JP7650168B2 - 複合構造体、複合構造体の製造方法、および補強部材の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合構造体、複合構造体の製造方法、および補強部材の設計方法に関する。

自動車の車体構造において、複数の部材の結合部に剛性を向上させるための補強構造が配置されている構造がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、センターピラーの下部とサイドシルとの結合部に、補強構造として機能する垂直板が配置されている。この垂直板が車体の前後・上下・斜め方向の荷重に対して変形を抑制することにより、特許文献１に記載された車体構造では、結合剛性の高い結合構造が実現されている。

特開２０１７－０３９３３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された車体構造では、垂直板が平板形状であるため、モーメント入力に対する剛性向上には、断面二次モーメントを高めることについて効果が限定的である。そのため、垂直板の重心位置近くの補強では不利になる。さらに、垂直板は結合部の内部に埋め込まれる必要があるため、構造設計が容易ではなく、かつ、車体構造の製造コストが増加する。また、隔壁のない部分での車幅方向の断面崩れに対する補強が十分でない。なお、このような課題は、自動車の車体構造にかかわらず、複数の構造を組み合わせた複合構造体全般に共通する課題であった。

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、複合構造体において、軽量化及び高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にすることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一つ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できる。複合構造体であって、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造と、前記被補強構造の外壁面に対して、選択的に取り付けられた補強部材であって、互いに直交する３軸のいずれかに平行な軸に沿って延びる１つ以上の棒状部材から成る補強部材と、を備え、前記１つ以上の棒状部材のうちの少なくとも一部は、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっており、前記複数のフレームの少なくとも一部は、前記外壁面に対して内側に凹むように形成された溝部であって、前記３軸のいずれかに平行な軸に沿って延び、かつ、半円形状の横断面を有する溝部を備え、前記棒状部材は、前記溝部の少なくとも一部を充填するように配置され、前記棒状部材の少なくとも一部の横断面は、前記溝部の横断面と同じ直径を有する円または半円である、複合構造体。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

（１）本発明の一形態によれば、複合構造体が提供される。この複合構造体は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造と、前記被補強構造の壁面の外側に対して、選択的に取り付けられた１つ以上の補強部材と、を備え、前記１つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部は、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている。

この構成によれば、少なくとも一部の補強部材は、結合部から離れたフレームの端部から結合部までを連続的に補強している。そのため、結合部のみが局所的に補強されている補強部材と比較して、不連続部での剛性低下を抑制することができるため、複合構造体の高剛性化を図ることができる。また、補強部材は、単に結合部から端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材の質量増加を抑制することができ、複合構造体の高剛性化と軽量化の両立を図ることができる。さらに、補強部材は、被補強構造の壁面の外側に対して選択的に取り付けられるため、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。これらの結果、複合構造体において、軽量化及び高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にできる。

（２）上記態様の複合構造体は、前記複数のフレームの少なくとも一部は、前記壁面に対して内側に凹むように形成された溝部を有し、前記補強部材は、前記溝部の少なくとも一部を充填するように配置されていてもよい。
本構成の複合構造体では、フレームに形成された溝部に補強部材が充填されているため、溝部が形成されていない被補強構造よりも、被補強構造に補強部材を取り付けやすい。

（３）本発明の他の一形態によれば、複合構造体の製造方法が提供される。この製造方法は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造を配置する配置工程と、前記被補強構造の壁面の外側に対して、１つ以上の補強部材を選択的に取り付ける取付工程と、
を備える。
本構成によれば、取付工程において、被補強構造の壁面の外側に対して１つ以上の補強部材を選択的に取り付ける。このため、被補強構造に対して付加される力成分に応じて、補強部材の数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。

（４）上記態様の製造方法は、前記取付工程では、前記１つ以上の補強部材のうちの少なくとも一部に、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっている補強部材を用いてもよい。
この構成によれば、少なくとも一部の補強部材は、フレームの端部から結合部までを連続的に補強している。そのため、結合部のみが局所的に補強されている補強部材と比較して、不連続部での剛性低下が抑制されている。また、連続的に補強している補強部材は、単に結合部から端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材の質量増加を抑制することができ、複合構造体の高剛性化と軽量化の両立を図ることができる。

（５）上記態様の製造方法は、さらに、前記取付工程において使用される前記１つ以上の補強部材の形状をそれぞれ決定する設計工程を備え、前記設計工程では、当該補強部材が配置される前記結合部に作用する力成分を算出し、前記補強部材の形状を、算出された前記力成分に応じた形状としてもよい。
複数のフレームが結合された被補強構造では、結合部がフレームの一端を形成する場合がある。この場合に、フレームの他端に力やモーメントが加わると、結合部に最も大きな力が加わる。本構成では、最も大きな力が加わる結合部の力成分に応じて補強部材の形状が決定されるため、複合構造体の剛性を効率的に高めることができる。

