(57)【要約】【課題】本発明は、低荷重で変形量が大きい特性を有し、一定量の変形後に、より高い剛性で変形することが可能であるとともに、荷重−変位曲線に剛性の低い変形を示す傾きの緩やかな部分が複数含まれる構造部材及び構造体を提供することを目的とする。【解決手段】構造部材１０は、外部から一軸方向に荷重が作用して当該一軸方向に変形する構造部材であり、初期荷重が作用することにより、湾曲して形成された初期荷重作用部１１が当該初期荷重の作用方向に低剛性で変形する。その後、初期荷重よりも大きい所定の大きさの前記荷重で、構造部材１０は直線状になってより高い剛性での新たな弾性変形を開始する。その後、更に大きい荷重で塑性変形を開始し剛性が低下する。【選択図】図１
2007232002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から一軸方向に圧縮及び引張の少なくともいずれか一方の荷重が作用して当該一軸方向に変形する構造部材であって、
前記構造部材の変形初期に作用する前記荷重である初期荷重が作用するように配設され、当該初期荷重が作用することにより、当該初期荷重の作用方向に変形する初期荷重作用部と、
前記荷重が作用する方向を長手方向として配設され、前記初期荷重よりも大きい所定の大きさの前記荷重である第２の荷重により、前記初期荷重作用部の変形開始以降に、当該荷重の作用方向において新たな弾性変形を開始し、当該第２の荷重よりも更に大きい所定の大きさの前記荷重である第３の荷重により当該荷重の作用方向において塑性変形を開始する大荷重作用部と、
を備えていることを特徴とする構造部材。
【請求項２】
一枚の板状部材として形成されて前記引張の荷重が当該板状部材の長手方向に作用する構造部材であって、
前記初期荷重作用部は、前記板状部材の長手方向の一部として設けられて、前記荷重が作用する長手方向に対して曲がった状態で形成されており、前記初期荷重が作用することにより前記荷重が作用する方向において曲がった状態から直線状に延びた状態に移行するように変形し、
前記大荷重作用部は、前記第２の荷重が作用することにより、直線状に延びた状態に移行した前記初期荷重作用部とともに前記荷重の作用方向において引張による新たな弾性変形を開始することを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
【請求項３】
板状部材である前記初期荷重作用部と前記大荷重作用部とが積層されて形成され、前記引張の荷重が当該板状部材の長手方向に作用する構造部材であって、
前記初期荷重作用部は、前記初期荷重が作用することにより、前記荷重の作用方向に変形し、
前記大荷重作用部は、長手方向の一部に設けられて、前記荷重が作用する長手方向に対して曲がった状態で形成されており、前記初期荷重が作用することにより前記荷重が作用する方向において曲がった状態から直線状に延びた状態に移行するように変形する変形部を有し、前記第２の荷重が作用することにより、直線状に延びた状態に移行した前記変形部とともに前記荷重の作用方向において引張による新たな弾性変形を開始することを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
【請求項４】
請求項２に記載の構造部材を複数枚積層した構造体であって、前記複数の構造部材が有する前記初期荷重作用部の形状が互いに異なることを特徴とする構造体。
【請求項５】
前記引張の荷重の作用方向を長手方向とする板状部材の一部が他の部材に積層された状態で第１締結部材と第２締結部材とを含む複数の締結部材により一体に形成され、前記板状部材と前記他の部材とを前記長手方向に引き離すように前記荷重が作用する構造部材であって、
前記板状部材は、前記第１締結部材の軸部と略同径に形成される第１貫通孔と、前記第２締結部材の軸部が貫通可能であり当該板状部材の長手方向に長孔状に形成される第２貫通孔とを備え、
前記第１締結部材と前記第２締結部材とは、前記第１締結部材の軸部と前記第２締結部材の軸部とをそれぞれ前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とに貫通させて前記板状部材が前記他の部材に積層した状態を維持するように配設され、前記第２貫通孔は前記第２締結部材の軸部が前記長手方向において一定量移動することを妨げないことを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
【請求項６】
前記引張の荷重の作用方向を長手方向とする板状部材である第１板状部材と第２板状部材とが一部積層した状態で第１締結部材と第２締結部材とを含む複数の締結部材により一体に形成され、前記第１板状部材と前記第２板状部材とを前記長手方向に引き離すように前記荷重が作用する構造部材であって、
前記第１板状部材は、前記第１締結部材の軸部と略同径に形成される第１貫通孔と、前記第２締結部材の軸部が貫通可能であり当該第１板状部材の長手方向に長孔状に形成される第２貫通孔とを備え、
前記第２板状部材は、前記第１締結部材の軸部と略同径に形成される第３貫通孔と、前記第２締結部材の軸部が貫通可能であり当該第２板状部材の長手方向に長孔状に形成される第４貫通孔とを備え、
前記第１締結部材と前記第２締結部材とは、当該第１締結部材の軸部を前記第１貫通孔と第３貫通孔とに貫通させ、当該第２締結部材の軸部を前記第２貫通孔と第４貫通孔とに貫通させた状態で、前記第１板状部材と前記第２板状部材とが積層した状態を維持するように配設され、
前記第２貫通孔及び前記第４貫通孔は前記第２締結部材の軸部が前記長手方向において一定量移動することを妨げないことを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
【請求項７】
前記圧縮の荷重が作用する構造部材であって、
前記初期荷重作用部は、前記大荷重作用部と前記荷重による変形方向が平行になるように配設された弾性体であり、
