JP2002228565A - 荷重複合負荷の試験装置、及び、その試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱変形を伴う機械的荷重の負荷試験を実物環境
によらずに正しく複合負荷試験を行うこと。 【解決手段】試験対象構造物２０を拘束する拘束装置
１，２，４，５と、その拘束装置と試験対象構造物２０
との間に介設され試験対象構造物２０に熱負荷をかける
熱負荷装置１４と、試験対象構造物２０に荷重負荷をか
ける荷重負荷装置５，３０と、拘束装置と熱負荷装置の
間の拘束を解除する解除装置２２とから構成されてい
る。拘束装置と熱負荷装置１４の間の拘束を解除するこ
とにより、複合負荷をかけられる試験対象構造物が、外
界から独立する単一体に等価になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷重複合負荷の試
験装置、及び、その試験方法に関し、特に、低温液体を
収容するタンク構造の試験に工程である荷重複合負荷の
試験装置、及び、その試験方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】加熱され又は冷却される構造物、特に、
大型構造物は、その熱変形を伴う荷重試験が重要であ
る。機械的荷重がかけられる供試体は、荷重試験時に治
具に強固に固定される。そのような治具は、十分に高い
剛性・強度を有していることが試験のために必要であ
る。熱変形による負荷と機械的荷重負荷が同時にかかる
複合負荷試験では、熱変形を正常に受け入れることがで
きない治具の高い剛性が逆に障害になって、供試体に所
要の熱変形を正しく生起させることが困難である。この
ように矛盾を起こす治具を用いて両方の要求を満たすた
めに、従来は、評定部位以外に影響し得る周辺部分を含
めた実物で試験していた。周辺部分を含めなければなら
ないこのような実物試験は、その実現が困難である。

【０００３】熱変形を伴う機械的荷重の負荷試験を実物
環境によらずに正しく行うことができる複合負荷試験の
確立が求められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、熱変
形を伴う機械的荷重の負荷試験を実物環境によらずに正
しく行う複合負荷試験を確立することができる荷重複合
負荷の試験装置、及び、その試験方法を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【０００６】本発明による荷重複合負荷の試験装置は、
試験対象構造物（２０）を拘束する拘束装置（１，２，
４，５）と、拘束装置（１，２，４，５）と試験対象構
造物（２０）との間に介設され試験対象構造物（２０）
に熱負荷をかける熱負荷装置（１４）と、試験対象構造
物（２０）に荷重負荷をかける荷重負荷装置（５，３
０）と、拘束装置（１，２，４，５）と熱負荷装置（１
４）の間の拘束を解除する解除装置（２２）とから構成
されている。拘束装置（１，２，４，５）と熱負荷装置
（１４）の間の拘束を解除することにより、複合負荷を
かけられる試験対象構造物が、外界から独立する単一体
に等価になる。

【０００７】試験対象構造物（２０）は、特には、円筒
体である。熱負荷装置は、円筒体の軸方向端部分に接合
するリング（１４）として形成されている。リング（１
４）は、リング（１４）の内部に円周方向に熱媒体が通
される熱媒体通路（４３）を形成している。リング（１
４）が円筒体（２０）の上端部分の円形と同じ形状であ
り、その円形半径が概ね等しいので、リング（１４）と
円筒体（２０）は、同体的に膨張縮小する。この場合、
リング（１４）と円筒体（２０）とが同一線膨張率を持
つことが好ましい。リング（１４）と円筒体（２０）と
は第１ボルト（２６）で熱的に且つ機械的に接合され、
拘束装置（１）と円筒体（２０）とは第２ボルト（２
１）で機械的に接合されている。第２ボルト（２１）
は、拘束装置（１）に対して円筒体（２０）の半径方向
に変位自在である。

【０００８】本発明による荷重複合負荷の試験方法は、
試験対象物体（２０）を拘束すること、試験対象物体
（２０）に熱荷重負荷媒体を同体に接合すること、試験
対象物体（２０）を拘束しないで熱荷重負荷媒体を通し
て熱負荷を試験対象物体（２０）にかけること、試験対
象物体（２０）を拘束して熱荷重負荷媒体を通して熱負
荷を試験対象物体（２０）にかけること、試験対象物体
を拘束して熱負荷をかけずに試験対象物体（２０）に荷
重負荷をかけることとから構成されている。

【０００９】

【発明の実施の形態】図に対応して、本発明による荷重
複合負荷の試験装置の実施の形態は、上部拘束構造が下
部拘束構造とともに設けられている。その上部固定構造
は、図１に示されるように、固定的拘束構造を構成する
固定用定盤１である。下部固定構造は、床定盤２を備え
ている。固定用定盤１は、剛性が高い床定盤２の床面上
に定立する４本の固定柱３に支持されている。後述され
る試験対象物体は、床定盤２の床面に立ち上がる弾性的
に揺動が可能である第１動的拘束構造（例示：揺動式流
体圧シリンダのピストン部分）５を介して床定盤２に支
持されている。

