(57)【要約】【課題】剛性の向上と軽量化を達成した自動車用骨格部品を提供する。【解決手段】本発明に係る自動車用骨格部品であるＡピラーロア１は、平面視において略Ｔ字形状で、該略Ｔ字形状の横辺および縦辺に相当するそれぞれの部位に交差する断面が天板部３ａと縦壁部３ｂとフランジ部３ｃとからなる断面ハット形状のアウタパネル３と、アウタパネル３のフランジ部３ｃに接合されてアウタパネル３との間に閉断面を形成するインナパネル５とを有し、インナパネル５とアウタパネル３は金属からなるものにおいて、アウタパネル３とインナパネル５の間に形成される空間内に、一端がアウタパネル３の内面３ｄに、他端がインナパネル５の内面５ａにそれぞれ接合された樹脂製の複数の補剛部材７を有し、補剛部材７の形状及び配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、補剛部材７の形状は、柱状または両端部が膨隆する柱状を有するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視において略Ｔ字形状で、該略Ｔ字形状の横辺および縦辺に相当するそれぞれの部位に交差する断面が天板部と縦壁部とフランジ部とからなる断面ハット形状のアウタパネルと、該アウタパネルのフランジ部に接合されて該アウタパネルとの間に閉断面を形成するインナパネルとを有し、該インナパネルと前記アウタパネルは金属からなるＡピラーロア部品である自動車用骨格部品において、
前記アウタパネルと前記インナパネルとの間に形成される空間内に、一端が前記アウタパネルの内面に、他端が前記インナパネルの内面にそれぞれ接合された樹脂製の複数の補剛部材を有し、
該補剛部材の形状および配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、前記補剛部材の形状は、柱状または両端部が膨隆する柱状を有するものであることを特徴とする自動車用骨格部品。
【請求項２】
前記形状最適化解析方法は、トポロジー最適化の密度法を用いて、剛性が最大となる目的条件を設定し、体積制約率を3〜40%の範囲から設定する制約条件のもとに解析することを特徴とする請求項１記載の自動車用骨格部品。
【請求項３】
前記Ａピラーロア部品である自動車用骨格部品は、ロッカーの先端部が接続されるロッカー接続部を有し、前記補剛部材は、前記空間内における前記ロッカー接続部と前記Ａピラーロア部品の高さ方向中央部よりも上部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の自動車用骨格部品。
【請求項４】
前記形状最適化解析方法は、トポロジー最適化の密度法を用いて、体積を最小にして剛性が最大となる目的条件を設定し、所定の変位量を設定する制約条件のもとに解析することを特徴とする請求項１又は３に記載の自動車用骨格部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属からなる自動車用骨格部品に関し、特に、アウタパネルとインナパネルにより形成された空間内に樹脂製の補剛部材が設けられているＡピラーロア部品である自動車用骨格部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の金属からなる骨格部品の軽量化方法に関して、多くの技術が存在する。例えば、超高張力鋼板を適用した薄肉化、鋼板からアルミニウム板への素材置換などがある。鋼板からアルミニウム化されるプレス部品は年々増加する傾向にあるものの、素材コストの上昇は避けられないことから、最近では周辺の複数部品を取り込んだ形状部品をアルミダイカスト法で製造し、金型費用等の削減によりコスト低減をはかる方法が適用されている。
アルミダイカスト法で自動車の骨格部品を製造する技術として、例えば特許文献１には、特定形状を有するリブが設けられているアルミダイカスト製の車両用Cピラーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４７３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アルミニウムの比重は鋼のおよそ３分の１であるため軽量である一方、ヤング率も鋼と比較しておよそ３分の１であることから、従来と同等の部品の剛性を確保するために、アルミニウム製部品は鋼板製部品以上の板厚確保やリブ構造の付与といった重量増加の要因となる対応を取る必要がある。そのため、部品の生産性の低下やコスト増加など、軽量化効果を阻害するという問題があった。また、アルミダイカスト製の部品は一般にスポット溶接が困難であるため機械的締結が必須となり、従来の自動車組立ラインでの組立が困難となる課題があった。
【０００５】
このように、アルミニウム製の自動車用骨格部品はそのヤング率の低さから、アルミニウムが低比重であることの有効性を充分に活用しきれておらず、十分に軽量化を達成することができない。
また、Ａピラーロア部品は自動車の耐衝突特性において、最近注目されている前方斜め衝突にとって重要部品である。そのため、剛性の確保と軽量化の双方を満たすＡピラーロア部品が望まれていた。
【０００６】
さらに、アウタパネルとインナパネルからなる自動車用骨格部品を補剛する場合、一般に、アウタパネルとインナパネルを繋ぐことを目的として金属製のバルクヘッドなどの隔壁部品を入れることが多いが、これらは大きい部品となるため重量がかさみ、軽量とは言えない。また、アウタパネルとインナパネルから形成される空間内に発泡樹脂などを全体に注入する方法もあるが、発泡樹脂自体の剛性が低いため充填するのみでは大きな剛性向上は期待できなくて、発泡樹脂を骨格部品内の全体に注入する必要があって、充填状態の確認が難しいため補修性に問題があった。
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、剛性を確保しつつ軽量化することができる自動車用骨格部品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】
【０００８】
