用下，在弯曲变形起点P处产生的变形以在侧视时成为楔形的方式发展。其结果，金属管2以沿着弯曲方向(冲击的方向)尖锐地突出的方式弯折。根据情况的不同，有时也会在金属管2产生裂缝。
如图4所示，针对在高强度部11A的两侧具有低强度部11B(在图4中以点表示的区域)的金属管1而言，在从高强度部11A的弯曲变形起点P向内侧发展的变形到达高强度部11A与低强度部11B的分界时，变形易于沿着强度较低的横向(金属管1的长度方向)发展。因此，变形沿着长度方向扩展，弯曲方向(冲击方向)上的变形程度较小。
此外，图3和图4所示的变形行为并不限于使压头碰撞金属管的情况。例如，在沿着长度方向压缩金属管的轴力的作用下发生的弯曲变形、像3点弯曲试验那样使压头按压金属管而静态地施加与长度方向垂直的方向上的力时的弯曲变形也能成为同样的变形行为。
能够将金属管1用作构造构件。例如，也可以利用在沿着金属管1的长度方向分隔开的两个部位处被支承的金属管1形成构造构件。在该情况下，金属管1具有两个与其他构件相连结的部分即连结部。即，金属管1在连结部处支承于其他构件。也能够将连结部称为支承部。连结部设于侧壁11、12、顶面部13以及底部14中的至少一者。
在连结部处，将金属管1相对于其他构件固定。即，在连结部处，金属管1以无法相对于其他构件相对运动的状态连结于其他构件。利用例如紧固构件或焊接将金属管1的连结部与其他构件接合起来。此外，连结部也可以是3个以上。
两个连结部在金属管1的长度方向上配置于彼此分开6H以上的位置。即，将两个连结部之间的间隔设为6H以上。高强度部11A、12A和低强度部11B、12B设置于两个连结部之间。在该结构中，在冲击施加于两个连结部之间的情况下，能够减小金属管1的由变形导致的突出程度。
例如，在将金属管1用作车辆用构造构件的情况下，能够将金属管1以在沿着金属管1的长度方向分隔开的两个连结部处被支承的状态安装于车辆。此时，能够以将顶面部13配置于车辆的外侧、将底部14配置于车辆的内侧的方式将金属管1安装于车辆。由此，在金属管1受到来自车辆外部的冲击的情况下，能够减小金属管1因弯折而向车辆内部突出的程度。
在图2A～图2C所示的金属管1中，优选将高强度部11A、12A的长度方向上的尺寸LA相对于侧壁11、12的高度H设为H以上且3H以下(H≤LA≤3H)。由此，能够进一步抑制因对高强度部11A、12B的冲击而导致的变形程度。进一步优选将上述尺寸LA设为H以上且(4/3)H以下(H≤LA≤(4/3)H)。由此，能够进一步抑制因冲击导致的变形程度。
另外，优选将低强度部11B、12B的长度方向上的尺寸LB分别设为(3/5)H以上((3/5)H≤LB)。由此，能够进一步抑制因对高强度部11A的冲击而导致的变形程度。出于确保金属管1的强度的观点考虑，例如优选将低强度部11B的尺寸LB设为2H以下，更优选设为H以下。
此外，并不限定高强度部的尺寸LA和低强度部的尺寸LB相对于侧壁的高度H严格地满足上述的关系，即并不限于严格地满足((2/3)H≤LA≤3H)、优选(H≤LA≤(4/3)H)、更优选(H≤LA≤(4/3)H)、或者((3/5)H≤LB等)的情况。也包含具有视为满足上述关系的程度的误差的情况。金属管1的长度LY相对于侧壁的高度H也不限于严格地满足上述的关系(6H≤LY)的情况。能够将长度为侧壁的高度H的大约6倍左右的金属管视为具有上述关系(6D≤LY)的金属管。
另外，在图2A～图2C所示的例子中，低强度部11B与高强度部11A的分界和低强度部12B与高强度部12A的分界位于与金属管的长度方向垂直的线上。低强度部与高强度部的分界的形态并不限于此。例如，低强度部与高强度部的分界也可以不与金属管的长度方向垂直而是蜿蜒曲折。在该情况下，视为低强度部与高强度部的分界位于蜿蜒曲折的分界中的最靠近低强度部的位置与最靠近高强度部的位置的中间。
