JP2003129611A

JP2003129611A - 曲げ強度部材

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Publication number: JP2003129611A
Application number: JP2002208330A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Konishi; 晴之小西; Hiroyuki Yamashita; 浩之山下; Shunichi Umemoto; 俊一梅本; Takuya Karaki; 琢也唐木; Akihiko Kitano; 彰彦北野
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Toray Industries Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Toray Industries Inc
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】衝突などの曲げ荷重が大きくなった場合で
も、エネルギー吸収量を高めることができる、アルミニ
ウム合金中空形材＋FRP 材の曲げ強度複合部材を提供す
ることである。【解決手段】曲げ強度部材1aの設置方向に対し垂直で
互いに平行に配置されたフランジ4 、6 同士を互いに平
行な水平ウエブ2 、3 により結んだ略矩形断面を構成
し、0.2%耐力が280MPa以上であるアルミニウム合金中空
形材からなり、曲げ荷重が作用するフランジ4 側 (圧縮
側) と反対側 (引張側) のフランジ5 面にFRP 材を設け
るとともに、前記圧縮側のフランジ4 の幅b と厚みt と
の比(b/t) を12以下としたことである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエネルギー吸収性に
優れたアルミニウム合金中空形材からなる曲げ強度部材
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車などの輸送機車体や構造物、建築
物等に用いられるアルミニウム合金製強度 (構造) 部材
の中には、曲げ強度部材がある。この曲げ強度部材は、
自動車などの場合には、バンパー補強材やドアビーム、
あるいはフレ−ム部材などが例示される。

【０００３】この曲げ強度部材には、外から加わる曲げ
方向の荷重 (エネルギー) を、長手方向の曲げ変形およ
び断面方向の変形 (横圧壊) により吸収する性能が求め
られている。

【０００４】これら曲げ強度部材に用いられるアルミニ
ウム合金形材は、他に、軽量化や組み立てコストの低減
要求もあり、断面が略矩形の中空形材とされる。そし
て、この中空形材は、主として、5000系、6000系、7000
系等の高強度アルミニウム合金を押出加工および調質処
理（熱処理）して製造される。また、圧延によるアルミ
ニウム合金板を成形加工後、溶接して中空形材とする場
合もある。

【０００５】図9 および図10を参照して従来の部材を説
明すると、曲げ強度部材としてのこれらアルミニウム合
金製中空形材 1は、図9 (a) に斜視図により例示する通
り、曲げ強度部材の設置方向 (水平方向) に垂直で、互
いに平行に配置されたフランジ 4、5 と、これらを結
ぶ、互いに平行な水平ウエブ 2、3 により、形材の長手
方向に渡って均一な略矩形断面を構成している。そし
て、この矩形断面の種類も、基本的な口形の中空断面形
状の他に、フランジ両端をウエブ幅より左右に張り出し
た形状、中リブを設けて補強した日形、田形、目形など
の断面形状が、用途に応じて適宜選択される。

【０００６】このようなアルミニウム合金中空形材製の
曲げ強度部材 (以下、単に曲げ強度部材と言う) によれ
ば、従来使用されていた鋼材製よりも、軽量化と衝突な
どの荷重時のより高いエネルギー吸収量が期待できる。

【０００７】ここで、曲げ強度部材のエネルギー吸収の
機構を図9(b)、(c) を用いて説明する。図9(b)、(c)
は、前記曲げ強度部材 (中空形材)1の曲げ変形時の変形
状態を示している。今、図9(b)のように、曲げ強度部材
1 に、矢印A の方向から、衝突などによる荷重 (外力)
がかかった場合、フランジ4 が曲げ内側、フランジ5 が
曲げ外側となる曲げ変形が生じる。

【０００８】この際、曲げ荷重が作用する、曲げ内側フ
ランジ4 には水平方向の圧縮力F1がかかり、反対側の曲
げ外側フランジ5 には水平方向の引張力F2がかかる。し
たがい、曲げ内側フランジ4 は圧縮側 (圧縮応力側) フ
ランジ、曲げ外側フランジ5 は引張側 (引張応力側) フ
ランジとなる。

【０００９】ここにおいて、荷重 (衝突などの際には衝
突荷重) が加わった当初、この外力(初期の外力) を支
えるのは、曲げ強度部材1 の外力が負荷された部位 (図
9 の場合は中央部7)を曲げ中心 (曲げ部) とする曲げ変
形となる。そして、通常は、図9(c)に示すように、曲げ
強度部材1 の曲げ変形により、荷重のエネルギー吸収が
行われる。

