JP6354927B2 - 金属管、及び金属管を用いた車両用構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、耐衝撃性を有する金属管及び金属管を用いた車両用構造部材に関する。

四角形の断面を有する金属管すなわち角管は、様々な用途に用いられる。例えば、車両、建物、大型容器の構造部材に角管が用いられる。このような構造部材には、衝撃に対する耐衝撃性が求められる。

例えば、国際公開２００５／０５８６２４号（特許文献１）には、耐衝撃用として、自動車の車体に両端支持の構造で装着される金属管が開示されている。この金属管は、全長又は部分的に曲がり部を有する。曲がり部の外周側が車体に加わる衝撃方向に略合致するよう配置される。この金属管は、真直管を用いた補強部材に比べ、車体補強用として優れた耐衝撃性を有する。

国際公開２００５／０５８６２４号

金属管は、降伏強度を超える衝撃を受けると折れ曲がり、折れ曲がり部が突出する。金属管を軽量化のために薄肉化すると、衝撃で折れたときの突出度合いが大きくなりやすい。これに対して、例えば、金属管を構造部材として用いる場合は、衝突による衝撃で変形した金属管が折れ曲がって突出する度合いは、より小さいことが好ましい。

そこで、本願は、衝撃による変形時の突出度合いをより小さくできる金属管及びそれを用いた構造部材を開示する。

本発明の実施形態における金属管は、四角形の断面を有し、長さが６Ｈ以上の金属管である。前記金属管は、互いに対向し、高さＨの一対の側壁と、前記一対の側壁の上端に接続される頂面部と、前記一対の側壁の下端に接続される底部とを備える。前記一対の側壁は、高強度部と低強度部を含む。前記高強度部は、前記金属管長手方向の寸法（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下の部分であって前記一対の側壁の互いに対向する部分に形成され、降伏強度が５００ＭＰａ以上である。前記低強度部は、前記高強度部の前記金属管長手方向両側に配置され、降伏強度が前記高強度部の６０〜８５％である。

本願開示によれば、衝撃による変形時の突出度合いをより小さくできる金属管及びそれを用いた構造部材を提供することができる。

図１Ａは、両端部が支持された角管の構成例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す角管の変形挙動例を示す図である。 図１Ｃは、図１Ａに示す角管の他の変形挙動例を示す図である。 図２Ａは、本実施形態における金属管の構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す金属管をｙ方向から見た側面図である。 図２Ｃは、図２Ａに示す金属管をｘ方向から見た側面図である。 図３は、一様な強度分布を持つ金属管の変形挙動を説明するための図である。 図４は、高強度部を挟む低強度部を有する金属管の変形挙動を説明するための図である。 図５Ａは、図２Ａに示す金属管をｚ方向から見た構成を示す上面図である。 図５Ｂは、図２Ａに示す金属管の高強度部及び低強度部の配置の変形例を示す図である。 図６は、金属管１の断面形状の変形例を示す断面図である。 図７は、金属管の断面形状の他の変形例を示す断面図である。 図８は、金属管の断面形状のさらに他の変形例を示す断面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 図１０Ａは、車両に配置される構造部材の一例を示す図である。 図１０Ｂは、スペースフレーム構造の車体を有する車両の一例を示す図である。 図１１は、低強度部と高強度部の境界を含む金属管の部分の降伏強度の分布の一例を示す図である。 図１２Ａは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。 図１２Ｂは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。 図１３は、金属管の変形のシミュレーション結果を示す図である。 図１４は、折れ発生時のインパクタストロークのシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５は、低強度部と高強度部の強度比を変えて衝撃荷重を入力した場合の、曲げ変形による変形量を示すグラフである。

発明者は、角管を構造部材として用いた場合の衝撃に対する挙動について調べた。角管を構造部材として用いる場合、角管は、例えば、図１Ａに示すように、両端部が支持された状態で、構造物（例えば、車両、建物又は容器等）の一部を構成する。発明者は、両端部が支持された角管の衝撃に対する挙動を調べたところ、角管の衝撃が加わる方向の寸法に対して、角管の長手方向の寸法（長さ）が６倍程度以上の場合、衝撃による変形度合いが大きくなる事態が発生することがわかった。

例えば、両端部が支持された角管の長手方向中央（図１Ａのｙ１）に衝撃が加わった場合、角管は、衝撃後早期に折れて変形する（図１Ｂ参照）。角管の長手方向中央と一方の支持部との間の位置（図１Ａのｙ２）に衝撃が加わった場合も、角管は変形する（図１Ｃ参照）。角管の長手方向中央（ｙ１）に衝撃が加わった場合の方が、ｙ２に衝撃が加わった場合より、早期折れ変形の突出度合いが大きくなる。解析の結果、両端部が支持された角管の長手方向中央へ衝撃が加わった場合に、最もモーメントの負荷が高くなることがわかった。

発明者は、角管の強度を上げることで、衝撃による角管の変形度合いを小さくすることを検討した。しかし、角管の強度を上げても変形による突出度合いは変化しない。そこで、発明者は、角管の強度分布を変化させることで、折れ変形を抑えることをさらに検討した。

発明者は、角管の材料強度及び強度分布について、鋭意検討した結果、角管の側壁に、他の部分より強度が低い低強度部を、長手方向に並べて配置する構成に想到した。すなわち、高強度部の両側に高強度部より強度の低い低強度部を配置する構成に想到した。この構成において、高強度部に加わった衝撃による荷重が低強度部に伝達し、折れ変形が抑えられることを見出した。そして、さらなる試行錯誤の結果、高強度部の強度、低強度部の高強度部に対する強度比、高強度部の長手方向の寸法を適切に設定することにより、高強度部に対する衝撃による変形度合いを効果的に低減できることを見出した。この知見に基づき、下記実施形態の角管に想到した。

