JP2008189126A - 構造用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、構造用部材を高い寸法精度で成形可能であり、且つ、曲げ衝撃特性を向上することが可能な構造用部材を提供することを目的とする。
【解決手段】構造用部材１は、板状部材の加工により形成され、一軸方向（図１におけるＹ軸方向）に延びるものである。そして、前記一軸方向と平行に延びて対向する一対の側壁１２・１２と、前記一軸方向と平行に延びて当該一対の側壁を連結する連結壁１３と、を有する。前記一対の側壁１２・１２は、対向する間隔が狭い幅狭部ａと当該間隔が広い幅広部ｂとが前記一軸方向において交互に形成されている。前記幅狭部ａと前記幅広部ｂとの少なくともいずれか一方が複数存在するとともに、前記間隔は前記一軸方向に連続して拡大又は縮小している。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に自動車車体に適用される構造用部材に関する。

自動車関連業界では、車体の衝突安全性の向上やＣＯ２の排出量低減に関する社会的な要請から、自動車メーカーでは自動車ボディの強化と軽量化（燃費向上）に取り組んでいる。軽量化の観点からは、アルミやチタン等の低比重の材料の実用化が進められている。また、衝突安全性の観点からは、従らの薄板材料よりも更に高強度の材料の実用化がなされつつある。なお、このような自動車部材は、材料をプレス成形することによって製造されるのが一般的である。

しかしながら、これらの高強度材料をプレス成形によって成形する際には、割れで定まる成形限界の低下以外に、離型（成形後に金型から取り出すこと）後の弾性回復挙動によって、「壁反り」や「ねじれ」が生じ、成形品の形状（寸法）が設計値から変化し、成形品同士の組み立て時や接合（多くはスポット溶接による接合）時に不具合が生じる場合がある。また、部品の寸法精度と衝突強度の確保のバランスから当該高強度材料の実用化の妨げとなっている場合が多く問題となっている。

特許文献１には、こうした寸法精度不良を低減することが可能な自動車用ハットチャンネル型構造用部材が記載されている。このハットチャンネル型構造用部材は、断面略コの字状に形成された長尺状本体における対向する一対の縦壁の夫々に、縦壁の高さ方向に延びる所定形状のビード部が１個若しくは複数個形成されているものである。このようなビード部を形成することにより、縦壁の上下方向に引張り応力が作用し、ハットチャンネル型構造用部材の寸法精度の向上が図れることになる。

特開２００５−１０３６１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたハットチャンネル型構造用部材は、部材の長手方向における断続的な位置にビード部が形成された構造であるため、構造用部材の細部まで寸法改善効果を発揮させることが困難であると考えられる。即ち、特許文献１においては、ビード部を長手方向において多数設置することで、上記寸法改善効果が発揮される範囲を全域に亘って広げることが可能である旨記載されているものの、断続的なビード部を用いる構成であるが故に当該ビード部を多数設置する方法により細部まで寸法精度を向上させることには限界があり、更に寸法精度の高い成形の要望に応えることは難しい。
また、衝突性能の向上の観点から、特許文献１には、曲げ衝撃特性に関してはビードが形成されたハットチャンネル型の構造用部材が、ビードを形成しない通常のハットチャンネル型構造用部材と同等以上の特性を発揮できる旨記載されている。しかしながら、曲げ衝撃特性とビード形状等との関係についての検討は少なく、更なる曲げ衝撃特性の向上の余地があるといえる。

本発明は、上記実情に鑑みることにより、構造用部材を高い寸法精度で成形可能であり、且つ、曲げ衝撃特性を向上することが可能な構造用部材を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び効果

本発明は、主に自動車車体に適用される構造用部材に関する。そして、本発明に係る構造用部材は、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の構造用部材は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。

上記目的を達成するための本発明に係る構造用部材における第１の特徴は、板状部材の加工により形成され、一軸方向に延びる構造用部材であって、前記一軸方向と平行に延びて対向する一対の側壁と、前記一軸方向と平行に延びて当該一対の側壁を連結する連結壁と、を有し、前記一対の側壁は、対向する間隔が狭い幅狭部と当該間隔が広い幅広部とが前記一軸方向において交互に形成された幅変動領域を有し、当該幅変動領域において、前記幅狭部と前記幅広部との少なくともいずれか一方が複数存在するとともに、前記間隔は前記一軸方向に連続して拡大又は縮小していることである。

この構成によると、構造用部材における幅変動領域においては、一対の側壁が対向する方向に向かって側壁が凸状又は凹状に形成されるため、前記一軸方向と平行な軸に関する側壁の断面二次モーメントが大きくなり、反りの発生を抑制することが可能となる。また、側壁には前記一軸方向に圧縮変形と引張変形とが発生し、当該圧縮変形及び引張変形による応力の影響が支配的になることで、反りの発生の原因となる板厚表裏の応力差を減少させることが可能となる。
更に、一対の側壁の対向する間隔が、構造用部材の長手方向である一軸方向に連続して拡大又は縮小している。即ち、当該間隔が、前記一軸方向において変化し続けるように構成されている。この場合、前記一軸方向における狭い範囲においても、側壁が前記一軸方向と平行な軸に対して傾くように形成されるため、当該狭い範囲においてもより確実に反りの発生を抑制する効果を発揮できる。このように、構造用部材における当該幅変動領域の全域において、より細部まで寸法精度を向上させることが可能である。
また、前記一対の側壁の面内方向に力が作用する構造用部材の曲げ変形においては、部分的に側壁の座屈を伴いながら進行する場合が多い。本構成では、前記一軸方向において側壁の形状が変化するように構成されており、当該座屈が抑制されるため、結果として曲げ変形を抑制することができる。これにより、曲げ衝撃特性を向上することが可能となる。

