TWI633947B - Metal pipe and vehicle component using metal pipe - Google Patents

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Abstract

金屬管(1)具有四角形的剖面。金屬管(1)係具備：相對向之高度(H)之一對的側壁(11、12)、連接於一對的側壁(11、12)的上端之頂面部(13)、以及連接於一對的側壁(11、12)的下端之底部(14)。金屬管(1)的長度是側壁(11、12)的高度(H)之6倍以上。一對的側壁(11、12)係含有高強度部(11A、12A)和低強度部(11B、12B)。高強度部(11A、12A)，在金屬管長度方向上，以(2/3)H以上、3H以下的尺寸形成於一對的側壁(11、12)之相對向的部分，其降伏強度為500MPa以上。低強度部(11B、12B)，是配置在高強度部(11A、12A)之金屬管長度方向兩側，其降伏強度為高強度部(11A、12A)的60~85%。

Description

金屬管以及使用金屬管之車輛用構件
本發明是關於具有耐衝撃性之金屬管以及使用金屬管之車輛用構件。
具有四角形剖面之金屬管、亦即方管被運用於各種用途。例如，在車輛、建築物、大型容器的構件是使用方管。在這種構件，是要求對於衝撃之耐衝撃性。
例如，在國際公開2005/058624號(專利文獻1)揭示，作為耐衝撃用而以兩端被支承的構造裝設於汽車的車體之金屬管。該金屬管是在全長或局部具有彎曲部。 且配置成使彎曲部的外周側與施加於車體之衝撃方向大致一致。比起使用筆直管之補強構件，該金屬管具有作為車體補強用之優異的耐衝撃性。
[專利文獻1]國際公開2005/058624號
金屬管，當受到超過降伏強度之衝撃時會彎折，而使彎折部突出。當為了使金屬管輕量化而將其薄壁化時，受衝撃而彎折時之突出程度容易變大。相對於此，例如使用金屬管作為構件的情況，因撞擊所致之衝撃產生變形後之金屬管因彎折而突出的程度是越小越好。
於是，在本申請案揭示一種可將衝撃所致之變形時的突出程度更加縮小之金屬管以及使用其之構件。
本發明的實施形態之金屬管，係具有四角形的剖面且長度為6H以上的金屬管。前述金屬管係具備：相對向且高度H之一對的側壁、連接於前述一對的側壁的上端之頂面部、以及連接於前述一對的側壁的下端之底部。前述一對的側壁係包含高強度部及低強度部。前述高強度部是形成於前述金屬管長度方向的尺寸(2/3)H以上、3H以下的部分且前述一對的側壁之相對向的部分，其降伏強度為500MPa以上。前述低強度部是配置於前述高強度部之前述金屬管長度方向兩側，其降伏強度為前述高強度部的60~85%。
依據本申請案的揭示，能夠提供一種可將衝撃所致之變形時的突出程度更加縮小的金屬管以及使用其之構件。
1‧‧‧金屬管
11、12‧‧‧側壁
13‧‧‧頂面部
14‧‧‧底部
11A、12A‧‧‧高強度部
11B、12B‧‧‧低強度部
圖1A係顯示兩端部被支承的方管之構造例。
圖1B係圖1A所示的方管之變形舉動例。
圖1C係圖1A所示的方管之其他變形舉動例。
圖2A係顯示本實施形態之金屬管的構造之立體圖。
圖2B係將圖2A所示的金屬管從y方向觀察之側視圖。
圖2C係將圖2A所示的金屬管從x方向觀察之側視圖。
圖3係具有均勻強度分布的金屬管之變形舉動之說明圖。
圖4係具有隔著高強度部的低強度部之金屬管的變形舉動之說明圖。
圖5A係顯示將圖2A所示的金屬管從z方向觀察的構造之俯視圖。
圖5B係圖2A所示的金屬管之高強度部以及低強度部的配置之變形例。
圖6係顯示金屬管1的剖面形狀的變形例之剖面圖。
圖7係顯示金屬管的剖面形狀的其他變形例之剖面圖。
圖8係顯示金屬管的剖面形狀之再其他變形例之剖面圖。
圖9A係顯示彎曲的金屬管例之側視圖。
圖9B係顯示彎曲的金屬管例之側視圖。
圖9C係顯示彎曲的金屬管例之側視圖。
圖9D係顯示彎曲的金屬管例之側視圖。
圖10A係顯示配置於車輛之構件的一例。
圖10B係顯示具有立體構架(space frame)構造的車體之車輛的一例。
圖11係顯示包含低強度部和高強度部的邊界之金屬管的部分之降伏強度的分布之一例。
圖12A係顯示模擬之解析模型的構造。
圖12B係顯示模擬之解析模型的構造。
圖13係顯示金屬管的變形之模擬結果。
圖14係顯示彎折發生時的衝擊行程(impact stroke)的模擬結果之圖。
圖15係顯示改變低強度部和高強度部的強度比而施加衝撃荷重的情況之彎曲變形所致之變形量的圖。
本發明人，針對使用方管作為構件的情況對於衝撃的舉動進行調查。當使用方管作為構件的情況，方管是例如圖1A所示般，以兩端部被支承的狀態構成構造物(例如，車輛、建築物或容器等)的一部分。本發明人，調查兩端部被支承的方管對於衝撃的舉動的結果得知，相對於方管之衝撃施加方向的尺寸，當方管之長度方向的尺 寸(長度)為6倍左右以上的情況，會發生衝撃所致的變形程度變大的事態。
