JP2016118292A - 重ね継手及びその製造方法、並びにその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手において、重ね部の端縁部の応力集中を緩和することである。
【解決手段】重ね継手１０は、金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４との重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂにおける応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂの間の応力負担を調整して、重ね部１６の応力分布をコントロールするために、重ね部１６における金属部材１２の板厚と繊維強化複合材料部材１４の板厚とが変化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、重ね継手及びその製造方法、並びにその設計方法に係り、特に、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手及びその製造方法、並びにその設計方法に関する。

従来、船舶、橋梁、運搬機等には、鋼材等で形成された金属部材と、繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）等で形成された繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手が用いられている。特許文献１には、ＦＲＰを船舶の外部構成材等に適用する場合には、ＦＲＰの端部を鋼板等からなる船体構造部材に固定する必要があり、ＦＲＰの端部をボルト等の締結具を用いて船体構造部材に固定することが記載されている。

特開２０１０−２１４９３０号公報

ところで、図２４は、従来の重ね継手１００の構成を示す図である。重ね継手１００は、例えば、鋼材と、炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）とを重ね合わせて接着等で接合して形成されている。このような重ね継手１００に引張荷重等が負荷されると、重ね部の端縁部の応力集中が大きくなり重ね継手１００が破壊し易くなる可能性がある。

そこで本発明の目的は、重ね部の端縁部の応力集中を緩和することが可能な重ね継手及びその製造方法、並びにその設計方法を提供することである。

本発明に係る重ね継手は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールするために、前記重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とが変化していることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部は、前記重ね部の端縁部に向けて前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との板厚が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、前記重ね部のラップ幅は、前記金属部材または前記繊維強化複合材料部材の前記傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールするために、前記重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が、変化していることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部は、前記重ね部の端縁部に向けて前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、前記重ね部のラップ幅は、前記金属部材または前記繊維強化複合材料部材の前記傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記傾斜面を形成する範囲は、前記重ね部のラップ幅の０．１倍から２倍の範囲であることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記傾斜面は、平面状の傾斜面であることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記傾斜面は、曲面状の傾斜面であることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記重ね部は、前記傾斜面を除いた箇所に凹部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記重ね部は、前記傾斜面に凹部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記重ね部は、前記傾斜面に凸部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手において、前記重ね部は、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着した接着層を有し、前記接着層は、前記接着剤のヤング率が、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように形成されていることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の製造方法は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の製造方法であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とを、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、前記重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールすることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の製造方法は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の製造方法であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方を、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えることにより、前記重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールすることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の製造方法において、前記板厚の変化の形態を変えるために、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を設け、前記傾斜面の傾き、前記傾斜面における平面状または曲面状の面形状、前記傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無、及び前記重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無の少なくとも１つを変えることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の製造方法において、前記重ね部は、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着して形成されており、前記重ね部の端縁部に向けて接着剤のヤング率が次第に小さくなるように接着することを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の設計方法は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の設計方法であって、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材とにおけるヤング率とポアソン比とを含む材料パラメータと、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部のラップ幅と、を決定する第１のステップと、前記材料パラメータと、前記ラップ幅と共に、前記重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚との少なくとも一方を、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えて重ね部の応力分布を応力解析する第２のステップと、前記応力解析により得られた重ね部に作用する応力分布が、実機の構造物から要求される重ね部の応力分布を満足するように、重ね部における板厚の変化の形態を決定する第３のステップと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の設計方法は、前記第２のステップにおいて、前記板厚の変化の形態を変えるために、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を設け、前記傾斜面の傾き、前記傾斜面における平面状または曲面状の面形状、前記傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無、及び前記重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無の少なくとも１つを変えることを特徴とする。

本発明に係る重ね継手の設計方法において、前記重ね部は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着して形成されており、前記第１のステップにおいて、前記材料パラメータは、接着剤のヤング率とポアソン比とを含むと共に、前記重ね部の接着層の厚みを決定し、前記第２のステップにおいて、接着剤のヤング率が重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように変化させると共に、接着剤のヤング率の変化の形態を変えて重ね部の応力分布を応力解析し、前記第３のステップにおいて、接着剤のヤング率の変化の形態を決定することを特徴とする。

上記構成の重ね継手によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部の応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布をコントロールするために、重ね部における金属部材と繊維強化複合材料部材との板厚が変化している、または重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が変化しているので、重ね部の端縁部の応力集中が緩和されて、重ね継手の破壊を抑制することが可能となる。

上記構成の重ね継手によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部は、重ね部の端縁部に向けて金属部材と繊維強化複合材料部材との板厚が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面、または重ね部の端縁部に向けて金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、重ね部のラップ幅は、金属部材または繊維強化複合材料部材の傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であるので、重ね部の端縁部でせん断変形を大きくすることにより、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊を抑制することが可能となる。

上記構成の重ね継手の製造方法によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部における金属部材の板厚及び繊維強化複合材料部材の板厚、または重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方を、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部の応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布をコントロールするので、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊を抑制することが可能となると共に、構造物や接合強度特性等から要求される重ね部の応力分布に合わせた重ね継手を容易に製造することができる。

上記構成の重ね継手の設計方法によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材とにおけるヤング率とポアソン比とを含む材料パラメータと、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部のラップ幅と、を決定する第１のステップと、材料パラメータと、ラップ幅と共に、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との少なくとも一方を、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えて重ね部の応力分布を応力解析する第２のステップと、応力解析により得られた重ね部に作用する応力分布が、実機の構造物から要求される重ね部の応力分布を満足するように、重ね部における板厚の変化の形態を決定する第３のステップと、を備えているので、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊を抑制することが可能となると共に、船舶等の実機における構造物から要求される重ね部の応力分布に合わせた重ね継手を容易に設計することができる。

本発明の第１の実施の形態において、重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態において、重ね部における金属部材の板厚または繊維強化複合材料部材の板厚を、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚または繊維強化複合材料部材の板厚の変化の形態を変えた構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態において、他の重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態において、別な重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態において、他の別な重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態において、重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態において、重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態において、他の重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態において、重ね継手の構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態において、重ね継手の設計方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施例において、比較例Ｘの解析モデルを示す図である。 本発明の第１の実施例において、実施例Ａから実施例Ｇの解析モデルを示す図である。 本発明の第１の実施例において、ＦＥＭ解析方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施例において、重ね部の端縁部における応力緩和の評価結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施例において、比較例Ｘ、実施例Ｃ、Ｅ、Ｆの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。 本発明の第１の実施例において、比較例Ｘ、実施例Ｃ、Ｇの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。 本発明の第２の実施例において、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルを示す図である。 本発明の第２の実施例において、ＦＥＭ解析方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施例において、比較例Ｘ、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。 本発明の第３の実施例において、実施例Ｊ、Ｋの解析モデルを示す図である。 本発明の第３の実施例において、比較例Ｘ、実施例Ｊ、Ｋの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。 本発明の第４の実施例において、実施例Ｌ、Ｍの解析モデルを示す図である。 本発明の第４の実施例において、比較例Ｘ、実施例Ｌ、Ｍの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。 従来の重ね継手の構成を示す図である。

