JP2014052301A - 複合負荷試験方法及び複合負荷試験用試験片 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法により高精度の構造部材の複合負荷試験を実施する。
【解決手段】楕円孔２の長軸または短軸が荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなす楕円孔２が平板の中心部に設けられる試験片１、あるいは、矩形の繊維強化樹脂基材の平板であり、繊維強化樹脂基材の繊維配向方法が荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなす試験片に対して、荷重負荷方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷して試験片１に軸応力及びせん断応力を与えて、試験片１の破壊荷重を計測する複合負荷試験方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験片に対して軸応力及びせん断応力を同時に負荷して材料の破壊荷重を測定する複合負荷試験方法、及び、その試験に供される試験片に関する。

航空機、自動車、船舶、風車翼等の構造部材に、金属や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製の複合材が用いられる。強度設計において、各部材が分担する軸荷重あるいはせん断荷重に対して強度評価が行われるが、両荷重を同時に考慮した複合荷重に対しても評価が行われることがある。左記評価は、航空機の例では、点検のためや組立時のアクセス用のために形成される孔を有するパネル材に対して行われる。風車翼の例では、翼根元付近の一般部で曲げ荷重・ねじり荷重が同時に作用する箇所に対して行われることがある。

上記の軸荷重とせん断荷重とを同時に負荷する複合負荷試験複合負荷試験では、複合負荷の合力方向と直交する方向に部材が破断する。孔を有する構造の場合は孔縁で破壊するが、孔縁の応力分布は軸荷重のみあるいはせん断荷重といった単独負荷の試験と異なるため、破壊の起点も異なる。

特許文献１は、供試体に直交２軸方向に軸荷重及びせん断荷重を負荷する強度試験装置を開示する。特許文献１の強度試験装置は、四角形状支持フレーム内側の供試体設置空間内にＬ字状の負荷治具を備える。供試体は、負荷治具の内側の一方の面（特許文献１の図１における支持面２ｂ）と支持フレームの支持内面（特許文献１の図１における支持内面１ａ）に挟持される。特許文献１の強度試験装置では、上記支持内面と負荷治具との間にジャッキを設け、供試体に軸荷重及びせん断荷重を負荷している。

特開２００６−２４２５８７号公報（請求項４、段落［００２４］〜［００２６］、図１）

特許文献１の強度試験装置では、軸荷重を負荷する負荷システムとせん断荷重を負荷する負荷システムとの２つの機構が必要になる。このため、装置が大掛かりになり、１つの部材の強度測定に多大な時間とコストが必要となりうる。

本発明は、簡便な方法により構造部材の複合負荷試験を実施し、高精度で破壊荷重評価が実施できる方法及び当該複合負荷試験に供される試験片を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、中心部に楕円孔を有する矩形の平板であり、前記楕円孔の長軸または短軸が前記平板への荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなすように前記楕円孔が設けられる試験片に対して、前記荷重負荷方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷して、前記試験片に個別に軸荷重及びせん断荷重を与えたことと等価な荷重場を形成して、前記試験片の破壊荷重を測定する複合負荷試験方法である。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る複合負荷試験用に用いる試験片であって、中心部に楕円孔を有する矩形の平板であり、前記楕円孔の長軸または短軸が前記荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなすように、前記楕円孔が設けられる複合負荷試験用試験片である。

