JP2010169115A - エネルギー吸収構造 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃が加えられたときに、ピーク荷重を低減しつつ、高い破壊荷重を得ることができるエネルギー吸収構造を提供する。
【解決手段】エネルギー吸収構造１は、複数のセル２を有するハニカムコア３と、各セル２内に挿入され、衝撃が加えられたときに軸方向に逐次破壊可能な複数本の筒状部材４とを備えている。ハニカムコア３は、複数の正六角柱状のセル２が隙間無く並べられたハニカム構造をなしている。筒状部材４は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成された円筒パイプである。このようなエネルギー吸収構造１に着地衝撃が加えられたときには、ハニカムコア３及び各筒状部材４が同時に逐次破壊を始める。従って、筒状部材４がない場合よりも高いエネルギー吸収特性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば航空機等に搭載されるエネルギー吸収構造に関するものである。

従来のエネルギー吸収構造としては、例えば特許文献１に記載されているように、剛性の異なる３つの板状のハニカムコアを中間板を介して上下に積層した構造とすることにより、着地衝撃が加えられたときに、剛性の低いハニカムコアから順次圧壊させて着地衝撃を吸収するようにしたものが記載されている。

特開２００６−２３２０７５号公報

しかしながら、上記従来技術においては、各ハニカムコア間に中間板が存在するため、異なるハニカムコアに破壊が移る際にピーク荷重が出てしまい、結果的に良好なエネルギー吸収（Ｅ／Ａ）特性が得られなくなる。

本発明の目的は、衝撃が加えられたときに、ピーク荷重を低減しつつ、高い破壊荷重を得ることができるエネルギー吸収構造を提供することである。

本発明は、衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収構造において、ハニカム状に配置された複数のセルを有するハニカムコアと、セル内に挿入され、衝撃が加えられたときに破壊可能な筒状部材とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明のエネルギー吸収構造に衝撃が加えられたときは、ハニカムコアにおけるセル内に筒状部材が挿入されている箇所では、ハニカムコアと筒状部材とが同時に破壊するようになるため、筒状部材が破壊される分だけ破壊荷重が高くなる。このとき、ハニカムコアを仕切る仕切板等が存在しないため、ピーク荷重を最小限に抑えることができる。また、筒状部材の長さや数、配置部位等を適宜変更することにより、エネルギー吸収特性を簡単に制御することができる。

好ましくは、筒状部材の長さがハニカムコアの高さ寸法よりも短い。この場合には、まずハニカムコアのみが破壊し始め、その後でハニカムコアと筒状部材とが同時に破壊するようになる。従って、破壊荷重を段階的に高くすることができる。

また、好ましくは、筒状部材は、複数のセルのうち一部のセル内に挿入されている。この場合には、ハニカムコアにおけるセル内に筒状部材が挿入された箇所では、ハニカムコアと筒状部材とが同時に破壊するため、破壊荷重が高くなる。また、ハニカムコアにおけるセル内に筒状部材が挿入されていない箇所を、例えば人体に直接負荷が及ぶ位置に設定することで、人体に与える影響を軽減することができる。

さらに、好ましくは、筒状部材は、炭素繊維強化プラスチックで形成されている。筒状部材の材料を強度の高い炭素繊維強化プラスチックとすることにより、破壊荷重をより一層高くすることができる。

本発明によれば、エネルギー吸収構造に衝撃が加えられたときに、ピーク荷重を低減しつつ、高い破壊荷重を得ることができる。これにより、エネルギー吸収特性を向上させることが可能となる。

本発明に係わるエネルギー吸収構造の一実施形態を示す平面断面図及び側面断面図である。 図１に示した筒状部材の斜視図である。 図１に示したエネルギー吸収構造の荷重−変位特性を示すグラフである。 複数のハニカムコアと仕切板とを備えた従来技術のエネルギー吸収構造が破壊する状態を示す図である。 本発明に係わるエネルギー吸収構造の一実施形態の変形例を示す平面断面図及び側面断面図である。 図５に示したエネルギー吸収構造の荷重−変位特性を示すグラフである。 図５に示したエネルギー吸収構造が破壊する状態を示す図である。 本発明に係わるエネルギー吸収構造の一実施形態の他の変形例を示す平面断面図及び側面断面図である。 図８に示したエネルギー吸収構造の荷重−変位特性を示すグラフである。