（１）本発明に係る自動車用骨格部品は、平面視において略Ｔ字形状で、該略Ｔ字形状の横辺および縦辺に相当するそれぞれの部位に交差する断面が天板部と縦壁部とフランジ部とからなる断面ハット形状のアウタパネルと、該アウタパネルのフランジ部に接合されて該アウタパネルとの間に閉断面を形成するインナパネルとを有し、該インナパネルと前記アウタパネルは金属からなるＡピラーロア部品である自動車用骨格部品において、前記アウタパネルと前記インナパネルとの間に形成される空間内に、一端が前記アウタパネルの内面に、他端が前記インナパネルの内面にそれぞれ接合された樹脂製の複数の補剛部材を有し、該補剛部材の形状および配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、前記補剛部材の形状は、柱状または両端部が膨隆する柱状を有するものであることを特徴とするものである。
【０００９】
（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記形状最適化解析方法は、トポロジー最適化の密度法を用いて、剛性が最大となる目的条件を設定し、体積制約率を3〜40%の範囲から設定する制約条件のもとに解析することを特徴とするものである。
【００１０】
（３）上記（１）に記載のものにおいて、前記Ａピラーロア部品である自動車用骨格部品は、ロッカーの先端部が接続されるロッカー接続部を有し、前記補剛部材は、前記空間内における前記ロッカー接続部と前記Ａピラーロア部品の高さ方向中央部よりも上部に配置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
（４）上記（１）又は（３）に記載のものにおいて、前記形状最適化解析方法は、トポロジー最適化の密度法を用いて、体積を最小にして剛性が最大となる目的条件を設定し、所定の変位量を設定する制約条件のもとに解析することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、平面視において略Ｔ字形状で、該略Ｔ字形状の横辺および縦辺に相当するそれぞれの部位に交差する断面が天板部と縦壁部とフランジ部とからなる断面ハット形状のアウタパネルと、該アウタパネルのフランジ部に接合されて該アウタパネルとの間に閉断面を形成するインナパネルとを有し、該インナパネルと前記アウタパネルは金属からなるＡピラーロア部品である自動車用骨格部品において、前記アウタパネルと前記インナパネルとの間に形成される空間内に、一端が前記アウタパネルの内面に、他端が前記インナパネルの内面にそれぞれ接合された樹脂製の複数の補剛部材を有し、該補剛部材の形状及び配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、前記補剛部材の形状は、柱状または両端部が膨隆する柱状を有することにより、該自動車用骨格部品に荷重が作用したときの変形を低減させ、該自動車用骨格部品の剛性を向上させることができる。さらに、本発明によれば、剛性を維持したまま自動車用骨格部品を軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る自動車用骨格部品の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る自動車用骨格部品の側面図である。
【図３】本実施の形態に係る自動車用骨格部品に用いられるアウタパネルおよびインナパネルの斜視図である。
【図４】本実施の形態に係る自動車用骨格部品に用いられるアウタパネルおよびインナパネルの側面図である。
【図５】本実施の形態に係る自動車用骨格部品において、補剛部材の形状最適化解析の処理の流れを示すフローチャートを示す図である。
【図６】本実施の形態に係る自動車用骨格部品において、補剛部材の形状最適化解析における解析条件の一例を示す図である。
【図７】本実施の形態に係る自動車用骨格部品において、補剛部材の形状最適化解析の解析結果の一例を示す斜視図である。
【図８】本実施の形態に係る自動車用骨格部品において、補剛部材の形状最適化解析の解析結果の一例を示す側面図である。
【図９】実施例１において、比較対象とした比較例１および比較例３の自動車用骨格部品の斜視図である。
【図１０】実施例１において、比較対象とした比較例１および比較例３に係る自動車用骨格部品の側面図である。
【図１１】実施例１において、比較対象とした比較例１および比較例３に係る自動車用骨格部品を説明する図である。
【図１２】実施例１において、比較対象とした比較例２に係る自動車用骨格部品に用いたアウタパネルの斜視図である。
【図１３】実施例１において、比較対象とした比較例２に係る自動車用骨格部品の側面図である。
【図１４】実施例１において、比較対象とした比較例２に係る自動車用骨格部品を説明する図である。
【図１５】本発明の実施の形態の他の態様に係る自動車用骨格部品の側面図である。
【図１６】本発明の実施の形態の他の態様に係る自動車用骨格部品の斜視図である。
【図１７】本実施の形態の他の態様に係る自動車用骨格部品において、補剛部材の形状最適化解析の解析結果の一例を示す斜視図である。
【図１８】実施例２において、補剛部材の形状最適化解析における荷重・拘束条件（ａ）と、剛性評価における変位測定点（ｂ）を説明する図である。
【図１９】実施例２において、発明例１および発明例２に係る自動車用骨格部品の斜視図である。
【図２０】実施例２において、発明例１３に係る自動車用骨格部品の側面図である。
【図２１】実施例２において、従来の自動車用骨格部品を基準とした剛性向上率と重量変化の結果を示すグラフである。
【図２２】実施例２において、従来の自動車用骨格部品を基準とした重量あたりの剛性向上率の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態に係るＡピラーロア部品について、図１および図２に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る図１および図２に示すＡピラーロア１（図１の視野Ｆ（Ａピラーロア１の後部側から見た視野））は、平面視において略Ｔ字形状のアウタパネル３と、アウタパネル３のフランジ部３ｃに接合されてアウタパネル３との間に閉断面を形成するインナパネル５とを有する自動車用骨格部品であって、図２に示すとおり、アウタパネル３とインナパネル５との間に形成される空間内に、一端がアウタパネル３の内面３ｄに、他端がインナパネル５の内面５ａにそれぞれ接合された複数の補剛部材７を有し、補剛部材７の形状及び配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、補剛部材７の形状は、両端部が膨隆する柱状を有するものである。
