JP4621060B2 - High-precision tensile or compression testing equipment over a wide range of strain rates including high-speed deformation - Google Patents
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Description
本発明は、自動車構造を代表とする衝撃吸収部材の設計に必要な高速変形を含む広範囲のひずみ速度での引張又は圧縮荷重の計測装置に関する。 The present invention relates to a measuring device for tensile or compressive load in a wide range of strain rates including high-speed deformation necessary for designing an impact absorbing member typified by an automobile structure.
近年、自動車業界では、衝突時の乗員への傷害を低減しうる車体構造の開発が急務の課題となっている。この課題の解決のために、計算機上で自動車の衝突のシミュレーションを行い、安全基準をクリアする設計を行うシステムの開発が急速に進んできている。従って、現在ではこの衝突のシミュレーションの精度が衝撃吸収設計の成否のカギとなっている。衝突時には自動車の部材は高速で変形されるため、その正確な特性把握のためには、部材を構成する材料の高速の変形特性を精密に計測する必要がある。 In recent years, in the automobile industry, the development of a vehicle body structure that can reduce injury to passengers during a collision has become an urgent issue. In order to solve this problem, the development of a system that performs a simulation to meet safety standards by simulating a car collision on a computer is rapidly progressing. Therefore, at present, the accuracy of this collision simulation is the key to the success or failure of the shock absorption design. Since an automobile member is deformed at high speed at the time of a collision, it is necessary to accurately measure the high-speed deformation characteristics of the material constituting the member in order to accurately grasp the characteristics.
このような材料の高速変形特性の計測は、通常の準静的な引張または圧縮試験機では行うことが出来ず、特に荷重の計測方法が困難であった。この問題を克服するために、特許文献1に油圧サーボ試験機を用いるものが開示されているものの、従来型の簡便なロードセル(荷重検出装置)を用いるのではなく、変形特性を測定する試験片のつかみ部を延長してそこにひずみゲージを貼付し、このひずみゲージ出力から別に校正したロードセル出力/ゲージ出力比を用いて試験片の変形応力を計測する方法が知られている。これは従来型のロードセルを用いるのに比べて測定精度が向上するが、対象の試験片に毎回ひずみゲージを貼付しなければいけないこと、試験片毎に測定系が変化するため測定精度の維持が難しく、またその機構から精度の抜本的な向上が難しいことなどの問題があった。また油圧サーボ試験機はその構造上非常に高価である。 Such measurement of high-speed deformation characteristics of materials cannot be performed with a normal quasi-static tensile or compression tester, and the load measuring method is particularly difficult. In order to overcome this problem, although a technique using a hydraulic servo tester is disclosed in Patent Document 1, a test piece for measuring deformation characteristics instead of using a conventional simple load cell (load detection device). A method of measuring the deformation stress of a test piece using a load cell output / gauge output ratio separately calibrated from the strain gauge output is known. This improves the measurement accuracy compared to using a conventional load cell. However, the strain gauge must be attached to the target test piece every time, and the measurement system changes for each test piece. There is a problem that it is difficult, and it is difficult to drastically improve accuracy from the mechanism. The hydraulic servo tester is very expensive due to its structure.
また、特許文献2では、ブロック状の基部の上に突設した小突起部に、基部からの応力波の伝播および透過を遮断するための絶縁手段で構成される衝撃試験装置が開示されている。この装置では基部に比べて小さい小突起部で荷重の計測を行うが、この際、小突起部中を伝播する応力波の影響がなく、絶縁手段が基部と外部の応力波の伝播および透過を遮断することにより高ひずみ速度で計測が可能となることが示されている。しかしながら、一般に応力波の伝播を防ぐための絶縁手段の選択は難しく、その具体的な方法は開示されていない。
Further,
また詳細は不明ながら近年新しい衝撃試験システムの装置が開示されている(非特許文献1)。これによると荷重検出部はつかみ部等を一体・軽量化することにより共振周波数を高めることにより高ひすみ速度での計測が可能であるとしているものの、開示されている図から判断すると試験片側から、つかみ部、荷重検出部という形で試験装置を配置することが記載されており、配置面からは従来型の装置と大きな差はない。 Further, a new impact test system device has been disclosed in recent years, although details are unknown (Non-Patent Document 1). According to this, although the load detection part says that it is possible to measure at a high stagnation speed by increasing the resonance frequency by making the grip part etc. integrated and lightweight, judging from the disclosed figure, from the test piece side It is described that the test apparatus is arranged in the form of a gripping part and a load detection part, and there is no significant difference from the conventional type in terms of arrangement.
一方、非特許文献2などにあるように、細長い弾性棒で衝撃弾性波を棒の長手方向に逃がすことにより、試験変形時の応力のみを計測すること可能にする、いわゆるKolsky法が高速変形の試験法として標準的に使われている。しかしながら、試験装置が大掛かりであり、構造的に精度の維持管理が難しく、精度の高いデータを得るためには深い経験と知識が必要であった。また、試験可能時間が入射させた応力波パルスの継続時間、または、荷重を計測する弾性棒(transmitter bar)の長さにより制限されるため、延性の良い材料の計測には困難があった。
本発明は、衝突シミュレーションや衝突安全設計について評価基準となる材料の高速変形特性の測定において、精度の高い変形応力測定を簡便に行う装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an apparatus that can easily perform highly accurate deformation stress measurement in measurement of high-speed deformation characteristics of a material that is an evaluation standard for collision simulation and collision safety design.
