JP2009222655A - 材料試験機および材料試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数の変化に試験周波数を追従させる。
【解決手段】試験体１の共振周波数ｆａに相当する基準周波数ｆで試験体１を加振し、その試験体１の加速度振幅Ａ２を検出するとともに、試験周波数Ｆを基準周波数ｆに対して所定の周期Ｔで変動させ、試験周波数Ｆを変動させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、その変動後の試験周波数Ｆ（＝ｆ＋Δｆ１またはｆ−Δｆ２９に基準周波数ｆを変更する。
【選択図】図３

Description

本発明は、試験体に共振周波数の試験力を負荷する材料試験機および材料試験方法に関する。

試験体を所定周波数で加振した際に部分共振が発生して破壊に至ることがある。そのため、従来より、共振周波数で試験体を加振して疲労試験を行う試験機が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の試験機では、試験体の動的歪みを歪みゲージにより検出し、この歪み検出値により試験体の共振周波数を求め、所定の共振周波数の下で試験を行う。

特開昭６３−１７７０３７号公報

ところで、試験体を繰り返し加振すると、クラックなどの影響により試験体の共振周波数が変化することがある。しかしながら、上記特許文献１記載のものは、共振周波数が変化した際に、その変化に追従して試験を行うことが困難であった。

本発明による材料試験機は、試験体の共振周波数に相当する基準周波数で試験体を加振する加振手段と、試験体の加速度振幅を検出する加速度検出手段と、加振手段による試験周波数を基準周波数に対して所定の周期で変動させる周波数変動手段と、周波数変動手段により試験周波数を変動させた際の加速度検出手段による検出結果に基づき、基準周波数を変更する変更手段とを備えることを特徴とする。
試験周波数を所定量変動させた際に加速度振幅が増大すると、その変動後の試験周波数に基準周波数を変更することもできる。
この場合、試験周波数を基準周波数よりも所定量増加させた際に加速度振幅が増大しないときは、試験周波数を基準周波数に戻した後、さらに試験周波数を基準周波数よりも所定量減少させ、試験周波数を所定量減少させた際に加速度振幅が増大すると、その変動後の試験周波数に基準周波数を変更することもできる。
本発明による材料試験方法は、試験体の共振周波数に相当する基準周波数で試験体を加振し、その試験体の加速度振幅を検出するとともに、試験周波数を基準周波数に対して所定の周期で変動させ、試験周波数を変動させた際に加速度振幅が増大すると、その変動後の試験周波数に基準周波数を変更することを特徴とする。

本発明によれば、試験周波数を所定の周期で変動させた際の試験体の加速度検出結果に基づき基準周波数を変更するようにしたので、共振周波数の変化に試験周波数を追従させることができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明による材料試験機の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略構成を示す図である。試験体１には加振点Ｐ１を介してアクチュエータ２により加振力が負荷され、この加振力の負荷によって共振点Ｐ２における共振周波数を検出する。アクチュエータ２は例えば高周波数で駆動可能な油圧シリンダであり、コントローラ１０からサーボバルブ３へ出力される制御信号（加振信号）によりアクチュエータ２の駆動が制御される。なお、アクチュエータ２を電磁力により駆動する電磁アクチュエータとして構成することもできる。

試験体１の加振点Ｐ１の近傍には加速度計４が装着され、加速度計４により加振点Ｐ１の加速度ａ１が検出される。共振点Ｐ２には加速度計５が装着され、加速度計５により共振点Ｐ２の加速度ａ２が検出される。加速度計４，５からの信号はコントローラ１０に入力され、この入力信号に基づき後述するように試験体１に共振周波数の加振力を負荷する。なお、以下では加速度計４，５で検出された振幅（加速度振幅）｜ａ１｜，｜ａ２｜をそれぞれＡ１、Ａ２で表す。

