JP5635241B2

JP5635241B2 - 繊維強化プラスチック構造体およびその接続方法

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Publication number: JP5635241B2
Application number: JP2009079513A
Authority: JP
Inventors: 文子高野; 亮一高津; 勝宏臼井; 仁志鈴木; 和田原　英輔; 英輔和田原; 山崎　真明; 真明山崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Toray Industries Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Toray Industries Inc
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010228337A

Description

本発明は、インサート部材を内部に備えた繊維強化プラスチック構造体およびその接続方法に関するものである。

近年、例えば車両用の構造部材等において、軽量化のために樹脂が使用されてきており、特に、繊維材により強化された繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）が使用されている。このようなＦＲＰ成形品は、一般的に、接着やボルト接合等によって他部品に取り付けられる。ボルト等により接合する方法としては、ＦＲＰ成形品の内部に、ボルトやナット等をインサート部材として埋め込む方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の方法では、ＦＲＰ製の外皮部材の内側に、外皮部材と接するようにインサート部材が配置されている。外皮部材には、外部からインサート部材へ達する穴部が形成されており、インサート部材は、この穴部の周囲で外皮部材と接している。

特開２００７−１６８３９７号公報

特許文献１に記載の方法では、インサート部材が外皮部材の穴部の周囲で接しているため、インサート部材に接続されたボルトに引き抜き荷重が作用すると、まず外皮部材の穴部の周囲に荷重がかかり、穴部に応力が集中する。穴部に応力が集中すると、亀裂が発生して進展しやすくなり、強度が低下する場合がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、引き抜き荷重に対して高い強度を有する繊維強化プラスチック構造体および繊維強化プラスチック構造体の接続方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る繊維強化プラスチック構造体は、繊維強化プラスチックにより形成される外皮部材と、前記外皮部材の内部に配置され、前記外皮部材の外部から内部へ延設される接続部材と連結されるインサート部材と、を有する繊維強化プラスチック構造体である。インサート部材は、外皮部材と離隔して形成されて接続部材が連結される離隔面と、接続部材から離れて形成されて外皮部材と接する接触部と、を有している。インサート部材はさらに、接続部材と連結される連結部が、接続部材が挿入されて連結される止まり孔形状の連結孔であり、インサート部材の接続部材が延設される延設方向の反対面が、連結孔の中心軸から離れた位置で延設方向と反対向きに突出して形成されている。インサート部材が変形する強度は外皮部材の曲げ強度よりも小さく、インサート部材の連結孔の深さおよび接続部材と連結孔とが連結される長さは、接続部材を連結孔から引き抜く方向の荷重を接続部材に作用させた場合に接続部材が連結孔からすり抜けることを抑制する深さおよび長さである。

上記目的を達成する本発明に係る繊維強化プラスチック構造体の接続方法は、繊維強化プラスチックにより形成される外皮部材の内部に、インサート部材が設けられた繊維強化プラスチック構造体の接続方法である。当該接続方法では、インサート部材の外皮部材と離隔して形成される離隔面に、外皮部材の外部から内部へ延設される接続部材を止まり孔形状の連結孔に挿入して連結し、接続部材の延設方向の反対面に連結孔の中心軸から離れた位置で延設方向と反対向きに突出する突出部が形成されたインサート部材における延設方向の側において接続部材から離れて形成された接触部を外皮部材と接触させる。インサート部材が変形する強度は外皮部材の曲げ強度よりも小さく、インサート部材の連結孔の深さおよび接続部材と連結孔とが連結される長さは、接続部材を連結孔から引き抜く方向の荷重を接続部材に作用させた場合に接続部材が連結孔からすり抜けることを抑制する深さおよび長さである。

上記のように構成した本発明に係る繊維強化プラスチック構造体は、インサート部材が、接続部材と連結される離隔面で外皮部材と離れ、接続部材から離れて形成される接触部で外皮部材と接するため、接続部材に引き抜き荷重が作用した際に、外皮部材の接続部材と近接する狭い範囲に応力が集中しない。これにより、外皮部材における接続部材と近接する部位での亀裂の発生および進展を抑制でき、高い強度を有する繊維強化プラスチック構造体を実現できる。さらに、接続部材に引き抜き荷重が作用する際に、インサート部材の反対面側で止まり孔形状の連結孔が縮小して、接続部材の連結孔からのすり抜けを抑制できる。