【００１０】この際、初期の荷重が負荷された圧縮側フ
ランジ4 の中央部7 での局部的な座屈 (範囲X で示す)
が生じた場合、荷重の低下が生じ、エネルギー吸収量は
大幅に低下してしまう。即ち、荷重が大きい場合や圧縮
側フランジ4 の強度が弱い場合などで、圧縮側フランジ
4 が座屈すると、圧縮側フランジ4 はそれ以降圧縮応力
を負担する能力が低下する。このため、断面内の一部が
曲げ荷重に対する抵抗力を失い、耐曲げ荷重の低下が生
じる。

【００１１】また、圧縮側フランジ4 が局部的に座屈す
ると、これに加えて、それ以降の曲げ変形の進行によっ
て、図10に示すような、圧縮側フランジ4 とウエブ2 、
3 のつぶれ変形 (中央部7 での局部的な座屈) が生じ
る。このつぶれ変形が生じた場合、引張側フランジの引
張応力が、それ以降増加せず、更なる耐曲げ荷重の低下
が生じ、エネルギー吸収量はより大幅に低下してしま
う。

【００１２】このように、曲げ強度部材の断面方向の変
形の初期に、圧縮側フランジ4 の中央部7 で局部的な座
屈が生じた場合、矩形断面構造体の曲げ変形による本来
のエネルギー吸収が起らず、断面方向の変形のみによる
吸収エネルギーとなって、エネルギー吸収量は大幅に低
下してしまう。

【００１３】したがって、曲げ強度部材のエネルギー吸
収量を高めるためには、圧縮側フランジ4 の局部的な座
屈を防止して、矩形断面構造体の変形による本来のエネ
ルギー吸収を生じるようにすることが重要となる。

【００１４】これに対し、曲げ強度部材のエネルギー吸
収量を更に高めるため、従来から、曲げ強度部材の曲げ
荷重が作用する側の (圧縮側の) フランジと、反対側の
フランジ面 (引張側のフランジ面) に、炭素繊維、ガラ
ス繊維、チラノ繊維等の無機繊維や、ケプラーなどの有
機繊維などで強化した、繊維強化樹脂材 (以下、FRP材
と言う) を設ける技術が、特開平6-101732号や特開平11
-173356 号、再公表特許WO99/10168号などの公報で提案
されている。

【００１５】これらの技術では、曲げ強度部材の引張側
フランジ面に設けられた FRP材が、負荷される曲げ荷重
を受け持つことで、曲げ荷重が作用する引張フランジ側
のアルミニウム合金中空形材の過度の変形を抑制し、中
空形材の矩形断面構造体の変形による本来のエネルギー
吸収を生じるようにしているものである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開平6-
101732号公報で使用しているJIS 5053や、再公表特許WO
99/10168号公報で使用しているJIS 6063などのアルミニ
ウム合金中空形材では、調質処理によって強度を高くし
ても、0.2%耐力はせいぜい200MPaを越える程度でしかな
い。

【００１７】このため、衝突荷重などの曲げ荷重が大き
くなった場合、アルミニウム合金中空形材の断面方向の
変形の初期に、前記した圧縮側フランジの中央部での局
部的な座屈が生じ易い。実際、前記特開平6-101732号公
報でも、エネルギー吸収のために、アルミニウム合金中
空形材の側の塑性変形 (断面変形) を積極的に起こすこ
とを要旨としている。

【００１８】このように圧縮側フランジが座屈すると、
以降の曲げ変形では、圧縮側フランジのつぶれ変形が進
行するため、FRP 材を設けた引張側フランジは、それ以
上に引張変形せず、荷重の応力を負担できなくなる。こ
の結果、引張側フランジのFRP 材は、負荷される曲げ荷
重を受け持つという、本来の補強機能を発揮できないこ
ととなる。

【００１９】このため、前記従来のアルミニウム合金中
空形材＋FRP 材の曲げ強度複合部材では、曲げ荷重が大
きくなった場合、エネルギー吸収量が大幅に低下すると
いう問題があった。言い換えると、従来のアルミニウム
合金中空形材＋FRP 材の曲げ強度複合部材では、曲げ荷
重が大きくなった場合、アルミニウム合金中空形材にFR
P 材を補強する意味が失われる。

