JP2015020476A

JP2015020476A - 曲げ変形時の最大反力および吸収エネルギーを高めた薄肉柱状部材

Info

Publication number: JP2015020476A
Application number: JP2013148055A
Authority: JP
Inventors: 祐介常見; Yusuke Tsunemi; 智史広瀬; Tomohito Hirose
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: JP6268780B2

Abstract

【課題】曲げ変形に対する最大反力および吸収エネルギー量を高めたハット形断面を有した柱状部材を提供すること。
【解決手段】所定の軸線に沿って延設された上壁１２と、該上壁１２の両側縁１２ａ、１２ｂに沿って延設された側壁１４、１６と、該側壁１４、１６において上壁１２とは反対側の縁部１４ａ、１６ａに沿って延設されたフランジ部１８、２０とを有して、軸線に垂直な断面が略ハット形を呈する柱状部材１０が、側壁１４、１６に設けられた低強度部を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車のボディー等に用いられる薄肉柱状部材に関する。

自動車は、車両の軽量化と高剛性化のために、薄板を断面が所謂ハット形になるように塑性変形させて形成された柱状部材を互いに溶接して車体を形成している。また、自動車の衝突事故に際して客室の生存空間を確保するため、こうした柱状部材は、曲げ変形時の最大反力と吸収エネルギーを高めることが求められている。

例えば、特許文献１には、対向する一対の側面（壁面部）に複数の凸部を設け、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形を抑制して、曲げ抗力特性をより向上させた車両用フレーム構造が開示されている。

特開２０１１−１６４０９号公報

然しながら、特許文献１に記載の車両用フレーム構造では、凸部を側壁に一様に形成しなければならず、柱状部材に適用するためには、加工が非常に困難である。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを目的としており、簡単な構成で曲げ変形に対する最大反力および吸収エネルギー量を高めたハット形断面を有した柱状部材を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、所定の軸線に沿って延設された上壁と、該上壁の両側縁に沿って延設された側壁と、該側壁において上壁とは反対側の縁部に沿って延設されたフランジ部とを有して、前記軸線に垂直な断面が略ハット形を呈する柱状部材において、前記側壁において、前記上壁に接続された側縁部に隣接させて低強度部を設けたことを特徴とする柱状部材が提供される。

本発明によれば、ハット形断面を有した柱状部材の側壁において上壁に接続された側縁部に隣接させて低強度部を設けるだけで、曲げ変形に対する最大反力と吸収エネルギーとを高めることが可能となる。

また、特許文献１の発明では、部材側壁の断面外向きの変形を抑制することによってのみ、抵抗力および吸収エネルギーを高めているが、本発明では、低強度部が先に潰れることによって、潰れた低強度部の端部に位置する部分が互いに接触することによって、そこが支点となって変形に抵抗し抵抗力および吸収エネルギー量が高まる。

図２の矢視線I-Iの方向に見た本発明の好ましい実施の形態によるハット形断面を有した柱状部材の端面図である。図１の矢視II-IIの方向に見たハット形断面を有した柱状部材の側面図である。シミュレーションで用いた柱状部材の概略寸法を説明するための略図である。シミュレーションを行った衝突系を説明するための略図である。低強度部を有した本発明の柱状部材のシミュレーション結果を示す図である。低強度部を備えていない比較例の柱状部材のシミュレーション結果を示す図である。本発明の柱状部材と比較例の柱状部材とにつきストライカーの変位に対する反力の変化を示すグラフである。本発明の柱状部材と比較例の柱状部材とにつきストライカーの変位に対するエネルギー吸収量の変化を示すグラフである。半円形状の低強度部を示した略図である。正三角形状の低強度部を示した略図である。

以下、図１、２を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
柱状部材１０は、図１の紙面に垂直な直線状の主軸線Ｏmに沿って延びる平板状の上壁１２と、該上壁１２の両側縁部１２ａ、ｂに沿って延設された側壁１４、１６と、各側壁１４、１６の反対側の縁部１４ａ、１６ａに沿って延設されたフランジ部１８、２０とを具備して、該柱状部材１０の主軸線Ｏmの方向である長手方向に対して垂直な平面で切断した断面（横断面）が概ねハット形となっている。