【００１０】第１動的拘束構造５は、床定盤２とともに
下部拘束構造を形成する。下部拘束構造は、後述される
第２動的拘束構造を有している。試験対象物体を直接に
支持する支持構造４は、フランジ相当部分６を上端部位
に持つ有底円筒体７であり、下端面側に円形底８を有し
ている。フランジ相当部分６の下面の複数箇所が、複数
の第１動的拘束構造５の揺動頂部９により直接的に支持
されている。

【００１１】固定柱３に支持される固定用定盤１は、高
剛性リング基体１１と、高剛性リング基体１１の上下面
に強固に接合する上下側輪板１２，１３とから構成され
ている。上下側輪板１２，１３の外周域部分は、高剛性
リング基体１１の外周面よりも半径方向に外側に位置し
ている。

【００１２】冷却用リング１４は、固定用定盤１の下側
輪板１３の内周域部分の下端面に接して、後述される液
体ガスタンクに結合することができる。その結合構造の
詳細は、後述される。供試体としては、液体ガスタンク
（例示：ＬＮＧタンク）２０が示されている。液体ガス
タンク２０は、冷却用リング１４の下側面に接合されて
いる。その接合構造の詳細は、後述される。

【００１３】図２は、固定用定盤１と液体ガスタンク２
０とを結合する結合構造を示し、図１の矢視ａ部を詳細
に示している。固定用定盤１の下側輪板１３には、同一
円周上に多数の定盤側穴１５が開けられている。定盤側
穴１５は、特に、半径方向に長い穴に形成されている。
液体ガスタンク２０は、上端側に上端側フランジ１６を
形成している。

【００１４】冷却用リング１４の平板状外周域部分１７
と液体ガスタンク２０の上端側フランジ１６に、それぞ
れに第１冷却リング側ボルト通し穴１８と第１タンク側
ボルト通し穴１９が開けられている。定盤側穴１５と第
１冷却リング側ボルト通し穴１８と第１タンク側ボルト
通し穴１９とに、定盤側固定用ボルト２１のボルト軸部
分が、共軸に通されている。

【００１５】上端側フランジ１６の下面側から定盤側固
定用ナット２２がそのボルト部分に螺合し、定盤側固定
用ナット２２を締め付け方向にまわすことにより、固定
用定盤１は液体ガスタンク２０に強固に接合する。固定
用定盤１と液体ガスタンク２０のこのような結合状態
で、冷却用リング１４と固定用定盤１との間に隙間２３
が設けられていて、隙間２３が設けられている部分で
は、冷却用リング１４は固定用定盤１に結合せず、且
つ、接合していない。半径方向に長い定盤側穴１５は、
定盤側固定用ナット２２が定盤側固定用ボルト２１に対
して緩められている間は、固定用定盤１と冷却用リング
１４との半径方向変位移動を阻止しない。

【００１６】図３は、冷却用リング１４と液体ガスタン
ク２０とを結合する結合構造を示し、図１の矢視ｂ部を
詳細に示している。多数の第１冷却リング側ボルト通し
穴１８のうちの任意の隣り合う２つの第１冷却リング側
ボルト通し穴１８の間で、同一円周上で平板状外周域部
分１７に、第２冷却リング側ボルト通し穴２４が開けら
れている。第２冷却リング側ボルト通し穴２４の上方側
半分は、円錐面状に形成されている。多数の第１タンク
側ボルト通し穴１９のうちの任意の隣り合う２つの第１
タンク側ボルト通し穴１９の間で、同一円周上で上端側
フランジ１６に、第２タンク側ボルト通し穴２５が開け
られている。

【００１７】第２冷却リング側ボルト通し穴２４と第２
タンク側ボルト通し穴２５に、タンク側固定用ボルト２
６のボルト軸部分が、共軸に通されている。上端側フラ
ンジ１６の下面側からタンク側固定用ナットがそのボル
ト部分に螺合し、タンク側固定用ナットを締め付け方向
にまわすことにより、冷却用リング１４は液体ガスタン
ク２０に強固に接合する。

【００１８】このような接合状態で、タンク側固定用ボ
ルト２６の頭部分２７の下面は円錐面に形成されて第２
冷却リング側ボルト通し穴２４の上側半分に密着的に接
合し、且つ、頭部分２７の上面は冷却用リング１４の平
板状外周域部分１７の上面と同一平面を形成していて、
タンク側固定用ボルト２６は下側輪板１３と冷却用リン
グ１４との半径方向の相対的滑動を阻害しない。