前記第２の荷重が作用することにより、前記初期荷重作用部が弾性変形した状態で、前記大荷重作用部が前記第２の荷重の作用方向において圧縮による新たな弾性変形を開始することを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
【請求項８】
前記初期作用部は、前記荷重が作用する方向と垂直な面を形成するように配設される薄板を少なくとも備え、
前記大荷重作用部は、前記薄板表面に対して長手方向が垂直になるように一端を当該薄板の表面に当接させた状態で配設される支持部材を少なくとも備え、
前記薄板の外周端部の位置が固定された状態で、前記荷重は前記支持部材を介して当該薄板に作用することを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両、産業機械などの荷重が作用する部分に用いる構造部材及び構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車、鉄道車両等の輸送機器において、衝突時に急激に加わる衝撃のエネルギーを吸収する構造が各種提案されている。例えば、特許文献１では、衝撃を直接受ける部材のフランジ部をベースとなる高強度部材に締結する構造であって、自身の軸方向に圧縮破壊してエネルギーを吸収する部材を介して、当該エネルギー吸収部材がエネルギー吸収するように当該フランジ部を締結しているエネルギー吸収構造が開示されている。また、特許文献２では、構造部材の座屈変形により衝撃エネルギーを吸収する構造であって、座屈荷重の振幅が発生するのを抑制するために、複数の筒体を同軸上に並べてそれぞれの高さを調節し、各筒体の座屈周期に所定の位相差をつけた構造が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−７２５８６号公報
【特許文献２】特開２００５−４１３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、自動車の対人用衝突部材などは、低荷重での一定量の変形を許容する柔軟な特性を発揮した後に、自動車の運転者及び搭乗者を守るため、高荷重に耐えうる高い剛性で衝撃エネルギーを吸収することが求められる場合もある。また、近年、より高度で複雑な構造設計を実現するため、部材に作用する荷重とそのときの変位との関係を示す荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような部材が求められている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載された構造部材は、高い剛性を有する部材を変形させることにより衝撃を吸収する構造部材であるため、低荷重で所望の変形量まで変形させることができない場合もあり、初期の変形において高い剛性を不要とする用途に対しては使用することが困難である。また、エネルギー吸収部材の荷重−変位曲線に剛性の低い変形を示す傾きの緩やかな部分が複数含まれるように設計したものではない。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、低荷重で変形量が大きい特性を有し、一定量の変形後により高い剛性で変形することが可能な構造部材及び構造体であって、荷重−変位曲線に剛性の低い変形を示す傾きの緩やかな部分が複数含まれる構造部材及び構造体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及び効果】
【０００７】
本発明に係る構造部材及び構造体は、自動車、鉄道車両、産業機械等の部材として用いられ、外部から荷重が作用する構造部材及び構造体に関する。そして、本発明に係る構造部材及び構造体は、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の構造部材及び構造体は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る構造部材における第１の特徴は、外部から一軸方向に圧縮及び引張の少なくともいずれか一方の荷重が作用して当該一軸方向に変形する構造部材であって、前記構造部材の変形初期に作用する前記荷重である初期荷重が作用するように配設され、当該初期荷重が作用することにより、当該初期荷重の作用方向に変形する初期荷重作用部と、前記荷重が作用する方向を長手方向として配設され、前記初期荷重よりも大きい所定の大きさの前記荷重である第２の荷重により、前記初期荷重作用部の変形開始以降に、当該荷重の作用方向において新たな弾性変形を開始し、当該第２の荷重よりも更に大きい所定の大きさの前記荷重である第３の荷重により当該荷重の作用方向において塑性変形を開始する大荷重作用部と、を備えていることである。
【０００９】
この構成によると、本発明に係る構造部材に外部から一軸方向に荷重が作用すると、初期荷重により、初期荷重作用部が初期荷重の作用方向に変形する。初期荷重作用部は、第２の荷重よりも小さい初期荷重により一定量変形するため、構造部材は荷重が作用する初期段階において比較的低い荷重で一定量変形することが可能となる。構造部材に作用する荷重が、初期荷重よりも大きい所定の荷重である第２の荷重に達すると、大荷重作用部は新たな弾性変形を開始し、構造部材はより高い剛性で変形する。その後、荷重が第３の荷重に達すると塑性変形による変形を開始し、構造部材は低い剛性で変形する。これより、構造部材の荷重−変位曲線を段階的に変化させ、剛性の低い変形を示す傾きの緩やかな部分を複数含むようにすることが可能である。
【００１０】
また、本発明に係る構造部材における第２の特徴は、一枚の板状部材として形成されて前記引張の荷重が当該板状部材の長手方向に作用する構造部材であって、前記初期荷重作用部は、前記板状部材の長手方向の一部として設けられて、前記荷重が作用する長手方向に対して曲がった状態で形成されており、前記初期荷重が作用することにより前記荷重が作用する方向において曲がった状態から直線状に延びた状態に移行するように変形し、前記大荷重作用部は、前記第２の荷重が作用することにより、直線状に延びた状態に移行した前記初期荷重作用部とともに前記荷重の作用方向において引張による新たな弾性変形を開始することである。
