JP7248936B2 - curved panel member - Google Patents
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Description
本発明は、曲率を有するパネルの構造に関する。 The present invention relates to the construction of curved panels.
曲率を有するパネル(以下、“曲面パネル”)とは、例えば自動車のドアアウターパネルやルーフパネル、フード、フェンダー、サイドアウターパネル等の全体として曲面状の金属製パネルである。自動車開発においては燃費向上を目的とした軽量化のため、曲面パネルの素材として使用される例えば鋼板の薄肉化が進められている。一方、鋼板の薄肉化は、曲面パネルの張り剛性を低下させることから、十分な張り剛性を確保するためには曲面パネルを補強することが求められる。 A panel having a curvature (hereinafter referred to as a “curved panel”) is a metal panel having a curved surface as a whole, such as a door outer panel, a roof panel, a hood, a fender, a side outer panel, etc. of an automobile. In the development of automobiles, in order to reduce weight for the purpose of improving fuel efficiency, efforts are being made to reduce the thickness of steel sheets, for example, which are used as materials for curved panels. On the other hand, the thinning of the steel plate lowers the tensional rigidity of the curved panel, so it is required to reinforce the curved panel in order to ensure sufficient tensional rigidity.
曲面パネルを補強する構造として、特許文献1には、金属板にFRP(繊維強化樹脂)シートが貼付された曲面パネル部材が開示されている。特許文献1の曲面パネル部材においては、FRPシートの形状を適宜変更することによって曲面パネル変形時の復元性能を向上させている。また、特許文献2には、パネル面積の1~30%の範囲にCFRPを接着し、パネルの中心を押した時の荷重を、CFRPを接着した側のパネルの縁部に分散させることが開示されている。
As a structure for reinforcing a curved panel,
特許文献1には様々なFRPシートの形状が開示されているが、補強効果を得るためにFRPシートに形状を付与することは、FRPシートの製造工程を顕著に増加させ、生産性の低下を招く。したがって、別の方法で曲面パネルを補強することが望ましい。また、特許文献2ではパネルの中心を押した場合の荷重を分散させるのみであり、張り剛性の根本的な向上は困難である。
Although various FRP sheet shapes are disclosed in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、張り剛性を向上させることが可能な新たな曲面パネル部材を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a new curved surface panel member capable of improving tension rigidity.
上記課題を解決する本発明の一態様は、曲面パネル部材であって、金属製の曲面パネルと、前記曲面パネルに接合された、連続繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である、複数のFRPの層からなる補強部材とを備え、前記複数のFRPの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、前記複数のFRPの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を示し、前記曲面パネルの最大主曲率方向を0°方向、および前記0°方向に直交する方向を90°方向と定義し、前記曲面パネルに接合されている前記補強部材の各層の繊維方向について、三角関数を用いて0°方向成分及び90°方向成分をそれぞれ算出した場合において、前記複数のFRPの層全体に含まれる前記連続繊維の繊維方向の両成分のうち前記0°方向成分が40%以上であることを特徴としている。 One aspect of the present invention for solving the above problems is a curved panel member comprising a metal curved panel and continuous fibers bonded to the curved panel, and a matrix resin is a thermoplastic resin. a reinforcing member consisting of FRP layers, each of the plurality of FRP layers having one fiber direction, and at least one of the plurality of FRP layers having a fiber direction different from that of the other layers. , defining the maximum principal curvature direction of the curved panel as the 0 ° direction and the direction orthogonal to the 0 ° direction as the 90 ° direction, and the fiber direction of each layer of the reinforcing member joined to the curved panel, When the 0° direction component and the 90° direction component are calculated using a trigonometric function, the 0° direction component is 40% of the fiber direction components of the continuous fibers contained in the entire FRP layer. It is characterized by the above.
なお、本発明に係る“曲面パネル”は、例えば自動車のドアアウターパネルやルーフパネル、フード、フェンダー、またはサイドアウターパネル等の曲面を有するパネルである。また、曲面パネルには、一部が平面部あっても全体として曲面状であるパネルも含まれる。 The "curved panel" according to the present invention is, for example, a panel having a curved surface such as a door outer panel, roof panel, hood, fender, or side outer panel of an automobile. The curved panel also includes a panel that has a curved surface as a whole even if a part of the panel has a flat surface.
本発明によれば、張り剛性を向上させることが可能な新たな曲面パネル部材を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the new curved-surface panel member which can improve tension rigidity can be provided.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present specification and drawings, elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.