以下、本発明に係わるエネルギー吸収構造の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中、同一又は同等の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１（ａ）は、本発明に係わるエネルギー吸収構造の一実施形態を示す平面断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したエネルギー吸収構造の側面断面図である。同図において、本実施形態のエネルギー吸収構造１は、航空機の座席下等に設置され、例えば航空機の着地時に生じる衝撃エネルギーを吸収するものである。

エネルギー吸収構造１は、複数のセル２を有するハニカムコア３と、各セル２内に挿入され、衝撃が加えられたときに軸方向に逐次破壊可能な複数本の筒状部材４とを備えている。

ハニカムコア３は、複数の正六角柱状のセル２が隙間無く並べられたハニカム構造をなしている（図８参照）。ハニカムコア３は、例えばアルミ等で形成されている。ハニカムコア３の縦横寸法は、例えば約１００ｍｍ×約１００ｍｍ程度であり、ハニカムコア３の高さ寸法は、例えば１００ｍｍである。また、各セル２のピッチは、例えば６．４ｍｍである。

筒状部材４は、図１及び図２に示すように、好ましくは炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成された円筒パイプである。ＣＦＲＰは、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電気伝導性、耐引張力等に優れた材料である。筒状部材４の内径は、例えば６ｍｍであり、筒状部材４の厚みは、例えば０．２ｍｍであり、筒状部材４の長さは、ハニカムコア３の高さ寸法と同じ（例えば１００ｍｍ）である。

筒状部材４は、以下のように作製される。即ち、まず基材として、ＣＦＲＰのプリプレグを用意する。ＣＦＲＰのプリプレグとしては、例えば東邦テナックス社製の平織Ｗ３１０１／Ｑ１１２を用いる。このプリプレグの積層構成は、（０／９０）である。このようなプリプレグを直径６ｍｍ、長さ１５０ｍｍのフッ素樹脂製の丸棒に１層巻き付け、１３０℃の温度で２時間程度の熱硬化処理を行う。その後、丸棒を抜き取ることで、上記の筒状部材４が得られる。

このようなエネルギー吸収構造１において、筒状部材４の長さはハニカムコア３の高さ寸法と同じであり、筒状部材４がハニカムコア３の全セル２内に挿入されていることから、着地衝撃が加えられたときには、ハニカムコア３及び各筒状部材４が同時に逐次破壊を始める。このため、荷重−変位特性としては、図３に示すように、筒状部材４がない場合（図中の破線Ｑ参照）に比べて、筒状部材４が破壊される分だけ圧潰（座屈）荷重が高くなる（図中の実線Ｐ参照）。従って、筒状部材４がない場合よりも高いエネルギー吸収特性（Ｅ／Ａ特性）を得ることができる。

ところで、図４に示すように、互いに剛性の異なるハニカムコア２１，２２と、各ハニカムコア２１，２２間に設けられた仕切板２３とを備えた従来技術のエネルギー吸収構造２０では、以下の不具合が発生する。

即ち、まず剛性の低いハニカムコア２１が破壊し、その後で剛性の高いハニカムコア２２が破壊することになるが、ハニカムコア２１の破壊とハニカムコア２２の破壊とが仕切板２３によって完全に不連続に発生してしまう。このとき、ハニカムコア２２の座屈荷重が許容値を超えないと、ハニカムコア２２の破壊が発生しない。このため、ハニカムコア２２の座屈荷重が許容値を超えてハニカムコア２２の破壊が発生するときには、ピーク荷重が立ってしまう。

例えば通常の小型機では、座席直下に主翼の桁が通るため、十分なエネルギー吸収ストロークが取れないことが多い。このため、荷重−変位特性では、ピーク荷重／プラトー荷重の比率が１．０〜１．３程度でないと、良好なエネルギー吸収特性を有しているとは言い難い。図４に示すようなエネルギー吸収構造２０では、ピーク荷重／プラトー荷重の比率が１．５程度と推定されるため、ヘリ等の高翼機のみに使用が限定されてしまう。

