JP2014156111A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のハニカム構造体の力学優位性を損なうことなく、ハニカムコアのセルライン方向、つまり長さあるいは幅方向の荷重に対して座屈崩壊を起こすことなく、力を伝播することができるハニカム構造体を提供する。
【解決手段】ハニカムコアを構成するセル１、２、３、４、５、６の各々の一辺の厳正なる中点７、８、９、１０、１１、１２に内接する構造体をセル中に内蔵したハニカム構造体を提供する。内蔵体も球形，中空球体，円柱体，円筒体（図１），六角柱体，六角筒体等々の任意の形状で良い。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明はハニカム構造体の構成に関し、特にハニカムコアを形成するセルの構成に関する。

第二次大戦中にイギリス空軍で航空機材料の不足を補うために開発されたハニカム構造体は、六角形のセルの集合体と該集合体をサンドイッチ状に狭持する表面板との構成で、重量当り強度と剛性が既存の構造体では最も高いとされている。
例えばアルミハニカム構造体の比強度は普通鋼の約１２倍、つまり普通鋼の約１２分の１の重量で要求される強度を得ることができる。更にセル空隙を有するハニカム構造体が軽量で、しかも高い衝撃吸収性など力学的優位性を持つことから、その挙動に関しても多くの研究が行われている（「ハニカム構造体の面内衝撃挙動に及ぼすライン充填セルの影響」東工大・中本浩章、足立忠晴、埼玉大・荒木稚子）。

発明の解決しょうとする課題

しかし乍ら、この高い衝撃吸収性はセルラインの座屈崩壊に起因するものであり、換言すれば従来のハニカム構造体の力学的優位性はコアの厚み方向に対しては高位の性能を発揮するがコアのセルライン方向、つまり長さあるいは幅方向に対してはコアを狭持する表面板があればその物理的強度によってせん断力に対しては有効に作用するが、コアのセルラインのみでは外力に拮抗する応力伝播は発現せず、ハニカム構造体の持つ構造上・機構上の力学的優位性はほとんど発揮されず、セルラインの座屈崩壊に至る。

本発明は、従来のハニカム構造体の力学的優位性を損なうことなく、全く新しい知見に基づき、今日までほとんど不可能とされてきたハニカムコアのセルライン方向の外力に対しても座屈崩壊を起こすことなく外力に拮抗した応力を発現し、力の伝播を可能にする今日まで全く予見されなかった驚くべき力学的特性を持つ画期的なハニカム構造体を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。

ハニカムコアを構成するセルの各々の一辺の厳正なる中点に内接する構造体を内蔵したハニカム構造体。

本発明のハニカム構造体を構成するセル及び内蔵体は、金属、非鉄金属、高分子系など有機系、無機系材料を問わず任意の材料を選択できる。また内蔵体も球体・中空球体・円柱体・円筒体（図１）、六角柱体・六角筒体（図２）、星型柱体・星型筒体（図３）など任意の形状を選択できるが、好ましくは球体又は中空球体、更に好ましくは球体である構造体。

更に本発明の特筆すべきは、上記構造体を内包するハニカムセルの材料は、所定の物理的性質を満足すれば、剛体に限定されず弾性体、例えば繊維やエラストマーなどでも本発明の課題を解決する手段として提供できる。

さて、前記のように構成されたハニカム構造体のセルライン方向に負荷された外力は、内蔵体を介してセルの各辺に引張り応力を発現させる。

その際、セルの各辺に発現した内部応力のベクトルは瞬間的に閉じられた状態となり、セル本体は均衡状態を維持する。そしてセル材料が外力に拮抗し得る抗張力を具備するものであればセルラインは座屈崩壊を起こすことなく力を伝播することができる。

また、セルラインに外力が負荷された瞬間、内蔵体はセルの各辺に引張り応力を発現さす初期作用をするが、セルの各辺内に発現した引張り応力のベクトルが閉じた瞬間、セル本体は均衡状態となるため内蔵体は一切外力の影響を受けなくなる。

ただし、外力の大きさは内蔵体に発現する瞬間的な初期応力の弾性範囲内でなければならない。

上記［００１０］乃至［００１２］に記述の瞬間という文言の意味は、分子間の応力伝播速度レベルの速さという意味である。なお分子間の応力伝播速度論については別途専門書を参照願います。ちなみに応力伝播速度をＣ、弾性率Ｅ、密度Ｐとする