另外，优选将高强度部11A、12A配置于金属管1的长度方向中央。即，优选的是，构成为，高强度部11A、12A的至少一部分位于金属管1的长度方向中央的部分。换言之，优选将金属管1的长度方向中央部设为高强度部11A、12A。由此，能够有效地抑制金属管1的中央的弯折变形。或者，如上述那样，在将金属管1在两个连结部处与其他构件相连结的情况下，优选在两个连结部之间的中央配置高强度部11A、12A。即，优选的是，构成为，高强度部11A、12A的至少一部分位于两个连结部之间的中央的部分。由此，能够抑制金属管1的因对中央的冲击而导致的弯折。例如，在金属管1中，能够有效地抑制因冲击导致的力矩最大的中央的弯折变形。
图5A是表示从上方(顶面部13、z方向)观察图2A所示的金属管1而观察到的结构的俯视图。在图5A中，以虚线表示透视顶面部13而看到的侧壁11、12的部分。为了避免金属管1扭转而弯折的状况，也可以如图5A所示的例子那样，在一对侧壁11、12中，将彼此相对的高强度部11A、12A配置为在沿着相对方向(x方向)观察时彼此完全重叠。即，在沿着相对方向观察时，一个高强度部11A的整体与另一个高强度部12A的整体彼此重叠。也可以将一对侧壁11、12中的彼此相对的低强度部11B、12B也配置为在沿着相对方向(x方向)观察时彼此完全重叠。即，在沿着相对方向观察时，一个低强度部11B的整体和另一个低强度部12B的整体彼此重叠。
如图5A所示，优选设为如下结构：一对侧壁11、12中的一个侧壁11的强度分布与另一个侧壁12的强度分布彼此处于镜像关系。即，优选的是，一对侧壁11、12各自的高强度部11A、12A和低强度部11B、12B相对于一对侧壁11、12的中央假想面对称地配置。由此，一对侧壁11、12中的某一者先变形的可能性变得更低。
例如，在图2A～图2C、图5A所示的例子中，一对侧壁11、12的高度相同，且与顶面部13之间的角度也相同。因此，在与长度方向垂直的截面中，金属管1的截面形状以顶面部13的垂直二等分线A为轴线左右对称。另外，金属管1的强度分布也以垂直二等分线A为轴线左右对称。由此，由冲击导致的应力的偏差较小。
图5B是表示图2A所示的金属管1的高强度部11A、12A和低强度部11B、12B的配置的变形例的图。在图5B所示的例子中，在一对侧壁11、12中，将彼此相对的高强度部11A、12A配置为在沿着相对方向(x方向)观察时局部重叠。如此，也可以配置为，在沿着相对方向观察时，一个高强度部11A的至少一部分与另一个高强度部12A重叠。将一对侧壁11、12中的彼此相对的低强度部11B、12B也配置为在沿着相对方向(x方向)观察时局部重叠。如此，也可以配置为，在沿着相对方向观察时，一个低强度部11B的至少一部分与另一个低强度部12B重叠。
如图5B所示，将一对高强度部11A、12A中的在沿着相对方向观察时彼此重叠的部分的长度方向上的尺寸设为彼此相对的高强度部11A、12A的尺寸LA。同样地，将一对低强度部11B、12B中的在沿着相对方向观察时彼此重叠的部分的长度方向上的尺寸设为彼此相对的低强度部11B、12B的尺寸LB。
像这样地，在沿着相对方向观察时高强度部11A、12A的一部分彼此重叠或低强度部11B、12B的一部分彼此重叠的情况下，能够将上述的尺寸LA、LB设为彼此相对的部分的尺寸。能够使如此确定的LA、LB满足上述的关系((2/3)H≤LA≤3H、优选H≤LA≤(4/3)H、更优选(H≤LA≤(4/3)H)、或者((3/5)H≤LB等)。
