KR101974800B1 - 금속관, 및 금속관을 이용한 차량용 구조 부재 - Google Patents

금속관, 및 금속관을 이용한 차량용 구조 부재 Download PDF

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Abstract

금속관(1)은, 사각형의 단면을 갖는다. 금속관(1)은, 서로 대향하고, 높이 H의 한 쌍의 측벽(11, 12)과, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 상단에 접속되는 최상면부(13)와, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 하단에 접속되는 바닥부(14)를 구비한다. 금속관(1)의 길이는, 측벽(11, 12)의 높이 H의 6배 이상이다. 한 쌍의 측벽(11, 12)은, 고강도부(11A, 12A)와 저강도부(11B, 12B)를 포함한다. 고강도부(11A, 12A)는, 금속관 길이 방향에 걸쳐서, (2/3)H 이상, 3H 이하의 거리에 걸쳐서 한 쌍의 측벽(11, 12)의 서로 대향하는 부분에 형성되고, 항복 강도가 500MPa 이상이다. 저강도부(11B, 12B)는, 고강도부(11A, 12A)의 금속관 길이 방향 양측에 배치되고, 항복 강도가 고강도부(11A, 12A)의 60~85%이다.

Description

금속관, 및 금속관을 이용한 차량용 구조 부재
본 발명은, 내충격성을 갖는 금속관 및 금속관을 이용한 차량용 구조 부재에 관한 것이다.
사각형의 단면을 갖는 금속관 즉 각관(角管)은, 다양한 용도에 이용된다. 예를 들면, 차량, 건물, 대형 용기의 구조 부재에 각관이 이용된다. 이러한 구조 부재에는, 충격에 대한 내충격성이 요구된다.
예를 들면, 국제 공개 2005/058624호(특허 문헌 1)에는, 내충격용으로서, 자동차의 차체에 양단 지지의 구조로 장착되는 금속관이 개시되어 있다. 이 금속관은, 전체 길이 또는 부분적으로 구부러짐부를 갖는다. 구부러짐부의 외주측이 차체에 가해지는 충격 방향으로 대략 합치하도록 배치된다. 이 금속관은, 진직(眞直)관을 이용한 보강 부재에 비해, 차체 보강용으로서 뛰어난 내충격성을 갖는다.
국제 공개 2005/058624호
금속관은, 항복 강도를 넘는 충격을 받으면 꺾여구부러지고, 꺾여구부러짐부가 돌출한다. 금속관을 경량화를 위해서 박육화하면, 충격으로 꺾였을 때의 돌출 정도가 커지기 쉽다. 이에 대해, 예를 들면, 금속관을 구조 부재로서 이용하는 경우에는, 충돌에 의한 충격으로 변형한 금속관이 꺾여구부러져 돌출하는 정도는, 보다 작은 것이 바람직하다.
그래서, 본원은, 충격에 의한 변형 시의 돌출 정도를 보다 작게 할 수 있는 금속관 및 그것을 이용한 구조 부재를 개시한다.
본 발명의 실시형태에 있어서의 금속관은, 사각형의 단면을 갖고, 길이가 6H 이상인 금속관이다. 상기 금속관은, 서로 대향하고, 높이 H의 한 쌍의 측벽과, 상기 한 쌍의 측벽의 상단에 접속되는 최상면부와, 상기 한 쌍의 측벽의 하단에 접속되는 바닥부를 구비한다. 상기 한 쌍의 측벽은, 고강도부와 저강도부를 포함한다. 상기 고강도부는, 상기 금속관 길이 방향의 치수 (2/3)H 이상, 3H 이하의 부분이며 상기 한 쌍의 측벽의 서로 대향하는 부분에 형성되고, 항복 강도가 500MPa 이상이다. 상기 저강도부는, 상기 고강도부의 상기 금속관 길이 방향 양측에 배치되고, 항복 강도가 상기 고강도부의 60~85%이다.
본원 개시에 의하면, 충격에 의한 변형 시의 돌출 정도를 보다 작게 할 수 있는 금속관 및 그것을 이용한 구조 부재를 제공할 수 있다.
도 1a는, 양단부가 지지된 각관의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 1b는, 도 1a에 나타낸 각관의 변형 거동예를 나타내는 도면이다.
도 1c는, 도 1a에 나타낸 각관의 다른 변형 거동예를 나타내는 도면이다.
도 2a는, 본 실시형태에 있어서의 금속관의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2b는, 도 2a에 나타낸 금속관을 y방향에서 본 측면도이다.
도 2c는, 도 2a에 나타낸 금속관을 x방향에서 본 측면도이다.
도 3은, 균일한 강도 분포를 갖는 금속관의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 고강도부를 사이에 두는 저강도부를 갖는 금속관의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는, 도 2a에 나타낸 금속관을 z방향에서 본 구성을 나타내는 상면도이다.
도 5b는, 도 2a에 나타낸 금속관의 고강도부 및 저강도부의 배치의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은, 금속관(1)의 단면 형상의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 7은, 금속관의 단면 형상의 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 금속관의 단면 형상의 또 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 9a는 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 9b는 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 9c는 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 9d는 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 10a는, 차량에 배치되는 구조 부재의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10b는, 스페이스 프레임 구조의 차체를 갖는 차량의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은, 저강도부와 고강도부의 경계를 포함하는 금속관의 부분의 항복 강도의 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12a는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12b는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은, 금속관의 변형의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는, 꺾임 발생 시의 임팩터 스트로크의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는, 저강도부와 고강도부의 강도비를 바꾸어 충격 하중을 입력한 경우의, 굽힘 변형에 의한 변형량을 나타내는 그래프이다.
발명자는, 각관을 구조 부재로서 이용한 경우의 충격에 대한 거동에 대해서 조사했다. 각관을 구조 부재로서 이용하는 경우, 각관은, 예를 들면, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 양단부가 지지된 상태로, 구조물(예를 들면, 차량, 건물 또는 용기 등)의 일부를 구성한다. 발명자는, 양단부가 지지된 각관의 충격에 대한 거동을 조사한 바, 각관의 충격이 가해지는 방향의 치수에 대해, 각관의 길이 방향의 치수(길이)가 6배 정도 이상인 경우, 충격에 의한 변형 정도가 커지는 사태가 발생함을 알 수 있었다.
예를 들면, 양단부가 지지된 각관의 길이 방향 중앙(도 1a의 y1)에 충격이 가해진 경우, 각관은, 충격 후 조기에 꺾여 변형된다(도 1b 참조). 각관의 길이 방향 중앙과 한쪽의 지지부 사이의 위치(도 1a의 y2)에 충격이 가해진 경우에도, 각관은 변형된다(도 1c 참조). 각관의 길이 방향 중앙(y1)에 충격이 가해진 경우가, y2에 충격이 가해진 경우보다, 조기 꺾임 변형의 돌출 정도가 커진다. 해석의 결과, 양단부가 지지된 각관의 길이 방향 중앙에 충격이 가해진 경우에, 가장 모멘트의 부하가 높아짐을 알 수 있었다.
발명자는, 각관의 강도를 높임으로써, 충격에 의한 각관의 변형 정도를 작게 하는 것을 검토했다. 그러나, 각관의 강도를 높여도 변형에 의한 돌출 정도는 변화하지 않는다. 그래서, 발명자는, 각관의 강도 분포를 변화시킴으로써, 꺾임 변형을 억제하는 것을 추가로 검토했다.