【００１１】
この構成によると、構造部材に引張の荷重が作用することにより、構造部材の長手方向に対して曲がって形成された初期荷重作用部には、曲がって形成された部分を直線状に延ばすような曲げの力が作用する。構造部材は、初期荷重作用部が曲げ変形することにより長手方向に延びるように変形するため、初期荷重作用部を曲げ変形することが可能な荷重を作用することにより構造部材を荷重作用方向に変形することが可能となる。構造部材に作用する荷重が、初期荷重作用部を直線状になるまで変形させる荷重である第２の荷重に達することにより、直線状に変形した構造部材の荷重作用方向と垂直な断面に一様の引張り荷重が作用し、構造部材は新たな引張りの弾性変形を開始する。これより、構造部材はより高い剛性で変形することが可能となる。したがって、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材とすることができる。また、この構成では、構造部材は一枚の板状部材で形成されており、構造が単純であり、容易に製造可能である。
【００１２】
また、本発明に係る構造部材における第３の特徴は、板状部材である前記初期荷重作用部と前記大荷重作用部とが積層されて形成され、前記引張の荷重が当該板状部材の長手方向に作用する構造部材であって、前記初期荷重作用部は、前記初期荷重が作用することにより、前記荷重の作用方向に変形し、前記大荷重作用部は、長手方向の一部に設けられて、前記荷重が作用する長手方向に対して曲がった状態で形成されており、前記初期荷重が作用することにより前記荷重が作用する方向において曲がった状態から直線状に延びた状態に移行するように変形する変形部を有し、前記第２の荷重が作用することにより、直線状に延びた状態に移行した前記変形部とともに前記荷重の作用方向において引張による新たな弾性変形を開始することである。
【００１３】
この構成によると、構造部材に初期荷重が作用すると、初期荷重作用部が長手方向に弾性変形または塑性変形して伸びるとともに、大荷重作用部の一部に曲がった状態で形成された変形部が曲げの力により直線状に延びるように変形する。変形部の当該変形に要する荷重は第２の荷重よりも低く、したがって、初期荷重作用部が変形できる程度の荷重を作用することにより構造部材を荷重作用方向に変形することが可能となる。その後、構造部材に作用する荷重が変形部を直線状になるまで変形させる第２の荷重まで達することにより、直線状になった大荷重作用部は、荷重の作用方向と垂直な断面に一様の引張り荷重が作用して新たな引張りの弾性変形を開始する。これより、構造部材はより高い剛性で変形することが可能となる。構造部材の変形過程において、初期荷重作用部の変形が弾性変形から塑性変形に変わることで、荷重−変位曲線の傾きが変化し、また、大荷重作用部の変形形態が曲げによる変形から引張りによる変形に変わることによっても荷重−変位曲線の傾きが変化する。したがって、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材とすることができる。また、この構成では、構造部材は板状部材を積層することで形成されており、構造が単純であり、容易に製造可能である。
【００１４】
また、本発明に係る構造体の特徴は、第２の特徴を有する構造部材を複数枚積層した構造体であって、前記複数の構造部材が有する前記初期荷重作用部の形状が互いに異なることである。
【００１５】
この構成によると、構造体に荷重が作用すると、積層されたすべての構造部材は曲げにより変形を開始する。よって、変形初期において低い荷重で大きな変形が可能である。また、複数の構造部材における初期荷重作用部の形状がそれぞれ異なり、それぞれ直線状に延びた後、新たな弾性変形を開始するタイミングが異なるため、構造体の荷重−変位曲線に、複数の弾塑性変形領域を含むようにすることができる。また、当該荷重−変位曲線は、積層された各構造部材の荷重−変位曲線に基づいて決定されるため、さまざまな荷重−変位曲線を有する構造部材を組み合わせて構造体を形成することにより、用途に適した荷重―変位曲線の設計が可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る構造部材における第４の特徴は、前記引張の荷重の作用方向を長手方向とする板状部材の一部が他の部材に積層された状態で第１締結部材と第２締結部材とを含む複数の締結部材により一体に形成され、前記板状部材と前記他の部材とを前記長手方向に引き離すように前記荷重が作用する構造部材であって、前記板状部材は、前記第１締結部材の軸部と略同径に形成される第１貫通孔と、前記第２締結部材の軸部が貫通可能であり当該板状部材の長手方向に長孔状に形成される第２貫通孔とを備え、前記第１締結部材と前記第２締結部材とは、前記第１締結部材の軸部と前記第２締結部材の軸部とをそれぞれ前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とに貫通させて前記板状部材が前記他の部材に積層した状態を維持するように配設され、前記第２貫通孔は前記第２締結部材の軸部が前記長手方向において一定量移動することを妨げないことである。
【００１７】
この構成によると、構造部材に引張の荷重が作用すると、第１締結部材の軸部が第１貫通孔の内壁に当接して荷重を支えることにより、板状部材は、初期荷重にて第１貫通孔が長手方向に拡がるように変形する。構造部材に作用する荷重が、所定の荷重である第２の荷重に達すると、板状部材は一定量変形して、第２締結部材の軸部が第２貫通孔の内壁に当接する。その後、第２貫通孔が長手方向に拡がるように変形する新たな引張りの弾性変形が開始される。これより、構造部材は、第２締結部材が第２貫通孔に当接するまでは、当該当接後に比べて低い荷重で荷重作用方向に変形することが可能であり、当接後はより高い剛性で変形することが可能である。このように、締結のために板状部材に形成する貫通孔の形状のみを変化させることで、構造部材の変形過程において変形の形態を変化することができるため、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材を容易に作製することが可能である。
