JP5357586B2 - Ｆｒｐ成形物 - Google Patents

Description

本発明はＦＲＰと金属の接合部を有するＦＲＰ成形物に関するものである。

ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic＝繊維強化プラスチックス）は軽量でしかも引張強度、耐候性等に優れていることから、従来より船舶の外部構成材等に用いられている。

ＦＲＰを船舶に適用する場合には、ＦＲＰの端部を鋼板等からなる船体構造部材に固定する必要があり、このために従来はＦＲＰの端部をボルト等の締結具を用いて船体構造部材に固定していた。しかし、この方法では、ＦＲＰにボルト等の締結具を貫通させて船体構造部材に固定するために、ＦＲＰの締結部分に応力が集中し、ＦＲＰが損傷することにより締結強度が著しく低下してしまう問題を有していた。

このため、ＦＲＰに金属の一部を埋め込んで一体化させたＦＲＰと金属の接合部を有するＦＲＰ成形物が提案されている。図９は上記ＦＲＰ成形物の一例を示すもので、図９中、１は鋼板等の金属、２は該金属１よりも厚い厚さの板状を有する樹脂等からなるコア材であり、コア材２は、厚さが異なる前記金属１に対して突き合わせ状態で接合するために、その表面（上面）に端部に向かって肉厚が減少するよう傾斜したテーパ面３を備えており、更に、テーパ面３の端部には前記金属１の厚さと同等の厚さの端面４を形成している。

前記ＦＲＰ成形物を製作するには、図９に示すように成形台５上に下側の繊維強化材６を積層配置し、その繊維強化材６の上部に、前記コア材２の端面４と金属１の端部が当接するよう突き合わせてコア材２と金属１を配置し、続いて、コア材２と金属１の上部に亘るように上側の繊維強化材７を所要の厚さになるように積層配置する。この時、前記繊維強化材６，７は、コア材２に対しては表裏の全ての面を覆うように配置し、又、金属１に対しては金属１の幅方向の一部が露出するように配置する。このように配置した状態において、繊維強化材６，７及びコア材２に樹脂を含浸して硬化させることによりＦＲＰを形成し、これによりＦＲＰと金属１が一体化した接合部８を有するＦＲＰ成形物を形成している。

繊維強化材６，７及びコア材２に樹脂を含浸させる方法としては、コア材２と金属１を繊維強化材６，７で覆った部分の全てを包囲フィルムで包み込み、包囲フィルム内を真空吸引した状態において包囲フィルム内に樹脂を注入することで含浸させるようにした真空含浸方法、前記したように配置したものを型内に入れて樹脂を加圧注入することで含浸させるようにした圧入含浸方法、刷毛等を用いて手作業で含浸させる手塗り含浸方法等が用いられており、一般には、作業効率及び樹脂含浸の均一性等の観点から真空含浸方法が好ましいとされている。

上記した如くＦＲＰと金属が一体化した接合部を有するＦＲＰ成形物を示す先行技術文献としては、特許文献１等がある。

特開２００７−０１５１８７号公報

しかしながら、図９に示したように、剛性強度を高めるために金属１に対して厚さを厚くしたコア材２を金属１に突き合わせて接合するには、コア材２の接合側端部に、金属１の厚さと同等の端面４が形成されるようにテーパ面３を設ける必要があり、このために、樹脂含浸によって形成されたＦＲＰと金属１の接合部８には、コア材２のテーパ面３から金属１の表面に亘って延びるくの字状の形状変化部９が形成されることになり、このためにコア材２と金属１との取合い部１０近傍に応力が集中するという問題がある。従って、ＦＲＰ成形物の接合部８に、取合い部１０を曲げる方向の力が作用した場合には、取合い部１０の近傍におけるコア材２と繊維強化材６，７との間及び金属１と繊維強化材６，７との間に剥離が生じる問題があり、剥離が生じた場合には接合部８の強度が著しく低下するという問題がある。

又、前記コア材２の上面からテーパ面３が形成されるテーパ面３の開始部１１の近傍には逆くの字状の形状変化部１２が形成されるため、このテーパ面３の開始部１１の近傍位置にも応力が集中する問題があり、よって、応力が集中する開始部１１の近傍における特にコア材２と上側の繊維強化材７との間に剥離が生じる問題があり、剥離が生じた場合には接合部８の強度が低下するという問題を有していた。