柱状部材１０の側壁１４、１６の各々には、低強度部２２、２４が設けられている。図１、２に示す実施形態では、低強度部２２、２４は、ホットスタンプの焼き分けや部分的に焼き戻して側壁１４、１６の一部を軟化させることによって形成することができる。なお、低強度部は、例えば、図９に示すように、側壁１４、１６の上縁部、つまり上壁１２の側縁１２ａ、１２ｂ上に中心を有する半円形の低強度部２２′、２４′としたり、同じように側壁１４、１６の上縁部、つまり上壁１２の側縁１２ａ、１２ｂの一部を底辺とし、フランジ部１８、２０へ向けて頂点が配置されるような三角形、好ましくは二等辺三角形の低強度部２２″、２４″とすることができる。低強度部２２、２４は、他の部分の強度の０．８〜０．２倍、好ましくは０．７倍の強度を有している。

本発明を適用したハット形断面を有した柱状部材１０の上壁１２に軸線Ｏに沿って垂直方向に外力Ｆが作用したときの柱状部材１０の変形挙動のシミュレーション（数値解析）し、これと低強度部を備えていない比較例を比較した。比較例は、低強度部２２、２４を備えていない点を除いて、本発明の柱状部材１０と同一の形状を有している。なお、軸線Ｏは、低強度部２２、２４の中心を通過する上壁１２および主軸線Ｏmに対して垂直な平面と前記側壁との交線である。

シミュレーションで用いた柱状部材１０の概略寸法を図３に示す。図３において、柱状部材１０は長さ１０００ｍｍ、上壁１２の幅６０ｍｍ、最大幅（フランジ１８、２０の外縁間の距離）１２０ｍｍ、フランジ部１８、２０の各々の幅２０ｍｍ、側壁１４、１６の高さ６０ｍｍとなっている。側壁１４、１６には、図９に示すような半円形の低強度部２２′、２４′が形成されている。

上述の柱状部材１０および比較例の柱状部材を、図４に示すように、支点としての一対の円柱３０、３２間に架け渡し、質量２００Kgの円柱状剛体４０をストライカーとして、矢印Ａで示すように上壁１２に衝突させたときの柱状部材１０の変形挙動をシミュレーションした。なお、支点としての円柱３０、３２は、直径５０ｍｍで、柱状部材１０のフランジ部１８、２０との接点Ｐt1、Ｐt2間の距離（スパン）７００ｍｍを置いて互いに離間させて固定されている、つまりストライカー衝突時に移動しない条件でシミュレーションを行った。上壁１２へのストライカーの衝突速度は１０ｍ／ｓである。

シミュレーション結果を図５、６に示す。図５は、図９に示すような半円形の低強度部２２′、２４′を有した本発明による柱状部材１０の変形挙動を示し、図６は、比較例の柱状部材の変形挙動を示している。ストライカー４０が、軸線Ｏに沿って柱状部材１０に衝突すると、柱状部材は、本発明の場合でも比較例の場合でも、柱状部材は、ストライカー４０の進行方向に上壁１２が凹むように曲げ変形を受け、側壁１４、１６は外側に膨出しながら略∨字形に変形し、その結果、柱状部材１０は矢印Ａの方向に凹むように軸線Ｏを中心として全体的に折れ曲がるように変形する。その際、本発明による柱状部材１０では、ストライカー４０が衝突すると、低強度部２２′、２４′から変形が開始して、その半円形の円弧の両端Ｐ1、Ｐ2が互いに接近し、最終的に一点Ｐa（当接点Pa、図５参照）で当接する。そして、当接点Ｐaが支点となって、側壁１４、１６が変形しにくくなると共に、ストライカー４０の移動（変位）を阻止する。これに対して比較例では、側壁の変形が進行して、本発明による柱状部材と比較して大きく屈曲する。

図７は、ストライカー４０の変位に対する反力の変化を示している。比較例による柱状部材では、ストライカー４０の変位に対して反力が漸減し、最終段階で柱状部材の略∨字形に変形した側壁どうしが接触するために反力が増加するのに対し、本発明による柱状部材では、側壁が点Ｐａで当接した時点で反力が早期に増加し、ストライカー４０の変位も比較例よりも小さくなっている。

図８は、ストライカー４０の軸線Ｏ方向の変位に対する柱状部材１０のエネルギー吸収量を示している。図８から、本発明による柱状部材１０は、比較例による柱状部材よりも小さな変位で同等のエネルギーを吸収していることが理解されよう。