（６）上記態様の製造方法は、前記設計工程では、前記力成分を、前記結合部に延びる各前記フレームの端部に対して６自由度の荷重を独立に付加した場合の前記結合部への負荷を用いて算出してもよい。
本構成では、フレームの端部における各軸回りのモーメントに対する剛性向上のための各フレームの断面二次モーメントの向上も踏まえて補強部材の形状が決定される。補強部材は、被補強構造の壁面の外側に選択的に取り付けられた、少なくとも一部の補強部材により構成される。そのため、本構成の製造方法で製造された複合構造体は、断面二次モーメント的に有利であり、軽量で高剛性化される。また、各端部に対して６自由度の荷重を付加する解析は、従来の解析方法を流用することにより、自動的に行われる。そのため、短期間で補強部材を設計した上で、被補強構造に対して後から補強部材を取り付けることができる。

（７）上記態様の製造方法は、さらに、前記複数のフレームの少なくとも一部について、前記壁面に対して内側に凹む溝部を形成する溝部形成工程を備え、前記取付工程では、前記溝部形成工程によって形成された前記溝部の少なくとも一部を充填するように、前記補強部材を配置してもよい。
本構成では、フレームに形成された溝部に補強部材が充填されているため、溝部が形成されていない被補強構造よりも、被補強構造に補強部材を取り付けやすい。

（８）本発明の他の一形態によれば、補強部材の設計方法が提供される。この設計方法は、互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造のうち、前記複数のフレームの複数の端部を抽出する端部抽出工程と、前記端部抽出工程において抽出された複数の端部のうちの、１つの入力端部以外の他の端部を固定した状態で、前記入力版部に６自由度の荷重を独立に付加する荷重付加工程と、前記複数の端部のそれぞれに対して前記荷重付加工程を行い、全ての荷重付加工程の結果に応じて、前記被補強構造壁面の外側に取り付けられる前記補強部材の形状を決定する決定工程と、を情報処理装置により実行させる。
本構成によれば、補強部材が取り付けられる被補強構造に対して付加される力成分に応じて、補強部材の数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体を容易に得ることができ、構造設計を容易かつ短時間化できる。

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、複合構造体、構造体、複合構造体の製造方法、複合構造体の設計方法およびこれら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての複合構造体の概略斜視図である。 シェルの概略斜視図である。 補強部材の概略斜視図である。 シェルに対する解析条件の説明図である。 補強部材の仮形状についての説明図である。 補強部材の仮形状についての説明図である。 補強部材の仮形状についての説明図である。 補強部材の仮形状についての説明図である。 補強部材の仮形状についての説明図である。 補強部材の仮形状についての説明図である。 シェルに補強部材を補強する方法の説明図である。 本実施形態の補強部材の設計方法のフローチャートである。 本実施形態における複合構造体の製造方法のフローチャートである。 複合構造体の強度評価についての説明図である。 複合構造体の強度評価についての説明図である。 変形例の複合構造体についての説明図である。 変形例の複合構造体についての説明図である。 変形例の複合構造体についての説明図である。 変形例の複合構造体の製造方法のフローチャートである。 変形例の補強部材の設計方法のフローチャートである。

＜実施形態＞
１．複合構造体の形状：
図１は、本発明の実施形態としての複合構造体１００の概略斜視図である。図１に示されるように、複合構造体１００は、２つの略直方体のフレームが結合されたシェル（被補強構造）１０と、シェル１０の壁面の外側に取り付けられた補強部材２０と、を備えている。すなわち、複合構造体１００は、シェル１０と、シェル１０の剛性を向上させるために取り付けられた補強部材２０とを合わせた構造体である。本実施形態の複合構造体１００では、シェル１０の壁面に対して補強部材２０が後から選択的に取り付けられることにより、補強部材２０の変更で効率的に複合構造体１００の剛性が向上する。

図２は、シェル１０の概略斜視図である。図３は、補強部材２０の概略斜視図である。図２に示されるように、シェル１０は、フランジ部１１Ｆを有する略直方体形状の第１フレーム１１と、第１フレーム１１に対して結合部ＣＮで結合される直方体形状の第２フレーム１６と、を備えている。すなわち、シェル１０では、２つのフレーム１１，１６が結合されている。図２に示されるように、第１フレーム１１は、長手軸（後述するＸ軸）に沿って延びる直方体形状の本体部１１Ｂに対してフランジ部１１Ｆが付加された形状を有する。本実施形態の第１フレーム１１および第２フレーム１６は、同じ金属製の材料で形成されている。

