(57)【要約】  構造部材に衝撃荷重を与える場合の荷重点における変位量Ｓと構造部材の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを求め、変位量ＳとひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、  Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）  ここで、ΔＵは変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量、Δｘは変位量Ｓの単位変化量であり、この換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出して、その初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に基づいて構造部材を設計する。
2008041381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法であって、
前記構造部材に衝撃荷重を与える場合の荷重点における変位量Ｓと前記構造部材の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを求め、
前記変位量Ｓと前記ひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量
前記換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重を抽出して、その初期発生最大ピーク荷重に基づいて前記構造部材を設計する構造部材の設計方法。
【請求項２】
前記構造部材の弾塑性変形による特性解析をＣＡＥ解析により行い、そのＣＡＥ解析に基づいて前記変位量Ｓ及び前記ひずみエネルギーＵを求めて前記換算荷重Ｆｅを算出する請求項１に記載の構造部材の設計方法。
【請求項３】
前記換算荷重Ｆｅから抽出した前記初期発生最大ピーク荷重と、前記荷重点近傍における断面幅と、前記荷重点近傍における断面高さと、前記荷重点近傍における板厚と、前記荷重点近傍における降伏応力とから統計的手法により前記初期発生最大ピーク荷重、前記断面幅、前記断面高さ、前記板厚、前記降伏応力についての第１関係式を導き出し、その第１関係式から初期発生最大ピーク荷重を算出する請求項１又は２に記載の構造部材の設計方法。
【請求項４】
統計的手法により導き出した前記第１関係式が、前記初期発生最大ピーク荷重、前記断面幅、前記断面高さ、前記板厚、前記降伏応力についての関係を示す以下の式（２）であり、
Ｆ１＝ＡｂX1ｈX2ｔX3σX4                            ・・・・・（２）
ただし、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４
Ｆ１：初期発生最大ピーク荷重
Ａ：定数
ｂ：荷重点近傍における断面幅
ｈ：荷重点近傍における断面高さ
ｔ：荷重点近傍における板厚
σ：荷重点近傍における降伏応力
この式（２）において、前記荷重点近傍における断面幅ｂ、前記荷重点近傍における断面高さｈ、前記荷重点近傍における板厚ｔ、及び、前記荷重点近傍における降伏応力σを入力値として、前記初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出する請求項３に記載の構造部材の設計方法。
【請求項５】
前記第１関係式から算出した初期発生最大ピーク荷重に基づいて、前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び、前記荷重点近傍における降伏応力の少なくとも一つを可変させる状態で前記構造部材を設計する請求項３に記載の構造部材の設計方法。
【請求項６】
断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における角部の材料強度を、断面における角部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定してある構造部材。
【請求項７】
断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における角部の板厚を、断面における角部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定してある構造部材。
【請求項８】
断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の材料強度を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定してある構造部材。
【請求項９】
断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の板厚を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定してある構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法及び構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような構造部材は、例えば、図１Ｂに示すように、断面形状がハット状に形成されているものであり、自動車のバンパーやフロントサイドメンバのキック部等、自動車のボディに用いられている。そして、近年、自動車の燃費向上等のために、自動車の軽量化が求められている一方で、自動車の安全性能向上のために、構造部材にて衝突時の衝撃を効果的に吸収することが求められており、これらの要求に応えるように構造部材を設計する必要がある。【０００３】
従来の構造部材の設計方法として、構造部材の両端を下方側から支持した状態で構造部材の中央部に錘を落とす三点曲げ試験を行い、その三点曲げ試験の実験結果に基づいて、構造部材を支持する支点反力から構造部材に対する荷重を求め、荷重点の変位量に対する荷重の変化から衝撃を吸収するエネルギーが大きくなるように、構造部材を設計するものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、他の従来の構造部材の設計方法として、構造部材が曲げ力により圧壊するときの全塑性モーメントが設定値より大きくなるように、構造部材を設計するものもある（例えば、特許文献２参照）。【０００４】
断面形状が中空状である構造部材は、例えば図１Ｂに示すような断面形状がハット状に形成されているものばかりではなく、断面形状が多角形断面形状であるものもあり、構造部材の長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受けることが多い（構造部材に曲げが掛かる状態）（特許文献２の図２参照）。この場合、同じ板材から構造部材を形成するので、構造部材の材料強度（降伏応力（引っ張り強さ））や板厚は、構造部材の断面のどの部分においても同じものとなっている。
【特許文献１】日本国特開平６−１２７４２８号公報
【特許文献２】日本国特開平８−２４４６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の構造部材の設計方法では、三点曲げ試験における実験結果や全塑性モーメントを指標として、構造部材の形状や材料特性を決定して構造部材を設計することになるが、構造部材を自動車のボディに用いる場合に、三点曲げ試験における実験結果や全塑性モーメントを指標とすることにより、上述の要求を十分に満たしているかの検証が十分に行われていなかった。したがって、従来の構造部材の設計方法では最適な設計を行うことができない虞があった。【０００６】
断面形状が中空状で多角形断面形状の構造部材において、構造部材の長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける場合（構造部材に曲げが掛かる状態）、構造部材のどの部分においても均一な曲げが発生しているとは考えられない。これにより、構造部材の材料強度（降伏応力（引っ張り強さ））や板厚を、構造部材の断面のどの部分においても同じものに設定することは、構造部材の全体の剛性にとって適切ではないと考えられる。【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、自動車のボディに用いる構造部材において、その構造部材の設計を簡易に且つ最適に行うことができる構造部材の設計方法を提供する点にあり、断面形状が中空状で多角形断面形状の構造部材において、構造部材の長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける場合（構造部材に曲げが掛かる状態）、構造部材の全体の剛性にとって、構造部材の断面の各部分に適切な材料強度や板厚の設定が行われた構成部材を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる構造部材の設計方法の特徴は、断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法であって、構造部材に衝撃荷重を与える場合の荷重点における変位量Ｓと、構造部材の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを求め、変位量ＳとひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量
換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重を抽出して、その初期発生最大ピーク荷重に基づいて構造部材を設計する点にある。【０００９】
この構成によれば、構造部材に衝撃荷重を与えた場合に、一度曲げ崩壊が始まると、塑性ひずみの集中により塑性変形モードが「一点折れ」に近いモードとなり、その後は、構造部材にかかる荷重が低下してエネルギーの吸収がほとんど行われなくなる。したがって、「一点折れ」になるときの初期発生最大ピーク荷重に注目し、その初期発生最大ピーク荷重に基づいて構造部材を設計することにより、上述の要求を満たすように設計することができる。
そして、初期発生最大ピーク荷重を抽出するに当り、変位量ＳとひずみエネルギーＵとを用いて上記の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、その換算荷重Ｆｅの変位量Ｓに対する変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出することになるが、例えば、三点曲げ試験の実験結果における支点反力から荷重を求めてその荷重の変位量Ｓに対する変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出する場合と比べて、略同じ変位量Ｓにおいて初期発生最大ピーク荷重が発生することが分かった。したがって、初期発生最大ピーク荷重を正確に且つ容易に抽出できることになる。
以上のことから、正確に且つ容易に抽出した初期発生最大ピーク荷重に基づいて構造部材を設計することよって、構造部材の設計を簡易に且つ最適に行うことができる構造部材の設計方法を提供できるに至った。【００１０】
本発明にかかる断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法の好適な一つの実施形態においては、構造部材の弾塑性変形による特性解析をＣＡＥ解析により行い、そのＣＡＥ解析に基づいて変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めて換算荷重Ｆｅを算出する。【００１１】
この構成によれば、実際の実験により変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めるのではなく、ＣＡＥ解析に基づいて変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めるので、実験条件等によるバラツキを考慮せずに変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを的確に且つ容易に求めることができる。したがって、換算荷重Ｆｅを的確に且つ容易に求めることができることになる。【００１２】
