WO2021166988A1

WO2021166988A1 - 車体構造部材及び車体構造部材の設計方法

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Publication number: WO2021166988A1
Application number: PCT/JP2021/006055
Authority: WO
Inventors: 雅彦阿部
Original assignee: 日本製鉄株式会社
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2021-08-26
Also published as: US20230093164A1; JPWO2021166988A1; EP4108546A1; CN115103795A; EP4108546A4; JP7243913B2

Abstract

この車体構造部材は、長手方向に延在する車体構造部材（１）であって、長手方向の少なくとも一部において、長手方向に垂直な断面が、下記（１）式～（３）式を満たす。

Description

車体構造部材及び車体構造部材の設計方法

　本開示は、車体構造部材及び車体構造部材の設計方法に関する。本願は、２０２０年２月１８日に、日本に出願された特願２０２０－０２５１７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、車体構造部材として、鋼板を材料として形成され所定の断面形状を有する中空部材が用いられている。これらの車体構造部材は、軽量化を実現するとともに、衝突等による衝撃が加えられた際に十分な耐荷重を有することが求められる。このため、近年、高い強度を有する高張力鋼板が材料として使用されることがある。

　下記の特許文献１には、軸方向圧縮曲げ変形を被る車体構造用部材において、軸方向圧縮曲げ強度が高い部材を実現するため、圧縮変形を受ける面を外側に凸に湾曲させる技術が記載されている。

日本国特開２００５－１８６７７７号公報

　上記特許文献１に記載の技術は、部材の断面形状のうち、圧縮変形を受ける面の形状を外側に凸に湾曲させるのみであり、湾曲面に連続する平面も含めた断面形状が部材全体の曲げ耐力に与える影響を考慮していない。また、車体構造用部材に使用する材料の薄肉化及び高強度化は、当該部材の弾性座屈応力を低下させうる。このため、曲げ荷重を受ける部位、特に平面部において、材料の降伏応力に到達する前に弾性座屈が生じるおそれがあり、これにより曲げ耐力が低下するおそれがある。しかし、上記特許文献１に記載の技術を含め、従来の技術は、このような観点から部材の断面形状を設定するものではなかった。

　そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高い曲げ耐力を確保可能な、新規かつ改良された車体構造部材及びその設計方法を提供することにある。

　本開示の具体的態様は以下のとおりである。
（１）本開示の第一の態様は、長手方向に延在する車体構造部材であって、前記長手方向の少なくとも一部において、前記長手方向に垂直な断面が、複数の湾曲部のうち単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する最大曲率半径湾曲部と、前記最大曲率半径湾曲部に連なり、かつ、前記最大曲率半径湾曲部と連なった端部とは反対側の端部が、曲率円の中心が前記断面の図心とは前記断面に対して同じ側にある前記湾曲部に連なる平面部のうち、最も長い単位ｍｍでの断面長さｂ_ｆを有する基準平面部と、前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する小曲率半径湾曲部と、を有し、前記小曲率半径湾曲部は、前記断面の形状の図心を通るとともに前記基準平面部と平行な直線である基準線を間に挟んで前記基準平面部とは反対側に配置され、下記（１）式～（３）式を満たす車体構造部材である。

　ただし、
σｃｒ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの弾性座屈応力
σｙ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの降伏応力
ｋ：座屈応力係数
Ｅ：前記基準平面部を形成する部分の単位ＭＰａでのヤング率
ｔ：前記基準平面部を形成する部分の単位ｍｍでの板厚
ν：前記基準平面部を形成する部分のポアソン比
ｂ_ｆ：前記基準平面部の単位ｍｍでの断面長さ
Ｒ１：前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径
ｂ：断面内の前記基準線に沿った方向における前記断面の単位ｍｍでの最大外形寸法
である。
（２）上記（１）に記載の車体構造部材では、前記断面が、前記長手方向の全長の５０％以上に存在してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の車体構造部材では、下記（４）式を更に満たしてもよい。

（４）上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の車体構造部材では、前記基準平面部の引張強度が１１８０ＭＰａ以上であってもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の車体構造部材では、前記曲率半径Ｒ１が１５ｍｍ以上であってもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか一項に記載の車体構造部材では、前記基準平面部の厚さが０．４～１．６ｍｍであってもよい。

（７）本開示の第二の態様は、長手方向に延在する車体構造部材であって、前記長手方向の少なくとも一部において、前記長手方向に垂直な断面が、複数の湾曲部のうち単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する最大曲率半径湾曲部と、前記最大曲率半径湾曲部に連なり、かつ、前記最大曲率半径湾曲部と連なった端部とは反対側の端部が、曲率円の中心が前記断面の図心とは前記断面に対して同じ側にある前記湾曲部に連なる平面部のうち、最も長い単位ｍｍでの断面長さｂ_ｆを有する基準平面部と、前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する小曲率半径湾曲部と、を有し、前記小曲率半径湾曲部は、前記断面の形状の図心を通るとともに前記基準平面部と平行な直線である基準線を間に挟んで前記基準平面部とは反対側に配置される車体構造部材の設計方法であって、下記（１）式～（３）式を満たすように、前記車体構造部材を設計する車体構造部材の設計方法である。