<第1の実施形態:単一繊維方向>
図1および図2に示すように第1の実施形態の曲面パネル部材1は、金属製の曲面パネル2と、曲面パネル2に接合された、CFRPからなる補強部材3で構成されている。金属製の曲面パネル2の素材は特に限定されないが、例えば鋼板やアルミニウム合金板、マグネシウム合金板等が用いられる。張り剛性および耐デント性向上の観点においては、曲面パネル2は440MPa以上の鋼板で形成されていることが好ましい。曲面パネル2は、例えば図3のようなドアアウターパネル、ルーフパネル、フード、フェンダー、またはサイドアウターパネル等の部品であるが、自動車部品に限定されず、その他のパネル状の部材であっても良い。
<First Embodiment: Single Fiber Direction>
As shown in FIGS. 1 and 2, the
なお、曲面パネル2は、平板を加工することで得られるものである。したがって、曲面パネル2が製造された段階で、製品としての形状や素材が特定され、用途も定まる。このため、曲面パネル2の表側の面と裏側の面のうち、製品として使用された際に面外方向からの荷重が入力される頻度が高い方の面を特定することができる。例えば自動車のドアアウターパネルの場合に、表側の面を車外側の面、裏側の面を車内側の面とすると、車内側の面よりも車外側の面の方が、面外方向からの荷重が入力される頻度が高い。すなわち、図1に示す例においては、透過線で示される補強部材3が接合されている側がドアアウターパネルの車内側の面となる。本明細書では、曲面パネル2の表側の面と裏側の面のうち、上記のような面外方向からの荷重が入力される頻度の高い側の面を“荷重入力側の面”と称す。本実施形態においては、曲面パネル2の曲面2a、2bのうち、曲率が小さい側の面である曲面2aの方を荷重入力側の面として以降の説明を進めるが、曲面パネル2の用途によっては、曲率が大きい側の面である曲面2bが荷重入力側の面となることもある。
The
第1の実施形態の補強部材3は曲面パネル2の荷重入力側と反対側の面2bに接合されている。曲面パネル2に対する補強部材3の接合方法は特に限定されないが、例えば接着剤を用いて接合される。
The reinforcing
(補強部材の例)
補強部材(FRP部材とも称する)に用いられ得るFRPは、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に含有され、複合化された強化繊維材料からなる、繊維強化樹脂を意味する。
(Example of reinforcing member)
FRP that can be used for a reinforcing member (also called an FRP member) means a fiber-reinforced resin composed of a matrix resin and a composite reinforcing fiber material contained in the matrix resin.
強化繊維材料としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維を用いることができる。他にも、強化繊維材料として、ボロン繊維、シリコンカーバイド繊維、アラミド繊維等を用いることができる。FRP部材に用いられるFRPにおいて、強化繊維材料の基材となる強化繊維基材としては、例えば、連続繊維を使用したクロス材、一方向強化繊維基材(UD材)等を使用することができる。これらの強化繊維基材は、強化繊維材料の配向性の必要に応じて、適宜選択され得る。 As the reinforcing fiber material, for example, carbon fiber and glass fiber can be used. In addition, boron fiber, silicon carbide fiber, aramid fiber, etc. can be used as the reinforcing fiber material. In the FRP used for the FRP member, as the reinforcing fiber base material that is the base material of the reinforcing fiber material, for example, a cloth material using continuous fibers, a unidirectional reinforcing fiber base material (UD material), etc. can be used. . These reinforcing fiber substrates can be appropriately selected depending on the orientation of the reinforcing fiber material.
CFRPは、強化繊維材料として炭素繊維を用いたFRPである。炭素繊維としては、例えば、PAN系またはピッチ系のものが使用できる。CFRPの炭素繊維は弾性率が高いピッチ系炭素繊維であることが好ましい。ピッチ系炭素繊維の補強部材3によれば、より高い反力を得ることができ、張り剛性を向上させることができる。
CFRP is FRP using carbon fiber as a reinforcing fiber material. For example, PAN-based or pitch-based carbon fibers can be used. The CFRP carbon fibers are preferably pitch-based carbon fibers having a high elastic modulus. According to the reinforcing
GFRPは、強化繊維材料としてガラス繊維を用いたFRPである。炭素繊維よりも機械的特性に劣るが、金属部材の電蝕を抑制することができる。 GFRP is FRP using glass fiber as a reinforcing fiber material. It is inferior to carbon fiber in mechanical properties, but can suppress electric corrosion of metal members.
FRPに用いられるマトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれも使用することができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、並びにビニルエステル樹脂等があげられる。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン等)およびその酸変性物、ナイロン6およびナイロン66等のポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタラートおよびポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、塩化ビニル、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、並びにフェノキシ樹脂等があげられる。なお、マトリックス樹脂は、複数種類の樹脂材料により形成されていてもよい。
Both thermosetting resins and thermoplastic resins can be used as matrix resins for FRP. Thermosetting resins include epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, and the like. Thermoplastic resins include polyolefins (polyethylene, polypropylene, etc.) and acid-modified products thereof, polyamide resins such as
金属部材への適用を考慮すると、加工性、生産性の観点から、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。さらに、マトリックス樹脂としてフェノキシ樹脂を用いることで、強化繊維材料の密度を高くすることができる。また、フェノキシ樹脂は熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂と分子構造が酷似しているためエポキシ樹脂と同程度の耐熱性を有する。また、硬化成分をさらに添加することにより、高温環境への適用も可能となる。硬化成分を添加する場合、その添加量は、強化繊維材料への含浸性、FRPの脆性、タクトタイムおよび加工性等とを考慮し、適宜決めればよい。 Considering application to metal members, it is preferable to use a thermoplastic resin as the matrix resin from the viewpoint of workability and productivity. Furthermore, by using a phenoxy resin as the matrix resin, the density of the reinforcing fiber material can be increased. In addition, since the phenoxy resin has a similar molecular structure to that of the epoxy resin, which is a thermosetting resin, it has heat resistance equivalent to that of the epoxy resin. Moreover, by further adding a curing component, application to a high-temperature environment becomes possible. When a curing component is added, the amount to be added may be appropriately determined in consideration of the impregnating properties of the reinforcing fiber material, the brittleness of the FRP, the tact time, the workability, and the like.
