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CN114340890B - 曲面板构件 - Google Patents

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CN114340890B
CN114340890B CN201980099992.9A CN201980099992A CN114340890B CN 114340890 B CN114340890 B CN 114340890B CN 201980099992 A CN201980099992 A CN 201980099992A CN 114340890 B CN114340890 B CN 114340890B
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Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
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Abstract

一种曲面板构件，其具备：金属制的曲面板；以及加强构件，其接合于曲面板，由包含连续纤维的多个FRP层构成，多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，在多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，关于接合于曲面板的加强构件的各FRP层的纤维方向，在使用三角函数分别计算0°方向分量和90°方向分量的情况下满足式(1)，其中将曲面板的最大主曲率方向定义为0°方向，并且将与0°方向正交的方向定义为90°方向。

Description

曲面板构件
技术领域
本发明涉及一种具有曲率的板的构造。
背景技术
作为具有曲率的板(以下，“曲面板”)的一例，有汽车的车门外板、车顶板、发动机罩、挡板、侧围外板等整体为曲面状的金属制板。在汽车开发中，为了以提高燃料效率为目的的轻量化，正在发展作为曲面板的原材料使用的例如钢板的薄壁化。另一方面，钢板的薄壁化使曲面板的抗拉刚度降低，因此要求对曲面板进行加强以确保充分的抗拉刚度。
作为加强曲面板的构造，在专利文献1中公开了一种在金属板粘贴有FRP(纤维增强树脂)片的曲面板构件。在专利文献1的曲面板构件中，通过适当变更FRP片的形状来提高曲面板变形时的复原性能。在专利文献2中公开了，在板面积的1％～30％的范围内粘接CFRP，使按压板的中心时的载荷分散到粘接有CFRP的那一侧的板的缘部。在专利文献3中公开了一种构造体，其具备包围中空的芯的、由玻璃纤维构成的内部层、由FRP构成的中间层以及由玻璃纤维构成的外部层。在专利文献4中公开了一种板构造，在汽车的车门等中，在FRP制的加强树脂层下设置宽度比FRP制的加强树脂层窄的发泡聚乙烯等加强筋形成材料，将比该加强筋形成材料的宽度宽的加强构件的下摆部的下表面粘接在板上。在专利文献5中公开了一种具备相对于车辆宽度方向倾斜地延伸的、由FRP构成的加强构件的车辆用车顶构造体。在专利文献6中公开了一种在芯材的表面侧和背面侧分别配置有FRP层的夹层构造的FRP构造体。在专利文献7中公开了一种将具有凸状的粘接加工部的碳纤维单向材料或碳纤维交叉织物等加强构件粘接于主构造材料的构造用构件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-253371号公报
专利文献2：日本特开2018-016171号公报
专利文献3：日本特开2003-291232号公报
专利文献4：日本特开昭57-151357号公报
专利文献5：国际公开第2014/034586号
专利文献6：日本特开2008-213437号公报
专利文献7：日本特开2009-166408号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1中公开了各种各样的FRP片的形状，但为了得到加强效果而对FRP片赋予形状会使FRP片的制造工序显著增加，导致生产率的降低。因而，期望的是通过其他方法加强曲面板。在专利文献2中，仅使按压板的中心的情况下的载荷分散，难以根本性地提高抗拉刚度。专利文献3的构造体是必须在内部层具有中空的芯的构造，因此存在无法应用于板的加强侧的内部空间存在制约等情况等的问题。在专利文献4和专利文献5的构造中，仅对板的一部分进行加强，因此抗拉刚度的提高存在限度，存在若对板的整面进行加强，则整体的重量变大这样的问题。专利文献6的FRP构造体是必须设置芯材的构造，因此存在在板的加强侧的内部空间存在制约等情况下无法应用等问题。在专利文献7的构造中，将凸状的加强构件粘贴于主构造材料，因此存在在内部空间存在制约等情况下无法应用等问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种不使用交叉织物而能够提高抗拉刚度的曲面板构件。
