JPWO2015159863A1 - 長尺構造部材およびそれを用いた構造部材複合体 - Google Patents

Abstract

簡易な補強構造でかつ成形品重量の増加を抑制しつつ、高い機械的特性を示す繊維強化樹脂により構造される長尺構造部材および構造部材複合体を提供する。
Ｕ字に形成された直角断面を有する長尺構造部材であって、前記Ｕ字部分内側の２つの角部が繊維強化樹脂により補強されており、前記補強されたＵ字部分内側の２つの角部の断面が、いずれも下記式を満たす三角形状の断面である長尺状構造部材である。
０．０５ ≦Ｗ／Ｗ０ ≦０．１５
０．１５ ≦Ｈ／Ｈ０ ≦０．３６
Ｗ０：長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の底面部分の外面の長さ
Ｗ ：長尺状構造部材の軸直角断面の補強されたＵ字部分内側の角部の、Ｕ字部分の底面部分の内面の長さ
Ｈ０：長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の立面部分の外面の長さ
Ｈ ：長尺状構造部材の軸直角断面の補強されたＵ字部分内側の角部の、Ｕ字部分の立面部分の内面の長さ

Description

本発明は、繊維強化樹脂からなる構造部材であって、軸直角断面がＵ字状に形成された長尺状本体とフランジからなるハットチャンネルと呼ばれる構造部材、また複数のハットチャンネルのフランジ部を貼りあわせた閉断面形状を持つ構造部材複合体に関する。
本願は、２０１４年４月１４日に日本に出願された特願２０１４−８２５１７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

繊維強化樹脂からなる構造部材であって、断面がＵ字とフランジからなるハットチャンネルと呼ばれる長尺部材、また複数のハットチャンネルのフランジ部を貼りあわせた閉断面形状を持つ構造部材（構造部材複合体）はよく知られている。例えば特許文献１にはハットチャンネルの強度を増すためのリブの効果が開示されている。また特許文献２には不連続繊維を用いたハットチャンネルをテープ状の連続繊維強化樹脂で強化する方法が開示されている。

特許文献１に記載のように、ハットチャンネルの曲げ強度を向上させるためには、ハットチャンネルの内側にリブ構造を取ることが有効であることが知られている。しかしながらリブ構造は複雑であるために、賦形することが難しく、また重量が増大するという問題がある。また実際に曲げ試験を行った場合には、例えば特許文献１に記載のリブ構造では、リブの有無による弾性率の違いから、応力がリブ部に集中し、そこでの破壊が顕著になるという問題点がある。

リブ部への応力集中を抑制するためには、リブの数を多くすることで応力を分散させることが効果的である。しかし、このような構造を選択すると、さらにハットチャンネルの構造が複雑になり、リブ部を成形することが困難になり、かつ成形品の重量が増加する。

特開２０１３−９３３号公報 特開２０１４−５４７９８号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡易な補強構造でかつ成形品重量の増加を抑制しつつ、高い機械的特性を示す、繊維強化樹脂により形成されるハットチャンネル型構造部材を提供する。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討し、本発明を完成するに至った。即ち本発明の要旨は、以下の（１）〜（８）に存する。
（１） 長手方向の断面がＵ字状に形成された長尺状構造部材であって、前記Ｕ字状部分内側の２つの角部が繊維強化樹脂により補強されており、前記補強されたＵ字部分内側の２つの角部の断面が、いずれも下記式を満たす三角形状の断面である長尺状構造部材。
０．０５ ≦ Ｗ／Ｗ０ ≦ ０．１５
０．１５ ≦ Ｈ／Ｈ０ ≦ ０．３６
Ｗ０：前記長手方向の断面のＵ字状部分の底面部分の外面の長さ
Ｗ ：前記長手方向の断面の補強されたＵ字状部分内側の角部の、Ｕ字状部分の底面部分の内面の長さ
Ｈ０：前記長手方向の断面のＵ字状部分の立面部分の外面の長さ
Ｈ ：前記長手方向の断面の補強されたＵ字状部分内側の角部の、Ｕ字状部分の立面部分の内面の長さ
（２） 前記角部の断面におけるＵ字状部分の内側に面する辺が直線である上記（１）に記載の長尺状構造部材。
（３） 繊維強化樹脂を構成するマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂である上記（１）又は（２）に記載の構造部材。
（４） 繊維強化樹脂を構成するマトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である上記（１）又は（２）に記載の構造部材。
（５） 繊維強化樹脂を構成する強化繊維が、炭素繊維またはガラス繊維である上記（１）又は（２）に記載の構造部材。
（６） 前記長尺状構造部材の長手方向に延びる両端部に、長手方向に延びる一対のフランジが形成されている上記（１）〜（５）のいずれかに記載の長尺状構造部材。
（７） 上記（１）から（５）のいずれかに記載の長尺状構造部材の２つを、長手方向に延びる両端部同士で接合した閉断面形状をもつ構造部材複合体。
（８） 上記（６）に記載の長尺状構造部材の２つを、２つのフランジ同士で接合した閉断面形状をもつ構造部材複合体。