［実施形態］
図２Ａは、本実施形態における金属管１の構成を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示す金属管１を長手方向（ｙ方向）から見た側面図である。図２Ｃは、図２Ａに示す金属管１を長手方向に垂直な方向（ｘ方向）から見た側面図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、金属管１は、四角形の断面を有する角管である。金属管１は、互いに対向する一対の側壁１１、１２と、一対の側壁１１、１２の上端に接続される頂面部１３と、一対の側壁１１、１２の下端に接続される底部１４とを備える。金属管１の長さＬＹは、側壁１１、１２の高さＨの６倍以上すなわち６Ｈ以上である（ＬＹ≧６Ｈ）。図２Ａ〜図２Ｂに示す例では、一対の側壁１１、１２の高さはいずれも同じ（Ｈ）である。一対の側壁１１、１２の高さが異なる場合は、一対の側壁１１、１２の高さのうち高い方をＨとして、金属管１の長さＬＹをＨの６倍以上とする。

一対の側壁１１、１２のそれぞれは、高強度部１１Ａ、１２Ａと低強度部１１Ｂ、１１Ｂを備える。一対の側壁１１、１２の互いに対向する部分に高強度部１１Ａ、１２Ａが設けられる。すなわち、一対の側壁１１、１２のうち一方の側壁１１の高強度部１１Ａと、他方の側壁１２の高強度部１２Ａは、互いに対向する位置に設けられる。低強度部１１Ｂ、１２Ａも、一対の側壁１１、１２のそれぞれにおいて、互いに対向する部分に設けられる。すなわち、一方の側壁１１の低強度部１１Ｂと、他方の側壁１２の低強度部１２Ｂは、互いに対向する部分に設けられる。

図２Ｃに示すように、互いに対向する高強度部１１Ａ、１２Ａの金属管長手方向の寸法ＬＡは、（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下である（２Ｈ／３≦ＬＡ≦３Ｈ）。高強度部１１Ａ、１２Ａの降伏強度は５００ＭＰａ（引張強度の場合は、９８０ＭＰａ）以上である。低強度部１１Ｂ、１２Ｂは、高強度部１１Ａ、１２Ａの金属管長手方向両側に配置される。低強度部１１Ｂ、１２Ｂの降伏強度は、高強度部１１Ａ、１２Ａの降伏強度の６０〜８５％（６０％以上８５％以下）である。なお、低強度部１１Ｂ、１２Ｂの引張強度も、同様に、高強度部１１Ａ、１２Ａの引張強度の６０〜８５％である。

高強度部１１Ａ、１２Ａは、金属管の長手方向において、（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下の距離にわたって形成される。一対の側壁１１、１２の高さが異なる場合は、一対の側壁１１、１２の高さのうち高い方をＨとして、高強度部１１Ａ、１２Ａの金属管１の長手方向の寸法を、（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下とする。

高強度部１１Ａ、１２Ａ及び低強度部１１Ｂ、１２Ｂ以外の側壁１１、１２の部分１１Ｃ、１２Ｃすなわち、低強度部１１Ｂ、１２Ｂの外側の部分１１Ｃ、１２Ｃの降伏強度は、低強度部１１Ｂ、１２Ｂ以上とする。例えば、低強度部１１Ｂ、１２Ｂの外側の部分１１Ｃ、１２Ｃの降伏強度は、高強度部１１Ａ、１２Ａと同じであってもよい。本例では、低強度部１１Ｂ、１２Ｂは、周りよりも降伏強度が低い部分である。

図２Ａ〜図２Ｃに示すように、衝撃荷重を受ける頂面部１３を支える一対の側壁１１、１２において、高強度部１１Ａ、１２Ａの両側に低強度部１１Ｂ、１２Ｂを配置することで、衝撃荷重による変形を高強度部１１Ａ、１２Ａに集中させることなく、低強度部１１Ｂ、１２Ｂに分散させることができる。これは、次の３点の構成によって実現できる。第１に、高強度部１１Ａ、１２Ａの降伏強度を、５００ＭＰａ（引張強度の場合は９８０ＭＰａ）以上とする。第２に、低強度部１１Ｂ、１１Ｂの高強度部１１Ａ、１２Ａに対する強度比を６０〜８５％とする。第３に、互いに対向する高強度部１１Ａ、１２Ａの金属管１の長手方向における寸法ＬＡを、（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下とする。上記３点により、高強度部１１Ａ、１２Ａへの衝撃による荷重による変形を、早期に、低強度部１１Ｂ、１２Ｂに分散することができる。その結果、衝撃による金属管１の折れ変形を抑えることができる。

金属管１のように、長さＬＹが６Ｄ以上の細長い金属管では、長手方向に離間した２つの支持部で支持された状態で、２つの支持部の中央付近に衝撃が加わった場合に、金属管の２つの支持部の中央付近に生じる曲げモーメントが最も大きくなることが発明者の調査によりわかった。この知見に基づいて、２つの支持部の中央付近に高強度部１１Ａ、１２Ａを配置し、高強度部１１Ａ、１２Ａの両側に低強度部１１Ｂ、１２Ｂを配置することで、衝撃による金属管１の中央部の折れを避けることができる。金属管の支持部に近い箇所に衝撃が加わった場合、中央に衝撃が加わった場合に比べ、曲げモーメントの負荷が大きくならない。そのため、２つの支持部の中央に衝撃が加わった場合よりも、中央より支持部に近い位置に同じ強さの衝撃が加わった場合の方が、金属管は折れ難い。この観点から、金属管の２つの支持部の中央付近の強度分布が重要である。２つの支持部の中央付近に比べ、金属管の支持部に近い箇所の強度分布については、重要度は低い。

図３は、一様な強度分布を持つ断面四角形の金属管２の変形挙動を説明するための図である。図４は、図２Ａ〜図２Ｃに示すような低強度部１１Ｂ、１２Ｂを有する金属管１の変形挙動を説明するための図である。図３及び図４は、金属管の長さ方向に垂直な方向に圧子を衝突させた場合の変形挙動を示す。図３及び図４は、圧子の衝突の方向及び金属管の長さ方向に垂直な方向から見た側面の構成を示す。

図３に示すように、一様な強度分布を持つ金属管２では、衝撃により、曲げ変形起点Ｐで発生した変形は、側面視でくさび状になるように進行する。その結果、金属管２は、曲げ方向（衝撃の方向）に鋭く突出するように折れ曲がる。場合によっては、金属管２にひびが入ることもある。

