KR20180038080A

KR20180038080A - 장척 구조 부재 및 그를 이용한 구조 부재 복합체

Info

Publication number: KR20180038080A
Application number: KR1020187009886A
Authority: KR
Inventors: 다케시 이시카와
Original assignee: 미쯔비시 케미컬 주식회사
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2018-04-13
Also published as: JPWO2015159863A1; EP3132923A4; US20170030079A1; US11299888B2; EP3132923A1; KR20160130816A; WO2015159863A1; EP3132923B1; CN106132672A; JP6028859B2; CN106132672B

Abstract

간이한 보강 구조이며 또한 성형품 중량의 증가를 억제하면서, 높은 기계적 특성을 나타내는 섬유 강화 수지에 의해 구조되는 장척 구조 부재 및 구조 부재 복합체를 제공한다. U자로 형성된 직각 단면을 갖는 장척 구조 부재로서, 상기 U자 부분 내측의 2개의 각부가 섬유 강화 수지에 의해 보강되어 있고, 상기 보강된 U자 부분 내측의 2개의 각부의 단면이, 모두 하기 식을 만족하는 삼각형상의 단면인 장척상 구조 부재이다.
0.05 ≤ W/W0 ≤ 0.15
0.15 ≤ H/H0 ≤ 0.36
W0: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 저면 부분의 외면의 길이
W: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 보강된 U자 부분 내측의 각부의, U자 부분의 저면 부분의 내면의 길이
H0: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 입면 부분의 외면의 길이
H: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 보강된 U자 부분 내측의 각부의, U자 부분의 입면 부분의 내면의 길이

Description

장척 구조 부재 및 그를 이용한 구조 부재 복합체{LONG STRUCTURAL MEMBER AND STRUCTURAL MEMBER COMPLEX USING SAME}

본 발명은, 섬유 강화 수지로 이루어지는 구조 부재로서, 축 직각 단면이 U자상으로 형성된 장척(長尺)상 본체와 플랜지로 이루어지는 해트 채널이라고 불리는 구조 부재, 및 복수의 해트 채널의 플랜지부를 맞붙인 폐단면 형상을 가지는 구조 부재 복합체에 관한 것이다.

본원은, 2014년 4월 14일에 일본에 출원된 특허출원 2014-82517호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

섬유 강화 수지로 이루어지는 구조 부재로서, 단면이 U자와 플랜지로 이루어지는 해트 채널이라고 불리는 장척 부재, 및 복수의 해트 채널의 플랜지부를 맞붙인 폐단면 형상을 가지는 구조 부재(구조 부재 복합체)는 잘 알려져 있다. 예를 들면 특허문헌 1에는 해트 채널의 강도를 증가시키기 위한 리브의 효과가 개시되어 있다. 또한 특허문헌 2에는 불연속 섬유를 이용한 해트 채널을 테이프상의 연속 섬유 강화 수지로 강화하는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 해트 채널의 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, 해트 채널의 내측에 리브 구조를 취하는 것이 유효하다는 것이 알려져 있다. 그렇지만 리브 구조는 복잡하기 때문에, 부형(賦形)하는 것이 어렵고, 또한 중량이 증대된다는 문제가 있다. 또한 실제로 굽힘 시험을 행한 경우에는, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 리브 구조에서는, 리브의 유무에 따른 탄성률의 차이로 인해, 응력이 리브부에 집중되어, 거기에서의 파괴가 현저해진다는 문제점이 있다.

리브부에 대한 응력 집중을 억제하기 위해서는, 리브의 수를 많게 함으로써 응력을 분산시키는 것이 효과적이다. 그러나, 이와 같은 구조를 선택하면, 해트 채널의 구조가 더 복잡해져, 리브부를 성형하는 것이 곤란해지고, 또한 성형품의 중량이 증가된다.

일본 특허공개 2013-933호 공보 일본 특허공개 2014-54798호 공보

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 간이한 보강 구조이며 또한 성형품 중량의 증가를 억제하면서, 높은 기계적 특성을 나타내는, 섬유 강화 수지에 의해 형성되는 해트 채널형 구조 부재를 제공한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 검토하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉 본 발명의 요지는, 이하의 (1)∼(8)에 존재한다.

(1) 긴 방향의 단면이 U자상으로 형성된 장척 구조 부재로서, 상기 U자상 부분 내측의 2개의 각부(角部)가 섬유 강화 수지에 의해 보강되어 있고, 상기 보강된 U자 부분 내측의 2개의 각부의 단면이, 모두 하기 식을 만족하는 삼각형상의 단면인 장척 구조 부재.

0.05 ≤ W/W0 ≤ 0.15

0.15 ≤ H/H0 ≤ 0.36

W0: 상기 긴 방향의 단면의 U자상 부분의 저면 부분의 외면의 길이

W: 상기 긴 방향의 단면의 보강된 U자상 부분 내측의 각부의, U자상 부분의 저면 부분의 내면의 길이

H0: 상기 긴 방향의 단면의 U자상 부분의 입면(立面) 부분의 외면의 길이

H: 상기 긴 방향의 단면의 보강된 U자상 부분 내측의 각부의, U자상 부분의 입면 부분의 내면의 길이

(2) 상기 각부의 단면에 있어서의 U자상 부분의 내측에 접하는 변이 직선인 상기 (1)에 기재된 장척 구조 부재.