上記第１の態様及び第２の態様において、前記平板が、繊維強化樹脂基材または金属基材とされる。

本発明における「複合負荷試験方法」とは、試験対象の材料に対して１つの方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷することにより、軸応力とせん断応力とを個別に負荷したことと等価な応力場を形成して、複合荷重場の破壊荷重を評価する試験方法である。
複合負荷試験を行う場合、特許文献１のように、軸荷重Ｐａ、せん断荷重Ｐｓを別々に与えることが一般的である。このとき、軸方向に対してθ＝ｔａｎ^−１（Ｐｓ／Ｐａ)だけ傾いた方向に、合力が発生する。本発明では、荷重負荷方向に対してθ（０°より大きく３０°以下）の角度で傾いた楕円孔を設けた試験片に対して、１つの方向に引張荷重または圧縮荷重Ｐ’を負荷する。この荷重方向は、特許文献１の試験方法における合力の方向に相当している。従って、本発明における複合負荷試験では、軸荷重Ｐ’ｃｏｓθ、せん断荷重Ｐ’ｓｉｎθを同時に与えながらも、個別に負荷したことと等価な荷重場を形成させている。本発明では、引っ張り荷重または圧縮荷重Ｐ’を合力の方向に与えるため、例えば特許文献１に記載の装置を用いた試験と比べて、より高い精度で破壊荷重を評価することができる。
また、本発明では試験片に対して１つの方向に荷重を負荷するので、特許文献１の強度試験装置よりも簡易な試験装置で実施することができる。このため、本発明の複合負荷試験方法は、試験に要する時間及びコストが大幅に削減されるため有利である。

上記態様において、前記平板が繊維強化樹脂基材である場合に、前記繊維強化樹脂基材の０度繊維配向方法と、前記荷重負荷方向とが、０°より大きく３０°以内の角度とされることが好ましい。

本発明の第３の態様は、矩形の繊維強化樹脂基材の平板であり、前記繊維強化樹脂基材の０度繊維配向方法が前記平板への荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなす試験片に対して、前記荷重負荷方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷して前記試験片に軸荷重及びせん断荷重を与えたことと等価な荷重場を形成して、前記試験片の破壊荷重を計測する複合負荷試験方法である。

本発明の第４の態様は、上記第３の態様の複合試験用に用いる試験片であって、矩形の繊維強化樹脂基材の平板であり、前記繊維強化樹脂基材の０度繊維配向方法が前記荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなす複合負荷試験用試験片である。

このように繊維強化樹脂基材製の試験片を評価するに当たって、０度繊維配向方法が荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなすように試験片を作製し、試験片に１つの方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷することによっても、軸荷重及びせん断荷重を同時に与えながらも、個別に負荷したことと等価な荷重場を形成させている。このため、より精度の高い破壊荷重評価を実施することができる。また、試験に要する時間及びコストが大幅に削減されるという効果も奏することができる。

第１実施形態の複合負荷試験方法に供される試験片の概略図である。 試験片に付与される軸応力と面内せん断応力について説明する概略図である。 図１の試験片及び基準試験片の楕円孔周辺部に発生する最大主歪み分布の計算結果の一例である。 基準試験片の概略図である。 試験方法Ａ〜Ｃにより楕円孔周縁部に発生する最大主歪み分布の計算結果の一例である。 試験方法Ａ〜Ｃにより試験片平面内のせん断歪み分布の計算結果の一例である。 第２実施形態の複合負荷試験方法を説明する概略図である。

＜第１実施形態＞
以下に、第１実施形態の複合負荷試験方法及び試験片について説明する。
図１は第１実施形態の複合負荷試験方法に供される試験片の概略図である。
試験片１は、矩形の平板とされる。試験片１は、アルミニウム合金等の金属材料とされても良いし、繊維強化プラスチック製の複合材とされても良い。繊維強化プラスチックとしては、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックが適用可能である。

試験片１の中心部には楕円孔２が設けられる。図１の点線は楕円孔２の長軸方向及び短軸方向を表している。図１の一点破線は、試験片の長辺及び短辺の中心を表している。楕円孔２の中心は、試験片１の中心位置と略一致する。図１では、楕円孔２の長軸が試験片１の長辺方向に対して角度θ傾いている。角度θは、０°より大きく３０°以下とされる。
なお、本実施形態では、楕円孔２の短軸が試験片１の長辺方向に対して角度θ傾くように、楕円孔２を設けても良い。

試験片１が繊維強化プラスチックである場合、試験片１の繊維配向方向が試験片の長辺（または短辺）に対して傾くように試験片１が作製される。この場合、０度繊維配向方向の角度θ’は０＜θ’≦３０°とされる。０度繊維配向方向の角度θ’は、楕円孔の傾きθと一致していることが好ましいが、評価対象となる構造部材の仕様に従ってθ及びθ’をそれぞれ設定して良い。

