JP2017149267A - ネットワーク構造体、緩衝体、車両及びネットワーク構造体の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な設計変更で、変形及びエネルギ吸収に係る性能を適切に調整することができるネットワーク構造体等を提供する。【解決手段】ネットワーク構造体である緩衝体１２は、三次元空間に配置される複数の頂点と、頂点同士を連結する連結部材２５とによって形成される多面体フレーム２１を複数並べた、三次元の網状となる緩衝体１２であって、複数の多面体フレーム２１は、一定の荷重が与えられることで、一定に変位するように規則的に並べて設けられる。また、複数の多面体フレーム２１は、切頂八面体となる一種類の多面体フレーム２１が空間充填されるように並べて設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、ネットワーク構造体、緩衝体、車両及びネットワーク構造体の設計方法に関するものである。

従来、内部に気孔が形成されるポーラス金属が知られている（例えば、特許文献１参照）。このポーラス金属は、その表面に対してプラズマ溶射が施されることにより、気孔形態が制御されている。

国際公開第２００７／０９６９５７号

ここで、ポーラス金属を緩衝体に用いる場合、緩衝体に要求される要求性能を満足するように、ポーラス金属を設計する必要がある。しかしながら、ポーラス金属において調整可能な設計性能の範囲は狭いことから、ポーラス金属の設計性能が、緩衝体の要求性能を満足することが困難な場合がある。この場合、様々な種類の緩衝材の中から、要求性能を満足する緩衝材を選定することになる。

そこで、本発明は、簡易な設計変更で、変形及びエネルギ吸収に係る性能を適切に調整することができるネットワーク構造体、緩衝体、車両及びネットワーク構造体の設計方法を提供することを課題とする。

本発明のネットワーク構造体は、三次元空間に配置される複数の頂点と、前記頂点同士を連結する連結部材とによって形成される多面体フレームを複数並べた、三次元の網状となるネットワーク構造体であって、複数の前記多面体フレームは、一定の荷重が与えられることで、一定に変位するように規則的に並べて設けられることを特徴とする。

この構成によれば、三次元の網状に形成されたネットワーク構造体に、一定の荷重が与えられた場合、ネットワーク構造体を一定の変位で変形させることができる。このとき、ネットワーク構造体の変形及びエネルギ吸収に係る性能は、連結部材の形状または材料等を設計パラメータとして調整することで、適宜変化させることができる。このように、簡易な設計変更で、ネットワーク構造体の性能を適切に調整することができる。

また、複数の前記多面体フレームは、一種類以上の前記多面体フレームが並べて設けられることが、好ましい。

この構成によれば、一種類以上の多面体フレームを用いてネットワーク構造体を形成することができる。

また、複数の前記多面体フレームは、一種類の前記多面体フレームが空間充填されるように並べて設けられることが、好ましい。

この構成によれば、所定の空間に、複数の多面体フレームを隙間なく配置することができる。また、多面体フレームを一種類とすることで、ネットワーク構造体の設計を、容易なものとすることができる。

また、多面体フレームは、切頂八面体となるフレームであることが、好ましい。

この構成によれば、切頂八面体となる多面体フレームの複数の連結部材の長手方向が、それぞれ異なる方向となるように、連結部材を配置することができる。このため、ネットワーク構造体の性能が異方性の小さいものとなるように設計することができる。

また、複数の前記多面体フレームによって形成される中空空間は、前記連結部材の屈曲を許容する空間となっていることが、好ましい。

この構成によれば、ネットワーク構造体に荷重が与えられて、ネットワーク構造体が変形するときに、連結部材の屈曲が阻害されることがないため、ネットワーク構造体を好適に変形させることができる。

また、複数の前記多面体フレームが配置される配置空間に対する、前記中空空間の割合である空間率は、５０％以上であることが、好ましい。

この構成によれば、屈曲する連結部材を許容可能な中空空間を、適切に確保することができる。

本発明の緩衝体は、上記のネットワーク構造体を有することを特徴とする。

この構成によれば、ネットワーク構造体を緩衝体として用いることができるため、要求性能を満足する緩衝体を提供することができる。

本発明の車両は、車両本体と、前記車両本体に設けられる上記の緩衝体と、前記緩衝体を前記車両本体に取り付けるための取付部材と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、要求性能を満足する緩衝体により、車両本体に与えられる衝撃荷重を吸収することができるため、衝撃荷重による車両本体への影響を軽減することができる。

