WO2017170561A1 - 金属管、及び金属管を用いた構造部材 - Google Patents

金属管、及び金属管を用いた構造部材 Download PDF

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智史 広瀬
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新日鐵住金株式会社
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    • B60R2019/1813—Structural beams therefor, e.g. shock-absorbing made of metal

Definitions

  • the present invention relates to a metal tube having impact resistance and a structural member using the metal tube.
  • a metal tube having a circular cross section that is, a round tube, is highly economical and versatile. Therefore, a round tube is used for various uses.
  • round tubes are used for structural members of vehicles, buildings, and large containers. Such a structural member is required to have impact resistance against impact.
  • Patent Document 1 discloses a metal tube that is attached to the body of an automobile in a structure that supports both ends for impact resistance.
  • This metal tube has a full length or a partially bent portion. It arrange
  • This metal pipe has excellent impact resistance for reinforcing the vehicle body as compared with a reinforcing member using a straight pipe.
  • the metal pipe bends when the impact exceeds the yield strength, and the bent part protrudes.
  • the degree of protrusion when it is broken by an impact tends to increase.
  • the degree to which the metal tube deformed by impact due to a collision bends and protrudes is smaller.
  • the present application discloses a metal tube and a structural member using the metal tube that can further reduce the degree of protrusion during deformation due to impact.
  • the metal tube in the embodiment of the present invention is a metal tube having a circular cross section with an outer diameter D and a length of 6D or more.
  • the metal tube includes a high strength portion and a low strength portion.
  • the high-strength portion is disposed over the entire circumference of the metal tube in a portion of the dimension (2/3) D to 3D in the longitudinal direction of the metal tube.
  • the yield strength of the high strength portion is 500 MPa (980 MPa for tensile strength) or more.
  • the low-strength portion is disposed over the entire circumference of the metal tube on both sides of the high-strength portion in the longitudinal direction of the metal tube.
  • the yield strength of the low strength portion is 60 to 85% of that of the high strength portion.
  • FIG. 1A is a diagram illustrating a configuration example of a round tube in which both ends are supported.
  • 1B is a diagram showing an example of deformation behavior of the round tube shown in FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a diagram showing another deformation behavior example of the round tube shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a perspective view showing the configuration of the metal tube 1 in the present embodiment.
  • FIG. 2B is a side view of the metal tube shown in FIG. 2A viewed from the Y direction.
  • FIG. 2C is a side view of the metal tube shown in FIG. 2A viewed from the X direction.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the deformation behavior of a metal tube having a uniform strength distribution.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the deformation behavior of a metal tube having a uniform strength distribution.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the deformation behavior of a metal tube having a low strength portion sandwiching a high strength portion. It is a side view which shows the example of the curved metal pipe. It is a side view which shows the example of the curved metal pipe. It is a side view which shows the example of the curved metal pipe. It is a side view which shows the example of the curved metal pipe. It is a side view which shows the example of the curved metal pipe. It is a side view which shows the example of the curved metal pipe.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an example of a structural member disposed in a vehicle.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating an example of a vehicle having a vehicle body having a space frame structure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a distribution of yield strength in a portion including a boundary between a low strength portion and a high strength portion.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an example of a structural member disposed in
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a configuration of an analysis model in simulation.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a configuration of an analysis model in simulation.
  • FIG. 9A is a diagram illustrating a simulation result of deformation of a metal tube.
  • FIG. 9B is a diagram showing a simulation result of the deformation of the metal tube.
  • FIG. 10 is a graph showing the simulation results of load and absorbed energy.
  • FIG. 11 is a graph showing a simulation result of the impactor stroke when a fold occurs.
  • FIG. 12 is a graph showing the amount of deformation due to bending deformation when an impact load is input while changing the strength ratio between the low strength portion and the high strength portion.
  • a round tube as a structural member, for example, as shown in FIG. 1A
  • the round tube constitutes a part of a structure (for example, a vehicle, a building, a container, or the like) in a state where both ends are supported.
  • the inventor examined the behavior of the round tube supported at both ends with respect to the impact, and found that when the length of the round tube with respect to the diameter is about 6 times or more, the degree of deformation due to the impact increases. It was.
  • the round tube breaks and deforms early after the impact (see FIG. 1B).
  • the degree of protrusion of the early bending deformation is larger than the degree of protrusion due to deformation when an impact is applied to the position between the center in the longitudinal direction of the round tube and one of the support portions (y2 in FIG. 1A) (see FIG. 1C).
  • the moment load was highest when an impact was applied to the center in the longitudinal direction of the round tube supported at both ends.
  • the degree of protrusion due to deformation does not change even if the strength of the round tube is increased.
  • the advantages such as economy and versatility of the round tube are lost. Therefore, the inventor further studied to suppress the bending deformation by changing the strength distribution of the round tube.
  • the inventor has come up with a configuration in which low-strength portions having lower strength than other portions are arranged side by side in the longitudinal direction on the round tube. That is, the present inventors have conceived a configuration in which low-strength portions having lower strength than the high-strength portions are arranged on both sides of the high-strength portion over the entire circumference of the round tube. In this configuration, it was found that a load due to an impact applied to the high strength portion is transmitted to the low strength portion, and bending deformation is suppressed.
  • the degree of deformation due to impact on the high strength portion can be set. It has been found that it can be effectively reduced. Based on this knowledge, the inventors have arrived at the round tube of the following embodiment.
  • FIG. 2A is a perspective view showing the configuration of the metal tube 1 in the present embodiment.
  • FIG. 2B is a side view of the metal tube 1 shown in FIG. 2A as viewed from the longitudinal direction (Y direction).
  • FIG. 2C is a side view of the metal tube 1 shown in FIG. 2A as viewed from a direction perpendicular to the longitudinal direction (X direction).
  • the metal tube 1 is a metal tube having a circular cross section with an outer diameter D and a length LY of 6D or more.
  • the metal tube 1 includes a high strength portion 1A and low strength portions 1B disposed on both sides thereof.
  • the high-strength portion 1 ⁇ / b> A and the low-strength portion 1 ⁇ / b> B are disposed over the entire circumference of the metal tube 1.
  • the high-strength portion 1A is arranged over a dimension LA of (2/3) D or more and 3D or less of the outer diameter D in the longitudinal direction (Y direction) of the metal tube 1 ((2 / 3) D ⁇ LA ⁇ 3D).
  • the distance between the pair of low strength portions 1B is equal to the dimension LA of the high strength portion 1A.
  • the yield strength of the high-strength portion 1A is 500 MPa (980 MPa in the case of tensile strength) or more.
  • the yield strength of the low strength portion 1B is 60 to 85% of that of the high strength portion 1A.
  • the tensile strength of the low-strength portion 1B is 60 to 85% of the tensile strength of the high-strength portion 1A.
  • the yield strength of the portion other than the high-strength portion 1A and the low-strength portion 1B, that is, the portion 1C on the outer side in the longitudinal direction of the low-strength portion 1B is not less than the low-strength portion 1B.
  • the yield strength of the portion 1C on the outer side in the longitudinal direction of the low strength portion 1B can be made the same as the yield strength of the high strength portion 1A.
  • the low strength portion 1B is a portion having a lower yield strength than the surroundings.
  • the low-strength portion 1B is disposed on both sides of the high-strength portion 1A over the entire circumference, so that the deformation caused by the impact load is not concentrated on the high-strength portion 1A. 1B can be dispersed. In order to do so, it is necessary to satisfy the following three points.
  • the yield strength of the high-strength portion 1A is 500 MPa (980 MPa in the case of tensile strength) or more.
  • the strength ratio of the low strength portion 1B to the high strength portion 1A is 60 to 85%.
  • the dimension LA of the high-strength portion 1A is set to (2/3) D or more and 3D or less of the outer diameter D.
  • the metal tube is less likely to be broken when an impact having the same strength is applied to a position closer to the support portion than the center than when an impact is applied to the center of the two support portions.