以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、重ね継手１０の構成を示す図である。重ね継手１０は、金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４とを重ね合わせて形成されている。金属部材１２は、鋼材等の金属材料で形成されている。繊維強化複合材料部材１４は、炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）や、ガラス繊維強化樹脂複合材料（ＧＦＲＰ）等の繊維強化複合材料で形成されている。金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４との重ね部１６（破線の間）は、接着、レーザ溶接、摩擦攪拌接合等で接合されている。

重ね継手１０は、重ね部１６における金属部材側の端縁部１６ａと繊維強化複合材料部材側の端縁部１６ｂとの応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部１６における金属部材側の端縁部１６ａと繊維強化複合材料部材側の端縁部１６ｂとの間の応力負担を調整して、重ね部１６の応力分布をコントロールするために、重ね部１６における金属部材１２の板厚と繊維強化複合材料部材１４の板厚とが変化している。

重ね部１６における金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４とには、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂに向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した傾斜面１２ａ、１４ａが形成されている。より詳細には、重ね部１６の金属部材１２では、重ね部１６の金属部材側の端縁部１６ａから繊維強化複合材料部材側の端縁部１６ｂに向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した傾斜面１２ａが形成されている。重ね部１６の繊維強化複合材料部材１４では、重ね部１６の繊維強化複合材料部材側の端縁部１６ｂから金属部材側の端縁部１６ａに向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した傾斜面１４ａが形成されている。これらの傾斜面１２ａ、１４ａは、平面状の傾斜面であり、直線テーパ状に形成されている。

重ね部１６における金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４とについて、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂに向けて板厚が次第に小さくなるように板厚を傾斜させることにより、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂに向けて金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４との剛性が次第に小さくなるように調整される。

より詳細には、金属部材１２及び繊維強化複合材料部材１４の剛性Ｒは、各部材の有効断面積Ａ、縦弾性係数ＥとするとＲ＝Ａ×Ｅで表わされる。重ね部１６における金属部材１２と繊維強化複合材料部材１４では、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂに向けて板厚が次第に小さくなるように板厚を傾斜させることにより、各部材の有効断面積Ａが次第に小さくなるので、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂに向けて剛性が次第に小さくなるように調整される。これにより、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂでは、せん断変形が大きくなるので、接合面の拘束を下げ、ひずみを分散させて、従来の重ね継手よりも応力集中を緩和することが可能となる。

また、重ね部１６における金属部材側の端縁部１６ａと繊維強化複合材料部材側の端縁部１６ｂとの間では、重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂの応力集中の緩和による応力低下に伴う応力負担が生じて、従来の重ね継手よりも重ね部１６の端縁部１６ａ、１６ｂの間に作用する応力が大きくなる領域を得ることができる。

重ね部１６のラップ幅（重ね部１６における金属部材側の端縁部１６ａから繊維強化複合材料部材側の端縁部１６ｂまでの長さ）は、重ね継手１０に要求される強度により相違するが、金属部材１２または繊維強化複合材料部材１４の傾斜面１２ａ、１４ａを除いた部位の板厚の１倍以上であることが好ましく、例えば、１倍から５０倍とすることが好ましい。例えば、傾斜面１２ａ、１４ａを除いた部位の金属部材１２または繊維強化複合材料部材１４の板厚が３．２ｍｍである場合には、重ね部１６のラップ幅を、３．２ｍｍから１６０ｍｍとすることが好ましい。

重ね継手については、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、他の構成とすることが可能である。

図２は、重ね部における金属部材の板厚または繊維強化複合材料部材の板厚を、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚または繊維強化複合材料部材の板厚の変化の形態を変えた構成を示す図である。図２（ａ）から図２（ｇ）において、破線と破線との間は、重ね部に対応する位置を示している。

図２（ａ）は、重ね部における中間位置から端縁部に向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した平面状の傾斜面２０ａを形成した部材２０の構成を示す図である。図２（ｂ）は、重ね部の一方の端縁部を越えた位置から他方の端縁部に向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した平面状の傾斜面２２ａを形成した部材２２の構成を示す図である。

図２（ａ）に示す傾斜面２０ａの傾きは、図２（ｂ）に示す傾斜面２２ａの傾きよりも大きくなるように形成されている。傾斜面の傾きをより大きくすると、重ね部の端縁部の応力集中の緩和の度合が小さくなる（重ね部の端縁部の応力低下が小さくなる）傾向がある。これに対して傾斜面の傾きをより小さくすると、重ね部の端縁部の応力集中の緩和の度合が大きくなる（重ね部の端縁部の応力低下が大きくなる）傾向がある。また、傾斜面の傾きを変えることにより、重ね部の端縁部間の応力負担を変えることができる。

図２（ｃ）は、重ね部の一方の端縁部から他方の端縁部に向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した凹曲面状の傾斜面２４ａを形成した部材２４の構成を示す図である。図２（ｄ）は、重ね部の一方の端縁部から他方の端縁部に向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した凸曲面状の傾斜面２６ａを形成した部材２６の構成を示す図である。

傾斜面２４ａ、２６ａについては、凹曲面状や凸曲面状等の曲面状の傾斜面とすることが可能である。このように、傾斜面２４ａ、２６ａを曲面状とすることにより、重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合や、重ね部の端縁部の間の応力負担を変えることができる。曲面形状については、二次曲面や三次曲面等とすることが可能である。

図２（ｅ）は、重ね部における平面状の傾斜面２８ａに凹部２８ｂを設けた部材２８の構成を示す図である。図２（ｆ）は、重ね部における平面状の傾斜面３０ａに凸部３０ｂを設けた部材３０の構成を示す図である。図２（ｇ）は、重ね部における平面状の傾斜面３２ａを除いた箇所に凹部３２ｂを設けた部材３２の構成を示す図である。

図２（ｅ）から図２（ｇ）に示すように凹部２８ｂ、３２ｂや凸部３０ｂを設けることにより、重ね部の端縁部間において、局所的に応力を大きくしたり小さくしたりして応力を調整することができる。凹部２８ｂ、３２ｂや凸部３０ｂの形状については、丸形や角形等でもよい。凹部２８ｂ、３２ｂや凸部３０ｂについては、有底孔、凹溝、突起、凸条等に形成することが可能である。図２（ｅ）から図２（ｇ）に示す部材２８、３０、３２の構成では、凹部２８ｂ、３２ｂや凸部３０ｂを平面状の傾斜面に形成しているが、凹曲面状や凸曲面状の傾斜面に形成してもよい。また、図２（ｅ）から図２（ｇ）に示す部材の構成をいずれか２つ組み合わせてもよいし、全て組み合わせてもよい。

