JP2002082031A

JP2002082031A - ホプキンソン棒法試験装置

Info

Publication number: JP2002082031A
Application number: JP2000273550A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shimamura; 和夫島村; Tadashi Shibue; 唯司渋江; Mitsumasa Yamada; 三雅山田; Ryo Endo; 領遠藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】従来と略同じ設置スペースのまま、大きな歪
み域までのデータをとることが可能なホプキンソン棒法
試験装置を提供するものである。【解決手段】本発明に係るホプキンソン棒法試験装置
１０は、入力棒１と出力棒２との間に試験片３を配置
し、入力棒１の端部に打撃棒５にて衝撃を加えて試験片
３の衝撃変形強度を試験するホプキンソン棒法試験装置
において、上記打撃棒５を、入力棒１を打撃するロッド
１１と、ロッド１１の後端に結合され、そのロッド１１
を囲繞してロッド１１の先端側に延びる円筒部材１２で
構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホプキンソン棒法
試験装置に係り、特に、一次元弾性波伝播理論に基い
て、試験片の動的荷重−変形関係を得るためのホプキン
ソン棒法試験装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】航空機や自動車等の輸送機械や各種の構
造物が高速化・軽量化するにつれて、その安全性を保障
した限界設計を行うために、使用材料の、実際の使用・
衝撃環境に近い衝撃荷重下、即ち動的な負荷の下での精
密な強度特性データが一層重要となってきている。

【０００３】動的な負荷の下での限界設計が必要とされ
る材料として、ガスタービン等のファンブレードやコン
テイメントおよび航空・宇宙機器の構成材料が挙げられ
る。例えば、航空機用ジェットエンジンのバードストラ
イク時の限界設計を行う場合、ファンブレード構成材料
の衝撃吸収エネルギと、バードストライク時の平均的な
衝突速度における衝撃エネルギとを比較し、その構成材
料が使用可能であるかどうかを評価する必要がある。

【０００４】一般に、通常の運転状態、即ち静的な負荷
の下での材料強度は、動的な負荷の下での材料強度より
も低い値となる。このため、静的な負荷の下で得られた
材料強度に基いて材料の限界設計を行うと、実際に使用
する上では十分な肉厚であっても、安全性を考慮すると
肉厚を例えば２倍にしなくてはならないといった事を招
くため、あまり合理的でない。

【０００５】動的な負荷の下で、各種材料の精密な応力
−歪み関係を得るための材料試験法の一つに、ホプキン
ソン棒法が挙げられる。ホプキンソン棒法は、図５に示
すように、同じ断面積Ａ、同じ長さｌ₂の入力棒５１と
出力棒５２の間に試験片５３を配置し、入力棒５１の端
部に、加速装置５４から発射される打撃棒５５にて衝撃
を与えて試験片５３の衝撃変形強度を試験する方法であ
る。ここで、打撃棒５５と入力棒５１（又は出力棒５
２）は同じ断面積Ａを有しており、また、打撃棒５５の
長さｌ₁と入力棒５１（又は出力棒５２）の長さｌ₂と
が、同じ長さである場合、最も試験効率がよい。

【０００６】ホプキンソン棒法の打撃棒５５は、加速装
置５４により加速され、ある速度で入力棒５１に衝突す
るが、図６に示すように、衝突により発生する応力波
（入射波）Ｗは、（（打撃棒の長さ×２）／応力波伝播
速度）の時間ｔ₃だけ継続する矩形波となる。この入射
波Ｗが入力棒５１を伝播し、やがて試験片５３に到達し
て変形を生じさせる。

【０００７】ここで、動的材料試験の目的は、高速変形
下における材料の応力−歪み関係を得ることであり、し
かも、できるだけ大きな歪み域までのデータを得ること
が望まれる。試験片５３に応力が負荷される時間は、入
射波Ｗの継続時間ｔ₃と等しいことから、試験片５３に
大きな変形（歪み）を与えたい場合は、入射波Ｗの継続
時間ｔ₃を長くすることが必要となる。

