JPH06127428A - 構造部材の構造 - Google Patents
構造部材の構造Info
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- JPH06127428A JPH06127428A JP28211892A JP28211892A JPH06127428A JP H06127428 A JPH06127428 A JP H06127428A JP 28211892 A JP28211892 A JP 28211892A JP 28211892 A JP28211892 A JP 28211892A JP H06127428 A JPH06127428 A JP H06127428A
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Abstract
強度とエネルギ吸収性能とを確保し得る構造部材の構
造。 【構成】 垂直パネルにて形成され,この垂直パネルに
対し直角方向の荷重を受けるフランジ2と,フランジ2
の所定位置に固着された水平パネルにて形成され,フラ
ンジ2を支持するウエブ3とからなる構造部材の構造1
の決定に際し,フランジ2の高さbf と厚さtf との関
係を表わすフランジの幅厚比Rf と,ウエブ3の幅bw
と厚さtw との関係を表わすウエブの幅厚比Rw とが,
Rf <1.0かつRw <0.8Rf となるように構成さ
れている。上記構成により,薄肉の箱型断面形状に対し
て軽量かつ十分な強度とエネルギ吸収性能とを確保し得
る構造部材の構造が得られる。
Description
例えば自動車のボディ,シャーシ等に適用される構造部
材の構造に関するものである。
示す断面形状図(1)〜(5),図6は構造部材の構造
1を適用可能な自動車部材の外観斜視図,図7は荷重・
変位と吸収エネルギとの関係を示すグラフである。近
年,環境問題対策から自動車の軽量化が図られ,一部で
はアルミニウム製の押出型材も用いられているがまだ軽
量化が十分に達成されておらず,形状面からもより軽量
化を図る必要がある。一方,自動車のボディおよびシャ
ーシの構造部材で,衝突時の損害を低減するかあるいは
乗員の安全性を高めるための機能を付与されるバンパ,
サイドメンバ,サイドシェル等の部品(図6参照)は,
構造部材として所定の強度を保証する必要がある。従っ
て,これらの部品は軽くかつ十分な強度を持つ断面形状
に設計する必要がある。また,乗員の安全性を高めるた
めには,衝突時に過大な加速度が作用せずに,運動エネ
ルギを上記構造部材の塑性変形で吸収する必要がある。
このためには,図7で示すように最高荷重以後の荷重低
下が小さいほうがエネルギ吸収性能が高く,望ましい形
状となる。従って,構造部材の構造1は,例えば図1
(1)〜(5)に示すように垂直パネルにて形成され,
このパネルに対し直角方向の荷重を受けるフランジ2
と,フランジ2の所定位置に固着された水平パネルにて
形成され,このフランジを支持するウエブ3とから構成
される。従来より,このような構造部材の構造1におけ
る断面性能を確保するために,I形断面梁等の実験デー
タを用いて,次式で表される幅厚比の制限が行われてい
た(土木学会第45回年次学術講演会(平成2年9月)
等)。 Rf ={12(1−ν2 )/π2 kf }1/2 ・(σy /E)1/2 ・(bf /tf ) …(1) Rw ={12(1−ν2 )/π2 kw }1/2 ・(σy /E)1/2 ・(bw /tw ) …(2) ここに,Rf はフランジの幅厚比,Rw はウエブの幅厚
比,bf はフランジの高さ,tf はフランジの厚さ,b
w はウエブの幅,tw はウエブの厚さ,νはポアソン
比,Eは弾性率,σy は降伏応力,kf ,kw は弾性座
屈係数である。
構造部材の構造1では,その断面性能評価にI形断面梁
等の実験データを用いるため,またエネルギ吸収性能に
関する評価がなされていないため,自動車のバンパ,サ
イドメンバ,サイドシェル等のように薄肉の箱型断面形
状を有し,衝突時には曲げ荷重を受ける部材に適用した
場合,その評価が困難であった。従って,薄肉の箱型断
面形状に対して軽量化と強度確保との両方を同時に満足
させることが困難であった。本発明はこのような従来の
技術における課題を解決するために,構造部材の構造を
改良し,薄肉の箱型断面形状に対して軽量かつ十分な強
度とエネルギ吸収性能とを確保し得る構造部材の構造を
提供することを目的とするものである。