又、特許文献１では、金属に開口を設けてこの開口に繊維強化材を配置することによって接合部の強度を高めることが記載されているが、この構造では、金属に複数の開口を形成する作業及び各開口に繊維強化材を配置する作業等が必要となるためにコストが増加する問題があり、更に、このように構成しても、図９に示したように、コア材２と金属１の取合い部１０については何ら強化されていないために、この取合い部１０に応力が集中して該取合い部１０の近傍におけるコア材２と繊維強化材６，７との間、及び金属１と繊維強化材６，７との間に剥離が生じる問題は防止することができず、よって特許文献１では接合部の強度を高めることができないという問題がある。

本発明は、ＦＲＰと金属の接合部の強度を低コストで高められるようにしたＦＲＰと金属の接合部を有するＦＲＰ成形物を提供することを目的とする。

本発明は、板状の金属の端部と、前記金属よりも厚い厚さの板状を有し且つ端部に向かって肉厚が減少するテーパ面を備えたコア材の端部とが接近配置され、前記コア材から金属の一部に亘るように表裏に繊維強化材が配置され、樹脂含浸によりＦＲＰを形成して得られるＦＲＰと金属が一体化した接合部を有するＦＲＰ成形物であって、
テーパ面と金属の上面とにより形成される形状変化部に合致して配置される菱形の追加コア材と、該追加コア材の外面と前記コア材及び金属の表面を覆うように配置される追加繊維強化材とを有して樹脂含浸により形成したＦＲＰ補強層を設けたことを特徴とするＦＲＰ成形物、に係るものである。

又、上記ＦＲＰ成形物において、前記金属の端部が、コア材のテーパ面に対応した裏面にラップして配置されたことは好ましい。

又、上記ＦＲＰ成形物において、前記コア材のテーパ面に対応した裏面に前記金属の端部が嵌合可能な切欠部を設け、金属の端部を切欠部に嵌合させることでコア材にラップさせたことは好ましい。

本発明のＦＲＰ成形物によれば、金属と金属よりも厚いコア材とを繊維強化材を用いて樹脂含浸によりＦＲＰを形成することで得られるＦＲＰと金属が一体化した接合部を有するＦＲＰ成形物において、コア材のテーパ面によって接合部に形成される形状変化部に、ＦＲＰ成形によって補強するようにしたＦＲＰ補強層を設けたので、特に応力が集中するコア材と金属の取合い部の応力を効果的に低減することができ、よってＦＲＰと金属の接合部の強度を大幅に向上できるという優れた効果を奏し得る。

又、上記したように、形状変化部にＦＲＰ補強層を設けることに加えて、コア材のテーパ面に対応した裏面に金属の端部をラップさせて配置したことにより、ＦＲＰと金属の接合部の強度を更に向上させられる効果がある。

本発明におけるＦＲＰ成形物の参考例を示す切断側面図である。 図１のＦＲＰ補強層を成形する製作工程図である。 図１の変形例を示す切断側面図である。 図１に備えたＦＲＰ補強層の他の参考例を示す切断側面図である。 本発明の実施例を示す切断側面図である。 本発明に適用できる形態を示す切断側面図である。 本発明に適用できる異なる形態を示す切断側面図である。 ＦＲＰ成形物の別の参考例を示す切断側面図である。 ＦＲＰと金属の接合部を有する従来のＦＲＰ成形物の一例を示す切断側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は、本発明におけるＦＲＰ成形物の参考例を示す切断側面図であり、図１中、図９と同一の構成部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図１では、図９に示したように、ＦＲＰと金属１が一体化した接合部８を有するＦＲＰ成形物において、テーパ面３によって接合部８に形成されたくの字状の形状変化部９に、ＦＲＰ成形によって補強するようにしたＦＲＰ補強層１００を設けている。

即ち、図１のＦＲＰ成形物は、先ず、図２に示すように、成形台５上に下側の繊維強化材６を所要の厚さになるように積層配置し、その繊維強化材６の上部に、コア材２の端面４と金属１の端部が当接するよう突き合わせた状態でコア材２と金属１を配置し、次に、コア材２と金属１の上部に亘るように上側の繊維強化材７を所要の厚さになるように積層配置する。次に、繊維強化材６，７及びコア材２に樹脂を含浸して硬化させることによりＦＲＰを形成する。これにより、ＦＲＰと金属１が一体化した接合部８を有するＦＲＰ成形物が形成される。