本実施形態の複合負荷試験方法では、公知の引張圧縮試験機を用いて、試験片１に対して試験片１の長辺方向（図１の紙面縦方向）に引張荷重または圧縮荷重が負荷される。換言すると、本実施形態においては、楕円孔２の長軸方向が荷重負荷方向に対して角度θ（０°＜θ≦３０°）傾いていることになる。
本実施形態の複合負荷試験方法では、楕円孔の短軸が試験片の長辺方向に対して角度θ傾いている試験片に対しても、試験片の長辺方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷することができる。
また、楕円孔の長軸または短軸が試験片の短辺方向に対して角度θ傾いている試験片に対して、試験片の短辺方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷することができる。

荷重を負荷する方法は、図１の試験片１の両短辺をそれぞれ治具で保持し、両方の治具を作動させても良いし、一方の治具を固定して他方の治具を作動させても良い。

引張荷重または圧縮荷重は、試験片１の荷重負荷方向に直交する方向で一様とされる。このように楕円孔２を有する試験片１に引張荷重または圧縮荷重が負荷されることにより、試験片１に引張または圧縮の軸応力と、面内せん断応力とが付与されことと等価な応力場が形成される。

図２は、試験片に付与される軸応力と面内せん断応力について説明する概略図である。楕円孔２の長軸方向が０°、楕円孔２の短軸方向が９０°となる座標（０°―９０°座標系）を設定する。本実施形態の複合負荷試験方法では、試験片１に荷重負荷方向に一様な引張応力（または圧縮応力）σ_ｙが付与される。応力σ_ｙを０°―９０°座標系に変換すると、試験片１に０°方向の応力σ_０（軸応力）と、これに直交する方向（９０°方向）の応力σ_９０と、９０°方向のせん断応力τとに分離することができる。応力σ_０、σ_９０、せん断応力τは、それぞれ次式で表される。
σ_０＝σ_ｙｃｏｓ^２θ ・・・（１）
σ_９０＝σ_ｙｓｉｎ^２θ ・・・（２）
τ＝σ_ｙｃｏｓθｓｉｎθ ・・・（３）

上記のように、本実施形態の複合負荷試験方法では、応力σ_０、せん断応力τはそれぞれ０°方向あるいは９０°方向に一様な分布となる。つまり、本実施基体の複合負荷試験方法では、矩形の試験片に対して理想的な軸応力σ_０とせん断応力τとを与えることができる。
一方で、応力σ_９０が理想的な複合負荷測定からの誤差となる。上記式（２）に示すように、応力σ_９０の大きさは角度θが大きくなる程大きくなる。すなわち、試験片の荷重負荷方向に対して楕円孔が傾いて設けられるほど、誤差が大きくなる。

図３は、図１の試験片及び基準試験片に対して、同じ単位幅当たりの荷重を与えたときの楕円孔周縁部に発生する最大主歪み分布の計算結果の一例である。同図において、横軸は、図２に示されるＰを０°とした時計周り方向の楕円孔周縁部の角度位置であり、縦軸は最大主歪みである。

「図１試験片」の荷重付加方向に対する楕円孔の傾きθは１４°とした。
図３における「基準試験片」とは、図４に示すように長軸及び短軸が各辺方向と一致するように楕円孔１０２を設けた矩形の試験片１０１に対して、楕円孔１０２の長軸及び短軸方向に一様な軸応力及びせん断応力を与えたときの結果である。
試験片及び楕円孔の寸法は、「図１試験片」と「基準試験片」とで同じとなるように計算を行った。

図３において、基準試験片と図１試験片とは、最大主ひずみ分布が同じような傾向となった。しかし、基準試験片と図１試験片との最大主ひずみ分布の差は、最大で５％であった。式（２）によると、角度θが１４°より更に大きくなると、最大主ひずみ差は約５％から更に大きくなる。