また、本発明に係る構造用部材における第２の特徴は、前記幅狭部と前記幅広部とは、それぞれ前記側壁の面内方向における前記一軸方向と垂直な方向に当該側壁の一端から他端まで延びていることである。

この構成によると、幅変動領域における側壁の全面に亘って当該側壁の形状が前記一軸方向において変化するため、寸法精度向上効果及び曲げ衝撃特性向上効果をより顕著に発揮することが可能となる。

また、本発明に係る構造用部材における第３の特徴は、前記幅狭部と前記幅広部とが、前記幅変動領域の前記一軸方向において周期的に繰り返し形成されていることである。

この構成によると、前記一軸方向における側壁の形状変化が一定のピッチで繰り返されるため、構造用部材の幅変動領域において前記一軸方向全域に亘って寸法精度や曲げ衝撃特性を均一化することができる。また、周期的に繰り返す形状であるため、成形が容易であり、成形コストを削減することが可能である。

また、本発明に係る構造用部材における第４の特徴は、前記一対の側壁は、前記幅変動領域において滑らかな曲面状に形成されていることである。

この構成によると、側壁の一部に応力が集中することを防ぎ、曲げ衝撃特性の向上を図れるとともに、一軸方向における圧縮強度を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る構造用部材における第５の特徴は、前記一対の側壁における前記連結壁と平行な面による断面が、前記幅変動領域において正弦波形状となるように形成されていることである。

この構成によると、波長及び振幅の値を決定することで形状を特定できるため、構造用部材の形状設計が容易となる。

また、本発明に係る構造用部材における第６の特徴は、前記軸方向と垂直な断面が略コ字状に形成された本体と、当該本体の両端部に前記一軸方向に延びる一対のフランジが形成されて構成されるハットチャンネル型部材であることである。

この構成によると、一対のフランジを有することにより、構造用部材の取り付けが容易になる。そして、一軸方向における側壁の形状変化により、当該側壁と、当該側壁の端部において屈曲して形成されるフランジと、の屈曲角度の精度を高めることが可能となる。

また、本発明に係る構造用部材における第７の特徴は、板材の絞り加工により形成されることである。

この構成によると、絞り加工により発生しやすいスプリングバックによる反りを防ぐことができるため、成形後の再加工が不要となり、生産性を向上することができる。

また、本発明に係る構造用部材における第８の特徴は、衝突荷重が作用する部分に用いられ、当該衝突荷重により曲げ変形を受けることである。

この構成によると、当該構造用部材は曲げ強度が高いため、衝突荷重により受ける曲げ変形を抑制することが可能である。したがって、構造用部材の曲げ強度の向上効果をより有効に利用することが可能となる。

また、本発明に係る構造用部材における第９の特徴は、自動車ボディの補強部材として用いられる金属薄板からなる構造用部材であることである。

この構成によると、同じヤング率の材料を用いて、構造用部材の板厚を過度に大きくすることなく、自動車の補強部材として必要な曲げ強度を持たせることができるため、より軽量な補強部材として用いることができる。したがって、コストの増加を抑制して自動車の燃費等を高めることが可能である。また、十分な曲げ強度を有するため、衝突時の安全性を高めることが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る構造用部材は、自動車用骨格部材（自動車ボディの補強部材）として用いる構造用部材を例示的に示したものである。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るハットチャンネル型の構造用部材１を示す全体概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す構造用部材１を上面図（図１（ａ）におけるＺ方向から見た図）であり、側壁１２のみの形状を示す図である。また、図１（ｃ）に図１（ｂ）におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の形状を模式的に示す。Ａ−Ａ断面は、一対の側壁１２・１２の対向する間隔が最も狭い位置における断面である。また、Ｂ−Ｂ断面は、一対の側壁１２・１２の対向する間隔が最も広い位置における断面である。また、図２〜図４は、第２〜４実施形態に係る構造用部材２〜４を示す概略図であり、図１と同様に、（ａ）は全体概略図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は断面図である。尚、比較のため、図５に従来から自動車骨格部材として用いられているハットチャンネル型の構造用部材５を示す。

第１実施形態に係る構造用部材１は、一軸方向（図１（ａ）におけるＹ方向）に延びる構造用部材であって、当該軸方向と垂直な断面が略コ字状に形成される本体１０と、当該本体１０の両端部において当該軸方向に延びる一対のフランジ１１とからなり、例えば板厚が約１．４ｍｍの一枚のブランク（素材鋼板）に、図６に示す絞り加工を施すことにより成形される。本体１０は、当該軸方向に延びて対向する一対の側壁１２・１２と、当該軸方向と平行に延びて一対の側壁１２・１２を連結する連結壁１３とで構成される。

