JP2010101782A - 非主軸複合材の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法 - Google Patents
非主軸複合材の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010101782A JP2010101782A JP2008274188A JP2008274188A JP2010101782A JP 2010101782 A JP2010101782 A JP 2010101782A JP 2008274188 A JP2008274188 A JP 2008274188A JP 2008274188 A JP2008274188 A JP 2008274188A JP 2010101782 A JP2010101782 A JP 2010101782A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- test
- test piece
- compression
- tensile
- gripping
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
【解決手段】試験片を押圧・固定する掴み歯10の掴み方向に平行な軸10aをラジアルベアリング40とスラストベアリング50によって受ける機構とする。また、楔形本体の上端部に、試験片の中心軸と掴み歯10の中心軸を一致させる軸芯調整ガイド30を配設する。
【選択図】図1
Description
例えば、非主軸の引張試験においては、一般に試験片の端部が試験機のグリップ(掴み具)で固定されるため、荷重軸方向とそれに垂直な方向の変形、及びせん断変形が拘束される。その結果、試験片の固定部に応力集中が発生すると共に、試験片全体にせん断応力、及び曲げモーメントが加わり、供試材料の評定箇所に不均一な応力場、又はひずみ場が生じる。このような不均一性は、供試材料の弾性常数、及び強度特性の正確な測定に影響を与える。そのため実際に非主軸試験を実施する場合には、試験片の評定箇所の応力状態を一様分布にすると共に、試験片の固定部近傍の応力集中を低減するための工夫が別途必要となる。
非主軸試験についての上記応力集中を低減する対処方法としては、(1)試験片のアスペクト比を大きくすること、(2)テーパーの長いタブを選択すること、(3)タブの材質をソフト化することなどが試みられてきたが、それらの効果は限定的であった。その他の興味深いアイディアとしては、せん断変形容認型およびせん断変形防止型の二つの方式が検討されている。前者の方式は、試験片つかみ部に生ずる回転変位を解放することを狙いとしており、図10に示すようなピン式回転グリップの提案が代表例である(例えば、特許文献1を参照。)。Changら(非特許文献1を参照。)、PinderaとHerakovich(非特許文献2を参照。)及びCronら(非特許文献3を参照。)は、この方式を原案として改良設計を行い、端部の応力集中の影響を最小化することが可能であることを実験的に検証した。後者の方式として、SunとChung(非特許文献4を参照。)はせん断変形の対抗原理を利用した角度付タブ(oblique-tab)を提案し、これによって端部拘束の影響が緩和できることを指摘した。これら二つの方式の有効性を直接対比した報告は見当たらないが、いずれの方式も工学的には共通の効果があることは一般に認められている。
ところで、最近、TsaiとSun(非特許文献5)はせん断カップリングを解放するために、図11に示すような自動調芯装置を用いた非主軸の圧縮試験の実施例を報告した。
しかし、この試験方法は、圧縮試験のみに適用するものである。従って、現在までのところ、一つの試験機で、剪断カップリングを解放しながら、引張試験と圧縮試験の両負荷様式に兼用できる試験方法は見当たらない。
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その解決しようとする課題は、従来の試験方法において問題となる(1)試験片の端部拘束における応力集中の影響を緩和し、(2)試験片の評定箇所における応力又はひずみ分布の一様性を確保し、(3)一つの試験治具で引張試験および圧縮試験という負荷方向の異なる両様式へ適用することが可能な引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法を提供することである。
前記掴み歯は、前記試験片に当接するインターフェイス面の法線方向に一致する軸に結合され、且つ該軸はラジアル方向およびスラスト方向に対し回転自由に支持されていることを特徴とする。
上記引張・圧縮試験用の試験片掴み装置では、試験片の端部を掴むインターフェイス面の軸がラジアル方向およびスラスト方向に対し回転自由に支持されているため、試験片の端部における荷重軸方向とそれに垂直な方向、及びせん断方向の各拘束状態が緩和されるようになる。また、軸をラジアル方向およびスラスト方向に回転自由に支持する手段としては、後述する一組のアキシャルとラジアル荷重の両方向に負荷できるベアリングによって実現することが出来る。これにより、試験片の端部拘束における応力集中の影響を緩和し、同一の掴み装置で引張試験および圧縮試験という負荷方向の異なる両様式へ適用することが可能となる。更に、詳細については後述するが、引張試験および圧縮試験において試験片の評定箇所における応力又はひずみ分布の一様性を確保することが可能となる。
上記引張・圧縮試験用の試験片掴み装置では、例えば、一方向複合材の非主軸の引張試験および圧縮試験を実施する際に、試験片の掴み装置を試験毎に取り替える作業が不要となる。