【０００８】従来において、入射波Ｗの継続時間ｔ₃を
長くするためには、打撃棒５５の長さを長くする必要が
あった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ホプキ
ンソン棒法の試験装置は、全体で約１０ｍ以上の長細い
装置であって、直線状の大きな設置スペースを必要とす
る。よって、打撃棒５５の長さを更に長くするというこ
とは、装置全体の更なる長尺化を招くため、敷地等の制
約で、これ以上の設置スペースを確保することができな
い場合、入射波Ｗの継続時間ｔ₃を長くするということ
は不可能となる。

【００１０】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、従来と略同じ設置スペースのまま、大きな歪み
域までのデータをとることが可能なホプキンソン棒法試
験装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明に係るホプキンソン棒法試験装置は、入力棒と出力
棒との間に試験片を配置し、入力棒の端部に打撃棒にて
衝撃を加えて試験片の衝撃変形強度を試験するホプキン
ソン棒法試験装置において、上記打撃棒を、入力棒を打
撃するロッドと、ロッドの後端に結合され、そのロッド
を囲繞してロッド先端側に延びる円筒部材で構成したも
のである。

【００１２】以上の構成によれば、見掛け状の打撃棒全
体の長さは同じまま、実質的な打撃棒の長さは長くなる
ため、ロッドの長さが従来の試験装置の打撃棒と同じで
あっても入射波の継続時間は長くすることができる。

【００１３】また、上記円筒部材と上記ロッドは、上記
入力棒に対して略１／２の長さに形成されることが好ま
しい。

【００１４】また、上記円筒部材が、円筒部と該円筒部
の一方の開口端を塞ぐ蓋部とで構成され、蓋部の中央に
上記ロッドが着脱自在に保持されると共に、円筒部とロ
ッド間にスペーサが設けられることが好ましい。

【００１５】また、上記ロッドの断面積と上記円筒部の
断面積を変えて上記入力棒に加える入射波の大きさを可
変にすることが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適一実施の形態
を添付図面に基いて説明する。

【００１７】本発明に係るホプキンソン棒法試験装置の
概略図を図１に、図１における打撃棒の断面拡大図を図
２に示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ−ｂ線矢視図
である。

【００１８】図１、図２に示すように、本発明に係るホ
プキンソン棒法試験装置１０は、同じ断面積Ａ、同じ長
さｌ₂の入力棒１および出力棒２と、入力棒１と出力棒
２の間に配置される試験片３と、入力棒１の端部（図１
中では左端部）に衝撃を与える打撃棒５と、及び打撃棒
５を入力棒１に向けて発射する加速装置４で構成される
ものであり、打撃棒５は、入力棒１を打撃するロッド１
１と、ロッド１１の後端（図２中では左端）に結合さ
れ、ロッド１１を囲繞してロッド１１の先端側（図２中
では右端側）に延びる円筒部材１２からなるものであ
る。

【００１９】円筒部材１２は、円筒部１３と円筒部１３
の一方の開口端（図２中では左側開口端）を塞ぐ蓋部１
４で構成される。蓋部１４の中央には、ロッド１１を着
脱自在に保持するための挿入孔１５が形成されている。
また、円筒部材１２内には、円筒部１３とロッド１１と
の空間Ｓを埋めるリング部材（スペーサ）１６が設けら
れている。これらの挿入孔１５およびリング部材１６に
よって、ロッド１１は円筒部材１２の中心に位置決め
（保持）される。

【００２０】また、入力棒１及び出力棒２における試験
片３の近傍には、それぞれ歪みゲージ（図示せず）が設
けられている。

【００２１】ここで、蓋部１４は、円筒部１３と一体的
に固定されていることが好ましく、例えば、円筒部１３
の内周面および蓋部１４の周面にらせん溝を形成してお
き、らせん溝同士を螺合させて両者を固定するようにす
る。また、円筒部１３及び蓋部１４は、別体ではなく、
一体であってもよい。さらに、ロッド１１と挿入孔１５
の結合関係は、挿入するだけであって固定する必要はな
く、自由端となっている。

【００２２】打撃棒５のロッド１１の横断面形状は、特
に限定するものではなく、丸状、矩形状、多角形状等が
挙げられる。例えば、ロッド１１が丸棒の場合、直径は
１０〜１５ｍｍ程度であればよい。