発明の効果

本発明は以下の効果を奏する。

本発明のハニカム構造体は以上の如く構成されているので従来のハニカム構造体の力学的優位性を損なうことなくセルライン方向の外力に対する強度を発現し力の伝播が可能となり、例えば航空機、鉄道車輌、貨物車両等のより一層の軽量化と建築構造物の耐震補強等全く新しい用途の開発が期待できる。

また本発明のハニカム構造体は想像をはるかに超えた軽量化が可能であり、所定の物理的性質を満足すればセル列方向の力の伝播が可能となり、例えば装着型歩行補助装置、いわゆるアシストスーツやアシストロボットの軽量化など全く新しい用途の開発が期待できる。

内蔵体が球体、中空球体、円柱体、円筒体であるセルの断面図である。 内蔵体が六角柱体、六角筒体であるセルの断面図である。 内蔵体が星型柱体、星形筒体であるセルの断面図である。 コンピュータシミュレーションによる応力解析図である。 コンピュータシミュレーションによる歪解析図である。 コンピュータシミュレーションによる変位解析図である。 本発明の星型筒体を内蔵体とするハニカム構造体の仕上り寸法図である。 ＳＵＳ３０４の定尺材料をエッチング加工した本発明の星型筒体を内蔵体とするハニカム構造体である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明のハニカム構造体は、セル列方向に外力が負荷されると、セルを形成する各々の一辺（図１乃至３、符号１乃至６）の厳正なる中点（図１乃至３、符号７乃至１２）に内接する構造体（図１乃至３、符号１３）を介して、図１乃至３・符号１乃至６に発現した引張り応力のベクトルは閉じた状態となり既知のテンセグリティ（ＴＥＮＳＥＧＲＩＴＹ）構造を構成する引張り部材の如く、外力に拮抗する強度（抗張力）を持つ一体化した構造体としての挙動をとり、隣接するセルに外力は伝播される。そしてそれに拮抗して同様に隣接するセルの各辺に引張り応力が発現し、外力は更に隣接するセルに伝播されて行く。

なお、本文中の「外力」は全て「反力」と読み変えられる。

さて周知の如く、１８６０年代ジェームズ・クラーク・マクスウェルがトラス構造システムの解析で「何かしらの量を最大もしくは最小にするような特別な形状」と述べ、既にその存在を認識していたと云われているテンセグリティ構造は、１９４８年バックミンスター・フラーがケネス・スネルソンの引張り材と圧縮材とからなる有機物で、不定形なオブジェに対して命名した造語〔Ｔｅｎｓｉｏｎ（引張り）とＩｎｔｅｇｒｉｔｙ（統合）〕であるが、このテンセグリティ構造は、構造工学における一般的な構造システムの何れにも分類されない構造であり、「構造が破綻しない範囲で、部材を極限まで減らした時の最適形状の一種であり、常識的には三角形を基本単位とする幾何学的要素の集合」と定義される。

一方、一般的な既知のハニカム構造も構造学上「与えられた平面を埋める最小の一辺を持つ最良の形状であり、三角形を基本単位とする幾何学的要素の集合」と定義される。

そこで、本発明は定義上近位にあるこの二つの構造システムより成るハニカム構造体の挙動解析を下記条件にてコンピュータ上でシミュレーションした。

上記シミュレーションの結果、本発明に記載のとおり次表及び図４．乃至６の如く、当該発明のハニカム構造体に負荷された外力の近位での変位を除き、中間のハニカムセルとセルの各辺の厳正なる中点に内接するガラス球には応力歪、変位はほとんど発現せず、当該ハニカム構造体の固定側に外力の約５０％の力が伝達された。

前述の結果に基づき、材質ＳＵＳ３０４、素材寸法５００^Ｗ×５００^Ｌ×０．２^Ｔ（ｍ／ｍ）を用いて、図７に表示の仕上り寸法でエッチング加工した本発明による星型筒体を内蔵体とする図８に提示のハニカム構造体を製作した。

なお、当該ハニカム構造体の製造方法としては、上記エッチング加工に限定されるものではなく、溶接加工、機械加工、冷間及び熱間鍛造加工又はプレス加工、あるいは圧接加工、さらには気泡の膨張メカニズムを応用した微細形状形成技術（リコージャパン株式会社）など、目的に応じて最も好ましい製造方法を選択できる。

１．セル ４．セル ７．厳正なる中点 １０．厳正なる中点 １３．内蔵体
２．セル ５．セル ８．厳正なる中点 １１．厳正なる中点
３．セル ６．セル ９．厳正なる中点 １２．厳正なる中点

Claims (1)

1. ハニカムコアを構成するセルの各々の一辺の厳正なる中点に内接する構造体をセル中に内蔵したハニカム構造体。