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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-14
(45)【発行日】2023-11-22
(54)【発明の名称】車体構造部材の設計方法
(51)【国際特許分類】
B62D 25/06 20060101AFI20231115BHJP
B62D 25/04 20060101ALI20231115BHJP
B62D 25/20 20060101ALI20231115BHJP
B60J 5/00 20060101ALN20231115BHJP
B60R 19/04 20060101ALN20231115BHJP
【ＦＩ】
B62D25/06 A
B62D25/04 Z
B62D25/20 Z
B60J5/00 Q
B60R19/04 M
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020034891
(22)【出願日】2020-03-02
(65)【公開番号】P2021138167
(43)【公開日】2021-09-16
【審査請求日】2022-11-04
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(72)【発明者】
【氏名】阿部 雅彦
【審査官】渡邊 義之
(56)【参考文献】
【文献】特開平４－７５７１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平６－４０２５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１８６７７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１４２２０５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００１－３１２５２５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６２Ｄ １７／００－ ２５／０８
Ｂ６２Ｄ ２５／１４－ ２９／０４
Ｂ６０Ｊ ５／００
Ｂ６０Ｒ １９／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
長手方向に延在する車体構造部材の設計方法であって、前記長手方向に垂直な断面における、
断面係数Ｚ、
最大曲げモーメントＭｍａｘと降伏モーメントＭｙとの比率であるモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙ、
衝突時の加工硬化による前記最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を示す第一影響度α、及び、
前記長手方向に垂直に延在する曲げ基準線に交差する方向への塑性変形域の進展による前記最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を示す第二影響度β、
が下記の（１）式と（２）式を満たすように、前記車体構造部材の断面形状及び／又は材質を設計することを特徴とする車体構造部材の設計方法。
【数1】
【数2】
【請求項2】
前記第一影響度αを、前記車体構造部材の降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータｃの関数ｇ（ｃ）で算出し、前記第二影響度βを、前記車体構造部材の弾性座屈応力σｃｒ（Ｒ）と降伏応力σｙとの比率の関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）で算出し、
前記モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙを下記の（３）式により算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の車体構造部材の設計方法。
【数3】
【請求項3】
前記関数ｇ（ｃ）がＶｏｃｅの式に基づき導出されることを特徴とする請求項２に記載の車体構造部材の設計方法。
【請求項4】
前記断面のうち前記（１）式と（２）式を満たす断面が、前記長手方向の全長の５０％以上に存在するように前記車体構造部材を設計することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の車体構造部材の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車体構造部材の設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、車体構造部材として、鋼板を材料として形成され所定の断面形状を有する中空部材が用いられている。これらの車体構造部材は、軽量化を実現するとともに、衝突等による衝撃が加えられた際に十分な曲げ耐力を有することが求められる。このため、近年、高い強度を有する高張力鋼板が材料として使用されることがある。
