JP7190087B2 - Frp補強用部材及びその製造方法、frp成形体並びにfrp接続構造体 - Google Patents
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Description
このような状況において、応力低減の技術や割れの進行を抑制する技術が必要である。
[先行技術文献]
[特許文献1]
特開2002-307585号公報
[特許文献2]
特開2003-225914号公報
[特許文献3]
特開2017-19311号公報
[非特許文献]
FRP成形技能テキスト(新版)財団法人強化プラスチック協会 平成9年(1997)年10月31日発行
[非特許文献2]
FRP部材の接合および鋼とFRPの接着接合に関する先端技術 平成25年(2013)年11月12日発行
なお、前記布状繊維層の少なくとも2層が前記渦巻状繊維層を挟むように積層されていることが好ましい(請求項2)。
また、前記布状繊維層は、その積層方向から見た時に、所定の上側の布状繊維層の繊維が延びる方向と所定の下側の布状繊維層の繊維が延びる方向とが45度の角度をもって交差するように積層されていることが好ましい(請求項3)
また、前記繊維層を構成する繊維が、ガラスファイバー、カーボンファイバーまたはアラミド繊維からなることが好ましい(請求項4)
なお、前記FRPとは異なる素材からなる部材が、鉄系材料、フェライト系ステンレス材料、オーステナイト系ステンレス材料、アルミニウム合金系材料、マグネシウム合金系材料のいずれかの金属材料からなる部材であることが好ましい(請求項6)。
本発明のFRP成形体は、表面に凹部又は穴が形成されたFRP成形体であって、前記凹部又は穴の開口部を覆うように請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のFRP補強用部材が装着されているFRP成形体である(請求項7)。
図2は本発明のFRP補強用部材(以下ワッペンという)の構成要素例及び複合化したワッペン構成例である。
図3はワッペン12を用いてFRP成形体を金属製構造材19にボルト締めにより接続したデザイン例である。
図4はワッペン12を用いてFRP成形体を金属製構造材19にボルト締めにより接続し、ボルトの上部がFRP成形体表面の凹部内に収まっているデザイン例である。
図5は2枚のワッペン12を用いて2枚のFRP成形体をボルト締めにより接続したデザイン例である。
図6は扁平なFRP成形体と窪みのあるFRP成形体とをワッペン4、5及び12を用いてボルト締めにより接続したデザイン例である。
図7は扁平なFRP成形体と窪みのあるFRP成形体とをワッペン5及び12を用いてボルト締めにより接続したデザイン例であり、(a)は窪みを樹脂で埋めた構成例、(b)は窪みの開口部をワッペン11で覆った構成例である。FRP成形体の表面は平滑に設計されている。
図8は凸形状のFRP成形体の開口部にワッペン12を貼り付けたデザイン例である。
図9はFRP成形体に形成された部分的な凹みにワッペン13を貼り付けたデザイン例である。
図10はFRP成形体の表面に発生した部分的な割れの上にワッペン11(穴なし)を張り付けたデザイン例である。
図11はワッペンのせん断強度を高めるために穴あき円盤状のワッペンを2層に重ねた形状の一体型異形状ワッペン120を用いて2枚のFRP成形体をボルト締めにより接続したデザイン例である。
図12は上記一体型異形状ワッペン120を用いて2枚のFRP成形体をボルト締めにより接続し、ボルトの上部がFRP成形体表面の凹部内に収まっているデザイン例である。
図13は上記一体型異形状ワッペン120をボルト側及びナット側の双方に配置して2枚のFRP成形体をボルト締めにより接続したデザイン例である。
図14は金属製構造材19に接続するボルト締め構造のデザイン例であり、ワッペンのせん断強度を高めるために穴あき円盤状のワッペンを3層に重ねた形状の一体型異形状ワッペン130を用いている。
図15はワッペンの製造工程を説明する説明図であり、(a)はプレス成形工程、(b)はワッペン取り出し工程を示す。
図16は本発明の実施例のワッペンW1-W3の内部構成と外観である。
図17は本発明の実施例のワッペンW4-W5の内部構成と外観である。
図18は本発明の実施例のワッペンW6-W7の内部構成と外観である。
図19は穴付きFRP板の一例を示す上面図である。
図20は人工割れ入り穴付きFRP板の一例を示し、(a)は上面図、(b)は割れ部拡大図、(c)はA1-C1-B1断面における人工割れ部の深さを示す説明図である。
図21は割れ進展加速試験のために人工割れ入り穴付きFRP板にワッペンを貼り付けた試験片の構成図である。
図22はボルト締めによる割れ進展加速試験設備の構造を示す構成図である。
図23は本発明の実施例のワッペンの割れ進展防止効果の検証結果である。
