JP7842371B2

JP7842371B2 - 自動車構造部材

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Inventors: 智史広瀬
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Description

本発明は、自動車用の構造部材に関するものである。

近年、世界中で燃費規制が厳格化され、自動車の軽量化が要求されている。また、各国の燃費規制対応やカーボンニュートラルの潮流に伴い、自動車の動力源の電動化も進んでいる。これに伴って、重量の大きなバッテリーを車両に搭載することが求められ、軽量化のニーズは益々高まっている。その一方で、衝突安全性の向上も要求され、自動車の軽量化と衝突安全性の両立が求められる。

衝突安全性に寄与する自動車用の構造部材の一例として、バンパービームやサイドシル、クロスメンバ等のキャビン周りに配置される骨格部材がある。これらの部材に要求される性能の一つとして、衝突時における乗員の安全性向上やフロア下に配置されるバッテリーの保護機能の向上のために、より大きな衝突荷重に耐える性能（耐荷重性能）が要求される。

耐荷重性能に優れた構造部材は、衝突安全性にも優れた部材であるため、前述した衝突安全性と軽量化の両立のためには、例えば構造部材の単位重量あたりの耐荷重性能（以下、「耐荷重性能の重量効率」と称す）を向上させることが望ましい。

耐荷重性能の重量効率を向上させる手段としては、例えば材料の高強度化や薄肉化、異種材の適用等の材料面における改良も考えられるが、構造部材を構成する各部品の形状や部品どうしの接合形態等の改良も要求されている。

従来の自動車構造部材に関する技術として、特許文献１には、帽子型プロファイルの内側にカバーが溶接されたバンパービームが開示されている。

特許文献２には、カバーを備えたハット輪郭を含む高強度鋼からなるバンパービームが開示されている。

特許文献３には、帽子型プロファイルを閉断面化するカバーが設けられたバンパービームが開示されている。

特許文献４には、２つの第１の起立部を含む平板状の第１の部材と、２つの第２の起立部を含むハット形状の第２の部材とを備え、第１の起立部が第２の部材側に起立し、第１の起立部と第２の起立部が一体化されていない、バンパーレインフォースメントが開示されている。

特許文献５の図７には、上壁、側壁、下壁および上下一対の接合フランジを有して前向きに開放する断面コ字状の本体部と、接合フランジに接合されて閉断面を構成する左右一対の板状の閉塞部を有するバンパービームが開示されている。

特許文献６には、長手方向に垂直な断面において、平坦な第１天板部、第１天板部の両側部のそれぞれに繋がる２つの第１縦壁部、及び２つの第１縦壁部それぞれに繋がる２つの第１フランジ部を含む第１部材を備えた車両用バンパービームが開示されている。この車両用バンパービームは、第１天板部と反対側に向かい突出する凸部を有する第２天板部、第２天板部の両側部のそれぞれに繋がり第１縦壁部それぞれに第１部材の内側で近接して対向配置される２つの第２縦壁部、及び２つの第２縦壁部それぞれに繋がり第１フランジ部それぞれに接合して配置される２つの第２フランジ部を含む第２部材をさらに備えている。

特許文献７には、長尺状に形成されると共に長手方向と交差する方向に切断した断面が閉断面とされた車体骨格部材を構成する一対のパネルを備えた車体構造が開示されている。この車体構造は、前記一対のパネルのうち少なくとも一方のパネルに形成され、前記車体骨格部材の長手方向に延びると共に、前記閉断面の内側に凹み、且つ、開口側の端部に前記車体骨格部材の長手方向に延びる稜線を有する凹ビードと、前記少なくとも一方のパネルに形成され、前記車体骨格部材の長手方向と交差する方向に延びると共に、前記凹ビードの底部から前記凹ビードの開口側に向けて突出し、且つ、先端部が前記凹ビードにおける前記稜線よりも前記底部側に位置する凸ビードと、を備えている。

日本国特許出願公開第２０１６－５０９９７６号公報日本国特許第４４３６３２２号公報日本国特許第６３３４６７０号公報日本国特許第６３７２６１９号公報日本国特許出願公開第２０１５－２０９０２４号公報国際公開第２０１９／０３５１８５号日本国特許出願公開第２０１３－２１６１８５号公報

