特許 7559780 結合部材

(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】2024-09-24

(45)【発行日】2024-10-02

(54)【発明の名称】結合部材

(51)【国際特許分類】

   F16B 7/00 20060101AFI20240925BHJP

   G06F 30/10 20200101ALI20240925BHJP

   G06F 30/20 20200101ALI20240925BHJP

   E04B 1/24 20060101ALI20240925BHJP

   E04B 1/58 20060101ALI20240925BHJP

   F16B 11/00 20060101ALI20240925BHJP

   B62D 27/02 20060101ALN20240925BHJP

   B62D 67/00 20060101ALN20240925BHJP

【ＦＩ】

F16B7/00 Z

G06F30/10 100

G06F30/20

E04B1/24 K

E04B1/58 505H

F16B11/00 D

B62D27/02

B62D67/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022017041

(22)【出願日】2022-02-07

(65)【公開番号】P2023114620

(43)【公開日】2023-08-18

【審査請求日】2023-06-02

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(72)【発明者】

【氏名】西垣 英一

(72)【発明者】

【氏名】青井 一郎

【審査官】松林 芳輝

(56)【参考文献】

【文献】実開平０１－０９４６０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１９－１２８８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０１５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１２５２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１６０６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３９３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２１７５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０１６２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０２１４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０４５７７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｂ ５／００－５／１２

Ｆ１６Ｂ ７／００－７／２２

Ｆ１６Ｂ ９／００－１１／００

Ｂ６２Ｄ １７／００－２５／０８

Ｂ６２Ｄ ２５／１４－２９／０４

Ｅ０４Ｂ １／００－１／６２

Ｇ０６Ｆ ３０／００－３０／３９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面と裏面とを有する第１被結合部材と、表面と裏面とを有する第２被結合部材と、を結合する結合部材であって、
前記第１被結合部材は、前記表面から前記裏面に貫通する第１孔部を有し、
前記第２被結合部材は、前記表面から前記裏面に貫通する第２孔部を有し、
前記結合部材は、
前記第１被結合部材および前記第２被結合部材の前記表面に接触し、前記第１孔部から前記第２孔部に亘って配置される表側結合部材と、
前記第１被結合部材および前記第２被結合部材の前記裏面に接触し、前記第１孔部から前記第２孔部に亘って配置される裏側結合部材と、
厚さが前記第１被結合部材の厚さと等しく、前記第１孔部内にのみ配置され、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とを接合する第１接合部材と、
厚さが前記第２被結合部材の厚さと等しく、前記第２孔部内にのみ配置され、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とを接合する第２接合部材と、
を備え、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とにより、前記第１被結合部材と第２被結合部材とを挟み込み、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とが接合されることにより前記第１被結合部材と前記第２被結合部材とを結合し、
前記第１接合部材および前記第２接合部材は、
前記表側結合部材および前記裏側結合部材の少なくともいずれか一方と溶接により接合されている、
結合部材。

【請求項2】

請求項１に記載の結合部材であって、
前記第１被結合部材、および前記第２被結合部材は、中空管状であって、前記表面が外側の面であり、前記裏面が内側の面である、
結合部材。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の結合部材であって、
前記第１接合部材は、前記第１孔部と隙間を空けて配置され、
前記第２接合部材は、前記第２孔部と隙間を空けて配置されている、
結合部材。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の結合部材であって、
前記第１孔部は、前記第１被結合部材の端部に形成され、
前記第２孔部は、前記第２被結合部材の端部に形成され、
前記結合部材は、前記第１被結合部材の端部と前記第２被結合部材の端部とを結合する、
結合部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両等の移動体、建築物等の構造物を構成する部材を結合する結合部材に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車の車体構造は、車体構造のセンターピラーの下部とサイドシルとの結合部に垂直板を備え、車体の前後、上下、斜め方向の荷重に対し変形を抑制する補強構造としている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－０３９３３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術は、二次元板の補強構造を結合部の内部に追加する形態となり、比較的容易に剛性を高めた結合部構造を創生可能である。一方で、この二次元板の補強構造を挟む形で、大きなプレス品が溶接接合されるため、一般的に解体には不向きな構造となっている。

【0005】

近年、既存の資産を循環的に利用し続ける経済モデル「サーキュラーエコノミー」が注目されており、リユース・リサイクルに適した設計（例えば、易解体設計）が望まれている。

【0006】

上述の課題は、自動車の車体構造に限らず、種々の移動体、構造物を構成する部材の結合構造に共通する課題である。

【0007】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、構造物を構成する部材を結合する構造において、易解体性を向上させる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0009】

