JP2022137667A - 複合構造体、複合構造体の製造方法、および補強部材の設計方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複合構造体において、軽量化及び高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にする。【解決手段】複合構造体は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造と、被補強構造の壁面の外側に対して、選択的に取り付けられた1つ以上の補強部材と、を備え、1つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部は、複数のフレームの結合部から、結合部に延びる各フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている。【選択図】図1
Description
本発明は、複合構造体、複合構造体の製造方法、および補強部材の設計方法に関する。
自動車の車体構造において、複数の部材の結合部に剛性を向上させるための補強構造が配置されている構造がある(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、センターピラーの下部とサイドシルとの結合部に、補強構造として機能する垂直板が配置されている。この垂直板が車体の前後・上下・斜め方向の荷重に対して変形を抑制することにより、特許文献1に記載された車体構造では、結合剛性の高い結合構造が実現されている。
しかしながら、特許文献1に記載された車体構造では、垂直板が平板形状であるため、モーメント入力に対する剛性向上には、断面二次モーメントを高めることについて効果が限定的である。そのため、垂直板の重心位置近くの補強では不利になる。さらに、垂直板は結合部の内部に埋め込まれる必要があるため、構造設計が容易ではなく、かつ、車体構造の製造コストが増加する。また、隔壁のない部分での車幅方向の断面崩れに対する補強が十分でない。なお、このような課題は、自動車の車体構造にかかわらず、複数の構造を組み合わせた複合構造体全般に共通する課題であった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、複合構造体において、軽量化及び高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にすることを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。
(1)本発明の一形態によれば、複合構造体が提供される。この複合構造体は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造と、前記被補強構造の壁面の外側に対して、選択的に取り付けられた1つ以上の補強部材と、を備え、前記1つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部は、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている。
この構成によれば、少なくとも一部の補強部材は、結合部から離れたフレームの端部から結合部までを連続的に補強している。そのため、結合部のみが局所的に補強されている補強部材と比較して、不連続部での剛性低下を抑制することができるため、複合構造体の高剛性化を図ることができる。また、補強部材は、単に結合部から端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材の質量増加を抑制することができ、複合構造体の高剛性化と軽量化の両立を図ることができる。さらに、補強部材は、被補強構造の壁面の外側に対して選択的に取り付けられるため、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。これらの結果、複合構造体において、軽量化及び高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にできる。
(2)上記態様の複合構造体は、前記複数のフレームの少なくとも一部は、前記壁面に対して内側に凹むように形成された溝部を有し、前記補強部材は、前記溝部の少なくとも一部を充填するように配置されていてもよい。
本構成の複合構造体では、フレームに形成された溝部に補強部材が充填されているため、溝部が形成されていない被補強構造よりも、被補強構造に補強部材を取り付けやすい。
本構成の複合構造体では、フレームに形成された溝部に補強部材が充填されているため、溝部が形成されていない被補強構造よりも、被補強構造に補強部材を取り付けやすい。
(3)本発明の他の一形態によれば、複合構造体の製造方法が提供される。この製造方法は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造を配置する配置工程と、前記被補強構造の壁面の外側に対して、1つ以上の補強部材を選択的に取り付ける取付工程と、
を備える。
本構成によれば、取付工程において、被補強構造の壁面の外側に対して1つ以上の補強部材を選択的に取り付ける。このため、被補強構造に対して付加される力成分に応じて、補強部材の数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。
を備える。
本構成によれば、取付工程において、被補強構造の壁面の外側に対して1つ以上の補強部材を選択的に取り付ける。このため、被補強構造に対して付加される力成分に応じて、補強部材の数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。