本発明者らは、試験実行時の応力波の伝播特性に注目して検討を行い、測定したい荷重のできるだけ近くに荷重検出部を配置すること、試験片から荷重検出部、および荷重検出部を支持する支持機構につながる部分の断面積を適正に配置することにより、比較的簡便な手段で高ひずみ速度域までの高速変形特性が測定可能であることを見出した。本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
(1)丸棒又は板状の試験片を固定する固定部を有する締結部と、引張荷重又は圧縮荷重を計測する荷重検出部と、前記締結部を固定支持する支持機構と、前記試験片に引張又は圧縮変形を与える可動部からなる装置において、前記締結部と前記荷重検出部を一体化し、前記荷重検出部は前記固定部より前記支持機構側に設置され、かつ
(前記固定部における前記締結部の断面積)≦(荷重検出部における前記締結部の断面積)<(支持機構の断面積)
の条件を満たし、かつ、前記可動部が一端側に試験片が結合される弾性棒と、該弾性棒における試験片と反対側の端部を固定する変位負荷機構と、試験片と変位負荷機構との間の位置に配設された弾性棒固定機構とを有し、弾性棒固定機構によって固定された弾性棒を変位負荷機構によって変形させて弾性エネルギーを蓄えた後、弾性棒固定機構の固定を解除することにより応力波パルスを発生させて弾性棒を通じて試験片に伝播させる応力波パルス発生機構により構成されることを特徴とする高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(2)前記締結部と弾性棒端の変位を計測し、その差から試験片の変位を計測する変位計測手段を有することを特徴とする(1)又は(2)に記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(3)締結部が円柱状であり、板状の試験片の場合には試験片を固定する溝を設置し、丸棒状の試験片の場合には試験片を固定するネジ穴が設置された締結部を持ち、前記荷重検出部における締結部の直径D(mm)と、前記溝またはネジ穴下端から支持機構上端までの長さL(mm)の比が0.3≦L/D≦10を満たすことを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(4)前記荷重検出部における前記締結部の断面積A0(mm 2 )と、前記支持機構の断面積A1(mm 2 )との比が
2≦A1/A0
を満たすことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(5)丸棒又は板状の試験片を固定する固定部を有する締結部と、引張荷重又は圧縮荷重を計測する荷重検出部と、前記締結部を支持する支持機構と、前記試験片に引張又は圧縮変形を与える可動部からなる装置において、前記締結部と前記荷重検出部を一体化し、前記荷重検出部は前記固定部より前記支持機構側に設置され、かつ
(前記固定部における前記締結部の断面積≦(荷重検出部における前記締結部の断面積)≦(支持機構の断面積)
の条件を満たし、かつ前記可動部が弾性棒を有する応力波パルス発生機構により構成されるとともに、前記荷重検出部における前記締結部の断面積をA0としたときに
2≦A2/A0
を満たす断面積A2(mm 2 )を持つ応力波緩衝部を、前記締結部と前記支持機構の間に配置することを特徴とする高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(6)前記可動部が、一端側に試験片が結合される弾性棒と、該弾性棒における試験片と反対側の端部を固定する変位負荷機構と、試験片と変位負荷機構との間の位置に配設された弾性棒固定機構とを有し、弾性棒固定機構によって固定された弾性棒を変位負荷機構によって変形させて弾性エネルギーを蓄えた後、弾性棒固定機構の固定を解除することにより応力波パルスを発生させて弾性棒を通じて試験片に伝播させる応力波パルス発生機構により構成されることを特徴とする(5)に記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(7)前記可動部が、一端側に試験片が結合される弾性棒と、該弾性棒に応力波パルスを発生させる中空又は中実の構造体と、上記該弾性棒における試験片と反対側の端部に一体化させた、構造体の受け止め機構とを有し、上記構造体を受け止め機構に向けて射出することにより弾性棒における上記構造体の受け止め機構側の端面に応力波パルスを発生させ、弾性棒を通じて試験片に伝播させる応力波パルス発生機構により構成されることを特徴とする(5)に記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
(8)更に、試験片の温度を可変とする温度制御機構を備えることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。
The inventors of the present invention have studied by paying attention to the propagation characteristics of stress waves at the time of test execution, placing the load detection unit as close as possible to the load to be measured, and separating the load detection unit and the load detection unit from the test piece. It has been found that high-speed deformation characteristics up to a high strain rate range can be measured by a relatively simple means by appropriately arranging the cross-sectional area of the portion connected to the supporting mechanism to be supported. The gist of the present invention is as follows.
(1) A fastening part having a fixing part for fixing a round bar or a plate-shaped test piece, a load detection part for measuring a tensile load or a compression load, a support mechanism for fixing and supporting the fastening part, and the test piece In an apparatus including a movable part that applies tensile or compressive deformation, the fastening part and the load detection part are integrated, and the load detection part is installed on the support mechanism side from the fixing part, and (the fastening in the fixing part is performed) Sectional area) ≦ (cross sectional area of the fastening portion in the load detection section) <(cross sectional area of the support mechanism)
And a movable load is connected to one end side of the elastic rod, and an elastic rod to which the end of the elastic rod opposite to the test piece is fixed, a test piece and a displacement load mechanism The elastic rod fixing mechanism is disposed between the elastic rod fixing mechanism and the elastic rod fixed by the elastic rod fixing mechanism is deformed by the displacement load mechanism to store elastic energy, and then the elastic rod fixing mechanism is fixed. A high-speed tensile or high-speed compressive load measuring device comprising a stress wave pulse generating mechanism for generating a stress wave pulse by releasing the wave and propagating it to a test piece through an elastic rod .
(2) It has a displacement measuring means for measuring the displacement of the fastening part and the end of the elastic rod, and measuring the displacement of the test piece from the difference between them. Compressive load measuring device.