（１）本発明の一形態によれば、表面と裏面とを有する第１被結合部材と、表面と裏面とを有する第２被結合部材と、を結合する結合部材が提供される。この結合部材であって、前記第１被結合部材は、前記表面から前記裏面に貫通する第１孔部を有し、前記第２被結合部材は、前記表面から前記裏面に貫通する第２孔部を有し、前記結合部材は、前記第１被結合部材および前記第２被結合部材の前記表面に接触し、前記第１孔部から前記第２孔部に亘って配置される表側結合部材と、前記第１被結合部材および前記第２被結合部材の前記裏面に接触し、前記第１孔部から前記第２孔部に亘って配置される裏側結合部材と、前記第１孔部内に配置され、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とを接合する第１接合部材と、前記第２孔部内に配置され、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とを接合する第２接合部材と、を備え、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とにより、前記第１被結合部材と第２被結合部材とを挟み込み、前記表側結合部材と前記裏側結合部材とが接合されることにより前記第１被結合部材と前記第２被結合部材とを結合し、前記第１接合部材および前記第２接合部材は、前記表側結合部材および前記裏側結合部材の少なくともいずれか一方と溶接により接合されている、結合部材。

【0010】

この構成によれば、結合部材を構成する表側結合部材と裏側結合部材とが接合されることにより第１被結合部材と第２被結合部材が結合されており、第１被結合部材と第２被結合部材とは、直接溶接等で接合されていない。そのため、結合部材の表側結合部材と裏側結合部材とを分離することにより、第１被結合部材と第２被結合部材を切断したりせず、ほぼ元の形状のまま、容易に分離することができる（易解体性向上）。そのため、第１被結合部材と第２被結合部材の再利用が可能となり、従来のスクラップと溶解リサイクルによる二酸化炭素の発生を削減できる。また、第１被結合部材と第２被結合部材との分離が容易なため、部材の一部取り換えによる修繕やアップグレードが容易になる。この一部取り換えや共通部材の組合せで、例えば、車体を形成することにより、多品種少量生産における一括企画や共通モジュール領域の設定が可能となる。第１被結合部材および第２被結合部材への直接的な入熱が無いことにより、部材の特性低下を回避できる。その結果、解体した部材を溶融することなく再利用することができる。

【0011】

（２）上記形態の結合部材であって、前記第１被結合部材、および前記第２被結合部材は、中空管状であって、前記表面が外側の面であり、前記裏面が内側の面であってもよい。このようにすると、例えば、第１接合部材および第２接合部材の外周に沿って表側結合部材を切断することにより、表側結合部材と裏側結合部材とを分離することができる。そのため、結合された部材の外側からのみのアクセスにより、容易に第１被結合部材と第２被結合部材とを分離することができ、易解体性を向上することができる。

【0012】

（３）上記形態の結合部材であって、前記第１接合部材は、前記第１孔部と隙間を空けて配置され、前記第２接合部材は、前記第２孔部と隙間を空けて配置されていてもよい。このようにすると、第１被結合部材および第２被結合部材と、第１接合部材および第２接合部材との形成材料が異なる場合に、熱膨張差を吸収することができる。また、第１接合部材と第１孔部との隙間に対応して表側結合部材を切断し、第２接合部材と第２孔部との隙間に対応して表側結合部材を切断することにより、表側結合部材と裏側結合部材とをさらに容易に分離することができる。

【0013】

（４）上記形態の結合部材であって、前記結合部材の形状は、トポロジー最適化を用いて導出されてもよい。このようにすると、結合部材の形状をより適切にすることができ、第１被結合部材と第２被結合部材との接合部分の剛性をより向上させることができる。

【0014】

（５）上記形態の結合部材であって、前記第１孔部は、前記第１被結合部材の端部に形成され、前記第２孔部は、前記第２被結合部材の端部に形成され、前記結合部材は、前記第１被結合部材の端部と前記第２被結合部材の端部とを結合してもよい。このようにすると、第１被結合部材と第２被結合部材の端部同士を結合することにより、第１被結合部材と第２被結合部材を結合することができる。

【0015】

（６）本発明の他の形態によれば、上記形態の結合部材を設計する結合部材設計装置が提供される。この結合部材設計装置は、外部から入力された前記第１被結合部材および第２被結合部材の定義を用いて、トポロジー最適化の解析モデルを作成し、前記解析モデルを用いてトポロジー最適化を実行して結合部材の梁要素を創出し、前記梁要素のレイアウトに沿って、製造に適した実構造に置き換えて、結合部材の形状、および配置を含む結合部材の構成を設計する設計部を有する。この構成によれば、トポロジー最適化を利用しているため、必要最小限の結合部材の適用位置が導出され、軽量で高剛性な結合部材を容易に得ることができる。

【0016】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、結合部材を備える移動体、結合部材を備える構造物、結合部材の設計方法、結合部材の設計プログラム、そのプログラムが記録された記録媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態の結合部材を備える構造体を概略的に示す説明図である。