(4)上記態様の製造方法は、前記取付工程では、前記1つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部に、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている補強部材を用いてもよい。
この構成によれば、少なくとも一部の補強部材は、フレームの端部から結合部までを連続的に補強している。そのため、結合部のみが局所的に補強されている補強部材と比較して、不連続部での剛性低下が抑制されている。また、連続的に補強している補強部材は、単に結合部から端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材の質量増加を抑制することができ、複合構造体の高剛性化と軽量化の両立を図ることができる。
この構成によれば、少なくとも一部の補強部材は、フレームの端部から結合部までを連続的に補強している。そのため、結合部のみが局所的に補強されている補強部材と比較して、不連続部での剛性低下が抑制されている。また、連続的に補強している補強部材は、単に結合部から端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材の質量増加を抑制することができ、複合構造体の高剛性化と軽量化の両立を図ることができる。
(5)上記態様の製造方法は、さらに、前記取付工程において使用される前記1つ以上の補強部材の形状をそれぞれ決定する設計工程を備え、前記設計工程では、当該補強部材が配置される前記結合部に作用する力成分を算出し、前記補強部材の形状を、算出された前記力成分に応じた形状としてもよい。
複数のフレームが結合された被補強構造では、結合部がフレームの一端を形成する場合がある。この場合に、フレームの他端に力やモーメントが加わると、結合部に最も大きな力が加わる。本構成では、最も大きな力が加わる結合部の力成分に応じて補強部材の形状が決定されるため、複合構造体の剛性を効率的に高めることができる。
複数のフレームが結合された被補強構造では、結合部がフレームの一端を形成する場合がある。この場合に、フレームの他端に力やモーメントが加わると、結合部に最も大きな力が加わる。本構成では、最も大きな力が加わる結合部の力成分に応じて補強部材の形状が決定されるため、複合構造体の剛性を効率的に高めることができる。
(6)上記態様の製造方法は、前記設計工程では、前記力成分を、前記結合部に延びる各前記フレームの端部に対して6自由度の荷重を独立に付加した場合の前記結合部への負荷を用いて算出してもよい。
本構成では、フレームの端部における各軸回りのモーメントに対する剛性向上のための各フレームの断面二次モーメントの向上も踏まえて補強部材の形状が決定される。補強部材は、被補強構造の壁面の外側に選択的に取り付けられた、少なくとも一部の補強部材により構成される。そのため、本構成の製造方法で製造された複合構造体は、断面二次モーメント的に有利であり、軽量で高剛性化される。また、各端部に対して6自由度の荷重を付加する解析は、従来の解析方法を流用することにより、自動的に行われる。そのため、短期間で補強部材を設計した上で、被補強構造に対して後から補強部材を取り付けることができる。
本構成では、フレームの端部における各軸回りのモーメントに対する剛性向上のための各フレームの断面二次モーメントの向上も踏まえて補強部材の形状が決定される。補強部材は、被補強構造の壁面の外側に選択的に取り付けられた、少なくとも一部の補強部材により構成される。そのため、本構成の製造方法で製造された複合構造体は、断面二次モーメント的に有利であり、軽量で高剛性化される。また、各端部に対して6自由度の荷重を付加する解析は、従来の解析方法を流用することにより、自動的に行われる。そのため、短期間で補強部材を設計した上で、被補強構造に対して後から補強部材を取り付けることができる。
(7)上記態様の製造方法は、さらに、前記複数のフレームの少なくとも一部について、前記壁面に対して内側に凹む溝部を形成する溝部形成工程を備え、前記取付工程では、前記溝部形成工程によって形成された前記溝部の少なくとも一部を充填するように、前記補強部材を配置してもよい。
本構成では、フレームに形成された溝部に補強部材が充填されているため、溝部が形成されていない被補強構造よりも、被補強構造に補強部材を取り付けやすい。
本構成では、フレームに形成された溝部に補強部材が充填されているため、溝部が形成されていない被補強構造よりも、被補強構造に補強部材を取り付けやすい。
(8)本発明の他の一形態によれば、補強部材の設計方法が提供される。この設計方法は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造のうち、前記複数のフレームの複数の端部を抽出する端部抽出工程と、前記端部抽出工程において抽出された複数の端部のうちの、1つの入力端部以外の他の端部を固定した状態で、前記入力版部に6自由度の荷重を独立に付加する荷重付加工程と、前記複数の端部のそれぞれに対して前記荷重付加工程を行い、全ての荷重付加工程の結果に応じて、前記被補強構造壁面の外側に取り付けられる前記補強部材の形状を決定する決定工程と、を情報処理装置により実行させる。
本構成によれば、補強部材が取り付けられる被補強構造に対して付加される力成分に応じて、補強部材の数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。
本構成によれば、補強部材が取り付けられる被補強構造に対して付加される力成分に応じて、補強部材の数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、複合構造体、構造体、複合構造体の製造方法、複合構造体の設計方法およびこれら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。
