理想的特性を有する衝撃吸収構造を折紙工学で実現
明治大学 研究・知財戦略機構
先端数理科学インスティテュート
特任教授 萩原 一郎

2019年12月10日© Meiji University,All rights reserved.

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従来の技術とその問題点●従来の技術前面衝突エネルギー吸収用クラッシュボックス新構造※1MAZDATOYOTA:新日鐵住金※2※1 杉山 豪ほか：新型CX-5の軽量・高剛性ボディーシェル，マツダ技報，No.34，pp.16（2017）※2 住友金属工業株式会社 プレスリリース
自動車の燃費向上と衝突安全性向上を可能にする「高効率クラッシュボックスの開発」について 文部科学大臣表彰 科学技術賞を受賞
https://www.nipponsteel.com/news/old_smi/2009/news2009-04-14-02.html※3 マツダ公式ブログ：ZOOM-ZOOM BLOG https://blog.mazda.com/archive/20180322_01.html※3Ichiro Hagiwara
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従来の技術とその問題点●従来の技術困難であった有限要素法シェルモデルによる衝突シミュレーション
技術をもとにエネルギー吸収の現象解明：基本特許

a
部材の圧潰モードba+b2

先端からa+b2のところで座屈が生じる
以後
a+b3
a +，ba+b23
部材の圧潰時の荷重履歴
部材の圧潰モード

3種類のビード

a+b2のところで座屈が生じる

エネルギー吸収材の基本特許の取得
萩原一郎, 津田政明, 北川裕一,
ビードの配置決定方法, 第2727680号(1991).
Ichiro Hagiwara
3

従来の技術とその問題点●問題点・課題
従来のクラッシュボックス

数々の改善構造が提案されている※1※2

問題点：ビードを入れることにより、変形の反力が小さく、衝突エネルギー吸収性能が低くなる※1 マツダ公式ブログ：ZOOM-ZOOM BLOG https://blog.mazda.com/archive/20180322_01.html※2 住友金属工業株式会社 プレスリリース
自動車の燃費向上と衝突安全性向上を可能にする「高効率クラッシュボックスの開発」について 文部科学大臣表彰 科学技術賞を受賞
https://www.nipponsteel.com/news/old_smi/2009/news2009-04-14-02.html

問題点：側壁にフラート面積が大きく、座屈が生じやすい
Ichiro Hagiwara
4反転らせん構造物の産業応用例• 自動車用衝撃吸収バンパー（クラッシュボックス）• 衝突の際に、高エネルギーを吸収し、かつ衝撃荷重を抑えることが求められる．

変位

従来型
多角柱

提案されたデザイン
反転らせん型

反転らせん併用型

クラッシュボックス

164mm
Ichiro Hagiwara5反転らせん構造物の産業応用例
反転螺旋円筒構造:RSCpハイドロフォーミング
メンバー
反転らせん折紙構造物で二つの欠点解消：エネルギー吸収量も1.4倍。
しかし、製造コストが高い。
Ichiro Hagiwara6反転らせん構造物の産業応用例
軸圧潰モード及びエネルギー吸収量比較

吸収エネルギー
4450601

吸収エネルギー
6176092
吸収エネルギー
8484763

現行エネルギー吸収材
ビードなし

現行エネルギー吸収材
ビードあり

折紙構造最適化

Ichiro Hagiwara7反転らせん構造物の産業応用例
新しいエネルギー吸収材／反転捩り型折紙構造
捩りのための固定具

従来型

多角柱

提案されたデザイン

捩り
高周波
誘導加熱

164mm

クラッシュボックス

反転捩り型折紙構造

力を与えるための固定具○自動車用衝撃吸収バンパー（クラッシュボックス）：衝突の際の、高エネルギーを吸収し、かつ衝撃荷重を抑えることが可能○現行の中空ハット型断面構造より安価に製造可能
萩原一郎、趙希禄、衝撃吸収体の製造装置および衝撃吸収体の製造方法、特願2017-089216（平成29年4月28日） .
Ichiro Hagiwara
8部分加熱回転成形の実験装置（開発中）

ねじり成形金型

部分加熱回転成形の実験装置

今後の機会で、成形結果を報告します

一部完成した実験装置
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9クラッシュボックス構造形状と寸法
𝐿𝐿𝑎𝑎 =144.77mm
𝐿𝐿𝑏𝑏 =58.7mm

62.2mm148.27mm
3.5mm

576.35mm

𝑙𝑙𝑏𝑏 =58.7mm

𝑙𝑙𝑎𝑎 =117.49mm

120.99mm
3.5mm

62.2mm(前端の周長) + (後端の周長)4𝑙𝑙𝑎𝑎 + 𝑙𝑙𝑏𝑏 × 2 + 𝐿𝐿𝑎𝑎 + 𝐿𝐿𝑏𝑏 × 2 352.38 + 406.94 759.32===
44
4= 189.83
𝑁𝑁 =構造の長さ 576.35≈3=
189.83189.83Ichiro Hagiwara
10折紙型クラッシュボックス構造
1.横断面:四辺形

𝑎𝑎 𝑏𝑏

4 それぞれ節点aiと節点biの接続線に、 biから 𝑖𝑖 𝑖𝑖 の所に節点20ciが得られる

2.四辺形に内接する楕円
5 節点Aから節点ciと順番的に接続し、最後節点Bも接続する線（赤い線）が得られる

3❶横断面はｘ軸、ｙ軸対称で、その四分の一の中心角を６等分する❷節点A、Bは四辺形と内接楕円の接触点➌ ai(i=1~5)は内接楕円に沿って❶から６等分した節点❹ biは四辺形に沿って❶から６等分した節点