【図2】構造体を分解して示す説明図である。

【図3】結合部材による第１部材と第２部材との結合を概念的に示す説明図である。

【図4】第１部材と第２部材との結合方法の説明図である。

【図5】構造体の解体方法の説明図である。

【図6】第２実施形態の結合部材を備える構造体を概略的に示す説明図である。

【図7】第２実施形態の構造体を分解して示す説明図である。

【図8】第３実施形態の結合部材を備える構造体を概略的に示す説明図である。

【図9】第３実施形態の構造体を分解して示す説明図である。

【図10】結合部材設計装置２００の構成を機能的に示すブロック図である。

【図11】結合部材設計処理の流れを示すフローチャートである。

【図12】結合部材設計処理の流れを概念的に示す説明図である。

【図13】結合部材設計処理の流れを概念的に示す説明図である。

【図14】結合部材の適用位置と形状の導出の一例を概念的に示す説明図である。

【図15】第１部材と第２部材との結合方法の他の例の説明図である。

【図16】変形例の構造体を概略的に示す説明図である。

【図17】変形例の構造体を概略的に示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の結合部材１００を備える構造体１０００を概略的に示す説明図である。構造体１０００は、第１部材１０と、第２部材２０と、第３部材３０と、が結合部材１００によって結合されて構成されている。

【0019】

本実施形態において、第１部材１０、第２部材２０、第３部材３０、および結合部材１００は、例えば、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）等やそれらの合金等の金属、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等のプラスチックにより形成することができる。結合される部材と結合部材とは、同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。

【0020】

図２は、構造体１０００を分解して示す説明図である。第１部材１０は、表面１２と裏面１４とを有する中空四角管状であり、一方の端部１６に表面１２から裏面１４に貫通する複数の第１孔部１８と、複数の第２孔部１９と、を有する。第２部材２０も第１部材１０と同様に、表面２２と裏面２４とを有する中空四角管状であり、一方の端部２６に表面２２から裏面２４に貫通する複数の第２孔部２８と、複数の第１孔部２９と、を有する。第３部材３０も同様に、表面３２と裏面３４とを有する中空四角管状であり、一方の端部３６に表面３２から裏面３４に貫通する複数の第２孔部３８と複数の第１孔部３９と、を有する。表面を「外側の面」とも呼び、裏面を「内側の面」とも呼ぶ。

【0021】

構造体１０００は、図１に示すように、結合部材１００として、第１部材１０と第２部材２０とを結合する第１結合部材１０１と、第２部材２０と第３部材３０とを結合する第２結合部材１０２と、第３部材３０と第１部材１０とを結合する第３結合部材１０３と、を有する。以下の説明において、第１結合部材１０１、第２結合部材１０２、および第３結合部材１０３を区別しないときには、「結合部材１００」とも呼ぶ。また、第１部材１０と第２部材２０が第１結合部材１０１により結合される関係において、第１部材１０を「第１被結合部材」、第２部材２０を「第２被結合部材」とも呼び、第２部材２０と第３部材３０が第２結合部材１０２により結合される関係において、第２部材２０を「第１被結合部材」、第３部材３０を「第２被結合部材」とも呼び、第３部材３０と第１部材１０が第３結合部材１０３により結合される関係において、第３部材３０を「第１被結合部材」、第１部材１０を「第２被結合部材」とも呼ぶ。

【0022】

図３は、結合部材１００による第１部材１０と第２部材２０との結合を概念的に示す説明図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、結合部材１００の配置を示し、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）のＡ－Ａ断面の一部を拡大して示す。結合部材１００は、表側結合部材１１０と、裏側結合部材１２０と、第１接合部材１３０と、第２接合部材１４０と、を備える。表側結合部材１１０は、第１部材１０の表面１２および第２部材２０の表面２２に接触し、第１孔部１８から第２孔部２８に亘って配置される。裏側結合部材１２０は、第１部材１０の裏面１４および第２部材２０の裏面２４に接触し、第１孔部１８から第２孔部２８に亘って配置される。第１接合部材１３０は、第１孔部１８内に配置され、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とを接合する。第２接合部材１４０は、第２孔部２８内に配置され、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とを接合する。本実施形態では、後述するように、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０と、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０は、レーザー溶接により接合されており、図示するように、溶接部１３０Ｌ、溶接部１４０Ｌが形成されている。

【0023】

このように、結合部材１００は、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とにより、第１部材１０の端部１６と第２部材２０の端部２６とを挟み込み、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とが第１接合部材１３０および第２接合部材１４０に接合されることにより第１部材１０の端部１６と第２部材２０の端部２６とを結合する。結合部材１００において、表側結合部材１１０、裏側結合部材１２０、第１接合部材１３０、および第２接合部材１４０は、同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。異なる材料で形成される場合は、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０の形成材料が表側結合部材１１０および裏側結合部材１２０の形成材料より強い（剛性が高い）ことが好ましい。このようにすると、結合部材１００が破断する際、第１接合部材１３０や第２接合部材１４０ではなく、表側結合部材１１０や裏側結合部材１２０によって破断するため、高い接合強度を得ることができる。

【0024】

図２に示すように、構造体１０００は２つの第１結合部材１０１と２つの第２結合部材１０２と、２つの第３結合部材１０３とを有する。第１結合部材１０１は、表側結合部材１１２と裏側結合部材１２２とを有する。第２結合部材１０２は、表側結合部材１１４と裏側結合部材１２４Ｕ、１２４Ｌとを有する。第３結合部材１０３は、表側結合部材１１６と裏側結合部材１２６Ｕ、１２６Ｌとを有する。第２結合部材１０２において、裏側結合部材１２０は、第３部材３０の内部（裏側）に接触して配置される部分と第２部材２０の内部（裏側）に接触して配置される部分とに分かれている。同様に、第３結合部材１０３において、裏側結合部材１２０は、第３部材３０の内部（裏側）に接触して配置される部分と第１部材１０の内部（裏側）に接触して配置される部分とに分かれている。なお、図２では、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とを接合する第１接合部材１３０および第２接合部材１４０を図示していない。