발명자는, 각관의 재료 강도 및 강도 분포에 대해서, 예의 검토한 결과, 각관의 측벽에, 다른 부분보다 강도가 낮은 저강도부를, 길이 방향으로 나란히 배치하는 구성에 도달했다. 즉, 고강도부의 양측에 고강도부보다 강도가 낮은 저강도부를 배치하는 구성에 도달했다. 이 구성에 있어서, 고강도부에 가해진 충격에 의한 하중이 저강도부에 전달되어, 꺾임 변형이 억제되는 것을 찾아냈다. 그리고, 또 다른 시행 착오의 결과, 고강도부의 강도, 저강도부의 고강도부에 대한 강도비, 고강도부의 길이 방향의 치수를 적절히 설정함으로써, 고강도부에 대한 충격에 의한 변형 정도를 효과적으로 저감할 수 있음을 찾아냈다. 이 지견에 의거해, 하기 실시형태의 각관에 도달했다.
[실시형태]
도 2a는, 본 실시형태에 있어서의 금속관(1)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 2b는, 도 2a에 나타낸 금속관(1)을 길이 방향(y방향)에서 본 측면도이다. 도 2c는, 도 2a에 나타낸 금속관(1)을 길이 방향에 수직인 방향(x방향)에서 본 측면도이다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 금속관(1)은, 사각형의 단면을 갖는 각관이다. 금속관(1)은, 서로 대향하는 한 쌍의 측벽(11, 12)과, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 상단에 접속되는 최상면부(13)와, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 하단에 접속되는 바닥부(14)를 구비한다. 금속관(1)의 길이 LY는, 측벽(11, 12)의 높이 H의 6배 이상 즉 6H 이상이다(LY≥6H). 도 2a~도 2b에 나타낸 예에서는, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 높이는 모두 동일(H)하다. 한 쌍의 측벽(11, 12)의 높이가 상이한 경우에는, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 높이 중 높은 쪽을 H로 하여, 금속관(1)의 길이 LY를 H의 6배 이상으로 한다.
한 쌍의 측벽(11, 12)의 각각은, 고강도부(11A, 12A)와 저강도부(11B, 11B)를 구비한다. 한 쌍의 측벽(11, 12)의 서로 대향하는 부분에 고강도부(11A, 12A)가 설치된다. 즉, 한 쌍의 측벽(11, 12) 중 한쪽의 측벽(11)의 고강도부(11A)와, 다른쪽의 측벽(12)의 고강도부(12A)는, 서로 대향하는 위치에 설치된다. 저강도부(11B, 12A)도, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 각각에 있어서, 서로 대향하는 부분에 설치된다. 즉, 한쪽의 측벽(11)의 저강도부(11B)와, 다른쪽의 측벽(12)의 저강도부(12B)는, 서로 대향하는 부분에 설치된다.
도 2c에 나타낸 바와 같이, 서로 대향하는 고강도부(11A, 12A)의 금속관 길이 방향의 치수(LA)는, (2/3)H 이상, 3H 이하이다(2H/3≤LA≤3H). 고강도부(11A, 12A)의 항복 강도는 500MPa(인장 강도의 경우에는, 980MPa) 이상이다. 저강도부(11B, 12B)는, 고강도부(11A, 12A)의 금속관 길이 방향 양측에 배치된다. 저강도부(11B, 12B)의 항복 강도는, 고강도부(11A, 12A)의 항복 강도의 60~85%(60% 이상 85% 이하)이다. 또한, 저강도부(11B, 12B)의 인장 강도도, 마찬가지로, 고강도부(11A, 12A)의 인장 강도의 60~85%이다.
고강도부(11A, 12A)는, 금속관의 길이 방향에 있어서, (2/3)H 이상, 3H 이하의 거리에 걸쳐서 형성된다. 한 쌍의 측벽(11, 12)의 높이가 상이한 경우에는, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 높이 중 높은 쪽을 H로 하여, 고강도부(11A, 12A)의 금속관(1)의 길이 방향의 치수를, (2/3)H 이상, 3H 이하로 한다.
고강도부(11A, 12A) 및 저강도부(11B, 12B) 이외의 측벽(11, 12)의 부분(11C, 12C) 즉, 저강도부(11B, 12B)의 외측의 부분(11C, 12C)의 항복 강도는, 저강도부(11B, 12B) 이상으로 한다. 예를 들면, 저강도부(11B, 12B)의 외측의 부분(11C, 12C)의 항복 강도는, 고강도부(11A, 12A)와 동일해도 된다. 본 예에서는, 저강도부(11B, 12B)는, 주위보다 항복 강도가 낮은 부분이다.
도 2a~도 2c에 나타낸 바와 같이, 충격 하중을 받는 최상면부(13)를 지지하는 한 쌍의 측벽(11, 12)에 있어서, 고강도부(11A, 12A)의 양측에 저강도부(11B, 12B)를 배치함으로써, 충격 하중에 의한 변형을 고강도부(11A, 12A)에 집중시키지 않고, 저강도부(11B, 12B)에 분산시킬 수 있다. 이것은, 다음의 세 가지 구성에 의해서 실현될 수 있다. 첫째, 고강도부(11A, 12A)의 항복 강도를, 500MPa(인장 강도의 경우에는 980MPa) 이상으로 한다. 둘째, 저강도부(11B, 11B)의 고강도부(11A, 12A)에 대한 강도비를 60~85%로 한다. 셋째, 서로 대향하는 고강도부(11A, 12A)의 금속관(1)의 길이 방향에 있어서의 치수(LA)를, (2/3)H 이상, 3H 이하로 한다. 상기 3점에 의해, 고강도부(11A, 12A)로의 충격에 의한 하중에 의한 변형을, 조기에, 저강도부(11B, 12B)에 분산할 수 있다. 그 결과, 충격에 의한 금속관(1)의 꺾임 변형을 억제할 수 있다.
금속관(1)과 같이, 길이 LY가 6D 이상인 가늘고 긴 금속관에서는, 길이 방향으로 이격한 2개의 지지부로 지지된 상태에서, 2개의 지지부의 중앙 부근에 충격이 가해진 경우에, 금속관의 2개의 지지부의 중앙 부근에 발생하는 굽힘 모멘트가 가장 커지는 것을 발명자의 조사에 의해 알았다. 이 지견에 의거해, 2개의 지지부의 중앙 부근에 고강도부(11A, 12A)를 배치하고, 고강도부(11A, 12A)의 양측에 저강도부(11B, 12B)를 배치함으로써, 충격에 의한 금속관(1)의 중앙부의 꺾임을 피할 수 있다. 금속관의 지지부에 가까운 개소에 충격이 가해진 경우, 중앙에 충격이 가해진 경우에 비해, 굽힘 모멘트의 부하가 커지지 않는다. 그 때문에, 2개의 지지부의 중앙에 충격이 가해진 경우보다, 중앙에서 지지부에 가까운 위치에 동일한 세기의 충격이 가해진 경우가, 금속관은 꺾여지기 어렵다. 이 관점에서, 금속관의 2개의 지지부의 중앙 부근의 강도 분포가 중요하다. 2개의 지지부의 중앙 부근에 비해, 금속관의 지지부에 가까운 개소의 강도 분포에 대해서는, 중요도는 낮다.