【００１５】
以下、各構成について説明する。なお、図中に示されている座標軸は、Ａピラーロア１を自動車に取り付けたときの配置を示すものであり、X軸は自動車の前後方向、Y軸は自動車の上下方向、Z軸は自動車の幅方向を示す。
【００１６】
＜アウタパネル＞
金属からなるアウタパネル３は、図１に示すように、平面視において略Ｔ字形状であり、該略Ｔ字形状の横辺に相当する部位（図１中の部位Ｐおよび部位Ｑ）と、縦辺に相当する部位（図１中の部位Ｒ）を有するものである。
【００１７】
部位Ｐは、アウタパネル３の上部において自動車の前方（図中のX軸マイナス方向）に延出し、該自動車の前部に設けられる他の自動車用骨格部品に接続する。
部位Ｑは、アウタパネル３の上部において自動車の後上方（図中のX軸プラス方向およびY軸プラス方向）に延出し、Ａピラーアッパ（図示なし）に接続する。
【００１８】
部位Ｒは、前記略Ｔ字形状の横辺から自動車の下方（図中のY軸マイナス方向）に延出している。さらに、部位Ｒの下端部は、自動車の後方（X軸プラス方向）に向かってＬ字形状に湾曲し、ロッカ−（図示なし）に接続する。
【００１９】
そして、部位Ｐ、部位Ｑおよび部位Ｒに交差する断面は、いずれも天板部３ａと縦壁部３ｂとフランジ部３ｃとからなる断面ハット形状である。なお、断面ハット形状のアウタパネル３は、例えば、鋼板やアルミニウム板をプレス成形することにより製造することができる。あるいはアルミダイカストのような鋳造により製造可能である。
【００２０】
＜インナパネル＞
金属からなるインナパネル５は、アウタパネル３のフランジ部３ｃに接合され（図３および図４参照）、アウタパネル３との間に閉断面を形成する。
【００２１】
閉断面は、アウタパネル３の天板部３ａおよび縦壁部３ｂとインナパネル５の内面５ａとで囲まれて形成されたものであり、これにより、アウタパネル３とインナパネル５との間に空間が形成される。
なお、アウタパネル３と同様に、インナパネル５は、例えば鋼板やアルミニウム板をプレス成形することにより製造することができる。あるいはアルミダイカストのような鋳造により製造可能である。
【００２２】
＜補剛部材＞
補剛部材７は、図２に示すように、アウタパネル３とインナパネル５との間に形成された空間内において、一端がアウタパネル３の内面３ｄに、他端がインナパネル５の内面５ａにそれぞれ接合されたものであり、複数の補剛部材７が設けられている。
【００２３】
補剛部材７の形状は、両端部が膨隆する柱状を有するものであり、該膨隆した一端がアウタパネル３の内面３ｄに、他端がインナパネル５の内面５ａに接合されている。
補剛部材７の形状および配置は、後述する形状最適化解析の解析結果に基づいて設定されたものであり、補剛部材７の形状および配置がこのように設定されることで、アウタパネル３とインナパネル５とで形成される空間内に橋渡し構造が形成される。
【００２４】
なお、補剛部材７の形状である両端部が膨隆する柱状としては、例えば、図２（ｂ）に示すように、円柱状（図２（ｃ））又は断面が扁平した円柱状（図２（ｄ））の中央部が細く、該中央部から両端に向かって膨隆する大腿骨状が挙げられる。
【００２５】
もっとも、補剛部材７の形状は、図２（ｂ）に示す形状に限られるものではなく、柱状のみであってもよく、図２（ｅ）に示すように、細長い柱状の一端側の方がより大きく膨隆している補剛部材７ａや、中央部が短かく細くくびれている補剛部材７ｂのようなものであってもよい。さらに、柱状の中央部の断面は、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように円形状や扁平円形状などに限られるものではない。
【００２６】
さらに、補剛部材７の材質に関しては、様々な形状に加工することの容易さに加えて重量の観点から、樹脂（硬質プラスチック、繊維強化樹脂など）とし、特に、繊維強化樹脂であるCFRP（Carbon  Fiber  Reinforced  Plastics；炭素繊維強化樹脂）やGFRP（Glass  Fiber  Reinforced  Plastics；ガラス繊維強化樹脂）は、剛性向上の面からより好ましい。
【００２７】
そして、樹脂製の補剛部材７は、形状最適化解析で得られた解析結果に基づいて、例えば射出成形により製造することができるが、補剛部材７の製造方法は射出成形に限定するものではない。
また、補剛部材７とアウタパネル３およびインナパネル５とは、接着または機械的締結により接合することができる。
【００２８】
＜形状最適化解析方法＞
次に、補剛部材７の形状および位置を設定する形状最適化解析方法について説明する。
形状最適化解析方法とは、予め所定の形状を想定し、該所定の形状を前提として最適な形状を求めるものではなく、所定の形状を想定することなく、与えられた解析条件を満たす最適な形状をトポロジー最適化等により求めるものである。
【００２９】
また、トポロジー最適化とは、ある程度の大きさの設計空間を設け、当該設計空間に立体要素を組み込み、与えられた解析条件を満たしつつ必要最小限の立体要素を残すことで当該解析条件を満たす最適形状を得るという方法である。トポロジー最適化においては、設計空間をなす立体要素に直接拘束を行い、直接荷重を加えるという方法が用いられる。
【００３０】
本発明の実施の形態においては、アウタパネル３とインナパネル５との間に形成される空間内に樹脂製の補剛部材を設定することによりＡピラーロア１の剛性を向上させるため、前記アウタパネル３とインナパネル５との間の空間を前記補剛部材で埋めたものを解析対象として形状最適化解析を行い、その最適化解析により不要な部分を取り除いた解析結果に基づいて最適な形状の補剛部材７を設定する。
【００３１】
ここで、形状最適化解析は、図５に示すステップＳ１からステップＳ９を実行することにより行うことができる。以下、図５に示す各ステップにおける処理について説明する。なお、ステップＳ１からステップＳ９は、コンピュータ上で実行することができる。