用于解决问题的方案
解决上述课题的本发明的一技术方案是一种曲面板构件，其具备：
金属制的曲面板；以及
加强构件，其接合于所述曲面板，由包含连续纤维的多个FRP层构成，
所述多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，
所述多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，
在所述多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，
关于接合于所述曲面板的所述加强构件的各FRP层的纤维方向，在使用三角函数分别计算0°方向分量和90°方向分量的情况下满足下述式(1)，其中将所述曲面板的最大主曲率方向定义为0°方向，并且将与所述0°方向正交的方向定义为90°方向，
580×K≤(A×4+B)/(C+D) (1)
A：处于所述加强构件的板厚中心的外侧的所述FRP层的所述0°方向分量
B：处于所述加强构件的板厚中心的内侧的所述FRP层的所述0°方向分量
C：所述多个FRP层的全部层中的所述0°方向分量
D：所述多个FRP层的全部层中的所述90°方向分量
K：1/所述0°方向上的曲率半径，其单位为mm。
也可以是，所述曲面板的70％以上的面积接合有所述加强构件。也可以是，所述曲面板的整个面接合有所述加强构件。所述加强构件的板厚也可以是所述曲面板的板厚的2.0倍以上。
也可以是，所述曲面板是汽车的发动机罩或者车顶板，所述曲面板的下表面接合有所述加强构件。也可以是，所述曲面板是汽车的挡板、车门外板或者侧围外板，所述曲面板的车内侧的面接合有所述加强构件。
所述曲面板也可以是440MPa以上的钢板。所述FRP也可以是CFRP。所述FRP也可以是GFRP。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种不使用交叉织物而能够提高抗拉刚度的曲面板构件。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的曲面板构件的概略结构的立体图。
图2是从背面侧观察图1的曲面板构件而得到的立体图。
图3是表示汽车的车身构造例的图。
图4是用于说明本实施方式的加强构件的层构造的图。
图5是用于说明纤维方向的0°方向分量和90°方向分量的计算方法的图。
图6是用于说明纤维方向的0°方向分量和90°方向分量的计算方法的图。
图7是表示本实施方式的加强构件的层构造的一例的图。
图8是表示曲面板和加强构件的接合例的图。
图9是表示用于评价抗拉刚度的条件的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一实施方式。需要说明的是，在本说明书和附图中，对具有实质上相同的功能结构的要素标注相同的附图标记，从而省略重复说明。
如图1和图2所示，本实施方式的曲面板构件1包括金属制的曲面板2和接合于曲面板2的由包含连续纤维的多个FRP层构成的加强构件3。金属制的曲面板2的原材料没有特别限定，例如使用钢板、铝合金板、镁合金板等。在提高抗拉刚度和耐冲击性的观点上，曲面板2优选由440MPa以上的钢板形成。本说明书中的“曲面板”除了板整个表面是曲面的构件之外，还包括一部分具有凹凸、平面部并且整体为曲面状的构件。作为曲面板2的一例，是图3那样的汽车的发动机罩、车顶板、挡板、车门外板或者侧围外板等部件。另外，曲面板2不限定于汽车部件，也可以是其他的板状的构件。
需要说明的是，曲面板2是通过对平板进行加工而得到的。因而，在制造曲面板2的阶段，确定作为产品的形状、原材料，用途也确定。因此，能够确定曲面板2的表面侧的面和背面侧的面中的作为产品使用时输入来自面外方向的载荷的频率高的面。例如在汽车的车门外板的情况下，若将表面侧的面作为车外侧的面，将背面侧的面作为车内侧的面，则与车内侧的面相比，车外侧的面被输入来自面外方向的载荷的频率较高。即，在图1所示的例子中，用虚线表示的接合有加强构件3的那一侧成为车门外板的车内侧的面。在本说明书中，将曲面板2的表面侧的面和背面侧的面中的上述那样的输入有来自面外方向的载荷的频率高的那一侧的面称为“载荷输入侧的面”。在本实施方式中，将曲面板2的曲面2a、2b中的曲率小的那一侧的面即曲面2a作为载荷输入侧的面，进行以后的说明，但根据曲面板2的用途，曲率大的那一侧的面即曲面2b也有时成为载荷输入侧的面。