(3) 섬유 강화 수지를 구성하는 매트릭스 수지가 열가소성 수지인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 구조 부재.

(4) 섬유 강화 수지를 구성하는 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 구조 부재.

(5) 섬유 강화 수지를 구성하는 강화 섬유가 탄소 섬유 또는 유리 섬유인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 구조 부재.

(6) 상기 장척 구조 부재의 긴 방향으로 연장되는 양단부에, 긴 방향으로 연장되는 한 쌍의 플랜지가 형성되어 있는 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 기재된 장척 구조 부재.

(7) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 장척 구조 부재의 2개를, 긴 방향으로 연장되는 양단부끼리로 접합한 폐단면 형상을 가지는 구조 부재 복합체.

(8) 상기 (6)에 기재된 장척 구조 부재의 2개를, 2개의 플랜지끼리로 접합한 폐단면 형상을 가지는 구조 부재 복합체.

본 발명에 의하면, 간이한 보강 구조이며 또한 성형품 중량의 증가를 억제하면서, 굽힘 강도나 굽힘 탄성률 등의, 높은 기계적 특성을 나타내는 섬유 강화 수지 구조 부재를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시형태의 장척 구조 부재(이하, 장척상 구조 부재라고도 함)의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 장척상 구조 부재의 축 직각 단면(측단면)도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 도면의 일례이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태의 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 도면의 일례이다.
도 4a는 장척상 구조 부재의 2개를, 2개의 단부끼리로 접합한 폐단면 형상을 가지는 구조 부재 복합체의 축 직각 단면을 나타내는 도면이다.
도 4b는 장척상 구조 부재의 2개를, 2개의 플랜지부끼리로 접합한 폐단면 형상을 가지는, 도면 4a와는 다른 구조 부재 복합체의 축 직각 단면을 나타내는 도면이다.
도 5a는 비교예 1의 장척상 구조 부재를 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 5a의 장척상 구조 부재의 측단면도이다.
도 6a는 비교예 2의 장척상 구조 부재를 나타내는 도면이다.
도 6b는 도 6a의 장척상 구조 부재의 측단면도이다.
도 7a는 CAE 해석의 방법을 나타내는 도면이다.
도 7b는 도 7a의 CAE 해석에 이용하는 구조 부재의 측단면도이다.

이하, 본 발명을 실시형태를 들어 상세히 설명한다.

본 실시형태의 섬유 강화 수지 성형품은, 긴 방향의 단면이 U자상으로 형성된 장척상 구조 부재이다. 여기에서 말하는 장척상이란, 한 방향(긴 방향)의 치수(도 1a에 있어서의 L)가 폭 방향의 치수(도 1b에 있어서의 W0) 및 높이 방향의 치수(도 1b에 있어서의 H0) 중 어느 것에 비해서도 긴 구조로, 바람직하게는 긴 방향의 치수 L이 폭 방향의 치수 W0의 1.5배 이상, 더 바람직하게는 2배 이상 긴 구조이다. 장척상의 형상으로서는, 예를 들면 파이프상, 레일상 또는 코드상의 일부 등의 형상을 들 수 있다. 더 구체적으로는, 예를 들면, 도 1a 및 도 1b에 나타내는 바와 같은 구조 부재이다. 또한, 단면이 U자상이란, 긴 방향에 대해서 수직인 방향의 단면(후술하는 축 직각 단면), 예를 들면 폭 방향의 단면 중 적어도 일부는 U자상인 것을 가리킨다. 예를 들면 본 실시형태에서는, 상기 단면은 도 1a에 있어서의 A-A 단면이며, 이 단면이 도 1b에 나타내는 바와 같이 U자상이 되어 있다. 더 구체적으로는, 예를 들면 U자상이란 저면(도 1b에 있어서, 폭 방향의 치수가 W0)과, 저면의 양단으로부터 각각 높이 방향으로 연장되는 입면(도 1b에 있어서, 높이 방향의 치수가 H0)으로 연장되는 형상이다.

또한, 이하의 기재에 있어서, 장척상 구조 부재 중, 저면으로부터 입면이 신장되어 있는 방향의 측 및 입면끼리의 대향하는 측을 U자상의 내측, 그 반대의 측을 U자상의 외측이라고 부른다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 상기 장척상 구조 부재의 U자상 부분 내측의 2개의 각부가 섬유 강화 수지에 의해 보강되어 있고, 상기 보강된 U자 부분 내측의 2개의 각부의 단면이, 모두 하기 식을 만족하는 삼각형상의 단면인 것이 바람직하다.