傾斜面を形成する範囲は、重ね部のラップ幅の０．１倍から２倍の範囲とすることが好ましい。例えば、重ね部のラップ幅が８０ｍｍである場合には、傾斜面を形成する範囲は、８ｍｍから１６０ｍｍとすることが好ましい。

重ね継手において、例えば、金属部材を図１に示す構成とし、繊維強化複合材料部材を図２（ａ）から図２（ｇ）に示すいずれかの構成としてもよいし、金属部材を図２（ａ）から図２（ｇ）に示すいずれかの構成とし、繊維強化複合材料部材を図１に示す構成としてもよいし、金属部材を図２（ａ）から図２（ｇ）に示すいずれかの構成とし、複合材料部材を図２（ａ）から図２（ｇ）に示すいずれかの構成としてもよい。

このように重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合いを調整すると共に、重ね部の端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布をコントロールすることが可能となる。

図３は、他の重ね継手３４の構成を示す図である。重ね継手３４については、金属部材３５を図１に示す金属部材１２の構成と同じにし、繊維強化複合材料部材３６を図２（ａ）に示す部材２０と同じ構成にして形成されている。この重ね継手３４の場合には、傾斜面３５ａ、３６ａが形成されていることにより、重ね部３８（破線の間）の端縁部３８ａ、３８ｂでは、従来の重ね継手よりも応力集中が緩和されると共に、重ね部３８の端縁部３８ａ、３８ｂの間では、図１に示す重ね継手１０よりも応力が小さくなる領域を設けることができる。

図４は、別な重ね継手４０の構成を示す図である。重ね継手４０については、金属部材４１を図１に示す金属部材１２の構成と同じにし、繊維強化複合材料部材４２を図２（ｂ）に示す部材２２と同じ構成にして形成されている。この重ね継手４０の場合には、傾斜面４１ａ、４２ａが形成されていることにより、重ね部４４（破線の間）の端縁部４４ａ、４４ｂでは、従来の重ね継手よりも応力集中が緩和されると共に、重ね部４４の端縁部４４ａ、４４ｂの間では、図１に示す重ね継手１０よりも応力が大きくなる領域を設けることができる。

図５は、他の別な重ね継手４６の構成を示す図である。重ね継手４６については、金属部材４８と繊維強化複合材料部材５０とが、図２（ｇ）に示す部材３２と同じ構成で形成されている。この重ね継手４６の場合には、傾斜面４８ａ、５０ａが形成されていることにより、重ね部５２（破線の間）の端縁部５２ａ、５２ｂでは、従来の重ね継手よりも応力集中が緩和されると共に、重ね部５２の端縁部５２ａ、５２ｂの間では、図１に示す重ね継手１０よりも応力が小さくなる領域を設けることができる。また、金属部材４８の傾斜面４８ａを除いた箇所と、繊維強化複合材料部材５０の傾斜面５０ａを除いた箇所とに凹部４８ｂ、５０ｂが設けられているので、重ね部５２の端縁部５２ａ、５２ｂの間において局所的に応力変化が大きくなる領域を設けることができる。

次に、重ね継手の製造方法について説明する。

重ね継手の製造方法では、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部の応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布がコントロールされる。

より詳細には、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を大きくしたり、小さくしたりすると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を大きくしたり、小さくしたりして、重ね部の応力分布をコントロールすることが可能となる。板厚の変化の形態を変えるためには、例えば、重ね部に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とが重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を設け、傾斜面の傾き、傾斜面における平面状または曲面状の面形状、傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無、及び重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無の少なくとも１つを変えるようにすればよい。

例えば、重ね部を接着により接合する場合には、重ね部の接合強度が低くなる傾向があるので、図３または図５に示す重ね継手を用いることにより、重ね部の端縁部の応力集中を緩和すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を小さくして、重ね部の応力分布をコントロールし、重ね継手の破壊を抑制することができる。

金属部材の加工については、一般的な金属材料の機械加工を用いることができる。繊維強化複合材料の成形加工については、プリプレグを用いたレイアップ法等の一般的な複合材料の成形加工を用いることが可能である。重ね部の接合方法については、接着剤を用いた接着方法、レーザ溶接方法、摩擦攪拌接合方法等の一般的な接合方法を適用可能である。

この重ね継手の製造方法によれば、重ね継手が適用される構造物や接合強度特性により重ね部に要求される応力分布が異なる場合でも、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを変えることにより重ね部の応力分布をコントロールできるので、要求される重ね部の応力分布に合わせた重ね継手を容易に製造することができる。

以上、上記構成の重ね継手によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して重ね部の応力分布をコントロールするために、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とが変化しているので、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊が抑制される。

上記構成の重ね継手によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部は、重ね部の端縁部に向けて金属部材と繊維強化複合材料部材との板厚が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、重ね部のラップ幅は、金属部材または繊維強化複合材料部材の傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であるので、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊が抑制される。

上記構成の重ね継手の製造方法によれば、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部の応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布をコントロールすることから、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊を抑制することが可能となると共に、構造物や接合強度特性等から要求される重ね部の応力分布に合わせた重ね継手を容易に製造することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の重ね継手は、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布をコントロールするために、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が変化している点において、第１の実施形態の重ね継手と相違している。

また、第２の実施形態の重ね継手は、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部は、重ね部の端縁部に向けて金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、重ね部のラップ幅は、金属部材または繊維強化複合材料部材の傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上である点において、第１の実施形態の重ね継手と相違している。

図６は、重ね継手５４の構成を示す図である。重ね継手５４については、金属部材５６を図１に示す金属部材１２の構成と同じにし、繊維強化複合材料部材５８の板厚を一定としている。重ね部６０（破線の間）の金属部材５６では、重ね部６０の金属部材側の端縁部６０ａから繊維強化複合材料部材側の端縁部６０ｂに向けて板厚が次第に小さくなるように傾斜した傾斜面５６ａが形成されている。傾斜面５６ａについては、平面状であり、直線テーパ状に形成されている。なお、金属部材５６については、図２（ａ）から図２（ｇ）に示すいずれかの部材２０〜３２の構成としてもよい。

重ね継手５４の場合には、重ね部６０に傾斜面５６ａが形成されていることにより、重ね部６０の繊維強化複合材料部材側の端縁部６０ｂでは、従来の重ね継手よりも応力集中が緩和されると共に、重ね部６０の端縁部６０ａ、６０ｂの間では、従来の重ね継手より応力が大きくなる領域を設けることができる。また、重ね継手５４の場合には、繊維強化複合材料部材５８の板厚を一定としているので、繊維強化複合材料部材５８の成形加工が容易になる。

重ね継手５４では、重ね部６０における金属部材５６の板厚を変化させているが、重ね部６０の金属部材５６の板厚を一定とし、重ね部６０の繊維強化複合材料部材５８の板厚を変化させてもよい。すなわち、重ね部６０の金属部材５６の板厚を一定とし、重ね部６０の繊維強化複合材料部材５８について、図１に示す繊維強化複合材料部材１４の構成や、図２（ａ）から図２（ｇ）に示すいずれかの部材２０〜３２の構成としてもよい。