これに対し本実施形態のエネルギー吸収構造１では、ハニカムコア３の破壊を不連続に発生させる仕切板等は存在しないため、ピーク荷重を最小限に抑えることができる。これにより、例えば通常の小型機においてもピーク荷重／プラトー荷重の比率を１．０〜１．３の範囲内とすることができ、人体に与える影響を軽減することが可能となる。

以上のように本実施形態によれば、着地衝撃が加えられたときでも、ピーク荷重を最小限に抑えつつ、高い圧潰荷重を得ることができるため、エネルギー吸収特性を向上させることが可能となる。

図５（ａ）は、図１（ａ）に示したエネルギー吸収構造の変形例を示す平面断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したエネルギー吸収構造の側面断面図である。

同図において、本変形例のエネルギー吸収構造１では、筒状部材４の長さがハニカムコア３の高さ寸法の１／２程度となっている。筒状部材４は、ハニカムコア３の各セル２内における下側部分に挿入されている。

このようなエネルギー吸収構造１において、着地衝撃が加えられたときには、図６に示すように、まずハニカムコア３のみが逐次破壊を始め、ある一定の圧潰荷重となる。その後、ハニカムコア３と共に各筒状部材４も逐次破壊を始める。このため、ハニカムコア３のみが破壊される場合と比べて、筒状部材４が破壊される分だけ圧潰荷重が高くなる。このようにエネルギー吸収特性（荷重−変位特性）を段階的に発現させることができる（図中の実線Ｐ参照）。

このとき、ハニカムコア３の破壊を不連続にする仕切板等は存在しないため、ハニカムコア３の破壊の連続性が起こる。即ち、図７に示すように、ハニカムコア３の座屈破壊により生じたセル２の変形によって、筒状部材４の内壁面には座屈荷重によらない局所的な曲げの応力集中が発生し、その後で逐次破壊に至るようになる。これにより、ピーク荷重が発生することは殆ど無い。

図８（ａ）は、図１（ａ）に示したエネルギー吸収構造の他の変形例を示す平面断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示したエネルギー吸収構造の側面断面図である。

同図において、本変形例のエネルギー吸収構造１では、筒状部材４は、ハニカムコア３の全セル２ではなく、一部（ここではハニカムコア３の両側部分）のセル２内に挿入されている。なお、筒状部材４の長さは、ハニカムコア３の高さ寸法と同じである。

ハニカムコア３において筒状部材４が挿入された領域では、上述したように高い圧潰荷重により高いエネルギー吸収特性を得ることができる（図９中の実線Ｓ参照）。一方、ハニカムコア３において筒状部材４が挿入されていない領域に生じる荷重は、ハニカムコア３のみの圧潰荷重となる（図９中の実線Ｒ参照）。このとき、筒状部材４が挿入されない部位を人体に直接影響を及ぼす位置に設定しておけば、全体としては高いエネルギー吸収特性を得ながら、人体へのＧ（重力加速度）を低減することが可能となる。

以上説明してきた実施形態のように、筒状部材４の長さ、本数及び挿入部位等を適宜変えることにより、ハニカムコア３のエネルギー吸収特性を簡単に且つ自由に制御することが可能となる。

なお、上記実施形態は、エネルギー吸収構造１を航空機に搭載したものであるが、本発明のエネルギー吸収構造は、衝撃が加えられることがある他の交通機関等にも適用可能である。

１…エネルギー吸収構造、２…セル、３…ハニカムコア、４…筒状部材。

Claims (4)

1. 衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収構造において、
   ハニカム状に配置された複数のセルを有するハニカムコアと、
   前記セル内に挿入され、衝撃が加えられたときに破壊可能な筒状部材とを備えることを特徴とするエネルギー吸収構造。
2. 前記筒状部材の長さが前記ハニカムコアの高さ寸法よりも短いことを特徴とする請求項１記載のエネルギー吸収構造。
3. 前記筒状部材は、前記複数のセルのうち一部のセル内に挿入されていることを特徴とする請求項１または２記載のエネルギー吸収構造。
4. 前記筒状部材は、炭素繊維強化プラスチックで形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のエネルギー吸収構造。
   
   

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