　ただし、
σｃｒ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの弾性座屈応力
σｙ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの降伏応力
ｋ：座屈応力係数
Ｅ：前記基準平面部を形成する部分の単位ＭＰａでのヤング率
ｔ：前記基準平面部を形成する部分の単位ｍｍでの板厚
ν：前記基準平面部を形成する部分のポアソン比
ｂ_ｆ：前記基準平面部の単位ｍｍでの断面長さ
Ｒ１：前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径
ｂ：断面内の前記基準線に沿った方向における前記断面の単位ｍｍでの最大外形寸法
である。

　本発明によれば、高い曲げ耐力を確保可能な車体構造部材を提供することができる。

本開示の一実施形態に係る構造部材１を示す斜視図である。図１ＡのＡ－Ａ線での断面図である。変形例に係る車体構造部材１Ａの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。変形例に係る車体構造部材１Ａ’の長手方向に垂直な断面を示す断面図である。変形例に係る車体構造部材１Ａ’’の長手方向に垂直な断面を示す断面図である。変形例に係る車体構造部材１Ｂの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。変形例に係る車体構造部材１Ｂ’の長手方向に垂直な断面を示す断面図である。構造部材が適用される一例としての自動車骨格を示す斜視図である。実施例に係る車体構造部材の長手方向に垂直な断面の一例を模式的に示す図である。

　以下、本発明について、第一実施形態に係る車体構造部材、及び、第二実施形態に係る車体構造部材の設計方法に基づき詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図中の各構成要素の寸法、比率は、実際の各構成要素の寸法、比率を表すものではない。

　以下の説明において、車体構造部材の材軸方向、すなわち、軸線が延びる方向を長手方向と呼称する。また、長手方向に垂直な方向のうち、天板部の表面に沿う方向を幅方向と呼称し、長手方向と幅方向に垂直な方向を上下方向、と呼称する場合がある。
　「断面長さ」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面における周方向に沿った長さを意味する。
　「図心」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面における図心を意味する。図心から離れる方向を外側方向、図心に向かう方向を内側方向と定義する。
　「平面部」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面において直線状の部位、具体的には、断面の最大外形寸法よりも曲率半径が大きい部位を意味する。また、幅方向又は上下方向の同一位置に複数の直線状の部位が存在する場合、当該複数の直線状の部位をまとめて一つの平面部という。また、最大外形寸法とは、一つの平面部の延長線と、湾曲部を介して当該平面部に連なって延びた２つの平面部の各延長線との交点間の距離のうちの最も長い距離を意味する。
　「湾曲部」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面のうち、平面部を除く部位、すなわち、曲率半径が断面の最大外形寸法以下の部位であり、車体構造部材の外側方向又は内側方向に凸の円弧状の部位を意味する。従って、Ｒ止まりとは、平面部と湾曲部との境界を意味する。

　湾曲部の曲率半径は、以下のようにして得られる。すなわち、車体構造部材の長手方向に垂直な断面において、２つのＲ止まりと、表面のうち湾曲部において上記２つのＲ止まりの点から上記表面に沿って等距離に位置する曲げ中央点と、の３点を求める。これら３点から公知の数学的手法により曲率を求めることで、当該湾曲部の曲率半径が得られる。なお、上記表面は、板材の曲げ外側の表面である。平面部の曲率半径についても、湾曲部の曲率半径と同様の算出方法により得られる。

（第一実施形態）
　以下、本開示の第一実施形態に係る車体構造部材１（以下、構造部材１と呼称する）について説明する。

　図１Ａは、本実施形態に係る構造部材１を一例として示す斜視図である。構造部材１は、車体の構造部材、言い換えると骨格部材である。車体は、例えば自動車の車体である。
　構造部材１は、図１Ａに示すように、長手方向に延在する中空筒状の部材である。

　構造部材１は、鋼板などの板材に対し公知の種々の加工技術を適用することにより、形成され得る。一例として、ブランク材を、冷間又は熱間でのプレス加工により所定の形状に成形して端部を接合することで、構造部材１が形成されてもよい。
　構造部材１は、後述する基準平面部１３における引張強度が１１８０ＭＰａ以上であることが好ましく、１５００ＭＰａ以上であることがより好ましい。
　なお、板材としては、構造部材１に求められる衝撃吸収特性や軽量化の観点から、例えば０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下の鋼板であってよい。
　素材板の素材としては、鋼の他、アルミなどの金属であってもよい。

　図１Ｂは、構造部材１の長手方向中央部における、長手方向に垂直な断面（図１ＡのＡ－Ａ断面）を示す。
　図１Ｂに示すように、構造部材１は、長手方向に垂直な断面が、四つの湾曲部１４と四つの平面部１２とにより閉断面を構成している。