特許文献１～７に記載されたバンパービームは、いずれもハット形状の第１部材に、第２部材を組み合わせることによって閉断面が形成される構成を有する。しかしながら、衝突初期段階における過大な面外変形を抑制して構造部材の耐荷重性能の重量効率を向上させるという観点では改良の余地がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、自動車構造部材の耐荷重性能の重量効率を向上させることを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一態様は、自動車構造部材であって、ハット形状の第１部材と、ハット形状の第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とが接合されることで形成された中空部と、を備え、前記第１部材は、第１天板と、互いに対向した２つの第１縦壁と、２つの前記第１縦壁の各々から外側に突出した２つの第１フランジと、少なくとも１つの前記第１フランジから前記第１天板側に突出した第１起立部と、を有し、前記第１縦壁の一端と前記第１天板が連結され、前記第１縦壁の他端と前記第１フランジが連結され、前記第１フランジは、前記第１縦壁と前記第１起立部の間にあり、前記第２部材は、第２天板と、互いに対向した２つの第２縦壁と、２つの前記第２縦壁の各々から外側に突出した２つの第２フランジと、を有し、前記第２天板は、前記第１部材の２つの前記第１縦壁の間に位置し、前記第２縦壁は、前記第１部材の前記第１縦壁と対向し、前記第２縦壁と前記第１縦壁との間に形成される隙間は、５．０ｍｍ以下であり、前記第２フランジは、前記第１フランジに接合され、前記第２部材は、引張強さが６９０ＭＰａ以上の鋼材からなり、前記第１起立部は、前記自動車構造部材の軸方向に沿って連続して形成され、前記第１縦壁は、前記自動車構造部材の軸方向に垂直な断面において、直線状に、または前記中空部の内方に向かって凸状に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、自動車構造部材の耐荷重性能の重量効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る自動車構造部材の概略構成を示す斜視図である。自動車構造部材の軸方向に垂直な断面を示す図である。第１天板の高さＨと第２天板の高さｈの定義について説明するための図である。自動車構造部材の変形挙動を説明するための図である。図４に示した各構造部材に生じる反力の経時変化を説明するための荷重-ストローク線図である。第１部材の形状例を示す図である。第１部材の形状例を示す図である。第１部材の形状例を示す図である。第２部材の形状例を示す図である。第２部材の形状例を示す図である。シミュレーション（１）の解析モデルを説明するための図である。シミュレーション（１）の解析モデルを説明するための図である。シミュレーション（１）の結果を示す図である。シミュレーション（２）の結果を示す図である。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る自動車構造部材の概略構成を示す斜視図である。図２は、自動車構造部材の軸方向に垂直な断面を示す図である。

自動車構造部材１（以下、単に「構造部材１」と称す場合もある）は、例えば車体の骨格部材として適用され、特に衝突荷重の入力時に曲げ変形が生じ易い部位に適用される。具体的には、バンパービーム（フロントバンパービーム又はリアバンパービーム）、サイドシル、ルーフサイドレール、クロスメンバ（フロアクロスメンバやルーフクロスメンバ等）あるいはセンターピラー等の骨格部材に適用され得る。

なお、本明細書および図面中のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに垂直な方向であり、Ｙ方向は、自動車構造部材１の軸方向に平行な方向である。また、構造部材１が例えば下記の骨格部材に適用される場合、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、下記の方向に対応している。
・バンパービーム、クロスメンバ
Ｘ方向：車高方向、Ｙ方向：車幅方向、Ｚ方向：車長方向
・サイドシル、ルーフサイドレール
Ｘ方向：車高方向、Ｙ方向：車長方向、Ｚ方向：車幅方向
・センターピラー
Ｘ方向：車長方向、Ｙ方向：車高方向、Ｚ方向：車幅方向

図１及び図２に示すように、構造部材１は、第１部材１００と、第２部材２００を備えている。

まず、第１部材１００の概略構成について説明する。

第１部材１００は、第１天板１０１と、２つの第１縦壁１０２、１０３と、２つの第１フランジ１０４、１０５と、２つの第１起立部１０６、１０７を有する。

第１部材１００は、軸方向（Ｙ方向）に垂直な断面がハット形状の部材である。詳述すると、第１部材１００の軸方向に垂直な断面において、２つの第１縦壁１０２、１０３の各々は、第１天板１０１と、２つの第１フランジ１０４、１０５の各々との間に位置し、２つの第１フランジ１０４、１０５の各々は、２つの第１縦壁１０２、１０３の各々と、２つの第１起立部１０６、１０７の各々との間に位置している。以下、第１部材１００の各部位について、より詳細に説明する。

第１天板１０１は、構造部材１の長手方向に延びた板状の部分である。第１天板１０１の延伸方向は、構造部材１が例えばバンパービームやクロスメンバのような骨格部材に適用される場合には、車幅方向であり、サイドシルやルーフサイドレールのような骨格部材に適用される場合には、車長方向であり、センターピラーのような骨格部材に適用される場合には、車高方向である。

