JP2006258454A - Bending fatigue test method of lightweight sandwich panel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スポーツ部材や自動車部品に用いられるサンドイッチパネルの中でも、繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと略す）製のスキンとフォーム材やハニカム製のコアを有する軽量なサンドイッチパネル（図１参照）の曲げ疲労試験法に関する。新素材であるＦＲＰ製の軽量サンドイッチパネルは、比剛性（重さ当たりの剛性）が高いため、軽量化要請の高い、自動車をはじめとする輸送機器部材やスポーツ用部材に適用が拡大しているが、部材の安全性、長期信頼性を確保するために、繰り返し応力下における疲労特性、中でも基本的な曲げ疲労特性を正確に把握し、部材設計することが極めて重要となっている。 The present invention is the bending of a lightweight sandwich panel (see FIG. 1) having a skin made of fiber reinforced plastic (hereinafter abbreviated as FRP), a foam material, and a honeycomb core, among sandwich panels used for sports members and automobile parts. The present invention relates to a fatigue test method. The lightweight sandwich panel made of FRP, which is a new material, has high specific rigidity (rigidity per weight), so its application is expanding to transportation equipment members such as automobiles and sports members that are highly demanded for weight reduction. However, in order to ensure the safety and long-term reliability of the member, it is extremely important to accurately grasp the fatigue characteristics under repeated stress, particularly the basic bending fatigue characteristics, and to design the member.
図１に示すように、通常、サンドイッチパネルは、上下２層のスキン板とその間に位置するコアを有する少なくとも３層の構造（コアをスキンでザンドイッチした（挟んだ）構造）であり、剛性のより高い材料をパネルの外側（スキン）に、より軽量な材料をパネルの内側（コア）とすることで、軽量で曲げ剛性が大きくできるという特徴がある。スキンには金属シートや繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと略す）製の薄板が用いられ、コアにはスキンよりも軽量なハニカム材やフォーム材が用いられ、ヨットやボートのハル、デッキなどの構造部材として使われている。近年、燃費向上要請の大きな自動車分野においても、軽量化の手段として、ＦＲＰをスキンとし、発泡材とコアとする、軽量なサンドイッチパネルのドアやルーフ等の構造部材への本格適用が検討されている。 As shown in FIG. 1, a sandwich panel usually has a structure of at least three layers (a structure in which the core is sandwiched (sandwiched) with a skin) having two upper and lower skin plates and a core positioned therebetween, and is rigid. By using a higher material on the outer side (skin) of the panel and a lighter material on the inner side (core) of the panel, there is a feature that light weight and bending rigidity can be increased. A thin sheet made of metal sheet or fiber reinforced plastic (hereinafter abbreviated as FRP) is used for the skin, and a honeycomb material or foam material that is lighter than the skin is used for the core. Structural members such as hulls and decks for yachts and boats It is used as. In recent years, in the field of automobiles where there is a great demand for fuel economy, full-scale application to lightweight structural members such as doors and roofs of lightweight sandwich panels using FRP as a skin, foam and core as a means for weight reduction has been studied. Yes.
サンドイッチパネルを構造部材として使用する場合、まずは、日本工業規格（ＪＩＳ）等の規格に従って、例えば、図２と図３に示す３点、あるいは４点曲げ試験（非特許文献１、２参照）を適用して、サンドイッチパネルの静的剛性と強度を測定する。
続いて、より実用的な観点から、繰り返し応力下での耐久性を考慮した部材設計を行うために、曲げ疲労試験を実施する必要がある。しかしながら、サンドイッチパネルの曲げ疲労試験の規格はない。サンドイッチパネルのスキンを構成する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）と、コア材の試験規格（非特許文献３〜５参照）はあるが、サンドイッチパネル自体の曲げ疲労試験規格は今のところ制定されていない。
When using a sandwich panel as a structural member, first, according to a standard such as the Japanese Industrial Standard (JIS), for example, a three-point or four-point bending test shown in FIGS. 2 and 3 (see Non-Patent
Subsequently, from a more practical viewpoint, it is necessary to perform a bending fatigue test in order to design a member in consideration of durability under repeated stress. However, there is no standard for bending fatigue testing of sandwich panels. Although there are fiber reinforced plastic (FRP) that constitutes the skin of the sandwich panel and core material test standards (see Non-Patent
このような状況から、サンドイッチパネルの疲労試験は、静的曲げ試験（非特許文献１、２）と同じ条件で実施することが、広く行われている（非特許文献６）。
From such a situation, it is widely performed that the fatigue test of the sandwich panel is performed under the same conditions as the static bending test (
具体的には、図２と図３に示す、非特許文献１で規定される静的3点曲げ試験または、４点曲げ試験治具を用い、スパン（支点間の距離）を規定し、支点を上下に往復運動させてサンドイッチパネルに最大の荷重（最大荷重と呼ぶ）と最小の荷重（最小荷重と呼ぶ）を交互に与える。
Specifically, the span (distance between fulcrums) is defined using the static 3-point bending test or 4-point bending test jig specified in Non-Patent
一般に曲げ疲労試験は、非特許文献３にあるように、応力振幅一定（最大荷重と最小荷重を一定値に制御し、歪みは制御しない）の試験と、ひずみ振幅一定（最大変形量と最小変形量を一定値に制御し、応力は制御しない）の試験とがあり、さらに、等しい正負の応力を繰り返す両振りモードと、最大値または最小値が0となる片振りモードの試験があるが、サンプルは殆どが対称構成でるため、応力振幅一定、片振りモードで十分疲労設計が可能とされている。また、繰り返し回数は、１００００回から１０００００００回数であるため、試験は、数日から数ヶ月を要する長期試験である。このため、治具を交換するだけで曲げ以外に、引張、圧縮、せん断などの疲労試験を行うことができる汎用の油圧式疲労試験機と、モーターの回転を機械的な機構により試験片の負荷へと変換する機械式の専用試験機とが市販されている。