　本願においては、長手方向に垂直な断面において、最大の曲率半径を有する湾曲部を「最大曲率半径湾曲部」として定義する。従って、本実施形態に係る構造部材１においては、図１Ｂに示す四つの湾曲部１４のうち、単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する湾曲部が最大曲率半径湾曲部１１である。
　最大曲率半径湾曲部１１は、平面部１２に比べ圧縮応力により引き起こされる面外変形に対して高い剛性を有していることにより、曲げ荷重に対して高い剛性を有し、弾性座屈しにくい部位である。曲げ耐力を高めるために、曲率半径Ｒ１は最大外形寸法ｂの１／４以上であることが好ましい。曲率半径Ｒ１は、１５ｍｍ以上であってもよい。
　一方、曲率半径Ｒ１が大きすぎると、断面係数が低下し、優れた曲げ耐力を得ることができない。よって、曲率半径Ｒ１は、最大外形寸法ｂの１／２以下であることが好ましい。

　また、本願においては、最大曲率半径湾曲部の両端のＲ止まりにそれぞれ連なり、かつ、前記最大曲率半径湾曲部と連なった端部とは反対側の端部が、曲率円の中心が前記断面の図心とは前記断面に対して同じ側にある前記湾曲部に連なる平面部のうち、断面長さが大きい方の平面部を「基準平面部」として定義する。本実施形態に係る構造部材１においては、二つの平面部１２において、Ｒ止まりＱ１に連なる平面部１２の断面長さは、Ｒ止まりＱ２に連なる平面部１２の断面長さよりも長い。従って、本実施形態に係る構造部材１においては、図１Ｂに示すＲ止まりＱ１、Ｑ２にそれぞれ連なる二つの平面部のうち、Ｒ止まりＱ１に連なる平面部１２が基準平面部１３である。基準平面部１３は、最大曲率半径湾曲部１１に連なる二つの平面部１２のうち、曲げ荷重による弾性座屈が発生しやすい方の平面部である。従って、基準平面部１３の断面長さｂ_ｆが小さいほど、基準平面部１３の近傍での弾性座屈を抑制することができる。従って、曲げ耐力を向上するために、基準平面部１３の断面長さｂ_ｆは、板厚１．０ｍｍ超１．６ｍｍ以下のとき４５ｍｍ以下、板厚０．８ｍｍ超１．０ｍｍ以下のとき２８．１ｍｍ以下、板厚０．８ｍｍ以下のとき２２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
　一方、基準平面部１３の断面長さｂ_ｆが小さすぎると、構造部材１の全体の断面長さ（全周長さ）を確保することができないため、断面係数が低下する。構造部材１の全体としての曲げ耐力を確保するために、基準平面部１３の断面長さｂ_ｆは５ｍｍ以上であることが好ましい。基準平面部１３の断面長さｂ_ｆは、板厚１．０ｍｍ超１．６ｍｍ以下のとき２２．５ｍｍ以下、板厚０．８ｍｍ超１．０ｍｍ以下のとき１４．１ｍｍ以下、板厚０．８ｍｍ以下のとき１１．３ｍｍ以下であることが好ましい。

　図１Ｂに示す基準線Ｌは、断面形状の図心Ｐを通るとともに、基準平面部１３に平行な直線である。本実施形態に係る構造部材１においては、基準線Ｌを間に挟んで基準平面部１３とは反対側に、最大曲率半径湾曲部１１の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の５０％以下である曲率半径Ｒ２（ｍｍ）を有する二つの小曲率半径湾曲部１５が配置されている。小曲率半径湾曲部１５は、最大曲率半径湾曲部１１と比べ、２つのＲ止まりのうちの基準線Ｌから近い方のＲ止まりまでの距離が大きく、曲げ剛性への寄与度が大きい部位である。構造部材１が、基準平面部１３が曲げ内側となるような曲げ荷重を受けた際には、基準線Ｌを基準として基準平面部１３が存在する領域が圧縮側、その反対側の領域が引張側となる曲げ応力が発生する。なお、曲げ内側となるような曲げ荷重を受ける基準平面部１３を荷重受面と呼称する。
　また、小曲率半径湾曲部１５は、最大曲率半径湾曲部１１の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有することにより、圧縮側の弾性座屈を抑制しつつ、断面全体としては高い曲げ剛性を確保することができる。
　従って、本実施形態に係る構造部材１は、衝突等により曲げ荷重の入力が想定される部位に基準平面部１３を設けることにより、優れた曲げ耐力を発揮することが可能となる。

　上述のように、本実施形態に係る構造部材１は、最大曲率半径湾曲部１１と小曲率半径湾曲部１５とを有することにより、高い曲げ耐力を確保することが可能となる。小曲率半径湾曲部１５は、基準線Ｌを間に挟んで基準平面部１３とは反対側で、基準線Ｌからの距離が長いほど曲げ耐力が大きくなる。
　ここで、構造部材１は、下記（１）式と（２）式を満たす場合に、高い曲げ耐力を確保可能となる。