本発明によれば、簡易な補強構造でかつ成形品重量の増加を抑制しつつ、曲げ強度や曲げ弾性率等の、高い機械的特性を示す繊維強化樹脂構造部材を提供できる。

本発明の一実施形態の長尺状構造部材の一例を示す図である。 図１Ａの長尺状構造部材の軸直角断面（側断面）図である。 本発明の一実施形態の長尺状構造部材の軸直角断面の図の一例である。 本発明の一実施形態の長尺状構造部材の軸直角断面の図の一例である。 長尺状構造部材の２つを、２つの端部同士で接合した閉断面形状をもつ構造部材複合体の軸直角断面を示す図である。 長尺状構造部材の２つを、２つのフランジ部同士で接合した閉断面形状をもつ、図４Ａとは別の構造部材複合体の軸直角断面を示す図である。 比較例１の長尺状構造部材を示す図である。 図５Ａの長尺状構造部材の側断面図である。 比較例２の長尺状構造部材を示す図である。 図６Ａの長尺状構造部材の側断面図である。 ＣＡＥ解析の方法を示す図である。 図７ＡのＣＡＥ解析に用いる構造部材の側断面図である。

以下、本発明を実施形態を示して詳細に説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂成形品は、長手方向の断面がＵ字状に形成された長尺状構造部材である。ここでいう長尺状とは、一方向（長手方向）の寸法（図１ＡにおけるＬ）が幅方向の寸法（図１ＢにおけるＷ０）および高さ方向の寸法（図１ＢにおけるＨ０）のいずれに比べても長い構造で、好ましくは長手方向の寸法Ｌが幅方向の寸法Ｗ０の１．５倍以上、さらに好ましくは２倍以上長い構造である。長尺状の形状としては、例えばパイプ状、レール状またはコード状の一部などの形状が挙げられる。さらに具体的には、例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すような構造部材である。また、断面がＵ字状とは、長手方向に対して垂直な方向の断面（後述する軸直角断面）、例えば幅方向の断面のうち少なくとも一部はＵ字状であることを指す。例えば本実施形態では、前記断面は図１ＡにおけるＡ−Ａ断面であり、この断面が図１Ｂに示すようにＵ字状となっている。さらに具体的には、例えばＵ字状とは底面（図１Ｂにおいて、幅方向の寸法がＷ０）と、底面の両端からそれぞれ高さ方向に延びる立ち面（図１Ｂにおいて、高さ方向の寸法がＨ０）に延びる形状である。
また、以下の記載において、長尺状構造部材のうち、底面から立ち面が伸びている方向の側および立ち面同士の対向する側をＵ字状の内側、その逆の側をＵ字状の外側と呼ぶ。

また、本実施形態においては、前記長尺状構造部材のＵ字状部分内側の２つの角部が繊維強化樹脂により補強されており、前記補強されたＵ字部分内側の２つの角部の断面が、いずれも下記式を満たす三角形状の断面であることが好ましい。
０．０５ ≦Ｗ／Ｗ０ ≦０．１５
０．１５ ≦Ｈ／Ｈ０ ≦０．３６
Ｗ０：長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の底面部分の外面の長さ
Ｗ ：長尺状構造部材の軸直角断面の補強されたＵ字部分内側の角部の、Ｕ字部分の底面部分の内面の長さ
Ｈ０：長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の立面部分の外面の長さ
Ｈ ：長尺状構造部材の軸直角断面の補強されたＵ字部分内側の角部の、Ｕ字部分の立面部分の内面の長さ