在上述的图2A～图2C、图5A、图5B所示的结构中，顶面部13、一对侧壁11、12、底部14这4个板与截面的四边形的各边相对应。针对这4个板中的任一个而言，均是其两端部与相邻的板的端部连续。即，这4个板由连续的1个构件形成。例如，能够使1张板材进行变形而形成金属管1的4个板。在该情况下，使1张板材弯折而形成的四方管成为金属管1。金属管1不具有从该四方管的外周向外侧突出的构件(例如凸缘等)。
在金属管1中，在顶面部13与一对侧壁11、12之间的分界形成有棱。同样地，在底部14与一对侧壁11、12之间的分界形成有棱。即，在顶面部13、一对侧壁11、12、底部14这4个板中，在彼此相邻的两个板之间分别形成有棱。这些棱沿着长度方向延伸。如此，金属管1具有与截面的四边形的角分别相对应的棱。
换言之，金属管1具备：顶面部13；位于顶面部13的两端的两个第1棱线；底部14，其与顶面部13相对；以及位于底部14的两端的两个第2棱线。金属管1还具备位于第1棱线与第2棱线之间的两个侧壁11、12。将第1棱线的延伸方向设为金属管1的长度方向。第1棱线的延伸方向和第2棱线的延伸方向既可以相同，也可以不同。
棱用于提高金属管1的针对冲击的强度。在借助棱与作为承受冲击的面的顶面部13相连接的侧壁11、12配置有高强度部11A、12A和低强度部11B、12B。由此，能够抑制因对顶面部13的冲击而导致的金属管1的弯折变形。
图6是表示金属管1的截面形状的变形例的剖视图。在图6所示的例子中，金属管1的截面形状成为梯形。在该例子中，梯形的上底和下底并不平行。如此，侧壁11、12与底部14之间的角度，和/或，侧壁11、12与顶面部13之间的角度也可以不是90度(直角)。即，除了长方形或正方形之外，还能够将金属管1的截面形状设为梯形、平行四边形等其他任意的四边形。
在图6所示的结构中，一对侧壁11、12的高度不同。在这样的情况下，将较高的高度定义为侧壁的高度H。在此，将侧壁的与顶面部13垂直的方向上的长度定义为侧壁的高度H。即，将侧壁11、12的与一对侧壁11、12之间的面且是设想被输入冲击的面垂直的方向上的长度设为侧壁11、12的高度。侧壁的高度H的定义在其他实施例中也相同。
图7是表示金属管的截面形状的另一变形例的剖视图。如图7所示，能够在成为侧壁11、12与顶面部13的分界的角(肩部)形成弯曲部(R角、圆角)。同样地，也能够在侧壁11、12与底部14的分界的角(肩部)形成弯曲部(R角、圆角)。
在侧壁11、12与顶面部13之间的分界的角或侧壁11、12与底部14的分界的角形成有弯曲部(R角、圆角)的情况下，将弯曲部(R角、圆角)的部分视为包含于侧壁11、12从而确定上述侧壁11、12的高度H。在图7所示的例子中，将侧壁11、12与顶面部13之间的角的弯曲部(R角)和侧壁11、12与底部14之间的角的弯曲部(R角)均作为侧壁11、12的一部分从而确定侧壁11、12的高度H。
此外，虽未图示，但能够将顶面部13、侧壁11、12以及底部14中的至少1者的表面设为曲面而不是平面。即，顶面部13、侧壁11、12以及底部14中的至少1者也可以弯曲。
图8是表示金属管的截面形状的又一变形例的剖视图。在图8所示的例子中，在侧壁11、12的两端部形成有凹部(槽)。由此，在侧壁11、12与顶面部13之间的棱、侧壁11、12与底部14之间的棱形成有沿着长度方向延伸的槽。如此，也可以在侧壁11、12形成有凹部、凸部、台阶或孔(以下称为凹部等)。另外，同样地，也可以在顶面部13和/或底部14也形成有凹部等。
如图8所示，在侧壁11、12的端部形成有凹部等的情况下，将凹部也视为包含于侧壁11、12从而确定侧壁11、12的高度H。在图8所示的例子中，包含两端的凹部在内的侧壁11、12的高度成为侧壁的高度H。