上記引張・圧縮試験用の試験片掴み装置では、試験片を当接するインターフェイスが円板状であるから、試験片の端部拘束面を小さくし、上記ラジアル及びスラスト方向に対する回転自由の効果と相俟って試験片の端部拘束における応力集中の影響を好適に緩和することが出来るようになる。
上記引張・圧縮試験用の試験片掴み装置では、上記軸芯調整ガイドを導入することにより、掴み装置(インターフェイス)と試験片における中心軸の偏心による悪影響を排除し、試験片の評定部における応力−ひずみ特性の評価精度を高めることが可能となる。
上記引張・圧縮試験の試験方法では、上記試験片掴み装置を使用して試験が実施されるため、試験片の端部拘束における応力集中の影響が好適に緩和され、試験片の評定箇所における応力又はひずみ分布の一様性を確保することが可能となる。
従来のピン式回転グリップ治具は、引張試験用としてクレビスグリップ(clevis grip)構造を基に設計されているため、圧縮試験に転用するのは困難である。その上、機構が複雑で、部品数も多く製造コストが高いという欠点を有している。それに対し、本発明の試験片掴み装置は、以下の利点を有する。
(1)既存の装置に自動調芯ベアリングを追加するだけの簡素な機構である。
(2)一つの掴み装置で引張試験と圧縮試験が実施可能である。
(3)試験片を試験機に取り付ける際の調整作業が容易となる。
従って、本発明の試験片掴み装置で引張・圧縮の非主軸試験への適用が可能であるため、材料評価試験の合理化促進や試験コストの削減に大きく寄与する。
本発明の回転グリップ装置100は、従来の油圧グリップ試験機に適用されることを前提とし、試験片を「つかみ方向」と「負荷方向」の両方に対し自由に回転させることが出来るように、いわゆる「Jaw Face」と呼ばれる楔形チャック部品にラジアルベアリング及びスラストベアリングを組み込んだものである。
従って、その構成は、両側から試験片を押圧・固定する掴み歯10と、掴み歯10を収容する楔形本体20と、掴み歯10の中心軸と試験片の中心軸とを一致させる軸芯調整ガイド30と、荷重方向(負荷方向)に軸を受けるラジアルベアリング40と、負荷方向と直交する方向(つかみ方向)に軸を受けるスラストベアリング50とを具備して構成されている。
また軸芯調整ガイド30は、切欠き部(スリット)30aを有し、ボルト30bによって楔形本体20の上端部に固定されている。従って、ボルト30bを緩め、軸芯調整ガイド30をスライドさせることにより、試験片の中心軸を掴み歯10の中心軸に一致させることが容易に出来る。
試験片1は試験片タブ2を介して一対の回転グリップ装置100,100によって押圧・固定される。従って、本発明の回転グリップ装置100を使用しての圧縮試験は、試験片端部を直接圧縮するのではなく、引張試験のように端部掴み具(回転グリップ装置100)からせん断によって圧縮荷重を試験片1に負荷させるものである。
従来の引張試験用治具、例えばピン式回転グリップ治具は、クレビスグリップ(Clevis grip)構造を基に設計されているため圧縮試験に転用することは困難である。それに対して、本発明の回転グリップ装置100を掴み具とした油圧グリップ試験機は、同一の掴み具で引張試験と圧縮試験の両方の試験が実施可能である。また、回転グリップ装置100の上端部には、軸芯調整ガイド30が設けられているため、試験片1を油圧グリップへ取り付ける調整作業が容易となる。
ここで、非主軸試験片は、図4に示す荷重方向と繊維配向角がθ=15°、45°となる2種類の短冊形試験片である。試験片の両端には、厚さ2.0mmのGFRP製タブをエポキシ系接着剤で貼り付けた。
応力集中の緩和効果について以下に記す。
試験片評定部におけるひずみ場の均一性に与える端部グリップ形式の違いによる影響を調べるために、15°非主軸試験片を用いて引張試験を行った。図6の挿入図に示すように、試験片ゲージ部の中央部(C)と端部近傍(R,L)にひずみゲージを貼付し、試験片軸に平行なひずみを測定した。
図6は、各種の端部グリップについて、比較的低い荷重段階に対するひずみ測定結果を示している。対応する端部グリップ形式は、(a)完全固定端部グリップ、(b)本発明に係る回転端部グリップである。図6(a)に示す完全固定端部グリップに対しては、試験片中央と端部におけるひずみが大きく異なっていることが認められる。図6(b)については、応力集中が顕著に緩和されること、両者間に大きな差のないことがわかる。これらの結果から、本試験で用いた回転端部グリップ(b)(本発明の回転グリップ装置100)は、試験片評定部のひずみ状態の均一化に対して、従来のピン式回転グリップ方法と同等の効果を発揮することがわかる。
せん断特性の評価に対して端部グリップの違いによる影響を比較するため、15°、45°非主軸試験片を用いて引張試験と圧縮試験を行った。取得したせん断応力ーせん断ひずみ曲線の代表例をそれぞれ図7(引張)と図8(圧縮)に示す。本試験では、45°非主軸圧縮試験片が規定した測定範囲で破壊が起こらない場合も観察された。その場合面内せん断強度は、±45°積層板引張試験法(JIS K 7019)に準じて、せん断ひずみγ12=5%の時点におけるせん断応力値で代用した。なお、せん断応力、ひずみ及びせん断弾性率の求め方については、下記を参照。
非主軸状態下での応力、ひずみを実験的に決定するために、図4に示すように試験片中央部に3軸ロゼットひずみゲージを取り付けることが必要である。図に示すように材料の主軸を基準とした座標系1-2での応力状態は、
[σ1,σ2,σ3]t=σx×[m2,n2,−mn]t ・・・ (C-1)
で変換することができる。ここで、m=cosθ,n=sinθである。従って、せん断応力は、