도 3은, 균일한 강도 분포를 갖는 단면 사각형의 금속관(2)의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는, 도 2a~도 2c에 나타낸 저강도부(11B, 12B)를 갖는 금속관(1)의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4는, 금속관의 길이 방향에 수직인 방향으로 압자를 충돌시킨 경우의 변형 거동을 나타낸다. 도 3 및 도 4는, 압자의 충돌의 방향 및 금속관의 길이 방향에 수직인 방향에서 본 측면의 구성을 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 균일한 강도 분포를 갖는 금속관(2)에서는, 충격에 의해, 굽힘 변형 기점(P)에서 발생한 변형은, 측면에서 봤을 때 쐐기형상이 되도록 진행된다. 그 결과, 금속관(2)은, 굽힘 방향(충격의 방향)으로 날카롭게 돌출하도록 꺾여진다. 경우에 따라서는, 금속관(2)에 금이 가기도 한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 고강도부(11A)의 양측에 저강도부(11B)(도 4에서는 도트로 나타나는 영역)를 갖는 금속관(1)에서는, 고강도부(11A)의 굽힘 변형 기점(P)에서부터 내측으로 진행되는 변형은, 고강도부(11A)와 저강도부(11B)의 경계에 도달하면, 비교적 강도가 낮은 횡방향(금속관(1)의 길이 방향)으로 진행되기 쉬워진다. 그로 인해, 변형은 길이 방향으로 확산되고, 굽힘 방향(충격 방향)의 변형 정도가 작아진다.
또한, 도 3 및 도 4에 나타낸 변형 거동은, 압자를 금속관에 충돌시킨 경우로 한정되지 않는다. 예를 들면, 금속관을 길이 방향으로 압축하는 축력에 의해 굽힘 변형되는 경우나, 3점 굽힘 시험과 같이, 금속관에 압자를 눌러 길이 방향에 수직인 방향의 힘을 정적으로 가했을 때의 굽힘 변형도, 동일한 변형 거동이 될 수 있다.
금속관(1)은, 구조 부재로서 이용할 수 있다. 예를 들면, 금속관(1)의 길이 방향으로 이격한 2개소에서 지지된 금속관(1)으로 구조 부재를 형성해도 된다. 이 경우, 금속관(1)은, 다른 부재에 연결되는 부분인 연결부를 2개 갖는다. 즉, 금속관(1)은, 연결부에 있어서 다른 부재에 지지된다. 연결부는, 지지부라고 칭할 수도 있다. 연결부는, 측벽(11, 12), 최상면부(13) 및 바닥부(14) 중 적어도 1개에 설치된다.
연결부에서는, 금속관(1)은, 다른 부재에 대해 고정된다. 즉, 연결부에 있어서, 금속관(1)은, 다른 부재에 대해, 상대 운동 불가능한 상태로 연결된다. 금속관(1)의 연결부는, 예를 들면, 체결 부재 또는 용접에 의해 다른 부재와 접합된다. 또한, 연결부는, 3개 이상이어도 된다.
2개의 연결부는, 금속관(1)의 길이 방향에 있어서 서로 6H 이상 떨어진 위치에 배치된다. 즉, 2개의 연결부의 간격은, 6H 이상으로 한다. 고강도부(11A, 12A) 및 저강도부(11B, 12B)는, 2개의 연결부 사이에 설치된다. 이 구성에 있어서, 2개의 연결부 사이에 충격이 가해진 경우에, 금속관(1)의 변형에 의한 돌출 정도를 작게 할 수 있다.
예를 들면, 금속관(1)을 차량용 구조 부재로서 이용하는 경우에는, 금속관(1)을, 금속관(1)의 길이 방향으로 이격한 2개의 연결부에서 지지한 상태로 차량에 장착할 수 있다. 이 때, 차량의 외측에 최상면부(13)를 배치하고, 차량의 내측에 바닥부(14)를 배치하도록, 금속관(1)을 차량에 장착할 수 있다. 이에 의해, 금속관(1)이, 차량 외부로부터의 충격을 받은 경우에, 꺾여 차량 내부로 돌출하는 정도를 작게 할 수 있다.
도 2a~도 2c에 나타낸 금속관(1)에 있어서, 고강도부(11A, 12A)의 길이 방향의 치수(LA)는, 측벽(11, 12)의 높이 H에 대해, H 이상, 3H 이하(H≤LA≤=3H)로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 또한, 고강도부(11A, 12B)로의 충격에 의한 변형 정도를 보다 억제할 수 있다. 또한, 상기 치수(LA)를 H 이상, (4/3)H 이하(H≤LA≤(4/3)H)로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 충격에 의한 변형 정도를 보다 억제할 수 있다.
또, 저강도부(11B, 12B)의 길이 방향의 치수(LB)는, 각각 (3/5)H 이상((3/5)H≤LB)으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고강도부(11A)로의 충격에 의한 변형 정도를 보다 억제할 수 있다. 저강도부(11B)의 치수(LB)는, 금속관(1)의 강도 확보의 관점에서, 예를 들면, 2H 이하가 바람직하고, H 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 측벽의 높이 H에 대한 고강도부의 치수(LA) 및 저강도부의 치수(LB)는, 상기 관계, 즉, ((2/3)H≤LA≤3H), 바람직하게는 (H≤LA≤(4/3)H), 보다 바람직하게는 (H≤LA≤(4/3)H), 또는, ((3/5)H≤LB 등)을 엄밀하게 만족하는 경우에 한정되지 않는다. 상기 관계를 만족한다고 볼 수 있을 정도의 오차를 포함하는 경우도 포함된다. 측벽의 높이 H에 대한 금속관(1)의 길이 LY도, 상기 관계(6H≤LY)를 엄밀하게 만족하는 경우로 한정되지 않는다. 측벽의 높이 H의 대략 6배 정도의 금속관을, 상기 관계(6D≤LY)를 갖는 금속관이라고 볼 수 있다.
또, 도 2a~도 2c에 나타낸 예에서는, 저강도부(11B)와 고강도부(11A)의 경계 및 저강도부(12B)와 고강도부(12A)의 경계는, 금속관의 길이 방향에 수직인 선 상에 있다. 저강도부와 고강도부의 경계의 형태는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 저강도부와 고강도부의 경계가 금속관의 길이 방향에 수직은 아니고 사행하고 있어도 된다. 이 경우, 사행하는 경계 중 가장 저강도부쪽의 위치와 가장 고강도부쪽의 위치의 중간에, 저강도부와 고강도부의 경계가 위치한다고 간주한다.
또, 고강도부(11A, 12A)를 금속관(1)의 길이 방향 중앙에 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 고강도부(11A, 12A)의 적어도 일부가, 금속관(1)의 길이 방향 중앙의 부분에 위치하도록 구성하는 것이 바람직하다. 환언하면, 금속관(1)의 길이 방향 중앙부를 고강도부(11A, 12A)로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 금속관(1)의 중앙의 꺾임 변형을 효과적으로 억제할 수 있다. 혹은, 상기와 같이, 금속관(1)을 2개의 연결부에 있어서 다른 부재와 연결하는 경우, 2개의 연결부 사이의 중앙에, 고강도부(11A, 12A)를 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 고강도부(11A, 12A)의 적어도 일부가, 2개의 연결부 사이의 중앙의 부분에 위치하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 금속관(1)의 중앙으로의 충격에 의한 꺾임을 억제할 수 있다. 예를 들면, 금속관(1)에 있어서, 충격에 의한 모멘트가 가장 커지는 중앙의 꺾임 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 5a는, 도 2a에 나타낸 금속관(1)을 위(최상면부(13), z방향)에서 본 구성을 나타내는 상면도이다. 도 5a에서는, 최상면부(13)를 투시하여 보이는 측벽(11, 12)의 부분을 파선으로 나타내고 있다. 금속관(1)이 비틀려 꺾여구부러지는 것을 피하기 위해, 도 5a에 나타낸 예와 같이, 한 쌍의 측벽(11, 12)에 있어서, 서로 대향하는 고강도부(11A, 12A)는, 대향 방향(x방향)에서 봤을 때 완전히 겹쳐지도록 배치되어도 된다. 즉, 한쪽의 고강도부(11A)의 전체와 다른쪽의 고강도부(12A)의 전체는, 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐져 있다. 한 쌍의 측벽(11, 12)에 있어서의 서로 대향하는 저강도부(11B, 12B)도, 대향 방향(x방향)에서 봤을 때 완전히 겹쳐지도록 배치되어도 된다. 즉, 한쪽의 저강도부(11B)의 전체와 다른쪽의 저강도부(12B)의 전체는, 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐져 있다.
