(57)【要約】【課題】  繊維強化複合材料から成る複数の板状部材が積層され接着されて成り、複数の板状部材の繊維方向が該板状部材の面方向に延在し、隣接する板状部材の間で互いに異なっており、複数の板状部材の積層方向に貫通する貫通孔が形成されている積層構造体に於いて、引っ張り・圧縮荷重が作用する場合に、高程度の応力集中の発生が抑制される構成を提供すること。【解決手段】  本発明による積層構造体に於いては、隣接する板状部材の間の貫通孔の周縁領域にして、板状部材の面方向に引張り又は圧縮荷重が作用した際に応力集中状態が発生する領域に於いて、繊維強化複合材料の弾性率より低い弾性率を有する等方弾性材料からなる層が挿入され接着されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料から成る複数の板状部材が積層された状態で互いに接着した状態に成っており、前記複数の板状部材の繊維方向が該板状部材の面方向に延在し、隣接する板状部材の間で互いに異なっており、前記複数の板状部材の積層方向に貫通する貫通孔が形成されている積層構造体であって、前記隣接する板状部材の間の前記貫通孔の周縁領域にして、前記板状部材の面方向に引張り又は圧縮荷重が作用した際に応力集中状態が発生する領域に於いて、前記繊維強化複合材料の弾性率より低い弾性率を有する等方弾性材料からなる層が挿入された状態で接着された状態と成っている積層構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両又はその他の移動体のボディ、シャーシ、翼体などの種々の機器の構造体或いは建築物の支柱、壁などの構造体に用いられる積層繊維強化複合材料構造体に係り、より詳細には、前記の用途に使用される積層構造体であって、特に、貫通孔を有する構造体に係る。
【背景技術】
【０００２】
積層繊維強化複合材料構造体は、端的に述べれば、複数枚の、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）から成る板状部材を積層して互いに接着して形成される。繊維強化複合材料は、その内部の繊維方向に沿って高い引張り・圧縮剛性を有し、比較的軽量であるので、上記の如く、種々の機器や建築物に於いて、引張り・圧縮荷重の作用する部位の構造体に於いて広く使用されている。
【０００３】
上記の如き、積層繊維強化複合材料構造体に於いて、ボルト孔等の貫通孔が存在する場合に、その構造体に対して貫通孔の軸方向に対して垂直な方向に荷重が作用すると、貫通孔の周縁に応力の集中する領域が発生し、そこから破壊或いは破損が発生しやすくなることが知られている。そこで、従前より、荷重が作用する構造体に於ける貫通孔の周縁の応力集中を緩和するための手法が種々提案されている。例えば、特許文献１では、切り欠きを有する繊維強化複合材料製部材に於いて、応力集中の生ずる領域の補強繊維の体積割合をそれ以外の領域よりも高くして強度を高める場合の条件が開示されている。また、特許文献２、３に於いては、貫通孔を有する繊維強化プラスチック製複合材に於いて、貫通孔の周縁領域の引張り／圧縮剛性をかかる領域の外側の領域よりも低減して、貫通孔の周縁領域に作用する応力を他領域へ分散する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５２９３８
【特許文献２】特開２０１３−１８０６２７
【特許文献３】国際公開２０１２／１０５６９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の如き積層複合材料構造体に使用される繊維強化複合材料は、既に述べた如く、複合材料内の強化繊維の延在方向に高い剛性を有する異方性材料である。従って、繊維強化複合材料が積層構造体として使用される部位に作用する荷重の方向がわかっているときには、その荷重の作用方向に沿って高い剛性を有するように、繊維強化複合材料から成る板状部材は、それらの繊維の延在方向（繊維方向）を考慮して積層される。一方、荷重の作用方向がわからない場合或いは種々の方向に荷重が作用し得る場合には、板状部材は、任意の方向の荷重を支持できるように、それらの繊維方向が互いに異なるように積層される。従って、この場合、積層構造体に於いて、繊維方向、即ち、剛性の高い方向が互いに異なる板状部材が隣接した状態で接着されることとなる。