図24は割れ進展加速試験により発生した放射状割れを示す説明図である。
4 ワッペン4(渦巻き、穴無し)
5 ワッペン5(渦巻き、穴有)
7 ワッペン7(繊維布、穴無し)
8 ワッペン8(繊維布、穴有)
9 ワッペン9(繊維布、繊維布45度、穴無し)
10 ワッペン10(繊維布、繊維布45度、穴有)
11 ワッペン11(繊維布、渦巻き、繊維布45度、穴無し)
12 ワッペン12(繊維布、渦巻き、繊維布45度、穴有)
13 ワッペン13(ワッペン11の半分割り材)
ここで上記ワッペン9~12の「繊維布45度」とは、「繊維布」に対してワッペンの中心を軸として45度回転させた繊維布をいう。即ち「繊維布45度」の「45度」は、ワッペンを繊維層の積層方向から見た時に、「繊維布45度」の繊維が延びる方向が「繊維布」の繊維が延びる方向と45度の角度をもって交差していることを意味する。
また、本発明のワッペンを使用する際には、特にボルト締めに関して、必要に応じてワッシャーの利用または不利用を選択することができる。
本発明ワッペンの製造に関しては、3次元プリンタ成形など他の製造技術を用いることも可能である。
ここで渦巻き状ガラス繊維及びガラス繊維布について説明する。渦巻き状ガラス繊維とは、ストランドを引き揃えた撚りのないガラスロービングからなる繊維をボルト穴又はリベット穴の直径よりも大きい半径で渦巻状に巻き付けて成形したもの、即ち図2等に示す通り繊維の軌跡が内側から外側に向かって広がる渦を描くように繊維を渦巻状に成形したものをいう。
またガラス繊維布とは、ストランドに捻りをかけた単糸を複数本引き揃えたヤーンの平織りものをいう。両者ともプラスチック等の複合材料の強化材として使われる。
後に述べる実施例に用いたガラスロービング材としては、JIS3410に規定された番手ER310を用い、ガラス繊維布としては、JIS3416に規定された番手200を用いた。
図7(a)は二種類の形状の異なるFRP成形体1を結合する場合の設計例であり、窪みに樹脂14を配置し、FRP成形体表面を平滑に設計した例である。ワッペン4、ワッペン5、ワッペン12が使用される構造になっている。ボルト15とナット17で結合している。
図7(b)は二種類の形状の異なるFRP成形体1を結合する場合の設計例であり、窪みにワッペン11、ワッペン5、ワッペン12を配置し、FRP成形体表面を平滑に設計した例である。ワッペン11、ワッペン5、ワッペン12が使用される構造になっている。ボルト15とナット17で結合している。
なお、図11~図14記載のワッペン構造の作り方として、FRP成形体にFRP補強部材を貼り付けた後にボルト穴が貫通されるように切削加工することで形状を整え、その後ボルト部を含むFRP補強部材を貼付けた接続構造体を作製してもよい。
社会おいて、FRP製品の工業的信頼性は重要である。ボルト締め部やリベット接合部又は極度に曲げ半径が小さい曲げ部等の応力負荷が高い部分や強度が低い部分に関して、割れ発生予防技術が望まれ、本発明のワッペンを開発した。このワッペンの形状は、後述する実施例では扁平でかつ円盤状(中央に穴有りまたは無し)な形状であるが、必要に応じて、正方形、長方形や五角形以上の多角形、異形状など柔軟に設計製造できる。ワッペンを作る方法は、数多く考えられるが、ここでは、作り易い方法を実施した。以下その実施した方法と作製したワッペンの例を説明する。以下の実施例は樹脂と繊維の重量比が7:3になるように設計したものである。
次にワッペンの製法を説明する。先ず、ポリプロピレンとガラス繊維またはカーボン繊維を用いて、それらを順に下金型21に投入する。その場合、設計した構造になるようにポリプロピレンとガラス繊維またはカーボン繊維からなる強化材を所定の組合せになるように配置し、230℃で応力1.7kgf/mm2(荷重907kgf/530mm2)にてプレスして15分保持後、負荷応力を除去し、その後、冷却し製造した約5mmの例えばワッペン12を脱型作製する。
図16は発明品である厚さ5mmのワッペンの内部構成とその外観を示したものである。
ワッペンW1~ワッペンW3のすべてにわたり、実用可能な空孔等欠陥のないワッペンを製作することができた。
ワッペンW1は8枚のガラス繊維布(0°)(0°:繊維布回転角0°)とポリプロピレンから製造できる。積層する各ガラス繊維布は回転させていない。
ワッペンW2は8枚のガラス繊維布(0°)を45度ずつずらしたガラス繊維布(45°)(45°:繊維布回転角45°)から構成されており、これらガラス繊維布とポリプロピレンからなるワッペンを示したものである。
ワッペンW3はガラス繊維布(0°)、ガラスロービング材を用いた渦巻き状ガラス繊維、ガラス繊維布(0°)とポリプロピレンからなるワッペンを示したものである。
ワッペンW4~ワッペンW5のすべてにわたり、実用可能な空孔等欠陥のないワッペン製作できた。