図４に示すように、高強度部１１Ａの両側に低強度部１１Ｂ（図４ではドットで示される領域）を有する金属管１では、高強度部１１Ａの曲げ変形起点Ｐから内側へ進行する変形は、高強度部１１Ａと低強度部１１Ｂの境界に達すると、比較的強度の低い横方向（金属管１の長手方向）に進行しやすくなる。そのため、変形は長手方向に広がり、曲げ方向（衝撃方向）の変形度合いが小さくなる。

なお、図３及び図４に示す変形挙動は、圧子を金属管に衝突させた場合に限られない。例えば、金属管を長手方向に圧縮する軸力により曲げ変形する場合や、３点曲げ試験のように、金属管に圧子を押し付けて長手方向に垂直な方向の力を静的に加えたときの曲げ変形も、同様の変形挙動となり得る。

金属管１は、構造部材として用いることができる。例えば、金属管１の長手方向に離間した２箇所で支持された金属管１で構造部材を形成してもよい。この場合、金属管１は、他の部材に連結される部分である連結部を２つ有する。すなわち、金属管１は、連結部において他の部材に支持される。連結部は、支持部と称することもできる。連結部は、側壁１１、１２、頂面部１３及び底部１４の少なくとも１つに設けられる。

連結部では、金属管１は、他の部材に対して固定される。すなわち、連結部において、金属管１は、他の部材に対して、相対運動不可能な状態で連結される。金属管１の連結部は、例えば、締結部材又は溶接により他の部材と接合される。なお、連結部は、３つ以上であってもよい。

２つの連結部は、金属管１の長手方向において互いに６Ｈ以上離れた位置に配置される。すなわち、２つの連結部の間隔は、６Ｈ以上とする。高強度部１１Ａ、１２Ａ及び低強度部１１Ｂ、１２Ｂは、２つの連結部の間に設けられる。この構成において、２つの連結部の間に衝撃が加わった場合に、金属管１の変形による突出度合いを小さくすることができる。

例えば、金属管１を車両用構造部材として用いる場合は、金属管１を、金属管１の長手方向に離間した２つの連結部で支持した状態で車両に取り付けることができる。この際、車両の外側に頂面部１３を配置し、車両の内側に底部１４を配置するように、金属管１を車両に取り付けることができる。これにより、金属管１が、車両外部からの衝撃を受けた場合に、折れて車両内部へ突出する度合いを小さくすることができる。

図２Ａ〜図２Ｃに示す金属管１において、高強度部１１Ａ、１２Ａの長手方向の寸法ＬＡは、側壁１１、１２の高さＨに対して、Ｈ以上、３Ｈ以下（Ｈ≦ＬＡ≦３Ｈ）とすることが好ましい。これにより、さらに、高強度部１１Ａ、１２Ｂへの衝撃による変形度合いをより抑えることができる。さらに、上記寸法ＬＡをＨ以上、（４／３）Ｈ以下（Ｈ≦ＬＡ≦（４／３）Ｈ）とすることが好ましい。これにより、衝撃による変形度合いをより抑えることができる。

また、低強度部１１Ｂ、１２Ｂの長手方向の寸法ＬＢは、それぞれ（３／５）Ｈ以上（（３／５）Ｈ≦ＬＢ）とすることが好ましい。これにより、高強度部１１Ａへの衝撃による変形度合いをより抑えることができる。低強度部１１Ｂの寸法ＬＢは、金属管１の強度確保の観点から、例えば、２Ｈ以下が好ましく、Ｈ以下とすることがより好ましい。

なお、側壁の高さＨに対する高強度部の寸法ＬＡ及び低強度部の寸法ＬＢは、上記の関係、すなわち、（（２／３）Ｈ≦ＬＡ≦３Ｈ）、好ましくは（Ｈ≦ＬＡ≦（４／３）Ｈ）、より好ましくは（Ｈ≦ＬＡ≦（４／３）Ｈ）、又は、（（３／５）Ｈ≦ＬＢ等）を厳密に満たす場合に限られない。上記関係を満たすと見なせる程度の誤差を含む場合も含まれる。側壁の高さＨに対する金属管１の長さＬＹも、上記の関係（６Ｈ≦ＬＹ）を厳密に満たす場合に限られない。側壁の高さＨのおよそ６倍程度の金属管を、上記関係（６Ｄ≦ＬＹ）を有する金属管と見なすことができる。

また、図２Ａ〜図２Ｃに示す例では、低強度部１１Ｂと高強度部１１Ａの境界及び低強度部１２Ｂと高強度部１２Ａの境界は、金属管の長手方向に垂直な線上にある。低強度部と高強度部の境界の形態はこれに限られない。例えば、低強度部と高強度部の境界が金属管の長手方向に垂直ではなく蛇行していてもよい。この場合、蛇行する境界のうち最も低強度部寄りの位置と最も高強度部寄りの位置の中間に、低強度部と高強度部の境界が位置するとみなす。

また、高強度部１１Ａ、１２Ａを金属管１の長手方向中央に配置することが好ましい。すなわち、高強度部１１Ａ、１２Ａの少なくとも一部が、金属管１の長手方向中央の部分に位置するよう構成することが好ましい。換言すると、金属管１の長さ方向中央部を高強度部１１Ａ、１２Ａとすることが好ましい。これにより、金属管１の中央の折れ変形を効果的に抑えることができる。或いは、上記のように、金属管１を２つの連結部において他の部材と連結する場合、２つの連結部の間の中央に、高強度部１１Ａ、１２Ａを配置することが好ましい。すなわち、高強度部１１Ａ、１２Ａの少なくとも一部が、２つの連結部の間の中央の部分に位置するよう構成することが好ましい。これにより、金属管１の中央への衝撃による折れを抑えることができる。例えば、金属管１において、衝撃によるモーメントが最も大きくなる中央の折れ変形を効果的に抑えることができる。