<実施形態>
1.複合構造体の形状:
図1は、本発明の実施形態としての複合構造体100の概略斜視図である。図1に示されるように、複合構造体100は、2つの略直方体のフレームが結合されたシェル(被補強構造)10と、シェル10の壁面の外側に取り付けられた補強部材20と、を備えている。すなわち、複合構造体100は、シェル10と、シェル10の剛性を向上させるために取り付けられた補強部材20とを合わせた構造体である。本実施形態の複合構造体100では、シェル10の壁面に対して補強部材20が後から選択的に取り付けられることにより、補強部材20の変更で効率的に複合構造体100の剛性が向上する。
1.複合構造体の形状:
図1は、本発明の実施形態としての複合構造体100の概略斜視図である。図1に示されるように、複合構造体100は、2つの略直方体のフレームが結合されたシェル(被補強構造)10と、シェル10の壁面の外側に取り付けられた補強部材20と、を備えている。すなわち、複合構造体100は、シェル10と、シェル10の剛性を向上させるために取り付けられた補強部材20とを合わせた構造体である。本実施形態の複合構造体100では、シェル10の壁面に対して補強部材20が後から選択的に取り付けられることにより、補強部材20の変更で効率的に複合構造体100の剛性が向上する。
図2は、シェル10の概略斜視図である。図3は、補強部材20の概略斜視図である。図2に示されるように、シェル10は、フランジ部11Fを有する略直方体形状の第1フレーム11と、第1フレーム11に対して結合部CNで結合される直方体形状の第2フレーム16と、を備えている。すなわち、シェル10では、2つのフレーム11,16が結合されている。図2に示されるように、第1フレーム11は、長手軸(後述するX軸)に沿って延びる直方体形状の本体部11Bに対してフランジ部11Fが付加された形状を有する。本実施形態の第1フレーム11および第2フレーム16は、同じ金属製の材料で形成されている。
本実施形態では、図1ないし図3に示される直交座標系CSが定義されている。直交座標系CSは、図1ないし図3に示されるように、第1フレームの長手軸がX軸として定義され、Y軸およびZ軸は、本体部11Bの各面と平行な軸として設定されている。なお、直交座標系CSは、図4以降に示される直交座標系CSと対応している。直交座標系CSを用いて、フランジ部11Fは、本体部11Bに対してZ軸正方向側およびZ軸負方向側に延出している平板であると換言できる。
第2フレーム16は、Z軸に平行な長手軸に沿って延びた直方体形状を有している。第2フレーム16は、結合部CNにおいて溶接により、第1フレーム11の本体部11BにおけるZ軸正方向側のXY平面に結合されている。
図3に示される補強部材20は、シェル10の壁面の外側に対して、複数の棒状部材の組み合わせにより形成されている。例えば、補強部材20に含まれる一要素の棒状部材21は、図3に示されるように、結合部CNから、第1フレーム11のX軸正方向側の端部まで延びている。換言すると、棒状部材21は、結合部CNからフレーム11の端部まで繋がっている。本実施形態では、複数の棒状部材の組み合わせは、シェル10に作用する力成分から選択的に決定されている。棒状部材は、第1フレーム11および第2フレーム16を成型するための金型とは別の金型により、シェル10の壁面に接合される。
2.補強部材の設計方法:
補強部材20の形状は、複合構造体100への入力に対して剛性を最大化するトポロジー最適化の設計方法により決定される。本実施形態では、PC(Personal Computer)等の情報処理装置を用いたFEM解析により、シェル10における結合部CNに作用する力成分が算出される。後述する図4に示される複数の梁要素20Sを補強部材候補として張り巡らし、トポロジー最適化手法により、この与えられた負荷条件下で剛性に寄与する梁要素20Sは寄与度に応じて太くなり、剛性に寄与しない梁要素20Sは細くなり消滅する。複数の負荷条件を考慮する場合は、全ての条件を同時に満たす補強部材20の構成がトポロジー最適化手法により求められる。
補強部材20の形状は、複合構造体100への入力に対して剛性を最大化するトポロジー最適化の設計方法により決定される。本実施形態では、PC(Personal Computer)等の情報処理装置を用いたFEM解析により、シェル10における結合部CNに作用する力成分が算出される。後述する図4に示される複数の梁要素20Sを補強部材候補として張り巡らし、トポロジー最適化手法により、この与えられた負荷条件下で剛性に寄与する梁要素20Sは寄与度に応じて太くなり、剛性に寄与しない梁要素20Sは細くなり消滅する。複数の負荷条件を考慮する場合は、全ての条件を同時に満たす補強部材20の構成がトポロジー最適化手法により求められる。
図4は、シェル10に対する解析条件の説明図である。図4には、シェル10に対して設定された、3つの端部P1~P3と、補強部材20の一要素としての候補である複数の梁要素20Sと、が示されている。端部P1~P3は、結合部CNに延びるフレーム11,16の端部と言い換えることができる。補強部材20の設計方法では、初めに、フレーム11,16の端部P1~P3が抽出される。
端部P1は、第2フレーム16のうち、長手方向のZ軸方向に沿って結合部CNとは反対側(Z軸正方向側)のXY平面の重心位置に設定されている。端部P2は、第1フレーム11のうち、長手方向のX軸に沿って一方の端部であるX軸正方向側のYZ平面の重心位置に設定されている。端部P3は、第1フレーム11において端部P2の反対側の位置、すなわち、長手方向のX軸に沿って他方の端部であるX軸負方向側のYZ平面の重心位置に設定されている。複数の梁要素20Sのそれぞれは、X軸と、Y軸と、Z軸とのいずれかの軸に平行な棒状の要素として設定されている。なお、複数の梁要素20Sについては、図4に示される要素に限定されず、変形可能である。