<接着樹脂層>
補強部材がFRP部材等により形成される場合、FRP部材と金属部材(上記実施形態では曲面パネル2)との間に接着樹脂層が設けられ、該接着樹脂層によりFRP部材と金属部材とが接合されてもよい。
<Adhesive resin layer>
When the reinforcing member is formed of an FRP member or the like, an adhesive resin layer is provided between the FRP member and the metal member (the
接着樹脂層を形成する接着樹脂組成物の種類は特に限定されない。例えば、接着樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれかであってもよい。熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂の種類は特に限定されない。例えば、熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィンおよびその酸変性物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、AS樹脂、ABS樹脂、ポリエチレンテレフタラートやポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシメチレン、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、並びにポリエーテルケトンケトン等から選ばれる1種以上を使用することができる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、およびウレタン樹脂から選ばれる1種以上を使用することができる。 The type of adhesive resin composition forming the adhesive resin layer is not particularly limited. For example, the adhesive resin composition may be either a thermosetting resin or a thermoplastic resin. The types of thermosetting resin and thermoplastic resin are not particularly limited. For example, thermoplastic resins include polyolefins and acid-modified products thereof, polystyrene, polymethyl methacrylate, AS resins, ABS resins, thermoplastic aromatic polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polycarbonates, polyimides, polyamides, and polyamides. Use one or more selected from imide, polyetherimide, polyethersulfone, polyphenylene ether and modified products thereof, polyphenylene sulfide, polyoxymethylene, polyarylate, polyetherketone, polyetheretherketone, and polyetherketoneketone, etc. can do. As the thermosetting resin, for example, one or more selected from epoxy resins, vinyl ester resins, phenol resins, and urethane resins can be used.
接着樹脂組成物は、FRP部材を構成するマトリックス樹脂の特性、補強部材の特性または金属部材の特性に応じて適宜選択され得る。例えば、接着樹脂層として極性のある官能基を有する樹脂や酸変性などを施された樹脂を用いることで、接着性が向上する。 The adhesive resin composition can be appropriately selected according to the properties of the matrix resin, the properties of the reinforcing member, or the properties of the metal member that constitute the FRP member. For example, by using a resin having a polar functional group or a resin subjected to acid modification or the like as the adhesive resin layer, the adhesiveness is improved.
このように、上述した接着樹脂層を用いてFRP部材を金属部材に接着させることにより、FRP部材と金属部材との密着性を向上させることができる。そうすると、金属部材に対し荷重が入力された際の、FRP部材の変形追従性を向上させることができる。この場合、金属部材の変形体に対するFRP部材の効果をより確実に発揮させることが可能となる。 By bonding the FRP member to the metal member using the adhesive resin layer described above, the adhesion between the FRP member and the metal member can be improved. By doing so, it is possible to improve the deformation followability of the FRP member when a load is input to the metal member. In this case, the effect of the FRP member on the deformed body of the metal member can be exhibited more reliably.
なお、接着樹脂層を形成するために用いられる接着樹脂組成物の形態は、例えば、粉体、ワニス等の液体、フィルム等の固体とすることができる。 The form of the adhesive resin composition used for forming the adhesive resin layer can be, for example, powder, liquid such as varnish, or solid such as film.
また、接着樹脂組成物に架橋硬化性樹脂および架橋剤を配合して、架橋性接着樹脂組成物を形成してもよい。これにより接着樹脂組成物の耐熱性が向上するため、高温環境下での適用が可能となる。架橋硬化性樹脂として、例えば2官能性以上のエポキシ樹脂や結晶性エポキシ樹脂を用いることができる。また、架橋剤として、アミンや酸無水物等を用いることができる。また、接着樹脂組成物には、その接着性や物性を損なわない範囲において、各種ゴム、無機フィラー、溶剤等その他添加物が配合されてもよい。 A crosslinkable adhesive resin composition may also be formed by blending a crosslinkable curable resin and a crosslinker with the adhesive resin composition. Since this improves the heat resistance of the adhesive resin composition, it can be applied in a high-temperature environment. As the cross-linkable curable resin, for example, a bifunctional or higher functional epoxy resin or a crystalline epoxy resin can be used. Amines, acid anhydrides, and the like can also be used as cross-linking agents. In addition, the adhesive resin composition may contain other additives such as various rubbers, inorganic fillers, solvents, etc., as long as the adhesiveness and physical properties are not impaired.
FRP部材の金属部材への複合化は、種々の方法により実現される。例えば、FRP部材となるFRPまたはその前駆体であるFRP成形用プリプレグと、金属部材とを、上述した接着樹脂組成物で接着し、該接着樹脂組成物を固化(または硬化)させることで得られる。この場合、例えば、加熱圧着を行うことにより、FRP部材と金属部材とを複合化させることができる。 Combining the FRP member with the metal member is realized by various methods. For example, it can be obtained by bonding an FRP to be an FRP member or an FRP molding prepreg that is a precursor thereof and a metal member with the adhesive resin composition described above and solidifying (or curing) the adhesive resin composition. . In this case, the FRP member and the metal member can be combined by, for example, thermocompression bonding.
