JP7488473B2 - 衝撃吸収部材 - Google Patents

Description

本開示は、衝撃吸収部材に関する。

軸方向の圧壊により衝撃を吸収する衝撃吸収部材が知られている。このような衝撃吸収部材は、軸方向に荷重が入力されると、蛇腹状に連続的な座屈が進行することで衝撃を吸収する。衝撃吸収部材は、例えば自動車車体において、クラッシュボックスとしてサイドメンバー（フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー）の先端に配置される。

例えば特許文献１には、軸方向に衝撃を受けると、一部が軸方向に変形して衝撃エネルギーを吸収するクラッシュボックスであって、金属製の第１層と、上記第１層よりも気泡の量が多い、金属製の第２層と、が軸方向に交互に形成された、クラッシュボックスが開示されている。一方、蛇腹状に連続的な座屈が進行するタイプの衝撃吸収部材には該当しないが、特許文献２には、厚みが略一定の衝撃吸収性基材から構成された衝撃吸収部を備える樹脂製衝撃吸収部材であって、上記衝撃吸収性基材は、衝撃吸収方向において圧縮強度が異なる複数の熱可塑性樹脂基材が結合されてなる樹脂製衝撃吸収部材が開示されている。

特開２０１９－８６０７２号公報 特開２０１５－１７５４３０号公報

衝撃吸収部材の材料として、曲げ試験による最大曲げ角度が小さい材料を用いる場合、軸方向に荷重が入力されると、材料の破断が発生し、座屈が安定的に進行しにくい。一方、衝撃吸収部材の材料として、曲げ試験による最大曲げ角度が大きい材料を用いる場合、材料の破断が発生せず、座屈が安定的に進行しやすいものの、潰れきりによる荷重の増大（いわゆる底付き荷重）が生じる。また、潰れきりによる荷重の増大の発生を遅らせる、または無くすという点で、軽量化の観点から改善の余地がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、安定的な座屈進行による衝撃吸収性能の向上と、底付き荷重の低減との両立を図ることが可能な衝撃吸収部材を提供することを主目的とする。

本開示においては、軸方向の圧壊により衝撃を吸収する衝撃吸収部材であって、上記衝撃吸収部材は、上記軸方向に沿って延びた筒形状を有し、上記衝撃吸収部材は、上記軸方向に沿って、金属製の第一層と、金属製の第二層とを交互に有し、上記第一層の材料は、ＶＤＡ規格２３８－１００に規定される曲げ試験により求められる最大曲げ角度が７５ｄｅｇ．以下であり、上記第二層は、上記第一層よりも荷重による変形が生じない層であり、かつ、（ｉ）および（ii）の少なくとも一方を満たし、（ｉ）上記第二層の材料の引張強さが、上記第一層の材料の引張強さよりも高いこと、（ii）上記第二層の板厚が、上記第一層の板厚よりも厚いこと、上記第一層の上記軸方向の長さをＬ_１とし、上記第一層の平面部の平均幅を（Ｗｐ_１）_ａｖｅとし、上記第二層の上記軸方向の長さをＬ_２とし、上記第二層の平面部の平均幅を（Ｗｐ_２）_ａｖｅとした場合に、上記Ｌ_１および上記Ｌ_２は、１／４（Ｗｐ_１）_ａｖｅ≦Ｌ_１≦１／２（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび１／４（Ｗｐ_２）_ａｖｅ≦Ｌ_２≦１／２（Ｗｐ_２）_ａｖｅを満たす、衝撃吸収部材を提供する。

本開示によれば、所定の特性を有する第一層および第二層を、所定の長さＬ_１、Ｌ_２で、軸方向に沿って交互に配置することで、安定的な座屈進行による衝撃吸収性能の向上と、底付き荷重の低減との両立を図ることができる。