【００２０】したがって、本発明の目的は、衝突などの
曲げ荷重が大きくなった場合でも、エネルギー吸収量を
高めることができる、アルミニウム合金中空形材＋FRP
材の曲げ強度複合部材を提供しようとするものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明曲げ強度部材の要旨は、請求項1 に記載のよ
うに、曲げ強度部材の設置方向に対し垂直で互いに平行
に配置されたフランジ同士を互いに平行な水平ウエブに
より結んだ略矩形断面を構成し、0.2%耐力が280MPa以上
であるアルミニウム合金中空形材からなり、曲げ荷重が
作用する際に引張側となるフランジ面にFRP 材を設ける
とともに、曲げ荷重が作用する際に圧縮側となるフラン
ジの幅b と厚みt との比(b/t) を12以下としたことであ
る。

【００２２】本発明で言うFRP 材とは、CFRP材を含め
た、補強繊維と樹脂とからなる繊維強化樹脂の総称であ
る。また、中空形材の引張側フランジ面へのFRP 材の接
着などによる設け方や、設けるFRP 材の厚みや材料特性
などの諸条件は、前記従来のアルミニウム合金中空形材
＋FRP 材の曲げ強度複合部材と基本的に同じである。

【００２３】しかして、本発明では、アルミニウム合金
中空形材の側を高強度とし、かつ、圧縮側のフランジの
幅b と厚みt との比(b/t) を12以下と制限する。これに
よって、アルミニウム合金中空形材やFRP 材の厚み (重
量) を厚く (重く) することなく、却って、単位曲げ荷
重当たりの曲げ強度部材の重量を軽くして、衝突などの
曲げ荷重が大きくなった場合のエネルギー吸収量を高め
ることができる。

【００２４】なお、FRP 材を接着しない通常の曲げ強度
部材において、アルミニウム合金形材の強度を高めるこ
とや、圧縮側のフランジ側の幅b と厚みt との比フラン
ジの幅と厚みとの比 (以下、幅厚比と略記する) を制限
することは、エネルギー吸収量を高めるための手段とし
て公知である。

【００２５】但し、これらの手段を、アルミニウム合金
中空形材＋FRP 材の曲げ強度複合部材に適用した場合
で、かつ、曲げ荷重が大きくなった場合に、FRP 材の補
強効果が向上乃至改善できるか否かは、これまで不明で
あった。

【００２６】これに対し、本発明では、アルミニウム合
金中空形材＋FRP 材の曲げ強度部材において、アルミニ
ウム合金形材強度を高め、圧縮側のフランジの幅厚比を
制限した場合には、曲げ荷重が大きくなっても、引張側
のフランジ面に接着されたFRP 材の本来の補強効果であ
る、負荷される曲げ荷重を受け持つ補強機能が発揮さ
れ、従来の曲げ強度部材 (複合部材) に比して、エネル
ギー吸収量が向上することを知見した。

【００２７】この理由は、アルミニウム合金形材強度の
向上や、曲げ荷重が作用するフランジ側の幅厚比を制限
した場合に、アルミニウム合金形材の圧縮フランジの座
屈強度が向上する。このため、曲げ荷重が大きくなって
も、変形初期の圧縮側フランジの局部的な座屈が防止さ
れ、矩形断面構造体としての曲げ変形が、続く大きな変
形域まで持続する。この結果、更に、大きな変形域で
の、FRP 材が接着された引張側フランジによる大きな応
力分担の機能が発揮され、部材全体でのエネルギー吸収
量が大きくなるためと推考される。

【００２８】即ち、曲げ変形の過程において、圧縮側フ
ランジだけではなく、圧縮側フランジ (アルミニウム合
金形材) と引張側フランジ(FRP材) との両者に、応分の
曲げ荷重を分担させることで、曲げ変形によるエネルギ
ー吸収を効率良く行わせ、部材全体でのエネルギー吸収
量を向上させる。この曲げ荷重の分担は、特に曲げ荷重
が大きくなった場合、本発明のように、アルミニウム合
金形材強度の向上や、曲げ荷重が作用するフランジ側の
幅厚比を制限しないと達成されない。

【００２９】これらの曲げ荷重分担効果を高めるため、
本発明曲げ強度部材においては、請求項2 に記載のよう
に、前記圧縮側フランジの幅厚比を更に9 以下とする、
および/ または請求項5 に記載のように、前記中空形材
の0.2%耐力を更に400MPa以上に高強度化することが好ま
しい。