に本発明は,垂直パネルにて形成され,該垂直パネルに
対し直角方向の荷重を受けるフランジと,上記フランジ
の所定位置に固着された水平パネルにて形成され,該フ
ランジを支持するウエブとからなる構造部材の構造にお
いて,上記フランジの高さdf と厚さtf との関係を表
すフランジの幅厚比Rf と,上記ウエブの幅bw と厚さ
tw との関係を表すウエブの幅厚比Rwとを, Rf <1.0 かつ Rw <0.8Rf ただし,Rf ={12(1−ν2 )/4π2 }1/2 ・
(σy /E)1/2・(bf /tf ) Rw ={12(1−ν2 )/23.9π2 }1/2 ・(σ
y /E)1/2・(bw /tw ) ここに,νはポアソン比,Eは弾性率,σy は降状応力
としたことを特徴とする構造部材の構造として構成され
ている。更には,上記両幅厚比Rf ,Rw 間の関係を有
するフランジが曲げ変形時の少なくとも圧縮側に配設さ
れてなる構造部材の構造である。更には,上記圧縮側に
複数のフランジが配設され,それぞれのフランジの幅厚
比Rf の平均値が上記両幅厚比Rf ,Rw 間の関係を有
してなる構造部材の構造である。更には,複数のウエブ
が配設され,それぞれのウエブの幅厚比Rw の平均値が
上記両幅厚比Rf ,Rw 間の関係を有してなる構造部材
の構造である。
垂直パネルに対して直角方向の荷重を受けるフランジ
と,上記フランジの所定位置に固着された水平パネルに
て形成され,該フランジを支持するウエブとからなる構
造部材の構造の決定に際し,上記フランジの高さbf と
厚さtf との関係を表すフランジの幅厚比Rf と,上記
ウエブの幅bw と厚さtw との関係を表すウエブの幅厚
比Rw とが,Rf <1.0かつRw <0.8Rf となる
ように制限される。 ただし,Rf ={12(1−ν2 )/4π2 }1/2 ・
(σy /E)1/2・(bf /tf ) Rw ={12(1−ν2 )/23.9π2 }1/2 ・(σ
y /E)1/2・(bw /tw ) ここに,νはポアソン比,Eは弾性率,σy は降伏応力
である。上記両幅厚比Rf ,Rw 間の関係は従来例にお
けるI形断面梁等の実験データではなく,薄肉の箱型断
面梁による実験データに基づくものである。従って,薄
肉の箱型断面形状に対して断面性能評価が容易となり,
その結果,軽量かつ十分な強度とエネルギ吸収性能とを
確保することができる。更に,上記両幅厚比Rf ,Rw
間の関係を有するフランジが曲げ変形時の少なくとも圧
縮側に配設される。従って,局部的に座屈強度を向上さ
せて,全体構造として十分な強度とエネルギ吸収性能と
を確保しつつ,より軽量化を図ることができる。更に,
上記圧縮側に複数のフランジが配設され,それぞれのフ
ランジの幅厚比Rf の平均値が上記両幅厚比Rf ,Rw
間の関係を有するものとされる。従って,平均的に座屈
強度を向上させて,全体構造として軽量かつ十分な強度
とエネルギ吸収性能とを確保しつつ,より複雑な構造に
適用することができる。更に,複数のウエブが配設さ
れ,それぞれのウエブの幅厚比Rw の平均値が上記両幅
厚比Rf ,Rw 間の関係を有するものとされる。従っ
て,この場合も平均的に座屈強度を向上させて,全体構
造として軽量かつ十分な強度とエネルギ吸収性能とを確
保しつつ,より複雑な構造に適用することができる。
た実施例につき説明し,本発明の理解に供する。尚,以
下の実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に,図1は本発明の一実施例に係る構造部材1の構造を
示す断面形状図(1)〜(5)(従来例と共用),図2
は三点曲げ試験の条件を示す説明図,図3は幅厚比と曲
げ強度との関係を示すグラフ,図4は荷重・変位と幅厚
比との関係を示すグラフ,図5は構造部材の構造1の具
体的数値例を示す断面形状図(1)〜(5)である。図
1(1)〜(5)に示す如く,本実施例に係る構造部材
の構造1はフランジ2とウエブ3とからなる点で従来例
と同様である。しかし,本実施例では,フランジ2の高
さbf と厚さtf との関係を表すフランジの幅厚比Rf
と,ウエブ3の幅bw と厚さtw との関係を表すウエブ
の幅厚比Rw とを,Rf <1.0かつRw <0.8Rf
とした点で従来例と異なる。以下,本実施例では主とし
て従来例と異なる部分について説明し,従来例と同様の
部分については既述の通りであるのでその詳細な説明を
省略する。まず,前述の(1),(2)式に薄肉の箱型
断面形状に対応する周知の弾性座屈係数(kf =4,k