上記開示においては、上記第二層の材料の引張強さが、上記第一層の材料の引張強さよりも１．１５倍以上高くてもよい。

上記開示においては、上記第二層の板厚が、上記第一層の板厚よりも１．１５倍以上厚くてもよい。

上記開示においては、上記第一層が、荷重により生じる応力が集中する応力集中部を有していてもよい。

上記開示においては、上記応力集中部が、穴であってもよい。

上記開示においては、上記第一層および上記第二層の材料が鋼であり、上記第一層の材料の引張強さが１４７０ＭＰａ以上であってもよい。

本開示における衝撃吸収部材は、安定的な座屈進行による衝撃吸収性能の向上と、底付き荷重の低減との両立を図ることができるという効果を奏する。

本開示における衝撃吸収部材を例示する概略斜視図である。 本開示における衝撃吸収部材を例示する模式図である。 本開示における衝撃吸収部材を例示する概略側面図である。 本開示における衝撃吸収部材を例示する模式図である。 本開示における衝撃吸収部材を例示する概略側面図である。 実施例１における変位－荷重線図である。 比較例２におけるＦＥＭ解析の結果である。 実施例２、３におけるＦＥＭ解析の結果である。 実施例４、５におけるＦＥＭ解析の結果である。

以下、本開示における衝撃吸収部材について詳細に説明する。以下に示す各図は、理解を容易にするため、各部の大きさ、形状を適宜誇張している。さらに、各図において、便宜上、ハッチングまたは符号を省略する場合がある。

図１は、本開示における衝撃吸収部材を例示する概略斜視図である。また、図２（ａ）は、本開示における衝撃吸収部材を例示する概略側面図である。図１に示す衝撃吸収部材１０は、軸方向Ｄ_Ａの圧壊により衝撃を吸収する。また、衝撃吸収部材１０は、軸方向Ｄ_Ａに沿って延びた筒形状を有する。衝撃吸収部材１０は、軸方向Ｄ_Ａに沿って、金属製の第一層１と、金属製の第二層２とを交互に有する。なお、隣接する第一層１および第二層２を軸方向Ｄ_Ａから観察した場合、両者は、少なくとも一部が重複するように配置されている。

第一層１の材料は、ＶＤＡ規格２３８－１００に規定される曲げ試験により求められる最大曲げ角度が７５ｄｅｇ．以下である。一方、第二層２は、第一層１よりも荷重による変形が生じない層であり、かつ、（ｉ）および（ii）の少なくとも一方を満たす。
（ｉ）第二層２の材料の引張強さが、第一層１の材料の引張強さよりも高いこと
（ii）第二層２の板厚が、第一層１の板厚よりも厚いこと

また、図２（ａ）に示すように、第一層１の軸方向Ｄ_Ａの長さをＬ_１とし、第二層２の軸方向Ｄ_Ａの長さをＬ_２とする。また、第一層１の平面部の平均幅を（Ｗｐ_１）_ａｖｅとし、第二層の平面部の平均幅を（Ｗｐ_２）_ａｖｅとする。なお、（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび（Ｗｐ_２）_ａｖｅの詳細については後述する。Ｌ_１およびＬ_２は、それぞれ、１／４（Ｗｐ_１）_ａｖｅ≦Ｌ_１≦１／２（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび１／４（Ｗｐ_２）_ａｖｅ≦Ｌ_２≦１／２（Ｗｐ_２）_ａｖｅの関係式を満たす。

本開示によれば、所定の特性を有する第一層および第二層を、所定の長さＬ_１、Ｌ_２で、軸方向に沿って交互に配置することで、安定的な座屈進行による衝撃吸収性能の向上と、底付き荷重の低減との両立を図ることができる。

上述したように、衝撃吸収部材の材料として、曲げ試験による最大曲げ角度が小さい材料を用いる場合、軸方向に荷重が入力されると、材料の破断が発生し、座屈が安定的に進行しにくい。具体的には、最大曲げ角度が小さい材料を用いた第一層のみで衝撃吸収部材を構成した場合、初期の座屈変形時に破断が発生し、次の座屈進行が不安定になる。その結果、十分な衝撃吸収性能が得られない。これに対して、本開示においては、第一層と、その第一層よりも荷重による変形が生じない層である第二層とを交互に配置させる。これにより、座屈した第一層により、大きな面外変形が導入されることを回避できる。そのため、座屈した第一層から、第二層を介し、次に座屈する第一層に荷重を伝達することが可能になる。そのため、座屈した第一層に破断が発生しつつも、安定して座屈進行させることができる。

