(57)【要約】      （修正有）【課題】断面変形を効果的に抑制するとともに、軽量かつ低成形コストを実現できる、座屈強度の高い補剛材を提供する。【解決手段】繊維強化プラスチック積層板からなる、延在方向に曲げ荷重または圧縮荷重を受ける棒状の補剛材で、前記延在方向に平行に引き揃えられた連続繊維を含む第１の強化繊維層と、前記延在方向に直交する方向に引き揃えられた連続繊維を含む第２の強化繊維層とを有し、前記第１と第２の強化繊維層との体積比が２／３以上４以下の範囲となるように積層され、少なくとも、前記延在方向に延びる平板状部材と、前記平板状部材の延在方向に沿う両端を屈曲部として更に延在する端部材とから構成され、前記補剛材の延在方向と直交する断面形状が開断面を有するとともに、前記平板状部材の一部を切り出した矩形部材における、前記延在方向の単位幅あたりの曲げ剛性と、前記延在方向に直交する方向の曲げ剛性との比が、０．５以上２以下の補剛材。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に引き揃えられた連続繊維を含む強化繊維層を積層した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）積層板からなる、延在方向に曲げ荷重または圧縮荷重を受ける棒状の補剛材であって、前記補剛材は、前記延在方向に平行に引き揃えられた連続繊維を含む第１の強化繊維層と、前記延在方向に直交する方向に引き揃えられた連続繊維を含む第２の強化繊維層とを有し、前記第１の強化繊維層と前記第２の強化繊維層との体積比が２／３以上４以下の範囲となるように積層され、少なくとも、前記延在方向に延びる平板状部材と、前記平板状部材の延在方向に沿う両端を屈曲部として更に延在する端部材とから構成され、前記補剛材の延在方向と直交する断面形状が開断面を有するとともに、前記平板状部材の一部を切り出した矩形部材における、前記延在方向の単位幅あたりの曲げ剛性と、前記延在方向に直交する方向の曲げ剛性との比が、０．５以上２以下の範囲にあることを特徴とする補剛材。
【請求項２】
前記第２の強化繊維層が、最表面または表面から２層目に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の補剛材。
【請求項３】
表面または裏面から３層目以降に配置される連続繊維を含む層として、前記第１の強化繊維層が、前記第２の強化繊維層より多く含まれることを特徴とする請求項２に記載の補剛材。
【請求項４】
前記連続繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の補剛材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座屈しにくい補剛材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機や自動車などの輸送機器において、燃費低減のための軽量化が求められており、金属材料から繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの軽量素材への置き換えが進みつつある。これらの輸送機器の機体、車体構造は面板と補剛構造からなり、外形形状は面板が構成し、補剛構造が主要骨格をなす。補剛構造は機体、車体構造に加わる荷重を負担し、特に曲げ荷重、圧縮荷重時に座屈を生じないよう、筒状、ハット型、リブ付構造など曲げ剛性の高い形状となっている。
【０００３】
補剛構造をＦＲＰ化する場合、曲げ荷重、圧縮荷重時の座屈を防ぐために延在方向により多くの繊維を配向する設計をすることが多かった。一般に梁の曲げ剛性は材料の弾性率Ｅと断面形状によって定まる断面二次モーメントＩにより算出される。断面二次モーメントは、断面の微小領域の面積ΔＡに当該微小領域の中立軸からの距離ｙの二乗を掛け断面全体で積分した値である。したがって曲げ剛性を高くするには、中立軸から遠い位置に弾性率の高い材料をより多く配置することが効果があり、従来の設計においては延在方向により多くの繊維を配向させるとともに、延在方向の繊維を部材の表面、裏面に配置することが多かった。実際の設計においては、積層板構造としてすべての層の繊維方向を延在方向に向ける、もしくは割れ防止のため厚さ方向中央層のみの繊維方向を直交方向とし残りの層すべてを延在方向とすることが当然とされていた。