絞り加工（図６参照）は、製品の形状と略同形状で板厚程度の隙間を有するパンチ１４及びダイ１５を用いてブランク１６を絞り込んで成形する板状部材の加工方法である。図６（ａ）に加工前の状態、図６（ｂ）に加工後の状態を示す。ブランク１６は、ダイ１５とブランクホルダー１７とに所定の圧力で挟まれた状態とされ（図６（ａ）参照）、ダイ１５及びブランクホルダー１７が図中矢印方向に移動することにより、パンチ１４とダイ１５とに付勢されて加工される（図６（ｂ）参照）。

構造用部材１における一対の側壁１２・１２は、連結壁１３に対して略直交する壁面となるように形成され、当該連結壁１３と平行な面による断面が正弦波形状（以下、当該断面の正弦波形状を、「断面正弦波形状」と称する。第２〜４実施形態においても同様）となるように形成されている。また、一対の側壁１２・１２は、構造用部材１の長手方向に延びる中心軸を挟んで対称形状となるように構成されている。つまり、一対の側壁１２・１２は、構造用部材１の長手方向において断面正弦波形状の位相のずれがないように形成されている。

また、図１（ｂ）に示すように、一対の側壁１２・１２における一方の側壁と他方の側壁とが向かい合う間隔の、長手方向の全域における平均を平均間隔Ｔとしたときに、当該向かい合う間隔が当該平均間隔Ｔよりも狭い幅狭部ａと、当該平均間隔Ｔよりも広い幅広部ｂと、が構造用部材１の軸方向において交互に形成されている。そして、一対の側壁１２・１２の向かい合う間隔は、構造用部材１の軸方向の一端から、軸方向の中心部に向かって連続して減少するとともに、当該中心部から他端に向かって連続して増加している。即ち、当該間隔が、軸方向の全領域において連続して変化するように構造用部材１が構成されており、本実施形態においては、構造用部材１の長手方向における全領域が幅変動領域となる。

尚、第１実施形態に係る構造用部材１は、１つの幅狭部ａと、２つの幅広部ｂと、からなるものを例示しているが、用途に応じて構造用部材の全長を調整し、幅狭部と幅広部とを繰り返し形成することも可能である。

また、構造用部材１の全長は４００ｍｍであり、一対の側壁１２・１２は、１波長に相当する断面正弦波形状を形成するように構成されている。また、図１（ｃ）に示すように、一対の側壁１２・１２の間隔は、対向する間隔が最も狭い部分で６０ｍｍ、最も広い部分で８０ｍｍとなっており、一対の側壁１２・１２の平均間隔Ｔは７０ｍｍとなっている。即ち、一の側壁１２は、前記断面正弦波形状が波長４００ｍｍ、振幅５ｍｍの正弦波形状となるように形成されている。また、下端のフランジ１１から連結壁１３までの高さは７０ｍｍである。尚、図１（ｃ）において、板材が９０度屈曲する部分は、半径５ｍｍの円弧形状となるように形成されている。

次に、第２実施形態の構造用部材２について説明する。
図２（ａ）に示すように、第２実施形態の構造用部材２は、第１実施形態の構造用部材１と同様に、一軸方向（図２（ａ）におけるＹ方向）に延びる構造用部材であって、当該軸方向と垂直な断面が略コ字状に形成される本体２０と、当該本体２０の両端部において当該軸方向に延びる一対のフランジ２１とからなり、一枚のブランク（素材鋼板）に、絞り加工を施すことにより成形される。本体２０は、当該軸方向に延びて対向する一対の側壁２２・２２と、当該軸方向と平行に延びて一対の側壁２２・２２を連結する連結壁２３とで構成される。一対の側壁２２・２２は、連結壁２３に対して略直交する壁面となるように形成され、当該連結壁２３と平行な面による断面が正弦波形状となるように形成されている。

第２実施形態の構造用部材２においては、当該一対の側壁２２・２２の形状が第１実施形態の構造用部材１と異なり、図２（ｂ）に示すように、当該一対の側壁２２・２２の断面正弦波形状が、波長２００ｍｍの正弦波形状となるように形成されている。尚、第１実施形態の構造用部材１と同様に、断面正弦波形状の振幅は５ｍｍである。また、構造用部材２の全長は４００ｍｍ、一対の側壁２２・２２が対向する間隔は、最も狭い部分で６０ｍｍ、最も広い部分で８０ｍｍ、下端のフランジ２１から連結壁２３までの高さは７０ｍｍである。

このように、構造用部材２は、長手方向の両端部に最大幅部分が位置するとともに、一対の側壁２２・２２の平均間隔（７０ｍｍ）に比べて間隔が広い幅広部ｂと、当該平均間隔よりも間隔が狭い幅狭部ａと、が周期的に繰り返し形成されている。

第３実施形態の構造用部材３については、一対の側壁部３２・３２の断面正弦波形状が波長１００ｍｍとなるように形成されている点で他の実施形態と異なり、振幅が５ｍｍ、全長は４００ｍｍ、一対の側壁３２・３２が対向する間隔は、最も狭い部分で６０ｍｍ、最も広い部分で８０ｍｍ、下端のフランジ３１から連結壁３３までの高さは７０ｍｍである点は、他の実施形態と同様である。