本実施形態における「軸直角断面」とは、長尺状構造部材の軸線方向（長手方向）に対して直角かつＵ字部分の底面に対して垂直である面である（図１ＡのＡ−Ａ断面）。本実施形態における軸直角断面がＵ字状に形成された「長尺状本体」とは、いわゆる底面と立ち面を指す。例えば、図３に示した例では底面３と立ち面４の部分を指している。本実施形態においては、Ｕ字状に成形された長尺状構造部材の２つを用いて閉断面形状を有する構造部材を作成する場合の作成のしやすさという観点から、上記の長尺本体の底面３と立ち面４の両端部に長手方向に延びる一対のフランジ６が形成されていることが好ましい。前記長尺状本体の両端部とは、図３における両端部５の部分を指し、図３では突起として示されている。

本実施形態の長尺状構造部材は、前記構造体のＵ字部分の内側に位置する２つの角部（図２における角部２及び対向する角部）が繊維強化樹脂により補強されている。ここでいう「補強されている」とは、例えば、前記構造部材の他の部分の厚みに比べ、角部２の厚みが厚くなっているものを指す。例えば、角部２の厚みの平均が、図３における底面３の厚みの平均および立ち面４の厚みの平均のいずれに比べても大きくなっているものを指す。厚みの平均とは、ほぼ中央部及び端部近傍の複数（２〜５）の点について厚みを測定し、その平均をとった値である。以下、この角部２の厚みを厚くするため繊維強化樹脂により設けられた部位を、角部補強構造とも呼ぶ。そして、前記補強されたＵ字部分内側の２つの角部２の断面が、いずれも０．０５≦Ｗ／Ｗ０≦０．１５、０．１５≦Ｈ／Ｈ０≦０．３６、の範囲にあること三角形状の断面であることにより、本実施形態の効果を発現することができる。Ｗ／Ｗ０が０．０５より小さいと、補強効果が不十分であり、逆に０．１５より大きいと成形品の重量増加の原因になる。また同様に、Ｈ／Ｈ０が０．１５より小さいと補強効果が不十分であり、０．３６より大きい場合は成形品の重量増加の原因となる。

前記Ｗ／Ｗ０は、上記補強効果と成形品重量の増加を抑制することから０．０５以上０．１５以下が好ましく、さらに好ましくは０．０６以上、０．１４以下が好ましい。前記Ｈ／Ｈ０は、上記補強効果と成形品重量の増加を抑制することから０．１５以上０．３６以下が好ましく、さらに好ましくは０．１６以上０．３５以下が好ましい。なお、本実施形態とは別の側面の実施態様としては、０．０５≦Ｗ／Ｗ０≦０．１５または０．０６≦Ｗ／Ｗ０≦０．１４、０．１５≦Ｈ／Ｈ０≦０．３６または０．１６≦Ｈ／Ｈ０≦０．３５の範囲から選択してもよい。
前記角部２の断面におけるＵ字状部分の内側に面する辺（角部補強構造の角部に対する対辺）は、直線であっても、また曲線（例えば、Ｒを有する曲線や円弧状）であっても良い。Ｒを有する曲線や円弧である場合の半径Ｒは、０．０１Ｗ０より大きく、かつ０．０１Ｈ０より大きいことが好ましい。０．０１Ｗ０もしくは０．０１Ｈ０より小さい場合は、十分な補強効果が得られない。なお、本実施形態とは別の側面の実施態様としては、半径Ｒを０．０５Ｗ０より大きく、かつ０．０５Ｈ０より大きいという条件から選択してもよい。

また、本実施形態の別の実施形態として、図４Ａに示すように、長尺状構造部材の２つを、長手方向に延びる両端部同士で接合した閉断面形状を有する構造部材、および図４４Ｂに示すように、長尺状構造部材の２つを、２つのフランジ部同士で接合した（または、両端部同士とフランジ部同士とを共に接合した）閉断面形状をもつ構造部材も挙げられる。このような構造部材は、どのような方法で接合しても良いが、構造部材を構成する繊維強化樹脂が繊維強化熱可塑性樹脂である場合は、振動溶着、超音波溶着、または接着剤等を利用することができる。また繊維強化熱硬化性樹脂である場合は、接着剤、または接着テープ等を利用することができる。