도 5a에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 측벽(11, 12) 중 한쪽의 측벽(11)의 강도 분포와, 다른쪽의 측벽(12)의 강도 분포가, 서로 경상 관계에 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 한 쌍의 측벽(11, 12) 각각의 고강도부(11A, 12A) 및 저강도부(11B, 12B)는, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 중앙 가상면에 대해 대칭으로 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 한 쌍의 측벽(11, 12) 중 어느 한쪽이 먼저 무너져버릴 가능성이 보다 낮아진다.
예를 들면, 도 2a~2c, 도 5a에 나타낸 예에서는, 한 쌍의 측벽(11, 12)은, 동일한 높이이며, 최상면부(13)와의 각도도 동일하다. 그 때문에, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서, 최상면부(13)의 수직 이등분선(A)을 축으로 하여, 금속관(1)의 단면 형상은, 좌우 대칭으로 되어 있다. 또, 금속관(1)의 강도 분포도, 수직 이등분선(A)을 축으로 하여 좌우 대칭으로 되어 있다. 이에 의해, 충격에 의한 응력의 편향이 적어진다.
도 5b는, 도 2a에 나타낸 금속관(1)의 고강도부(11A, 12A) 및 저강도부(11B, 12B)의 배치의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 5b에 나타낸 예에서는, 한 쌍의 측벽(11, 12)에 있어서, 서로 대향하는 고강도부(11A, 12A)는, 대향 방향(x방향)에서 봤을 때 일부가 겹쳐지도록 배치된다. 이와 같이, 한쪽의 고강도부(11A)의 적어도 일부가, 다른쪽의 고강도부(12A)와, 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐지도록 배치되어도 된다. 한 쌍의 측벽(11, 12)에 있어서의 서로 대향하는 저강도부(11B, 12B)도, 대향 방향(x방향)에서 봤을 때 일부가 겹쳐지도록 배치된다. 이와 같이, 한쪽의 저강도부(11B)의 적어도 일부가, 다른쪽의 저강도부(12B)와 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐지도록, 배치되어도 된다.
도 5b에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 고강도부(11A, 12A)에 있어서 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐져 있는 부분의 길이 방향의 치수를, 서로 대향하는 고강도부(11A, 12A)의 치수(LA)로 한다. 마찬가지로, 한 쌍의 저강도부(11B, 12B)에 있어서 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐져 있는 부분의 길이 방향의 치수를, 서로 대향하는 저강도부(11B, 12B)의 치수(LB)로 한다.
이와 같이, 고강도부(11A, 12A)의 일부 또는 저강도부(11B, 12B)의 일부가, 대향 방향에서 봤을 때 겹쳐져 있는 경우, 상기 치수(LA, LB)는, 서로 대향하는 부분의 치수로 할 수 있다. 이와 같이 하여 정해지는 LA, LB가, 상기 관계((2/3)H≤LA≤3H, 바람직하게는 H≤LA≤(4/3)H, 보다 바람직하게는 (H≤LA≤(4/3)H), 또는, (3/5)H≤LB 등)을 만족할 수 있다.
상기 도 2a~도 2c, 도 5a, 도 5b에 나타낸 구성에서는, 최상면부(13), 한 쌍의 측벽(11, 12), 바닥부(14)의 4개의 판은, 단면의 사각형의 각 변에 대응한다. 이들 4개의 판 중 어느 것에 있어서도, 양단부가, 인접하는 판의 단부와 연속하고 있다. 즉, 이들 4개 판은, 연속한 1개의 부재로 구성된다. 예를 들면, 금속관(1)의 4개의 판은, 1장의 판재를 변형하여 형성된 것으로 할 수 있다. 이 경우, 1장의 판재를 꺾어구부려 형성된 사각관이 금속관(1)이 된다. 금속관(1)은, 이 사각관의 외주로부터 외측으로 돌출하는 부재(예를 들면, 플랜지 등)를 갖지 않는다.
금속관(1)에 있어서는, 최상면부(13)와 한 쌍의 측벽(11, 12)의 경계에 모서리가 형성된다. 마찬가지로, 바닥부(14)와 한 쌍의 측벽(11, 12)의 경계에 모서리가 형성된다. 즉, 최상면부(13), 한 쌍의 측벽(11, 12), 바닥부(14)의 4개의 판에 있어서, 인접하는 2개의 판 사이에 각각 모서리가 형성된다. 이들 모서리는, 길이 방향으로 연장된다. 이와 같이, 금속관(1)은, 단면의 사각형의 모퉁이의 각각에 대응하는 모서리를 갖는다.
바꿔 말하면, 금속관(1)은, 최상면부(13)와, 최상면부(13)의 양단에 있는 2개의 제1의 능선과, 최상면부(13)에 대향하는 바닥부(14)와, 바닥부(14)의 양단에 있는 2개의 제2의 능선을 구비한다. 금속관(1)은, 또한, 제1의 능선과 제2의 능선 사이에 있는 2개의 측벽(11, 12)을 구비한다. 제1의 능선의 연장 방향을, 금속관(1)의 길이 방향으로 한다. 제1의 능선의 연장 방향과 제2의 능선의 연장 방향은 동일해도 되고, 상이해도 된다.
모서리는, 금속관(1)의 충격에 대한 강도를 높인다. 충격을 받는 면인 최상면부(13)에 모서리를 통해 접속되는 측벽(11, 12)에, 고강도부(11A, 12A)와 저강도부(11B, 12B)가 배치된다. 이에 의해, 최상면부(13)로의 충격에 의한 금속관(1)의 꺾임 변형을 억제할 수 있다.
도 6은, 금속관(1)의 단면 형상의 변형예를 나타낸 단면도이다. 도 6에 나타낸 예에서는, 금속관(1)의 단면 형상이 사다리꼴로 되어 있다. 이 예에서는, 사다리꼴의 상측 바닥과 하측 바닥이 평행이 아니다. 이와 같이, 측벽(11, 12)과 바닥부(14)의 각도, 및/또는 측벽(11, 12)과 최상면부(13)의 각도는, 90도(직각)가 아니어도 된다. 즉, 금속관(1)의 단면 형상은, 장방형 또는 정방형 외에, 사다리꼴, 평행사변형 그 외의 임의의 사각형으로 할 수 있다.
도 6에 나타낸 구성에서는, 한 쌍의 측벽(11, 12)의 높이가 상이하다. 이러한 경우, 높은 쪽을 측벽의 높이 H라고 정의한다. 여기서, 최상면부(13)에 수직인 방향에 있어서의 측벽의 길이를 측벽의 높이 H라고 정의한다. 즉, 한 쌍의 측벽(11, 12) 사이의 면이며 충격의 입력이 상정되는 면에 수직인 방향에 있어서의 측벽(11, 12)의 길이를, 측벽(11, 12)의 높이로 한다. 측벽의 높이 H의 정의는 다른 실시예에서도 동일하다.