第１天板１０１の幅（図２におけるＸ方向長さ）は、車体における構造部材１の適用箇所に応じて適宜変更されるものであるが、例えば３０～２００ｍｍに設定される。

２つの第１縦壁１０２、１０３は、互いに対向して配置されている。２つの第１縦壁１０２、１０３の各々の端部は、第１天板１０１と連結されていて、２つの第１縦壁１０２、１０３と第１天板１０１との間には、それぞれ稜線部１０８、１０９が形成されている。これらの稜線部１０８、１０９は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に延びている。

なお、第１縦壁１０２、１０３は、第１天板１０１に対して垂直に形成されてもよいし、傾斜して形成されてもよい。２つの第１縦壁１０２、１０３の各々と第１天板１０１とのなす角は、例えば９０～１１０度に設定される。

第１フランジ１０４、１０５は、第１縦壁１０２、１０３における第１天板１０１の連結側端部とは反対側の端部に連結されていて、２つの第１縦壁１０２、１０３の各々から外側に向かって突出している。２つのうちの一方の第１フランジ１０４と、２つのうちの一方の第１縦壁１０２との間には、稜線部１１０が形成され、他方の第１フランジ１０５と、他方の第１縦壁１０３との間には、稜線部１１１が形成されている。これらの稜線部１１０、１１１は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に延びている。

ここで、第１フランジ１０４、１０５から第１天板１０１までの高さである「第１天板の高さＨ」について説明する。まず、構造部材１の軸方向に垂直な断面において、稜線部１０８と稜線部１０９とを結ぶ直線に垂直な方向を方向Ｈ_vと定義する。そして、第１天板１０１の高さＨとは、その方向Ｈ_vにおける稜線部１１０、１１１から稜線部１０８、１０９までの長さである。図２に示した例における方向Ｈ_vは、Ｚ方向と同一方向である。この第１天板１０１の高さＨは、車体における構造部材１の適用箇所に応じて適宜変更されるものであるが、例えば３０～２００ｍｍに設定される。

なお、ハット形状の第１部材１００は、例えば図３に示すように左右非対称形状である場合もある。この場合、２つのうちの一方の第１フランジ１０４から第１天板１０１までの長さと、他方の第１フランジ１０５から第１天板１０１までの長さは互いに異なる。このような場合には、方向Ｈ_vにおける稜線部１１０から稜線部１０８までの長さＨ₁と、方向Ｈ_vにおける稜線部１１１から稜線部１０９までの長さＨ₂のより長い方を第１天板１０１の高さＨとする。図３に示した例では、長さＨ₂よりも長さＨ₁の方が長いため、長さＨ₁が第１天板１０１の高さＨである。

図２に示すように、第１起立部１０６、１０７は、第１フランジ１０４、１０５の先端部（第１フランジ１０４、１０５における第１縦壁１０２、１０３との連結側とは反対側の端部）から第１天板１０１側に向かって突出している。２つのうちの一方の第１起立部１０６と、２つのうちの一方の第１フランジ１０４との間には、稜線部１１２が形成され、他方の第１起立部１０７と、他方の第１フランジ１０５との間には、稜線部１１３が形成されている。これらの稜線部１１２、１１３は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に延びている。

ここで、第１天板１０１に垂直な方向（Ｚ方向）における、第１フランジ１０４、１０５から第１起立部１０６、１０７の先端部までの長さを、第１起立部１０６、１０７の高さと定義する。この第１起立部１０６、１０７の高さが高いほど、第１部材１００の断面二次モーメントが増大するため、衝突荷重の入力時における第１部材１００の変形抵抗力が増大し、耐荷重性能が向上する。

第１起立部１０６、１０７の高さは、車体における構造部材１の適用箇所や要求される耐荷重性能等に応じて適宜変更されるものであるが、例えば第１天板１０１の高さＨの０．１５～０．５０倍の高さに設定される。

次に、第２部材２００の概略構成について説明する。

第２部材２００は、第２天板２０１と、２つの第２縦壁２０２、２０３と、２つの第２フランジ２０４、２０５を有する。

第２部材２００は、軸方向（Ｙ方向）に垂直な断面がハット形状の部材である。詳述すると、第２部材２００の軸方向に垂直な断面において、２つの第２縦壁２０２、２０３の各々は、第２天板２０１と、２つの第２フランジ２０４、２０５の各々との間に位置している。以下、第２部材２００の各部位について、より詳細に説明する。

第２天板２０１は、第１天板１０１に対向する板状の部分であり、第１天板１０１の延伸方向に沿って延びている。また、第２天板２０１は、前述の第１部材１００の２つの第１縦壁１０２、１０３の間に位置している。