本実施形態では、図１ないし図３に示される直交座標系ＣＳが定義されている。直交座標系ＣＳは、図１ないし図３に示されるように、第１フレームの長手軸がＸ軸として定義され、Ｙ軸およびＺ軸は、本体部１１Ｂの各面と平行な軸として設定されている。なお、直交座標系ＣＳは、図４以降に示される直交座標系ＣＳと対応している。直交座標系ＣＳを用いて、フランジ部１１Ｆは、本体部１１Ｂに対してＺ軸正方向側およびＺ軸負方向側に延出している平板であると換言できる。

第２フレーム１６は、Ｚ軸に平行な長手軸に沿って延びた直方体形状を有している。第２フレーム１６は、結合部ＣＮにおいて溶接により、第１フレーム１１の本体部１１ＢにおけるＺ軸正方向側のＸＹ平面に結合されている。

図３に示される補強部材２０は、シェル１０の壁面の外側に対して、複数の棒状部材の組み合わせにより形成されている。例えば、補強部材２０に含まれる一要素の棒状部材２１は、図３に示されるように、結合部ＣＮから、第１フレーム１１のＸ軸正方向側の端部まで延びている。換言すると、棒状部材２１は、結合部ＣＮからフレーム１１の端部まで繋がっている。本実施形態では、複数の棒状部材の組み合わせは、シェル１０に作用する力成分から選択的に決定されている。棒状部材は、第１フレーム１１および第２フレーム１６を成型するための金型とは別の金型により、シェル１０の壁面に接合される。

２．補強部材の設計方法：
補強部材２０の形状は、複合構造体１００への入力に対して剛性を最大化するトポロジー最適化の設計方法により決定される。本実施形態では、ＰＣ（Personal Computer）等の情報処理装置を用いたＦＥＭ解析により、シェル１０における結合部ＣＮに作用する力成分が算出される。後述する図４に示される複数の梁要素２０Ｓを補強部材候補として張り巡らし、トポロジー最適化手法により、この与えられた負荷条件下で剛性に寄与する梁要素２０Ｓは寄与度に応じて太くなり、剛性に寄与しない梁要素２０Ｓは細くなり消滅する。複数の負荷条件を考慮する場合は、全ての条件を同時に満たす補強部材２０の構成がトポロジー最適化手法により求められる。

図４は、シェル１０に対する解析条件の説明図である。図４には、シェル１０に対して設定された、３つの端部Ｐ１～Ｐ３と、補強部材２０の一要素としての候補である複数の梁要素２０Ｓと、が示されている。端部Ｐ１～Ｐ３は、結合部ＣＮに延びるフレーム１１，１６の端部と言い換えることができる。補強部材２０の設計方法では、初めに、フレーム１１，１６の端部Ｐ１～Ｐ３が抽出される。

端部Ｐ１は、第２フレーム１６のうち、長手方向のＺ軸方向に沿って結合部ＣＮとは反対側（Ｚ軸正方向側）のＸＹ平面の重心位置に設定されている。端部Ｐ２は、第１フレーム１１のうち、長手方向のＸ軸に沿って一方の端部であるＸ軸正方向側のＹＺ平面の重心位置に設定されている。端部Ｐ３は、第１フレーム１１において端部Ｐ２の反対側の位置、すなわち、長手方向のＸ軸に沿って他方の端部であるＸ軸負方向側のＹＺ平面の重心位置に設定されている。複数の梁要素２０Ｓのそれぞれは、Ｘ軸と、Ｙ軸と、Ｚ軸とのいずれかの軸に平行な棒状の要素として設定されている。なお、複数の梁要素２０Ｓについては、図４に示される要素に限定されず、変形可能である。

補強部材２０の設計方法では、一例として、抽出された３つの端部Ｐ１～Ｐ３のうちの２つの端部（例えば端部Ｐ２，Ｐ３）を固定した状態で、残りの１つの端部（例えば端部Ｐ１）に対して６自由度の荷重を付加する。

図５ないし図１０は、補強部材２０の単独負荷に対する形状についての説明図である。図５ないし図１０のそれぞれには、端部Ｐ２，Ｐ３を固定した状態で、端部（入力端部）Ｐ１に対して６自由度の荷重をそれぞれ独立に付加した場合に、解析条件から決定される補強部材２０の仮形状２０_FX，２０_FY，２０_FZ，２０_MX，２０_MY，２０_MZと、シェル１０とが示されている。