【００１８】
また、本発明に係る構造部材における第５の特徴は、前記引張の荷重の作用方向を長手方向とする板状部材である第１板状部材と第２板状部材とが一部積層した状態で第１締結部材と第２締結部材とを含む複数の締結部材により一体に形成され、前記第１板状部材と前記第２板状部材とを前記長手方向に引き離すように前記荷重が作用する構造部材であって、前記第１板状部材は、前記第１締結部材の軸部と略同径に形成される第１貫通孔と、前記第２締結部材の軸部が貫通可能であり当該第１板状部材の長手方向に長孔状に形成される第２貫通孔とを備え、前記第２板状部材は、前記第１締結部材の軸部と略同径に形成される第３貫通孔と、前記第２締結部材の軸部が貫通可能であり当該第２板状部材の長手方向に長孔状に形成される第４貫通孔とを備え、前記第１締結部材と前記第２締結部材とは、当該第１締結部材の軸部を前記第１貫通孔と第３貫通孔とに貫通させ、当該第２締結部材の軸部を前記第２貫通孔と第４貫通孔とに貫通させた状態で、前記第１板状部材と前記第２板状部材とが積層した状態を維持するように配設され、前記第２貫通孔及び前記第４貫通孔は前記第２締結部材の軸部が前記長手方向において一定量移動することを妨げないことである。
【００１９】
この構成によると、構造部材に引張の荷重が作用すると、第１締結部材の軸部が第１貫通孔及び第３貫通孔の内壁に当接して荷重を支えることにより、第１板状部材は、初期荷重にて第１貫通孔が長手方向に拡がるように変形する。また、同様にして、第２板状部材は、初期荷重にて第３貫通孔が長手方向に拡がるように変形する。構造部材に作用する荷重が、所定の荷重である第２の荷重に達すると、第１板状部材は一定量変形して、第２締結部材の軸部が第２貫通孔の内壁に当接する。同様にして、第２板状部材は一定量変形して、第２締結部材の軸部が第４貫通孔の内壁に当接する。その後、第２貫通孔が長手方向に拡がるように変形する新たな弾性変形が開始される。また、同様にして、第４貫通孔が長手方向に拡がるように変形する新たな弾性変形が開始される。これより、構造部材は、第２締結部材が第３貫通孔の内壁と第４貫通孔の内壁とに当接するまでは当該当接後に比べて低い荷重で荷重作用方向に変形することが可能であり、当接後はより高い剛性で変形することが可能である。このように、締結のために板状部材に形成する貫通孔の形状のみを変化させることで、構造部材の変形過程において変形の形態を変化することができるため、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材を容易に作製することが可能である。
【００２０】
また、本発明に係る構造部材における第５の特徴は、前記圧縮の荷重が作用する構造部材であって、前記初期荷重作用部は、前記大荷重作用部と前記荷重による変形方向が平行になるように配設された弾性体であり、前記第２の荷重が作用することにより、前記初期荷重作用部が弾性変形した状態で、前記大荷重作用部が前記第２の荷重の作用方向において圧縮による新たな弾性変形を開始することである。
【００２１】
この構成によると、構造部材に圧縮の荷重が作用すると、初期荷重作用部が長手方向に弾性変形して圧縮され、第２の荷重まで達することにより、大荷重作用部は新たな圧縮の弾性変形を開始する。これより、初期荷重作用部のみ変形する圧縮荷重を作用することにより構造部材を圧縮荷重作用方向に変形することができるとともに、除荷した場合に弾性回復により変形前の状態に戻るため繰り返し使用することができる。
【００２２】
また、本発明に係る構造部材における第６の特徴は、前記初期作用部は、前記荷重が作用する方向と垂直な面を形成するように配設される薄板を少なくとも備え、前記大荷重作用部は、前記薄板表面に対して長手方向が垂直になるように一端を当該薄板の表面に当接させた状態で配設される支持部材を少なくとも備え、前記薄板の外周端部の位置が固定された状態で、前記荷重は前記支持部材を介して当該薄板に作用することである。
【００２３】
この構成によると、構造部材に荷重が作用すると、支持部材を介して薄板の板面に垂直な荷重が作用する。周囲が固定された薄板は面内方向に引張りの力を受けながら当該垂直荷重の方向にたわんで変形する。変形初期においては、薄板の面内方向の引張の力の影響は小さいため、低い荷重でも大きく変形する。薄板の垂直方向のたわみ量が増加するに従って、薄板の面内方向に作用する引張の力の影響が大きくなり、たわみによる変形の剛性も増加する。したがって、構造部材は支持部材の弾性変形を伴いながら初期の剛性よりも高い剛性で荷重作用方向に変形する。このように構造部材の変形形態が変わることによって荷重−変位曲線の傾きは変化する。したがって、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材とすることができる。また、構造部材は薄板の外周端部を固定することにより設置可能であるため、荷重の作用線上に構造部材を固定するための部材を配置することができない場合においても用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る構造部材を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。尚、第３実施形態は本発明に係る構造部材を組み合わせて形成される構造体の実施形態を示す。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る構造部材１０を示す図であり、図２は構造部材１０の長手方向（図中矢印方向）に引張りの荷重を作用させたときの、荷重と変位との関係を示す図である。構造部材１０は、例えば、厚さｔ＝２ｍｍ、幅ｂ＝１０ｍｍ、変位測定のための標点距離Ｌ＝５０ｍｍの板材として形成されており、直線状に形成された部分（大荷重作用部）と、長手方向の中央部に湾曲して形成された湾曲部（初期荷重作用部）とを有している。当該湾曲部のたわみｙ（図１参照）は１ｍｍである。また、比較例として、図３に直線状の板材１、図４に板材１の荷重と変位との関係を示す。板材１は、図１に示す本実施形態と同様に、厚さｔ＝２ｍｍ、幅Ｂ＝１０ｍｍ、標点距離Ｌ＝５０ｍｍの板材である。