在图2A～图2C所示的例子中，金属管1形成为沿着长度方向呈直线状延伸。与此相对地，金属管1也可以弯曲。例如，能够将金属管1设为以向顶面部13侧凸起的方式弯曲的形状。
图9A～图9D是表示在长度方向上弯曲的金属管1的例子的侧视图。在图9A～图9D所示的例子中，金属管1以向顶面部13侧凸起的方式弯曲。在图9A中，金属管1在整个长度方向上以恒定的曲率弯曲。在图9B和图9C中，曲率与金属管1的长度方向上的位置相应地变化。在图9D中，金属管1在长度方向上的一部分处发生弯曲。在图9A和图9D所示的例子中，金属管1以在沿着与侧壁11、12垂直的方向(x方向)观察时成为左右对称的方式弯曲。图9B、图9C以及图9D的金属管1具有弯曲的部分(弯曲部)和呈直线状延伸的部分(直线部)。在图9C所示的例子中，在直线部的长度方向两侧配置有弯曲部。即，在弯曲部之间配置有直线部。在图9D所示的例子中，在弯曲部的长度方向两侧配置有直线部。
通过如此使金属管1弯曲，从而能够使针对朝向与弯曲的凸起方向相对的方向的冲击而言的耐冲击性提高。例如，将弯曲的金属管1的两端部支承而形成的构造构件针对朝向与弯曲的凸起方向相对的方向的冲击而言具有较高的耐冲击性。
在图9A和图9D所示的例子中，侧壁11中的一对低强度部11B和一对低强度部11B之间的高强度部11A均配置于金属管1的弯曲部。在图9B和图9C所示的例子中，侧壁11中的一对低强度部11B和一对低强度部11B之间的高强度部11A均配置于金属管1的直线部。在将低强度部11B和高强度部11A配置于直线部的情况下，例如能够将高强度部11A配置于直线部的中央。由此，能够将高强度部11A配置于受到冲击时的力矩较高的部分。
[应用于车辆的应用例]
如上述那样，在将金属管1用作车辆用构造构件的情况下，能够将金属管1以在沿着金属管1的长度方向分隔开的两个连结部处被支承的状态安装于车辆。金属管1能够作为例如车身、保险杠或车门的构造构件。因此，具备金属管1的车身、保险杠或车门也包含于本发明的实施方式。
对于在两个连结部处被支承的金属管1的侧壁11而言，能够在两个连结部之间配置沿着长度方向分隔开的两个低强度部11B和两个低强度部11B之间的高强度部11A。能够在与侧壁11相对的另一个侧壁12也同样地配置高强度部12A和低强度部12B。由此，在金属管1中，能够使施加冲击的情况下的力矩较大的部分不容易弯折。其结果，能获得耐冲击性较高的构造构件。
例如，能够在距两个连结部相等距离的部分(两个连结部之间的中央)配置高强度部11A。例如，能够形成将在长度方向中央配置有高强度部11A的金属管1的两端部支承而成的构造构件。在此，两端部包括金属管1的两端及其附近的部分。
在将金属管1安装于车辆的情况下，能够以使金属管1的长度方向与车辆的外形相匹配的方式配置金属管1。即，以车辆碰撞的情况下的冲击沿着与金属管1的长度方向垂直的方向的方式安装金属管1。另外，以顶面部13配置于车辆的外侧、底部14配置于车辆的内侧的方式将金属管1安装于车辆。在该情况下，在金属管1的连结部之间的中央配置高强度部11A，在该高强度部11A的两侧配置低强度部11B。由此，在金属管1从车辆的外侧受到了冲击的情况下，金属管1向车辆的内侧突出的程度变小。因此，金属管1与车辆内的装置或人相接触的可能性更低。例如，能避免在碰撞时金属管1朝向车厢内弯折的情况。由此，安全性进一步提高。
如上述那样，金属管1也可以弯曲。在该情况下，金属管1能够以朝向车辆的外侧凸起的方式安装于车辆。在该情况下，金属管1以向车辆的外侧凸起的方式弯曲。由此，能够在从车辆的外侧受到了冲击的情况下使金属管1更不容易弯折。