上記のように構成した本発明に係る繊維強化プラスチック構造体の接続方法は、インサート部材の離隔面に接続部材を連結し、接続部材から離れた接触部を外皮部材と接触させた状態で、接続部材に引き抜き荷重が作用した際に、外皮部材の接続部材と近接する狭い範囲に応力が集中しない。これにより、外皮部材における接続部材と近接する部位での亀裂の発生および進展を抑制できる。さらに、接続部材に引き抜き荷重が作用する際に、インサート部材の反対面側で止まり孔形状の連結孔が縮小して、接続部材の連結孔からのすり抜けを抑制できる。

本実施形態に係るＦＲＰ構造体を示す断面図である。本実施形態に係るＦＲＰ構造体の製造工程においてインサート部材を設置する前を示す断面図である。本実施形態に係るＦＲＰ構造体の製造工程においてインサート部材を設置した後を示す断面図である。本実施形態に係るＦＲＰ構造体の製造工程においてインサート部材上にコア部材を設置した後を示す断面図である。本実施形態に係るＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際を示す断面図である。本実施形態に係るＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際のインサート部材の変形を示す断面図である。比較例のＦＲＰ構造体を示す断面図である。比較例のＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際を示す部分拡大断面図である。ＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際の変位と荷重の関係を示すグラフである。本実施形態に係るＦＲＰ構造体の他の例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本実施形態に係るＦＲＰ構造体を示す断面図、図２は、本実施形態に係るＦＲＰ構造体の製造工程においてインサート部材を設置する前を示す断面図、図３は、本実施形態に係るＦＲＰ構造体の製造工程においてインサート部材を設置した後を示す断面図、図４は、本実施形態に係るＦＲＰ構造体の製造工程においてインサート部材上にコア部材を設置した後を示す断面図である。

本実施形態に係るＦＲＰ構造体（繊維強化プラスチック構造体）１は、図１に示すように、繊維強化プラスチックからなる外皮部材２と、外皮部材２の内部に設けられるコア部材３およびインサート部材４とを有している。

外皮部材２には、外部の対象物を取り付けるためにＦＲＰ構造体１の外部から内部へ延設される棒状の接続部材５を導出する穴部６が形成されている。

インサート部材４は、ＦＲＰ構造体１を外部の対象物と接続するために埋設される部材であり、本実施形態では、内部に雌ネジが形成されたナットである。インサート部材４には、雄ネジを備えた接続部材５がねじ込まれて連結される。なお、接続部材５は、必ずしもインサート部材４と別部材である必要はなく、一体で形成（一体的に連結）されてもよい。接続部材５の外部側（図１中の上部側）の形状は、例えば雌ネジや雄ネジとすることができるが、特に限定されず、外部の対象物を接続できる構造であればよい。

インサート部材４は、接続部材５が挿入されて連結される連結孔７（連結部）が、外皮部材２と離隔して形成される離隔面８に形成され、連結孔７から離れた位置に形成される接触部９で、外皮部材２と接する。すなわち、インサート部材４の離隔面８は、外側の接触部９から内側の連結孔７へ向うにしたがって、テーパ状に窪んだ形状となっている。接触部９は、接続部材５を取り囲むように接続部材５から離れて形成され、外皮部材２と所定の範囲で接する環状の面で形成される。

インサート部材４の離隔面８に対して接続部材５の延設方向の反対面１１には、接続部材５の中心軸を中心とする外周端部に、接続部材５の延設方向と反対向きに（反対面１１に向って）突出して形成される突出部１０が形成されている。突出部１０は、接続部材５の中心軸から離れるほど高く形成されている。

前述のように、インサート部材４の離隔面８および反対面１１が中央部で窪んで形成されることで、インサート部材４の、接続部材５が延設される方向への厚さＷは、接触部９から接続部材５に向かって減少することとなる。

コア部材３は、発泡樹脂からなり、外皮部材２とインサート部材４の間に充填されることで、ＦＲＰ構造体１の重量増加を極力抑えつつ強度を向上させる役割を果たしている。コア部材３は、インサート部材４の反対面１１側と外皮部材２の間に充填される第１コア部材３Ａと、インサート部材４の離隔面８側と外皮部材２の間に充填される第２コア部材３Ｂとを有している。