w =23.9)を与えることにより,幅厚比Rf ,Rw
は次式で表される。 Rf ={12(1−ν2 )/4π2 }1/2 ・(σy /E)1/2 ・(bf /tf ) …(1′) Rw ={12(1−ν2 )/23.9π2 }1/2 ・(σy /E)1/2 ・(bw /tw ) …(2′) そして,部材の曲げ強度を高めるためには,次式にて示
す全塑性モーメントM p を大きくする必要がある(ここ
で,塑性の断面係数をZp とおく)。 Mp =Zp ・σy …(3) なお,断面係数Zp は例えば図1(1)の形状に対して
は次式で与えられる。 Zp =bf ・tf ・bw +N/4・tw ・bw 2 (Nはウエブ3の数:ここでは2) =bw (bf ・tf +tw ・bw /2) …(4) 一方,断面積Aは次式で与えられる。 A=2bf ・tf +N・tw ・bw =2(bf ・tf +tw ・bw ) …(5) 全塑性モーメントMp を大きくするには,断面係数Zp
を大きくすればよい。しかし,ウエブ3の厚さtw を大
きくした場合,断面係数Zp と断面積Aの定義式である
上記(4),(5)式の( )内の係数(前者に対して
は1/2,後者に対しては1)を比べて理解できるよう
に,ウエブ3の厚さtw による断面係数Zp の増大効果
は小さく,断面積Aの増大効果は大きい。このことは,
他の形状である図1(2)〜(5)にもあてはまる。従
って,部材の軽量化を図る場合は,極力ウエブ3の厚み
tw を小さく,またフランジ2の厚みtf を大きくする
方法を採用する。
をともなわずに塑性の断面係数Zpを大きくするために
は,フランジ2の高さbf を大きくするのが最も有効で
あるが,高すぎるとウエブ3が座屈してかえって強度低
下の原因となる。また,フランジ2についても,幅厚比
Rf を大きくしすぎると,やはり座屈が生じ,強度が低
下する。これを防止するため,中間にウエブ3やフラン
ジ2を1〜数枚設けることになる。しかしながら,これ
までのところ,どのような形状が最も合理的であるかに
ついては明瞭にされていない。そこで,ここでは種々の
断面を持つ,アルミニウム合金(JIS種類で700
3)製の押出型材を用いて図2に示すような三点曲げ実
験を行い,最高荷重PCRを示すときを崩壊と定義し,そ
の崩壊モーメントMCRを求めた。この崩壊モーメントM
CRと上述の全塑性モーメントMp との比MCR/Mp を断
面の持つ無次元強度とおいて,実験結果をフランジ2の
幅厚比Rf とウエブ3の幅厚比Rw との比Rf /R
w (無次元量)をパラメータとして整理し,座屈による
強度低下が生じる範囲および低下量をあきらかにした。
その結果を図3に示すが,同図から以下のことが判る。
即ち,フランジ2の幅厚比Rf が1.0より大きくなれ
ば無次元強度の低下が大きくなる。とくに,この幅厚比
Rf が1.0より小さく, かつ比Rw /Rf が0.8よ
り小さい領域では,座屈の影響が少なく,崩壊モーメン
トMCRが全塑性モーメントMp とほぼ等しい(即ち,無
次元強度MCR/Mp が0.7より大きくなり,ほぼ実用
的な強度が得られる)。しかし,それ以外の領域では,
無次元強度MCR/Mp がかなり小さく,いいかえれば座
屈によって梁としての強度がかなり低下するため,実用
に供し得ない。また,最高荷重PCRで荷重Pを無次元化
し,荷重点変位δを梁の深さhで無次元化した荷重〜変
位関係を図4に示す。同図からわかるように,この場合
も比R w /Rf が小さい方が,最高荷重以後の荷重低下
が少なく,同一最高荷重とした場合のエネルギ吸収性能
が高くなる。以上のことから,薄肉の箱型断面形状に対
する幅厚比Rf ,Rw の制限を次式で与えることができ
る。 Rf <1.0かつ Rw /Rf <0.8 …(6) 従って,上記(6)式により薄肉の箱型断面形状に対し
て断面性能評価が容易となり,その結果,軽量かつ十分
な強度とエネルギ吸収性能とを確保し得る構造部材の構
造1を得ることができる。上記(6)式を満足する具体
的な断面形状を図5(1)〜(5)に示す。同図はいず
れもバンパを対象部材として想定して,梁の全幅を概ね
100mm,高さを概ね70mm程度とし,材料として
アルミニウム合金(JIS種類で7003)製の押出型
材(σy =28kgf /mm2 ,E=700kgf /m
m2 ,ν=0.3)を用いるものとした。これらはいず
れも実施可能な形状であり,従って,本発明が実用的な
ものであることが判る。
いて略述する。まず,フランジの高さ,厚み等が異なる