从有效地提高抗拉刚度的观点出发，加强构件3优选接合于与载荷输入侧相反的一侧的曲面2b。在曲面板2例如是汽车的发动机罩或者车顶板的情况下，载荷输入侧的曲面2a是曲面板2的上表面(车外侧的面)，因此加强构件3优选接合于曲面板2的下表面(车内侧的面)。在曲面板2例如是汽车的挡板、车门外板或者侧围外板的情况下，载荷输入侧的曲面2a是曲面板2的车外侧的面，因此加强构件3优选接合于曲面板2的车内侧的面。
本实施方式的加强构件3接合于曲面板2的与载荷输入侧相反的一侧的曲面2b。加强构件3相对于曲面板2的接合方法没有特别限定，例如使用粘接剂进行接合。在有效地提高曲面板构件1的抗拉刚度的观点上，加强构件3的板厚、即多个FRP层的合计板厚优选为曲面板2的板厚的2.0倍以上。加强构件3的板厚更优选为曲面板2的板厚的2.5倍以上，进一步优选为3.0倍以上。加强构件3的板厚的上限从所要求的曲面板构件1的抗拉刚度和重量等观点出发而适当地设定，但加强构件的板厚优选为曲面板2的板厚的10.0倍以下，更优选为7.5倍以下，进一步优选为5.0倍以下。
(加强构件的例子)
能够用于加强构件(也称为FRP构件)的FRP是指由基体树脂和在该基体树脂中含有的经复合化的增强纤维材料构成的纤维增强树脂。
作为增强纤维材料，例如能够使用碳纤维、玻璃纤维。此外，作为增强纤维材料，还能够使用硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维等。在用于FRP构件的FRP中，作为成为增强纤维材料的基材的增强纤维基材，例如能够使用单向增强纤维基材(UD材料)等。这些增强纤维基材能够根据增强纤维材料的取向性的需要而适当选择。
CFRP是使用碳纤维作为增强纤维材料的FRP。作为碳纤维，例如能够使用PAN系或者沥青系的碳纤维。CFRP的碳纤维优选为弹性模量高的沥青系碳纤维。采用沥青系碳纤维的加强构件3，能够得到更高的反作用力，能够提高抗拉刚度。
GFRP是使用玻璃纤维作为增强纤维材料的FRP。虽然机械特性比碳纤维差，但能够抑制金属构件的电蚀。
作为用于FRP的基体树脂，热固性树脂和热塑性树脂均能够使用。作为热固性树脂，可列举出环氧树脂、不饱和聚酯树脂以及乙烯酯树脂等。作为热塑性树脂，可列举出聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯等)及其酸改性物、尼龙6及尼龙66等聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚对苯二甲酸丁二醇酯等热塑性芳香族聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚苯醚及其改性物、聚芳酯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、氯乙烯、聚苯乙烯等苯乙烯系树脂、以及苯氧基树脂等。需要说明的是，基体树脂也可以由多种树脂材料形成。
若考虑向金属构件的应用，则从加工性、生产率的观点出发，优选使用热塑性树脂作为基体树脂。而且，通过使用苯氧基树脂作为基体树脂，能够提高增强纤维材料的密度。另外，苯氧基树脂由于分子结构与作为热固性树脂的环氧树脂酷似，因此具有与环氧树脂相同程度的耐热性。另外，通过进一步添加固化成分，也能够适用于高温环境。在添加固化成分的情况下，其添加量考虑向增强纤维材料的浸渗性、FRP的脆性、生产节拍时间以及加工性等适当决定即可。
<粘接树脂层>
在加强构件由FRP构件等形成的情况下，也可以在FRP构件与金属构件(在本实施方式中，曲面板2)之间设有粘接树脂层(省略图示)，利用该粘接树脂层将FRP构件与金属构件接合。
形成粘接树脂层的粘接树脂组合物的种类没有特别限定。例如，粘接树脂组合物可以是热固性树脂、热塑性树脂中的任一种。热固性树脂和热塑性树脂的种类没有特别限定。例如，作为热塑性树脂，能够使用选自聚烯烃及其酸改性物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、AS树脂、ABS树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等热塑性芳香族聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚苯醚及其改性物、聚苯硫醚、聚甲醛、聚芳酯、聚醚酮、聚醚醚酮以及聚醚酮酮等中的1种以上。另外，作为热固性树脂，例如能够使用选自环氧树脂、乙烯酯树脂、酚醛树脂以及聚氨酯树脂中的1种以上。
粘接树脂组合物能够根据构成FRP构件的基体树脂的特性、加强构件的特性或者金属构件的特性而适当选择。例如，通过使用具有极性官能团的树脂、实施了酸改性等的树脂作为粘接树脂层，从而提高粘接性。
像这样，通过使用上述粘接树脂层将FRP构件粘接于金属构件，能够提高FRP构件与金属构件的密合性。这样，能够提高对金属构件输入载荷时的FRP构件的变形追随性。在该情况下，能够更可靠地发挥FRP构件对金属构件的变形体的效果。