また、前記緩衝体は、複数に分割して設置されることが、好ましい。

この構成によれば、緩衝体を分割することで、分割された緩衝体の取り扱いが容易となり、緩衝体を適切に設置することができる。

本発明のネットワーク構造体の設計方法は、三次元空間に配置される複数の頂点と、前記頂点同士を連結する連結部材とによって形成される多面体フレームを複数並べた、三次元の網状となるネットワーク構造体の設計方法であって、前記ネットワーク構造体は、前記多面体フレームに関する設計パラメータに基づいて設計され、前記設計パラメータは、前記ネットワーク構造体に要求される要求性能を満足するように設定され、前記連結部材の形状に関するパラメータ及び前記連結部材の材料に関するパラメータの少なくともいずれかのパラメータを含むことを特徴とする。

この構成によれば、三次元の網状に形成されたネットワーク構造体に、一定の荷重が与えられた場合、ネットワーク構造体を一定の変位で変形させるように設計することができる。このとき、ネットワーク構造体の変形及びエネルギ吸収に係る性能は、連結部材の形状または材料等を設計パラメータとして調整することで、適宜変化させることができる。このように、簡易な設計変更で、ネットワーク構造体の性能を適切に調整することができる。なお、連結部材の形状に関するパラメータとしては、連結部材の太さ及び連結部材の長さ等があり、連結部材の材料に関するパラメータとしては、材料強度及び異種材料の使用の選択等がある。

図１は、本実施形態に係る緩衝体が適用された車両を示す模式図である。 図２は、本実施形態に係る緩衝体を示す斜視図である。 図３は、緩衝体の性能に関するグラフである。 図４は、本実施形態に係る緩衝体の設計方法に関するフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
図１は、本実施形態に係る緩衝体が適用された車両を示す模式図である。図２は、本実施形態に係る緩衝体を示す斜視図である。図３は、緩衝体の性能に関するグラフである。図４は、本実施形態に係る緩衝体の設計方法に関するフローチャートである。

本実施形態は、三次元の網状に形成されるネットワーク構造体を、緩衝体１２として用いており、この緩衝体１２を、例えば、車両１の底部に設けることで、車両１の底部に与えられる衝撃を吸収している。なお、本実施形態では、車両１の底部に緩衝体１２を設ける場合について説明するが、緩衝体１２を車両１の側面または上部に設けてもよく、緩衝体１２の設置場所については、特に限定されない。先ず、図１を参照して、車両１について説明する。

図１に示すように、車両１は、車両本体１０と、車両本体１０の底部に取り付けられるケーシング１１と、ケーシング１１の内部に設置される緩衝体１２と、を備えている。なお、車両１の種類については、特に限定されない。

車両本体１０は、その底面と地面との間に隙間が設けられている。車両本体１０は、その両側に車輪１５が設けられ、車輪１５を回転させることで、地面上を走行する。

ケーシング１１は、車両本体１０の底部に図示しない締結部材によって締結固定されている。ケーシング１１は、車両本体１０の底面との間に、緩衝体１２を設置する設置スペース１６を形成している。このケーシング１１は、例えば、鋼板を用いて形成されており、車両１に衝撃が与えられた場合に、設置スペース１６に設置される緩衝体１２に対して、面圧を付与するように変形する。

緩衝体１２は、設置スペース１６に、複数に分割して設置されており、例えば、車両本体１０の車幅方向（車輪１５同士を結ぶ方向）に並べて設置されている。この分割された複数の緩衝体１２は、ブロック状に形成されている。