【００３２】
≪構造体モデル取得ステップ≫
構造体モデル取得ステップＳ１は、平面要素及び／又は立体要素を用いて自動車用骨格部品をモデル化した構造体モデルを取得するステップである。
本実施の形態において、構造体モデルは、補剛部材７を設定することにより補剛する自動車用骨格部品であるＡピラーロア１（図１および図２参照）を対象としたものである。
【００３３】
≪補剛部材モデル生成ステップ≫
補剛部材モデル生成ステップＳ３は、立体要素からなり前記構造体モデルと結合する補剛部材モデル（図示なし）を生成するステップである。
【００３４】
本実施の形態において、前記補剛部材モデルは、図２に示すようなアウタパネル３とインナパネル５とで形成される空間を埋めるように複数の立体要素を生成する。
このように生成された補剛部材モデルは、後述する最適化解析モデル生成ステップＳ７における最適化解析の対象となるものであり、最適化解析の過程において、補剛に不要な部位に位置する立体要素は消去され、補剛に必要となる部位に位置する立体要素が残存する。
【００３５】
≪材料特性設定ステップ≫
材料特性設定ステップＳ５は、補剛部材モデル生成ステップＳ３において生成した補剛部材モデルの材料特性を設定するステップである。
本発明では、樹脂製の補剛部材を対象としているため、材料特性設定ステップＳ５において前記補剛部材モデルに設定する材料特性としては、樹脂のヤング率、ポアソン比および比重などが挙げられる。
【００３６】
さらに、前記補剛部材が、例えばFRP（Fiber  Reinforced  Plastics；繊維強化樹脂）のようにその材料特性が面内異方性を有する樹脂の場合は、異方性を考慮して補剛部材モデルの材料特性を設定すればよい。
【００３７】
≪最適化解析モデル生成ステップ≫
最適化解析モデル生成ステップＳ７は、補剛部材モデル生成ステップＳ３において生成した補剛部材モデルを前記構造体モデルに結合して最適化解析モデル（図示なし）を生成するものである。
【００３８】
構造体モデルと補剛部材モデルとの結合は、例えば、構造体モデルが平面要素でモデル化されている場合、補剛部材モデルを構成する立体要素のノード（節点）と構造体モデルの平面要素のノードとを共有することにより行うことができる。
【００３９】
もっとも、構造体モデルと補剛部材モデルとの結合は、上記のノード共有に限るものではなく、剛体要素、梁要素、平面要素などを介して構造体モデルと補剛部材モデルとを結合するものであってもよく、いずれにおいても、形状最適化解析において構造体モデルと補剛部材モデルとの間で荷重が伝達されるように結合するものであればよい。
【００４０】
≪最適化解析ステップ≫
最適化解析ステップＳ９は、最適化解析モデル生成ステップＳ７において生成した最適化解析モデルに解析条件を与え、前記補剛部材モデルを対象として最適化解析を行い、該補剛部材モデルの最適形状を求めるステップである。
【００４１】
最適化解析モデルに与える解析条件としては、荷重を付加する位置や拘束位置を与える荷重・拘束条件と、最適化解析の目的に応じて設定する目的条件および制約条件がある。
【００４２】
目的条件である自動車用骨格部品の剛性を評価するためには、いくつも荷重の入力条件が考えられるが、自動車用骨格部品を設置する自動車の剛性を種々評価した結果、最適化解析ステップＳ９においては、予め求めておいた実際の走行時に変位が最も大きくなる荷重を入力条件として与え、該荷重入力条件のもとで補剛部材モデルの最適な形状および位置を求めるものとした。
【００４３】
最適化解析モデルに与える荷重・拘束条件の一例を、図６に示す。図６は、荷重を負荷する位置と拘束する位置を、アウタパネル３上に表示したものであるが、最適化解析ステップＳ９では、Ａピラーロアのアウタパネル３およびインナパネル５をモデル化した構造体モデルに補剛部材モデルを結合した最適化解析モデルに荷重・拘束条件を与えて最適化解析を行う。
【００４４】
本実施の形態では、Ａピラーロアのフロントエンド部（図６中におけるアウタパネル３の部位Ｐに相当）の先端部に鉛直方向下向きに1000Nの荷重を負荷し、Ａピラーロアとロッカー（図示なし）とが接続する接続部の底面（図６において楕円で囲んだ部位に相当）を完全拘束する荷重・拘束条件を与えることとした。
【００４５】
さらに本実施の形態では、最適化解析の目的条件として、評価位置における剛性を最大、制約条件として補剛部材モデルの体積制約率を与えた。なお、補剛部材７による重量増とＡピラーロア１の薄肉化による軽量化を考慮して、体積制約率は3〜40%の範囲から選択するとよい。
このように、解析条件として荷重・拘束条件と目的条件および制約条件を与えて最適化解析を行うことにより、図７および図８に示すような補剛部材モデルの最適形状９が解析結果として得られる。
【００４６】
ここで、図８は、図７に示す視野Ｆの方向から表示したものであり、自動車の前後方向（X軸）におけるアウタパネル３の後部側（図８の紙面手前）を自動車の幅方向室内側（Z軸のプラス方向）に傾けた状態で（図８のX軸方向を参照）、アウタパネル３の後部が表示されている。
【００４７】
前述のとおり、図１および図２に示す補剛部材７は、形状最適化解析の解析結果である補剛部材モデルの最適形状９に基づいて設定されたものであり、最適形状９は、アウタパネルとインナパネルとの間に形成された空間内に柱状に残存した立体要素からなる。そして、最適形状９に基づいて形状と位置が設定された補剛部材７によりアウタパネル３とインナパネル５との間の空間内に橋渡し構造が形成され、中央部が細く、アウタパネル３およびインナパネル５と接合する両端に向かって膨隆する円柱状またはその断面が扁平した円柱である大腿骨状の形状を成してＡピラーロア１の剛性が向上する。
【００４８】
なお、最適化解析ステップＳ９における最適化解析には、トポロジー最適化を適用することができる。さらに、トポロジー最適化において密度法を適用する場合、要素のペナルティ係数を2以上に設定して離散化を行うようにすることが好ましい。
【００４９】
もっとも、最適化解析ステップＳ９における最適化解析には、他の計算方式により最適化の解析処理を適用することができる。最適化の解析処理を行うものとしては、例えば、市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することができる。
