JP2015021859A - 曲げと軸力を負荷するための試験用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】専用試験装置を準備することなく、単軸引張圧縮試験機を用いて試験片に曲げと軸力を同時に負荷することができる試験用治具を提供する。【解決手段】単軸引張圧縮試験機に取り付けられ、試験片１に曲げと軸力を負荷するための試験用治具１０であって、試験片１の両端部を固定する１対の保持部材１２を備える。各保持部材１２は、チャック部３に着脱可能に把持される把持部１４と、把持部１４に一体的に連結された支持部１６とを有する。支持部１６は、軸線Ｚ−Ｚから第１偏心量ｅ１だけ離れた偏心位置に試験片１の端部を着脱可能に固定する試験片固定部１８を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、単軸引張圧縮試験機を用いて試験片に曲げと軸力を負荷するための試験用治具に関する。

試験片に単軸上の引張力と圧縮力を負荷してその強度（例えば疲労強度）を試験する試験装置として、単軸引張圧縮試験機が知られている。
また、試験片に偏心荷重を負荷する試験方法（例えば特許文献１）、試験片に純粋な曲げモーメントのみを負荷する試験装置（例えば特許文献２）、試験片に曲げモーメントと軸力を同時に負荷する試験装置（例えば特許文献３）、なども知られている。

特開平３−２６７７３６号公報 特開２０１１−２５７３５５号公報 特開２００８−２８６５９３号公報

例えば、溶接構造物等を試験対象とする場合、溶接部に残留応力が生じているため、溶接部から壊れる可能性が高い。このような場合、試験片に曲げと軸力を負荷する試験（以下、「曲げ軸力試験」と呼ぶ）を実施することが望ましい。
しかし、従来の単軸引張圧縮試験機、捩りと軸力を交互に負荷する捩り軸力試験装置、２方向又は３方向の軸力を負荷する多軸試験装置では、曲げ軸力試験は実施できなかった。
そのため、従来は特許文献３のように、試験片（この例では、覆工セグメント）に適合させた専用試験装置（この例では、軸力導入用のフレームと軸力導入用のジャッキ、及びモーメントを受けるブロックと曲げモーメント導入用のジャッキ）を準備する必要があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、専用試験装置を準備することなく、単軸引張圧縮試験機を用いて試験片に曲げと軸力を同時に負荷することができる試験用治具を提供することにある。

本発明によれば、同一の軸線上に間隔を隔てて位置する１対のチャック部を有し、該チャック部の間に単軸上の引張力又は圧縮力を負荷する単軸引張圧縮試験機に取り付けられ、試験片に曲げと軸力を負荷するための試験用治具であって、
前記試験片の両端部を固定する１対の保持部材を備え、
各保持部材は、前記チャック部に着脱可能に把持される把持部と、
該把持部に一体的に連結された支持部と、を有し、
該支持部は、前記軸線から第１偏心量だけ離れた偏心位置に前記試験片の端部を着脱可能に固定する試験片固定部を有する、ことを特徴とする曲げと軸力を負荷するための試験用治具が提供される。

前記試験片の両端部は、１対の前記試験片固定部に固定され、前記軸線から第１偏心量だけ離れた前記軸線と平行な試験片負荷線上に位置する。

前記支持部は、前記軸線に対し前記試験片固定部と線対称に位置するダミー固定部を有しており、
前記試験片を模擬するダミー片の両端部が、１対の前記ダミー固定部に固定され、前記軸線から第２偏心量だけ離れた前記軸線と平行なダミー負荷線上に位置する。

上記本発明の曲げと軸力を負荷するための試験用治具によれば、１対の保持部材の各支持部が軸線から第１偏心量だけ離れた偏心位置に試験片の端部を着脱可能に固定する試験片固定部を有するので、試験片の両端部をそれぞれ試験片固定部に固定することで、試験片を軸線から第１偏心量だけ離れた偏心位置に位置決めすることができる。