図５Ａは、図２Ａに示す金属管１を上（頂面部１３、ｚ方向）から見た構成を示す上面図である。図５Ａでは、頂面部１３を透視して見える側壁１１、１２の部分を破線で示している。金属管１がねじれて折れ曲がるのを避けるため、図５Ａに示す例のように、一対の側壁１１、１２において、互いに対向する高強度部１１Ａ、１２Ａは、対向方向（ｘ方向）から見て完全に重なるよう配置されてもよい。すなわち、一方の高強度部１１Ａの全体と他方の高強度部１２Ａの全体は、対向方向から見て重なっている。一対の側壁１１、１２における互いに対向する低強度部１１Ｂ、１２Ｂも、対向方向（ｘ方向）から見て完全に重なるよう配置されてもよい。すなわち、一方の低強度部１１Ｂの全体と他方の低強度部１２Ｂの全体は、対向方向から見て重なっている。

図５Ａに示すように、一対の側壁１１、１２のうち一方の側壁１１の強度分布と、他方の側壁１２の強度分布とが、互いに鏡像関係にある構成とすることが好ましい。すなわち、一対の側壁１１、１２それぞれの高強度部１１Ａ、１２Ａ及び低強度部１１Ｂ、１２Ｂは、一対の側壁１１、１２の中央仮想面に対して対称に配置することが好ましい。これにより、一対の側壁１１、１２のうちどちらか片方が先に潰れてしまう可能性がより低くなる。

例えば、図２Ａ〜２Ｃ、図５Ａに示す例では、一対の側壁１１、１２は、同じ高さであり、頂面部１３との角度も同じである。そのため、長手方向に垂直な断面において、頂面部１３の垂直二等分線Ａを軸として、金属管１の断面形状は、左右対称となっている。また、金属管１の強度分布も、垂直二等分線Ａを軸として左右対称となっている。これにより、衝撃による応力の偏りが少なくなる。

図５Ｂは、図２Ａに示す金属管１の高強度部１１Ａ、１２Ａ及び低強度部１１Ｂ、１２Ｂの配置の変形例を示す図である。図５Ｂに示す例では、一対の側壁１１、１２において、互いに対向する高強度部１１Ａ、１２Ａは、対向方向（ｘ方向）から見て一部が重なるよう配置される。このように、一方の高強度部１１Ａの少なくとも一部が、他方の高強度部１２Ａと、対向方向から見て重なるよう配置されてもよい。一対の側壁１１、１２における互いに対向する低強度部１１Ｂ、１２Ｂも、対向方向（ｘ方向）から見て一部が重なるよう配置される。このように、一方の低強度部１１Ｂの少なくとも一部が、他方の低強度部１２Ｂと対向方向から見て重なるよう、配置されてもよい。

図５Ｂに示すように、一対の高強度部１１Ａ、１２Ａにおいて対向方向から見て重なっている部分の長手方向の寸法を、互いに対向する高強度部１１Ａ、１２Ａの寸法ＬＡとする。同様に、一対の低強度部１１Ｂ、１２Ｂにおいて対向方向から見て重なっている部分の長手方向の寸法を、互いに対向する低強度部１１Ｂ、１２Ｂの寸法ＬＢとする。

このように、高強度部１１Ａ、１２Ａの一部又は低強度部１１Ｂ、１２Ｂの一部が、対向方向から見て重なっている場合、上記の寸法ＬＡ、ＬＢは、互いに対向する部分の寸法とすることができる。このようにして定められるＬＡ、ＬＢが、上記の関係（（２／３）Ｈ≦ＬＡ≦３Ｈ、好ましくはＨ≦ＬＡ≦（４／３）Ｈ、より好ましくは（Ｈ≦ＬＡ≦（４／３）Ｈ）、又は、（３／５）Ｈ≦ＬＢ等）を満たすことができる。

上記の図２Ａ〜図２Ｃ、図５Ａ、図５Ｂに示す構成では、頂面部１３、一対の側壁１１、１２、底部１４の４つの板は、断面の四角形の各辺に対応する。これら４つの板のいずれにおいても、両端部が、隣接する板の端部と連続している。すなわち、これら４つ板は、連続した１つの部材で構成される。例えば、金属管１の４つの板は、１枚の板材を変形して形成されたものとすることができる。この場合、１枚の板材を折り曲げて形成された四角管が金属管１となる。金属管１は、この四角管の外周から外側へ突出する部材（例えば、フランジ等）を有しない。

金属管１においては、頂面部１３と一対の側壁１１、１２との境界に稜が形成される。同様に、底部１４と一対の側壁１１、１２との境界に稜が形成される。すなわち、頂面部１３、一対の側壁１１、１２、底部１４の４つの板において、隣接する２つの板の間にそれぞれ稜が形成される。これらの稜は、長手方向に延びる。このように、金属管１は、断面の四角形の角のそれぞれに対応する稜を有する。

言い換えれば、金属管１は、頂面部１３と、頂面部１３の両端にある２つの第１の稜線と、頂面部１３に対向する底部１４と、底部１４の両端にある２つの第２の稜線を備える。金属管１は、さらに、第１の稜線と第２の稜線の間にある２つの側壁１１、１２を備える。第１の稜線の延在方向を、金属管１の長手方向とする。第１の稜線の延在方向と第２の稜線の延在方向は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

稜は、金属管１の衝撃に対する強度を高める。衝撃を受ける面である頂面部１３に稜を介して接続される側壁１１、１２に、高強度部１１Ａ、１２Ａと低強度部１１Ｂ、１２Ｂが配置される。これにより、頂面部１３への衝撃による金属管１の折れ変形を抑えることができる。

図６は、金属管１の断面形状の変形例を示す断面図である。図６に示す例では、金属管１の断面形状が台形となっている。この例では、台形の上底と下底が平行でない。このように、側壁１１、１２と底部１４との角度、及び／又は側壁１１、１２と頂面部１３との角度は、９０度（直角）でなくてもよい。すなわち、金属管１の断面形状は、長方形又は正方形の他、台形、平行四辺形その他の任意の四角形にすることができる。