例如，當衝撃施加於兩端部被支承之方管的長度方向中央(圖1A的y1)的情況，方管在衝撃後提早彎折而變形(參照圖1B)。當衝撃施加於方管的長度方向中央和一方的支承部間的位置(圖1A的y2)的情況，方管也會發生變形(參照圖1C)。相較於衝撃施加於y2的情況，衝撃施加於方管之長度方向中央(y1)的情況之提早彎折變形的突出程度較大。解析的結果得知，當衝撃施加於兩端部被支承之方管的長度方向中央的情況，力矩的負荷變得最高。
本發明人曾經探討過，藉由將方管的強度提高，而將衝撃所致之方管的變形程度縮小。然而，縱使將方管的強度提高，變形所造成的突出程度並不會改變。於是，本發明人進一步探討了，藉由讓方管的強度分布改變來抑制彎折變形。
本發明人，針對方管的材料強度以及強度分布深入探討的結果想到，在方管的側壁，將強度比其他部分低之低強度部沿長度方向並列配置。亦即，想到在高強度部的兩側配置其強度比高強度部低之低強度部的構造。發現在該構造中，施加於高強度部之衝撃所致的荷重會傳遞到低強度部，而抑制彎折變形。而且，進一步嘗試錯誤的結果發現，藉由將高強度部的強度、低強度部對於高強度部之強度比、高強度部之長度方向的尺寸適切地設定， 可有效降低對於高強度部之衝撃所致之變形程度。根據該認知而想到下述實施形態的方管。
[實施形態]
圖2A係顯示本實施形態之金屬管1的構造之立體圖。圖2B係將圖2A所示的金屬管1從長度方向(y方向)觀察之側視圖。圖2C係將圖2A所示的金屬管1從與長度方向垂直的方向(x方向)觀察之側視圖。
如圖2A及圖2B所示般，金屬管1是具有四角形剖面之方管。金屬管1係具備：相對向之一對的側壁11、12、連接於一對的側壁11、12的上端之頂面部13、以及連接於一對的側壁11、12的下端之底部14。金屬管1的長度LY為側壁11、12的高度H之6倍以上，亦即6H以上(LY≧6H)。在圖2A~圖2B所示的例子，一對的側壁11、12的高度是相同的(H)。當一對的側壁11、12之高度不同的情況，將一對的側壁11、12之高度當中較高者設為H，將金屬管1的長度LY設定為H的6倍以上。
一對的側壁11、12各個分別具有高強度部11A、12A及低強度部11B、12B。在一對的側壁11、12之相對向的部分設置高強度部11A、12A。亦即，一對的側壁11、12當中，一方的側壁11之高強度部11A和另一方的側壁12之高強度部12A設置於相對向的位置。低強度部11B、12B也是，在一對的側壁11、12各個中，設 置於相對向的部分。亦即，一方的側壁11之低強度部11B和另一方的側壁12之低強度部12B設置於相對向的部分。
如圖2C所示般，相對向之高強度部11A、12A在金屬管長度方向上的尺寸LA為(2/3)H以上、3H以下(2H/3≦LA≦3H)。高強度部11A、12A的降伏強度為500MPa(抗拉強度的情況為980MPa)以上。低強度部11B、12B配置於高強度部11A、12A之金屬管長度方向兩側。低強度部11B、12B的降伏強度為高強度部11A、12A的降伏強度之60~85%(60%以上、85%以下)。低強度部11B、12B之抗拉強度同樣也是高強度部11A、12A的抗拉強度之60~85%。
高強度部11A、12A，在金屬管的長度方向上，形成為(2/3)H以上、3H以下的尺寸。當一對的側壁11、12之高度不同的情況，將一對的側壁11、12之高度當中較高者設為H，將高強度部11A、12A在金屬管1長度方向上的尺寸設定為(2/3)H以上、3H以下。
高強度部11A、12A及低強度部11B、12B以外之側壁11、12的部分11C、12C、亦即低強度部11B、12B之外側的部分11C、12C的降伏強度，設定為低強度部11B、12B以上。例如，低強度部11B、12B之外側的部分11C、12C之降伏強度是與高強度部11A、12A相同亦可。在本例，低強度部11B、12B是其降伏強度比周圍更低的部分。
如圖2A~圖2C所示般，在用於支承接受衝撃荷重之頂面部13之一對的側壁11、12上，藉由在高強度部11A、12A的兩側配置低強度部11B、12B，讓衝撃荷重所致變形不致集中於高強度部11A、12A，而能分散到低強度部11B、12B。此事項可依據以下3點的構成來實現。第1點，將高強度部11A、12A的降伏強度設定為500MPa(抗拉強度的情況為980MPa)以上。第2點，將低強度部11B、11B對於高強度部11A、12A之強度比設定為60~85%。第3點，將相對向之高強度部11A、12A在金屬管1長度方向上的尺寸LA設定為(2/3)H以上、3H以下。利用上述3點，可將朝高強度部11A、12A之衝撃造成的荷重所致之變形提早分散到低強度部11B、12B。結果，能夠抑制衝撃所致之金屬管1的彎折變形。