本発明にかかる断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法の好適な一つの実施形態においては、換算荷重Ｆｅから抽出した初期発生最大ピーク荷重と、荷重点近傍における断面幅と、荷重点近傍における断面高さと、荷重点近傍における板厚と、荷重点近傍における降伏応力とから統計的手法により初期発生最大ピーク荷重、断面幅、断面高さ、板厚、降伏応力についての第１関係式を導き出し、その第１関係式から初期発生最大ピーク荷重を算出する。【００１３】
この構成によれば、統計的手法により導き出した第１関係式により初期発生最大ピーク荷重を算出することができるので、第１関係式を用いるだけで初期発生最大ピーク荷重を容易に且つ定量的に算出することができることになる。したがって、構造部材の設計を容易に行えることになり、設計の簡素化を図ることができる。ちなみに、荷重点近傍は、構造部材において曲げ崩壊する部分であり、荷重点近傍における断面幅や断面高さ等は構造部材において曲げ崩壊する部分の断面幅や断面高さ等となる。【００１４】
本発明にかかる断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法の好適な一つの実施形態においては、統計的手法により導き出した第１関係式が、初期発生最大ピーク荷重、断面幅、断面高さ、板厚、降伏応力についての関係を示す以下の式（２）であり、
Ｆ１＝ＡｂX1ｈX2ｔX3σX4                            ・・・・・（２）
ただし、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４
Ｆ１：初期発生最大ピーク荷重
Ａ：定数
ｂ：荷重点近傍における断面幅
ｈ：荷重点近傍における断面高さ
ｔ：荷重点近傍における板厚
σ：荷重点近傍における降伏応力
この式（２）において荷重点近傍における断面幅ｂ、荷重点近傍における断面高さｈ、荷重点近傍における板厚ｔ、及び、荷重点近傍における降伏応力σを入力値として、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出する。【００１５】
この構成によれば、上記の式（２）において、荷重点近傍における断面幅ｂ、荷重点近傍における断面高さｈ、荷重点近傍における板厚ｔ、及び、荷重点近傍における降伏応力σを入力するだけで、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出することができる。したがって、初期発生最大ピーク荷重を容易に且つ定量的に算出することができ、構造部材の設計を容易に行えることになり、設計の簡素化を図ることができる。
また、上記の式（２）において、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４となっているので、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくするためには、荷重点近傍における板厚の寄与が大きいことが分かる。したがって、例えば、荷重点近傍における板厚を厚くすることにより、降伏応力の高い高強度鋼（ハイテン材）を用いずに構造部材を設計することもでき、軽量化及びコストの低減を効果的に実現する最適な設計を行えることになる。【００１６】
本発明にかかる断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法の好適な一つの実施形態においては、第１関係式から算出した初期発生最大ピーク荷重に基づいて、荷重点近傍における断面幅、荷重点近傍における断面高さ、荷重点近傍における板厚、及び、荷重点近傍における降伏応力の少なくとも一つを可変させる状態で構造部材を設計する。【００１７】
この構成によれば、第１関係式から算出した初期発生最大ピーク荷重に基づいて、例えば、その初期発生最大荷重が設定値以上となるように、荷重点近傍における断面幅、荷重点近傍における断面高さ、荷重点近傍における板厚、及び、荷重点近傍における降伏応力の少なくとも一つを可変させて構造部材を設計することにより、上述の要求を満たす最適な設計を行うことができることになる。特に、上述の如く、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくするためには荷重点近傍における板厚の寄与が大きいので、荷重点近傍における板厚を厚くするように可変すれば、降伏応力の高い高強度鋼（ハイテン材）を用いずに構造部材を設計することもでき、軽量化及びコストの低減を効果的に実現する最適な設計を行えることになる。【００１８】
また、上述した構造部材の設計方法に加え、構造部材も本発明の主題である。
すなわち、本発明にかかる構造部材の特徴は、
断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における角部の材料強度を、断面における角部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定する点にある。【００１９】
本発明にかかる構造部材の特徴は、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における角部の板厚を、断面における角部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定する点にある。【００２０】
本発明にかかる構造部材の特徴は、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の材料強度を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定する点にある。【００２１】
本発明にかかる構造部材の特徴は、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の板厚を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定する点にある。【００２２】
断面形状が中空状で多角形断面形状の構造部材（例えば図２８参照）において、長手方向と交差する方向から衝撃荷重（例えば図１Ａ参照）を与える解析（実験）を行ったところ、構造部材の材料強度（降伏応力（引っ張り強さ）等）及び板厚を、構造部材の断面のどの部分においても同じものに設定した場合（例えば図２９ＡのケースＢ０参照）、構造部材の全体の剛性として例えば図２９ＢのケースＢ０のような結果が得られた。【００２３】
前述の解析（実験）において、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分（例えば図２８のＡ１部分やＡ３部分）の材料強度や板厚を、他の部分（例えば図２８のＡ２部分）の材料強度や板厚とは異なるものに設定した場合（例えば図２９ＡのケースＢ１〜Ｂ４、図３１ＡのケースＢ９〜Ｂ１２参照）、例えば図２９ＢのケースＢ１〜Ｂ４及び図３１ＢのケースＢ９〜Ｂ１２に示すような結果が得られた。
これにより、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分（例えば図２８のＡ１の部分やＡ３の部分）は、構造部材の全体の剛性にあまり影響を与えていないことが理解できる。【００２４】
これについて言い換えると、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分（例えば図２８のＡ１部分やＡ３部分）の材料強度や板厚を大きくしても、構造部材の全体の剛性を大きくすることはできないと言うことができる。逆の見方をすると、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分（例えば図２８のＡ１部分やＡ３部分）の材料強度や板厚を小さくしても、構造部材の全体の剛性が小さくなることはないので、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分（例えば図２８のＡ１部分やＡ３部分）の材料強度や板厚を小さくしても、構造部材の全体の剛性を確保することが可能であると言うことができる。【００２５】
次に前述の解析（実験）において、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の部分（例えば図２８のＡ２部分）の材料強度や板厚を、他の部分（例えば図２８のＡ１部分やＡ３部分）の材料強度や板厚とは異なるものに設定した場合（例えば図３０ＡのケースＢ５〜Ｂ８参照）、例えば図３０ＢのケースＢ５〜Ｂ８に示すような結果が得られた。
これにより、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の部分（例えば図２８のＡ２の部分）は、構造部材の全体の剛性に大きな影響を与えていることが理解できる。これについて言い換えると、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の部分（例えば図２８のＡ２の部分）の材料強度や板厚を大きくすれば、構造部材の全体の剛性を大きくすることが可能であると言うことができる。【００２６】
以上のような解析（実験）の結果により、上述した構成の如く、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の材料強度を、他の部分の材料強度よりも大きいものに設定することにより、構造部材の全体の剛性を大きいものにすることができる。
逆の見方をすると、この構成によれば、現状の構造部材の状態から、構造部材の断面の全体に亘って材料強度や板厚を小さくして、構造部材の軽量化及び低コスト化を図った場合、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部と言うように、構造部材の全体の剛性に大きな影響を与えている部分の材料強度を大きいものに設定することにより、構造部材の軽量化及び低コスト化を維持しながら、構造部材の全体の剛性を確保することができる。【００２７】
また、以上のような解析（実験）の結果により、上述した構成の如く、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の板厚を、他の部分の板厚よりも大きいものに設定することにより、構造部材の全体の剛性を大きいものにすることができる。
逆の見方をすると、この構成によれば、構造部材の断面における角部や断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分と言うように、構造部材の全体の剛性にあまり影響を与えていない部分の板厚を、現状の構造部材の状態から小さなものに設定することにより、構造部材の全体の剛性を確保しながら、構造部材の軽量化及び低コスト化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
〔構造部材の設計方法〕
本発明にかかる構造部材の設計方法を図面に基づいて説明する。
断面形状が中空状の構造部材１として、図１に示すように、平板状の鋼製薄板と凸状の鋼製薄板とを組み合わせた、いわゆるハット形状のものとする。
図１Ｂは、図１ＡにおけるＤ−Ｄ断面図である。そして、図１に示す構造部材１において、材料スパンをＬ（ｍｍ）とし、構造部材１の荷重Ｆを受ける断面において、断面幅をｂ（ｍｍ）、断面高さをｈ（ｍｍ）、板厚をｔ（ｍｍ）、降伏応力をσ（Ｍｐａ）とする。【００２９】
図２では、構造部材１に荷重Ｆを与えた場合の荷重Ｆと荷重点における変位量ＳとのＦＳ特性を示している。このように、構造部材１では、衝撃荷重が与えられることにより一度曲げ崩壊が始まると、塑性ひずみの集中により塑性変形モードが「一点折れ」に近いモードとなり、その後は、構造部材にかかる荷重Ｆが低下してエネルギーの吸収がほとんど行われなくなる。そこで、「一点折れ」になるときの初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を構造部材１が圧壊する初期崩壊荷重とすることができるので、本発明にかかる構造部材の設計方法では、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を指標として、初期発生最大ピーク荷重に基づいて構造部材１を設計する。【００３０】
