(2018 年夏季研修会資料１)
NYCT 車両部材開発検討指針（戦略）藤本栄之助
１．はしがき標記の検討を推進するために、現状で車両の底板および側壁(内装材)で採用された規格がどうなっているのか、情報を収集したいが、正確な知見はほとんど得られていない。しかしながら最近になって、①アルミ製のハニカム構造体であること、②その面重量(見かけ比重のこと)が 4.9Kg/m²であることなどが判明したので、これを手掛かりに KHI(神戸研究所)
が NYCT に提案して採用されたハニカム構造を推定し、これに数段勝る部材から成る形状を計算で策定し、開発の目標とする。ここで云う開発の視点は以下の 4 点である。
*軽量化
*難燃性
*保温性
*製造コストの低減
２．検討指針となる素材のデータ収集
NYCT が採択しているアルミ素材に対し、開発の視点から対抗できる素材を次の 4 種類に絞って調査したものを、アルミ素材と比較して表-1 に表示する。
表-1 各種素材の物性値比較
比重引張強度

引張弾性率

曲げ強度

圧縮強度

熱伝導率

Kgf/mm²

Kgf/mm²Kgf/mm²

Kgf/mm²

cal/cm.sec.
℃

アルミ

2.71

863

7,200－

－0.53

難燃サーモ

0.55－

－

－

45,000極小

FRP 強化せんい

1.50

450

12,000200－

極小

発泡 P-φ0.03－－

24,53019,6200.01 以nol
PP/LCNF/L

下0.95

353

22,470－－

極小P（注記１）難燃サーモの圧縮強度はベイマツの物性値を表示した。
（注記２）各種素材の物性値は出典により単位が様々なために下記表-２により Kgf/mm²に統一した。

表-２応力単位換算表
Pa(N/m²)

１MPa(N/mm1×10⁶

１

Kgf/mm²

9.807×10⁶9.807

Kgf/cm²

9.807×10⁴9.807×10²²)
１１×10²

上の表-１から分かるように、アルミは印象として強いという先入観があるが、確かに引張強度は樹脂系素材よりも 2～3 倍強いが、引張弾性率は樹脂よりも劣り、アルミの絶対性は揺るぎ且つ熱伝導が大で、保温にとっては決定的な欠陥があることは常識的にも頷ける。
われわれが、先行している企画に付け入る隙は十分あると考えてよい。
３．先行しているアルミハニカムの形状についての考察
現在われわれが入手しているアルミハニカムに関する情報は、面重量が 4.9Kg/m²という数値だけである。これから推定すると、これまでのベイマツを内包した構造体は厚み 1.02ｍｍのアルミ板 2 枚で挟まれていたが、今回はそうすると、アルミの比重が 2.71 であることからすでにそれだけでも面比重が 5.42Kg/ｍ²となって、4.9Kg/m²を越えてしまう。
そういう意味でもこの面重量の 4.9Kg/m²という数字は怪しい数字であるが、この数値以外に情報はないので、これで以下に計算を続ける。
（一刻も早く川崎重工業からアルミハニカムのサンプルを入手すべきである）。
ここではアルミ挟み板の厚みを 0.5ｍｍと推定して以下計算する。
アルミ挟み板 0.5ｍｍ×２枚=1.0ｍｍ→面重量 2.71
アルミハニカム面重量は2.19

構造体面重量4.90

アルミハニカム面重量は、構造体の面重量 4.90 の情報よりアルミ挟み板のそれを差し引いて 2.19 と推定できる。
ハニカムの面重量を最も軽く（小さく）できる形状は正 6 角形であるが（藤本著：「NYCT車両部材ハニカム構造の最適化検討」を参照）、成形が難しくコスト向上が避けられないので、次善策として軽量性から有利な正方形と想定して、形状を計算する。
正方形ハニカムの 1 辺を a(mm)、厚みをｔ(mm)とすると、ハニカム面重量は４t/a であらわされるから、(4t/a)(2.71)(10−2)=2.19
t=１mm とするとa=40mm

ゆえに、先行しているアルミハニカム形状は厚み 1mm で 1 辺が 40mm の正方形に類似していると想定できる。
４．新規提案する樹脂および不燃木材のハニカム構造体
これに対応して、われわれが新規に KHI へ提示する樹脂または不燃木材のハニカム形状を計算によって決める。
その前提として、樹脂は成形性を考慮して円形または正方形とし、また不燃木材はこれも加工性を優位にするために正方形とする。さらに発泡フェノール体は比重が 0.03 と極めて軽量のために、その優位性を生かしてそのまま挟み板で挟むものとして計算した。
ハニカム部材と挟み板は同じ素材とした。たとえば、FRP 素材によるハニカムは、挟み板も同じ FRP とした。
ここで、樹脂および不燃木材によるハニカム形状はアルミハニカムと同一面積と仮定し、そのために強度補正としてハニカム板の厚みを、アルミの 2 倍の 2mm として計算した。
〇樹脂およびフェノール発泡体のハニカム形状
ハニカム形状を円形とする。
（正方形でも表-４に示すように重要な指標の面重量は同一）（製造の際には円形パイプを押出し成型で製造し、所定の厚み 8mm にカットして、下図のように配列する。
）
図-１
平面図‐細(最)密充填に張付け