【0003】
下記の特許文献１には、軸方向圧縮曲げ変形を被る車体構造用部材において、より軽量で、軸方向圧縮曲げ強度が高い部材を実現するため、圧縮変形を受ける面を外側に凸に湾曲させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００５－１８６７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献１に記載の技術は、部材の断面形状のうち、圧縮変形を受ける面の形状を外側に凸に湾曲させるのみであり、湾曲面に連続する平面も含めた断面形状が部材全体の曲げ耐力に与える影響を考慮していない。また、車体構造用部材に使用する材料の薄肉化・高強度化は、当該部材の弾性座屈応力を低下させうる。このため、曲げ荷重を受ける部位、特に平面部において、材料の降伏応力に到達する前に弾性座屈が生じるおそれがあり、これにより曲げ耐力が低下するおそれがある。
しかし、上記特許文献１に記載の技術を含め、従来の技術は、高い曲げ耐力を得るために最適な部材の断面形状を設定するものではなかった。
しかし、上記特許文献１に記載の技術を含め、従来の技術は、高い曲げ耐力を得るために最適な部材の断面形状を設定するものではなかった。
【0006】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高い曲げ耐力を発現することが可能な、新規かつ改良された車体構造部材の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
（１）本発明の第一の態様は、長手方向に延在する車体構造部材の設計方法であって、前記長手方向に垂直な断面における、断面係数Ｚ、最大曲げモーメントＭｍａｘと降伏モーメントＭｙとの比率であるモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙ、衝突時の加工硬化による前記最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を示す第一影響度α、及び、前記長手方向に垂直に延在する曲げ基準線に交差する方向への塑性変形域の進展による前記最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を示す第二影響度β、が下記の（１）式と（２）式を満たすように、前記車体構造部材の断面形状及び／又は材質を設計する車体構造部材の設計方法である。
（２）上記（１）に記載の車体構造部材の設計方法では、前記第一影響度αを、前記車体構造部材の降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータｃの関数ｇ（ｃ）で算出し、前記第二影響度βを、前記車体構造部材の弾性座屈応力σｃｒ（Ｒ）と降伏応力σｙとの比率の関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）で算出し、前記モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙを下記の（３）式により算出してもよい。
（３）上記（２）に記載の車体構造部材の設計方法では、前記関数ｇ（ｃ）がＶｏｃｅの式に基づき導出されてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の車体構造部材の設計方法では、前記断面のうち前記（１）式と（２）式を満たす断面が、前記長手方向の全長の５０％以上に存在するように前記車体構造部材を設計してもよい。
（１）本発明の第一の態様は、長手方向に延在する車体構造部材の設計方法であって、前記長手方向に垂直な断面における、断面係数Ｚ、最大曲げモーメントＭｍａｘと降伏モーメントＭｙとの比率であるモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙ、衝突時の加工硬化による前記最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を示す第一影響度α、及び、前記長手方向に垂直に延在する曲げ基準線に交差する方向への塑性変形域の進展による前記最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を示す第二影響度β、が下記の（１）式と（２）式を満たすように、前記車体構造部材の断面形状及び／又は材質を設計する車体構造部材の設計方法である。
【数1】
【数2】