【００５０】
以上、本実施の形態に係る自動車用骨格部品によれば、アウタパネルとインナパネルとの間に形成された空間に、形状最適化解析による解析結果に基づいて形状と配置が設定された樹脂製の補剛部材を設けることで、該自動車用骨格部品に荷重が作用したときの変形を低減させ、該自動車用骨格部品の剛性を向上させることができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態に係る自動車用骨格部品によれば、アウタパネルとインナパネルとの間に形成された空間に補剛部材を設けるとともに、前記アウタパネルとインナパネルの板厚を減じることにより、剛性を維持したまま軽量化することができる。この点については後述の実施例１にて実証する。
【００５２】
また、本実施の形態に係るＡピラーロア１は、評価位置における剛性を最大する目的条件を設定し、体積制約率を設定する制約条件のもとに形状最適化解析を行った結果に基づいて、図１および図２に示す形状および配置の補剛部材７を設定したものであったが、本実施の形態に係るＡピラーロアである自動車用骨格部品の他の態様としては、図１５および図１６に一例として示す形状と配置の補剛部材３３を設定したＡピラーロア３１であってもよい。
【００５３】
図１５および図１６に示す補剛部材３３は、形状最適化解析方法としてトポロジー最適化の密度法を用いて、補剛部材モデルの体積を最小にして剛性が最大となる目的条件を設定し、評価位置における所定の変位量を設定する制約条件を与えて求めた補剛部材モデルの最適形状４１（図１７）に基づいて形状と配置を設定したものである。なお、図１７（ａ）は、補剛部材３３を配置したアウタパネル３を平面視したものであり、図１７（ｂ）は、図１７（ｂ）の視野Ｇの方向からアウタパネル３とインナパネル５とで形成される空間内を表示したものである。
【００５４】
また、図１７に示す補剛部材モデルの最適形状４１は、アウタパネル３とインナパネル５の間に形成された空間内に柱状に残存した柱状部４３と、アウタパネル３とインナパネル５とを接合するフランジ部に残存したフランジ残存部４５（図の点状部分）を有する。さらに、柱状部４３は、前記空間内における前記ロッカー接続部にある柱状部４３ａと、Ａピラーロア３１の高さ方向中央部よりも上部にある柱状部４３ｂとを有する。
【００５５】
そこで、Ａピラーロア３１は、図１５に示すように、最適形状４１の柱状部４３ａに基づいてロッカー接続部に補剛部材３３ａが配置され、柱状部４３ｂに基づいてＡピラーロア３１の高さ方向中央部の上部に補剛部材３３ｂを配置されている。さらに、最適形状４１における柱状部４３は、図１７（ｂ）に示すように両端部が膨隆した形状ではないので、補剛部材３３は、設置性およびそれ自身の耐久性を持たせるために、図１６に示すように両端部を広げた（膨隆した）柱状であるダンベル状としている。
【００５６】
前述のとおり、自動車用骨格部品を補剛するに際し、やみくもに補剛部品として隔壁構造を設けることは重量増につながり好ましくない。自動車用骨格部品に荷重が入力する場合、該自動車用骨格部品の変形にはポイントとなる箇所があり、当該箇所に補剛部材を配置して押さえることで、自動車用骨格部品全体の重量増を押さえて剛性を上げることが可能になる。特に、Ａピラーロア３１の高さ方向中央部の上部は、荷重を入力して変形させたときにアウタパネル３とインナパネル５とが車体幅方向に最も膨らみやすい箇所であると考えられる。そのため、形状最適化解析により、Ａピラーロア３１の高さ方向中央部の上部に柱状部４３ｂが残存する結果が得られたものと推察される。
【００５７】
以上のように、荷重が入力したときの変形に最も重要な箇所にダンベル状の補剛部材３３を配置することで、補剛部材を配置することによる重量増を招くことなく剛性を向上することができ、さらに、アウタパネル３とインナパネル５を薄肉化（板厚を減少）して軽量化する場合であっても高剛性を達成することができる。なお、図１５および図１６に示す補剛部材３３の形状と配置の設定に係る形状最適化解析方法と、アウタパネル３とインナパネル５の板厚を減少した場合における補剛部材３３による剛性向上と軽量化については、後述する実施例２にて説明する。
【実施例１】
【００５８】
本発明に係る自動車用骨格部品により、剛性の向上および軽量化の効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。
本実施例１では、自動車用骨格部品として、図７および図８に示す補剛部材モデルの最適形状９に基づいて図１および図２に示す補剛部材７を設定したＡピラーロア１を発明例とし、Ａピラーロア１の剛性と軽量化を評価した。
【００５９】
発明例１に係るＡピラーロア１は、アウタパネル３とインナパネル５とを接合してなるものであり、アウタパネル３およびインナパネル５は、引張強度440MPa級、板厚1.0mmの合金化溶融亜鉛めっき鋼板をプレス成形することにより製造した。
【００６０】
補剛部材７（図２）は、前述の実施の形態で述べた形状最適化解析方法（図５参照）により得られた解析結果（最適形状９、図７、図８）に基づいて形状および位置が設定されたものであり、射出成形により製造し、材質は、ガラス繊維強化樹脂とした（ガラスファイバー強化ナイロン、ガラスファイバー含有率25%、弾性率7GPa）。
なお、形状最適化解析における制約条件として、トポロジー残存率（体積制約率）は5%とした。
【００６１】
また、発明例１と同様の補剛部材７を用いて、アウタパネル３を2.0mmのアルミダイカスト製として、インナパネル５を引張強度440MPa級、板厚1.0mmの合金化溶融亜鉛めっき鋼板のプレス成形品としたものを発明例２とした。
【００６２】
また、本実施例１では、比較対象として、図９〜図１１に示すように、アルミダイカストで製造したアウタパネル１３とインナパネル５とからなり、アウタパネル１３に補剛部材としてリブ１５が設けられているＡピラーロア１１を比較例１、図１２〜図１４に示すように、発明例と同様に引張強度440MPa級の鋼板をプレス成形して製造したアウタパネル３とインナパネル５とからなり補剛部材を設けていないＡピラーロア２１を比較例２とした。なお、比較例１のリブ１５は、車両長手方向、高さ方向、車幅方向へアウタパネル３の深さ未満のリブ高さとし、リブ１５の配置位置は市販の実車を参照した。