經由本發明人的調查知悉，如金屬管1般之長度LY為6H以上的細長金屬管，在藉由於長度方向上分離之2個支承部支承的狀態下，當衝撃施加於2個支承部之中央附近的情況，在金屬管之2個支承部的中央附近所產生之彎曲力矩變得最大。基於此認知，藉由在2個支承部的中央附近配置高強度部11A、12A，並在高強度部11A、12A的兩側配置低強度部11B、12B，可避免衝撃所致之金屬管1的中央部之彎折。相較於衝撃施加在中央的情況，當衝撃施加在金屬管之靠近支承部之部位的情況之彎曲力矩的負荷變得較小。因此，相較於衝撃施加在2個支承部之中央的情況，當相同強度的衝撃施加在比中央更 靠近支承部的位置的情況，金屬管較難彎折。基於此觀點，金屬管之2個支承部的中央附近的強度分布很重要。相較於2個支承部的中央附近，金屬管之靠近支承部的部位之強度分布的重要度較低。
圖3係具有均勻強度分布之剖面四角形的金屬管2的變形舉動之說明圖。圖4係具有如圖2A~圖2C所示的低強度部11B、12B之金屬管1的變形舉動之說明圖。圖3及圖4係顯示，朝與金屬管的長度方向垂直的方向讓壓頭撞擊的情況之變形舉動。圖3及圖4顯示從壓頭的撞擊方向以及與金屬管的長度方向垂直的方向觀察之側面的構造。
如圖3所示般，具有均勻強度分布之金屬管2，衝撃所致之在彎曲變形起點P所發生的變形，是以側面視呈楔狀的方式進展。結果，金屬管2是以朝彎曲方向(衝撃方向)尖銳突出的方式彎折。某些情況還會在金屬管2發生裂痕。
如圖4所示般，在高強度部11A的兩側具有低強度部11B(圖4中用點表示的區域)之金屬管1，從高強度部11A之彎曲變形起點P往內側進展的變形，當到達高強度部11A和低強度部11B的邊界時，變得容易往較低強度的橫方向(金屬管1的長度方向)進展。因此，變形會沿長度方向擴展，而使彎曲方向(衝撃方向)的變形程度縮小。
圖3以及圖4所示的變形舉動，並不限定於 讓壓頭撞擊金屬管的情況。例如，藉由將金屬管朝長度方向壓縮的軸力而進行彎曲變形的情況、或如3點彎曲試驗般將壓頭緊壓於金屬管而將與長度方向垂直的方向之力靜態施加時的彎曲變形也能獲得同樣的變形舉動。
可使用金屬管1作為構件。例如，也能用在金屬管1之長度方向上分離的2部位被支承之金屬管1來形成構件。在此情況，金屬管1係具有：與其他構件連結的部分、即連結部共計2個。亦即，金屬管1是在連結部被其他構件所支承。連結部也能稱為支承部。連結部是設置於側壁11、12、頂面部13以及底部14之至少1者。
在連結部，金屬管1被固定於其他構件。亦即，在連結部，金屬管1是以無法相對運動的狀態連結於其他構件。金屬管1的連結部，例如是利用緊固構件或熔接來與其他構件接合。連結部亦可為3個以上。
2個連結部是配置在金屬管1的長度方向上之彼此距離6H以上的位置。亦即，2個連結部的間隔為6H以上。高強度部11A、12A及低強度部11B、12B是設置在2個連結部之間。依據該構造，當衝撃施加在2個連結部之間的情況，能將金屬管1的變形所致之突出程度縮小。
例如，當使用金屬管1作為車輛用構件的情況，金屬管1能以藉由在金屬管1的長度方向上分離之2個連結部支承的狀態安裝於車輛。這時，能以在車輛的外側配置頂面部13且在車輛的內側配置底部14的方式，將 金屬管1安裝於車輛。如此，當金屬管1受到來自車輛外部之衝撃的情況，可縮小因彎折而往車輛內部突出的程度。
在圖2A~圖2C所示的金屬管1，高強度部11A、12A的長度方向之尺寸LA，相對於側壁11、12的高度H，較佳為設定成H以上、3H以下(H≦LA≦3H)。如此，可進一步抑制對高強度部11A、12B的衝撃所致之變形程度。再者，上述尺寸LA較佳為設定成H以上、(4/3)H以下(H≦LA≦(4/3)H)。如此，可進一步抑制衝撃所致之變形程度。
此外，低強度部11B、12B的長度方向之尺寸LB，分別較佳為(3/5)H以上((3/5)H≦LB)。如此，可進一步抑制對高強度部11A的衝撃所致之變形程度。低強度部11B的尺寸LB，基於確保金屬管1的強度之觀點，例如較佳為2H以下，更佳為H以下。
相對於側壁的高度H之高強度部的尺寸LA以及低強度部的尺寸LB，並不限定於嚴格滿足上述關係、亦即((2/3)H≦LA≦3H)、較佳為(H≦LA≦(4/3)H)、更佳為(H≦LA≦(4/3)H)、或((3/5)H≦LB等)的情況。也包含可視為滿足上述關係的程度之含有誤差的情況。相對於側壁的高度H之金屬管1的長度LY，也不限定於嚴格滿足上述關係(6H≦LY)的情況。可將側壁的高度H大約6倍左右的金屬管視為具有上述關係(6H≦LY)的金屬管。
此外，在圖2A~圖2C所示的例子，低強度部 11B和高強度部11A的邊界以及低強度部12B和高強度部12A的邊界，是位於與金屬管的長度方向垂直的線上。但低強度部和高強度部之邊界的形態並不限定於此。例如，低強度部和高強度部的邊界不是與金屬管的長度方向垂直而是呈蛇行亦可。在此情況，呈蛇行的邊界當中之最靠近低強度部的位置和最靠近高強度部的位置之中間，可視為低強度部和高強度部的邊界所在的位置。