図５には、端部Ｐ１に対してＸ軸正方向側に作用する力ＦＸが加わった場合に、解析により最適化された補強部材２０の仮形状２０_FXが示されている。図５に示されるように、仮形状２０_FXは、断面の面積が異なる複数の梁要素２０Ｓの集合により形成されている。例えば、領域ＡＲ１に示されるように、Ｘ軸に平行な梁要素と、Ｙ軸に平行な梁要素とが交差することにより、仮形状２０_FXはシェル１０の剛性を向上させている。図６には、端部Ｐ１に対してＹ軸正方向側に作用する力ＦＹが加わった場合に、解析により最適化された補強部材２０の仮形状２０_FYが示されている。図７には、端部Ｐ１に対してＺ軸正方向側に作用する力ＦＺが加わった場合に、解析により最適化された補強部材２０の仮形状２０_FZが示されている。

図８には、端部Ｐ１に対してＸ軸回りに作用するモーメントＭＸが加わった場合に、解析により最適化された補強部材２０の仮形状２０_MXが示されている。図８に示される仮形状２０_MXは、図５ないし図７に示された仮形状２０_FX，２０_FY，２０_FZと同じように、断面の面積が異なる複数の梁要素２０Ｓの集合により形成されている。図９には、端部Ｐ１に対してＹ軸回りに作用するモーメントＭＹが加わった場合に、解析により最適化された補強部材２０の仮形状２０_MYが示されている。図１０には、端部Ｐ１に対してＺ軸回りに作用するモーメントＭＺが加わった場合に、解析により最適化された補強部材２０の仮形状２０_MZが示されている。６自由度の力成分に応じて決定された仮形状２０_FX，２０_FY，２０_FZ，２０_MX，２０_MY，２０_MZから、補強部材２０（図３）の形状が決定される。

図１１は、シェル１０に補強部材２０を補強する方法の説明図である。図１１には、シェル１０の一部と、シェル１０に取り付けられる補強部材２０の一要素である梁要素２０Ｓとの概略断面図が示されている。本実施形態では、シェル１０の平板状の外側の壁面に、成形型ＤＩにより断面が半円の棒状部材が接合される。そのため、本実施形態の複合構造体１００では、同一の成形型ＤＩを用いて、シェル１０の外壁に選択的に梁要素２０Ｓが形成される。

図１２は、本実施形態の補強部材２０の設計方法のフローチャートである。図１２に示されるように、補強部材２０の設計フローでは、初めに、互いに結合されたフレーム１１，１６のうちの端部Ｐ１～Ｐ３を抽出する抽出工程（端部抽出工程）が行われる（ステップＳ２１）。次に、抽出された複数の端部Ｐ１～Ｐ３のうちから１つの端部Ｐ１が入力端部として選択される（ステップＳ２２）。１つの端部Ｐ１である入力端部以外の他の端部Ｐ２，Ｐ３が固定された状態で、端部Ｐ１に６自由度の荷重を独立に付加する荷重付加工程が行われる（ステップＳ２３）。荷重付加工程では、結果としての補強部材の仮形状が決定する。

荷重付加工程が行われると、補強部材２０の形状を決定する決定工程が行われ（ステップＳ２４）、設計フローが終了する。決定工程では、端部Ｐ１に対しての荷重付加工程で得られた結果としての６つの補強部材の仮形状を用いて、補強部材２０の形状が決定する。

３．複合構造体の製造方法：
図１３は、本実施形態における複合構造体１００の設計方法のフローチャートである。図１３に示される製造フローでは、初めに、シェル１０が配置される配置工程が行われる（ステップＳ１）。次に、補強部材２０の形状を決定するための解析を行う設計工程が行われる（ステップＳ２）。設計工程では、図１２に示される補強部材２０の設計フローが行われる。具体的には、設計工程では、ＰＣ等の情報処理装置を用いたＦＥＭ解析により、結合部ＣＮに作用する力成分が算出される。算出された力成分に応じて選択的に梁要素２０Ｓが形成された補強部材２０の形状が決定する。本実施形態の設計工程では、当該力成分は、結合部ＣＮまで延びる第２フレーム１６の端部Ｐ１に対して６自由度の荷重が付加された場合の結合部ＣＮへの負荷を用いて算出される。

決定された形状に応じて、シェル１０の壁面の外側に対して補強部材２０を取り付ける取付工程が行われる（ステップＳ３）。取付工程では、図１１に示されるように、成形型ＤＩを用いて補強部材２０を構成する複数の梁要素２０Ｓが、シェル１０の壁面の外側に選択的に取り付けられる。取付工程が行われると、製造フローは終了する。