（２）上記（１）に記載の車体構造部材の設計方法では、前記第一影響度αを、前記車体構造部材の降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータｃの関数ｇ（ｃ）で算出し、前記第二影響度βを、前記車体構造部材の弾性座屈応力σｃｒ（Ｒ）と降伏応力σｙとの比率の関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）で算出し、前記モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙを下記の（３）式により算出してもよい。
【数3】
（３）上記（２）に記載の車体構造部材の設計方法では、前記関数ｇ（ｃ）がＶｏｃｅの式に基づき導出されてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の車体構造部材の設計方法では、前記断面のうち前記（１）式と（２）式を満たす断面が、前記長手方向の全長の５０％以上に存在するように前記車体構造部材を設計してもよい。
【発明の効果】
【0008】
上記の本発明の態様によれば、弾性座屈を確実に回避しつつ、衝突時の加工硬化による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度と曲げ基準線に交差する方向への塑性変形域の進展による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を考慮して高い曲げ耐力を発現できるように車体構造部材を設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】構造部材の一例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ’断面図である。
【図2】湾曲部の曲率半径Ｒの設計変更による、断面係数Ｚの変化とモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの変化を合わせて示すグラフである。
【図3】曲率半径Ｒの増大に伴う最大曲げモーメントＭｍａｘの変化を示すグラフである。
【図4】降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータｃと関数ｇ（ｃ）の関係を示すグラフである。
【図5】降伏応力σｙに対する弾性座屈応力σｃｒの比とモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの関係をプロットしたグラフである。
【図6】構造部材が適用される一例としての自動車骨格を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下の説明において、車体構造部材の材軸方向、すなわち、軸線が延びる方向を長手方向と呼称する。
「断面長さ」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面における周方向に沿った長さを意味する。
「平面部」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面において直線状の部位、具体的には、断面の最大外形寸法よりも曲率半径が大きい部位を意味する。最大外形寸法とは、当該断面における任意の二点の端部間距離が最大となる直線の長さを意味する。
「湾曲部」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面のうち、平面部を除く部位、すなわち、曲率半径が断面の最大外形寸法以下の部位であり、車体構造部材の外側方向又は内側方向に凸の円弧状の部位を意味する。従って、湾曲部のＲ止まりとは、平面部と湾曲部との境界を意味する。
「モーメント効率」とは、降伏モーメントＭｙに対する最大曲げモーメントＭｍａｘの割合を意味する。すなわち、モーメント効率はＭｍａｘ／Ｍｙで計算される指標であり、モーメント効率が１を超えると塑性座屈が発生し、１未満であると弾性座屈が発生するとみなせる。
「断面長さ」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面における周方向に沿った長さを意味する。
「平面部」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面において直線状の部位、具体的には、断面の最大外形寸法よりも曲率半径が大きい部位を意味する。最大外形寸法とは、当該断面における任意の二点の端部間距離が最大となる直線の長さを意味する。
「湾曲部」とは、車体構造部材の長手方向に垂直な断面のうち、平面部を除く部位、すなわち、曲率半径が断面の最大外形寸法以下の部位であり、車体構造部材の外側方向又は内側方向に凸の円弧状の部位を意味する。従って、湾曲部のＲ止まりとは、平面部と湾曲部との境界を意味する。