第４実施形態の構造用部材４については、一対の側壁４２・４２の断面正弦波形状が波長５０ｍｍとなるように形成されている点で他の実施形態と異なり、振幅は５ｍｍ、全長は４００ｍｍ、一対の側壁４２・４２が対向する間隔は、最も狭い部分で６０ｍｍ、最も広い部分で８０ｍｍ、下端のフランジ４１から連結壁４３までの高さは７０ｍｍである点は、他の実施形態と同様である。

次に、第１〜４実施形態の構造用部材１〜４の寸法精度向上効果について説明する。
構造用部材１〜４、及び、比較のため図５に示す従来の構造用部材５を、絞り曲げ成形（ハットチャンネルドロー）により成形する成形解析（ＦＥＭ解析）を行い寸法精度への影響を調査した。成形解析は、図７に示すダイ１５、ブランクホルダー１７、パンチ１４、及び、ブランク１６の１／４モデルについて、表１に示す５９０ＭＰａ級鋼板の材料特性値を用いて行った。尚、図７におけるダイ１５及びパンチ１４は、従来の構造用部材５を成形するためのダイ１５及びパンチ１４を例示的に示したものであり、成形する構造用部材の形状に基づいて適宜形状を変更して解析を行った。

比較に用いた従来の構造用部材５（図５参照）は、一対の側壁５２・５２が互いに平行に配置された平面として形成され、当該一対の側壁５２・５２の対向する間隔は長手方向（図５中のＹ方向）全域において一定である点で第１〜４実施形態の構造用部材１〜４と異なる。ただし、一対の側壁５２・５２の平均間隔が７０ｍｍである点は、第１〜４実施形態の構造用部材１〜４と同様である。その他、全長（４００ｍｍ）、下端のフランジ５１から連結壁５３までの高さ（７０ｍｍ）等についても構造用部材１〜４と同様である。

図８は、成形後、金型から成形品を取り出したときの、フランジの跳ね量を評価した解析結果である。具体的には、図１０に示す構造用部材の軸方向（長手方向）に垂直な断面図（最大幅部分における断面図）においてδで示す高さ方向（図１〜図５におけるＺ方向）への変位量を測定した結果である。当該変位量δは、成形下死点における構造用部材の形状（図１０において一点鎖線で示す形状）からの変位量である。尚、図８において、縦軸は前記変位量δ（ｍｍ）、横軸は側壁の断面正弦波形状の波長（ｍｍ）とした。また、従来の構造用部材５の評価結果は、図８において点線で示している。

また、図９は、成形後、成形品を金型から取り出したときの、側壁の反り角度（図１０におけるθで示す角度）を評価した解析結果である。図９において、縦軸は前記反り角度θ（°）、横軸は側壁の断面正弦波形状の波長（ｍｍ）とした。また、従来の構造用部材５の評価結果は、図９中に点線で示している。

図８に示すように、本発明の実施形態（第１〜４実施形態）の構造用部材１〜４は、従来の構造用部材５に比べて、変位量δが小さいことが分かる。また、変位量δは、断面正弦波形状の波長が短くなるほど小さくなっている。

また、図９に示すように、本発明の実施形態（第１〜４実施形態）の構造用部材１〜４は、従来の構造用部材５に比べて、反り角度θが小さいことが分かる。また、反り角度θは、断面正弦波形状の波長が短くなるほど小さくなっている。

図８及び図９に示す結果から、本発明によって成形時のスプリングバックが抑制され、寸法精度を向上できることが分かる。更に、断面正弦波形状の波長が小さいほど寸法精度の向上効果が大きいことが分かる。

次に、本発明の寸法精度向上効果のメカニズムについて説明する。
図１１は、上記解析により得られた側壁の外側表面における加工時のプレス方向（図１〜５におけるＺ方向）の応力（以下、Ｚ方向応力と称する）の分布を示す図である。尚、外側表面とは、一対の側壁が対向する側の表面と逆側の面である。また、当該Ｚ方向応力は、図７に示す解析モデルを用いて絞り成形の解析を行ったときの成形下死点における側壁部分のＺ方向応力であり、引張応力を正として示している。

図１１（ａ）は、第１実施形態に係る構造用部材１の側壁１２における外側表面の応力分布を示す。尚、Ｚ方向応力の分布は長手方向において左右対称であり、長手方向中心から一端側のＺ方向応力の分布のみを示す。また、側壁の上端における連結壁に連結する屈曲部分及び下端のフランジに連結する屈曲部分を除く中央部分（高さ約５ｍｍ〜６５ｍｍの部分）のＺ方向応力の分布を示している。図１１（ｂ）〜（ｄ）には、同様にして、それぞれ第２実施形態〜第４実施形態に係る構造用部材２〜４についてのＺ方向応力の分布を示している。また、図１１（ｅ）は、比較のため、従来の構造用部材５のＺ方向応力の分布を示している。