  • the intensity distribution near the center of the two support portions of the metal tube is important. Compared with the vicinity of the center of the two support parts, the intensity distribution in the part close to the support part of the metal tube is less important.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the deformation behavior of the metal tube 2 having a circular cross section with a uniform intensity distribution.
  • FIG. 4 is a view for explaining the deformation behavior of the metal tube 1 having the low strength portion 1B as shown in FIGS. 2A to 2C.
  • 3 and 4 show the deformation behavior when the indenter collides in the direction perpendicular to the length direction of the metal tube.
  • 3 and 4 show the configuration of the side as viewed from the direction perpendicular to the direction of collision of the indenter and the length direction of the metal tube.
  • the deformation generated at the bending deformation starting point P due to the impact proceeds in a wedge shape in a side view. As a result, it bends so as to protrude sharply in the bending direction (impact direction). In some cases, the metal tube 2 may crack.
  • the deformation progresses inward from the bending deformation starting point P of the high strength portion 1A.
  • the deformation spreads in the longitudinal direction, and the degree of deformation in the bending direction (impact direction) becomes small.
  • the deformation behavior shown in FIGS. 3 and 4 is not limited to when the indenter collides with the metal tube.
  • a metal tube is bent and deformed by an axial force compressing in the longitudinal direction, or when a force perpendicular to the longitudinal direction is applied statically by pressing an indenter against the metal tube as in a three-point bending test. Bending deformation can also have similar deformation behavior.
  • the dimension LA of the high-strength portion 1A is preferably (2/3) D or more and (4/3) D or less with respect to the outer diameter D. Thereby, the degree of deformation due to an impact on the high-strength portion 1A can be further suppressed.
  • the dimension LB in the longitudinal direction of the low-strength portion 1B is preferably (3/5) D or more. Thereby, the degree of deformation due to an impact on the high-strength portion 1A can be further suppressed.
  • the dimension LB of the low strength portion 1B is, for example, 2D or less, preferably D or less.
  • the dimension LA of the high-strength portion 1A and the dimension LB of the low-strength portion 1B with respect to the outer diameter D are in the above relationship, that is, ((2 / 3D) ⁇ LA ⁇ 3D), preferably ((2/3) D ⁇ LA ⁇ (4/3) D) or ((3/5) D ⁇ LB) is not strictly satisfied.
  • the case where an error that can be regarded as satisfying the above relationship is included is also included.
  • the boundary between the low-strength portion 1B and the high-strength portion 1A is on a line perpendicular to the longitudinal direction of the metal tube.
  • the form of the boundary between the low strength portion and the high strength portion is not limited to this.
  • the boundary between the low strength portion and the high strength portion may meander instead of being perpendicular to the longitudinal direction of the metal tube.
  • the boundary between the low-strength portion and the high-strength portion is assumed to be located between the position near the lowest strength portion and the position near the highest strength portion among the meandering boundaries.
  • the cross section of the metal tube is an ellipse
  • the ratio of the major axis to the minor axis is allowed to be 1.5 or less.
  • the diameter in the impact input direction is regarded as the outer diameter D.
  • the diameter in the direction from the outside to the inside of the vehicle body is regarded as the outside diameter D.
  • the short axis is regarded as the outer diameter D.
  • the high-strength portion 1A at the center of the metal tube 1 in the longitudinal direction. That is, it is preferable that at least a part of the high-strength portion 1 ⁇ / b> A is configured to be located at a central portion in the longitudinal direction of the metal tube 1.
  • the central portion in the length direction of the metal tube 1 is preferably the high strength portion 1A.
  • the metal tube 1 is formed to extend linearly in the longitudinal direction.
  • the metal tube 1 may be curved in the longitudinal direction.
  • the metal tube 1 can have a curved shape so as to be convex in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • 5A to 5D are side views showing an example of the metal tube 1 curved in the longitudinal direction.
  • the metal tube 1 is curved so as to be convex in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the metal tube 1 is curved with a constant curvature over the entire longitudinal direction.
  • the curvature changes according to the position of the metal tube 1 in the longitudinal direction.
  • the metal tube 1 is curved in a part in the longitudinal direction.
  • the metal tube 1 is curved so as to be symmetric when viewed from the direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • 5B, 5C, and 5D has a curved portion (curved portion) and a portion extending on a straight line (straight portion).
  • curved portions are arranged on both sides of the straight portion in the longitudinal direction. That is, a linear part is arrange
  • straight portions are arranged on both sides in the longitudinal direction of the curved portion.
  • a structural member formed by supporting both ends of a curved metal tube 1 has high impact resistance against an impact in a direction facing the convex direction of the curve.
  • the pair of low-strength portions 1B and the high-strength portion 1A therebetween are both disposed in the curved portion of the metal tube 1.
  • the pair of low-strength portions 1 ⁇ / b> B and the high-strength portion 1 ⁇ / b> A therebetween are both arranged in the straight portion of the metal tube 1.
  • the high-strength portion 1A can be arranged in the center of the straight portion.
  • the high-strength portion 1A can be disposed in a portion where the moment when receiving an impact is high.
  • the metal tube 1 can be used as a structural member.
  • the structural member is formed of the metal tube 1 supported at two positions spaced apart in the longitudinal direction of the metal tube 1.
  • the metal tube 1 has two connection parts which are parts connected to other members.
  • the metal tube 1 is supported by another member at the connecting portion.
  • the connecting portion is also referred to as a support portion.
  • the metal tube 1 is fixed to other members. That is, in the connecting portion, the metal tube 1 is connected to other members in a state where relative movement is impossible.
  • the connection part of the metal tube 1 is joined to another member by a fastening member or welding, for example.
  • the number of connecting portions may be three or more.
  • the two connecting portions are arranged at positions separated by 6D or more in the longitudinal direction of the metal tube 1.
  • the distance between the connecting portions is less than 6D, the metal tube is not easily broken even if no special consideration is given, so the effect of the invention is not so much.
  • the metal tube 1 when used as a vehicle center structural member, the metal tube 1 is attached to the vehicle in a state of being supported by two connecting portions spaced apart in the longitudinal direction of the metal tube 1.
  • the metal pipe 1 is a structural member of, for example, a vehicle body, a bumper, or a vehicle door. Therefore, a vehicle body, a bumper, or a vehicle door provided with the metal tube 1 is also included in the embodiment of the present invention.
  • the high-strength portion 1A is arranged at a portion (the center between the two connecting portions) at an equal distance from the two connecting portions.
  • a structural member that supports both ends of the metal tube 1 in which the high-strength portion 1A is disposed at the center in the longitudinal direction is formed.
  • the both end portions include both ends of the metal tube 1 and portions in the vicinity thereof.
  • the metal tube 1 When attaching the metal tube 1 to a vehicle, it is preferable to arrange the metal tube 1 so that the longitudinal direction of the metal tube 1 is along the outer shape of the vehicle. That is, the metal tube 1 is attached so that the impact when the vehicle collides is in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the metal tube 1.
  • a high-strength portion 1A is disposed at the longitudinal center of the metal tube 1, and low-strength portions 1B are disposed on both sides thereof.
  • the metal tube 1 may be curved as described above.
  • the metal tube 1 is preferably attached to the vehicle so as to be convex toward the outside of the vehicle.
  • the metal tube 1 is curved so as to be convex toward the outside of the vehicle. Thereby, when the impact is received from the outside of the vehicle, the metal tube 1 can be made more difficult to break.
  • the metal pipe 1 can be a structural member constituting a part of a vehicle body, a bumper or a vehicle door.
  • the metal pipe 1 may be used as a member constituting the vehicle body such as an A pillar, a B pillar, a side sill, a roof rail, a floor member, and a front side member.
  • the metal pipe 1 may be used as a member attached to the vehicle body such as a door impact beam or a bumper.
  • FIG. 6A is a diagram showing an example of a structural member arranged in a monocoque structure vehicle.
  • the A pillar 15, B pillar 16, side sill 17, roof rail 18, bumper 19, front side member 20, door impact beam 21, floor member 22, and rear side member 23 are used as structural members for the vehicle. It is done.