「モーメント効率」とは、降伏モーメントＭｙに対する最大曲げモーメントＭｍａｘの割合を意味する。すなわち、モーメント効率はＭｍａｘ／Ｍｙで計算される指標であり、モーメント効率が１を超えると塑性座屈が発生し、１未満であると弾性座屈が発生するとみなせる。
【0011】
湾曲部の曲率半径は、以下のようにして得られる。すなわち、車体構造部材の長手方向に垂直な断面において、湾曲部の両端の２つのＲ止まりと、表面のうち湾曲部において上記２つのＲ止まりの点から上記表面に沿って等距離に位置する曲げ中央点と、の３点を求める。これら３点から公知の数学的手法により曲率を求めることで、当該湾曲部の曲率半径が得られる。なお、上記表面は、板材の曲げ外側の表面である。
【0012】
以下、本実施形態に係る車体構造部材１の設計方法について、図１に示す車体構造部材（以下、構造部材１と呼称する）を例にとって説明する。
図１の（ａ）は、構造部材１の斜視図である。構造部材１は、車体の構造部材、言い換えると骨格部材である。車体は、例えば自動車の車体である。
構造部材１は、図１の（ａ）に示すように、長手方向に延在する中空筒状の角管部材である。図１の（ｂ）は、構造部材１の長手方向中央部における、長手方向に垂直な断面（図１の（ａ）のＡ－Ａ’断面）を示す。
図１の（ａ）は、構造部材１の斜視図である。構造部材１は、車体の構造部材、言い換えると骨格部材である。車体は、例えば自動車の車体である。
構造部材１は、図１の（ａ）に示すように、長手方向に延在する中空筒状の角管部材である。図１の（ｂ）は、構造部材１の長手方向中央部における、長手方向に垂直な断面（図１の（ａ）のＡ－Ａ’断面）を示す。
【0013】
構造部材１は、鋼板などの板材に対し公知の種々の加工技術を適用することにより、形成され得る。一例として、ブランク材を、冷間又は熱間でのプレス加工により所定の形状に成形して端部を接合することで、構造部材１が形成されてもよい。
構造部材１は、後述する平面部における引張強度が１１８０ＭＰａ以上であることが好ましく、１５００ＭＰａ以上であることがより好ましい。
なお、板材としては、構造部材１に求められる衝撃吸収特性や軽量化の観点から、例えば０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下の鋼板であってよい。
板材の素材としては、鋼の他、アルミなどの金属であってもよい。
構造部材１は、後述する平面部における引張強度が１１８０ＭＰａ以上であることが好ましく、１５００ＭＰａ以上であることがより好ましい。
なお、板材としては、構造部材１に求められる衝撃吸収特性や軽量化の観点から、例えば０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下の鋼板であってよい。
板材の素材としては、鋼の他、アルミなどの金属であってもよい。
【0014】
構造部材１は、衝突時の荷重を受けて曲げが発生するように車体に設けられる。曲げは、長手方向に垂直な方向に延在する曲げ基準線Ｌを中心に、一方側が曲げ圧縮側、他方側が曲げ引張側となるように与えられる。図１の（ｂ）に示す例では、曲げ基準線Ｌの上側が曲げ圧縮側であり、曲げ基準線Ｌの下側が曲げ引張側である。
【0015】
図１の（ｂ）に示すように、構造部材１の断面は、長手方向に垂直な断面が、曲げ基準線Ｌに平行な一対の第一平面部１１ａ，１１ａと、曲げ基準線Ｌに垂直な一対の第二平面部１１ｂ，１１ｂとを有する。一対の第一平面部１１ａ，１１ａと一対の第二平面部１１ｂ，１１ｂは、四つの湾曲部１２を介して連なることで、閉断面を構成している。
【0016】
一対の第一平面部１１ａ，１１ａは、図１の（ｂ）に示すように、曲げ基準線Ｌを挟んで平行に延在する。一対の第一平面部１１ａ，１１ａは互いに距離ｈだけ離間している。
第一平面部１１ａは、第二平面部１１ｂと比べ、曲げ基準線Ｌから遠くに配置されていることから、曲げ荷重による弾性座屈が発生しやすい部位である。従って、第一平面部１１ａの断面長さｂｆが小さいほど、弾性座屈を抑制することができる。一方、第一平面部１１ａの断面長さｂｆが小さすぎる場合には断面係数が低下し部材全体としての曲げ耐力が低下する。
尚、本実施形態では、曲げ基準線Ｌを中心に線対称の断面形状を例としているため、一対の第一平面部１１ａ，１１ａが同一の断面長さを有するが、線対称ではない断面形状である場合、当該断面において最も弾性座屈しやすい平面部の断面長さを断面長さｂｆとする。
第一平面部１１ａは、第二平面部１１ｂと比べ、曲げ基準線Ｌから遠くに配置されていることから、曲げ荷重による弾性座屈が発生しやすい部位である。従って、第一平面部１１ａの断面長さｂｆが小さいほど、弾性座屈を抑制することができる。一方、第一平面部１１ａの断面長さｂｆが小さすぎる場合には断面係数が低下し部材全体としての曲げ耐力が低下する。