此外，較佳為將高強度部11A、12A配置於金屬管1的長度方向中央。亦即，較佳為構成為，使高強度部11A、12A之至少一部分位於金屬管1之長度方向中央的部分。換言之，較佳為使金屬管1的長度方向中央部成為高強度部11A、12A。如此，可有效抑制金屬管1的中央之彎折變形。或是如上述般，當將金屬管1在2個連結部與其他構件連結的情況，較佳為在2個連結部之間的中央配置高強度部11A、12A。亦即，較佳為構成為，使高強度部11A、12A之至少一部分位於2個連結部之間之中央的部分。如此，可抑制對金屬管1的中央之衝撃所致之彎折。例如，在金屬管1中，可將衝撃所致之力矩最大之中央的彎折變形予以有效地抑制。
圖5A顯示將圖2A所示的金屬管1從上方(頂面部13、z方向)觀察之構造的俯視圖。在圖5A，將可透視頂面部13而看見之側壁11、12的部分用虛線表示。為了避免金屬管1扭曲、彎折，如圖5A所示的例子般，可在一對的側壁11、12上，將相對向的高強度部11A、12A 配置成從對向方向(x方向)觀察為完全重疊。亦即，使一方的高強度部11A全體和另一方的高強度部12A全體從對向方向觀察呈重疊。在一對的側壁11、12上之相對向的低強度部11B、12B，也能配置成從對向方向(x方向)觀察呈完全重疊。亦即，使一方的低強度部11B全體和另一方的低強度部12B全體從對向方向觀察呈重疊。
如圖5A所示般，一對的側壁11、12當中一方的側壁11之強度分布和另一方的側壁12之強度分布，較佳為互相具有鏡像關係。亦即，一對的側壁11、12各自的高強度部11A、12A及低強度部11B、12B較佳為，對於一對的側壁11、12之中央假想面呈對稱地配置。如此，可進一步降低一對的側壁11、12當中之一方先破壞的可能性。
例如，在圖2A~2C、圖5A所示的例子，一對的側壁11、12係具有相同高度，且與頂面部13的夾角也是相同的。因此，在與長度方向垂直的剖面上，若以頂面部13之垂直二等分線A為軸，則金屬管1的剖面形狀成為左右對稱。此外，金屬管1的強度分布也是以垂直二等分線A為軸而成為左右對稱。如此，衝撃所致之應力偏差變少。
圖5B係顯示圖2A所示的金屬管1之高強度部11A、12A以及低強度部11B、12B的配置之變形例。在圖5B所示的例子，在一對的側壁11、12上，相對向的高強度部11A、12A配置成從對向方向(x方向)觀察有一 部分重疊。如此般，可配置成使一方的高強度部11A之至少一部分和另一方的高強度部12A從對向方向觀察是重疊的。在一對的側壁11、12之相對向的低強度部11B、12B也配置成從對向方向(x方向)觀察有一部分重疊。如此般，可配置成使一方的低強度部11B之至少一部分和另一方的低強度部12B從對向方向觀察是重疊的。
如圖5B所示般，在一對的高強度部11A、12A之從對向方向觀察呈重疊的部分之長度方向的尺寸，是設定成相對向的高強度部11A、12A之尺寸LA。同樣的，在一對的低強度部11B、12B之從對向方向觀察呈重疊的部分之長度方向的尺寸，是設定成相對向的低強度部11B、12B之尺寸LB。
如此般，使高強度部11A、12A的一部分或低強度部11B、12B的一部分從對向方向觀察呈重疊的情況，上述尺寸LA、LB可設定成相對向的部分之尺寸。如此般設定的LA、LB，可滿足上述關係((2/3)H≦LA≦3H，較佳為H≦LA≦(4/3)H，更佳為(H≦LA≦(4/3)H)、或是(3/5)H≦LB等)。
在上述圖2A~圖2C、圖5A、圖5B所示的構造，頂面部13、一對的側壁11、12、底部14這4片板是對應於剖面四角形的各邊。這4片板的任一片都是，兩端部與鄰接之板的端部呈連續。亦即這4片板是由呈連續的單1構件所構成。例如，金屬管1的4片板，可以是將1片板材變形而形成者。在此情況，將1片板材彎折而形成 之四方管成為金屬管1。金屬管1並不具備從該四方管的外周往外側突出的構件(例如，凸緣等)。
在金屬管1中，在頂面部13和一對的側壁11、12之邊界形成有稜部。同樣的，在底部14和一對的側壁11、12之邊界形成有稜部。亦即，在頂面部13、一對的側壁11、12、底部14這4片板中，在鄰接的2個板之間分別形成有稜部。這些稜部是沿長度方向延伸。如此般，金屬管1係具有與剖面四角形的角各個對應之稜部。
換言之，金屬管1係具備：頂面部13、位於頂面部13的兩端之2個第1稜線、與頂面部13相對向的底部14、以及位於底部14的兩端之2個第2稜線。金屬管1進一步具備：位於第1稜線和第2稜線之間之2個側壁11、12。將第1稜線的延伸方向設定為金屬管1的長度方向。第1稜線的延伸方向和第2稜線的延伸方向是相同或不同皆可。