【0025】

図４は、第１部材１０と第２部材２０との結合方法の説明図である。図４では、図３（Ｂ）のＡ－Ａ断面の一部を図示している。

【0026】

まず、第１部材１０の第１孔部１８と第２部材２０の第２孔部２８に亘って、第１孔部１８と第２孔部２８とを覆うように、第１部材１０の裏面１４と第２部材２０の裏面２４に接触して裏側結合部材１２０を配置する（図４（Ａ））。このとき、粘着テープ等を用いて、裏側結合部材１２０を第１部材１０および第２部材２０に仮留めしてもよい。

【0027】

次に、第１接合部材１３０を第１孔部１８内に配置し、第２接合部材１４０を第２孔部２８内に配置する（図４（Ｂ））。このとき、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０の外周に円環状のスペーサを取り付けて、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０の位置決めを行ってもよい。図４では、スペーサ１３２、１４２を用いる例を図示している。他の例では、例えば、ロボットにより第１接合部材１３０および第２接合部材１４０の位置決めを行い、スペーサ１３２、１４２を用いなくてもよい。

【0028】

そして、例えば、レーザー溶接、ＦＳＷ（摩擦攪拌接合／Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）等により、第１部材１０および第２部材２０の表面１２、２２側から第１接合部材１３０および第２接合部材１４０と、裏側結合部材１２０とを接合する（図４（Ｂ））。

【0029】

スペーサ１３２、１４２を取り除いた後、裏側結合部材１２０と対応する位置に、第１部材１０の表面１２と第２部材２０の表面２２に接触して表側結合部材１１０を配置し、例えば、レーザー溶接、ＦＳＷ等により、第１部材１０および第２部材２０の表面１２、２２側から、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０と、表側結合部材１１０とを接合する（図４（Ｃ））。これにより、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とにより、第１部材１０の端部１６と第２部材２０の端部２６とを挟み込んだ状態で、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とが接合され、第１部材１０と第２部材２０とが接合される。すなわち、第１部材１０と第２部材２０とが、溶接等によって直接結合されるのではなく、結合部材１００を介して結合される。また、第１部材１０と第２部材２０との結合箇所が、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とによって挟み込まれているため、結合部材１００によって補強されており、第１部材１０と第２部材２０とを強固に結合することができる。

【0030】

図５は、構造体１０００の解体方法の説明図である。図５の断面図は、図４に相当する断面を図示している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡ視を示す平面図である。図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、構造体１０００を解体する際、作業者は、第１部材１０を、第１孔部１８の内周に略沿って、例えば、レーザーＬを用いて円形状に切断する。同様に、第１部材１０を、第２孔部２８の内周に略沿って、円形状に切断する。図５（Ａ）、（Ｂ）において、切断線ＬＣを太線で図示している。このように切断すると、図５（Ｃ）に示すように、円形状に切り抜かれた表側結合部材１１０と、第１接合部材１３０と、第２接合部材１４０と、裏側結合部材１２０とが接合された状態で、栓を抜くように表側結合部材１１０と分離することができる。このように結合部材１００を分解することにより、第１部材１０と第２部材２０とを分離解体することができる。すなわち、第１部材１０および第２部材２０自体を切断することなく、分離することができる。このようにすると、第１部材１０および第２部材２０には、熱が加わらないため、第１部材１０および第２部材２０の特性低下を抑制することができる。そのため、第１部材１０および第２部材２０をスクラップ、溶解せず、そのまま、リサイクルすることができる。なお、他の実施形態では、ドリル、ホールソーによって表側結合部材１１０を切断してもよい。

【0031】

第２部材２０と第３部材３０の第２結合部材１０２による結合、第３部材３０と第１部材１０の第３結合部材１０３による結合も、第１部材１０と第２部材２０の第１結合部材１０１による結合と同様に、結合・解体することができる。

【0032】

以上説明したように、本実施形態の結合部材１００によれば、結合部材１００を構成する表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とが接合されることにより第１部材１０の端部１６と第２部材２０の端部２６が結合されており、第１部材１０と第２部材２０とは、直接溶接等で接合されていない。そのため、結合部材１００の表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とを分離することにより、第１部材１０と第２部材２０を切断したりせず、ほぼ元の形状のまま、容易に分離することができる（易解体性向上）。

【0033】

そのため、第１部材１０と第２部材２０の再利用が可能となり、従来のスクラップと溶解リサイクルによる二酸化炭素の発生を削減することができる。

【0034】

また、上述の通り、表側結合部材１１０を切断することにより、第１部材１０と第２部材２０とを容易に分離することができるため、部材の一部取り換えによる修繕やアップグレード等を容易にすることができる。この一部取り換えや共通部材の組合せで、例えば、車体を形成することにより、多品種少量生産における一括企画や共通モジュール領域の設定が可能となる。