補強部材20の設計方法では、一例として、抽出された3つの端部P1~P3のうちの2つの端部(例えば端部P2,P3)を固定した状態で、残りの1つの端部(例えば端部P1)に対して6自由度の荷重を付加する。
図5ないし図10は、補強部材20の単独負荷に対する形状についての説明図である。図5ないし図10のそれぞれには、端部P2,P3を固定した状態で、端部(入力端部)P1に対して6自由度の荷重をそれぞれ独立に付加した場合に、解析条件から決定される補強部材20の仮形状20FX,20FY,20FZ,20MX,20MY,20MZと、シェル10とが示されている。
図5には、端部P1に対してX軸正方向側に作用する力FXが加わった場合に、解析により最適化された補強部材20の仮形状20FXが示されている。図5に示されるように、仮形状20FXは、断面の面積が異なる複数の梁要素20Sの集合により形成されている。例えば、領域AR1に示されるように、X軸に平行な梁要素と、Y軸に平行な梁要素とが交差することにより、仮形状20FXはシェル10の剛性を向上させている。図6には、端部P1に対してY軸正方向側に作用する力FYが加わった場合に、解析により最適化された補強部材20の仮形状20FYが示されている。図7には、端部P1に対してZ軸正方向側に作用する力FZが加わった場合に、解析により最適化された補強部材20の仮形状20FZが示されている。
図8には、端部P1に対してX軸回りに作用するモーメントMXが加わった場合に、解析により最適化された補強部材20の仮形状20MXが示されている。図8に示される仮形状20MXは、図5ないし図7に示された仮形状20FX,20FY,20FZと同じように、断面の面積が異なる複数の梁要素20Sの集合により形成されている。図9には、端部P1に対してY軸回りに作用するモーメントMYが加わった場合に、解析により最適化された補強部材20の仮形状20MYが示されている。図10には、端部P1に対してZ軸回りに作用するモーメントMZが加わった場合に、解析により最適化された補強部材20の仮形状20MZが示されている。6自由度の力成分に応じて決定された仮形状20FX,20FY,20FZ,20MX,20MY,20MZから、補強部材20(図3)の形状が決定される。
図11は、シェル10に補強部材20を補強する方法の説明図である。図11には、シェル10の一部と、シェル10に取り付けられる補強部材20の一要素である梁要素20Sとの概略断面図が示されている。本実施形態では、シェル10の平板状の外側の壁面に、成形型DIにより断面が半円の棒状部材が接合される。そのため、本実施形態の複合構造体100では、同一の成形型DIを用いて、シェル10の外壁に選択的に梁要素20Sが形成される。
図12は、本実施形態の補強部材20の設計方法のフローチャートである。図12に示されるように、補強部材20の設計フローでは、初めに、互いに結合されたフレーム11,16のうちの端部P1~P3を抽出する抽出工程(端部抽出工程)が行われる(ステップS21)。次に、抽出された複数の端部P1~P3のうちから1つの端部P1が入力端部として選択される(ステップS22)。1つの端部P1である入力端部以外の他の端部P2,P3が固定された状態で、端部P1に6自由度の荷重を独立に付加する荷重付加工程が行われる(ステップS23)。荷重付加工程では、結果としての補強部材の仮形状が決定する。
荷重付加工程が行われると、補強部材20の形状を決定する決定工程が行われ(ステップS24)、設計フローが終了する。決定工程では、端部P1に対しての荷重付加工程で得られた結果としての6つの補強部材の仮形状を用いて、補強部材20の形状が決定する。
3.複合構造体の製造方法:
図13は、本実施形態における複合構造体100の設計方法のフローチャートである。図13に示される製造フローでは、初めに、シェル10が配置される配置工程が行われる(ステップS1)。次に、補強部材20の形状を決定するための解析を行う設計工程が行われる(ステップS2)。設計工程では、図12に示される補強部材20の設計フローが行われる。具体的には、設計工程では、PC等の情報処理装置を用いたFEM解析により、結合部CNに作用する力成分が算出される。算出された力成分に応じて選択的に梁要素20Sが形成された補強部材20の形状が決定する。本実施形態の設計工程では、当該力成分は、結合部CNまで延びる第2フレーム16の端部P1に対して6自由度の荷重が付加された場合の結合部CNへの負荷を用いて算出される。
図13は、本実施形態における複合構造体100の設計方法のフローチャートである。図13に示される製造フローでは、初めに、シェル10が配置される配置工程が行われる(ステップS1)。次に、補強部材20の形状を決定するための解析を行う設計工程が行われる(ステップS2)。設計工程では、図12に示される補強部材20の設計フローが行われる。具体的には、設計工程では、PC等の情報処理装置を用いたFEM解析により、結合部CNに作用する力成分が算出される。算出された力成分に応じて選択的に梁要素20Sが形成された補強部材20の形状が決定する。本実施形態の設計工程では、当該力成分は、結合部CNまで延びる第2フレーム16の端部P1に対して6自由度の荷重が付加された場合の結合部CNへの負荷を用いて算出される。
決定された形状に応じて、シェル10の壁面の外側に対して補強部材20を取り付ける取付工程が行われる(ステップS3)。取付工程では、図11に示されるように、成形型DIを用いて補強部材20を構成する複数の梁要素20Sが、シェル10の壁面の外側に選択的に取り付けられる。取付工程が行われると、製造フローは終了する。
4.複合構造体の強度評価:
図14および図15は、複合構造体100の強度評価についての説明図である。図14には、複合構造体100における端部P2,P3が固定された状態で、端部P1に6自由度の荷重を付加させた場合の複合構造体100の変位量(mm)が示されている。また、図14には、比較のために、複合構造体100と同じ質量にした場合の比較例のシェル10zの変位量が示されている。具体的には、複合構造体100の質量は、4.2290kgのシェル10の質量と、6.6692kgの補強部材20の質量との合計である。比較例のシェル10zの質量は、シェル10の板厚を2.577倍に増やした10.8980kgである。すなわち、図14には、ほぼ同等の質量の複合構造体100と比較例のシェル10zとの変位量との強度評価が示されている。また、図14には、複合構造体100の変位量を、比較例のシェル10zの変位量で除した変位の比が表されている。図15には、図14における6自由度の荷重の付加に対応する変位の比が棒グラフにより表されている。なお、6自由度の荷重に対応する各変位量は、複合構造体100の中で最も変化した部分の最大変位量を表している。
図14および図15は、複合構造体100の強度評価についての説明図である。図14には、複合構造体100における端部P2,P3が固定された状態で、端部P1に6自由度の荷重を付加させた場合の複合構造体100の変位量(mm)が示されている。また、図14には、比較のために、複合構造体100と同じ質量にした場合の比較例のシェル10zの変位量が示されている。具体的には、複合構造体100の質量は、4.2290kgのシェル10の質量と、6.6692kgの補強部材20の質量との合計である。比較例のシェル10zの質量は、シェル10の板厚を2.577倍に増やした10.8980kgである。すなわち、図14には、ほぼ同等の質量の複合構造体100と比較例のシェル10zとの変位量との強度評価が示されている。また、図14には、複合構造体100の変位量を、比較例のシェル10zの変位量で除した変位の比が表されている。図15には、図14における6自由度の荷重の付加に対応する変位の比が棒グラフにより表されている。なお、6自由度の荷重に対応する各変位量は、複合構造体100の中で最も変化した部分の最大変位量を表している。
図14に示されるように、端部P2,P3が固定された状態で、端部P1にX軸正方向に1N(ニュートン)の力成分を作用させた場合の複合構造体100の変位量は、8.65×10-5mmである。一方で、比較例のシェル10zの変位量は、1.17×10-4mmであり、複合構造体100の変位量よりも大きい。この場合の変位の比は、図14および図15に示されるように、0.739(73.9%)である。同じように、端部P1にFY=1N,FZ=1NおよびモーメントMX=1N・mm,MY=1N・mm,MZ=1N・mmが作用した場合の複合構造体100の変位量は、いずれも比較例のシェル10zの変位量よりも小さい。特に、端部P1にFY=1N,FZ=1Nが作用した場合には、複合構造体100の変位量は、比較例のシェル10zの変位量のおよそ半分である。すなわち、同質量であっても、複合構造体100の剛性の方が、比較例のシェル10zの剛性よりも高い。
5.効果:
以上説明したように、本実施形態の複合構造体100では、シェル10の壁面の外側に対して、選択的に補強部材20が取り付けられている。図3に示されるように、補強部材20に含まれる一要素の棒状部材21は、結合部CNからフレーム11の端部まで繋がっている。すなわち、棒状部材21は結合部CNから離れたフレーム11の端部から結合部CNまでを連続的に補強している。そのため、結合部CNのみが局所的に補強されている補強部材と比較して、本実施形態の複合構造体100では、棒状部材の不連続部での剛性低下が抑制されている。また、棒状部材21は、単に結合部CNから端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材20の質量増加を抑制でき、複合構造体100の高剛性化と軽量化との両立を図ることができる。さらに、補強部材20は、シェル10の壁面の外側に対して選択的に取り付けられているため、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体100を容易に得ることができ、複合構造体100の構造設計を容易かつ短時間化できる。これらの結果、複合構造体100において、軽量化および高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にできる。
以上説明したように、本実施形態の複合構造体100では、シェル10の壁面の外側に対して、選択的に補強部材20が取り付けられている。図3に示されるように、補強部材20に含まれる一要素の棒状部材21は、結合部CNからフレーム11の端部まで繋がっている。すなわち、棒状部材21は結合部CNから離れたフレーム11の端部から結合部CNまでを連続的に補強している。そのため、結合部CNのみが局所的に補強されている補強部材と比較して、本実施形態の複合構造体100では、棒状部材の不連続部での剛性低下が抑制されている。また、棒状部材21は、単に結合部CNから端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材20の質量増加を抑制でき、複合構造体100の高剛性化と軽量化との両立を図ることができる。さらに、補強部材20は、シェル10の壁面の外側に対して選択的に取り付けられているため、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体100を容易に得ることができ、複合構造体100の構造設計を容易かつ短時間化できる。これらの結果、複合構造体100において、軽量化および高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にできる。