上述したFRPまたはFRP成形用プリプレグの金属部材への接着は、部品の成形前、成形中または成形後に行われ得る。例えば、被加工材である金属材料を金属部材に成形した後に、FRPまたはFRP成形用プリプレグを該金属部材に接着しても良い。また、被加工材にFRPまたはFRP成形用プリプレグを加熱圧着により接着した後に、FRP部材が接着された該被加工材を成形して複合化された金属部材を得てもよい。FRP部材のマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、FRP部材が接着された部分について曲げ加工等の成形を行うことも可能である。また、FRP部材のマトリクス樹脂が熱可塑樹脂である場合、加熱圧着工程と成形工程とが一体となった複合一括成形が行われてもよい。 Adhesion of the FRP or FRP molding prepreg to the metal member may be performed before, during or after molding of the part. For example, after molding a metal material, which is a work material, into a metal member, FRP or a prepreg for FRP molding may be adhered to the metal member. Also, after bonding FRP or FRP molding prepreg to a work material by thermocompression bonding, the work material to which the FRP member is bonded may be molded to obtain a composite metal member. If the matrix resin of the FRP member is a thermoplastic resin, it is also possible to perform molding such as bending on the portion where the FRP member is adhered. In addition, when the matrix resin of the FRP member is a thermoplastic resin, composite batch molding may be performed in which the thermocompression bonding process and the molding process are integrated.
なお、FRP部材と金属部材との接合方法は、上述した接着樹脂層による接着に限られない。例えば、FRP部材と金属部材とは、機械的に接合されてもよい。より具体的には、FRP部材と金属部材のそれぞれ対応する位置に締結用の孔が形成され、これらがボルトやリベット等の締結手段により当該孔を介して締結されることにより、FRP部材と金属部材とが接合されていてもよい。他にも公知の接合手段によってFRP部材と金属部材とが接合されてもよい。また、複数の接合手段により複合的にFRP部材と金属部材とが接合されてもよい。例えば、接着樹脂層による接着と、締結手段による締結とが複合的に用いられてもよい。 It should be noted that the method of joining the FRP member and the metal member is not limited to adhesion using the adhesive resin layer described above. For example, the FRP member and metal member may be mechanically joined. More specifically, fastening holes are formed in corresponding positions of the FRP member and the metal member, and the FRP member and the metal member are fastened by fastening means such as bolts and rivets through the holes. The member may be joined. Alternatively, the FRP member and the metal member may be joined by a known joining means. Also, the FRP member and the metal member may be joined in a composite manner by a plurality of joining means. For example, adhesion by the adhesive resin layer and fastening by fastening means may be used in combination.
<金属部材およびその表面処理>
本発明に係る金属部材は、めっきされていてもよい。これにより、耐食性が向上する。特に、金属部材が鋼材である場合は、より好適である。めっきの種類は特に限定されず、公知のめっきを用いることができる。例えば、めっき鋼板(鋼材)として、溶融亜鉛めっき鋼板、溶融合金化亜鉛めっき鋼板、Zn-Al-Mg系合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気Zn-Ni系合金めっき鋼板等が用いられ得る。
<Metal member and its surface treatment>
The metal member according to the present invention may be plated. This improves corrosion resistance. In particular, it is more suitable when the metal member is steel. The type of plating is not particularly limited, and known plating can be used. For example, galvanized steel sheets (steel materials) include hot-dip galvanized steel sheets, hot-dip alloyed galvanized steel sheets, Zn-Al-Mg-based alloy-plated steel sheets, aluminum-plated steel sheets, electro-galvanized steel sheets, electro-Zn-Ni-based alloy-plated steel sheets, and the like. can be used.
また、金属部材は、表面に化成処理とよばれる皮膜が被覆されていてもよい。これにより、耐食性がより向上する。化成処理として、一般に公知の化成処理を用いることができる。例えば、化成処理として、りん酸亜鉛処理、クロメート処理、クロメートフリー処理等を用いることができる。また、上記皮膜は、公知の樹脂皮膜であってもよい。 In addition, the surface of the metal member may be coated with a film called chemical conversion treatment. This further improves corrosion resistance. As the chemical conversion treatment, generally known chemical conversion treatments can be used. For example, zinc phosphate treatment, chromate treatment, chromate-free treatment, or the like can be used as the chemical conversion treatment. Further, the film may be a known resin film.
また、金属部材は、一般に公知の塗装が施されているものであってもよい。これにより、耐食性がより向上する。塗装として、公知の樹脂を用いることができる。例えば、塗装として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂またはふっ素系樹脂等を主樹脂としたものを用いることができる。また、塗装には、必要に応じて、一般に公知の顔料が添加されていてもよい。また、塗装は、顔料が添加されていないクリヤー塗装であってもよい。かかる塗装は、FRP部材を複合化する前に予め金属部材に施されていてもよいし、FRP部材を複合化した後に金属部材に施されてもよい。また、予め金属部材に塗装が施されたのちにFRP部材が複合化され、さらにその後塗装が施されてもよい。塗装に用いられる塗料は、溶剤系塗料、水系塗料または紛体塗料等であってもよい。塗装の施工方法として、一般に公知の方法が適用され得る。例えば、塗装の施工方法として、電着塗装、スプレー塗装、静電塗装または浸漬塗装等が用いられ得る。電着塗装は、金属部材の端面や隙間部を被覆するのに適しているため、塗装後の耐食性に優れる。また、塗装前に金属部材の表面にりん酸亜鉛処理やジルコニア処理等の一般に公知の化成処理を施すことにより、塗膜密着性が向上する。 Also, the metal member may be coated with a generally known coating. This further improves corrosion resistance. A known resin can be used as the coating. For example, as the coating, a coating made mainly of epoxy resin, urethane resin, acrylic resin, polyester resin, fluorine-based resin, or the like can be used. In addition, generally known pigments may be added to the coating as needed. Also, the coating may be a clear coating to which no pigment is added. Such coating may be applied to the metal member in advance before compositing the FRP member, or may be applied to the metal member after compositing the FRP member. Alternatively, the metal member may be coated in advance, then the FRP member may be composited, and then coated. The paint used for coating may be a solvent-based paint, a water-based paint, a powder paint, or the like. As a coating method, a generally known method can be applied. For example, as a coating method, electrodeposition coating, spray coating, electrostatic coating, dip coating, or the like can be used. Electrodeposition coating is suitable for coating end faces and gaps of metal members, and is therefore excellent in corrosion resistance after coating. Further, by subjecting the surface of the metal member to a generally known chemical conversion treatment such as zinc phosphate treatment or zirconia treatment before coating, the coating film adhesion is improved.