0.05 ≤ W/W0 ≤ 0.15

0.15 ≤ H/H0 ≤ 0.36

W0: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 저면 부분의 외면의 길이

W: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 보강된 U자 부분 내측의 각부의, U자 부분의 저면 부분의 내면의 길이

H0: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 입면 부분의 외면의 길이

H: 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 보강된 U자 부분 내측의 각부의, U자 부분의 입면 부분의 내면의 길이

본 실시형태에 있어서의 「축 직각 단면」이란, 장척상 구조 부재의 축선 방향(긴 방향)에 대해서 직각이면서 U자 부분의 저면에 대해서 수직인 면이다(도 1a의 A-A 단면). 본 실시형태에 있어서의 축 직각 단면이 U자상으로 형성된 「장척상 본체」란, 이른바 저면과 입면을 가리킨다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 예에서는 저면(3)과 입면(4)의 부분을 가리키고 있다. 본 실시형태에 있어서는, U자상으로 성형된 장척상 구조 부재의 2개를 이용하여 폐단면 형상을 갖는 구조 부재를 작성하는 경우의 작성이 쉽다는 관점에서, 상기의 장척 본체의 저면(3)과 입면(4)의 양단부에 긴 방향으로 연장되는 한 쌍의 플랜지(6)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 장척상 본체의 양단부란, 도 3에 있어서의 양단부(5)의 부분을 가리키고, 도 3에서는 돌기로서 나타나 있다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재는, 상기 구조체의 U자 부분의 내측에 위치하는 2개의 각부(도 2에 있어서의 각부(2) 및 대향하는 각부)가 섬유 강화 수지에 의해 보강되어 있다. 여기에서 말하는 「보강되어 있다」란, 예를 들면, 상기 구조 부재의 다른 부분의 두께에 비해, 각부(2)의 두께가 두꺼워져 있는 것을 가리킨다. 예를 들면, 각부(2)의 두께의 평균이, 도 3에 있어서의 저면(3)의 두께의 평균 및 입면(4)의 두께의 평균 중 어느 것에 비해서도 커져 있는 것을 가리킨다. 두께의 평균이란, 거의 중앙부 및 단부 근방의 복수(2∼5)의 점에 대해 두께를 측정하여, 그의 평균을 취한 값이다. 이하, 이 각부(2)의 두께를 두껍게 하기 위해 섬유 강화 수지에 의해 설치된 부위를, 각부 보강 구조라고도 부른다. 그리고, 상기 보강된 U자 부분 내측의 2개의 각부(2)의 단면이, 모두 0.05 ≤ W/W0 ≤ 0.15, 0.15 ≤ H/H0 ≤ 0.36의 범위에 있는 삼각형상의 단면인 것에 의해, 본 실시형태의 효과를 발현할 수 있다. W/W0이 0.05보다 작으면, 보강 효과가 불충분하고, 반대로 0.15보다 크면 성형품의 중량 증가의 원인이 된다. 또한 마찬가지로, H/H0이 0.15보다 작으면 보강 효과가 불충분하고, 0.36보다 큰 경우는 성형품의 중량 증가의 원인이 된다.

상기 W/W0은, 상기 보강 효과와 성형품 중량의 증가를 억제하기 때문에 0.05 이상 0.15 이하가 바람직하고, 더 바람직하게는 0.06 이상 0.14 이하가 바람직하다. 상기 H/H0은, 상기 보강 효과와 성형품 중량의 증가를 억제하기 때문에 0.15 이상 0.36 이하가 바람직하고, 더 바람직하게는 0.16 이상 0.35 이하가 바람직하다. 한편, 본 실시형태와는 다른 측면의 실시태양으로서는, 0.05 ≤ W/W0 ≤ 0.15 또는 0.06 ≤ W/W0 ≤ 0.14, 0.15 ≤ H/H0 ≤ 0.36 또는 0.16 ≤ H/H0 ≤ 0.35의 범위로부터 선택해도 된다.

상기 각부(2)의 단면에 있어서의 U자상 부분의 내측에 접하는 변(각부 보강 구조의 각부에 대한 대변(對邊))은, 직선이어도, 또한 곡선(예를 들면, R을 갖는 곡선이나 원호상)이어도 된다. R을 갖는 곡선이나 원호인 경우의 반경 R은 0.01W0보다 크고, 또한 0.01H0보다 큰 것이 바람직하다. 0.01W0 또는 0.01H0보다 작은 경우는, 충분한 보강 효과가 얻어진다. 한편, 본 실시형태와는 다른 측면의 실시태양으로서는, 반경 R을 0.05W0보다 크고, 또한 0.05H0보다 크다는 조건으로부터 선택해도 된다.

