JP2012219886A - 構造物の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】第１部材や第２部材の疲労強度を向上できる構造物の接合構造を提供すること。
【解決手段】第１フランジ２ａ及びウェブ２ｂを有する第１部材２と、その第１部材２の第１フランジ２ａと第２部材１０１との間で接合部３が形成される構造物１の接合構造であって、第１部材２の第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅから接合部３に向かってスリット４が形成される。スリット４により第１フランジ２ａの剛性が低下し、第２部材１０１の変形に応じ、第１フランジ２ａはある程度の範囲で倣うことができる。その結果、第２部材１０１の変形に伴う接合部３の接合端部３ａにおける応力集中が緩和される。これにより、第１部材２や第２部材１０１の疲労強度を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は構造物の接合構造に関し、特に、第１部材や第２部材の疲労強度を向上できる構造物の接合構造に関するものである。

従来より、航空機の胴体、鉄道車両の構体、船舶の船体などを構成する構造物の中には、板状の外板と、その外板の背面に接合されるフレームとを備えて構成されるものがある（特許文献１）。図３及び図４を参照して、特許文献１に開示される従来の構造物の接合構造について説明する。まず、図３を参照して構造物１００の一例について説明する。図３は従来の構造物１００の正面図である。

図３に示すように、構造物１００は、複数枚の板状の外板１０１と、その外板１０１の背面に接合されるフレーム１０２とを備えて箱形状に構成されている。外板１０１は押出形材により構成されており、Ｊ型の断面を有する複数の縦通材１０１ａが背面側に突出している。縦通材１０１ａは、外板１０１の長手方向に沿って外板１０１と一体に形成されている。外板１０１は長手方向の縁部が互いに接続され、接続された縁部の内側にガセット（図示せず）が配設されている。

フレーム１０２は、第１フランジ１０２ａ及びウェブ１０２ｂ並びに第２フランジ１０２ｃを備えて構成されており、第１フランジ１０２ａが外板１０１の背面に接合されている。フレーム１０２は、縦通材１０１ａの位置に対応して、ウェブ１０２ｂの外板１０１側の一部および第１フランジ１０２ａに切欠部１０２ｄが形成されている。

次に図４を参照して、フレーム１０２と外板１０１とを備える構造物１００の接合構造について説明する。なお、以下の説明では、フランジ（第１フランジ１０２ａ及び第２フランジ１０２ｃ）及びウェブ１０２ｂを備えるフレーム１０２を「第１部材」と称し、外板１０１を「第２部材」と称する。図４（ａ）は従来の構造物１００の接合構造を示す図３のＩＶａ−ＩＶａ線における第１部材（フレーム）１０２及び第２部材（外板）１０１の断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ方向から視た第１部材１０２の平面図である。

図４（ａ）に示すように、第１部材１０２はＺ型の断面を有しており、第２部材１０１と重なり合う第１フランジ１０２ａと、その第１フランジ１０２ａから立設されるウェブ１０２ｂと、そのウェブ１０２ｂの上縁から水平方向に第１フランジ１０２ａの反対側に延設される第２フランジ１０２ｃとを備えている。第１フランジ１０２ａは、長手方向が切欠部１０２ｄにより分断されている。第１フランジ１０２ａと第２部材１０１との間に接合部１０３が形成され、第１フランジ１０２ａと第２部材１０１とは結合される。

接合部１０３は、第１フランジ１０２ａの長手方向に沿って線状に形成されており、構造物１００においては、摩擦撹拌接合によって形成されている。このように接合部１０３が形成されて第１部材１０２と第２部材１０１とが結合されることにより、第２部材１０１は引張力を、第１部材１０２は第２部材１０１に作用する曲げ荷重からの圧縮力を負担し、構造物１００の機械的強度が確保される。

特開２００７−２６９１９７号公報

しかしながら上記従来の構造物の接合構造では、第２部材１０１の変形に伴う応力が、接合部１０３の接合端部１０３ａに集中し、接合端部１０３ａを起点として第１部材１０２や第２部材１０１に疲労破壊が発生するという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、第１部材や第２部材の疲労強度を向上できる構造物の接合構造を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

この目的を達成するために、請求項１記載の構造物の接合構造によれば、第１部材のフランジと第２部材との間で線状または点状の接合部が形成されるものであり、第１部材のフランジの長手方向端部と所定の間隔をあけてフランジの長手方向の縁部から線状の接合部または点状の接合部を結ぶ接合線に向かってスリットが形成される。スリットによりフランジの剛性が低下し、第２部材の変形に伴う接合部の応力集中が緩和される。これにより、第１部材や第２部材の疲労強度を向上できる効果がある。