需要说明的是，为了形成粘接树脂层所使用的粘接树脂组合物的形态例如能够设为粉体、清漆等液体、膜等固体。
另外，也可以在粘接树脂组合物中配混交联固化性树脂和交联剂，形成交联性粘接树脂组合物。由此，粘接树脂组合物的耐热性提高，因此能够在高温环境下应用。作为交联固化性树脂，例如能够使用2官能性以上的环氧树脂、结晶性环氧树脂。另外，作为交联剂，能够使用胺、酸酐等。另外，在不损害其粘接性、物理性质的范围内，也可以在粘接树脂组合物中配混各种橡胶、无机填料、溶剂等其他添加物。
FRP构件向金属构件的复合化通过各种方法实现。例如，通过利用上述粘接树脂组合物将成为FRP构件的FRP或者作为其前体的FRP成型用预浸料与金属构件粘接并使该粘接树脂组合物固化(或者硬化)而得到。在该情况下，例如，通过进行加热压接，能够使FRP构件和金属构件复合化。
上述FRP或者FRP成型用预浸料向金属构件的粘接能够在部件成型前、成型中或者成型后进行。例如，也可以在将作为被加工件的金属材料成型为金属构件之后，将FRP或者FRP成型用预浸料粘接于该金属构件。另外，也可以在通过加热压接将FRP或者FRP成型用预浸料粘接于被加工件之后，对粘接有FRP构件的该被加工件进行成型而得到经复合化的金属构件。若FRP构件的基体树脂是热塑性树脂，则也能够对粘接有FRP构件的部分进行弯曲加工等成型。另外，在FRP构件的基体树脂是热塑性树脂的情况下，也可以进行加热压接工序和成型工序成为一体的复合一并成型。
需要说明的是，FRP构件与金属构件的接合方法不限于利用上述粘接树脂层进行的粘接。例如，FRP构件和金属构件也可以机械接合。更具体而言，也可以在与FRP构件和金属构件各自对应的位置形成有紧固用孔，将它们利用螺栓、铆钉等紧固部件经由该孔进行紧固，从而将FRP构件和金属构件接合。此外，也可以利用公知的接合手段将FRP构件与金属构件接合。另外，也可以利用多个接合手段将FRP构件和金属构件复合地接合。例如，也可以复合地使用利用粘接树脂层进行的粘接、基于紧固部件的紧固。
<金属构件及其表面处理>
本发明的金属构件可以是热轧钢板、冷轧钢板，但也可以对这些钢板进行镀覆。由此，提高耐腐蚀性。特别是在金属构件为钢材的情况下，更加适宜。镀覆的种类没有特别限定，能够使用公知的镀覆。例如，作为镀覆钢板(钢材)，能够使用热浸镀锌钢板、合金化热浸镀锌钢板、Zn-Al-Mg系合金镀覆钢板、镀铝钢板、电镀锌钢板、Zn-Ni合金电镀钢板等。不需要特别限定金属构件的板厚，例如在汽车用构件中，0.60mm～3.2mm左右的情况较多。
另外，金属构件也可以在表面覆盖被称为化学转化处理的覆膜。由此，更加提高耐腐蚀性。作为化学转化处理，能够使用通常公知的化学转化处理。例如，作为化学转化处理，能够使用磷酸锌处理、铬酸盐处理、无铬酸盐处理等。另外，上述覆膜也可以是公知的树脂覆膜。
另外，金属构件也可以实施通常公知的涂装。由此，更加提高耐腐蚀性。作为涂装，能够使用公知的树脂。例如，作为涂装，能够使用以环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸类树脂、聚酯树脂或者氟系树脂等为主树脂的涂装。另外，在涂装中也可以根据需要添加通常公知的颜料。另外，涂装也可以是未添加颜料的透明涂装。该涂装既可以在将FRP构件复合化之前预先对金属构件实施，也可以在将FRP构件复合化之后对金属构件实施。另外，也可以预先对金属构件实施涂装之后，将FRP构件复合化，再之后实施涂装。在涂装中使用的涂料也可以是溶剂系涂料、水系涂料或者粉体涂料等。作为涂装的施工方法，能够应用通常公知的方法。例如，作为涂装的施工方法，能够使用电沉积涂装、喷涂、静电涂装或者浸渍涂装等。电沉积涂装适合于覆盖金属构件的端面、间隙部，因此涂装后的耐腐蚀性优异。另外，通过在涂装前对金属构件的表面实施磷酸锌处理、氧化锆处理等通常公知的化学转化处理，从而涂膜密合性提高。
(多个FRP层)
(各FRP层分别为一个纤维方向)
(纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上)
图4是用于说明加强构件3的层构造的图。构成加强构件3的多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向。在此，在本说明书中，将曲面板2的最大主曲率方向定义为“0°方向”，将与定义了0°方向的曲面正对时的与0°方向正交的方向定义为“90°方向”。在图4所示的例子中，FRP成为6层构造，在多个FRP层中的靠近曲面板2的曲面2b的4层中，连续纤维沿0°方向取向，在剩下的2层中，连续纤维沿90°方向取向。需要说明的是，在本说明书中，将连续纤维沿一个特定的方向取向的层称为“取向层”。例如将纤维沿0°方向取向的层称为0°取向层，将沿90°方向取向的层称为90°取向层。即，图4所示的加强构件3具有四个0°取向层3a和两个90°取向层。