【００２３】ロッド１１の先端側に延びる円筒部材１２
の長さは、円筒部材１２の先端がロッド１１の先端から
やや突出している位の長さが、実用上の上限となるが、
特に限定するものではない。

【００２４】入力棒１、出力棒２、及び打撃棒５の構成
材としては、特に限定するものではなく、慣用の材料を
全て適用することができ、例えば、ＳＵＳ３０４等のス
テンレス鋼が挙げられる。また、入力棒１、出力棒２、
及び打撃棒５は全て同じ材料であることが好ましい。

【００２５】リング部材１６の構成材としては、摩擦係
数が小さく、ロッド１１及び円筒部材１２を構成する鋼
等と比較して軟質で加工の容易なものが好ましく、例え
ば、テフロン（登録商標）等が挙げられる。尚、ロッド
１１を拘束しない範囲であれば、空間Ｓを充填するよう
にリング部材１６を配置してもよい。

【００２６】加速装置４としては、打撃棒５を１０〜２
０ｍ／ｓｅｃの速度で発射することが可能な駆動手段を
有していればよく、駆動手段としては、例えば、空気圧
・油圧等が挙げられる。

【００２７】次に、本発明に係るホプキンソン棒法試験
装置の応力波伝播経路を図３を用いて説明する。なお、
図３において、ロッド１１と円筒部１３は同じ長さと
し、入力棒１はそれらの２倍の長さを有するものとす
る。

【００２８】先ず、図３（ａ），（ｂ）に示すように、
加速装置４から発射された打撃棒５のロッド１１が、入
力棒１に衝突すると、圧縮応力波が入力棒１に入射され
る。この時、衝突の反力により、打撃棒５のロッド１１
にも、同じ大きさの圧縮応力波が入射される。

【００２９】次に、図３（ｃ）に示すように、ロッド１
１に入射された圧縮応力波は、ロッド１１の左端に到達
すると、ロッド１１と円筒部１３の断面積の比により透
過・反射し、透過した成分は蓋部１４を介して円筒部１
３に引張応力波として伝播する。なお、ロッド１１と円
筒部１３の断面積が同じであれば、理想的には反射は生
じない。

【００３０】次に、図３（ｄ），（ｅ）に示すように、
円筒部１３を右方に伝播する応力波は、円筒部１３の端
部（図中では右端）に達すると圧縮応力波となって反射
する。一方、入力棒１を右方に伝播する応力波は、試験
片３に達すると透過・反射し、反射成分は入力棒１を左
方に伝播する。透過した成分は試験片３内を透過し、出
力棒２との境界で透過・反射する。以後、試験片３内で
は入力棒１および出力棒２との境界において透過・反射
を繰り返す。

【００３１】次に、図３（ｆ）に示すように、円筒部１
３の左端に到達した圧縮応力波は、蓋部１４を介して引
張応力波としてロッド１１を右方に伝播した後、ロッド
１１の右端に応力波が到達する。ここで、ロッド１１と
円筒部１３が同断面積の場合、理想的にはロッド１１と
円筒部１３は無応力状態となる。この時点で、入力棒１
への圧縮応力波の負荷はなくなる。

【００３２】入力棒１を左方に伝播する応力波が、入力
棒１の左端に到達することによって、図３（ｇ）に示す
ように、ロッド１１と入力棒１との接触が終了する。

【００３３】次に、上述した本発明に係るホプキンソン
棒法試験装置と従来のホプキンソン棒法試験装置とを用
い、一次元弾性波伝播理論に基いて、入射波の履歴の比
較を行った。

【００３４】具体的には、入力棒及び出力棒にそれぞれ
設けた歪みゲージで応力波の計測を行い、応力波の圧力
伝播の時間差を計測する。また、入力棒及び出力棒の各
歪みゲージで計測される応力波の波形を比較すること
で、波形の崩れが得られる。この２つのパラメータ（時
間差と波形の崩れ）から、入射波における時間と大きさ
との関係が得られる。この時、従来の試験装置の打撃棒
と本発明に係る試験装置のロッドの長さ、本発明に係る
試験装置のロッドの先端位置と円筒部の先端位置、およ
び打撃棒と入力棒の衝突速度は同じとした。