  • At least one of these structural members for a vehicle may be constituted by the metal pipe 1 described above.
  • both ends of the metal tube 1 are supported by the front side member 20.
  • the moment of load is maximized.
  • a high-strength portion 1A is disposed at the center of the bumper 19 in the left-right direction, and low-strength portions 1B are disposed on both sides thereof. Thereby, the bending deformation by the impact to the center of the bumper 19 is suppressed.
  • brackets are provided and attached to both ends of the metal tube 1. You may weld without providing a bracket.
  • the metal tube 1 is attached to the door frame via brackets at both ends. In any case, by disposing the high-strength portion 1A in the center of the metal tube 1, it is possible to suppress the bending deformation at the portion where the moment when receiving an impact is greatest.
  • the metal pipe 1 may be applied not only to a monocoque structure vehicle but also to a frame structure vehicle body.
  • FIG. 6B shows a vehicle having a vehicle body having a space frame structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-37313.
  • the vehicle body having a space frame structure includes a plurality of pipes 31 and a joint 32 that connects the pipes 31.
  • the pipe 31 is disposed inside the body 30 that covers the surface of the vehicle body.
  • the plurality of pipes 31 include a pipe extending in the up-down direction, a pipe extending in the front-rear direction, and a pipe extending in the left-right direction. At least some of the plurality of pipes 31 can be formed of the metal pipe 1 described above.
  • a pipe tubing material
  • the use of ultra-high strength steel having a tensile strength (tensile strength of a portion other than the low strength portion 1B) of 780 MPa or more (yield strength of 400 Mpa or more) provides the above-described effects. Appears prominently. Furthermore, the effect of the region other than the low-strength portion 1B of the metal tube 1 can be further improved by making the tensile strength 980 MPa or more (yield strength 500 MPa or more).
  • the structural member of the vehicle to which the metal tube 1 can be applied is not limited to a four-wheel vehicle such as an automobile shown in FIG. 6.
  • the metal tube 1 may be used as a structural member of a two-wheeled vehicle.
  • the use of the structural member comprised with the metal pipe 1 is not restricted to vehicles.
  • the aspect which uses the metal pipe 1 as a structural member is not restricted to the aspect which connects the both ends of the metal pipe 1 to another member.
  • Other members may be connected at any two positions separated by 6D or more in the longitudinal direction of the metal tube 1. That is, the two connecting portions are not limited to both ends, and may be disposed at any position of the metal tube 1.
  • the metal tube 1 can be formed entirely of the same material.
  • the metal tube 1 can be formed from a steel plate.
  • a tubular structural member (round tube) having a circular cross section is formed by rolling one steel plate and joining one end portion of the steel plate and the other opposite end portion by welding or the like.
  • the metal tube 1 is formed by penetrating a hole in a solid cylinder in the axial direction.
  • a bending method such as press bending, tensile bending, compression bending, roll bending, push-through bending, or eccentric plug bending is used.
  • the manufacturing process of the metal tube 1 includes a process of forming a low strength portion in the material.
  • the method for forming the low-strength portion is not particularly limited.
  • the metal tube 1 including the hardened region can be created by locally heating and quenching the material by a method such as laser or high-frequency heating. it can. In this case, a region where no quenching is performed becomes a low strength portion having a relatively low strength.
  • the low strength portion can be formed by performing a partial annealing treatment.
  • the metal tube 1 curved in the longitudinal direction can be produced by sequentially performing heating, bending moment application, and cooling while moving the tubular member in the axial direction.
  • an induction heating coil is disposed on the outer periphery of the tubular member, and the tubular member is locally heated to a plastically deformable temperature.
  • a bending moment is applied by moving a movable gripping means such as a movable roller die provided on a tubular member downstream of the induction heating coil while moving the heating portion in the tubular direction.
  • the curved portion is cooled by a cooling device between the induction heating coil and the movable gripping means.
  • the low strength portion can be formed in the tubular member by changing the heating and cooling conditions in the outer circumferential direction of the tubular member.
  • the manufacturing method of the metal tube 1 is not restricted to the said example.
  • the metal tube 1 having a low-strength portion can be formed using a tailored blank or other known methods.
  • the tailored blank is employed, the present invention can be applied not only to a steel pipe but also to a metal pipe such as aluminum.
  • the distribution of the yield strength of the high strength portion 1A may not be uniform. In the steady region, the variation in yield strength is often within ⁇ 10%.
  • SA reference strength
  • a region (transition region) having a yield strength greater than 0.85 SA and less than 0.9 SA (85% to 90% of SA) is regarded as a part of the high-strength portion 1A.
  • the yield strength in the high-strength portion 1A is greater than 0.85 SA (85% of SA). That is, the region where the yield strength is greater than 0.85 SA is the high strength portion 1A.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a distribution of yield strength in a portion including a boundary between a low strength portion and a high strength portion.
  • the vertical axis indicates the yield strength
  • the horizontal axis indicates the position in the y direction.
  • 90% (0.9Smax) of the maximum value Smax of the yield strength of the high strength portion is defined as the yield strength SA of the high strength portion.
  • a region where the yield strength is 0.9 SA or more is called a steady region.
  • the region where the yield strength is larger than 0.85 SA and smaller than 0.9 SA is a transition region from the low strength portion to the steady region of the high strength portion.
  • the transition zone is considered as a high intensity part.
  • the position where the yield strength is 0.85A is the boundary between the low strength portion and the high strength portion. That is, a region where the yield strength is greater than 0.85 SA is a high strength portion, and a region where the yield strength is 0.85 SA or less is a low strength portion.
  • the yield strength of the low strength part is 0.6 SA or more and 0.85 SA or less (60 to 85% of SA). Even if the portion surrounded by the low-strength portion of the metal tube 1 includes a portion of 0.6 SA or less, if the portion is small enough to ignore the deformation behavior of the metal tube 1, the strength is low. Considered part of the department.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a configuration of an analysis model in simulation.
  • the mass of the indenter 4 was 350 kg
  • the width WI in the Y direction of the indenter 4 was 160 mm
  • the radius of curvature R of the collision surface 4s of the indenter 4 was 150 mm
  • the initial speed of the indenter 4 was 4 m / sec.
  • the friction coefficient was set to 0.1.
  • the cross section of the metal tube 10 was circular.
  • the outer diameter D of the metal tube 10 was 50 mm
  • the plate thickness of the metal tube 10 was 1.4 mm
  • the length LY of the metal tube 10 was 1000 mm.
  • the distance LS between the tables 3 was 400 mm.
  • FIG. 8B is a diagram showing another configuration of the analysis model in the simulation.
  • both ends of the metal tube 10 are joined to the two tables 3.
  • the simulation model simulation result shown in FIG. 8B was the same as the simulation model simulation result shown in FIG. 8A.
  • the yield strength of the low strength portion 10B is 100 kgf / mm 2 and the yield strength of other regions including the high strength portion 10A is 120 kgf / mm 2 (the strength ratio of the high strength portion 10A and the low strength portion 10B is about 0.83).
  • the collision simulation was performed by changing the dimension LA of the high-strength portion 10A and the dimension LB of the low-strength portion 10B.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing simulation results of deformation of the metal tube 10 when the intrusion amount of the indenter 4 is 40 mm.
  • FIG. 9A shows a so-called “cross-sectional collapse” deformation mode in which the wall of the metal tube 10 is crushed by being pressed by the indenter 4.
  • the surface of the metal tube 10 is deformed along the shape of the impact surface 4 s of the impactor 4.
  • the result shown in FIG. 9B shows a so-called “folding” deformation mode in which the wall of the metal tube 10 is bent so as to protrude sharply.
  • Table 1 below shows that the strength ratio is 0.83 (the yield strength of the low-strength portion 10B is YP100 kgf / mm 2 , and the yield strength of other portions including the high-strength portion 10A is YP120 kgf / mm 2 ).