図２に示すように、緩衝体１２は、複数の多面体フレーム２１を並べた三次元の網状に形成されている。各多面体フレーム２１は、三次元空間に配置される複数の頂点と、頂点同士を連結する連結部材２５とによって形成されており、連結部材２５によって囲まれる部分が網目２６となる。連結部材２５は、円柱状に形成されており、後述する設計パラメータによって、その形状が設計される。

緩衝体１２は、一種類の多面体フレーム２１が空間充填されるように、鉛直方向及び水平方向に規則的に複数並べて設けられている。本実施形態では、多面体フレーム２１として、切頂八面体となるフレームを適用している。なお、多面体フレーム２１は、切頂八面体に限らず、立方体、アルキメデスの正六角柱、菱形十二面体等を適用してもよく、空間充填可能な形状であれば、特に限定されない。

ここで、図３は、その縦軸が荷重Ｆとなっており、その横軸が変位δとなっている。図３に示すように、緩衝体１２には、一定の荷重が与えられた場合に、一定に変位するという機能（緩衝性能）が求められる。このとき、多面体フレーム２１は、切頂八面体のフレームとなることから、複数の連結部材２５の長手方向（軸方向）が、それぞれ異なる方向となるため、衝撃に対する緩衝性能が異方性の小さいものとなる。そして、図３に示すような緩衝体１２としての機能を発揮するように、緩衝体１２は、多面体フレーム２１を規則的に複数並べて配置されている。

また、緩衝体１２は、衝撃荷重によって変位する場合、連結部材２５が屈曲するが、このとき、連結部材２５の屈曲が阻害されると、緩衝体１２としての機能が低下する。このため、本実施形態において、緩衝体１２は、複数の多面体フレーム２１によって形成される中空空間が、連結部材２５の屈曲を許容する空間となっている。ここで、中空空間は、緩衝体１２が配置される配置空間において、連結部材２５が占める空間を除く空間である。具体的に、緩衝体１２が配置される配置空間に対する、中空空間の割合である空間率は、５０％以上となっている。換言すれば、緩衝体１２が配置される配置空間に対する、連結部材２５が占める空間の割合である空間充填率は、５０％未満となっている。

上記の緩衝体１２は、金属材料を用いて形成され、例えば、三次元積層造形法により形成される。なお、緩衝体１２の材料は、金属材料に限定されず、例えば、樹脂またはセラミックス材料を用いてもよい。また、緩衝体１２の形成方法は、三次元積層造形法に限定されず、鋳造または切削加工等によって形成してもよい。

このような緩衝体１２は、多面体フレーム２１に関する設計パラメータに基づいて設計されることで、緩衝体１２の緩衝性能を調整したり、また、緩衝体１２の緩衝性能を等方性または異方性を有するように調整したりすることが可能となる。設計パラメータは、連結部材２５の形状に関するパラメータ及び連結部材２５の材料に関するパラメータを含んでいる。具体的に、連結部材２５の形状に関するパラメータとしては、円柱形状の連結部材２５の太さ及び連結部材２５の長手方向における長さ等がある。そして、連結部材２５の形状に関するパラメータを調整することで、多面体フレーム２１の網目２６の大きさを調整したり、多面体フレーム２１の形状を変更したりすることが可能となる。連結部材２５の材料に関するパラメータとしては、材料強度等がある。なお、緩衝体１２に使用される材料は、二種以上であってもよく、この場合、使用する材料の選択を設計パラメータとして採用してもよい。

このように構成された車両１は、車両本体１０の底部に衝撃が与えられると、緩衝体１２には、衝撃荷重が、ケーシング１１により面圧として付与される。そして、緩衝体１２は、衝撃荷重により変形することで、衝撃荷重を吸収する。このため、車両１に与えられる衝撃は、緩衝体によって軽減される。

次に、図３及び図４を参照して、上記の緩衝体１２を設計する設計方法について説明する。緩衝体１２の設計方法では、緩衝体１２の設計性能が、予め要求される緩衝体１２としての要求性能を満足するように設計される。

緩衝体１２の設計方法では、先ず、緩衝体１２の要求性能が設定される（ステップＳ１）。要求性能としては、例えば、図３に示す点線で囲んだ領域Ｅであり、所定の荷重Ｆの範囲内において、一定の荷重Ｆが与えられた場合に、一定に変位δが大きくなるような緩衝性能である。