請求項２記載の構造物の接合構造によれば、スリットは、フランジに複数本形成されるので、フランジの剛性を効果的に低下させることができる。これにより、接合部への応力集中の緩和効果を高めることができ、請求項１の効果に加え、第１部材や第２部材の疲労強度をさらに向上できる効果がある。

請求項３記載の構造物の接合構造によれば、スリットは、接合線または線状の接合部の両端の接合端部からフランジの長手方向の縁部に下ろした２本の垂線の間に形成されている。その結果、スリットをフランジの剛性低下に寄与させると共に、スリットが疲労破壊の起点となることを防止できる。これにより、請求項１又は２の効果に加え、スリットが形成されることによる強度低下を防止できる効果がある。

請求項４記載の構造物の接合構造によれば、スリットは、接合線または線状の接合部と非交差の状態で形成されているので、スリットをフランジの剛性低下に寄与させると共に、スリットが疲労破壊の起点となることを防止できる。これにより、請求項１から３のいずれかの効果に加え、スリットが形成されることによる強度低下を防止できる効果がある。

（ａ）は第１実施の形態における構造物の接合構造を示す第１部材および第２部材の断面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ方向から視た第１部材の平面図である。 （ａ）は第２実施の形態における構造物の接合構造を示す第１部材および第２部材の断面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ方向から視た第１部材の平面図である。 従来の構造物の正面図である。 （ａ）は従来の構造物の接合構造を示す図３のＩＶａ−ＩＶａ線における第１部材および第２部材の断面図であり、（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ方向から視た第１部材の平面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。まず、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、本発明の第１実施の形態における構造物１の接合構造について説明する。図１（ａ）は第１実施の形態における構造物１の接合構造を示す第１部材２及び第２部材１０１の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ方向から視た第１部材２の平面図である。なお、第１実施の形態と同一の従来の部分は、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図１（ａ）に示すように、第１部材２はＺ型の断面を有しており、第２部材１０１と重なり合う第１フランジ２ａと、その第１フランジ２ａから立設されるウェブ２ｂと、そのウェブ２ｂの上縁から第１フランジ２ａと略平行して第１フランジ２ａの反対側に延設される第２フランジ２ｃとを備えている。

図１（ｂ）に示すように、第１フランジ２ａは、縦通材１０１ａ（図３参照）の位置に対応して切欠部２ｄが形成されている。接合部３は、第１フランジ２ａと第２部材１０１との間で、第１フランジ２ａの長手方向に沿って線状に形成されている。接合部３により第１フランジ２ａと第２部材１０１とは結合される。本実施の形態では、接合部３は摩擦撹拌接合により形成されている。

第１フランジ２ａに形成された切欠部２ｄ（第１フランジ２ａの長手方向端部）と所定の間隔をあけて、第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅから線状の接合部３に向かってスリット４が形成されている。スリット４により第１フランジ２ａの剛性を低下させ、第２部材１０１の変形に伴い、ある程度の範囲で第１フランジ２ａを倣うようにできる。その結果、接合部３の両端の接合端部３ａに生じる応力集中が緩和される。これにより、第１部材２や第２部材１０１の疲労強度を向上できる。

スリット４は、線状の接合部３の両端の接合端部３ａから第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅに下ろした２本の垂線Ｐの間に形成されている。これにより、スリット４を第１フランジ２ａの剛性低下に寄与させると共に、スリット４が疲労破壊の起点となることを防止できる。その結果、スリット４が形成されることによる強度低下を防止できる。

本実施の形態では、スリット４は複数本形成されており、特に、３本のスリット４が形成されている。その内の１本はスリット４の先端部４ａが接合部３の長手方向の略中央に位置し、２本は先端部４ａが接合端部３ａの近傍に位置している。スリット４が複数本形成されているので、第１フランジ２ａの剛性を効果的に低下させることができる。これにより接合部３の接合端部３ａへの応力集中の緩和効果を高めることができ、疲労強度をさらに向上できる。

また、３本のスリット４が接合部３の長手方向の接合端部３ａの近傍と、接合部３の長手方向の略中央に形成されているので、第１フランジ２ａの長手方向に亘って第１フランジ２ａの剛性の低下をほぼ均等にできる。その結果、接合部３の接合端部３ａへの応力集中をさらに効果的に軽減できる。