ここで、第２フランジ２０４、２０５から第２天板２０１までの高さである「第２天板の高さｈ」について説明する。まず、構造部材１の軸方向に垂直な断面において、稜線部２０６と稜線部２０７を結ぶ直線に垂直な方向を方向ｈ_vと定義する。そして、第２天板２０１の高さｈとは、その方向ｈ_vにおける稜線部２０８、２０９から稜線部２０６、２０７までの長さである。図２に示した例における方向ｈ_vは、Ｚ方向と同一方向である。この第２天板２０１の高さｈは、車体における構造部材１の適用箇所に応じて適宜変更されるものであるが、例えば３０～２００ｍｍに設定される。

なお、ハット形状の第２部材２００は、例えば図３に示すように左右非対称形状である場合もある。この場合、２つのうちの一方の第２フランジ２０４から第２天板２０１までの長さと、他方の第２フランジ２０５から第２天板２０１までの長さは互いに異なる。このような場合には、方向ｈ_vにおける稜線部２０８から稜線部２０６までの長さｈ₁と、方向ｈ_vにおける稜線部２０９から稜線部２０７までの長さｈ₂のより長い方を、第２天板２０１の高さｈとする。図３に示した例では、長さｈ₂よりも長さｈ₁の方が長いため、長さｈ₁が第２天板２０１の高さｈである。

後述の実施例で示すように、構造部材１の耐荷重性能の重量効率を高める観点からは、第２天板２０１の高さｈと第１天板１０１の高さＨとの比（ｈ／Ｈ）は、０．１０～０．５２であることが好ましい。耐荷重性能の重量効率を高める観点において、高さの比（ｈ／Ｈ）は、より好ましくは、０．１５以上であり、さらに好ましくは、０．２０以上である。また、耐荷重性能の重量効率を高める観点において、高さの比（ｈ／Ｈ）は、より好ましくは、０．４８以下であり、さらに好ましくは、０．４５以下である。

２つの第２縦壁２０２、２０３は、互いに対向して配置されている。２つの第２縦壁２０２、２０３の各々の端部は、第２天板２０１と連結されていて、２つの第２縦壁２０２、２０３と第２天板２０１との間には、それぞれ稜線部２０６、２０７が形成されている。これらの稜線部２０６、２０７は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に延びている。

また、２つの第２縦壁２０２、２０３の各々は、前述したように第２天板２０１が第１部材１００の２つの第１縦壁１０２、１０３の間に挟まれる位置にあることによって、２つの第１縦壁１０２、１０３の各々に対向する位置に配置されている。すなわち、２つのうちの一方の第２縦壁２０２は、２つのうちの一方の第１縦壁１０２に対向し、他方の第２縦壁２０３は、他方の第１縦壁１０３に対向している。

第１縦壁１０２、１０３の面外変形を抑制して耐荷重性能を高める観点においては、衝突荷重によって変形した第１縦壁１０２、１０３に第２縦壁２０２、２０３が接触するように、第２縦壁２０２、２０３は、第１縦壁１０２、１０３の近傍に位置する必要がある。具体的には、第２縦壁２０２、２０３と第１縦壁１０２、１０３との間の距離は、５．０ｍｍ以下、すなわち、第２縦壁２０２、２０３と第１縦壁１０２、１０３との間に形成される隙間は、５．０ｍｍ以下である必要がある。この隙間が５．０ｍｍを超える場合には、衝突荷重の入力に伴う構造部材の変形時に、第１縦壁１０２、１０３と第２縦壁２０２、２０３とが接触せずに、第１縦壁１０２、１０３の面外変形を抑制する効果が得られない。第１縦壁１０２、１０３の面外変形を抑制して耐荷重性能を高める観点では、上記の隙間は、より好ましくは、第１縦壁１０２、１０３の板厚以下であり、さらに好ましくは、０ｍｍである。すなわち、第２縦壁２０２、２０３は、第１縦壁１０２、１０３に接触していることが好ましい。

また、第１縦壁１０２、１０３の面外変形を抑制して耐荷重性能を高める観点においては、２つのうちの一方の第２縦壁２０２は、２つのうちの一方の第１縦壁１０２に平行であることが好ましく、他方の第２縦壁２０３は、他方の第１縦壁１０３に平行であることが好ましい。

第２フランジ２０４、２０５は、第２縦壁２０２、２０３における第２天板２０１の連結側端部とは反対側の端部に連結されていて、第２縦壁２０２、２０３の各々から外側に向かって突出している。２つのうちの一方の第２フランジ２０４と、２つのうちの一方の第２縦壁２０２との間には、稜線部２０８が形成され、他方の第２フランジ２０５と、他方の第２縦壁２０３との間には、稜線部２０９が形成されている。これらの稜線部２０８、２０９は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に延びている。