【００６３】
さらに、比較例２と同様に鋼板をプレス成形したアウタパネル３とインナパネル５からなり、比較例１のアウタパネル１３に設けられているアルミニウムのリブ１５と同形状の樹脂部材がアウタパネル３に接着されているＡピラーロア（図９〜図１１参照）を比較例３とし、比較例１に対して上記リブ１５がない場合を比較例４とした。
【００６４】
ここで、比較例１および比較例３に係るアウタパネル１３は、天板部１３ａと縦壁部１３ｂとフランジ部１３ｃとを有する断面ハット形状であり、アウタパネル１３のフランジ部１３ｃにインナパネル５が接合する。
【００６５】
なお、図１１は、Ａピラーロア１１を図９に示す視野Ｆの方向から表示したものであり、自動車の前後方向（X軸）におけるＡピラーロア１１の後部側を自動車の幅方向室内側（Z軸のプラス方向）に傾けた状態で、Ａピラーロア１１の後部が表示されている。
また、図１４も、図１１と同様に、Ａピラーロア２１を図１２に示す視野Ｆの方向からZ軸方向に傾けた状態で表示したものである。
【００６６】
表１に、発明例１、２および比較例１〜４に用いたアウタパネル、インナパネルおよび補剛部材の材質を示す。
【００６７】
【表１】
2019064569.tif 000003
【００６８】
表１において、形状最適化の欄の○印は、形状最適化解析による解析結果に基づいて設定された補剛部材７を用いていることを示し、×印は補剛部材がリブ１５（図９参照）と同一形状であることを示す。
また、表１の成形方法の欄において、射出成形は、樹脂製の補剛部材を射出成形により成形し、該成形した補剛部材をアウタパネルに接着剤で接着したことを表し、ダイカストは、リブ１５を一体成形したアウタパネル１３（図９参照）を表している。
【００６９】
本実施例１において、自動車用骨格部品の剛性は、以下のように評価した。
まず、発明例および比較例に係るＡピラーロアのそれぞれについて解析モデルを生成し、該解析モデルに図６に示す荷重・拘束条件を与えてＣＡＥ解析を行った。ここで、図６に示す荷重・拘束条件は、前述の実施の形態で説明した形状最適化解析における荷重・拘束条件と同様、Ａピラーロアとロッカーとの接続部の底面を完全拘束とし、Ａピラーロアのフロントエンドの先端部に鉛直方向下向き（図６中のY軸マイナス方向）に1000Nの荷重を負荷するものとした。
【００７０】
そして、上記荷重・拘束条件を与えたときの評価位置（図６参照）におけるY軸方向の変位量を取得し、該変位量の大小を比較することで剛性を評価した。
【００７１】
また、自動車用骨格部品の軽量化に関しては、比較例１に係るＡピラーロア１１の重量（以下、「基準重量」という）を基準とし、発明例、比較例それぞれに係るＡピラーロアの重量と基準重量の差を該基準重量で除することにより、軽量化率を算出した。
前掲の表１に、評価位置における変位量と、Ａピラーロアの重量および軽量化率を示す。
【００７２】
比較例１は、アウタパネル１３およびインナパネル５ともに肉厚3.0mmのアルミダイカストで製造されており、リブ１５（肉厚1.5mm）がアウタパネル１３に一体成形されている。
そして、評価位置における変位量は0.5mm、Ａピラーロア１１全体の合計重量は4.71kgであった。
【００７３】
発明例１においては、変位量が比較例１よりも減少し、剛性が向上していることを示している。さらに、アウタパネル３とインナパネル５に板厚1.0mmの鋼板を用いたことにより、これらの重量が3.37kgとなり、比較例１のアウタパネル１３とインナパネル５の重量（3.74kg）よりも軽量となった。さらに、発明例１では樹脂製の補剛部材７（肉厚2.0mm）を用いているため、比較例１に比べて補剛部材７の重量が低減した（0.97kg→0.11kg）。その結果、Ａピラーロア１の合計重量は3.48kg、軽量化率は26%であり、比較例１と比べて剛性を低下させず（変位量を増加させず）に軽量化が達成される結果となった。
また、発明例２も、剛性を低下させることなく、アルミニウムを適用した結果、さらに軽量化できた。
【００７４】
比較例２は、板厚1.2mmの鋼板をプレス成形したアウタパネル３とインナパネル５を用いているため、比較例１のアルミダイカスト製のアウタパネル１３とインナパネル５よりも重量が増しているものの、補剛部材が設けられていないため、比較例１に比べてＡピラーロア２１は14%の軽量化率が達成されている。しかしながら、評価位置における変位量は8.6mmと著しく増加し、剛性が大幅に低下する結果となった。
【００７５】
比較例３は、発明例１と同様に板厚1.0mmの鋼板をプレス成形したアウタパネルとインナパネルを用い、さらに、比較例１のリブ形状と同一形状のGFRP製リブをアウタパネルに接着したものであり、Ａピラーロアの合計重量は3.94kgとなり、比較例１に比べて16%の軽量化率が達成された。しかしながら、また、評価位置における変位量に関しては、比較例２に比べて8.6mmから1.5mmまで低下して剛性向上が認められたものの、比較例１の0.5mmに比べると変位量は大きく、剛性が低下する結果となった。
【００７６】
比較例４は、比較例１の筐体のみ（リブ１５なし）の評価結果であり、アルミニウムの使用により大幅な軽量化が可能であるが、アルミニウムのヤング率が低いため変位量が著しく増加し、剛性が低下した。
【００７７】
以上、本発明に係る自動車用骨格部品によれば、形状最適化解析方法の解析結果に基づいて形状および位置が設定された樹脂製の補剛部材をアウタパネルとインナパネルとで形成される空間内に設けることにより、剛性向上と軽量化の双方を達成できることが実証された。
さらに、本発明に係る自動車用骨格部品は、鋼板を使用していることから、アルミダイカスト製の自動車用骨格部品に比べて組立性およびコストの面でも優れている。
【実施例２】
【００７８】
前述の実施例１と同様に、本発明に係る自動車用骨格部品により、剛性の向上および軽量化の効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。