続いて、前記コア材２のテーパ面３によって前記接合部８に形成されたくの字状の形状変化部９に、取合い部１０上を所要幅で覆うようにした追加繊維強化材１０１を所要の厚さになるように積層配置する。次に、上記追加繊維強化材１０１に樹脂含浸して硬化することにより、追加繊維強化材１０１を含むＦＲＰ成形によって補強されたＦＲＰ補強層１００を形成する。従って、図１の参考例では、取合い部１０を有するくの字状の形状変化部９に、追加繊維強化材１０１によるＦＲＰ補強層１００が一体に備えられた接合部８が形成される。

尚、本発明の参考例において行われる樹脂含浸には、前記真空含浸方法、圧入含浸方法、手塗り含浸方法等の任意の方法を用いることができるが、作業効率及び樹脂含浸の均一性等を考慮して真空含浸方法を用いることが好ましい。又、本発明の参考例において使用する繊維強化材６，７及び追加繊維強化材１０１には、炭素繊維の他に、ガラス繊維、アラミド繊維等のシート状織物やマット等を、要求される強度に応じて任意の厚さに積層して用いることができる。又、前記コア材２としては、ポリウレタンの他に、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコン、ポリ塩化ビニル、木材（バルサ材等）等を用いることができる。更に含浸させる樹脂としては、ＦＲＰ成形物のマトリックス樹脂となるものであり、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。更に、金属１としては、前記した鋼板の他にアルミニウム板等を用いることができる。

一方、前記参考例においては、ＦＲＰと金属１の接合部８を有するＦＲＰ成形物を構成した後に、くの字状の形状変化部９に追加繊維強化材１０１を配置して樹脂含浸によりＦＲＰ補強層１００を一体に成形させる場合について説明したが、その他の方法として、図２に示すように、成形台５上に下側の繊維強化材６を配置し、その繊維強化材６の上部に、コア材２の端面４と金属１の端部が当接するよう突き合わせた状態でコア材２と金属１を配置し、次に、コア材２と金属１の上部に亘るように上側の繊維強化材７を配置し、更に、上側の繊維強化材７上におけるくの字状の形状変化部９に追加繊維強化材１０１を配置した後、前記繊維強化材６，７、追加繊維強化材１０１及びコア材を１回の操作で同時に樹脂含浸させることにより、ＦＲＰ補強層１００を一体に備えたＦＲＰを形成するようにしてもよい。

図１に示す参考例では、接合部８のくの字状の形状変化部９に、追加繊維強化材１０１を用いたＦＲＰ成形によって補強されたＦＲＰ補強層１００を一体に設けたので、接合部８が強力に補強されるようになってくの字状の形状変化部９の応力が低下し、よって、ＦＲＰと金属１の接合部８の強度は大幅に高められるようになる。

図３は図１の変形例を示したもので、図３では、コア材２の上面とテーパ面３とによって形成されるテーパ面３の開始部１１に、急激な厚みの変化が生じないようにコア材２の上面からテーパ面３に亘って緩やかに湾曲した曲面或いは曲面に近い形状に予め形成した曲面部Ｒを設けている。

このように、テーパ面３の開始部１１に曲面部Ｒを形成することにより、テーパ面３の開始部１１に応力が集中する問題を低減でき、よってＦＲＰと金属１の接合部８の強度を高めることができる。又、上記したようにコア材２のテーパ面３の開始部１１に曲面部Ｒを加工する作業は、比較的容易に行うことができる。

図４は図１に備えたＦＲＰ補強層１００の他の参考例を示すもので、図１に示すようにくの字状の形状変化部９を覆うようにした追加繊維強化材１０１に対して、くの字状の形状変化部９からテーパ面３の開始部１１を有する逆くの字状の形状変化部１２までを覆うようにした広幅の追加繊維強化材１０２を配置している。次に、上記追加繊維強化材１０１に樹脂含浸して硬化することにより、追加繊維強化材１０２を含むＦＲＰ成形によって補強されたＦＲＰ補強層１００を形成する。従って、図４に示す参考例では、取合い部１０を有するくの字状の形状変化部９とテーパ面３の開始部１１を有する逆くの字状の形状変化部１２に、追加繊維強化材１０２によるＦＲＰ補強層１００が一体に備えられた接合部８が形成される。