ステップＳ１の実行後、続いて、緩衝体１２の設計パラメータが設定される（ステップＳ２）。具体的に、ステップＳ１で設定される緩衝体１２の要求性能が、所定の荷重Ｆに対する変位δを小さくする場合、換言すれば、緩衝体１２を硬くして変形し難いものとする場合について説明する。設計パラメータとして、連結部材２５の太さを設定する場合、連結部材２５の太さが太くなるように設計パラメータを変化させる。また、設計パラメータとして、連結部材２５の長さを設定する場合、連結部材２５の長さを短くすることで網目２６の大きさが小さくなるように設計パラメータを変化させる。また、設計パラメータとして、連結部材２５の材料強度を設定する場合、連結部材２５の材料強度が強くなるように設計パラメータを変化させる。また、設計パラメータとして、空間率を設定する場合、空間率が小さくなるように設計パラメータを変化させる。

一方で、ステップＳ１で設定される緩衝体１２の要求性能が、所定の荷重Ｆに対する変位δを大きくする場合、換言すれば、緩衝体１２を柔らかくして変形し易いものとする場合について説明する。設計パラメータとして、連結部材２５の太さを設定する場合、連結部材２５の太さが細くなるように設計パラメータを変化させる。また、設計パラメータとして、連結部材２５の長さを設定する場合、連結部材２５の長さを長くすることで網目２６の大きさが大きくなるように設計パラメータを変化させる。また、設計パラメータとして、連結部材２５の材料強度を設定する場合、連結部材２５の材料強度が弱くなるように設計パラメータを変化させる。また、設計パラメータとして、空間率を設定する場合、空間率が大きくなるように設計パラメータを変化させる。

そして、設定された設計パラメータに基づく解析等によって、例えば、図３の実線で示すような、緩衝体１２の設計性能が導出される（ステップＳ３）。

この後、導出した緩衝体１２の設計性能が、予め設定した要求性能を満足するか否かを判定する（ステップＳ４）。つまり、図３に示す実線となる設計性能が、図３に示す領域Ｅの範囲内に収まるか否かを判定する。設計性能が要求性能を満足すると判定する（ステップＳ４：Ｙｅｓ）と、設計パラメータを決定する（ステップＳ５）。そして、緩衝体１２は、ステップＳ５において決定された設計パラメータに基づいて、三次元積層造形法により形成される。一方で、設計性能が要求性能を満足していないと判定する（ステップＳ４：Ｎｏ）と、再び、ステップＳ２に進み、設計パラメータの再設定を行う。

以上のように、本実施形態によれば、三次元の網状に形成された緩衝体１２に、一定の荷重が与えられた場合、緩衝体１２を一定の変位で変形させることができる。このとき、緩衝体１２の変形及びエネルギ吸収に係る性能は、連結部材２５の形状または材料等を設計パラメータとして調整することで、適宜変化させることができる。このように、簡易な設計変更で、緩衝体１２の性能を適切に調整することができる。

また、本実施形態によれば、一種類の多面体フレーム２１を設置スペース１６に対して空間充填するように並べて設けることができるため、設置スペース１６に複数の多面体フレーム２１を隙間なく配置することができる。また、多面体フレーム２１を一種類とすることで、設計パラメータの数が増大することを抑制することができるため、緩衝体１２の設計を、容易なものとすることができる。

また、本実施形態によれば、多面体フレーム２１として、切頂八面体となるフレームを適用することにより、複数の連結部材２５の長手方向（軸方向）が、それぞれ異なる方向となる。このため、衝撃荷重に対する緩衝体１２の緩衝性能を、異方性の小さいものとすることができる。

また、本実施形態によれば、複数の多面体フレーム２１によって形成される中空空間を、連結部材２５の屈曲を許容する空間とすることで、緩衝体１２に衝撃荷重が与えられて、緩衝体１２が変形するときに、連結部材２５の屈曲が阻害されることがない。このため、緩衝体１２の緩衝性能を低下させることなく、緩衝体１２を好適に変形させることができる。