本実施例２では、形状最適化解析の解析結果に基づいて図１５および図１６に示す補剛部材３３の形状と配置を設定し、補剛部材３３を設定したＡピラーロア３１の剛性と軽量化を評価した。
【００７９】
まず、形状最適化解析方法による補剛部材３３の形状と配置の設定について説明する。
図１８に、形状最適化解析における最適化解析モデル５１を示す。最適化解析モデル５１は、アウタパネル３とインナパネル５とで形成される空間内に設計空間を設定し、設計空間を立体要素でモデル化した補剛部材モデルを設定する。そして、補剛部材モデルの立体要素のノードとアウタパネル３およびインナパネル５の平面要素のノードとを共有させることにより連結し、アウタパネル３およびインナパネル５から補剛部材モデルへと荷重が伝わるようにしている。
また、アウタパネル３とインナパネル５の材質は、いずれも引張強度440MPa級、板厚0.8mmの鋼板とし、補剛部材モデルの材質は、表２に示す材料特性の樹脂とした。
【００８０】
【表２】
2019064569.tif 000004
【００８１】
最適化解析モデル５１を用いた形状最適化解析では、自動車のサス部からの曲げ入力による剛性をターゲットとするため、図１８（ａ）に示すように、治具５７により最適化解析モデル５１の下部を拘束し、最適化解析モデル５１の上部に設けられた荷重入力部に高さ方向下向き（Y軸マイナス方向）に2000Nの荷重を入力する荷重・拘束条件を与えた。
そして、形状最適化解析方法としてトポロジー最適化の密度法を用いて、補剛部材モデルの体積を最小にして剛性が最大となる目的条件を設定し、図１８（ｂ）に示す変位測定点においてy軸マイナス方向の変位量0.5mmを設定する制約条件を与えた。なお、変位測定点は、荷重・拘束条件として設定した荷重入力部（図１８（ａ））と同位置とした。
【００８２】
上記のとおり設定した荷重・拘束条件と目的条件および制約条件のもとで形状最適化解析を行い、前述の図１７に示す補剛部材モデルの最適形状４１を求めた。
最適形状４１は、アウタパネル３とインナパネル５の間に形成された空間内において柱状に残存した柱状部４３と、アウタパネル３とインナパネル５とを接合するフランジ部に残存したフランジ残存部４５を有する。そして、柱状部４３は、前記空間内における前記ロッカー接続部（サイドシルが結合される部位）に残存した柱状部４３ａと、Ａピラーロア３１の高さ方向中央部よりも上部に残存した柱状部４３ｂを有する。
【００８３】
次に、形状最適化解析の結果に基づいて形状と配置を設定した補剛部材と、該補剛部材を設けたＡピラーロアの剛性と軽量化の評価について説明する。
本実施例２では、図１７に示す補剛部材モデルの最適形状４１に基づいて、補剛部材３３の形状および配置を設定したＡピラーロア３１を発明例１１および発明例１２とした。
【００８４】
発明例１１は、最適形状４１のうちロッカー接続部（図１５参照）の柱状部４３ａと高さ方向中央部よりも上部の柱状部４３ｂについて、図１９に示すようにCADモデル化して両端部が円板状に膨隆したダンベル状の補剛部材３３ａ、３３ｂを設定したものである。
一方、発明例１２は、発明例１１と同一形状および配置の補剛部材３３ａ、３３ｂに加え、図１７に示すように形状最適化解析においてアウタパネル３とインナパネル５とを接合するフランジ部に残存したフランジ残存部４５の位置に対して、アウタパネル３とインナパネル５とを接着剤によりさらに接合したものである。
【００８５】
さらに、本実施例２では、図１７に示す補剛部材モデルの最適形状４１を設定したＡピラーロアを発明例１３とし、発明例１１および発明例１２と同様に剛性と軽量化を評価した。
発明例１３は、図２０に示すように、最適形状４１のうち柱状に残存した４本の柱状部４３ａ、４３ｂの補剛部材モデルを設定したものである。なお、図２０は、Ａピラーロアを構成するインナパネル５を表示せず、アウタパネル３上に柱状部４３ａ、４３ｂとフランジ残存部４５を表示したものである。
【００８６】
本実施例２において、自動車用骨格部品の剛性は、以下のように評価した。
まず、発明例１１、発明例１２と発明例１３のそれぞれについて剛性を評価する解析モデルを生成し、該解析モデルに図１８に示す荷重・拘束条件を与えてＣＡＥ解析を行い、Ａピラーロアのフロントエンドの先端部に設けた変位測定点（図１８（ｂ））における鉛直方向下向き（図１８中Y軸マイナス方向）の変位量を求めた。ここで、図１８に示す荷重・拘束条件は、前述の形状最適化解析における荷重・拘束条件と同様、ロッカーが接続されるロッカー接続部を完全拘束とし、Ａピラーロアのフロントエンドの先端部に設けた荷重入力部に2000Nの荷重を入力した。そして、変位測定点における変位量を入力荷重で除した値を剛性値として算出した。
【００８７】
また、本実施例２では、板厚3.3mmのアルミニウム板製のアウタパネルとインナパネルのＡピラーロアを従来例１とし、上記と同様に剛性値を算出した。そして、発明例１１および発明例１２と発明例１３の剛性は、従来例１の剛性値を基準とする剛性向上率（%）と、剛性向上率を補剛部材または補剛部材モデルの重量で規格化した重量あたりの剛性向上率（%）を算出した。
さらに、発明例１１および発明例１２と発明例１３のそれぞれについて、従来例１のＡピラーロアの重量を基準とする重量変化を算出した。
【００８８】
剛性向上率の結果を図２１に、補剛部材または補剛部材モデルの重量で剛性向上率を規格化した重量あたりの剛性向上率の結果を図２２に示す。また、図２１に、各条件における重量変化の数値も併せて示す。
【００８９】
図２１より、発明例１１および発明例１２は、いずれも剛性向上率が正の値であり、かつ重量変化が-1.8kgであることから、アウタパネル３とインナパネル５に鋼板を用い、かつダンベル状の補剛部材３３を設けたＡピラーロア３１は、アルミニウム板製である従来例１のＡピラーロアに比べて剛性の向上と軽量化の双方を達成できることが示された。
【００９０】
次に、発明例１１および発明例１２と発明例１３の結果を比較する。
まず、最適形状４１のうち柱状部４３ａ、４３ｂを設定した発明例１３と、柱状部４３ａ、４３ｂに基づいて補剛部材３３ａ、３３ｂを設けた発明例１１とを比較すると、発明例１１においては補剛部材３３ａ、３３ｂをダンベル状にすることでＡピラーロア全体の重量変化は-1.9gから-1.8kgとなり、重量あたりの剛性向上率も844.2%/kgから494.7%/kgに低下したものの、剛性向上率は7.7%から19.2%に増加した。