そして、本発明にかかる構造部材の設計方法では、構造部材１に衝撃荷重を与える場合の荷重点における変位量Ｓと構造部材１の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを求め、変位量ＳとひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出する。
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量【００３１】
構造部材１に衝撃荷重が与えられると、構造部材１が弾塑性変形して荷重点が移動することになり、その衝撃荷重が仕事をすることになる。この仕事は、構造部材１の内部に一種のポテンシャルエネルギーとして貯えられることになり、この仕事をひずみエネルギーとしている。つまり、弾塑性変形により構造部材１に生じる内部エネルギーをひずみエネルギーとしている。
初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の抽出については、荷重Ｆとして換算荷重Ｆｅを用い、図２に示すように、換算荷重Ｆｅの変位量Ｓに対する変化から初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出する。
また、変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵについては、構造部材１の弾塑性変形による特性解析をＣＡＥ解析により行い、そのＣＡＥ解析に基づいて変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求める。【００３２】
このようにして、換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出するわけであるが、換算荷重Ｆｅから抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１、荷重点近傍における断面幅ｂと、荷重点近傍における断面高さｈと、荷重点近傍における板厚ｔと、荷重点近傍における降伏応力σとから統計的手法により初期発生最大ピーク荷重Ｆ１、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σについての第１関係式を導き出し、その第１関係式から初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出する。ちなみに、荷重点近傍は、構造部材において曲げ崩壊する部分であり、荷重点近傍における断面幅や断面高さ等は構造部材において曲げ崩壊する部分の断面幅や断面高さ等となる。【００３３】
つまり、統計的手法により導き出した第１関係式が初期発生最大ピーク荷重Ｆ１、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σについての関係を示す以下の式（２）であり、
Ｆ１＝ＡｂX1ｈX2ｔX3σX4                            ・・・・・（２）
ただし、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４
この式（２）において荷重点近傍における断面幅ｂ、荷重点近傍における断面高さｈ、荷重点近傍における板厚ｔ、及び、荷重点近傍における降伏応力σを入力値として、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出する。
そして、算出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に基づいて、例えば、その初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が設定値以上となるように、荷重点近傍における断面幅ｂ、荷重点近傍における断面高さｈ、荷重点近傍における板厚ｔ、及び、荷重点近傍における降伏応力σの少なくとも一つを可変させる状態で構造部材１を設計する。【００３４】
以下、本発明にかかる構造部材の設計方法について、三点曲げ試験の試験結果や全塑性モーメントを指標とする従来の構造部材の設計方法と比較して検証する。【００３５】
［三点曲げ試験との比較］
まず、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出するに当り、三点曲げ試験を行うことにより求めた荷重Ｆの変位量Ｓに対する変化から抽出してみることについて検討する。
三点曲げ試験は、高速落錘衝撃試験装置を用い、図１Ａに示すように、構造部材１の両端を下方側から支持して、構造部材１の中央部に錘を衝突変形速度として落下させて三点曲げ試験を行う。そして、構造部材１を下方側から支持する支点に取り付けたロードセルにて構造部材１にかかる荷重Ｆを測定するとともに、図外のレーザ変位計にて荷重点の変位量を測定する。【００３６】
このように三点曲げ試験の実験を行い、ロードセルの検出情報に基づいて支点反力から荷重Ｆを求め且つレーザ変位計の検出情報に基づいて荷重点の変位量Ｓを求めることにより、図２に示すような荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を得ることができる。
しかしながら、三点曲げ試験の実験を同じ実験条件にて繰り返し行うことが難しいことから、得られる荷重Ｆ及び変位量Ｓが大きくばらつき、正確な荷重Ｆ及び変位量Ｓを得ることができず、正確な初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出できない可能性がある。【００３７】
そこで、三点曲げ試験を実際に実験することにより得られる荷重Ｆ及び変位量Ｓに代えて、構造部材１の弾塑性変形による特性解析をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析により行い、そのＣＡＥ解析に基づいて求めた荷重Ｆ及び変位量Ｓを用いることができないか検討してみる。
ＣＡＥ解析は、コンピュータを用いて構造部材１の弾塑性変形による特性解析を行うものであり、コンピュータに入力するシミュレーション用材料データとして実験で得られた応力ひずみ曲線を用いている。そして、ＣＡＥ解析用のモデルを図３に示すモデルとしている。【００３８】
構造部材１において、降伏応力σを５９０（Ｍｐａ）とし、板厚ｔを１．６（ｍｍ）としたときの実験結果とＣＡＥ解析結果との衝突時変形モードの比較を図４に示す。図４では、衝突から５ｍｓｅｃ時の変形の形態と最終変形時の変形の形態とを示している。
図４から、５ｍｓｅｃ時及び最終変形時の変形モード形態は、実験結果とＣＡＥ解析結果とで一致していることが分かる。【００３９】
また、構造部材１において、降伏応力σを２７０（Ｍｐａ）、４４０（Ｍｐａ）、５９０（Ｍｐａ）と変化させるとともに、板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）と変化させたときの実験結果及びＣＡＥ解析結果について、荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を図５Ａから図５Ｃに示す。
図５から、実験結果とＣＡＥ解析結果とでは、初期発生最大ピーク荷重に少しばらつきがみられるものの、板厚ｔを変化させたときの初期発生最大ピーク荷重のバラツキ傾向やその後の平均荷重のＦＳ特性は略同等であることが分かる。ちなみに、初期発生最大ピーク荷重のばらつきについては、実験条件、材料、部材加工、部材溶接等のバラツキによるものと考えられ、板厚ｔや降伏応力σによる影響ではないと考えられる。【００４０】
したがって、図４及び図５に示すように、実験結果とＣＡＥ解析結果とを比較すると、時間軸での変形モード形態、及び、構造部材の材質（降伏応力）や板厚を変化させたときのＦＳ特性が略同等であることが分かったので、三点曲げ試験を実際に実験することにより得られる荷重Ｆ及び変位量Ｓに代えて、ＣＡＥ解析に基づいて求めた荷重Ｆ及び変位量Ｓを用いることができるといえる。【００４１】
また、構造部材１において、断面幅ｂを８０（ｍｍ) 、断面高さｈを７０（ｍｍ）、板厚ｔを１．６（ｍｍ）、降伏応力σを５９０（ＭＰａ）とするとともに、材料スパンＬを５００（ｍｍ）、１０００（ｍｍ）、１５００（ｍｍ）と変化させたときのＣＡＥ解析による荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を図６に示す。
図６から、図中ａに示すように、材料スパンＬが長くなるほど、初期発生最大ピーク荷重の発生タイミングが遅くなり、材料スパンＬによって初期発生最大ピーク荷重の発生時期に差が生じることが分かる。また、材料スパンＬを５００（ｍｍ）や１０００（ｍｍ）としたときに、初期荷重値が求められない場合もあることが分かる。
このように、初期発生最大ピーク荷重の発生時期にバラツキが生じる、及び、初期荷重値を求められない場合があるので、三点曲げ試験における荷重Ｆ及び変位量Ｓから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を正確に抽出できない可能性がある。
ちなみに、衝突時の衝撃による構造部材１の振動等により、構造部材１を支持する支点と構造部材１との接触が一定ではないことから、ＣＡＥ解析上、初期発生最大ピーク荷重の発生時期にバラツキが生じる、及び、初期荷重値を求められない場合があると考えられる。【００４２】
そこで、本発明にかかる構造部材の設計方法は、構造部材１に衝撃荷重を与える場合の荷重点における変位量Ｓと構造部材１の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとをＣＡＥ解析に基づいて求め、変位量ＳとひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から算出した換算荷重Ｆｅを、構造部材１を支持する支点反力から求めた荷重に代えて用いることとする。
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量【００４３】
ＣＡＥ解析に基づいて求めたひずみエネルギーＵと荷重点における変位量Ｓとから上記の式（１）により算出した換算荷重Ｆｅを荷重Ｆとして用いて、構造部材１において、断面幅ｂを８０（ｍｍ) 、断面高さｈを７０（ｍｍ）、板厚ｔを１．６（ｍｍ）、降伏応力σを５９０（ＭＰａ）とするとともに、材料スパンＬを５００（ｍｍ）、１０００（ｍｍ）、１５００（ｍｍ）と変化させたときの換算荷重Ｆｅと変位量ＳとのＦＳ特性を図７に示す。
図７から、図中ａに示すように、材料スパンＬを変化させたことによる影響はなく、略同時間帯で初期発生最大ピーク荷重を読み取ることができることが分かる。また、材料スパンＬを５００（ｍｍ）や１０００（ｍｍ）としたときでも、初期荷重値を求めることができない場合がないことが分かる。したがって、初期発生最大ピーク荷重を正確に抽出できることになる。【００４４】
また、構造部材１において、材料スパンＬを５００（ｍｍ）とし、板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）と変化させるとともに、降伏応力σを２７０（Ｍｐａ）、４４０（Ｍｐａ）、５９０（Ｍｐａ）と変化させたときに、実験結果と、ＣＡＥ解析において支点反力により荷重Ｆを求めた場合（支点反力）と、ＣＡＥ解析においてひずみエネルギーＵと変位量Ｓとから上記の式（１）により算出した換算荷重Ｆｅを荷重Ｆとして用いた場合（換算荷重）とについて、荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を図８Ａから図８Ｃに示す。
図８から、実験結果と支点反力と換算荷重とは、初期発生最大ピーク荷重及び変形モードが略同等であることから分かるので、換算荷重Ｆｅから抽出できる初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を構造部材１が圧壊する初期崩壊荷重としても整合性の面では問題がない。【００４５】