図２は、加振点Ｐ１に加速度振幅一定（Ａ１一定）の加振力を負荷した場合の共振点Ｐ２における加速度振幅Ａ２の変化を示す図である。加速度振幅Ａ２は、周波数ｆａのときに最大となっており、この点が共振周波数に相当する。この共振周波数ｆａは試験体１に固有の値であるが、例えば疲労試験の途中で試験体１にクラックが発生したような場合には、共振周波数ｆａが途中で変化するおそれがある。この場合に周波数一定で疲労試験を行っていたのでは、共振周波数ｆａからずれた周波数で試験が行われ、所望の疲労試験結果を得ることができない。そこで、本実施の形態では、以下のように共振周波数ｆａの変化に加振信号の周波数（以下、試験周波数Ｆと呼ぶ）を追従させる。

図１に示すコントローラ１０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路を含んで構成される。コントローラ１０は、試験周波数を制御する周波数制御部１１と、加振振幅Ａを制御する振幅制御部１２を有する。

周波数制御部１１では、所定時間Ｔ毎に試験周波数を変化させて、そのときの共振点Ｐ２の加速度検出値ａ２に基づき、試験体１がその共振周波数ｆａで加振されるように試験周波数を制御する。振幅制御部１２では、共振点Ｐ２の加速度振幅Ａ２が一定の目標加速度振幅Ａ０となるように加振点Ｐ１の振幅を制御する。

コントローラ１０には設定器１３が接続され、設定器１３を介して試験条件として各種設定値が入力される。例えば、上記所定時間Ｔ、目標加速度振幅Ａ０の他、目標試験時間あるいは目標サイクル数、試験体１の初期の共振周波数ｆ０、試験周波数を変化させる場合の上げ幅Δｆ１および下げ幅Δｆ２、試験周波数の許容最大変化量Δｆｍａｘ等が設定される。なお、共振周波数ｆ０は予め実験等により求められ、目標周波数ｆの初期値としてセットされる。

図３は、コントローラ１０内のＣＰＵで実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば試験開始スイッチ（不図示）のオンによりスタートする。

ステップＳ１では、アクチュエータ２に周波数ｆ０の加振信号を出力し、試験体１が初期の共振周波数ｆ０で加振されるように加振点Ｐ１に加振力を負荷するとともに、共振点Ｐ２の加速度振幅Ａ２を目標加速度振幅Ａ０に制御する。例えば加速度振幅Ａ２が増加した場合には加振点Ｐ１の加振力を小さくして加振振幅を減少させ、加速度振幅Ａ２を目標加速度振幅Ａ０に近づける。基準周波数ｆは初期状態ではｆ０であり、この基準周波数ｆは後述の処理（ステップＳ７，ステップＳ１５など）によって変更される。

ステップＳ２では、基準周波数ｆで加振してから所定時間Ｔが経過したか否かを判定する。ステップＳ２が肯定されるとステップＳ３に進み、否定されるとステップＳ１に戻る。ステップＳ３では、フラグの値を判定する。フラグは初期状態では０であり、フラグ０と判定されるとステップＳ４に進む。ステップＳ４では、試験周波数Ｆを基準周波数ｆよりも所定量Δｆ１だけ増加させた加振信号を生成し、アクチュエータ２に出力する。

ステップＳ５では、加速度計５からの信号に基づき共振点Ｐ２の振幅Ａ２が増大したか否かを判定する。この場合、振幅Ａ２が安定するまで所定時間ΔＴ待ってから振幅Ａ２の増大を判定する。所定時間Ａ２内の振幅の平均値をとって振幅Ａ２の増大を判定してもよい。ΔＴはステップＳ２の所定時間Ｔに比べ無視できるほどの微小な時間である。ステップＳ５が肯定されるとステップＳ６に進み、基準周波数ｆから初期周波数ｆ０を減算した値、すなわち基準周波数ｆの初期状態からの変化量（ｆ−ｆ０）が許容最大変化量Δｆｍａｘより大きいか否かを判定する。ステップＳ６が肯定されるとステップＳ８に進み、否定されるとステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、現在の試験周波数Ｆ（＝ｆ＋Δｆ１）を新たに基準周波数ｆとして設定する（ｆ＝ｆ＋Δｆ１）。ステップＳ８では、試験周波数の上限を制限するため、基準周波数ｆを（ｆ０＋Δｆｍａｘ）に設定する。ステップＳ９ではフラグ０をセットし、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、試験終了か否かを判定し、否定されるとステップＳ１に戻り、肯定されると処理を終了する。