スリット４は、線状の接合部３と非交差の状態で形成されている。具体的には、スリット４の先端部４ａが接合部３に接触することなく近接している。これによりスリット４によって接合部３の一部に欠損が生じることが防止され、接合部３の強度が低下することを防止できる。

また、スリット４が接合部３と交差し、先端部４ａが接合部３の幅方向の中心線Ｃを超えると、スリット４の先端部４ａに応力集中が生じる。その結果、スリット４の先端部４ａを起点として疲労破壊が生じ易くなる。これを防止するため、スリット４を接合部３と非交差の状態で形成することにより、スリット４の先端部４ａが疲労破壊の起点となることを防止できる。

具体的には、接合部３の幅方向の中心線Ｃとスリット４の先端部４ａとの距離は、接合部３を形成する手段（例えば、摩擦撹拌接合の回転ツールのピン径など）にもよるが、５〜２０ｍｍに形成される。５ｍｍより短くなるにつれ接合部３の欠損が生じ易くなり、接合部３の強度が低下する傾向がみられる。２０ｍｍより長くなるにつれ第１フランジ２ａの剛性の低下効果が低減し、接合部３の両端の接合端部３ａへの応力集中の緩和効果が低下する傾向がみられる。

スリット４の幅は、特に制限されるものではなく、任意の幅で形成することができる。スリット４の幅に関わらず、第１フランジ２ａにスリット４が形成されることで、第１フランジ２ａの剛性を低下させることができるからである。

また、スリット４と切欠部２ｄ（長手方向端部）との間隔は、あまりに小さいと、第１フランジ２ａの縁部２ｅと切欠部２ｄとの角部近傍の曲げ強さが低下し、第１フランジ２ａが塑性変形し易くなるため好ましくない。そこで、スリット４と切欠部２ｄ（長手方向端部）との間隔は、第１フランジ２ａの機械的強度を確保するため、縁部２ｅと切欠部２ｄとの角部近傍の第１フランジ２ａが塑性変形しない程度の適度な間隔に設定される。

第１部材２は、第２部材１０１と接合される前に、縦通材１０１ａ（図３参照）の位置に対応して切欠部２ｄが形成される。その切欠部２ｄを形成する際にスリット４の加工も行われる。切欠部２ｄ及びスリット４が形成された第１部材２は、第２部材１０１に突出した縦通材１０１ａを切欠部２ｄによって跨ぐように第２部材１０１の背面に配置され、第１フランジ２ａが第２部材１０１に重ねられる。そして、第１フランジ２ａの長手方向に沿って接合部３が形成される。以上のように、第２部材１０１に第１部材２を接合する前に第１フランジ２ａにスリット４を形成しておくことができるため、接合作業を簡素化できる。

以上説明したように第１実施の形態によれば、スリット４により第１フランジ２ａの剛性を低下させることで、接合部３の両端の接合端部３ａに生じる応力集中を緩和できる。その結果、第１部材２や第２部材１０１の疲労強度を向上できる。

次に図２を参照して、第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、第１フランジ２ａ及び第２部材１０１に線状の接合部３が形成される場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、第１フランジ２ａ及び第２部材１０１に点状の接合部１３が形成される場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分は、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図２（ａ）は第２実施の形態における構造物１１の接合構造を示す第１部材１２及び第２部材１０１の断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ方向から視た第１部材１２の平面図である。

図２（ｂ）に示すように、接合部１３は、第１部材１２の第１フランジ２ａと第２部材１０１との間で点状に形成され、第１フランジ２ａの長手方向に沿って所定の間隔をあけて列設されている。接合部１３は、第１フランジ２ａと第２部材１０１とに挿通孔（図示せず）を形成し、その挿通孔にリベット等の鋲やボルト等の連結部材を挿通固定することにより形成される。

第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅから、点状の接合部１３を結ぶ接合線Ｊに向かってスリット１４が形成されている。スリット１４により第１フランジ２ａの剛性を低下させ、第１実施の形態と同様に、第１部材１２や第２部材１０１の疲労強度を向上できる。接合線Ｊは、点状の接合部１３の中心間を結ぶ線である。接合部１３の中心は、連結部材が挿通される挿通孔の中心のことをいう。

スリット１４は、接合線１３の両端の接合端部１３ａから第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅに下ろした２本の垂線Ｐの間に形成されている。これにより、スリット１４を第１フランジ２ａの剛性低下に寄与させると共に、スリット１４が疲労破壊の起点となることを防止できる。