尚、本実施形態では、曲げ基準線Ｌを中心に線対称の断面形状を例としているため、一対の第一平面部１１ａ，１１ａが同一の断面長さを有するが、線対称ではない断面形状である場合、当該断面において最も弾性座屈しやすい平面部の断面長さを断面長さｂｆとする。
【0017】
第二平面部１１ｂは、曲げ基準線Ｌに垂直な方向に延在する部位である。第二平面部１１ｂでは、曲げ基準線Ｌから離間する位置であるほど、高い圧縮応力又は引張応力が発生する。第二平面部１１ｂの断面長さｈｆが小さいほど、弾性座屈が発生しにくくなるが、断面長さｈｆが小さすぎる場合には断面係数が低下し部材全体としての曲げ耐力が低下する。
尚、本実施形態では、曲げ基準線Ｌに垂直な方向を中心に線対称の断面形状を例としているため、一対の第二平面部１１ｂ,１１ｂが同一の断面長さを有するが、線対称ではない断面形状である場合、曲げ基準線Ｌからの最大離間距離が最も長い平面部の断面長さを断面長さｈｆとする。
また、本実施形態では、曲げ基準線Ｌに垂直な方向に沿って第二平面部１１ｂが存在するが、第二平面部１１ｂは曲げ基準線Ｌに交差していればよい。
尚、本実施形態では、曲げ基準線Ｌに垂直な方向を中心に線対称の断面形状を例としているため、一対の第二平面部１１ｂ,１１ｂが同一の断面長さを有するが、線対称ではない断面形状である場合、曲げ基準線Ｌからの最大離間距離が最も長い平面部の断面長さを断面長さｈｆとする。
また、本実施形態では、曲げ基準線Ｌに垂直な方向に沿って第二平面部１１ｂが存在するが、第二平面部１１ｂは曲げ基準線Ｌに交差していればよい。
【0018】
湾曲部１２は、第一平面部１１ａ及び第二平面部１１ｂに比べ、曲げ荷重に対して高い剛性を有していることにより、弾性座屈しにくい部位である。
図１の（ｂ）に示す断面においては、四つの湾曲部１２がいずれも同一の曲率半径Ｒを有するが、曲率半径が異なる断面である場合には、曲率半径が最大である湾曲部の曲率半径を曲率半径Ｒとする。
図１の（ｂ）に示す断面においては、四つの湾曲部１２がいずれも同一の曲率半径Ｒを有するが、曲率半径が異なる断面である場合には、曲率半径が最大である湾曲部の曲率半径を曲率半径Ｒとする。
【0019】
本発明者は、構造部材１における湾曲部１２の曲率半径Ｒの設計変更は、断面係数Ｚと、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙに影響を及ぼすことに着目した。
図２は、最大外形寸法を固定して湾曲部１２の曲率半径Ｒの設計を変更した場合の、断面係数Ｚの変化とモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの変化を合わせて示すグラフである。
このグラフに示すように、断面係数Ｚは、曲率半径Ｒの増大に伴い減少し、一方、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙは、曲率半径Ｒの増大に伴い増大する。
そして、湾曲部１２の曲率半径Ｒの増大に伴う最大曲げモーメントＭｍａｘの変化は、図３のグラフに示すように波状（減少→増大→減少）の曲線として表される。
図２は、最大外形寸法を固定して湾曲部１２の曲率半径Ｒの設計を変更した場合の、断面係数Ｚの変化とモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの変化を合わせて示すグラフである。
このグラフに示すように、断面係数Ｚは、曲率半径Ｒの増大に伴い減少し、一方、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙは、曲率半径Ｒの増大に伴い増大する。
そして、湾曲部１２の曲率半径Ｒの増大に伴う最大曲げモーメントＭｍａｘの変化は、図３のグラフに示すように波状（減少→増大→減少）の曲線として表される。
【0020】
ここで、湾曲部１２の曲率半径Ｒの変化に伴う最大曲げモーメントＭｍａｘの変化（傾き）は、以下のように求められる。
まず、最大曲げモーメントＭｍａｘは、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙに断面係数と降伏応力を掛けた値であるため、最大曲げモーメントＭｍａｘは下記（１０１）式で表すことができる。
まず、最大曲げモーメントＭｍａｘは、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙに断面係数と降伏応力を掛けた値であるため、最大曲げモーメントＭｍａｘは下記（１０１）式で表すことができる。
【数4】
【0021】
このうち、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙと断面係数Ｚは、湾曲部１２の曲率半径Ｒに依存する数値であり、降伏応力σｙは、湾曲部１２の曲率半径Ｒに依存しない数値である。従って、（１０１）式を湾曲部１２の曲率半径Ｒで微分すると、下記（１０２）式が得られる。
【数5】
【0022】