【００１９】床定盤２の床面上に、図１に示されるよう
に、既述の第２動的拘束構造３０が構成されている。第
２動的拘束構造３０は、ジャッキを備えている。ジャッ
キ支持台３１と、ロッド支持台３２とが床定盤２に立ち
上がっている。ジャッキ支持台３１に、揺動自在に静的
ジャッキ３３の揺動端部が支持されている。ロッド支持
台３２に、機械的外力を液体ガスタンク２０に与えて液
体ガスタンク２０に半径方向荷重負荷をかける負荷ロッ
ド３４が、図４に示されるように、微小滑動変位自在に
支持されている。

【００２０】負荷ロッド３４は、ロッド支持台３２に固
着されている枕木３５の半円筒面に滑動良好に支持され
ている。負荷ロッド３４の一端面と静的ジャッキ３３と
の間に負荷セル３６が介設されてそれらに固着されてい
る。負荷ロッド３４の他端面に負荷荷重体３７が負荷セ
ル３６と対称に固着されている。

【００２１】支持構造４の円形底８の中心部分にその下
面で、負荷芯３８が固着されている。負荷荷重体３７の
中心側端面は負荷芯３８に揺動可能に固着されている。
静的ジャッキ３３により生成される静的圧力が、負荷セ
ル３６と、負荷ロッド３４と、負荷荷重体３７と負荷芯
３８を介して、機械的負荷として支持構造４にかけられ
る。支持構造４のフランジ相当部分６の上面に液体ガス
タンク２０の下端側フランジ３９が載せられ、下端側フ
ランジ３９はボルト４１によりフランジ相当部分６に強
固に固着される。フランジ相当部分６は、第１動的拘束
構造５の揺動頂部９に強固に固着され得る。

【００２２】冷却用リング１４は、冷却媒体通路構成リ
ング４２と既述の平板状外周域部分１７とから構成され
ている。冷却媒体通路構成リング４２は、図５に示され
るように、平板状外周域部分１７の内周側に一体的に配
置されている。冷却媒体通路構成リング４２の内部に
は、冷却媒体を通す冷却媒体通路４３が形成されてい
る。冷却媒体通路４３には入り口４４から冷却媒体が導
入され、冷却媒体通路４３からは出口４５を通して導出
される。

【００２３】図６は、床定盤２を基準にする第２動的拘
束構造３０の位置取りを示している。荷重負荷力は、６
０度と３０５度の２方向から負荷芯３８の中心鉛直線４
６に直交してかけられる。２つの負荷ロッド３４の中心
軸心線は、それぞれに既述の６０度方向と３０５度方向
に向いている。負荷芯３８の中心鉛直線と床定盤２の基
準平面に機械的原点が設定される。

【００２４】第１動的拘束構造５は、液体ガスタンク２
０に軸方向に力学的荷重を負荷して揺動可能に液体ガス
タンク２０を拘束する。第２動的拘束構造は、液体ガス
タンク２０に半径方向に力学的荷重を負荷して揺動可能
に液体ガスタンク２０を拘束する。

【００２５】定盤側固定用ナット２２を緩めて、冷却用
リング１４に熱伝達媒体を通す。液体ガスタンク２０で
ある試験対象構造物体がＬＮＧ・液体窒素タンクのよう
な低温液体を入れる容器であるある場合には、熱伝伝達
媒体として液体窒素が冷却用リング１４の冷却媒体通路
４３に通される。タンク側固定用ボルト２６により締め
付けられて冷却用リング１４に一体化されている液体ガ
スタンク２０は、上端側フランジ１６を介して熱伝達媒
体により冷却される。

【００２６】冷却された液体ガスタンク２０の上方部分
は、図７に示されるように、円周方向に縮小し結果的に
半径方向内側に縮小し、中心方向に向かって変形する。
タンク側固定用ボルト２６の頭部分２７の頂面は冷却用
リング１４の上面と同一平面であり、固定柱３に対して
無抵抗に摺動的に変位・変形することができる。

【００２７】冷却用リング１４は、液体ガスタンク２０
の上端側フランジ１６と一体的に半径方向に縮小する。
その縮小変形の際に、冷却用リング１４に通る定盤側固
定用ボルト２１の軸部分は、半径方向に長い定盤側穴１
５に通されていて、固定用定盤１に対して変形変位自在
であり、冷却用リング１４と液体ガスタンク２０とは、
その変形変位が固定用定盤１から拘束されない。冷却用
リング１４と液体ガスタンク２０の材料（例示：アルミ
ニウム合金）が同じであり、冷却用リング１４の円周方
向の線膨張率が液体ガスタンク２０の円周方向の線膨張
率に同じであれば、冷却用リング１４と液体ガスタンク
２０とは概ね同体に変形し、冷却用リング１４は実質的
に非拘束状態で変形することが可能である。液体ガスタ
ンク２０は、その直径４ｍに対し半径方向に７〜８ｍｍ
の縮みを示す。

【００２８】次に、定盤側固定用ナット２２を締めて液
体ガスタンク２０の上端側フランジ１６を固定用定盤１
に一体化する。冷却を継続しながら、自由支持構造５の
流体圧シリンダと負荷ロッド３４とを用いて、液体ガス
タンク２０に軸方向負荷と半径方向負荷をかける。液体
ガスタンク２０は、冷却状態で固定用定盤１と床定盤２
に挟まれ後続構造を介して拘束されながら、機械的外力
を受ける。冷却により熱変形した液体ガスタンク２０の
このような力学的負荷試験は、液体ガスタンク２０の単
体の試験に等価であるから、熱負荷と機械的（荷重）負
荷が同時に作用する液体ガスタンク２０の複合負荷試験
が可能になっている。

【００２９】次に、定盤側固定用ナット２２を緩めて冷
却を中止し、常温（室温）に復帰した後に、もう一度定
盤側固定用ナット２２を締めて固定用定盤１と液体ガス
タンク２０を一体化して、自由支持構造５の流体圧シリ
ンダと負荷ロッド３４とにより荷重を負荷することによ
り、拘束時・常温時の液体ガスタンク２０の単体の荷重
試験が行われる。

【００３０】このように、拘束時・冷却時の荷重・熱負
荷試験と、拘束時・常温時の荷重・熱負荷試験が液体ガ
スタンク２０の単体について可能である。冷却媒体の代
えて加熱媒体を用いることにより、拘束時・加熱時の荷
重・熱負荷試験と、拘束時・常温時の荷重・熱負荷試験
が液体ガスタンク２０の単体について可能である。冷却
試験は、熱伝達媒体を加熱媒体として室温で用いる試験
に概ね等価である。

【００３１】

【発明の効果】本発明による荷重複合負荷の試験装置、
及び、その試験方法は、試験対象構造物体の単体の複合
負荷試験が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による荷重複合負荷の試験装置
の実施の形態を示す断面図である。

【図２】図２は、図１の一部を示す断面図である。

【図３】図３は、図１の他の一部を示す断面図である。

【図４】図４は、図１の更に他の一部を示す側面断面図
である。

【図５】図５は、冷却用リングを示す平面図である。

【図６】図６は、床定盤を示す平面図である。

【図７】図７は、熱変形を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２，４，５…拘束装置 １４…熱負荷装置（リング） ２０…試験対象構造物（円筒体） ２１…解除装置（第２ボルト） ２６…第１ボルト ４３…熱媒体通路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試験対象構造物を拘束する拘束装置と、 前記拘束装置と前記試験対象構造物との間に介設され前
   記試験対象構造物に熱負荷をかける熱負荷装置と、 前記試験対象構造物に荷重負荷をかける荷重負荷装置
   と、 前記拘束装置と前記熱負荷装置の間の拘束を解除する解
   除装置とを含む荷重複合負荷の試験装置。
2. 【請求項２】前記試験対象構造物は円筒体であり、 前記熱負荷装置は、前記円筒体の軸方向端部分に接合す
   るリングであり、 前記リングは、 前記リングの内部に円周方向に熱媒体が通される熱媒体
   通路を形成している請求項１の荷重複合負荷の試験装
   置。
3. 【請求項３】円筒体の線膨張係数は、前記リングの線膨
   張係数に概ね等しい請求項２の荷重複合負荷の試験装
   置。
4. 【請求項４】前記リングと前記円筒体とは第１ボルトで
   熱的に且つ機械的に接合され、 前記拘束装置と前記円筒体とは第２ボルトで機械的に接
   合され、 前記第２ボルトは、前記解除装置の部分であり、前記拘
   束装置に対して前記円筒体の半径方向に変位自在である
   請求項３の荷重複合負荷の試験装置。
5. 【請求項５】試験対象物体を拘束すること、 前記試験対象物体に熱荷重負荷媒体を同体に接合するこ
   と、 前記試験対象物体を拘束しないで前記熱荷重負荷媒体を
   通して熱負荷を前記試験対象物体にかけること、 前記試験対象物体を拘束して前記熱荷重負荷媒体を通し
   て熱負荷を前記試験対象物体にかけること、 前記試験対象物体を拘束して前記熱負荷をかけずに前記
   試験対象物体に荷重負荷をかけることとを含む荷重複合
   負荷の試験装置。