　ただし、
σｃｒ：基準平面部１３の単位ＭＰａでの弾性座屈応力
σｙ：基準平面部１３の単位ＭＰａでの降伏応力
ｋ：座屈応力係数
Ｅ：基準平面部１３を形成する部分の単位ＭＰａでのヤング率
ｔ：基準平面部１３を形成する部分の単位ｍｍでの板厚
ν：基準平面部１３を形成する部分のポアソン比
ｂ_ｆ：基準平面部１３の単位ｍｍでの断面長さ
である。

　（２）式は、基準平面部１３の弾性座屈応力σｃｒを示すものである。従って、（１）式を満足することにより、言い換えると基準平面部１３の弾性座屈応力σｃｒが降伏応力σｙよりも大きいことにより、基準平面部１３の弾性座屈を発生させることなく材料の強度特性を合理的に活用でき、高い曲げ耐力を確保できると言える。
　（２）式は、基準平面部１３のヤング率Ｅ、板厚ｔ、及び、ポアソン比νが大きいほど、また、基準平面部１３の断面長さｂ_ｆが小さいほど基準平面部１３の弾性座屈応力σｃｒが大きくなるとの関係性を本発明者が新たに見出し、導出した計算式である。
　ここで、座屈応力係数ｋは、平板の座屈の微分方程式と、それを満たす撓み形により求まる固有値から定まる値であり、下記の（３）式で求められる。

　ただし、
Ｒ１：最大曲率半径湾曲部１１の単位ｍｍでの曲率半径
ｂ：断面内の基準線Ｌに沿った方向における前記断面の単位ｍｍでの最大外形寸法
である。

　仮に、最大曲率半径湾曲部の曲率半径が０ｍｍ（Ｒ１＝０）である断面を想定した場合には、最大曲率半径湾曲部の定義上、当該断面におけるその他の湾曲部の曲率半径も０ｍｍとなる。従って、基準平面部は、曲率半径が０ｍｍである稜線で挟まれることになるため、基準平面部の拘束条件は回転自由且つ並進固定の拘束条件下にあると仮定できる。この場合、座屈応力係数は４．０となる。
　しかし、本実施形態に係る構造部材１のように、軸方向圧縮耐力を向上させるために最大曲率半径湾曲部１１の曲率半径Ｒ１をある程度大きく設計する場合においては、最大曲率半径湾曲部１１に隣接する基準平面部１３の幅方向の端部の並進は完全には固定されないことに本発明者は着目した。そして、本発明者は、基準平面部１３の真の座屈応力係数ｋを４．０よりも低く設定することで、より正確な弾性座屈応力σｃｒを算出できることを見出した。
　本発明者は、この知見に基づき更に鋭意研究を進め、座屈応力係数ｋが、最大曲率半径湾曲部１１の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１、基準平面部１３を形成する部位の単位ｍｍでの板厚ｔ、基準平面部１３の単位ｍｍでの断面長さｂ_ｆ、及び、断面内の基準線Ｌの単位ｍｍでの長さに相関があることを見出し、（３）式を導出した。
　尚、基準平面部の拘束条件が回転自由且つ並進自由であるとき、座屈応力係数は０．４２５となる。従って、（３）式で求められる座屈応力係数ｋの値が０．４２５を下回る場合には、ｋの値を０．４２５としてもよい。

　尚、弾性座屈をより確実に防ぐ設計とするには、弾性座屈応力σｃｒの９０％の値が、降伏応力σｙよりも大きくすることが好ましい。すなわち、構造部材１は、下記（４）式を更に満たすことが好ましい。

　以上、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明した。ここから、図７を参照して本開示の構造部材の適用例について説明する。図７は、構造部材が適用される一例としての自動車骨格２を示す図である。構造部材は、キャビン骨格または衝撃吸収骨格として自動車骨格２を構成し得る。

　本開示に係る構造部材の適用例は、ルーフセンタリンフォース２０１、ルーフサイドレール２０３、Ｂピラー２０７、サイドシル２０９、トンネル２１１、Ａピラーロア２１３、Ａピラーアッパー２１５、キックリーンフォース２２７、フロアクロスメンバ２２９、アンダーリーンフォース２３１、フロントヘッダ２３３等が挙げられる。また、衝撃吸収骨格としての本開示に係る構造部材の適用例は、リアサイドメンバー２０５、エプロンアッパメンバ２１７、バンパリーンフォース２１９、クラッシュボックス２２１、フロントサイドメンバー２２３等が挙げられる。上記の他、自動車のドアの内部に設けられた補強材としてのドアインパクトビーム等に本開示に係る構造部材を適用してもよい。要は、曲げ荷重が作用しうる部位であれば、本開示の構造部材を適用可能である。

　このように構造部材１が車体の骨格部材として使用される場合、構造部材１は高い曲げ耐力を有するので、衝突時の変形を低減できる。また、変形能も向上して、骨格内部を保護することができる。