(3) The fastening part is cylindrical, and in the case of a plate-shaped test piece, a groove for fixing the test piece is installed, and in the case of a round bar-shaped test piece, a screw hole for fixing the test piece is installed. The ratio of the diameter D (mm) of the fastening part in the load detection part to the length L (mm) from the groove or screw hole lower end to the upper end of the support mechanism is 0.3 ≦ L / D ≦ 10. The high-speed tensile or high-speed compression load measuring device according to any one of (1) to (3), wherein:
(4) The ratio of the cross-sectional area A0 (mm 2 ) of the fastening portion in the load detection unit to the cross-sectional area A1 (mm 2 ) of the support mechanism is
2 ≦ A1 / A0
The high-speed tensile or high-speed compression load measuring device according to any one of (1) to (4), wherein:
(5) A fastening portion having a fixing portion for fixing a round bar or a plate-shaped test piece, a load detection portion for measuring a tensile load or a compressive load, a support mechanism for supporting the fastening portion, and a tension on the test piece Alternatively, in an apparatus comprising a movable part that applies compressive deformation, the fastening part and the load detection part are integrated, and the load detection part is installed closer to the support mechanism than the fixed part, and
(Cross sectional area of the fastening portion in the fixed portion ≦ (Cross sectional area of the fastening portion in the load detecting portion) ≦ (Cross sectional area of the support mechanism)
And the movable part is constituted by a stress wave pulse generation mechanism having an elastic rod, and the cross-sectional area of the fastening part in the load detection part is A0
2 ≦ A2 / A0
A high-speed tensile or high-speed compressive load measuring device , wherein a stress wave buffer portion having a cross-sectional area A2 (mm 2 ) satisfying the above condition is disposed between the fastening portion and the support mechanism .
(6) The movable part includes an elastic rod to which a test piece is coupled on one end side, a displacement load mechanism for fixing an end of the elastic bar opposite to the test piece, and between the test piece and the displacement load mechanism. The elastic rod fixing mechanism is disposed at the position of the elastic rod, and the elastic rod fixed by the elastic rod fixing mechanism is deformed by the displacement load mechanism to store elastic energy, and then the elastic rod fixing mechanism is released. The high-speed tension or high-speed compression load measuring device according to (5), characterized in that it is configured by a stress wave pulse generation mechanism that generates a stress wave pulse and propagates it to a test piece through an elastic rod .
(7) The movable portion includes an elastic rod having a test piece coupled to one end thereof, a hollow or solid structure that generates a stress wave pulse on the elastic rod, and the opposite side of the elastic rod from the test piece. And a structure receiving mechanism integrated with the end of the structure, and by emitting the structure toward the receiving mechanism, a stress wave pulse is generated on the end surface of the elastic structure on the receiving mechanism side of the structure. The high-speed tensile or high-speed compression load measuring device according to (5), wherein the high-speed tensile or high-speed load measuring device is configured by a stress wave pulse generation mechanism that propagates to a test piece through an elastic rod .
(8) The high-speed tension or high-speed compression load measuring device according to any one of (1) to (7), further comprising a temperature control mechanism that makes the temperature of the test piece variable.
本発明に基づいて高精度な材料の高速変形特性を計測し、更に、この特性を導入することによる高精度な衝突シミュレーションを行うことにより、従来行われていた自動車全体設計または部材設計時に衝突安全性を確保するための試作部材による試行錯誤を省略することができ、試作のためのコストを大幅に軽減するだけでなく、設計にかかる時間も短縮することができる。従来の試験方法に比べて、必要な時間、コストを大幅に低減することができる。 By measuring the high-speed deformation characteristics of high-precision materials based on the present invention, and by performing high-precision collision simulation by introducing these characteristics, it is possible to perform collision safety at the time of designing the entire automobile or parts that has been performed conventionally. Trial and error by the prototype member for ensuring the performance can be omitted, and not only the cost for the prototype can be greatly reduced, but also the design time can be shortened. Compared with the conventional test method, the required time and cost can be greatly reduced.
本発明者らは、まずこれまでの高速変形の試験方法を鋭意検討した。その結果、高精度の試験結果が得られるKolsky法と、簡便であるが精度の劣る油圧サーボ方式との違いの一つは荷重計測の位置にあることに思い至った。 First, the present inventors diligently studied the conventional high-speed deformation testing method. As a result, it came to mind that one of the differences between the Kolsky method, which provides highly accurate test results, and the hydraulic servo method, which is simple but inaccurate, is in the position of load measurement.
これを解消するにはまず試験片の近くで荷重計測を行う必要がある.しかしながら、特許文献1に開示されているように、試験片に直接ひずみゲージを貼り付けた場合には、応力集中を考慮した荷重の補正が必要であり、それぞれの試験片に対してひずみゲージを貼付する必要があり精度管理が難しいこと、さらにそれぞれの試験片にひずみゲージを貼付する必要があるため試験のコストが高いという欠点があった。 To solve this problem, it is necessary to measure the load near the specimen. However, as disclosed in Patent Document 1, when a strain gauge is directly attached to a test piece, it is necessary to correct the load in consideration of stress concentration, and a strain gauge is attached to each test piece. There are disadvantages that it is difficult to control the accuracy because it is necessary to affix, and that a strain gauge needs to be affixed to each test piece.
また、特許文献2に開示される方法においても、荷重計測を試験片近くで行っているが、荷重計測用小突起部の内部での応力波伝播の影響を受けないようにするためには、その大きさを制限する必要があり、従って計測できる荷重に限界が生じてしまう。また、この方法ではブロック状の基部と外部との間に何らかの絶縁手段が必要であった。
Also, in the method disclosed in
本発明者らがさらに検討を進めた結果、試験片から荷重検出部の間の断面積変化が計測精度に大きく影響することが分かってきた。通常の油圧サーボ式高速引張試験機では試験片を装置に固定するために比較的断面積の大きな固定部を有する締結部があり、さらに支持機構を介して、荷重検出部につながっていた。このとき各部の断面積変化は通例、(試験片)<(締結部)、(締結部)>(支持機構)、(支持機構)<(荷重検出部)のようになっていた。このような配置での実験を繰り返したところ、断面積が大の領域から小の領域に進行する場合には応力波の伝播の乱れが非常に大きいが、小から大の領域に進行する場合、小の領域ではその乱れの影響をほとんど受けないということが判明した。 As a result of further studies by the present inventors, it has been found that a change in the cross-sectional area between the test piece and the load detection unit greatly affects the measurement accuracy. In a normal hydraulic servo type high-speed tensile testing machine, there is a fastening part having a fixing part having a relatively large cross-sectional area in order to fix the test piece to the apparatus, and further connected to the load detection part via a support mechanism. At this time, the change in the cross-sectional area of each part is usually (test piece) <(fastening part), (fastening part)> (support mechanism), (support mechanism) <(load detection part). When the experiment with such an arrangement was repeated, when the cross-sectional area proceeds from a large region to a small region, the disturbance of stress wave propagation is very large, but when the cross-sectional area proceeds from a small region to a large region, It turns out that the small area is hardly affected by the disturbance.