外皮部材２のＦＲＰに適用される樹脂は、ＦＲＰのマトリックス樹脂となるものであればあらゆる樹脂が使用可能であり、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂、更にはこれらの混合樹脂も使用できる。

外皮部材２のＦＲＰに適用される繊維は、本実施形態では炭素繊維であるが、強化材となるものであれば特に制限はなく、炭素繊維の他に、例えば黒鉛繊維、またはガラス繊維や、アラミド、パラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリビニルアルコール、ポリアリレート等の有機繊維等が挙げあられ、またはこれらの２種類以上を併用したものも使用できる。

コア部材３の材料には、例えばポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、アクリルフォーム、塩化ビニルフォーム、ポリイミドフォーム等の硬質フォームを適用できるが、これらに限られず、木材等を用いることもできる。

インサート部材４は、本実施形態ではアルミニウム製であるが、例えばアルミニウム以外にも、鋼、チタン等の金属材料が適用される。

ＦＲＰ構造体１を製造するには、まず、図２に示すように、外皮部材２を部分的に成形し、この内部に、インサート部材４を挿入可能に第１コア部材３Ａを成形する。次に、図３に示すように、インサート部材４および接続部材５を第１コア部材３Ａ上に設置する。この後、図４に示すように、インサート部材４の上に、第２コア部材３Ｂを設置もしくは成形する。この後、第２コア部材３Ｂの上部を強化繊維基材で覆い、マトリックス樹脂を強化繊維基材に含浸させて硬化させた繊維強化プラスチックからなる外皮部材２で被覆させることにより、図１に示すＦＲＰ構造体１が完成する。

ＦＲＰ構造体１を製造する方法には、例えばＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ：樹脂注入成形法）工法を用いることができるが、オートクレーブを用いた成形でもよく、工法は制限されない。

次に、本実施形態に係るＦＲＰ構造体１の作用について説明する。

図５は、本実施形態に係るＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際を示す断面図、図６は、本実施形態に係るＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際のインサート部材の変形を示す断面図である。図７は、比較例のＦＲＰ構造体を示す断面図、図８は、比較例のＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際を示す部分拡大断面図である。図９は、ＦＲＰ構造体に引き抜き荷重が作用した際の変位と荷重の関係を示すグラフである。

ＦＲＰ構造体１に接続された接続部材５に引き抜き荷重Ｆが作用すると、図５に示すように、外皮部材２と接するインサート部材４の接触部９に荷重が伝わり、外皮部材２には、主として接触部９と接する部位に力が作用することになる。

ここで、図７に示すような比較例のＦＲＰ構造体２０では、繊維強化プラスチックからなる外皮部材２２の内部に、接続部材２５と連結されるインサート部材２４が設けられており、インサート部材２４の外皮部材２２と接する面２７が、接続部材２５の周囲全体で接している。このような比較例のＦＲＰ構造体２０では、図８に示すように、接続部材２５に引き抜き荷重Ｆが作用すると、外皮部材２２では、接続部材２５が貫通する穴部２６の近傍に応力が集中する。更に、外皮部材２２は、穴部２６の近傍側ほど強い力を受けるため、穴部２６の近傍においてせん断力Ｆ_Ｘが生じる。このような比較例のＦＲＰ構造体２０では、穴部２６の近傍から亀裂が発生して進展しやすく、ＦＲＰ構造体２０の強度が低下する。

これに対し、本実施形態に係るＦＲＰ構造体１では、図５に示すように、穴部６から離れた接触部９から外皮部材２に力が作用する。接触部９は、穴部６から離れた環状の面で形成されているため、比較例の場合よりも広い面積で外皮部材２に力が作用する。したがって、亀裂が生じ難く、比較例よりも高い引き抜き荷重Ｆに耐えることができる。

図９は、本実施形態のＦＲＰ構造体１と比較例のＦＲＰ構造体２０の各々に、引き抜き荷重Ｆを作用させた際の実験結果である。図９に示すように、比較例では、引き抜き荷重Ｆが作用すると、まず穴部２６の端部において亀裂が発生して進展し、インサート部材２４と外皮部材２２の間の接着層が破壊される（破壊モード１）。更に引き抜き荷重Ｆが作用すると、インサート部材４の外皮部材２と接する全面２７で外皮部材２を変形させて、外皮部材２の広い範囲で破壊が発生する（破壊モード２）。更に引き抜き荷重Ｆが作用すると、破壊が進んで急激な引き抜き荷重Ｆの落ち込みが発生することが確認できる。