또한, 본 실시형태의 다른 실시형태로서, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 장척상 구조 부재의 2개를, 긴 방향으로 연장되는 양단부끼리로 접합한 폐단면 형상을 갖는 구조 부재, 및 도 4b에 나타내는 바와 같이, 장척상 구조 부재의 2개를, 2개의 플랜지부끼리로 접합한(또는 양단부끼리와 플랜지부끼리를 함께 접합한) 폐단면 형상을 가지는 구조 부재도 들 수 있다. 이와 같은 구조 부재는, 어떠한 방법으로 접합해도 되지만, 구조 부재를 구성하는 섬유 강화 수지가 섬유 강화 열가소성 수지인 경우는, 진동 용착, 초음파 용착 또는 접착제 등을 이용할 수 있다. 또한 섬유 강화 열경화성 수지인 경우는, 접착제 또는 접착 테이프 등을 이용할 수 있다.

[섬유 강화 열가소성 수지 성형품]

도 3에 나타내는 성형품은, 해트 채널이라고 불리는 단면이 U자와 플랜지로 이루어지는 장척상 구조 부재로서, 예를 들면 폭 방향이나 높이 방향의 굽힘 변형에 대해서 강한 역학 물성을 가지도록 설계된다. 그를 위해서는 장척 구조 부재 내부에 리브 구조를 가지게 하여 단면 2차 모멘트를 크게 하는 것이 일반적으로 행해진다. 그렇지만, 장척상 구조 부재의 굽힘 변형에 있어서는 저면(3)(도 3)의 휨이나, 입면(4)(도 3)의 쓰러짐 등, 굽힘에 수반하는 복잡한 변형이 일어나기 때문에, 단면 2차 모멘트 이외의 것도 고려한 적절한 단면 설계가 필요해진다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재에서는, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b에 나타내는 일반적인 리브 구조와는 달리, 도 1a 및 도 1b에 나타내는 바와 같이, 장척상 구조 부재의 각부(2)의 내측을 보강함으로써 각부 보강 구조를 설치하는 것에 의해, 보다 효과적으로 굽힘 강도를 향상시킬 수 있다.

이 각부 보강 구조의 단면은, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 입면에 있어서의, 저면으로부터 길이 H만큼 떨어진 위치와, 저면에 있어서의, 입면으로부터 길이 W만큼 떨어진 위치를 직선으로 이은 형상을 가지고, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 장척 방향(긴 방향)으로 연속적인 것을 특징으로 한다. 또한 도 2에 나타내는 바와 같이, 입면에 있어서의, 저면으로부터 길이 H만큼 떨어진 위치와, 저면에 있어서의, 입면으로부터 길이 W만큼 떨어진 위치를 곡선(원호)으로 잇고 있어도 된다.

이 각부 보강 구조의 크기는 도 1a, 도 1b 및 도 2에 나타내는 폭 W(장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 보강된 U자 부분 내측의 각부의, U자 부분의 저면 부분 내면의 길이)와 높이 H(장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 보강된 U자 부분 내측의 각부의, U자 부분의 입면 부분의 내면의 길이)로 결정하지만, W 및 H 모두 가능한 한 작게 함으로써, 장척상 구조체의 중량을 억제할 수 있다. 도 1b에 나타내는 W0(장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 저면 부분 외면의 길이)이 큰 장척상 구조 부재의 경우는 굽힘 변형(예를 들면, 폭 방향 또는 높이 방향) 시에 저면이 오목형으로 휨으로써 굽힘 강도가 저하된다. 그를 억제하기 위해서는 W를 크게 하는 것이 효과적이다. 이 W는 0.05W0 이상 0.15W0 이하가 바람직하다. 또한 도 1b에 나타내는 H0(장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 입면 부분 외면의 길이)이 큰 장척상 구조 부재의 경우에는, 입면이 쓰러짐으로써 굽힘 강도가 저하된다. 이를 억제하기 위해서는 H를 크게 하는 것이 바람직하다. 이 H는, 0.15H0 이상 0.36H0 이하가 바람직하다.

구체적으로는, W0, H0, W, H의 값은 예를 들면, 각각, 10∼500mm, 5∼300mm, 1.0∼75, 1.0∼100이어도 된다.

이 각부 보강 구조는, 긴 방향으로 연속인 것이, 임의의 장소에 굽힘 변형을 주어도 응력 집중이 일어나지 않기 때문에 바람직하다. 예를 들면, 각부 보강 구조는 장척상 구조 부재의 긴 방향의 크기에 대해서 80∼100%의 크기를 갖는 부위를 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한 각부 보강 구조는, 단면 형상에 있는 W와 H의 값이 상기의 범위에 있다면, 단면 형상이 일정할 필요는 없고, 긴 방향에 있어서의 부위에 따라 형상이 상이해도 된다. 그 경우, 상기 단면 형상은 긴 방향의 부위에 따라 연속적으로 변화해도 된다.