【０００６】
上記の如き隣接する繊維強化複合材料から成る板状部材の繊維方向が互いに異なる積層構造体であって、更に、積層方向（各板状部材の面方向に対して垂直な方向）に貫通する孔が存在する構造体に於いて、かかる貫通孔の軸に対して垂直な方向に引っ張り・圧縮荷重が作用した場合、上記の如く、貫通孔の周縁に応力集中領域が形成される。この点に関し、従前の貫通孔周辺の応力分布の解析に於いては、積層された板状部材の間は、完全に接着され、板状部材面内方向のひずみは、積層された板状部材に於いて同じであるものと仮定して、応力分布の算出が実行されていた（単純積層理論）。しかしながら、上記の如く、実際の積層構造体では、繊維方向が互いに異なる板状部材が隣接され、接着されることとなるので、板状部材間（層間）では、ひずみが変化し得る。そこで、本発明による発明者は、層間に於いてコンプライアンスを定義して、層間のひずみの変化を許す条件にて応力分布の解析を行った。そうすると、貫通孔の周縁領域の応力集中の程度は、単純積層理論により算出される場合よりも緩和され（応力の集中する領域が分散される）、更に、層間コンプライアンスが大きくなると、応力集中の生ずる領域がより広範囲に分散されて、局所的に応力が高くなる部位が低減されることが見出された。即ち、繊維強化複合材料から成る積層構造体に於いて、貫通孔の周縁領域の層間コンプライアンスを大きくすると、応力集中の緩和が達成されることとなることが明らかになった。この知見は、本発明に於いて利用される。
【０００７】
かくして、本発明の一つの課題は、繊維強化複合材料積層構造体であって、隣接する板状部材がそれらの繊維方向が互いに異なった状態で積層され、積層方向に貫通する孔が存在する構造体に於いて、貫通孔の軸に対して垂直な任意の方向に引っ張り・圧縮荷重が作用する場合に、高程度の応力集中の発生が抑制される構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、上記の課題は、繊維強化複合材料から成る複数の板状部材が積層された状態で互いに接着した状態に成っており、複数の板状部材の繊維方向が該板状部材の面方向に延在し、隣接する板状部材の間で互いに異なっており、複数の板状部材の積層方向に貫通する貫通孔が形成されている積層構造体であって、隣接する板状部材の間の貫通孔の周縁領域にして、板状部材の面方向に引張り又は圧縮荷重が作用した際に応力集中状態が発生する領域に於いて、繊維強化複合材料の弾性率より低い弾性率を有する等方弾性材料からなる層が挿入された状態で接着された状態と成っている積層構造体によって達成される。
【０００９】
上記の構成に於いて、繊維強化複合材料は、車両又はその他の移動体のボディ、シャーシ、翼体などの種々の機器の構造体、建築物の支柱、壁などの構造体等に於いて、通常使用されるものであってよい。積層構造体に於いて、繊維強化複合材料から成る板状部材の積層及び接着は、この分野に於いて、任意の、又は公知の、通常行われている態様にて実行されてよい。貫通孔は、ボルト孔やその他の任意の部材を貫通させるための孔、或いは、通気孔、アクセス用孔など、通常時は、空いている孔（部材等が存在しない孔）であってもよい。繊維強化複合材料の弾性率より低い等方弾性率材料からなる層（等方性低弾性率層）のための材料は、積層構造体の使用される状況に応じて、適当な等方性弾性材料、ゴム膜、樹脂膜等が選択されてよい。
【００１０】
上記の構成に於いては、端的に述べれば、繊維強化複合材料から成る板状部材を積層して成る貫通孔を有する積層構造体に於いて、貫通孔の周縁領域、即ち、荷重が作用した際に、応力集中が発生し得る領域に、等方性の低弾性率層が介在させられることとなる。かかる等方性低弾性率層は、互いに異なる繊維方向を有する板状部材の間、即ち、層間に於いて、等方的な高いコンプライアンスを提供することとなる。そうすると、等方性低弾性率層がない場合に比して、貫通孔の周縁領域の応力がより広い範囲に分散され、局所的に応力が集中した状態が緩和されることとなる。積層構造体の貫通孔に於ける破壊や破損は、通常、応力が高いところから発生するところ、本発明が適用されると、高い応力が作用する部位が低減されることとなり（応力集中が緩和されるメカニズムは、後述される。）