【００３５】入射波における時間と大きさとの関係を図
４に示す。ここで、図４中のＬ₁，Ｌ₂は、従来の試験
装置による入射波の履歴、本発明に係る試験装置による
入射波の履歴を表している。また、Ｌ₂の大きさは、Ｌ
₁の大きさを１とした時の相対値である。尚、図４中の
ｌ₁は従来の試験装置の打撃棒の長さ及び本発明に係る
試験装置のロッドの長さを、ｖは応力波伝播速度（約５
０００ｍ／ｓｅｃ）を示している。

【００３６】図４に示すように、従来のホプキンソン棒
法試験装置の場合、入射波の履歴は、破線Ｌ₁で示すよ
うに、時刻０〜ｔ₁（＝２ｌ₁／ｖ）間で大きさ１の直
線波となり、時刻ｔ₁で入射波の大きさは０となる。こ
こで、時刻０は、入力棒と打撃棒が衝突した時であり、
また、時刻ｔ₁は、入力棒と打撃棒が分離した時であ
る。

【００３７】この時、入射波の継続時間ｔ₁を２倍にす
るためには、打撃棒の長さｌ₁を２倍にする必要があ
る。また、一般に、入射波の履歴が、破線Ｌ₁のように
衝突から分離までフラットな場合、試験片の変形速度が
どんどん遅くなってしまう。変形速度一定のまま、圧縮
（又は引張）変形を最後まで行うことはなかなか困難で
あり、圧縮変形の後半になって変形速度が段々ゆっくり
となってくると、圧縮変形に“だれ”が生じてしまう。
この“だれ”によって、それまで良好なデータが計測さ
れていても、一番重要な、最後の部分のデータがとれな
くなってしまう。

【００３８】そこで、本発明に係るホプキンソン棒法試
験装置は、打撃棒全体の長さは従来の試験装置と同じま
まで、入射波の継続時間を自由に調整可能とした。ま
た、試験片の圧縮（又は引張）変形の後半に、応力波の
波形を調整すれば、変形速度を自由に調整することがで
きるということに着目し、圧縮変形の後半、入力棒に与
えるエネルギーの大きさ（入力棒に入射する入射波の大
きさ）を調整自在とした。

【００３９】本発明に係るホプキンソン棒法試験装置１
０においては、入射波の履歴は、実線Ｌ₂で示すよう
に、大きさαの直線波（０〜時刻ｔ₁間のＬ_α）と、
大きさβの直線波（時刻ｔ₁〜ｔ₂間のＬ_β）の階段
状の波となり、時刻ｔ₂（＝２ｔ₁＝４ｌ₁／ｖ）で入
射波の大きさが０となることから、入射波の継続時間は
従来の試験装置の２倍となっている。ここで、時刻０
は、図３（ｂ）に示した状態Ａの時、また、時刻ｔ
₁は、図３（ｄ）に示した状態Ｂの時であり、さらに、
時刻ｔ₂は、図３（ｇ）に示した状態Ｃの時である。

【００４０】この時、入射波の継続時間ｔ₂は、打撃棒
５の円筒部１３の長さを変えることで自由に調整するこ
とができる。例えば、円筒部１３の長さをｌ₃（＝０．
５ｌ₁）とした場合、入射波の継続時間ｔ₂は１．５ｔ
₁となり、ｌ₃の長さが短くなる程、入射波の継続時間
ｔ₂も短くなる。

【００４１】また、階段の高さ、即ちＬ_αの大きさと
Ｌ_βの大きさの差は、ロッド１１の断面積と円筒部１
３の断面積を変えることで、自由に調整することができ
る。例えば、入力棒１の断面積をＡ、ロッド１１の断面
積をＡ₁、円筒部１３の断面積をＡ₂とした場合、α及
びβは、それぞれ、０＜α＝２Ａ₁／（Ａ＋Ａ₁）＜２０＜β＝α＋２（Ａ₂−Ａ₁）／（Ａ₁＋Ａ₂）＜４と表されることから、Ａ₁＜Ａ₂の時にβがαよりも大
きくなり、Ａ₁＞Ａ₂の時にβがαよりも小さくなる。
尚、Ａ₁＝Ａ₂の時にはα＝βとなることから、実線Ｌ
₂は、大きさα、継続時間ｔ₂の直線波となる。

