JP4834584B2 - 変形挙動の測定方法、シミュレーション方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、機械的試験の際の変形挙動を測定する方法及び装置に関する。

有限要素法を用いたコンピュータシミュレーション技術は、各種の材料を用いた構造物の設計・開発において欠かすことができない技術になっている。このような有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションにおいては、計算を行うために様々な材料物性を入力する必要がある。そのような材料物性の一つとしてポアソン比がある。

ポアソン比は、試験片の引張方向に発生する縦歪み及び引張方向と垂直方向に発生する横歪みとの比から求める。歪みを測定する方法として、試験片に歪みゲージを貼付する方法や、変形の際の試験片の各部の変位を測定する方法などがある。しかしながら、歪みゲージを用いる方法では、歪みを測定する方向に真っ直ぐに歪みゲージを貼ることが難しく、温度や材料によっては歪みゲージが貼り付き難いなどの問題がある。

一方、変位を測定して歪みを測定する方法としては、特許文献１又は特許文献２のように、画像解析を用いる方法やレーザー変位計を用いる方法などがある。特許文献１の方法では試験片にペン等でマーカーを付して、引張試験の際にこれらのマーカーを撮影し、マーカー間の距離とマーカー部の断面積を測定するようにしている。また、特許文献２の方法では、レーザー変位計と特殊治具を用いて標線間の距離と試験片の幅を測定している。

特許文献１の手法は、マクロなレベルで歪みを測定する場合には有効であるが、微小変形の解析を行うなどの場合において、よりミクロなレベルで歪みを測定する場合には不向きであることが分かった。その１つの理由は、従来の画像解析を用いる手法では、ペン等を用いて所定の塗料で描かれたマーカーや標線が比較的大きな幅を持っており、その中心を解析する際、中心が分かり難くなって、画像解析の精度が低下するためである。また、このようなマーキング方法では、変形が大きくなるとマーキングが伸びて薄くなり、中心が特定しにくくなる結果、画像解析の精度が低下するという理由もある。
また、特許文献２の手法は、レーザー変位計と特殊な治具がなければ測定が行えず、汎用性が無い。

特開2004-69460号公報 特開平5-322556号公報

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、比較的簡易な手段を用いて、試験片の変形挙動を精度良く測定することができる測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の変形挙動の測定方法は、試験片の変形挙動を測定する方法において、試験片の表面に粒子を付着させて試験を行い、付着させた特定の粒子間の変位を測定し、粒子の変位の測定結果に基づいて求めた試験片の縦歪み及び横歪みとの比からポアソン比を測定することを特徴とする。

請求項１に記載の変形挙動の測定方法においては、変位を測定する基準となるマークが粒子によって形成されている。粒子は、金属、セラミックス、樹脂等の種々の素材から作成された、適当な粒径のものが採用される。このような粒子は、工業的な用途が有り、極微細径を含む多くの種類のものが市販され、その中から適宜のものが採用可能である。一般的な素材としては、光学的な検知手段を用いる場合、光沢が有って撮像が容易な金属が適当である。微細な粒子の製造技術も確立されており、ペン等によるマーキングよりはるかに微小な寸法のものを採用することができる。

試験片に付着した粒子は、試験片とは独立の剛体であるので、試験片が変形しても、それと連動して変形することはない。従って、マーキングが伸びて拡大したり、不規則に変形したりして、中心の特定が困難になるという問題が発生しない。もちろん、塗料のように薄くなったり、かすれたりして、マーキングとしての機能を損なうことも防止される。

粒子を試験片に付着させるには、試験片に適当な接着剤を塗布しておき、粒子を上から降りかければよい。このような作業は非常に簡単であり、歪みゲージを貼付する場合などに比べて、作業の手間が大幅に軽減される。また、試験が引張試験であり、粒子の変位の測定結果に基づいて求めた試験片の縦歪み及び横歪みとの比からポアソン比を測定することにより、歪みゲージを用いた場合に比べ、容易にポアソン比の測定が行える。また、ペンを用いてマーキングする場合に比べ、精度良くポアソン比の測定が行える。

請求項２に記載の変形挙動の測定方法は、請求項１に記載の発明において、前記粒子として径が500μm以下となる粒子を用いることを特徴とする。
これにより、樹脂試験片などにマーキング可能な油性マジックなどのペン先が細い一般的なペンに比べて、粒子径が小さいので、マーキングの中心部を解析する際、解析データのバラツキが小さくなる。そのため、ポアソン比や弾性率を測定するような微小変形の解析を行うなどの場合、画像解析時の誤差が減り、より精度の高い解析ができる。
また、細かくマーキングできるため、一回の試験で様々な方向の変位を測定することや、同方向にある複数の粒子間の変位を測定することで複数個の歪みなどのデータを得ることなどができる。
なお、粒子はより好ましくは粒子径が150μm以下であることが好ましい。

