CN114450151A - 盖板构造 - Google Patents
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Abstract
一种盖板构造，其具备金属制的盖板和与盖板接合的由含有连续纤维的多个FRP层构成的加强构件，多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，在多个FRP层中，至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，在多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，将作为盖板的长边的长度方向的长边方向定义为90°方向，并且将与90°方向正交的方向定义为0°方向，对于与盖板接合的加强构件的各FRP层的纤维方向，在使用三角函数分别计算90°方向分量和0°方向分量的情况下，满足式(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种在金属制的盖板接合有由多个FRP层构成的加强构件而成的盖板构造。
背景技术
作为金属制盖板的一个例子，例如具有汽车的底板那样的作为整体呈平面状的盖板。在汽车开发中，为了实现以燃料消耗性能提高为目的的轻量化，一直在推进作为盖板的原材料而使用的钢板的薄壁化。另一方面，由于钢板的薄壁化使盖板的抗变形刚度(日文：張り剛性)降低，因此为了确保充分的抗变形刚度而要求加强盖板。
作为加强盖板的构造，在专利文献1中公开了在金属板上粘贴FRP(纤维增强树脂)片的盖板构造。在专利文献1的盖板构造中，通过适当变更FRP片的形状来提高盖板变形时的复原性能。在专利文献2中公开了在盖板面积的1％～30％的范围内粘接CFRP，使按压盖板的中心时的载荷向粘接有CFRP的一侧的盖板的缘部分散。在专利文献3中公开了利用CFRP制的加强材料加强金属制的中空框架的壁部的汽车的车身构造。在专利文献4中公开了一种盖板构造，在汽车的门等中，该盖板构造在FRP制的加强树脂层的下方设置宽度比FRP制的加强树脂层窄的发泡聚乙烯等加强筋形成材料，比该加强筋形成材料的宽度宽的加强构件的下摆部的下表面粘接于盖板。在专利文献5中公开了一种将具有凸状的粘接加工部的碳纤维单向材料或碳纤维交叉织物等加强构件粘接于主构造材料而成的构造用构件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-253371号公报
专利文献2：日本特开2018-016171号公报
专利文献3：日本特开2015-160524号公报
专利文献4：日本特开昭57-151357号公报
专利文献5：日本特开2009-166408号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1中公开了各种各样的FRP片的形状，但为了得到加强效果而对FRP片赋予形状会显著地增加FRP片的制造工序，导致生产率的降低。因此，期望通过其他方法加强盖板。专利文献2的盖板构造仅使按压盖板的中心的情况下的载荷分散，难以从根本上提高抗变形刚度。专利文献3的加强构造是中空框架的加强，与盖板构造的加强不同。在专利文献4的构造中，由于仅对盖板的局部进行加强，因此对于抗变形刚度的提高具有极限，存在若对盖板的整个面进行加强则整体的重量变大的问题。而且，还存在在加强侧的盖板的内部空间受到制约等情况下无法应用本构造等问题。在专利文献5的构造中，由于凸状的加强构件粘贴于主构造材料，因此存在在内部空间受到制约等情况下无法应用等问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的发明，其目的在于提供一种不使用交叉织物而能够提高抗变形刚度的盖板构造。
用于解决问题的方案
解决上述问题的本发明的一个技术方案是盖板构造，其特征在于，该盖板构造具备：金属制的盖板；以及加强构件，其与所述盖板接合，并且由含有连续纤维的多个FRP层构成，所述多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，在所述多个FRP层中，至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，在所述多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，将作为所述盖板的长边的长度方向的长边方向定义为90°方向，并且将与所述90°方向正交的方向定义为0°方向，对于与所述盖板接合的所述加强构件的各FRP层的纤维方向，在使用三角函数分别计算90°方向分量和0°方向分量的情况下，满足下述式(1)，
0.38×K≤(A×4+B)/(C+D) (1)
A：处于所述加强构件的板厚中心的外侧的所述FRP层的所述0°方向分量；
B：处于所述加强构件的板厚中心的内侧的所述FRP层的所述0°方向分量；
C：所述多个FRP层的全部层的所述0°方向分量；
D：所述多个FRP层的全部层的所述90°方向分量；
K：所述盖板的长边长度/所述盖板的短边长度。