  • transformation behavior obtained from the simulation result at the time of changing the dimension LA of the part 1A and the plate thickness t of the metal tube 10 is shown.
  • Excellent in the deformation behavior column is very good, Good is good, Poor is poor.
  • the evaluation of these deformation behaviors was made based on the indentation amount when the breakage occurred.
  • the intrusion amount of the indenter can also be referred to as an impactor stroke or an indenter displacement.
  • FIG. 10 shows the simulation results of the load and absorbed energy applied to the metal tube 10 under the conditions of Case 1, Case 3, and Case 6 shown in Table 1 above.
  • the horizontal axis indicates the stroke, that is, the intrusion amount (mm) of the indenter 4, and the vertical axis indicates the load (kN) and the absorbed energy (J).
  • a broken line E1 indicates the absorbed energy in the case of Case1.
  • a broken line E3 indicates the absorbed energy in the case of Case3.
  • a broken line E6 indicates the absorbed energy in the case of Case6.
  • Case 6 is less likely to cause a bending mode than Case 1, and the load is maintained at a high level. As a result, the absorbed energy of Case 6 is superior to that of Case 1. Case 3 can achieve a very high absorption energy because it is less likely to cause a folding mode than Case 1 and Case 6.
  • FIG. 11 is a graph showing a simulation result of the impactor stroke at the time of occurrence of breakage in Cases 1 to 12 in Table 1.
  • the impactor stroke at the time of occurrence of breakage is larger than in the case where Case 1 or the low strength portion 10B is not provided.
  • the impactor stroke at the time of occurrence of breakage is projected and increased.
  • folds are particularly difficult to occur.
  • FIG. 12 is a graph showing the amount of deformation due to bending deformation when an impact load is input by changing the strength ratio of the low strength portion 10B and other portions including the high strength portion 10A.
  • the vertical axis indicates the amount of penetration (protrusion amount) of the metal tube 10 in the impact direction (z direction).
  • the rhombus plot shows the results when the yield strength of the high strength portion is YS120 kgf / mm 2
  • the square plot shows the results when the yield strength of the high strength portion is 145 kgf / mm 2. Results are shown.
  • the intrusion amount decreases as the intensity ratio increases (arrow Y1).
  • the deformation mode of the metal tube 10 is crushed.
  • the intensity ratio exceeded 0.85, the amount of penetration increased rapidly (arrow Y2).
  • the intensity ratio was increased at an intensity ratio of 0.85 or more, the amount of penetration increased with increasing intensity ratio (arrow Y3). This is presumably because the deformation mode changed from cross-sectional crushing to folding at the intensity ratio of 0.85.
  • the strength ratio is preferably 60 to 85% and the strength ratio is more preferably 70 to 85% from the viewpoint of reducing the amount of bending deformation intrusion due to impact.
  • the cross-sectional shape of the metal tube 1 is not limited to a strictly circular shape.
  • the cross-sectional shape of the metal tube 1 may be an ellipse that is flat enough to be regarded as a substantially circular shape.
  • a part of the outer edge in the cross section of the metal tube 1 may be not a circular arc but a straight line.
  • the metal pipe of the present invention is suitably applied to steel pipes in a wide field, but is not limited to steel pipes and can be applied to aluminum pipes and other metal pipes.
  • Metal pipe 1A High strength part 1B: Low strength part

Abstract