側面図（円の直径 13mm）

1mm8mm1mm

アルミハニカム(正方形）の面積は S＝a²＝1,600mm²
樹脂ハニカム(円形)の面積も同じとして S’＝(π/4)d²＝1,600mm²→d＝45mm〇不燃木材の形状は、加工性のことを考えてアルミハニカムと同じ正方形としたから、一片の長さは 40mm である。
〇発泡フェノール体はそのまま、上図の側面図のようにして FRP 材挟み板でサンドイッチ型にする。
以上の前提で計算した総合表を、表‐3 に示す。

表-3 各種ハニカムの面重量
素材

アルミFRP

PP/LP/CN

不燃サーモ

発泡 p-φolF

項目
体重量/面重量

体重量/面重量

体重量/面重量

体重量/面重量

体重量/面重量

構造

挟み板

2.71/2.71

1.50/3.00

0.95/1.90

0.55/1.10

1.50/3.00形体

ハニカム

0.09/2.19

0.18/2.13

0.18/1.35

0.20/0.88

0.03/0.24

合計/4.90/5.13/3.25/1.98/3.24

火炎伝達性 ASTM

合格

合格

合格

合格

ASTM

合格

合格

合格

合格

×〇

〇〇

発煙性
保温性能〇

５．考察
既設のアルミハニカム構造体は、たった一つの情報である面重量数値が 4.90 を正として考えると、アルミ製挟み板は 0.5mm×2 枚とせざるを得ないので、挟み板 2 枚で 1mm、ハニカム厚みは 9mm、当たる 10mm として計算した。
新規提案のハニカム構造体は、（１）樹脂素材および不燃木材については、挟み板厚みは1mm×2 枚とし、ハニカム厚みはアルミ強度との調整で 2mm として計算した。ハニカム構
造体の厚みは 8mm となる。
（２）発泡フェノール樹脂のサンドイッチ構造体では、挟み板を FRP１mm×2 枚で発泡フェノール樹脂層 8mm を挟み込む形状として計算した。
このような前提で計算した結果を総合して表-３に示した。
表-３から分かるように、FRP 素材で作成したハニカム構造体は、アルミハニカムに比べて軽くなっていない。その理由は FRP の比重は最も軽いもので 1.50 と樹脂の中では重いからである。同じ意味で、発泡フェノール樹脂は最も軽い素材であるが、挟み板に FRP を使う限り、その軽量性が相殺されてしまい特徴を失ってしまう。
したがって、発泡フェノールサンドイッチ構造体の挟み板には PP/LP/LCNF コンポジッ
トを使えば、合計の面重量が 2.42 になり軽量化に貢献できるようになる。
アルミハニカムに対して半分以上も軽くなるのは不燃木材としてサーモウッドを不燃化した素材を使用する場合である。
PP/LP/LCNF コンポジットもアルミより 33％も軽くなるので、注目すべきである。現在
難燃性試験を実施してデータを収集中である。

６．参考データ
表-４ 形状と体積重量の関係
円

正 6 角形

菱形正方形

正三角形

(1/4)πa²(7/2√3)a²(√3/2)a²a²(√3/4)a²

厚み t の縁面積πat(14/3)at

6at

4at

3at

縁充填率/比重4t/a( 4√3/3)t/a(12/√3)t/a4t/a(12/√3)t/a

縁充填率比較

1.00

0.58

1.73

1.00

1.73

総合評価

〇〇〇

×〇

×

充填率(アルミ)

0.14

0.08

0.70

0.140.70

充填率(サーモ)

0.05

0.03

0.26

0.050.26

形状
辺 a の面積（注記）充填率（見かけ比重）の計算〇アルミ

t=1mm a=80mm 比重=2.71〇サーモの不燃木材

t=2mm a=80mm 比重=0.50

７．参考写真以上の考察で、樹脂ハニカム構造体はパイプを所定の長さに切断して、それらを図-１の平面図に示すように配列することを提案したが、もっと製造コストを低減する方法として引抜き成形法で製作する方法もあるので、そのイメージ図を図-２に示す。
この方法で製作する場合には、金型を改造して正方形のハニカムを提供することになりが、面重量は表-4 に示す通り円形の場合と変わらない。
図-２ 引抜き成形法による FRP 角型ハニカム構造体（蝶理㈱技術顧問 服部公司氏提供）