도 7은, 금속관의 단면 형상의 다른 변형예를 나타내는 단면도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 측벽(11, 12)과 최상면부(13)의 경계가 되는 모퉁이(견부)에는, 만곡부(R, 라운드)를 형성할 수 있다. 마찬가지로, 측벽(11, 12)과 바닥부(14)의 경계의 모퉁이(견부)에도, 만곡부(R, 라운드)를 형성할 수 있다.
측벽(11, 12)과 최상면부(13)의 경계의 모퉁이 또는 측벽(11, 12)과 바닥부(14)의 경계의 모퉁이에 만곡부(R, 라운드)를 형성한 경우, 만곡부(R, 라운드)의 부분은 측벽(11, 12)에 포함된다고 간주해, 상기 측벽(11, 12)의 높이 H를 결정한다. 도 7에 나타낸 예에서는, 측벽(11, 12)과 최상면부(13)의 모퉁이의 만곡부(R)와, 측벽(11, 12)과 바닥부(14)의 모퉁이의 만곡부(R)는, 모두 측벽(11, 12)의 일부로서, 측벽(11, 12)의 높이 H가 정해져 있다.
또한, 도시하지 않지만, 최상면부(13), 측벽(11, 12) 및 바닥부(14) 중 적어도 1개의 표면은, 평면이 아니라 곡면으로 할 수 있다. 즉, 최상면부(13), 측벽(11, 12) 및 바닥부(14) 중 적어도 하나는, 만곡되어 있어도 된다.
도 8은, 금속관의 단면 형상의 또 다른 변형예를 나타낸 단면도이다. 도 8에 나타낸 예에서는, 측벽(11, 12)의 양단부에, 오목부(홈)가 형성된다. 이에 의해, 측벽(11, 12)과 최상면부(13) 사이의 모서리와, 측벽(11, 12)과 바닥부(14) 사이의 모서리에, 길이 방향으로 연장되는 홈이 형성된다. 이와 같이, 측벽(11, 12)에 오목부, 볼록부, 단차 또는 구멍(이하, 오목부 등이라고 칭함)이 형성되어도 된다. 또, 마찬가지로, 최상면부(13) 및/또는 바닥부(14)에도, 오목부 등이 형성되어도 된다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 측벽(11, 12)의 단부에 오목부 등이 형성되는 경우, 오목부도 측벽(11, 12)에 포함된다고 간주해, 측벽(11, 12)의 높이 H를 결정한다. 도 8에 나타낸 예에서는, 양단의 오목부를 포함하는 측벽(11, 12)의 높이가 측벽의 높이 H가 된다.
도 2a~도 2c에 나타낸 예에서는, 금속관(1)은, 길이 방향으로 직선형으로 연장되어 형성된다. 이에 대해, 금속관(1)은, 만곡되어 있어도 된다. 예를 들면, 금속관(1)은, 최상면부(13)측으로 볼록해지도록 만곡된 형상으로 할 수 있다.
도 9a~도 9d는, 길이 방향에 있어서 만곡된 금속관(1)의 예를 나타내는 측면도이다. 도 9a~도 9d에 나타낸 예에서는, 금속관(1)은, 최상면부(13)측으로 볼록해지도록 만곡되어 있다. 도 9a에서는, 금속관(1)은, 길이 방향 전체에 걸쳐서 일정한 곡률로 만곡되어 있다. 도 9b 및 도 9c에서는, 금속관(1)의 길이 방향의 위치에 따라 곡률이 변화하고 있다. 도 9d에서는, 금속관(1)은, 길이 방향의 일부에 있어서 만곡되어 있다. 도 9a 및 도 9d에 나타낸 예에서는, 금속관(1)은, 측벽(11, 12)에 수직인 방향(x방향)에서 봤을 때 좌우 대칭이 되도록 만곡되어 있다. 도 9b, 도 9c, 및 도 9d의 금속관(1)은, 만곡되어 있는 부분(만곡부)과, 직선 상에 연장되는 부분(직선부)을 갖는다. 도 9c에 나타낸 예에서는, 직선부의 길이 방향 양측에 만곡부가 배치된다. 즉, 만곡부의 사이에 직선부가 배치된다. 도 9d에 나타낸 예에서는, 만곡부의 길이 방향 양측에 직선부가 배치된다.
이와 같이, 금속관(1)을 만곡시킴으로써, 만곡의 볼록 방향에 대향하는 방향의 충격에 대한 내충격성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 만곡된 금속관(1)의 양단부를 지지하여 이루어지는 구조 부재는, 만곡의 볼록 방향에 대향하는 방향의 충격에 대해, 높은 내충격성을 갖는다.
도 9a 및 도 9d에 나타낸 예에서는, 측벽(11)에 있어서의 한 쌍의 저강도부(11B)와 그 사이의 고강도부(11A)는, 모두 금속관(1)의 만곡부에 배치된다. 도 9b 및 도 9c에 나타낸 예에서는, 측벽(11)에 있어서의 한 쌍의 저강도부(11B)와 그 사이의 고강도부(11A)는, 모두 금속관(1)의 직선부에 배치된다. 저강도부(11B)와 고강도부(11A)를 직선부에 배치하는 경우, 예를 들면, 직선부의 중앙에 고강도부(11A)를 배치할 수 있다. 이에 의해, 충격을 받았을 때의 모멘트가 높아지는 부분에 고강도부(11A)를 배치할 수 있다.
[차량으로의 적용예]
상술한 바와 같이, 금속관(1)을 차량용 구조 부재로서 이용하는 경우에는, 금속관(1)을, 금속관(1)의 길이 방향으로 이격한 2개의 연결부로 지지한 상태로 차량에 장착할 수 있다. 금속관(1)은, 예를 들면, 차체, 범퍼 또는 차량 도어의 구조 부재로 할 수 있다. 그로 인해, 금속관(1)을 구비하는 차체, 범퍼 또는 차량 도어도, 본 발명의 실시형태에 포함된다.
2개 연결부로 지지된 금속관(1)의 측벽(11)에 있어서, 2개의 연결부 사이에, 길이 방향으로 이격한 2개의 저강도부(11B)와, 그 사이의 고강도부(11A)를 배치할 수 있다. 측벽(11)에 대향하는 다른 쪽의 측벽(12)에도 마찬가지로, 고강도부(12A) 및 저강도부(12B)를 배치할 수 있다. 이에 의해, 금속관(1)에 있어서, 충격이 가해진 경우의 모멘트가 커지는 부분을 꺾이기 어렵게 할 수 있다. 그 결과, 내충격성이 높은 구조 부재가 얻어진다.
예를 들면, 2개의 연결부로부터 동일한 거리의 부분(2개의 연결부 사이의 중앙)에 고강도부(11A)를 배치할 수 있다. 예를 들면, 길이 방향 중앙에 고강도부(11A)가 배치된 금속관(1)의 양단부를 지지한 구조 부재를 형성할 수 있다. 여기서, 양단부란, 금속관(1)의 양단 및 그 근방의 부분을 포함한다.