需要说明的是，“θ°取向层”也包括由沿θ±5°取向的连续纤维构成的取向层。例如“0°取向层”不仅包括连续纤维的纤维方向严格地表示0°方向的FRP层，还包括包含相对于0°方向沿-5°～5°取向的连续纤维的取向层。取向层的纤维方向能够通过使用微焦X射线CT(X-ray Computed Tomography)对纤维增强树脂构件进行观察、分析来确定。构成加强构件3的层的总数没有特别限定，可根据曲面板2的形状、所要求的抗拉刚度等适当变更。另外，加强构件3的尺寸、FRP的各层的板厚、以及加强构件3相对于曲面板2的接合位置等也没有特别限定，可根据曲面板2的形状、所要求的抗拉刚度等适当变更。
另外，本申请的发明人等对将专利文献7的碳纤维交叉织物等那样的、在FRP的一层内织入2个以上方向的纤维的原材料粘贴于曲面板而成的构件的抗拉刚度进行了评价，结果，抗拉刚度的提高效果小。其理由尚不明确，但认为交叉织物有可能受到纤维起伏的影响。本发明是基于该评价结果，对不使用交叉织物而层叠一个纤维方向的FRP层来提高抗拉刚度进行研究而得到的。因此，本发明的加强构件由多个FRP层构成，并且多个FRP层的各FRP层分别具有一个纤维方向。
根据本申请的发明人等的研究，判明了，即使各个FRP层的纤维方向为一个方向，在多个FRP层的纤维方向全部为相同方向(例如全部FRP层的纤维方向为与最大主曲率垂直的方向，也就是说全部FRP层为90°取向层)的情况下，如后所述，抗拉刚度的提高效果也较小。根据该见解，发明人等发现，为了提高抗拉刚度，不将多个FRP层的纤维方向对齐为一个方向较好，存在纤维方向的角度差为30°以上的FRP层并且纤维方向的角度差相差30°以上的FRP层的比例为FRP全部层的15％以上较好。纤维方向不同的FRP层中的“纤维方向的角度差为30°以上的FRP层在全部层中所占的比例”的值根据在多个纤维方向中作为基准的纤维方向而变化，但在本说明书中，分别计算以各个纤维方向为基准的情况下的上述比例，使用最低的比例的值。例如，在后述的实施例中的CASE a11中，以90°方向为基准的情况下的角度差成为30％以上的FRP层在全部层中所占的比例成为67％(4层/6层＝0.67)，以0°方向为基准的情况下的该比例成为33％(2层/6层＝0.33)。因而，在该情况下的最低的比例的值是33％，因此纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例是全部层的33％。需要说明的是，在各FRP层的厚度与FRP纤维的密度大致相同的情况下，通过上述方法计算，但在各层的厚度、密度不同的情况下，将各层的厚度和密度作为权重，计算该比例。
FRP层的角度差优选更大者，优选为40°以上、50°以上或者60°以上。角度差的上限当然是90°。预定的角度差以上的纤维方向的FRP层在全部层中所占的比例优选更大者，优选为20％以上、25％以上或者30％以上。但是，该比例的上限为50％。
曲面板构件1如上所述地构成。在图1那样的曲面板2的情况下，若来自面外方向的载荷F输入到曲面板2的载荷输入侧的曲面2a，则在载荷输入位置的周围产生大致圆形状的形变。本发明的发明人发现，在这样的情况下，若是接合有多个FRP层中的至少一层具有与其他层不同的纤维方向，纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上，并且满足下述式(1)的加强构件3的曲面板构件1，则有效地提高抗拉刚度。
580×K≤(A×4+B)/(C+D) (1)
A：处于所述加强构件的板厚中心的外侧的所述FRP层的所述0°方向分量
B：处于所述加强构件的板厚中心的内侧的所述FRP层的所述0°方向分量
C：所述多个FRP层的全部层中的所述0°方向分量
D：所述多个FRP层的全部层中的所述90°方向分量
K：1/所述0°方向上的曲率半径(mm)
(0°方向分量和90°方向分量的计算方法)
在本说明书中，如下这样计算0°方向分量(与曲面板2的最大主曲率方向平行的分量)和90°方向分量(平行于与曲面板2的最大主曲率方向垂直的方向的分量)的比例。在此，示出在构成接合于曲面板2的加强构件的FRP的全部层中，包含2种纤维方向的例子。图5表示具有与0°方向所成的角(锐角)为θ1的第1纤维方向的FRP层，图6表示具有与0°方向所成的角(锐角)为θ2的第2纤维方向的FRP层。第1纤维方向与第2纤维方向是互不相同的方向。本说明书中的“0°方向分量”是，关于FRP层的纤维方向，通过使用三角函数分量分解为0°方向分量(也就是说，cosθ1或者cosθ2)和90°方向分量(也就是说，cos(90°-θ1)＝sinθ1或者cos(90°-θ2)＝sinθ2)而计算出的0°方向分量的绝对值。另外，本说明书中的“90°方向分量”是，关于FRP层的纤维方向，通过使用三角函数分量分解为0°方向分量和90°方向分量而计算出的90°方向分量的绝对值。