［繊維強化熱可塑性樹脂成形品］
図３に示す成形品は、ハットチャンネルと呼ばれる断面がＵ字とフランジからなる長尺状構造部材であって、例えば幅方向や高さ方向の曲げ変形に対して強い力学物性を持つように設計される。そのためには長尺構造部材内部にリブ構造を持たせて断面二次モーメントを大きくすることが一般的に行われる。しかしながら、長尺状構造部材の曲げ変形においては底面３（図３）のたわみや、立ち面４（図３）の倒れなど、曲げに伴う複雑な変形が生じるために、断面二次モーメント以外も考慮した適切な断面設計が必要となる。

本実施形態の長尺状構造部材では、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂに示す一般的なリブ構造とは異なり、図１Ａおよび図Ｂに示すように、長尺状構造部材の角部２の内側を補強することで角部補強構造を設けることにより、より効果的に曲げ強度を向上させることができる。

この角部補強構造の断面は、図１Ｂに示すように、立面における、底面から長さＨだけ離れた位置と、底面における、立面から長さＷだけ離れた位置とを直線で結んだ形状を持ち、図１Ａに示すように、長尺方向（長手方向）に連続的であることを特徴とする。また図２に示すように、立面における、底面から長さＨだけ離れた位置と、底面における、立面から長さＷだけ離れた位置とを曲線（円弧）で結んでいても良い。

この角部補強構造の大きさは図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示す幅Ｗ（長尺状構造部材の軸直角断面の補強されたＵ字部分内側の角部の、Ｕ字部分の底面部分内面の長さ）と高さＨ（長尺状構造部材の軸直角断面の補強されたＵ字部分内側の角部の、Ｕ字部分の立面部分の内面の長さ）で決定するが、ＷおよびＨともになるべく小さくすることで、長尺状構造体の重量を抑制することができる。図１Ｂに示すＷ０（長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の底面部分外面の長さ）が大きい長尺状構造部材の場合は曲げ変形（例えば、幅方向または高さ方向）の際に底面が凹型にたわむことで曲げ強度が低下する。それを抑制するためにはＷを大きくすることが効果的である。このＷは、０．０５Ｗ０以上、０．１５Ｗ０以下が好ましい。また図１Ｂに示すＨ０（長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の立面部分外面の長さ）が大きい長尺状構造部材の場合には、立面が倒れることで曲げ強度が低下する。これを抑制するためにはＨを大きくすることが好ましい。このＨは、０．１５Ｈ０以上、０．３６Ｈ０以下が好ましい。
具体的には、Ｗ０、Ｈ０、Ｗ、Ｈの値は例えば、それぞれ、１０〜５００ｍｍ、５〜３００ｍｍ、１．０〜７５、１．０〜１００であってもよい。

この角部補強構造は、長手方向に連続であることが、任意の場所に曲げ変形を与えても応力集中が生じないので好ましい。例えば、角部補強構造は長尺状構造部材の長手方向の大きさに対して８０〜１００％の大きさを有する部位を有していることが好ましい。また角部補強構造は、断面形状にあるＷとＨの値が上記の範囲であるならば、断面形状が一定である必要はなく、長手方向における部位によって形状が異なっていてもよい。その場合、前記断面形状は長手方向の部位によって連続的に変化しても良い。

本実施形態においては、長尺状構造部材の軸直角断面のＵ字部分の底面と立面の外側面のなす外面角部の角度は略垂直であり、その範囲としては８５〜９５°であれば強度の観点からも許容できる。この角度が大きすぎたり小さすぎたりすると、長尺状構造部材の強度面で劣る。なお、長尺状構造部材の強度の観点から、外面角部まで強化繊維樹脂が充填されていることが好ましい。

本実施形態の長尺状構造部材は、長尺状構造部材の２つを、長手方向に延びる両端部同士で接合した閉断面形状を有する構造部材、もしくは長尺状構造部材の２つを２つのフランジ部同士および／または端部同士で接合して閉断面形状をもつ構造部材としてもよい。この接合方法としては特に限定されるものではないが、熱溶着、振動溶着、または超音波溶着、などが挙げられる。また各種接着剤、各種接着テープ、リベットまたはボルトで接合することも可能である。このように複数の長尺状構造部材からなる構造を構造部材複合体と呼ぶ。構造部材複合体はまた、複数の長尺状構造部材を上述の手段で接合したものの他、複数の長尺状構造部材を組み合わせた形状にあたる部材を一体成型したものも含む。