本実施形態の複合負荷試験方法においては、得られた破壊荷重Ｐに対して、荷重負荷方向に対する楕円孔の傾きθを用いて、軸荷重をＴ＝Ｐｃｏｓθ、せん断荷重をＳ＝Ｐｓｉｎθと算出する。

以下では、特許文献１に記載の装置を用いて図４の基準試験片に対して引張荷重及びせん断荷重を負荷した複合負荷試験方法（試験方法Ａ）、基準試験片に楕円孔の長軸に対して角度φの方向に引張荷重を負荷した複合負荷試験方法（試験方法Ｂ）、及び、本実施形態の複合負荷試験方法（試験方法Ｃ）の比較を説明する。

試験方法Ａでは、試験片に負荷可能な軸荷重Ｔ及びせん断荷重Ｓの範囲は、０≦Ｓ／Ｔ＜∞である。換言すると、種々の軸荷重Ｔの値及びせん断荷重Ｓの値を採用し得る。試験方法Ａの場合、楕円孔の長軸方向（図４のＡ−Ａ’方向）に軸荷重Ｔが負荷されて短軸方向（図４のＢ−Ｂ’方向）にせん断荷重Ｓが負荷されるか、楕円孔の長軸方向にせん断荷重Ｓが負荷されて短軸方向に軸荷重Ｔが負荷される。例えば、図４の基準試験片に対してＡ−Ａ’方向に軸荷重及びＢ−Ｂ’方向にせん断荷重を負荷した場合、Ｂ−Ｂ’方向でのせん断応力分布は、試験片端部でせん断応力が発生せず、試験片中央部になるほどせん断応力が大きくなる分布となる。換言すると、試験方法Ａでは、試験片の荷重軸直交方向に対して一様のせん断応力を付与することができない。

試験方法Ｂでは、図４における角度φは０°＜φ＜９０°として引張荷重を負荷することにより、試験片に軸応力及びせん断応力がかかる。試験方法Ｂにおいて試験片に負荷可能な軸荷重Ｔ及びせん断荷重Ｓの範囲は、０＜Ｓ／Ｔ＜∞である。
試験方法Ｂでも、試験方法Ａと同様に、Ｂ−Ｂ’方向のせん断応力分布は、試験片端部でせん断応力が発生せず、試験片中央部になるほどせん断応力が大きくなる分布となる。

試験方法Ｃにおいて、角度θが０°＜θ≦３０°では、試験片に負荷可能な軸荷重Ｔ及びせん断荷重Ｓの範囲は０＜Ｓ／Ｔ≦０．６となる。上述のように、試験方法Ｃでは９０°座標方向に一様なせん断応力が付与される。

図５は、試験方法Ａ〜Ｃにより同じ単位幅当たりの荷重を与えたときの楕円孔周縁部に発生する最大主歪み分布の計算結果の一例である。同図において、横軸は図２及び図４に示されるＰを０°として時計周り方向の楕円孔周縁部の角度位置であり、縦軸は最大主歪みである。「基準」とは、図３と同様に、図４の基準試験片に対して楕円孔の長軸及び短軸方向に一様な軸応力及びせん断応力を与えたときの結果である。試験方法Ｂの角度φ及び試験方法Ｃの角度θは１４°とした。試験方法Ｃは、上述した応力σ_９０による誤差を含む結果である。

図６は、試験方法Ａ〜Ｃにより同じ単位幅当たりの荷重を与えた場合の試験片平面内のせん断歪み分布の計算結果の一例である。同図において、横軸は、図２及び図４の試験片における楕円孔中心から９０°方向（短軸方向）への位置、縦軸はせん断歪みである。

図５及び図６の結果を参照すると、試験方法Ａ及び試験方法Ｂは、最大主ひずみ分布及びせん断歪み分布がほぼ一致している。しかし、いずれも「基準」からは大きく外れている。一方、本実施形態の試験方法Ｃは、試験方法Ａ，Ｂと比較して「基準」に近い歪み分布を有していると言える。これは、上述したように試験方法Ｃは試験片に対して一様なせん断応力を与えることができるためである。
従って、試験方法Ｃで応力σ_９０による誤差があったとしても、試験方法Ａや試験方法Ｂと比較して破壊荷重測定精度が向上することが理解できる。