能够将金属管1设为构成车身、保险杠或车门的一部分的构造构件。例如A柱、B柱、下边梁、上边梁、地板梁、前侧梁这样的构成车身的构件能够使用金属管1。或者，门防撞梁、保险杠这样的安装于车身并且相对于来自外部的冲击而言保护车辆内的装置、乘员的构件也能够使用金属管1。
图10A是表示配置于单壳体构造的车辆的构造构件的一个例子的图。在图10A所示的例子中，将A柱15、B柱16、下边梁17、上边梁18、保险杠19、前侧梁20、门防撞梁21、地板梁22以及后侧梁23作为车辆用构造构件使用。上述车辆用构造构件中的至少1者能够由上述的金属管1形成。
在保险杠19由金属管1形成的情况下，能够设为利用前侧梁20支承金属管1的两端部的结构。在该结构中，在冲击施加于保险杠19的中央的情况下，载荷的力矩成为最大。在保险杠19的左右方向中央配置高强度部11A、12A，在该高强度部11A、12A的两侧配置低强度部11B、12B。由此，能抑制对保险杠19的中央冲击所引起的弯折变形。
在门防撞梁21由金属管1形成的情况下，能够在金属管1的两端部设置支架。借助两端部的支架将金属管1安装于门框。在该情况下，也能够将高强度部11A、12A配置于金属管1的中央。即，能够在形成门防撞梁21的金属管1的作为结合部的两端部的中央配置高强度部11A、12A。由此，能够抑制受到冲击时的力矩最大的部分处的弯折变形。
金属管1不仅适用于单壳体构造的车辆，还能够适用于框架构造的车身。图10B是具有日本特开2011-37313所公开的空间框架构造的车身的车辆。空间框架构造的车身具备多个管31和将管31连结起来的接头32。管31配置于覆盖车身的表面的主体30的内部。多个管31包括沿着上下方向延伸的管、沿着前后方向延伸的管以及沿着左右方向延伸的管。多个管31中的至少一部分管31能够由上述的金属管1形成。若如此将上述的金属管1应用于构成空间框架构造的车身的管(管材)，则管不会向乘员、发动机所在的车身内侧较深地弯折，因此有效果。
作为构成车辆的构造构件的金属管1的材料，若使用抗拉强度(除了低强度部11B、12B以外的部分的抗拉强度)为780MPa以上(屈服强度400Mpa以上)的超高强度钢，则上述的效果能显著地显现出来。另外，能够通过将金属管1的除了低强度部11B、12B以外的区域的强度设为抗拉强度为980MPa以上(屈服强度为500Mpa以上)从而更加有效果。
此外，能够应用金属管1的车辆的构造构件并不限于图10A、图10B所示的汽车那样的4轮车辆，例如能够作为二轮车辆的构造构件进行使用。另外，由金属管1形成的构造构件的用途并不限于车辆用。例如能够将金属管1用作耐冲击性容器、建筑物、船舶或航空器等的构造构件。
另外，将金属管1用作构造构件的形态并不限于将金属管1的两端部连结于其他构件的形态。能够在沿着金属管1的长度方向分开6H以上的任意的两个位置处连结其他构件。即，两个连结部并不限于配置于两端，其能够配置于金属管1的任意的位置。
[制造工序]
能够由相同原材料形成金属管1的整体。金属管1能够由金属板形成。例如，能够通过将1张钢板弯折，并利用焊接等将钢板的一个端部和相对的另一个端部接合起来，从而形成具有四边形的截面的管状的构造构件(方管)。或者，也能够通过使孔沿着轴向贯通实心的棱柱从而形成金属管1。在使方管弯曲的情况下，例如能够使用压弯、拉伸弯曲、压缩弯曲、辊弯、挤压弯曲(日文：押し通し曲げ)或偏心顶头弯曲(日文：偏心プラグ曲げ)等弯曲加工方法。
金属管1的制造工序包括在原材料形成低强度部的工序。形成低强度部的方法并没有特别限定，例如能够通过以激光或高频加热等方法对材料局部地进行加热并进行淬火，从而制作出包括硬化区域的金属管1。在该情况下，没有进行淬火的区域成为强度相对较低的低强度部。另外，也能够在进行调质处理而对方管的整体进行强化之后，局部地进行退火处理而形成低强度部。