본 실시형태에 있어서는, 장척상 구조 부재의 축 직각 단면의 U자 부분의 저면과 입면의 외측면이 이루는 외면 각부의 각도는 대략 수직이며, 그의 범위로서는 85∼95°이면 강도의 관점에서도 허용될 수 있다. 이 각도가 지나치게 크거나 지나치게 작거나 하면, 장척상 구조 부재의 강도면에서 뒤떨어진다. 한편, 장척상 구조 부재의 강도의 관점에서, 외면 각부까지 강화 섬유 수지가 충전되어 있는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재는, 장척상 구조 부재의 2개를, 긴 방향으로 연장되는 양단부끼리로 접합한 폐단면 형상을 갖는 구조 부재, 또는 장척상 구조 부재의 2개를 2개의 플랜지부끼리 및/또는 단부끼리로 접합하여 폐단면 형상을 가지는 구조 부재로 해도 된다. 이 접합 방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 열 용착, 진동 용착 또는 초음파 용착 등을 들 수 있다. 또한 각종 접착제, 각종 접착 테이프, 리벳 또는 볼트로 접합하는 것도 가능하다. 이와 같이 복수의 장척상 구조 부재로 이루어지는 구조를 구조 부재 복합체라고 부른다. 구조 부재 복합체는 또한, 복수의 장척상 구조 부재를 전술한 수단으로 접합한 것 외에, 복수의 장척상 구조 부재를 조합한 형상에 해당하는 부재를 일체 성형한 것도 포함한다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재는, 장척상 구조 부재 이외의 부재와 플랜지부 및/또는 양단부, 또는 그 외의 부위에 있어서 결합(접합)해도 된다. 이와 같은 부재로서는, 금속 일반이 있고, 결합(접합) 방법으로서는, 각종 접착제, 각종 접착 테이프, 리벳 또는 볼트를 들 수 있다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재에 이용할 수 있는 재료는 섬유 강화 수지인 것이 바람직하다. 섬유 강화 수지는, 강성이 높고 또한 파괴 강도도 크기 때문에, 본 실시형태의 장척상 구조 부재에 이용하는 데에 바람직하다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재에 이용할 수 있는 섬유 강화 수지를 구성하는 강화 섬유로서는, 강화 섬유의 종류는 특별히 한정되지 않고, 무기 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유, 또는 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유를 사용할 수 있다. 무기 섬유로서는, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 탄화 규소 섬유, 알루미나 섬유, 텅스텐 카바이드 섬유, 보론 섬유, 또는 유리 섬유 등을 들 수 있다. 유기 섬유로서는, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, 또는 그 외의 일반 나일론 섬유, 폴리에스터 등을 들 수 있다. 금속 섬유로서는, 스테인레스 또는 철 등의 섬유를 들 수 있고, 또한 금속을 피복한 탄소 섬유여도 된다. 상기 강화 섬유로서는, 이들 중에서는, 최종 성형물의 강도 등의 기계 특성을 고려하면, 탄소 섬유가 바람직하다. 또한, 강화 섬유의 평균 섬유 직경은, 1∼50㎛인 것이 바람직하고, 5∼20㎛인 것이 더 바람직하다. 여기에서 강화 섬유의 평균 섬유 직경은 마이크로미터, 현미경 등의 수단으로 측정한 값을 가리킨다. 강화 섬유의 직경은 1∼50㎛의 범위 내인 것이 바람직하다.

강화 섬유의 평균 섬유 길이는 5mm 이상인 것이 바람직하다. 여기에서 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 매트릭스 수지를 연소시켜 강화 섬유만을 취출하고 그들을 현미경으로 관찰하여 측정하거나, 또한 X선 CT 등을 이용하여 화상 해석으로부터 구하는 등의 수단으로 측정한 값을 가리킨다. 강화 섬유의 길이는 5mm 이상인 것이 바람직하다. 강화 섬유의 길이에 특별히 제한은 없지만, 장척상 구조 부재의 길이에 따른 제한을 받기 때문에, 통상은 장척 구조 부재의 길이 이하이다. 강화 섬유의 강화 섬유 수지 중의 함유량은, 강화 섬유 수지의 전체 질량에 대해서 5∼80중량%인 것이 바람직하다.

본 실시형태의 장척상 구조 부재에 이용할 수 있는 섬유 강화 수지를 구성하는 매트릭스 수지로서는, 수지의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 열가소성 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 열가소성 수지로서는, 폴리아마이드(나일론 6 또는 나일론 66 등), 폴리올레핀(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등), 변성 폴리올레핀, 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트 등), 폴리카보네이트, 폴리아마이드이미드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리설폰, 폴리에터설폰, 폴리에터에터케톤, 폴리에터이미드, 폴리스타이렌, ABS, 폴리페닐렌설파이드, 액정 폴리에스터, 또는 아크릴로나이트릴과 스타이렌의 공중합체 등을 이용할 수 있다. 또한, 상기 매트릭스 수지로서는, 이들의 혼합물을 이용해도 된다. 또, 상기 매트릭스 수지로서는, 나일론 6과 나일론 66의 공중합 나일론과 같이 공중합한 것이어도 된다. 또한, 상기 섬유 강화 수지에는, 얻고 싶은 성형품의 요구 특성에 따라, 난연제, 내후성 개량제, 그 외 산화 방지제, 열 안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 활제, 착색제, 상용화제, 또는 도전성 필러 등을 첨가해 둘 수도 있다.