6 対称性により、横断面の多角形（赤い線）が得られる
四辺形の周長：352.38mm
多角形の周長：326.08mm
多角形の周長= 92.5%
四辺形の周長Ichiro Hagiwara

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提案① 折紙型クラッシュボックス構造設計法
提案する折紙型クラッシュボックス構造の優位点

段差あり（１）従来のクラッシュボックスの断面形状と比べ、大きなフラットな平坦面ではなく、円周方向に沿って、折り角を均等に多く配置することにより、圧潰変形に抵抗する反力が大きくなる結果、反力と変形量の積で表す衝突エネルギー吸収量も多くなることが判る。
（２）偶数段に一律に段差を設けることによって、圧潰変形される時、クラッシュボックスの横へ倒れるオイラー座屈変形を避ける機能があり、さらに皺形状を有利な方向にコントロールすることができる。具体的に言えば、側壁面に沿って、ただ１つ大きな皺が生じるパターンは最も悪く、出来るだけ均等に側壁面に沿って皺が生じるパターンは衝突エネルギー吸収性能向上にとって理想的なパターンと思われる。
（３）クラッシュボックスの軸方向に沿って、断面の形状が少しずつ大きくなることで、圧潰変形する時に、皺が前面から後方へ順番に生じて積み重ねて行く変形パターンとなることが衝突エネルギー吸収性能向上に有利と思われる。
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12衝突解析シミュレーション結果
目的
エネルギー吸収≥ 𝟕𝟕𝟕𝟕 KJ；質量≤5.09kg
構造板厚(mm)

圧潰モード(先端から順)

重量(kg)

ピーク荷重(kN)

エネルギー吸収量(KJ) t=0.0358s

エネルギー吸収量(KJ/kg)

元構造

3.5

〇

5.631375

13.39(1)緑色横断面形状
周長率:80%

3.5○

4.829886.418(1)緑色横断面形状
周長率:80%3○

4.1

2557117.3(2)赤色横断面形状
周長率:92.5%

3○4.7629071

14.8(3)黄色横断面形状
周長率:60.5%

3○4.0240

6817(4)反転らせん折紙構造
周長率:95%3×4.94275

85

17.2

(2)

(1)

(3)

(4)

Ichiro Hagiwara
13衝突解析シミュレーション結果
ピーク荷重:緑色横断面形状＜反転らせん構造(1)緑色横断面形状と(4)反転らせん折紙構造の荷重―時間図
Ichiro Hagiwara
14衝突解析シミュレーション結果
反転らせん

緑色横断面形状

反転らせん

緑色横断面形状(1)緑色横断面形状と(4)反転らせん折紙構造の荷重―時間図と変形モード
Ichiro Hagiwara
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衝突解析シミュレーション結果

反転らせん

緑色横断面形状

反転らせん

緑色横断面形状

反転らせん

緑色横断面形状(1)緑色横断面形状と(4)反転らせん折紙構造の荷重―時間図と変形モード
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衝突解析シミュレーション結果

現行構造

反転らせん構造

全割構造

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衝突解析シミュレーション結果

現行構造

反転らせん構造

全割構造

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衝突解析シミュレーション結果
応力

反転らせん折紙構造

緑色横断面形状

t=0.0007s●緑色横断面形状：断面の周長が小さいほど、応力が大きくなるので、変形しやすくなる。

t=0.0015s●反転らせん折紙構造：段の高さは同一、ねじ角度は同一、断面の周長が大きいほど、面角度Aと面角度Bが大きくなる。これによって、変形が誘導されると考えられる。
①②③④⑤⑥⑦

面角度A[°]

6.216.266.316.366.416.46

6.51

面角度B[°]

3.73

3.82

3.89

3.98

4.05

4.14

④⑤

面角度A
③②①⑥⑦
上面図

上面図

上面図

上面図

面角度B
面角度

①②③④⑤⑥面角度

面角度

面角度

面角度：０

面角度は0から大きくなる

Ichiro Hagiwara
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提案② クラッシュボックスの充液プレス加工法
成形圧力
固定金具

成形金型

成形金型

A-A断面図

丸芯棒

A

充填液

充填液体
B-B断面図
成形素材
B

B
成形品の部分
A成形金型
成形金型
成形圧力

（１）円筒素材を両端に丸芯棒と固定金具で閉じて、丸芯棒の中心穴を通して、円筒素材の中に液体を充填する。
（２）液体を充填した円筒素材を金型に投入して、プレス荷重を加えることで成形していく。
（３）金型を開き、成形した部品を取り出し、中の液体を外へ出しておく。
（４）最後に、成形品の両端の不要部分をカットして、中央部のクラッシュボックス構造が得られる。
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さらなる応用と課題
１ 自動車のクラッシュボックスへの利用
２ 自動車のサイドメンバーへの利用
３ 落石防護柵への適用
４ 地震エネルギー吸収構造への適用
５ 列車・船舶・航空機エネルギー吸収構造への適用

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称： 衝撃吸収材および撃吸収材の製造方法• 出願人：学校法人明治大学• 発明者：萩原一郎、趙希禄、楊陽

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お問い合わせ先
明治大学
研究推進部 生田研究知財事務室
ＴＥＬ 044-934-7639
ＦＡＸ 044-934-7917
e-mail tlo-ikuta@mics.meiji.ac.jp

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