重ね部のラップ幅は、重ね継手に要求される強度により相違するが、金属部材または繊維強化複合材料部材の傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であることが好ましく、例えば、１倍から５０倍とすることが好ましい。傾斜面を形成する範囲は、重ね部のラップ幅の０．１倍から２倍の範囲とすることが好ましい。

第２の実施形態の重ね継手の製造方法では、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方を、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布がコントロールされる。これにより、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊を抑制することが可能となると共に、構造物や接合強度特性等から要求される重ね部の応力分布に合わせた重ね継手を容易に製造することができる。第２の実施形態の重ね継手の製造方法では、金属部材や繊維強化複合材部材の加工方法や成形方法、板厚の変化の形態を変える方法、接合方法等について第１の実施形態の重ね継手の製造方法と同様であるので詳細な説明を省略する。

［第３の実施形態］
第３の実施形態の重ね継手では、重ね部は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着した接着層を有しており、接着層は、接着剤のヤング率が、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように形成されている点において、第１及び第２の実施形態の重ね継手と相違している。

図７は、重ね継手６２の構成を示す図である。金属部材６４と繊維強化複合材料部材６６とは、板厚が一定で構成されている。重ね部６８（破線の間）は、金属部材６４と繊維強化複合材料部材６６とを、ヤング率が異なる複数の接着剤７０ａ〜７０ｃで接着した接着層７０を有している。接着層７０の厚みについては、例えば、０．３ｍｍから０．５ｍｍである。なお、接着剤７０ａ〜７０ｃのヤング率とは、接着剤の硬化後におけるヤング率のことである。

接着層７０は、接着剤７０ａ〜７０ｃのヤング率が、重ね部６８の端縁部６８ａ、６８ｂに向けて次第に小さくなるようにして形成されている。より詳細には、重ね部６８における端縁部６８ａ、６８ｂの間については接着剤７０ａで接着されている。重ね部６８の端縁部６８ａ、６８ｂでは、接着剤７０ａよりもヤング率の小さい接着剤７０ｂ、７０ｃで接着されている。例えば、接着剤７０ａのヤング率については、３７００ＭＰａ〜３８００ＭＰａ、接着剤７０ｂ、７０ｃのヤング率については、１８００ＭＰａ〜２１００ＭＰａとすることが可能である。

接着剤７０ａ〜７０ｃについては、同じ種類の樹脂系接着剤を用いてもよいし、異なる種類の樹脂系接着剤を用いてもよい。例えば、接着剤７０ａ〜７０ｃについて、いずれもエポキシ樹脂系接着剤を用いてもよいし、ポリイミド樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤等を組み合わせて用いてもよい。なお、接着剤７０ｂ、７０ｃについては、ヤング率が同じ接着剤を用いてもよいし、ヤング率が異なる接着剤を用いてもよい。

重ね部６８のラップ幅に対する各接着剤７０ａ〜７０ｃの接着領域の幅については、重ね部６８のラップ幅を１としたとき、例えば、接着剤７０ａの接着領域の幅ａを０．７５、接着剤７０ｂ、７０ｃの接着領域の幅ｂ、ｃを各０．１２５とすることが可能である。

重ね継手６２では、重ね部６８の端縁部６８ａ、６８ｂにおいて、せん断変形が大きくなるので、接着面の拘束を下げ、ひずみを分散させて、従来の重ね継手よりも応力集中を緩和することが可能となる。

図８は、他の重ね継手７２の構成を示す図である。重ね継手７２は、重ね継手６２と重ね部７４（破線の間）の接着層７６の構成が相違している。重ね部７４の中央部では、接着剤７６ａで接着されており、重ね部７４の端縁部７４ａ、７４ｂでは、接着剤７６ａよりもヤング率の小さい接着剤７６ｂ、７６ｃで接着されている。そして、重ね部７４の中央部と端縁部７４ａとの間は、接着剤７６ａよりヤング率が小さく接着剤７６ｂよりヤング率が大きい接着剤ｄで接着されている。重ね部７４の中央部と端縁部７４ｂとの間は、接着剤７６ａよりヤング率が小さく接着剤７６ｃよりヤング率が大きい接着剤ｅで接着されている。

例えば、接着剤７６ａのヤング率については、３７００ＭＰａ〜３８００ＭＰａ、接着剤７６ｂ、７６ｃのヤング率については、１０００ＭＰａから１３００ＭＰａ、接着剤ｄ、ｅのヤング率については、２０００ＭＰａ〜２６００ＭＰａとすることが可能である。なお、接着剤７６ｂ、７６ｃについては、ヤング率が同じ接着剤を用いてもよいし、ヤング率が異なる接着剤を用いてもよく、接着剤７６ｄ、７６ｅについては、ヤング率が同じ接着剤を用いてもよいし、ヤング率が異なる接着剤を用いてもよい。このように、接着剤７６ａ〜７６ｅのヤング率について、重ね部７４の端縁部７４ａ、７４ｂに向けて次第に小さくなるように傾斜させてもよい。

重ね部７４のラップ幅に対する接着剤７６ａ〜７６ｅの接着領域の幅については、重ね部７４のラップ幅を１としたとき、例えば、接着剤７６ａの接着領域の幅ａを０．５、接着剤７６ｂ〜７６ｅの接着領域の幅ｂ〜ｅを各０．１２５とすることが可能である。

次に、第３の実施形態の重ね継手の製造方法について説明する。金属部材と繊維強化複合材部材とについて、接着剤のヤング率が重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるようにして接着する。金属部材や繊維強化複合材部材の加工方法や成形方法については、第１及び第２の実施形態の重ね継手の製造方法と同様である。

ヤング率が異なる接着剤には、一般的に市販されている接着剤を用いることが可能である。接着剤には、例えば、ＳＫＹＢＯＮＤ７０３（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｕｍｍｉｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製、ヤング率が約３７７０ＭＰａ）等のポリイミド樹脂系接着剤、ＤＰ４６０（３Ｍ社製、ヤング率が約２０７７ＭＰａ）等のエポキシ樹脂系接着剤、ＭＡ３１０（ＩＴＷ社製、ヤング率が１０３４から１２０７ＭＰａ）等のアクリル樹脂系接着剤を組み合わせて用いることができる。接着剤の硬化条件（硬化温度等）が同じである場合には、１工程で同時に接着剤を硬化させることができる。また、接着剤の硬化条件が異なる場合には、硬化条件ごとに複数工程に分けて接着剤を硬化させればよい。

［第４の実施形態］
第４の実施形態の重ね継手は、第１の実施形態の重ね継手と、第３の実施形態の重ね継手の接着層とを組み合わせた構成と、第２の実施形態の重ね継手と、第３の実施形態の重ね継手の接着層とを組み合わせた構成と、からなる。