ワッペンW4はガラス繊維布(0°)、ガラスロービング材を用いた渦巻き状ガラス繊維、ガラス繊維布(45°)とポリプロピレンからなるワッペンを示したものである。
ワッペンW5は13枚のカーボン繊維織布(0°)を45度ずつずらしたカーボン繊維織布(45°)(45°:繊維布回転角45°)から構成されており、これらカーボン繊維織布繊維布とポリプロピレンからなるワッペンを示したものである。
図19は3mm厚さの穴付きFRP板である。中央の穴の直径は17mmである。
割れ発生加速試験は次のように行った。六角ボルトを徐々に締め込んでいき、トルクレンチで10N・mまで連続的に負荷を加える。この負荷はすべての試験で一定にした。回転速度:約4rpsである。
先ず、ワッペンを貼り付けない状態で、人工割れのある穴付きFRP板を用いて試験をした。その結果、比較品として示したワッペン無しのFRP成形体1では図24に示すように、FRP穴の周辺の人工割れ24近傍から放射状割れ23が発生していることが分かる。
[産業上の利用可能性]
本発明のFRP補強用部材及びその製造方法、FRP成形体並びにFRP接続構造体は、軽量小型飛行機、空調設備、産業・介護用ロボット、トラック、乗用車、電車部品、風力発電用設用等の部材、医療機器用筐体、大型ドローン、その他のFRP筐体やFRP部品に適用することができる。
2 放射状割れモデル
3 穴
4 ワッペン(渦巻き、穴無し)
5 ワッペン(渦巻き、穴有)
6 ガラスまたはカーボン繊維
7 ワッペン(繊維布、穴無し)
8 ワッペン(繊維布、穴有)
9 ワッペン(繊維布、繊維布45度、穴無し)
10ワッペン(繊維布、繊維布45度、穴有)
11ワッペン(繊維布、渦巻き、繊維布45度、穴無し)
12ワッペン(繊維布、渦巻き、繊維布45度、穴有)
13ワッペン(ワッペン12の半分割り材)
14樹脂
15ボルト
16ワッシャー
17ナット
18接着材
19金属製構造材
20上金型
21下金型
22軸合わせ穴
23樹脂とガラスまたはカーボン繊維織布
24人工割れ
25平板状試験治具
26円筒状試験治具
27放射状割れ
120第1異形状ワッペン
130第2異形状ワッペン
Claims (8)
- FRP成形体に貼り付けて使用するFRP補強用部材であって、積層された複数枚の繊維層が樹脂により一体化されており、前記複数枚の繊維層は、繊維の軌跡が内側から外側に向かって広がる渦を描くように前記繊維を渦巻状に成形した渦巻状繊維層及び繊維を格子状に編んだ布状繊維層を有することを特徴とするFRP補強用部材。
- 前記複数枚の繊維層は、前記布状繊維層を複数層有し、その少なくとも2層が前記渦巻状繊維層を挟むように積層されていることを特徴とする請求項1に記載のFRP補強用部材。
- 前記布状繊維層は、その積層方向から見た時に、所定の上側の布状繊維層の繊維が延びる方向と所定の下側の布状繊維層の繊維が延びる方向とが45度の角度をもって交差するように積層されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のFRP補強用部材。
- 前記繊維層を構成する繊維が、ガラスファイバー、カーボンファイバーまたはアラミド繊維からなることを特徴とする請求項1に記載のFRP補強用部材。
- FRP成形体同士又はFRP成形体とFRPとは異なる素材からなる部材とがボルト又はリベットにより接続されたFRP接続構造体において、前記FRP成形体のボルト穴又はリベット穴の周辺を覆うように請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のFRP補強用部材が前記FRP成形体に貼り付けられていることを特徴とするFRP接続構造体。
- 前記FRPとは異なる素材からなる部材が、鉄系材料、フェライト系ステンレス材料、オーステナイト系ステンレス材料、アルミニウム合金系材料、マグネシウム合金系材料のいずれかの金属材料からなる部材であることを特徴とする請求項5に記載のFRP接続構造体。
- 表面に凹部又は穴が形成されたFRP成形体であって、前記凹部又は穴の開口部を覆うように請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のFRP補強用部材が装着されていることを特徴とするFRP成形体。
- ガラスファイバー、カーボンファイバーまたはアラミド繊維からなる繊維層複数枚と樹脂とを金型に投入する工程と、前記複数枚の繊維層及び樹脂を300℃以下かつ60分以内でプレス加工する工程と、前記プレス加工する工程の後、負荷圧力を除去して冷却したうえで脱型する工程と、を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のFRP補強用部材の製造方法。
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