【００３０】また、請求項3 に記載のように、前記曲げ
荷重に対して仮想される中空形材断面の曲げ中立軸を、
前記引張側フランジ面からの距離s が前記中空形材断面
高さh の1/5 以内となるように位置させることが好まし
い。

【００３１】更に、請求項4 に記載のように、前記中空
形材の断面がフランジ両端をウエブ幅より左右に張り出
した形状であることが好ましい。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に、図面を用いて、本発明曲
げ強度部材の実施態様を詳細に説明する。図1 は、本発
明に係る曲げ強度部材1aの斜視図を示す。曲げ強度部材
1aは、請求項1 に記載のように、互いに直交するフラン
ジ4 、5 とウエブ2 、3 により略矩形断面を構成し、0.
2%耐力が400MPa以上のアルミニウム合金中空形材からな
っている。そして、また、引張側のフランジ5 の表面
にFRP 材6 を接着するとともに、圧縮側のフランジ4 の
幅b と厚みt との比(b/t) を12以下、好ましくは9 以下
としている。

【００３３】このような本発明条件を満たす場合、曲げ
強度部材1aに対し、矢印A の方向から、中央部7 に大き
な荷重がかかった場合でも、荷重初期において、局部的
な変形は起らず、図2(a)のように、曲げ強度部材1a全体
の曲げ変形によるエネルギー吸収が進行して、エネルギ
ー吸収を行う。

【００３４】これに対し、本発明条件を満たさず、アル
ミニウム合金中空形材の0.2%耐力が400MPa未満の場合
や、圧縮側のフランジ4 の幅b と厚みt との比(b/t) が
12を越える場合、図2(b)に示すように、曲げ強度部材の
中央部7 に大きな荷重がかかった場合、圧縮側フランジ
の局部的な座屈が生じ、曲げに抵抗する断面内の部位が
小さくなって、耐曲げ荷重は小さくなり、エネルギー吸
収量は大幅に低下してしまう。

【００３５】因みに、前記特開平6-101732号公報で使用
しているJIS 5053や、再公表特許WO99/10168号公報で使
用しているJIS 6063などのアルミニウム合金中空形材で
は、調質処理によって強度を高くしても、0.2%耐力は到
底280MPa以上とはならず、せいぜい200MPaを越える程度
でしかない。即ち、アルミニウム合金中空形材の0.2%耐
力が280MPa以上の本発明条件を満たさず、エネルギー吸
収量は大幅に低下してしまう。

【００３６】このため、本発明で用いるアルミニウム合
金板は、通常、この種構造材の用途に汎用される、AA乃
至JIS 規格に規定された 3000 系、5000系、6000系、70
00系等のアルミニウム合金の中でも、280MPa以上、好ま
しくは400MPa以上の高い0.2%耐力が得られる、7000系ア
ルミニウム合金を選択することが好ましい。これら7000
系アルミニウム合金の内から合金種を適宜選択するとと
もに、溶体化および焼き入れ処理、時効処理などの調質
処理条件を選択して、所望の耐力や機械的性質とする。

【００３７】本発明条件の圧縮側フランジの幅厚比と、
エネルギー吸収量との関係を図6 に示す。図6 は、引張
側フランジの表面にFRP 材を接着した、前記図1 の口形
断面のアルミニウム合金中空形材(7000 系合金、0.2%耐
力439MPa) の圧縮側のフランジの幅厚比 (横軸) を変え
た場合の、曲げ荷重に対するエネルギー吸収量 (縦軸)
を示す。但し、図6 の縦軸は、各々同じ圧縮側フランジ
幅厚比でFRP 材を接着しない中空形材のエネルギー吸収
量E₀に対する、FRP 材を接着したエネルギー中空形材の
吸収量E の比、E/E₀( エネルギー吸収量の向上比率) で
示している。また、図6 中、黒丸は圧縮側のフランジが
2mm 厚、黒三角は3mm 厚の場合である。

【００３８】この図6 から分かる通り、圧縮側のフラン
ジの幅厚比を小さくするほど、エネルギー吸収量比率が
向上する。そして、両方のフランジ厚みの場合とも、幅
厚比が12でエネルギー吸収量の向上比率が1.2 、幅厚比
が9 以下では1.4 以上とエネルギー吸収量の比率が著し
く向上する。したがって、エネルギー吸収量向上の顕著
な効果は、圧縮側のフランジの幅厚比が1.2 以下、好ま
しくは幅厚比が9 以下で達成されることが分かる。