従って、１対の保持部材の各把持部を単軸引張圧縮試験機の１対のチャック部に把持して、該チャック部の間に単軸上の引張力又は圧縮力を負荷することにより、専用試験装置を準備することなく、単軸引張圧縮試験機を用いて試験片に曲げと軸力を同時に負荷することができる。

すなわち、本発明の試験用治具を使用することで、単軸引張圧縮試験機を用いて、試験片に曲げと軸力を与えた疲労試験を行うことが可能となり、曲げと軸力の影響を評価することができる。

試験片に曲げと軸力を同時に負荷する試験の模式図である。 十字溶接継手試験片の模式図である。 単軸引張圧縮試験機の構成図である。 本発明の試験用治具の第１実施形態図である。 図４における曲げモーメント図と変形図である。 本発明の試験用治具の第２実施形態図である。 図６における曲げモーメント図と変形図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、試験片１に曲げと軸力を同時に負荷する試験の模式図である。
「偏心」とは柱などの物体（この例では試験片１）の重心軸Ｃ−Ｃに対して荷重Ｐの作用線Ｄ−Ｄが離れた位置に位置するような、この重心軸Ｃ−Ｃからのずれのことをいう。偏心した位置に作用する荷重Ｐを「偏心荷重」、重心軸Ｃ−Ｃからの偏心距離を「偏心量」と呼ぶ。

図１のように荷重Ｐを偏心量ｅの偏心位置に作用させた場合、試験片１の両端には曲げモーメントＭ（＝Ｐ×ｅ）と軸力Ｐが同時に作用することになる。
本発明の曲げと軸力を負荷するための試験用治具（以下、単に「試験用治具」という）は、この偏心の考え方を利用することにより、単軸引張圧縮試験機２（図３に示す）を用いて曲げと軸力を同時に負荷する試験（「曲げ軸力試験」）を可能とするものである。なお、この曲げ軸力試験（試験片１に曲げと軸力を負荷する試験）は、疲労試験であっても、曲げと軸力を１方向のみに作用させる強度試験であってもよい。

図２は、十字溶接継手試験片１の模式図である。この図において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
「十字溶接継手試験片」とは、この図に示すように、長細い主試験片１ａの両面に１対の副試験片１ｂを溶接し、側面から見た溶接部の形状が十字型となる試験片をいう。
本発明の試験用治具は、図２に示すような十字溶接継手試験片１を試験片１として用いる。なお、本発明はかかる十字溶接継手試験片１に限定されず、その他の形状の試験片を対象としてもよい。

図３は、単軸引張圧縮試験機２の構成図である。
この図に示すように、単軸引張圧縮試験機２は、軸線上（軸線Ｚ−Ｚ上）に間隔を隔てて位置する１対のチャック部３を有し、１対のチャック部３の間に軸線Ｚ−Ｚ上の荷重Ｐ（引張力又は圧縮力）を負荷する装置である。

図３において、単軸引張圧縮試験機２は、下部フレーム４、上部フレーム５、コラム６、及び油圧シリンダ７を備える。
１対のチャック部３は、例えばボルト等による機械的なチャック、又は油圧チャックであり、試験片１の上端部と下端部を摩擦力で把持する。この例で、油圧シリンダ７は、上部フレーム５に下向き鉛直に固定され、そのロッド先端に上方のチャック部３が下向きに固定されている。また下方のチャック部３は下部フレーム４の上部に固定されている。
なお、油圧シリンダ７を下部フレーム４に上向き鉛直に固定し、上方のチャック部３を上部フレーム５に下向きに固定してもよい。

この構成により、油圧シリンダ７のロッド先端を上下動させることにより、１対のチャック部３の間に単軸（軸線Ｚ−Ｚ）上の引張力又は圧縮力を負荷することができる。
本発明の試験用治具１０は、上述した単軸引張圧縮試験機２に取り付けられ、試験片１に曲げと軸力を負荷するための治具である。

