長繊維または織物状繊維で強化した複合プラスチック材による六角錐台形コアパネルの製造に関する研究
埼玉工業大学 工学部機械工学科教授 趙 希禄
（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014006）
キーワード：繊維強化プラスチック，複合材料成形，トラスコアパネル，ハニカムコアパネル，固有振動特性

１．研究の目的と背景

本論文では，通常のプレス成形法の代わりに，繊維強化省資源による軽量化構造の設計開発は，産業界のあらゆプラスチック（Fiber Referenced Plastic，以下 FRP と称る分野の重要課題であり，ハニカムコアパネルは航空機用する）の加工性能を活かして，新たにガラス繊維と熱硬化途を中心に開発されてきたが，飛翔体以外にも利用が増し性ポリエステル樹脂を使用した複合材料によるトラスコており，現在はレーシングカー，新幹線の高速鉄道や高層アパネルの成形法を提案し，試作実験により本研究の提案ビルなどで利用範囲が限られているが，今後利用の増加がする加工方法の妥当性および成形した FRP トラスコアパ予測される 1)．しかし，ハニカムコアパネルは表面平板とネルの加工性能について検証する．さらに，有限要素法解垂直方向に配置する芯材の間に固着しているため，せん断析と振動台による加振実験を用い，本加工法で成形した変形に弱く，せん断荷重が存在する場合に適用しにくい欠FRP トラスコアパネルと FRP ハニカムコアパネルの振動特点が指摘されている．そこで折紙工学から得た知見を活か性を検討して，本研究の提案する FRP トラスコアパネルのし，ハニカムコアパネルの代わる軽量化パネルとして，ト振動特性および実用性に関する検討を行う．

ラスコアパネルの研究開発に着手し，数多くの研究成果が発表されている．

２．トラスコアパネルとその製造法

野島が提案されたトラスコアパネルのセル形状は三角

トラスコアパネルとは図 1 に示すように平面に稜と頂錐の稜と頂点を削った形状とも考えられ，平面的にその台点を削った三角錐状のセルを千鳥状に配置されるパネル形セルが千鳥状に配置されているパネルである 2)．斉藤らである．このようなコアパネルを 2 枚表と裏に逆にして重がトラスコアパネルの構成パターンとその機械的特性のね合わせ接合することによって,図 2 に示すトラスコアパ関係について研究し，トラスコアパネルのせん断剛性や単ネルが製作される．

位質量にあたる曲げ剛性など力学特性はハニカム構造より優れることが判った 3-5)．戸倉らはトラスコアパネルの衝突エネルギー吸収特性を研究し，その衝突エネルギー吸収量の最も多いトラスコアの形状構成を求められた 6)．田中らはトラスコアパネルの形状構成から振動特性への影響について検討した結果が発表された 7)．楊らは実際にトラスコアパネルを補強メンバーと表面平板に組み立て構成したフロアー構造に対して，幾何学的形状と寸法の最適設計を行い，最適なフロアー構造が得られた 8)．
ただし，トラスコアパネル構造の優れた比剛性や振動特(a) シングルパネル(b) ダブルパネル

図 1 トラスコアパネルの構造性などが確認されつつあり，さらに構成コアの高さが高くすればするほどトラスコアパネルの力学特性がもっと良くなることが明らかになっているにもかかわらず，3 次元的に複雑な形状をもつことに起因したトラスコアパネルの加工問題は十分に解決されていなく，実製品への実用化を大きく遅らせているのが現状である．
そこで，戸倉らは，半球型中間モデルによるトラスコアパネルの多段階プレス成形法を提案し，その成形法を用い

図 2 トラスコアと形状パラメータて実際にトラスコアパネルが加工できることを発表している 9-11)．しかし，得られたトラスコアパネルの板厚分布

トラスコアパネルのコア構造と形状パラメータを図 2は不均一であり，その板厚の最も薄い値は深絞り成形鋼板に示す．図中より，トラスコアは頂面と底面に正三角形ののき裂発生基準値に接近しており，安定的な大量生産に適角部をカットして得られた六角形を，側面に 3 つの台形と用するレベルには達していない．

3 つの長方形を交互貼り付けて構成される．a は側面の台形の底辺長さ，b は側面の台形の頂辺の長さ，c は側面のの通りである．

長方形の底辺長さ，ｈはコアの高さである．これらの形状パラメータを変えることによってコアの形状を調整することができる．
本研究で取扱うトラスコアの形状パラメータを用い，汎用 CAD システム PRO/Engineering で作成した 3 次元コア形状と寸法を図 3 に示す．