금속관(1)을 차량에 장착하는 경우, 금속관(1)의 길이 방향이 차량의 외형을 따르도록 금속관(1)을 배치할 수 있다. 즉, 차량이 충돌한 경우의 충격이 금속관(1)의 길이 방향에 수직인 방향이 되도록, 금속관(1)이 장착된다. 또, 최상면부(13)가 차량의 외측에, 바닥부(14)가 차량의 내측에 배치되도록, 금속관(1)이 차량에 장착된다. 이 경우, 금속관(1)의 연결부 사이의 중앙에 고강도부(11A)가 배치되고, 그 양측에 저강도부(11B)가 배치된다. 이에 의해, 금속관(1)에 차량의 외측으로부터 충격을 받은 경우에, 금속관(1)이 차량의 내측으로 돌출하는 정도가 작아진다. 그로 인해, 차량 내의 장치 또 사람에 금속관(1)이 접촉할 가능성이 보다 낮아진다. 예를 들면, 금속관(1)이, 충돌 시에 객실 내를 향해 꺾이는 것을 피할 수 있다. 이에 의해, 안전성이 보다 향상된다.
금속관(1)은, 상기와 같이, 만곡되어 있어도 된다. 이 경우, 금속관(1)은, 차량의 외측을 향해 볼록해지도록 차량에 장착할 수 있다. 이 경우, 금속관(1)은, 차량의 외측으로 볼록해지도록 만곡되어 있다. 이에 의해, 차량의 외측으로부터 충격을 받은 경우에, 금속관(1)을 보다 꺾이기 어렵게 할 수 있다.
금속관(1)은, 차체, 범퍼 또는 차량 도어의 일부를 구성하는 구조 부재로 할 수 있다. 예를 들면, A필러, B필러, 사이드실, 루프 레일, 플로어 멤버, 프런트 사이드 멤버와 같은 차체를 구성하는 부재에 금속관(1)을 이용할 수 있다. 혹은, 도어 임펙트 빔이나 범퍼와 같은 차체에 장착되고, 외부로부터의 충격으로부터 차량 내의 장치나 승차자를 지키는 부재에 금속관(1)을 이용할 수도 있다.
도 10a는, 모노코크 구조의 차량에 배치되는 구조 부재의 일례를 나타내는 도면이다. 도 10a에 나타낸 예에서는, A필러(15), B필러(16), 사이드실(17), 루프 레일(18), 범퍼(19), 프런트 사이드 멤버(20), 도어 임펙트 빔(21), 플로어 멤버(22), 및, 리어 사이드 멤버(23)가 차량용 구조 부재로서 이용된다. 이들 차량용 구조 부재 중 적어도 1개를, 상기 금속관(1)으로 구성할 수 있다.
범퍼(19)를 금속관(1)으로 형성하는 경우, 금속관(1)의 양단부를 프런트 사이드 멤버(20)로 지지하는 구성으로 할 수 있다. 이 구성에서는, 범퍼(19)의 중앙에 충격이 가해진 경우에, 하중의 모멘트가 최대가 된다. 범퍼(19)의 좌우 방향 중앙에 고강도부(11A, 12A)가 배치되고, 그 양측에 저강도부(11B, 12B)가 배치된다. 이에 의해, 범퍼(19)의 중앙으로의 충격에 의한 꺾임 변형이 억제된다.
도어 임펙트 빔(21)을 금속관(1)으로 형성하는 경우, 금속관(1)의 양단부에 브래킷을 설치할 수 있다. 금속관(1)은, 양단부의 브래킷을 통해 도어 프레임에 장착된다. 이 경우에도, 고강도부(11A, 12A)를 금속관(1)의 중앙에 배치할 수 있다. 즉, 도어 임펙트 빔(21)을 형성하는 금속관(1)의 결합부인 양단부의 중앙에, 고강도부(11A, 12A)를 배치할 수 있다. 이에 의해, 충격을 받았을 때의 모멘트가 가장 커지는 부분에서의 꺾임 변형을 억제할 수 있다.
금속관(1)은, 모노코크 구조의 차량뿐만 아니라, 프레임 구조의 차체에 적용할 수도 있다. 도 10b는, 일본국 특허 공개 2011-37313에 개시된 스페이스 프레임 구조의 차체를 갖는 차량이다. 스페이스 프레임 구조의 차체는, 복수의 파이프(31)와, 파이프(31)를 연결하는 조인트(32)를 구비한다. 파이프(31)는, 차체의 표면을 덮는 보디(30)의 내부에 배치된다. 복수의 파이프(31)는, 상하 방향으로 연장되는 파이프, 전후방향으로 연장되는 파이프, 및, 좌우 방향으로 연장되는 파이프를 포함한다. 복수의 파이프(31) 중 적어도 일부를, 상기 금속관(1)으로 형성할 수 있다. 이와 같이, 스페이스 프레임 구조의 차체를 구성하는 파이프(관재)에 상기 금속관(1)을 적용하면, 파이프가, 승차자나 엔진이 있는 차체 내측으로 깊게 꺾여구부러지는 일이 없기 때문에, 효과적이다.
차량의 구조 부재를 구성하는 금속관(1)의 재료로서, 인장 강도(저강도부(11B, 12B) 이외의 부분의 인장 강도)가 780MPa 이상(항복 강도 400MPa 이상)인 초고강도 강을 이용하면, 상기 효과가 현저하게 나타난다. 또한, 금속관(1)의 저강도부(11B, 12B) 이외의 영역의 강도를, 인장 강도로 980MPa 이상(항복 강도로 500MPa 이상)으로 함으로써, 보다 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 금속관(1)을 적용할 수 있는 차량의 구조 부재는, 도 10a, 도 10b에 나타낸 자동차와 같은 4륜 차량으로 한정되지 않고, 예를 들면, 2륜 차량의 구조 부재로서 이용할 수 있다. 또, 금속관(1)으로 구성되는 구조 부재의 용도는, 차량용으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 내충격성 용기, 건축물, 선박, 또는, 항공기등의 구조 부재로서 금속관(1)을 이용할 수 있다.
또, 금속관(1)을 구조 부재로서 이용하는 양태는, 금속관(1)의 양단부를 다른 부재에 연결하는 양태로 한정되지 않는다. 금속관(1)의 길이 방향으로 6H 이상 떨어진 임의의 2개의 위치에서, 다른 부재를 연결할 수 있다. 즉, 2개의 연결부는, 양단으로 한정하지 않고 , 금속관(1)의 임의의 위치에 배치할 수 있다.
[제조 공정]
금속관(1)은, 전체를 동일 소재로 형성할 수 있다. 금속관(1)은, 금속판으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 1장의 강판을 꺾어구부려, 강판의 한쪽의 단부와, 대향하는 다른 쪽의 단부를 용접 등에 의해 접합함으로써, 사각형의 단면을 갖는 관형상의 구조 부재(각관)를 형성할 수 있다. 혹은, 중실의 각기둥에 축방향으로 구멍을 관통시켜 금속관(1)을 형성할 수도 있다. 각관을 만곡시키는 경우에는, 예를 들면, 프레스 굽힘, 인장 굽힘, 압축 굽힘, 롤 굽힘, 압통(押通) 굽힘, 또는 편심 플러그 굽힘 등의 굽힘 가공 방법을 이용할 수 있다.
금속관(1)의 제조 공정에는, 소재에 저강도부를 형성하는 공정이 포함된다. 저강도부를 형성하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 레이저 또는 고주파 가열 등의 방법으로, 재료를 국소적으로 가열, 담금질을 행함으로써, 경화 영역을 포함하는 금속관(1)을 만들어 낼 수 있다. 이 경우, 담금질을 행하지 않는 영역이, 상대적으로 강도가 낮은 저강도부가 된다. 또, 조질 처리를 행하여 각관의 전체를 강화한 후에, 부분적으로 소둔 처리를 행하여 저강도부를 형성할 수도 있다.