４．複合構造体の強度評価：
図１４および図１５は、複合構造体１００の強度評価についての説明図である。図１４には、複合構造体１００における端部Ｐ２，Ｐ３が固定された状態で、端部Ｐ１に６自由度の荷重を付加させた場合の複合構造体１００の変位量（ｍｍ）が示されている。また、図１４には、比較のために、複合構造体１００と同じ質量にした場合の比較例のシェル１０ｚの変位量が示されている。具体的には、複合構造体１００の質量は、４．２２９０ｋｇのシェル１０の質量と、６．６６９２ｋｇの補強部材２０の質量との合計である。比較例のシェル１０ｚの質量は、シェル１０の板厚を２．５７７倍に増やした１０．８９８０ｋｇである。すなわち、図１４には、ほぼ同等の質量の複合構造体１００と比較例のシェル１０ｚとの変位量との強度評価が示されている。また、図１４には、複合構造体１００の変位量を、比較例のシェル１０ｚの変位量で除した変位の比が表されている。図１５には、図１４における６自由度の荷重の付加に対応する変位の比が棒グラフにより表されている。なお、６自由度の荷重に対応する各変位量は、複合構造体１００の中で最も変化した部分の最大変位量を表している。

図１４に示されるように、端部Ｐ２，Ｐ３が固定された状態で、端部Ｐ１にＸ軸正方向に１Ｎ（ニュートン）の力成分を作用させた場合の複合構造体１００の変位量は、８．６５×１０^-5ｍｍである。一方で、比較例のシェル１０ｚの変位量は、１．１７×１０^-4ｍｍであり、複合構造体１００の変位量よりも大きい。この場合の変位の比は、図１４および図１５に示されるように、０．７３９（７３．９％）である。同じように、端部Ｐ１にＦＹ＝１Ｎ，ＦＺ＝１ＮおよびモーメントＭＸ＝１Ｎ・ｍｍ，ＭＹ＝１Ｎ・ｍｍ，ＭＺ＝１Ｎ・ｍｍが作用した場合の複合構造体１００の変位量は、いずれも比較例のシェル１０ｚの変位量よりも小さい。特に、端部Ｐ１にＦＹ＝１Ｎ，ＦＺ＝１Ｎが作用した場合には、複合構造体１００の変位量は、比較例のシェル１０ｚの変位量のおよそ半分である。すなわち、同質量であっても、複合構造体１００の剛性の方が、比較例のシェル１０ｚの剛性よりも高い。

５．効果：
以上説明したように、本実施形態の複合構造体１００では、シェル１０の壁面の外側に対して、選択的に補強部材２０が取り付けられている。図３に示されるように、補強部材２０に含まれる一要素の棒状部材２１は、結合部ＣＮからフレーム１１の端部まで繋がっている。すなわち、棒状部材２１は結合部ＣＮから離れたフレーム１１の端部から結合部ＣＮまでを連続的に補強している。そのため、結合部ＣＮのみが局所的に補強されている補強部材と比較して、本実施形態の複合構造体１００では、棒状部材の不連続部での剛性低下が抑制されている。また、棒状部材２１は、単に結合部ＣＮから端部へと延びた簡単な形状であるため、補強部材２０の質量増加を抑制でき、複合構造体１００の高剛性化と軽量化との両立を図ることができる。さらに、補強部材２０は、シェル１０の壁面の外側に対して選択的に取り付けられているため、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体１００を容易に得ることができ、複合構造体１００の構造設計を容易かつ短時間化できる。これらの結果、複合構造体１００において、軽量化および高剛性化を図ると共に、構造設計を容易にできる。

また、本実施形態の複合構造体１００の製造方法では、配置されたシェル１０の壁面の外側に対して、選択的に補強部材２０が取り付けられている。このため、シェル１０に対して付加される力成分に応じて、補強部材２０の梁要素２０Ｓの数や、補強部材２０の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体１００を容易に得ることができ、複合構造体１００の構造設計を容易かつ短時間化できる。

また、本実施形態の複合構造体１００の製造方法では、補強部材２０の形状を決定するための解析を行う設計工程が行われる（図１３のステップＳ２）。設計工程では結合部ＣＮに作用する力成分が算出され、算出された力成分に応じて補強部材２０の形状が決定する。複数のフレーム１１，１６が結合されたシェル１０では、結合部ＣＮがフレームの一端を形成する場合がある。この場合に、フレームの他端に力やモーメントが加わると、結合部ＣＮに最も大きな力が加わる。本実施形態の製造方法では、最も大きな力が加わる結合部ＣＮの力成分に応じて補強部材２０の形状が決定されるため、複合構造体１００の剛性を効率的に高めることができる。