In general, as described in Non-Patent
ところが、図２または図３に示す静的曲げ試験治具を用いて軽量なサンドイッチパネルに繰り返し荷重をかけて（片振りモードで）疲労試験すると、サンドイッチパネルが左右に徐々に移動して、ついには、サンドイッチパネルが支点間から落下して疲労試験が継続出来なくなる場合がある。このような状況になると、一から試験をやり直すことになり、設計データ採取に膨大な時間が必要になる。また、設計データが計画通り採取できなくなり、部材開発のスケジュールが立てられなくなる。サンドイッチパネルが移動しているかどうかを逐次モニターして、移動しているとわかった場合、試験機を停止して、サンドイッチパネルを元の位置に移動させることも考えられるが、このような行為をした場合には、一旦負荷が中断されることになり、厳密な意味での疲労試験とはいえず、また、負荷がかかる場所が一定しないことからもデータの取り扱いに問題が残る。また、サンドイッチパネルの移動をモニターするための労力がかかる。
サンドイッチパネルが曲げ疲労試験中に移動する原因としては以下が考えられる。（１）ＦＲＰ製サンドイッチパネルの場合、成形上の理由からサンプルの寸法精度が出にくく、支点との接触箇所であそびができ、繰り返し荷重を与えたときに低荷重側で荷重分布が著しく不均一になるため一回の荷重サイクルで僅かずつ動いてしまうことが考えられる。成形上の理由とは、高剛性であるスキンとスキンよりも低剛性、低強度であるコア（例えば、アクリルフォーム材）をオートクレーブ成形すると、成形圧（０．２〜０．６ＭＰａ）によりコアが高剛性のスキンに押されて変形することがあり、厚みは、削りだしたように均一にはならず、１０ｍｍのアクリルコアの場合で０．２ｍｍ程度の厚みムラが発生する。また、レジントランファー（ＲＴＭ）成形では、スキン及びスキンとコア（発泡材）の間に樹脂を流入させるため、コア（発泡セル）の内部に樹脂が不均一に流入して、サンドイッチパネルの面内の樹脂量に偏りが生じて、厚み分布が生したり、ソリが発生することなどが挙げられる。（２）装置からの振動も移動を促進する。（３）サンドイッチパネルはソリッド（中実）パネルに比べて重量あたりの剛性が高く、高荷重であっても変形量が小さく、寸法精度に由来する治具、支点類との遊びの影響を受けやすく、また、温度変化や吸湿によって、わずかではあるが、寸法が変化することもありうる。
However, when a fatigue test is performed by repeatedly applying a load to a lightweight sandwich panel using the static bending test jig shown in FIG. 2 or 3 (in a single swing mode), the sandwich panel gradually moves to the left and right. In some cases, the sandwich panel falls from between the fulcrums and the fatigue test cannot be continued. In such a situation, the test is restarted from scratch, and a huge amount of time is required for collecting design data. In addition, design data cannot be collected as planned, and a schedule for member development cannot be established. It is possible to stop the tester and move the sandwich panel to the original position by monitoring the sandwich panel in succession and finding that it is moving. In such a case, the load is temporarily interrupted, which is not a fatigue test in a strict sense, and there is a problem in data handling because the place where the load is applied is not constant. It also takes effort to monitor the movement of the sandwich panel.
Possible causes for the sandwich panel to move during the bending fatigue test are as follows. (1) In the case of FRP sandwich panels, the dimensional accuracy of the sample is difficult to obtain due to molding reasons, and it is possible to play at the point of contact with the fulcrum, and the load distribution is extremely uneven on the low load side when repeated loads are applied. Therefore, it can be considered that it moves little by little in one load cycle. The reason for molding is that when a high-rigidity skin and a core (for example, acrylic foam material) that is lower in rigidity and strength than the skin are autoclaved, the core is formed by molding pressure (0.2 to 0.6 MPa). It may be deformed by being pushed by a high-rigidity skin, and the thickness will not be uniform as if it has been cut out, and a thickness unevenness of about 0.2 mm will occur in the case of a 10 mm acrylic core. Also, in resin transfer (RTM) molding, the resin flows between the skin and the skin and the core (foaming material), so that the resin flows unevenly inside the core (foaming cell) and the surface of the sandwich panel. For example, the amount of the resin in the resin is uneven, and a thickness distribution is generated or warpage is generated. (2) The vibration from the device also promotes movement. (3) Sandwich panels have higher rigidity per weight than solid (solid) panels, and the amount of deformation is small even under high loads, and they are affected by play with jigs and fulcrum derived from dimensional accuracy. It is easy, and the dimensions may change slightly due to temperature change and moisture absorption.
このように、軽量のサンドイッチパネルの曲げ疲労試験においては、サンドイッチパネルが長期の曲げ疲労試験中に徐々に移動し、治具から脱落して、疲労試験を中断、時には、最初からやり直さねばならないという問題があり、信頼性の高い、より正確な曲げ疲労データを効率よく取得することは困難であった。
本発明は、上記した、自動車部材やスポーツ部材に使用される軽量のサンドイッチパネルの曲げ疲労試験において、サンドイッチパネルが長期の曲げ疲労試験中に徐々に移動し、治具から脱落して、疲労試験を中断、時には、最初からやり直さねばならないという問題を解決し、軽量のサンドイッチパネルの長期の曲げ疲労試験を自動運転可能とし、信頼性の高い、より正確な曲げ疲労データを効率よく取得可能とすることを目的とする。 In the bending fatigue test of the lightweight sandwich panel used for the automobile member and the sports member as described above, the sandwich panel gradually moves during the long-term bending fatigue test, falls off the jig, and the fatigue test. Solves the problem of having to restart from time to time, sometimes allowing automatic operation of long-term bending fatigue testing of lightweight sandwich panels, enabling more reliable and more accurate bending fatigue data to be acquired efficiently For the purpose.