ステップＳ５で、共振点Ｐ２の振幅Ａ２が減少あるいは変化なしと判定されるとステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、フラグ１をセットし、ステップＳ１０に進む。この場合、基準周波数ｆはそのままである。

一方、ステップＳ３でフラグ１と判定されるとステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、試験周波数Ｆを基準周波数ｆよりも所定量Δｆ２だけ減少させた加振信号でアクチュエータ２を駆動する。

ステップＳ１３では、加速度計５からの信号に基づき共振点Ｐ２の振幅Ａ２が増大したか否かを判定する。この場合、ステップＳ５と同様、振幅Ａ２が安定するまで所定時間ΔＴ待ってから振幅Ａ２の増大を判定する。ステップＳ１３が肯定されるとステップＳ１４に進み、初期周波数ｆ０から基準周波数ｆを減算した値、すなわち基準周波数ｆの初期状態からの変化量（ｆ０−ｆ）が許容最大変化量Δｆｍａｘより大きいか否かを判定する。ステップＳ１４が肯定されるとステップＳ１６に進み、否定されるとステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、現在の試験周波数Ｆ（＝ｆ−Δｆ２）を基準周波数ｆとして設定する（ｆ＝ｆ−Δｆ２）。ステップＳ１６では、試験周波数の下限を制限するため、基準周波数ｆを（ｆ０−Δｆｍａｘ）に設定する。ステップＳ１７ではフラグ１をセットし、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１３で、共振点Ｐ２の振幅Ａ２が減少あるいは変化なしと判定されるとステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、フラグ０をセットし、ステップＳ１０に進む。この場合、基準周波数ｆはそのままである。

図４は、共振点Ｐ２における加速度振幅Ａ２と試験周波数Ｆの変化を示すタイムチャートである。この図４を参照して本実施の形態に係る材料試験機の主要な動作を説明する。設定器１３を介して各種試験条件を入力した後、試験開始スイッチをオンすると、アクチュエータ２は試験周波数Ｆ＝ｆ０で、すなわち初期の共振周波数ｆ０で試験体１を加振する。このとき、共振点Ｐ２の加速度振幅がＡ０となるようにアクチュエータ２の駆動が制御される（ステップＳ１）。

図４（ａ）に示すように試験開始後、所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ１）、試験周波数Ｆが所定量Δｆ１だけ増加する（ステップＳ４）。このとき、加速度振幅Ａ２が減少する場合、あるいは変化しない場合は、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から増加していないと判断できる。この場合は、試験周波数Ｆが元の値ｆ０に戻され（時点ｔ２）、繰り返しの処理において、試験体１は試験周波数ｆ０で加振される（ステップＳ１１→ステップＳ１）。

この状態から再び所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ３）、試験周波数Ｆが所定量Δｆ２だけ減少する（ステップＳ１２）。このとき、加速度振幅Ａ２が減少する場合、あるいは変化しない場合は、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から減少していないと判断できる。この場合は、試験周波数Ｆが元の値ｆ０に戻され（時点ｔ４）、繰り返しの処理において、試験体１は再度所定時間Ｔ、試験周波数Ｆ＝ｆ０で加振される（ステップＳ１８→ステップＳ１）。以降、同様の動作が繰り返される。