也可以是，在所述盖板的周缘部配置有金属制的中空框架。也可以是，在所述盖板的70％以上的面积接合有所述加强构件。也可以是，所述加强构件与所述盖板的整个面接合。也可以是，所述加强构件的板厚是所述盖板的板厚的2.0倍以上。
也可以是，所述盖板是汽车的底板，所述加强构件与所述底板的下表面接合。也可以是，所述盖板是汽车的发动机罩或顶板，所述加强构件与所述盖板的下表面接合。也可以是，所述盖板是汽车的挡泥板、门外板或侧外板，所述加强构件与所述盖板的车内侧的面接合。
也可以是，所述盖板是440MPa以上的钢板。也可以是，所述FRP是CFRP。也可以是，所述FRP是GFRP。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种不使用交叉织物而能够提高抗变形刚度的盖板构造。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的盖板构造的概略结构的立体图。
图2是从背面观察图1的盖板构造的立体图。
图3是表示汽车的车身构造例的图。
图4是图1的盖板构造的俯视图。
图5是表示盖板与构造构件的接合方式的一个例子的相当于图4的A-A截面的图。
图6是表示盖板与构造构件的接合方式的一个例子的相当于图4的A-A截面的图。
图7是表示盖板与构造构件的接合方式的一个例子的相当于图4的A-A截面的图。
图8是用于说明盖板构造的短边方向和长边方向的图。
图9是用于说明本实施方式的加强构件的层构造的图。
图10是用于说明纤维方向的0°方向分量和90°方向分量的计算方法的图。
图11是用于说明纤维方向的0°方向分量和90°方向分量的计算方法的图。
图12是表示本实施方式的加强构件的层构造的一个例子的图。
图13是表示盖板与加强构件的接合例的图。
图14是用于说明抗变形刚度的评价方法的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。此外，在本说明书和附图中，对具有实质上相同的功能结构的要素标注相同的附图标记而省略重复说明。
如图1和图2所示，本实施方式的盖板构造1具备金属制的盖板2和与盖板2接合的由含有连续纤维的多个FRP层构成的加强构件3。金属制的盖板2的原材料没有特别限定，例如使用钢板、铝合金板、镁合金板等。在提高抗变形刚度和抗凹坑性的观点方面，盖板2优选由440MPa以上的钢板形成。此外，在本说明书中的“盖板”中除了包括盖板整个面是平坦的形状的构件以外，还包括在局部具有凹凸但作为整体呈平坦的形状的构件、或在局部具有凹凸、平面部但作为整体呈曲面状的构件。作为盖板2的一个例子，是像图3那样的汽车的底板、发动机罩、顶板、挡泥板、门外板或侧外板等部件。另外，盖板2不限定于汽车部件，也可以是其他板状的构件。
如图4所示，本实施方式的盖板2是具有长边和短边的大致矩形形状，通过与配置于周围的构造构件4接合，盖板2的周缘部被构造构件4约束。此外，盖板2与构造构件4的接合方式没有特别限定。例如，在如图5所示构造构件4由帽状的内部构件40和帽状的外部构件41构成的情况下，盖板2的端部可以通过点焊等与内部构件40的纵壁部40a接合。或者，也可以如图6所示，实施了凸缘加工的盖板2的端部通过点焊等与帽状的内部构件40的顶面部40b接合。或者，也可以如图7所示，在帽状的构造构件4的两个凸缘部40c位于盖板2上的状态下，凸缘部40c与盖板2通过点焊等接合。在图5～图7所示的例子中的任一情况下是盖板2的周缘部被构造构件4约束的状态。此外，构造构件4对盖板2的约束方法不限定于上述那样的利用焊接的接合方法。
另外，本说明书中的“构造构件”是相对于从盖板2的面外方向的输入而言不易变形的刚度较大的构件。构造构件4只要约束盖板2的四周即可，无需特别限定。从盖板构造1的轻量化的观点出发，构造构件4无需是实心构件，优选为图5～图7那样的金属制的中空框架(用金属制的板包围构造构件的与长边方向垂直的截面的周围而成的中空构件)。不需要特别限定中空框架的金属制的板的厚度，但构成中空框架的金属制的板的厚度例如可以设为盖板2的厚度的0.4～2.5倍左右。不需要特别限定中空框架的直径(最大外径)，但例如在汽车用构件中为40mm～180mm左右的情况较多。构造构件4优选像本实施方式那样配置于整个盖板2的周围，但是构造构件4也可以仅配置于盖板2的周围的局部。不过，即使在该情况下，也优选在盖板2的周长的80％以上的区域配置构造构件4。更优选的是，构造构件4配置于盖板2的周长的90％以上的区域，进一步优选配置于95％以上的区域。另外，例如在盖板2是汽车的底板的情况下，构造构件4相当于下边梁、横梁等构件。
在此，在本说明书中，将沿图4的纸面纵向延伸的构造构件4称为第1构造构件4a、4b，将沿图4的纸面横向延伸的构造构件4称为第2构造构件4c、4d。第1构造构件4a、4b和第2构造构件4c、4d沿相互垂直的方向延伸，第1构造构件4a、4b与第2构造构件4c、4d相互接合。在图4所示的例子中，第1构造构件4a、4b比第2构造构件4c、4d长，盖板2通过与相对的一对第1构造构件4a、4b和相对的一对第2构造构件4c、4d接合而被约束。在本说明书中，将作为盖板2的长边的长度方向的长边方向定义为“90°方向”，将作为与90°方向正交的方向的短边方向定义为“0°方向”。