本発明は、上記した課題を解決するため、次のような手段を採用するものである。すなわち、
（１） 繊維強化プラスチック製のスキンと、スキンより低比重のコアからなる軽量のサンドイッチパネルを、３つの支点、または４つの支点を用いて曲げ疲労試験をする方法であって、該サンドイッチパネルと該支点との間に、増摩擦材を挿入することを特徴とする、サンドイッチパネルの曲げ疲労試験方法。
（２）増摩擦材が、粘着テープであることを特徴とする（１）記載のサンドイッチパネルの曲げ疲労試験方法。
（３）増摩擦材が、ゴムシートであることを特徴とする（１）記載のサンドイッチパネルの曲げ疲労試験方法。
The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems. That is,
(1) A method of performing a bending fatigue test on a lightweight sandwich panel comprising a skin made of fiber reinforced plastic and a core having a specific gravity lower than that of the skin using three or four fulcrums, A sandwich panel bending fatigue test method, wherein a friction-increasing material is inserted between the fulcrum.
(2) The bending fatigue test method for sandwich panels according to (1), wherein the friction-increasing material is an adhesive tape.
(3) The bending fatigue test method for sandwich panels according to (1), wherein the friction-increasing material is a rubber sheet.
（４）支点が、回転ローラーであることを特徴とする（１）〜（３）記載のサンドイッチパネルの曲げ疲労試験方法。 (4) The bending fatigue test method for sandwich panels according to (1) to (3), wherein the fulcrum is a rotating roller.
本発明によれば、軽量のサンドイッチパネルを、安定的、長期的に疲労試験する事が可能となる。すなわち、サンドイッチパネルの厚みや重量分布に多少の偏りがあっても、１００万サイクルの長期疲労試験を途中中断することなく、連続的に実施することが出来る。また、サンドイッチパネルが移動しないことから、無人で疲労試験が可能となり、試験効率が向上する。これにより、途中中断することなく疲労試験が可能となることから、本来の正確な疲労データが取得できることとなり、より精緻なサンドイッチ部材の設計が可能となり、サンドイッチ構造からなる自動車部材やスポーツ部材のさらなる軽量化、信頼性向上が可能となる。 According to the present invention, a lightweight sandwich panel can be subjected to a fatigue test in a stable and long-term manner. That is, even if there is some deviation in the thickness and weight distribution of the sandwich panel, the long-term fatigue test of 1 million cycles can be carried out continuously without interruption. Further, since the sandwich panel does not move, an unmanned fatigue test is possible, and the test efficiency is improved. This makes it possible to perform fatigue tests without interruption during the process, so that the original accurate fatigue data can be acquired, and more precise sandwich members can be designed. It is possible to reduce weight and improve reliability.
以下、本発明の最良の実施態様を図４の３点曲げ試験法で説明する。
まず、本発明の軽量サンドイッチパネル（１）は、繊維強化プラスチック（以下、Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃの頭文字を取ってＦＲＰと略す）製スキン（２）、と、フォーム材／発泡材やハニカム等からなるコア（３）で構成される。コア（３）は、少なくとも２枚のＦＲＰ製スキンの間に位置する（図１）。
ＦＲＰ製スキン（１）は、主に引張応力、圧縮応力を受け持つ部材で、破壊応力、弾性率の高いＦＲＰで構成される。具体的には、炭素繊維強化プラスチック（通常、ＣＦＲＰと称される）、ガラス繊維強化プラスチック（通常、ＧＦＲＰと称される）、アラミド繊維強化プラスチック（通常、ＡＦＲＰと称される）などで、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂などのマトリックス樹脂を、強化繊維である炭素繊維などで強化したものである。マトリックス樹脂には、上記した、エポキシ樹脂の他、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂の他、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂など熱可塑樹脂が使用される。強化繊維は、炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維や、アラミド繊維（ケブラー、トワロンなど）、高強度ポリエチレン繊維、ＰＢＯ繊維などの有機繊維であり、強化繊維の比重は軽金属であるアルミニウムの比重２．７より小さい。また、樹脂の比重は１．５以下であるため、ＦＲＰの比重もアルミニウムを下回る。中でも、炭素繊維とエポキシ樹脂を重量比で４：６〜７：３の割合で組み合わせたＣＦＲＰは、重量当たりの剛性、強度が最も高く、本発明の試験方法の評価対象として最も好ましい材料である。ちなみに、通常、炭素繊維の弾性率は、２００〜８００ＧＰａ、強度は３ＧＰａ〜８ＧＰａであり、アルミニウムの弾性率７０ＧＰａ、強度０．２〜０．８ＧＰａを大きく上回る。また、炭素繊維の比重は、１．５〜２．０程度で、アルミニウムの比重２．７より軽い。さらに、エポキシ樹脂の比重は、１．２〜１．３であり、樹脂を炭素繊維で強化したＣＦＲＰの比重は、アルミニウムのそれを大きく下回る。
コア（３）は、上記スキン板の間に存在する材料で、アルミニウムハニカム、ペーパーハニカム、アラミドハニカム、カーボンハニカムなどのハニカム材や、ウレタン、ポリメタクリルイミド、アクリル、フェノールなどの樹脂を発泡させたフォーム材、バルサ材などの低密度材料が用いられる。具体的なコアの例として、昭和飛行機株式会社のアルミニウムハニカム、デュポン社のノーメックスを使用したノーメックスハニカム、Rohm社のロハセル、積水化学工業のフォーマックなどがある。コアの比重は、１．０以下であり、上記のスキンと組み合わせたサンドイッチパネルは、金属材料に比べ大幅に軽量な材料となる。なお、本発明で好ましいサンドイッチパネルの比重としては、０．１〜１．０の範囲内である。コア（２）の厚みは、３ｍｍから１０ｍｍ程度、スキン板の厚みは、０．２ｍｍ〜１０ｍｍで、サンドイッチパネル（１）は、図１のようにスキンとコアが一体となっている。サンドイッチコアの厚みを大きくすること、あるいは、剛性の大きなスキンを使用することで、サンドイッチパネルの剛性を向上させることができ、重量あたりの曲げ強度、曲げ剛性が高い材料となる。
Hereinafter, the best mode of the present invention will be described with reference to the three-point bending test method of FIG.