スリット１４は、接合線Ｊと非交差の状態で形成されている。具体的には、スリット１４の先端部１４ａが接合線Ｊに接触しないように近接されている。スリット１４が接合線Ｊと交差し、先端部１４ａが接合線Ｊを超えると、スリット１４の先端部４ａに応力集中が生じる。その結果、スリット１４の先端部１４ａを起点として疲労破壊が生じ易くなる。スリット１４を接合線Ｊと非交差の状態で形成することにより、スリット１４の先端部１４ａが疲労破壊の起点となることを防止できる。接合線Ｊとスリット１４の先端部１４ａとの距離は、２０ｍｍ以下とするのが好ましい。第１フランジ２ａの剛性の低下効果が低減するのを防止するためである。

以上の第２実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、スリット１４により第１フランジ２ａの剛性を低下させることで、接合線Ｊの両端の接合端部１３ａに生じる応力集中を緩和させ、第１部材１２や第２部材１０１の疲労強度を向上できる。

次に、上記第１実施の形態のように構成される構造物１の接合構造（以下「本発明構造」と称す）における接合部３（図１参照）の近傍の最大応力と、従来の構造物１００の接合構造（以下「従来構造」と称す）における接合部１０３（図４参照）の近傍の最大応力とを計算し、それらの計算結果を比較した。以下、その比較結果を説明する。

スリット４の先端部４ａから接合部３の幅方向の中心線Ｃまでの距離を１ｍｍとした本発明構造（以下「本発明構造１」と称す）の最大応力は、従来構造の最大応力に対して７９％であった。また、スリット４の先端部４ａから接合部３の幅方向の中心線Ｃまでの距離を１０ｍｍとした本発明構造（以下「本発明構造２」と称す）の最大応力は、従来構造の最大応力に対して８２％であった。また、スリット４の長さ（第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅからスリット４の先端部４ａまでの長さ）を本発明構造２のスリット４の長さの１／２とした本発明構造（以下「本発明構造３」と称す）の最大応力は、従来構造の最大応力に対して９０％であった。

以上の結果から、第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅから接合部３に向かってスリット４を形成することにより、最大応力を小さくできることが明らかとなった。また、最大応力は本発明構造３、本発明構造２、本発明構造１の順に小さくなることから、最大応力は、スリット４を長くするにつれ小さくできることも明らかとなった。

しかしながら、スリット４を長くすることによりスリット４が接合部３の幅方向の中心線Ｃと交差した場合は、スリット４の先端部４ａに最大応力が発生した。このときのスリット４の先端部４ａにおける最大応力は、従来構造の最大応力に対して１０４％であった。

以上の計算結果から、第１フランジ２ａの長手方向の縁部２ｅから接合部３に向かってスリット４を形成することにより、最大応力を小さくできることが確認された。これにより、第１部材２や第２部材１０１の疲労強度を向上できることが明らかである。

また、スリット４と接合部３（接合部３の幅方向の中心線Ｃ）とが交差すると、スリット４の先端部４ａに応力が集中し、最大応力が従来構造より大きくなることが確認された。これに対し、スリット４の先端部４ａを接合部３に限りなく近づけることで、最大応力を最も小さくできることが確認された。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、上記実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記実施の形態では、航空機、鉄道車両、船舶などの輸送用機器を構成する構造物（胴体、構体、船体など）に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の構造物に適用できることは当然可能である。この場合も、構造物の疲労強度を向上できる効果がある。但し、輸送用機器を構成する構造物に適用する場合は、スリット４，１４を形成することにより第１部材２，１２の質量を軽減できる。これにより構造物１，１１を軽量化できるため、特に好適である。

上記各実施の形態では、第１部材２，１２は、第１フランジ２ａ、ウェブ２ｂ及び第２フランジ２ｃを備え、Ｚ型の断面を有する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の断面形状とすることは当然可能である。他の断面形状としては、例えば、第２フランジ２ｃを有さないＬ型を挙げることができる。また、第２フランジ２ｃの先端から第２部材１０１側へ延設されるウェブ及び第３フランジを有するハット型を挙げることもできる。

上記各実施の形態では、第２部材１０１は、縦通材１０１ａが一体形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、縦通材１０１ａを別体とし、第２部材１０１と接合する構成とすることは当然可能である。

また、上記各実施の形態では、縦通材１０１ａは断面がＪ型に形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の断面を有する縦通材１０１ａを用いることは当然可能である。他の断面としては、例えば、Ｌ型、Ｚ型、ハット型等が挙げられる。