另外，例如如图8所示，在相对的一对第2构造构件4c、4d之间还设有另外的第2构造构件4e的情况下，在本说明书中视为盖板构造1排列地配置。即，视为具备由第1构造构件4f、4g和第2构造构件4c、4e包围的盖板2的盖板构造1和具备由第1构造构件4h、4i和第2构造构件4d、4e包围的盖板2的盖板构造1排列地配置。因此，由构造构件4约束的盖板2的短边方向成为图8的纸面纵向，长边方向成为图8的纸面横向。即，在图8所示的例子中，纸面纵向是0°方向，纸面横向是90°方向。像这样，在定义0°方向时，以由构造构件4包围的最小区域的盖板2为基准来定义0°方向。
此外，在处于盖板2与构造构件4接合的状态的盖板构造1中，通常确定作为盖板构造1的用途。因此，在使用组装有盖板构造1的产品时，在盖板2的两个平面2a、2b(图1、图2)中，能够指定被从面外方向输入载荷的频率较高的一侧的面。例如在盖板2是汽车的底板的情况下，盖板2的上表面(车内侧的面)比盖板2的下表面(车外侧的面)被从面外方向输入载荷的频率高。在本说明书中，在盖板2的两个平面2a、2b中，将像上述那样的被从面外方向输入载荷的频率较高的一侧的面称为“载荷输入侧的面2a”。从有效地提高抗变形刚度的观点出发优选的是，加强构件3接合于与载荷输入侧相反的一侧的面2b。在盖板2例如是汽车的底板的情况下，像前述那样，载荷输入侧的面2a是盖板2的上表面(车内侧的面)，因此优选的是加强构件3与盖板2的下表面(车外侧的面)接合。在盖板2例如是汽车的发动机罩或顶板的情况下，载荷输入侧的面2a是盖板的上表面(车外侧的面)，因此优选的是加强构件3与盖板2的下表面(车内侧的面)接合。在盖板2例如是汽车的挡泥板、门外板或侧外板的情况下，载荷输入侧的面2a是盖板2的车外侧的面，因此优选的是加强构件3与盖板2的车内侧的面接合。
本实施方式的加强构件3接合于盖板2的与载荷输入侧的面2a相反的一侧的面2b。加强构件3相对于盖板2的接合方法没有特别限定，例如使用粘接剂来接合。在有效地提高盖板构造1的抗变形刚度的观点方面优选的是，加强构件3的板厚即多个FRP层的合计板厚为盖板2的板厚的2.0倍以上。更优选的是，加强构件3的板厚为盖板2的板厚的2.5倍以上，进一步优选为3.0倍以上。从所要求的盖板构造1的抗变形刚度和重量等观点出发适当设定加强构件3的板厚的上限，优选的是加强构件的板厚为盖板2的板厚的10.0倍以下，更优选为7.5倍以下，进一步优选为5.0倍以下。
(加强构件的例子)
能够用于加强构件(也称为FRP构件)的FRP是指由基质树脂和在该基质树脂中含有并且复合化的增强纤维材料构成的纤维增强树脂。
作为增强纤维材料，例如能够使用碳纤维、玻璃纤维。除此以外，作为增强纤维材料，还能够使用硼纤维、碳化硅纤维、芳香族聚酰胺纤维等。在用于FRP构件的FRP中，作为成为增强纤维材料的基材的增强纤维基材，例如能够使用单向增强纤维基材(UD材料)等。这些增强纤维基材能够根据增强纤维材料的取向性的需要来适当选择。
CFRP是使用碳纤维作为增强纤维材料的FRP。作为碳纤维，例如能够使用PAN类或沥青类的碳纤维。CFRP的碳纤维优选为弹性模量较高的沥青类碳纤维。采用沥青类碳纤维的加强构件3，能够得到更高的反作用力，从而能够提高抗变形刚度。
GFRP是使用玻璃纤维作为增强纤维材料的FRP。虽然机械特性比碳纤维差，但能够抑制金属构件的电蚀。
作为用于FRP的基质树脂，热固性树脂和热塑性树脂均能够使用。作为热固性树脂，可列举出环氧树脂、不饱和聚酯树脂以及乙烯酯树脂等。作为热塑性树脂，可列举出聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯等)及其酸改性物、尼龙6及尼龙66等聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚对苯二甲酸丁二醇酯等热塑性芳香族聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚苯醚及其改性物、聚芳酯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚氯乙烯、聚苯乙烯等苯乙烯类树脂以及苯氧基树脂等。此外，基质树脂也可以由多种树脂材料形成。
当考虑对金属构件的应用时，从加工性、生产率的观点出发，优选使用热塑性树脂作为基质树脂。而且，通过使用苯氧基树脂作为基质树脂，能够提高增强纤维材料的密度。另外，苯氧基树脂由于分子结构与作为热固性树脂的环氧树脂非常相似，因此具有与环氧树脂相同程度的耐热性。另外，通过进一步添加固化成分，还能够应用于高温环境。在添加了固化成分的情况下，其添加量考虑对增强纤维材料的浸渗性、FRP的脆性、生产节拍时间以及加工性等适当确定即可。
<粘接树脂层>
在加强构件由FRP构件等形成的情况下，也可以在FRP构件与金属构件(在图1的例子中为盖板2)之间设有粘接树脂层(省略图示)，利用该粘接树脂层将FRP构件与金属构件接合。