金属管（１）は、外径Ｄの円形断面を有し、長さが６Ｄ以上である。金属管（１）は、高強度部（１Ａ）と、低強度部（１Ｂ）を備える。高強度部（１Ａ）は、金属管長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に、金属管（１）の全周にわたって配置される。高強度部（１Ａ）の降伏強度は、５００Ｍｐａ（引張強度なら９８０ＭＰａ）以上である。低強度部（１Ｂ）は、高強度部（１Ａ）の金属管長手方向両側に金属管（１）の全周にわたって配置される。低強度部（１Ｂ）の降伏強度は、高強度部（１Ａ）の６０～８５％である。

Description

金属管、及び金属管を用いた構造部材
　本発明は、耐衝撃性を有する金属管及び金属管を用いた構造部材に関する。
　円形断面を有する金属管すなわち丸管は、経済性及び汎用性が高い。そのため、丸管は、様々な用途に用いられる。例えば、車両、建物、大型容器の構造部材に丸管が用いられる。このような構造部材には、衝撃に対する耐衝撃性が求められる。
　例えば、国際公開２００５／０５８６２４号（特許文献１）には、耐衝撃用として、自動車の車体に両端支持の構造で装着される金属管が開示されている。この金属管は、全長又は部分的に曲がり部を有する。曲がり部の外周側が車体に加わる衝撃方向に略合致するよう配置される。この金属管は、真直管を用いた補強部材に比べ、車体補強用として優れた耐衝撃性を有する。
国際公開２００５／０５８６２４号
　金属管は、降伏強度を超える衝撃を受けると折れ曲がり、折れ曲がり部が突出する。金属管を軽量化のために薄肉化すると、衝撃で折れたときの突出度合いが大きくなりやすい。これに対して、例えば、金属管を構造部材として用いる場合は、衝突による衝撃で変形した金属管が折れ曲がって突出する度合いは、より小さいことが乗員保護の観点から好ましい。
　そこで、本願は、衝撃による変形時の突出度合いをより小さくできる金属管及びそれを用いた構造部材を開示する。
　本発明の実施形態における金属管は、外径Ｄの円形断面を有し、長さが６Ｄ以上の金属管である。前記金属管は、高強度部と、低強度部を備える。前記高強度部は、前記金属管長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に、前記金属管の全周にわたって配置される。前記高強度部の降伏強度は、５００ＭＰａ（引張強度なら９８０ＭＰａ）以上である。前記低強度部は、前記高強度部の前記金属管長手方向両側に前記金属管の全周にわたって配置される。前記低強度部の降伏強度は、前記高強度部の６０～８５％である。
　本願開示によれば、衝撃による変形時の突出度合いをより小さくできる金属管及びそれを用いた構造部材を提供することができる。
図１Ａは、両端部が支持された丸管の構成例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す丸管の変形挙動例を示す図である。 図１Ｃは、図１Ａに示す丸管の他の変形挙動例を示す図である。 図２Ａは、本実施形態における金属管１の構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す金属管をＹ方向から見た側面図である。 図２Ｃは、図２Ａに示す金属管をＸ方向から見た側面図である。 図３は、一様な強度分布を持つ金属管の変形挙動を説明するための図である。 図４は、高強度部を挟む低強度部を有する金属管の変形挙動を説明するための図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 湾曲した金属管の例を示す側面図である。 図６Ａは、車両に配置される構造部材の一例を示す図である。 図６Ｂは、スペースフレーム構造の車体を有する車両の一例を示す図である。 図７は、低強度部と高強度部の境界を含む部分の降伏強度の分布の一例を示す図である。 図８Ａは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。 図８Ｂは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。 図９Ａは、金属管の変形のシミュレーション結果を示す図である。 図９Ｂは、金属管の変形のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、荷重及び吸収エネルギーのシミュレーション結果を示すグラフである。 図１１は、折れ発生時のインパクタストロークのシミュレーション結果を示すグラフである。 図１２は、低強度部と高強度部の強度比を変えて衝撃荷重を入力した場合の、曲げ変形による変形量を示すグラフである。
　発明者は、丸管を構造部材として用いた場合の衝撃に対する挙動について調べた。丸管を構造部材として用いる場合、丸管は、例えば、図１Ａに示すように、両端部が支持された状態で、構造物（例えば、車両、建物又は容器等）の一部を構成する。発明者は、両端部が支持された丸管の衝撃に対する挙動を調べたところ、丸管の径に対する長さが６倍程度以上の場合、衝撃による変形度合いが大きくなる事態が発生することがわかった。
　例えば、両端部が支持された丸管の長手方向中央（図１Ａのｙ１）に衝撃が加わった場合、丸管は、衝撃後早期に折れて変形する（図１Ｂ参照）。この早期折れ変形の突出度合いは、丸管の長手方向中央と一方の支持部との間の位置（図１Ａのｙ２）に衝撃が加わった場合（図１Ｃ参照）の変形による突出度合いより大きくなる。解析の結果、両端部が支持された丸管の長手方向中央へ衝撃が加わった場合に、最もモーメントの負荷が高くなることがわかった。
　発明者は、丸管の強度を上げる又は形状を工夫することで、衝撃による丸管の変形度合いを小さくすることを検討した。しかし、丸管の強度を上げても変形による突出度合は変化しない。また、丸管の形状を変えると、丸管の持つ経済性及び汎用性等のメリットがなくなってしまう。そこで、発明者は、丸管の強度分布を変化させることで、折れ変形を抑えることをさらに検討した。
　発明者は、丸管の材料強度及び強度分布について、鋭意検討した結果、丸管に、他の部分より強度が低い低強度部を、長手方向に並べて配置する構成に想到した。すなわち、高強度部の両側に高強度部より強度の低い低強度部を丸管の全周に渡って配置する構成に想到した。この構成において、高強度部に加わった衝撃による荷重が低強度部に伝達し、折れ変形が抑えられることを見出した。そして、さらなる試行錯誤の結果、高強度部の強度、低強度部の高強度部に対する強度比、高強度部の長手方向の寸法を適切に設定することにより、高強度部に対する衝撃による変形度合いを効果的に低減できることを見出した。この知見に基づき、下記実施形態の丸管に想到した。
　［実施形態］
　図２Ａは、本実施形態における金属管１の構成を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示す金属管１を長手方向（Ｙ方向）から見た側面図である。図２Ｃは、図２Ａに示す金属管１を長手方向に垂直な方向（Ｘ方向）から見た側面図である。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、金属管１は、外径Ｄの円形断面を有し、長さＬＹが６Ｄ以上の金属管である。金属管１は、高強度部１Ａと、その両側に配置される低強度部１Ｂを備える。高強度部１Ａ及び低強度部１Ｂは、金属管１の全周にわたって配置される。図２Ｃに示すように、高強度部１Ａは、金属管１の長手方向（Ｙ方向）において、外径Ｄの（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の寸法ＬＡにわたって配置される（（２／３）Ｄ≦ＬＡ≦３Ｄ）。一対の低強度部１Ｂの間の距離は、高強度部１Ａの寸法ＬＡに等しい。高強度部１Ａの降伏強度は、５００ＭＰａ（引張強度の場合は、９８０ＭＰａ）以上である。低強度部１Ｂの降伏強度は、高強度部１Ａの６０～８５％である。なお、低強度部１Ｂの引張強度も、同様に、高強度部１Ａの引張強度の６０～８５％とする。
　高強度部１Ａ及び低強度部１Ｂ以外の部分すなわち、低強度部１Ｂの長手方向外側の部分１Ｃの降伏強度は、低強度部１Ｂ以上とする。例えば、低強度部１Ｂの長手方向外側の部分１Ｃの降伏強度は、高強度部１Ａの降伏強度と同じにすることができる。本例では、低強度部１Ｂは、周りよりも降伏強度が低い部分である。
　図２Ａ～図２Ｃに示すように、高強度部１Ａの両側に低強度部１Ｂを全周に渡って配置することで、衝撃荷重による変形を高強度部１Ａに集中させることなく、低強度部１Ｂに分散させることができる。そうするために、次の３点を満たす必要がある。第１に、高強度部１Ａの降伏強度は、５００ＭＰａ（引張強度の場合は９８０ＭＰａ）以上とする。第２に、低強度部１Ｂの高強度部１Ａに対する強度比を６０～８５％とする。第３に、高強度部１Ａの寸法ＬＡを、外径Ｄの（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下とする。そうすることで、高強度部１Ａへの衝撃による荷重による変形を、早期に、低強度部１Ｂに分散することができる。その結果、高強度部１Ａへの衝撃による折れ変形を抑えることができる。