　以上、本開示の第一実施形態に係る構造部材１について説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

（第一変形例）
　例えば、上記の構造部材１は、長手方向に垂直な断面が筒状の閉断面の部材であったが、図２に示す変形例に係る構造部材１Ａのように、長手方向に垂直な断面が略ハット型形状の開断面の部材であってもよい。
　具体的には、図２に示すように、構造部材１Ａでは、長手方向に垂直な断面が、四つの湾曲部１４Ａと、五つの平面部１２Ａとにより略ハット型の開断面を構成している。五つの平面部１２Ａのうち、一端が自由端となっている平面部１２Ａをフランジ部と呼称することがあり、湾曲部１４Ａを介してフランジ部と連なっている平面部１２Ａを縦壁部と呼称することがあり、縦壁部におけるフランジ部と連なっている端部とは反対側の端部で湾曲部１４Ａを介して当該縦壁部と連なっている平面部１２Ａを天板部と呼称することがある。
　構造部材１Ａの断面においては、図２に示すように、四つの湾曲部１４Ａのうち単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する湾曲部１４Ａが最大曲率半径湾曲部１１Ａである。構造部材１Ａでは、四つのうちの二つの湾曲部１４Ａの曲率半径が最大となっているが、この場合、上記二つの湾曲部１４Ａのうちの一つを最大曲率半径湾曲部１１とみなす。
　最大曲率半径湾曲部１１Ａの端部のＲ止まりＱ１に連なる平面部１２Ａにおいて、Ｒ止まりＱ１に連なる端部とは反対側の他端は、曲率円の中心が断面の図心Ｐとは断面に対して同じ側にある湾曲部１４Ａに連なっている。一方、最大曲率半径湾曲部１１Ａの端部のＲ止まりＱ２に連なる平面部１２Ａにおいて、Ｒ止まりＱ２に連なる端部とは反対側の他端は、曲率円の中心が断面の図心Ｐとは断面に対して反対側にある湾曲部１４Ａに連なっている。よって、最大曲率半径湾曲部１１Ａの両端のＲ止まりＱ１、Ｑ２にそれぞれ連なる平面部１２Ａのうち、断面長さが大きい方の平面部１２Ａが基準平面部１３Ａである。換言すると、基準平面部１３Ａは、最大曲率半径湾曲部１１ＡのＲ止まりＱ１に連なる平面部１２Ａである。また、構造部材１Ａでは、基準平面部１３Ａが天板部である。図２に示す基準線Ｌは、構造部材１Ａの長手方向に垂直断面の断面形状の図心Ｐを通るとともに、基準平面部１３Ａに平行な直線である。この構造部材１Ａにおいては、基準線Ｌを間に挟んで基準平面部１３Ａとは反対側に、最大曲率半径湾曲部１１Ａの単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する二つの小曲率半径湾曲部１５Ａが配置されている。小曲率半径湾曲部１５Ａは、最大曲率半径湾曲部１１Ａと比べ、曲げ耐力が大きい部位である。このため、構造部材１Ａが曲げ荷重を受けた際には、基準線Ｌを基準として基準平面部１３Ａが存在する領域が圧縮側、その反対側の領域が引張側となる曲げ応力が発生しやすい。
　また、小曲率半径湾曲部１５Ａは、最大曲率半径湾曲部１１Ａの単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有することにより、優れた曲げ耐力を発揮する部位でもある。
　従って、構造部材１Ａは、衝突等により曲げ荷重の入力が想定される部位に基準平面部１３Ａを設けることにより、優れた曲げ耐力を発揮することが可能となる。
　そして、構造部材１Ａにおいても、構造部材１と同様に、上記（１）式～（３）式、好ましくは上記（１）式～（４）式を満たす場合に、高い曲げ耐力を確保可能となる。

　また、図３に示すように、縦壁部である平面部１２Ａ’の断面長さが天板部である平面部１２Ａ’の断面長さより長い場合も、天板部である平面部１２Ａ’が基準平面部１３Ａ’である。

　また、本開示に係る構造部材は、図４に示す変形例に係る構造部材１Ａ’’のように、天板部となる平面部１２Ａ’’の一部が凹部１６を有していてもよい。凹部１６の幅方向両側に配置されている平面をまとめてここでは一つの平面部１２Ａ’’とみなす。また、凹部１６を構成する湾曲部及び平面部は、本開示における湾曲部及び平面部には含めないものとする。
　図４に示すように、構造部材１Ａ’’では、長手方向に垂直な断面が、四つの湾曲部１４Ａ’’と、五つの平面部１２Ａ’’とにより開断面を構成している。このような場合も、基準平面部１３Ａ’’は、最大曲率半径湾曲部１１Ａ’’のＲ止まりＱ１に連なる平面部１２Ａ’’である。図４に示す基準線Ｌは、構造部材１Ａ’’の長手方向に垂直断面の断面形状の図心Ｐを通るとともに、基準平面部１３Ａ’’に平行な直線である。構造部材１Ａ’’においても、基準線Ｌを間に挟んで基準平面部１３Ａ’’とは反対側に、最大曲率半径湾曲部１１Ａ’’の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する二つの小曲率半径湾曲部１５Ａ’’が配置されている。また、構造部材１Ａ’’においても、構造部材１と同様に、上記（１）式～（３）式、好ましくは上記（１）式～（４）式を満たす場合に、高い曲げ耐力を確保可能となる。ただし、天板部に凹部１６を有する構造部材１Ａ’’では、上記（４）式における基準線Ｌの長さｂ_ｆを、基準平面部１２Ａ’’における最大曲率半径湾曲部１１Ａ’’に連なる平面のＲ止まりＱ１から、凹部１６における最大曲率半径湾曲部１１Ａ’’に連なる平面のＲ止まりＱ３までの距離ｂ_ｆ’に置き換える。また、天板部に凹部１６を有する構造部材１Ａ’’では、上記（４）式における基準線Ｌに沿った方向における前記断面の単位ｍｍでの最大外形寸法ｂを、基準平面部１２Ａ’’に連なる凹部１６における上下方向に沿った平面部の延長線と基準平面部１３Ａ’’との延長線との交点ｐ１から、縦壁部である平面部１２Ａ’’の延長線と基準平面部１３Ａ’’との延長との交点ｐ２までの距離ｂ’に置き換える。