図１１より、従来の構造用部材５においては、長手方向（図中Ｙ軸方向）において側壁に作用するＺ方向応力が略一定であるのに対して、本発明の実施形態に係る構造用部材１〜４においては、長手方向において、側壁の凹凸形状に合わせて、作用するＺ方向応力が繰り返し変化していることが分かる。本実施形態に係る構造用部材１〜４においては、側壁が長手方向において連続的に変化しているため、成形時において長手方向に圧縮変形と伸び変形が発生していると考えられ、当該長手方向における変形がＺ方向応力に影響を与えたものと考えられる。このように、成形時において、側壁に、長手方向における圧縮または伸び変形が発生するような形状とすることで、後述するように、ダイ肩部での曲げ、曲げ戻しによる板厚表裏におけるＺ方向応力の差を減少することが可能となる。

図１２及び図１３に、上記解析により得られた側壁の板厚方向における応力分布について示す。図１２及び図１３に示す応力は、図１１で示した応力と同様に、成形下死点において側壁表面及び内部に作用するＺ方向応力であり、引張側の応力を正、圧縮側の応力を負として示している。また、板厚方向は、側壁における板厚中心位置を０とし、側壁内側（他の側壁と対向する側）の表面位置を−１、側壁外側の表面位置を＋１として示している。

図１２は、構造用部材における最小幅となる位置であって、高さ方向中央部（図１〜４及び図１１において点Ａｔで示す位置）における板厚方向のＺ方向応力の分布を示し、図１３は、構造用部材における最大幅となる位置であって、高さ方向中央部（図１〜４及び図１１において点Ｂｔで示す位置）における板厚方向のＺ方向応力の分布を示す。従来の構造用部材５においては、図１２、図１３ともに図５及び図１１における点Ａｔで示す位置における板厚方向のＺ方向応力の分布を示す。

図１２に示すように、断面正弦波形状の波長が短い構造用部材ほど側壁の表裏のＺ方向応力の差が小さくなっている。特に、当該波長が２００ｍｍ以下である構造用部材２〜４については、板厚方向全域に亘ってＺ方向応力が正となっている。このように側壁の表裏のＺ方向応力差が小さくなることで、ハットチャンネル成形時の壁反りの原因となるモーメントを抑制することが可能となる。また、図１３に示すように、幅狭部を形成する部分のＺ方向応力については、特に断面正弦波形状の波長が短い構造用部材３、４においては、従来の構造用部材５に比べて圧縮応力が支配的になっている。そのため、外側表面付近に作用する引張応力の影響が相対的に小さくなり反りの発生を抑制することが可能となる。

また、実施形態に係る構造用部材１〜４の側壁は、他の側壁に対向する方向（Ｘ軸方向）において凸状又は凹状に形成されているため、平面状に形成されている場合に比べて、側壁の高さ方向（Ｚ軸方向）に垂直な断面（Ｘ−Ｙ断面）における長手方向と平行な軸（Ｙ軸）に関する断面二次モーメントが大きくなる。当該断面二次モーメントの増加も、図１０においてθで示すような反りの発生の抑制に寄与することになり、更に効果的である。

次に、衝突時における構造用部材の特性を評価するために、構造用部材の曲げ圧壊についての解析（ＦＥＭ解析）を行った結果について説明する。

図１４に曲げ圧壊の解析に用いた３点曲げの解析モデルを示す。図１４（ａ）に解析モデルの全体図、図１４（ｂ）に、図１４（ａ）に示す構造用部材の長手方向垂直断面を示す。図１４（ａ）に示すように、構造用部材の両端を半径３０ｍｍの支持部１８で支え、構造用部材の軸方向中央部を、連結壁側からフランジ側に向かって（図中Ｚ方向と平行に）、半径１５０ｍｍの押し子１９により１４ｍ／ｓｅｃの速度で付勢したときの、押し子１９の変位と、構造用部材が押し子１９から受ける荷重と、の関係を算出した。

解析対象とした構造用部材は、第１〜４実施形態の構造用部材１〜４、及び、従来の構造用部材５（長さ４００ｍｍ）において、長手方向における長さを８００ｍｍとした構造用部材（断面正弦波形状の波長は変化せず）とした。また、構造用部材のフランジは、構造用部材の長手方向に連結壁と平行に延びる平板６０に固定した状態として解析を行った（図１４（ｂ）参照）。フランジと平板との固定は、軸方向においてピッチ５０ｍｍでのスポット溶接を想定した固定とした。また、解析に用いた鋼板の機械的特性は表２に示す通りである。

また、構造用部材における押し子１９の付勢位置による影響を考慮するため、構造用部材の長手方向の中心に幅広部における最も幅が広い部分が位置する場合と、当該中心に幅狭部における最も幅が狭い部分が位置する場合と、について評価した。

以下、解析で用いた構造用部材を、構造用部材１〜４にそれぞれ対応させ、押し子１９を幅広部に当接させて解析したものを構造用部材１Ａ〜４Ａと称し、押し子１９を幅狭部に当接させて解析したものを構造用部材１Ｂ〜４Ｂと称す。また、従来の構造用部材５に対応させ、解析で用いた構造用部材を構造用部材５ＡＢと称す。図１５は、上記構造用部材１Ａ〜４Ａ、及び、構造用部材５ＡＢにおける押し子１９の負荷位置を示す解析モデルである。また、図１６は、構造用部材１Ｂ〜４Ｂにおける押し子１９の負荷位置を示す解析モデルである。