　金属管１のように、長さＬＹが６Ｄ以上の細長い金属管では、長手方向に離間した２つの支持部で支持された状態で、２つの支持部の中央付近に衝撃が加わった場合に、金属管の２つの支持部の中央付近に生じる曲げモーメントが最も大きくなることが発明者の調査によりわかった。この知見に基づいて、２つの支持部の中央付近に高強度部１Ａを配置し、高強度部１Ａの両側に低強度部１Ｂを配置することで、衝撃による金属管１の中央部の折れを避けることができる。金属管の支持部に近い箇所に衝撃が加わった場合、中央に衝撃が加わった場合に比べ、曲げモーメントの負荷が大きくならない。そのため、２つの支持部の中央に衝撃が加わった場合よりも、中央より支持部に近い位置に同じ強さの衝撃が加わった場合の方が、金属管は折れ難い。この観点から、金属管の２つの支持部の中央付近の強度分布が重要である。２つの支持部の中央付近に比べ、金属管の支持部に近い箇所の強度分布については、重要度は低い。
　図３は、一様な強度分布を持つ円形断面を有する金属管２の変形挙動を説明するための図である。図４は、図２Ａ～図２Ｃに示すような低強度部１Ｂを有する金属管１の変形挙動を説明するための図である。図３及び図４は、金属管の長さ方向の垂直な方向に圧子を衝突させた場合の変形挙動を示す。図３及び図４は、圧子の衝突の方向及び金属管の長さ方向に垂直な方向から見た側面の構成を示す。
　図３に示すように、一様な強度分布を持つ金属管２では、衝撃により、曲げ変形起点Ｐで発生した変形は、側面視でくさび状になるように進行する。その結果、曲げ方向（衝撃の方向）に鋭く突出するように折れ曲がる。場合によっては、金属管２にひびが入ることもある。
　図４に示すように、高強度部１Ａの両側に低強度部１Ｂ（図４ではドットで示される領域）を有する金属管１では、高強度部１Ａの曲げ変形起点Ｐから内側へ進行する変形は、高強度部１Ａと低強度部１Ｂの境界に達すると、比較的強度の低い横方向（金属管１の長手方向）に進行しやすくなる。そのため、変形は長手方向に広がり、曲げ方向（衝撃方向）の変形度合いが小さくなる。
　なお、図３及び図４に示す変形挙動は、圧子を金属管に衝突させた場合に限られない。例えば、金属管を長手方向に圧縮する軸力により曲げ変形する場合や、３点曲げ試験のように、金属管に圧子を押し付けて長手方向に垂直な方向の力を静的に加えたときの曲げ変形も、同様の変形挙動となり得る。
　図２Ａ～図２Ｃに示す金属管１において、高強度部１Ａの寸法ＬＡは、外径Ｄに対して、（２／３）Ｄ以上、（４／３）Ｄ以下とすることが好ましい。これにより、さらに、高強度部１Ａへの衝撃による変形度合いをより抑えることができる。
　また、低強度部１Ｂの長手方向の寸法ＬＢは、（３／５）Ｄ以上とすることが好ましい。これにより、高強度部１Ａへの衝撃による変形度合いをより抑えることができる。低強度部１Ｂの寸法ＬＢは、金属管１の強度確保の観点から、例えば、２Ｄ以下、好ましくは、Ｄ以下とすることが好ましい。
　なお、外径Ｄに対する高強度部１Ａの寸法ＬＡ及び低強度部１Ｂの寸法ＬＢは、上記の関係、すなわち、（（２／３Ｄ）≦ＬＡ≦３Ｄ）、好ましくは（（２／３）Ｄ≦ＬＡ≦（４／３）Ｄ）又は、（（３／５）Ｄ≦ＬＢ）を厳密に満たす場合に限られない。上記関係を満たすと見なせる程度の誤差を含む場合も含まれる。また、図２に示す例では、低強度部１Ｂと高強度部１Ａの境界は、金属管の長手方向に垂直な線上にある。低強度部と高強度部の境界の形態はこれに限られない。例えば、低強度部と高強度部の境界が金属管の長手方向に垂直ではなく蛇行していてもよい。この場合、蛇行する境界のうち最も低強度部寄りの位置と最も高強度部寄りの位置の中間に、低強度部と高強度部の境界が位置するとみなす。金属管の断面が楕円の場合は、長軸と短軸の比が１．５以下までを許容する。楕円の場合、衝撃入力方向の径を外径Ｄとみなす。例えば、自動車の骨格部材に適用した場合、車体の外側から内側に向かう方向の径を外径Ｄとみなす。金属管が楕円かつねじれている場合、短軸を外径Ｄとみなす。
　また、高強度部１Ａを金属管１の長手方向中央に配置することが好ましい。すなわち、高強度部１Ａの少なくとも一部が、金属管１の長手方向中央の部分に位置するよう構成することが好ましい。換言すると、金属管１の長さ方向中央部を高強度部１Ａとすることが好ましい。これにより、金属管１の中央への衝撃による折れを抑えることができる。例えば、両端部が支持され金属管１において、衝撃によるモーメントが最も大きくなる中央の折れ変形を効果的に抑えることができる。
　図２Ａに示す例では、金属管１は、長手方向に直線状に延びて形成される。これに対して、金属管１は、長手方向において湾曲していてもよい。例えば、金属管１は、長手方向に垂直な方向に凸となるよう湾曲した形状にすることができる。
　図５Ａ～図５Ｄは、長手方向において湾曲した金属管１の例を示す側面図である。図５Ａ～図５Ｄに示す例では、金属管１は、長手方向に垂直な方向に凸となるよう湾曲している。図５Ａでは、金属管１は、長手方向全体にわたって一定の曲率で湾曲している。図５Ｂ及び図５Ｃでは、金属管１の長手方向の位置に応じて曲率が変化している。図５Ｄでは、金属管１は、長手方向の一部において湾曲している。図５Ａ及び図５Ｄに示す例では、金属管１は、長手方向に垂直な方向から見て左右対称となるよう湾曲している。図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄの金属管１は、湾曲している部分（湾曲部）と、直線上に延びる部分（直線部）とを有する。図５Ｃに示す例では、直線部の長手方向両側に湾曲部が配置される。すなわち、湾曲部の間に直線部が配置される。図５Ｄに示す例では、湾曲部の長手方向両側に直線部が配置される。
　このように、金属管１を長手方向に垂直な方向に凸となるよう湾曲させることで、湾曲の凸方向に対向する向きの衝撃に対する耐衝撃性を向上させることができる。例えば、湾曲した金属管１の両端部を支持してなる構造部材は、湾曲の凸方向に対向する向きの衝撃に対して、高い耐衝撃性を有する。
　図５Ａ及び図５Ｄに示す例では、一対の低強度部１Ｂとその間の高強度部１Ａは、いずれも金属管１の湾曲部に配置される。図５Ｂ及び図５Ｃに示す例では、一対の低強度部１Ｂとその間の高強度部１Ａは、いずれも金属管１の直線部に配置される。低強度部１Ｂと高強度部１Ａを直線部に配置する場合、例えば、直線部の中央に高強度部１Ａを配置することができる。これにより、衝撃を受けたときのモーメントが高くなる部分に高強度部１Ａを配置することができる。
　［構造部材、車両への適用例］
　上記の金属管１は、構造部材として用いることができる。この場合、例えば、金属管１の長手方向に離間した２箇所で支持された金属管１で構造部材を形成する。この場合、金属管１は、他の部材に連結される部分である連結部を２つ有する。金属管１は、連結部において他の部材に支持される。連結部は、支持部とも称する。連結部では、金属管１は、他の部材に対して固定される。すなわち、連結部において、金属管１は、他の部材に対して、相対運動不可能な状態で連結される。金属管１の連結部は、例えば、締結部材又は溶接により他の部材と接合される。なお、連結部は、３つ以上であってもよい。
　２つの連結部は、金属管１の長手方向において６Ｄ以上離れた位置に配置される。連結部の離間距離が６Ｄ未満の場合、特に何も配慮しなくても金属管が折れにくいため、発明の効果があまりない。
　例えば、金属管１を車両央構造部材として用いる場合は、金属管１は、金属管１の長手方向に離間した２つの連結部で支持した状態で車両に取り付けられる。金属管１は、例えば、車体、バンパ又は車両ドアの構造部材となる。そのため、金属管１を備える車体、パンパ又は車両ドアも、本発明の実施形態に含まれる。
　２つ連結部で支持された金属管１で形成される構造部材では、２つの連結部の間に、一対の低強度部１Ｂとその間の高強度部１Ａを配置する。これにより、金属管１において、衝撃が加わった場合のモーメントが大きくなる部分を折れにくくすることができる。その結果、耐衝撃性が高い構造部材が得られる。
　例えば、２つの連結部から等しい距離の部分（２つの連結部の間の中央）に高強度部１Ａを配置する。例えば、長手方向中央に高強度部１Ａが配置された金属管１の両端部を支持した構造部材を形成する。ここで、両端部とは、金属管１の両端及びその近傍の部分を含む。
　金属管１を車両に取り付ける場合、金属管１の長手方向が車両の外形に沿うよう金属管１を配置することが好ましい。すなわち、車両が衝突した場合の衝撃が金属管１の長手方向に垂直な方向となるように、金属管１が取り付けられる。金属管１の長手方向中央に高強度部１Ａが配置され、その両側に低強度部１Ｂが配置される。これにより、金属管１の中央に車両の外側から衝撃を受けた場合に、金属管１が車両の内側へ突出する度合が小さくなる。そのため、車両内の装置又人に金属管１が接触する可能性がより低くなる。例えば、金属管１が、衝突時に客室内に向かって折れることが避けられる。これにより、安全性がより向上する。