、破壊や破損がより発生しにくくなることが期待される。また、本発明の構成の場合、高いコンプライアンスを提供する低弾性率層は、等方性材料が選択されるので、任意の方向からの荷重に対して上記の効果が得られることは理解されるべきである。更に、等方性低弾性率層は、貫通孔の周縁領域のみに介装され、かかる領域の応力集中状態の緩和として作用し、板状部材自体を変更することはないので、積層構造体の剛性は低下しない点で有利である。等方性低弾性率層で覆われる貫通孔の周縁領域は、具体的には、上記の如く、荷重が作用した際に、応力集中が発生し得る領域であり、解析的に或いは実験的に画定されてよい。
【００１１】
上記の本発明による積層構造体の製造に於いては、後に説明される如く、まず、繊維強化複合材料から成る板状部材を積層する際に、等方性低弾性率層を、貫通孔が設けられる部位に板状部材に挟持された状態で接着され、しかる後に、積層構造体に対して、貫通孔が穿孔されてよい。或いは、予め、穿孔された板状部材を積層する場合には、穿孔部位の周縁を囲繞するよう等方性低弾性率層が配置され、板状部材の積層及び接着が為されてよい。
【発明の効果】
【００１２】
上記の本発明の積層構造体によれば、その積層方向に垂直な、任意の方向に荷重が作用した場合に、貫通孔の周縁の応力集中が緩和され、荷重による貫通孔の周縁からの破壊や破損が発生するおそれを低下させることが可能となる。この点に関し、特許文献１の場合には、切り欠きの周縁の剛性を補強するために弾性率を高めるだけとなっているので、応力集中の緩和は達成されない。また、特許文献２、３の場合には、貫通孔の周縁領域の引張り／圧縮剛性をかかる領域の外側の領域よりも低減することとなっているので、構造体の剛性の低下が生ずるおそれがある。また、同公報の場合、実施例（文献３の図４）に於いて、積層される板状部材の一部に於いて、貫通孔の周縁の繊維方向を変化させる構成となっている。かかる構成の場合、特定の方向の荷重に対しては、応力集中の緩和が期待されるが、それとは別の方向の荷重が作用したときには、応力集中の緩和の効果が得られないこととなる。一方、本発明の場合には、積層構造体に於ける貫通孔の周縁領域の層間コンプライアンスを大きくすると、応力集中が緩和される、との知見に基づき、板状部材自体は、そのままにして、剛性を担保して、板状部材間、即ち、層間の貫通孔の周縁領域のみに、等方性の低弾性率層を介在させるので、任意の方向の荷重に対して大きな層間コンプライアンスが得られ、これにより、剛性を落とすことなく、応力集中の緩和が期待される。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明による積層構造体の模式図であり、（Ａ）は、板状部材を積層する前の状態であり、（Ｂ）は、板状部材を積層した状態であり、（Ｃ）は、板状部材を積層した状態（積層構造体）に貫通孔を形成した状態である。
【図２】図２は、貫通孔を有する積層構造体に於いて、荷重を作用させた場合の応力線図を模式的に描いた図である。
【図３】図３（Ａ）は、貫通孔を有する積層構造体に於いて、層間コンプライアンスを考慮した場合（本発明）の応力と層間コンプライアンスを考慮していない場合（単純積層理論）の応力差の分布のシミュレーション結果である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のシミュレーション結果の表している積層構造体上の部位を模式的に表している。
【図４】図４は、本発明による積層構造体の別の実施形態の板状部材を積層する前の状態の模式図である。
【符号の説明】
【００１５】
ＦＲ１、ＦＲ２…繊維強化材料製板状部材
ＩＥ…等方性低弾性率層
Ｈ…貫通孔