上記３点曲げの解析結果について、図１７及び図１８を用いて説明する。図１７は、押し子１９の変位とそのときに押し子１９が構造用部材に与える荷重との関係を示すグラフである。図１６において、符号１Ａ〜４Ａ、１Ｂ〜４Ｂ、５ＡＢは、それぞれ、構造用部材１Ａ〜４Ａ、構造用部材１Ｂ〜４Ｂ、構造用部材５ＡＢの解析結果であることを示している。

図１７に示すように、押し子１９の変位が約５ｍｍ程度に達すると構造用部材に作用する荷重がピークに達している。その後、更に押し子１９の変位が大きくなっても当該ピーク時における最大荷重を超えることはない。当該ピーク時の最大荷重を各構造用部材毎に抜き出して、棒グラフとしたものを図１８に示す。尚、従来の構造用部材５ＡＢについては、点線でピーク時の最大荷重を示す。また、比較例として、従来の構造用部材５ＡＢと同形状であって、引張強さを７８０ＭＰａ級とした構造用部材（比較例１）、及び、引張強さを９８０ＭＰａ級とした構造用部材（比較例２）についての解析結果を併記している。

図１８に示すように、本発明の実施形態に係る構造用部材１Ａ〜４Ａ、及び構造用部材１Ｂ〜４Ｂのうち、構造用部材１Ｂ以外の構造用部材に関しては、従来の構造用部材５ＡＢに比べて最大荷重が増大していることが分かる。また、構造用部材の側壁の断面正弦波形状の波長が短いほど最大荷重が増大していることが分かる。これより、構造用部材の軸方向における幅寸法の変化の周期が小さいほど、曲げに対する強度が増大することが分かる。そして、本実施形態においては、側壁の断面正弦波形状の波長を２００ｍｍ以下とすることで、力が作用する位置によらず曲げに対する強度を増大させることが可能となる。

また、側壁の断面正弦波形状の波長が１００ｍｍ以下である構造用部材３Ａ、４Ａと構造用部材３Ｂ、４Ｂとをそれぞれ比較すると、幅寸法が最大の部分に荷重を負荷した構造用部材３Ａ、４Ａよりも幅寸法が最小の部分に荷重を負荷した構造用部材３Ｂ、４Ｂの方が、構造用部材が受け持つことが可能な荷重が増大する、即ち、曲げに対する強度が増大することが分かる。

尚、これらの構造用部材３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂにおいては、引張強さ７８０ＭＰａ級の構造用部材（比較例１）よりも大きい最大荷重を受け持つことが可能であり、特に、構造用部材３Ｂ、４Ａ、４Ｂにおいては、引張強さ９８０ＭＰａ級の構造用部材（比較例２）よりも大きい最大荷重を受け持つことが可能である。これより、引張強さ５９０ＭＰａ級の材料を用いた本実施形態においては、断面正弦波形状の波長を１００ｍｍ以下とすることで、引張強さ７８０ＭＰａ級の構造用部材（比較例１）よりも大きい曲げ強度を得ることが可能であり、また、断面正弦波形状の波長を５０ｍｍ以下とすることで、引張強さ９８０ＭＰａ級の構造用部材（比較例２）よりも大きい曲げ強度を得ることが可能である。

構造用部材１〜４の構成では、長手方向において側壁の形状が正弦波形状を形成するように変化して構成されており、Ｚ方向矢視直線状に側壁が形成されている従来の構造用部材５に比べて、Ｚ方向から受ける荷重による座屈強度が向上される。上述したような、一対の側壁の面内方向（Ｚ方向）に力が作用する構造用部材の曲げ変形においては、部分的に（特に押し子１９により付勢される部分において）側壁の座屈を伴いながら進行すると考えられ、座屈強度が向上する結果として曲げ変形が抑制されたことが、曲げ強度増大の原因の一つと考えられる。

尚、断面正弦波形状の波長は、その他の寸法（例えば、当該正弦波形状の振幅、一対の側壁の対向間隔等）との関係で、相対的により小さくなるように設定することで、より顕著に効果を発揮することが可能となる。特に本実施形態においては、正弦波形状の振幅が５ｍｍであるのに対して、波長を、当該振幅の４０倍以下、即ち、２００ｍｍ以下とすることで力が作用する位置によらず曲げに対する強度を増大させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る構造用部材１は、板状部材の加工により形成され、一軸方向（図１（ａ）におけるＹ軸方向）に延びる構造用部材であって、前記一軸方向と平行に延びて対向する一対の側壁１２・１２と、前記一軸方向と平行に延びて当該一対の側壁１２・１２を連結する連結壁１３と、を有し、前記一対の側壁１２・１２は、対向する間隔が狭い幅狭部ａと当該間隔が広い幅広部ｂとが前記一軸方向において交互に形成された幅変動領域（構造用部材１の全領域）を有し、当該幅変動領域において、前記幅狭部ａと前記幅広部ｂとの少なくともいずれか一方が複数存在するとともに、前記間隔は前記一軸方向に連続して拡大又は縮小していることである。