形成粘接树脂层的粘接树脂组合物的种类没有特别限定。例如，粘接树脂组合物可以是热固性树脂和热塑性树脂中的任一者。热固性树脂和热塑性树脂的种类没有特别限定。例如，作为热塑性树脂，能够使用从聚烯烃及其酸改性物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、AS树脂、ABS树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等热塑性芳香族聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚苯醚及其改性物、聚苯硫醚、聚甲醛、聚芳酯、聚醚酮、聚醚醚酮以及聚醚酮酮等中选择的一种以上树脂。另外，作为热固性树脂，例如能够使用从环氧树脂、乙烯酯树脂、酚醛树脂以及聚氨酯树脂中选择的一种以上树脂。
粘接树脂组合物能够根据构成FRP构件的基质树脂的特性、加强构件的特性或金属构件的特性而适当选择。例如，通过使用具有有极性的官能团的树脂、实施了酸改性等的树脂作为粘接树脂层，使得粘接性提高。
这样，通过使用上述的粘接树脂层将FRP构件粘接于金属构件，能够提高FRP构件与金属构件的密合性。这样，能够提高向金属构件输入载荷时的FRP构件的变形追随性。在该情况下，能够更可靠地发挥FRP构件对于金属构件的变形体的效果。
此外，为了形成粘接树脂层而使用的粘接树脂组合物的形式能够设为例如粉末、清漆等液体、膜等固体。
另外也可以是，在粘接树脂组合物中混合交联固化性树脂和交联剂，从而形成交联性粘接树脂组合物。由此粘接树脂组合物的耐热性提高，因此能够在高温环境下应用。作为交联固化性树脂，例如能够使用双官能性以上的环氧树脂、结晶性环氧树脂。另外，作为交联剂，能够使用胺、酸酐等。另外，在不损害粘接树脂组合物的粘接性、物理性质的范围内，也可以在粘接树脂组合物中混合各种橡胶、无机填料、溶剂等其他添加物。
FRP构件向金属构件的复合化利用各种方法来实现。例如，通过利用上述的粘接树脂组合物将成为FRP构件的FRP或作为其前体的FRP成形用预浸料与金属构件粘接，并且使该粘接树脂组合物固化(或硬化)而得到。在该情况下，例如通过进行加热压接，能够使FRP构件与金属构件复合化。
上述的FRP或者FRP成形用预浸料向金属构件的粘接能够在部件成形前、成形中或者成形后进行。例如，可以在将作为被加工材料的金属材料成形为金属构件之后，将FRP或者FRP成形用预浸料粘接于该金属构件。另外，也可以在通过加热压接将FRP或者FRP成形用预浸料粘接于被加工材料之后，对粘接有FRP构件的该被加工材料进行成形而得到复合化的金属构件。若FRP构件的基质树脂是热塑性树脂，则也能够对粘接有FRP构件的部分进行弯曲加工等成形。另外，在FRP构件的基质树脂是热塑性树脂的情况下，也可以进行加热压接工序和成形工序成为一体的复合一次成形。
此外，FRP构件与金属构件的接合方法不限于上述的利用粘接树脂层的粘接。例如，FRP构件与金属构件也可以机械性地接合。更具体来说，也可以是，在FRP构件与金属构件各自对应的位置形成有紧固用的孔，通过利用螺栓、铆钉等紧固手段经由该孔将它们紧固，从而将FRP构件与金属构件接合。此外也可以利用公知的接合手段将FRP构件与金属构件接合。另外，也可以利用多种接合手段将FRP构件与金属构件复合地接合。例如，也可以复合地使用利用粘接树脂层的粘接和利用紧固手段的紧固。
<金属构件及其表面处理>
本发明的金属构件可以是热轧钢板、冷轧钢板，但也可以对这些钢板进行镀敷。由此耐腐蚀性提高。特别在金属构件是钢材的情况下更适宜。镀敷的种类没有特别限定，能够使用公知的镀敷。例如，作为镀敷钢板(钢材)，能够使用热浸镀锌钢板、合金化热浸镀锌钢板、镀Zn-Al-Mg类合金钢板、镀铝钢板、电镀锌钢板、电镀Zn-Ni类合金钢板等。不需要特别限定金属构件的板厚，例如在汽车用构件中，0.60mm～3.2mm左右的情况较多。
另外，也可以在金属构件的表面覆盖被称为化学转化处理的皮膜。由此，耐腐蚀性进一步提高。作为化学转化处理，能够使用一般公知的化学转化处理。例如，作为化学转化处理，能够使用磷酸锌处理、铬酸盐处理、无铬酸盐处理等。另外，上述皮膜可以是公知的树脂皮膜。
另外，金属构件也可以是实施了一般公知的涂装的构件。由此耐腐蚀性进一步提高。作为涂装，能够使用公知的树脂。例如作为涂装，能够使用环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂或氟类树脂等作为主树脂的材料。另外在涂装中，也可以根据需要添加一般公知的颜料。另外，涂装也可以是未添加颜料的透明涂装。该涂装可以在将FRP构件复合化之前预先对金属构件实施，也可以在将FRP构件复合化之后对金属构件实施。另外，也可以在预先对金属构件实施了涂装后，将FRP构件复合化，之后进一步实施涂装。用于涂装的涂料可以是溶剂类涂料、水类涂料或粉末涂料等。作为涂装的施工方法，可应用一般公知的方法。例如，作为涂装的施工方法，可使用电沉积涂装、喷涂涂装、静电涂装或浸渍涂装等。电沉积涂装适合覆盖金属构件的端面、间隙部，因此涂装后的耐腐蚀性优异。另外，通过在涂装前对金属构件的表面实施磷酸锌处理、氧化锆处理等一般公知的化学转化处理，使得涂膜密合性提高。
(多个FRP层)
(各FRP层分别为一个纤维方向)
(纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上)