場合には,曲げ変形時に少なくとも圧縮側となるフラン
ジのみに上記制限をつければよい。圧縮側の座屈強度が
部材全体の強度を決定づけるためである。従って,局部
的に座屈強度を向上させて,全体構造として十分な強度
とエネルギ吸収性能とを確保しつつ,より軽量化を図る
ことができる。また,上記圧縮側に複数のフランジが配
設され,それぞれ高さ,厚み等が異なる場合には,それ
ぞれのフランジで幅厚比Rf を定義し,その平均値が上
記制限に入ればよい。尚,一枚のフランジで区間毎に高
さ,厚み等が異なる場合も高さ,厚み等の異なる複数の
フランジが連結しているものとして,それぞれの区間で
幅厚比Rf を定義し,その平均値が上記制限に入ればよ
い。これらの場合は平均的に座屈強度を向上させて,全
体構造として軽量かつ十分な強度とエネルギ吸収性能と
を確保しつつ,より複雑な構造に適用することができ
る。更に,複数のウエブが配設され,それぞれ幅,厚み
等が異なる場合には,それぞれのウエブに対して幅厚比
Rw を求め,その平均値が上記制限を満たせばよい。こ
の場合も平均的に座屈強度を向上させて,全体構造とし
て軽量かつ十分な強度とエネルギ吸収性能とを確保しつ
つ,より複雑な構造に適用することができる。尚,上記
実施例では断面形状例として図1(1)〜(5)を例示
したが,実使用に際してはフランジやウエブの数を増加
するなどして,より複雑な構造としてもよい。その場合
でも,上記応用例の如く対応可能である。尚,上記実施
例では材料としてアルミニウム合金を用いたが,実使用
に際しては他の種類の材料を用いても良い。但し,降状
応力を有しない材料については,耐力等を代用する必要
がある。尚,上記実施例では自動車のバンパ等へ適用し
たが,実使用に際してはその他の車両や構造物に適用し
ても何ら支障はない。
たように構成されているため,薄肉の箱型断面形状に対
し断面性能評価が容易となり,その結果,軽量かつ十分
な強度とエネルギ吸収性能とを確保し得る構造部材の構
造を得ることができる。また,局部的に座屈強度を向上
させて,全体構造として十分な強度とエネルギ吸収性能
とを確保しつつ,より軽量化を図ることができる。更
に,複数のフランジ又はウエブを設ける場合には平均的
に座屈強度を向上させて,全体構造として軽量かつ十分
な強度とエネルギ吸収性能とを確保しつつ,より複雑な
構造に適用することができる。
示す断面形状図(1)〜(5)(従来例と共用)。
形状図(1)〜(5)。
外観斜視図。
ラフ。
ンジ 3…ウエブ bf …フ
ランジの高さ tf …フランジの厚さ bw …ウ
エブの幅 tw …ウエブの厚さ Rf …フ
ランジの幅厚比 Rw …ウエブの幅厚比
Claims (4)
- 【請求項1】 垂直パネルにて形成され,該垂直パネル
に対し直角方向の荷重を受けるフランジと,上記フラン
ジの所定位置に固着された水平パネルにて形成され,該
フランジを支持するウエブとからなる構造部材の構造に
おいて,上記フランジの高さdf と厚さtf との関係を
表すフランジの幅厚比Rf と,上記ウエブの幅bw と厚
さtw との関係を表すウエブの幅厚比Rw とを, Rf <1.0 かつ Rw <0.8Rf ただし,Rf ={12(1−ν2 )/4π2 }1/2 ・
(σy /E)1/2・(bf /tf ) Rw ={12(1−ν2 )/23.9π2 }1/2 ・(σ
y /E)1/2・(bw /tw ) ここに,νはポアソン比,Eは弾性率,σy は降状応力
としたことを特徴とする構造部材の構造。 - 【請求項2】 上記両幅厚比Rf ,Rw 間の関係を有す
るフランジが曲げ変形時の少なくとも圧縮側に配設され
てなる請求項1記載の構造部材の構造。 - 【請求項3】 上記圧縮側に複数のフランジが配設さ
れ,それぞれのフランジの幅厚比Rf の平均値が上記両
幅厚比Rf ,Rw 間の関係を有してなる請求項2記載の
構造部材の構造。 - 【請求項4】 複数のウエブが配設され,それぞれのウ
エブの幅厚比Rw の平均値が上記両幅厚比Rf ,Rw 間
の関係を有してなる請求項1,2又は3に記載の構造部
材の構造。
Priority Applications (1)
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JP4282118A JP2672753B2 (ja) | 1992-10-21 | 1992-10-21 | 構造部材の構造 |
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