以上のことから、本発明にかかる構造部材の設計方法は、整合性の面で問題がなく、三点曲げ試験の試験結果に基づいて初期発生ピーク荷重Ｆ１を抽出するものと比べて、正確な初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出できることになる。【００４６】
［全塑性モーメントとの比較］
次に、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出するに当り、全塑性モーメントに基づいて初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を求めてみることについて検討する。【００４７】
構造部材１において、降伏応力σを５９０（Ｍｐａ）とし、板厚ｔを０．８〜２．３（ｍｍ）に変化させるとともに、上述した換算荷重Ｆｅを用いて抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の変化を材料スパンＬを基準としたものを図９に示す。
図９から、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は、材料スパンＬを変化させても略一定となっており、初期発生最大ピーク荷重は材料スパンＬの影響を受けないことが分かる。【００４８】
一方、全塑性モーメントＭｐから以下の式（３）にて荷重Ｆを求めることができる。
Ｆ＝４／Ｌ×Ｍｐ                                ……（３）
Ｆ：荷重
Ｌ：材料スパン
Ｍｐ：全塑性モーメント【００４９】
上記式（３）では、荷重Ｆを求めるに当り、材料スパンＬの項が存在するので、全塑性モーメントＭｐに基づいて求めた荷重Ｆから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出すると、その初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は材料スパンＬの影響を受けるものとなる。しかしながら、図９に示すように、ＣＡＥ解析結果からは初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が材料スパンＬの影響を受けないことが分かっているので、全塑性モーメントＭｐに基づいて初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を求めると、正確な初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出できないことになる。【００５０】
また、上記式（３）により全塑性モーメントに基づいて求めた計算荷重を縦軸に取り、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１について、三点曲げ試験の実験結果から抽出した場合と、ＣＡＥ解析により換算荷重Ｆ２を用いて抽出した場合とを図１０に示す。
図１０では、構造部材１において、断面幅ｂを８０（ｍｍ）とし、断面高さｈを７０（ｍｍ）とし、材料スパンＬを５００（ｍｍ）として、降伏応力σを２７０（ＭＰａ）、４４０（ＭＰａ）、５９０（ＭＰａ）と変化させるとともに、板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）と変化させたときの初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の変化を示している。【００５１】
図１０から、全塑性モーメントに基づいて求めた初期発生最大ピーク荷重（図中実線）に対して、実験結果から抽出した初期発生最大ピーク荷重及びＣＡＥ解析により換算荷重Ｆ２を用いて抽出した初期発生最大ピーク荷重の方が低い値となることから分かる。したがって、全塑性モーメントに基づいて初期発生最大ピーク荷重を求めると、実験結果から抽出した初期発生最大ピーク荷重及びＣＡＥ解析により換算荷重Ｆ２を用いて抽出した初期発生最大ピーク荷重よりも高い値となる。図１０では、全塑性モーメントに基づいて求めた初期発生最大ピーク荷重（図中実線）が、実験結果から抽出した初期発生最大ピーク荷重及びＣＡＥ解析により換算荷重Ｆ２を用いて抽出した初期発生最大ピーク荷重（図中点線）よりも、約２倍前後高くなっていることが分かる。したがって、全塑性モーメントに基づいて初期発生最大ピーク荷重を求めると、初期発生最大ピーク荷重を過剰側に求めてしまうことになり、正確な初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を求められないことになる。【００５２】
以上のことから、全塑性モーメントに基づいて初期発生最大ピーク荷重を求めると、その求めた初期発生最大ピーク荷重は過剰側に求めることになるので、最適な設計を行うことができないことが分かった。
つまり、全塑性モーメントに基づいて求めた初期発生最大ピーク荷重を指標として、構造部材１を設計すると、例えば、降伏応力の高い高強度鋼（ハイテン材）を用いてもその効果がないようなときにも高い高強度鋼（ハイテン材）を用いるように設計してしまう虞があり、コストの低減や軽量化を図ることができないことになる。【００５３】
［初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の算出］
構造部材１において、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、及び、降伏応力σが、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に対してどのように寄与しているのかを検討して、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を何らかの演算式にて算出できないか検討してみる。
このとき、ＣＡＥ解析結果により初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出する場合には、換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出するものとする。【００５４】
そこで、まず、構造部材１が曲げ崩壊するときのメカニズムについて検討する。
図１１に示すように、構造部材１が「一点折れ」となるときには、構造部材１の中央近傍にて一点折れモードとなることが分かるので、構造部材１の中央近傍における断面変形モードについて検討する。【００５５】
構造部材１において、断面幅ｂを９０（ｍｍ）、断面高さｈを９０（ｍｍ）、板厚ｔを１．２（ｍｍ）、降伏応力σを５９０（ＭＰａ）としたときに、実際の構造部材１の中央近傍での断面変形を図１２に示す。また、そのときの塑性ひずみ分布を図１３に示す。図１２から、「Ｉ：上辺部」、「ＩＩ：背板部（底辺部）」、「ＩＩＩ：縦壁部」の３つの部位において変形モードが異なることが分かる。そこで、「Ｉ：上辺部」、「ＩＩ：背板部（底辺部）」、「ＩＩＩ：縦壁部」の３つの部位の夫々に分けて検討する。【００５６】
まず、「Ｉ：上辺部」における変形モードについて検討すると、上辺部全てに対して均等に荷重が負荷される状態ではなく、上辺部の両コーナー部近傍、すなわち稜線近傍に対して大きな荷重が負荷されていると考えられる。その結果、上辺部の中央部は弾性変形により面外変形していることが分かる。このことは、図１３に示すように、上辺部の両コーナー部近傍に塑性ひずみが集中して生じており、上辺部の中央部には塑性ひずみがほとんど生じていないことからも容易に分かる。したがって、「Ｉ：上辺部」における変形モードは、コーナー部で弾塑性変形しており、コーナー部を除く中央部が断面幅方向（図１３中Ｙ方向）へ弾性面外変形しており、コーナー部を除く中央部が部材スパン方向（図１３中Ｘ方向）へ曲げ弾性変形していると推測することができる。【００５７】
次に、「ＩＩ：背板部（底辺部）」における変形モードについて検討すると、図１２に示すように、断面幅方向（図１３中Ｙ方向）には、ほぼ引っ張り側での変形状態であり、大きな変形モードを示していない。また、図１３から、背板部（底辺部）では塑性ひずみを有していない。したがって、「ＩＩ：背板部（底辺部）」における変形モードは、部材スパン方向（図１３中Ｘ方向）へ平板曲げ弾性変形していると推測することができる。【００５８】
次に、「ＩＩＩ：縦壁部」における変形モードについて検討すると、縦壁部では、柱の座屈現象に近く、断面高さｈ、板厚ｔ及び降伏応力σの各要因の組み合わせにより変形しているものと考えられる。そこで、縦壁部の座屈が弾性領域に依存するものであるのか又は材料の降伏応力に依存するものであるのかを検討してみる。【００５９】
以上の如く、「Ｉ：上辺部」、「ＩＩ：背板部（底辺部）」、「ＩＩＩ：縦壁部」の３つの部位の夫々における変形モードについて推測することができるが、ＣＡＥ解析を実施してその解析結果に基づいて各部位の変形モードについてさらに検討する。【００６０】
まず、「Ｉ：上辺部」及び「ＩＩ：背板部（底辺部）」について検討すると、構造部材１において、降伏応力σを５９０（ＭＰａ）とし、断面高さｈを３０（ｍｍ）、９０（ｍｍ）、１５０（ｍｍ）と変化させ且つ板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）、２．３（ｍｍ）と変化させて、ＣＡＥ解析結果により抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の変化を断面幅ｂを基準としたものを図１４に示す。
図１４から上辺部及び背板部における断面幅ｂを大きくしても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を上昇させる効果が少ないことが分かる。上述の推測の如く、上辺部ではコーナー部において弾塑性変形しており、上辺部の中央部及び背板部（底辺部）では弾性変形していると推測できることから、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を上昇させる効果への寄与は、上辺部におけるコーナー部での弾塑性変形に依存していると考えられる。したがって、上辺部においてコーナー部を除く中央部及び背板部（底辺部）の断面幅を拡大しても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を上昇させる効果をほとんど得られないことが分かる。【００６１】
構造部材１において、図１５に示すように、上辺部においてコーナー部を除く中央部（Ｉ：上辺部）及び背板部（ＩＩ：背板部）について、条件１〜９としたときのＣＡＥ解析結果により初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を抽出する。条件１〜９のうち、条件３を基準の条件としている。そして、基準の条件（条件３）において、板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）と変化させるとともに、降伏応力σを２７０（ＭＰａ）、５９０（ＭＰａ）と変化させたときに、ＣＡＥ解析結果により抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の変化を図１６及び図１７に示す。
図１６及び図１７から、上辺部においてコーナー部を除く中央部（Ｉ：上辺部）及び背板部（ＩＩ：背板部）の何れにおいても、板厚ｔを厚くすることによる初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の上昇が見られるものの、板厚ｔを０．８（ｍｍ）及び１．６（ｍｍ）としたときに降伏応力を上昇させることによって初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を上昇させるという効果はないことが分かる。したがって、「Ｉ：上辺部」及び「ＩＩ：背板部（底辺部）」については、上辺部においてコーナー部を除く中央部及び背板部の断面幅及び降伏応力を大きくしても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を上昇させる効果はないことが分かる。【００６２】