＜上記実施形態の変形例＞
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。

＜変形例１＞
上記実施形態では、互いに結合された複数のフレーム１１，１６を有するシェル１０と、シェル１０の壁面の外側に対して選択的に取り付けられた補強部材２０と、を備える複合構造体１００について説明したが、複合構造体１００の各構成については種々変形可能である。例えば、フレームとは、上記実施形態のフレーム１１，１６のような長手軸に沿う略直方体形状を有していなくてもよく、単に球形状の部材でもよく、平板形状の部材であってもよい。フレームとは、結合部ＣＮにおいて他のフレーム（部材）と結合される部材のことを言い、フレームの形状や材質については変形可能である。上記実施形態の補強部材２０の形状は、一例であり、１つの接合された部材として構成されずに、分割された複数の補強部材により構成されていてもよい。補強部材２０の材料は、フレーム１１，１６と同じであってもよいし、異なる樹脂等の材質であってもよい。

上記実施形態において設定された直交座標系ＣＳは、一例であり、結合部ＣＮにより結合されるフレームの数や形状に応じて自由に設定されてもよい。設定された直交座標系ＣＳの各軸に応じて、フレーム１１，１６の位置関係は変化する。

＜変形例２＞
図１６ないし図１８は、変形例の複合構造体についての説明図である。図１６には、変形例の複合構造体が備える第２フレーム１６ａの一部が示されている。図１６の概略斜視図に示されるように、変形例のシェル１０ａが有する第２フレーム１６ａには、壁面に対して内側に凹むように形成された溝部ＣＨが形成されている。図１６に示されるように、溝部ＣＨの断面は半円形状であり、溝部ＣＨは、Ｘ軸またはＺ軸に沿って延びている。

図１７には、第２フレーム１６ａに形成された溝部ＣＨに、補強部材２０ａの一要素である梁要素２０Ｓａが取り付けられた状態の概略断面図が示されている。変形例では、第２フレーム１６ａの溝部ＣＨに、成形型により断面が円形状の棒状部材が接合される。一方で、図１８には、第２フレーム１６ａに形成された溝部ＣＨに、充填剤１６ｉｎが充填された状態の概略断面図が示されている。図１８に示されるように、変形例では、第２フレーム１６ａの溝部ＣＨを埋めるように、半円形状の断面を有する充填剤１６ｉｎが充填されることにより、シェル１０ａの一部を構成する第２フレーム１６ａが形成されている。なお、設計工程により算出される力成分に応じて、第２フレーム１６ａにおいて、梁要素２０Ｓａと充填剤１６ｉｎとのいずれも取り付けられずに、溝部ＣＨのまま残る部分があってもよい。

以上説明したように、変形例の複合構造体では、第２フレーム１６ａの壁面に凹むように形成された溝部ＣＨに補強部材２０の梁要素２０Ｓａが選択的に取り付けられる。そのため、変形例の複合構造体では、溝部ＣＨが形成されていない第２フレーム１６よりも、溝部ＣＨが形成された第２フレーム１６ａに梁要素２０Ｓａを取り付けやすくなる。

溝部ＣＨの形状および形成位置については変形可能である。例えば、溝部ＣＨの形状は、矩形状であってもよい。溝部ＣＨが形成される位置は、例えば、結合部ＣＮ付近のみに形成されて、端部Ｐ１～Ｐ３付近に形成されていなくてもよい。形成される位置に応じて、溝部ＣＨの断面の形状や断面の大きさが異なっていてもよい。また、溝部ＣＨに充填される充填剤１６ｉｎは、位置に応じて異なっていてもよく、第２フレーム１６ａと異なる材質（例えば樹脂材）であってもよい。図１７に示される充填剤１６ｉｎを、第２フレーム１６ａの一部ではなく、補強部材２０ａの一部として取り扱ってもよい。

＜変形例３＞
図１９は、変形例の複合構造体の製造方法のフローチャートである。変形例の製造フローでは、初めに、略直方体形状の第１フレーム１１および第２フレーム１６ａ（図１６）を作製するフレーム作製工程（溝部形成工程）が行われる（ステップＳ１１）。フレーム１１，１６ａは、成形型により成形されて作製される。成形時に第２フレーム１６ａには、所定の溝部ＣＨが形成される。作製された第１フレーム１１と第２フレーム１６ａとの結合部ＣＮを溶接により結合する結合工程が行われる（ステップＳ１２）。第１フレーム１１と第２フレーム１６ａとが結合されたシェル１０ａを配置する配置工程が行われる（ステップＳ１３）。