本実施形態の長尺状構造部材は、長尺状構造部材以外の部材とフランジ部および／もしくは両端部、またはその他の部位において結合（接合）してもよい。このような部材としては、金属一般があり、結合（接合）方法しては、各種接着剤、各種接着テープ、リベットまたはボルトが挙げられる。

本実施形態の長尺状構造部材に用いることができる材料は繊維強化樹脂であることが好ましい。繊維強化樹脂は、剛性が高くまた破壊強度も大きいため、本実施形態の長尺状構造部材に用いるのに好ましい。

本実施形態の長尺状構造部材に用いることができる繊維強化樹脂を構成する強化繊維としては、強化繊維の種類は特に限定されず、無機繊維、有機繊維、金属繊維、またはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる。無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、またはガラス繊維などが挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、またはその他一般のナイロン繊維、ポリエステルなどが挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、または鉄等の繊維を挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。前記強化繊維としては、これらの中では、最終成形物の強度等の機械特性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。また、強化繊維の平均繊維直径は、１〜５０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがさらに好ましい。ここで強化繊維の平均繊維直径はマイクロメーター、顕微鏡などの手段で測定した値を指す。強化繊維の直径は１〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。
強化繊維の平均繊維長は５ｍｍ以上であることが好ましい。ここで強化繊維の平均繊維長はマトリックス樹脂を燃焼させて強化繊維のみを取り出しそれらを顕微鏡で観察して測定する、またＸ線ＣＴなどを用いて画像解析より求めるなどの手段で測定した値を指す。強化繊維の長さは５ｍｍ以上であることが好ましい。強化繊維の長さに特に制限はないが、長尺状構造部材の長さによる制限を受けるため、通常は長尺構造部材の長さ以下である。 強化繊維の強化繊維樹脂中の含有量は、強化繊維樹脂の全体質量に対して５〜８０重量％であることが好ましい。

本実施形態の長尺状構造部材に用いることができる繊維強化樹脂を構成するマトリックス樹脂としては、樹脂の種類は特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。このような熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６もしくはナイロン６６等）、ポリオレフィン（ポリエチレンもしくはポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレートもしくはポリブチレンテレフタレート等）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステル、またはアクリロニトリルとスチレンの共重合体等を用いることができる。また、前記マトリックス樹脂としては、これらの混合物を用いてもよい。さらに、前記マトリックス樹脂としては、ナイロン６とナイロン６６との共重合ナイロンのように共重合したものであってもよい。また、前記繊維強化樹脂には、得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、または導電性フィラー等を添加しておくこともできる。

本実施形態のハットチャンネル型構造体に用いることができる繊維強化樹脂を構成するマトリックス樹脂としては、樹脂の種類は特に限定されるものではないが、熱硬化性樹脂を用いてもよい。このような熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ラジカル重合系樹脂であるアクリル樹脂、またはフェノール樹脂などが挙げられる。また、前記マトリックス樹脂には、得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、または相溶化剤、導電性フィラー等を添加しておくこともできる。

本実施形態のハットチャンネル型構造体は、例えば、フロントサブフレーム、リアサブフレーム、フロントピラー、センターピラー、サイドメンバー、クロスメンバー、サイドシル、ルーフレール、もしくはプロペラシャフトなどの自動車部品や、海底油田用のパイプ、電線ケーブルコア、印刷機用ロール・パイプ、ロボットフォーク、または航空機の一次構造材もしくは二次構造材などに好適に使用される。