在计算上述式(1)的全部层中的0°方向分量(式(1)的“C”)和全部层中的90°方向分量(式(1)的“D”)时，首先，对于具有第1纤维方向的FRP层，对角θ1进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。此时，若存在具有第1纤维方向的其他FRP层，则对于该层，也同样地对角θ1进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。接下来，对于具有第2纤维方向的FRP层，对角θ2进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。此时，若存在具有第2纤维方向的其他FRP层，则对该层也同样地对角θ2进行分量分解，计算0°方向分量和90°方向分量。如此，通过在对各层计算了0°方向分量和90°方向分量之后，对各层的0°方向分量进行合计，从而计算式(1)中的全部层的0°方向分量(式(1)的“C”)。同样地，通过对各层的90°方向分量进行合计，从而计算式(1)中的全部层的90°方向分量(式(1)的“D”)。
例如在图5中，在角θ1为30°的情况下，cos30°的绝对值为0°方向分量，sin30°的绝对值为90°方向分量。即，关于角θ1为30°的情况下的第1纤维方向的0°方向分量约为0.866，90°方向分量为0.5。另外，在图6中，角θ2为-60°的情况下，cos-60°的绝对值为0°方向分量，sin-60°的绝对值为90°方向分量。即，关于角θ2为-60°的情况下的第2纤维方向的0°方向分量为0.5，90°方向分量约为0.866。在图5和图6中，在具有第1纤维方向的层为4层，具有第2纤维方向的层为2层的情况下，全部层中的0°方向分量约为4.46(0.866×4+0.5×2)，全部层中的90°方向分量约为3.73(0.5×4+0.866×2)。如此计算出0°方向分量的合计值和90°方向分量的合计值。需要说明的是，纤维方向为0°方向的情况下的0°方向分量的值为cos0°即1，90°方向分量的值为sin 0°即0。另外，纤维方向为90°方向的情况下的0°方向分量的值为cos 90°即0，90°方向分量的值为sin 90°即1。
另外，在各FRP层的厚度与FRP纤维的密度为大致相同的厚度的情况下，通过上述方法进行计算，在各层的厚度、密度不同的情况下，将各层的厚度和密度作为权重计算该比例。例如，在将n层FRP中的从接合侧起第k层的0°方向分量的值设为xk，将该层的厚度设为tk的情况下，全部层中的0°方向分量的合计值为x1×t1+…+xn×tn。也同样地得到90°方向分量的合计值。
在本说明书中，相对于加强构件3的板厚(即，各层的合计板厚)的中心TC，将位于与曲面板2的接合侧的FRP层称为“处于板厚中心TC的内侧的层”，将位于与该接合侧相反的一侧的FRP层称为“处于板厚中心TC的外侧的层”。例如在图4的加强构件3中，若各FRP层的板厚全部相等，则具有6层的FRP层中的下侧的3层是处于加强构件3的板厚中心TC的外侧的层，具有6层的FRP中的上侧的3层是处于加强构件3的板厚中心的内侧的层。因而，在图4的例子的情况下，式(1)中的处于加强构件3的板厚中心的外侧的FRP层的0°方向分量(式(1)的“A”)是具有6层的FRP层中的下侧的3层的0°方向分量的合计值，式(1)中的处于加强构件3的板厚中心的内侧的FRP层的0°方向分量的(式(1)的“B”)是具有6层的FRP层中的上侧的3层的0°方向分量的合计值。
式(1)的“K”是“1”除以曲面板2的0°方向的曲率半径而得的值，相当于最大主曲率。式(1)的“K”是表示曲面板2是怎样的形状的指标，因此在以后的说明中，将式(1)的“K”称为形状指数K。为了提高曲面板构件1的抗拉刚度，重要的是规定各FRP层中的纤维方向，但FRP的纤维方向对曲面板构件1的抗拉刚度造成的影响根据曲面板2的形状而不同。换言之，根据曲面板2的形状，FRP的纤维方向相对于抗拉刚度的贡献度不同。因而，为了提高曲面板构件1的抗拉刚度，重要的是，在也考虑曲面板2的形状的基础上，规定FRP的纤维方向。
满足该要求的条件是式(1)。如后述的实施例所示，采用具备多个FRP层中的至少一层具有与其他层不同的纤维方向，纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上，并且满足式(1)的加强构件3的曲面板构件1，能够提高抗拉刚度。
需要说明的是，在本实施方式的说明中，纤维方向是2个方向，但也可以是3个方向以上。例如图7所示的加强构件3从曲面板2的曲面2b起依次具有90°取向层3b、45°取向层3c、-45°取向层3d、0°取向层3a、90°取向层3b、0°取向层3a。即使在这样的情况下，通过将多个FRP层中的至少一层具有与其他层不同的纤维方向，纤维方向的角度差为30°以上的FRP层的比例为全部层的15％以上，并且满足式(1)的加强构件3接合于曲面板2，也能够提高曲面板构件1的抗拉刚度。