次に、補強部材２０ａの形状を決定するための設計工程が行われる（ステップＳ１４）。設計工程では、ＦＥＭ解析により、溝部ＣＨの形状も加味されて結合部ＣＮに作用する力成分が算出され、梁要素２０Ｓａが形成された補強部材２０ａの形状が決定する。決定された形状に応じて、シェル１０ａの壁面の外側に対して補強部材２０ａを取り付ける取付工程が行われる（ステップＳ１５）。

上記実施形態および変形例の製造フローは、シェル１０，１０ａを配置する工程と、補強部材２０，２０ａをシェル１０，１０ａの壁面に取り付ける取り付け工程と、を備える範囲で変形可能である。例えば、上記実施形態の製造フロー（図１３）は、設計工程を備えてなくてもよい。設計工程では、端部Ｐ１～Ｐ３に６自由度の荷重が付加された解析ではなく、周知技術の解析方法が用いられてもよい。また、変形例の製造フローにおいて溝部ＣＨを形成する溝部形成工程は、補強部材２０ａが取り付けられる前に実行されればよい。そのため、配置工程後にフレーム１１，１６ａの所定の位置に切削加工により溝部ＣＨが形成されてもよい。また、設計工程後に、溝部形成工程と取り付け工程とが行われてもよい。

＜変形例４＞
図２０は、変形例の補強部材の設計方法のフローチャートである。図２０に示される補強部材２０の設計フローでは、上記実施形態の設計フロー（図１２）と異なり、端部Ｐ１～Ｐ３のそれぞれを入力端部として選択して補強部材の形状を決定する点が異なる。図２０に示されるように、変形例の補強部材の設計フローでは、端部Ｐ１～Ｐ３を抽出する抽出工程が行われる（ステップＳ２１）。次に、抽出された複数の端部Ｐ１～Ｐ３のうちから１つの端部Ｐ１が入力端部として選択され（ステップＳ２２）、端部Ｐ２，Ｐ３が固定された状態で、端部Ｐ１に対して荷重付加工程が行われる（ステップＳ２３）。荷重付加工程では、端部Ｐ１が入力端部である場合の補強部材の仮形状が決定する。

ステップＳ２３の処理が行われると、入力端部として選択されていない端部があるか否かが判定される（ステップＳ２３１）。選択されていない端部Ｐ２，Ｐ３が有ると判定された場合には（ステップＳ２３１：ＹＥＳ）、選択されていない端部Ｐ２，Ｐ３のうちから新たな入力端部Ｐ２が選択され（ステップＳ２３２）、ステップＳ２３以降の処理が繰り返される。全ての端部Ｐ１～Ｐ３のそれぞれが入力端部として選択済みである場合には（ステップＳ２３１：ＮＯ）、補強部材の形状を決定する決定工程が行われ（ステップＳ２４）、設計フローが終了する。決定工程では、端部Ｐ１～Ｐ３のそれぞれに対しての荷重付加工程で得られた結果としての３つの補強部材の仮形状を用いて、補強部材２０の形状が決定する。

また、変形例の複合構造体１００の製造方法では、補強部材の形状を決定するために算出される力成分は、結合部ＣＮまで延びる各フレーム１１，１６の端部Ｐ１に対して６自由度の荷重が付加された場合の結合部ＣＮへの負荷を用いて算出される。すなわち、この変形例の製造方法では、端部Ｐ１における各軸回りのモーメントに対する剛性向上のための各フレーム１１，１６の断面二次モーメントの向上も踏まえて補強部材の形状が決定される。補強部材は、シェル１０の壁面の外側に選択的に取り付けられた複数の棒状部材２１により構成されるため、断面二次モーメント的に有利であり、複合構造体１００を軽量で高剛性化できる。また、各端部Ｐ１～Ｐ３に対して６自由度の荷重を付加するＦＥＭ解析は、従来の解析方法を流用することにより、自動的に行われる。そのため、短期間で補強部材を設計した上で、シェル１０に対して後から補強部材を取り付けることができる。