σ12=−σxsin2θ,(θ<0) ・・・ (C-2)
となる。せん断ひずみは次の式で与える。
γ12=(εy−εx)sin2θ+γxycos2θ ・・・ (C-3)
ここで、図4に示すように3ゲージからなるロゼットひずみゲージの位置に対応して、ひずみを求める。
εx=εg1,εy=εg2,γxy=2εg3−εg1−εg2 ・・・ (C-4)
なお、45°試験片の場合、せん断ひずみは式(C-3)から、
γ12=εx−εy ・・・ (C-5)
となる。すなわち、ひずみ測定が2軸ロゼットひずみゲージで可能である。
最後に、面内せん断弾性率は次のように求められる。
G12=σ12/γ12 ・・・ (C-6)
さらに実際せん断応力−ひずみ曲線からせん断弾性率を算出する際に、すべてのデータは初期ひずみ0.1%〜0.5%範囲内での勾配で求めている。
この図を見ると、非主軸角度の違いに拘わらず、せん断応答が端部グリップ方式に依存して大きく異なることがわかる。この相違の程度は引張試験に対して見られた相違の程度よりも大きい。また、繊維配向角に拘わらず、回転端部グリップを用いた場合のせん断強度が高くなっており、このことは回転端部グリップにより評定間の不均質変形や座屈の影響が抑制されていることを示している。
以上の考察から、本発明の回転端部グリップを用いることにより、一方向強化材の非主軸引張と圧縮特性を精度よく効率的に評価することが出来る。
(1)非主軸試験片の応力分布に及ぼす端部拘束の影響を既存の端部グリップ方式と比較したところ、本発明の回転端部方式は優れていることが判明した。
(2)本発明の回転グリップ装置100は、引張と圧縮のいずれに対してもせん断応力ーせん断ひずみ応答の測定に改善効果が見られた。
(3)本発明の回転グリップ装置100を使用することにより、同一のグリップ装置で引張試験と圧縮試験を行うことができ、試験評価の合理化促進や試験コストの削減に大きく寄与する。
2 試験片タブ
3 油圧グリップ本体
4 油圧駆動装置
10 掴み歯
20 楔形本体
30 軸芯調整ガイド
40 ラジアルベアリング
50 スラストベアリング
100 回転グリップ装置
Claims (5)
- 対向する掴み歯のペアによって両側から試験片の端部を押圧・固定する試験片掴み装置であって、
前記掴み歯は、前記試験片に当接するインターフェイス面の法線方向に一致する軸に結合され、且つ該軸はラジアル方向およびスラスト方向に対し回転自由に支持されていることを特徴とする引張・圧縮試験用の試験片掴み装置。 - 試験機本体に対する同一の取り付け形態で引張試験および圧縮試験の双方に適用することが出来る請求項1に記載の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置。
- 前記掴み歯は、前記試験片を押圧・固定する円板状インターフェイスを有する請求項1又は2に記載の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置。
- 荷重方向に対する前記試験片の中心軸と前記掴み歯の中心軸を一致させる軸芯調整ガイドを備える請求項1又は2に記載の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置。
- 請求項1から4の何れかに記載の前記試験片掴み装置のペアによって試験片の一方の端部を押圧・固定し、且つ前記試験片の他方の端部を別の前記試験片掴み装置のペアによって押圧・固定しながら、前記掴み歯のせん断作用によって前記試験片に引張荷重または圧縮荷重を加える引張・圧縮試験の試験方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008274188A JP5177541B2 (ja) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | 非主軸複合材の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008274188A JP5177541B2 (ja) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | 非主軸複合材の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010101782A true JP2010101782A (ja) | 2010-05-06 |
JP5177541B2 JP5177541B2 (ja) | 2013-04-03 |
Family
ID=42292551
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008274188A Expired - Fee Related JP5177541B2 (ja) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | 非主軸複合材の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5177541B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104568576A (zh) * | 2013-10-10 | 2015-04-29 | 贵州大学 | 一种对金属材料进行力学性能实验的夹持方法 |
JP2017166232A (ja) * | 2016-03-16 | 2017-09-21 | 住友重機械工業株式会社 | ショベル |
CN108489811A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-09-04 | 哈尔滨工业大学(威海) | 多向自动等比例拉伸或压缩装置 |