【００３９】また、本発明曲げ強度部材に用いられるア
ルミニウム合金形材は、他の、軽量化や組み立てコスト
の低減要求もあり、断面が略矩形の中空形材とされる。
そして、この中空形材は、前記7000系等の高強度アルミ
ニウム合金を押出加工および調質処理（熱処理）して製
造される。また、圧延によるアルミニウム合金板を成形
加工後、溶接して中空形材としても良い。

【００４０】アルミニウム合金製中空形材の矩形断面の
種類も、前記図1 の基本的な口形中空断面形状の他に、
図3 に示すフランジ両端を左右に張り出した形状、図4
に示す中リブを設けて補強した日形、図5 に示す目形、
あるいは田形、などの断面形状が、用途に応じて適宜選
択される。また、これらの矩形断面において、各々のフ
ランジとウエブは、直線状の他外方に膨らむか、内方に
凹む円弧状としても良い。言い換えると、本発明で言う
矩形断面とは、略矩形断面を意味する。したがって、曲
げ強度部材の設置方向に対し垂直、互いに平行に配置さ
れるなどのフランジの規定や、互いに平行な水平ウエブ
などのウエブの規定も、垂直や平行乃至水平に規定に厳
密さは不要であり、全て略 (概ね) の意味である。

【００４１】これらの断面形状の中でも、特に、前記フ
ランジ両端を張り出した形状断面は、図3 に示すよう
に、両方のフランジ4a、5a両端を、ウエブ2a、3aの幅よ
りも左右( 図では上下方向) に張り出した形状としてい
る。このように、フランジを張り出した形状、特に圧縮
側フランジを張り出した形状とした場合、圧縮側フラン
ジ側の局部的な座屈を防止し、曲げ強度部材の曲げ強度
をより向上させる効果を有する。

【００４２】また、これらの断面形状に共通して、請求
項3 に記載のように、中空形材に対する曲げ荷重方向か
ら必然的に定まる、中空形材断面の曲げ中立軸Y を、前
記引張側フランジ面からの距離s が前記中空形材断面高
さh の1/5 以内となるように位置させることが好まし
い。

【００４３】図1 、3 に示すように、曲げ中立軸Y と引
張側フランジ面との距離s を、中空形材断面高さ (ウエ
ブ長さ)hの1/5 以内とすることによって、FRP 材への曲
げひずみを、過度に発生させず、減少させることとな
り、曲げ強度部材としての曲げ強度も向上する。

【００４４】中空形材断面の曲げ中立軸Y を、上記範囲
内とするためには、アルミニウム合金中空形材の矩形断
面形状において、各フランジとウエブの長さ (幅) や厚
み、あるいは中リブの設け方や厚みなどを、本発明の前
記圧縮側フランジの幅厚比規定条件を外さないように、
調整する。なお、本発明曲げ強度部材の、必要長さや必
要断面積は、前記各フランジとウエブの幅や厚みも含め
て、勿論、具体的用途からくる、部材の設置条件などの
要求特性も考慮して設計される。

【００４５】なお、中空形材断面の曲げ中立軸Y の定義
を以下に説明する。本発明でいう曲げ中立軸Y とは、中
空形材が曲げ荷重を受けて断面の中央部まで降伏したと
仮定した際に、中空形材断面内での圧縮応力 (−σy)が
作用する曲げ内側領域と引張応力 (＋σy)が作用する曲
げ外側領域とを分かつ、中空形材断面の仮想的な分割線
である。

【００４６】この曲げ中立軸自体は、公知であって、中
空形材断面に軸力が作用しない場合、中空形材断面内の
垂直応力の和はゼロとなるから、次式で規定される。＋
σyA⁽⁺⁾−σyA^(-)=0、 (但し、A ⁽⁺⁾、A ^(-)は圧縮
と引張の応力が各々作用する部分の面積) 。したがっ
て、曲げ中立軸の位置は、この式を満たすように、断面
積をA ⁽⁺⁾とA ^(-)に分割する軸となる。

【００４７】ただ、本発明では、FRP 材を引張側フラン
ジに設けているので、この場合には、曲げ中立軸の位置
は次式を満たす分割線と規定される。σ_B ^{( FRP )}A
^{( FRP )}＋σyA⁽⁺⁾−σyA^(-)= 0 、 (但し、σ_B
^{( FRP )}はFRP 材の引張強さ、A ^{( FRP )}はFRP 材の断
面積) 。