혹은, 관형상 부재를, 축방향으로 이동시키면서, 가열, 굽힘 모멘트 부여, 및 냉각을 순차적으로 실시함으로써, 길이 방향에 있어서 만곡된 금속관(1)을 제작할 수 있다. 이 방법에서는, 관형상 부재의 외주에, 유도 가열 코일을 배치하여, 관형상 부재를 국부적으로 소성 변형 가능 온도로 가열한다. 이 가열부를 관형상 방향으로 이동시키면서, 유도 가열 코일보다 하류의 관형상 부재에 설치된 가동 롤러 다이스 등의 가동 파지 수단을 움직임으로써, 굽힘 모멘트를 부여한다. 이와 같이 하여 만곡시킨 부분을, 유도 가열 코일과 가동 파지 수단 사이의 냉각 장치에 의해 냉각한다. 이 공정에 있어서, 예를 들면, 가열 및 냉각의 조건을 관형상 부재의 외주 방향에 있어서 상이하게 함으로써, 관형상 부재에 저강도부를 형성할 수 있다.
또한, 금속관(1)의 제조 방법은, 상기예로 한정되지 않는다. 테일러드 블랭크, 그 외 공지의 방법을 이용하여, 저강도부를 갖는 금속관(1)을 형성할 수 있다.
상기 금속관(1)에 있어서는, 고강도부(11A, 12A)의 항복 강도의 분포가 균일하지 않은 경우가 있다. 정상역에서는, 항복 강도의 불균일은, ±10% 이내가 되는 경우가 많다. 따라서, 고강도부(11A, 12A)의 항복 강도의 최대치 Smax의 90%를, 고강도부(11A, 12A)의 항복 강도 SA(기준 강도)라고 정의할 수 있다(SA=0.9Smax). 항복 강도가 0.85SA보다 크고 0.9SA보다 작은(SA의 85%~90%) 영역(천이역)은, 고강도부(11A, 12A)의 일부로 간주한다. 고강도부(11A, 12A)에 있어서의 항복 강도는, 0.85SA(SA의 85%)보다 크다. 즉, 항복 강도가 0.85SA보다 큰 영역이 고강도부(11A, 12A)이다.
도 11은, 저강도부(11B, 12B)와 고강도부(11A, 12A)의 경계를 포함하는 부분의 항복 강도의 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 종축은 항복 강도, 횡축은 y방향의 위치를 나타낸다. 도 11에 나타낸 예에서는, 고강도부의 항복 강도의 최대치 Smax의 90%(0.9Smax)가, 고강도부의 항복 강도 SA라고 정의된다. 고강도부에 있어서, 항복 강도가 0.9SA 이상인 영역은, 정상역이라고 칭한다. 또, 항복 강도가 0.85SA보다 크고 0.9SA보다 작은 영역은, 저강도부로부터 고강도부의 정상역에 이를 때까지의 천이역이다. 천이역은 고강도부에 포함된다고 간주한다. 즉, 항복 강도가 0.85A인 위치가, 저강도부와 고강도부의 경계이다. 즉, 항복 강도가 0.85SA보다 큰 영역은, 고강도부가 되고, 항복 강도가 0.85SA 이하인 영역은, 저강도부이다.
저강도부의 항복 강도는, 0.6SA이상 0.85SA 이하(SA의 60~85%)이다. 또한, 금속관(1)의 저강도부로 둘러싸이는 부분에 0.6SA 이하의 부분이 포함되어 있어도, 그 부분이 금속관(1)의 변형 거동에 대한 영향을 무시할 수 있을 정도로 작은 경우는, 저강도부(11B, 12B)의 일부라고 본다.
실시예
본 실시예에서는, 사각형의 단면을 갖는 금속관에 압자를 충돌시킨 경우의 금속관의 변형을 시뮬레이션으로 해석했다. 도 12a는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 구성을 나타내는 도면이다. 본 시뮬레이션에서는, 금속관(10)을 2개의 받침대(3)에 걸쳐놓은 상태로, 금속관(10)의 길이 방향의 중앙부에, 압자(임팩터)(4)를, 충돌시킨 경우의 변형 거동을 해석했다.
압자(4)의 질량은 350kg로 하고, 압자(4)의 Y방향의 폭(WI)은 160mm, 압자(4)의 충돌면(4s)의 곡률 반경 R은 150mm로 하고, 압자(4)의 초속도는, 4m/초로 했다. 마찰 계수는, 0.1로 했다. 금속관(10)의 단면은 1변의 길이가 50mm인 정방형으로 했다. 금속관(10)의 높이 H는 50mm, 금속관(10)의 판두께는 1.4mm, 금속관(10)의 R은 5mm, 금속관(10)의 길이 LY는 1000mm로 했다. 받침대(3) 사이의 거리 LS는 400mm로 했다.
압자(4)를 충돌시키는 면을 포함하는 최상면부의 양단에 접속된 한 쌍의 측벽에, 고강도부(10A)와, 그 양측의 저강도부(10B)를 배치했다. 고강도부(10A)는, 금속관(10)의 길이 방향 중앙에 배치했다. 즉, 금속관(10)은, 사각형의 단면을 갖는 각관이다. 금속관(10)은, 서로 대향하는 한 쌍의 측벽과, 한 쌍의 측벽의 상단에 접속되는 최상면부와, 한 쌍의 측벽의 하단에 접속되는 바닥부를 구비한다. 최상면부에 압자(4)가 충돌한다. 금속관(10)의 길이 LY는, 측벽의 높이 H의 6배 이상이다(LY=6H).
도 12b는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 다른 구성을 나타내는 도면이다. 도 12b에 나타낸 예에서는, 금속관(10)의 양단이 2개의 받침대(3)에 접합되어 있다. 도 11b에 나타내는 해석 모델의 시뮬레이션의 결과는, 도 12a에 나타낸 해석 모델의 시뮬레이션의 결과와 동일했다.
저강도부(10B)의 항복 강도를 100kgf/mm2, 고강도부(10A)를 포함하는 그 외의 영역의 항복 강도를 120kgf/mm2(고강도부(10A)에 대한 저강도부(10B)의 강도비를 약 0.83)로 하여, 고강도부(10A)의 치수(LA) 및 저강도부(10B)의 치수(LB)를 변화시키고, 충돌 시뮬레이션을 행했다.
하기 표 1은, 상기 강도비를 0.83(저강도부(10B)의 항복 강도를, YP100kgf/mm2, 고강도부(10A)를 포함하는 그 외의 부분의 항복 강도를, YP120kgf/mm2)으로 하고, 고강도부(10A)의 치수(LA) 및 금속관(10)의 판두께 t를 변화시킨 경우의 시뮬레이션 결과로부터 얻어지는 변형 거동을 나타낸다. 표 1에 있어서, 변형 거동란의 Excellent는 매우 양호, Good은 양호, Poor는 불량을 나타낸다. 이들 변형 거동의 평가는, 꺾임이 발생할 때의 압자의 침입량에 의거해 판단했다. 압자의 침입량은, 임팩터 스트로크 또는 압자 변위라고 칭할 수도 있다.
Figure 112018121274088-pct00001
도 13은, 압자(4)의 침입량이 40mm일 때의 금속관(10)의 변형의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 13에서는, 표 1에 나타내는 Case1~3, 5, 7~9에 대해서, 각각 금속관(10)의 변형의 모습을 나타내고 있다. 도 13에 나타낸 결과로부터, Case2, 3, 5, 7, 즉 2H/3≤LA≤3H인 경우, 충격에 의해 변형되는 부분의 범위가, 그 외의 Case1, 8, 9의 경우에 비해 넓어져 있다. 즉, Case1, 8, 9의 경우에는 꺾여구부러지는 개소가, 날카롭게 돌출하도록 꺾여구부러지는 「꺾임」의 변형 모드가 발생했다. Case2, 3, 5, 7의 경우에는, 충격을 받은 최상면부와 측벽의 일부가 충격에 의해 무너지는 「단면 무너짐」의 변형 모드가 발생했다.