【0035】

さらに、第１部材１０および第２部材２０への直接的な入熱が無いことにより、部材の特性低下を回避できる。その結果、解体した部材を溶融することなく再利用することができる。

【0036】

本実施形態の結合部材１００によれば、中空管状の第１部材１０と第２部材２０とを、外側の面（表面１２、２２）からの処理により結合することができ、一方、外側の面（表面１２、２２）からの処理により解体することが可能となる。そのため、構造体１０００の製造および解体を容易化することができる。

【0037】

結合部材１００では、第１孔部１８と第１接合部材１３０との間、および第２孔部２８と第２接合部材１４０との間に隙間が形成されている。そのため、第１部材１０および第２部材２０と、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０との形成材料が異なる場合に、熱膨張差を吸収することができる。

【0038】

また、結合部材１００では、第１孔部１８と第１接合部材１３０との間、および第２孔部２８と第２接合部材１４０との間に隙間が形成されているため、構造体１０００の解体時に、表側結合部材１１０のみを切断することにより解体することができる。そのため、第１孔部１８と第１接合部材１３０との間、および第２孔部２８と第２接合部材１４０との間に隙間がない場合と比較して、容易に解体することができる。

【0039】

本実施形態の結合部材による被結合部材の結合構造は、車両、航空機、列車等、種々の移動体用のフレーム、建築物等の構造物のフレーム等に適用することができる。

【0040】

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の結合部材１００Ａを備える構造体１０００Ａを概略的に示す説明図である。図７は、構造体１０００Ａを分解して示す説明図である。本実施形態の構造体１０００Ａが第１実施形態の構造体１０００と異なる点は、結合部材１００Ａの形状であり、第１部材１０、第２部材２０、および第３部材３０は、第１実施形態と同一である。以下の説明において、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、先行する説明を参照する。

【0041】

本実施形態の構造体１０００Ａにおいて、第１部材１０と第２部材２０と第３部材３０とが、１つの結合部材１００Ａにより結合されている。結合部材１００Ａは、図７に示すように、表側結合部材１１０Ａと、裏側結合部材１２０Ａと、を有する。裏側結合部材１２０Ａは、第３部材３０の内部（裏側）に接触して配置される裏側結合部材１２８と第１部材１０および第２部材２０の内部（裏側）に接触して配置される裏側結合部材１２６とに分かれている。

【0042】

上述の通り、本実施形態における第１部材１０、第２部材２０、および第３部材３０は、第１実施形態と同一である。表側結合部材１１０Ａと裏側結合部材１２０Ａとにより、第１部材１０の端部１６と第２部材２０の端部２６と第３部材３０の端部３６とが挟み込まれ、表側結合部材１１０Ａと裏側結合部材１２０Ａとが第１接合部材１３０、第２接合部材１４０、および第３接合部材（不図示）によって接合されることにより、第１部材１０と第２部材２０と第３部材３０とは結合されている。

【0043】

本実施形態の結合部材１００Ａは、表側結合部材１１０Ａおよび裏側結合部材１２０Ａの形状が第１実施形態と異なっており、それらの枚数が少ない。そのため、第１部材１０、第２部材２０、および第３部材３０を結合するための工数を削減することができる。その結果、構造体１０００Ａの製造を容易にすることができ、コスト低減に資することができる。

【0044】

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態の結合部材１００Ａを備える構造体１０００Ｂを概略的に示す説明図である。図９は、構造体１０００Ｂを分解して示す説明図である。本実施形態の構造体１０００Ｂが第２実施形態の構造体１０００Ａと異なる点は、被結合部材の形状であり、結合部材１００Ａは、第２実施形態と同一である。以下の説明において、第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、先行する説明を参照する。

【0045】

本実施形態の構造体１０００Ａにおいて、第１部材４０と第３部材３０とが、１つの結合部材１００Ａにより結合されている。第１部材４０は、図７に示すように、第２実施形態の第１部材１０と第２部材２０とをつなぎ合わせた程度の長さの中空四角管状であり、表面４２と裏面４４とを有する。第１部材４０の長手方向の中心近傍に表面４２から裏面４４に貫通する複数の第１孔部４８を有する。第３部材３０は、端部３６に複数の第２孔部３８を有する。本実施形態において、図８に示すように、第１部材４０の長手方向の中心近傍に、第３部材３０の端部３６が結合部材１００Ａを介して接続されている。

【0046】

このようにすると、第３部材３０を、第１部材４０の長手方向中心に結合することができる。また、結合部材１００Ａにより、第１部材４０（第１被結合部材）と第３部材３０（第２被結合部材）との接合部分の剛性を向上させることができる。