＜長尺状構造体の作成方法＞
長尺状構造部材の作成方法は特に限定はないが、例えば次の方法が挙げられる。樹脂中に不連続の繊維を含むシート状の繊維強化樹脂、または一方向の連続繊維、および前記マトリックス樹脂を含むフィルム状の繊維強化樹脂を積層し、シート状にしたものを、赤外ヒーター等で前記マトリックス樹脂の溶融状態まで加熱し、繊維強化樹脂の溶融温度より低い温度に設定した金型に仕込んでプレス成形をする方法が挙げられる。金型は、前記長尺状構造部材のＵ字状内側の形状に成形されたもの、具体的には、寸法がおよそ幅Ｗ０、高さＨ０および長手方向がＬ以上の長尺状の形で、角部を高さＨ、幅Ｗの寸法に面取りしたものなどを用いる。この際、補強された角部には繊維を長尺状構造部材の長手方向に配向して配置してもよい。またペレット状物を射出成形することにより、長尺状構造部材を作成することも可能である。この際、前記ペレット状物には不連続の強化繊維を含んでいてもよく、また補強された角部には、あらかじめ繊維を長尺状構造部材の長手方向に配向した繊維強化樹脂シートを仕込んだ後に、射出成形してもよい。射出成形する条件は、繊維強化樹脂の種類にもよるが、射出成形機のシリンダー温度は前記繊維強化樹脂の溶融温度より１０℃以上１００℃以下のシリンダー温度に設定し、金型温度は前記繊維強化樹脂の固化温度より１０℃から２００℃低い温度に設定することが好ましい。

（長尺状構造体の作成方法）
３次元ＣＡＤソフトウェアであるＰｒｏＥｎｇｉｎｅｅｒ（Ｗｉｌｄｆｉｒｅ４．０）を用いて、すべてコンピュータ上で形状を作成した。

（長尺状構造体同士を接合した構造体の作成）
２本の長尺状構造部材の各々の２つのフランジ面および／または両端面同士をＣＡＤ上で完全に接合し、閉断面をもつ構造部材を作成した（図４Ｂ）。

（質量の評価方法）
３次元ＣＡＤソフトウェアであるＰｒｏＥｎｇｉｎｅｅｒ（Ｗｉｌｄｆｉｒｅ４．０）を用いて、質量を計算した。その際、リブ等補強を施していない構造部材との質量比を計算し、補強した長尺状構造部材の質量を、補強を施していない長尺状構造部材の質量で除した質量比が１．３より小さい場合を評価Ａ、それ以外を評価Ｂと判断した。

（曲げ特性の評価）
３次元ＣＡＤソフトウェアであるＰｒｏＥｎｇｉｎｅｅｒ（Ｗｉｌｄｆｉｒｅ４．０）のＭｅｃｈａｎｉｃａ機能を用いて３点曲げのＣＡＥ解析を行った。その際に、標点間距離３００ｍｍ（後述するＬ＝４００ｍｍの０．７５倍）の底面上の２直線を変位および回転を固定し、その反対の底面の中心線に１ｍｍの変位を与えることにより、３点曲げ試験を表現した（図７Ａ及び図７Ｂ）。材料物性として弾性率が炭素繊維４５体積％である弾性率４０ＧＰａを用いて、この境界条件で静解析を実施し、その結果より底面上のコーナー部に沿った直線よりミーゼス応力と変位を抽出した。

その結果ミーゼス応力の最大値を、リブ等補強を施していない構造部材で除した値（応力比）が１．０以下の場合を評価Ａ、それ以外を評価Ｂとし、応力集中の抑制度合を評価した。さらに変位に関しては、中心より２０ｍｍ（後述するＬ＝４００ｍｍの０．０５倍）の位置での変位の値を求め、この変位をリブ等補強を施していない構造部材の変位で除した値（変位比）が１．０以上の場合を評価Ａ、それ以外を評価Ｂとして、変位の荷重位置への集中の抑制度合を評価した。

（実施例１）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍのリブ等補強のない長尺状構造部材（図３）を作成し、その２本の長尺状構造部材のフランジ面を接合し、構造部材（構造部材複合体）を作成した。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出した。

次に、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍの長尺状構造部材を作成し、その長尺状構造部材の内側にＣＡＤ上でＷ＝７ｍｍ、Ｈ＝７ｍｍ、対辺が直線で構成された角部補強を施した（図１Ｂ）後に、その２本の長尺状構造部材のフランジ面を接合し、閉塞断面形状を有する構造部材（構造部材複合体）を作成した。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに角部補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比および変位比を求めた。その結果、質量比が１．２２で評価Ａ、応力比が０．８７で評価Ａ、変位比が１．０７で評価Ａであった。

（実施例２）
角部補強をＷ＝５ｍｍ，Ｈ＝５ｍｍにした以外は、実施例１と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．１０で評価Ａ、応力比が０．９８で評価Ａ、変位比が１．０５で評価Ａであった。