【００２６】
直線状の板材１に長手方向への引張りの荷重を作用させた場合においては、荷重方向と垂直な板材１の断面にほぼ一様に引張応力が作用して変形する。図４の荷重−変位曲線に示すように、変形初期（変位０〜約２ｍｍ）においては、高い剛性での弾性変形により傾きが大きくなり、その後、部材の塑性変形により曲線の傾きが小さくなる。
【００２７】
本実施形態に係る構造部材１０（図１参照）においては、外部から長手方向に引張りの初期荷重が作用した場合においては、当該引張りによる力の作用線上から外れた部分である湾曲部１１（初期荷重作用）には当該湾曲部１１を直線状に延ばすような曲げの力が作用する。尚、同一の引張り荷重であっても、たわみ量ｙが大きいほど、当該曲げの力は大きくなるため、たわみ量ｙを調整することで、一定量の初期変形に要する荷重の大きさを変化させることが可能である。湾曲部１１が直線状に変形することで、標点距離Ｌは長くなり、構造部材１０は全体として引張り方向に延びることになる。したがって、湾曲部１１を曲げ変形することが可能な程度の荷重を作用することで構造部材１０を荷重作用方向に変形させることが可能となる。当該変形は、弾性変形のみによる場合だけでなく、塑性変形を伴う場合もある。本実施形態では、図２に領域Ａとして示すように、変形初期（変位０〜約４ｍｍの部分）における荷重−変位曲線の傾きは小さく、約１０００Ｎの荷重で約４ｍｍ変位可能であり、比較例に比べ低荷重で大きく変形させることができる。
【００２８】
構造部材１０に作用する荷重が、湾曲部１１がほぼ直線状に変形する所定の荷重である第２の荷重（約１０００Ｎ）に達すると、前述した曲げによる変形は終了し、構造部材１０は全体としてほぼ直線状になる。その後、構造部材１０の荷重の作用方向と垂直な断面に一様に引張応力が作用した状態で変形が行われることになる。そのため、さらに構造部材１０の変形量を増加させるためには、構造部材１０自体を長手方向に伸ばす新たな弾性変形を行う必要があり、構造部材１０の当該変形に対する剛性は曲げによる変形の場合に比べ高くなる（図２に示す領域Ｂ）。構造部材１０に作用する荷重が第３の荷重（約５０００Ｎ）に達すると材料は塑性変形を開始し、ほぼ一定の荷重で荷重作用方向に伸びる（図２に示す領域Ｃ）。
【００２９】
本実施形態に係る構造部材１０は、図２の荷重−変位曲線に示すように、領域Ａ及び領域Ｃにおいては傾きが小さく低剛性で変形可能である。このように構造部材１０の荷重−変位曲線には傾きの小さい部分が複数含まれるため、幅広い用途で使用することができる。また、一枚の板状部材を曲げ加工することで容易に製造することが可能であり、低コストでの製造が可能である。
【００３０】
尚、構造部材が有する湾曲部は一つである場合に限られず、図５に示すように、板状部材の長手方向に２つの湾曲部を形成することで変形初期における剛性を更に低下させることも可能である。また、初期荷重作用部が滑らかな曲線状に形成されている場合に限らず図６に示すように直線状の板材を折り曲げた形状とすることも可能である。
【００３１】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る構造部材２０を示す図であり、図８は構造部材２０の長手方向（図中矢印方向）に引張りの荷重を作用させたときの、荷重と変位との関係を示す図である。第２実施形態に係る構造部材は、直線状の板材２２（初期荷重作用部）と、長手方向の中央部に湾曲部２３が形成された板状部材２１（大荷重作用部）とを積層して接合した部材である。湾曲部２３はたわみｙが２ｍｍとなるように形成されている。
【００３２】
外部から構造部材２０の長手方向に引張りの初期荷重が作用すると、板材２２は荷重の作用方向と垂直な断面にほぼ一様に引張応力が作用した状態で長手方向に弾性変形して伸びるとともに、板状部材２１の湾曲部２３は第１実施形態と同様の曲げの力により直線状に延びるように変形する（図８領域Ａ）。このときに板状部材２１の変形には大きな力は必要としないため、作用する荷重の大部分を板材２２が受け持つことになる。そして、荷重が約５０００Ｎまで増加すると塑性変形が始まり、低剛性の変形となるため荷重−変位曲線の傾きは緩やかになる（図８領域Ｂ）。その後、約６０００Ｎ（第２の荷重）にて変形が進行して板状部材２１の湾曲部２３がほぼ直線状になる。当該湾曲部２３の変形は、弾性変形のみによる場合だけでなく、塑性変形を伴う場合もある。直線状に変形した板状部材２１の引張りに対する剛性は増加し、高い剛性での新たな弾性変形が開始する（図８領域Ｃ）。荷重が約１００００Ｎ（第３の荷重）に達すると、板状部材２１は塑性変形を開始し、再度、荷重−変位曲線の傾きが緩やかになる（図８領域Ｄ）。
【００３３】
このように、本実施形態に係る構造部材２０は、図８に示す領域Ａ、Ｂにおいては、領域Ｃ、Ｄにおいて変形する荷重に比べて、低荷重で大きく変形することが可能である。また、荷重−変位曲線が段階的に変化し、領域Ｂまたは領域Ｄのような傾きの緩やかな部分を複数含むような特性を有する構造部材とすることができる。
【００３４】
図９に本実施形態に係る構造部材２０の取り付け例を示す。構造部材２０の一端は位置が固定された基盤部材８１に接合され、他端は構造部材２０の長手方向への変形に伴って変形方向に移動することが可能な部材８２に接合されている。部材８２は、構造部材２０と平行に配置された部材８３を介して外部からの荷重が直接作用する荷重作用部８４に接続されている。このような構造においては、位置が固定された基盤部材８１に対して荷重作用部８４を近づける向き（図中矢印方向）に作用する荷重は、部材８２、８３を介して構造部材２０に引張りの荷重として作用するため、上述した変形特性を発揮して荷重を支持することが可能である。