或者，能够通过一边使管状构件沿着轴向移动一边依次实施加热、弯矩施加以及冷却，从而制作在长度方向上弯曲的金属管1。在该方法中，在管状构件的外周配置感应加热线圈从而将管状构件加热成能局部地塑性变形的温度。一边使该加热部沿着管状方向移动一边使在管状构件的比感应加热线圈靠下游的位置设置的可动辊模等可动把持部件进行运动，从而施加弯矩。利用感应加热线圈与可动把持部件之间的冷却装置对上述那样被弯曲的部分进行冷却。在该工序中，例如，能够通过使加热和冷却的条件在管状构件的外周方向上不同从而在管状构件形成低强度部。
此外，金属管1的制造方法并不限于上述例子。能够使用拼焊板、其他公知的方法来形成具有低强度部的金属管1。
在上述的金属管1中，存在高强度部11A、12A的屈服强度的分布不均匀的情况。在稳定区域中，屈服强度的波动大多处于±10％以内。因而，能够将高强度部11A、12A的屈服强度的最大值Smax的90％定义为高强度部11A、12A的屈服强度SA(基准强度)(SA＝0.9Smax)。将屈服强度比0.85SA大且比0.9SA小的(SA的85％～90％)区域(过渡区域)视作高强度部11A、12A的一部分。高强度部11A、12A处的屈服强度比0.85SA(SA的85％)大。即，屈服强度比0.85SA大的区域是高强度部11A、12A。
图11是表示包括低强度部11B、12B与高强度部11A、12A的分界在内的部分的屈服强度的分布的一个例子的图。在图11中，纵轴表示屈服强度，横轴表示y方向上的位置。在图11所示的例子中，将高强度部的屈服强度的最大值Smax的90％(0.9Smax)定义为高强度部的屈服强度SA。在高强度部中，将屈服强度为0.9SA以上的区域称为稳定区域。另外，屈服强度比0.85SA大且比0.9SA小的区域是从低强度部到高强度部的稳定区域之间的过渡区域。视为过渡区域包含于高强度部。也就是说，屈服强度为0.85A的位置是低强度部与高强度部之间的分界。即，屈服强度比0.85SA大的区域成为高强度部，屈服强度为0.85SA以下的区域是低强度部。
低强度部的屈服强度为0.6SA以上且0.85SA以下(SA的60％～85％)。此外，即使在金属管1的低强度部所占据的部分中含有0.6SA以下的部分，在该部分小到能够忽视其对金属管1的变形行为的影响的程度的情况下，也将该部分视为低强度部11B、12B的一部分。
实施例
在本实施例中，通过模拟而对使压头与具有四边形的截面的金属管碰撞的情况下的金属管的变形进行了分析。图12A是表示模拟中的分析模型的结构的图。在本模拟中，分析了在将金属管10架设于两个台3的状态下，使压头(冲击器)4与金属管10的长度方向上的中央部碰撞的情况下的变形行为。
将压头4的质量设为350kg，将压头4的Y方向上的宽度WI设为160mm，将压头4的碰撞面4s的曲率半径R设为150mm，将压头4的初速度设为4m/秒。将摩擦系数设为0.1。将金属管10的截面设为边长为50mm的正方形。将金属管10的高度H设为50mm，将金属管10的板厚设为1.4mm，将金属管10的R角半径设为5mm，将金属管10的长度LY设为1000mm。将台3之间的距离LS设为400mm。
在与包括使压头4碰撞的面在内的顶面部的两端相连接的一对侧壁配置有高强度部10A以及该高强度部10A的两侧的低强度部10B。高强度部10A配置于金属管10的长度方向中央。即，金属管10是具有四边形的截面的方管。金属管10包括：彼此相对的一对侧壁；顶面部，其与一对侧壁的上端相连接；以及底部，其与一对侧壁的下端相连接。压头4与顶面部碰撞。金属管10的长度LY是侧壁的高度H的6倍以上(LY≥6H)。