図4は補強部材3の層構造を説明するための図である。ここで、本明細書では、曲面パネル2の最大主曲率方向を“0°方向”と定義し、0°方向が定義された曲面に正対したときの0°方向に垂直な方向を“90°方向”と定義する。図4に示す曲面パネル部材1においては、補強部材3はCFRPの6層構造となっており、補強部材3の各層の連続繊維は0°方向に配向されている。本明細書では、連続繊維が特定の方向に配向された層のことを“配向層”と称す。例えば繊維が0°方向(曲面パネル2の最大主曲率方向)に配向された層は、0°配向層と称す。すなわち、図4に示す補強部材3は、0°配向層3aを6層有している。なお、補強部材3を構成する層の総数は特に限定されず、曲面パネル2の形状や要求される張り剛性等に応じて適宜変更される。本実施形態においては、補強部材3は単一のCFRPの層により構成されていてもよい。また、補強部材3のサイズや各層の板厚、曲面パネル2に対する接合位置等も特に限定されず、曲面パネル2の形状や要求される張り剛性等に応じて適宜変更される。
FIG. 4 is a diagram for explaining the layered structure of the reinforcing
曲面パネル部材1は以上のように構成されている。図1のような曲面パネル2の場合、曲面パネル2の荷重入力側の面2aに面外方向からの荷重Fが入力されると、荷重入力位置の周囲に略円形状の歪が生じる。本発明者は、そのような場合において、曲面パネル2に接合される補強部材3の繊維が90°方向に配向されるよりも0°方向に配向された方が、張り剛性が向上することを見出した。すなわち、各層が90°配向層で構成された補強部材3よりも、各層が0°配向層3aで構成された補強部材3の方が曲面パネル部材1の張り剛性を向上させることができる。図4に示す曲面パネル部材1では補強部材3の全ての層が0°配向層3aであるため、曲面パネル部材1の張り剛性を効果的に向上させることができる。
The
補強部材3の連続繊維の繊維方向は、図4に示す例のように必ずしも0°方向と一致している必要はなく、繊維方向が単一方向の場合には-15°~15°方向に配向されていれば良い。この場合でも、曲面パネル部材1の張り剛性を十分に向上させることが可能である。効果的に曲面パネル部材1の張り剛性を向上させる観点においては、繊維方向は-15°~15°方向の範囲内において、0°方向寄りに配向されていることがより好ましい。配向層3aにおける繊維方向は、繊維強化樹脂部材をマイクロフォーカスX線CT(X-ray Computed Tomography)を用いて観察、解析を行うことにより同定できる。0°方向に対する繊維方向は、配向層3aにおける繊維方向と、該配向層3aを含む補強部材3の曲面パネル2との接合状態における曲面パネル2に対する相対的な方向関係と、から得られる。
The fiber direction of the continuous fibers of the reinforcing
<第2の実施形態:複数繊維方向>
第1の実施形態では、補強部材3の各層の繊維方向が互いに単一方向であったが、第2の実施形態では、補強部材3が2種類以上の配向層を有している。すなわち、第2の実施形態に係る補強部材3は、補強部材3を構成する複数のCFRPの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、複数のCFRPの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を有する構成である。図5に示す曲面パネル部材1の場合、補強部材3は、0°配向層3aと、90°配向層3bとが混在した6層構造となっている。補強部材3は、曲面パネル2の荷重入力側と反対側の面2b寄りの4層が0°配向層3aであり、残りの2層が90°配向層3bである。なお、第2の実施形態の曲面パネル部材1は、補強部材3が2種類以上の配向層を有していること以外、第1の実施形態の曲面パネル部材1と同様の構成である。なお本実施形態では、「θ°配向層」とは、θ±5°に配向された連続繊維を含む配向層も含まれる。例えば、「0°配向層」は、連続繊維の繊維方向が厳密に0°方向を示しているFRPの配向層だけではなく、0°方向に対して-5°~5°に配向されている連続繊維を含む配向層も含むことを意味する。
<Second Embodiment: Multiple Fiber Direction>
In the first embodiment, the fiber direction of each layer of the reinforcing
第1の実施形態で説明したように、補強部材3は、0°配向層3aをより多く含むことが好ましいが、第2の実施形態のように0°配向層3aに加え、0°配向層3a以外の配向層を有していることがさらに好ましい。前述のように曲面パネル2の荷重入力側の面2aに面外方向からの荷重Fが入力されると、荷重入力位置の周囲に略円形状の歪が生じるが、第2の実施形態のように0°配向層3a以外の配向層が設けられることにより、0°配向層3aだけでは抑えることができない歪を抑えることが可能となる。これにより、曲面パネル部材1の張り剛性をさらに向上させることができる。なお、補強部材3の連続繊維の繊維方向は0°方向と90°方向に限定されず、例えば±45°方向や±60°方向であっても良い。どのような繊維方向を組み合わせるかについては、曲面パネル2の形状や要求される張り剛性等に応じて適宜変更される。
As described in the first embodiment, the reinforcing