この構成によると、構造用部材の全領域において、一軸方向に向かって常に一対の側壁１２・１２の間隔が変化するように構成され、一対の側壁１２・１２が対向する方向（図１（ａ）におけるＸ軸方向）に向かって側壁１２が凸状又は凹状に形成される。これにより、前記一軸方向と平行な軸に関する側壁１２の断面二次モーメントが大きくなり、反りの発生を抑制することが可能となる。
また、成形時において、側壁１２には前記一軸方向において圧縮変形と引張変形とが繰り返し発生し、当該圧縮変形及び引張変形による応力の影響が支配的になることで、反りの発生の原因となる板厚表裏の応力差を減少させることが可能となる。
更に、一対の側壁１２・１２の対向する間隔が、構造用部材の長手方向である一軸方向に連続して拡大又は縮小している。即ち、当該間隔が、前記一軸方向において変化し続けるように構成されている。これは、側壁において当該一軸方向と平行に延びる平板状に形成された部分がないことを意味する。この場合、前記一軸方向における狭い範囲においても、側壁１２が前記一軸方向と平行な軸に対して傾くように形成されるため、当該狭い範囲においてもより確実に反りの発生を抑制する効果を発揮できる。このように、構造用部材の全域において、より細部まで寸法精度を向上させることが可能である。
また、前記一対の側壁１２・１２の面内方向に力が作用する構造用部材の曲げ変形（図１４に示す曲げ変形）においては、部分的に側壁の座屈を伴いながら進行する場合が多い。本構成では、前記一軸方向において側壁の形状が変化するように構成されており、当該座屈が抑制されやすい形状となっているため、結果として曲げ変形を抑制することができる。これにより、曲げ衝撃特性を向上することが可能となる。

また、構造用部材１における幅狭部ａと幅広部ｂとは、それぞれ側壁１２・１２の面内方向における構造用部材１の長手方向と垂直な方向（図１（ａ）におけるＺ方向）に当該側壁１２・１２の一端から他端まで延びている。これにより、側壁１２・１２の全面に亘って当該側壁１２・１２の形状が構造用部材１の長手方向において変化するため、寸法精度向上効果及び曲げ衝撃特性向上効果をより顕著に発揮することが可能となる。

また、構造用部材１における一対の側壁１２・１２は、滑らかな曲面状に形成されているため、側壁１２の一部に応力が集中することを防ぎ、曲げ衝撃特性の向上を図れるとともに、構造用部材１の長手方向における圧縮強度を向上させることが可能となる。

また、構造用部材１の一対の側壁１２・１２における前記連結壁１３と平行な面による断面が、正弦波形状となるように形成されている。これにより、波長及び振幅の値を決定することで形状を特定できるため、構造用部材１の形状設計が容易となる。

また、構造用部材１は、前記一軸方向と垂直な断面が略コ字状に形成された本体１０と、当該本体１０の両端部に前記軸方向に延びる一対のフランジ１１・１１が形成されて構成されるハットチャンネル型部材である。この構成によると、一対のフランジ１１・１１を有することにより、構造用部材１の取り付けが容易になる。そして、一軸方向における側壁１２・１２の形状変化により、当該側壁１２と、当該側壁１２の端部において屈曲して形成されるフランジ１１と、の屈曲角度の精度を高めることが可能となる。

また、構造用部材１は、板材の絞り加工により形成されたものであるが、絞り加工により発生しやすいスプリングバックによる反りを抑制して成形される。したがって、成形後の再加工が不要であり、生産性を向上することができる。

また、構造用部材１は、自動車骨格部材として、当該自動車における衝突荷重が作用する部分に用いられ、当該衝突荷重により曲げ変形を受けるものである。当該構造用部材１は曲げ強度が高いため、衝突荷重により受ける曲げ変形を抑制することが可能である。したがって、構造用部材の曲げ強度の向上効果をより有効に利用することが可能となる。特に、側壁の断面正弦波形状の波長が２００ｍｍよりも短い構造用部材２〜４は、衝撃荷重の受ける位置によらず曲げ強度が高くなるため、上記曲げ変形を受ける用途に適している。

また、構造用部材１は、自動車ボディの補強部材として用いられる厚さ約１．４ｍｍの金属薄板からなる構造用部材である。この構成では、同じヤング率の材料を用いて、構造用部材１の板厚を過度に大きくすることなく、自動車の補強部材として必要な曲げ強度を持たせることができるため、より軽量な補強部材として用いることができる。したがって、コストの増加を抑制して自動車の燃費等を高めることが可能である。

また、構造用部材２〜４においては、幅狭部ａと幅広部ｂとが、構造用部材の長手方向において周期的に繰り返し形成されている。これにより、構造用部材の長手方向において側壁の形状変化が一定のピッチで繰り返されるため、構造用部材において長手方向全域に亘って寸法精度や曲げ衝撃特性を均一化することができる。また、周期的に繰り返す形状であるため、成形が容易であり、成形コストを削減することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。例えば、以下のように変更して実施することができる。