　金属管１は、上記のように、湾曲していてもよい。例えば、金属管１は、車両の外側に向かって凸となるよう車両に取り付けることが好ましい。この場合、金属管１は、車両の外側に凸となるように湾曲している。これにより、車両の外側から衝撃を受けた場合に、金属管１をより折れにくくすることができる。
　金属管１は、車体、バンパ又は車両ドアの一部を構成する構造部材とすることができる。例えば、Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、ルーフレール、フロアメンバー、フロントサイドメンバーといった車体を構成する部材に金属管１を用いてもよい。或いは、ドアインパクトビームやバンパといった車体に取り付けられる部材に金属管１を用いてもよい。
　図６Ａは、モノコック構造の車両に配置される構造部材の一例を示す図である。図６Ａに示す例では、Ａピラー１５、Ｂピラー１６、サイドシル１７、ルーフレール１８、バンパ１９、フロントサイドメンバー２０、ドアインパクトビーム２１、フロアメンバー２２、及び、リアサイドメンバー２３が車両用構造部材として用いられる。これらの車両用構造部材の少なくとも１つを、上記の金属管１で構成してもよい。
　バンパ１９を金属管１で形成する場合、金属管１の両端部をフロントサイドメンバー２０で支持する構成とする。この構成では、バンパ１９の中央に衝撃が加わった場合に、荷重のモーメントが最大となる。バンパ１９の左右方向中央に高強度部１Ａが配置され、その両側に低強度部１Ｂが配置される。これにより、バンパ１９の中央への衝撃による折れ変形が抑えられる。
　ドアインパクトビーム２１を金属管１で形成する場合、金属管１の両端部にブラケットを設け取り付けられる。ブラケットを設けずに溶接してもよい。金属管１は、両端部のブラケットを介してドアフレームに取り付けられる。いずれの場合も、高強度部１Ａを金属管１の中央に配置することで、衝撃を受けた際のモーメントが最も大きくなる部分での折れ変形を抑えることができる。
　金属管１は、モノコック構造の車両のみならず、フレーム構造の車体に適用してもよい。図６Ｂは、特開２０１１－３７３１３に開示されたスペースフレーム構造の車体を有する車両である。スペースフレーム構造の車体は、複数のパイプ３１と、パイプ３１を連結するジョイント３２を備える。パイプ３１は、車体の表面を覆うボディ３０の内部に配置される。複数のパイプ３１は、上下方向に延びるパイプ、前後方向に延びるパイプ、及び、左右方向に延びるパイプを含む。複数のパイプ３１の少なくとも一部を、上記の金属管１で形成することができる。このように、スペースフレーム構造の車体を構成するパイプ（管材）に上記の金属管１を適用すると、パイプが、乗員やエンジンのある車体内側に深く折れ曲がることが無いため、効果的である。
　車両の構造部材を構成する金属管１の材料として、引張強度（低強度部１Ｂ以外の部分の引張強度）が７８０ＭＰａ以上（降伏強度４００Ｍｐａ以上）の超高強度鋼を用いると、上記の効果が顕著に現れる。さらには、金属管１の低強度部１Ｂ以外の領域の強度を、引張強度で９８０ＭＰａ以上（降伏強度で５００ＭＰａ以上）とすることで、より効果を奏することができる。
　なお、金属管１を適用できる車両の構造部材は、図６に示す自動車のような４輪車両に限られず、例えば、二輪車両の構造部材として金属管１を用いてもよい。また、金属管１で構成される構造部材の用途は、車両用に限られない。例えば、耐衝撃性容器、建築物、船舶、又は、航空機等の構造部材として、金属管１を用いてもよい。
　また、金属管１を構造部材として用いる態様は、金属管１の両端部を他の部材に連結する態様に限られない。金属管１の長手方向に６Ｄ以上離れた任意の２つの位置で、他の部材を連結してもよい。すなわち、２つの連結部は、両端に限らずに、金属管１の任意の位置に配置してもよい。
　［製造工程］
　金属管１は、全体を同一素材で形成することができる。一例として、金属管１は、鋼板から形成することができる。例えば、１枚の鋼板を丸めて、鋼板の一方の端部と、対向する他方の端部とを溶接等により接合することで、円形の断面を有する管状の構造部材（丸管）を形成される。或いは、中実の円柱に軸方向に孔を貫通させて金属管１を形成される。丸管を湾曲させる場合は、例えば、プレス曲げ、引張り曲げ、圧縮曲げ、ロール曲げ、押し通し曲げ、又は偏心プラグ曲げ等の曲げ加工方法を用いられる。
　金属管１の製造工程には、素材に低強度部を形成する工程が含まれる。低強度部を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー又は高周波加熱等の方法で、材料を局所的に加熱、焼き入れを行うことで、硬化領域を含む金属管１を作り出すことができる。この場合、焼き入れを行わない領域が、相対的に強度が低い低強度部となる。また、調質処理を行って丸管の全体を強化した後に、部分的に焼鈍処理を行って低強度部を形成することもできる。
　或いは、管状部材を、軸方向に移動させながら、加熱、曲げモーメント付与、及び冷却を順次施すことで、長手方向において湾曲した金属管１を作製することができる。この方法では、管状部材の外周に、誘導加熱コイルを配置して、管状部材を局部的に塑性変形可能温度に加熱する。この加熱部を管状方向に移動させながら、誘導加熱コイルより下流の管状部材に設けられた可動ローラダイス等の可動把持手段を動かすことにより、曲げモーメントを付与する。このようにして湾曲させた部分を、誘導加熱コイルと可動把持手段との間の冷却装置により冷却する。この工程において、例えば、加熱及び冷却の条件を管状部材の外周方向において異ならせることで、管状部材に低強度部を形成することができる。
　なお、金属管１の製造方法は、上記例に限られない。テーラードブランク、その他公知の方法を用いて、低強度部を有する金属管１を形成することができる。テーラードブランクを採用する場合、本発明は鋼管のみならず、例えば、アルミニウム等の金属管にも適用できる。
　上記の金属管１においては、高強度部１Ａの降伏強度の分布が一様でない場合がある。定常域では、降伏強度のばらつきは、±１０％以内となることが多い。ここでは、高強度部１Ａの降伏強度の最大値Ｓｍａｘの９０％を、高強度部１Ａの降伏強度ＳＡ（基準強度）と定義する（ＳＡ＝０．９Ｓｍａｘ）。降伏強度が０．８５ＳＡより大きく０．９ＳＡより小さい（ＳＡの８５％～９０％）領域（遷移域）は、高強度部１Ａの一部とみなす。高強度部１Ａにおける降伏強度は、０．８５ＳＡ（ＳＡの８５％）より大きい。すなわち、降伏強度が０．８５ＳＡより大きい領域が高強度部１Ａである。
　図７は、低強度部と高強度部の境界を含む部分の降伏強度の分布の一例を示す図である。図７において、縦軸は降伏強度、横軸はｙ方向の位置を示す。図７に示す例では、高強度部の降伏強度の最大値Ｓｍａｘの９０％（０．９Ｓｍａｘ）が、高強度部の降伏強度ＳＡと定義される。高強度部において、降伏強度が０．９ＳＡ以上の領域は、定常域と称する。また、降伏強度が０．８５ＳＡより大きく０．９ＳＡより小さい領域は、低強度部から高強度部の定常域に至るまでの遷移域である。遷移域は高強度部とみなす。つまり、降伏強度が０．８５Ａの位置が、低強度部と高強度部との境界となる。すなわち、降伏強度が０．８５ＳＡより大きい領域は、高強度部となり、降伏強度が０．８５ＳＡ以下の領域は、低強度部である。
　低強度部の降伏強度は、０．６ＳＡ以上０．８５ＳＡ以下（ＳＡの６０～８５％）である。なお、金属管１の低強度部で囲まれる部分に０．６ＳＡ以下の部分が含まれていても、その部分が金属管１の変形挙動への影響を無視できる程度に小さい場合は、低強度部の一部と見なす。
　本実施例では、円形の断面を有する金属管に圧子を衝突させた場合の金属管の変形をシミュレーションで解析した。図８Ａは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。本シミュレーションでは、金属管１０を２つの台３に架け渡した状態で、金属管１０の長手方向の中央部に、圧子（インパクタ）４を、衝突させた場合の変形挙動を解析した。圧子４の質量は３５０ｋｇとし、圧子４のＹ方向の幅ＷＩは１６０ｍｍ、圧子４の衝突面４ｓの曲率半径Ｒは１５０ｍｍとし、圧子４の初速度は、４ｍ／秒とした。摩擦係数は、０．１とした。金属管１０の断面は円形とした。金属管１０の外形Ｄは５０ｍｍ、金属管１０の板厚は１．４ｍｍ、金属管１０の長さＬＹは１０００ｍｍとした。台３間の距離ＬＳは４００ｍｍとした。
　図８Ｂは、シミュレーションにおける解析モデルの他の構成を示す図である。図８Ｂに示す例では、金属管１０の両端が２つの台３に接合されている。図８Ｂに示す解析モデルのシミュレーションの結果は、図８Ａに示す解析モデルのシミュレーションの結果と同様であった。