First, a lightweight sandwich panel (1) of the present invention comprises a skin (2) made of fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as Fiber Reinforced Plastic, abbreviated as FRP), foam material / foam material, honeycomb, and the like. Consists of a core (3). The core (3) is located between at least two FRP skins (FIG. 1).
The FRP skin (1) is a member mainly responsible for tensile stress and compressive stress, and is composed of FRP having high fracture stress and elastic modulus. Specifically, carbon fiber reinforced plastic (usually called CFRP), glass fiber reinforced plastic (usually called GFRP), aramid fiber reinforced plastic (usually called AFRP), etc., and epoxy A matrix resin such as a resin or a polyester resin is reinforced with carbon fibers that are reinforcing fibers. In addition to the epoxy resins described above, thermoplastic resins such as polypropylene resins, polyamide resins, polycarbonate resins, and polyetherimide resins, as well as thermosetting resins such as polyester resins, vinyl ester resins, and phenol resins, are used for the matrix resin. The The reinforcing fibers are inorganic fibers such as carbon fibers and glass fibers, organic fibers such as aramid fibers (Kevlar, Twaron, etc.), high-strength polyethylene fibers, PBO fibers, etc. The specific gravity of the reinforcing fibers is that of aluminum, which is a light metal. Less than 7. Moreover, since the specific gravity of resin is 1.5 or less, the specific gravity of FRP is also lower than aluminum. Among them, CFRP in which carbon fiber and epoxy resin are combined at a weight ratio of 4: 6 to 7: 3 has the highest rigidity and strength per weight, and is the most preferable material for evaluation of the test method of the present invention. . Incidentally, the elastic modulus of carbon fiber is usually 200 to 800 GPa, the strength is 3 GPa to 8 GPa, and greatly exceeds the elastic modulus 70 GPa and strength 0.2 to 0.8 GPa of aluminum. Moreover, the specific gravity of carbon fiber is about 1.5 to 2.0, and is lighter than the specific gravity of 2.7 of aluminum. Furthermore, the specific gravity of the epoxy resin is 1.2 to 1.3, and the specific gravity of CFRP in which the resin is reinforced with carbon fiber is much lower than that of aluminum.
The core (3) is a material present between the skin plates, and is a foam material obtained by foaming a honeycomb material such as an aluminum honeycomb, a paper honeycomb, an aramid honeycomb, or a carbon honeycomb, or a resin such as urethane, polymethacrylamide, acrylic, or phenol. Low density materials such as balsa are used. Specific examples of cores include aluminum honeycomb from Showa Airplane Co., Ltd., Nomex honeycomb using DuPont's Nomex, Rohmel from Rohm, and formal from Sekisui Chemical. The specific gravity of the core is 1.0 or less, and the sandwich panel combined with the above skin is a material that is significantly lighter than the metal material. The specific gravity of the sandwich panel preferred in the present invention is in the range of 0.1 to 1.0. The thickness of the core (2) is about 3 mm to 10 mm, the thickness of the skin plate is 0.2 mm to 10 mm, and the sandwich panel (1) has a skin and a core as shown in FIG. By increasing the thickness of the sandwich core or by using a skin having high rigidity, the rigidity of the sandwich panel can be improved, and the material has high bending strength and bending rigidity per weight.
次に、上記した軽量のサンドイッチパネル（１）は、図４に示すスパン（８）の間に等間隔に設定した３つの支点（４）を有する治具（ＪＩＳ Ｋ７０７４−１９８８参照）で疲労試験する。支点（４）とは、サンドイッチパネル（１）と接触する治具（５）の一部であり、サンドイッチパネル（１）は、上下運動する支点（４）（図４の場合、上部の支点が上下に往復運動する）から荷重を受けて曲げ変形する。治具（５）は荷重を検出するロードセルに連結されており、所定の最大荷重に到達した後は、所定の最小荷重に変化するように（通常、０．５〜５０ヘルツで）電子制御される。通常、最大荷重は、サンドイッチパネルを静的に試験した場合の２０％〜９０％の範囲内で設定し、最小荷重は、最大荷重の１／１０〜３／１０の間で設定する。治具類は、スチールやアルミニウム合金などの金属製である。 Next, the lightweight sandwich panel (1) is subjected to a fatigue test with a jig (see JIS K7074-1988) having three fulcrums (4) set at equal intervals between the spans (8) shown in FIG. To do. The fulcrum (4) is a part of the jig (5) that comes into contact with the sandwich panel (1). The sandwich panel (1) has a fulcrum (4) that moves up and down (in the case of FIG. Reciprocates up and down) and receives a load from bending. The jig (5) is connected to a load cell that detects a load, and after reaching a predetermined maximum load, it is electronically controlled (usually at 0.5 to 50 Hz) so as to change to a predetermined minimum load. The Usually, the maximum load is set within a range of 20% to 90% when the sandwich panel is statically tested, and the minimum load is set between 1/10 to 3/10 of the maximum load. The jigs are made of metal such as steel or aluminum alloy.
次に、支点（４）とサンドイッチパネル（１）の間には、増摩擦材（６）を配置する。増摩擦材（６）とは、後述するように、支点（４）とサンドイッチパネル（１）の間の摩擦を増大させる材料のことで、両面テープやゴムなどのシート状物や、粘着材、粘土などの塑性材などからなり、支点（４）とサンドイッチパネル（１）の間に挿入、あるいは、固定する。摩擦係数を大きくすることで、軽量サンドイッチパネルが、振動などで徐々に移動することを抑制し、長い時間の疲労試験を自動的に完了させることが可能となる。
増摩擦材（６）とは、粘着材、ゴム、粘土、紙、シーリング材などのことで、サンドイッチパネルと支点の間に位置して、両者を損傷させることなく、かつ、両者の摩擦抵抗を増大させる効果を有し、疲労試験中のサンドイッチパネルの移動を抑制して、長期の疲労試験を正確に実施することが初めて可能となる。
Next, a friction-increasing material (6) is disposed between the fulcrum (4) and the sandwich panel (1). The friction-increasing material (6) is a material that increases the friction between the fulcrum (4) and the sandwich panel (1), as will be described later, and is a sheet-like material such as double-sided tape and rubber, an adhesive material, It is made of a plastic material such as clay, and is inserted or fixed between the fulcrum (4) and the sandwich panel (1). By increasing the friction coefficient, it is possible to suppress the light sandwich panel from gradually moving due to vibration or the like, and to automatically complete a long-time fatigue test.
The friction-increasing material (6) is an adhesive material, rubber, clay, paper, sealing material, etc., located between the sandwich panel and the fulcrum, and without damaging both, and the friction resistance of both For the first time, it is possible to accurately perform a long-term fatigue test by suppressing the movement of the sandwich panel during the fatigue test.
増摩擦材（６）は、支点およびサンドイッチパネルのスキン材（ＦＲＰ）より硬度が小さいことが好ましい。硬度は、デュロメーターを使用し、ＪＩＳ Ｋ６２５３、ＪＩＳ Ｋ７２１５の規定による方法あるいはそれに準じた方法で測定する。硬度の測定は同じタイプのデュロメータで計測を行う。増摩擦材（６）とＦＲＰ製スキン（２）を構成するＦＲＰの硬度の比が、０．８以下であることが好ましい。ただし、増摩擦材（６）の硬度はタイプＡデュロメータの測定値が３０以上であることが好ましい。硬度がこの値より低いと増摩擦材（６）が、曲げ疲労試験中に破壊し、ＦＲＰ製スキン（２）は支点（４）と直接接触して、サンドイッチパネルが移動開始する可能性がある。逆に、硬度の比が０．８より大きいと、ＦＲＰ製スキン（２）が増摩擦材（６）により損傷してしまう可能性がある。より好ましい硬度の比は、０．３〜０．６の範囲内である。 The friction-increasing material (6) preferably has a lower hardness than the fulcrum and sandwich panel skin material (FRP). The hardness is measured using a durometer by a method according to JIS K6253 and JIS K7215 or a method according thereto. Hardness is measured with the same type of durometer. The ratio of the hardness of the FRP constituting the friction-increasing material (6) and the FRP skin (2) is preferably 0.8 or less. However, the hardness of the friction-increasing material (6) is preferably 30 or more as measured by a type A durometer. If the hardness is lower than this value, the friction-increasing material (6) may break during the bending fatigue test, and the FRP skin (2) may be in direct contact with the fulcrum (4), causing the sandwich panel to start moving. . Conversely, if the hardness ratio is greater than 0.8, the FRP skin (2) may be damaged by the friction-increasing material (6). A more preferable hardness ratio is in the range of 0.3 to 0.6.
好ましい増摩擦材（６）として、取り扱い性に優れる粘着テープが上げられる。粘着テープは、エポキシ樹脂やアクリル樹脂等の粘着剤からなり、大きく分けて、ポリエステル不織布などの支持体のあるものと無い物がある。本発明に置いては、支持体にエポキ樹脂やアクリル樹脂等の粘着樹脂を塗布した粘着テープ（例えば、３Ｍ社のＶＨＢ、日東電工社のＮｏ．５００、ニチバン社のナイスタック）が、丈夫でより長時間の使用に耐えるので好ましい。粘着テープは、支点に巻き付けるか、サンドイッチパネルの支点と接触する箇所に一枚以上貼り付ける。貼り付ける枚数は、サンドイッチパネルが支点間で無負荷状態でグラグラしない枚数とすることが好ましい。 As a preferable friction-increasing material (6), an adhesive tape excellent in handleability can be raised. The pressure-sensitive adhesive tape is made of a pressure-sensitive adhesive such as an epoxy resin or an acrylic resin, and is broadly classified into those having a support such as a polyester nonwoven fabric and those having no support. In the present invention, an adhesive tape (for example, 3M VHB, Nitto Denko No.500, Nichiban Nystack) coated with an adhesive resin such as epoxy resin or acrylic resin on the support is strong. This is preferable because it can withstand longer use. At least one piece of adhesive tape is wrapped around the fulcrum or attached to the point where it comes into contact with the fulcrum of the sandwich panel. The number of sheets to be pasted is preferably set so that the sandwich panel does not wobble in an unloaded state between fulcrums.
粘着テープの選定の指標としては、ＪＩＳ Ｚ０２３７−２０００粘着テープ・粘着シート試験方法で測定される粘着力が挙げられ、５Ｎ／１０ｍｍ〜１０Ｎ／１０ｍｍの範囲の粘着テープを選定することが好ましい。本範囲以下では、サンプルが移動する可能性があり、本範囲以上では、強力すぎて試験後のサンドイッチパネルの取り外し、粘着テープの交換に手間がかかる。 Examples of the index for selecting the adhesive tape include adhesive strength measured by the JIS Z0237-2000 adhesive tape / adhesive sheet test method, and it is preferable to select an adhesive tape in the range of 5 N / 10 mm to 10 N / 10 mm. Below this range, the sample may move. Above this range, the sample is too strong, and it takes time to remove the sandwich panel and replace the adhesive tape after the test.
また、粘着テープの幅は、サンドイッチパネルの幅の１／２以上とすることが好ましい。サンドイッチパネルの幅の１／２以下だと、摩擦が十分取れず、移動する可能性があるからである。最適な幅は、サンドイッチパネルの１．１〜１．６倍である。本範囲だと、多少サンドイッチパネルが移動してもバックアップ的に大きな摩擦抵抗を維持できるからである。また、移動したかどうかの判定をするために。粘着テープに目盛りや目印を入れておくことも好ましい実施態様の一つである。 Moreover, it is preferable that the width | variety of an adhesive tape shall be 1/2 or more of the width | variety of a sandwich panel. This is because if the width is less than 1/2 of the width of the sandwich panel, there is a possibility that the friction is not sufficient and the sandwich panel moves. The optimum width is 1.1 to 1.6 times that of the sandwich panel. This is because, within this range, even if the sandwich panel moves somewhat, a large frictional resistance can be maintained as a backup. Also, to determine whether it has moved. It is also a preferred embodiment to put a scale or a mark on the adhesive tape.
もう一つの好ましい増摩擦材（６）として、ＦＲＰよりも柔らかいゴムシートがある。ゴムシートとは、天然ゴムやフッソゴム、ウレタンゴム、シリコンゴムなどの合成ゴムをシート状に加工した物で、粘着テープ同様、支点に巻き付けたり、支点とサンドイッチパネルの支点と接触する箇所に一枚以上挿入する。枚数は、ゴムシートの厚みにもよるが、サンドイッチパネルが支点間で無負荷状態でグラグラしない枚数とすることが好ましい。 Another preferred friction increasing material (6) is a rubber sheet that is softer than FRP. A rubber sheet is a sheet of synthetic rubber such as natural rubber, fluorine rubber, urethane rubber, or silicon rubber that is processed into a sheet shape. Like an adhesive tape, it is wrapped around a fulcrum or placed on a point where it touches the fulcrum of the sandwich panel. Insert more. Although the number of sheets depends on the thickness of the rubber sheet, it is preferable to set the number of sheets so that the sandwich panel does not wobble in an unloaded state between the fulcrums.
ゴムシートの選定の指標としては、タイプＡデュロメータで測定される硬度が、３０〜９０の範囲内であることが好ましい。本範囲以下では、ゴムが疲労試験中に破断する可能性があり、これ以上であると、ＦＲＰを損傷させる可能性があるからである。タイプＡデュロメータで測定される硬度が、４０〜６０の範囲内であるとさらに好ましい。また、ゴムシートは、布帛で強化した布入りゴムシートであっても、非強化であっても差し支えない。また、ゴムシートと上記した粘着シートを併用することも好ましい実施態様の一つである。 As an index for selecting a rubber sheet, the hardness measured with a type A durometer is preferably in the range of 30 to 90. If it is below this range, rubber may break during the fatigue test, and if it exceeds this range, FRP may be damaged. More preferably, the hardness measured with a Type A durometer is in the range of 40-60. The rubber sheet may be a cloth-reinforced rubber sheet reinforced with a cloth, or may be non-reinforced. Moreover, it is also one of the preferable embodiments to use a rubber sheet and the above-mentioned pressure-sensitive adhesive sheet in combination.
なお、支点（４）の構造に関し、サンドイッチパネル（２）と支点（４）との摩擦抵抗を増大させた場合、サンドイッチパネルの動きが拘束されてしまうため、サンドイッチパネルの変形が大きくなると単純な曲げ荷重以外の負荷が発生する可能性がある。これを解消するために、サンプルを支持する治具の支点部分を、図５に示すように、回転自由なローラー（７）とすることも好ましい一実施態様である。これにより、サンドイッチパネルが大変形しても、曲げ疲労強度を正しく評価することが可能となる。なお、両側の支点のローラー（７）を自由に回転させることが望ましいが、サンプルが左右に移動する場合は片側のみでもよい。 In addition, regarding the structure of the fulcrum (4), when the frictional resistance between the sandwich panel (2) and the fulcrum (4) is increased, the movement of the sandwich panel is constrained. A load other than a bending load may occur. In order to solve this problem, it is also a preferred embodiment that the fulcrum portion of the jig supporting the sample is a freely rotatable roller (7) as shown in FIG. Thereby, even if the sandwich panel is largely deformed, it is possible to correctly evaluate the bending fatigue strength. In addition, although it is desirable to rotate the roller (7) of the fulcrum of both sides freely, when a sample moves to right and left, only one side may be sufficient.
以上、最も好ましい実施態様を、３層構造のサンドイッチパネルの３点曲げの疲労試験で説明したが、軽量サンドイッチパネルは、３層以上のサンドイッチパネル、あるいは、非対称構成のサンドイッチパネルにも適用が可能である。また、4点曲げの曲げ疲労試験にも上述した技術を適用することも本発明の範囲内である。4点曲げは図６に示した治具を用い、サンドイッチパネル（２）を2つの支点で支え、両支点間を3等分する点でさらに2つの支点と接触させてサンドイッチパネルに荷重をかける。 Although the most preferred embodiment has been described in the three-point bending fatigue test of a sandwich panel having a three-layer structure, the lightweight sandwich panel can be applied to a sandwich panel having three or more layers or an asymmetrical sandwich panel. It is. It is also within the scope of the present invention to apply the above-described technique to a four-point bending fatigue test. Four-point bending uses the jig shown in Fig. 6 and supports the sandwich panel (2) with two fulcrums, and then places the load on the sandwich panel by bringing the two fulcrums into contact with the two fulcrums. .
増摩擦材（６）は、全ての支点とサンドイッチパネルの間に配しても、一部の支点に配してもよく、増摩擦材（６）の種類は１種類でも、２種類以上を組み合わせても差し支えない。また、増摩擦材（６）は、繰り返し使用しても、試験毎に取り替えても差し支えない。また、増摩擦材に、絶縁や電気伝導性、断熱、伝熱、振動減衰などの機能を付加しても差し支えない。 The friction-increasing material (6) may be disposed between all fulcrums and sandwich panels, or may be disposed at a part of the fulcrum. The type of the friction-increasing material (6) may be one type or two or more types. They can be combined. Further, the friction-increasing material (6) can be used repeatedly or replaced for each test. In addition, functions such as insulation, electrical conductivity, heat insulation, heat transfer, and vibration damping may be added to the friction-increasing material.
本発明のサンドイッチパネルの試験方法は、上述のようなモデル構成の試料に対して適用し、自動車やスポーツ用具などの軽量性が重要視される部材の設計に用いる疲労データを採取することができるが、実際の部材に対して適用する場合でも、上記した技術を適用することは可能である。すなわち、軽量サンドイッチパネル製の自動車ルーフやドアパネルの耐久性試験において、部材が振動などで移動して、位置が定まらない場合、本発明の増摩擦材（６）をサンドイッチパネルに取り付けて疲労試験を行うと、確実に疲労試験を完遂することが可能となる。 The sandwich panel test method of the present invention can be applied to a sample having the above-described model structure, and can collect fatigue data used for designing a member such as an automobile or a sporting device in which lightness is important. However, the above-described technique can be applied even when applied to an actual member. That is, in a durability test of a lightweight sandwich panel made of an automobile roof or door panel, if the member moves due to vibration or the like and the position cannot be determined, the friction increasing material (6) of the present invention is attached to the sandwich panel and the fatigue test is performed. When done, it is possible to reliably complete the fatigue test.
実施例１
厚さ１０ｍｍの独立発泡ポリイミドフォーム材（“ロハセル”（登録商標）−Ｐ７５）製コア（比重０．０７）の上下を、東レ社製Ｐ３０５２Ｓ−２０プリプレグ（比重１．６、炭素繊維の弾性率は２３５ＧＰａ、強度５ＧＰａ、樹脂はエポキシ樹脂）で、コアの上下面をそれぞれ、２枚で覆った後、オートクレーブ中にて、３気圧下で、１３０℃×２時間かけてプリプレグを硬化させて、９点の平均厚さが１０．４ｍｍ（最大厚さ１０．７ｍｍ、最小厚さ１０．０ｍｍ）のサンドイッチパネル（３５０ｍｍ×３５０ｍｍ）を得た。スキンの硬度（Ａタイプデュロメータ使用）は、９５以上であった。
本サンドイッチパネルから、ダイヤモンドカッッターを用いて、幅２５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの曲げ疲労試験用サンドイッチパネルを切り出し、スパン２００ｍｍで図４に示す３点曲げ疲労試験した。支点のＲ（丸み半径は１０ｍｍ）、増摩擦材として、中央の支点とサンドイッチパネルの間に、“テフロン（登録商標）”ゴムシート（厚さ１ｍｍ、幅３０ｍｍ、Ａタイプデュロメータによる硬度は４０）を挿入した。試験機は、島津“サーボパルサー”（登録商標）：ＥＨＦ−ＦＢ０５−１０ＬＷ／コントローラー４８２５で、最大荷重は破壊荷重の６０％、最小荷重は、破壊荷重の６％、振動数は１ヘルツとした。
サンドイッチパネルは脱落することなく、試験機は１１６日間連続して動き続け、１０００００００回の疲労試験を無事完了し、試験終了後のサンドイッチパネルの移動量は１ｍｍ以下であった。
比較例１
実施例１と同一のサンドイッチパネルから、実施例１と同じサイズのサンドイッチパネルを切り出し、テフロン（登録商標）ゴムシートを用いなかった以外は、実施例１と同じ試験条件で３点曲げ疲労試験を開始したところ、２５００回でサンドイッチパネルが、回転移動していることが目視で認められ、試験機を停止して、サンドイッチパネルを元の位置に戻して試験を継続したところ、５２００回でやはり、回転移動していることが目視で観察でき、再び試験器を停止させて、サンドイッチパネルの上下を入れ替えて、はじめから（サイクル数をゼロと仮定して）試験を再開した。１２０００回を過ぎて、サンドッチパネルは移動を開始し、放置しておくと１２７５５７回で、サンドイッチパネルは破壊して、試験機が停止したが、サンドイッチパネルは左側に移動して治具から脱落しており、はたして、本データが正確なデータがどうか判断できない状況に陥った。
実施例２
厚さ１０ｍｍの独立発泡アクリルフォーム材（積水化学社製 “フォーマック”（登録商標）♯１０００）製コア（比重０．１）の上下に東レ社製炭素繊維クロスＣＯ６３４３Ｂ（炭素繊維の弾性率は２３５ＧＰａ、強度は３．６ＧＰａ）を２層ずつ配置し、コアと炭素繊維クロスをバッグしてバッグ内を真空圧にした後に、液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤を混合したものを注入してオーブン内にて９０℃×４０分の熱を加えて硬化させた（ＶａＲＴＭ：Ｖａｃｕｕｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ、真空圧を用いたＲＴＭ成形法）。硬化後のサンドイッチパネル（サイズ４００ｍｍ×７００ｍｍ）は、５７点の平均厚さが１１．３ｍｍ（最大厚さ１１．4ｍｍ、最小厚さ１１．１ｍｍ）、スキンの硬度は、Aタイプデュロメータの測定で９５以上であった。
本サンドイッチパネルから、ダイアモンドカッターを用いて、幅２２ｍｍ、長さ２００ｍｍの曲げ疲労試験用サンドイッチパネルを切り出し、スパン１２０ｍｍで４点曲げ疲労試験を行った。支点のRは１２．５ｍｍとし、荷重側の支点はスパンを３等分する点に配置した（図５参照）。試験機は、島津“サーボパルサー”（登録商標）：ＥＨＦ−ＦＢ０５−１０ＬＷ／コントローラー４８２５とした。
増摩擦材としては支持側の支点に寺岡製作所の汎用両面テープＮｏ．７５１を使用した。ｎｏ．７５１は不織布の基材にアクリル系の粘着材を使用したもので、テープ厚さ０．１６ｍｍ、粘着力は６．１９Ｎ／１０ｍｍ、（寺岡製作所の公表データ、ＪＩＳＺ２０７３−２０００で測定した）である。両面テープの幅は３０ｍｍとした。なお、粘着テープの硬度は、テープを４０枚重ねて測定したところ５１であった。
さらに、支点のローラーは治具にボルトで固定するようになっていたが、ローラーが自由に回転できるようにボルトを緩めた。
荷重は、最大荷重が破壊荷重の４０％、最小荷重は破壊荷重の４％、振動数は1１ヘルツとした。試験機は１１日間動きつづけ、１０００００００回の疲労試験を完了し、試験終了後のサンドイッチパネルの移動量は１ｍｍ以下であった。
比較例２
実施例２において、支持点の増摩擦材である粘着テープを使用なかった以外は、実施例２と全く同様にして、サンドイッチパネルを疲労試験した結果、サイクル数１０００でサンプルが左側に４０ｍｍ以上移動して脱落し、試験機が停止した。脱落したサンプルは全く損傷していなかった。
比較例３
実施例１において、“テフロン（登録商標）”ゴムシートの代わりに、スキンと支点の間の摩擦係数を増加させる目的で、サンドイッチパネルのスキン中央に、深さ０．１ｍｍのグルーブを金ノコで形成し、実施例１と同一の試験条件で３点曲げ疲労試験したところ、サンドイッチパネルは移動しなかったが、わずか６５０回でスキンがグルーブ部分から破断した。念のため、深さ０．１ｍｍのグルーブを有するサンドイッチパネルを静的３点曲げ試験したところ、静的破壊荷重は、グルーブが無い場合の２／３に低下していることが判明した。
Example 1
Up and down the core (specific gravity 0.07) made of an independently foamed polyimide foam material ("Rohacell" (registered trademark) -P75) with a thickness of 10 mm, P3052S-20 prepreg (specific gravity 1.6, carbon fiber elastic modulus) manufactured by Toray Industries, Inc. Is 235 GPa,
From this sandwich panel, using a diamond cutter, a sandwich panel for bending fatigue test having a width of 25 mm and a length of 250 mm was cut out and subjected to a three-point bending fatigue test shown in FIG. 4 with a span of 200 mm. R of fulcrum (round radius is 10mm), as a friction-increasing material, "Teflon (registered trademark)" rubber sheet (thickness 1mm, width 30mm, hardness by A type durometer is 40) between center fulcrum and sandwich panel Inserted. The tester was Shimadzu “Servo Pulsar” (registered trademark): EHF-FB05-10LW / controller 4825, the maximum load was 60% of the breaking load, the minimum load was 6% of the breaking load, and the frequency was 1 hertz. .