図６に示す構成では、一対の側壁１１、１２の高さが異なっている。このような場合、高い方を側壁の高さＨと定義する。ここで、頂面部１３に垂直な方向における側壁の長さを側壁の高さＨと定義する。すなわち、一対の側壁１１、１２の間の面であって衝撃の入力が想定される面に垂直な方向における側壁１１、１２の長さを、側壁１１、１２の高さとする。側壁の高さＨの定義は他の実施例でも同じである。

図７は、金属管の断面形状の他の変形例を示す断面図である。図７に示すように、側壁１１、１２と頂面部１３の境界となる角（肩部）には、湾曲部（Ｒ、丸み）を形成することができる。同様に、側壁１１、１２と底部１４の境界の角（肩部）にも、湾曲部（Ｒ、丸み）を形成することができる。

側壁１１、１２と頂面部１３との境界の角又は側壁１１、１２と底部１４の境界の角に湾曲部（Ｒ、丸み）を形成した場合、湾曲部（Ｒ、丸み）の部分は側壁１１、１２に含まれると見なして、上記側壁１１、１２の高さＨを決定する。図７に示す例では、側壁１１、１２と頂面部１３との角の湾曲部（Ｒ）と、側壁１１、１２と底部１４との角の湾曲部（Ｒ）は、いずれも側壁１１、１２の一部として、側壁１１、１２の高さＨが決められている。

なお、図示しないが、頂面部１３、側壁１１、１２及び底部１４の少なくとも１つの表面は、平面でなく曲面とすることができる。すなわち、頂面部１３、側壁１１、１２及び底部１４の少なくとも１つは、湾曲していてもよい。

図８は、金属管の断面形状のさらに他の変形例を示す断面図である。図８に示す例では、側壁１１、１２の両端部に、凹部（溝）が形成される。これにより、側壁１１、１２と頂面部１３との間の稜と、側壁１１、１２と底部１４との間の稜に、長手方向に延びる溝が形成される。このように、側壁１１、１２に凹部、凸部、段差又は孔（以下、凹部等と称する）が形成されてもよい。また、同様に、頂面部１３及び／又は底部１４にも、凹部等が形成されてもよい。

図８に示すように、側壁１１、１２の端部に凹部等が形成される場合、凹部も側壁１１、１２に含まれると見なして、側壁１１、１２の高さＨを決定する。図８に示す例では、両端の凹部を含む側壁１１、１２の高さが側壁の高さＨとなる。

図２Ａ〜図２Ｃに示す例では、金属管１は、長手方向に直線状に延びて形成される。これに対して、金属管１は、湾曲していてもよい。例えば、金属管１は、頂面部１３側に凸となるよう湾曲した形状にすることができる。

図９Ａ〜図９Ｄは、長手方向において湾曲した金属管１の例を示す側面図である。図９Ａ〜図９Ｄに示す例では、金属管１は、頂面部１３側に凸となるよう湾曲している。図９Ａでは、金属管１は、長手方向全体にわたって一定の曲率で湾曲している。図９Ｂ及び図９Ｃでは、金属管１の長手方向の位置に応じて曲率が変化している。図９Ｄでは、金属管１は、長手方向の一部において湾曲している。図９Ａ及び図９Ｄに示す例では、金属管１は、側壁１１、１２に垂直な方向（ｘ方向）から見て左右対称となるよう湾曲している。図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄの金属管１は、湾曲している部分（湾曲部）と、直線上に延びる部分（直線部）とを有する。図９Ｃに示す例では、直線部の長手方向両側に湾曲部が配置される。すなわち、湾曲部の間に直線部が配置される。図９Ｄに示す例では、湾曲部の長手方向両側に直線部が配置される。

このように、金属管１を湾曲させることで、湾曲の凸方向に対向する向きの衝撃に対する耐衝撃性を向上させることができる。例えば、湾曲した金属管１の両端部を支持してなる構造部材は、湾曲の凸方向に対向する向きの衝撃に対して、高い耐衝撃性を有する。

図９Ａ及び図９Ｄに示す例では、側壁１１における一対の低強度部１１Ｂとその間の高強度部１１Ａは、いずれも金属管１の湾曲部に配置される。図９Ｂ及び図９Ｃに示す例では、側壁１１における一対の低強度部１１Ｂとその間の高強度部１１Ａは、いずれも金属管１の直線部に配置される。低強度部１１Ｂと高強度部１１Ａを直線部に配置する場合、例えば、直線部の中央に高強度部１１Ａを配置することができる。これにより、衝撃を受けたときのモーメントが高くなる部分に高強度部１１Ａを配置することができる。

［車両への適用例］
上述のように、金属管１を車両用構造部材として用いる場合は、金属管１を、金属管１の長手方向に離間した２つの連結部で支持した状態で車両に取り付けることができる。金属管１は、例えば、車体、バンパ又は車両ドアの構造部材とすることができる。そのため、金属管１を備える車体、バンパ又は車両ドアも、本発明の実施形態に含まれる。

２つ連結部で支持された金属管１の側壁１１において、２つの連結部の間に、長手方向に離間した２つの低強度部１１Ｂと、その間の高強度部１１Ａを配置することができる。側壁１１に対向する他方の側壁１２にも同様に、高強度部１２Ａ及び低強度部１２Ｂを配置することができる。これにより、金属管１において、衝撃が加わった場合のモーメントが大きくなる部分を折れにくくすることができる。その結果、耐衝撃性が高い構造部材が得られる。

例えば、２つの連結部から等しい距離の部分（２つの連結部の間の中央）に高強度部１１Ａを配置することができる。例えば、長手方向中央に高強度部１１Ａが配置された金属管１の両端部を支持した構造部材を形成することができる。ここで、両端部とは、金属管１の両端及びその近傍の部分を含む。

金属管１を車両に取り付ける場合、金属管１の長手方向が車両の外形に沿うよう金属管１を配置することができる。すなわち、車両が衝突した場合の衝撃が金属管１の長手方向に垂直な方向となるように、金属管１が取り付けられる。また、頂面部１３が車両の外側に、底部１４が車両の内側に配置されるように、金属管１が車両に取り付けられる。この場合、金属管１の連結部の間の中央に高強度部１１Ａが配置され、その両側に低強度部１１Ｂが配置される。これにより、金属管１に車両の外側から衝撃を受けた場合に、金属管１が車両の内側へ突出する度合が小さくなる。そのため、車両内の装置又人に金属管１が接触する可能性がより低くなる。例えば、金属管１が、衝突時に客室内に向かって折れることが避けられる。これにより、安全性がより向上する。