（第二変形例）
　更には、図５に示す変形例に係る構造部材１Ｂのように、フランジ部である平面部１２Ｂに対し、鋼板１００を接合してもよい。

　また、図６に示す変形例に係る構造部材１Ｂ’のように、鋼板１００の代わりに、ハット型部材１００Ａなどを接合してもよい。
　具体的には、図６に示すように、構造部材１Ｂ’では、長手方向に垂直な断面が、八つの湾曲部１４Ｂ’と、十の平面部１２Ｂ’とにより閉断面を構成している。
　構造部材１Ｂ’の断面においては、図６に示すように、八つの湾曲部１４Ｂ’のうち単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する湾曲部１４Ｂ’が最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’である。構造部材１Ｂ’では、八つのうちの二つの湾曲部１４Ｂ’の曲率半径が最大となっているが、この場合、上記二つの湾曲部１４Ｂ’のうちの一つを最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’とみなす。
　最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’の端部のＲ止まりＱ１に連なる平面部１２Ｂ’において、Ｒ止まりＱ１に連なる端部とは反対側の他端は、曲率円の中心が断面の図心Ｐとは当該断面に対して同じ側にある湾曲部１４Ｂ’に連なっている。一方、最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’の端部のＲ止まりＱ２に連なる平面部１２Ｂ’において、Ｒ止まりＱ２に連なる端部とは反対側の他端は、曲率円の中心が断面の図心Ｐとは当該断面に対して反対側にある湾曲部１４Ｂ’に連なっている。よって、最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’の両端のＲ止まりＱ１、Ｑ２にそれぞれ連なる二つの平面部１２Ｂ’のうち、他端が最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’とは反対側（内側方向）に湾曲した湾曲部１４Ｂ’に連なっている平面部１２Ｂ’が基準平面部１３Ｂ’である。換言すると、基準平面部１３Ｂ’は、最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’のＲ止まりＱ１に連なる平面部１２Ｂ’である。図６に示す基準線Ｌは、構造部材１Ｂ’の長手方向に垂直断面の断面形状の図心Ｐを通るとともに、基準平面部１３Ｂ’に平行な直線である。この構造部材１Ｂ’においては、基準線Ｌを間に挟んで基準平面部１３Ｂ’とは反対側に、最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する二つの小曲率半径湾曲部１５Ｂ’が配置されている。この構造部材１Ｂ’においては、小曲率半径湾曲部１５Ｂ’とは、基準線Ｌを間に挟んで基準平面部１３Ｂ’とは反対側に配された、最大曲率半径湾曲部１１Ｂ’の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する４つの湾曲部１４Ｂ’のうち、基準線Ｌからの最も距離が遠い二つの湾曲部１４Ｂ’のそれぞれをいう。

　第一実施形態に係る構造部材１、１Ａ、１Ａ’、１Ａ’’、１Ｂ、１Ｂ’は、全長に亘り一様の断面形状を有するが、全長に亘り一様の断面形状を有さなくてもよく、（１）式～（３）式、好ましくは（１）式～（４）式を満たす断面の部位が、長手方向の全長の一部に存在していればよい。より好ましくは、（１）式～（３）式、好ましくは（１）式～（４）式を満たす断面の部位が、長手方向の全長の５０％以上に存在することが好ましく、８０％以上であることが更に好ましい。
　第一実施形態に係る構造部材１は、一つの最大曲率半径湾曲部１１を有するが、例えば、図２～６に示すように、複数の最大曲率半径湾曲部１１を有してもよい。その場合は、任意の一つを最大曲率半径湾曲部１１とみなすことができる。
　第一実施形態に係る構造部材１は、二つの小曲率半径湾曲部１５を有するが、小曲率半径湾曲部１５は少なくとも一つ有していればよい。
　第一実施形態に係る構造部材１は、最大曲率半径湾曲部１１に連なる二つの平面部を有するが、最大曲率半径湾曲部１１に連なる平面部は一つであってもよい。すなわち、最大曲率半径湾曲部１１の一方の端部は他の湾曲部に直接連なっていたり、自由端とされていたりしてもよい。その場合、最大曲率半径湾曲部１１に連なる一つの平面部が基準平面部１３である。