CN112557182A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-26 | 上海若顺检测技术有限公司 | 一种用于复合材料开孔拉伸压缩疲劳试验的防失稳夹具 |
CN114112681A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-01 | 合肥工业大学 | 一种压缩实验综合装置和实验方法 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6047941A (ja) * | 1983-08-26 | 1985-03-15 | Agency Of Ind Science & Technol | 引張り試験掴み具 |
JPS6196355U (ja) * | 1984-11-29 | 1986-06-20 | ||
JPS6258136A (ja) * | 1985-09-09 | 1987-03-13 | Toshiba Corp | 脆性材料の強度測定装置 |
JPS635448U (ja) * | 1986-06-30 | 1988-01-14 | ||
JPS63132343U (ja) * | 1987-02-23 | 1988-08-30 | ||
JPH0352656U (ja) * | 1989-09-29 | 1991-05-22 | ||
JPH053979U (ja) * | 1991-06-28 | 1993-01-22 | 株式会社島津製作所 | 材料試験機 |
JPH09292321A (ja) * | 1996-04-30 | 1997-11-11 | Shimadzu Corp | 材料試験機 |
JP3125873U (ja) * | 2006-07-24 | 2006-10-05 | 株式会社島津製作所 | つかみ具 |
-
2008
- 2008-10-24 JP JP2008274188A patent/JP5177541B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6047941A (ja) * | 1983-08-26 | 1985-03-15 | Agency Of Ind Science & Technol | 引張り試験掴み具 |
JPS6196355U (ja) * | 1984-11-29 | 1986-06-20 | ||
JPS6258136A (ja) * | 1985-09-09 | 1987-03-13 | Toshiba Corp | 脆性材料の強度測定装置 |
JPS635448U (ja) * | 1986-06-30 | 1988-01-14 | ||
JPS63132343U (ja) * | 1987-02-23 | 1988-08-30 | ||
JPH0352656U (ja) * | 1989-09-29 | 1991-05-22 | ||
JPH053979U (ja) * | 1991-06-28 | 1993-01-22 | 株式会社島津製作所 | 材料試験機 |
JPH09292321A (ja) * | 1996-04-30 | 1997-11-11 | Shimadzu Corp | 材料試験機 |
JP3125873U (ja) * | 2006-07-24 | 2006-10-05 | 株式会社島津製作所 | つかみ具 |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104568576A (zh) * | 2013-10-10 | 2015-04-29 | 贵州大学 | 一种对金属材料进行力学性能实验的夹持方法 |
JP2017166232A (ja) * | 2016-03-16 | 2017-09-21 | 住友重機械工業株式会社 | ショベル |
CN108489811A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-09-04 | 哈尔滨工业大学(威海) | 多向自动等比例拉伸或压缩装置 |
CN108489811B (zh) * | 2018-03-29 | 2024-03-22 | 哈尔滨工业大学(威海) | 多向自动等比例拉伸或压缩装置 |
CN112557182A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-26 | 上海若顺检测技术有限公司 | 一种用于复合材料开孔拉伸压缩疲劳试验的防失稳夹具 |
CN114112681A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-01 | 合肥工业大学 | 一种压缩实验综合装置和实验方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5177541B2 (ja) | 2013-04-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5177541B2 (ja) | 非主軸複合材の引張・圧縮試験用の試験片掴み装置及びそれを用いた試験方法 | |
Häberle et al. | An improved technique for compression testing of unidirectional fibre-reinforced plastics; development and results | |