補強部材3が2種類以上の配向層を有している場合、補強部材3の層全体における0°方向成分の割合は40%以上であることが好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。これにより、曲面パネル部材1の張り剛性を効果的に向上させることができる。例えば、0°配向層である割合がFRPの層の全体に対して40%以上であってもよい。具体的には、図5で示したように、FRPの層が6層である場合、4層が0°配向層3aであることにより、0°配向層である割合がFRP層の全体に対して66%以上となっている。このような場合、曲面パネル部材1の張り剛性を効果的に向上させることができる。
When the reinforcing
(0°方向成分の割合の算出方法)
本明細書では、0°方向成分(曲面パネル2の最大主曲率方向に平行な成分)の割合を次のように算出することとする。ここでは、曲面パネル2に接合されている補強部材3を構成するFRPの層全体において、2種類の繊維方向が含まれている例を示す。まず、図6のような0°方向とのなす角(鋭角)θ1を有する第1の繊維方向と、0°方向とのなす角(鋭角)θ2を有する第2の繊維方向のそれぞれについて、三角関数を用いて0°方向成分と90°方向成分に分解し、1層あたりの0°方向成分の値の絶対値と、1層あたりの90°方向成分の値の絶対値を算出する。次に、各層の0°方向成分を合計することで層全体における0°方向成分の値を算出する。同様に、各層の90°方向成分を合計することで層全体における90°方向成分の値を算出する。そして、ここで算出された層全体における0°方向成分の値と90°方向成分の値とをさらに合計し、当該合計値に対する層全体における0°方向成分の割合を算出する。
(Method for calculating ratio of 0° direction component)
In this specification, the ratio of the 0° direction component (the component parallel to the maximum principal curvature direction of the curved panel 2) is calculated as follows. Here, an example is shown in which two types of fiber directions are included in the entire FRP layer that constitutes the reinforcing
例えば角θ1が30°である場合には、cos30°が0°方向成分であり、sin 30°が90°方向成分である。すなわち、1層あたりの0°方向成分は約0.866であり、1層あたりの90°方向成分は0.5である。補強部材3が6層構造の場合、層全体における0°方向成分は5.2であり、90°方向成分は3.0である。層全体の0°方向成分の値である5.2は、層全体の0°方向成分と90°方向成分の合計値である8.2の約63%であり、これが補強部材3の層全体における0°方向成分の割合である。なお、繊維方向が0°方向である場合の0°方向成分の値はcos 0°、すなわち1であり、90°方向成分の値はsin 0°、すなわち0である。また、繊維方向が90°方向である場合の0°方向成分の値はcos 90°、すなわち0であり、90°方向成分の値はsin 90°、すなわち1である。
For example, when the angle θ 1 is 30°, cos 30° is the 0° direction component and sin 30° is the 90° direction component. That is, the 0° direction component per layer is about 0.866, and the 90° direction component per layer is 0.5. When the reinforcing
なお、FRPの各層が略同一の厚みにより形成されている場合は上述した方法で算出するが、各層の厚みが異なる場合は、各層の厚みを重みとして該割合を算出する。例えば、n層のFRPのうち、接合側からk番目の層の0°方向成分の値をxk、当該層の厚みをtkとした場合、層全体における0°方向成分の合計値は、x1×t1+・・・+xn×tnとなる。90°方向成分の合計値も同様に得られる。 When each layer of FRP has substantially the same thickness, the ratio is calculated by the method described above. For example, if xk is the value of the 0° direction component of the k-th layer from the junction side of the n-layer FRP, and tk is the thickness of the layer, the total value of the 0° direction component in the entire layer is x1 * t1 +...+ xn * tn . The total value of the 90° directional components is similarly obtained.