次に、「ＩＩＩ：縦壁部」について検討すると、構造部材１において、断面幅ｂを９０（ｍｍ）とし、断面高さｈを９０（ｍｍ）とし、板厚ｔを１．２（ｍｍ）とし、降伏応力σを５９０（ＭＰａ）とする上述の条件３から、板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）と変化させるとともに、降伏応力σを２７０（ＭＰａ）、５９０（ＭＰａ）と変化させたときのＣＡＥ解析結果により抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の変化を図１８に示す。なお、図１８において、条件１０は板厚ｔを０．８（ｍｍ）、降伏応力σを２７０（ＭＰａ）とした場合であり、条件１１は板厚ｔを１．６（ｍｍ）、降伏応力σを２７０（ＭＰａ）とした場合、条件１２は板厚ｔを０．８（ｍｍ）、降伏応力σを５９０（Ｍｐａ）とした場合、条件１３は板厚ｔを１．６（ｍｍ）、降伏応力σを５９０（ＭＰａ）とした場合である。
図１８から、図中ａに示すように、板厚ｔが０．８（ｍｍ）で薄い場合には、降伏応力を上昇させることによる初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の上昇（図中矢印）が見られるが、図中ｂに示すように、板厚ｔを１．６（ｍｍ）と厚くすると、降伏応力を上昇させることによる初期発生最大ピーク荷重Ｆ１の上昇が見られないことが分かる。したがって、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に対し、板厚が薄い場合には弾性座屈の領域ではなく、材料の持つ降伏応力に依存するものであり、逆に、板厚を厚くすると、降伏応力の上昇の効果は認められない弾性座屈に依存することが分かった。【００６３】
構造部材１において、ＣＡＥ解析結果から抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１について板厚ｔを基準として整理したもの（５９０ＭＰａ時）を図１９に示し、ＣＡＥ解析結果から抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１について降伏応力を基準として整理したものを図２０に示す。
図１９から、板厚ｔが厚くなるほど初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が大きくなり、そのばらつきも少ないことが分かる。図２０から、降伏応力σが大きくなるほど初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が大きくなり、そのばらつきも少ないことが分かる。【００６４】
以上の如く、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に対して、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σが寄与しており、そのばらつきも少ないことが分かったので、多変量解析を行うことにより初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出する予測式を求めることとする。
つまり、目的関数を、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１とし、説明関数を、断面幅ｔ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σとして統計的手法として重回帰解析を行うことにより、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σについての第１関係式を導き出す。
この重回帰解析では、断面幅ｔを３０（ｍｍ）、９０（ｍｍ）、１５０（ｍｍ）、断面高さｈを３０（ｍｍ）、９０（ｍｍ）、１５０（ｍｍ）、板厚ｔを０．８（ｍｍ）、１．２（ｍｍ）、１．６（ｍｍ）、２．０（ｍｍ）、２．３（ｍｍ）、降伏応力σを２７０（ＭＰａ）、４４０（ＭＰａ）、５９０（ＭＰａ）、７８０（ＭＰａ）としたときに、ＣＡＥ解析に基づいて変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めて換算荷重Ｆｅを算出して抽出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１のデータを収集し、そのデータ数ｎをｎ＝１８０として重回帰解析を行う。【００６５】
このようにして導き出した第１関係式が下記の式（２）である。このとき、自由度調整済み寄与率が０．８以上を確保できていることから、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出するに当り十分な精度を有するものといえる。そして、下記の式（２）では、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４となっていることから、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に対して、板厚ｔが断面幅ｂ、断面高さｈ及び降伏応力σよりも大きく寄与していることが分かる。【００６６】
Ｆ１＝ＡｂX1ｈX2ｔX3σX4                            ・・・・・（２）
ただし、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４
Ｆ１：初期発生最大ピーク荷重
Ａ：定数
ｂ：荷重点近傍における断面幅
ｈ：荷重点近傍における断面高さ
ｔ：荷重点近傍における板厚
σ：荷重点近傍における降伏応力【００６７】
［構造部材の設計処理の流れ］
上述した処理の流れを図２１を用いて説明する。なお、これらの演算処理機能を有する装置は、コンピュータにかかる処理を行うソフトウエア又はハードウエアあるいはその両方を実装することにより実現することができる。まず、ＣＡＥ解析による特性解析を行うため、対象となる構造部材のモデルを設定する（＃０１）。すなわち、構造部材の材料スパンＬや、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σなどを設定し、シミュレーション用のモデルを設定する。そして、このモデルを用いてＣＡＥ解析により、この構造部材に衝撃荷重を与えた場合の荷重点における変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを算出する（＃０２）。 変位量ＳとひずみエネルギーＵが算出されると、上記の式（１）を用いて換算荷重Ｆｅが算出され（＃０３）、この換算荷重Ｆｅから初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が抽出される（＃０４）。このようにして、荷重点近傍における、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σ、及び、抽出された初期発生最大ピーク荷重Ｆ１のデータのセット（ｂ，ｈ，ｔ，σ，Ｆ１）が得られる。そして、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σを変えて、上述した処理を繰り返すことにより、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σ、及び、抽出された初期発生最大ピーク荷重Ｆ１のデータのセット（ｂ，ｈ，ｔ，σ，Ｆ１）を複数得ることができる（＃０５）。なお、得られるデータのセット（ｂ，ｈ，ｔ，σ，Ｆ１）の総数ｎが後述する多変量解析の際に関係式が十分精度良く得られる程度の数となるように、設定される断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σの値のセット（ｂ，ｈ，ｔ，σ）はｎ個設定されている。このようにして算出され、収集されたデータのセット（ｂ，ｈ，ｔ，σ，Ｆ１）を用いて、重回帰分析などの多変量解析を行うことにより、上記の式（２）のような第１関係式が算出される（＃０６）。このようにして算出された第１関係式は、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出する予測式となっており、これを用いて、断面幅ｂ、断面高さｈ、板厚ｔ、降伏応力σを適宜変更することにより構造部材を設計することができる（＃０７）。以下では、自動車ボディに適用した場合を例として説明する。【００６８】
［自動車のボディへの適応］
次に、構造部材１を自動車に適応する場合について検証する。
そして、自動車のボディとして、図２２及び図２３に示すように、構造部材１をバンパー２に適応した場合とサイドメンバーのキック部３に適応した場合とを例示する。なお、図２２Ｂ及び図２３Ｂは、それぞれ図２２Ａ及び図２３ＡにおけるＤ−Ｄ断面である。【００６９】
まず、荷重点近傍における断面幅ｂ及び断面高さｈを一定とし、板厚ｔも一定（バンパー２に適応する場合には板厚ｔを１．４（ｍｍ）とし、サイドメンバーのキック部３に適応する場合は板厚ｔを２．３（ｍｍ）とする）として、降伏応力σのみを条件Ａ〜Ｅとして全塑性モーメントＭｐを求める。
図２４はバンパー２に適応した場合の全塑性モーメントＭｐを示しており、図２５はサイドメンバーのキック部３に適応した場合の全塑性モーメントＭｐｙ，Ｍｐｚを示している。ここで、全塑性モーメントＭｐｙは、図２３Ｂにおいてｙ方向に沿う軸における全塑性モーメントであり、全塑性モーメントＭｐｚは、図２３Ｂにおいてｚ方向に沿う軸における全塑性モーメントである。【００７０】
構造部材１をバンパー２に適応した場合に、構造部材１に衝撃荷重を与えたときの構造部材１の変形図を図２６に示す。
図２６から条件Ａ及び条件Ｂとも構造部材１のほぼ中央部（図中点線部）にて一点折れに近い変形モードとなっており、変形モードに大きな差が認められないことが分かる。【００７１】
構造部材１をサイドメンバーのキック部３に適応した場合に、構造部材１に衝撃荷重を与えたときの車体の各部位（フロアポイント、ステアリングポイント、ダッシュボードのフットポイント、ピラーポイント）における最大変形量を図２７に示す。
図２７から、条件Ｃ〜Ｅにおいて各部位（フロアポイント、ステアリングポイント、ダッシュボードのフットポイント、ピラーポイント）における最大変形量がほとんど同じ値となることが分かる。【００７２】
以上のことから、条件Ａ〜Ｅにおいて、全塑性モーメントに大きな差があっても、変形モード及び車体の各部位における最大変形量が、ほとんど同じになることが分かるので、全塑性モーメントを指標として構造部材を設計すると、降伏応力の影響を実際のものより過剰側に見積もることになる。したがって、降伏応力の高い高強度鋼（ハイテン材）を用いても、その効果は期待できないにもかかわらず、高強度鋼（ハイテン材）を用いる設計となって、軽量化及びコストの低減を効果的に図ることができない虞があることが分かった。【００７３】
そこで、本発明にかかる構造部材の設計方法では、全塑性モーメントを指標とするのではなく、上記の式（２）により算出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を指標として、その初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に基づいて、例えば、初期発生最大荷重ピーク荷重Ｆ１が設定値以上となるように、荷重点近傍における断面幅ｂ、荷重点近傍における断面高さｈ、荷重点近傍における板厚ｔ、及び、荷重点近傍における降伏応力σの少なくとも一つを可変させる状態で構造部材１を設計することにより、最適な設計を行うことができるものとなる。【００７４】
［上記実施形態に対する別実施形態］
（１）上記実施形態では、構造部材１の弾塑性変形による特性解析をＣＡＥ解析により行い、そのＣＡＥ解析に基づいて変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めているが、変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵをどのようにして求めるかは適宜変更が可能である。