图12B是表示模拟中的分析模型的其他结构的图。在图12B所示的例子中，金属管10的两端与两个台3相接合。11B所示的分析模型的模拟的结果与图12A所示的分析模型的模拟的结果相同。
将低强度部10B的屈服强度设为100kgf/mm2，将包括高强度部10A在内的其他区域的屈服强度设为120kgf/mm2(将低强度部10B相对于高强度部10A的强度比设为约0.83)，改变高强度部10A的尺寸LA和低强度部10B的尺寸LB并进行碰撞模拟。
下述表1表示根据将上述强度比设为0.83(将低强度部10B的屈服强度设为YP100kgf/mm2、将包括高强度部10A在内的其他部分的屈服强度设为YP120kgf/mm2)并改变高强度部10A的尺寸LA和金属管10的板厚t的情况下的模拟结果而获得的变形行为。在表1中，变形行为栏的Excellent表示非常的良好，Good表示良好、Poor表示不良。这些变形行为的评价是基于弯折产生时的压头的进入量进行判断而得出的。也能够将压头的进入量称为冲击器行程或压头位移。
[表1]
表1
情况 LA t[mm] 变形行为
1 O 1.4 Poor
2 2H/3 1.4 Good
3 H 1.4 Excellent
4 4H/3 1.4 Excellent
5 2H 1.4 Good
6 8H/3 1.4 Good
7 3H 1.4 Good
8 10H/3 1.4 Poor
9 4H 1.4 Poor
10 2H 1.0 Good
11(＝5) 2H 1.4 Good
12 2H 1.8 Good
图13是表示压头4的进入量为40mm时的金属管10的变形的模拟结果的图。在图13中，针对表1所示的情况1～3、5、7～9，分别示出了金属管10的变形的情形。根据图13所示的结果，在情况2、3、5、7，即2H/3≤LA≤3H的情况下，因冲击而变形的部分的范围比其他情况1、8、9的情况宽。即，在情况1、8、9的情况下，产生了弯折的部位以尖锐地突出的方式弯折的“弯折”的变形模式。在情况2、3、5、7的情况下，产生了受到了冲击的顶面部和侧壁的一部分因冲击而走形的“截面走形”的变形模式。
图14是表示表1中的情况1～12的弯折时的冲击器行程的模拟结果的图表。在图14所示的结果中，与情况1即未设置低强度部10B的情况相比，情况2～7、10～12的情况下的弯曲时的冲击器行程较大。由此可知：与未设置低强度部10B的情况相比，情况2～7、10～12的情况不容易产生弯折。另外，在情况3～7即H≤LA≤3H的情况下，弯曲时的冲击器行程比其他情况下的冲击器行程大。由此可知，情况3～7的情况尤其不容易产生弯折。而且可知，在情况3、4即H≤LA≤4H/3的情况下，突出，冲击器行程较大，因此，更不容易产生弯折。
另外，改变低强度部10B的强度与包括高强度部10A在内的其他部分的强度之间的强度比并进行了碰撞模拟。图15是表示改变低强度部10B与包括高强度部10A在内的其他部分的强度比并输入冲击载荷的情况下的弯曲变形的变形量的图表。在图15中，纵轴表示金属管10的冲击方向(z方向)上的进入量(突出量)。横轴表示低强度部10B的强度相对于高强度部10A的强度的比值(强度比＝低强度部的强度/高强度部的强度)。在图15的图表中，菱形块表示将高强度部的屈服强度设为YS120kgf/mm2的情况下的结果，四方块表示将高强度部的屈服强度设为145kgf/mm2的情况下的结果。