図９は、重ね継手８０の構成を示す図である。重ね継手８０は、図６に示す重ね継手５４の構成と、図７に示す重ね継手６２の接着層７０の構成とを組み合わせて構成されている。重ね部８２（破線の間）は、重ね部８２の金属部材側の端縁部８２ａから繊維強化複合材料部材側の端縁部８２ｂに向けて金属部材５６の板厚が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面５６ａを有している。重ね部８２の接着層７０は、接着剤７０ａ〜７０ｃのヤング率が、重ね部８２の端縁部８２ａ、８２ｂに向けて次第に小さくなるようにして形成されている、これにより、重ね部８２の端縁部８２ａ、８２ｂでは、せん断変形が大きくなるので、接着面の拘束を下げ、ひずみを分散させて、従来の重ね継手よりも応力集中を緩和することが可能となる。

なお、図９に示す重ね継手８２では、重ね部８２の金属部材５６の板厚のみ変化させているが、重ね部８２の繊維強化複合材料部材５８の板厚のみ変化させてもよいし、第１の実施形態の重ね継手のように、重ね部８２における金属部材５６の板厚と繊維強化複合材料部材５８の板厚とを変化させてもよい。

第４の実施形態の重ね継手の製造方法については、第１、第２、及び第３の実施形態の重ね継手の製造方法の構成を組み合わせて用いることにより製造可能であるので、詳細な説明を省略する。

第４の実施形態の重ね継手によれば、第１及び第２の実施形態の重ね継手の効果を奏すると共に、第３の実施形態の重ね継手の効果も奏することから、第１及び第２の実施形態の重ね継手よりも重ね部における端縁部の応力集中をより緩和することができる。

［第５の実施形態］
金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の設計方法について説明する。図１０は、重ね継手の設計方法を説明するためのフローチャートである。

第１のステップ（Ｓ１０）は、金属部材と繊維強化複合材料部材とにおけるヤング率とポアソン比とを含む材料パラメータと、金属部材と繊維強化複合材料部材との重ね部のラップ幅と、を決定するステップである。これらの材料パラメータやラップ幅については、船舶等の実機に適用される重ね継手に基づいて決められる。また、材料パラメータには、重ね部の接合層におけるヤング率とポアソン比とを含めるようにしてもよい。例えば、接合層が接着層からなる場合には、材料パラメータに、接着剤のヤング率とポアソン比とを含めることが可能である。

第２のステップ（Ｓ１２）は、材料パラメータと、重ね部のラップ幅と共に、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との少なくとも一方を、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えて重ね部の応力分布を応力解析するステップである。

板厚の変化の形態を変えるためには、第１及び第２の実施形態の重ね継手に示すように、重ね部に、金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚との少なくとも一方が重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を設け、傾斜面の傾き、傾斜面における平面状または曲面状の面形状、傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無、及び重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無の少なくとも１つを変化させればよい。

より詳細には、傾斜面の傾きの変化については、例えば、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す部材２０、２２、２４のように構成して、傾斜面の傾きを変えればよい。傾斜面における平面状または曲面状の面形状の変化については、例えば、図２（ａ）から図２（ｄ）に示す部材２０、２２、２４、２６のように構成して、傾斜面の面形状を変えればよい。傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無については、例えば、図２（ａ）、図２（ｅ）及び図２（ｆ）に示す部材２０、２８、３０のように構成して、凹部または凸部の有無を変えればよい。重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無については、例えば、図２（ａ）及び図２（ｇ）に示す部材２０、３２のように構成して、凹部の有無を変えればよい。そして、このように板厚の変化の形態を変えて応力解析し、重ね部の応力分布を評価する。応力解析には、有限要素法（ＦＥＭ）解析等の一般的な応力解析方法を用いることが可能である。

第３のステップ（Ｓ１４）は、応力解析により得られた重ね部に作用する応力分布が、実機の構造物から要求される重ね部の応力分布を満足するように、重ね部における板厚の変化の形態を決定するステップである。応力解析により得られた重ね部の端縁部に作用する応力と、重ね部の端縁部の間に作用する応力とが、船舶等の実機の構造物から要求される重ね部の応力分布（例えば、許容応力等）を満たすように、重ね部の板厚の変化の形態が決定される。なお、第１のステップ（Ｓ１０）から第３のステップ（Ｓ１４）については、一般的なコンピュータシステムによって行うことが可能である。

次に、重ね部を接着剤で接着して形成した重ね継手の設計方法について説明する。第１のステップ（Ｓ１０）では、材料パラメータには、更に、接着剤のヤング率、ポアソン比が含まれると共に、接着層の厚みが決定される。

第２のステップ（Ｓ１２）では、更に、接着剤のヤング率が重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように変化させると共に、接着剤のヤング率の変化の形態を変えて、重ね部の応力分布を応力解析する。例えば、接着層における接着剤のヤング率の変化の形態としては、図７に示す重ね継手６２の接着層７０の構成や、図８に示す重ね継手７２の接着層７６の構成を適用することが可能である。

第３のステップ（Ｓ１４）では、更に、接着剤のヤング率の変化の形態を決定する。これにより、応力解析により得られた重ね部に作用する応力分布が、実機の構造物から要求される重ね部の応力分布を満足するように、重ね部における板厚の変化の形態と、接着層における接着剤のヤング率の変化の形態と、が決定される。

上記構成の重ね継手の設計方法によれば、重ね部の端縁部の応力集中が緩和され、重ね継手の破壊を抑制することが可能となると共に、船舶等の実機の構造物から要求される重ね部の応力分布を満たす重ね継手を容易に設計することができる。

［第１の実施例］
鋼材とＣＦＲＰとを重ね合わせた重ね継手において、重ね部における鋼材の板厚とＣＦＲＰの板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、重ね部における鋼材の板厚とＣＦＲＰの板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の応力分布等を有限要素法（ＦＥＭ）解析により評価した。まず、重ね継手の解析モデルについて説明する。

図１１は、比較例Ｘの解析モデルを示す図であり、図１１（ａ）は、比較例Ｘの解析モデルの平面図であり、図１１（ｂ）は、比較例Ｘの解析モデルの側面図である。鋼材とＣＦＲＰとの形状については同じ形状とし、板厚については３．２ｍｍとした。鋼材とＣＦＲＰとの重ね部については、接着剤での接合とした。重ね部のラップ幅については８０ｍｍとし、接着剤の層厚さについては０．４ｍｍとした。

図１２は、実施例Ａから実施例Ｇの解析モデルを示す図であり、図１２（ａ）は、実施例Ａの解析モデルを示す図であり、図１２（ｂ）は、実施例Ｂの解析モデルを示す図であり、図１２（ｃ）は、実施例Ｃの解析モデルを示す図であり、図１２（ｄ）は、実施例Ｄの解析モデルを示す図であり、図１２（ｅ）は、実施例Ｅの解析モデルを示す図であり、図１２（ｆ）は、実施例Ｆの解析モデルを示す図であり、図１２（ｇ）は、実施例Ｇの解析モデルを示す図である。