これに対し、本実施形態のＦＲＰ構造体１では、引き抜き荷重Ｆが作用すると、穴部６から離れた環状の接触部９から外皮部材２に力が作用し、まずインサート部材４と第２コア部材３Ｂの間で剥離が生じるが、外皮部材２の面では剥離は生じない（破壊モードＡ）。この本実施形態の破壊モードＡが発生する領域では、比較例の破壊モード１および破壊モード２の領域よりも、変位が小さい上に、強い引き抜き荷重Ｆに耐えることができることが、図９より確認できる。

ここで、アルミニウム製のインサート部材４が変形する強度は、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）製の外皮部材２の曲げ強度よりも小さい。したがって、インサート部材４に引っ張り荷重が作用すると、外皮部材２が曲げられるよりも、インサート部材４が変形することとなる。

さらに、ＦＲＰ構造体１は、接続部材５から離れた接触部９でインサート部材４が外皮部材２と接するため、インサート部材４から外皮部材２に作用する荷重は、面内せん断方向ではなく曲げ方向（接触部で外皮部材を撓ませる方向）となる。このとき、外皮部材２に発生する応力が、外皮部材２を構成するＣＦＲＰの曲げ強度よりも小さい。このような範囲内であれば、外皮部材２（ＣＦＲＰ）に応力が作用しても、曲げ強度が高く外皮部材２は変形し難い。したがって、ＦＲＰ構造体１の全体としての引き抜き強度としては、外皮部材２よりもインサート部材４が変形する強度が支配的となり、インサート部材４と同程度の強度を得ることができる。

ＦＲＰ構造体１に引き抜き荷重Ｆが作用すると、インサート部材４の離隔面８が、接続部材５の周囲で外皮部材２と離れているため、図６に示すように、離隔面８が外側へ拡大するように変形する。これにより、インサート部材４と外皮部材２との接触面積が増大し、より強い荷重に耐えられることになる。なお、引き抜き荷重Ｆが作用して接触面積が増大すると、インサート部材４と外皮部材２の位置関係は、比較例の場合の位置関係に近付く。したがって、さらに荷重が増加すると、本実施形態においても比較例と同様の破壊モード１，破壊モード２が発生しえるが、インサート部材４を変形させる荷重が既に付与されているため、比較例の場合よりも強い引き抜き荷重Ｆに耐えることができる。

本実施形態によれば、インサート部材４が、接続部材５と連結される離隔面８で外皮部材２と離れ、接続部材５から離れて形成される接触部９で外皮部材２と接するため、接続部材５に引き抜き荷重Ｆが作用した際に、外皮部材２の接続部材５と近接する狭い範囲に応力が集中し難い。これにより、外皮部材２における接続部材５と近接する部位での亀裂の発生および進展を抑制でき、高い強度を有するＦＲＰ構造体１を実現できる。また、応力を緩和できることで、外皮部材２とインサート部材４の間に、補強材を設ける必要がない。ただし、補強材を設ける構成とすることも可能である。また、外皮部材２とインサート部材４が直接接触している部位が接触部９のみであるため、振動が入力される際の、外皮部材２とインサート部材４の間のこすれにより発生する層間剥離の発生を低減できる。また、外皮部材２とインサート部材４が直接接触している部位が接触部９のみであるため、外皮部材２とインサート部材４が互いに通電する素材である場合に、電食処理を施す面積が少なくなり、製造コストおよび製造工数を低減できる。

また、インサート部材４の、接続部材５が延設される延設方向への厚さＷが、接触部９から連結孔７に向かって減少しているため、インサート部材４が変形しやすくなる。これにより、引き抜き荷重Ｆが作用すると、インサート部材４の離隔面８が拡大し、インサート部材４が外皮部材２から抜け出すことを抑制できる。なお、離隔面８が拡大することで離隔面８側のネジ孔である連結孔７が拡大してしまうが、反対面１１側では、逆に連結孔７が縮小する方向に変形するため、接続部材５の連結孔７からのすり抜けを抑制できる。また、このようなＦＲＰ構造体１は、単一のインサート部材４でインサート部材４および接続部材５の抜け落ちを抑制できるため、インサート部材の部品数および成形工数を増加させる必要がなく、複数のインサート部材を高い位置決め精度で連結させる必要もない。