【0047】

＜第４実施形態＞
図１０は、本発明の一実施形態としての結合部材設計装置２００の構成を機能的に示すブロック図である。結合部材設計装置２００は、例えばパーソナルコンピュータ等の情報処理装置であって、制御部２１０、記憶部２２０、入力Ｉ／Ｆ部２３０、出力Ｉ／Ｆ部２４０、バス２５０を含む。なお、本明細書において、インターフェースを「Ｉ／Ｆ」と称する。バス２５０は、制御部２１０、記憶部２２０、入力Ｉ／Ｆ部２３０、出力Ｉ／Ｆ部２４０を電気的に接続する信号線である。ここでは、結合部材の設計処理の流れについて、上記実施形態の結合部材１００、１００Ａを例に挙げて説明する。以下の説明において、第１部材１０、第２部材２０、および第３部材３０をまとめて、「被結合部材」とも呼ぶ。

【0048】

制御部２１０は、結合部材設計装置全体の動作を制御する電子装置であり、例えば中央演算装置（ＣＰＵ）であってもよい。制御部２１０は、後述するプログラム２２２を実行することにより、設計部２１２として機能する。

【0049】

設計部２１２は、入力された被結合部材の定義を用いて、トポロジー最適化の解析モデルを作成し、解析モデルを用いてトポロジー最適化を実行して結合部材の梁要素を創出し、梁要素のレイアウトに沿って、製造に適した実構造に置き換えて、結合部材の形状、配置等の結合部材の構成を創出する。

【0050】

記憶部２２０は、情報を記憶するメモリ装置の総称であり、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスク、フラッシュメモリカードなど様々な形式の記憶装置を使用することができる。記憶部２２０には、オペレーティングシステム（ＯＳ）や本実施形態に係るプログラム２２２が格納されている。

【0051】

入力Ｉ／Ｆ部２３０は、キーボード等の入力装置（不図示）や、ＵＳＢメモリ装置やフラッシュメモリ等の記録装置等から入力された指令やデータを、制御部２１０や記憶部２２０へ伝達するインターフェースである。出力Ｉ／Ｆ部２４０は、表示装置やプリンタ等の出力装置（不図示）や、ＵＳＢメモリ装置及びフラッシュメモリ等の記録装置等に文字や画像等を出力するインターフェースである。

【0052】

本実施形態で説明する処理を実現するプログラム２２２は、プログラム提供者側から通信ネットワーク及び通信Ｉ／Ｆ部（不図示）を介して、例えば記憶部２２０に格納されてもよい。また、上記実施形態で説明した処理を実現するプログラムは、市販され、流通している可搬型記憶媒体に格納されていてもよい。この場合、この可搬型記憶媒体は外付け又は内蔵の読取装置にセットされて、制御部２１０によってそのプログラムが読み出されて、実行されてもよい。可搬型記憶媒体としてはＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＵＳＢメモリ装置など様々な形式の記憶媒体を使用することができる。このような記憶媒体に格納されたプログラムが読取装置によって読み取られる。

【0053】

図１１は、結合部材設計処理の流れを示すフローチャートである。図１２、図１３は、結合部材設計処理の流れを概念的に示す説明図である。

【0054】

結合部材設計装置２００が、結合部材設計処理開始の指示を受け付けると、結合部材設計処理が開始される。
まず、設計部２１２は解析モデルを作成する（ステップＳ１）。具体的には、ユーザーが入力装置を用いて入力した被結合部材（例えば、第１部材１０、第２部材２０、および第３部材３０）の断面形状、板厚、材料特性を、設計部２１２が、入力Ｉ／Ｆ部２３０を介して受け付けて、被結合部材の形状を定義する。そして、設計部２１２は、定義した被結合部材の形状を用いてトポロジー最適化の解析モデルを作成する。具体的には、被結合部材（シェル要素：図１２（Ａ））と結合部材（梁要素：図１２（Ｂ））を有する解析モデルを作成する。なお、シェル要素は非設計領域であり、梁要素が設計領域である。梁要素は、被結合部材同士の結合に必要な補強部材の候補群であり、中空円筒断面の半径が設計変数である。設計部２１２は、中空円筒断面の半径を増減し、軽くて高剛性な結合部材を創出すべく、不要な梁要素を細くし、必要な梁要素を太くする。設計部２１２は、梁構造の総体積を制約条件として、歪みエネルギーを最小化する、最適化アルゴリズムの解析結果に基づき梁要素の要不要を判断している。また、独立した被結合部材の突き合わせ部分に対して、それらの領域を囲む形で、結合部材の初期設計形状（図１２（Ｃ））を定義する。

【0055】

次に、設計部２１２は、荷重定義とトポロジー最適化を行う（ステップＳ２）。ユーザーが、予め構造解析や実験で得られている荷重値を入力すると、設計部２１２は、入力された荷重値を用いて、ステップＳ１で作成した解析モデルに対して、トポロジー最適化を実行して、結合部材の梁要素を創出する（図１２（Ｄ））。ここでは、剛性の最大化を目的関数とし、荷重に対する歪の値が材料の許容値を超えないことを制約関数として設定している。他の形態では、目的関数として、材料体積率を最大にする、変位を最小にする、応力を最小にする等を設定してもよい。制約関数として、所定の体積減少率、重量減少率等を設定してもよい。

【0056】

そして、設計部２１２は、結合部材の実体化を行う（ステップＳ３）。設計部２１２は、ステップＳ２においてトポロジー最適化で得られた梁要素による結合部材のレイアウトに沿って、製造に適した実構造へ置き換える（図１２（Ｅ）、（Ｆ））。実体化のステップにおいて、例えば、面積の最小化、軽量化、形状の簡易化、部品点数の最小化等、所望の条件を付与することにより、ユーザーの要望に応じた適切な形状を創出させることができる。なお、穴間隔や結合部材のプレートを規格化して自動であてはめることもできるし、特化して都度置き換えても良い。

【0057】

図１３は、トポロジー最適化の境界条件と最適化結果の一例を概念的に示す説明図である。本実施形態では、図示するように、第１部材１０の第１端１１と、第２部材２０の第１端２１を拘束し、第３部材３０に対して荷重を加えて、トポロジー最適化を行った。図１３（Ａ）に示すケース１では、荷重を０．５Ｎ×４とし、（Ｂ）に示すケース２では、荷重を０．２５Ｎ×４とし、（Ｃ）に示すケース３では、荷重を０．２５Ｎ×４とし、ケース１～３を同時に考慮してトポロジー最適化を行った。その結果、図１３（Ｄ）に示すような結合部材の梁要素が創出された。

【0058】

図１４は、結合部材の適用位置と形状の導出の一例を概念的に示す説明図である。図１４（Ａ）は、図１３（Ｄ）に示すトポロジー最適化の解析結果の１／４領域の図である。図１４（Ｂ）、（Ｃ）は、上述するステップＳ３（図１１）において行われた結合部材の実体化により得られた結合部材１００（第１実施形態）、および結合部材１００Ａ（第２実施形態）を、それぞれ示している。図１４（Ｄ）は第１実施形態の結合部材１００における表側結合部材１１４（１１０）を示し、図１４（Ｅ）は結合部材１００の部分断面を示し、図１４（Ｆ）は第２部材２０を示している。

【0059】

図示するように、結合部材設計装置２００は、例えば、１つのトポロジー最適化の解析結果（図１４（Ａ））から、第１実施形態の結合部材１００（図１４（Ｂ））と、第２実施形態の結合部材１００Ａ（図１４（Ｃ））の２種類の結合部材を設計することができる。第１実施形態の結合部材１００の形態は、結合部材の重量最小化を条件として設計した結果であり、第２実施形態の結合部材１００Ａの形態は、結合部材の部品点数の最小化を条件として設計した結果である。その他、条件を変更することにより、同一のトポロジー最適化解析結果から複数の結合部材１００の形態を設計することができる。

【0060】

第１実施形態の結合部材１００における表側結合部材１１４は、図１４（Ａ）に示す結合部材の梁要素の部分Ｐ１を実体化して設計したものである。図１４（Ａ）に示す結合部材の梁要素の部分Ｐ２の実体化により、図１４（Ｆ）に示す第２部材２０の貫通孔と、図１４（Ｅ）に示す表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０との接合部材による接合構造が設計された。

【0061】

以上説明したように、本実施形態の結合部材設計装置２００によれば、結合部材の適切な形状および適用位置を容易に設計することができ、軽量で高剛性な結合部材を容易に得ることができる。

【0062】

＜実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0063】

・被結合部材の結合方法は、上記第１実施形態に記載した方法に限定されない。例えば、以下に説明する方法で結合してもよい。
図１５は、第１部材１０と第２部材２０との結合方法の他の例の説明図である。図１５の断面図は、図４に相当する断面を図示している。図１５（Ａ）は、図１５（Ｂ）のＡ視を示す平面図である。

【0064】

まず、スポット溶接、レーザー溶接、ＦＳＷ等により、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０と、裏側結合部材１２０とを接合する（図１５（Ａ）、（Ｂ））。このとき、裏側結合部材１２０側から溶融させる。そして、第１接合部材１３０と第２接合部材１４０とが接合された裏側結合部材１２０を、第１接合部材１３０が第１孔部１８内に、第２接合部材１４０が第２孔部２８内にそれぞれ位置するように配置する。表側結合部材１１０を、第１部材１０の第１孔部１８と第２部材２０の第２孔部２８に亘って、第１孔部１８と第２孔部２８とを覆うように、第１部材１０の表面１２と第２部材２０の裏面２４に接触させて配置する（図１５（Ｃ））。このとき、粘着テープ等を用いて、裏側結合部材１２０を第１部材１０および第２部材２０に仮留めしてもよい。そして、レーザー溶接、ＦＳＷ等により、第１接合部材１３０および第２接合部材１４０と、表側結合部材１１０とを接合する（図１５（Ｃ））。このようにしても、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とにより、第１部材１０の端部１６と第２部材２０の端部２６とを挟み込んだ状態で、表側結合部材１１０と裏側結合部材１２０とが接合され、第１部材１０と第２部材２０とが接合される。なお、第１接合部材１３０と第２接合部材１４０とが予め接合された裏側結合部材１２０を用意してもよい。