図４に示す参考例では、接合部８に、くの字状の形状変化部９から逆くの字状の形状変化部１２までを覆う広幅の追加繊維強化材１０２によって補強されたＦＲＰ補強層１００を一体に設けたので、接合部８が強力に補強されるようになり、くの字状の形状変化部９及び逆くの字状の形状変化部１２に掛る応力が低下し、よってＦＲＰと金属１の接合部８の強度は更に高められるようになる。

図５は本発明のＦＲＰ補強層１００の実施例を示すもので、前記したように、繊維強化材６の上部に、コア材２の端面４と金属１の端部が当接するよう突き合わせた状態でコア材２と金属１を配置し、更に、コア材２と金属１の上部に亘るように上側の繊維強化材７を配置して、樹脂含浸によりＦＲＰを形成することで得られるＦＲＰと金属１が一体化した接合部８を有するＦＲＰ成形物において、テーパ面３と金属１の上面とにより形成されるくの字状の形状変化部９に、断面が該くの字状の形状変化部９に合致した菱形の追加コア材１０３を配置し、更に、該追加コア材１０３の外面と前記コア材２及び金属１の表面を覆うようにした追加繊維強化材１０４を配置する。次に、上記追加繊維強化材１０４及び追加コア材１０３に樹脂含浸して硬化することにより、追加コア材１０３と追加繊維強化材１０４を含むＦＲＰ成形によって補強されたＦＲＰ補強層１００を形成する。従って、図５に示す形態例３では、取合い部１０を有するくの字状の形状変化部９に、追加コア材１０３と追加繊維強化材１０４によるＦＲＰ補強層１００が一体に備えられた接合部８が形成される。

図５に示す実施例では、接合部８に、くの字状の形状変化部９を覆う追加コア材１０３と、該追加コア材１０３の外面と前記コア材２及び金属１の表面を覆う追加繊維強化材１０４によって補強されたＦＲＰ補強層１００を一体に設けたので、くの字状の形状変化部９と逆くの字状の形状変化部１２に掛る応力が更に低下されるようになり、よってＦＲＰと金属１の接合部８の強度は更に高められるようになる。

本発明者らは、図１、図４、図５の場合を夫々形態例として、コア材２と金属１との取合い部１０におけるＦＲＰの最大面内応力値（引張・圧縮応力）と、テーパ面３の開始部１１におけるコア材２の強度解析を実施して求めた最大せん断応力値の結果を、図９に示した従来例を１．００とし、それに対する比として表１に示した。

表１によると、本発明の形態例１〜３によれば、取合い部１０におけるＦＲＰの最大面内応力は、図９の従来例に比して１５％〜２０％減少し、又、テーパ面３の開始部１１におけるコア材２の最大せん断応力は、図９の従来例に比して３９％〜４３％減少しており、このように応力が低減することにより、本発明によればＦＲＰと金属１の接合部８の強度を大幅に高められることが明らかである。

図６は本発明のＦＲＰ成形物に適用できる形態を示す切断側面図である。図６の形態では、金属１の端部をコア材２のテーパ面３に対応した裏面にラップするように配置することで接合部８を形成した場合を示している。即ち、成形台５上に下側の繊維強化材６を配置し、その繊維強化材６の上部に、金属１を配置し、更に金属１にラップするようにコア材２を載置し、続いて、コア材２と金属１の上部に亘るように上側の繊維強化材７を配置し、このように配置した状態において、繊維強化材６，７及びコア材２に樹脂を含浸し硬化させてＦＲＰを形成することにより、ＦＲＰと金属１が一体化した接合部８を形成している。

上記したように、コア材２の裏面に金属１をラップさせて配置する場合には、コア材２の裏面の途中から金属１がその厚さ分だけ下側に突出することになるので、成形台５に、前記金属１の厚さに応じた深さを有する段部５ａを設けておくことが好ましい。又、金属１の端部は直角に切断された面となっていてもよいが、図６に示すようにコア材２の裏面に向かって徐々に厚さが減少した傾斜面１ａを設けることが好ましい。

