JP2012037322A - 衝撃試験用固定治具 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットを何ら加工することなく、ターゲットの取り付け／取り外しを簡易に行うことが可能で、且つ、従来のボルト締めによる固定と同等の試験精度を得られる衝撃試験用固定治具を提供する。
【解決手段】ターゲット４に弾丸２を衝突させてターゲット４の耐衝撃特性を試験すべく、ターゲット４を弾丸貫通部１２が形成された支持部材６に固定するための衝撃試験用固定治具１６において、支持部材６の弾丸貫通部１２周りに固定された固定枠１７と、ターゲット４を固定枠１７に押さえ付ける押さえ枠１８と、固定枠１７と押さえ枠１８に着脱自在に設けられ、固定枠１７と押さえ枠１８をクランプするクランプ治具１９とを備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットに弾丸を衝突させてターゲットの耐衝撃特性を試験すべく、ターゲットを固定するための衝撃試験用固定治具に関するものである。

材料の耐衝撃特性を取得するための衝撃試験においては、試験対象の材料で形成されたターゲットに球形状や円筒形状の弾丸を衝突させることで、材料の耐衝撃特性を取得、評価している。

ターゲットを固定する際には、ターゲットを支持するためにターゲットの前後に金属製の固定枠を配置して押さえ付ける構造を採っている。

このとき、従来はターゲットと固定枠の外周とをボルトを介して固定していた。つまり、ターゲットの周囲の複数箇所に予めボルト締めのためのボルト穴を形成しておき、このボルト穴を通じて固定枠と共にボルト締めして、ターゲットを固定していた。

G.M. Zhang, R.C. Barta, J. Zhang、「Effect of frame size, frame type, and clamping pressure on the ballistic performance of soft body armor」、SienceDirect、Composites Part B: Engineering、Volume 39、Issue 3、April 2008、P.476-489

しかし、ターゲットと固定枠の外周とをボルトを介して固定する方法では、ターゲットにボルト穴加工を施す手間が掛かり、また、ボルトの着脱を伴うターゲットの取り付け／取り外しに多大な人的コストを必要としていた。

そこで、本発明の目的は、ターゲットを何ら加工することなく、ターゲットの取り付け／取り外しを簡易に行うことが可能で、且つ、従来のボルト締めによる固定と同等の試験精度を得られる衝撃試験用固定治具を提供することにある。

前記目的を達成するために創案された本発明は、ターゲットに弾丸を衝突させて前記ターゲットの耐衝撃特性を試験すべく、前記ターゲットを弾丸貫通部が形成された支持部材に固定するための衝撃試験用固定治具において、前記支持部材の前記弾丸貫通部周りに固定された固定枠と、前記ターゲットを前記固定枠に押さえ付ける押さえ枠と、前記固定枠と前記押さえ枠に着脱自在に設けられ、前記固定枠と前記押さえ枠をクランプするクランプ治具とを備える衝撃試験用固定治具である。

前記クランプ治具は、前記固定枠と前記押さえ枠に着脱自在に設けられ、前記固定枠と前記押さえ枠を挟み込むクランプ本体と、前記クランプ本体に螺合され、前記押さえ枠を前記固定枠側に押圧するクランピングボルトとからなると良い。

前記クランピングボルトは、軸部の一部が切削されて形成された切削面を有し、前記切削面に歪みゲージが取り付けられると良い。

本発明によれば、ターゲットを何ら加工することなく、ターゲットの取り付け／取り外しを簡易に行うことが可能で、且つ、従来のボルト締めによる固定と同等の試験精度を得られる。

本発明の一実施の形態に係る衝撃試験用固定治具を備えた衝撃試験装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る衝撃試験用固定治具を示す図であり、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）はクランプ治具部分の断面図である。 クランピングボルトの一例を示す図である。 クランピングボルトの締め付けトルクと圧縮歪みの関係を示す図である。 クランピングボルトの締め付けトルクと固有振動数の関係を示す図である。 弾丸の衝突速度と残留速度の関係を示す図である。 弾丸の衝突エネルギと吸収エネルギの関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

初めに、衝撃試験装置を説明する。

図１（ａ）に示すように、衝撃試験装置１は、弾丸２を射出する射出機（図示せず）と、弾丸２の弾道を固定するガイドレール３と、ガイドレール３の射出方向先端を収容すると共に、弾丸２を衝突させるターゲット４が収容されたチャンバ５と、チャンバ５内に設けられ、ターゲット４を固定するための支持部材６と、ターゲット４を打ち抜いた弾丸２を回収するための回収材７とを主に備える。

弾丸２は、例えば、球形状や円筒形状に形成された鋼等からなる。ガイドレール３は、弾丸２が決められた弾道で射出されるように、また、弾丸２が異形状の場合にその姿勢を維持したまま射出されるように、弾丸２を拘束するものである。試験対象であるターゲット４は、耐衝撃特性を取得すべき材料で、例えば板状に形成される。