金属管１は、上記のように、湾曲していてもよい。この場合、金属管１は、車両の外側に向かって凸となるよう車両に取り付けることができる。この場合、金属管１は、車両の外側に凸となるように湾曲している。これにより、車両の外側から衝撃を受けた場合に、金属管１をより折れにくくすることができる。

金属管１は、車体、バンパ又は車両ドアの一部を構成する構造部材とすることができる。例えば、Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、ルーフレール、フロアメンバー、フロントサイドメンバーといった車体を構成する部材に金属管１を用いることができる。或いは、ドアインパクトビームやバンパといった車体に取り付けられ、外部からの衝撃から車両内の装置や乗員を守る部材に金属管１を用いることもできる。

図１０Ａは、モノコック構造の車両に配置される構造部材の一例を示す図である。図１０Ａに示す例では、Ａピラー１５、Ｂピラー１６、サイドシル１７、ルーフレール１８、バンパ１９、フロントサイドメンバー２０、ドアインパクトビーム２１、フロアメンバー２２、及び、リアサイドメンバー２３が車両用構造部材として用いられる。これらの車両用構造部材の少なくとも１つを、上記の金属管１で構成することができる。

バンパ１９を金属管１で形成する場合、金属管１の両端部をフロントサイドメンバー２０で支持する構成とすることができる。この構成では、バンパ１９の中央に衝撃が加わった場合に、荷重のモーメントが最大となる。バンパ１９の左右方向中央に高強度部１１Ａ、１２Ａが配置され、その両側に低強度部１１Ｂ、１２Ｂが配置される。これにより、バンパ１９の中央への衝撃による折れ変形が抑えられる。

ドアインパクトビーム２１を金属管１で形成する場合、金属管１の両端部にブラケットを設けることができる。金属管１は、両端部のブラケットを介してドアフレームに取り付けられる。この場合も、高強度部１１Ａ、１２Ａを金属管１の中央に配置することができる。すなわち、ドアインパクトビーム２１を形成する金属管１の結合部である両端部の中央に、高強度部１１Ａ、１２Ａを配置することができる。これにより、衝撃を受けた際のモーメントが最も大きくなる部分での折れ変形を抑えることができる。

金属管１は、モノコック構造の車両のみならず、フレーム構造の車体に適用することもできる。図１０Ｂは、特開２０１１−３７３１３に開示されたスペースフレーム構造の車体を有する車両である。スペースフレーム構造の車体は、複数のパイプ３１と、パイプ３１を連結するジョイント３２を備える。パイプ３１は、車体の表面を覆うボディ３０の内部に配置される。複数のパイプ３１は、上下方向に延びるパイプ、前後方向に延びるパイプ、及び、左右方向に延びるパイプを含む。複数のパイプ３１の少なくとも一部を、上記の金属管１で形成することができる。このように、スペースフレーム構造の車体を構成するパイプ（管材）に上記の金属管１を適用すると、パイプが、乗員やエンジンのある車体内側に深く折れ曲がることが無いため、効果的である。

車両の構造部材を構成する金属管１の材料として、引張強度（低強度部１１Ｂ、１２Ｂ以外の部分の引張強度）が７８０ＭＰａ以上（降伏強度４００Ｍｐａ以上）の超高強度鋼を用いると、上記の効果が顕著に現れる。さらには、金属管１の低強度部１１Ｂ、１２Ｂ以外の領域の強度を、引張強度で９８０ＭＰａ以上（降伏強度で５００Ｍｐａ以上）とすることで、より効果を奏することができる。

なお、金属管１を適用できる車両の構造部材は、図１０Ａ、図１０Ｂに示す自動車のような４輪車両に限られず、例えば、二輪車両の構造部材として用いることができる。また、金属管１で構成される構造部材の用途は、車両用に限られない。例えば、耐衝撃性容器、建築物、船舶、又は、航空機等の構造部材として、金属管１を用いることができる。

また、金属管１を構造部材として用いる態様は、金属管１の両端部を他の部材に連結する態様に限られない。金属管１の長手方向に６Ｈ以上離れた任意の２つの位置で、他の部材を連結することができる。すなわち、２つの連結部は、両端に限らずに、金属管１の任意の位置に配置することができる。

［製造工程］
金属管１は、全体を同一素材で形成することができる。金属管１は、金属板から形成することができる。例えば、１枚の鋼板を折り曲げて、鋼板の一方の端部と、対向する他方の端部とを溶接等により接合することで、四角形の断面を有する管状の構造部材（角管）を形成することができる。或いは、中実の角柱に軸方向に孔を貫通させて金属管１を形成することもできる。角管を湾曲させる場合は、例えば、プレス曲げ、引張り曲げ、圧縮曲げ、ロール曲げ、押し通し曲げ、又は偏心プラグ曲げ等の曲げ加工方法を用いることができる。

金属管１の製造工程には、素材に低強度部を形成する工程が含まれる。低強度部を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー又は高周波加熱等の方法で、材料を局所的に加熱、焼き入れを行うことで、硬化領域を含む金属管１を作り出すことができる。この場合、焼き入れを行わない領域が、相対的に強度が低い低強度部となる。また、調質処理を行って角管の全体を強化した後に、部分的に焼鈍処理を行って低強度部を形成することもできる。

或いは、管状部材を、軸方向に移動させながら、加熱、曲げモーメント付与、及び冷却を順次施すことで、長手方向において湾曲した金属管１を作製することができる。この方法では、管状部材の外周に、誘導加熱コイルを配置して、管状部材を局部的に塑性変形可能温度に加熱する。この加熱部を管状方向に移動させながら、誘導加熱コイルより下流の管状部材に設けられた可動ローラダイス等の可動把持手段を動かすことにより、曲げモーメントを付与する。このようにして湾曲させた部分を、誘導加熱コイルと可動把持手段との間の冷却装置により冷却する。この工程において、例えば、加熱及び冷却の条件を管状部材の外周方向において異ならせることで、管状部材に低強度部を形成することができる。