更に、側壁１４、１６に設けた半円形の低強度部２２′、２４′の半径ｒを変更して、図４と同じ系でシミュレーションを行い最大反力および吸収エネルギーの変化を比較した。比較結果を表１に示す。なお、表１では、半径ｒは、側壁１４、１６の高さＨで規格化されている。

表１からは、低強度部２２′、２４′の半径Ｒが側壁１４、１６の高さＨに対して２０〜４０％の柱状部材（Ｂ、Ｃ）、特に２０％の柱状部材（Ｂ）の場合に最大反力および吸収エネルギー量が高くなっていることが理解されよう。一方、半径Ｒが、側壁１４、１６の高さＨに対して５０％（柱状部材Ｄ）となると、却って最大反力、吸収エネルギー量共に低強度部２２′、２４′を設けない場合よりも低下してしまう。

更に、側壁１４、１６に設けた半円形の低強度部２２′、２４′の強度を変更して、図４と同じ系でシミュレーションを行い、最大反力および吸収エネルギーの変化を比較した。比較結果を表２に示す。なお、表２では、強度は、低強度部２２′、２４′を除いた母材の強度で規格化されている。

表２からは、母材に対する低強度部２２′、２４′の強度が０．２〜０．８の柱状部材（Ｃ〜Ｆ）の場合、最大反力は柱状部材（Ａ、Ｂ）よりも低くなっているが、吸収エネルギー量が高くなっていることが理解されよう。特に、柱状部材（Ｂ）と柱状部材（Ｃ）との差が大きく、顕著な効果が示されている。

更に、側壁１４、１６に設けた正三角形状の低強度部２２″、２４″の一辺の長さＬを変更して、図４と同じ系でシミュレーションを行い、最大反力および吸収エネルギーの変化を比較した。比較結果を表２に示す。なお、表２では、一辺の長さＬは、側壁１４、１６の高さＨで規格化されている。

表３からは、低強度部２２″、２４″の一辺の長さＬが側壁１４、１６の高さＨに対して１０〜２８％の柱状部材（Ｂ、Ｃ）、特に１０％の柱状部材（Ｂ）の場合に最大反力および吸収エネルギー量が高くなっていることが理解されよう。一方、一辺の長さＬが、側壁１４、１６の高さＨに対して４２％（柱状部材Ｄ）となると、却って最大反力、吸収エネルギー量共に低強度部２２″、２４″を設けない場合よりも低下してしまう。

更に、側壁１４、１６に設けた正三角形状の低強度部２２″、２４″の強度を変更して、図４と同じ系でシミュレーションを行い、最大反力および吸収エネルギーの変化を比較した。比較結果を表４に示す。なお、表４では、強度は、低強度部２２″、２４″を除いた母材の強度で規格化されている。

表４からは、母材に対する低強度部２２″、２４″の強度が０．２〜０．８の柱状部材（Ｃ〜Ｆ）の場合、最大反力は柱状部材（Ａ、Ｂ）よりも低くなっているが、吸収エネルギー量が高くなっていることが理解されよう。特に、柱状部材（Ｂ）と柱状部材（Ｃ）との差が大きく、顕著な効果が示されている。

本発明は、自動車の車体に適用可能である。

１０柱状部材
１２上壁
１４側壁
１６側壁
１８フランジ部
２０フランジ部
２２低強度部
２４低強度部
３０円柱部材
３２円柱部材
４０ストライカー

Claims

所定の軸線に沿って延設された上壁と、該上壁の両側縁に沿って延設された側壁と、該側壁において上壁とは反対側の縁部に沿って延設されたフランジ部とを有して、前記軸線に垂直な断面が略ハット形を呈する柱状部材において、
前記側壁において、前記上壁に接続された側縁部に隣接させて低強度部を設けたことを特徴とする柱状部材。
前記低強度部は、前記上壁と前記側壁との間の縁部に沿って直径が延設されるように配置された半円形の低強度部である請求項１に記載の柱状部材。
前記低強度部は、前記上壁と前記側壁との間の縁部に沿って底辺が延設されるように配置された二等辺三角形の低強度部である請求項１に記載の柱状部材。
前記低強度部は、ホットスタンプの焼き分けや部分的に焼き戻しによって形成される請求項１〜３の何れか１項に記載の柱状部材。
前記低強度部の強度は、母材の強度に対して０．２以上０．８以下となっている請求項２〜４の何れか１項に記載の柱状部材。