稜部可提高金屬管1對於衝撃的強度。在與接受衝撃之面、即頂面部13透過稜部而連接之側壁11、12上，配置高強度部11A、12A及低強度部11B、12B。如此，可抑制對頂面部13的衝撃所致之金屬管1的彎折變形。
圖6係顯示金屬管1的剖面形狀的變形例之剖面圖。在圖6所示的例子，金屬管1的剖面形狀呈台形。在本例，台形的上底和下底並非平行。如此般，側壁11、12和底部14的夾角、以及/或側壁11、12和頂面部 13的夾角，不是90度(直角)亦可。亦即，金屬管1的剖面形狀，除了長方形或正方形以外，還可以是台形、平行四邊形等之任意的四角形。
在圖6所示的構造，一對的側壁11、12之高度不同。在這種情況，將較高者定義為側壁的高度H。在此，是將與頂面部13垂直的方向上之側壁的長度定義為側壁的高度H。亦即，將與一對的側壁11、12間之面、即施加衝撃的想像面垂直的方向上之側壁11、12的長度，設定為側壁11、12的高度。側壁的高度H的定義在其他實施例也是同樣的。
圖7係顯示金屬管的剖面形狀之其他變形例的剖面圖。如圖7所示般，可在成為側壁11、12和頂面部13的邊界之角部(肩部)，形成彎曲部(R，圓角)。同樣的，可在側壁11、12和底部14的邊界之角部(肩部)也形成彎曲部(R，圓角)。
當在側壁11、12和頂面部13的邊界之角部或在側壁11、12和底部14的邊界之角部形成有彎曲部(R，圓角)的情況，彎曲部(R，圓角)的部分視為包含於側壁11、12，而決定上述側壁11、12的高度H。在圖7所示的例子，側壁11、12和頂面部13的角部之彎曲部(R)、側壁11、12和底部14的角部之彎曲部(R)，都是作為側壁11、12的一部分來決定側壁11、12的高度H。
雖未圖示出，頂面部13、側壁11、12以及底部14之至少1者的表面，可以不是平面而成為曲面。亦 即，頂面部13、側壁11、12以及底部14之至少1者可以是彎曲的。
圖8係顯示金屬管的剖面形狀之再其他變形例的剖面圖。在圖8所示的例子，是在側壁11、12的兩端部形成有凹部(溝槽)。如此，是在側壁11、12和頂面部13間的稜部、以及側壁11、12和底部14間的稜部，形成有沿長度方向延伸的溝槽。如此般，在側壁11、12形成有凹部、凸部、段差或孔(以下稱為凹部等)亦可。此外，同樣的，在頂面部13以及/或底部14也形成有凹部等亦可。
如圖8所示般，在側壁11、12的端部形成有凹部等的情況，凹部也視為包含於側壁11、12，而決定側壁11、12的高度H。在圖8所示的例子，包含兩端的凹部之側壁11、12的高度成為側壁的高度H。
在圖2A~圖2C所示的例子，金屬管1形成為朝長度方向直線狀延伸。相對於此，金屬管1亦可為彎曲的。例如，金屬管1可形成為：以朝頂面部13側凸起的方式彎曲的形狀。
圖9A~圖9D係顯示在長度方向上呈彎曲之金屬管1例之側視圖。在圖9A~圖9D所示的例子，金屬管1是以朝頂面部13側凸起的方式彎曲。在圖9A，金屬管1，在長度方向全體是以一定的曲率彎曲。在圖9B以及圖9C，金屬管1是按照長度方向的位置而改變曲率。在圖9D，金屬管1是在長度方向的一部分形成彎曲。在圖9A 及圖9D所示的例子，金屬管1彎曲成，從與側壁11、12垂直的方向(x方向)觀察成為左右對稱。圖9B、圖9C及圖9D的金屬管1係具有：彎曲的部分(彎曲部)及直線狀延伸的部分(直線部)。在圖9C所示的例子，是在直線部之長度方向兩側配置彎曲部。亦即，在彎曲部之間配置直線部。在圖9D所示的例子，是在彎曲部之長度方向兩側配置直線部。
如此般，藉由讓金屬管1彎曲，對於與彎曲的凸方向相對向的方向之衝撃，可提高耐衝撃性。例如，將彎曲的金屬管1之兩端部予以支承而成之構件，對於與彎曲的凸方向相對向的方向之衝撃，具有高耐衝撃性。
在圖9A以及圖9D所示的例子，側壁11之一對的低強度部11B和位於其間之高強度部11A，都配置在金屬管1的彎曲部。在圖9B以及圖9C所示的例子，側壁11之一對的低強度部11B和位於其間之高強度部11A，都配置在金屬管1的直線部。當將低強度部11B和高強度部11A配置在直線部的情況，例如可在直線部的中央配置高強度部11A。如此，可在受到衝撃時的力矩變高的部分配置高強度部11A。
[對於車輛之運用例]
如上述般，當使用金屬管1作為車輛用構件的情況，可將金屬管1以藉由在金屬管1的長度方向上分離的2個連結部支承的狀態安裝於車輛。金屬管1可成為例如車 體、保險桿或車門的構件。因此，具備金屬管1之車體、保險桿或車門也包含於本發明的實施形態。
在被2個連結部支承之金屬管1的側壁11上，可在2個連結部之間配置：在長度方向上分離之2個低強度部11B、以及位於其間之高強度部11A。在與側壁11相對向之另一方的側壁12上也是同樣的，可配置高強度部12A及低強度部12B。如此，在金屬管1中，施加衝撃時之力矩變大的部分變得不容易彎折。結果，可獲得耐衝撃性高的構件。