また、本実施形態の複合構造体100の製造方法では、配置されたシェル10の壁面の外側に対して、選択的に補強部材20が取り付けられている。このため、シェル10に対して付加される力成分に応じて、補強部材20の梁要素20Sの数や、補強部材20の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体100を容易に得ることができ、複合構造体100の構造設計を容易かつ短時間化できる。
また、本実施形態の複合構造体100の製造方法では、補強部材20の形状を決定するための解析を行う設計工程が行われる(図13のステップS2)。設計工程では結合部CNに作用する力成分が算出され、算出された力成分に応じて補強部材20の形状が決定する。複数のフレーム11,16が結合されたシェル10では、結合部CNがフレームの一端を形成する場合がある。この場合に、フレームの他端に力やモーメントが加わると、結合部CNに最も大きな力が加わる。本実施形態の製造方法では、最も大きな力が加わる結合部CNの力成分に応じて補強部材20の形状が決定されるため、複合構造体100の剛性を効率的に高めることができる。
<上記実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<変形例1>
上記実施形態では、互いに結合された複数のフレーム11,16を有するシェル10と、シェル10の壁面の外側に対して選択的に取り付けられた補強部材20と、を備える複合構造体100について説明したが、複合構造体100の各構成については種々変形可能である。例えば、フレームとは、上記実施形態のフレーム11,16のような長手軸に沿う略直方体形状を有していなくてもよく、単に球形状の部材でもよく、平板形状の部材であってもよい。フレームとは、結合部CNにおいて他のフレーム(部材)と結合される部材のことを言い、フレームの形状や材質については変形可能である。上記実施形態の補強部材20の形状は、一例であり、1つの接合された部材として構成されずに、分割された複数の補強部材により構成されていてもよい。補強部材20の材料は、フレーム11,16と同じであってもよいし、異なる樹脂等の材質であってもよい。
上記実施形態では、互いに結合された複数のフレーム11,16を有するシェル10と、シェル10の壁面の外側に対して選択的に取り付けられた補強部材20と、を備える複合構造体100について説明したが、複合構造体100の各構成については種々変形可能である。例えば、フレームとは、上記実施形態のフレーム11,16のような長手軸に沿う略直方体形状を有していなくてもよく、単に球形状の部材でもよく、平板形状の部材であってもよい。フレームとは、結合部CNにおいて他のフレーム(部材)と結合される部材のことを言い、フレームの形状や材質については変形可能である。上記実施形態の補強部材20の形状は、一例であり、1つの接合された部材として構成されずに、分割された複数の補強部材により構成されていてもよい。補強部材20の材料は、フレーム11,16と同じであってもよいし、異なる樹脂等の材質であってもよい。
上記実施形態において設定された直交座標系CSは、一例であり、結合部CNにより結合されるフレームの数や形状に応じて自由に設定されてもよい。設定された直交座標系CSの各軸に応じて、フレーム11,16の位置関係は変化する。
<変形例2>
図16ないし図18は、変形例の複合構造体についての説明図である。図16には、変形例の複合構造体が備える第2フレーム16aの一部が示されている。図16の概略斜視図に示されるように、変形例のシェル10aが有する第2フレーム16aには、壁面に対して内側に凹むように形成された溝部CHが形成されている。図16に示されるように、溝部CHの断面は半円形状であり、溝部CHは、X軸またはZ軸に沿って延びている。
図16ないし図18は、変形例の複合構造体についての説明図である。図16には、変形例の複合構造体が備える第2フレーム16aの一部が示されている。図16の概略斜視図に示されるように、変形例のシェル10aが有する第2フレーム16aには、壁面に対して内側に凹むように形成された溝部CHが形成されている。図16に示されるように、溝部CHの断面は半円形状であり、溝部CHは、X軸またはZ軸に沿って延びている。
図17には、第2フレーム16aに形成された溝部CHに、補強部材20aの一要素である梁要素20Saが取り付けられた状態の概略断面図が示されている。変形例では、第2フレーム16aの溝部CHに、成形型により断面が円形状の棒状部材が接合される。一方で、図18には、第2フレーム16aに形成された溝部CHに、充填剤16inが充填された状態の概略断面図が示されている。図18に示されるように、変形例では、第2フレーム16aの溝部CHを埋めるように、半円形状の断面を有する充填剤16inが充填されることにより、シェル10aの一部を構成する第2フレーム16aが形成されている。なお、設計工程により算出される力成分に応じて、第2フレーム16aにおいて、梁要素20Saと充填剤16inとのいずれも取り付けられずに、溝部CHのまま残る部分があってもよい。
以上説明したように、変形例の複合構造体では、第2フレーム16aの壁面に凹むように形成された溝部CHに補強部材20の梁要素20Saが選択的に取り付けられる。そのため、変形例の複合構造体では、溝部CHが形成されていない第2フレーム16よりも、溝部CHが形成された第2フレーム16aに梁要素20Saを取り付けやすくなる。
溝部CHの形状および形成位置については変形可能である。例えば、溝部CHの形状は、矩形状であってもよい。溝部CHが形成される位置は、例えば、結合部CN付近のみに形成されて、端部P1~P3付近に形成されていなくてもよい。形成される位置に応じて、溝部CHの断面の形状や断面の大きさが異なっていてもよい。また、溝部CHに充填される充填剤16inは、位置に応じて異なっていてもよく、第2フレーム16aと異なる材質(例えば樹脂材)であってもよい。図17に示される充填剤16inを、第2フレーム16aの一部ではなく、補強部材20aの一部として取り扱ってもよい。