另外，加强构件3即使接合于曲面板2的曲面2a也得到抗拉刚度的提高效果，但加强构件3优选接合于与曲面2a相反的一侧的曲面2b。例如在曲面板2是汽车的车门外板、车顶板、发动机罩、挡板或者侧围外板等部件的情况下，来自面外方向的载荷F输入到曲面板2的载荷输入侧的曲面2a，因此曲面板2的曲面2b侧的拉伸应力变大，但若加强构件3接合于曲面板2的曲面2b，则能够有效地对拉伸应力的产生部进行加强。由此，更易于得到曲面板2的抗拉刚度的提高的效果。
另外，加强构件3优选如图8所示，接合于曲面板2的整个面。例如，即使在加强构件3相对于曲面板2局部地接合的情况下，也能够局部地提高抗拉刚度。然而，通过曲面板2的整个面接合有加强构件3，无论载荷输入到曲面板2的哪个位置，都能够得到基于加强构件3的加强效果。即使不是曲面板2的整个面接合有加强构件3的情况下，也优选曲面板2的面积的70％以上接合有加强构件3。更优选为曲面板2的面积的80％以上，进一步优选为90％以上。
另外，在满足式(1)的加强构件3例如是与前述的专利文献1的FRP片相同的形状的情况下，所发挥的加强效果相对于专利文献1的FRP片变大。即，在能够以与专利文献1的加强效果同等的加强效果满足与抗拉刚度相关的产品规格的情况下，例如也能够减薄加强构件3的板厚而谋求曲面板构件1的轻量化。因此，在加强构件3接合于曲面板2的整个面的情况下，与以往的FRP片与板整体接合有多个的情况相比，能够谋求板构件的轻量化，并且确保充分的抗拉刚度。
以上，说明了本发明的一实施方式，但本发明不限定于该例。可明确的是，只要是本领域技术人员，就能够在权利要求书所记载的技术思想的范畴内想到各种变更例或者修改例，可以理解这些当然也属于本发明的保护范围。
实施例
通过图9所示的方法对曲面板构件1的抗拉刚度进行了评价。详细地说明，对于在曲面板2的与载荷输入侧的曲面2a相反的一侧的曲面2b接合有加强构件3的曲面板构件1，通过在曲面板2的曲面2a的中央部压入R50的半球状的压头10，从而评价抗拉刚度。抗拉刚度根据将压头10压入2mm时所需的载荷(以下“2mm行程时载荷”)的大小来评价，越是2mm行程时载荷大的曲面板构件1，则越是抗拉刚度高、难以变形的构件。本评价方法中的曲面板2是抗拉强度为590MPa的钢板，加强构件3是具有多个杨氏模量为102GPa的FRP层的构件。
另外，对于曲面板2，准备3种形状指数K如以下这样不同的曲面板，对各曲面板构件评价了抗拉刚度。
(a)K＝0.00083(曲率半径：1200mm)
(b)K＝0.00125(曲率半径：800mm)
(c)K＝0.00250(曲率半径：400mm)
抗拉刚度的评价条件和评价结果如下述表1所述。需要说明的是，作为比较例，对曲面板单体的情况和CFRP为单一纤维方向的情况也评价了抗拉刚度。
[表1]
如表1所示，可知，在曲面板接合有加强构件的CASE a3～CASE a20的2mm行程时载荷比曲面板单体的CASE a1和CASE a2的2mm行程时载荷大，通过在曲面板接合加强构件，抗拉刚度提高。
CASE a4～CASE a10的加强构件是每1层为0.20mm的CFRP层叠6层的构造。板厚为1.20mm(0.20mm×6)的CFRP的重量是与作为CASE a3的加强构件使用的0.70mm的铝板相同程度的重量，但CASE a4～CASE a9的2mm行程时载荷比CASE a3的2mm行程载荷小，抗拉刚度差。另一方面，使用了具有2个方向或者3个方向的纤维方向的CFRP的CASE a12～a20在满足式(1)的方面与CASE a4～CASE a9是同样的，但CASE a12～a20的2mm行程时载荷相对于CASE a3～CASE a9变大，抗拉刚度提高。根据其结果，可知，在多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，在多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，并且曲面板接合有满足式(1)的加强构件的情况下，作为曲面板构件的抗拉刚度提高。特别是，在CASE a12～a20中，与使用了有利于轻量化的铝板的CASE a3相比，抗拉刚度提高。即，作为发明例的CASE a12～a20的曲面板构件的抗拉刚度的质量效率优异，能够以高水平兼顾抗拉刚度和轻量化。
另外，在形状指数K相对于CASE a1～a20不同的CASE b1～b10和CASE c1～c10的结果中，也示出了，在至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，在多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，并且满足式(1)的情况下，曲面板构件的抗拉刚度提高。特别是，在作为发明例的CASE b5～b10中，与使用了有利于轻量化的铝板的CASE b1相比，抗拉刚度提高。另外，在作为发明例的CASE c5、c9、c10中，与使用了有利于轻量化的铝板的CASE c1相比，抗拉刚度提高。因而，CASE b5～b10和CASE c5、c9、c10的曲面板构件也与前述的CASE a12～a20同样地是抗拉刚度的质量效率优异的构造。即，本发明的曲面板构件是与曲面板的形状指数K无关地，能够以高水平兼顾抗拉刚度和轻量化的构件。
CASE a13和CASE a20的加强构件的尺寸(面积)互不相同。详细地说明，在CASEa13中，与除CASE A20之外的其他实施例同样地，在曲面板的面积的100％的区域接合有加强构件，在CASE a20中，在曲面板的面积的80％的区域接合有加强构件。CASE a13和CASEa20在除加强构件的尺寸之外的条件互为相同的条件下评价抗拉刚度，但2mm行程时载荷均为较高的值。根据本结果可知，即使在加强构件未与曲面板的整个面接合的情况下，也可充分地得到抗拉刚度的提高效果。
在上述表1中，将使用CFRP作为加强构件的情况的层构造设为6层，但对4层构造的情况也通过图9的方法评价了抗拉刚度。评价结果如下述表2所述。
[表2]
如表2所示，可知，即使在4层构造的情况下，在至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，在多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，并且满足式(1)的情况下，抗拉刚度也提高。即，在得到本发明的抗拉刚度的提高效果的观点上，多个FRP层的总数没有特别限定。
需要说明的是，作为由FRP构成的构件，有在FRP的一个层内织入有2个以上的方向的纤维的原材料(所谓的交叉织物)，但对于交叉织物，利用图9的方法评价了抗拉刚度，结果抗拉刚度的提高效果较小。
产业上的可利用性
本发明能够用作汽车的车门外板、车顶板、发动机罩、挡板或者侧围外板等构造。
附图标记说明
1、曲面板构件；2、曲面板；2a、曲面板的载荷输入侧的面；2b、曲面板的与载荷输入侧相反的一侧的面；3、加强构件；3a、0°取向层；3b、90°取向层；3c、45°取向层；3d、-45°取向层；10、压头；TC、加强构件的板厚中心。

Claims (9)

1.一种曲面板构件，其具备：
曲面板，其为金属制，且该曲面板的至少一部分具有曲率；以及
加强构件，其接合于所述曲面板的具有曲率的面的单面，由包含连续纤维的多个FRP层构成，
所述多个FRP层的各FRP层分别由一个纤维方向构成，
所述多个FRP层中的至少一个层具有与其他层不同的纤维方向，
在所述多个FRP层中，纤维方向的角度差为30°以上的层的比例为全部层的15％以上，
关于接合于所述曲面板的所述加强构件的各FRP层的纤维方向，在使用三角函数分别计算0°方向分量和90°方向分量的情况下满足下述式(1)，其中将所述曲面板的具有曲率的面的最大主曲率方向定义为0°方向，并且将与所述0°方向正交的方向定义为90°方向，
580×K≤(A×4+B)/(C+D) (1)
A：处于所述加强构件的板厚中心的外侧的所述FRP层的所述0°方向分量
B：处于所述加强构件的板厚中心的内侧的所述FRP层的所述0°方向分量
C：所述多个FRP层的全部层中的所述0°方向分量
D：所述多个FRP层的全部层中的所述90°方向分量
K：1/所述0°方向上的曲率半径，其单位为mm。
2.根据权利要求1所述的曲面板构件，其中，
所述曲面板的70％以上的面积接合有所述加强构件。
3.根据权利要求1所述的曲面板构件，其中，
所述曲面板的整个面接合有所述加强构件。
4.根据权利要求1所述的曲面板构件，其中，
所述加强构件的板厚是所述曲面板的板厚的2.0倍以上。
5.根据权利要求1所述的曲面板构件，其中，
所述曲面板是汽车的发动机罩或者车顶板，
所述曲面板的下表面接合有所述加强构件。
6.根据权利要求1所述的曲面板构件，其中，
所述曲面板是汽车的挡板、车门外板或者侧围外板，
所述曲面板的车内侧的面接合有所述加强构件。
7.根据权利要求1所述的曲面板构件，其中，
所述曲面板是440MPa以上的钢板。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的曲面板构件，其中，所述FRP是CFRP。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的曲面板构件，其中，所述FRP是GFRP。
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