(a)金型を洗浄し，離型剤を刷り込む

図 3 トラスコアパネルの CAD 形状と寸法
金属材料のアルミニウムやスチールでコアパネルを作(b)樹脂に硬化剤を添加する

る場合，プレスの深絞り加工で製造できる．しかし張出し変形モードがメインになっているため，台形のところで破断が生じる可能性が高く，あるいはローカル的に肉厚が激しく薄くなる欠点がある．
本研究では，熱硬化性ポリエステル樹脂と補強材のガラ
ス繊維を使用した FRP を用いてトラスコアパネルを成形することを考案する．成形用金型の材質にはアルミニウムを使用し，マシンニングセンターを利用し製作した成形金型を図 4 に示す．図中より，1 回の成形工程では 4 個のコアが成形される．

(c)樹脂を凹型表面に塗る(d)ガラス繊維を貼り付け，更に樹脂を塗る

図 4 トラスコアパネルの成形用金型
図 4 に示す成形金型を用いて，凹凸の金型の間に厚さ(e)金型をプレスし硬化させる

1.0mm のスペーサを入れて，パネルの板厚をコントロールする．具体的なトラスコア成形過程は図 5 に示すように次

図 5 FRP によるトラスコアパネルの成形過程

(1) アセトンで金型を洗浄して，離型剤を 2 回凹型表面に刷り込む．
（図 5(a)）３．FRP トラスコアパネルの性能検証
3・1(2) 熱硬化性ポリエステル樹脂に硬化剤を 3％添加して，完全にかき混ぜる．
（図 5(b)）

FRP 材料特性の測定

本研究の提案する加工方法で作成した FRP トラスコア
パネルの振動特性を数値解析および振動台による加振実(3) 樹脂を凹型表面に塗り，ガラス繊維を張り付け，さらに樹脂を塗る．
（図 5(c)，図 5(d)）(4) 最後に凸型を上からプレスして，4 時間加圧状態で硬化させる．
（図 5(e)）験で検証するために，前節の加工方法で得られた FRP トラ
スコアパネル材料の力学特性を調べる必要がある．
ここで，前節と同様な加工方法で FRP 平板を作成して，それから引張試験片を切り出し，引張試験片の長さは150mm，中央引張変形部の幅は 20mm である．作成した FRP平板と引張試験片を図 8 に示す．

(a) 成形したパネル(b) トラスコア構造

図 6 成形したパネルとコア構造

図 8 FRP 材料の力学特性を測定する引張試験片
島津製作所製の AG-300ｋNG 材料試験機を使用して 2 回引張試験を行い，得られた測定結果を表１に示す．
表1

FRP 材料の引張試験結果
ヤング率（GPa）

ポァソン比

1 回目試験

3.820.38

2 回目試験

3.740.38

平均値

3.780.38

また，前節の加工方法で得られたトラスコアの質量をそれぞれ測り，得られた 1 個の平均質量は 15g で，CAD シス
テムで計算した体積は 1146.7mm3 であるので，FRP 材料の図 7 嵌合加工法で成形したトラスコアパネル
実際に成形したパネルとコア構造を図 6 に示す．
図 6(a)

密度は次式で計算される．

の中央にトラスコアが４個成形されており，周辺の 4 つの穴は金型の位置決め及びスペーサ用のピン跡である．図6(b)に示すのは余分な材料をカットして得られたトラスコアである．トラスコアの肉厚は 1mm である．
図 6(b)に示すトラスコアを利用して，図 7 に示すよう

1.5  103
 1308 kg / m3
91146.7  10(1)

これらの材料特性値を用い，FRP トラスコアパネルの振動特性の数値解析を行うことができる．
3・2

FRP トラスコアパネルの振動特性に，交互に逆方向に沿って側面長方形同士を接着剤で接合検証のため，同じ条件の下で，FRP トラスコアパネルのさせて，さらに両面から図 5 示す同様な方法で作成した

固有振動特性について，汎用解析ソフト ANSYS を用い有限FRP 平板を接着剤で接合して，FRP トラスコアパネルが得要素法解析と振動台による加振実験をそれぞれ行い，詳細られる．本研究の振動実験測定に使用する FRP トラスコアな検討を行う．

パネルのコア数は 49 個である．

PC

FFT アナライザー
アンプ
試験片振動台(a) 解析モデル(b) 解析メッシュ

図 9 有限要素法解析モデルと解析メッシュ
図 12 振動台の加振による振動特性測定システム
有限要素法解析モデルと解析メッシュを図 9 に示し，解析には 2 次ソリッド要素を使い，節点数は 156645，要素一方，図 12 に示す振動台の加振による振動特性測定シ数は 47638 である．材料特性値には表 1 と式(1)のデータステムを利用して，測定した FRP トラスコアパネルの固有を用い，ヤング率は 3.78GPa，パァソン比は 0.38，密度は振動モードは図 11 の固有振動モード結果と一致している