降伏応力σｙは正の値であることから、上記（１０２）式の右辺の括弧内の数式の値が０超である場合には、湾曲部１２の曲率半径Ｒの増大に伴い最大曲げモーメントＭｍａｘが常に増大することになる（すなわち、図３のグラフの右肩上がりの領域）。従って、下記（１）式を満たすように断面係数Ｚとモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙを設計すれば、高い曲げ耐力を確保可能な車体構造部材とすることができる。
【数6】
【0023】
ここで、塑性座屈が発生する条件におけるモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの値は、衝突時の加工硬化による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度である第一影響度αと、第二平面の断面長さ方向（すなわち、曲げ基準線Ｌに交差する方向）への塑性変形域の進展による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度である第二影響度βとを加味して算出される。
具体的には、下記（２）式により表すことができる。
具体的には、下記（２）式により表すことができる。
【数7】
【0024】
塑性座屈が発生する条件は、最大曲げモーメントＭｍａｘ＞降伏モーメントＭｙであるため、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙは１．０超である。そこで上記（２）式の右辺の第一項は１．０としている。
そして、１．０を超える範囲のモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙについては、第一影響度αと、第二影響度βとの乗算により決定されるため、上記（２）式の右辺の第二項はα・βとしている。
そして、１．０を超える範囲のモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙについては、第一影響度αと、第二影響度βとの乗算により決定されるため、上記（２）式の右辺の第二項はα・βとしている。
【0025】
従って、上記（１）式と上記（２）式を満たすように、すなわち、弾性座屈を回避しつつ、衝突時の加工硬化による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度（第一影響度α）と曲げ基準線Ｌに交差する方向への塑性変形域の進展による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度（第二影響度β）を考慮して最適な曲げ耐力を発現できるように車体構造部材を設計することで、高い曲げ耐力を有する構造部材を設計することができる。
【0026】
以下、第一影響度α及び第二影響度βについてより具体的に説明する。
【0027】
（第一影響度α）
第一影響度αは、構造部材１の材料の降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータをｃとし、材料の真応力σと塑性ひずみεｐとの特性を表す加工硬化則に基づきＦＥＭ結果から導出される。
加工硬化則としては、Ｖｏｃｅの式、Ｓｗｉｆｔの式、ｎ乗硬化則の式などの公知の式を採用することができる。
一例として、Ｖｏｃｅの式を採用する場合、降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの真応力σは下記（１０３）式により表すことができる。
第一影響度αは、構造部材１の材料の降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータをｃとし、材料の真応力σと塑性ひずみεｐとの特性を表す加工硬化則に基づきＦＥＭ結果から導出される。
加工硬化則としては、Ｖｏｃｅの式、Ｓｗｉｆｔの式、ｎ乗硬化則の式などの公知の式を採用することができる。
一例として、Ｖｏｃｅの式を採用する場合、降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの真応力σは下記（１０３）式により表すことができる。
【数8】
【0028】
ここで、第一影響度αは、降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータｃの関数として関数ｇ（ｃ）と表現することができる。
図４は、上記（１０３）式に基づくＦＥＭ結果に基づきパラメータｃと関数ｇ（ｃ）の関係をプロットしたグラフである。このグラフから、下記（１０４）式が導出される。
図４は、上記（１０３）式に基づくＦＥＭ結果に基づきパラメータｃと関数ｇ（ｃ）の関係をプロットしたグラフである。このグラフから、下記（１０４）式が導出される。
【数9】
【0029】
尚、上記（１０４）式は、Ｖｏｃｅの式に基づきＦＥＭ結果から導出されたが、ｓｗｉｆｔの式やｎ乗硬化則の式に基づきＦＥＭ結果から導出されてもよい。