以上で説明した第１部材１００及び第２部材２００の各々は、例えば金属材料からなる平板に対してプレス成形を行うことで製造される。金属材料とは、例えば鋼材やアルミニウム合金部材、マグネシウム合金部材等の材料である。後述の実施例で示すように、金属材料として鋼材を用いる場合には、引張強さが６９０ＭＰａ以上の鋼材を用いることによって、耐荷重性能の重量効率の向上効果を高めることができる。耐荷重性能の重量効率の向上効果をさらに高める観点では、引張強さは、好ましくは７８０ＭＰａ以上であり、より好ましくは９８０ＭＰａ以上または１１８０ＭＰａ以上である。なお、第１部材１００の材料と第２部材２００の材料は、互いに異なっていてもよい。

第１部材１００の全長（軸方向における長さ）と第２部材２００の全長は、車体における構造部材１の適用箇所等に応じて適宜変更されるが、例えば１０００～３０００ｍｍである。なお、第１部材１００の全長と第２部材２００の全長は、互いに異なっていてもよい。

第１部材１００の板厚と第２部材２００の板厚は、車体における構造部材１の適用箇所や要求される耐荷重性能等に応じて適宜変更されるが、例えば０．５～６．０ｍｍである。第１部材１００及び第２部材２００の板厚は、例えば０．８ｍｍ以上であってもよいし、１．０ｍｍ以上であってもよい。一方、第１部材１００と第２部材２００の板厚は、例えば４．０ｍｍ以下であってもよいし、３．０ｍｍ以下であってもよい。なお、第１部材１００の板厚と第２部材２００の板厚は、互いに異なっていてもよい。

以上、第１部材１００及び第２部材２００について説明した。これらの第１部材１００及び第２部材２００は、接合部３００において接合されている。詳述すると、２つの第１フランジ１０４、１０５の各々と、２つの第２フランジ２０４、２０５の各々とが重ねられ、公知の接合手段によってフランジ同士が接合されている。接合手段は、特に限定されないが、例えばスポット溶接やレーザー溶接、プラズマ溶接等の溶接手段、あるいは工業用接着剤を用いた接着手段が採用され得る。

接合部３００において第１部材１００と第２部材２００とが接合されることによって、構造部材１には、軸方向（Ｙ方向）に沿って延びる中空部３０１が形成され、軸方向に垂直な断面が閉断面となる。すなわち、第２部材２００は、ハット形状の第１部材１００を閉断面化するためのクロージングプレートのような役割を担う。

本実施形態に係る構造部材１の概略構成は、以上の通りである。次に、構造部材１の衝突時における変形挙動について説明する。

図４は、構造部材の変形挙動を説明するための図である。図４では、本実施形態における構造部材１に加え、他の構造部材の変形挙動についても図示されている。図４の左側には、各構造部材の変形前の状態が示され、右側には変形後の状態が示されている。

また、図４中の黒太矢印で示すように、各構造部材に対しては、第２部材２００側（あるいはクロージングプレート側）から衝突荷重が入力される。なお、仮に、第１部材１００側から衝突荷重が入力されたとしても、後述する変形挙動と同様の変形が生じる。

図５は、図４に示した各構造部材に生じる反力の経時変化を説明するための荷重-ストローク線図である。この図は、衝突シミュレーションを実施した場合における各構造部材の荷重-ストローク線図を予測して模式的に示したものであり、インパクタのストローク量（変位量）と荷重（すなわち、構造部材側に生じる反力）の関係を示している。

通常、構造部材に衝突荷重が入力されると、その構造部材に生じる反力は徐々に増大し、構造部材の塑性変形も徐々に進行する。一方で、構造部材に過大な面外変形が生じた場合には、徐々に増大していた反力が減少に転じ、その後、反力が再度増大することは起こり難い。このため、構造部材に生じ得る過大な面外変形を抑制することができれば、衝突荷重の入力時における構造部材の最大反力を高めることができ、耐荷重性能を向上させることができる。

以上の点を踏まえ、図４に示す各構造部材の概略構成と変形挙動について説明する。

図４（Ａ）に示す構造部材８００は、ハット状部材８１０と、クロージングプレート８２０が接合された構成を有する。この構造部材８００においては、衝突荷重の入力後、まずハット状部材８１０の縦壁８１１、８１２の、フランジ８１３、８１４の近傍の部位に過大な面外変形が生じ易い。

図４（Ｂ）に示す構造部材９００は、ハット状部材９１０と、本実施形態における第２部材２００が接合された構成を有する。なお、ハット状部材９１０は、本実施形態における第１部材１００に対して第１起立部１０６、１０７が形成されていない部材である。