【００９１】
また、最適形状４１における柱状部４３に基づいて補剛部材３３を設けるとともに、フランジ残存部４５に基づいてアウタパネル３とインナパネル５のフランジ部を接着剤によりさらに接合するものとした発明例１２は、補剛部材３３をダンベル状にすることで、Ａピラーロア全体の重量変化は-1.9gから-1.8kgとなり、重量あたりの剛性向上率は2770.2%/kgから965.4%/kgに低下したものの、剛性向上率は29.1%から38.7%に増加した。
【００９２】
さらに、発明例１１と発明例１２の結果を比較すると、最適形状４１のフランジ残存部４５に基づいてフランジ部をさらに接合した発明例１２は、発明例１１よりも剛性向上率が増加する結果（19.2%→38.7%）となった。
【００９３】
以上、形状最適化解析の結果に基づいて、アウタパネルとインナパネルで形成される空間内におけるロッカー接続部と高さ方向中央部よりも上部にダンベル状の補剛部材を設けることで、Ａピラーロアの剛性の向上と軽量化の双方を達成できることが示された。さらに、形状最適化解析においてアウタパネルとインナパネルとを接合するフランジ部に補剛部材モデルが残存した部位に対して、アウタパネルとインナパネルとを接着剤でさらに接合することで、重量を増加させずに剛性向上率をさらに増加できることが示された。
【符号の説明】
【００９４】
１  Ａピラーロア
３  アウタパネル
３ａ  天板部
３ｂ  縦壁部
３ｃ  フランジ部
３ｄ  内面
５  インナパネル
５ａ  内面
７  補剛部材
９  最適形状
１１  Ａピラーロア（比較例１）
１３  アウタパネル
１３ａ  天板部
１３ｂ  縦壁部
１３ｃ  フランジ部
１５  リブ
２１  Ａピラーロア（比較例２）
３１  Ａピラーロア
３３  補剛部材
４１  最適形状
４３  柱状部
４５  フランジ残存部
５１  最適化解析モデル
５７  治具
【図１】
2019064569.tif 000005
【図２】
2019064569.tif 000006
【図３】
2019064569.tif 000007
【図４】
2019064569.tif 000008
【図５】
2019064569.tif 000009
【図６】
2019064569.tif 000010
【図７】
2019064569.tif 000011
【図８】
2019064569.tif 000012
【図９】
2019064569.tif 000013
【図１０】
2019064569.tif 000014
【図１１】
2019064569.tif 000015
【図１２】
2019064569.tif 000016
【図１３】
2019064569.tif 000017
【図１４】
2019064569.tif 000018
【図１５】
2019064569.tif 000019
【図１６】
2019064569.tif 000020
【図１７】
2019064569.tif 000021
【図１８】
2019064569.tif 000022
【図１９】
2019064569.tif 000023
【図２０】
2019064569.tif 000024
【図２１】
2019064569.tif 000025
【図２２】
2019064569.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月18日(2019.1.18)
【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】
平面視において略Ｔ字形状で、該略Ｔ字形状の横辺および縦辺に相当するそれぞれの部位に交差する断面が天板部と縦壁部とフランジ部とからなる断面ハット形状のアウタパネルと、該アウタパネルのフランジ部に接合されて該アウタパネルとの間に閉断面を形成するインナパネルとを有し、該インナパネルと前記アウタパネルは金属からなるＡピラーロア部品である自動車用骨格部品において、
前記アウタパネルと前記インナパネルとの間に形成される空間内に、一端が前記アウタパネルの内面に、他端が前記インナパネルの内面にそれぞれ接合された樹脂製の複数の補剛部材を有し、
該補剛部材の形状および配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、前記補剛部材の形状は、柱状または両端部が膨隆する柱状を有するものであり、
前記形状最適化解析方法は、トポロジー最適化の密度法を用いて、剛性が最大となる目的条件を設定し、体積制約率を3〜40%の範囲から設定する制約条件のもとに解析することを特徴とする自動車用骨格部品。
【請求項２】
平面視において略Ｔ字形状で、該略Ｔ字形状の横辺および縦辺に相当するそれぞれの部位に交差する断面が天板部と縦壁部とフランジ部とからなる断面ハット形状のアウタパネルと、該アウタパネルのフランジ部に接合されて該アウタパネルとの間に閉断面を形成するインナパネルとを有し、該インナパネルと前記アウタパネルは金属からなるＡピラーロア部品である自動車用骨格部品において、
前記アウタパネルと前記インナパネルとの間に形成される空間内に、一端が前記アウタパネルの内面に、他端が前記インナパネルの内面にそれぞれ接合された樹脂製の複数の補剛部材を有し、
該補剛部材の形状および配置は、形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定され、前記補剛部材の形状は、柱状または両端部が膨隆する柱状を有するものであり、
前記形状最適化解析方法は、トポロジー最適化の密度法を用いて、体積を最小にして剛性が最大となる目的条件を設定し、所定の変位量を設定する制約条件のもとに解析することを特徴とする自動車用骨格部品。
【請求項３】
前記Ａピラーロア部品である自動車用骨格部品は、ロッカーの先端部が接続されるロッカー接続部を有し、前記補剛部材は、前記空間内における前記ロッカー接続部と前記Ａピラーロア部品の高さ方向中央部よりも上部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の自動車用骨格部品。