在强度比为0.60～0.85的区间中，进入量随着强度比的增加而减少(箭头Y1)。在该区间中，金属管10的变形模式成为截面走形。在该区间中，在低强度部10B的强度较低(强度比为0.60以下)的情况下，虽然成为截面走形的变形，但进入量较大，与强度比超过0.85的情况下的进入量大致相同。若强度比超过0.85，则进入量急剧增加(箭头Y2)。而且，若在强度比为0.85以上的基础上使强度比增加，则进入量与强度比的增加相应地变大(箭头Y3)。认为其原因在于，以强度比0.85为界，变形模式从截面走形变化成弯折。若如此使低强度部10B的强度过高(强度比较高)，则会发生弯折变形，进入量较大。根据图15的结果可确认：出于减少因冲击导致的弯曲变形的进入量的观点考虑，优选强度比为60％～85％，更优选强度比为70％～85％。
以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但上述的实施方式只是用于实施本发明的例示。因而，本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内可对上述的实施方式恰当地进行变形而实施。
本发明的金属管在广泛的领域中恰当地应用于钢管，但并不限于钢管，也能够应用于铝管等其他金属管。
附图标记说明
1、金属管；11、12、侧壁；13、顶面部；14、底部；11A、12A、高强度部；11B、12A、低强度部。

Claims (8)

1.一种金属管，其是具有四边形的截面的金属管，其中，
该金属管包括：
彼此相对的一对侧壁；
顶面部，其与所述一对侧壁的上端相连接；以及
底部，其与所述一对侧壁的下端相连接，
所述金属管的长度方向上的尺寸是所述一对侧壁的高度中的较高的一者的高度H的6倍以上，
所述一对侧壁具有：
高强度部，其在所述金属管的长度方向上跨(2/3)H以上且3H以下的距离地形成于所述一对侧壁的彼此相对的部分，屈服强度为500MPa以上；以及
低强度部，其配置于所述高强度部的所述金属管的长度方向两侧，屈服强度为所述高强度部的屈服强度的60％～85％，
所述低强度部的所述金属管的长度方向上的尺寸分别为(3/5)H以上。
2.根据权利要求1所述的金属管，其中，
所述高强度部配置于所述金属管的长度方向中央。
3.根据权利要求1或2所述的金属管，其中，
该金属管以向所述顶面部侧凸起的方式弯曲。
4.一种车辆用构造构件，其是由具有四边形的截面的金属管形成并且用于安装于车辆的车辆用构造构件，其中，
该车辆用构造构件包括：
彼此相对的一对侧壁；
顶面部，其与所述一对侧壁的上端相连接，配置于所述车辆的外侧；以及
底部，其与所述一对侧壁的下端相连接，配置于所述车辆的内侧，
所述侧壁、顶面部以及所述底部中的至少1者具有连结部，该连结部用于在沿着所述金属管的长度方向分开所述一对侧壁的高度中的较高的一者的高度H的6倍以上的距离的两个部位处与其他构件相连结，
所述一对侧壁包括：
高强度部，其在所述连结部之间，在所述金属管的长度方向上跨(2/3)H以上且3H以下的距离地形成于所述一对侧壁的彼此相对的部分，屈服强度为500MPa以上；以及
低强度部，其在所述连结部之间配置于所述高强度部的所述金属管的长度方向两侧，屈服强度为所述高强度部的屈服强度的60％～85％，
所述金属管的所述低强度部的所述金属管的长度方向上的尺寸为(3/5)H以上。
5.根据权利要求4所述的车辆用构造构件，其中，
所述金属管的所述高强度部配置于两个所述连结部之间的中央。
6.根据权利要求4或5所述的车辆用构造构件，其中，
所述金属管以向所述顶面部侧凸起的方式弯曲。
7.根据权利要求4或5所述的车辆用构造构件，其中，
所述车辆用构造构件构成所述车辆的车身，所述车身是空间框架构造。
8.根据权利要求6所述的车辆用构造构件，其中，
所述车辆用构造构件构成所述车辆的车身，所述车身是空间框架构造。
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