【００４２】以上述べたように、本発明に係るホプキン
ソン棒法試験装置１０の打撃棒５の全体の長さは、従来
の試験装置の打撃棒の長さと同じであるが、円筒部材１
２の長さを調整することで、入射波の継続時間を自由に
調整することができる。これによって、本発明に係る試
験装置１０は、従来の試験装置の打撃棒の長さと同じま
まで入射波の継続時間を長くとることができるようにな
ることから、入射波の継続時間をより長くとりたいが更
なる設置スペースを確保することができない場合に最適
な試験装置となる。また、材料の衝撃荷重下における強
度特性データについて、従来の試験装置と比較してより
大きな歪み域までのデータをとることができる。

【００４３】また、ロッド１１の断面積Ａ₁と円筒部１
３の断面積Ａ₂を変えることで、Ｌ_αの大きさとＬ_β
の大きさの差を自由に調整することができる。これによ
って、試験片の圧縮（又は引張）変形の後半、入力棒に
入射させる入射波の大きさを自由に調整できるようにな
ることから、圧縮変形（又は引張）の後半に“だれ”が
生じることはない。また、材料の衝撃荷重下における強
度特性データについて、従来の試験装置と比較してより
精密なデータをとることができる。

【００４４】本実施の形態において、実際に計測を行っ
ているのは応力波の歪みだけであるが、歪みを計測する
と界面の粒子速度が計算でき、この粒子速度に基いて応
力又は歪みが得られる。計算によって得られるのは、応
力や歪みの他に、いろいろな速度、例えば、歪み速度な
どが挙げられる。

【００４５】以上、本発明の実施の形態は、上述した実
施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のもの
が想定されることは言うまでもない。

【００４６】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、従来のホ
プキンソン棒法試験装置と比較して、略同じ大きさのま
ま、大きな歪み域までのデータをとることができるとい
う優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るホプキンソン棒法試験装置の概略
図である。

【図２】図１における打撃棒の断面拡大図である。

【図３】本発明に係るホプキンソン棒法試験装置の応力
波伝播経路を説明する図である。

【図４】入射波における時間と大きさとの関係を示す図
である。

【図５】従来のホプキンソン棒法試験装置の概略図であ
る。

【図６】入射波における時間と力との関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１入力棒２出力棒３試験片５打撃棒１０ホプキンソン棒法試験装置１１ロッド１２円筒部材１３円筒部１４蓋部１６リング部材（スペーサ）Ａ₁ ロッドの断面積Ａ₂ 円筒部の断面積

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田三雅東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター生産技術開発センター内 (72)発明者遠藤領東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター生産技術開発センター内Ｆターム(参考） 2G061 AA13 AB04 AB07 CA01 CB02 DA01 EA03 EA04 EB04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力棒と出力棒との間に試験片を配置
し、入力棒の端部に打撃棒にて衝撃を加えて試験片の衝
撃変形強度を試験するホプキンソン棒法試験装置におい
て、上記打撃棒を、入力棒を打撃するロッドと、ロッド
の後端に結合され、そのロッドを囲繞してロッド先端側
に延びる円筒部材で構成したことを特徴とするホプキン
ソン棒法試験装置。
【請求項２】上記円筒部材と上記ロッドは、上記入力
棒に対して略１／２の長さに形成される請求項１記載の
ホプキンソン棒法試験装置。
【請求項３】上記円筒部材が、円筒部と該円筒部の一
方の開口端を塞ぐ蓋部とで構成され、蓋部の中央に上記
ロッドが着脱自在に保持されると共に、円筒部とロッド
間にスペーサが設けられる請求項１又は２に記載のホプ
キンソン棒法試験装置。
【請求項４】上記ロッドの断面積と上記円筒部の断面
積を変えて上記入力棒に加える入射波の大きさを可変に
した請求項１から３いずれかに記載のホプキンソン棒法
試験装置。