一方、図４（ｂ）の時点ｔ５において試験周波数Ｆを増加させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から増加したと判断できる。この場合は、基準周波数ｆが所定量Δｆ１だけ高く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔ、試験周波数Ｆ（＝ｆ０＋Δｆ１）で加振される（ステップＳ７→ステップ１）。このとき、加速度振幅Ａ２が目標加速度振幅Ａ０となるようにアクチュエータ２による加振力が制御される。

この状態から所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ６）、試験周波数Ｆがさらに所定量Δｆ１だけ増加する（ステップＳ４）。このとき、加速度振幅Ａ２が増大すると、基準周波数ｆ（＝ｆ０＋Δｆ１）が共振周波数ｆａよりも低いと判断できる。この場合は、基準周波数ｆが所定量Δｆ１だけ高く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔだけ試験周波数Ｆ（＝ｆ０＋２×Δｆ１）で加振される。

以上の動作は、試験周波数Ｆを増加させた際に振幅Ａ２が増加しなくなるまで繰り返され、振幅Ａ２が増加しなくなった後は、図４（ａ）に示したように試験周波数Ｆの増減動作が繰り返される。これにより基準周波数ｆを共振周波数ｆａに近づけることができる。なお、基準周波数ｆの上限は、所定値（ｆ０＋Δｆｍａｘ）に制限される（ステップＳ８）。

図４（ｃ）に示すように時点ｔ７で試験周波数Ｆを増加させ、基準周波数ｆ０に戻した後、時点ｔ８において試験周波数Ｆを所定量Δｆ２減少させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から減少したと判断できる。この場合は、基準周波数ｆが所定量Δｆ２だけ低く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔ、試験周波数Ｆ（＝ｆ０−Δｆ２）で加振される（ステップＳ１５→ステップ１）。このとき、加速度振幅Ａ２が目標加速度振幅Ａ０となるようにアクチュエータ２による加振力が制御される。

この状態から所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ６）、試験周波数Ｆがさらに所定量Δｆ１だけ減少する（ステップＳ１２）。このとき、加速度振幅Ａ２が増大すると、基準周波数ｆが所定量Δｆ２だけ低く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔだけ試験周波数Ｆ（＝ｆ０−２×Δｆ２）で加振される。

以上の動作は、試験周波数Ｆを減少させた際に振幅Ａ２が増加しなくなるまで繰り返され、振幅Ａ２が増加しなくなった後は、図４（ａ）に示したように試験周波数Ｆの増減動作が繰り返される。これにより基準周波数ｆを共振周波数ｆａに近づけることができる。なお、基準周波数ｆの下限は、所定値（ｆ０−Δｆｍａｘ）に制限される（ステップＳ１６）。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）所定時間Ｔ毎に試験周波数Ｆを変動させ、その際に共振点Ｐ２の振幅Ａ２が増大すると、基準周波数ｆを変更するようにした。これにより基準周波数ｆを共振周波数ｆａの変化に追従させて疲労試験を行うことができ、クラックの発生等により試験中に共振周波数ｆａが変化した場合であっても、所望の試験結果を得ることができる。
（２）試験周波数Ｆを増加および減少させて共振点Ｐ２の振幅増大を判定するので、共振周波数ｆａの種々の変化に追従できる。
（３）所定時間Ｔ毎に試験周波数Ｆを変動させるので、共振周波数ｆａの変化に早期のタイミングで追従できる。
（４）加速度振幅Ａ２が一定の目標加速度振幅Ａ０となるように加振振幅を制御するので、一定条件で試験を行うことができる。
（５）試験周波数Ｆの変動量に制限値Δｆｍａｘを設けるので、何らかの異常が発止した際に試験周波数Ｆの過大な増加および減少を避けることができる。

なお、上記実施の形態では、予め定めた所定時間Ｔ毎に試験周波数Ｆを変動させるようにしたが、疲労試験の試験時間や試験サイクル数の設定に応じて所定時間Ｔを自動的に設定するようにしてもよい。この場合、試験時間が長いほど、サイクル数が大きいほど、所定時間Ｔを長く設定すればよい。所定周期で試験周波数Ｆを変動させるのであれば、時間以外（例えばサイクル数）を基準にしてもよく、周波数変動手段としてのコントローラ１０（周波数制御部１１）の構成は上述したものに限らない。