また、インサート部材４の反対面１１が、連結孔７の中心軸から離れた位置で突出して形成されているため、引き抜き荷重Ｆが作用する際に、反対面１１側で連結孔７が効果的に縮小し、接続部材５の連結孔７からのすり抜けをより確実に抑制できる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、ＦＲＰ構造体１にコア部材３が設けられなくてもよい。

また、図１０は本実施形態に係るＦＲＰ構造体の他の例を示す断面図であるが、このように、インサート部材３１の接触部３２を、スペーサ形状の別部材で設けてもよい。このような構造は、外皮部材３３の応力緩和を主に狙う際に、簡易に実施することができる。なお、このインサート部材３１と接触部３２を、一体で形成してもよい。

また、接触部９は、環状で形成されなくてもよく、例えば複数の部位で形成されてもよい。また、接触部９は必ずしも面で外皮部材２と接する必要はなく、接触部９と接する外皮部材２の剛性が十分に高い場合や、他の補強材を外皮部材２との間に設ける場合等には、点接触とすることもできる。

１繊維強化プラスチック構造体（ＦＲＰ構造体）、
２，３３外皮部材、
３コア部材、
３Ａ第１コア部材、
３Ｂ第２コア部材、
４，３１インサート部材、
５接続部材、
６穴部、
７連結孔（連結部）、
８離隔面、
９，３２接触部、
１０突出部、
１１反対面、
Ｆ引き抜き荷重、
Ｗインサート部材の厚さ。

Claims

繊維強化プラスチックにより形成される外皮部材と、
前記外皮部材の内部に配置され、前記外皮部材の外部から内部へ延設される接続部材と連結されるインサート部材と、を有する繊維強化プラスチック構造体であって、
前記インサート部材は、前記外皮部材と離隔して形成されて前記接続部材が連結される離隔面と、前記接続部材から離れて形成されて前記外皮部材と接する接触部と、を有し、
前記インサート部材はさらに、前記接続部材と連結される連結部が、前記接続部材が挿入されて連結される止まり孔形状の連結孔であり、前記インサート部材の前記接続部材が延設される延設方向の反対面が、前記連結孔の中心軸から離れた位置で前記延設方向と反対向きに突出して形成されてなり、
前記インサート部材が変形する強度は前記外皮部材の曲げ強度よりも小さく、前記インサート部材の前記連結孔の深さおよび前記接続部材と前記連結孔とが連結される長さは、前記接続部材を前記連結孔から引き抜く方向の荷重を前記接続部材に作用させた場合に前記接続部材が前記連結孔からすり抜けることを抑制する深さおよび長さである、繊維強化プラスチック構造体。
前記インサート部材の、前記接続部材が延設される延設方向への厚さが、前記接触部から前記接続部材が連結される連結部に向かって減少する請求項１に記載の繊維強化プラスチック構造体。
繊維強化プラスチックにより形成される外皮部材の内部に、インサート部材が設けられた繊維強化プラスチック構造体の接続方法であって、
前記インサート部材の前記外皮部材と離隔して形成される離隔面に、前記外皮部材の外部から内部へ向かって延設される接続部材を止まり孔形状の連結孔に挿入して連結し、
前記接続部材の延設方向の反対面に前記連結孔の中心軸から離れた位置で前記延設方向と反対向きに突出する突出部が形成された前記インサート部材における前記延設方向の側において前記接続部材から離れて形成された接触部を前記外皮部材と接触させ、
前記インサート部材が変形する強度は前記外皮部材の曲げ強度よりも小さく、前記インサート部材の前記連結孔の深さおよび前記接続部材と前記連結孔とが連結される長さは、前記接続部材を前記連結孔から引き抜く方向の荷重を前記接続部材に作用させた場合に前記接続部材が前記連結孔からすり抜けることを抑制する深さおよび長さである、繊維強化プラスチック構造体の接続方法。