（２）上記実施形態では、構造部材１として、図１に示したハット形状のものを例示したが、構造部材１の断面形状について中空状であれば、その他各種の形状を適応することができる。
（３）上記実施形態では、統計的手法として重回帰解析を行うことにより、第１関係式を導き出すようにしているが、重回帰解析に限らず、その他の統計的手法により第１関係式を導き出すようにしてもよい。
（４）上記実施形態では、第１関係式（上記の式（２））により算出した初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を指標とし、その初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に基づいて構造部材を設計することを述べたが、式（１）により算出された換算荷重Ｆｅから抽出された初期発生ピーク荷重Ｆ１も、構造部材を設計する際の指標として用いることができる。【００７５】
〔構造部材〕
次に、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材１について説明する。
図１Ａ及び図２８（図１ＡにおけるＤ−Ｄ断面）に示すように、平板状の鋼製薄板と凸状の鋼製薄板とを連結した、いわゆるハット形状の構造部材１において、構造部材１の長手方向（図１Ａの紙面左右方向）と交差する方向から荷重Ｆ（衝撃荷重）を与えた場合、構造部材１の断面（図２８参照）の各部の材料強度及び板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３を変更して、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を求めており、解析結果を以下のように説明する。初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は、実際の三点曲げ試験の試験結果と整合を取りながら、図３及び図４に示すようなモデルに基づいて、ＣＡＥ解析によって求めている。【００７６】
［基本条件］
この構造部材１において、材料スパンＬ（図１Ａ参照）を１０００（ｍｍ）、断面高さｈ１を９０（ｍｍ）、断面幅ｂ１を９０（ｍｍ）、板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３を１．２（ｍｍ）とし、降伏応力（引っ張り強さ）σ１（材料強度に相当）を５９０（Ｍｐａ）として、基本条件としている。構造部材１の断面において、上辺部Ａ１（荷重Ｆ（衝撃荷重）が直接に掛かる平板状の部分）、底辺部Ａ３（上辺部Ａ１とは反対側の平板状の部分で、上辺部Ａ１の断面幅よりも少し大きい断面幅を備えている）、縦壁部Ａ２（上辺部Ａ１の端部につながる円弧状の角部、底辺部Ａ３の端部につながる円弧状の角部、前述の２つの角部にわたる平板状の壁部（断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部に相当））を設定している。【００７７】
［解析条件１及び解析結果１］
図２９Ａに示す解析条件１及び図２９Ｂに示す解析結果１では、構造部材１の上辺部Ａ１の初期発生最大ピーク荷重Ｆ１への影響を解析している。
図２９Ａに示すケースＢ０のように、構造部材１の上辺部Ａ１、縦壁部Ａ２及び底辺部Ａ３を上記基本条件とした場合、図２９Ｂに示すケースＢ０のように、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は１７．２（ｋＮ）と言う値が得られた。【００７８】
ケースＢ０に対して、図２９Ａに示す解析条件１のケースＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４のように、構造部材１の上辺部Ａ１の降伏応力（引っ張り強さ）σ１を２７０（Ｍｐａ）及び５９０（Ｍｐａ）に設定し、構造部材１の上辺部Ａ１の板厚ｔ１を０．８（ｍｍ）及び１．６（ｍｍ）に設定した場合（構造部材１の縦壁部Ａ２及び底辺部Ａ３は上記基本条件と同じ）、図２９Ｂに示す解析結果１のケースＢ１〜Ｂ４のように、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は１６．２（ｋＮ）、１７．８（ｋＮ）、１６．３（ｋＮ）、１７．８（ｋＮ）と言う値が得られた。【００７９】
図２９Ｂに示すように、ケースＢ０と解析結果１のケースＢ１〜Ｂ４とを比較すると、構造部材１の上辺部Ａ１の板厚ｔ１を変更すれば、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に若干の増減はあるが、構造部材１の上辺部Ａ１の降伏応力（引っ張り強さ）σ１を変更しても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１にあまり変化が無いと言う結果が得られた。【００８０】
これにより、構造部材１の上辺部Ａ１は、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１にあまり影響を与えていないことが理解できる。
これについて言い換えると図２８に示すような構造部材１において、構造部材１の上辺部Ａ１の降伏応力（引っ張り強さ）σ１や板厚ｔ１を大きくしても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくすることはできないと言うことができる。逆の見方をすると図２８に示すような構造部材１において、構造部材１の上辺部Ａ１の降伏応力σ１や板厚ｔ１を小さくしても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が小さくなることはないので、構造部材１の上辺部Ａ１の降伏応力（引っ張り強さ）σ１や板厚ｔ１を小さくしても、構造部材１の全体の剛性を確保することが可能であると言うことができる。【００８１】
［解析条件２及び解析結果２］
図３０Ａに示す解析条件２及び図３０Ｂに示す解析結果２では、構造部材１の縦壁部Ａ２の初期発生最大ピーク荷重Ｆ１への影響を解析している。
図２９に示すケースＢ０及び解析条件１のケースＢ１〜Ｂ４に対して、図３０に示す解析条件２のケースＢ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８のように、構造部材１の縦壁部Ａ２の降伏応力（引っ張り強さ）σ１を２７０（Ｍｐａ）及び５９０（Ｍｐａ）に設定し、構造部材１の縦壁部Ａ２の板厚ｔ２を０．８（ｍｍ）及び１．６（ｍｍ）に設定した場合に（構造部材１の上辺部Ａ１及び底辺部Ａ３は上記基本条件と同じ）、図３０Ｂに示す解析結果２のケースＢ５，Ｂ７において、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は１２．０（ｋＮ）、１３．４（ｋＮ）と言う値が得られた。図３０Ｂに示す解析結果２のケースＢ６，Ｂ８において、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は１８．８（ｋＮ）、１８．８（ｋＮ）と言う値が得られた。【００８２】
図３０Ｂに示すように、ケースＢ０と解析結果２のケースＢ６，Ｂ８とを比較すると、構造部材１の縦壁部Ａ２の板厚ｔ２を大きくすれば、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が少し大きくなると言う結果が得られた。ケースＢ０と解析結果２のケースＢ５，Ｂ７とを比較すると、構造部材１の縦壁部Ａ２の板厚ｔ２を小さくすれば、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が小さくなると言う結果が得られており、構造部材１の縦壁部Ａ２の板厚ｔ２を小さくした状態で、構造部材１の縦壁部Ａ２の降伏応力（引っ張り強さ）σ１を大きくすると、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が大きくなると言う結果が得られた。【００８３】
これにより、構造部材１の縦壁部Ａ２は、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に大きな影響を与えていることが理解できる。
これについて言い換えると図２８に示すような構造部材１において、構造部材１の縦壁部Ａ２の降伏応力（引っ張り強さ）σ１や板厚ｔ２を大きくすれば、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくすることができる言うことができ、構造部材１の全体の剛性を大きくすることができると言うことができる。【００８４】
［解析条件３及び解析結果３］
図３１Ａに示す解析条件３及び図３１Ｂに示す解析結果３では、構造部材１の底辺部Ａ３の初期発生最大ピーク荷重Ｆ１への影響を解析している。
図２９及び図３０に示すケースＢ０及び解析条件１のケースＢ１〜Ｂ４、解析条件２のケースＢ５〜Ｂ８に対して、図３１Ａに示す解析条件３のケースＢ９，Ｂ１０，Ｂ１１，Ｂ１２のように、構造部材１の底辺部Ａ３の降伏応力（引っ張り強さ）σ１を２７０（Ｍｐａ）及び５９０（Ｍｐａ）に設定し、構造部材１の底辺部Ａ３の板厚ｔ３を０．８（ｍｍ）及び１．６（ｍｍ）に設定した場合（構造部材１の上辺部Ａ１及び縦壁部Ａ２は上記基本条件と同じ）、図３１Ｂに示す解析結果３のケースＢ９〜Ｂ１２のように、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１は１６．５（ｋＮ）、１７．８（ｋＮ）、１６．５（ｋＮ）、１７．８（ｋＮ）と言う値が得られた。【００８５】
図３１Ｂに示すように、ケースＢ０と解析結果２のケースＢ９〜Ｂ１２とを比較すると、構造部材１の底辺部Ａ３の板厚ｔ３を変更すれば、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１に若干の増減はあるが、構造部材１の底辺部Ａ３の降伏応力（引っ張り強さ）σ１を変更しても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１にあまり変化が無いと言う結果が得られた。【００８６】
これにより、構造部材１の底辺部Ａ３は、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１にあまり影響を与えていないことが理解できる。
これについて言い換えると図２８に示すような構造部材１において、構造部材１の底辺部Ａ３の降伏応力（引っ張り強さ）σ１や板厚ｔ３を大きくしても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくすることはできないと言うことができる。逆の見方をすると図２８に示すような構造部材１において、構造部材１の底辺部Ａ３の降伏応力（引っ張り強さ）σ１や板厚ｔ３を小さくしても、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１が小さくなることはないので、構造部材１の底辺部Ａ３の降伏応力（引っ張り強さ）σ１や板厚ｔ３を小さくしても、構造部材１の全体の剛性を確保することが可能であると言うことができる。【００８７】
以上のような解析条件１，２，３及び解析結果１，２，３において、材料強度として降伏応力（引っ張り強さ）σ１を変更するのではなく、構造部材１の上辺部Ａ１、縦壁部Ａ２及び底辺部Ａ３において、結晶量微細化による強度向上、焼き入れ等の熱処理による強度向上、金属組織調質（化学成分の最適化（合金の添加等））による強度向上、表面改質及び硬化処理（浸炭及び窒化等）による強度向上、転位密度を高くすることによる強度向上を施してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明にかかる構造部材の設計方法及び構造部材は、例えば、自動車のバンパーやフロントサイドメンバのキック部等を始めとした自動車の部品等に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１Ａ】構造部材を示す図
【図１Ｂ】図１Ａの構造部材のＤ−Ｄ断面図
【図２】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図３】ＣＡＥ解析のモデルを示す図