実施例Ａから実施例Ｇの解析モデルは、比較例Ｘの解析モデルと重ね部の形状が相違しており、その他の構成については比較例Ｘの解析モデルと同じである。なお、実施例Ａから実施例Ｇの解析モデルについても、重ね部に０．４ｍｍの接着層（図示せず）を設けている。

実施例Ａ、Ｂの解析モデルでは、鋼材とＣＦＲＰとについて、図２（ａ）に示す構成を用いた。実施例Ａの解析モデルの傾斜面の傾きについては０．１６０とし、実施例Ｂの解析モデルの傾斜面の傾きについては０．０６４とした。実施例Ｃの解析モデルでは、鋼材とＣＦＲＰとについて、図１に示す構成を用いた。実施例Ｃの解析モデルの傾斜面の傾きについては、０．０４０とした。実施例Ｄの解析モデルでは、鋼材とＣＦＲＰとについて、図２（ｃ）に示す構成を用いた。実施例Ｄの解析モデルにおける重ね部の端縁部の傾きについては０とした。

実施例Ｅの解析モデルでは、鋼材について、図１に示す金属部材の構成を用い、ＣＦＲＰについて、図２（ａ）に示す構成を用いた。実施例Ｆの解析モデルでは、鋼材について、図１に示す金属部材の構成を用い、ＣＦＲＰについて、図２（ｂ）に示す構成を用いた。実施例Ｇの解析モデルでは、鋼材とＣＦＲＰとについて、図２（ｇ）に示す構成を用いた。なお、凹部３２ｂについては、凹溝とした。

次に、ＦＥＭ解析方法について説明する。図１３は、ＦＥＭ解析方法を説明するための図である。ＦＥＭ解析では、鋼材側を固定し、ＣＦＲＰ側のＸ方向に強制変位を付与して解析を行った。表１に、鋼材、ＣＦＲＰ、接着剤の各材料定数を示す。なお、図１３では、比較例Ｘの解析モデルのＦＥＭ解析方法を示しているが、実施例ＡからＧの解析モデルのＦＥＭ解析方法についても同様である。

比較例Ｘ、実施例ＡからＤの解析モデルについて、重ね部の端縁部における応力緩和について評価した。

図１４は、重ね部の端縁部における応力緩和の評価結果を示すグラフである。図１４のグラフでは、横軸に重ね部に設けた傾斜面の傾きを取り、縦軸に応力変化率を取り、重ね部の鋼材側端縁部の応力変化率を黒菱形で示し、重ね部のＣＦＲＰ側端縁部の応力変化率を白四角形で示している。

応力変化率については、比較例Ｘの解析モデルのミーゼス相当応力をσ_０とし、実施例ＡからＤの解析モデルの各ミーゼス相当応力をσとしたとき、σ/σ_０で算出した。各解析モデルのミーゼス相当応力については、鋼材と接着層との間に作用する応力とした。

実施例ＡからＤの解析モデルでは、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部とにおいて、応力変化率が１より小さくなり、比較例Ｘの解析モデルよりも応力集中を緩和できることがわかった。また、重ね部の傾斜面の傾きを変えることにより応力変化率が変わることから、重ね部における金属部材の板厚と繊維強化複合材料部材の板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、重ね部における鋼材の板厚とＣＦＲＰの板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合いを制御できることがわかった。

次に、比較例Ｘ、実施例Ｃ、Ｅ，Ｆ、Ｇの解析モデルについて、重ね部の応力分布について評価した。

図１５は、比較例Ｘ、実施例Ｃ、Ｅ、Ｆの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。図１６は、比較例Ｘ、実施例Ｃ、Ｇの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフである。図１５及び図１６のグラフにおいて、横軸には重ね部の鋼材側端縁部からの距離（比較例Ｘの解析モデルでは図１１（ｂ）に示すＸであり、実施例Ｃ、Ｅ，Ｆ、Ｇの解析モデルでも同様）を取り、縦軸には、応力を取り、各解析モデルの応力分布を実線等で示している。応力については、鋼材と接着層との間に作用するミーゼス相当応力とした。

比較例Ｘの解析モデルでは、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部で応力集中が大きくなり、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部の間では、応力負担が小さくなった。これに対して実施例Ｃ、Ｅ，Ｆ、Ｇの解析モデルでは、比較例Ｘの解析モデルよりも、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部で応力が低下しており、応力集中が緩和された。例えば、ＣＦＲＰ側端縁部では、比較例Ｘの解析モデルが３．０であり、実施例Ｃの解析モデルが２．８であり、実施例Ｅの解析モデルが２．６であり、実施例Ｆの解析モデルが２．９であり、実施例Ｇの解析モデルが２．０であった。

また、実施例Ｃ、Ｅ，Ｆ、Ｇの解析モデルでは、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部での応力集中の緩和に伴って、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部の間では、比較例Ｘの解析モデルよりも応力負担が大きくなった。

重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部の間の応力分布については、実施例Ｃ、Ｅ，Ｆ、Ｇの解析モデルでは、解析モデルごとに応力分布が相違していた。図１５に示すように、重ね部の鋼材側端縁からの距離が約５ｍｍから約６０ｍｍの領域では、実施例Ｅの解析モデルでは、実施例Ｃの解析モデルよりも応力が小さくなり、実施例Ｆの解析モデルでは、実施例Ｃの解析モデルよりも応力が大きくなった。図１６に示すように、実施例Ｇの解析モデルでは、実施例Ｃの解析モデルよりも、重ね部の略全ての領域で応力が小さくなった。また、実施例Ｇの解析モデルでは、重ね部の鋼材側端縁からの距離が約１０ｍｍから約２０ｍｍの領域と、約６０ｍｍから約７０ｍｍの領域とにおいて局所的な応力の変化が得られた。

以上の解析結果から、重ね部における鋼材の板厚とＣＦＲＰの板厚とを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、鋼材の板厚とＣＦＲＰの板厚との変化の形態を変えることにより、重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、重ね部の応力分布をコントロールできることがわかった。

［第２の実施例］
鋼材とＣＦＲＰとを重ね合わせた重ね継手において、重ね部におけるＣＦＲＰの板厚を一定とし、重ね部における鋼材の板厚のみを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、重ね部における鋼材の板厚の変化の形態を変えることにより、重ね部の応力分布をＦＥＭ解析により評価した。まず、重ね継手の解析モデルについて説明する。