【００４８】なお、本発明の曲げ強度部材において、曲
げ荷重が負荷された際に、圧縮側のフランジの座屈が過
度に起こりにくい断面とした場合、却って、引張側のフ
ランジ面に接着されたFRP 材の本来の補強機能を損なう
可能性が生じる。即ち、アルミニウム合金形材側の圧縮
側のフランジの板厚を過度に厚くするなど、圧縮側のフ
ランジの座屈が過度に起こりにくい断面とした場合、曲
げ荷重による曲げ強度部材の変形によって、引張側のフ
ランジ面と、そこに接着されたFRP 材にひずみが集中す
る可能性がある。このひずみは曲げ強度部材の変位に比
例して増大するため、曲げ強度部材の変形の初期に、FR
P 材全体の破断が生じる可能性を生じる。仮に、このFR
P 材全体の破断が生じた場合、FRP 材の本来の補強機能
が損われて、曲げ強度部材としての強度が急激に低下し
てしまうこととなる。

【００４９】したがって、このFRP 材全体の破断を生じ
させず、FRP 材の本来の補強機能を発揮させるために
は、上記本発明条件を満たした上で、負荷された曲げ荷
重によって、圧縮側のフランジが適度に座屈し、上記ひ
ずみの集中を抑制するような断面とすることが好まし
い。この圧縮側のフランジの適度な座屈を許容する断面
としては、上記本発明条件を満たした上で、圧縮側のフ
ランジの板厚を過度に厚くせずに、比較的薄肉化させる
ことなどが好ましい。

【００５０】一方、本発明で用いるFRP 材は、特開平6-
101732号や特開平11-173356 号、再公表特許WO99/10168
号などの公報にも例示された、公知乃至市販のFRP 材か
ら、必要強度などに応じて最適なものを適宜選択して使
用可能である。即ち、強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊
維、チラノ繊維、アルミナ繊維等の無機繊維や、アラミ
ド (ケプラー、トワロン) などの有機繊維、これらを組
み合わせた複合繊維が例示される。この内炭素繊維は、
繊維方向の弾性率が50〜300GPa、繊維方向の引張強度が
2.2 〜10GPa の範囲のPAN 系の炭素繊維が好ましい。ガ
ラス繊維は繊維方向の弾性率が6 〜8GPa、繊維方向の引
張強度が1.2 〜3GPaの範囲のものが好ましい。

【００５１】また、FRP を構成する樹脂は、エポキシ、
フェノール他の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン他の熱可塑性樹脂、及びこれらをアロイ化した
変性樹脂などが例示される。そして、強化繊維の樹脂へ
の配合割合は、樹脂に対し30〜70wt% 程度とし、プルト
ルージョン法 (引き抜き成型法) 等の公知の成形方法
で、板乃至シート状のFRP とされる。

【００５２】なお、引張側フランジ表面へのFRP 材シー
トの取り付けは接着が好ましい。取り付けをボルトなど
の機械的接合などで行っても良いが、FRP 材の所望の強
化特性を発揮するためには、接着剤により一体的にかつ
強固に接着されることが好ましい。接着剤は、前記引用
例にも例示されている接着特性を有するものを使用する
ことができる。但し、所望の強化特性を発揮するために
は、JIS K-6860で測定する接着強度が10MPa 以上、更に
は20MPa 以上の高接着強度とすることが好ましい。

【００５３】また、FRP 材を取り付ける場合、FRP 材の
強化繊維の配列方向は、曲げ強度部材の長手方向と平行
にする方が補強効果が高い。更に、取り付けるFRP 材の
厚みにもよるが、前記引張側フランジの表面全てにFRP
材を貼る必要は無く、曲げ荷重による応力が大きくかか
る乃至集中するフランジ面の部位に選択的に貼り付けて
良い。接着するFRP 材の厚みは、あまり厚いと、前記し
た、曲げ強度部材の軽量化要求やコスト低減要求と矛盾
するため、薄い (量的に少ない) 方が良い。但し、耐曲
げ荷重強度 (補強効果) を発揮するためには、少なくと
も1.0mm の厚みは必要である。なお、FRP 材の取り付け
は、必須である引張側フランジ表面以外にも、必要によ
り、圧縮側フランジ表面や各ウエブ表面の一部または全
部に、あるいは曲げ強度部材の全表面などに、取り付け
ても良い。例えば、引張側フランジ表面に加えて、圧縮
側フランジ表面にもFRP 材を取り付けた場合、最大荷重
を瞬間的に大きくできる利点もある。そして、これらの
箇所にFRP 材を取り付けた場合の取り付け方の態様は、
上記引張側フランジ表面への取り付け方の態様と同様で
ある。