なお、金属管１の製造方法は、上記例に限られない。テーラードブランク、その他公知の方法を用いて、低強度部を有する金属管１を形成することができる。

上記の金属管１においては、高強度部１１Ａ、１２Ａの降伏強度の分布が一様でない場合がある。定常域では、降伏強度のばらつきは、±１０％以内となることが多い。したがって、高強度部１１Ａ、１２Ａの降伏強度の最大値Ｓｍａｘの９０％を、高強度部１１Ａ、１２Ａの降伏強度ＳＡ（基準強度）と定義することができる（ＳＡ＝０．９Ｓｍａｘ）。降伏強度が０．８５ＳＡより大きく０．９ＳＡより小さい（ＳＡの８５％〜９０％）領域（遷移域）は、高強度部１１Ａ、１２Ａの一部とみなす。高強度部１１Ａ、１２Ａにおける降伏強度は、０．８５ＳＡ（ＳＡの８５％）より大きい。すなわち、降伏強度が０．８５ＳＡより大きい領域が高強度部１１Ａ、１２Ａである。

図１１は、低強度部１１Ｂ、１２Ｂと高強度部１１Ａ、１２Ａの境界を含む部分の降伏強度の分布の一例を示す図である。図１１において、縦軸は降伏強度、横軸はｙ方向の位置を示す。図１１に示す例では、高強度部の降伏強度の最大値Ｓｍａｘの９０％（０．９Ｓｍａｘ）が、高強度部の降伏強度ＳＡと定義される。高強度部において、降伏強度が０．９ＳＡ以上の領域は、定常域と称する。また、降伏強度が０．８５ＳＡより大きく０．９ＳＡより小さい領域は、低強度部から高強度部の定常域に至るまでの遷移域である。遷移域は高強度部に含まれるとみなす。つまり、降伏強度が０．８５Ａの位置が、低強度部と高強度部との境界である。すなわち、降伏強度が０．８５ＳＡより大きい領域は、高強度部となり、降伏強度が０．８５ＳＡ以下の領域は、低強度部である。

低強度部の降伏強度は、０．６ＳＡ以上０．８５ＳＡ以下（ＳＡの６０〜８５％）である。なお、金属管１の低強度部で囲まれる部分に０．６ＳＡ以下の部分が含まれていても、その部分が金属管１の変形挙動への影響を無視できる程度に小さい場合は、低強度部１１Ｂ、１２Ｂの一部と見なす。

本実施例では、四角形の断面を有する金属管に圧子を衝突させた場合の金属管の変形をシミュレーションで解析した。図１２Ａは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。本シミュレーションでは、金属管１０を２つの台３に架け渡した状態で、金属管１０の長手方向の中央部に、圧子（インパクタ）４を、衝突させた場合の変形挙動を解析した。

圧子４の質量は３５０ｋｇとし、圧子４のＹ方向の幅ＷＩは１６０ｍｍ、圧子４の衝突面４ｓの曲率半径Ｒは１５０ｍｍとし、圧子４の初速度は、４ｍ／秒とした。摩擦係数は、０．１とした。金属管１０の断面は１辺の長さが５０ｍｍの正方形とした。金属管１０の高さＨは５０ｍｍ、金属管１０の板厚は１．４ｍｍ、金属管１０のＲは５ｍｍ、金属管１０の長さＬＹは１０００ｍｍとした。台３間の距離ＬＳは４００ｍｍとした。

圧子４を衝突させる面を含む頂面部の両端に接続された一対の側壁に、高強度部１０Ａと、その両側の低強度部１０Ｂを配置した。高強度部１０Ａは、金属管１０の長さ方向中央に配置した。すなわち、金属管１０は、四角形の断面を有する角管である。金属管１０は、互いに対向する一対の側壁と、一対の側壁の上端に接続される頂面部と、一対の側壁の下端に接続される底部とを備える。頂面部に圧子４が衝突する。金属管１０の長さＬＹは、側壁の高さＨの６倍以上である（ＬＹ≧６Ｈ）。

図１２Ｂは、シミュレーションにおける解析モデルの他の構成を示す図である。図１２Ｂに示す例では、金属管１０の両端が２つの台３に接合されている。１１Ｂに示す解析モデルのシミュレーションの結果は、図１２Ａに示す解析モデルのシミュレーションの結果と同様であった。

低強度部１０Ｂの降伏強度を１００ｋｇｆ／ｍｍ^２、高強度部１０Ａを含むその他の領域の降伏強度を１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２（高強度部１０Ａに対する低強度部１０Ｂの強度比を約０．８３）として、高強度部１０Ａの寸法ＬＡ及び低強度部１０Ｂの寸法ＬＢを変化させて、衝突シミュレーションを行った。

下記表１は、上記強度比を０．８３（低強度部１０Ｂの降伏強度を、ＹＰ１００ｋｇｆ／ｍｍ^２、高強度部１０Ａを含むその他の部分の降伏強度を、ＹＰ１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２）とし、高強度部１０Ａの寸法ＬＡ及び金属管１０の板厚ｔを変化させた場合のシミュレーション結果から得られる変形挙動を示す。表１において、変形挙動欄のExcellentは非常に良好、Goodは良好、Poorは、不良を示す。これらの変形挙動の評価は、折れが発生する時の圧子の侵入量に基づいて判断した。圧子の侵入量は、インパクタストローク又は圧子変位と称することもできる。

図１３は、圧子４の侵入量が４０ｍｍの時の金属管１０の変形のシミュレーション結果を示す図である。図１３では、表１に示すＣａｓｅ１〜３、５、７〜９について、それぞれ金属管１０の変形の様子を示している。図１３に示す結果から、Ｃａｓｅ２、３、５、７、すなわち２Ｈ／３≦ＬＡ≦３Ｈの場合、衝撃により変形する部分の範囲が、その他のＣａｓｅ１、８、９の場合に比べて広くなっている。すなわち、Ｃａｓｅ１、８、９の場合は、折れ曲がる箇所が、鋭く突出するように折れ曲がる「折れ」の変形モードが発生した。Ｃａｓｅ２、３、５、７の場合は、衝撃を受けた頂面部と側壁の一部が衝撃によりつぶれる「断面潰れ」の変形モードが発生した。