The sandwich panel did not fall off, and the testing machine continued to run for 116 days. The fatigue test of 10000000 times was completed successfully, and the amount of movement of the sandwich panel after the test was 1 mm or less.
Comparative Example 1
A three-point bending fatigue test was performed under the same test conditions as in Example 1 except that a sandwich panel of the same size as in Example 1 was cut out from the same sandwich panel as in Example 1 and no Teflon (registered trademark) rubber sheet was used. When it was started, it was visually confirmed that the sandwich panel was rotating at 2500 times, the tester was stopped, the sandwich panel was returned to its original position, and the test was continued. The rotational movement could be visually observed, the tester was stopped again, the top and bottom of the sandwich panel were switched, and the test was restarted from the beginning (assuming the number of cycles was zero). After 12000 times, the Sandwich panel started to move and if left unattended, it was 127557 times. The sandwich panel was destroyed and the testing machine stopped, but the sandwich panel moved to the left and dropped out of the jig. As a result, this data has fallen into a situation where it cannot be determined whether the data is accurate.
Example 2
Carbon fiber cloth CO6343B (carbon fiber elastic modulus of Toray Co., Ltd.) above and below the core (specific gravity 0.1) made of 10 mm thick independently foamed acrylic foam material (“Formac” (registered trademark) # 1000 manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) 235GPa, strength is 3.6GPa) 2 layers each, the core and carbon fiber cloth are bagged, the inside of the bag is vacuumed, and then liquid bisphenol A type epoxy resin and acid anhydride curing agent are mixed And heated in an oven at 90 ° C. for 40 minutes (VaRTM: Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, RTM molding method using vacuum pressure). The cured sandwich panel (size: 400 mm x 700 mm) has an average thickness of 57 points of 11.3 mm (maximum thickness of 11.4 mm, minimum thickness of 11.1 mm), and the skin hardness is measured with an A-type durometer. It was 95 or more.
A sandwich fatigue test panel having a width of 22 mm and a length of 200 mm was cut out from the sandwich panel using a diamond cutter, and a four-point bending fatigue test was performed with a span of 120 mm. The fulcrum R was 12.5 mm, and the fulcrum on the load side was arranged at a point dividing the span into three equal parts (see FIG. 5). The tester was a Shimadzu “Servo Pulsar” (registered trademark): EHF-FB05-10LW / controller 4825.
As a friction-increasing material, general-purpose double-sided tape No. 751 was used. no. No. 751 uses an acrylic adhesive material for the base material of the nonwoven fabric, the tape thickness is 0.16 mm, and the adhesive strength is 6.19 N / 10 mm (published by Teraoka Seisakusho, measured by JISZ2073-2000). . The width of the double-sided tape was 30 mm. The hardness of the adhesive tape was 51 when 40 tapes were measured.
Furthermore, the fulcrum roller was fixed to the jig with a bolt, but the bolt was loosened so that the roller could rotate freely.
As for the load, the maximum load was 40% of the breaking load, the minimum load was 4% of the breaking load, and the frequency was 11 hertz. The testing machine continued to move for 11 days, completed 10000000 fatigue tests, and the amount of movement of the sandwich panel after the test was 1 mm or less.
Comparative Example 2
In Example 2, the sandwich panel was subjected to a fatigue test in the same manner as in Example 2 except that the adhesive tape as a friction increasing material at the support point was not used. And then the testing machine stopped. The dropped sample was not damaged at all.
Comparative Example 3
In Example 1, instead of the “Teflon (registered trademark)” rubber sheet, a groove having a depth of 0.1 mm is formed with a gold saw in the center of the skin of the sandwich panel in order to increase the coefficient of friction between the skin and the fulcrum. When formed and subjected to a three-point bending fatigue test under the same test conditions as in Example 1, the sandwich panel did not move, but the skin broke from the groove portion only 650 times. As a precaution, when a sandwich panel having a groove with a depth of 0.1 mm was subjected to a static three-point bending test, it was found that the static breaking load was reduced to 2/3 of the case without the groove.
１：サンドイッチパネル
２：ＦＲＰ製スキン
３：コア
４：支点
５：治具
６：増摩擦材
７：回転ローラー
８：スパン
1: Sandwich panel 2: FRP skin 3: Core
4: Support point 5: Jig 6: Increased friction material 7: Rotating roller 8: Span
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