　本開示の第二の実施形態は、構造部材の設計方法である。
　本実施形態に係る設計方法は、第一実施形態に係る構造部材の設計方法であって、（１）式～（３）式を満たすように、構造部材を設計する。
　具体的には、（１）式～（３）式を満たすように、構造部材の断面形状や材質の変更、更には補強部材の追加などの設計変更を行うことにより、設計に要するコストを抑えることが可能となる。

（実施例）
　以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

　実験Ｎｏ．１～９の各実験では、板厚１．０ｍｍ、引張強度１１８０ＭＰａ、降伏応力σｙ９４３ＭＰａ、ポアソン比０．３、ヤング率２０６０００ＭＰａの鋼板から成形された、長さが１８４．０ｍｍであり、一様断面を有する中空部材について、数値解析を行い、曲げ耐力を評価した。
　実験Ｎｏ．１の長手方向に垂直な断面の形状は、図８に示すように、外形（最大外形寸法）ｂが４６．０ｍｍであり、四つの角部の曲率半径がいずれも２．０ｍｍ（すなわち、最大の曲率半径Ｒ１＝２．０ｍｍ）の略矩形の断面形状とした。

　実験Ｎｏ．２～７では、実験Ｎｏ．１の中空部材の断面形状について、外形（最大外形寸法）ｂは固定しつつ、四つの角部のうち、圧縮側の二つの角部についてのみ、曲率半径を５．０ｍｍ、１０．０ｍｍ、１１．０ｍｍ、１５．０ｍｍ、１８．０ｍｍ、及び２０．０ｍｍに変更して数値解析を行い、曲げ耐力を評価した。変更した角部の曲率半径が最大の曲率半径Ｒ１に対応する。また、曲率半径を変更していない角部の曲率半径がＲ２に対応する。よって、実験Ｎｏ．２～７では、Ｒ２＝２．０ｍｍである。
　実験Ｎｏ．８では、最大の曲率半径Ｒ１を１８．０ｍｍ、引張側の二つの角部の曲率半径Ｒ２を８．５ｍｍに変更して数値解析を行った。
　実験Ｎｏ．９では、最大の曲率半径Ｒ１を１８．０ｍｍ、引張側の二つの角部の曲率半径Ｒ２を９．５ｍｍに変更して数値解析を行った。
　各実験例においては、最大外径寸法ｂを固定しつつ、圧縮側の二つの角部の曲率半径を変更したことに応じて、基準平面ｂ_ｆの長さはそれぞれ異なる値となる。　

　４つの湾曲部の曲率半径が等しい実験Ｎｏ．１の曲げ耐力を基準とし、実験Ｎｏ．１の曲げ耐力よりも曲げ耐力が大きかった場合をＢ、その中でも曲げ耐力が最も大きくなったものはＡ、実験Ｎｏ．１の曲げ耐力よりも曲げ耐力が小さかった場合をＣと評価し、ＡとＢを合格基準とした。曲げ耐力は、以下の方法で算出した。すなわち、部材端部を回転させる純曲げ解析を実施して曲げモーメントＭ－たわみ角θ線図を取得し、たわみ角θが０ｒａｄ．＜θ＜０．１ｒａｄ．の範囲における曲げモーメントＭの最大値を曲げ耐力とした。たわみ角θは、部材の長手方向の両端における、変形前の部材の軸線と、変形した部材の軸線との成す角の角度である。
　部材を構成する要素にはシェル要素を用い、要素タイプは完全積分要素とし、板厚方向に５点の積分点を設けた。平面部の要素サイズを２．０ｍｍ×２．０ｍｍとし、湾曲部の要素サイズを２．０ｍｍ×０．７ｍｍとした。部材を構成する材料の物性タイプは多直線近似等方弾塑性体とし、１１８０ＭＰａ級鋼板の引張試験の結果から得た相当応力－相当組成ひずみ関係を定義した。この降伏応力は９４３ＭＰａであった。本解析では、初期不正は無視して行われた。

　実験Ｎｏ．２、３では、（１）式を満たさないことにより、基準平面部で弾性座屈が発生し、高い曲げ耐力を発現することができなかった。
　一方、最大曲率半径湾曲部の曲率半径Ｒ１の値を１１．０ｍｍ以上とした実験Ｎｏ．４～８では、（１）式を満たすことにより、弾性座屈が発生せず、基準平面部で降伏応力相当の圧縮応力を担保することができ、優れた曲げ耐力を発現することができた。
　特に、最大曲率半径湾曲部の曲率半径Ｒ１の値を１５．０ｍｍとした実験Ｎｏ．５では、（１）式に加えて（４）式も満たすことにより、更に優れた曲げ耐力を発現することができた。
　ただし、最大曲率半径湾曲部の曲率半径Ｒ１の値を１８．０ｍｍ以上にまで増加させた実験Ｎｏ．６～８では、断面係数が減少したことにより、実験Ｎｏ．５ほどの曲げ耐力を発現することができなかった。
　実験Ｎｏ．９では、最大曲率半径湾曲部の曲率半径Ｒ１に対する小曲率半径湾曲部の曲率半径Ｒ２の比であるＲ２／Ｒ１が５０％超であったため、基準平面部で弾性座屈が発生し、高い曲げ耐力を発現することができなかった。