<変形例3>
図19は、変形例の複合構造体の製造方法のフローチャートである。変形例の製造フローでは、初めに、略直方体形状の第1フレーム11および第2フレーム16a(図16)を作製するフレーム作製工程(溝部形成工程)が行われる(ステップS11)。フレーム11,16aは、成形型により成形されて作製される。成形時に第2フレーム16aには、所定の溝部CHが形成される。作製された第1フレーム11と第2フレーム16aとの結合部CNを溶接により結合する結合工程が行われる(ステップS12)。第1フレーム11と第2フレーム16aとが結合されたシェル10aを配置する配置工程が行われる(ステップS13)。
図19は、変形例の複合構造体の製造方法のフローチャートである。変形例の製造フローでは、初めに、略直方体形状の第1フレーム11および第2フレーム16a(図16)を作製するフレーム作製工程(溝部形成工程)が行われる(ステップS11)。フレーム11,16aは、成形型により成形されて作製される。成形時に第2フレーム16aには、所定の溝部CHが形成される。作製された第1フレーム11と第2フレーム16aとの結合部CNを溶接により結合する結合工程が行われる(ステップS12)。第1フレーム11と第2フレーム16aとが結合されたシェル10aを配置する配置工程が行われる(ステップS13)。
次に、補強部材20aの形状を決定するための設計工程が行われる(ステップS14)。設計工程では、FEM解析により、溝部CHの形状も加味されて結合部CNに作用する力成分が算出され、梁要素20Saが形成された補強部材20aの形状が決定する。決定された形状に応じて、シェル10aの壁面の外側に対して補強部材20aを取り付ける取付工程が行われる(ステップS15)。
上記実施形態および変形例の製造フローは、シェル10,10aを配置する工程と、補強部材20,20aをシェル10,10aの壁面に取り付ける取り付け工程と、を備える範囲で変形可能である。例えば、上記実施形態の製造フロー(図13)は、設計工程を備えてなくてもよい。設計工程では、端部P1~P3に6自由度の荷重が付加された解析ではなく、周知技術の解析方法が用いられてもよい。また、変形例の製造フローにおいて溝部CHを形成する溝部形成工程は、補強部材20aが取り付けられる前に実行されればよい。そのため、配置工程後にフレーム11,16aの所定の位置に切削加工により溝部CHが形成されてもよい。また、設計工程後に、溝部形成工程と取り付け工程とが行われてもよい。
<変形例4>
図20は、変形例の補強部材の設計方法のフローチャートである。図20に示される補強部材20の設計フローでは、上記実施形態の設計フロー(図12)と異なり、端部P1~P3のそれぞれを入力端部として選択して補強部材の形状を決定する点が異なる。図20に示されるように、変形例の補強部材の設計フローでは、端部P1~P3を抽出する抽出工程が行われる(ステップS21)。次に、抽出された複数の端部P1~P3のうちから1つの端部P1が入力端部として選択され(ステップS22)、端部P2,P3が固定された状態で、端部P1に対して荷重付加工程が行われる(ステップS23)。荷重付加工程では、端部P1が入力端部である場合の補強部材の仮形状が決定する。
図20は、変形例の補強部材の設計方法のフローチャートである。図20に示される補強部材20の設計フローでは、上記実施形態の設計フロー(図12)と異なり、端部P1~P3のそれぞれを入力端部として選択して補強部材の形状を決定する点が異なる。図20に示されるように、変形例の補強部材の設計フローでは、端部P1~P3を抽出する抽出工程が行われる(ステップS21)。次に、抽出された複数の端部P1~P3のうちから1つの端部P1が入力端部として選択され(ステップS22)、端部P2,P3が固定された状態で、端部P1に対して荷重付加工程が行われる(ステップS23)。荷重付加工程では、端部P1が入力端部である場合の補強部材の仮形状が決定する。
ステップS23の処理が行われると、入力端部として選択されていない端部があるか否かが判定される(ステップS231)。選択されていない端部P2,P3が有ると判定された場合には(ステップS231:YES)、選択されていない端部P2,P3のうちから新たな入力端部P2が選択され(ステップS232)、ステップS23以降の処理が繰り返される。全ての端部P1~P3のそれぞれが入力端部として選択済みである場合には(ステップS231:NO)、補強部材の形状を決定する決定工程が行われ(ステップS24)、設計フローが終了する。決定工程では、端部P1~P3のそれぞれに対しての荷重付加工程で得られた結果としての3つの補強部材の仮形状を用いて、補強部材20の形状が決定する。
また、変形例の複合構造体100の製造方法では、補強部材の形状を決定するために算出される力成分は、結合部CNまで延びる各フレーム11,16の端部P1に対して6自由度の荷重が付加された場合の結合部CNへの負荷を用いて算出される。すなわち、この変形例の製造方法では、端部P1における各軸回りのモーメントに対する剛性向上のための各フレーム11,16の断面二次モーメントの向上も踏まえて補強部材の形状が決定される。補強部材は、シェル10の壁面の外側に選択的に取り付けられた複数の棒状部材21により構成されるため、断面二次モーメント的に有利であり、複合構造体100を軽量で高剛性化できる。また、各端部P1~P3に対して6自由度の荷重を付加するFEM解析は、従来の解析方法を流用することにより、自動的に行われる。そのため、短期間で補強部材を設計した上で、シェル10に対して後から補強部材を取り付けることができる。