본 실시형태의 해트 채널형 구조체에 이용할 수 있는 섬유 강화 수지를 구성하는 매트릭스 수지로서는, 수지의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 열경화성 수지를 이용해도 된다. 이와 같은 열경화성 수지로서는, 에폭시 수지, 라디칼 중합계 수지인 아크릴 수지, 또는 페놀 수지 등을 들 수 있다. 또한, 상기 매트릭스 수지에는, 얻고 싶은 성형품의 요구 특성에 따라, 난연제, 내후성 개량제, 그 외 산화 방지제, 열 안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 활제, 착색제, 또는 상용화제, 도전성 필러 등을 첨가해 둘 수도 있다.

본 실시형태의 해트 채널형 구조체는, 예를 들면, 프런트 서브프레임, 리어 서브프레임, 프런트 필라, 센터 필라, 사이드 멤버, 크로스 멤버, 사이드 실, 루프 레일, 또는 프로펠러 샤프트 등의 자동차 부품이나, 해저 유전용의 파이프, 전선 케이블 코어, 인쇄기용 롤·파이프, 로봇 포크, 또는 항공기의 1차 구조재 또는 2차 구조재 등에 적합하게 사용된다.

<장척상 구조체의 작성 방법>

장척상 구조 부재의 작성 방법은 특별히 한정은 없지만, 예를 들면 다음의 방법을 들 수 있다. 수지 중에 불연속의 섬유를 포함하는 시트상의 섬유 강화 수지, 또는 일방향의 연속 섬유, 및 상기 매트릭스 수지를 포함하는 필름상의 섬유 강화 수지를 적층하고, 시트상으로 한 것을, 적외 히터 등으로 상기 매트릭스 수지의 용융 상태까지 가열하고, 섬유 강화 수지의 용융 온도보다 낮은 온도로 설정한 금형에 투입하여 프레스 성형을 하는 방법을 들 수 있다. 금형은, 상기 장척상 구조 부재의 U자상 내측의 형상으로 성형된 것, 구체적으로는, 치수가 대략 폭 W0, 높이 H0 및 긴 방향이 L 이상인 장척상의 형태로, 각부를 높이 H, 폭 W의 치수로 면취(面取)한 것 등을 이용한다. 이때, 보강된 각부에는 섬유를 장척상 구조 부재의 긴 방향으로 배향하여 배치해도 된다. 또한 펠릿상물을 사출 성형하는 것에 의해, 장척상 구조 부재를 작성하는 것도 가능하다. 이때, 상기 펠릿상물에는 불연속의 강화 섬유를 포함하고 있어도 되고, 또한 보강된 각부에는, 미리 섬유를 장척상 구조 부재의 긴 방향으로 배향한 섬유 강화 수지 시트를 투입한 후에, 사출 성형해도 된다. 사출 성형하는 조건은, 섬유 강화 수지의 종류에도 따르지만, 사출 성형기의 실린더 온도는 상기 섬유 강화 수지의 용융 온도보다 10℃ 이상 100℃ 이하의 실린더 온도로 설정하고, 금형 온도는 상기 섬유 강화 수지의 고화 온도보다 10℃ 내지 200℃ 낮은 온도로 설정하는 것이 바람직하다.

실시예

(장척상 구조체의 작성 방법)

3차원 CAD 소프트웨어인 ProEngineer(Wildfire 4.0)를 이용하여, 전부 컴퓨터 상에서 형상을 작성했다.

(장척상 구조체끼리를 접합한 구조체의 작성)

2개의 장척상 구조 부재의 각각의 2개의 플랜지면 및/또는 양단면끼리를 CAD 상에서 완전히 접합하여, 폐단면을 가지는 구조 부재를 작성했다(도 4b).

(질량의 평가 방법)

3차원 CAD 소프트웨어인 ProEngineer(Wildfire 4.0)를 이용하여, 질량을 계산했다. 그때, 리브 등 보강을 실시하고 있지 않은 구조 부재와의 질량비를 계산하고, 보강한 장척상 구조 부재의 질량을, 보강을 실시하고 있지 않은 장척상 구조 부재의 질량으로 나눈 질량비가 1.3보다 작은 경우를 평가 A, 그 이외를 평가 B라고 판단했다.

(굽힘 특성의 평가)

3차원 CAD 소프트웨어인 ProEngineer(Wildfire 4.0)의 Mechanica 기능을 이용하여 3점 굽힘의 CAE 해석을 행했다. 그때에, 표점간 거리 300mm(후술하는 L=400mm의 0.75배)의 저면 상의 2 직선을 변위 및 회전을 고정하고, 그 반대의 저면의 중심선에 1mm의 변위를 주는 것에 의해, 3점 굽힘 시험을 표현했다(도 7a 및 도 7b). 재료 물성으로서 탄성률이 탄소 섬유 45체적%인 탄성률 40GPa를 이용하여, 이 경계 조건에서 정해석을 실시하여, 그 결과로부터 저면 상의 코너부를 따른 직선으로부터 미제스 응력과 변위를 추출했다.