この事実に基づき、図4に模式図を示すように、本発明者らは試験片締結部と荷重検出部2とを一体化した。その理由は締結部と荷重検出部2との固定が十分でないとその界面で応力波の大きな反射が起こるために、荷重検出部2での計測値に振動が重畳してしまうことを避けるためである。この一体化は削り出し加工により行うことが望ましいが、必要に応じてネジ締結、ボルト締結、溶接等の方法が使用できる。この際、締結による断面積変化を極力小さく必要がある。さらに、断面積の変化が荷重検出部に至るまでに大から小となることがないように、(試験片の断面積)<(試験片と締結部との固定部11における締結部の断面積)≦(荷重検出部2における締結部の断面積)≦(支持機構3の断面積)と配置することで、1)締結部を小さくかつ支持機構を介さず荷重検出部につなぎ、試験片の近くで荷重計測を行う、2)応力波の反射や干渉による乱れの影響を小さくする、ことを思い至った。
Based on this fact, as shown in a schematic diagram in FIG. 4, the present inventors integrated the test piece fastening portion and the
通常の変形速度で試験を行う場合は試験速度に比べて試験片および試験機内を伝播する応力波の伝播速度は十分に大きいため、直列につながる試験機のどの断面で荷重を測定してもその値は一定となる。しかし今問題にしている高ひずみ速度変形では、応力波の伝播速度が十分大きいとは言えず、応力波の伝播を考慮しなければ正確な荷重計測はできない。通常のロードセルで荷重計測を行うと正規の波形に重畳して振動が観測されるがこれは試験機内を伝播する応力波の影響である。 When testing at normal deformation speed, the propagation speed of the stress wave propagating through the test piece and the test machine is sufficiently large compared to the test speed, so no matter which section of the test machine connected in series, the load is measured The value is constant. However, in the high strain rate deformation that is now a problem, it cannot be said that the propagation speed of the stress wave is sufficiently high, and accurate load measurement cannot be performed without considering the propagation of the stress wave. When load measurement is performed with a normal load cell, vibration is observed superimposed on the normal waveform, but this is due to the influence of the stress wave propagating in the testing machine.
上述のように試験を行った場合、まず応力波は試験片内部で反射・干渉し、試験片内部の変形を均一化する。さらに締結部での同様の過程を経た後に、荷重検出部に応力波が伝播する。高ひずみ速度での高精度な荷重計測を行うためには、応力波ノイズの原因となる内部での反射・干渉を早期に飽和させることが必要である。応力波の反射は荷重検出部の支持機構との境界で起こるが、早期の飽和のためには支持機構の断面積が、荷重検出部の断面積と等しいか大きい必要がある。またさらに荷重検出部の軸方向長さを短くする必要がある。これは応力波が荷重検出部全体を伝播するのに必要な時間を低減するためである。 When the test is performed as described above, first, the stress wave is reflected and interfered inside the test piece to make the deformation inside the test piece uniform. Furthermore, after going through the same process at the fastening portion, the stress wave propagates to the load detection portion. In order to perform highly accurate load measurement at a high strain rate, it is necessary to quickly saturate internal reflection and interference that cause stress wave noise. The reflection of the stress wave occurs at the boundary with the support mechanism of the load detection unit. For early saturation, the cross-sectional area of the support mechanism needs to be equal to or larger than the cross-sectional area of the load detection unit. Furthermore, it is necessary to shorten the axial length of the load detection unit. This is to reduce the time required for the stress wave to propagate through the entire load detector.
荷重計測についてはこのような形で精度の高い計測が可能となることが判明したが、次に問題となるのは試験片を高ひずみ速度で変形させる手段、すなわち応力波パルス発生機構である。特許文献1や2に示されているように通常油圧サーボ機構が使用されるが、この方式は装置が大掛りであり通常高価である。そこで本発明では、非特許文献2で使用されているような弾性棒を用いて高ひずみ速度変形を与える方法を組み合せた。本発明では高ひずみ速度変形を弾性棒で与えるとともに、弾性棒中を伝わる応力波を計測することにより試験片と弾性棒の結合端面の変位を計算し、それを基に試験片のひずみを計測させる機能を兼ね合わせた。すなわち、棒が十分細い場合、棒中を応力波が一次元の縦波として伝播するが、この時試験片と弾性棒の境界A端面の変位(uA)は、境界Aでの棒のひずみ(εA)を用いて下記(1)式により計算できる。
With regard to load measurement, it has been found that high-precision measurement is possible in such a form, but the next problem is a means for deforming a test piece at a high strain rate, that is, a stress wave pulse generation mechanism. Normally, a hydraulic servomechanism is used as disclosed in
このような計測を可能とするためには弾性棒は全長に比して十分細い必要があり、ステンレス鋼を用いる場合にはその直径は30mm以下、望ましくは20mm以下であることが望ましい。 In order to enable such measurement, the elastic rod needs to be sufficiently thin compared to the entire length, and when stainless steel is used, its diameter is desirably 30 mm or less, desirably 20 mm or less.