도 14는, 표 1에 있어서의 Case1~12에 있어서의, 꺾여구부러질 때의 임팩터 스트로크의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 14에 나타낸 결과에서는, Case2~7, 10~12의 경우에, Case1 즉 저강도부(10B)를 설치하지 않는 경우보다, 꺾여구부러질때의 임팩터 스트로크가 커져 있다. 이에 의해, Case2~7, 10~12의 경우에는, 저강도부(10B)를 설치하지 않는 경우에 비해, 꺾임이 발생하기 어려운 것을 알 수 있었다. 또, Case3~7 즉 H≤LA≤3H인 경우에는, 꺾여구부러질 때의 임팩터 스트로크가 다른 것보다 커져 있다. 이에 의해, Case3~7의 경우에는, 특히, 꺾임이 발생하기 어려워지는 것을 알 수 있었다. 또한, Case3, 4 즉 H≤LA≤4H/3인 경우에는, 돌출하여, 임팩터 스트로크가 커져 있기 때문에, 보다 꺾임이 발생 어려워지는 것을 알 수 있었다.
또, 저강도부(10B)의 강도와, 고강도부(10A)를 포함하는 그 외의 부분의 강도의 강도비를 변화시켜, 충돌 시뮬레이션을 행했다. 도 15는, 저강도부(10B)와, 고강도부(10A)를 포함하는 다른 부분의 강도비를 바꾸어 충격 하중을 입력한 경우의, 굽힘 변형에 의한 변형량을 나타내는 그래프이다. 도 15에 있어서, 종축은, 충격 방향(z방향)에 있어서의 금속관(10)의 침입량(돌출량)을 나타낸다. 횡축은, 저강도부(10B)의 강도의, 고강도부(10A)의 강도에 대한 비(강도비=저강도부의 강도/고강도부의 강도)를 나타낸다. 도 15의 그래프에서는, 마름모꼴의 플롯은, 고강도부의 항복 강도를 YS120kgf/mm2로 한 경우의 결과를 나타내고, 사각의 플롯은, 고강도부의 항복 강도를 145kgf/mm2로 한 경우의 결과를 나타낸다.
강도비가, 0.60~0.85의 구간에서는, 강도비의 증가에 수반해 침입량은 감소되어 있다(화살표 Y1). 이 구간에서는, 금속관(10)의 변형 모드는, 단면 무너짐으로 되어 있다. 이 구간에 있어서, 저강도부(10B)의 강도가 낮은(강도비가 0.60 이하) 경우, 단면 무너짐의 변형이 되지만, 침입량이 커져, 강도비가 0.85를 넘는 경우의 침입량과 대략 동일해졌다. 강도비가 0.85를 넘으면, 침입량은, 급격하게 증가했다(화살표 Y2). 또한, 강도비 0.85 이상으로 강도비를 증가시키면, 침입량은, 강도비의 증가에 따라 커졌다(화살표 Y3). 이것은, 강도비 0.85를 경계로, 변형 모드가, 단면 무너짐으로부터, 꺾임으로 변화했기 때문이라고 생각된다. 이와 같이, 저강도부(10B)의 강도가 너무 높으(강도비가 높으)면 꺾여구부러져 변형되어, 침입량이 커졌다. 도 15의 결과에 의해, 충격에 의한 굽힘 변형의 침입량을 줄이는 관점에서, 강도비는 60~85%가 바람직하고, 강도비는 70~85%가 보다 바람직한 것이 확인되었다.
이상, 본 발명의 일 실시형태를 설명했는데, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
본 발명의 금속관은, 넓은 분야에서 강관에 적합하게 적용되는데, 강관으로 한정하지 않고, 알루미늄관 그 외 금속관에 적용 가능하다.
1: 금속관 11, 12: 측벽
13: 최상면부 14: 바닥부
11A, 12A: 고강도부 11B, 12A: 저강도부

Claims (9)

  1. 사각형의 단면을 갖는 금속관으로서,
    서로 대향하는 한 쌍의 측벽과,
    상기 한 쌍의 측벽의 상단에 접속되는 최상면부와,
    상기 한 쌍의 측벽의 하단에 접속되는 바닥부를 구비하고,
    상기 금속관의 길이 방향의 치수는, 상기 한 쌍의 측벽의 높이 중 높은 방향의 높이 H의 6배 이상이며,
    상기 한 쌍의 측벽은,
    상기 금속관 길이 방향으로, (2/3)H 이상, 3H 이하의 거리에 걸쳐서, 상기 한 쌍의 측벽의 서로 대향하는 부분에 형성되고, 항복 강도가 500MPa 이상인 고강도부와,
    상기 고강도부의 상기 금속관 길이 방향 양측에 배치되고, 항복 강도가 상기 고강도부의 60~85%인 저강도부를 포함하고,
    상기 저강도부의 상기 금속관 길이 방향의 치수는 각각 (3/5)H 이상인, 금속관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고강도부는 상기 금속관 길이 방향 중앙에 배치되는, 금속관.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서
    상기 최상면부측으로 볼록해지도록 만곡된, 금속관.
  4. 사각형의 단면을 갖는 금속관으로 형성되고, 차량에 장착되는 차량용 구조 부재로서,
    서로 대향하는 한 쌍의 측벽과,
    상기 한 쌍의 측벽의 상단에 접속되고, 상기 차량의 외측에 배치되는 최상면부와,
    상기 한 쌍의 측벽의 하단에 접속되고, 상기 차량의 내측에 배치되는 바닥부를 구비하고,
    상기 측벽, 최상면부 및 상기 바닥부 중 적어도 하나는, 상기 금속관 길이 방향에 있어서, 상기 한 쌍의 측벽의 높이 중 높은 쪽의 높이 H의 6배 이상 떨어진 2개소에 있어서 다른 부재에 연결되는 연결부를 포함하고,
    상기 한 쌍의 측벽은,
    상기 연결부의 사이에 있어서의 상기 금속관 길이 방향에 있어서, (2/3)H 이상, 3H 이하의 거리에 걸쳐서 상기 한 쌍의 측벽의 서로 대향하는 부분에 형성되고, 항복 강도가 500MPa 이상인 고강도부와,
    상기 연결부의 사이에 있어서 상기 고강도부의 상기 금속관 길이 방향 양측에 배치되고, 항복 강도가 상기 고강도부의 60~85%인 저강도부를 포함하고,
    상기 금속관의 상기 저강도부의 상기 금속관 길이 방향의 치수는 (3/5)H 이상인, 차량용 구조 부재.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 금속관의 상기 고강도부는, 상기 2개의 연결부 사이의 중앙에 배치되는, 차량용 구조 부재.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 금속관은, 상기 최상면부측으로 볼록해지도록 만곡되어 있는, 차량용 구조 부재.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 차량용 구조 부재는 상기 차량의 차체를 구성하고, 상기 차체는 스페이스 프레임 구조인, 차량용 구조 부재.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 차량용 구조 부재는 상기 차량의 차체를 구성하고, 상기 차체는 스페이스 프레임 구조인, 차량용 구조 부재.
  9. 삭제
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