그 결과 미제스 응력의 최대값을, 리브 등 보강을 실시하고 있지 않은 구조 부재로 나눈 값(응력비)이 1.0 이하인 경우를 평가 A, 그 이외를 평가 B로 하여, 응력 집중의 억제 정도를 평가했다. 또 변위에 관해서는, 중심으로부터 20mm(후술하는 L=400mm의 0.05배)의 위치에서의 변위의 값을 구하고, 이 변위를 리브 등 보강을 실시하고 있지 않은 구조 부재의 변위로 나눈 값(변위비)이 1.0 이상인 경우를 평가 A, 그 이외를 평가 B로 해서, 변위의 하중 위치에 대한 집중의 억제 정도를 평가했다.

(실시예 1)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=25mm의 리브 등 보강이 없는 장척상 구조 부재(도 3)를 작성하고, 그 2개의 장척상 구조 부재의 플랜지면을 접합하여, 구조 부재(구조 부재 복합체)를 작성했다. 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출했다.

다음으로, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=25mm의 장척상 구조 부재를 작성하고, 그 장척상 구조 부재의 내측에 CAD 상에서 W=7mm, H=7mm, 대변이 직선으로 구성된 각부 보강을 실시한(도 1b) 후에, 그 2개의 장척상 구조 부재의 플랜지면을 접합하여, 폐색 단면 형상을 갖는 구조 부재(구조 부재 복합체)를 작성했다. 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 각부 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비 및 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.22로 평가 A, 응력비가 0.87로 평가 A, 변위비가 1.07로 평가 A였다.

(실시예 2)

각부 보강을 W=5mm, H=5mm로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.10으로 평가 A, 응력비가 0.98로 평가 A, 변위비가 1.05로 평가 A였다.

(실시예 3)

각부 보강을 W=5mm, H=9mm로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.21로 평가 A, 응력비가 0.99로 평가 A, 변위비가 1.06으로 평가 A였다.

(비교예 1)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=25mm의 장척상 구조 부재를 작성하고, 그 내부에 두께 t=2.5mm, 높이 h=10mm, 장척 방향으로 2개, 그와 직각 방향으로 피치 p=54.3mm의 8개의 리브를 작성했다(도 5a 및 도 5b). 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 실시예 1에 있는 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비 및 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.32로 평가 B, 응력비가 0.99로 평가 A, 변위비가 0.99로 평가 B였다.

(비교예 2)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=25mm의 장척상 구조 부재를 작성하고, 그 내부에 두께 t=2.5mm, 높이 h=10mm, 장척 방향에 대한 각도가 30°, 피치 p=54.3mm의 리브를 작성했다(도 6a 및 도 6b). 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 실시예 1에 있는 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비, 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.34로 평가 B, 응력비가 1.05로 평가 B, 변위비가 0.98로 평가 B였다.

(비교예 3)

리브의 피치 p=30mm로 한 것 이외에는, 비교예 2와 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.63으로 평가 B, 응력비가 0.78로 평가 A, 변위비가 1.05로 평가 A였다.

(비교예 4)

각부 보강을 W=10mm, H=10mm로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.46으로 평가 B, 응력비가 0.39로 평가 A, 변위비가 1.07로 평가 A였다.

(비교예 5)

각부 보강을 W=10mm, H=5mm로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.21로 평가 A, 응력비가 2.27로 평가 B, 변위비가 1.05로 평가 A였다.

(실시예 4)

각부 보강을 W=7mm, H=7mm로 하고, 대변을 반경 10mm의 원호로 작성한(도 2) 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.14로 평가 A, 응력비가 0.64로 평가 A, 변위비가 1.06으로 평가 A였다.

(실시예 5)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=100.0mm, W0=78.1mm, H0=25mm의 리브 등 보강이 없는 장척상 구조 부재(도 3)를 작성하고, 그 2개의 장척상 구조 부재의 플랜지면을 접합하여, 구조 부재(구조 부재 복합체)를 작성했다. 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출했다.

다음으로, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=100.0mm, W0=78.1mm, H0=25mm의 장척상 구조 부재를 작성하고, 그 장척상 구조 부재의 내측에 CAD 상에서 W=5mm, H=5mm, 대변이 직선으로 구성된 각부 보강을 실시한(도 1b) 후에, 그 2개의 장척상 구조 부재의 플랜지면을 접합하여, 폐색 단면 형상을 갖는 구조 부재(구조 부재 복합체)를 작성했다. 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 각부 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비 및 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.08로 평가 A, 응력비가 0.44로 평가 A, 변위비가 1.06으로 평가 A였다.

(실시예 6)

각부 보강을 W=10mm, H=5mm로 한 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.17로 평가 A, 응력비가 0.60으로 평가 A, 변위비가 1.07로 평가 A였다.