チャンバ５は、衝撃試験時にターゲット４の破片や弾丸２が外部に飛び散らないようにするためのものである。チャンバ５内には、ガイドレール３の射出方向先端側で弾丸２の速度を計測するためのレーザ速度計８が設けられており、衝突前の弾丸２の速度（衝突速度）を測定できるようになっている。

また、チャンバ５外には、衝突現象を捉えるための高速度カメラ９が配置される。チャンバ５外の複数箇所（図１では３箇所）には、高速度カメラ９による撮影のためのストロボ１０が設けられると共に、チャンバ５内には、ターゲット４の貫通側の面の映像を高速度カメラ９に反射するための鏡１１が設けられる。

この高速度カメラ９は、衝突現象の撮影の他、ターゲット４を通過した後の弾丸２の速度（残留速度）の計測に用いられる。残留速度は、高速度カメラ９によって撮影された連続写真に基づいて計算する。

支持部材６には、弾丸２を通過させるための孔状の弾丸貫通部１２が形成され、ターゲット４は、その中心が支持部材６の弾丸貫通部１２に位置するように支持部材６に固定されることが好ましい。

支持部材６は、両側を補強板１３にて補強され、弾丸２がターゲット４に打ち込まれたときの衝撃に耐えられるようになっている。補強板１３には、観察用の観察孔１４が形成されている。

回収材７の貫通側の面には鉄板１５が配置され、弾丸２が回収材７を貫通してそれよりも後方に打ち込まれないようになっている。

次に、衝撃試験用固定治具の構成を説明する。

図１（ｂ）に示すように、衝撃試験用固定治具１６は、ターゲット４に弾丸２を衝突させてターゲット４の耐衝撃特性を試験すべく、ターゲット４を弾丸貫通部１２が形成された支持部材６の貫通側に固定するためのものである。

具体的には、支持部材６の弾丸貫通部１２周りに固定された衝突側の固定枠１７と、ターゲット４を固定枠１７に押さえ付ける貫通側の押さえ枠１８と、固定枠１７と押さえ枠１８の四隅に着脱自在に設けられ、固定枠１７と押さえ枠１８をクランプするクランプ治具１９とを備える。

クランプ治具１９は、固定枠１７と押さえ枠１８の四隅に着脱自在に設けられ、固定枠１７と押さえ枠１８を挟み込むクランプ本体２０と、クランプ本体２０に螺合され、押さえ枠１８を固定枠１７側に押圧するクランピングボルト２１とからなる。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、固定枠１７は、支持部材６にボルト２２により固定される。このとき、ボルト２２の軸部２３は円筒状のスペーサ２４に挿入され、支持部材６と固定枠１７との距離が一定となるように固定される。

クランプ本体２０は、断面が略コ字状に形成されており、固定枠１７と押さえ枠１８を挟み込むと共に、固定枠１７、ターゲット４、押さえ枠１８のそれぞれを位置決めして保持するようになっている。

図３に示すように、クランピングボルト２１は、軸部２５の一部が切削されて形成された螺合方向に平行な切削面２６を有し、切削面２６に歪みゲージ２７が取り付けられる。この歪みゲージ２７は、衝突試験時にターゲット４の反力を計測するためのものである。

クランピングボルト２１は、軸部２５の先端に球座２８が形成されており、この球座２８にボール２９等が取り付けられており、所定の角度範囲で対象をクランプできるように構成されたものである。

次に、衝撃試験用固定治具１６の作用を説明する。

この衝撃試験用固定治具１６を用いてターゲット４を固定する際には、ターゲット４を押さえ枠１８により固定枠１７に押さえ付け、その状態で固定枠１７と押さえ枠１８の四隅をクランプ本体２０で挟み込み、しかる後、クランピングボルト２１で所定の締め付けトルクにて押さえ枠１８を固定枠１７側に押圧して、ターゲット４を支持部材６に固定する。

試験後のターゲット４の交換は、クランピングボルト２１を緩めると共に、上側の２つのクランプ本体２０を取り外し、ターゲット４を交換後、再び上側の２つのクランプ本体２０を取り付けると共に、クランピングボルト２１を締め付けることで行う。

このように、本実施の形態に係る衝撃試験用固定治具１６では、４本のクランピングボルト２１を締め付けるだけで、支持部材６にターゲット４を固定できる。つまり、衝撃試験用固定治具１６では、ターゲット４を何ら加工することなく、ターゲット４の取り付け／取り外しを簡易に行うことが可能である。また、ターゲット４の締結力をクランピングボルト２１の締め付けトルクにより管理することができる。

よって、衝撃試験用固定治具１６によれば、ターゲット４の締結力を管理できるという要求性能は保ちつつも、ターゲット４の加工コスト／ターゲット４の着脱時の人的コストを大幅に削減することができる。