【0030】
（第二影響度β）
弾性座屈応力σｃｒが降伏応力σｙより大きくなるほど、材料の加工硬化および曲げ基準線Ｌに交差する方向への塑性変形域の進展により、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙが大きくなる。図５は上記（１０４）式におけるパラメータｃ＝０とし、ｇ（ｃ）＝０すなわちα＝０．１５とし、第一影響度αを固定した上で実施したＦＥＭ結果に基づき、降伏応力σｙに対する弾性座屈応力σｃｒの比とモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの関係をプロットしたグラフである。
曲げモーメントが大きくなって構造部材１の変形が更に進むと、曲げ基準線Ｌから遠い部分だけでなく曲げ基準線Ｌに近い部分も塑性変形域となる。そして最終的には部材の断面全てが塑性変形域となる。
従って、第二影響度βは、関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）として下記（１０５）式で表現することができる。
弾性座屈応力σｃｒが降伏応力σｙより大きくなるほど、材料の加工硬化および曲げ基準線Ｌに交差する方向への塑性変形域の進展により、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙが大きくなる。図５は上記（１０４）式におけるパラメータｃ＝０とし、ｇ（ｃ）＝０すなわちα＝０．１５とし、第一影響度αを固定した上で実施したＦＥＭ結果に基づき、降伏応力σｙに対する弾性座屈応力σｃｒの比とモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙの関係をプロットしたグラフである。
曲げモーメントが大きくなって構造部材１の変形が更に進むと、曲げ基準線Ｌから遠い部分だけでなく曲げ基準線Ｌに近い部分も塑性変形域となる。そして最終的には部材の断面全てが塑性変形域となる。
従って、第二影響度βは、関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）として下記（１０５）式で表現することができる。
【数10】
【0031】
尚、上記（１０５）式は曲率半径Ｒを変数としたＦＥＭ結果から導出されたが、板厚や断面サイズを変数としたＦＥＭ結果から導出されてもよい。
【0032】
上述のように、第一影響度αは関数ｇ（ｃ）、第二影響度βは関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）により表現できる。従って、上記（１）式におけるモーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙは下記（３）式により算出することができる。
【数11】
【0033】
このように、第一影響度αを、降伏応力σｙから引張応力σＴＳまでの加工硬化度合いを示すパラメータｃの関数ｇ（ｃ）により算出し、第二影響度βを、弾性座屈応力σｃｒ（Ｒ）と降伏応力σｙとの比率の関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）により算出し、モーメント効率Ｍｍａｘ／Ｍｙを上記（３）式により算出することにより、最適な曲げ耐力を発現できる車体構造部材の断面形状及び／又は材質の設計をより的確に行うことができる。
特に、関数ｇ（ｃ）をＶｏｃｅの式に基づき導出することが、より的確に第一影響度αを算出することができるため好ましい。
特に、関数ｇ（ｃ）をＶｏｃｅの式に基づき導出することが、より的確に第一影響度αを算出することができるため好ましい。
【0034】
以下、構造部材１について、上記（１）式における、ｄ（Ｍｍａｘ／Ｍｙ）／ｄＲ、Ｚ、及び、ｄＺ／ｄＲの具体的な求め方を説明する。
【0035】
ｄ（Ｍｍａｘ／Ｍｙ）／ｄＲは下記のように求められる。
まず、上記（３）式の関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）を上記（１０５）式で置換すると、下記（１０６）式が得られる。
まず、上記（３）式の関数ｆ（σｃｒ（Ｒ）／σｙ）を上記（１０５）式で置換すると、下記（１０６）式が得られる。
【数12】
【0036】
関数ｇ（ｃ）と降伏応力σｙは曲率半径Ｒに依存しないことから、上記（１０６）式を曲率半径Ｒで微分すると、下記（１０７）式が得られる。
【数13】
【0037】
ここで、σ′ｃｒ（Ｒ）（すなわち、σｃｒ（Ｒ）の導関数であるｄσｃｒ（Ｒ）／ｄＲ）は、下記のように導出される。
まず、構造部材１の弾性座屈応力σｃｒ（Ｒ）は、第一平面部１１ａの弾性座屈応力σｃｒが、（ａ）第一平面部１１ａのヤング率Ｅ、板厚ｔ、及び、ポアソン比νが大きいほど大きくなり、（ｂ）第一平面部１１ａの断面長さｂｆが小さいほど大きくなる、との関係性に基づき、下記（１０８）式により導出することができる。