Foroutan et al. | Experimental investigation of high strain-rate behaviour of fabric composites | |
US20210123840A1 (en) | Tensile test fixture for quick testing of materials with low transverse strength | |
Magnier et al. | On the reliability of residual stress measurements in unidirectional carbon fibre reinforced epoxy composites | |
Bech et al. | A new static and fatigue compression test method for composites | |
Hao et al. | Development of Modified Arcan Fixture for biaxial loading response of fiber-reinforced composites | |
Laurin et al. | Determination of the longitudinal compressive strength of a CFRP ply through a tensile test on a laminate | |
CN110274825A (zh) | 高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法 | |
Xiao et al. | An integrated method for off-axis tension and compression testing of unidirectional composites | |
Kawabata | Micromeasurement of the Mechanical Properties of Single Fibers | |
Wegner et al. | Verification of the combined load compression (CLC) test method | |
Grediac | Four-point bending tests on off-axis composites | |
Joyce et al. | Compression strength reduction in composites with in-plane fiber waviness | |
Pettersson et al. | A tensile setup for the IDNS composite shear test | |
Broughton | Through-thickness testing | |
Wang et al. | Improved testing method for the compressive strength of single fiber | |
Kumazawa et al. | Mechanical properties of coated plain weave fabrics under biaxial loads | |
Casapu et al. | Off-axis response and shear characterization of unidirectional ply-level hybrid carbon-fiber-reinforced polymer materials | |
Merzkirch | V-Notched Specimen Testing | |
Ganesan | Experimental characterization of interlaminar shear strength | |
Kreider | Mechanical testing of metal matrix composites | |
Sharif et al. | Shear Properties of Woven and Chopped Strand Mat Laminated Composite by Arcan Test Method | |
Laurin et al. | Determination of the longitudinal compressive strength of ud plies considering different classical and innovative tests | |
Feraboli et al. | In search of the true interlaminar shear strength |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20111019 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120920 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120926 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121122 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121212 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121226 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |