JP7348585B1 - 衝撃吸収部材 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示における衝撃吸収部材は、第1断面、第2断面および凹溝を備える筒形状の部材であって、凹溝は、“複数”の変曲点を有することを主な特徴とする。この特徴を説明するにあたって、本実施形態においては、説明の便宜上、まずは凹溝が“1つ”の変曲点を有する場合の衝撃吸収部材を例示して、第1断面や第2断面、凹溝等の定義、および従来技術に対する利点等について説明する。この説明で参照する図面は主に図1~図6である。その説明の後に、凹溝が“複数”の変曲点を有する場合の衝撃吸収部材を例示して、本開示における衝撃吸収部材の主な特徴について説明する。この説明で参照する図面は主に図7~図8である。
図1は、本開示における衝撃吸収部材の参考例を示す概略斜視図である。また、図2は、本開示における衝撃吸収部材の参考例を示す概略断面図であり、具体的には、図1における衝撃吸収部材10の軸方向DAに対して垂直な切断面を示す断面図に相当する。
以下、本開示における衝撃吸収部材の第1断面11、第2断面12および凹溝Xについて、より詳細に説明する。
図7は、本開示における衝撃吸収部材を例示する概略断面図である。図7に示す衝撃吸収部材1において、第2断面12は、周方向に沿って、頂点Aから頂点Fまでの6つの頂点を有する六角形である。第1断面11および第2断面12は、頂点A、C、D、Fを共有し、これらが共有頂点に該当する。一方、第1断面11および第2断面12は、頂点B、Eを共有していない。第1断面11は、これらの非共有頂点B、Eに対応する位置にそれぞれ凹溝Xを備える。
FEM解析により座屈変形挙動を評価した。参考例1では、図9(a)に示す第1断面を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図9(a)に示す第1断面は、軸方向に延びる平面部Pの幅Wp(第1断面を構成する辺)として、Wp1(11mm)およびWp2(9mm)を設定した。なお、図示しないが、図9(a)に示す衝撃吸収部材における第2断面は、図2と同様に八角形である。また、第1断面における180°未満の内角(稜線角)を全てθ1=120°とし、さらに、4つの凹溝の底部頂点の角度(稜線角)を全てθ2=90°とした。また、稜線曲率半径を5mmとし、衝撃吸収部材の軸方向の長さ(部材長さ)を200mmとした。FEM解析には、板厚1.0mmの1180MPa級鋼板の材料特性を用い、ひずみ速度依存性はCowper-Symonds則により考慮し、座屈変形時の変形速度(衝突速度)は5m/sとした。
比較例1では、図9(b)に示す第1断面を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図9(b)に示す第1断面は、軸方向に延びる平面部Pの幅Wpとして、Wp1(10mm)、Wp2(12mm)およびWp3(8mm)を設定した。また、第1断面における180°未満の内角(稜線角)を全てθ1=90°とし、さらに、4つの凹溝の底部頂点の角度(稜線角)も全てθ1=90°とした。その他の条件は、参考例1と同様にした。
比較例2では、図9(c)に示す第1断面を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図9(c)に示す第1断面は、軸方向に延びる平面部Pの幅Wpとして、Wp1(12mm)、Wp2(8mm)、Wp3(9mm)およびWp4(12mm)を設定した。また、第1断面における180°未満の内角(稜線角)を全てθ1=90°とし、さらに、4つの凹溝の底部頂点の角度(稜線角)も全てθ1=90°とした。その他の条件は、参考例1と同様にした。参考例1および比較例1、2の設定条件を表1に示す。
参考例1および比較例1、2におけるFEM解析の結果を図10に示す。図10において、グラフの横軸は載荷点変位δ[mm]を示し、グラフの縦軸は、荷重Fを部材の断面積Ltで除した、単位断面積当たりの荷重F/Lt[kN/mm2]を示す。図10に示すように、参考例1は、比較例1、2に比べて、圧壊ストローク全体を通じて、荷重レベルが高くなることが確認された。具体的に、変位0mm~125mmにおける荷重の平均であるFave/Lt[kN/mm2]は、参考例1が0.53kN/mm2であり、比較例1が0.44kN/mm2であり、比較例2が0.46kN/mm2であった。すなわち、参考例1は、比較例1、2に比べて、衝撃吸収性能および軽量性のバランス(重さ当たりの衝撃吸収性能)が良好であった。
FEM解析により座屈変形挙動を評価した。参考例2、3では、参考例1と同様に、図9(a)に示す第1断面を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。参考例2、3の設定条件を表2に示す。
参考例2におけるFEM解析の結果を図11に、参考例3におけるFEM解析の結果を図12に示す。図11、図12に示すように、稜線角θ1が130°になるまでは、稜線角θ1が大きくなる程、Fave/Ltの値が良好であった。一方、図12に示すように、稜線角θ1が135°である場合、Fave/Ltの値は若干小さくなった。ここで、図11および図12に示す四角形のプロットは、図13(a)に示すように、座屈が安定的に進行した変形モード(Type I)である。一方、図12に示す三角形のプロットは、図13(b)に示すように、座屈が不安定に進行した変形モード(Unstable)である。図12に示すように、稜線角θ1が130°の場合、変形モードがUnstableになるものの、Fave/Ltの値は最も高くなるため、稜線角θ1は特に130°以下であることが好ましいことが示唆された。
参考例4では、図14(a)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図14(a)に示す第1断面は、平面部Pの幅Wpとして、Wp1(16mm)およびWp2(14mm)を設定した。第2断面は、四角形である。また、第1断面の共有頂点B、Dの内角(稜線角)を全てθ1=90°、境界頂点I、J、K、Lの内角(稜線角)を全てθ2=100°、底部頂点A′、C´の外角(稜線角)を全てθ3=110°とした。その他の条件は、参考例1と同様にした。
参考例5では、図14(b)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図14(b)に示す第1断面は、平面部Pの幅Wpとして、Wp1(16mm)およびWp2(14mm)を設定した。第2断面は、四角形である。また、第1断面の共有頂点B、Dの内角(稜線角)を全てθ1=110°、境界頂点I、J、K、Lの内角(稜線角)を全てθ2=90°、底部頂点A′、C´の外角(稜線角)を全てθ3=110°とした。その他の条件は、参考例1と同様にした。
比較例3では、図14(c)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図14(c)に示す第1断面は、平面部Pの幅Wpとして、Wp1(16mm)およびWp2(14mm)を設定した。第2断面は、四角形である。また、第1断面の共有頂点B、Dの内角(稜線角)、境界頂点I、J、K、Lの内角(稜線角)、および底部頂点A′、C′の外角(稜線角)を全て110°とした。その他の条件は、参考例1と同様にした。参考例4、5および比較例3の設定条件を表1に示す。
参考例4、5および比較例3におけるFEM解析の結果を図15に示す。図15に示すように、参考例4、5は、比較例3に比べて、圧壊ストローク全体を通じて、荷重レベルが高くなることが確認された。具体的には、変位0mm~125mmにおける荷重の平均であるFave/Lt[kN/mm2]に着目すると、参考例4、5のFave/Ltが比較例3と比べて約10%向上した。すなわち、参考例4、5は、比較例3に比べて、衝撃吸収性能および軽量性のバランス(重さ当たりの衝撃吸収性能)が良好であった。
実施例1では、図16(a)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図16(a)に示す衝撃吸収部材は、共有頂点として頂点A、C、D、Fを有し、非共有頂点B、Eに対応する位置にそれぞれ凹溝を有する。各凹溝には、2つの第1変曲点と、それら第1変曲点の間に配置された第2変曲点とが設けられている。
比較例4では、図16(b)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図16(b)に示す衝撃吸収部材は、共有頂点として頂点A、B、C、D、E、F、G、Hを有しているが、非共有頂点は存在しない。辺BCおよび辺FGには、凹溝が設けられているが、非共有頂点に対応する位置に設けられた凹溝ではないため、比較例4は、本開示で定義される凹溝を有しない衝撃吸収部材である。
参考例6では、図16(c)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図16(c)に示す衝撃吸収部材は、共有頂点として頂点A、C、D、Fを有し、非共有頂点B、Eに対応する位置にそれぞれ凹溝を有する。各凹溝には、1つの底部頂点(第1変曲点)が設けられている。
表4に示すように、実施例1の衝撃吸収部材は、比較例4および参考例6の衝撃吸収部材に対してFave/Lt比が向上している。すなわち、複数の第1変曲点と、それらの第1変曲点の間に第2変曲点とを有する凹溝を備えた衝撃吸収部材は、比較例4および参考例6に対して衝撃吸収性能と軽量性のバランスに優れている。
実施例2では、図17(b)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図17(b)に示す衝撃吸収部材は、図17(a)に示す実施例1の衝撃吸収部材と比較し、第1断面の高さが低いモデルである。
実施例3では、図17(c)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。図17(c)に示す衝撃吸収部材は、図17(b)に示す実施例2の衝撃吸収部材と比較し、第1断面の高さがさらに低いモデルである。
表5に示すように、実施例1~3のFave/Lt比は、いずれも1を超えている。すなわち、複数の第1変曲点と、それらの第1変曲点の間に第2変曲点とを有する凹溝を備えた衝撃吸収部材は、参考例6に対して衝撃吸収性能と軽量性のバランスに優れていることが確認される。
比較例5では、図19(b)に示す第1断面(実線部)を有する衝撃吸収部材で座屈変形挙動を評価した。比較例5の衝撃吸収部材は、共有頂点として頂点B、D、F、Hを有し、非共有頂点A、C、E、Gに対応する位置にそれぞれ凹溝を有する。
表6に示すように、実施例1の重量比は1未満である。このため、実施例1の衝撃吸収部材は比較例5の衝撃吸収部材よりも軽量である。また、実施例1のエネルギー吸収量比は1を超えている。このため、実施例1の衝撃吸収部材は、比較例5の衝撃吸収部材よりも衝撃吸収性能に優れている。すなわち、実施例1の衝撃吸収部材は、比較例5の衝撃吸収部材に対して軽量であるにも関わらず衝撃吸収性能が向上しており、衝撃吸収性能と軽量性のバランスに優れている。
(1)軸方向の圧壊により衝撃を吸収する衝撃吸収部材であって、
前記衝撃吸収部材は、前記軸方向に沿って延びた、複数の平面部を含む筒形状を有し、
前記衝撃吸収部材の前記軸方向に垂直な断面を第1断面とし、
前記第1断面における複数の辺の延長線から規定される断面を第2断面とした場合に、
前記第2断面は、180°以上の内角が存在しない多角形であり、
前記第1断面は、前記第2断面と頂点を共有する共有頂点と、前記第2断面の頂点に対応するように位置する凹溝と、を備え、
前記凹溝は、
内角が180°超の頂点である第1変曲点と、
内角が180°未満の頂点である第2変曲点と、を有し、
前記第1変曲点は、複数設けられ、
前記第1断面の少なくとも一部の領域では、前記第1変曲点と前記第2変曲点とが、前記第1断面の周方向に沿って交互に配置され、
前記第1変曲点と前記第2変曲点を除く前記第1断面の頂点の少なくとも一つの内角は、100°以上であり、
前記第1断面は、内部に隔壁部を有しない、衝撃吸収部材。
(2)前記第1断面の幅高さ比が0.70以下である、(1)に記載の衝撃吸収部材。
(3)前記第1断面は、前記共有頂点および前記凹溝を複数備え、
少なくとも二つの前記凹溝は、前記第2断面における同一の対角線上の頂点の各々に対応する位置に配置され、
前記対角線は、一つの頂点から延びる複数の対角線のうちの最も長い対角線である、(1)または(2)に記載の衝撃吸収部材。
(4)前記第1断面は、前記共有頂点および前記凹溝を複数備え、
前記共有頂点および前記凹溝は、前記第1断面の周方向に沿って、交互に配置されている、(1)~(3)のいずれかに記載の衝撃吸収部材。
(5)前記第1断面において、
180°未満の内角が、全て75°以上、135°以下であり、
前記第1変曲点の外角の角度が、全て75°以上、135°以下である、
(1)~(4)のいずれかに記載の衝撃吸収部材。
11 第1断面
12 第2断面
13 第1変曲点
14 第2変曲点
X 凹溝
Claims (5)
- 軸方向の圧壊により衝撃を吸収する衝撃吸収部材であって、
前記衝撃吸収部材は、前記軸方向に沿って延びた、複数の平面部を含む筒形状を有し、
前記衝撃吸収部材の前記軸方向に垂直な断面を第1断面とし、
前記第1断面における複数の辺の延長線から規定される断面を第2断面とした場合に、
前記第2断面は、180°以上の内角が存在しない多角形であり、
前記第1断面は、前記第2断面と頂点を共有する共有頂点と、前記第2断面の頂点に対応するように位置する凹溝と、を備え、
前記凹溝は、
内角が180°超の頂点である第1変曲点と、
内角が180°未満の頂点である第2変曲点と、を有し、
前記第1変曲点は、複数設けられ、
前記第1断面の少なくとも一部の領域では、前記第1変曲点と前記第2変曲点とが、前記第1断面の周方向に沿って交互に配置され、
前記第1変曲点と前記第2変曲点を除く前記第1断面の頂点の少なくとも一つの内角は、100°以上であり、
前記第1断面は、内部に隔壁部を有しない、衝撃吸収部材。 - 前記第1断面の幅高さ比が0.70以下である、請求項1に記載の衝撃吸収部材。
- 前記第1断面は、前記共有頂点および前記凹溝を複数備え、
少なくとも二つの前記凹溝は、前記第2断面における同一の対角線上の頂点の各々に対応する位置に配置され、
前記対角線は、一つの頂点から延びる複数の対角線のうちの最も長い対角線である、請求項1または2に記載の衝撃吸収部材。 - 前記第1断面は、前記共有頂点および前記凹溝を複数備え、
前記共有頂点および前記凹溝は、前記第1断面の周方向に沿って、交互に配置されている、請求項1または2に記載の衝撃吸収部材。 - 前記第1断面において、
180°未満の内角が、全て75°以上、135°以下であり、
前記第1変曲点の外角の角度が、全て75°以上、135°以下である、
請求項1または2に記載の衝撃吸収部材。
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