図１７は、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルを示す図であり、図１７（ａ）は、実施例Ｈの解析モデルを示す図であり、図１７（ｂ）は、実施例Ｉの解析モデルを示す図である。実施例Ｈ、Ｉの解析モデルは、比較例Ｘの解析モデルと重ね部の形状が相違しており、その他の構成については比較例Ｘの解析モデルと同じである。実施例Ｈの解析モデルでは、鋼材について、図１に示す金属部材の構成を用いた。実施例Ｉの解析モデルでは、鋼材について、図２（ｇ）に示す部材の構成を用いた。凹部３２ｂについては、凹溝とした。実施例Ｈ、Ｉの解析モデルについても、重ね部に０．４ｍｍの接着層（図示せず）を設けている。

次に、ＦＥＭ解析方法について説明する。図１８は、ＦＥＭ解析方法を説明するための図である。ＦＥＭ解析では、ＣＦＲＰ側のＸ方向に強制変位０．００３ｍｍを付与して解析を行った。鋼材、ＣＦＲＰ、接着剤の各材料定数については、表１に示す材料定数と同じである。なお、図１８では、比較例Ｘの解析モデルのＦＥＭ解析方法を示しているが、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルのＦＥＭ解析方法についても同様である。

図１９は、比較例Ｘ、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフであり、図１９（ａ）は、鋼材と接着層との間に作用する応力分布を示すグラフであり、図１９（ｂ）は、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力分布を示すグラフである。各グラフにおいて、横軸には重ね部の鋼材側端縁部からの距離（比較例Ｘの解析モデルでは図１８に示すＸであり、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルでも同様）を取り、縦軸には、応力を取り、各解析モデルの応力分布を実線等で示している。応力についてはミーゼス相当応力とした。

重ね部の鋼材側端縁部では、鋼材と接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは２．６７、実施例Ｈの解析モデルでは２．８１、実施例Ｉの解析モデルでは２．７１であり、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは０．３１、実施例Ｈの解析モデルでは０．３３、実施例Ｉの解析モデルでは０．３１であった。

重ね部のＣＦＲＰ側端縁部では、鋼材と接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは３．０１、実施例Ｈの解析モデルでは２．５４、実施例Ｉの解析モデルでは１．９４であり、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは６．９７、実施例Ｈの解析モデルでは５．０６、実施例Ｉの解析モデルでは５．７５であった。

この結果から、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルでは、比較例Ｘの解析モデルよりも、重ね部のＣＦＲＰ側端縁部で応力が低下しており、応力集中が緩和された。また、実施例Ｈ、Ｉの解析モデルでは、重ね部のＣＦＲＰ側端縁部での応力集中の緩和に伴って、重ね部の鋼材側端縁部とＣＦＲＰ側端縁部との間では、比較例Ｘの解析モデルよりも応力が大きくなる領域が認められた。

［第３の実施例］
鋼材とＣＦＲＰとを重ね合わせた重ね継手において、重ね部の接着層を形成する接着剤のヤング率が、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるようにして、重ね部の応力分布をＦＥＭ解析により評価した。まず、重ね継手の解析モデルについて説明する。

図２０は、実施例Ｊ、Ｋの解析モデルを示す図であり、図２０（ａ）は、実施例Ｊの解析モデルを示す図であり、図２０（ｂ）は、実施例Ｋの解析モデルを示す図である。実施例Ｊ、Ｋの解析モデルでは、比較例Ｘの解析モデルと接着層の構成が相違しており、その他の構成については比較例Ｘの解析モデルと同じである。なお、実施例Ｊ、Ｋの解析モデルの接着層の厚みについては０．４ｍｍである。ＦＥＭ解析については、図１８に示すＦＥＭ解析方法と同じ方法で解析した。表２に、実施例Ｊの解析モデルにおける鋼材、ＣＦＲＰ、接着剤の各材料定数を示す。表３に、実施例Ｋの解析モデルにおける鋼材、ＣＦＲＰ、接着剤の各材料定数を示す。

図２１は、比較例Ｘ、実施例Ｊ、Ｋの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフであり、図２１（ａ）は、鋼材と接着層との間に作用する応力分布を示すグラフであり、図２１（ｂ）は、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力分布を示すグラフである。各グラフにおいて、横軸には重ね部の鋼材側端縁部からの距離（比較例Ｘの解析モデルでは図１８に示すＸであり、実施例Ｊ，Ｋの解析モデルでも同様）を取り、縦軸には応力を取り、各解析モデルの応力分布を実線等で示している。応力についてはミーゼス相当応力とした。

重ね部の鋼材側端縁部では、鋼材と接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは２．６７、実施例Ｊの解析モデルでは２．０５、実施例Ｋの解析モデルでは１．８１であり、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは０．３１、実施例Ｊの解析モデルでは０．２５、実施例Ｋの解析モデルでは０．２１であった。

重ね部のＣＦＲＰ側端縁部では、鋼材と接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは３．０１、実施例Ｈの解析モデルでは２．０４、実施例Ｉの解析モデルでは１．５７であり、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは６．９７、実施例Ｈの解析モデルでは４．７３、実施例Ｉの解析モデルでは３．８７であった。

この結果から、実施例Ｊ、Ｋの解析モデルでは、比較例Ｘの解析モデルよりも、重ね部の鋼材側端縁部及びＣＦＲＰ側端縁部で応力が低下しており、応力集中が緩和されることがわかった。

［第４の実施例］
鋼材とＣＦＲＰとを重ね合わせた重ね継手において、重ね部のＣＦＲＰの板厚を一定とし、重ね部における鋼材の板厚のみを、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、重ね部の接着層を形成する接着剤のヤング率が、重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるようにして、重ね部の応力分布をＦＥＭ解析により評価した。まず、重ね継手の解析モデルについて説明する。

図２２は、実施例Ｌ、Ｍの解析モデルを示す図であり、図２２（ａ）は、実施例Ｌの解析モデルを示す図であり、図２２（ｂ）は、実施例Ｍの解析モデルを示す図である。実施例Ｌ、Ｍの解析モデルは、比較例Ｘの解析モデルと重ね部の形状が相違しており、その他の構成については比較例Ｘの解析モデルと同じである。実施例Ｌの解析モデルについては、図１７（ａ）に示す実施例Ｈの解析モデルと、図２０（ａ）に示す実施例Ｊの解析モデルの接着層の構成を組み合わせて構成されている。また、実施例Ｍの解析モデルについては、図１７（ｂ）に示す実施例Ｉの解析モデルと、図２０（ａ）に示す実施例Ｊの解析モデルの接着層の構成を組み合わせて構成されている。ＦＥＭ解析については、図１８に示すＦＥＭ解析方法と同じ方法で解析した。実施例Ｌ、Ｍの解析モデルにおける鋼材、ＣＦＲＰ、接着剤の各材料定数については、表２に示す各材料定数と同じである。