1308kg/m3 である．

ことが確認できた．さらに測定した固有振動数の値を有限要素法の解析値に比較した結果を表 2 にまとめる．
表 2 固有振動数の解析値と実測値の比較（Hz）解析値

実測値

誤差

1 次振動数51.1

48.55.3％

2 次振動数79.580.8-1.6％

表 2 の結果により，有限要素法の解析結果は振動台加振による測定結果に近いことが判り，図 11 と表 2 の固有振動結果が正しいことを示している．

図 10 有限要素法解析に用いる拘束条件
図 10 に示すように，コアとコア，コアと平板の間に強制に同じ変位成分を用いるバンド拘束条件を与えて，実際に振動台による加振実験と同様にパネルの 1 つの角部を完全に固定する拘束条件を与える．解析した結果を図 11に示し，図 11(a)と(b)に示すのは，それぞれ 1 次横振動モードと 2 次捩じり振動モードであり，それらに対応する固有振動数はそれぞれ 51.1Hz と 79.5Hz である．

４．ハニカムコアパネルとの比較
比較のため，図 13 に示す 3D プリンターを使いハニカムコアを作るための ABS 製の金型を作成する．
それから，第 2 節と同様な方法で ABS 製の金型の隙間にガラス繊維と硬化剤を添加したポリエステル樹脂を入れて硬化させて，さらに ABS 製の金型を壊し外すことによってハニカムコアが得られ，最後に 2 枚の平板を両面から接着剤で接合して，図 14 に示す FRP ハニカムコアパネルが得られる．
3D プリンター（MF-2200D）
ハニカムコア作成用 ABS 金型(a) 1 次固有モード(b) 2 次固有モード

図 11 有限要素法で解析した固有モード結果

図 13 3D プリンターとハニカムコア作成用 ABS 金型

表3

1 次振動数

2 次振動数

トラスコアパネル

51.1

79.5

ハニカムコアパネル

42.5

70.8

比較

20.2％

12.3％

表4

図 14 FRP ハニカムコアパネル
図 15 に示すのは，FRP ハニカムコアパネルの振動解析モデルと解析メッシュであり，解析には 2 次ソリッド要素

2 種類パネルの解析結果の比較（Hz）

2 種類パネルの実測結果の比較（Hz）
1 次振動数

2 次振動数

トラスコアパネル

48.580.8

ハニカムコアパネル

44.075.8

比較

10.2％

6.6％

を使い，節点数は 14224，要素数は 15100 である．材料特性値にはトラスコアパネルと同じデータを用いる．

表 3 と表 4 の結果により，解析値での 1 次振動数と 2次振動数は，それぞれ 20.2％と 12.3％高く，実測値での1 次振動数と 2 次振動数は，それぞれ 10.2％と 6.6％高いことを示している．
さらに，実物を計測して得られたトラスコアパネルの質量 294g とハニカムコアパネルの質量 292g のことを考慮し，単位質量あたりの固有振動特性を比較しても，解析値での1 次振動数と 2 次振動数は，それぞれ 20.0％と 11.6％高
く，実測値での 1 次振動数と 2 次振動数は，それぞれ10.0％と 6.2％高いことを示している．

(a) 解析モデル(b) 解析メッシュ

よって，同じ FRP 材料で作成したトラスコアパネルの固有振動特性は，明らかにハニカムコアパネルより改善され

図 15 ハニカムコアパネルの解析モデルと解析メッシュたことを示している．

(a) ハニカムコア(b) トラスコア

図 17 ハニカムコアとトラスコアの比較
その理由を分析すると，図 17(a)に示すようにハニカム
図 16 ハニカムコアと平板の結合条件

コアの六角柱側面が上下端面に直角で互いに平行面になっていることに対して，図 17(b)に示すトラスコアの斜線拘束条件については，図 15(a)に示すように，パネルので表す長方形側面が上下の平面に対して交互に異なる斜1 つの角部を完全に固定する拘束条件を与える．また，ハめ方向に接合されているため，この傾いた側面板がせん断

ニカムコアと平板の結合条件には，図 16 に示すように強変更を抑止する効果を果たしていると思われる．

制に同じ変位成分を与える拘束条件を適用する．

さらに，ハニカムコアの上下端面に直角で表面平板と接解析して得られた固有振動モードは図 11 の固有振動モ合することに対して，トラスコアの上下端面に六角形の端ードと一致しており，さらに FRP ハニカムコアパネル固有面で表面平板に接合することとなる．この違いによりパネ振動数を，前節の FRP トラスコアパネル固有振動数の解析ルの曲げ剛性を高めることが考えられる．