前記(1)及び(6)に係る本発明では、応力波パルス発生機構が図2に示すように弾性棒4、弾性棒固定機構7、及び変位負荷機構8から構成されている。試験時にはまず弾性棒固定機構7の位置で弾性棒4の変位を固定する。その後、変位負荷機構8により弾性棒4を引張る。これにより弾性棒4の内、弾性棒固定機構7および変位負荷機構8に挟まれた部分が弾性的に変位し、弾性エネルギーが蓄えられる。試験片に対して所定のひずみ速度が与えられるよう変位負荷機構8を用いて弾性棒4を変形させた後に、弾性棒固定機構7を急激に解放することにより応力波パルスが発生し、弾性棒4を伝わって試験片を変形させるものである。
In the present invention according to the above (1) and (6) , the stress wave pulse generating mechanism is composed of the
前記(7)に係る本発明では、応力波パルス発生機構が、図3に示すように、弾性棒4、中空構造体9及び弾性棒端に一体化させた中空構造体の受け止め機構10により構成されている。試験時には中空構造体9を中空構造体の受け止め機構10に向けて射出させることにより弾性棒4の端面に応力波パルスが発生し、弾性棒4を伝わって試験片を変形させるものである。図3では引張の際の配置が示されているが、中空構造体9を中空構造体の受け止め機構10を介して弾性棒と反対側に設置して射出することにより圧縮試験を行うことができる。引張と圧縮を共用する場合には9は中空構造体である必要があるが、圧縮のみの場合は中実構造を用いることができる。弾性棒4への接触を均一とするためには圧縮の場合は中実構造とすることが望ましい。
In the present invention according to the above (7) , the stress wave pulse generation mechanism is constituted by the
前記(2)に係る本発明では、試験片の変位、ひずみを計測する手段として、締結部と弾性棒端の変位を計測し、その差から求める変位計測手段を規定としている。具体的には簡便的に変位検出用ひずみゲージ5を用いる手段、変位検出用ひずみゲージ5と変位計測手段6を併用する手段、変位計測手段で一度に両端あるいは試験片のゲージ長さの時間変化を計測する手段、等を用いることができる。以下、それぞれについて詳しく説明する。
前述のように弾性棒端の変位は、変位検出用ひずみゲージ5の出力を時間遅れを考慮して端面Aでのひずみに変換したものから、更に前述の(1)式を用いて計算できる。締結部側端面は本発明ではほとんど変位せず、実験誤差から考えると無視して差し支えない。その場合は(3)式に従い、端面Aの変位uAを、試験片のゲージ長さで除して試験片のひずみε(t)を求めることができる。
In the present invention according to the above (2) , as a means for measuring the displacement and strain of the test piece, the displacement measuring means for measuring the displacement of the fastening portion and the elastic rod end and obtaining the difference is defined. Specifically, means for simply using the strain gauge 5 for detecting displacement, means for using the strain gauge 5 for detecting displacement together with the displacement measuring means 6, and time variation of the gauge length of both ends or the test piece at once by the displacement measuring means. It is possible to use a means for measuring Each will be described in detail below.
As described above, the displacement of the elastic rod end can be calculated by using the above-described equation (1) from the output of the displacement detecting strain gauge 5 converted into the strain at the end face A in consideration of the time delay. The fastening part side end face is hardly displaced in the present invention, and can be ignored in view of experimental errors. In that case, the strain ε (t) of the test piece can be obtained by dividing the displacement u A of the end face A by the gauge length of the test piece according to the equation (3).
また、変位計測手段のみを用いて変位を直接測定しても良い。例えば試験片上にマーキングを行い、その画像処理により変位を求めることや、二眼式の光学式変位計を用いて両端の変位を同時に計測すること等の方法も、本発明に相応しい試験片の変位の計測方法である。このような変位計測手段は図1の変位計測手段6の位置に設置すればよい。 Further, the displacement may be directly measured using only the displacement measuring means. For example, the method of marking on a test piece and obtaining the displacement by image processing, or simultaneously measuring the displacement at both ends using a two-lens optical displacement meter is also suitable for the present invention. This is a measurement method. Such a displacement measuring means may be installed at the position of the displacement measuring means 6 in FIG.
前記(3)に係る本発明では、締結部が円柱状であり、締結部には試験片を固定する溝が設置され、試験片を固定するために、締結部に設置された溝の下端から支持機構の上端までの長さL(mm)と、荷重検出部における締結部の直径D(mm)の比L/Dの範囲が0.3以上10以下であることが好適である In this invention which concerns on said (3) , the fastening part is cylindrical shape, the groove | channel which fixes a test piece is installed in a fastening part, and in order to fix a test piece, from the lower end of the groove | channel installed in the fastening part It is preferable that the range of the ratio L / D of the length L (mm) to the upper end of the support mechanism and the diameter D (mm) of the fastening part in the load detection part is 0.3 or more and 10 or less.
荷重検出部は表面に貼付したひずみゲージにより荷重を計測するために、断面内の荷重分布が均一である必要があるため円柱状である必要がある。一方締結部は必ずしも円柱状である必要はないが、荷重検出部と一体化し締結部での応力波の反射を少なくするためには円柱状であることが好ましい。また試験片の締結部は可能な限り小さくする必要がある。そのため本発明では板状の試験片の場合には締結部に溝を設け、そこに試験片を差込みピンで締結する方法をとっており、一方丸棒状の試験片ではネジ穴を設け、そこにネジを切った試験片を締結することにより試験片を固定している。 Since the load detection unit needs to have a uniform load distribution in the cross section in order to measure the load with a strain gauge attached to the surface, the load detection unit needs to be cylindrical. On the other hand, the fastening portion is not necessarily cylindrical, but is preferably cylindrical in order to integrate with the load detection portion and reduce reflection of stress waves at the fastening portion. Moreover, it is necessary to make the fastening part of a test piece as small as possible. Therefore, in the present invention, in the case of a plate-shaped test piece, a groove is provided in the fastening portion, and a method is adopted in which the test piece is inserted and fastened with an insertion pin, while a round bar-shaped test piece is provided with a screw hole, The test piece is fixed by fastening the threaded test piece.