また、座屈による軸方向の面外変形の発生領域は、おおよそ、筒形状の軸方向に垂直な断面を構成する辺の平均長さ（軸方向に沿って延びた平面部の平均幅）である（Ｗｐ）_ａｖｅに依存する。具体的に、（Ｗｐ）_ａｖｅが大きい場合は、面外変形の発生領域が広くなる。本開示においては、第一層で面外変形を完結させ、第二層に変形の影響を及ぼさない座屈進行を生じさせるために、第一層の軸方向の長さＬ_１および第二層の軸方向の長さＬ_２を、各層の（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび（Ｗｐ_２）_ａｖｅとの関係性に着目し、１／４（Ｗｐ_１）_ａｖｅ≦Ｌ_１≦１／２（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび１／４（Ｗｐ_２）_ａｖｅ≦Ｌ_２≦１／２（Ｗｐ_２）_ａｖｅを満たすように設定した。

一方、上述したように、衝撃吸収部材の材料として、曲げ試験による最大曲げ角度が大きい材料を用いる場合、材料の破断が発生せず、座屈が安定的に進行しやすいものの、潰れきりによる荷重の増大（いわゆる底付き荷重）が生じる。これに対して、本開示においては、第一層の材料として、曲げ試験による最大曲げ角度が小さい材料を用いる。そのため、座屈した第一層に破断が発生し、潰れきった時の変形抵抗が低くなる。その結果、底付き荷重を低減することができる。このように、本開示においては、所定の特性を有する第一層および第二層を、所定の長さＬ_１、Ｌ_２で、軸方向に沿って交互に配置することで、安定的な座屈進行による衝撃吸収性能の向上と、底付き荷重の低減との両立を図ることができる。
以下、本開示における衝撃吸収部材について、より詳細に説明する。

本開示における衝撃吸収部材は、軸方向に荷重が入力されると、蛇腹状に連続的な座屈が進行することで衝撃を吸収する。また、衝撃吸収部材は、軸方向に沿って延びた筒形状を有する。衝撃吸収部材の軸方向に垂直な断面形状は、特に限定されないが、例えば、正方形等の矩形、ｎ角形（ｎは５以上の整数である）が挙げられる。なお、これらの矩形やｎ角形は厳密な多角形ではなく、多角形の角に相当する部位は、通常、円弧状に形成される。すなわち、衝撃吸収部材の軸方向に垂直な断面形状は、直線状部と円弧状部が交互に連なった形状である。衝撃吸収部材の軸方向に垂直な断面を構成する辺の長さは、直線状部の長さを意味する。すなわち、直線状部を挟む一方の円弧状部のうち当該直線状部に近い側のＲ止まりと、直線状部を挟む他方の円弧状部のうち当該直線状部に近い側のＲ止まりと、の間の距離を辺の長さとする。

図１に示すように、衝撃吸収部材１０は、軸方向Ｄ_Ａに沿って、金属製の第一層１と、金属製の第二層２とを交互に有する。「第一層と第二層とを交互に有する」とは、第一層、第二層および第一層の順に配置された構造を少なくとも有することをいう。例えば、図２（ａ）に示す衝撃吸収部材１０は、軸方向Ｄ_Ａに沿って、第一層１１、第二層２１、第一層１２、第二層２２、第一層１３、第二層２３が順に配置された構造を有する。

また、図２（ａ）に示すように、第一層１は、第二層２よりも荷重入力側の表面Ｓ_１に近くなるように配置されていてもよく、図３に示すように、第二層２は、第一層１よりも荷重入力側の表面Ｓ_１に近くなるように配置されていてもよい。衝撃吸収部材において、第一層の数は、例えば２以上、１０以下であり、第二層の数は、例えば１以上、１０以下である。

本開示において、第一層の材料は、ＶＤＡ規格２３８－１００に規定される曲げ試験により求められる最大曲げ角度が７５ｄｅｇ．以下である。最大曲げ角度は、部材が軸方向に圧壊する際の蛇腹状の座屈変形挙動の安定性との相関があり、軸圧壊時の破壊挙動を定量的に表す指標となる。最大曲げ角度が７５ｄｅｇ．以下である材料は、軸方向に荷重が入力されると、材料の破断が発生し、座屈が安定的に進行しにくい。

また、第一層の材料は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に規定される金属材料引張試験方法により求められる全伸びが、１０％以下であることが好ましい。

第一層の材料としては、例えば、鋼、アルミニウム合金等の金属が挙げられる。また、上記金属の引張強さは、例えば１４７０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、第一層の板厚は、例えば、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、０．５ｍｍ以上、１．６ｍｍ以下であってもよい。