（実施例３）
角部補強をＷ＝５ｍｍ，Ｈ＝９ｍｍにした以外は、実施例１と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．２１で評価Ａ、応力比が０．９９で評価Ａ、変位比が１．０６で評価Ａであった。

（比較例１）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍの長尺状構造部材を作成し、その内部に厚みｔ＝２．５ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ、長尺方向に２本、それと直角方向にピッチｐ＝５４．３ｍｍの８本のリブを作成した（図５Ａ及び図５Ｂ）。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに実施例１にある補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比および変位比を求めた。その結果、質量比が１．３２で評価Ｂ、応力比が０．９９で評価Ａ、変位比が０．９９で評価Ｂであった。

（比較例２）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍの長尺状構造部材を作成し、その内部に厚みｔ＝２．５ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ、長尺方向に対する角度が３０°、ピッチｐ＝５４．３ｍｍのリブを作成した（図６Ａ及び図６Ｂ）。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに実施例１にある補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比、変位比を求めた。その結果、質量比が１．３４で評価Ｂ、応力比が１．０５で評価Ｂ、変位比が０．９８で評価Ｂであった。

（比較例３）
リブのピッチｐ＝３０ｍｍとした以外は、比較例２と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．６３で評価Ｂ、応力比が０．７８で評価Ａ、変位比が１．０５で評価Ａであった。

（比較例４）
角部補強をＷ＝１０ｍｍ，Ｈ＝１０ｍｍにした以外は、実施例１と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．４６で評価Ｂ、応力比が０．３９で評価Ａ、変位比が１．０７で評価Ａであった。

（比較例５）
角部補強をＷ＝１０ｍｍ，Ｈ＝５ｍｍにした以外は、実施例１と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．２１で評価Ａ、応力比が２．２７で評価Ｂ、変位比が１．０５で評価Ａであった。

（実施例４）
角部補強をＷ＝７ｍｍ，Ｈ＝７ｍｍにし、対辺を半径１０ｍｍの円弧で作成した（図２）以外は、実施例１と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．１４で評価Ａ、応力比が０．６４で評価Ａ、変位比が１．０６で評価Ａであった。

（実施例５）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝１００．０ｍｍ，Ｗ０＝７８．１ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍのリブ等補強のない長尺状構造部材（図３）を作成し、その２本の長尺状構造部材のフランジ面を接合し、構造部材（構造部材複合体）を作成した。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出した。

次に、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝１００．０ｍｍ，Ｗ０＝７８．１ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍの長尺状構造部材を作成し、その長尺状構造部材の内側にＣＡＤ上でＷ＝５ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ、対辺が直線で構成された角部補強を施した（図１Ｂ）後に、その２本の長尺状構造部材のフランジ面を接合し、閉塞断面形状を有する構造部材（構造部材複合体）を作成した。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに角部補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比および変位比を求めた。その結果、質量比が１．０８で評価Ａ、応力比が０．４４で評価Ａ、変位比が１．０６で評価Ａであった。

（実施例６）
角部補強をＷ＝１０ｍｍ，Ｈ＝５ｍｍにした以外は、実施例５と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．１７で評価Ａ、応力比が０．６０で評価Ａ、変位比が１．０７で評価Ａであった。

（比較例６）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝１００．０ｍｍ，Ｗ０＝７８．１ｍｍ，Ｈ０＝２５ｍｍの長尺状構造部材を作成し、その内部に厚みｔ＝２．５ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ、長尺方向に対する角度が３０°、ピッチｐ＝５４．３ｍｍのリブを作成した（図５Ａ、５Ｂ）。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに実施例５にある補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比および変位比を求めた。その結果、質量比が１．４６で評価Ｂ、応力比が０．７９で評価Ａ、変位比が０．９７で評価Ｂであった。

（比較例７）
角部補強をＷ＝３ｍｍ，Ｈ＝３ｍｍにした以外は、実施例５と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．０２で評価Ａ、応力比が１．４４で評価Ｂ、変位比が１．０２で評価Ａであった。

（比較例８）
角部補強をＷ＝１０ｍｍ，Ｈ＝１０ｍｍにした以外は、実施例５と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．３７で評価Ｂ、応力比が０．３４で評価Ａ、変位比が１．０７で評価Ａであった。

（比較例９）
角部補強をＷ＝５ｍｍ，Ｈ＝１０ｍｍにした以外は、実施例５と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．１７で評価Ａ、応力比が１．０２で評価Ｂ、変位比が１．０８で評価Ａであった。