比L/Dが0.3より小さくなると荷重検出部の応力が断面内で不均一となりひずみゲージにより測定した表面ひずみから算出した荷重と実際の荷重の差が大きくなる。また、10超となると上記で説明したように、荷重検出部内部での応力波の飽和が起こりにくくなるので、上記の範囲とすることが好ましい。 When the ratio L / D is smaller than 0.3, the stress of the load detecting portion is not uniform in the cross section, and the difference between the load calculated from the surface strain measured by the strain gauge and the actual load is increased. Further, if it exceeds 10, as described above, stress waves are less likely to be saturated inside the load detection unit, and therefore, the above range is preferable.
前記(4)に係る本発明では、締結部が円柱状であり、締結部は試験片を固定する溝が設置され、支持機構の断面積A1(mm2)と、締結部の断面積A0(mm2)の比A1/A0が2以上であることが好適である。A1/A0が2未満であると、荷重検出部と支持機構との間での応力波の反射が起こりにくくなり、荷重検出部内部での応力波の飽和が遅くなるので、上記の範囲とすることが好ましい。 In this invention which concerns on said (4) , the fastening part is a column shape, the groove | channel which fixes a test piece is installed in a fastening part, cross-sectional area A1 (mm < 2 >) of a support mechanism, and cross-sectional area A0 ( It is preferable that the ratio A1 / A0 of mm 2 ) is 2 or more. When A1 / A0 is less than 2, stress waves are less likely to be reflected between the load detection unit and the support mechanism, and stress wave saturation within the load detection unit is delayed, so the above range is set. It is preferable.
しかしながら、実際の試験では試験機の動力機構や試験片の大きさ、強度に応じて前記(3)の条件を満足することが難しい場合がある。本発明者らはこのような場合についても鋭意検討し、締結部(荷重検出部)と支持機構の間に断面積A2を持つ応力波緩衝部を、2≦A2/A0を満たすように配置すれば良いことを知見した(前記(5)に係る発明)。
また、応力緩衝部を持つ荷重検出装置はA1/A0が2以上の場合に使用しても全く問題がなく、目的に応じて選択すればよい。また応力波緩衝部の軸方向長さL2については特に大きな制限はないが、締結部の溝下端から応力波緩衝部の上端までの長さL以上であることが好ましい。
However, in an actual test, it may be difficult to satisfy the condition (3) according to the power mechanism of the testing machine, the size and strength of the test piece. The inventors of the present invention have also studied earnestly in such a case, and arrange a stress wave buffer portion having a cross-sectional area A2 between the fastening portion (load detection portion) and the support mechanism so as to satisfy 2 ≦ A2 / A0. It has been found that (invention according to (5) above).
Further, the load detecting device having the stress buffering portion has no problem even if it is used when A1 / A0 is 2 or more, and may be selected according to the purpose. The axial length L2 of the stress wave buffer portion is not particularly limited, but is preferably not less than the length L from the lower end of the fastening portion to the upper end of the stress wave buffer portion.
以上の記述は試験機を構成する各部が同等材質、すなわち弾性率および密度が同程度であることを前提に記述してきたが、各部の材料が異なる場合には断面積だけではなく、音響インピーダンスをあわせて考慮する必要がある。音響インピーダンスは材料の密度と応力波(=弾性波)伝播速度の積であらわされる。従って異種の材料を用いる場合には断面積に関する記述を(断面積)×(密度)×(応力波伝播速度)の値に置換することで本発明を利用することができる。 The above description is based on the premise that each part of the testing machine is of the same material, that is, the modulus of elasticity and density are the same, but if the material of each part is different, not only the cross-sectional area but also the acoustic impedance It is necessary to consider together. The acoustic impedance is expressed by the product of the material density and the stress wave (= elastic wave) propagation velocity. Therefore, when different types of materials are used, the present invention can be used by replacing the description of the cross-sectional area with the value of (cross-sectional area) × (density) × (stress wave propagation velocity).
また、このような荷重検出部は試験機の固定側に配置するのが望ましい。これは可動部に配置すると荷重負荷の揺動の影響を受けてしまうためである。
締結部の溝下端から応力波緩衝部の上端までの長さLはひずみ速度1000/sの領域では30mm以下、望ましくは20mm以下とするのが好ましい。これは応力波の伝播に対してLとDとの比だけでなく、応力波の伝播速度に対するLの長さの絶対値が問題となるからである。
Moreover, it is desirable to arrange such a load detection unit on the fixed side of the testing machine. This is because if it is arranged on the movable part, it is affected by the swing of the load.
The length L from the groove lower end of the fastening portion to the upper end of the stress wave buffering portion is 30 mm or less, preferably 20 mm or less in the region of the strain rate of 1000 / s. This is because not only the ratio of L and D with respect to the propagation of the stress wave, but also the absolute value of the length of L with respect to the propagation speed of the stress wave becomes a problem.