この構造部材９００に衝突荷重が入力されると、第２部材２００の第２縦壁２０２、２０３が外側に倒れ、第２天板２０１、第２縦壁２０２、２０３及び第２フランジ２０４、２０５が平坦な一枚のプレートとなるような変形が生じる。ハット形状の第２部材２００がそのように平坦化する過程では、衝突荷重に対する変形抵抗力が生じる。このため、構造部材９００においても、ハット状部材９１０の縦壁９１１、９１２には面外変形が生じるものの、第２部材２００の平坦化に伴う変形抵抗力が生じることによって、構造部材９００への最大入力荷重は、図５に示すように構造部材８００よりも大きい。すなわち、構造部材９００は、構造部材８００よりも耐荷重性能に優れている。

図４（Ｃ）には、本実施形態における構造部材１が示されている。構造部材１に衝突荷重が入力されると、図４（Ｂ）に示した構造部材９００と同様に、ハット形状の第２部材２００が平坦化する過程で変形抵抗力が生じる。これに加えて、第１部材１００の第１起立部１０６、１０７が外側に開くように変形し、この変形過程においても変形抵抗力が生じる。すなわち、構造部材１においては、第１部材１００の第１起立部１０６、１０７によって生じる変形抵抗力と、ハット形状の第２部材２００によって生じる変形抵抗力の両方が作用し、これらの変形抵抗力が同時に発生することにより相乗効果が生じ、第１縦壁１０２、１０３の過大な面外変形が生じ難くなる。また、第２縦壁２０２、２０３が第１縦壁１０２、１０３近傍に位置していることによって、衝突荷重の入力時に第２縦壁２０２、２０３が第１縦壁１０２、１０３に接触し、第１縦壁１０２、１０３の面外変形を抑制することができる。

これらの作用によって、構造部材１は、より大きな衝突荷重に耐えることができ、図５にも示すように、構造部材１への最大入力荷重（換言すれば構造部材１に生じる最大反力）は、構造部材９００よりも大きくなる。すなわち、構造部材１は、構造部材９００よりも耐荷重性能に優れている。

また、後述の実施例で示すように、構造部材１によれば、耐荷重性能の重量効率の観点においても、他の構造部材８００、９００よりも優れている。

さらに、構造部材１においては、図５に示すように最大入力荷重が他の構造部材８００、９００よりも大きいことによって、入力荷重が減衰した後も、その入力荷重は、他の構造部材８００、９００で減衰した入力荷重よりも高い状態となる。これにより、構造部材１における衝突エネルギーの吸収量は、他の構造部材８００、９００よりも高くなる。すなわち、本実施形態に係る構造部材１は、耐荷重性能の重量効率のみならず、エネルギー吸収性能も優れている。

以上、本実施形態に係る自動車構造部材１について説明した。次に、図６～図８を参照して第１部材１００の形状例を説明し、図９及び図１０を参照して第２部材２００の形状例を説明する。なお、構造部材１は、以下で例示する第１部材１００の形状と第２部材２００の形状を任意に組み合わせて構成されてもよい。

図６に示す例では、第１部材１００において、２つの第１縦壁１０２、１０３の各々に、傾斜角度が僅かに変化する変曲部１０２ａ、１０３ａが設けられている。このような形状の第１部材１００を有する構造部材１であっても、第１起立部１０６、１０７によって生じる変形抵抗力と、ハット形状の第２部材２００によって生じる変形抵抗力の相乗効果により、衝突荷重の入力時においては、図４（Ｃ）と同様の変形挙動が生じる。このため、耐荷重性能の重量効率に優れた構造部材１が得られる。

図７に示す例では、第１部材１００において、２つの第１起立部１０６、１０７の一方が設けられておらず、第１起立部１０７のみが設けられている。このような構造部材１であっても、衝突荷重の入力時においては、第１起立部１０７による変形抵抗力が得られ、耐荷重性能の重量効率向上の効果が得られる。すなわち、構造部材１は、少なくとも１つの第１起立部を有していればよい。

図８に示す例では、第１部材１００において、第１天板１０１から構造部材１の閉断面内側、すなわち中空部３０１の内方に向かって凹む第１溝部１１４が設けられている。換言すると、第１溝部１１４は、第１天板１０１から第２天板２０１側に凹むように形成されている。また、第１溝部１１４は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に沿って延びていて、第１溝部１１４は、例えば軸方向における第１天板１０１の一端から他端まで延びていることが好ましい。この構造部材１においては、第１溝部１１４によって変形抵抗力が増大し、耐荷重性能が向上する。

図９に示す例では、第２部材２００において、２つの第２フランジ２０４、２０５の各々から第２天板２０１側に向かって突出した２つの第２起立部２１０、２１１が設けられている。この構造部材１によれば、第２起立部２１０、２１１によって断面二次モーメントが増大するため、衝突荷重の入力時においては変形抵抗力が増大し、耐荷重性能が向上する。なお、第２起立部２１０、２１１は、少なくとも１つ設けられていれば変形抵抗力の増大効果は得られる。また、耐荷重性能を高める観点においては、第２起立部２１０、２１１は、第１起立部１０６、１０７との隙間が５．０ｍｍ以下であることが好ましく、第１起立部１０６、１０７に対して接していることがより好ましく、接合されていることがさらに好ましい。