第一層は、荷重により生じる応力が集中する応力集中部を有していてもよい。応力集中部を設けることで、第一層の変形が生じやすくなる。図４（ａ）は、本開示における衝撃吸収部材を例示する概略側面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第一層１は、荷重により生じる応力が集中する応力集中部５として、丸穴を有している。図４（ｂ）において、２つの応力集中部５は、第一層１の断面に対向する位置に配置されている。応力集中部としては、例えば、穴（貫通穴）、溝（未貫通溝）が挙げられる。応力集中部の平面視形状としては、例えば、丸、矩形、スリットが挙げられる。図４（ｂ）に示すように、応力集中部５である穴には、その穴縁から筒形状の中空部側に突出した縦壁６が配置されていてもよい。縦壁は、例えばバーリング加工により成形される。

本開示において、第二層は、第一層よりも荷重による変形が生じない層である。第二層が第一層よりも荷重による変形が生じない層に該当するか否かは、ＦＥＭ(Finite Element Method)解析により座屈変形挙動を評価することにより、確認することができる。

第二層の材料としては、例えば、鋼、アルミニウム合金等の金属が挙げられる。また、上記金属の引張強さは、例えば９８０ＭＰａ以上であり、１１８０ＭＰａ以上であってもよく、１４７０ＭＰａ以上であってもよい。また、第二層の板厚は、例えば、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、０．５ｍｍ以上、１．６ｍｍ以下であってもよい。

第二層は、下記（ｉ）および（ii）の少なくとも一方を満たす。
（ｉ）第二層の材料の引張強さが、第一層の材料の引張強さよりも高いこと
（ii）第二層の板厚が、第一層の板厚よりも厚いこと

衝撃吸収部材が、（ｉ）第二層の材料の引張強さが、第一層の材料の引張強さよりも高いこと、を満たす場合、引張強さ比は、例えば１．１５倍以上であり、１．３倍以上であってもよい。衝撃吸収部材が上記（ｉ）を満たす場合、衝撃吸収部材は、上記（ii）を満たしてもよく、満たさなくてもよい。後者の具体例としては、第二層の材料の引張強さが第一層の材料の引張強さよりも高く、かつ、第二層の板厚が第一層の板厚と同じ場合、または、第二層の板厚が第一層の板厚よりも薄い場合が挙げられる。「第二層の板厚が第一層の板厚と同じ」とは、両者の板厚の差が０．１ｍｍ以下であることをいう。

衝撃吸収部材が、（ii）第二層の板厚が、第一層の板厚よりも厚いこと、を満たす場合、板厚比は、例えば１．１５倍以上であり、１．３倍以上であってもよい。衝撃吸収部材が上記（ii）を満たす場合、衝撃吸収部材は、上記（ｉ）を満たしてもよく、満たさなくてもよい。後者の具体例としては、第二層の板厚が第一層の板厚よりも厚く、かつ、第二層の材料の引張強さが第一層の材料の引張強さと同じ場合、または、第二層の材料の引張強さが第一層の材料の引張強さよりも低い場合が挙げられる。第二層の材料の引張強さが第一層の材料の引張強さと同じ場合としては、例えば、第二層の材料の引張強さおよび第一層の材料の引張強さが、ともに１４７０ＭＰａ級である場合が挙げられる。一方、第二層の材料の引張強さが第一層の材料の引張強さよりも低い場合としては、例えば、第二層の材料の引張強さが９８０ＭＰａ級であり、第一層の材料の引張強さが１４７０ＭＰａ級である場合が挙げられる。

また、図２（ａ）に示すように、第一層１の軸方向Ｄ_Ａの長さをＬ_１とし、第二層２の軸方向Ｄ_Ａの長さをＬ_２とする。また、第一層１の平面部の平均幅を（Ｗｐ_１）_ａｖｅとし、第二層の平面部の平均幅を（Ｗｐ_２）_ａｖｅとする。ここで、平面部とは、軸方向に沿って延びる平面領域をいい、平面部の幅は、軸方向を法線方向とする平面で切断した場合の断面を構成する辺の長さに該当する。図２（ｂ）に示すように、第一層１は、４つの辺を有し、それぞれの辺の長さ（平面部の幅）が、Ｗｐ_ａ、Ｗｐ_ｂ、Ｗｐ_ｃ、Ｗｐ_ｄであり、（Ｗｐ_１）_ａｖｅは、Ｗｐ_ａ、Ｗｐ_ｂ、Ｗｐ_ｃ、Ｗｐ_ｄの平均値である。同様に、図２（ｃ）に示すように、第二層２は、４つの辺を有し、それぞれの辺の長さ（平面部の幅）が、Ｗｐ_ｅ、Ｗｐ_ｆ、Ｗｐ_ｇ、Ｗｐ_ｈであり、（Ｗｐ_２）_ａｖｅは、Ｗｐ_ｅ、Ｗｐ_ｆ、Ｗｐ_ｇ、Ｗｐ_ｈの平均値である。