尚、ｂｆは断面の外形（ｍｍ）である。また、ｋは稜線の曲率半径の影響を受ける係数であり、平板の座屈の微分方程式と、それを満たす撓み形により求まる固有値から定まる値である。第一平面部１１ａの両端の稜線の曲率半径が０ｍｍである場合にはｋ＝４．０である。ｋは、、例えば、断面内の曲げ基準線の長さをｂとしてｋ＝４．０ｅｘｐ（－２８Ｒ×ｔ／ｂｆ×ｂ）の式により求めることができる。
まず、構造部材１の弾性座屈応力σｃｒ（Ｒ）は、第一平面部１１ａの弾性座屈応力σｃｒが、（ａ）第一平面部１１ａのヤング率Ｅ、板厚ｔ、及び、ポアソン比νが大きいほど大きくなり、（ｂ）第一平面部１１ａの断面長さｂｆが小さいほど大きくなる、との関係性に基づき、下記（１０８）式により導出することができる。
尚、ｂｆは断面の外形（ｍｍ）である。また、ｋは稜線の曲率半径の影響を受ける係数であり、平板の座屈の微分方程式と、それを満たす撓み形により求まる固有値から定まる値である。第一平面部１１ａの両端の稜線の曲率半径が０ｍｍである場合にはｋ＝４．０である。ｋは、、例えば、断面内の曲げ基準線の長さをｂとしてｋ＝４．０ｅｘｐ（－２８Ｒ×ｔ／ｂｆ×ｂ）の式により求めることができる。
【数14】
【0038】
構造部材１のような角管形状の場合、断面係数Ｚは、断面二次モーメントＩ、第二平面部１１ｂの長さｈｆ＋２Ｒである長さｈとして下記（１０９）式及び下記（１１０）式により得ることができる。尚、θは第一平面部１１ａと第二平面部１１ｂがなす角度（すなわち、本実施形態の例では９０°）である。
【数15】
【数16】
【0039】
従って、（１）式におけるｄＺ／ｄＲ、すなわち、断面係数Ｚを湾曲部１２の曲率半径Ｒで微分したものは下記（１１１）式により算出できる。
【数17】
【0040】
更に、上記（１１１）式におけるｄＩ／ｄＲは下記（１１２）式により算出できる。
【数18】
【0041】
以上、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明した。ここから、図６を参照して本発明の構造部材の適用例について説明する。図６は、構造部材が適用される一例としての自動車骨格２を示す図である。構造部材は、キャビン骨格または衝撃吸収骨格として自動車骨格２を構成し得る。
【0042】
構造部材の適用例は、ルーフセンタリンフォース２０１、ルーフサイドレール２０３、Ｂピラー２０７、サイドシル２０９、トンネル２１１、Ａピラーロア２１３、Ａピラーアッパー２１５、キックリーンフォース２２７、フロアクロスメンバ２２９、アンダーリーンフォース２３１、フロントヘッダ２３３等が挙げられる。また、衝撃吸収骨格としての構造部材の適用例は、リアサイドメンバー２０５、エプロンアッパメンバ２１７、バンパリーンフォース２１９、クラッシュボックス２２１、フロントサイドメンバー２２３等が挙げられる。上記の他、自動車のドアの内部に設けられた補強材としてのドアインパクトビーム等に構造部材を適用してもよい。要は、曲げ荷重が作用しうる部位であれば、本願の構造部材を適用可能である。
【0043】
本実施形態に係る構造部材の設計方法によれば、弾性座屈を回避しつつ、衝突時の加工硬化による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度と曲げ基準線に交差する方向への塑性変形域の進展による最大曲げモーメントＭｍａｘへの影響度を考慮して最適な曲げ耐力を発現できるように車体構造部材を設計することで、高い曲げ耐力を有する構造部材を設計することができる。
【0044】
以上、本発明の一実施形態に係る構造部材１について説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0045】
また、上記実施形態に係る構造部材１は、全長に亘り一様の断面形状を有するが、全長に亘り一様の断面形状を有さなくてもよい。この場合、上記（１）式と上記（２）式を満たす断面が、長手方向の全長の５０％以上に存在することが好ましく、８０％以上であることが更に好ましい。すなわち、上記（１）式と上記（２）式を満たす断面が、長手方向の全長の５０％以上に存在するように車体構造部材を設計することが好ましく、８０％以上に存在するように車体構造部材を設計することが更に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【0046】
本発明によれば、高い曲げ耐力を確保可能な車体構造部材の設計方法を提供することができる。
【符号の説明】
【0047】
１ 構造部材
１１ａ 第一平面部
１１ｂ 第二平面部
１２ 湾曲部
１１ａ 第一平面部
１１ｂ 第二平面部
１２ 湾曲部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】