【００３５】
（第３実施形態（構造体））
図１０は本発明の第３実施形態に係る構造体３０を示す図であり、図１１は構造体３０の長手方向（図中矢印方向）に引張りの荷重を作用させたときの、荷重と変位との関係を示す図である。第３実施形態に係る構造体は、図１に示した第２実施形態に係る構造部材と同形状の第１板状部材３１と、この第１板状部材３１と湾曲部３４の形状のみ異なる第２板状部材３２とを積層させて接合した構造体である。湾曲部３３のたわみ量ｙ１は１ｍｍ、湾曲部３４のたわみ量ｙ２は２ｍｍである。
【００３６】
外部から構造体３０の長手方向に引張りの荷重が作用すると、第１板状部材３１と第２板状部材３２はそれぞれ湾曲部３３・３４を有しているため、第１実施形態と同様にそれぞれの湾曲部３３・３４が曲げ変形によって直線状に伸びるように構造体３０の変形が進行する。したがって、変形初期において低い荷重で大きく変形することが可能である。（図１１領域Ａ）。作用する荷重が約１０００Ｎに達すると第１板状部材３１の湾曲部３３がほぼ直線状になる。第１板状部材３１は直線状に変形した後、高い剛性で新たな弾性変形を開始する（図１１領域Ｂ）。荷重が約５０００Ｎに達すると、第１板状部材３１は塑性変形を開始し、再度荷重−変位曲線の傾きが緩やかになる（図１１領域Ｃ）。その後、構造部材３０の変位が約１０ｍｍになるまで構造体３０の変形が進行すると、第２板状部材３２の湾曲部３４はほぼ直線状になり、高い剛性での変形が開始される（図１１領域Ｄ）。荷重が約１００００Ｎに達すると第２板状部材３２は塑性変形を開始し、再度荷重−変位曲線の傾きが緩やかになる（図１１領域Ｅ）。
【００３７】
このように、構造体３０が荷重作用方向に変形していく過程において、第１板状部材３１と第２板状部材３２とが異なるタイミングで直線状に延びて新たな弾性変形を開始するため、構造体３０の荷重−変位曲線に、図１１に領域Ｂ、Ｃ及び領域Ｄ、Ｅで示される２つ弾塑性変形領域を含むようにすることができる。また、当該荷重−変位曲線は、第１板状部材及び第２板状部材それぞれの荷重−変位曲線に基づいて決定されるため、用途に合わせて積層する部材の特性を変えることでさまざまな荷重−変位曲線を有する構造体を作製することができる。尚、積層する枚数は２枚に限らず、形状の異なる構造部材を３枚以上積層することも可能である。また、本実施形態のように、同じ厚さの板状部材を用いる場合に限らず、異なる厚さの板状部材を積層して用いることも可能である。
【００３８】
（第４実施形態）
図１２は本発明の第４実施形態に係る構造部材４０を示す図であり、図１３は構造部材４０の長手方向に引張りの荷重を作用させたときの、荷重と変位との関係を示す図である。構造部材４０は、荷重作用方向を長手方向（図中矢印方向）とする板状部材である第１の板材４１と、第１の板材４１と同様の形状であり作用する荷重によりほとんど変形しない他の部材である第２の板材４２とが一部積層した状態でボルトとナットからなる第１締結部材４３と第２締結部材４４とで一体に締結されて形成されたものである（図１２上図参照。下図は締結部材を省略）。図１４に、締結部材４３・４４で締結された状態の第１の板材４１と第２の板材４２の積層部４７を示す。また、図１５に、荷重作用時の積層部４７を示す。
【００３９】
図１２に示すように、積層部４７には、第１締結部材４３の軸部４３ａと略同径の貫通孔である第１締結孔４７ａが形成されており、第１締結部材４３は軸部４３ａを当該第１締結孔４７ａに貫通させた状態で第１の板材４１と第２の板材４２とを挟持している。第１締結孔４７ａは、第１の板材における当該軸部４３ａと略同径に形成される貫通孔４１ａ（第１貫通孔）と、第２の板材における同様の貫通孔４２ａとからなる（図１４参照）。
【００４０】
また、積層部４７には、第１締結孔４７ａと荷重作用方向に並んだ位置に、第２締結部材４４の軸部４４ａを貫通可能な貫通孔である第２締結孔４７ｂが形成されている。この第２締結孔４７ｂは、第１の板材４１における当該荷重作用方向に長径を有する長孔状に形成された貫通孔４１ｂ（第２貫通孔）と、第２の板材４２（他の部材）における第２締結部材４４の軸部４４ａと略同径の貫通孔４２ｂとからなる。第２締結部材４４は軸部４４ａを貫通させた状態で第１の板材４１と第２の板材４２とを挟持している。
【００４１】
このとき、貫通孔４１ｂは第２締結部材４４の軸部４４ａとの間に、長手方向において第１締結部材４３側に一定量の隙間Ｘ（図１４参照）ができるように形成されており、当該軸部４４ａが当該貫通孔４１ｂに貫通した状態で一定量移動することを妨げることがない。
【００４２】
図１４に示すように、外部から構造部材４０に第１の板材４１と第２の板材４２を引き離す方向に引張りの初期荷重が作用すると、第１締結部材４３の軸部４３ａが貫通孔４１ａの内壁４１ｃ（図中太線部分）に当接して荷重を支えることにより、当該当接部に応力が集中するとともに第１の板材４１の貫通孔４１ａ近傍部分（初期荷重作用部）は、貫通孔４１ａが長手方向に拡がるように弾性変形するため、高い剛性で変形することになる（図１３領域Ａ）。
【００４３】
その後、第１の板材４１の貫通孔４１ａ近傍の部分において塑性変形が始まり、剛性は低くなり、荷重−変位曲線は緩やかに変化する（図１３領域Ｂ）。この変形により軸部４４ａと貫通孔４１ｂとの隙間Ｘ（図１４参照）は徐々に狭くなっていく。荷重が所定の荷重Ｐ１（第２の荷重）に達すると、第２締結部材４４の軸部４４ａが貫通孔４１ｂの内壁４１ｄ（図１５における太線部分）に当接する。
【００４４】
その後、軸部４４ａと貫通孔４１ｂとの当接部に応力が集中した状態で、貫通孔４１ｂ近傍部分（大荷重作用部）は、貫通孔４１ｂが長手方向に拡がるように変形する新たな弾性変形を開始する（図１３領域Ｃ）。所定の荷重Ｐ２（第３の荷重）に達すると、貫通孔４１ｂが拡大していく変形が弾性変形から塑性変形に移行するため、荷重−変位曲線が緩やかになる（図１３領域Ｄ）。
【００４５】
これより、第２締結部材４４の軸部４４ａが貫通孔４１ｂの内壁４１ｄに当接するまでは、当該当接後に比べて低い荷重で荷重作用方向に変形することが可能となる。また、このように第１の板材４１の変形形態が変化するため、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材とすることができる。
【００４６】
（第５実施形態）
図１６は本発明の第５実施形態に係る構造部材４０’を示す図である。第５実施形態に係る構造部材４０’は、第４実施形態における第２の板材４２を第３の板材４５と置き換えたものである。図１８に、図１６における積層部４７’を示す。また、図１９に荷重作用時の積層部４７’を示す。第３の板材４５は、第２締結部材４４が貫通する貫通孔４５ｂ（第４貫通孔）が長孔である点で第２の板材４２と形状が異なっている。当該貫通穴４５ｂは、第２締結部材４４と一定の隙間Ｙ（図１８参照）ができるように形成されており、当該隙間Ｙが、第２締結部材４４に対して、第３の板材４５への荷重の作用方向とは逆の方向（図中右方向）になるように構成されている。また、第３の板材４５は、第１の板材４１と同じ材質の部材で形成される。
【００４７】
図１８に示すように、外部から構造部材４０に第１の板材４１と第３の板材４５を引き離す方向（図中矢印方向）に引張りの初期荷重が作用すると、第１締結部材４３の軸部４３ａが貫通孔４１ａ（第１貫通孔）の内壁４１ｃ（図中太線部分）に当接して荷重を支えることにより、当該当接部に応力が集中するとともに第１の板材４１の貫通孔４１ａ近傍部分（初期荷重作用部）は、貫通孔４１ａが長手方向に拡がるように弾性変形するため、高い剛性で変形することになる。同様にして、第３の板材４５の貫通孔４５ａ（第３貫通孔）近傍部分（初期荷重作用部）も、第１締結部材４３の軸部４３ａが貫通孔４５ａの内壁４５ｃ（図中太線部分）に当接して荷重を支えることにより、貫通孔４５ａが長手方向に拡がるように弾性変形する（図１７領域Ａ）。
【００４８】
その後、第１の板材４１の貫通孔４１ａ近傍の部分において塑性変形が始まり、剛性は低くなり、荷重−変位曲線は緩やかに変化する（図１７領域Ｂ）。また、同様にして、第２の板材４５の貫通孔４５ａ近傍の部分も塑性変形することになる。この変形により軸部４４ａと貫通孔４１ｂ（第２貫通孔）との隙間Ｘ及び隙間Ｙ（図１８参照）は徐々に狭くなっていく。荷重が所定の荷重Ｐ１（第２の荷重）に達すると、第２締結部材４４の軸部４４ａが貫通孔４１ｂの内壁４１ｄ（図中太線部分）及び貫通孔４５ｂの内壁４５ｄ（図中太線部分）に当接する（図１９参照）。
【００４９】
その後、軸部４４ａと貫通孔４１ｂとの当接部に応力が集中した状態で、貫通孔４１ｂ近傍部分（大荷重作用部）は、第２貫通孔４１ｂが長手方向に拡がるように変形する新たな弾性変形を開始する。また、貫通孔４５ｂ近傍部分（大荷重作用部）も、貫通孔４５ｂが長手方向に拡がるように変形する新たな弾性変形を開始する（図１７領域Ｃ）。所定の荷重Ｐ２（第３の荷重）に達すると、貫通孔４１ｂ及び貫通孔４５ｂが拡大していく変形が弾性変形から塑性変形に移行するため、荷重−変位曲線が緩やかになる（図１７領域Ｄ）。
【００５０】
これより、第２締結部材４４の軸部４４ａが貫通孔４１ｂの内壁４１ｄ及び貫通孔の内壁４５ｄに当接するまでは、当該当接後に比べて低い荷重で荷重作用方向に変形することが可能となる。また、このように第１の板材４１及び第３の板材の変形形態が変化するため、荷重−変位曲線が段階的に変化し、傾きの緩やかな部分を複数含むような構造部材とすることができる。
【００５１】
尚、本実施形態のように、第１の板材４１と第３の板材４５との厚さを同じくする場合に限られず、また、異なる材質の板状部材を用いることも可能である。
【００５２】
（第６実施形態）
図２０は本発明の第６実施形態に係る構造部材５０を示す図であり、図２１は基盤部５１を固定した状態で作用板５３に構造部材５０を圧縮する方向（図中矢印方向）への荷重を作用させたときの、荷重と作用板５３の変位との関係を示す図である。構造部材５０は、荷重により変形しにくい部材で形成された基盤部５１と、荷重作用方向を長手方向として基盤部５１に一端が接合されている薄肉円筒５４（大荷重作用部）と、変形方向を薄肉円筒５４の軸方向として薄肉円筒５４の周囲を覆うように一端を基盤部５１に当接し、他端を薄肉円筒５４の端部よりも突出した状態で配設されたばね５２（初期荷重作用部）と、荷重作用方向と垂直面を形成するようにばね５２の他端に接合された作用板５３とからなる。
【００５３】
基盤部５１を固定した状態で、外部から作用板５３に構造部材５０を圧縮する初期荷重が作用すると、作用板５３を介してばね５２に圧縮荷重が作用して、荷重作用方向において作用板５３が薄肉円筒５４の端部に近づくように弾性変形する（図２１領域Ａ）。荷重が所定の荷重Ｐ１（第２の荷重）に達することにより、作用板５３の変位はδ１に達し、その表面が薄肉円筒５４の端部に当接する。その後、Ｐ１以上の荷重が作用することにより、薄肉円筒５４は高い剛性で軸方向に圧縮の弾性変形をし（図２１領域Ｂ）、荷重が所定の荷重Ｐ２（第３の荷重）に達すると、座屈しながら低い剛性で変形する（図２１領域Ｃ）。
【００５４】
これより、変形初期において構造部材５０は、ばね５２が変形できる程度の圧縮荷重の作用により圧縮荷重作用方向に変形可能である。また、荷重がＰ１を超えた場合、高い剛性で変形可能であるため、高荷重を支持することが可能である。荷重−変位曲線については、図２１に示す領域Ａ、Ｃにおいて傾きが緩やかであり、複数の低剛性変形領域を備える構造部材として使用することができる。また、荷重作用時の変位がδ１よりも小さい場合は、除荷することで、構造部材５０は変位のない初期の状態に弾性回復するため、再度同様の特性を持つ構造部材として用いることが可能である。
【００５５】
（第７実施形態）