本開示においては、Ｌ_１およびＬ_２が、それぞれ、１／４（Ｗｐ_１）_ａｖｅ≦Ｌ_１≦１／２（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび１／４（Ｗｐ_２）_ａｖｅ≦Ｌ_２≦１／２（Ｗｐ_２）_ａｖｅの関係式を満たす。Ｌ_１およびＬ_２が、上記関係式を満たすことにより、第一層で面外変形を完結させ、第二層に変形の影響を及ぼさない座屈進行を生じさせることができる。

Ｌ_１およびＬ_２の値は、特に限定されないが、それぞれ、例えば１５ｍｍ以上７５ｍｍ以下である。なお、衝撃吸収部材は、通常、複数の第一層を有するが、各々の第一層におけるＬ_１の値が、上記範囲にあることが好ましい。また、衝撃吸収部材が複数の第二層を有する場合、各々の第二層におけるＬ_２の値が、上記範囲にあることが好ましい。

衝撃吸収部材が複数の第一層を有する場合、各々の第一層におけるＬ_１の値は、同じであってもよく、異なっていてもよい。「各々の第一層におけるＬ_１の値が同じ」とは、複数の第一層において、Ｌ_１の最大値とＬ_１の最小値との差が１ｍｍ以下であることをいい、「各々の第一層におけるＬ_１の値が異なる」とは、複数の第一層において、Ｌ_１の最大値とＬ_１の最小値との差が１ｍｍより大きいことをいう。

衝撃吸収部材が複数の第二層を有する場合、各々の第二層におけるＬ_２の値は、同じであってもよく、異なっていてもよい。「各々の第二層におけるＬ_２の値が同じ」とは、複数の第二層において、Ｌ_２の最大値とＬ_２の最小値との差が１ｍｍ以下であることをいい、「各々の第二層におけるＬ_２の値が異なる」とは、複数の第二層において、Ｌ_２の最大値とＬ_２の最小値との差が１ｍｍより大きいことをいう。

また、図５に示すように、荷重入力側の表面Ｓ_１に最も近い第二層におけるＬ_２（第二層２１におけるＬ_２１）の値は、他の第二層におけるＬ_２の平均値（第二層２２、第二層２３における、Ｌ_２２、Ｌ_２３の平均値）よりも大きくてもよい。荷重入力側の表面Ｓ_１に最も近い第一層（第一層１１）は、最も大きな面外変形が導入されやすいが、その第一層に隣接する第二層におけるＬ_２（第二層２１におけるＬ_２１）を大きくすることで、次に座屈する第一層に荷重を効率よく伝達することができる。荷重入力側の表面Ｓ_１に最も近い第二層におけるＬ_２の値は、他の第二層におけるＬ_２の平均値の１．２倍以上であることが好ましい。

また、衝撃吸収部材が複数の第一層および第二層を有する場合、Ｌ_１の平均値は、Ｌ_２の平均値より小さくてもよく、同じであってもよく、大きくてもよい。「Ｌ_１の平均値がＬ_２の平均値と同じ」とは、両者の差が１ｍｍ以下であることをいう。

本開示における衝撃吸収部材は、軸方向の圧壊により衝撃を吸収する任意の用途に用いることができるが、典型的な用途としては、自動車用クラッシュボックスが挙げられる。

本開示における衝撃吸収部材の製造方法は、特に限定されないが、例えば、金属板に、プレス曲げ、絞り、巻きおよびロールフォーミング等の加工をいずれか一つあるいは複数行うことにより、筒形状を形成する方法が挙げられる。筒形状を閉断面にするために、適宜接合を行ってもよい。接合方法としては、例えば、スポット溶接、カシメおよびスポット摩擦攪拌接合等の断続接合、アーク（プラズマ）溶接、レーザー溶接および摩擦攪拌接合等の連続接合が挙げられる。また、上記接合方法により、第一層および第二層を接合することができる。