また、衝撃試験用固定治具１６を備えた衝撃試験装置１を用いて衝撃試験を行う際には、先ず、前述したように、衝撃試験用固定治具１６を用いてターゲット４を支持部材６に固定する。その後、射出機から弾丸２を射出してターゲット４に衝突させる。

このとき、衝撃試験用固定治具１６を用いることで、従来の弾丸２の衝突速度と残留速度に加えて、弾丸２の衝突時に生じるターゲット４の反力を計測することができる。

つまり、本実施の形態に係る衝撃試験用固定治具１６によれば、試験面では、クランピングボルト２１に取り付けた歪みゲージ２７によって、ターゲット４の反力を計測することができるため、従来インプット（弾丸２の衝突速度）とアウトプット（弾丸２の残留速度）で評価していた材料の耐衝撃特性を、インプットとアウトプットに加えてターゲット４の反力を用いて評価することができる。

そのため、衝撃が加わる過程について様々な解析を行うことができ、より発展的な試験を行うことが可能となる。

先ず、クランピングボルトの締め付けトルクを変化させたときのターゲットの圧縮歪みを測定した。その結果、図４に示すように、締め付けトルクと圧縮歪みの関係が線形となった。つまり、本発明の衝撃試験用固定治具では片当たり等の問題は生じていないことが分かる。

次いで、クランピングボルトの締め付けトルクを変化させたときのターゲットの固有振動数を計測した。その結果、図５に示すように、締め付けトルクが変化しても固有振動数は略一定であった。つまり、本発明の衝撃試験用固定治具では締め付けトルクの変化による衝撃試験への影響がほとんどないことが分かる。

最後に、従来のボルト締めと本発明の衝撃試験用固定治具を用いてターゲットを固定したときの試験結果の比較を行った。その結果、図６，７に示すように、従来と本発明で同等の結果を得ることができた。つまり、本発明の衝撃試験用固定治具を用いても従来と同等の試験精度を得られていることが分かる。

以上要するに、本発明によれば、ターゲット４を何ら加工することなく、ターゲット４の取り付け／取り外しを簡易に行うことが可能で、且つ、従来のボルト締めによる固定と同等の試験精度を得られる。

なお、本実施の形態においては、ターゲット４を支持部材６の貫通側に固定する場合を例に説明したが、ターゲット４を支持部材６の衝突側に固定するようにしても良い。この場合は、固定枠１７を支持部材６の貫通側に固定し、ターゲット４を押さえ枠１８で衝突側から押さえるようにする。つまり、固定枠１７と押さえ枠１８は、どちらが衝突側、貫通側に配置されても構わない。

また、本実施の形態においては、クランプ本体２０が固定枠１７と押さえ枠１８の四隅に着脱自在に設けられる構造としたが、固定枠１７と押さえ枠１８を挟み込んで固定できれば、クランプ本体２０を四隅に設ける構造に限定されない。例えば、クランプ本体２０で固定枠１７と押さえ枠１８の対角線上の二箇所のみを挟み込むようにしても良い。

１ 衝撃試験装置
２ 弾丸
３ ガイドレール
４ ターゲット
５ チャンバ
６ 支持部材
７ 回収材
８ レーザ速度計
９ 高速度カメラ
１０ ストロボ
１１ 鏡
１２ 弾丸貫通部
１３ 補強板
１４ 観察孔
１５ 鉄板
１６ 衝撃試験用固定治具
１７ 固定枠
１８ 押さえ枠
１９ クランプ治具
２０ クランプ本体
２１ クランピングボルト
２２ ボルト
２３ 軸部
２４ スペーサ
２５ 軸部
２６ 切削面
２７ 歪みゲージ
２８ 球座
２９ ボール

Claims (3)

1. ターゲットに弾丸を衝突させて前記ターゲットの耐衝撃特性を試験すべく、前記ターゲットを弾丸貫通部が形成された支持部材に固定するための衝撃試験用固定治具において、 前記支持部材の前記弾丸貫通部周りに固定された固定枠と、前記ターゲットを前記固定枠に押さえ付ける押さえ枠と、前記固定枠と前記押さえ枠に着脱自在に設けられ、前記固定枠と前記押さえ枠をクランプするクランプ治具とを備えることを特徴とする衝撃試験用固定治具。
2. 前記クランプ治具は、前記固定枠と前記押さえ枠に着脱自在に設けられ、前記固定枠と前記押さえ枠を挟み込むクランプ本体と、前記クランプ本体に螺合され、前記押さえ枠を前記固定枠側に押圧するクランピングボルトとからなる請求項１に記載の衝撃試験用固定治具。
3. 前記クランピングボルトは、軸部の一部が切削されて形成された切削面を有し、前記切削面に歪みゲージが取り付けられる請求項２に記載の衝撃試験用固定治具。

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