JP2022144406A - 繊維強化複合材製フレーム - Google Patents

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哲也 杉山
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Abstract

【課題】座屈の発生を抑制して曲げ強度を向上した繊維強化複合材製フレームを提供する。【解決手段】繊維強化複合材製フレーム１は、フレーム１の長手方向ＤＬに直交する短手方向ＤＳに向けてフレーム１を曲げる曲げ荷重が当該フレーム１に対して入力されたときに長手方向ＤＬに沿って圧縮応力が生じる圧縮面部２と、圧縮面部２に隣接する角部５から短手方向ＤＳに延びる側面部３と、を備える。圧縮面部２は、長手方向ＤＬに強化繊維１１ａが配向された長手方向配向層１１を備える。側面部３の表層部は、長手方向ＤＬと異なる方向に強化繊維１２ａが配向された異方向配向層としての短手方向配向層１２で構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、繊維強化複合材製フレームに関する。
従来より、車両の車体などを構成するフレームでは、軽量かつ高剛性の繊維強化複合材で製造された繊維強化複合材製フレームが用いられている。
例えば、特許文献１記載の繊維強化複合材製フレームは、全方向からの入力荷重に対して耐えうるように疑似等方性を有する構造を有しており、具体的には、強化繊維の配向方向が異なる複数の繊維配向層を積層して成形した構造を有する。
さらに、このフレームでは、フレーム角部の剛性を向上するために、フレーム断面の角部における繊維配向層の積層を増やして当該角部の肉厚を部分的に厚くしている。
特開２０１５－１９３３６２号公報
しかし、上記のフレームのように、角部における繊維配向層の積層を増やした構造であっても、角部で生じる層間剥離に起因する座屈という繊維強化複合材製フレーム固有の問題を防ぐことが困難である。
すなわち、曲げ荷重が繊維強化複合材製フレームに入力した際、フレーム断面の角部では繊維配向層の間で層間剥離が生じ、角部の層間剥離した部分を起点として、フレームにおいて圧縮応力が作用する面（すなわち、曲げられたフレームにおける内側の湾曲面）およびそれに隣接する面のそれぞれの繊維配向層に亀裂が生じ、フレームの座屈が発生する。フレームの座屈が発生すれば、曲げ強度は大きく低下する。そのため、上記の特許文献１記載のフレームでは、このような現象の発生を防止することができない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、座屈の発生を抑制して曲げ強度を向上した繊維強化複合材製フレームを提供することを目的とする。
本発明の繊維強化複合材製フレームは、複数の角部を有する閉断面を備え、所定方向に延設された繊維強化複合材製フレームにおいて、前記フレームは、前記フレームの長手方向に直交する短手方向に向けて前記フレームを曲げる曲げ荷重が当該フレームに対して入力されたときに前記長手方向に沿って圧縮応力が生じる圧縮面部と、前記圧縮面部に隣接する前記角部から前記短手方向に延びる側面部と、を備え、前記圧縮面部は、前記長手方向に強化繊維が配向された長手方向配向層を備え、前記側面部の表層部は、前記長手方向と異なる方向に強化繊維が配向された異方向配向層で構成されている、ことを特徴とする。
かかる構成では、フレームに対して当該フレームの長手方向に直交する方向に曲げる曲げ荷重が入力されたときに、圧縮面部では、フレームの長手方向に沿って圧縮応力が生じる。圧縮面部は、フレームの長手方向に沿う長手方向配向層を備えているため、圧縮面部は、高い圧縮応力に耐えることが可能になり、圧縮面部における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。そして、側面部の表層部は長手方向と異なる方向（例えば、側面部においてフレームの短手方向またはフレームの長手方向に対して傾斜する斜め方向）に強化繊維が配向された異方向配向層で構成されている。このため、側面部は、高いせん断応力や曲げ応力に耐えることが可能になり、側面部の変形（とくに座屈変形）を抑制することが可能である。このような構成では、フレームの角部に層間剥離が生じても圧縮面部および側面部へ亀裂が進展することを抑えることが可能になり、フレームの座屈体力を高めることが可能となる。その結果、フレーム全体の座屈を回避してフレームの曲げ強度を向上することが可能である。
なお、本発明でいう側面部の「表層部」とは、フレーム断面の内側および外側の表層部を意味する。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記異方向配向層は、前記短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層であるのが好ましい。
かかる構成によれば、側面部の表層部を構成する異方向配向層がフレームの短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層であるので、短手方向における側面部の剛性（例えば、短手方向に潰す方向の荷重に対する曲げ剛性）を向上することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記異方向配向層は、前記長手方向に４５度傾斜した方向に強化繊維が配向された４５度配向層であるのが好ましい。
かかる構成によれば、側面部のせん断剛性を向上することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記フレームは、前記圧縮面部から離間した位置で前記長手方向に延び、前記曲げ荷重が前記フレームに対して入力されたときに前記長手方向に沿って引張応力が生じる引張面部をさらに備え、前記引張面部は、前記長手方向配向層を備えているのが好ましい。
かかる構成によれば、フレームに対して曲げ荷重が入力されたときに、圧縮面部からフレームの短手方向に離間する引張面部では、フレームの長手方向に沿って引張応力が生じる。引張面部は、長手方向配向層を備えているため、引張強度を向上することが可能である。その結果、フレーム全体の座屈を効果的に回避してフレームの曲げ強度をさらに向上することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記圧縮面部または前記引張面部を構成する層と前記側面部を構成する層との接合部は、前記圧縮面部または前記引張面部と同一平面上に配置されているのが好ましい。
かかる構成によれば、圧縮面部または引張面部を構成する層と側面部を構成する層との接合部は、圧縮面部または引張面部と同一平面上に配置されており、フレームの角部から退避した位置にあるので、当該接合部を起点とした角部の屈曲を抑制することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記長手方向配向層は、前記角部を避けて配置されているのが好ましい。
かかる構成によれば、長手配向層がフレームの角部を避けて配置されているので、角部で生じた層間剥離及び亀裂による損傷を最小化することができ、角部の屈曲をさらに抑制することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記長手方向配向層は、前記圧縮面部の内側および／または外側の表層部に配置されているのが好ましい。
フレームに曲げ荷重が入力されたときには、圧縮面部の内側および外側の表層部において、圧縮応力が最も大きくなり、圧縮面部におけるひずみが最大となる。そこで上記の構成では、長手方向配向層が圧縮面部の内側および／または外側の表層部に配置されていることにより、圧縮面部はより高い圧縮応力に耐えることが可能になり、圧縮面部における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記圧縮面部は、前記短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層をさらに備え、前記長手方向配向層は、前記短手方向配向層よりも前記圧縮面部の表層側に配置されているのが好ましい。
フレームに曲げ荷重が入力されたときには、圧縮面部の表層部に近いほど圧縮応力が大きくなる傾向がある。そこで上記の構成では、長手方向配向層が短手方向配向層よりも圧縮面部の表層側に配置されていることにより、圧縮面部は、より高い圧縮応力に耐えることが可能になり、圧縮面部における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。
なお、この構成では、長手方向配向層は、圧縮面部の表層側のみ、または表層側および中央層側の両方に配置されてもよい。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記側面部の前記異方向配向層は、前記短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層であり、前記圧縮面部の前記短手方向配向層および前記側面部の前記短手方向配向層は、前記圧縮面部から前記側面部にわたって連続して配置されているのが好ましい。
かかる構成によれば、短手方向配向層が圧縮面部から側面部にわたって連続して配置されているので、フレーム全周にわたって断面を短手方向に潰すような変形を抑制することが可能であり、フレームの曲げ強度をさらに向上することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記側面部は、前記長手方向配向層をさらに備え、前記側面部の前記長手方向配向層は、前記異方向配向層よりも前記側面部の厚さ方向において中央部に配置されているのが好ましい。
フレームに曲げ荷重が入力されたときには、側面部の厚さ方向における中央の位置に近いほど短手方向、すなわち断面の周方向における圧縮・引張応力が小さくなる傾向がある。したがって、上記の構成のように、側面部の長手方向配向層が異方向配向層よりも側面部の厚さ方向における中央部に配置されていれば、当該長手方向配向層にとって不利となる、断面周方向の圧縮・引張応力の影響を小さくしつつ、当該長手方向配向層よりも表層側に位置する異方向配向層によって、側面部の変形を抑制することが可能である。
上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記フレームが車両の車体を構成するセンターピラー、バンパービーム、サイドシル、ヒンジピラー、フロントピラー、およびクロスメンバからなる群から選択された少なくとも１つに適用されるのが好ましい。
かかる構成によれば、上記のフレームが車両の車体を構成するセンターピラー、バンパービーム、サイドシル、ヒンジピラー、フロントピラー、およびクロスメンバのうちの少なくとも１つに適用されることにより、車両衝突時において、車体の上記の各部分を構成するフレームに対して曲げ荷重が入力されたときには、フレーム全体の座屈を回避してフレームが曲げ荷重に耐えることが可能になる。これによって、車体の剛性を向上することが可能である。
本発明の繊維強化複合材製フレームによれば、フレームの座屈の発生を抑制して曲げ強度を向上することができる。
本発明の実施形態に係る繊維強化複合材製フレームの全体構成を示す概略斜視図である。 図１の繊維強化複合材製フレームの端面を示す正面図である。 図２の繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 図３の圧縮面部の積層構造を部分的に示す分解斜視図である。 図３の側面部の積層構造を部分的に示す分解斜視図である。 図１の繊維強化複合材製フレームが車両における車体各部の構成部材に適用された例を示す斜視説明図である。 本発明の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明の他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明のさらに他の変形例に係る繊維強化複合材製フレームの拡大断面図である。 本発明の比較例として疑似等方性を有する繊維強化複合材製フレームの断面図である。 図１７の繊維強化複合材製フレームの積層構造を部分的に示す分解斜視図である。 本実施形態の繊維強化複合材製フレームにおける曲げ荷重が入力されたときの荷重分布を比較例である図１７の疑似等方性を有するフレームと対比して示したグラフである。 本実施形態の繊維強化複合材製フレームにおける曲げ荷重が入力されたときの変形の様子を比較例である図１７の疑似等方性を有するフレームと対比して示した斜視説明図である。 図２０の本実施形態の繊維強化複合材製フレームにおける曲げ荷重が入力されたときの変形の様子を示した断面説明図である。 図２０の比較例の繊維強化複合材製フレームにおける曲げ荷重が入力されたときの変形の様子を示した断面説明図である。 本実施形態の繊維強化複合材製フレームにおける接合部が圧縮面部または引張面部と同一平面上に配置された構造を簡略化して示した斜視説明図である。 比較例である繊維強化複合材製フレームにおける接合部が角部に配置された構造を簡略化して示した斜視説明図である。 図２４の比較例のフレームにおいて圧縮面部の角部付近の部分が局部的な曲げ荷重を受けることを示した斜視説明図である。 本実施形態の繊維強化複合材製フレームにおける曲げ荷重が入力されたときの荷重分布を比較例である図２４の接合部が角部に配置されたフレームと対比して示したグラフである。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。
図１～２に示されるように、繊維強化複合材製フレーム１（以下、フレーム１と呼ぶ）は、複数の角部５を有する閉断面１ｂを備え、所定方向（図１の長手方向ＤＬ）に延設された繊維強化複合材で製造された高強度の部材である。フレーム１は、後述の車両の車体２１（図６参照）などの各部を構成する部材などに用いられる。
具体的には、フレーム１は、基本的な構成として、フレーム１の長手方向ＤＬに延びる４つの面を構成する部分、すなわち、圧縮面部２と、圧縮面部２の幅方向両側に互いに離間する一対の側面部３と、圧縮面部２から対向した状態で離間する引張面部４とを備えている。
これら圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４は、それぞれ複数の繊維配向層（すなわち、図３に示される長手方向配向層１１、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、および－４５度配向層１４）が積層して成形されることによって一体形成される。これら圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４によって、４つの角部５を有する矩形の閉断面１ｂが形成されている。角部５は、直線状または円弧状に面取りしていてもよい。
圧縮面部２は、フレーム１の長手方向ＤＬに直交する（すなわち、長手方向ＤＬに９０度傾斜した）短手方向ＤＳに向けてフレーム１を曲げる曲げ荷重ＦＢが当該フレーム１に対して入力されたときに長手方向ＤＬに沿って圧縮応力σ１が生じる面を構成する部分である。すなわち、圧縮面部２は、曲げられたフレーム１における内側の湾曲面になる。
ここで、曲げ荷重ＦＢは、フレーム１の長手方向ＤＬに直交する短手方向ＤＳに向けてフレーム１を曲げる荷重であればよく、例えば、車両の車体２１（図６参照）が外部の障害物（自動車や路上設置物等）に衝突したときに、図１に示されるように、フレーム１が両端支持された状態（例えば、図１の簡略化されたモデルではフレーム１が一対の支点Ｓで両端支持された状態）で圧縮面部２が圧縮荷重（衝突荷重）ＦＰを短手方向ＤＳ（すなわち、図１の圧縮面部２の法線方向）に向けて受けたときに生じる曲げ荷重が想定される。この場合、圧縮荷重ＦＰは、フレーム１の圧縮面部２で受ける。
または、曲げ荷重ＦＢは、フレーム１の長手方向ＤＬの端部１ａから長手方向ＤＬに向けて圧縮荷重（衝突荷重）を受けたときに生じる曲げ荷重なども想定される（例えば、図６の車体２１の側部から障害物が衝突したときに受けるクロスメンバ２６の曲げ荷重など）。この場合には、圧縮荷重は、フレーム１の端部１ａで受ける。
一対の側面部３のそれぞれは、圧縮面部２に隣接する一対の角部５から短手方向ＤＳに延びる面（具体的には、曲げ荷重ＦＢまたは圧縮荷重ＦＰと平行な方向に延びる面）を構成する部分である。側面部３は、フレーム１が曲げ荷重ＦＢを受けたときには、図１の中立軸Ｎよりも圧縮面部２に近い範囲では圧縮応力が生じ、中立軸Ｎよりも引張面部４に近い範囲では引張応力が生じる。一対の側面部３のそれぞれと圧縮面部２とによって角部５が形成される。
引張面部４は、圧縮面部２から離間した位置で長手方向ＤＬに延び、曲げ荷重ＦＢがフレーム１に対して入力されたときに長手方向ＤＬに沿って引張応力σ２が生じる面の部分である。すなわち、引張面部４は、曲げられたフレーム１における外側の湾曲面になる。引張面部４と一対の側面部３のそれぞれとによって角部５が形成される。
図３～４に示されるように、本実施形態の圧縮面部２は、長手方向ＤＬに強化繊維１１ａが配向された長手方向配向層１１を備えている。具体的には、図３～４に示される圧縮面部２は、２層の長手方向配向層１１と、４層の短手方向配向層１２と、２層の長手方向配向層１１とがフレーム１の断面の厚さ方向ＤＴに積層されて構成されている。圧縮面部２の積層構造は、厚さ方向ＤＴにおいて対称の構造である。
長手方向配向層１１は、具体的には、図４に示されるように、基材１１ｂと、フレーム１の長手方向ＤＬと同一の方向Ｄ１（すなわち、長手方向ＤＬに対する傾斜角度が０度）に配向された強化繊維１１ａとによって構成されている。
基材１１ｂ（１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ）とは、オートクレーブ成形やプレス成型で用いられる、強化繊維１１ａ（１２ａ、１３ａ、１４ａ）と樹脂からなるシート状の基材や、ＲＴＭ成形などで使われる強化繊維１１ａを仮止めした基材を指す。基材１１ｂは、例えば、耐熱性、強度および加工性にすぐれた樹脂製材料などからなり、例えばエポキシ樹脂などの樹脂によって構成されている。強化繊維１１ａは、軽量かつ高強度の繊維材料によって構成され、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セルロース繊維、スチール繊維などの繊維によって構成されている。とくに、炭素繊維は、軽量かつ高強度のいずれの点においてもすぐれているので好ましい。
短手方向配向層１２は、具体的には、図４に示されるように、基材１２ｂと、フレーム１の短手方向ＤＳ、すなわち、長手方向ＤＬと直交する方向Ｄ２（傾斜角度が９０度）に配向された強化繊維１２ａとによって構成されている。短手方向配向層１２の基材１２ｂおよび強化繊維１２ａについても、上記の長手方向配向層１１の基材１１ｂおよび強化繊維１１ａと同様の材料が用いられるが、他の材料が用いられてもよい。
図３および図５に示される側面部３の表層部は、長手方向ＤＬと異なる方向に強化繊維が配向された異方向配向層で構成されている。ここでいう側面部３の「表層部」とは、フレーム１の断面の内側および外側の表層部を意味する。
異方向配向層は、長手方向ＤＬと異なる方向に強化繊維が配向された層であればよい。したがって、異方向配向層は、具体的には、短手方向ＤＳに強化繊維が配向された短手方向配向層１２、または長手方向ＤＬに４５度傾斜した方向に強化繊維が配向された４５度配向層（さらに具体的には、後述の＋４５度配向層１３および－４５度配向層１４）であってもよい。
図５に示されるように、短手方向配向層１２は、上記と同様に、基材１２ｂと、フレーム１の短手方向ＤＳに配向された強化繊維１２ａとによって構成されている。
４５度配向層は、長手方向ＤＬに４５度傾斜した方向に強化繊維が配向された層であればよく、図５に示されるように、長手方向ＤＬに４５度傾斜した＋４５度配向層１３および長手方向ＤＬに－４５度傾斜した－４５度配向層１４のいずれであってもよい。
例えば、＋４５度配向層１３は、強化繊維１３ａが長手方向ＤＬを基準として当該配向層１３の面内方向で反時計方向に４５度旋回した方向に配向された層である。同様に、－４５度配向層１４は、強化繊維１４ａが長手方向ＤＬを基準として当該配向層１４の面内方向で時計方向に４５度（反時計方向を正方向とすれば－４５度）旋回した方向に配向された層である。
具体的には、図３および図５に示される側面部３は、２層の短手方向配向層１２と、＋４５度配向層１３と、２層の－４５度配向層１４と、＋４５度配向層１３と、２層の短手方向配向層１２とがフレーム１の断面の厚さ方向ＤＴに積層されて構成されている。側面部３の積層構造は、厚さ方向ＤＴにおいて対称の構造である。
＋４５度配向層１３は、具体的には、図５に示されるように、基材１３ｂと、長手方向ＤＬに対して＋４５度傾斜した方向Ｄ３に配向された強化繊維１３ａとによって構成されている。同様に、－４５度配向層１４は、具体的には、図５に示されるように、基材１４ｂと、長手方向ＤＬに対して－４５度傾斜した方向Ｄ４に配向された強化繊維１４ａとによって構成されている。これらの基材１３ｂ、１４ｂおよび強化繊維１３ａ、１４ａについても、上記の長手方向配向層１１の基材１１ｂおよび強化繊維１１ａと同様の材料が用いられるが、他の材料が用いられてもよい。
図３に示される引張面部４は、上記の圧縮面部２と同様に、長手方向配向層１１を備えている。具体的には、図３に示される引張面部４は、上記の圧縮面部２と同様の積層構成、すなわわち、２層の長手方向配向層１１と、４層の短手方向配向層１２と、２層の長手方向配向層１１とがフレーム１の断面の厚さ方向ＤＴに積層されて構成されている。したがって、引張面部４の積層構造も、圧縮面部２の積層構造と同様に、厚さ方向ＤＴにおいて対称の構造である。
図３に示されるように、本実施形態では、圧縮面部２または引張面部４を構成する層と側面部３を構成する層との接合部６は、圧縮面部２または引張面部４と同一平面上に配置されている。圧縮面部２または引張面部４を構成する層は、具体的には、図３に示されるように、４層の長手方向配向層１１および４層の短手方向配向層１２である。また、側面部３を構成する層は、４層の短手方向配向層１２、２層の＋４５度配向層１３および２層の－４５度配向層１４である。
ここでいう「接合部６」とは、隣接する異なる層同士を接合している部分である。接合部６は、隣接する２つの層同士が部分的に積層した状態で接合した部分、または隣接する２つの層の端部同士が突き合わされた状態で接合した部分などの種々の状態の接合部分が含まれる。
また、図３に示されるように、圧縮面部２および引張面部４における長手方向配向層１１は、角部５を避けた位置に配置されている。
しかも、長手方向配向層１１は、圧縮面部２および引張面部４のそれぞれの内側（すなわち、フレーム１の閉断面１ｂの内周面側）および／または外側（すなわち、フレーム１の外周面側）の表層部に配置されている。
さらに、図３に示されるように、縮面部２の短手方向配向層１２および側面部３の短手方向配向層１２は、圧縮面部２から側面部３にわたって連続して配置されている。具体的には、短手方向配向層１２は、フレーム１の短手方向Ｄｓの全周囲（すなわち、圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４）にわたって配置されている。このようなフレーム１の全周にわたって配置された短手方向配向層１２の場合、短手方向配向層１２の切れ目（または端縁同士の接合部）は、図１の圧縮荷重（衝突荷重）ＦＰの影響を受けにくい引張面部４に設けられているのが好ましい。
上記のように構成された本実施形態のフレーム１は、車両衝突時などにおいて高い曲げ強度が要求される車両の車体２１を構成する種々の部材、例えば、図６に示されるように、センターピラー２０、バンパービーム２２、サイドシル２３、ヒンジピラー２４、フロントピラー２５、およびクロスメンバ２６からなる群から選択された少なくとも１つに適用される。
これらの群のうち、センターピラー２０、バンパービーム２２、サイドシル２３、ヒンジピラー２４、フロントピラー２５に上記実施形態のフレームを適用する場合には、車体２１の外側を向く面に圧縮面部２（すなわち、衝突荷重が入力される面）が配置されるようにすればよい。また、クロスメンバ２６については、上側または下側を向く面に圧縮面部２が配置されるようにすればよい。
ここで、センターピラー２０は、車体２１の側端のフロントドアとリヤドアとの間において上下方向に延びる部材である。バンパービーム２２は、車体２１の前端において車体２１の幅方向に延び、バンパーを構成する部材である。サイドシル２３は、車体２１の車体２１の側端下部において車体２１の前後方向に延びる部材である。ヒンジピラー２４は、車体２１の側端前側において上下方向に延び、車体２１におけるフロントドアがヒンジ結合される部材である。フロントピラー２５は、車体２１の前側でフロントガラスの両側において上方かつ後方（斜め後方）に向けて略円弧状に延びる部材である。クロスメンバ２６は、車体２１の床部において車体２１の幅方向に延びる部材である。
（本実施形態の特徴）
（１）
本実施形態のフレーム１は、複数の角部５を有する閉断面１ｂを備え、所定方向に延設された繊維強化複合材で製造されたフレーム１ある。フレーム１は、図１に示されるように、フレーム１の長手方向ＤＬに直交する短手方向ＤＳに向けてフレーム１を曲げる曲げ荷重ＦＢが当該フレーム１に対して入力されたときに長手方向ＤＬに沿って圧縮応力σ１が生じる圧縮面部２と、圧縮面部２に隣接する角部５から短手方向ＤＳに延びる側面部３とを備えている。
図３～５に示されるように、圧縮面部２は、長手方向ＤＬに強化繊維が配向された長手方向配向層１１を備えている。側面部３の表層部（すなわち、フレーム１の内側および外側の表層部）は、長手方向ＤＬと異なる方向に強化繊維が配向された異方向配向層として短手方向配向層１２で構成されている。
かかる構成では、フレーム１に対して当該フレーム１の長手方向ＤＬに直交する方向に曲げる曲げ荷重ＦＢが入力されたときに、圧縮面部２では、フレーム１の長手方向ＤＬに沿って圧縮応力σ１が生じる。圧縮面部２は、フレーム１の長手方向ＤＬに沿う長手方向配向層１１を備えているため、圧縮面部２は、高い圧縮応力σ１に耐えることが可能になり、圧縮面部２における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。そして、側面部３の表層部は長手方向ＤＬと異なる方向（例えば、側面部３においてフレーム１の短手方向ＤＳまたはフレーム１の長手方向ＤＬに対して傾斜する斜め方向）に強化繊維が配向された異方向配向層として短手方向配向層１２で構成されている。このため、側面部３は、高いせん断応力や曲げ応力に耐えることが可能になり、側面部３の変形（とくに座屈変形）を抑制することが可能である。このような構成では、フレーム１の角部５に層間剥離が生じても圧縮面部２および側面部３へ亀裂が進展することを抑えることが可能になり、フレーム１の座屈体力を高めることが可能となる。その結果、フレーム１全体の座屈を回避してフレーム１の曲げ強度を向上することが可能である。
（２）
本実施形態のフレーム１では、側面部３の表層部を構成する異方向配向層がフレーム１の短手方向ＤＳに強化繊維が配向された短手方向配向層１２であるので、短手方向ＤＳにおける側面部３の剛性（例えば、短手方向ＤＳに潰す方向の荷重に対する曲げ剛性）を向上することが可能である。
（３）
また、本実施形態のフレーム１では、側面部３の表層部を構成する異方向配向層は、長手方向ＤＬに４５度傾斜した方向に強化繊維が配向された４５度配向層（具体的には、＋４５度配向層１３およびー４５度配向層１４）であってもよい。この場合も、側面部３のせん断剛性を向上することが可能である。
（４）
本実施形態のフレーム１は、図３に示されるように、圧縮面部２から離間した位置で長手方向ＤＬに延び、曲げ荷重ＦＢがフレーム１に対して入力されたときに長手方向ＤＬに沿って引張応力σ２が生じる引張面部４をさらに備えている。引張面部４は、長手方向配向層１１を備えている。
かかる構成によれば、フレーム１に対して曲げ荷重ＦＢが入力されたときに、圧縮面部２からフレーム１の短手方向ＤＳに離間する引張面部４では、フレーム１の長手方向ＤＬに沿って引張応力σ２が生じる。引張面部４は、長手方向配向層１１を備えているため、引張強度を向上することが可能である。その結果、フレーム１全体の座屈を効果的に回避してフレーム１の曲げ強度をさらに向上することが可能である。
（５）
本実施形態のフレーム１では、図３に示されるように、圧縮面部２または引張面部４を構成する層と側面部３を構成する層との接合部６は、圧縮面部２または引張面部４と同一平面上に配置されている。
かかる構成によれば、圧縮面部２または引張面部４を構成する層と側面部３を構成する層との接合部６は、圧縮面部２または引張面部４と同一平面上に配置されており、フレーム１の角部５から退避した位置にあるので、当該接合部６を起点とした角部５の屈曲を抑制することが可能である。
（６）
本実施形態のフレーム１では、図３に示されるように、長手方向配向層１１は、角部５を避けて配置されている。このため、角部５で生じた層間剥離及び亀裂による損傷を最小化することができ、角部５の屈曲をさらに抑制することが可能である。
（７）
本実施形態のフレーム１では、図３に示されるように、長手方向配向層１１は、圧縮面部２の内側および／または外側の表層部に配置されている。本実施形態では、長手方向配向層１１は、圧縮面部２および引張面部４のそれぞれの表層部に配置されている。
フレーム１に曲げ荷重ＦＢが入力されたときには、圧縮面部２の内側および外側の表層部において、圧縮応力σ１が最も大きくなり、圧縮面部２におけるひずみが最大となる。そこで上記の構成では、長手方向配向層１１が圧縮面部２の内側および／または外側の表層部に配置されていることにより、圧縮面部２はより高い圧縮応力σ１に耐えることが可能になり、圧縮面部２における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。
（８）
本実施形態のフレーム１では、図３に示されるように、圧縮面部２の短手方向配向層１２および側面部３の短手方向配向層１２は、圧縮面部２から側面部３にわたって連続して配置されている。このため、フレーム１全周にわたって断面を短手方向ＤＳに潰すような変形を抑制することが可能であり、フレーム１の曲げ強度をさらに向上することが可能である。
（９）
本実施形態のフレーム１は、車両の車体２１を構成するセンターピラー２０、バンパービーム２２、サイドシル２３、ヒンジピラー２４、フロントピラー２５、およびクロスメンバ２６からなる群から選択された少なくとも１つに適用される。これにより、車両衝突時において、車体２１の上記の各部分を構成するフレーム１に対して曲げ荷重ＦＢが入力されたときには、フレーム１全体の座屈を回避してフレーム１が曲げ荷重ＦＢに耐えることが可能になる。これによって、車体２１の剛性を向上することが可能である。
（１０）
図１～５に示されるように、本実施形態のフレーム１では、圧縮面部２は、長手方向配向層１１だけでなく、短手方向ＤＳに強化繊維が配向された短手方向配向層１２をさらに備えている。長手方向配向層１１は、短手方向配向層１２よりも圧縮面部２の表層側に配置されている。なお、この構成では、長手方向配向層１１は、圧縮面部２の表層側のみ、または表層側および中央層側の両方に配置されてもよい。
フレーム１に曲げ荷重ＦＢが入力されたときには、圧縮面部２の表層部に近いほど圧縮応力σ１が大きくなる傾向がある。そこで本実施形態のフレーム１の構成では、長手方向配向層１１が短手方向配向層１２よりも圧縮面部２の表層側に配置されていることにより、圧縮面部２は、より高い圧縮応力σ１に耐えることが可能になり、圧縮面部２における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。
（実施例１）
つぎに、図１～５に示される本実施形態のフレーム１の曲げ強度について比較例と対比しながら説明する。
本実施形態のフレーム１は、一辺５０ｍｍの正方形断面を有し、角部５は半径１０ｍｍの円弧状の面取り部を有する。フレーム１の各面の厚さは３．４ｍｍである。
曲げ強度を調べる場合、フレーム１は、一般的な曲げ試験の手順に基づいて、図１の２つの支点Ｓ（３００ｍｍ間隔）で両端支持された状態で、圧縮面部２の長手方向ＤＬの中点Ｃに圧子を当てて圧子を下向きに変位させていき、フレーム１を曲げていく。これにより、図１９のグラフの曲線Ｉのように、圧子の下方向の変位Ｘとフレーム１の曲げ荷重Ｐ（すなわち、圧子がフレーム１から受ける反力）との関係を調べた。
一方、比較例として、図１７～１８に示される疑似等方性を有する繊維強化複合材製フレーム５１（以下、フレーム５１と呼ぶ）を用意する。
比較例のフレーム５１は、複数の角部５５を有する閉断面５１ｂを構成するフレームであって、上記のフレーム１と同様に、圧縮面部５２、一対の側面部５３、および引張面部５４を備える。
ただし、比較例５１の各面部５２～５４は、同一の積層構成を有している。すなわち、各面部５２～５４は、疑似等方性を有するように、複数の長手方向配向層１１、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、および－４５度配向層１４がほぼ均等の割合になるように積層されて成形されることによって構成されている。また、これら長手方向配向層１１、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、および－４５度配向層１４は、角部５５を経由してフレーム５１の全周にわたって連続的に配置されている。したがって、各面部５２～５４は、同一の積層構成となっている。
上記のような図１７～１８に示される疑似等方性を有する比較例のフレーム５１についても、フレーム１と同様の手順で曲げ強度を調べた結果が、図１９のグラフの曲線ＩＩに示される。
図１９のグラフにおいて、本実施形態のフレーム１の曲げ荷重Ｐを示す曲線Ｉの方が、比較例のフレーム５１の曲げ荷重Ｐを示す曲線ＩＩと比較して最大荷重が３２％向上していることが分かる。この曲げ荷重の違いは、疑似等方性を有する比較例のフレーム５１では座屈が生じて曲げ強度が低いのに対し、本実施形態のフレーム１では、座屈を回避して曲げ強度を向上しているためである。すなわち、本実施形態のフレーム１では、上述のように、図３に示される圧縮面部２に多く配置した長手方向配向層１１および側面部３の表層部に配置した短手方向配向層１２によって、角部５に生じる層間剥離から圧縮面部２および側面部３への亀裂の進展を抑制し、フレーム１の座屈を防止しているためである。
また、図２０には、本実施形態のフレーム１と比較例のフレーム５１の曲げ変形したときの各部分の変位の分布を示す。図２０では、変位量の大小が各部分の明暗で示されている。各フレーム１、５１に対して、それぞれ２つの支点Ｓの中間位置に圧縮荷重ＦＰを加えたときには、本実施形態のフレーム１では座屈が生じないので、各面における変位量が小さい（図２０のフレーム１の暗い部分が少ない）のに対し、比較例のフレーム５１では座屈が生じているので、各面（とくに側面）における変位量が大きい（図２０のフレーム５１の暗い部分が多く、より深い暗さである）。
上記の図２０のように、本実施形態のフレーム１と比較例のフレーム５１の曲げ変形した場合、図２１に示される本実施形態のフレーム１の断面形状は面外変形が小さい（すなわち、２つの角部５の間の距離の変化が小さい）のに対し、図２２に示される比較例のフレーム５１の断面形状は面外変形が大きい（すなわち、２つの角部５５の間の距離の変化が大きい）ことが分かる。これら図２１～２２を比較しても、比較例のフレーム５１と比べて、本実施形態のフレーム１は座屈が生じずに断面形状を維持して曲げ強度を向上していることが分かる。
（実施例２）
また、本実施形態のフレーム１では、図２３の簡略化したモデルに示されるように、圧縮面部２または引張面部４を構成する層と側面部３を構成する層との接合部６が、角部５を避けた位置、すなわち、圧縮面部２または引張面部４と同一平面上に配置されている。この本実施形態のフレーム１について、上記の実施例１と同様に、図２６のグラフの曲線ＩＩＩのように、圧子の下方向の変位Ｘとフレーム１の曲げ荷重Ｐ（すなわち、圧子がフレーム１から受ける反力）との関係を調べた。
一方、比較例として、図２４～２５に示される繊維強化複合材製フレーム６０（以下、フレーム６０と呼ぶ）を用意する。この比較例のフレーム６０では、圧縮面部２または引張面部４を構成する層と側面部３を構成する層との接合部６が、角部５に配置されている。
上記のような図２４～２５に示される比較例のフレーム６０についても、フレーム１と同様の手順で曲げ強度を調べた結果が、図２６のグラフの曲線ＩＶに示される。
図２６のグラフにおいて、本実施形態のフレーム１の曲げ荷重Ｐを示す曲線ＩＩＩの方が、接合部６が角部５に配置された比較例のフレーム６０の曲げ荷重Ｐを示す曲線ＩＶと比較して変位Ｘの初期の段階（１０～１１ｍｍ以下）で向上しており、本実施形態のフレーム１の方が曲げ荷重が入力された初期段階（例えば、車両衝突直後の段階）におけるフレーム１の吸収エネルギーが大きいことが分かる。
この曲げ荷重の違いは、図２４～２５に示される比較例のフレーム６０では、角部５にまで圧縮面部２に含まれる長手方向配向層１１（図３～４参照）が延びている構成になるので、角部５近傍では圧縮面部２に含まれる長手方向配向層１１が圧縮荷重ＦＰと異なる局部的な曲げ荷重ＦＤが生じ、接合部６を起点とした角部５の屈曲が生じて曲げ強度が低くなるのに対し、本実施形態のフレーム１では、角部５の屈曲を回避して曲げ強度を向上しているためである。すなわち、本実施形態のフレーム１では、上述のように、圧縮面部２または引張面部４を構成する層と側面部３を構成する層との接合部６は、圧縮面部２または引張面部４と同一平面上に配置されており、フレーム１の角部５から退避した位置にあるので、当該接合部６を起点とした角部５の屈曲を抑制することが可能である。
（変形例）
（Ａ）
上記の本実施形態のフレーム１では、図３～４に示されるように、圧縮面部２が２層の長手方向配向層１１、４層の短手方向配向層１２、および２層の長手方向配向層１１が積層された構成、すなわち、＋４５度配向層１３および－４５度配向層１４を有していない構成であるが、本発明はこれに限定されない。
すなわち、本発明の変形例として図７に示されるフレーム１のように、圧縮面部２が＋４５度配向層１３および－４５度配向層１４を有する構成であってもよい。例えば、図７に示されるフレーム１の圧縮面部２は、２層の長手方向配向層１１、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、２層の－４５度配向層１４、＋４５度配向層１３、短手方向配向層１２、および２層の長手方向配向層１１が積層された構成であってもよい。
この図７に示されるフレーム１では、フレーム１の全周にわたって、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、２層の－４５度配向層１４、＋４５度配向層１３、および短手方向配向層１２が配置され、圧縮面部２および引張面部４の内側および外側の表層側に２層の長手方向配向層１１が配置されている。
上記のように図７に示されるフレーム１では、圧縮面部２が＋４５度配向層１３および－４５度配向層１４を有する構成であっても、圧縮面部２の内側および外側の表層側には、２層の長手方向配向層１１が配置されている。このため、圧縮面部２はより高い圧縮応力σ１に耐えることが可能になり、圧縮面部２における座屈強度を向上することが可能である。また同時に曲げ剛性も向上可能となる。
この図７に示される変形例のフレーム１においても、上記実施形態の特徴（１）～（１０）と同様の作用効果を奏することが可能である。
（Ｂ）
上記実施形態のフレーム１では、図３および図５に示されるように、側面部３の厚さ方向において中央部に－４５度配向層１４が配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、図８（および図１０～１１ならびに図１４～１６）に示される変形例のフレーム１のように、側面部３は、長手方向配向層１１をさらに備え、側面部３の長手方向配向層１１は、異方向配向層（本実施形態では、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、および－４５度配向層１４）よりも側面部３の厚さ方向において中央部に配置されているようにしてもよい。
フレーム１に曲げ荷重ＦＢが入力されたときには、側面部３の厚さ方向における中央の位置に近いほど短手方向ＤＳ、すなわち断面の周方向における圧縮・引張応力が小さくなる傾向がある。したがって、上記の図８（および図１０～１１、１４～１６）に示される構成のように、側面部３の長手方向配向層１１が異方向配向層よりも側面部３の厚さ方向における中央部に配置されていれば、当該長手方向配向層１１へのせん断応力にとって不利となる、断面周方向の圧縮・引張応力の影響を小さくしつつ、当該長手方向配向層１１よりも表層側に位置する異方向配向層によって、側面部３の変形を抑制することが可能である。
（Ｃ）
図８に示されるフレーム１は、疑似等方性のフレームをベースとして、圧縮面部２および引張面部４の表層側の長手方向配向層１１を増やし、さらに、側面部３の短手方向配向層１２を増やすことにより構成されている。この構成においても、上記実施形態の特徴（１）～（１０）と同様の作用効果を奏することが可能である。
（Ｄ）
図９に示される変形例のフレーム１は、長手方向配向層１１および短手方向配向層１２をベースとして、圧縮面部２および引張面部４の表層側の長手方向配向層１１を増やすことにより構成されている。
この図９に示されるフレーム１では、フレーム１の全周にわたって、短手方向配向層１２、長手方向配向層１１、２層の短手方向配向層１２、長手方向配向層１１、および短手方向配向層１２が配置され、圧縮面部２および引張面部４の内側および外側の表層側に２層の長手方向配向層１１が配置されている。
この構成においても、上記実施形態の特徴（１）～（２）、（４）～（５）、（７）～（１０）と同様の作用効果を奏することが可能である。
（Ｅ）
図１０に示される変形例のフレーム１は、各配向層１１～１４の配向比率を等分にし、板厚方向で各配向層１１～１４の配置を最適化することにより構成されている。この図１０に示されるフレーム１では、圧縮面部２および引張面部４の内側および外側の表層部に長手方向配向層１１が配置され、側面部３の内側および外側の表層部に短手方向配向層１２が配置されている。この構成においても、上記実施形態の特徴（１）～（５）、（７）～（１０）と同様の作用効果を奏することが可能である。
（Ｆ）
図１１される変形例のフレーム１は、図８のフレーム１と同様に疑似等方性のフレームをベースとして、圧縮面部２および引張面部４の表層側に長手方向配向層１１を配置し、それとともに側面部３の表層側に短手方向配向層１２を配置することにより構成されている。この構成においても、上記実施形態の特徴（１）～（５）、（７）～（１０）と同様の作用効果を奏することが可能である。
（Ｇ）
上記のように、図１～５に示される実施形態のフレーム１ならびに図７～１１に示されるフレーム１では、圧縮面部２および引張面部４の表層部に長手方向配向層１１が配置されているが、本発明はこれに限定するものではない。
すなわち、本発明では、圧縮面部２が長手方向配向層１１を備え、側面部３の表層部が短手方向配向層を備えていればよく、図１２～１６に示される変形例のフレーム１のように、圧縮面部２および引張面部４の長手方向配向層１１よりも表層側に長手方向配向層１１以外の層、例えば＋４５度配向層１３などが配置されていてもよい。これら図１２～１６に示されるフレーム１においても、上記実施形態の特徴（１）～（６）、（８）～（１０）（なお、図１４～１６の場合は（６）を除く）と同様の作用効果を奏することが可能である。
なお、図１２に示される変形例のフレーム１は、図３に示される本実施形態のフレーム１の圧縮面部２および引張面部４の表層部に＋４５度配向層１３が追加され、側面部３の＋４５度配向層１３が側面部３の表層部に移動した構成である。
図１３に示される変形例のフレーム１は、図７に示される変形例のフレーム１の圧縮面部２、側面部３、および引張面部４の＋４５度配向層１３が圧縮面部２、側面部３、および引張面部４それぞれの表層部に移動した構成である。
図１４に示される変形例のフレーム１は、図８に示される変形例のフレーム１の圧縮面部２、側面部３、および引張面部４の＋４５度配向層１３が圧縮面部２、側面部３、および引張面部４それぞれの表層部に移動した構成である。
図１５に示される変形例のフレーム１は、図１０に示される変形例のフレーム１の圧縮面部２、側面部３、および引張面部４の＋４５度配向層１３が圧縮面部２、側面部３、および引張面部４それぞれの表層部に移動した構成である。
図１６に示される変形例のフレーム１は、図１１に示される変形例のフレーム１の圧縮面部２、側面部３、および引張面部４の＋４５度配向層１３が圧縮面部２、側面部３、および引張面部４それぞれの表層部に移動した構成である。
（Ｈ）
なお、上記実施形態および変形例で示される強化繊維の配向角度、例えば、「０度」、「９０度」、「４５度」、および「－４５度」については、これらの角度の±１５度の範囲であれば本発明の効果を奏することが可能である。
１ 繊維強化複合材製フレーム
２ 圧縮面部
３ 側面部
４ 引張面部
５ 角部
６ 接合部
１１ 長手方向配向層
１２ 短手方向配向層
１３ ＋４５度配向層
１４ －４５度配向層
１１ａ～１４ａ 強化繊維
２０ センターピラー
２１ 車体
２２ バンパービーム
２３ サイドシル
２４ ヒンジピラー
２５ フロントピラー
２６ クロスメンバ

Claims (11)

  1. 複数の角部を有する閉断面を備え、所定方向に延設された繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記フレームは、
    前記フレームの長手方向に直交する短手方向に向けて前記フレームを曲げる曲げ荷重が当該フレームに対して入力されたときに前記長手方向に沿って圧縮応力が生じる圧縮面部と、
    前記圧縮面部に隣接する前記角部から前記短手方向に延びる側面部と、
    を備え、
    前記圧縮面部は、前記長手方向に強化繊維が配向された長手方向配向層を備え、
    前記側面部の表層部は、前記長手方向と異なる方向に強化繊維が配向された異方向配向層で構成されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  2. 請求項１に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記異方向配向層は、前記短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層である、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  3. 請求項１または２に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記異方向配向層は、前記長手方向に４５度傾斜した方向に強化繊維が配向された４５度配向層である、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記フレームは、前記圧縮面部から離間した位置で前記長手方向に延び、前記曲げ荷重が前記フレームに対して入力されたときに前記長手方向に沿って引張応力が生じる引張面部をさらに備え、
    前記引張面部は、前記長手方向配向層を備えている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  5. 請求項４に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記圧縮面部または前記引張面部を構成する層と前記側面部を構成する層との接合部は、前記圧縮面部または前記引張面部と同一平面上に配置されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記長手方向配向層は、前記角部を避けて配置されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記長手方向配向層は、前記圧縮面部の内側および／または外側の表層部に配置されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  8. 請求項１に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記圧縮面部は、前記短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層をさらに備え、
    前記長手方向配向層は、前記短手方向配向層よりも前記圧縮面部の表層側に配置されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  9. 請求項８に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記側面部の前記異方向配向層は、前記短手方向に強化繊維が配向された短手方向配向層であり、
    前記圧縮面部の前記短手方向配向層および前記側面部の前記短手方向配向層は、前記圧縮面部から前記側面部にわたって連続して配置されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記側面部は、前記長手方向配向層をさらに備え、
    前記側面部の前記長手方向配向層は、前記異方向配向層よりも前記側面部の厚さ方向において中央部に配置されている、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
  11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
    前記フレームが車両の車体を構成するセンターピラー、バンパービーム、サイドシル、ヒンジピラー、フロントピラー、およびクロスメンバからなる群から選択された少なくとも１つに適用される、
    ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。
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