本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

［実施例１］
１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ、試作鋼）および９８０ＭＰａ級の鋼（板厚１．８ｍｍ）を用いて、試験体を作製した。１４７０ＭＰａ級の鋼の材料特性を表１に示す。

具体的には、図４（ａ）に示すように、第一層１（１４７０ＭＰａ級の鋼、Ｌ_１＝３０ｍｍ）および第二層２（９８０ＭＰａ級の鋼、Ｌ_２＝３０ｍｍ）を、溶接により交互に３層ずつ配置した。さらに、長手方向の両端に端板（板厚９ｍｍ）を溶接により配置した。なお、インパクターと衝突する側（荷重入力側）に位置する第一層には、切り欠き部を設けた。また、図４（ｂ）に示すように、第一層１（１４７０ＭＰａ級の鋼）には、対向する２つ平面部に、丸穴（応力集中部）を設けた。試験体の断面は、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形とした。

［比較例１］
表１に示す１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）を用い、試験体を作製した。具体的には、第一層（１４７０ＭＰａ級の鋼、Ｌ_１＝１８０ｍｍ）を溶接により形成し、さらに、長手方向の両端に端板（板厚９ｍｍ）を溶接により配置した。なお、インパクターと衝突する側（荷重入力側）に位置する第一層には、切り欠き部を設けた。また、比較例１では、実施例１とは異なり、丸穴（応力集中部）を設けなかった。試験体の断面は、実施例１と同じく８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形とした。

［評価］
実施例１および比較例１で作製した試験体に対して、衝突試験を行った。具体的には、試験体の一端をロードセルにボルト固定し、試験体の他端に、平板のインパクターを有する錘体（重量３３５ｋｇ）を落下衝突させた。錘体の落下高さは４．５ｍ、すなわち衝突初速度は３３．８ｋｍ／ｈとした。また、試験体の変形荷重（荷重Ｆ）は、試験体の固定側のロードセルにより計測した。また、レーザーにて錘体変位（変位δ）を計測した。

衝突試験の結果、実施例１および比較例１で作製した試験体には、いずれも破断が確認された。実施例１では、試験体が分断するほどの破断が発生した。また、実施例１における変形の状態変化を評価したところ、第一層が破断しつつも、厚手の第二層が抵抗することで、第二層を介して、第一層の座屈が進行していることが確認された。

図６は、実施例１における変位－荷重線図である。図６に示すように、変位δが１２０ｍｍまでは、実測およびＣＡＥ(Computer Aided Engineering)解析の結果は概ね一致した。実測では、初期、変位δ＝３０ｍｍ付近、変位δ＝８０ｍｍ付近に、それぞれ明瞭なピークが確認された。このことから、破断しつつも、安定して座屈進行していたことが推察される。一方、ＣＡＥ解析では、変位δが１５０ｍｍ以降になると、急激な荷重増加がみられた。この荷重増加は、いわゆる底付き荷重と呼ばれるものである。

底付き荷重は、実際の衝突現象において衝撃吸収部材の変形を阻害するため、できる限り発生までの変位δを遅らせるか、発生させないことが好ましい。底付き荷重を低減することで、衝撃吸収部材の実変形率が増大し、例えば、部材長を短くできる等の軽量化を図ることができる。一方、実測の結果では、変位δが１５０ｍｍ以降になっても、顕著な荷重増加がみられなかった。すなわち、破断発生により底付き荷重が回避されたことが示唆された。これは、上述したように、実施例１では、試験体が分断するほどの破断が発生したためであると推測される。このように、実施例１で作製した衝撃吸収部材は、安定的な座屈進行による衝撃吸収性能の向上と、底付き荷重の低減との両立を図ることができた。

［比較例２］
ＦＥＭ解析により座屈変形挙動を評価した。第一層および第二層として、ともに１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用いた。層構成は、実施例１と同じく、第一層（Ｌ_１＝３０ｍｍ）および第二層（Ｌ_２＝３０ｍｍ）交互に３層ずつ配置した。座屈変形時の変形速度（衝突速度）は１０ｍ／ｓとした。その結果を図７に示す。図７に示すように、第二層（特に、第二層２２における白矢印部分）が変形時に十分に抵抗しないことが確認された。その結果、座屈した第一層１２から、第二層２２を介して、第一層１３に安定して座屈が進行しないことが示唆された。