【図４】構造部材の変形形態を示す図
【図５Ａ】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図５Ｂ】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図５Ｃ】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図６】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図７】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図８Ａ】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図８Ｂ】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図８Ｃ】荷重Ｆと変位量ＳとのＦＳ特性を示すグラフ
【図９】荷重Ｆと材料スパンＬとの関係を示すグラフ
【図１０】計算荷重と荷重との関係を示すグラフ
【図１１】構造部材の変形形態を示す図
【図１２】構造部材の中央部分における変形形態を示す図
【図１３】塑性ひずみ分布を示す図
【図１４】荷重Ｆと断面幅ｂとの関係を示すグラフ
【図１５】条件１〜９における条件を示す表
【図１６】荷重Ｆと板厚ｔとの関係を示すグラフ
【図１７】荷重Ｆと板厚ｔとの関係を示すグラフ
【図１８】荷重Ｆと板厚ｔとの関係を示すグラフ
【図１９】荷重Ｆと板厚ｔとの関係を示すグラフ
【図２０】荷重Ｆと降伏応力σとの関係を示すグラフ
【図２１】構造部材の設計処理のフローチャート
【図２２Ａ】構造部材をバンパーに適応した場合を示す図
【図２２Ｂ】図２２ＡのバンパーのＤ−Ｄ断面図
【図２３Ａ】構造部材をサイドメンバーのキック部に適応した場合を示す図
【図２３Ｂ】図２３Ａのサイドメンバーのキック部のＤ−Ｄ断面図
【図２４】条件Ａ及び条件Ｂにおける全塑性モーメントを示すグラフ
【図２５】条件Ｃ〜Ｅにおける全塑性モーメントを示すグラフ
【図２６】条件Ａ及び条件Ｂにおける構造部材の変形形態を示す図
【図２７】条件Ｃ〜Ｅにおける各部位の最大変形量を示すグラフ
【図２８】構造部材の断面及び基本条件を示す図
【図２９Ａ】解析条件１を示す図
【図２９Ｂ】解析結果１を示す図
【図３０Ａ】解析条件２を示す図
【図３０Ｂ】解析結果２を示す図
【図３１Ａ】解析条件３を示す図
【図３１Ｂ】解析結果３を示す図
【符号の説明】
【００９０】
１                構造部材
ｔ１，ｔ２，ｔ３  板厚
σ１              材料強度（降伏応力）
【図１Ａ】
2008041381.tif 000003
【図１Ｂ】
2008041381.tif 000004
【図２】
2008041381.tif 000005
【図３】
2008041381.tif 000006
【図４】
2008041381.tif 000007
【図５Ａ】
2008041381.tif 000008
【図５Ｂ】
2008041381.tif 000009
【図５Ｃ】
2008041381.tif 000010
【図６】
2008041381.tif 000011
【図７】
2008041381.tif 000012
【図８Ａ】
2008041381.tif 000013
【図８Ｂ】
2008041381.tif 000014
【図８Ｃ】
2008041381.tif 000015
【図９】
2008041381.tif 000016
【図１０】
2008041381.tif 000017
【図１１】
2008041381.tif 000018
【図１２】
2008041381.tif 000019
【図１３】
2008041381.tif 000020
【図１４】
2008041381.tif 000021
【図１５】
2008041381.tif 000022
【図１６】
2008041381.tif 000023
【図１７】
2008041381.tif 000024
【図１８】
2008041381.tif 000025
【図１９】
2008041381.tif 000026
【図２０】
2008041381.tif 000027
【図２１】
2008041381.tif 000028
【図２２Ａ】
2008041381.tif 000029
【図２２Ｂ】
2008041381.tif 000030
【図２３Ａ】
2008041381.tif 000031
【図２３Ｂ】
2008041381.tif 000032
【図２４】
2008041381.tif 000033
【図２５】
2008041381.tif 000034
【図２６】
2008041381.tif 000035
【図２７】
2008041381.tif 000036
【図２８】
2008041381.tif 000037
【図２９Ａ】
2008041381.tif 000038
【図２９Ｂ】
2008041381.tif 000039
【図３０Ａ】
2008041381.tif 000040
【図３０Ｂ】
2008041381.tif 000041
【図３１Ａ】
2008041381.tif 000042
【図３１Ｂ】
2008041381.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成20年8月1日(2008.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法であって、
前記構造部材に衝撃荷重を与えた場合の荷重点における変位量Ｓと前記構造部材の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを求め、
前記変位量Ｓと前記ひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量
前記換算荷重Ｆｅの前記変位量Ｓの変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出し、
前記初期発生最大ピーク荷重に基づいて、前記構造部材の前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍おける断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び前記荷重点近傍における降伏応力を設定する構造部材の設計方法。
【請求項２】
コンピュータにより、断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法であって、
前記構造部材の断面幅と、断面高さと、板厚と、降伏応力のうち少なくとも１つの値を変えた複数の組み合わせの入力を受け付け、前記構造部材の複数のモデルを設定し、
前記構造部材のそれぞれのモデルについて、ＣＡＥ解析により、衝撃荷重を与えた場合の荷重点における変位量Ｓと弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを算出し、
前記変位量Ｓと前記ひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量
算出した前記換算荷重Ｆｅの前記変位量Ｓの変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出し、
前記構造部材のそれぞれのモデルについて、前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、前記荷重点近傍における降伏応力、及び前記初期発生最大ピーク荷重を有するデータのセットを蓄積し、
蓄積した複数の前記データのセットを用いて、前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、前記荷重点近傍における降伏応力、及び前記初期発生最大ピーク荷重の第１関係式を導き出し、
前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び前記荷重点近傍における降伏応力の値の入力を受け付け、前記第１関係式に基づいて前記初期発生最大ピーク荷重を算出し、
算出した前記初期発生最大ピーク荷重に基づき、入力した前記構造部材の前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び前記荷重点近傍における降伏応力のうち少なくとも１つの値を変更して前記構造部材を設計する構造部材の設計方法。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第１関係式が、以下の式（２）である請求項２に記載の構造部材の設計方法。
Ｆ１＝ＡｂＸ１ｈＸ２ｔＸ３σＸ４                          ・・・・・（２）
ただし、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４
Ｆ１：初期発生最大ピーク荷重
Ａ：定数
ｂ：荷重点近傍における断面幅
ｈ：荷重点近傍における断面高さ
ｔ：荷重点近傍における板厚
σ：荷重点近傍における降伏応力
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
請求項１，２，４のいずれか１項に記載の構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における角部の材料強度を、断面における角部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定してある構造部材。
【請求項７】
請求項１，２，４のいずれか１項に記載の構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における角部の板厚を、断面における角部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定してある構造部材。
【請求項８】
請求項１，２，４のいずれか１項に記載の構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の材料強度を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定してある構造部材。
【請求項９】
請求項１，２，４のいずれか１項に記載の構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の板厚を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定してある構造部材。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
特許文献２：日本国特開平８−２４４６５０号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００５］
従来の構造部材の設計方法では、三点曲げ試験における実験結果や全塑性モーメントを指標として、構造部材の形状や材料特性を決定して構造部材を設計することになるが、構造部材を自動車のボディに用いる場合に、三点曲げ試験における実験結果や全塑性モーメントを指標とすることにより、上述の要求を十分に満たしているかの検証が十分に行われていなかった。したがって、従来の構造部材の設計方法では最適な設計を行うことができない虞があった。
［０００６］
断面形状が中空状で多角形断面形状の構造部材において、構造部材の長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける場合（構造部材に曲げが掛かる状態）、構造部材のどの部分においても均一な曲げが発生しているとは考えられない。これにより、構造部材の材料強度（降伏応力（引っ張り強さ））や板厚を、構造部材の断面のどの部分においても同じものに設定することは、構造部材の全体の剛性にとって適切ではないと考えられる。
［０００７］