（実施例７）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝５０ｍｍのリブ等補強のない長尺状構造部材（図３）を作成し、その２本の長尺状構造部材のフランジ面を接合し、閉塞断面形状を有する構造部材（構造部材複合体）を作成した。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出した。
次に、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝５０ｍｍのハットチャンネルを作成し、そのハットチャンネルの内側にＣＡＤ上でＷ＝１０ｍｍ、Ｈ＝７．５ｍｍ、対辺が直線で構成された角部補強を施した（図１Ｂ）後に、その２本の長尺状構造部材のフランジ面を接合し、構造部材を作成した。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに角部補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比および変位比を求めた。その結果、質量比が１．２５で評価Ａ、応力比が０．１５で評価Ａ、変位比が１．１２で評価Ａであった。

（比較例１０）
ＣＡＤソフトを用いて、厚み２ｍｍでＬ＝４００ｍｍ，Ｗａ＝７２．４ｍｍ，Ｗ０＝５２．４ｍｍ，Ｈ０＝５０ｍｍの長尺状構造部材を作成し、その内部に厚みｔ＝２．５ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ、長尺方向に対する角度が３０°、ピッチｐ＝５４．３ｍｍのリブを作成した（図５Ａ、５Ｂ）。この構造部材の質量を算出した後に、ＣＡＥ解析を実施し、応力値と変位値を算出し、さらに実施例１にある補強を施していない場合の値で除して、質量比、応力比および変位比を求めた。その結果、質量比が１．２８で評価Ａ、応力比が０．６０で評価Ａ、変位比が０．９８で評価Ｂであった。

（比較例１１）
角部補強をＷ＝１０ｍｍ，Ｈ＝２０ｍｍにした以外は、実施例５と同様の方法で評価を実施した。その結果、質量比が１．６９で評価Ｂ、応力比が０．２１で評価Ａ、変位比が１．１５で評価Ａであった。

本発明によれば、簡易な補強構造でかつ成形品重量の増加を抑制しつつ、曲げ強度や曲げ弾性率等の、高い機械的特性を示す繊維強化樹脂構造部材を提供できる。

１ 長尺状部材の直線状の角部
２ 長尺状部材の円弧状の角部
３ 底面
４ 立ち面
５ 長尺本体の両端部
６ 両端部に長手方向に延びる一対のフランジ
７ 最大応力抽出点
８ 変位抽出点

Claims (8)

1. 長手方向の断面がＵ字状に形成された長尺状構造部材であって、前記Ｕ字状部分内側の２つの角部が繊維強化樹脂により補強されており、前記補強されたＵ字状部分内側の２つの角部の断面が、いずれも下記式を満たす三角形状の断面である長尺状構造部材。
   ０．０５ ≦Ｗ／Ｗ０ ≦０．１５
   ０．１５ ≦Ｈ／Ｈ０ ≦０．３６
   Ｗ０：前記長手方向の断面のＵ字状部分の底面部分の外面の長さ
   Ｗ ：前記長手方向の断面の補強されたＵ字状部分内側の角部の、Ｕ字状部分の底面部分の内面の長さ
   Ｈ０：前記長手方向の断面のＵ字状部分の立面部分の外面の長さ
   Ｈ ：前記長手方向の断面の補強されたＵ字状部分内側の角部の、Ｕ字状部分の立面部分の内面の長さ
2. 前記角部の断面におけるＵ字状部分の内側に面する辺が直線である請求項１に記載の長尺状構造部材。
3. 前記繊維強化樹脂を構成するマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂である請求項又は２に記載の長尺構造部材。
4. 繊維強化樹脂を構成するマトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である請求項１又は２に記載の長尺構造部材。
5. 繊維強化樹脂を構成する強化繊維が、炭素繊維またはガラス繊維である請求項１又は２に記載の長尺構造部材。
6. 前記長尺状構造部材の長手方向に延びる両端部に、長手方向に延びる一対のフランジが形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の長尺状構造部材。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の長尺状構造部材の２つを、長手方向に延びる両端部同士で接合した閉断面形状をもつ構造部材複合体。
8. 請求項６に記載の長尺状構造部材の２つを、２つのフランジ同士で接合した閉断面形状をもつ構造部材複合体。

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