图9是用于说明加强构件3的层构造的图。构成加强构件3的多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向。在图9所示的例子中，FRP成为六层构造，在多个FRP层中的靠近盖板2的面2b的四层中，连续纤维沿0°方向取向，在剩余的两层中，连续纤维沿90°方向取向。此外，在本说明书中，将连续纤维沿一个特定方向取向的层称为“取向层”。例如将纤维沿0°方向取向的层称为0°取向层，将沿90°方向取向的层称为90°取向层。即，图9所示的加强构件3具有四个0°取向层3a和两个90°取向层。
此外，在“θ°取向层”中也包括由沿θ±5°取向的连续纤维构成的取向层。例如“0°取向层”不仅包括连续纤维的纤维方向严格地表示0°方向的FRP层，还包括包含相对于0°方向沿-5°～5°取向的连续纤维的取向层。取向层的纤维方向能够通过使用微焦X射线CT(X-ray Computed Tomography)对纤维增强树脂构件进行观察、分析来确定。构成加强构件3的层的总数没有特别限定，可根据盖板2的形状、所要求的抗变形刚度等适当变更。另外，加强构件3的尺寸、FRP的各层的板厚以及加强构件3相对于盖板2的接合位置等也没有特别限定，可根据盖板2的形状、所要求的抗变形刚度等适当变更。
另外，本申请的发明人等对将专利文献5的碳纤维交叉织物等那样的在FRP的一层内织入两个以上方向的纤维的原材料粘贴于盖板而成的盖板构造的抗变形刚度进行了评价，结果是抗变形刚度的提高效果小。其理由尚不明确，但认为有可能是交叉织物受到了纤维起伏的影响。本发明是基于该评价结果对不使用交叉织物而将一个纤维方向的FRP层层叠来提高抗变形刚度进行研究而得到的。因此，本发明的加强构件由多个FRP层构成，并且多个FRP层的各FRP层分别具有一个纤维方向。
根据本申请的发明人等的研究，判明了即使各个FRP层的纤维方向为一个方向，在多个FRP层的纤维方向全部为相同方向(例如全部FRP层的纤维方向为长边方向，也就是说全部FRP层为90°取向层)的情况下，如后所述，抗变形刚度的提高效果也较小。根据该见解，发明人等发现，为了提高抗变形刚度，不将多个FRP层的纤维方向对齐为一个方向较佳，存在纤维方向的角度差为30°以上的FRP层并且纤维方向的角度差相差30°以上的FRP层的比例为全部FRP层的15％以上较佳。纤维方向不同的FRP层中的“纤维方向的角度差为30°以上的FRP层在全部层中所占的比例”的值根据在多个纤维方向中作为基准的纤维方向而变化，但在本说明书中，分别计算以各个纤维方向为基准的情况下的上述比例，使用最低的比例值。例如，在后述的实施例中的情形a11中，以90°方向为基准的情况下的角度差成为30％以上的FRP层在全部层中所占的比例成为67％(4层/6层＝0.67)，以0°方向为基准的情况下的该比例成为33％(2层/6层＝0.33)。因而，该情况下的最低的比例值是33％，因此纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例是全部层的33％。此外，虽然在各FRP层的厚度和FRP纤维的密度大致相同的情况下利用上述方法进行计算，但在各层的厚度、密度不同的情况下，将各层的厚度和密度作为权重来计算该比例。
FRP层的角度差更大是优选的，优选为40°以上、50°以上或者60°以上。角度差的上限当然是90°。预定的角度差以上的纤维方向的FRP层在全部层中所占的比例更大是优选的，优选为20％以上、25％以上或者30％以上。但是，该比例的上限为50％。
盖板构造1如上所述地构成。在图1那样的盖板2的情况下，若向盖板2的载荷输入侧的面2a输入来自面外方向的载荷F，则在载荷输入位置的周围产生大致圆形形状的应变。本发明的发明人发现，在这样的情况下，若是接合有以下所述的加强构件3的盖板构造1，则有效地提高抗变形刚度：在该加强构件3中，多个FRP层中的至少一层具有与其他层不同的纤维方向，纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上，并且加强构件3满足下述式(1)。
0.38×K≤(A×4+B)/(C+D) (1)
A：处于加强构件3的板厚中心的外侧的FRP层的0°方向分量；
B：处于加强构件3的板厚中心的内侧的FRP层的0°方向分量；
C：多个FRP层的全部层的0°方向分量；
D：多个FRP层的全部层的90°方向分量；
K：盖板2的长边长度/盖板2的短边长度。
(0°方向分量和90°方向分量的计算方法)
在本说明书中，如下所述地计算0°方向分量(与盖板2的短边方向平行的分量)和90°方向分量(与盖板2的长边方向平行的分量)。在此示出在构成接合于盖板的加强构件的FRP的全部层中包含两种纤维方向的例子。图10表示具有与0°方向所成的角(锐角)为θ1的第1纤维方向的FRP层，图11表示具有与0°方向所成的角(锐角)为θ2的第2纤维方向的FRP层。第1纤维方向与第2纤维方向是互不相同的方向。本说明书中的“0°方向分量”是，关于FRP层的纤维方向，通过使用三角函数分量分解为0°方向分量(即，cosθ1或者cosθ2)和90°方向分量(即，cos(90°-θ1)＝sinθ1或者cos(90°-θ2)＝sinθ2)而计算出的0°方向分量的绝对值。另外，本说明书中的“90°方向分量”是，关于FRP层的纤维方向，通过使用三角函数分量分解为0°方向分量和90°方向分量而计算出的90°方向分量的绝对值。