【００５４】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。引張側
フランジの表面にFRP 材 [但し、CFRP材 (炭素繊維強化
樹脂材)]を接着した、前記図1 の口形断面のアルミニウ
ム合金中空形材(7000 系合金、0.2%耐力439MPa) の圧縮
側フランジの幅厚比を種々変えた場合の、曲げ荷重に対
するエネルギー吸収量をFEM 解析にて求めた。解析に用
いたアルミニウム合金中空形材とFRP 材の材料特性を表
1 に示す。

【００５５】また、解析に用いた、各中空形材の諸条件
である、圧縮側フランジの幅b と厚みt 、幅厚比b/t 、
中空形材断面の曲げ中立軸の引張側フランジ面からの距
離s、距離s とウエブの高さh との比s/h を、各々表2
に示す。但し、圧縮側フランジ幅b については、隣り合
うウエブとの接合部を含めての値である。

【００５６】そして、これら形材のFRP 材を接着しない
場合のエネルギー吸収量E₀、FRP 材を接着した場合のエ
ネルギー吸収量E 、FRP 材を接着した形材のエネルギー
吸収量向上率E/E₀、更にはFRP 材に加わる最大ひずみ量
を各々表2 に示す。

【００５７】各例とも、圧縮側のアルミニウム合金のフ
ランジ幅b は20〜40mmの範囲で変化させ、フランジ厚み
t は2 または3mm とし、引張側フランジも各圧縮側フラ
ンジの条件と同じとした。各例とも、ウエブの高さは一
定の30mmとし、厚みは各々圧縮側フランジと同じとし
た。また、中空形材断面の曲げ中立軸は、引張側フラン
ジ面(FRP材表面) からの距離s を1 〜2mm とし、中空形
材の断面高さh(ウエブの高さ、30mm) の1/5 以内となる
ように、各々位置させた。なお、表2 に示す実施例5 の
みは、FRP 材の厚みを変えて、引張側フランジ面からの
曲げ中立軸の距離s を8.37mmとし、中空形材の断面高さ
(ウエブの高さ)hの1/5 以内から外れた条件とした。

【００５８】曲げ荷重の負荷は、図1 の矢印A の横方向
から、丸棒状の圧子を、速度10m/秒で、長さ1000mmの中
空形材の長手方向の中心に対し、押しつける解析条件と
し、曲げ荷重を大きくかつ速く設定した。

【００５９】表2 から明らかな通り、実施例1 〜5 のよ
うに、負荷曲げ荷重が大きい場合、圧縮側フランジの幅
厚比を小さくするほど、FRP 材を接着しない場合の各中
空形材に対するエネルギー吸収量向上比率が高くなる。
そして、幅厚比が12〜11ではエネルギー吸収量の向上比
率が1.2 、幅厚比が10以下では1.4 以上とエネルギー吸
収量の向上比率が著しく向上する。

【００６０】実施例の中でも、曲げ中立軸の引張側フラ
ンジ面からの距離s が、中空形材の断面高さh の1/5 以
内(0.25 以下) から外れた条件とした実施例5 のみは、
他の条件が同じ実施例1 に比して、FRP 材の側に加わる
最大ひずみ量が大きくなっている。したがい、本発明の
曲げ中立軸の規定の好ましい意義が分かる。

【００６１】一方、比較例6 〜9 の通り、圧縮側フラン
ジの幅厚比が12を越えた場合、FRP材を接着しない場合
の各中空形材に対するエネルギー吸収量向上比率は低
く、FRP 材を接着する意義自体が失われる。

【００６２】更に、これら実施例乃至比較例の、前記曲
げ荷重負荷時の荷重変位曲線を図7、8 に示す。図7 は
前記実施例1 の場合であり、図8 は前記比較例2 であ
る。なお、図7 、8 とも、比較のために、FRP 材を接着
しない以外は、他の条件を実施例1 や比較例7 と同じと
した、比較例10と比較例11の荷重変位曲線を各々記載し
た。

【００６３】図7 において、実施例1 は荷重変位曲線の
立ち上がり時のピークもなく、比較例10に比して、荷重
変位曲線のレベルも高く維持されており、エネルギー吸
収量が大きい。このことは、大きな曲げ荷重が掛かる初
期であっても、実施例1 の形材では、圧縮側フランジの
局部的な座屈が生じず、形材全体での曲げ変形による継
続的で大きなエネルギー吸収が行わることを表わしてい
る。