また、上記各実施の形態では、縦通材１０１ａが配設される切欠部２ｄが第１フランジ２ａに形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、切欠部２ｄを有しない第１フランジ２ａ（第１部材２，１２）に適用することは当然可能である。第１フランジ２ａ（第１部材２，１２）が切欠部２ｄを有しない場合でも、スリット４，１４は、第１フランジ２ａの長手方向端部と所定の間隔をあけて形成される。第１フランジ２ａの機械的強度を確保するためである。

上記各実施の形態では、第１部材２，１２としてフレームを例示して説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、フランジ及びウェブを備える他の部材を第１部材２，１２として適用することは当然可能である。他の部材としては、例えば、Ｌ型、Ｚ型等の断面を有する縦通材が挙げられる。

上記第１実施の形態では、接合部３が摩擦撹拌接合により形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の方法により接合部３を形成することは当然可能である。他の方法としては、例えば、重ねレーザ溶接、重ね抵抗溶接等の種々の溶接方法が挙げられる。

上記第２実施の形態では、接合部１３がリベット等の鋲やボルト等の連結部材により形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の方法により接合部１３を形成することは当然可能である。他の方法としては、例えば、重ねレーザ溶接、重ね抵抗溶接等による種々のスポット溶接、摩擦撹拌接合によるスポット接合等を挙げることができる。これらスポット溶接やスポット接合によれば、連結部材の挿通孔を形成する必要がないため、接合作業を簡素化できる。なお、接合部１３がスポット溶接やスポット接合等で形成される場合、接合部１３の中心は、各接合部分の中心のことをいう。

上記各実施の形態では、接合部３や接合線Ｊに対してスリット４，１４が３本形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、接合部３や接合線Ｊの長さに応じて、任意の数のスリット４，１４を形成できる。例えば、接合部３や接合線Ｊが短い場合には、接合部３や接合線Ｊの両端の接合端部３ａ，１３ａの近傍に１本ずつ、合計２本のスリット４，１４を形成し、中央付近のスリット４，１４を省略することが可能である。

上記各実施の形態では、スリット４，１４は、形状が、略平行の直線状に縁部２ｅから切り込まれ先端が略半円状に形成される場合について説明したが、必ずしもこの形状に限られるものではなく、他の形状とすることは当然可能である。他の形状としては、例えば、先端に向かうにつれ幅狭に形成されるもの、先端に向かうにつれ拡幅されるもの、縁部２ｅから曲線状や階段状に切り込まれるものが挙げられる。また、スリット４，１４が縁部２ｅに直交するように形成される場合について説明したが、これに限られるものではなく、縁部２ｅに斜交するように形成されることは当然可能である。なお、スリット４，１４の先端を略半円状等の曲線とすることにより、応力集中を緩和することができ、スリット４，１４が破壊（亀裂）の起点となることを防止できる。

上記各実施の形態では、第１部材２，１２と第２部材１０１とが重ね板（ストラップ）を介さずに接合される場合について説明したが、これに限られるものではなく、帯状の重ね板を介して接合することは当然可能である。また、第１フランジ２ａを折り曲げて重ね板構造とすることも可能である。

１，１１ 構造物
２，１２ 第１部材
２ａ 第１フランジ（フランジの一部）
２ｂ ウェブ
２ｄ 切欠部（長手方向端部）
２ｅ 縁部
３，１３ 接合部
３ａ，１３ａ 接合端部
４，１４ スリット
１０１ 第２部材
Ｊ 接合線
Ｐ 垂線

Claims (4)

1. フランジ及びウェブを有する第１部材と、その第１部材の前記フランジとの間でそのフランジの長手方向に沿って線状または点状の接合部が形成される板状の第２部材とを備える構造物の接合構造において、
   前記第１部材のフランジの長手方向端部と所定の間隔をあけて前記フランジの長手方向の縁部から前記線状の接合部または前記点状の接合部を結ぶ接合線に向かって形成されるスリットを備えていることを特徴とする構造物の接合構造。
2. 前記スリットは、複数本形成されていることを特徴とする請求項１記載の構造物の接合構造。
3. 前記スリットは、前記接合線または前記線状の接合部の両端の接合端部から前記フランジの長手方向の縁部に下ろした２本の垂線の間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の接合構造。
4. 前記スリットは、前記接合線または前記線状の接合部と非交差の状態で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の構造物の接合構造。

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