　低強度部１０Ｂの降伏強度を１００ｋｇｆ／ｍｍ２、高強度部１０Ａを含むその他の領域の降伏強度を１２０ｋｇｆ／ｍｍ２（高強度部１０Ａと低強度部１０Ｂの強度比を約０．８３）として、高強度部１０Ａの寸法ＬＡ及び低強度部１０Ｂの寸法ＬＢを変化させて、衝突シミュレーションを行った。
　図９Ａ及び図９Ｂは、圧子４の侵入量が４０ｍｍの時の金属管１０の変形のシミュレーション結果を示す図である。図９Ａは、低強度部１０Ｂの間の高強度部１０Ａの寸法ＬＡを金属管１０の外径Ｄと同じにした場合（ＬＡ＝Ｄ）の金属管１０の変形を示す。図９Ｂは、低強度部１０Ｂを設けない場合（ＬＡ＝ＬＢ＝０）の金属管１０の変形を示す。
　図９Ａに示す結果は、金属管１０の壁が圧子４に押されて潰れる、いわゆる「断面潰れ」の変形モードを示している。図９Ａに示す結果では、金属管１０の表面は、インパクタ４の衝撃面４ｓの形状に沿って変形している。図９Ｂに示す結果は、金属管１０の壁が、鋭く突出するように折れ曲がる、いわゆる「折れ」の変形モードを示している。図９Ｂに示す結果では、金属管１０の表面は、折れ曲がることで、インパクタ４の衝撃面４ｓから離れている。このシミュレーション結果により、ＬＡ＝Ｄの条件において、圧子４の侵入量４０ｍｍで折れが発生せず、好ましい変形挙動が得られることがわかった。
　下記表１は、上記強度比を０．８３（低強度部１０Ｂの降伏強度を、ＹＰ１００ｋｇｆ／ｍｍ２、高強度部１０Ａを含むその他の部分の降伏強度を、ＹＰ１２０ｋｇｆ／ｍｍ２）とし、高強度部１Ａの寸法ＬＡ及び金属管１０の板厚ｔを変化させた場合のシミュレーション結果から得られる変形挙動を示す。表１において、変形挙動欄のExcellentは非常に良好、Goodは良好、Poorは、不良を示す。これらの変形挙動の評価は、折れが発生する時の圧子の侵入量に基づいて判断した。圧子の侵入量は、インパクタストローク又は圧子変位と称することもできる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　図１０は、上記表１に示すＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ３、及びＣａｓｅ６の条件における金属管１０にかかる荷重及び吸収エネルギーのシミュレーション結果を示す。図１０において、横軸はストロークすなわち圧子４の侵入量(mm)、縦軸は荷重(kN)及び吸収エネルギー(J)を示す。実線Ｋ１は、Ｃａｓｅ１（ＬＡ＝０）の場合の荷重とストロークとの関係を示す。実線Ｋ３は、Ｃａｓｅ３（ＬＡ＝Ｄ）の場合の荷重とストロークとの関係を示す。実線Ｋ６は、Ｃａｓｅ６（ＬＡ＝８Ｄ／３）の場合の荷重とストロークとの関係を示す。破線Ｅ１は、Ｃａｓｅ１の場合の吸収エネルギーを示す。破線Ｅ３は、Ｃａｓｅ３の場合の吸収エネルギーを示す。破線Ｅ６は、Ｃａｓｅ６の場合の吸収エネルギーを示す。
　Ｃａｓｅ６は、Ｃａｓｅ１に比べ、折れモードが生じ難く、荷重は高位を維持している。結果として、Ｃａｓｅ６の吸収エネルギーは、Ｃａｓｅ１に比べて優位となっている。Ｃａｓｅ３は、Ｃａｓｅ１及びＣａｓｅ６に比べて、さらに折れモードが生じ難いため、極めて高い吸収エネルギーを達成できている。
　図１１は、表１におけるＣａｓｅ１～１２における、折れ発生時のインパクタストロークのシミュレーション結果を示すグラフである。図１１に示す結果では、Ｃａｓｅ２～７、１０～１２の場合に、Ｃａｓｅ１すなわち低強度部１０Ｂを設けない場合より、折れ発生時のインパクタストロークが大きくなっている。これにより、Ｃａｓｅ２～７、１０～１２の場合には、低強度部１０Ｂを設けない場合に比べて、折れが発生しにくいことがわかった。また、Ｃａｓｅ２～４の場合は、折れ発生時のインパクタストロークが突出して大きくなっている。これにより、Ｃａｓｅ２～４の場合は、特に、折れが発生しにくくなることがわかった。
　また、低強度部１０Ｂの強度と、高強度部１０Ａを含むその他の部分の強度との強度比を変化させて、衝突シミュレーションを行った。図１２は、低強度部１０Ｂと、高強度部１０Ａを含む他の部分の強度比を変えて衝撃荷重を入力した場合の、曲げ変形による変形量を示すグラフである。図１２において、縦軸は、衝撃方向（ｚ方向）における金属管１０の侵入量（突出量）を示す。横軸は、低強度部１０Ｂの強度の、高強度部１０Ａの強度に対する比（強度比＝低強度部の強度／高強度部の強度）を示す。図１２のグラフでは、ひし形のプロットは、高強度部の降伏強度をＹＳ１２０ｋｇｆ／ｍｍ２とした場合の結果を示し、四角のプロットは、高強度部の降伏強度を１４５ｋｇｆ／ｍｍ２とした場合の結果を示す。
　強度比が、０．６０～０．８５の区間では、強度比の増加に伴って侵入量は減少している（矢印Ｙ１）。この区間では、金属管１０の変形モードは、断面潰れとなっている。この区間において、低強度部１０Ｂの強度が低い(強度比が０．６０以下)場合、断面潰れの変形になるものの、侵入量が大きくなり、強度比が０．８５を越える場合の侵入量と略同じとなった。強度比が０．８５を超えると、侵入量は、急激に増加した（矢印Ｙ２）。さらに、強度比０．８５以上で強度比を増やすと、侵入量は、強度比の増加に応じて大きくなった（矢印Ｙ３）。これは、強度比０．８５を境に、変形モードが、断面潰れから、折れに変化したためと考えられる。このように、低強度部１０Ｂの強度が高すぎる(強度比が高い)と折れ曲がって変形し、侵入量が大きくなった。図１２の結果により、衝撃による曲げ変形の侵入量を少なくする観点から、強度比は６０～８５％が好ましく、強度比は７０～８５％がより好ましいことが確認された。
　以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
　金属管１の断面形状は、厳密に真円である場合に限られない。金属管１の断面形状は、略円形と見なせる程度に、扁平した楕円であってもよい。また、金属管１の断面における外縁の一部が、円弧でなく直線になっていてもよい。本発明の金属管は、広い分野で鋼管に好適に適用されるが、鋼管に限らず、アルミニウム管その他金属管に適用可能である。
　１：金属管
　１Ａ：高強度部
　１Ｂ：低強度部

Claims (11)

  1. 　外径Ｄの円形断面を有し、長さが６Ｄ以上の金属管であって、
    　前記金属管長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に、前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が５００ＭＰａ以上の高強度部と、
    　前記高強度部の前記金属管長手方向両側に前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が前記高強度部の６０～８５％の低強度部と、
    を備える金属管。
  2. 　前記高強度部の前記金属管長手方向の寸法は（２／３）Ｄ以上、（４／３）Ｄ以下である請求項１に記載の金属管。
  3. 　前記低強度部の前記金属管長手方向の寸法は（３／５）Ｄ以上である請求項１又は請求項２に記載の金属管。
  4. 　前記高強度部は前記金属管長手方向中央に配置される請求項１～３のいずれかに記載の金属管。
  5. 　湾曲した請求項１～４のいずれかに記載の金属管。
  6. 　外径Ｄの円形断面を有する金属管を備えた車体、バンパ又は車両ドアであって、
    　前記金属管は、
    　　前記金属管長手方向において６Ｄ以上離れた２箇所における他の部材に連結される部分である連結部と、
    　　前記連結部の間における前記長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が５００ＭＰａ以上の高強度部と、
    　　前記高強度部の前記金属管長手方向両側に前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が前記高強度部の６０～８５％の低強度部と、を備える、車体、バンパ又は車両ドア。
  7. 　前記金属管の前記高強度部の前記金属管長手方向の寸法は（２／３）Ｄ以上、（４／３）Ｄ以下である請求項６に記載の車体、バンパ又は車両ドア。
  8. 　前記金属管の前記低強度部の前記金属管長手方向の寸法は（３／５）Ｄ以上である請求項６又は請求項７に記載の車体、バンパ又は車両ドア。
  9. 　前記金属管の前記高強度部は、前記２つの連結部の間の中央に配置される、請求項６～８のいずれかに記載の車体、バンパ、車両ドア。
  10. 　前記金属管は、前記車両の外側に凸となるように湾曲している、請求項６～９のいずれか１項に記載の車体、バンパ、車両ドア。
  11. 　前記車体は、スペースフレーム構造である、請求項６～１０のいずれかに１項に記載の車体。
     
     
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