本明細書では、補強部材3の板厚(すなわち、各層の合計板厚)の中心(中立面)に対し、当該補強部材3の、曲面パネル2との接合側に位置する部分を“曲げ内側部”と称し、該接合側の反対側に位置する部分を“曲げ外側部”と称す。なお、ここでいう「曲げ内側部」「曲げ外側部」は、実際に曲面パネル部材1を曲げた結果定義されるものではなく、あくまで補強部材3の中立面を基準に幾何的に定義されるものである。図7に示す補強部材3においては、曲面パネル2との接合側と反対側の面2b寄りの5層が90°配向層3bであり、残りの1層は0°配向層3aである。すなわち、図7に示す例では、曲げ内側部が3つの90°配向層3bを有し、曲げ外側部は2つの90°配向層3bと、1つの0°配向層3aを有している。
In this specification, the portion of the reinforcing
図7に示す曲面パネル部材1においては層全体に対する0°配向層3aが少ないものの、曲面パネル部材1の中立面から曲げ外側に0°配向層3aが含まれている。すなわち、引張応力が大きくなる曲げ外側部に0°配向層3aが配置されていることにより、層全体に対する0°配向層3aの割合が小さくても効果的に曲面パネル部材1の張り剛性を向上させることができる。張り剛性向上の観点からは、曲げ外側部に含まれる層全体における0°方向成分の割合が30%以上であることが好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。また、曲げ外側部の0°方向成分の割合が30%以上であり、かつ、補強部材3の層全体における0°方向成分の割合が40%以上、好ましくは50%以上との条件を満たすことで、張り剛性をさらに向上させることができる。
In the
なお、第2の実施形態の説明では、繊維方向が2方向であったが、3方向以上であっても良い。例えば図8に示す補強部材3は、曲面パネル2の面2bから順に90°配向層3b、45°配向層3c、-45°配向層3d、0°配向層3a、90°配向層3b、0°配向層3aを有している。このような場合でも、補強部材3に0°方向成分が含まれているために曲面パネル部材1の張り剛性を向上させることができる。また、前述のように、張り剛性向上の観点からは、曲げ外側部に含まれる層全体における0°方向成分の割合が30%以上であることが好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。また、曲げ外側部の0°方向成分の割合が30%以上、好ましくは50%以上、かつ、補強部材3の層全体における0°方向成分の割合が40%以上、好ましくは50%以上との条件を満たすことで、張り剛性をさらに向上させることができる。
In the description of the second embodiment, the number of fiber directions is two, but the number of fiber directions may be three or more. For example, the reinforcing
第1~第2の実施形態の説明は以上の通りである。なお、補強部材3は曲面パネル2の主な荷重が想定される側の面2aに接合されていても、張り剛性の向上効果は得られるが、上記実施形態のように補強部材3は、面2aとは反対側の面2bに接合されることが好ましい。例えば曲面パネル2が自動車のドアアウターパネル、ルーフパネル、フード、フェンダー、またはサイドアウターパネル等の部品である場合、曲面パネル2の荷重入力側の面2aに面外方向からの荷重Fが入力されるため、曲面パネル2のより荷重入力側と反対側の面2b側の引張応力が大きくなるが、曲面パネル2の荷重入力側と反対側の面2bに補強部材3が接合されていれば、引張応力の発生部を効果的に補強することができる。これにより曲面パネル2の張り剛性の向上の効果がより得られやすくなる。
The description of the first and second embodiments is as above. Even if the reinforcing
また、補強部材3は、曲面パネル2の面全体に接合されていることが好ましい。例えば、曲面パネル2に対して補強部材3を部分的に接合する場合であっても、部分的に張り剛性を向上させることは可能であるが、補強部材が曲面パネル2の面全体に接合されていることにより、曲面パネル2のどの位置に荷重が入力されても補強部材3による補剛効果を得ることが可能となる。
Moreover, it is preferable that the reinforcing
加えて、上記第1~第2の実施形態のような0°方向への配向に着目して得られた補強部材3は、例えば前述の特許文献1のFRPシートと同形状の場合であっても、発揮される補剛効果は特許文献1のFRPシートに対して大きくなる。すなわち、製品仕様によって特許文献1の補剛効果と同等の補剛効果が得られれば十分である場合には、例えば、補強部材3の板厚を薄くして曲面パネル部材1の軽量化を図ることも可能である。このため、例えば上記第1~第2の実施形態のような補強部材3を曲面パネル2の面全体に接合する場合には、従来のFRPシートをパネル全体にわたって複数接合する場合に比べ、パネル部材の軽量化を図ると共に十分な張り剛性を確保することができる。
In addition, the reinforcing
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person skilled in the art can conceive various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims, and these are also within the technical scope of the present invention. be understood to belong to
<評価結果(A):単一繊維方向>
本発明に係る曲面パネル部材1の張り剛性を図10に示す方法で評価した。本評価方法では、曲面パネル2の内面全体に6層構造の補強部材3が接合されている。また、下記表1のように繊維配向が異なる条件で張り剛性の評価を実施した。また、比較例として、補強部材3が接合されていない条件における張り剛性の評価も実施した。補強部材3はCFRPからなり、補強部材3の厚さは1層あたり0.2mmの計1.2mmであり、ヤング率は102GPaである。鋼板の板厚は0.4mmであり、引張強度は590MPaである。
<Evaluation result (A): Single fiber direction>
The tensile rigidity of the
図10に示すように曲面パネル2の荷重入力側の面2a中央部にR50の半球状の圧子10を押し込むことで実施された。そして、圧子10を2mm押し込むために要した荷重を各条件で比較した。この荷重値が高いほど、曲面パネル2が変形しにくい、すなわち曲面パネル部材1としての張り剛性に優れている。
As shown in FIG. 10, it was carried out by pressing a
図11はCASE 2~CASE 8の評価結果を示すグラフである。図11に示すように、繊維方向が0°方向の場合の荷重値は、90°方向の場合の1.5倍以上であった。本評価結果を考慮すると、繊維方向が-15°~15°方向に配向されている場合には効果的に曲面パネル部材の張り剛性を向上させることができる。
FIG. 11 is a graph showing evaluation results of
<評価結果(B):複数繊維方向>
次に、2種類以上の配向層を有する場合において、上記評価結果(A)と同一の荷重入力条件で張り剛性の評価を実施した。各条件の繊維配向は下記表2の通りである。
<Evaluation result (B): direction of multiple fibers>
Next, in the case of having two or more types of orientation layers, the tension stiffness was evaluated under the same load input conditions as in the above evaluation result (A). The fiber orientation under each condition is shown in Table 2 below.