請求項３に記載の変形挙動の測定方法は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、高温又は低温において試験片に粒子を付着させることができる接着剤を用いることを特徴とする。
これにより、歪みゲージでは樹脂などの熱膨張率に完全に対応した歪みゲージが無いため、歪みゲージ貼り付け後に温度変化した場合、歪みゲージと試験片で発生している歪みが異なる等の問題があるが、本願の方法では、粒子を貼り付けた後、温度変化した際も、試験片に追随しているため、問題がない。また、歪みゲージは高温試験時に剥れやすいという問題があるが、本発明の方法では剥れ難い。仮に幾つかの粒子が剥れても、粒子が多数あるため、問題ない。なお、試験温度に制限は無いが、好ましくは−４０〜８０℃である。

請求項４〜７に記載のシミュレーション方法は、上述したいずれかの測定方法によって測定した前記粒子間の変位の測定結果を用いることを特徴とする。本発明のシミュレーション方法においては、歪みゲージを用いた場合に比べ、容易に短時間で粒子間の変位の測定結果（データ）を得ることができ、シミュレーションを行うまでの前処理段階に要する時間を短縮できる。また、ペンを用いてマーキングする測定方法に比べ、測定精度が高いので、変形挙動についてより高い精度でシミュレーションを行うことができる。

請求項８に記載の変形挙動の測定装置は、試験片について機械的試験を行う試験機と、試験機に取り付けられた試験片の表面に付着した粒子を撮像する撮像手段と、撮像手段によって取得された粒子の画像を解析して、機械的試験の際の試験片の変形挙動を解析し、特定の粒子間の変位を測定することを特徴とする。

請求項１ないし請求項４に記載の発明によれば、比較的簡易な手段を用いつつ、変形挙動を精度良く測定することができる。

以下、発明の好適な実施の形態として、変形挙動の測定方法を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、この実施の形態の変形挙動の測定装置の構成を示すもので、引張試験機の把持機構１０，１２に把持された試験片Ｓと、この試験片Ｓに対向する位置に配置された撮像装置１４と、撮像装置１４の出力画像を取得して画像解析を行うための解析装置１６を備えている。撮像装置１４としてはＣＣＤを用いたデジタルカメラ等が、解析装置１６としては画像解析ソフトを搭載したコンピュータ等が好適に使用可能である。

このように構成された変形挙動の測定装置の動作について説明する。撮像装置１４は、試験の際に所定のタイミングで試験片Ｓの表面を撮像し、データを解析装置１６に送る。解析装置１６は、撮像装置１４によって時系列的に得られた画像を画像解析ソフトを用いて解析し、特定の粒子の移動の軌跡を追い、時々刻々の変位を解析する。画像解析は試験中に行っても、試験後に行っても良い。２つの粒子についてこの解析を行えば、引張試験の前後の２点の移動が分かり、それはこれらの粒子が付着していた試験片Ｓの２点の変形を示す。従って、これらの２点を引張試験方向にとれば、試験片Ｓの材料の縦歪みを算出することができ、引張方向と直交する方向にとれば、横歪みを算出することができる。

画像解析ソフトは試験片Ｓの表面の粒子の概ね円形である画像の中心の位置を判断し、その座標を特定する。この発明の方法では、試験片Ｓが変形しても粒子は変形したり薄れたりしないので、撮像データは常に明確であり、座標の特定を画像解析ソフトを用いて行う際に高い精度が維持される。このようにして得られた粒子座標を時系列的に追跡すれば、粒子の変位の軌跡が得られる。

追跡を行う方法の一例は以下の通りである。初期画像において、着目すべき粒子（対象粒子）を選択する。選択すべき粒子は、例えば、測定の目的が材料のポアソン比であれば、縦横それぞれ適当な距離だけ離間した２点ずつを選択する。対象粒子は、画像解析が行い易いように、複数の粒子の内、他の粒子と接近しすぎていない粒子を選択する。

次に、その後のタイミングにおいて得た画像について同様に解析し、対象粒子の座標を測定する。このような工程を順次繰り返すことにより、ある粒子がどのような軌跡で移動したかを測定することができる。

この方法では、基本的に粒子の１コマの移動距離が充分に小さいことを前提としているので、撮像タイミングの間隔も充分小さく設定する必要がある。また、画像解析が行い易いように、粒子を試験片Ｓ面に付着させる際に工夫をしてもよい。例えば、必要な数だけの粒子を試験片Ｓ表面に配置するようにしてもよい。このようにして、粒子の移動の追跡作業をコンピュータソフトで実行することにより、煩雑な作業を人間が行う手間を省くことができる。もちろん、追跡作業を人間が画像を視認しつつ行うことも可能である。