また、変形例の補強部材の設計方法では、結合部CNにより結合しているフレーム11,16の端部P1~P3を抽出する抽出工程が行われる(図20のステップS21)。抽出された3つの端部P1~P3のうちの2つの端部(例えば端部P2,P3)を固定した状態で、残りの1つの端部(例えば端部P1)に対して6自由度の荷重を付加する荷重付加工程が行われる(ステップS23)。このため、補強部材が取り付けられるシェル10に対して付加される力成分に応じて、補強部材の梁要素20Sの数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体100を容易に得ることができる。また、この変形例の設計方法を用いて製造される複合構造体100の構造設計を容易かつ短時間化できる。
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
10,10a,10z…シェル
11…第1フレーム
11B…本体部
11F…フランジ部
16,16a…第2フレーム
16in…充填剤
20,20a…補強部材
20FX,20FY,20FZ,20MX,20MY,20MZ…補強部材の仮形状
20S,20Sa…梁要素
21…棒状部材
100…複合構造体
AR1…領域
CH…溝部
CN…結合部
CS…直交座標系
DI…成形型
FX,FY,FZ…力
MX,MY,MZ…モーメント
P1~P3…端部(入力端部)
11…第1フレーム
11B…本体部
11F…フランジ部
16,16a…第2フレーム
16in…充填剤
20,20a…補強部材
20FX,20FY,20FZ,20MX,20MY,20MZ…補強部材の仮形状
20S,20Sa…梁要素
21…棒状部材
100…複合構造体
AR1…領域
CH…溝部
CN…結合部
CS…直交座標系
DI…成形型
FX,FY,FZ…力
MX,MY,MZ…モーメント
P1~P3…端部(入力端部)
Claims (8)
- 複合構造体であって、
互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造と、
前記被補強構造の壁面の外側に対して、選択的に取り付けられた1つ以上の補強部材と、
を備え、
前記1つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部は、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている、複合構造体。 - 請求項1に記載の複合構造体であって、
前記複数のフレームの少なくとも一部は、前記壁面に対して内側に凹むように形成された溝部を有し、
前記補強部材は、前記溝部の少なくとも一部を充填するように配置されている、複合構造体。 - 複合構造体の製造方法であって、
互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造を配置する配置工程と、
前記被補強構造の壁面の外側に対して、1つ以上の補強部材を選択的に取り付ける取付工程と、
を備える、製造方法。 - 請求項3に記載の製造方法であって、
前記取付工程では、前記1つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部に、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている補強部材を用いる、製造方法。 - 請求項3または請求項4に記載の製造方法であって、さらに、
前記取付工程において使用される前記1つ以上の補強部材の形状をそれぞれ決定する設計工程を備え、
前記設計工程では、当該補強部材が配置される前記結合部に作用する力成分を算出し、前記補強部材の形状を、算出された前記力成分に応じた形状とする、製造方法。 - 請求項5に記載の製造方法であって、
前記設計工程では、前記力成分を、前記結合部に延びる各前記フレームの端部に対して6自由度の荷重を独立に付加した場合の前記結合部への負荷を用いて算出する、製造方法。 - 請求項3から請求項6のいずれか一項に記載の製造方法であって、さらに、
前記複数のフレームの少なくとも一部について、前記壁面に対して内側に凹む溝部を形成する溝部形成工程を備え、
前記取付工程では、前記溝部形成工程によって形成された前記溝部の少なくとも一部を充填するように、前記補強部材を配置する、製造方法。 - 補強部材の設計方法であって、
互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造のうち、前記複数のフレームの複数の端部を抽出する端部抽出工程と、
前記端部抽出工程において抽出された複数の端部のうちの、1つの入力端部以外の他の端部を固定した状態で、前記入力端部に6自由度の荷重を独立に付加する荷重付加工程と、
前記複数の端部のそれぞれに対して前記荷重付加工程を行い、全ての荷重付加工程の結果に応じて、前記被補強構造壁面の外側に取り付けられる前記補強部材の形状を決定する決定工程と、
を情報処理装置により実行させる、設計方法。
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JP2021037258A JP2022137667A (ja) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | 複合構造体、複合構造体の製造方法、および補強部材の設計方法 |
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JP2021037258A Pending JP2022137667A (ja) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | 複合構造体、複合構造体の製造方法、および補強部材の設計方法 |
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