すなわち、補剛材を構成する板部材を平板上に切り出した時に補剛材延在方向の単位幅あたりの曲げ剛性と延在方向に直交する方向の曲げ剛性とを比較すると、延在方向曲げ剛性の方が直交方向曲げ剛性より圧倒的に大きくなるような、たとえば剛性比では１０倍を超えるような設計とすることが多かった。たとえば、特許文献１では、ハット型のバンパービームにおいて、中立軸から遠いハット頭部とフランジ部に比曲げ剛性強度の大きい材料、立壁部に比座屈強度パラメータの大きい材料を用いたハイブリッドバンパービームを提案している。このハット頭部とフランジ部に用いる比曲げ剛性強度の大きい材料として、一方向強化FRPを挙げており、延在方向の曲げ剛性を高くすることを重視している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２５２７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来技術においては延在方向曲げ剛性のみが重視されており、直交方向曲げ剛性に対して設計面での配慮はされておらず、延在方向との剛性比が考慮されることもなかった。
【０００６】
しかしながら、開断面補剛材の圧縮試験を行った際、断面の変形に着目すると、図２に示すように、荷重の増加に伴い、立壁部が開くような断面の変形が生じ、荷重変位線図の傾きが変化したことが見出された。さらに、立壁部が開くような断面変形によって、中立軸からの距離が遠く曲げ剛性に最も影響を及ぼす部分における、中立軸からの距離が小さくなることも見出された。その結果、補剛材自身の断面二次モーメントが減少して曲げ剛性が低下し、これにより変形量が増加し、立壁部の開きが更に増加する、という負の連鎖が発生することも見出された。
【０００７】
本発明の目的は、このような開断面補剛材の断面変形に着目した上で、断面変形を効果的に抑制するとともに、軽量かつ低成形コストを実現できる、座屈強度の高い補剛材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開断面補剛材の断面における立壁部の開き変形を抑制するため、直交方向曲げ剛性を増減させる検討を行ったところ、開き変形の抑制と補剛材全体の曲げ剛性を両立させ得る剛性比の関係や、それを実現するための積層構造を見出すことに成功した。以上の知見を元に本発明者は本発明に想到した。
（１）一方向に引き揃えられた連続繊維を含む強化繊維層を積層した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）積層板からなる、延在方向に曲げ荷重または圧縮荷重を受ける棒状の補剛材であって、前記補剛材は、前記延在方向に平行に引き揃えられた連続繊維を含む第１の強化繊維層と、前記延在方向に直交する方向に引き揃えられた連続繊維を含む第２の強化繊維層とを有し、前記第１の強化繊維層と前記第２の強化繊維層との体積比が２／３以上４以下の範囲となるように積層され、少なくとも、前記延在方向に延びる平板状部材と、前記平板状部材の延在方向に沿う両端を屈曲部として更に延在する端部材とから構成され、前記補剛材の延在方向と直交する断面形状が開断面を有するとともに、前記平板状部材の一部を切り出した矩形部材における、前記延在方向の単位幅あたりの曲げ剛性と、前記延在方向に直交する方向の曲げ剛性との比が、０．５以上２以下の範囲にあることを特徴とする補剛材。
（２）前記第２の強化繊維層が、最表面または表面から２層目に配置されていることを特徴とする（１）に記載の補剛材。
（３）表面または裏面から３層目以降に配置される連続繊維を含む層として、前記第１の強化繊維層が、前記第２の強化繊維層より多く含まれることを特徴とする（２）に記載の補剛材。
（４）前記ＦＲＰに用いる補強繊維が炭素繊維であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の補剛材。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、軽量、低成形コストかつ座屈強度の高い補剛材を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る補剛部材の概略図である。
【図２】開断面を有する補剛部材の断面変形を示す概略図である。
【図３】実施例、比較例の剛性比と座屈強度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について図面を用いて説明する。図１に本発明の補剛材の例を示す。この補剛材１はＦＲＰ板からなり、延在方向に圧縮荷重、曲げ荷重を受ける部材である。補剛材１は、延在方向に延びる平板状部材（底面部３ａ）と、平板状部材の延在方向に沿う両端を屈曲部として更に延在する端部材（立壁部３ｂ）とから構成され、延在方向に直交する断面形状は開断面を持つことが重要である。この断面形状は種々の形状を採用することができるものの、Ｃ型断面のように、一方に開口した、左右対称形状であることが好ましい。しかし、トポロジー的に同相である範囲においては、左右非対称形状でもよく、Ｖ型断面、フランジのついたハット型断面、中にリブなどを有するＥ型断面やＷ型断面等も適用することができる。また、他部材への取付け部など一部の断面形状が補剛材の他の部分の断面形状とは異なっていてもよい。
【００１２】
補剛材１は、各層ごとに材料、基材の種類、繊維の配向方向を決めることにより剛性を設計できる積層板から構成される。具体的には、一方向に連続繊維が引き揃えられた連続繊維を含む第１の強化繊維層と、延在方向に直交する方向に引き揃えられた連続繊維を含む第２の強化繊維層とを有することが重要である。第１の強化繊維層と第２の強化繊維層とを組み合わせることで、補剛材１の曲げ剛性の設計を容易にすることができる。
【００１３】
さらに、第１の強化繊維層と第２の強化繊維層との体積比が２／３以上４以下であることが重要である。体積比が２／３より少ないと圧縮強度、引張強度が低下し、また４倍より多いと剛性比を制御することが難しくなる。第１の強化繊維層は、補剛材１自身の引張強度を確保する役割も有するため、軽量化のために大きく減量させることは難しいが、第２の強化繊維層は、後述するように断面変形抑制への寄与が大きいことから、第１の強化繊維層より減量しやすく、直交方向の剛性を効率よく補剛することができる。
【００１４】
補剛材１は、図中に示す荷重（延在方向圧縮荷重）が作用すると、図２（ｂ）のように断面変形する。この時、変形前の中立軸からの距離ｈ１ａ、ｈ２ａは、変形によりｈ１ｂ、ｈ２ｂとなるが、この変形後の距離ｈ１ｂ、ｈ２ｂは、変形前の距離ｈ１ａ、ｈ２ａよりも小さくなるため、補剛材１の断面二次モーメントが低下する。断面二次モーメントは中立軸からの距離の３乗に比例するため、この断面変形に伴う中立軸からの距離の減少は、補剛材１の曲げ剛性を大きく低下させる。この断面変形は、底面部３ａ、立壁部３ｂが、補剛材１の直交方向に曲げ変形した結果として生じたものである。したがって、直交方向の曲げ剛性を高くした場合には断面変形の度合いを小さくすることができ、補剛材１自体の延在方向の曲げ剛性の低下を避けることができる。
【００１５】
ここで、補剛材１から平板状に切り出した矩形部材を考えた時に、延在方向の単位幅あたりの曲げ剛性と、直交方向の曲げ剛性の比（剛性比）が大きく異ならないこと、具体的には剛性比が０．５以上２以下となることが重要である。補剛材１の荷重時の断面変形は、直交方向の局所的な曲げ変形として生じるため、直交方向剛性が延在方向剛性の半分より低い場合には断面変形を抑制できず、逆に２倍より高い場合には延在方向の曲げ変形が大きくなりすぎるからである。この延在方向曲げ剛性、直交方向曲げ剛性は、使用材料の弾性率と板厚から材料力学的に計算してもよいし、別途同等材料と同等製法で作成した平板から試験片を作成し測定してもよいが、補剛材１そのものから一部を平板状に切り出して曲げ試験を行い測定するのが、簡便かつ実態に沿った値が得られる点で好ましい態様である。
【００１６】
この剛性比を実現するために、各層ごとに材料、基材の種類、繊維の配向方向を適宜決めることができる。例えば、第２の強化繊維層は、最表面または表面から２層目に配置されることが好ましい。この位置に配置することで、断面変形を抑制することにより補剛材１の断面二次モーメントの低下を効果的に抑制することができる。また、このとき、表面から３層目以降の内側に配置される層では、延在方向への引張強度を低下させないために、第１の強化繊維層数の方が第２の強化繊維層数より多くなるように積層されることがより好ましい。
【００１７】
第１の強化繊維層や第２の強化繊維層に用いる強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維などが使用できる。なかでも炭素繊維は軽量でかつ弾性率も高いために、本発明の補剛材の材料としてより好ましい。ＦＲＰの樹脂は熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のどちらでも構わない。成形法はプリプレグのオートクレーブ成形やプレス成型、スタンパブル基材のプレス成型、ＲＴＭ成形やハンドレイアップ法など、公知の成形法を適用することができる。
【実施例】
【００１８】
本発明の効果を実証するため、以下のとおり実施例および比較例による実験を行った。なお、本発明は、これら実施例等によって何ら制限されるものではない。
【００１９】
（実施例１）
図１に形状を示す、延在方向長さ１０００ｍｍ、幅２００ｍｍ、板厚３．０５ｍｍ、立壁高さ３０ｍｍ、取付け部としてフランジ幅左右とも３０ｍｍ長さ８０ｍｍ、底面部幅９０ｍｍ、延在方向に曲率半径５０００ｍｍの湾曲を有する補剛材を成形した。弾性率２３５ＧＰａ、引張強度５ＧＰａの炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ（東レ（株）製Ｐ３０５１Ｓ−３０）を１０層、積層構成が［９０°／０°／０°／９０°／０°］ｓｙｍ．（対称構成）となるよう積層し、オートクレーブ成形を行った。０度方向が延在方向を示す。フランジ部端部を片側４か所ずつＭ６ボルトで治具に拘束しインストロン５９８８型試験機にセットし、延在方向に荷重速度２ｍｍ／分で圧縮荷重を破壊するまで負荷し、座屈破壊した荷重を座屈強度として測定した。
【００２０】
また、底面部から、補剛材の延在方向が長手方向となるものと直交方向が長手方向となるものをそれぞれ幅１０ｍｍ、長さ９０ｍｍの短冊状の試験片としてダイヤモンドカッターで切り出し、３点曲げ試験にて延在方向と直交方向の曲げ剛性を測定した。３点曲げはスパン７５ｍｍ、圧子径、支持部径ともにφ１０ｍｍ、荷重速度２ｍｍ／分でインストロン５９６７型試験機にて測定した。
【００２１】
（実施例２）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［９０°／０°／０°／０°／０°］ｓｙｍ．とした。
【００２２】
（実施例３）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［９０°／０°／９０°／０°／０°］ｓｙｍ．とした。
【００２３】
（実施例４）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［０°／９０°／９０°／０°／０°］ｓｙｍ．とした。
【００２４】
（実施例５）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［０°／９０°／０°／０°／９０°］ｓｙｍ．とした。
【００２５】
（比較例１）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［０°／０°／０°／０°／０°］ｓｙｍ．とした。
【００２６】
（比較例２）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［０°／０°／０°／０°／９０°］ｓｙｍ．とした。
【００２７】
（比較例３）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［９０°／９０°／９０°／０°／９０°］ｓｙｍ．とした。
【００２８】
（比較例４）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［９０°／０°／９０°／９０°／９０°］ｓｙｍ．とした。
【００２９】
（比較例５）
同一形状、同一材料、同一成形法で積層構成を［０°／０°／９０°／９０°／９０°］ｓｙｍ．とした。
【００３０】
これらの実施例、比較例の座屈強度の結果を表１に示す。また図３に剛性比と座屈強度の関係をグラフ化したものを示す。これらの結果より本発明の範囲では座屈強度が向上することが示された。
【００３１】
【表１】
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【符号の説明】
【００３２】
１：補剛材
２：開断面
３ａ：底面部
３ｂ：立壁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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