次に、上記の実施の形態の装置を用いて、樹脂製の引張試験片Ｓの変形挙動の測定を行う場合について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、試験片Ｓの所定領域に粒子Ｐを付着させる。これは、まず、表面に接着剤を塗布又は噴霧し、その上から金属等の粒子Ｐを降りかけることにより実施できる。この際、画像解析が行い易いように、粒子を必要以上の量を付着させないようにすることが望ましい。

次に、試験片Ｓを引張試験機の把持機構１０，１２に取り付け、試験温度で状態調整を行い、引張試験を開始する。引張試験の間、撮像装置１４により、所定のタイミングで粒子を付けた表面の撮影を行う。この結果、例えば、図２（ｂ）に示すように、粒子Ｐは試験片Ｓの変形に伴って移動する。得られた画像データを解析装置１６に送り、解析を行って、図２（ｃ）に示すように、着目した粒子（黒丸で表示）の移動を追跡する。そしてこれらのデータを試験片Ｓの変形のデータに換算することで、試験片Ｓの変形挙動を測定することができる。
例えば、ポアソン比の測定を行う場合は、引張方向の変位と引張方向と垂直方向の変位を測定する。そしてこれらのデータより、引張方向の縦歪み及び引張方向と垂直方向の横歪みを算出し、その比からポアソン比を求める。

樹脂製の引張試験片Ｓの素材として、住友化学株式会社製ノーブレンAZ864E4を用いた場合の変形挙動及びポアソン比の測定を実施した。
（１）試験設備
引張試験機：島津製作所製 ハイドロショットHITS-T10
粒子：福田金属箔工業株式会社製 Cu-At 100-200（粒子径150μm以下が85%以上）
接着剤：住友スリーエム株式会社製 3Mスプレーのり55
カメラ：株式会社NIKON製 デジタル一眼レフカメラ D100
画像解析ソフト：株式会社ライブラリー製 MoveTr2D
（２）試験条件
試験片Ｓ：ＡＳＴＭＤ−６３８−I
引張速度：0.1mm/s
試験温度：23℃

図３に、試験片Ｓの引張方向に発生する縦歪み及び引張方向と垂直方向に発生する横歪みの関係を示す。また、縦歪みと横歪みの比であるポアソン比は0.42であった。

この発明の実施の形態の変形挙動の測定装置を示す図である。 この発明の実施の形態の変形挙動の測定方法を説明する図であり、（ａ）は試験片を、（ｂ）は試験の前後の粒子の状態を、（ｃ）は変位を示す図である。 樹脂製の引張試験片の縦歪みと横歪みの関係を示す図である。

符号の説明

Ｓ 試験片
Ｐ 粒子

Claims (8)

1. 試験片の変形挙動を測定する方法において、試験片の表面に粒子を付着させて引張試験を行い、付着させた特定の粒子間の変位を測定し、
   前記粒子の変位の測定結果に基づいて求めた試験片の縦歪み及び横歪みとの比からポアソン比を測定することを特徴とする変形挙動の測定方法。
2. 前記粒子として径が５００μｍ以下である粒子を用いることを特徴とする請求項１に記載の変形挙動の測定方法。
3. 高温又は低温において試験片に粒子を付着させることができる接着剤を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変形挙動の測定方法。
4. 試験片の変形挙動を測定する方法において、試験片の表面に粒子を付着させて試験を行い、付着させた特定の粒子間の変位を測定し、
   前記変形挙動の測定方法によって測定した前記粒子間の変位の測定結果を用いることを特徴とするシミュレーション方法。
5. 前記変形挙動の測定方法において、前記粒子として径が５００μｍ以下である粒子を用いることを特徴とする請求項４に記載のシミュレーション方法。
6. 前記変形挙動の測定方法において、高温又は低温において試験片に粒子を付着させることができる接着剤を用いることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のシミュレーション方法。
7. 前記変形挙動の測定方法において、前記試験が引張試験であり、前記粒子の変位の測定結果に基づいて求めた試験片の縦歪み及び横歪みとの比からポアソン比を測定することを特徴とする請求項４ないし６の何れか一項に記載のシミュレーション方法。
8. 試験片について機械的試験を行う試験機と、
   試験機に取り付けられた試験片の表面に付着した粒子を撮像する撮像手段と、
   撮像手段によって取得された粒子の画像を解析して、機械的試験の際の試験片の変形挙動を解析し、特定の粒子間の変位を測定することを特徴とする変形挙動の測定装置。
   

Images