【００６４】これに対し、図8 の比較例7 では、荷重変
位曲線の立ち上がり時のピークが高く、その後は、FRP
材を接着しているにも関わらず、FRP 材を接着していな
い比較例11と同様に、荷重変位曲線のレベルが低下して
いる。このことは、大きな曲げ荷重の初期に、比較例7
の形材が、圧縮側フランジの中央部などに局部的な座屈
が生じ、矩形断面構造体の曲げ変形による本来のエネル
ギー吸収ではなく、圧縮側フランジやウエブの圧壊によ
る吸収エネルギーとなっていることを示している。

【００６５】

【表１】

【００６６】

【表２】

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、衝突などの曲げ荷重が
大きくなった場合でも、エネルギー吸収量を高めること
ができる、アルミニウム合金＋FRP 複合材を提供するこ
とができる。言い換えると、アルミニウム合金とFRP の
両者の機能を最大限に引き出した複合曲げ強度部材を提
供することができる。このため、曲げ強度部材用途にア
ルミニウム合金乃至FRP の用途を大きく拡大するもので
あり、工業的な価値が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明曲げ強度（複合）部材の1 つの態様を示
す斜視図である。

【図２】図１の曲げ強度（複合）部材の変形状態を示
し、(a) は本発明曲げ強度部材、(b) は従来の曲げ強度
（複合）部材を示す平面図である。

【図３】本発明曲げ強度（複合）部材の別の態様を示す
正面図である。

【図４】本発明曲げ強度（複合）部材の別の態様を示す
正面図である。

【図５】本発明曲げ強度（複合）部材の別の態様を示す
正面図である。

【図６】本発明曲げ強度（複合）部材における圧縮側フ
ランジの幅厚比とエネルギー吸収量との関係を示す説明
図である。

【図７】本発明曲げ強度（複合）部材の荷重変位曲線を
示す説明図である。

【図８】比較例曲げ強度（複合）部材の荷重変位曲線を
示す説明図である。

【図９】従来の曲げ強度部材を示し、(a) は曲げ強度部
材の斜視図、(b) は曲げ強度部材の変形状態の斜視図、
(c) は変形状態の平面図である。

【図１０】図９の従来の曲げ強度部材の局部的な座屈を
示す平面図である。

【符号の説明】

1:曲げ強度部材 (中空形材) 、2 、3:ウエブ、4:圧縮側
フランジ、5:引張側フランジ、6:FRP 材、7:部材中央
部、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山下浩之山口県下関市長府港町14ー１株式会社神戸製鋼所長府製造所内 (72)発明者梅本俊一東京都品川区北品川５丁目９番12号株式会社神戸製鋼所東京本社内 (72)発明者唐木琢也愛媛県伊予郡松前町大字筒井1515番地東レ株式会社愛媛工場内 (72)発明者北野彰彦愛媛県伊予郡松前町大字筒井1515番地東レ株式会社愛媛工場内Ｆターム(参考） 2E163 FA12 FB07 FB09 FF21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】曲げ強度部材の設置方向に対し垂直で互
いに平行に配置されたフランジ同士を互いに平行な水平
ウエブにより結んだ略矩形断面を構成し、0.2%耐力が28
0MPa以上であるアルミニウム合金中空形材からなり、曲
げ荷重が作用する際に引張側となるフランジ面にFRP 材
を設けるとともに、曲げ荷重が作用する際に圧縮側とな
るフランジの幅b と厚みt との比(b/t) を12以下とした
ことを特徴とする曲げ強度部材。
【請求項２】前記圧縮側のフランジの幅b と厚みt と
の比を9 以下とした請求項１に記載の曲げ強度部材。
【請求項３】前記曲げ荷重に対して仮想される中空形
材断面の曲げ中立軸を、前記引張側フランジ面からの距
離s が前記中空形材断面高さh の1/5 以内となるように
位置させた請求項１または２に記載の曲げ強度部材。
【請求項４】前記中空形材の断面がフランジ両端をウ
エブ幅より左右に張り出した形状である請求項１乃至３
のいずれか１項に記載の曲げ強度部材。
【請求項５】前記中空形材の0.2%耐力が400MPa以上で
ある請求項１乃至４のいずれか１項に記載の曲げ強度部
材。