値に比較した結果を表 3 にまとめる．

５．結論

参考文献

本研究では，ハニカムコアパネルの代わりに開発されているトラスコアパネルの加工困難な問題を解決するため

1)佐藤孝：ハニカム構造材料の応用，シーエムシ出版，（2002）．に，通常のプレス加工法に対してガラス繊維と熱硬化性ポ

2)野島武敏：折紙の数理化とその学術的応用：主に折紙のリエステル樹脂を用いる FRP トラスコアパネルとその加工学化について，応用数理，Vol.18，No.4，（2008），工方法を提案して，有限要素法解析と試作実験を利用して詳細な検討を行い，以下の結論が得られた．

pp.271-284．
3)斉藤一哉・野島武敏・萩原一郎：新しく開発した軽量コ(1) 本研究の提案する加工法で成形した FRP トラスコア

アパネルの幾何学的パターンと機械的特性の関係，日本パネルの形状精度が高く，板厚も均一であり，通常のプレ機 械 学 会 論 文 集 A 編 ， Vol.74, No.748 (2008),

ス加工法で成形する際に，トラスコアパネルの台形のところで破断が生じるまたはローカル的に肉厚が激しく薄くなる問題が解決できた．

pp.1580-1586
4)斉藤一哉・野島武敏・森村浩明・萩原一郎：新しく開発した軽量コアパネルの曲げ剛性の評価，日本機械学会論(2) 本研究の提案する加工法で成形した FRP トラスコア

文集 A 編，Vol.75, No.750 (2009), pp.259-265.

パネルに対して，有限要素法解析と振動台による加振実験5)斉藤一哉・武田晃太・戸倉直・萩原一郎：新しく開発しを用い固有振動特性を検討して，精度の良い結果が得られた軽量コアパネルの幾何学的パターンとプレス成形性て，FRP トラスコアパネルの固有振動特性を正確に評価すの関係，日本機械学会論文集 A 編，Vol.75, No.751

ることができた．

(2009), pp.381-387.

(3) 本研究の提案する加工法で成形した FRP トラスコア

6)戸倉直・萩原一郎：トラスコアパネルの衝撃エネルギーパネルと FRP ハニカムコアパネルを比較するため，数値解吸収性能向上のための形状最適化，日本機械学会論文集

析と実験測定の方法を用い，それぞれ固有振動特性を評価し比較した結果，FRP トラスコアパネルの固有振動特性は，

A 編，Vol.76, No.765 (2010), pp.564-572.
7)田中聡・森村浩明・斉藤一哉・萩原一郎：トラスコアパ

FRP ハニカムコアパネルより平均的に 10％以上改善されネルの振動特性に関する研究，日本機械学会論文集 C 編，ていることが確認できた．よって，FRP ハニカムコアパネ

Vol.76, No.765 (2010), pp.1050-1055.

ルの代わりに本研究の考案する FRP トラスコアパネルを適用することは妥当であることを示している．
今後の課題としては，樹脂の硬化時間が長いことを含め，本加工法の生産効率を向上し，大量生産を目指す目標へ展開する検討を行う予定である．

8)楊陽・趙希禄・戸倉直・萩原一郎：トラスコアパネルからなる軽量化構造の衝突エネルギー吸収性能向上，日本機械学会論文集 80(815), SMM0191-SMM0191, 2014.
9)戸倉直・萩原一郎：トラスコアパネルの製造シミュレー
ション，日本機械学会論文集 A 編，Vol.74, No.746(2008),pp.5-10.

辞10)戸倉直・萩原一郎：成形シミュレーションで得られる

本研究は，公益財団法人天田財団の平成 26 年度一般研謝

加工硬化を考慮したトラスコアパネルの曲げ剛性の検究開発助成 AF-2014006 の支援を受けて遂行された研究で討，日本機械学会論文集 A 編，Vol.75，No.753,（2009），あり，ここに記して，心より深く感謝の意を表します．

pp.588-594.

また，本研究の実施に当たって，多大な助言と御協力を

11)戸倉直・萩原一郎：トラスコアパネルの製造法と強度いただいた元埼玉工業大学工学部機械工学科教授の栗山

特性(<小特集>折紙工学の現状と課題)，日本シミュレー

慎峰先生に深く感謝します．

ション学会論文集，Vol.29，No.3,（2010），pp.90-95.