所定時間Ｔ毎に試験周波数Ｆを所定量Δｆ１，Δｆ２増減するようにしたが、試験周波数Ｆを所定の上げ幅および下げ幅で増減するのではなく、加速度振幅Ａ２が増大しなくなるまで試験周波数Ｆを増加または減少させ、その変更後の試験周波数Ｆを基準周波数ｆとしてもよい。アクチュエータ２を用いて、共振周波数ｆａに相当する基準周波数ｆで試験体１を加振するようにしたが、加振手段の構成はこれに限らない。試験体１に加速度計４，５を装着し、試験体１の加速度振幅Ａ２を検出するようにしたが、他の構成により加速度振幅を検出してもよい。

試験周波数Ｆを所定量Δｆ１，Δｆ２変動させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、その変動後の試験周波数Ｆ（＝ｆ＋Δｆ１またはｆ−Δｆ２）に基準周波数ｆを変更するようにしたが、変動後の試験周波数に基準周波数ｆを一致させなくてもよい。すなわち、試験周波数Ｆを変動させた際の加速度計４，５の検出結果に基づき基準周波数ｆを変更するのであれば、基準周波数ｆを共振周波数ｆａの変化に追従させることができるのであり、変更手段の構成は上述したものに限らない。加速度振幅Ａ２が単に増大しただけではなく、その増大量が所定量以上のときに、基準周波数ｆを変更するようにしてもよい。

なお、試験体１の共振周波数ｆａに相当する基準周波数ｆで試験体１を加振し、その試験体１の加速度振幅Ａ２を検出するとともに、試験周波数Ｆを基準周波数ｆに対して所定の周期Ｔで変動させ、試験周波数Ｆを変動させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、その変動後の試験周波数Ｆに基準周波数ｆを変更するのであれば、材料試験方法は上述したものに限らない。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の材料試験機に限定されない。

本発明の実施の形態に係る材料試験器の概略構成を示す図。 加速度計の周波数と振幅との関係を示す図。 図１のコントローラにおける処理の一例を示すフローチャート。 動作特性の一例を示すタイムチャート。

符号の説明

１ 試験体
２ アクチュエータ
４，５ 加速度計
１０ コントローラ
１１ 周波数制御部

Claims (4)

1. 試験体の共振周波数に相当する基準周波数で試験体を加振する加振手段と、
   前記試験体の加速度振幅を検出する加速度検出手段と、
   前記加振手段による試験周波数を前記基準周波数に対して所定の周期で変動させる周波数変動手段と、
   前記周波数変動手段により試験周波数を変動させた際の前記加速度検出手段による検出結果に基づき、前記基準周波数を変更する変更手段とを備えることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記変更手段は、前記試験周波数を所定量変動させた際に前記加速度振幅が増大すると、その変動後の試験周波数に前記基準周波数を変更することを特徴とする材料試験機。
3. 請求項２に記載の材料試験機において、
   前記周波数変動手段は、前記試験周波数を前記基準周波数よりも所定量増加させた際に前記加速度振幅が増大しないときは、前記試験周波数を前記基準周波数に戻した後、さらに前記試験周波数を前記基準周波数よりも所定量減少させ、
   前記変更手段は、前記試験周波数を所定量減少させた際に前記加速度振幅が増大すると、その変動後の試験周波数に前記基準周波数を変更することを特徴とする材料試験機。
4. 試験体の共振周波数に相当する基準周波数で試験体を加振し、その試験体の加速度振幅を検出するとともに、
   試験周波数を前記基準周波数に対して所定の周期で変動させ、
   前記試験周波数を変動させた際に前記加速度振幅が増大すると、その変動後の試験周波数に前記基準周波数を変更することを特徴とする材料試験方法。

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