以下に実例を挙げながら、本発明の技術内容について説明する。図1に本発明の装置の模式図を示す。また、応力波パルス発生機構としては図2のものを用いた。弾性棒は直径16mmで全長5mのステンレス棒鋼を用いた。弾性棒固定機構7は試験片側から2mの位置に設置した。従って、試験片を変形させるために使用される弾性棒固定機構7と変位負荷機構8との間の弾性棒の長さは3mとなる。変位負荷機構8としては空気圧シリンダーを用いた。このシリンダーに与える空気圧を変化させることにより弾性棒4の3mの部分(弾性棒固定機構と変位負荷機構に挟まれた部分)に与える弾性ひずみを変化させ、それにより試験片のひずみ速度を変更することができる。今回の試験は試験片のひずみ速度を約600/secに相当する条件で行った。また図4に本発明例として用いた荷重検出装置の模式図を示す。試験片1としては板状のものを用い、試験片のチャック部に穴を開け、それを荷重検出装置の固定部11の溝12に差し込んだ後にピン(図示しない)を用いて締結した。試験片1は変形部の平行部長さ10mm、幅5mmのものを使用した。 The technical contents of the present invention will be described below with examples. FIG. 1 shows a schematic diagram of the apparatus of the present invention. The stress wave pulse generation mechanism shown in FIG. 2 was used. A stainless steel bar having a diameter of 16 mm and a total length of 5 m was used as the elastic bar. The elastic rod fixing mechanism 7 was installed at a position 2 m from the test piece side. Therefore, the length of the elastic bar between the elastic bar fixing mechanism 7 and the displacement load mechanism 8 used for deforming the test piece is 3 m. A pneumatic cylinder was used as the displacement load mechanism 8. By changing the air pressure applied to this cylinder, the elastic strain applied to the 3 m portion of the elastic rod 4 (the portion sandwiched between the elastic rod fixing mechanism and the displacement load mechanism) is changed, thereby changing the strain rate of the specimen. be able to. This test was performed under the condition corresponding to a strain rate of about 600 / sec. FIG. 4 shows a schematic diagram of a load detection device used as an example of the present invention. As the test piece 1, a plate-like one was used, a hole was made in the chuck part of the test piece, and the hole was inserted into the groove 12 of the fixing part 11 of the load detection device and then fastened using a pin (not shown). As the test piece 1, a deformed portion having a parallel portion length of 10 mm and a width of 5 mm was used.
表1に測定を行った条件とその結果を示す。図6にNo.4の条件で試験を行った結果を示す。試験温度は室温である。また同時に比較例として同じ試験片を用いて通常の油圧サーボ式試験機で従来型ロードセルを用いて測定した。その模式図を図5に示す。結果は図6に同時に示してある。従来型ロードセルの値が応力波ノイズを含んで不正確な値となっているのに対して、本発明のロードセルでは高精度な計測が可能であった。
Table 1 shows the measurement conditions and the results. In FIG. The result of having performed the test on
本検討ではさらに荷重検出装置の寸法の影響を把握するため、支持機構3を同一のものを用い、種々の応力検出装置を用いて試験を行った。No.10に示すように荷重検出部2の直径Dと長さLの比が10を越え、前記(3)記載本発明の上限を越える場合には、測定時間内での荷重検出部の応力波の飽和が十分ではなく、測定波形に若干の応力波ノイズが見られたが、図5の比較例と比べると、十分に高精度な計測が可能であった。またNo.1のようにL/Dが0.25で前記(3)記載本発明の下限を下回る場合、応力波ノイズの問題はないものの、測定しようとする荷重が小さい場合に荷重検出部2の断面内で弾性変形が一様でなく、低荷重での測定荷重が実際の荷重よりもやや小さな値となったが、図6の比較例と比べると、十分に高精度な計測が可能であった。
In this study, in order to further understand the influence of the dimensions of the load detection device, the same support mechanism 3 was used and tests were performed using various stress detection devices. No. 10, when the ratio of the diameter D and the length L of the
また荷重検出部2の直径が比較的大であるNo.11、12、13では応力波ノイズの影響はほとんど見られないものの、荷重検出部2の弾性ひずみが小さくなるため、外来ノイズ(主に電源等から混入する電磁波ノイズ)の影響が大きくなった。荷重検出部2の直径は測定しようとする試験に生ずる最大荷重を勘案してできるだけ小さくする方が良い。具体的には試験片の最大荷重が、荷重検出部の円柱部分の弾性限界荷重の50%以上100%以下となるように直径Dを決めることが望ましい。また、前記(4)記載本発明の範囲にない、支持機構3と荷重検出部2の断面積の比(A1/A0)が1.4であるNo.14の場合、支持機構3と荷重検出部2との間で応力波の反射が効率よく行われず、従って荷重検出部2での応力波の飽和が遅くなり、測定波形に若干の応力波ノイズが生じた。その他の条件では良好な測定を行うことが出来た。
In addition, No. 2 in which the diameter of the
またNo.5は図1に示す温度可変機構14を設置して試験を行った場合である。No.5の試験では液体窒素を満たした小型の容器を温度可変機構として用いて、試験片の平行部と固定部11の一部のみを覆った後、試験を行ったものである。温度可変機構を備える場合にも本発明の試験装置は良好な測定結果を得ることが出来た。 No. Reference numeral 5 denotes a case where the test was performed by installing the temperature variable mechanism 14 shown in FIG. No. In the test No. 5, a small container filled with liquid nitrogen was used as a temperature variable mechanism, and the test was performed after covering only the parallel part of the test piece and a part of the fixed part 11. Even when the temperature variable mechanism was provided, the test apparatus of the present invention was able to obtain good measurement results.
実施例1と同様の本発明例の装置、試験条件で実験を行ったが、応力波緩衝部の効果を確認するため、支持機構に直径16mmの丸棒と断面積の非常に小さいものを使用した試験を行った。応力波緩衝部13を含む荷重検出装置の模式図を図7に示す。 Experiments were performed using the same apparatus and test conditions of the present invention as in Example 1, but in order to confirm the effect of the stress wave buffer, a 16 mm diameter round bar and a very small cross-sectional area were used for the support mechanism. The test was performed. A schematic diagram of a load detection device including the stress wave buffer 13 is shown in FIG.