　本発明によれば、高い曲げ耐力を確保可能な、新規かつ改良された車体構造部材及びその設計方法を提供することができる。

１,１Ａ,１Ａ’,１Ａ’’,１Ｂ，１Ｂ’　構造部材
１１,１１Ａ,１１Ａ’’,１１Ｂ，１１Ｂ’　　　最大曲率半径湾曲部
１２,１２Ａ,１２Ａ’’,１２Ｂ，１２Ｂ’　　　平面部
１３,１３Ａ,１３Ａ’’,１３Ｂ，１３Ｂ’　　　基準平面部
１４,１４Ａ,１４Ａ’’,１４Ｂ，１４Ｂ’　　　湾曲部
１５,１５Ａ,１５Ａ’’,１５Ｂ，１５Ｂ’　　　小曲率半径湾曲部
１００　　　　　　鋼板
１００Ａ　　　ハット形鋼板

Claims

　長手方向に延在する車体構造部材であって、
　前記長手方向の少なくとも一部において、前記長手方向に垂直な断面が、
　複数の湾曲部のうち単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する最大曲率半径湾曲部と、
　前記最大曲率半径湾曲部に連なり、かつ、前記最大曲率半径湾曲部と連なった端部とは反対側の端部が、曲率円の中心が前記断面の図心とは前記断面に対して同じ側にある前記湾曲部に連なる平面部のうち、単位ｍｍでの最も長い断面長さｂ_ｆを有する基準平面部と、
　前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する小曲率半径湾曲部と、
を有し、
　前記小曲率半径湾曲部は、前記断面の形状の図心を通るとともに前記基準平面部と平行な直線である基準線を間に挟んで前記基準平面部とは反対側に配置され、
　下記（１）式～（３）式を満たす
ことを特徴とする車体構造部材。

　ただし、
σｃｒ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの弾性座屈応力
σｙ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの降伏応力
ｋ：座屈応力係数
Ｅ：前記基準平面部を形成する部分の単位ＭＰａでのヤング率
ｔ：前記基準平面部を形成する部分の単位ｍｍでの板厚
ν：前記基準平面部を形成する部分のポアソン比
ｂ_ｆ：前記基準平面部の単位ｍｍでの断面長さ
Ｒ１：前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径
ｂ：断面内の前記基準線に沿った方向における前記断面の単位ｍｍでの最大外形寸法
である。
　前記基準平面部が、外部からの荷重が負荷される荷重受面である
事を特徴とする請求項１に記載の車体構造部材。
　前記断面が、前記長手方向の全長の５０％以上に存在する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の車体構造部材。
　下記（４）式を更に満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の車体構造部材。
　前記基準平面部の引張強度が１１８０ＭＰａ以上である
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の車体構造部材。
　前記曲率半径Ｒ１が１５ｍｍ以上である
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の車体構造部材。
　前記基準平面部の板厚が０．４～１．６ｍｍである
ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の車体構造部材。
　長手方向に延在するとともに、前記長手方向の少なくとも一部において、前記長手方向に垂直な断面が、複数の湾曲部のうち単位ｍｍでの最大の曲率半径Ｒ１を有する最大曲率半径湾曲部と、前記最大曲率半径湾曲部に連なり、かつ、前記最大曲率半径湾曲部と連なった端部とは反対側の端部が、曲率円の中心が前記断面の図心とは前記断面に対して同じ側にある前記湾曲部に連なる平面部のうち、で最も長い単位ｍｍでの断面長さｂ_ｆを有する基準平面部と、前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径Ｒ１の５０％以下である曲率半径Ｒ２を有する小曲率半径湾曲部と、を有し、前記小曲率半径湾曲部は、前記断面の形状の図心を通るとともに前記基準平面部と平行な直線である基準線を間に挟んで前記基準平面部とは反対側に配置される車体構造部材の設計方法であって、下記（１）式～（３）式を満たすように、前記車体構造部材を設計する
ことを特徴とする車体構造部材の設計方法。

　ただし、
σｃｒ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの弾性座屈応力
σｙ：前記基準平面部の単位ＭＰａでの降伏応力
ｋ：座屈応力係数
Ｅ：前記基準平面部を形成する部分の単位ＭＰａでのヤング率
ｔ：前記基準平面部を形成する部分の単位ｍｍでの板厚
ν：前記基準平面部を形成する部分のポアソン比
ｂ_ｆ：前記基準平面部の単位ｍｍでの断面長さ
Ｒ１：前記最大曲率半径湾曲部の単位ｍｍでの曲率半径
ｂ：断面内の前記基準線に沿った方向における前記断面の単位ｍｍでのでの最大外形寸法
である。