＜第２実施形態＞
以下に、第２実施形態の複合負荷試験方法及び試験片について説明する。
第２実施形態の試験片は、繊維強化プラスチック製の複合材からなる矩形の平板である。繊維強化プラスチックとしては、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックが適用可能である。

図７は、第２実施形態の複合負荷試験方法を説明する概略図である。第２実施形態の複合負荷試験方法では、上記複合材とされる試験片３の０度繊維配向方向に対して角度χをなす方向に引張荷重または圧縮荷重が負荷されたことと等価な荷重場が形成される。引張荷重または圧縮荷重は、試験片１０の荷重負荷方向に直交する方向で一様とされる。本実施形態においても、公知の引張圧縮試験機を用いることができる。

第２実施形態の場合も、第１実施形態と同様に、試験片に引張応力または圧縮応力と、面内せん断応力とが付与されことと等価な応力場が形成される。図７に示すように、繊維の配向方向が０°、繊維の配向方向に直交する方向を９０°とする座標系（０°−９０°座標系）を設定すると、９０°方向に一様な分布を有する応力σ_０及びせん断応力τが発生する。応力σ_０、σ_９０、せん断応力τは、それぞれ上述した式（１）〜（３）で表される。

従って、第２実施形態の複合負荷試験方法でも、試験片１０に対して理想的な軸応力σ_０とせん断応力τとを与えることと等価な応力場を形成することができる。一方、σ_９０が理想的な複合負荷測定からの誤差となる。式（２）から理解できるように、応力σ_９０の大きさは角度χが大きくなる程大きくなる。このため、第２実施形態においても、角度χは０°より大きく３０°以下の角度とすることで、破壊荷重測定精度を向上させることができる。

１，１０ 試験片
２ 楕円孔

Claims (8)

1. 中心部に楕円孔を有する矩形の平板であり、前記楕円孔の長軸または短軸が前記平板への荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなすように前記楕円孔が設けられる試験片に対して、前記荷重負荷方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷して前記試験片に軸応力及びせん断応力を個別に与えたことと等価な応力場を形成し、前記試験片の破壊荷重を測定する複合負荷試験方法。
2. 前記平板が、繊維強化樹脂基材または金属基材とされる請求項１に記載の複合負荷試験方法。
3. 前記平板が繊維強化樹脂基材である場合に、前記繊維強化樹脂基材の０度繊維配向方法と、前記荷重負荷方向とが、０°より大きく３０°以内の角度とされる請求項２に記載の複合負荷試験方法。
4. 矩形の繊維強化樹脂基材の平板であり、前記繊維強化樹脂基材の繊維配向方法が前記平板への荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなす試験片に対して、前記荷重負荷方向に引張荷重または圧縮荷重を負荷して前記試験片に軸応力及びせん断応力を与えて、前記試験片の破壊荷重を計測する複合負荷試験方法。
5. 請求項１に記載の複合負荷試験用に用いる試験片であって、
   中心部に楕円孔を有する矩形の平板であり、
   前記楕円孔の長軸または短軸が前記荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなすように、前記楕円孔が設けられる複合負荷試験用試験片。
6. 前記平板が、繊維強化樹脂基材または金属基材とされる請求項５に記載の複合負荷試験用試験片。
7. 前記平板が繊維強化樹脂基材である場合に、前記繊維強化樹脂基材の０度繊維配向方法と、前記荷重負荷方向とが、０°より大きく３０°以内の角度をなす請求項６に記載の複合負荷試験用試験片。
8. 請求項４に記載の複合試験用に用いる試験片であって、
   矩形の繊維強化樹脂基材の平板であり、前記繊維強化樹脂基材の繊維配向方法が前記荷重負荷方向に対して０°より大きく３０°以内の角度をなす複合負荷試験用試験片。

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