図１０に示す例では、第２部材２００において、第２天板２０１から構造部材１の閉断面外側、すなわち中空部３０１の外側に向かって凹む第２溝部２１２が設けられている。また、第２溝部２１２は、構造部材１の軸方向（Ｙ方向）に沿って延びていて、第２溝部２１２は、例えば軸方向における第２天板２０１の一端から他端まで延びていることが好ましい。この構造部材１においては、第２溝部２１２によって変形抵抗力が増大し、耐荷重性能が向上する。

以上、本発明の実施形態の一例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。

例えば、上記実施形態の構成要件は任意に組み合わせることができる。当該任意の組み合せからは、組み合わせにかかるそれぞれの構成要件についての作用及び効果が当然に得られるとともに、本明細書の記載から当業者には明らかな他の作用及び他の効果が得られる。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

＜シミュレーション（１）＞
図１１及び図１２に示す解析モデルを用いて、４点曲げ試験を模擬した衝突シミュレーションを実施した。

実施例１のモデルは、図２に示したハット形状の第１部材１００とハット形状の第２部材２００とを有する構造部材１に対応したモデルである。実施例１におけるシミュレーションでは、図１１に示すように、７００ｍｍの間隔を空けて配置した２つの支持点３０２によって第１部材１００の第１天板を支持した。そして、２つの支持点３０２の間において、約２３３ｍｍの間隔を空けて配置した２つのインパクタ３０３を第２部材２００側に接触させ、それらのインパクタ３０３を１０００ｍｍ／ｓで第１部材１００側に向かって移動させることによって、シミュレーションを実施した。

実施例１のモデルにおける解析条件は、以下の通りである。
・ソフトウェア名：LS-Dyna
・バージョン：R9.3.1
・メッシュサイズ：３ｍｍ
・要素タイプ：Belytschko-Wong-Chiang開発のシェル要素
・摩擦係数：０．１２
・構造部材の全長：９００ｍｍ
・構造部材の幅：１２５ｍｍ
・第１部材の材料：鋼板（板厚１．６ｍｍ、引張強さ１４７０ＭＰａ）
・第１天板の幅：７０ｍｍ
・第１天板の高さＨ：４８ｍｍ
・第１起立部の高さ：１０ｍｍ
・第２部材の材料：鋼板（板厚１．２ｍｍ、引張強さ５９０～１４７０ＭＰａ）
・第２天板の高さｈ：２０ｍｍ
・スポット溶接ピッチ：３０ｍｍ
・第２縦壁と第１縦壁との間に形成される隙間：０ｍｍ

なお、図１２に示す比較例１のモデルは、図４（Ａ）に示した、ハット状部材とクロージングプレートが接合された構造部材８００に対応したモデルである。比較例２のモデルは、図４（Ｂ）に示した、第１起立部を有しない２つのハット状部材が接合された構造部材９００に対応したモデルである。比較例３のモデルは、第１起立部を有するハット状部材とクロージングプレートが接合されたモデルである。

比較例１～３のモデルにおけるシミュレーション条件は、構造部材の形状を除いて実施例１と同様の条件である。なお、シミュレーションは、第２の部材またはクロージングプレートの引張強さを５９０ＭＰａ～１４７０ＭＰａの範囲内で設定値を変えて複数回実施されている。

以上の条件で実施されたシミュレーションにおいて、インパクタ３０３の移動（変位）に伴い発生する構造部材の最大反力について評価した。その結果を図１３に示す。なお、図１３の縦軸においては、最大反力を、構造部材の軸方向における単位長さあたりの重量で除した値が示されており、この値が大きいほど、耐荷重性能の重量効率に優れている。

図１３に示す結果から明らかなように、実施例１のモデルは、比較例１～３のモデルに対して耐荷重性能の重量効率に優れている。特に、第２部材の材料として適用される鋼板の引張強さが大きいほど、実施例１と比較例１～３との間における耐荷重性能の重量効率の効果の差が拡大し、重量効率の向上効果が増大する。

また、第２部材の引張強さが６９０ＭＰａ以上である場合には、比較例１に対する実施例１の重量効率の上昇量が、比較例１のモデルに対する比較例２の重量効率の上昇量と比較例１のモデルに対する比較例３の重量効率の上昇量との和よりも更に大きくなっている。すなわち、第２部材の引張強さが６９０ＭＰａ以上である場合、（１）ハット形状の第１部材に第１起立部を設けることと、（２）第２部材をハット形状とし、且つ第２部材の縦壁と第１部材の縦壁を近接させることを組み合わせた自動車構造部材における耐荷重性能の重量効率は、上記（１）の特徴のみを備えた自動車構造部材で得られる重量効率と上記（２）の特徴のみを備えた自動車構造部材で得られる重量効率の結果からは予測し得ない程度に顕著に増大する。