在计算上述式(1)的全部层中的0°方向分量(式(1)的“C”)和全部层中的90°方向分量(式(1)的“D”)时，首先，对于具有第1纤维方向的FRP层，对角θ1进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。此时，若存在具有第1纤维方向的其他FRP层，则对于该层也同样地对角θ1进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。接着，对于具有第2纤维方向的FRP层，对角θ2进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。此时，若存在具有第2纤维方向的其他FRP层，则对该层也同样地对角θ2进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。如此，通过在对各层计算了0°方向分量和90°方向分量之后，对各层的0°方向分量进行合计，从而计算式(1)中的全部层的0°方向分量(式(1)的“C”)。同样地，通过对各层的90°方向分量进行合计，从而计算式(1)中的全部层的90°方向分量(式(1)的“D”)。
例如在图10中，在角θ1为30°的情况下，cos30°的绝对值为0°方向分量，sin30°的绝对值为90°方向分量。即，关于角θ1为30°的情况下的第1纤维方向的0°方向分量约为0.866，90°方向分量为0.5。另外，在图11中，在角θ2为-60°的情况下，cos-60°的绝对值为0°方向分量，sin-60°的绝对值为90°方向分量。即，关于角θ2为-60°的情况下的第2纤维方向的0°方向分量为0.5，90°方向分量约为0.866。在图10和图11中，在具有第1纤维方向的层为四层且具有第2纤维方向的层为两层的情况下，全部层中的0°方向分量约为4.46(0.866×4+0.5×2)，全部层中的90°方向分量约为3.73(0.5×4+0.866×2)。如此计算出0°方向分量的合计值和90°方向分量的合计值。此外，纤维方向为0°方向的情况下的0°方向分量的值为cos0°即1，90°方向分量的值为sin0°即0。另外，纤维方向为90°方向的情况下的0°方向分量的值为cos90°即0，90°方向分量的值为sin90°即1。
另外，虽然在各FRP层的厚度和FRP纤维的密度为大致相同的厚度的情况下利用上述方法进行计算，但在各层的厚度、密度不同的情况下，将各层的厚度和密度作为权重计算该比例。例如，在将n层FRP中的从接合侧起第k层的0°方向分量的值设为xk并将该层的厚度设为tk的情况下，全部层中的0°方向分量的合计值为x1×t1+…+xn×tn。90°方向分量的合计值也同样地得到。
在本说明书中，相对于加强构件3的板厚(即，各层的合计板厚)的中心TC，将位于与盖板2的接合侧的FRP层称为“处于板厚中心TC的内侧的层”，将位于与该接合侧相反的一侧的FRP层称为“处于板厚中心TC的外侧的层”。例如在图9的加强构件3中，若各FRP层的板厚全部相等，则具有六层的FRP层中的下侧的三层是处于加强构件3的板厚中心TC的外侧的层，具有六层的FRP中的上侧的三层是处于加强构件3的板厚中心的内侧的层。因而，在图9的例子的情况下，式(1)中的处于加强构件3的板厚中心的外侧的FRP层的0°方向分量(式(1)的“A”)是具有六层的FRP层中的下侧的三层的0°方向分量的合计值，式(1)中的处于加强构件3的板厚中心的内侧的FRP层的0°方向分量的(式(1)的“B”)是具有六层的FRP层中的上侧的三层的0°方向分量的合计值。
式(1)的“K”是盖板2的长边长度与盖板2的短边长度之比。式(1)的“K”是表示盖板2是怎样的形状的指标，因此在以下的说明中将式(1)的“K”称为形状指数K。在本实施方式的情况下，形状指数K中的“长边长度”是指约束盖板2的一对短边的构造构件间的距离，“短边长度”是指约束盖板2的一对长边的构造构件间的距离。为了提高盖板构造1的抗变形刚度，重要的是限定各FRP层中的纤维方向，但FRP的纤维方向对盖板构造1的抗变形刚度造成的影响根据盖板2的形状而不同。换言之，根据盖板2的形状，FRP的纤维方向对抗变形刚度的贡献度不同。因而，为了提高盖板构造1的抗变形刚度，重要的是在也将盖板2的形状考虑在内的基础上限定FRP的纤维方向。
满足该要求的条件是式(1)。如后述的实施例所示，采用具备以下所述的加强构件3的盖板构造1，能够提高抗变形刚度：在该加强构件3中，多个FRP层中的至少一层具有与其他层不同的纤维方向，纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上，并且加强构件3满足式(1)。
此外，虽然在本实施方式的说明中纤维方向是两个方向，但也可以是三个方向以上。例如图12所示的加强构件3从盖板2的面2b起依次具有90°取向层3b、45°取向层3c、-45°取向层3d、0°取向层3a、90°取向层3b、0°取向层3a。在这样的情况下，通过将多个FRP层中的至少一层具有与其他层不同的纤维方向且纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上并且满足式(1)的加强构件3接合于盖板2，也能够提高盖板构造1的抗变形刚度。