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照して、本発明による繊維強化複合材料を積層して成る積層構造体は、図示されている如く、繊維強化複合材料から成る複数の板状部材ＦＲ１、ＦＲ２を積層し、接着されて形成される。繊維強化複合材料から成る板状部材は、車両又はその他の移動体のボディ、シャーシ、翼体などの種々の機器の構造体、建築物の支柱、壁などの構造体等に於いて、通常使用される材料からなるものであってよく、各板状部材の厚みは、用途に応じて適宜選択されてよい。板状部材ＦＲ１、ＦＲ２は、図中の矢印にて示されている如く、それぞれ、特定の方向に繊維が延在し、これにより、繊維方向の剛性（弾性率）が、繊維方向の垂直方向に比して高い状態となっている。そして、板状部材が積層される際には、積層構造体全体に於いて剛性が略全方向に対して略均等となるようにすべく、各板状部材の繊維方向が互いに隣接する板状部材の繊維方向と異なるように、板状部材の向きが調整される。図示の例では、互いに隣接する板状部材の繊維方向が互いに９０°ずつ回転するように配置されているが、これに限定されないことは理解されるべきである（図４参照）。
【００１７】
そして、上記の本発明による積層構造体の場合には、更に、互いに隣接する板状部材の間の、後の工程で、貫通孔が穿孔される部位の周縁領域を覆う態様にて、等方性の低弾性率層ＩＥが介在させられる。等方性低弾性率層ＩＥの材質は、繊維強化複合材料よりも等方的に低い弾性率を有し、且つ、十分な強度を有し、接着性の良いものが好ましく、積層構造体の用途に応じて、適宜選択されてよい。例えば、繊維強化複合材料が通常の炭素複合積層材である場合には、樹脂、例えば、ナイロン樹脂が等方性低弾性率層ＩＥの材料として用いられて良いが、これに限定されない。等方性低弾性率層ＩＥの厚みは、板状部材よりも同程度か更に薄いことが好ましく、繊維強化複合材料が通常の炭素複合積層材である場合には、０．０５〜０．１ｍｍ程度であってよい。等方性低弾性率層ＩＥの覆う領域の範囲は、後述の如く、積層構造体の荷重が作用した際に、応力集中が生ずる領域を網羅する範囲に調整される。具体的には、実験的に或いは数値解析的に応力集中が生ずる領域を画定し、等方性低弾性率層ＩＥの寸法が決定されてよい。
【００１８】
積層構造体の製造工程に於いては、図１（Ａ）に示されている如く、等方性低弾性率層ＩＥをそれぞれ層間に挟持した状態で、図１（Ｂ）に示されている如く、板状部材が積層され、硬化又は接着され、更に、図１（Ｃ）に示されている如く、積層方向に貫通孔Ｈが開孔される。一連の製造工程は、等方性低弾性率層ＩＥを介在させる点を除いて、任意の、或いは、公知の態様にて実施されてよい。
【００１９】
上記の如く、製造された積層構造体に於いては、貫通孔Ｈが形成されているので、荷重が積層方向に垂直に引張り又は圧縮荷重が作用した場合に、貫通孔Ｈの周縁の領域に応力の集中部位が生ずる。しかしながら、本発明の場合には、貫通孔Ｈの周縁領域に等方性低弾性率層ＩＥが存在し、積層された板状部材間に有意なコンプライアンスが提供され、これにより、積層された板状部材間に於いて、ひずみのずれが許されることとなり、このことから応力集中の程度が緩和されることとなる。
【００２０】
より具体的には、図２を参照して、積層構造体に於いて、貫通孔の軸方向に垂直な方向（図中、左右方向）に荷重が作用した場合、応力は、図中実線の如く、伝達する。その場合、荷重による応力は、主として、その荷重方向に繊維方向が延在する層の板状部材により支持される。しかしながら、貫通孔の存在により、応力の伝達経路（応力線（横））は、貫通孔の周囲で図示の如く屈曲することとなる。そうすると、かかる応力線の屈曲した部分では、応力線に対して垂直な方向に合力が生ずるので、結局、荷重を伝達する応力線（横）に対して垂直な方向にも有意な応力が発生することとなる（応力線（縦））。かかる応力線（縦）に沿う応力は、主として、その方向に繊維方向が延在する（荷重方向に繊維方向が延在する層とは）別の層の板状部材により担持されることとなる。一方、荷重方向に繊維方向が延在する層の板状部材に於いては、応力線（縦）に沿う剛性が低いため、その応力線（縦）の方向に、図中、点線にて描かれている如く、部材が変形しようとすることとなる。
【００２１】
上記の如く、貫通孔の軸方向に垂直な方向に荷重が作用した積層構造体に於いて、荷重方向、即ち、応力線（横）の方向に繊維方向が延在する層の板状部材と、応力線（縦）の方向に繊維方向が延在する層の板状部材との間で、ひずみのずれが許されないようになっている場合、即ち、層間コンプライアンスが小さい場合には、応力線（横）に繊維方向が延在する層の板状部材が点線にて描かれている如き変形しようとすることを、応力線（縦）の方向に繊維方向が延在する層の板状部材が止めてしまうこととなる。そうすると、応力線（横）に繊維方向が延在する層の板状部材の、特に、応力線（横）の屈曲の程度が大きい部位でひずみを大きくする応力の作用が止められてしまうために、応力が高くなり、高い程度にて応力集中が生ずることとなる。一方、層間コンプライアンスが大きい場合には、応力線（横）に繊維方向が延在する層の板状部材に於ける応力線（横）の屈曲の程度が大きい部位でのひずみが或る程度にて許されることとなる。そうすると、その部位の応力が低減されることとなり、その結果、応力が周辺に分散され、応力集中の程度が緩和されることとなる。