例如，可在離2個連結部的距離相等的部分(2個連結部之間的中央)配置高強度部11A。例如可形成，將在長度方向中央配置有高強度部11A之金屬管1的兩端部支承而成的構件。在此，兩端部是包含金屬管1的兩端以及其附近的部分。
在將金屬管1安裝於車輛的情況，能以金屬管1的長度方向沿著車輛外形的方式配置金屬管1。亦即，以車輛撞擊時的衝撃朝向與金屬管1的長度方向垂直的方向之方式，來安裝金屬管1。此外，以頂面部13配置於車輛的外側且底部14配置於車輛的內側之方式，將金屬管1安裝於車輛。在此情況，是在金屬管1之連結部之間的中央配置高強度部11A，在其兩側配置低強度部11B。如此，當金屬管1受到來自車輛的外側之衝撃的情況，金屬管1往車輛內側突出的程度變小。因此，車輛內的裝置或人接觸金屬管1的可能性變得更低。例如，可避 免金屬管1在撞擊時朝向後座空間內彎折。如此使安全性更加提高。
金屬管1，如上述般是呈彎曲亦可。在此情況，金屬管1能以朝向車輛的外側凸起的方式安裝於車輛。在此情況，金屬管1是以朝車輛的外側凸起的方式彎曲。如此，在受到來自車輛的外側之衝撃的情況，能使金屬管1更不容易彎折。
金屬管1可成為構成車體、保險桿或車門的一部分之構件。例如，可在A柱、B柱、側梁、車頂架、底梁、前縱梁等的構成車體之構件使用金屬管1。或是，在車門防撞梁、保險桿等之安裝於車體而用於保護車輛內的裝置及乘客避免受到來自外部的衝撃之構件使用金屬管1。
圖10A係顯示配置於單體式(Monocoque)構造的車輛之構件的一例。在圖10A所示的例子，A柱15、B柱16、側梁17、車頂架18、保險桿19、前縱梁20、車門防撞梁21、底梁22、及後縱梁23是作為車輛用構件。該等車輛用構件的至少1個，可由上述金屬管1構成。
當保險桿19是由金屬管1構成的情況，金屬管1的兩端部可藉由前縱梁20支承。依據此構造，當衝撃施加於保險桿19的中央時，荷重力矩變得最大。在保險桿19的左右方向中央配置高強度部11A、12A，並在其兩側配置低強度部11B、12B。如此，可抑制往保險桿19的中央之衝撃所致之彎折變形。
在車門防撞梁21是由金屬管1構成的情況，可在金屬管1的兩端部設置支架(bracket)。金屬管1是透過兩端部的支架安裝在門框。在此情況也是，可將高強度部11A、12A配置在金屬管1的中央。亦即，可在構成車門防撞梁21之金屬管1的結合部、即兩端部的中央配置高強度部11A、12A。如此，可抑制在受到衝撃時的力矩變得最大的部分之彎折變形。
金屬管1不僅適用於單體式構造的車輛，也適用於構架(frame)構造的車體。圖10B顯示日本特開2011-37313所揭示之具有立體構架(space frame)構造的車體之車輛。立體構架構造的車體係具備：複數個管件(pipe)31、及用於連結管件31之接頭32。管件31配置在覆蓋車體的表面之殼體30的內部。複數個管件31係包含：朝上下方向延伸的管件、朝前後方向延伸的管件、以及朝左右方向延伸的管件。複數個管件31之至少一部分可由上述金屬管1構成。如此般，若在構成立體構架構造的車體之管件(管材)運用上述金屬管1，可有效避免管件朝向乘客、引擎所在之車體內側嚴重彎折。
作為構成車輛構件之金屬管1的材料，若使用抗拉強度(低強度部11B、12B以外的部分之抗拉強度)為780MPa以上(降伏強度400Mpa以上)的超高強度鋼，上述效果可顯著地顯現。再者，藉由將金屬管1之低強度部11B、12B以外的區域之強度設定為抗拉強度980MPa以上(降伏強度500Mpa以上)，可發揮更大的效果。
可運用金屬管1之車輛構件，並不限定於圖10A、圖10B所示之汽車等的4輪車輛，例如也能作為二輪車輛的構件。此外，由金屬管1構成之構件的用途，並不限定於車輛用。例如，作為耐衝撃性容器、建築物、船舶、或飛機等的構件可使用金屬管1。
此外，使用金屬管1作為構件的態樣，並不限定於將金屬管1的兩端部連結於其他構件的態樣。可在金屬管1的長度方向上分隔6H以上之任意2個位置連結其他構件。亦即，2個連結部並不限定於兩端，可配置在金屬管1的任意位置。
[製造步驟]
金屬管1的全體可由同一素材所形成。金屬管1可由金屬板所形成。例如，可將1片鋼板彎折，將鋼板之一端部與相對向之另一端部利用熔接等進行接合，藉此形成具有四角形的剖面之管狀構件(方管)。或是，可在實心角柱沿軸方向讓孔貫穿而形成金屬管1。要讓方管彎曲的情況，例如可採用：加壓彎曲、拉伸彎曲、壓縮彎曲、輥彎、推穿(push-through)彎曲、或偏心柱塞(plug)彎曲等的彎曲加工方法。
金屬管1的製造步驟，是包含在素材形成低強度部的步驟。形成低強度部的方法，並沒有特別的限定，例如可利用雷射或高頻加熱等的方法，將材料局部地加熱、淬火，而製作出含有硬化區域之金屬管1。在此情 況，未進行淬火的區域成為相對強度較低之低強度部。此外，在進行調質處理而使方管全體強化之後，局部地進行退火處理來形成低強度部亦可。