表2に得られた結果を示す。いずれの試験条件でも従来型の試験機(図6に結果を記載)を使用するよりは良好な測定結果が得られたが、応力緩衝部13を設けないNo.15では支持機構3と荷重検出部2の間に応力波の反射が効率的に起こらず、試験機の別の場所で反射した応力波も重畳してしまうため測定波形に試験条件の影響が見られた。それに対して応力波緩衝部13を前記(5)記載の本発明の範囲に合う形で設けたNo.16、17では応力波の影響のない良好な測定結果が得られた。それに対して荷重検出部2と応力波緩衝部13の断面積の比が前記(5)記載の本発明範囲にないNo.18では若干の応力波ノイズの影響が見られた。また、No.19はNo.16と同様の応力検出装置を実施例1の支持機構3に取り付けたものである。この場合応力波緩衝部13は試験結果に悪影響を及ぼさず良好な実験結果が得られた。
Table 2 shows the results obtained. In any of the test conditions, a better measurement result was obtained than when using a conventional testing machine (results shown in FIG. 6). 15, stress waves are not efficiently reflected between the support mechanism 3 and the
応力波パルス発生機構として図3に示すような中空構造体を用いて試験を行った。この際弾性棒は直径16mmで全長2mのステンレス棒鋼を用いた。この端部に直径50mm、厚さ10mmのステンレス鋼製円盤の中央部にネジ加工を施し、これを弾性棒端にねじ込むことにより中空構造体の受け止め機構10を構成した。中空構造体9は外径25.4mm、肉厚2.3mm、長さ300mmの鋼性パイプを用いた。この中空構造体9はばねに押し付けた後に解放し、所定の速度で打ち出した。この中空構造体9が中空構造体の受け止め機構10に当ることにより応力波パルスが生成し、弾性棒4を通じて試験片を変形させる。今回の試験は試験片のひずみ速度を約600/secに相当する条件で行った。試験片は実施例1と同様のものを、また、荷重検出部2および支持機構3も実施例1に示したNo.4と同じものを用いた。
A test was conducted using a hollow structure as shown in FIG. 3 as a stress wave pulse generation mechanism. At this time, a stainless steel bar having a diameter of 16 mm and a total length of 2 m was used as the elastic bar. The hollow
図8に本発明の試験装置で計測した結果を示す。変形のごく初期に、中空構造体9とその受け止め機構10が衝突する際の応力波の分散に起因すると思われる振動波形が観測されたが、概ね良好な測定結果を得ることができた。
FIG. 8 shows the results measured with the test apparatus of the present invention. In the very early stage of deformation, a vibration waveform that was thought to be caused by the dispersion of stress waves when the hollow structure 9 and its
1 試験片
2 荷重検出部兼試験片締結部
3 支持機構
4 弾性棒
5 変位検出用ひずみゲージ位置
6 変位計測手段
7 弾性棒固定機構
8 変位負荷機構(可動部の一部)
9 中空構造体
10 中空構造体の受け止め機構
11 固定部
12 溝
13 応力波緩衝部
14 温度制御槽(温度制御機構)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
9
Claims (8)
(前記固定部における前記締結部の断面積)≦(荷重検出部における前記締結部の断面積)<(支持機構の断面積)
の条件を満たし、かつ、前記可動部が一端側に試験片が結合される弾性棒と、該弾性棒における試験片と反対側の端部を固定する変位負荷機構と、試験片と変位負荷機構との間の位置に配設された弾性棒固定機構とを有し、弾性棒固定機構によって固定された弾性棒を変位負荷機構によって変形させて弾性エネルギーを蓄えた後、弾性棒固定機構の固定を解除することにより応力波パルスを発生させて弾性棒を通じて試験片に伝播させる応力波パルス発生機構により構成されることを特徴とする高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。 A fastening part having a fixing part for fixing a round bar or a plate-like test piece, a load detection part for measuring a tensile load or a compression load, a support mechanism for fixing and supporting the fastening part, and a tension or compression on the test piece. In an apparatus including a movable part that imparts deformation, the fastening part and the load detection part are integrated, and the load detection part is installed on the support mechanism side from the fixing part, and (the disconnection of the fastening part in the fixing part is performed). Area) ≦ (Cross sectional area of the fastening part in the load detection part) <(Cross sectional area of the support mechanism)
And a movable load is connected to one end side of the elastic rod, and an elastic rod to which the end of the elastic rod opposite to the test piece is fixed, a test piece and a displacement load mechanism The elastic rod fixing mechanism is disposed between the elastic rod fixing mechanism and the elastic rod fixed by the elastic rod fixing mechanism is deformed by the displacement load mechanism to store elastic energy, and then the elastic rod fixing mechanism is fixed. A high-speed tensile or high-speed compressive load measuring device comprising a stress wave pulse generating mechanism for generating a stress wave pulse by releasing the wave and propagating it to a test piece through an elastic rod .
2≦A1/A0
を満たすことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。 The ratio of the cross-sectional area A0 (mm 2 ) of the fastening portion in the load detection unit to the cross-sectional area A1 (mm 2 ) of the support mechanism is 2 ≦ A1 / A0.
The high-speed tensile or high-speed compression load measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein
(前記固定部における前記締結部の断面積≦(荷重検出部における前記締結部の断面積)≦(支持機構の断面積)
の条件を満たし、かつ前記可動部が弾性棒を有する応力波パルス発生機構により構成されるとともに、前記荷重検出部における前記締結部の断面積をA0としたときに
2≦A2/A0
を満たす断面積A2(mm2)を持つ応力波緩衝部を、前記締結部と前記支持機構の間に配置することを特徴とする高速引張又は高速圧縮荷重計測装置。 A fastening part having a fixing part for fixing a round bar or a plate-like test piece, a load detection part for measuring a tensile load or a compression load, a support mechanism for supporting the fastening part, and a tensile or compressive deformation of the test piece. The fastening part and the load detection part are integrated, and the load detection part is installed closer to the support mechanism than the fixing part, and (a cross-sectional area of the fastening part in the fixing part) ≦ (Cross sectional area of the fastening part in the load detection part) ≦ (Cross sectional area of the support mechanism)
And the movable part is constituted by a stress wave pulse generation mechanism having an elastic rod, and 2 ≦ A2 / A0 when the sectional area of the fastening part in the load detection part is A0
A high-speed tensile or high-speed compressive load measuring device, wherein a stress wave buffer portion having a cross-sectional area A2 (mm 2 ) satisfying the above condition is disposed between the fastening portion and the support mechanism.
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