図１４は、表１におけるＣａｓｅ１〜１２における、折れ曲がり時のインパクタストロークのシミュレーション結果を示すグラフである。図１４に示す結果では、Ｃａｓｅ２〜７、１０〜１２の場合に、Ｃａｓｅ１すなわち低強度部１０Ｂを設けない場合より、折れ曲がり時のインパクタストロークが大きくなっている。これにより、Ｃａｓｅ２〜７、１０〜１２の場合には、低強度部１０Ｂを設けない場合に比べて、折れが発生しにくいことがわかった。また、Ｃａｓｅ３〜７すなわちＨ≦ＬＡ≦３Ｈの場合は、折れ曲がり時のインパクタストロークが他よりも大きくなっている。これにより、Ｃａｓｅ３〜７の場合は、特に、折れが発生しにくくなることがわかった。さらに、Ｃａｓｅ３、４すなわちＨ≦ＬＡ≦４Ｈ／３の場合は、突出して、インパクタストロークが大きくなっているため、より折れが発生にくくなることがわかった。

また、低強度部１０Ｂの強度と、高強度部１０Ａを含むその他の部分の強度との強度比を変化させて、衝突シミュレーションを行った。図１５は、低強度部１０Ｂと、高強度部１０Ａを含む他の部分の強度比を変えて衝撃荷重を入力した場合の、曲げ変形による変形量を示すグラフである。図１５において、縦軸は、衝撃方向（ｚ方向）における金属管１０の侵入量（突出量）を示す。横軸は、低強度部１０Ｂの強度の、高強度部１０Ａの強度に対する比（強度比＝低強度部の強度／高強度部の強度）を示す。図１５のグラフでは、ひし形のプロットは、高強度部の降伏強度をＹＳ１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２とした場合の結果を示し、四角のプロットは、高強度部の降伏強度を１４５ｋｇｆ／ｍｍ^２とした場合の結果を示す。

強度比が、０．６０〜０．８５の区間では、強度比の増加に伴って侵入量は減少している（矢印Ｙ１）。この区間では、金属管１０の変形モードは、断面潰れとなっている。この区間において、低強度部１０Ｂの強度が低い(強度比が０．６０以下)場合、断面潰れの変形になるものの、侵入量が大きくなり、強度比が０．８５を越える場合の侵入量と略同じとなった。強度比が０．８５を超えると、侵入量は、急激に増加した（矢印Ｙ２）。さらに、強度比０．８５以上で強度比を増やすと、侵入量は、強度比の増加に応じて大きくなった（矢印Ｙ３）。これは、強度比０．８５を境に、変形モードが、断面潰れから、折れに変化したためと考えられる。このように、低強度部１０Ｂの強度が高すぎる(強度比が高い)と折れ曲がって変形し、侵入量が大きくなった。図１５の結果により、衝撃による曲げ変形の侵入量を少なくする観点から、強度比は６０〜８５％が好ましく、強度比は７０〜８５％がより好ましいことが確認された。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明の金属管は、広い分野で鋼管に好適に適用されるが、鋼管に限らず、アルミニウム管その他金属管に適用可能である。

１：金属管
１１、１２：側壁
１３：頂面部
１４：底部
１１Ａ、１２Ａ：高強度部
１１Ｂ、１２Ａ：低強度部

Claims (7)

1. 四角形の断面を有する金属管であって、
   互いに対向する一対の側壁と、
   前記一対の側壁の上端に接続される頂面部と、
   前記一対の側壁の下端に接続される底部とを備え、
   前記金属管の長手方向の寸法は、前記一対の側壁の高さのうち高い方向の高さＨの６倍以上であり、
   前記一対の側壁は、
   前記金属管長手方向に、（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下の距離にわたって、前記一対の側壁の互いに対向する部分に形成され、降伏強度が５００ＭＰａ以上の高強度部と、
   前記高強度部の前記金属管長手方向両側に配置され、降伏強度が前記高強度部の６０〜８５％の低強度部とを含み、
   前記低強度部の前記金属管長手方向の寸法はそれぞれ（３／５）Ｈ以上である、金属管。
2. 前記高強度部は前記金属管長手方向中央に配置される請求項１に記載の金属管。
3. 前記頂面部側に凸となるよう湾曲した請求項１又は２に記載の金属管。
4. 四角形の断面を有する金属管で形成され、車両に取り付けられる車両用構造部材あって、
   互いに対向する一対の側壁と、
   前記一対の側壁の上端に接続され、前記車両の外側に配置される頂面部と、
   前記一対の側壁の下端に接続され、前記車両の内側に配置される底部とを備え、
   前記側壁、頂面部及び前記底部の少なくとも１つは、前記金属管長手方向において、前記一対の側壁の高さのうち高い方の高さＨの６倍以上離れた２箇所において他の部材に連結される連結部を含み、
   前記一対の側壁は、
   前記連結部の間における前記金属管長手方向において、（２／３）Ｈ以上、３Ｈ以下の距離にわたって前記一対の側壁の互いに対向する部分に形成され、降伏強度が５００ＭＰａ以上の高強度部と、
   前記連結部の間において前記高強度部の前記金属管長手方向両側に配置され、降伏強度が前記高強度部の６０〜８５％の低強度部とを含み、
   前記金属管の前記低強度部の前記金属管長手方向の寸法は（３／５）Ｈ以上である、車両用構造部材。
5. 前記金属管の前記高強度部は、前記２つの連結部の間の中央に配置される、請求項４に記載の車両用構造部材。
6. 前記金属管は、前記頂面部側に凸となるよう湾曲している、請求項４又は５に記載の車両用構造部材。
7. 前記車両用構造部材は、前記車両の車体を構成し、前記車体は、スペースフレーム構造である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の車両用構造部材。

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