或是，在讓管狀構件沿軸方向移動的狀態下，依序實施加熱、賦予彎曲力矩以及冷卻，可製作出在長度方向上呈彎曲之金屬管1。該方法，是在管狀構件的外周配置感應加熱線圈，將管狀構件局部地加熱到可塑性變形溫度。在讓該加熱部沿管狀方向移動的狀態下，將位於感應加熱線圈的下游之設置於管狀構件的可動滾壓模(roller die)等的可動把持手段移動，藉此賦予彎曲力矩。將如此般彎曲後的部分，利用位於感應加熱線圈和可動把持手段間之冷卻裝置進行冷卻。在該步驟，例如，藉由使加熱及冷卻的條件在管狀構件的外周方向上成為不同，可在管狀構件形成低強度部。
金屬管1的製造方法並不限定於上述例子。可採用拼焊(Tailored Blanks)等其他公知的方法來形成具有低強度部之金屬管1。
在上述金屬管1中，會有高強度部11A、12A之降伏強度分布不均勻的情況。在穩定區，降伏強度的偏差大多為±10%以內。因此，可將高強度部11A、12A之降伏強度的最大值Smax之90%定義為高強度部11A、12A的降伏強度SA(基準強度)(SA=0.9Smax)。在降伏強度大於0.85SA且小於0.9SA(SA的85%~90%)區域(過渡區)，視為高強度部11A、12A的一部分。高強度部11A、12A 之降伏強度大於0.85SA(SA的85%)。亦即，降伏強度大於0.85SA的區域為高強度部11A、12A。
圖11係顯示包含低強度部11B、12B和高強度部11A、12A的邊界的部分之降伏強度分布的一例。在圖11中，縱軸表示降伏強度，橫軸表示y方向的位置。在圖11所示的例子，將高強度部之降伏強度的最大值Smax之90%(0.9Smax)定義為高強度部的降伏強度SA。在高強度部，降伏強度0.9SA以上的區域稱為穩定區。此外，降伏強度大於0.85SA但小於0.9SA的區域，是從低強度部到高強度部的穩定區之過渡區。過渡區視為包含於高強度部。亦即，降伏強度0.85A的位置是低強度部和高強度部的邊界。亦即，降伏強度大於0.85SA的區域成為高強度部，降伏強度0.85SA以下的區域為低強度部。
低強度部的降伏強度為0.6SA以上0.85SA以下(SA的60~85%)。縱使在金屬管1之低強度部所圍的部分包含0.6SA以下的部分，當該部分對金屬管1之變形舉動的影響小到可忽視的程度的情形，是視為低強度部11B、12B的一部分。
[實施例]
在本實施例，是以模擬方式解析，讓壓頭撞擊具有四角形剖面之金屬管的情況之金屬管的變形。圖12A係顯示模擬之解析模型的構造。在本模擬，是在將金屬管10架設於2個台3的狀態下，解析讓壓頭 (impactor)4撞擊金屬管10之長度方向的中央部的情況之變形舉動。
壓頭4的質量為350kg，壓頭4之Y方向的寬度WI為160mm，壓頭4之撞擊面4s的曲率半徑R為150mm，壓頭4的初速度為4m/秒。摩擦係數為0.1。金屬管10的剖面，是邊長50mm的正方形。金屬管10的高度H為50mm，金屬管10的板厚為1.4mm，金屬管10的R為5mm，金屬管10的長度LY為1000mm。台3間的距離LS為400mm。
在連接於頂面部(包含讓壓頭4撞擊的面)的兩端之一對的側壁，配置高強度部10A及位於其兩側的低強度部10B。高強度部10A配置於金屬管10之長度方向中央。亦即，金屬管10是具有四角形剖面的方管。金屬管10係具備：相對向之一對的側壁、連接於一對的側壁的上端之頂面部、以及連接於一對的側壁的下端之底部。在頂面部讓壓頭4撞擊。金屬管10的長度LY為側壁的高度H之6倍以上(LY≧6H)。
圖12B係顯示模擬之解析模型的其他構造。在圖12B所示的例子，金屬管10的兩端接合於2個台3。圖11B所示之解析模型的模擬結果是與圖12A所示之解析模型的模擬結果相同。
將低強度部10B的降伏強度設為100kgf/mm2，將包含高強度部10A之其他區域的降伏強度設為120kgf/mm2(低強度部10B對於高強度部10A之強度 比為約0.83)，讓高強度部10A的尺寸LA及低強度部10B的尺寸LB改變，進行撞擊模擬。
下述表1，是將上述強度比設定為0.83(低強度部10B的降伏強度為YP100kgf/mm2，包含高強度部10A之其他部分的降伏強度為YP120kgf/mm2)，顯示讓高強度部10A的尺寸LA及金屬管10的板厚t改變的情況之模擬結果所獲得的變形舉動。在表1中，變形舉動欄的Excellent表示非常良好，Good表示良好，Poor表示不良。這些變形舉動的評價，是根據彎折發生時之壓頭的侵入量進行判斷。壓頭的侵入量也能稱為衝擊行程或壓頭位移。
圖13係顯示壓頭4的侵入量為40mm時之金屬管10的變形之模擬結果。在圖13，顯示表1所示的Case1~3、5、7~9各個之金屬管10的變形樣子。根據圖13所示的結果，Case2、3、5、7、亦即2H/3≦LA≦3H的情況，衝撃所致之變形部分的範圍是比其他的Case1、8、9的情況更廣。亦即，在Case1、8、9的情況會發生，彎折部位以尖銳突出的方式彎折之「彎折」變形模式。在Case2、3、5、7的情況會發生，受到衝撃之頂面 部和側壁的一部分因衝撃而破壞之「剖面破壞」變形模式。