（１）実施形態においては、構造用部材の軸方向の全領域において、間隔が連続して変化する場合を例示しているが、図１９（ａ）に変形例に係る構造用部材６の上面図（側壁部分のみ）を示すように、軸方向両端部において、一対の側壁６２が一軸方向に平行に並び、当該一対の側壁の対向する間隔が変化しない部分が存在する形状であってもよい。尚、当該構造用部材６においては、図１９（ａ）におけるＬで示す領域が幅変動領域となる。

（２）実施形態においては、側壁が曲面状に形成されているが、図１９（ｂ）に変形例に係る構造用部材７の上面図（側壁部分のみ）を示すように、平板を部分的に折り曲げた形状として側壁７２を構成してもよい。また、長手方向において同じ形状が周期的に繰り返されるように側壁を形成する場合に限らず、例えば所定のピッチで異なる形状が並ぶように構成されていてもよい。

（３）実施形態において、幅狭部ａと幅広部ｂとは、それぞれ構造用部材の側壁の高さ方向（図１〜４におけるＺ方向）に当該側壁の一端（フランジ側の端部）から他端（連結壁側の端部）まで延びているが、例えば、図２０に変形例に係る構造用部材８を示すように、側壁８２を連結壁側の端部近傍（図中、ｈ１として示す位置）において長手方向に延びる平板状に形成し、高さ方向における一部（図中、ｈ２として示す位置）に幅狭部と幅広部とを形成することもできる。

（４）構造用部材は、ハットチャンネル型に構成される場合に限らず、側壁の端部にフランジが形成されていない構成としてもよい。

（５）自動車部品として用いる構造用部材に限定されず、高い寸法精度や、曲げ強度が要求される構造の部材として様々な用途に用いることができる。

本発明の第１実施形態に係るハットチャンネル型の構造用部材を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係るハットチャンネル型の構造用部材を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係るハットチャンネル型の構造用部材を示す概略図である。 本発明の第４実施形態に係るハットチャンネル型の構造用部材を示す概略図である。 従来のハットチャンネル型の構造用部材を示す概略図である。 絞り加工の概要を説明するための図である。 絞り加工の成形解析用モデルを示す図である。 フランジ跳ね量を評価した解析結果を示す図である。 側壁の反り角度を評価した解析結果を示す図である。 寸法精度解析により評価する変位量δ及び反り角度θを示す図である。 側壁の外側表面におけるＺ方向応力の分布を示す図である。 板厚方向におけるＺ方向応力の分布を示す図である。 板厚方向におけるＺ方向応力の分布を示す図である。 曲げ圧壊の解析用モデルを示す図である。 曲げ圧壊解析における押し子の負荷位置を示す図である。 曲げ圧壊解析における押し子の負荷位置を示す図である。 曲げ圧壊解析の解析結果を示す図である。 曲げ圧壊解析の解析結果を示す図である。 変形例に係る構造用部材を示す図である。 変形例に係る構造用部材を示す図である。

符号の説明

１〜４、１Ａ〜４Ａ、１Ｂ〜４Ｂ 構造用部材
５、５ＡＢ 従来の構造用部材
１０ 本体
１１ フランジ
１２ 側壁
１３ 連結壁
ａ 幅狭部
ｂ 幅広部

Claims (9)

1. 板状部材の加工により形成され、一軸方向に延びる構造用部材であって、
   前記一軸方向と平行に延びて対向する一対の側壁と、
   前記一軸方向と平行に延びて当該一対の側壁を連結する連結壁と、を有し、
   前記一対の側壁は、対向する間隔が狭い幅狭部と当該間隔が広い幅広部とが前記一軸方向において交互に形成された幅変動領域を有し、
   当該幅変動領域において、前記幅狭部と前記幅広部との少なくともいずれか一方が複数存在するとともに、前記間隔は前記一軸方向に連続して拡大又は縮小を繰り返していることを特徴とする構造用部材。
2. 前記幅狭部と前記幅広部とは、それぞれ前記側壁の面内方向における前記一軸方向と垂直な方向に当該側壁の一端から他端まで延びていることを特徴とする請求項１に記載の構造用部材。
3. 前記幅狭部と前記幅広部とが、前記幅変動領域の前記一軸方向において周期的に繰り返し形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の構造用部材。
4. 前記一対の側壁は、前記幅変動領域において滑らかな曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の少なくともいずれか１項に記載の構造用部材。
5. 前記一対の側壁における前記連結壁と平行な面による断面が、前記幅変動領域において正弦波形状となるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の構造用部材。
6. 前記軸方向と垂直な断面が略コ字状に形成された本体と、当該本体の両端部に前記一軸方向に延びる一対のフランジが形成されて構成されるハットチャンネル型部材であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の少なくともいずれか１項に記載の構造用部材。
7. 板材の絞り加工により形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６の少なくともいずれか１項に記載の構造用部材。
8. 衝突荷重が作用する部分に用いられ、当該衝突荷重により曲げ変形を受けることを特徴とする請求項１乃至請求項７の少なくともいずれか１項に記載の構造用部材。
9. 自動車ボディの補強部材として用いられる金属薄板からなる構造用部材であることを特徴とする請求項８に記載の構造用部材。

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