另外，虽然加强构件3接合于盖板2的面2a也得到抗变形刚度的提高效果，但优选的是加强构件3接合于与面2a相反的一侧的面2b。例如在盖板2是汽车的底板等部件的情况下，向盖板2的上表面输入来自面外方向的载荷F，因此在盖板2的更靠下表面侧的位置拉伸应力较大，但若在盖板2的下表面接合加强构件3，则能够有效地对拉伸应力的产生部进行加强。由此，更易于得到盖板2的抗变形刚度的提高效果。
另外，优选如图13所示，加强构件3接合于盖板2的整个面。例如，即使在加强构件3相对于盖板2局部地接合的情况下，也能够局部地提高抗变形刚度。但是，通过在盖板2的整个面接合有加强构件，无论向盖板2的哪个位置输入载荷，都能够得到由加强构件3产生的加固效果。即使在加强构件3不接合于盖板2的整个面的情况下，也优选接合于盖板2的70％以上的面积。更优选为盖板2的80％以上的面积，进一步优选为90％以上。
另外，在满足式(1)的加强构件3例如是与前述的专利文献1的FRP片相同的形状的情况下，所发挥的加固效果比专利文献1的FRP片的加固效果大。即，在能够以与专利文献1的加固效果等同的加固效果满足与抗变形刚度相关的产品规格的情况下，例如也能够减薄加强构件3的板厚而谋求盖板构造1的轻量化。因此，在加强构件3接合于盖板2的整个面的情况下，与以往的多个FRP片与整个盖板接合的情况相比，能够谋求盖板构件的轻量化，并且确保充分的抗变形刚度。
以上对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明不限定于该例。可明确的是，只要是本领域技术人员，就能够在权利要求书所记载的技术思想的范畴内想到各种变更例或者修改例，应了解这些当然也属于本发明的保护范围。
实施例
利用图14所示的方法对盖板构造1的抗变形刚度进行了评价。详细地说明，对于在盖板2的与载荷输入侧的面2a相反的一侧的面2b接合有加强构件3的盖板构造1，通过在盖板2的周缘部被约束的状态下，向盖板2的面2a的中央部压入R50的半球状的压头10，来评价抗变形刚度。抗变形刚度根据将压头10压入2mm时所需的载荷(以下记为“2mm行程时载荷”)的大小来评价，越是2mm行程时载荷大的盖板构造1，则越是抗变形刚度高而不易变形的构造。本评价方法中的盖板2是抗拉强度为590MPa的钢板，加强构件3是具有多个杨氏模量为102GPa的FRP层的构件。
另外，对于盖板2，准备三种形状指数K如以下所示不同的盖板，对各盖板构造评价了抗变形刚度。
(a)K＝1.22(长边长度：440mm，短边长度：360mm)
(b)K＝2.2(长边长度：440mm，短边长度：200mm)
(c)K＝3.14(长边长度：440mm，短边长度：140mm)
抗变形刚度的评价条件和评价结果如下述表1所示。此外，作为比较例，对盖板单体的情况和CFRP为单一纤维方向的情况也评价了抗变形刚度。
[表1]
如表1所示，可知在盖板接合有加强构件的情形a3～情形a20的2mm行程时载荷比盖板单体的情形a1和情形a2的2mm行程时载荷大，通过在盖板接合加强构件，使抗变形刚度提高。
情形a4～情形a10的加强构件是每一层为0.20mm的CFRP层叠六层而成的构造。板厚为1.20mm(0.20mm×6)的CFRP的重量是与作为情形a3的加强构件使用的0.70mm的铝板相同程度的重量，但情形a4～情形a9的2mm行程时载荷比情形a3的2mm行程时载荷小，抗变形刚度差。另一方面，使用了具有两个方向或者三个方向的纤维方向的CFRP的情形a12～a20在满足式(1)方面与情形a4～情形a9是同样的，但情形a12～a20的2mm行程时载荷比情形a3～情形a9大，抗变形刚度提高。根据该结果可知，在盖板接合有多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向且在多个FRP层中纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上并且满足式(1)的加强构件的情况下，作为盖板构造的抗变形刚度提高。特别是在情形a12～a20中，与使用了有利于轻量化的铝板的情形a3相比，抗变形刚度提高。即，作为发明例的情形a12～a20的盖板构造的抗变形刚度的质量效率优异，能够以高水平兼顾抗变形刚度和轻量化。
另外，在形状指数K相对于情形a1～a20不同的情形b1～b10和情形c1～c10的结果中，也示出了在至少一个层具有与其他层不同的纤维方向且在多个FRP层中纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上并且满足式(1)的情况下，盖板构造的抗变形刚度提高。特别是在作为发明例的情形b5、b7～b10中，与使用了有利于轻量化的铝板的情形b1相比，抗变形刚度提高。另外，在作为发明例的情形c5、c7～c10中，与使用了有利于轻量化的铝板的情形c1相比，抗变形刚度提高。因而，情形b5、b7～b10和情形c5、c7～c10的盖板构造也与前述的情形a12～a20同样地是抗变形刚度的质量效率优异的构造。即，本发明的盖板构造是与盖板的形状指数K无关地能够以高水平兼顾抗变形刚度和轻量化的构造。