【0065】

・上記実施形態において、中空管状の被結合部材を例示したが、被結合部材は、板状であってもよいし、中実の棒状であってもよい。

【0066】

・被結合部材の断面形状の外形は、上記実施形態に限定されず、三角形、五角形、六角形等の種々の凸多角形、種々の凹多角形、真円形状、楕円形等種々の形状に形成することができる。

【0067】

図１６は、変形例の構造体１０００Ｃを概略的に示す説明図である。構造体１０００Ｃは、第１部材１０Ｃと、第２部材２０Ｃと、が結合部材１００Ｃによって結合されて構成されている。第１部材１０Ｃ、および第２部材２０Ｃは、中実の円柱状である。図１６（Ａ）は構造体１０００Ｃの外観構成を概略的に示し、図１６（Ｂ）は第１部材１０ＣのＡ－Ａ断面を概略的に示し、図１６（Ｄ）は構造体１０００ＣのＢ－Ｂ断面を概略的に示す。図１６（Ｂ）に示すように、第１部材１０Ｃにおいて、円柱の中心軸Ｃを通る平面で第１部材１０Ｃを分けた場合の一方の外周面が表面１２、他方の外周面が裏面１４である。

【0068】

図１６（Ｃ）に示すように、第１部材１０は、端部に、表面１２から裏面１４に貫通する第１孔部１８Ｃを有する。図１６（Ａ）、（Ｃ）に示すように、表側結合部材１１０Ｃは第１部材１０Ｃの表面１２に接触して、第１孔部１８Ｃから第２孔部２８Ｃに亘って配置され、裏側結合部材１２０Ｃは第１部材１０Ｃの裏面１４に接触して第１孔部１８Ｃから第２孔部２８Ｃに亘って配置されている。表側結合部材１１０Ｃと裏側結合部材１２０Ｃとにより、第１部材１０Ｃの端部と第２部材２０の端部とを挟み込み、表側結合部材１１０Ｃと裏側結合部材１２０Ｃとが第１接合部材１３０Ｃおよび第２接合部材（不図示）により接合されることにより第１部材１０Ｃの端部と第２部材２０Ｃの端部とを結合している。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0069】

図１７は、変形例の構造体１０００Ｄ、１０００Ｅ、１０００Ｆの断面構成を概略的に示す説明図である。図１７に示す例は、図１６に示す例における第１部材１０Ｂと第２部材２０Ｂの横断面形状が異なるものである。図１７は、図１６（Ｃ）に示す断面に相当する。図１７（Ａ）に示す例は、第１部材１０Ｄが中実の四角柱である。この場合、表面１２と対向する面が裏面１４である。図１７（Ｂ）に示す例は、第１部材１０Ｅが中実の六角柱である。図の例では、表面１２と対向する面が裏面１４としている。なお、図中の裏面１４の隣の面１５（表面１２と略対向する面）を、裏面としてもよい。表面１２、表面１２の隣の面１７を表面とし、対向する裏面１４と面１５を裏面としてもよい。図１７（Ｃ）に示す例は、第１部材１０Ｆが中実の五角柱である。この場合、２つの表面１２と対向する面を裏面１４としている。なお、一方の表面１２のみに接触する表側結合部材１１０Ｅを用いてもよい。被結合部材が中実の部材の場合には、このようにすることにより、結合部材を用いて被結合部材同士を結合することができる。

【0070】

・上記実施形態において、第１接合部材が第１孔部と隙間を空けて配置され、第２接合部材が第２孔部と隙間を空けて配置される例を示したが、それぞれ、隙間なく配置されてもよい。このようにしても、被結合部材同士が直接溶接等により接合されないため、容易に解体することができる。

【0071】

・結合部材の設計において、トポロジー最適化に限定されず、寸法最適化、形状最適化を用いて結合部材を設計してもよい。また、被結合部材同士の結合部分の全体に貫通孔と結合部材を設けてもよい。

【0072】

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0073】

１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ…第１部材
１１…第１端
１２、２２、３２、４２…表面
１４、２４、３４、４４…裏面
１５、１７…面
１６、２６、３６…端部
１８、１８Ｃ、２９、３９、４８…第１孔部
１９、２８、２８Ｃ、３８…第２孔部
２０、２０Ｂ、２０Ｃ…第２部材
２１…第１端
１００、１００Ａ、１００Ｃ…結合部材
１０１…第１結合部材
１０２…第２結合部材
１０３…第３結合部材
１１０、１１０Ａ、１１０Ｃ、１１０Ｅ、１１２、１１４、１１６…表側結合部材
１２０、１２０Ａ、１２０Ｃ、１２２、１２４Ｕ、１２６、１２６Ｕ、１２８…裏側結合部材
１３０、１３０Ｃ…第１接合部材
１３０Ｌ…溶接部
１３２…スペーサ
１４０…第２接合部材
１４０Ｌ…溶接部
２００…結合部材設計装置
２１０…制御部
２１２…設計部
２２０…記憶部
２２２…プログラム
２３０…入力Ｉ／Ｆ部
２４０…出力Ｉ／Ｆ部
２５０…バス
１０００、１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄ…構造体
Ｃ…中心軸
Ｌ…レーザー
ＬＣ…切断線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】