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、自動車のボディに用いる構造部材において、その構造部材の設計を簡易に且つ最適に行うことができる構造部材の設計方法を提供する点にあり、断面形状が中空状で多角形断面形状の構造部材において、構造部材の長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける場合（構造部材に曲げが掛かる状態）、構造部材の全体の剛性にとって、構造部材の断面の各部分に適切な材料強度や板厚の設定が行われた構成部材を提供する点にある。
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明にかかる構造部材の設計方法の特徴は、
断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法であって、
前記構造部材に衝撃荷重を与えた場合の荷重点における変位量Ｓと前記構造部材の弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを求め、
前記変位量Ｓと前記ひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量
前記換算荷重Ｆｅの前記変位量Ｓの変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出し、
前記初期発生最大ピーク荷重に基づいて、前記構造部材の前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び前記荷重点近傍における降伏応力を設定する点にある。
［０００９］
この構成によれば、構造部材に衝撃荷重を与えた場合に、一度曲げ崩壊が始まると、塑性ひずみの集中により塑性変形モードが「一点折れ」に近いモードとなり、その後は、構造部材にかかる荷重が低下してエネルギーの吸収がほとんど行われなくなる。したがって、「一点折れ」になるときの初期発生最大ピーク荷重に注目し、その初期発生最大ピーク荷重に基づいて構造部材を設計することにより、上述の要求を満たすように設計することができる。
そして、初期発生最大ピーク荷重を抽出するに当り、変位量ＳとひずみエネルギーＵとを用いて上記の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、その換算荷重Ｆｅの変位量Ｓに対する変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出することになるが、例えば、三点曲げ試験の実験結果における支点反力から荷重を求めてその荷重の変位量Ｓに対する変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出する場合と比べて、略同じ変位量Ｓにおいて初期発生最大ピーク荷重が発生することが分かった。したがって、初期発生最大ピーク荷重を正確に且つ容易に抽出できることになる。
以上のことから、正確に且つ容易に抽出した初期発生最大ピーク荷重に基づいて構造部材を設計することよって、構造部材の設計を簡易に且つ最適に行うことができる構造部材の設計方法を提供できるに至った。
［００１０］
本発明にかかる構造部材の設計方法の特徴は、
コンピュータにより、断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法であって、
前記構造部材の断面幅と、断面高さと、板厚と、降伏応力のうち少なくとも１つの値を変えた複数の組み合わせの入力を受け付け、前記構造部材の複数のモデルを設定し、
前記構造部材のそれぞれのモデルについて、ＣＡＥ解析により、衝撃荷重を与えた場合の荷重点における変位量Ｓと弾塑性変形により蓄積されるひずみエネルギーＵとを算出し、
前記変位量Ｓと前記ひずみエネルギーＵとを用いて、以下の式（１）から換算荷重Ｆｅを算出し、
Ｆｅ＝ΔＵ／Δｘ                    ・・・・・（１）
ΔＵ：変位量Ｓを単位変化量だけ変化させるときに蓄積されるひずみエネルギー量
Δｘ：変位量Ｓの単位変化量
算出した前記換算荷重Ｆｅの前記変位量Ｓの変化から初期発生最大ピーク荷重を抽出し、
前記構造部材のそれぞれのモデルについて、前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、前記荷重点近傍における降伏応力、及び前記初期発生最大ピーク荷重を有するデータのセットを蓄積し、
蓄積した複数の前記データのセットを用いて、前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、前記荷重点近傍における降伏応力、及び前記初期発生最大ピーク荷重の第１関係式を導き出し、
前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び前記荷重点近傍における降伏応力の値の入力を受け付け、前記第１関係式に基づいて前記初期発生最大ピーク荷重を算出し、
算出した前記初期発生最大ピーク荷重に基づき、入力した前記構造部材の前記荷重点近傍における断面幅、前記荷重点近傍における断面高さ、前記荷重点近傍における板厚、及び前記荷重点近傍における降伏応力のうち少なくとも１つの値を変更して前記構造部材を設計する点にある。
［００１１］
この構成によれば、実際の実験により変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めるのではなく、コンピュータによるＣＡＥ解析に基づいて変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを求めるので、実験条件等によるバラツキを考慮せずに変位量Ｓ及びひずみエネルギーＵを的確に且
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
つ容易に求めることができる。したがって、換算荷重Ｆｅを的確に且つ容易に求めることができることになる。
導き出した第１関係式により初期発生最大ピーク荷重を算出することができるので、第１関係式を用いるだけで初期発生最大ピーク荷重を容易に且つ定量的に算出することができることになる。したがって、構造部材の設計を容易に行えることになり、設計の簡素化を図ることができる。ちなみに、荷重点近傍は、構造部材において曲げ崩壊する部分であり、荷重点近傍における断面幅や断面高さ等は構造部材において曲げ崩壊する部分の断面幅や断面高さ等となる。
第１関係式から算出した初期発生最大ピーク荷重に基づいて、例えば、その初期発生最大ピーク荷重が設定値以上となるように、荷重点近傍における断面幅、荷重点近傍における断面高さ、荷重点近傍における板厚、及び、荷重点近傍における降伏応力のうちの少なくとも一つの値を変更して構造部材を設計することにより、上述の要求を満たす最適な設計を行うことができることになる。特に、上述の如く、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくするためには荷重点近傍における板厚の寄与が大きいので、荷重点近傍における板厚を厚くするように変更すれば、降伏応力の高い高強度鋼（ハイテン材）を用いずに構造部材を設計することもでき、軽量化及びコストの低減を効果的に実現する最適な設計を行えることになる。
［００１２］
［００１３］
［００１４］
本発明にかかる断面形状が中空状である構造部材を設計する構造部材の設計方法の好適な一つの実施形態においては、前記第１関係式が、以下の式（２）である。
Ｆ１＝ＡｂＸ１ｈＸ２ｔＸ３σＸ４                          ・・・・・（２）
ただし、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４
Ｆ１：初期発生最大ピーク荷重
Ａ：定数
ｂ：荷重点近傍における断面幅
ｈ：荷重点近傍における断面高さ
ｔ：荷重点近傍における板厚
σ：荷重点近傍における降伏応力
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
［００１５］
この構成によれば、上記の式（２）において、荷重点近傍における断面幅ｂ、荷重点近傍における断面高さｈ、荷重点近傍における板厚ｔ、及び、荷重点近傍における降伏応力σを入力するだけで、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を算出することができる。したがって、初期発生最大ピーク荷重を容易に且つ定量的に算出することができ、構造部材の設計を容易に行えることになり、設計の簡素化を図ることができる。
また、上記の式（２）において、Ｘ３≫Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４となっているので、初期発生最大ピーク荷重Ｆ１を大きくするためには、荷重点近傍における板厚の寄与が大きいことが分かる。したがって、例えば、荷重点近傍における板厚を厚くすることにより、降伏応力の高い高強度鋼（ハイテン材）を用いずに構造部材を設計することもでき、軽量化及びコストの低減を効果的に実現する最適な設計を行えることになる。
［００１６］
［００１７］
［００１８］
また、上述した構造部材の設計方法に加え、構造部材も本発明の主題である。
すなわち、本発明にかかる構造部材の特徴は、
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上述した構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、
断面における角部の材料強度を、断面における角部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定する点にある。
［００１９］
本発明にかかる構造部材の特徴は、上述した構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における角部の板厚を、断面における角部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定する点にある。
［００２０］
本発明にかかる構造部材の特徴は、上述した構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の材料強度を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の材料強度よりも大きいものに設定する点にある。
［００２１］
本発明にかかる構造部材の特徴は、上述した構造部材の設計方法により設計され、断面形状が中空状で多角形断面形状であり、長手方向と交差する方向から衝撃荷重を受ける構造部材であって、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部の板厚を、断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分の板厚よりも大きいものに設定する点にある。
［００２２］
断面形状が中空状で多角形断面形状の構造部材（例えば図２８参照）において、長手方向と交差する方向から衝撃荷重（例えば図１Ａ参照）を与える解析（実験）を行ったところ、構造部材の材料強度（降伏応力（引っ張り強さ）等）及び板厚を、構造部材の断面のどの部分においても同じものに設定した場合（例えば図２９ＡのケースＢ０参照）、構造部材の全体の剛性として例えば図２９ＢのケースＢ０のような結果が得られた。
［００２３］
前述の解析（実験）において、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿った壁部以外の部分（例えば図２８のＡ１部分やＡ３部分）の材料強度や板厚を、他の部分（例えば図２８のＡ２部分）の材料強度や板厚とは異なるものに設定した場合（例えば図２９ＡのケースＢ１〜Ｂ４、図３１ＡのケースＢ９〜Ｂ１２参照）、例えば図２９ＢのケースＢ１〜Ｂ４及び図３１ＢのケースＢ９〜Ｂ１２に示すような結果が得られた。
これにより、構造部材の断面における角部及び断面における衝撃荷重の方向に沿
【国際調査報告】
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