情形a13和情形a20中的加强构件的尺寸(面积)互不相同。详细地说明，在情形a13中，与除情形A20之外的其他实施例同样地，在盖板的100％的面积的区域接合有加强构件，在情形a20中，在盖板的80％的面积的区域接合有加强构件。情形a13和情形a20在除加强构件的尺寸之外的条件彼此相同的条件下评价了抗变形刚度，2mm行程时载荷均为较高的值。根据本结果可知，即使在加强构件未与盖板的整个面接合的情况下，也能充分地得到抗变形刚度的提高效果。
在上述表1中，将使用CFRP作为加强构件的情况的层构造设为六层，但对四层构造的情况也利用图14的方法评价了抗变形刚度。评价结果如下述表2所述。
[表2]
如表2所示，可知即使在四层构造的情况下，在至少一个层具有与其他层不同的纤维方向且在多个FRP层中纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上且满足式(1)的情况下，抗变形刚度也提高。即，在得到本发明的抗变形刚度的提高效果的观点方面，多个FRP层的总数没有特别限定。
此外，作为由FRP构成的构件，有在FRP的一个层内织入有两个以上的方向的纤维而成的原材料(所谓的交叉织物)，但对于交叉织物利用图14的方法评价了抗变形刚度的结果为，抗变形刚度的提高效果较小。
产业上的可利用性
本发明能够作为汽车的底板等构造而利用。
附图标记说明
1、盖板构造；2、盖板；2a、盖板的载荷输入侧的面；2b、盖板的与载荷输入侧相反的一侧的面；3、加强构件；3a、0°取向层；3b、90°取向层；3c、45°取向层；3d、-45°取向层；4、构造构件；4a、4b、4f～4i、第1构造构件；4c～4e、第2构造构件；10、压头；40、内部构件；40a、纵壁部；40b、顶面部；40c、凸缘部；41、外部构件；Tc、加强构件的板厚中心。
Claims (11)
1.一种盖板构造，其中，该盖板构造具备：
金属制的盖板；以及
加强构件，其与所述盖板接合，并且由含有连续纤维的多个FRP层构成，
所述多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，
在所述多个FRP层中，至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，
在所述多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，
将作为所述盖板的长边的长度方向的长边方向定义为90°方向，并且将与所述90°方向正交的方向定义为0°方向，对于与所述盖板接合的所述加强构件的各FRP层的纤维方向，在使用三角函数分别计算90°方向分量和0°方向分量的情况下，满足下述式(1)，
0.38×K≤(A×4+B)/(C+D) (1)
A：处于所述加强构件的板厚中心的外侧的所述FRP层的所述0°方向分量；
B：处于所述加强构件的板厚中心的内侧的所述FRP层的所述0°方向分量；
C：所述多个FRP层的全部层的所述0°方向分量；
D：所述多个FRP层的全部层的所述90°方向分量；
K：所述盖板的长边长度/所述盖板的短边长度。
2.根据权利要求1所述的盖板构造，其中，
在所述盖板的周缘部配置有金属制的中空框架。
3.根据权利要求1或2所述的盖板构造，其中，
在所述盖板的70％以上的面积接合有所述加强构件。
4.根据权利要求1或2所述的盖板构造，其中，
所述加强构件与所述盖板的整个面接合。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的盖板构造，其中，
所述加强构件的板厚是所述盖板的板厚的2.0倍以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的盖板构造，其中，
所述盖板是汽车的底板，
所述加强构件与所述底板的下表面接合。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的盖板构造，其中，
所述盖板是汽车的发动机罩或顶板，
所述加强构件与所述盖板的下表面接合。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的盖板构造，其中，
所述盖板是汽车的挡泥板、门外板或侧外板，
所述加强构件与所述盖板的车内侧的面接合。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的盖板构造，其中，
所述盖板是440MPa以上的钢板。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的盖板构造，其中，
所述FRP是CFRP。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的盖板构造，其中，
所述FRP是GFRP。
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