また、変形例の補強部材の設計方法では、結合部ＣＮにより結合しているフレーム１１，１６の端部Ｐ１～Ｐ３を抽出する抽出工程が行われる（図２０のステップＳ２１）。抽出された３つの端部Ｐ１～Ｐ３のうちの２つの端部（例えば端部Ｐ２，Ｐ３）を固定した状態で、残りの１つの端部（例えば端部Ｐ１）に対して６自由度の荷重を付加する荷重付加工程が行われる（ステップＳ２３）。このため、補強部材が取り付けられるシェル１０に対して付加される力成分に応じて、補強部材の梁要素２０Ｓの数や、補強部材の形状を変更することにより、剛性が異なる複数バリエーションの複合構造体１００を容易に得ることができる。また、この変形例の設計方法を用いて製造される複合構造体１００の構造設計を容易かつ短時間化できる。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、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、本態様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。

１０，１０ａ，１０ｚ…シェル
１１…第１フレーム
１１Ｂ…本体部
１１Ｆ…フランジ部
１６，１６ａ…第２フレーム
１６ｉｎ…充填剤
２０，２０ａ…補強部材
２０_FX，２０_FY，２０_FZ，２０_MX，２０_MY，２０_MZ…補強部材の仮形状
２０Ｓ，２０Ｓａ…梁要素
２１…棒状部材
１００…複合構造体
ＡＲ１…領域
ＣＨ…溝部
ＣＮ…結合部
ＣＳ…直交座標系
ＤＩ…成形型
ＦＸ，ＦＹ，ＦＺ…力
ＭＸ，ＭＹ，ＭＺ…モーメント
Ｐ１～Ｐ３…端部（入力端部）

Claims (8)

1. 複合構造体であって、
   互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造と、
   前記被補強構造の外壁面に対して、選択的に取り付けられた補強部材であって、互いに直交する３軸のいずれかに平行な軸に沿って延びる１つ以上の棒状部材から成る補強部材と、
   を備え、
   前記１つ以上の棒状部材のうちの少なくとも一部は、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がっており、
   前記複数のフレームの少なくとも一部は、前記外壁面に対して内側に凹むように形成された溝部であって、前記３軸のいずれかに平行な軸に沿って延び、かつ、半円形状の横断面を有する溝部を備え、
   前記棒状部材は、前記溝部の少なくとも一部を充填するように配置され、
   前記棒状部材の少なくとも一部の横断面は、前記溝部の横断面と同じ直径を有する円または半円である、複合構造体。
2. 請求項１に記載の複合構造体であって、
   前記補強部材は、互いに直交する２軸のそれぞれに平行な軸に沿って延びる２つ以上の棒状部材から成り、
   前記溝部は、前記３軸のうちの少なくとも２軸のそれぞれに沿って平行に延びる、複合構造体。
3. 請求項１または請求項２に記載の複合構造体であって、
   前記１つ以上の棒状部材は、同じ形状を有する、複合構造体。
4. 複合構造体の製造方法であって、
   互いに結合された複数のフレームを有する被補強構造を配置する配置工程と、
   前記複数のフレームの少なくとも一部について、前記被補強構造の外壁面に対して内側に凹む溝部であって、互いに直交する３軸のいずれかに平行な軸に沿って延び、かつ、半円形状の横断面を有する溝部を形成する溝部形成工程と、
   前記外壁面に形成された前記溝部に対して、前記３軸のいずれかに平行な軸に沿って延びる１つ以上の棒状部材から成る補強部材を選択的に取り付ける取付工程と、
   を備え、
   前記取付工程では、
   前記１つ以上の棒状部材のうちの少なくとも一部を、複数の前記フレームの結合部から、前記結合部に延びる各前記フレームの端部のうち、少なくとも一部の端部まで繋がらせ、
   前記溝部の少なくとも一部を充填するように前記棒状部材を配置し、
   前記棒状部材の少なくとも一部の横断面は、前記溝部の横断面と同じ直径を有する円または半円である、製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法であって、
   前記溝部は、互いに直交する２軸のそれぞれに平行な軸に沿って延び、
   前記補強部材は、前記３軸のうちの少なくとも２軸のそれぞれに沿って平行に延びる２つ以上の棒状部材から成る、製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の製造方法であって、
   前記１つ以上の棒状部材は、同じ形状を有する、製造方法。
7. 請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載の製造方法であって、さらに、
   前記取付工程において使用される前記１つ以上の棒状部材の形状をそれぞれ決定する設計工程を備え、
   前記設計工程では、当該棒状部材が配置される前記結合部に作用する力成分を算出し、
   前記棒状部材の形状を、算出された前記力成分に応じた形状とする、製造方法。
8. 請求項７に記載の製造方法であって、
   前記設計工程では、前記力成分を、前記結合部に延びる各前記フレームの端部に対して、前記３軸に沿う方向の３自由度および前記３軸回りの３自由度との計６自由度の荷重を独立に付加した場合の前記結合部への負荷を用いて算出する、製造方法。

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