圖14係顯示表1的Case1~12之彎折時的衝擊行程之模擬結果。在圖14所示的結果，在Case2~7、10~12的情況，相較於Case1、亦即未設置低強度部10B的情況，彎折時的衝擊行程變大。如此可知，在Case2~7、10~12的情況，相較於未設置低強度部10B的情況，不容易發生彎折。此外，在Case3~7、亦即H≦LA≦3H的情況，彎折時的衝擊行程比其他情況更大。如此可知，在Case3~7的情況，特別不容易發生彎折。再者可知，在Case3、4、亦即H≦LA≦4H/3的情況，因為衝擊行程變得特別大，更不容易發生彎折。
此外，讓低強度部10B的強度和包含高強度部10A之其他部分的強度之強度比改變，進行撞擊模擬。圖15顯示，在改變低強度部10B和包含高強度部10A之其他部分的強度比而施加衝撃荷重的情況，彎曲變形所致之變形量。在圖15中，縱軸表示衝撃方向(z方向)之金屬管10的侵入量(突出量)。橫軸表示低強度部10B的強度對於高強度部10A的強度之比(強度比=低強度部的強度/高強度部的強度)。在圖15的曲線，菱形的點表示高強度部的降伏強度為YS120kgf/mm2的情況之結果，四角的點表示高強度部的降伏強度為145kgf/mm2的情況之結果。
在強度比0.60~0.85的區間，隨著強度比的增加，侵入量會減少(箭頭Y1)。在該區間，金屬管10的 變形模式成為剖面破壞。在該區間中，當低強度部10B的強度低(強度比0.60以下)的情況，雖成為剖面破壞的變形，但侵入量變大，與強度比超過0.85的情況之侵入量大致相同。當強度比超過0.85時，侵入量急劇增加(箭頭Y2)。再者，在強度比0.85以上，隨著強度比增加，侵入量會對應於強度比的增加而變大(箭頭Y3)。可想成這是因為，以強度比0.85為邊界，變形模式從剖面破壞改變成彎折。如此般，若低強度部10B的強度過高(強度比高)會發生彎折變形，而使侵入量變大。根據圖15的結果可確認，基於減少衝撃所致之彎曲變形的侵入量之觀點，強度比較佳為60~85%，強度比更佳為70~85%。
以上，雖是說明本發明的一實施形態，但上述實施形態只不過是用於實施本發明的例示。因此，本發明並不限定於上述實施形態，在不脫離其趣旨的範圍內可將上述實施形態予以適宜變形來實施。
本發明的金屬管，在廣泛的領域可良好地適用於鋼管，但不限定於鋼管，也能適用於鋁管等的其他金屬管。

Claims (7)

  1. 一種金屬管，是具有四角形的剖面之金屬管，係具備：相對向之一對的側壁、連接於前述一對的側壁的上端之頂面部、以及連接於前述一對的側壁的下端之底部；前述金屬管之長度方向的尺寸，是前述一對的側壁之高度當中較高者的高度H之6倍以上，前述一對的側壁係含有高強度部及低強度部，前述高強度部，是在前述金屬管長度方向上以(2/3)H以上、3H以下的尺寸形成於前述一對的側壁之相對向的部分，其降伏強度為500MPa以上，前述低強度部，是配置在前述高強度部之前述金屬管長度方向兩側，其降伏強度為前述高強度部的60~85%，前述低強度部在前述金屬管長度方向上的尺寸分別為(3/5)H以上。
  2. 如請求項1所述之金屬管，其中，前述高強度部是配置在前述金屬管長度方向中央。
  3. 如請求項1或2所述之金屬管，其中，前述金屬管是以朝前述頂面部側凸起的方式彎曲。
  4. 一種車輛用構件，是由具有四角形的剖面之金屬管所形成且被安裝於車輛之車輛用構件，係具備：相對向之一對的側壁、連接於前述一對的側壁的上端且配置在前述車輛的外側之頂面部、以及連接於前述一對的側壁的下端且配置在前述車輛的內側之底部；前述側壁、頂面部以及前述底部之至少1者，是在前述金屬管長度方向上以前述一對的側壁的高度當中較高者的高度H之6倍以上分離的2部位，含有與其他構件連結之連結部，前述一對的側壁係含有高強度部及低強度部，前述高強度部，是在前述連結部之間，在前述金屬管長度方向上以(2/3)H以上、3H以下的尺寸形成於前述一對的側壁之相對向的部分，其降伏強度為500MPa以上，前述低強度部，是在前述連結部之間配置在前述高強度部之前述金屬管長度方向兩側，其降伏強度為前述高強度部的60~85%，前述金屬管之前述低強度部在前述金屬管長度方向上的尺寸為(3/5)H以上。
  5. 如請求項4所述之車輛用構件，其中，前述金屬管之前述高強度部，是配置在前述2個連結部之間的中央。
  6. 如請求項4或5所述之車輛用構件，其中，前述金屬管是以朝前述頂面部側凸起的方式彎曲。
  7. 如請求項4或5所述之車輛用構件，其中，前述車輛用構件是構成前述車輛的車體，前述車體為立體構架構造。
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