また、本実施形態によれば、空間率を５０％以上とすることで、屈曲する連結部材２５を許容可能な中空空間を、適切に確保することができる。

また、本実施形態によれば、要求性能を満足する緩衝体１２を設置スペース１６に設置することにより、車両本体１０に与えられる衝撃荷重を吸収することができるため、衝撃荷重による車両本体１０への影響を軽減することができる。

また、本実施形態によれば、複数に分割された複数の緩衝体１２は、取り扱いが容易なものとなることから、緩衝体１２を設置スペース１６に適切に設置することができる。

なお、本実施形態では、設置スペース１６に対して、一種類の多面体フレーム２１を空間充填して緩衝体１２を形成したが、二種類以上の多面体フレーム２１を用いて緩衝体１２を形成してもよい。例えば、二種類の多面体フレーム２１を所定の方向において交互となるように配置してもよい。二種類の多面体フレーム２１の組み合わせとしては、例えば、正四面体と正八面体、正四面体と切頂四面体、正八面体と切頂六面体、正八面体と立方八面体、斜方切頂八面体と正八角柱等がある。また、三種類の多面体フレーム２１を所定の方向において規則的に配置してもよい。三種類の多面体フレーム２１の組み合わせとしては、例えば、切頂四面体と切頂八面体と立方八面体、切頂四面体と切頂六面体と斜方切頂立方八面体、正四面体と立方体と斜方立方八面体、立方体と立方八面体と斜方立方八面体、立方体と切頂八面体と斜方切頂立方八面体等がある。さらに、一種類の多面体フレーム２１の内部に、別の種類の多面体フレーム２１を空間充填してもよい。

１ 車両
１０ 車両本体
１１ ケーシング
１２ 緩衝体
１５ 車輪
１６ 設置スペース
２１ 多面体フレーム
２５ 連結部材
２６ 網目
Ｅ 領域

Claims (10)

1. 三次元空間に配置される複数の頂点と、前記頂点同士を連結する連結部材とによって形成される多面体フレームを複数並べた、三次元の網状となるネットワーク構造体であって、
   複数の前記多面体フレームは、一定の荷重が与えられることで、一定に変位するように規則的に並べて設けられることを特徴とするネットワーク構造体。
2. 複数の前記多面体フレームは、一種類以上の前記多面体フレームが並べて設けられることを特徴とする請求項１に記載のネットワーク構造体。
3. 複数の前記多面体フレームは、一種類の前記多面体フレームが空間充填されるように並べて設けられることを特徴とする請求項２に記載のネットワーク構造体。
4. 前記多面体フレームは、切頂八面体となるフレームであることを特徴とする請求項３に記載のネットワーク構造体。
5. 複数の前記多面体フレームによって形成される中空空間は、前記連結部材の屈曲を許容する空間となっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のネットワーク構造体。
6. 複数の前記多面体フレームが配置される配置空間に対する、前記中空空間の割合である空間率は、５０％以上であることを特徴とする請求項５に記載のネットワーク構造体。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のネットワーク構造体を有することを特徴とする緩衝体。
8. 車両本体と、
   前記車両本体に設けられる、請求項７に記載の緩衝体と、
   前記緩衝体を前記車両本体に取り付けるための取付部材と、を備えることを特徴とする車両。
9. 前記緩衝体は、複数に分割して設置されることを特徴とする請求項８に記載の車両。
10. 三次元空間に配置される複数の頂点と、前記頂点同士を連結する連結部材とによって形成される多面体フレームを複数並べた、三次元の網状となるネットワーク構造体の設計方法であって、
    前記ネットワーク構造体は、前記多面体フレームに関する設計パラメータに基づいて設計され、
    前記設計パラメータは、前記ネットワーク構造体に要求される要求性能を満足するように設定され、前記連結部材の形状に関するパラメータ及び前記連結部材の材料に関するパラメータの少なくともいずれかのパラメータを含むことを特徴とするネットワーク構造体の設計方法。