図２２は、本発明の第７実施形態に係る構造部材６０を示す図であり、図２３は構造部材６０の端部６４ａから薄肉管６４（支持部材）を圧縮する荷重（図中矢印方向の荷重）を作用させたときの、荷重と端部６４ａの変位との関係を示す図である。構造部材６０は、靭性のある金属等で形成された薄板６３と、薄板６３の表面に対して軸方向が垂直になるように薄板６３表面の中央部に一端を接合されている薄肉管６４とで形成されている。この構造部材６０は、外部からの荷重が薄肉管６４の他端６４ａから薄肉管６４の軸方向に作用するように配設されており、薄板６３の外周は位置固定された基盤６１・６２に対して固定された状態で設置されている。
【００５６】
外部から薄肉管端部６４ａに薄肉管６４を軸方向に圧縮する向きの荷重が作用すると、薄肉管６４を介して薄板６３表面に面内方向と垂直な荷重が作用する。薄板６３は、その外周が基盤６１・６２に固定された状態でたわみながら変形していく。変形初期においては、薄板６３の面内に作用する引張りの力による影響は小さく、低い初期荷重で薄板６３（初期荷重作用部）の変形が進行する（図２３領域Ａ）。所定の荷重Ｐ１（第２の荷重）が作用し薄板６３のたわみ量が大きくなると、薄板６３の面内に作用する引張りの力の影響が大きくなり、薄板６３のたわみ変形に対しての剛性が増加し、薄肉管６４の弾性変形とともに構造部材６０の変形が進行する（図２３領域Ｂ）。その後、構造部材６０に作用する荷重が所定の荷重Ｐ２（第３の荷重）に達すると薄肉管６４は座屈変形を開始する（図２３領域Ｃ）。これより、構造部材６０は、変形初期においては低い剛性で変形するため、作用する荷重が小さい場合においても変形量を大きくすることが可能である。荷重−変位曲線については、図２３に示す領域Ａ、Ｃにおいて傾きが緩やかであり、複数の低剛性変形領域を備える構造部材として使用することができる。また、本実施形態の構造によれば、構造部材６０は薄板６４の外周端部を固定することにより設置可能である。したがって、荷重の作用線上に構造部材を固定するための部材を配置することができない場合においても用いることができる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る構造部材を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る構造部材の荷重−変位曲線を示す図である。
【図３】直線状の板材形状を示す図である。
【図４】図３に示す板材の荷重−変位曲線を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る構造部材の第１変形例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る構造部材の第２変形例を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る構造部材を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る構造部材の荷重−変位曲線を示す図である。
【図９】第２実施形態に係る構造部材の取付例を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る構造体を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る構造体の荷重−変位曲線を示す図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る構造部材を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る構造部材の荷重−変位曲線を示す図である。
【図１４】第４実施形態に係る構造部材の積層部を示す図である。
【図１５】第４実施形態に係る構造部材の荷重作用時の積層部を示す図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る構造部材を示す図である。
【図１７】本発明の第５実施形態に係る構造部材の荷重−変位曲線を示す図である。
【図１８】第５実施形態に係る構造部材の積層部を示す図である。
【図１９】第５実施形態に係る構造部材の荷重作用時の積層部を示す図である。
【図２０】本発明の第６実施形態に係る構造部材を示す図である。
【図２１】本発明の第６実施形態に係る構造部材の荷重−変位曲線を示す図である。
【図２２】本発明の第７実施形態に係る構造部材を示す図である。
【図２３】本発明の第７実施形態に係る構造部材の荷重−変位曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０、２０、４０、４０’、５０、６０  構造部材
１１  湾曲部
２１  板状部材
２２  板材
２３  湾曲部
３０  構造体
３１  第１板状部材
３２  第２板状部材
４１  第１の板材（板状部材、第１板状部材）
４１ａ  貫通孔（第１貫通孔）
４１ｂ  貫通孔（第２貫通孔）
４２  第２の板材
４３  第１締結部材
４４  第２締結部材
４５  第３の板材（第２板状部材）
４５ａ  貫通孔（第３貫通孔）
４５ｂ  貫通孔（第４貫通孔）
４７  積層部
５２  ばね
５４  薄肉円筒
６３  薄板
６４  薄肉管
【図１】
2007232002.tif 000003
【図２】
2007232002.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007232002.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007232002.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007232002.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2007232002.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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