図12は、CASE 9~CASE 11の評価結果を示すグラフである。CASE 9~CASE 11の条件では、補強部材の6層のうち、0°配向層と90°配向層の割合がそれぞれ異なっているが、比較例であるCASE9は、層全体の0°方向成分の割合が33%と低く、0°配向層のみを有するCASE
2に対して張り剛性が低下した。層全体の0°方向成分の割合が50%以上となる本発明例であるCASE 10およびCASE 11においては、0°配向層のみを有するCASE 2に対して張り剛性が向上した。本結果に鑑みると、張り剛性を効果的に向上させるためには、補強部材が、繊維方向が異なる複数の層を有し、層全体における0°方向成分が40%以上であることが好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。
FIG. 12 is a graph showing evaluation results of
Compared to 2, the tension stiffness decreased. In
図13は、CASE 12およびCASE 13の評価結果を示すグラフである。CASE 12およびCASE 13の条件では、90°配向層に対する0°配向層の割合が少ない。一方で、CASE
12およびCASE 13の条件では、補強部材の板厚中心に対し、曲率の大きい側の層に0°配向層が位置しており、曲率の大きい側の層における0°方向成分の割合が30%以上となっている。図13に示すように、CASE 12およびCASE 13においては、CASE 2に対してさらに張り剛性を向上させることができる。本結果を考慮すると、張り剛性を効果的に向上させるためには、補強部材が、2種類以上の配向層を有し、補強部材の板厚中心に対し、曲率の大きい側の層における0°方向成分の割合が曲率の大きい側の層の30%以上であることが好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。また、曲率の大きい側の層に含まれる0°方向成分の割合が曲率の大きい側の層の30%以上であり、かつ、層全体の0°方向成分の割合が40%以上であれば、さらに張り剛性を向上させられると推察される。
FIG. 13 is a graph showing the evaluation results of
Under the conditions of 12 and
図14は、CASE 14およびCASE 15の評価結果を示すグラフである。CASE 14およびCASE 15の条件は、0°配向層および90°配向層以外の配向層を含む。前述した三角関数を用いる方法で、0°方向とのなす角から、それぞれ0°方向成分を算出した結果、CASE 14及びCASE 15は、層全体における0°方向成分が40%以上であり、かつ曲率の大きい側の層における0°方向成分の割合が30%以上である。図14に示すように、いずれの条件においても、CASE 2に対して張り剛性が向上している。本結果を考慮すると、0°配向層および90°配向層以外の配向層を含む場合であっても、層全体における0°方向成分が40%以上である、もしくは曲率の大きい側の層における0°方向成分の割合が30%以上であれば、張り剛性を効果的に向上させることができる。
FIG. 14 is a graph showing evaluation results of
本発明は、自動車のドアアウターパネル、ルーフパネル、フード、フェンダー、またはサイドアウターパネル等の構造として利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a structure for automobile door outer panels, roof panels, hoods, fenders, side outer panels, and the like.
1 曲面パネル部材
2 曲面パネル
2a 曲面パネルの荷重入力側の面
2b 曲面パネルの荷重入力側と反対側の面
3 補強部材
3a 0°配向層
3b 90°配向層
3c 45°配向層
3d -45°配向層
10 圧子
C 補強部材の板厚中心
1
Claims (8)
前記曲面パネルに接合された、連続繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である、複数のFRPの層からなる補強部材とを備え、
前記複数のFRPの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、
前記複数のFRPの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を示し、
前記曲面パネルの最大主曲率方向を0°方向、および前記0°方向に直交する方向を90°方向と定義し、前記曲面パネルに接合されている前記補強部材の各層の繊維方向について、三角関数を用いて0°方向成分及び90°方向成分をそれぞれ算出した場合において、前記複数のFRPの層全体に含まれる前記連続繊維の繊維方向の両成分のうち前記0°方向成分が40%以上である、曲面パネル部材。 curved metal panels,
a reinforcing member composed of a plurality of FRP layers, the matrix resin of which is a thermoplastic resin, and which contains continuous fibers and is bonded to the curved panel;
Each of the plurality of FRP layers has a single fiber direction,
At least one layer of the plurality of FRP layers exhibits a fiber direction different from that of the other layers,
The maximum principal curvature direction of the curved panel is defined as the 0° direction, and the direction orthogonal to the 0° direction is defined as the 90° direction, and the fiber direction of each layer of the reinforcing member joined to the curved panel is expressed by a trigonometric function When the 0° direction component and the 90° direction component are calculated using There is a curved panel member.
前記補強部材は、前記曲面パネルの車内側の面に接合されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の曲面パネル部材。 the curved panel is a door outer panel, a roof panel, a hood, a fender, or a side outer panel;
The curved panel member according to any one of claims 1 to 3, wherein the reinforcing member is joined to a vehicle-interior surface of the curved panel.
The curved panel member according to any one of claims 1 to 6, wherein the FRP is GFRP.
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