(비교예 6)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=100.0mm, W0=78.1mm, H0=25mm의 장척상 구조 부재를 작성하고, 그 내부에 두께 t=2.5mm, 높이 h=10mm, 장척 방향에 대한 각도가 30°, 피치 p=54.3mm의 리브를 작성했다(도 5a, 5b). 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 실시예 5에 있는 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비 및 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.46으로 평가 B, 응력비가 0.79로 평가 A, 변위비가 0.97로 평가 B였다.

(비교예 7)

각부 보강을 W=3mm, H=3mm로 한 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.02로 평가 A, 응력비가 1.44로 평가 B, 변위비가 1.02로 평가 A였다.

(비교예 8)

각부 보강을 W=10mm, H=10mm로 한 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.37로 평가 B, 응력비가 0.34로 평가 A, 변위비가 1.07로 평가 A였다.

(비교예 9)

각부 보강을 W=5mm, H=10mm로 한 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.17로 평가 A, 응력비가 1.02로 평가 B, 변위비가 1.08로 평가 A였다.

(실시예 7)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=50mm의 리브 등 보강이 없는 장척상 구조 부재(도 3)를 작성하고, 그 2개의 장척상 구조 부재의 플랜지면을 접합하여, 폐색 단면 형상을 갖는 구조 부재(구조 부재 복합체)를 작성했다. 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출했다.

다음으로, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=50mm의 해트 채널을 작성하고, 그 해트 채널의 내측에 CAD 상에서 W=10mm, H=7.5mm, 대변이 직선으로 구성된 각부 보강을 실시한(도 1b) 후에, 그 2개의 장척상 구조 부재의 플랜지면을 접합하여, 구조 부재를 작성했다. 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 각부 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비 및 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.25로 평가 A, 응력비가 0.15로 평가 A, 변위비가 1.12로 평가 A였다.

(비교예 10)

CAD 소프트웨어를 이용하여, 두께 2mm에서 L=400mm, Wa=72.4mm, W0=52.4mm, H0=50mm의 장척상 구조 부재를 작성하고, 그 내부에 두께 t=2.5mm, 높이 h=10mm, 장척 방향에 대한 각도가 30°, 피치 p=54.3mm의 리브를 작성했다(도 5a, 5b). 이 구조 부재의 질량을 산출한 후에, CAE 해석을 실시하여, 응력값과 변위값을 산출하고, 또 실시예 1에 있는 보강을 실시하고 있지 않은 경우의 값으로 나누어, 질량비, 응력비 및 변위비를 구했다. 그 결과, 질량비가 1.28로 평가 A, 응력비가 0.60으로 평가 A, 변위비가 0.98로 평가 B였다.

(비교예 11)

각부 보강을 W=10mm, H=20mm로 한 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 방법으로 평가를 실시했다. 그 결과, 질량비가 1.69로 평가 B, 응력비가 0.21로 평가 A, 변위비가 1.15로 평가 A였다.

1: 장척상 부재의 직선상의 각부
2: 장척상 부재의 원호상의 각부
3: 저면
4: 입면
5: 장척 본체의 양단부
6: 양단부에 긴 방향으로 연장되는 한 쌍의 플랜지
7: 최대 응력 추출점
8: 변위 추출점

Claims

긴 방향의 단면이 U자상으로 형성된 장척 구조 부재로서, 상기 U자상 부분 내측의 2개의 각부가 섬유 강화 수지에 의해 보강되어 있고, 상기 보강된 U자상 부분 내측의 2개의 각부의 단면이, 모두 하기 식을 만족하는 삼각형상의 단면인 장척 구조 부재.
0.05 ≤ W/W0 ≤ 0.15
0.15 ≤ H/H0 ≤ 0.36
W0: 상기 긴 방향의 단면의 U자상 부분의 저면 부분의 외면의 길이
W: 상기 긴 방향의 단면의 보강된 U자상 부분 내측의 각부의, U자상 부분의 저면 부분의 내면의 길이
H0: 상기 긴 방향의 단면의 U자상 부분의 입면 부분의 외면의 길이
H: 상기 긴 방향의 단면의 보강된 U자상 부분 내측의 각부의, U자상 부분의 입면 부분의 내면의 길이
제 1 항에 있어서,
상기 각부의 단면에 있어서의 U자상 부분의 내측에 접하는 변이 직선인 장척 구조 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 섬유 강화 수지를 구성하는 매트릭스 수지가 열가소성 수지인 장척 구조 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
섬유 강화 수지를 구성하는 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 장척 구조 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
섬유 강화 수지를 구성하는 강화 섬유가 탄소 섬유 또는 유리 섬유인 장척 구조 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 장척 구조 부재의 긴 방향으로 연장되는 양단부에, 긴 방향으로 연장되는 한 쌍의 플랜지가 형성되어 있는 장척 구조 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 장척 구조 부재의 2개를, 긴 방향으로 연장되는 양단부끼리로 접합한 폐단면 형상을 가지는 구조 부재 복합체.
제 6 항에 기재된 장척 구조 부재의 2개를, 2개의 플랜지끼리로 접합한 폐단면 형상을 가지는 구조 부재 복합체.