近年開発が促進されている電気自動車においては、バッテリーの保護機能を向上させるために、構造部材の材料として、より高強度の鋼板の適用が進むと考えられる。このため、実施例１のモデルのような構造部材は、今後の自動車開発において特に有用なものである。

＜シミュレーション（２）＞
実施例１のモデルにおいて、第２天板の高さｈを変えることによって、第２天板の高さｈと第１天板の高さＨの比（ｈ／Ｈ）を変えた複数のモデルを作成し、シミュレーションを実施した。

本シミュレーションにおいて、第１部材の材料は、板厚１．６ｍｍ、引張強さ１４７０ＭＰａの鋼板に設定され、第２部材の材料は、板厚１．２ｍｍ、引張強さ１４７０ＭＰａの鋼板に設定されている。その他のシミュレーション条件は、上述したシミュレーション（１）と同様の条件である。

図１４に示すシミュレーション結果によれば、第２天板の高さと第１天板の高さ比（ｈ／Ｈ）が０．１０～０．５２の範囲内にある場合には、耐荷重性能の重量効率の向上効果が高いことがわかる。

本発明は、自動車用の構造部材に適用することができる。

１自動車構造部材
１００第１部材
１０１第１天板
１０２、１０３第１縦壁
１０４、１０５第１フランジ
１０６、１０７第１起立部
１０８～１１３稜線部
１１４第１溝部
２００第２部材
２０１第２天板
２０２、２０３第２縦壁
２０４、２０５第２フランジ
２０６～２０９稜線部
２１０、２１１第２起立部
２１２第２溝部
３００接合部
３０１中空部
３０２支持点
３０３インパクタ
８００自動車構造部材（従来構造）
８１０ハット状部材
８２０クロージングプレート
９００自動車構造部材（参考構造）
９１０ハット状部材
Ｈ第１天板の高さ
ｈ第２天板の高さ

Claims

自動車構造部材であって、
ハット形状の第１部材と、
ハット形状の第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とが接合されることで形成された中空部と、を備え、
前記第１部材は、
第１天板と、
互いに対向した２つの第１縦壁と、
２つの前記第１縦壁の各々から外側に突出した２つの第１フランジと、
少なくとも１つの前記第１フランジから前記第１天板側に突出した第１起立部と、を有し、
前記第１縦壁の一端と前記第１天板が連結され、前記第１縦壁の他端と前記第１フランジが連結され、
前記第１フランジは、前記第１縦壁と前記第１起立部の間にあり、
前記第２部材は、
第２天板と、
互いに対向した２つの第２縦壁と、
２つの前記第２縦壁の各々から外側に突出した２つの第２フランジと、を有し、
前記第２天板は、前記第１部材の２つの前記第１縦壁の間に位置し、
前記第２縦壁は、前記第１部材の前記第１縦壁と対向し、
前記第２縦壁と前記第１縦壁との間に形成される隙間は、５．０ｍｍ以下であり、
前記第２フランジは、前記第１フランジに接合され、
前記第２部材は、引張強さが６９０ＭＰａ以上の鋼材からなり、
前記第１起立部は、前記自動車構造部材の軸方向に沿って連続して形成され、
前記第１縦壁は、前記自動車構造部材の軸方向に垂直な断面において、直線状に、または前記中空部の内方に向かって凸状に形成されている、自動車構造部材。
前記第２天板の高さｈと、前記第１天板の高さＨとの比（ｈ／Ｈ）は、０．１０～０．５２である、請求項１に記載の自動車構造部材。
前記第１起立部は、２つの前記第１フランジの各々に設けられている、請求項１又は２に記載の自動車構造部材。
前記第１部材は、前記第１天板から前記第２天板側に向かって凹む溝部を有する、請求項１又は２に記載の自動車構造部材。
前記第２部材は、少なくとも１つの前記第２フランジから前記第２天板側に突出した第２起立部と、を有している、請求項１又は２に記載の自動車構造部材。
前記第２部材は、前記第２天板から、前記第１天板側とは反対側に向かって凹む溝部を有する、請求項１又は２に記載の自動車構造部材。
前記自動車構造部材は、自動車骨格部材である、請求項１又は２に記載の自動車構造部材。
前記自動車骨格部材は、バンパービーム、サイドシル、ルーフサイドレール、クロスメンバ又はセンターピラーである、請求項７に記載の自動車構造部材。