［実施例２、３］
ＦＥＭ解析により座屈変形挙動を評価した。実施例２では、第一層として１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用い、第二層として１７６０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用いた。実施例３では、第一層として１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用い、第二層として１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．２ｍｍ）の材料特性を用いた。これらの点以外は、比較例２と同様にしてＦＥＭ解析を行った。

実施例２、３の結果を、それぞれ図８（ａ）、（ｂ）に示す。図８（ａ）に示すように、実施例２では、第二層（特に、第二層２２における白矢印部分）が変形時に抵抗することが確認された。その結果、座屈した第一層１２から、第二層２２を介して、第一層１３（特に黒矢印部分）に安定して座屈が進行することが示唆された。また、図８（ｂ）に示すように、実施例３においても、実施例２と同様の傾向が確認された。このように、第二層の材料が第一層の材料よりも引張強さが高い場合、および、第二層の板厚が第一層の板厚よりも厚い場合に、安定的に座屈が進行することが確認された。

［実施例４、５］
ＦＥＭ解析により座屈変形挙動を評価した。実施例４では、第一層として１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用い、第二層として１７６０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用い、第一層に丸穴（応力集中部）を設けた。実施例５では、第一層として１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．０ｍｍ）の材料特性を用い、第二層として１４７０ＭＰａ級の鋼（板厚１．２ｍｍ）の材料特性を用い、第一層に、丸穴（応力集中部）と、その穴縁から筒形状の中空部側に突出した縦壁とを設けた。これらの点以外は、比較例２と同様にしてＦＥＭ解析を行った。

実施例４、５の結果を、それぞれ図９（ａ）、（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すように、実施例４では、第二層（特に、第二層２２における白矢印部分）が変形時に抵抗することが確認された。その結果、座屈した第一層１２から、第二層２２を介して、第一層１３（特に黒矢印部分）に安定して座屈が進行することが示唆された。また、図９（ｂ）に示すように、実施例５においても、実施例４と同様の傾向が確認された。このように、第一層が応力集中部を有する場合に、安定的に座屈が進行することが確認された。

１ … 第一層
２ … 第二層
５ … 応力集中部
１０ … 衝撃吸収部材

Claims (6)

1. 軸方向の圧壊により衝撃を吸収する衝撃吸収部材であって、
   前記衝撃吸収部材は、前記軸方向に沿って延びた筒形状を有し、
   前記衝撃吸収部材は、前記軸方向に沿って、金属製の第一層と、金属製の第二層とを交互に有し、
   前記第一層の材料は、ＶＤＡ規格２３８－１００に規定される曲げ試験により求められる最大曲げ角度が７５ｄｅｇ．以下であり、
   前記第二層は、前記第一層よりも荷重による変形が生じない層であり、かつ、（ｉ）および（ii）の少なくとも一方を満たし、
   （ｉ）前記第二層の材料の引張強さが、前記第一層の材料の引張強さよりも高いこと、
   （ii）前記第二層の板厚が、前記第一層の板厚よりも厚いこと、
   前記第一層の前記軸方向の長さをＬ_１とし、前記第一層の平面部の平均幅を（Ｗｐ_１）_ａｖｅとし、前記第二層の前記軸方向の長さをＬ_２とし、前記第二層の平面部の平均幅を（Ｗｐ_２）_ａｖｅとした場合に、前記Ｌ_１および前記Ｌ_２は、１／４（Ｗｐ_１）_ａｖｅ≦Ｌ_１≦１／２（Ｗｐ_１）_ａｖｅおよび１／４（Ｗｐ_２）_ａｖｅ≦Ｌ_２≦１／２（Ｗｐ_２）_ａｖｅを満たす、衝撃吸収部材。
2. 前記第二層の材料の引張強さが、前記第一層の材料の引張強さよりも１．１５倍以上高い、請求項１に記載の衝撃吸収部材。
3. 前記第二層の板厚が、前記第一層の板厚よりも１．１５倍以上厚い、請求項１または請求項２に記載の衝撃吸収部材。
4. 前記第一層が、荷重により生じる応力が集中する応力集中部を有する、請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の衝撃吸収部材。
5. 前記応力集中部が、穴である、請求項４に記載の衝撃吸収部材。
6. 前記第一層および前記第二層の材料が鋼であり、
   前記第一層の材料の引張強さが１４７０ＭＰａ以上である、請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載の衝撃吸収部材。

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