図２３は、比較例Ｘ、実施例Ｌ、Ｍの解析モデルにおける重ね部の応力分布を示すグラフであり、図２３（ａ）は、鋼材と接着層との間に作用する応力分布を示すグラフであり、図２３（ｂ）は、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力分布を示すグラフである。各グラフにおいて、横軸には重ね部の鋼材側端縁部からの距離（比較例Ｘの解析モデルでは図１８に示すＸであり、実施例Ｌ、Ｍの解析モデルでも同様）を取り、縦軸には応力を取り、各解析モデルの応力分布を実線等で示している。応力についてはミーゼス相当応力とした。

重ね部の鋼材側端縁部では、鋼材と接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは２．６９、実施例Ｌの解析モデルでは２．１６、実施例Ｍの解析モデルでは２．０８であり、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは０．３１、実施例Ｌの解析モデルでは０．２６、実施例Ｍの解析モデルでは０．２５であった。

重ね部のＣＦＲＰ側端縁部では、鋼材と接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは３．０１、実施例Ｌの解析モデルでは２．２４、実施例Ｍの解析モデルでは１．６４であり、ＣＦＲＰと接着層との間に作用する応力が、比較例Ｘの解析モデルでは６．９７、実施例Ｌの解析モデルでは３．５７、実施例Ｍの解析モデルでは３．９８であった。

この結果から、実施例Ｌ、Ｍの解析モデルでは、比較例Ｘの解析モデルよりも、重ね部の鋼材側端縁部及びＣＦＲＰ側端縁部で応力が低下しており、応力集中が緩和された。また、実施例Ｌの解析モデルでは、実施例Ｈの解析モデルよりも応力集中が緩和されており、実施例Ｍの解析モデルでは、実施例Ｉの解析モデルよりも応力集中が緩和された。

１０、３４、４０、４６、５４、６２、７２、８０ 重ね継手、
１２、３５、４１、４８、５６、６４ 金属部材、
１４、３６、４２、５０、５８、６６ 繊維強化複合材料部材、
１６、３８、４４、５２、６０、６８、７４，８２ 重ね部。

Claims (18)

1. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、
   前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールするために、前記重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とが変化していることを特徴とする重ね継手。
2. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、
   前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部は、前記重ね部の端縁部に向けて前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との板厚が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、
   前記重ね部のラップ幅は、前記金属部材または前記繊維強化複合材料部材の前記傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であることを特徴とする重ね継手。
3. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、
   前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールするために、前記重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が、変化していることを特徴とする重ね継手。
4. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手であって、
   前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部は、前記重ね部の端縁部に向けて前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方が次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を有し、
   前記重ね部のラップ幅は、前記金属部材または前記繊維強化複合材料部材の前記傾斜面を除いた部位の板厚の１倍以上であることを特徴とする重ね継手。
5. 請求項２または４に記載の重ね継手であって、
   前記傾斜面を形成する範囲は、前記重ね部のラップ幅の０．１倍から２倍の範囲であることを特徴とする重ね継手。
6. 請求項２、４または５に記載の重ね継手であって、
   前記傾斜面は、平面状の傾斜面であることを特徴とする重ね継手。
7. 請求項２、４または５に記載の重ね継手であって、
   前記傾斜面は、曲面状の傾斜面であることを特徴とする重ね継手。
8. 請求項２、４、５、６または７に記載の重ね継手であって、
   前記重ね部は、前記傾斜面を除いた箇所に凹部が設けられていることを特徴とする重ね継手。
9. 請求項２、４、５、６、７または８のいずれか１つに記載の重ね継手であって、
   前記重ね部は、前記傾斜面に凹部が設けられていることを特徴とする重ね継手。
10. 請求項２、４、５、６、７、８または９のいずれか１つに記載の重ね継手であって、
    前記重ね部は、前記傾斜面に凸部が設けられていることを特徴とする重ね継手。
11. 請求項１から１０のいずれか１つに記載の重ね継手であって、
    前記重ね部は、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着した接着層を有し、
    前記接着層は、前記接着剤のヤング率が、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように形成されていることを特徴とする重ね継手。
12. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の製造方法であって、
    前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とを、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚との変化の形態を変えることにより、前記重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールすることを特徴とする重ね継手の製造方法。
13. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の製造方法であって、
    前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚とのどちらか一方を、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えることにより、前記重ね部の端縁部における応力集中の緩和の度合を調整すると共に、前記重ね部における端縁部の間の応力負担を調整して、前記重ね部の応力分布をコントロールすることを特徴とする重ね継手の製造方法。
14. 請求項１２または１３に記載の重ね継手の製造方法であって、
    前記板厚の変化の形態を変えるために、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を設け、前記傾斜面の傾き、前記傾斜面における平面状または曲面状の面形状、前記傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無、及び前記重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無の少なくとも１つを変えることを特徴とする重ね継手の製造方法。
15. 請求項１２から１４のいずれか１つに記載の重ね継手の製造方法であって、
    前記重ね部は、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着して形成されており、
    前記重ね部の端縁部に向けて接着剤のヤング率が次第に小さくなるように接着することを特徴とする重ね継手の製造方法。
16. 金属部材と繊維強化複合材料部材とを重ね合わせた重ね継手の設計方法であって、
    前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材とにおけるヤング率とポアソン比とを含む材料パラメータと、前記金属部材と前記繊維強化複合材料部材との重ね部のラップ幅と、を決定する第１のステップと、
    前記材料パラメータと、前記ラップ幅と共に、前記重ね部における前記金属部材の板厚と前記繊維強化複合材料部材の板厚との少なくとも一方を、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなる傾向に変化させると共に、板厚の変化の形態を変えて重ね部の応力分布を応力解析する第２のステップと、
    前記応力解析により得られた重ね部に作用する応力分布が、実機の構造物から要求される重ね部の応力分布を満足するように、重ね部における板厚の変化の形態を決定する第３のステップと、
    を備えることを特徴とする重ね継手の設計方法。
17. 請求項１６に記載の重ね継手の設計方法であって、
    前記第２のステップにおいて、前記板厚の変化の形態を変えるために、前記重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように傾斜して形成される傾斜面を設け、前記傾斜面の傾き、前記傾斜面における平面状または曲面状の面形状、前記傾斜面に設けられる凹部または凸部の有無、及び前記重ね部における傾斜面を除いた箇所に設けられる凹部の有無の少なくとも１つを変えることを特徴とする重ね継手の設計方法。
18. 請求項１６または１７に記載の重ね継手の設計方法であって、
    前記重ね部は、金属部材と繊維強化複合材料部材とを接着剤で接着して形成されており、
    前記第１のステップにおいて、前記材料パラメータは、接着剤のヤング率とポアソン比とを含むと共に、前記重ね部の接着層の厚みを決定し、
    前記第２のステップにおいて、接着剤のヤング率が重ね部の端縁部に向けて次第に小さくなるように変化させると共に、接着剤のヤング率の変化の形態を変えて重ね部の応力分布を応力解析し、
    前記第３のステップにおいて、接着剤のヤング率の変化の形態を決定することを特徴とする重ね継手の設計方法。
    

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