図６に示すように、コア材２の裏面に金属１をラップさせて配置したので、コア材２には前記したような端面４を設ける必要がなく、テーパ面３が延長された鋭角な先端部とすることができるので、コア材２の加工が容易になる利点がある。

図７は、本発明に適用できる図６に示したＦＲＰ成形物とは異なる形態を示す切断側面図である。図７の形態では、前記コア材２のテーパ面３に対応した裏面に前記金属１の端部が嵌合可能な切欠部２ａを設けている。そして、金属１はその端部を前記切欠部２ａに嵌合させることでコア材２にラップさせている。図７の形態では、コア材２の裏面に形成した切欠部２ａに金属１を嵌合してラップさせているので、コア材２の裏面と金属１の裏面は均一な面となり、よって成形台５の上面は平坦面とすることができる。

図６、図７の形態では、金属１の端部をコア材２の裏面にラップさせるようにした接合部８を形成しているので、この形状によって前記形状変化部９，１１に掛る応力を低下することができ、よってＦＲＰと金属１の接合部８の強度を高めることができる。

従って、上記図６及び図７示したＦＲＰと金属１の接合部８の構成に対し、前記図１〜図５の形態例１〜３に示したＦＲＰ補強層１００の構成の何れかを選定して適用する。すると、前記金属１の端部をコア材２の裏面にラップさせたことによる強度向上の効果と、前記ＦＲＰ補強層１００を設けたことによる強度向上の効果の相乗によって、ＦＲＰと金属１の接合部８の強度を著しく高めることができるようになる。

図８は本発明におけるＦＲＰ成形物の別の参考例を示す切断側面図である。図８は、図１の参考例を例にとって示したものであり、ＦＲＰを形成して金属１に一体に接合された繊維強化材６、７の端部位置に、該繊維強化材６、７と金属１を貫通して締結するようにした締結ボルト１３を設けた場合を示しており、この構成は、前記図１以外の何れの参考例にも適用することができる。

図８に示したように、繊維強化材６、７の端部位置を金属１と共に貫通する締結ボルト１３によって締結することにより、繊維強化材６、７の端部が金属１から剥離する問題を未然に防ぐことができる。

上記各形態において、接合部８から露出している金属１における反接合側の端部は、溶接或いはボルト止め等によって船体構造部材等に固定される。従って、船体構造部材等との取合いから、金属１の形状は平板状であってもよく、又は曲げられていてもよく、更にはＴ字形状等の任意の形状の金具が取り付けられていてもよく、更に取付孔が形成されていてもよい。

尚、本発明のＦＲＰ成形物は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のＦＲＰ成形物は、ＦＲＰを構造部材等に固定するためにＦＲＰと金属の接合部を有する種々のＦＲＰ成形物に利用することができる。

１ 金属
２ コア材
２ａ 切欠部
３ テーパ面
６ 下側の繊維強化材（繊維強化材）
７ 上側の繊維強化材（繊維強化材）
８ 接合部
９ くの字状の形状変化部（形状変化部）
１０ テーパ面の開始部
１２ 逆くの字状の形状変化部（形状変化部）
１００ ＦＲＰ補強層
１０１ 追加繊維強化材
１０２ 追加繊維強化材
１０３ 追加コア材
１０４ 追加繊維強化材
Ｒ 曲面部

Claims (3)

1. 板状の金属の端部と、前記金属よりも厚い厚さの板状を有し且つ端部に向かって肉厚が減少するテーパ面を備えたコア材の端部とが接近配置され、前記コア材から金属の一部に亘るように表裏に繊維強化材が配置され、樹脂含浸によりＦＲＰを形成して得られるＦＲＰと金属が一体化した接合部を有するＦＲＰ成形物であって、
   テーパ面と金属の上面とにより形成される形状変化部に合致して配置される菱形の追加コア材と、該追加コア材の外面と前記コア材及び金属の表面を覆うように配置される追加繊維強化材とを有して樹脂含浸により形成したＦＲＰ補強層を設けたことを特徴とするＦＲＰ成形物。
2. 前記金属の端部が、コア材のテーパ面に対応した裏面にラップして配置されたことを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ成形物。
3. 前記コア材のテーパ面に対応した裏面に前記金属の端部が嵌合可能な切欠部を設け、金属の端部を切欠部に嵌合させてコア材にラップさせたことを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ成形物。

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