【００２２】
図３は、貫通孔の軸方向に垂直な方向に荷重が作用した積層構造体に於いて、層間コンプライアンスが実質的に０の場合（単純積層理論に於ける仮定）に分布する応力σ０と層間コンプライアンスが有意な値である場合に分布する応力σＸとの応力差ΔσＸＸ０＝σＸ−σ０の分布（コンピュータシミュレーションによる算出結果）を表した図である。なお、図３（Ａ）は、図３（Ｂ）の貫通孔の軸方向に垂直な方向に荷重が作用した積層構造体の右上４分の１の領域の状態を示している。また、図３（Ａ）の表示は、応力差ΔσＸＸ０を層間コンプライアンスが実質的に０の場合の応力σ０で規格化した値である。図３のシミュレーションに於いては、積層構造体を、繊維方向が０°と９０°とに向いた炭素繊維複合材料の板を交互に積層して成るものとした。各層の板厚は０．１２５ｍｍとし、孔径は５ｍｍとした。シミュレーション演算では、荷重が図３（Ｂ）に示されている如く、図中左右方向に一様に作用しているものとし、有限要素法を用い、層間コンプライアンスが０の場合と、層間コンプライアンスが有意な値である場合とを設定して、それぞれ、要素に於ける応力を算出した。
【００２３】
図３（Ａ）を参照して理解される如く、層間コンプライアンスが０である場合に比して、層間コンプライアンスが有意な値となると、貫通孔の周縁の荷重方向に対して略平行な方向の部位（図中、貫通孔の最上部）の応力が低減し、それに隣接する部位へ応力が分散されていることが理解される。なお、貫通孔の周縁の荷重方向に垂直な方向の部位（図中、貫通孔の最右部）では、応力が高くなっているが、この部位では、応力の絶対値が比較的低いので、かかる応力の増大の影響は小さいと考えられる。
【００２４】
図３の結果は、図２の説明を裏付けるものであり、即ち、上記の本発明の教示するところにより、積層構造体に於いて貫通孔の周縁領域に等方性低弾性率層を介在させ、積層された板状部材間に有意なコンプライアンスを提供することにより、貫通孔の周縁領域に於ける応力集中状態を緩和できることを示唆している。また、図３（Ａ）に於いて理解される如く、有意なコンプライアンスを提供した場合の応力差が提供される領域は、貫通孔の周縁領域に限定的である。従って、等方性低弾性率層は、貫通孔の周縁領域だけでよく、積層構造体全体の剛性を殆ど低下させずに、貫通孔の周縁領域の応力集中の緩和が達成できることが理解される。実際の積層構造体に於いて、等方性低弾性率層の寸法と配置範囲は、図３の如きシミュレーション結果或いは実験に基づいて、貫通孔の周縁領域に於ける応力集中が生ずる部位が網羅されるように調整可能である。更に、低弾性率層は、等方性であるので、荷重の向きが変わっても、同様の効果が得られることは理解されるべきである。
【００２５】
ところで、上記の積層構造体に於ける等方性低弾性率層による応力集中の緩和の作用効果は、主として、荷重方向に繊維方向が沿った層の板状部材に於いて得られる。従って、或る構造体に於いて、作用する荷重の方向がわかっている場合には、等方性低弾性率層は、荷重方向に繊維方向が沿った層の板状部材の両側に配置されれば、応力集中の緩和が達成される。そこで、図４に例示されている如く、板状部材の繊維強化複合材料の繊維方向が種々の方向を向いている積層構造体であって、それに作用する荷重方向がわかっている場合には、その荷重方向に略一致する方向に繊維方向を有する板状部材Ｘの両側に等方性低弾性率層ＩＥが介在させられるようになっていてもよい。この場合、等方性低弾性率層の数が低減される点で有利である。
【００２６】
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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