図４は、本発明の試験用治具１０の第１実施形態図である。
この図において、本発明の試験用治具１０は、試験片１の両端部を固定する１対の保持部材１２を備える。

各保持部材１２は、把持部１４と支持部１６を有する。把持部１４と支持部１６はこの例では一体構造であるが、分割可能な構造であってもよい。
把持部１４は、単軸引張圧縮試験機２のチャック部３に着脱可能な形状を有し、チャック部３により摩擦力で把持される。

支持部１６は、把持部１４に一体的に連結され、軸線Ｚ−Ｚから第１偏心量ｅ１だけ離れた偏心位置に試験片１の端部を着脱可能に固定する試験片固定部１８を有する。

試験片固定部１８は、この例では、軸線Ｚ−Ｚから第１偏心量ｅ１の固定平面１８ａと、固定平面１８ａに設けられた雌ネジ穴１８ｂとを有する。
図２に示した試験片１の両端部には、雌ネジ穴１８ｂと整合する位置にボルト穴１ｃが設けられている。この例では、ボルト穴１ｃを通してボルト１９を雌ネジ穴１８ｂと螺合させて締め付け、試験片固定部１８に試験片１の両端部を摩擦力で固定するようになっている。
なお、試験片固定部１８は、この構成に限定されず、例えば油圧チャックであってもよい。

図４において、試験片１の両端部は、上下１対の試験片固定部１８に固定され、軸線Ｚ−Ｚから第１偏心量ｅ１だけ離れた軸線Ｚ−Ｚと平行な試験片負荷線上（試験片負荷線Ｄ−Ｄ上）に位置する。

図５は、図４の模式図（Ａ）、曲げモーメント図（Ｂ）、及び変形図（Ｃ）である。

図５（Ａ）に示すように、１対の保持部材１２の各把持部１４を単軸引張圧縮試験機２の１対のチャック部３に把持して、チャック部３の間に単軸上の荷重Ｐ（この場合、引張力）を負荷した場合、試験片１の両端Ａ，Ｂには、曲げモーメントＭ（＝Ｐ×ｅ１）と軸力Ｐが同時に作用する。

従って、図５（Ｂ）に示すように、試験片１の全体に一様に曲げモーメントＭが作用し、試験片１の任意の断面には、σ１＝Ｍ／Ｚ（Ｚは断面係数）の最大応力σ１が発生する。この最大応力σ１は、曲げモーメントＭによる引張側は引張応力、圧縮側は圧縮応力となる。
また、軸力Ｐにより、試験片１の全体に一様に引張応力σ２＝Ｐ／Ａ（Ａは断面積）が同時に発生する。従って、試験片１の任意の断面には、曲げモーメントＭによる応力と軸力Ｐによる応力を足し合わせた応力分布が発生する。

上述した第１実施形態の構成により、本発明の試験用治具１０の第１偏心量ｅ１を調整することで、試験片１（十字溶接継手試験片１）に任意の曲げモーメントＭと軸力Ｐを与えることができる。
なお、軸力Ｐは、この例では引張力であるが圧縮力であってもよい。また、曲げモーメントＭの曲げ方向は、軸力Ｐが引張力と圧縮力との場合で逆方向となる。

図５（Ｃ）に示すように、曲げモーメントＭにより、試験片１は図に示すように変形する。また試験片１の両端Ａ，Ｂは、試験片固定部１８に剛に固定されているので、試験片１の両端Ａ，Ｂの傾きは、支持部１６を介して把持部１４に伝達され、把持部１４も試験片１の両端Ａ，Ｂと同様に傾く方向に力が作用する。
その結果、単軸引張圧縮試験機２のチャック部３にチャックされる把持部１４が、軸線Ｚ−Ｚからずれることが予測される。

図６は、本発明の試験用治具１０の第２実施形態図である。
この例において、支持部１６は、軸線Ｚ−Ｚに対し試験片固定部１８と線対称に位置するダミー固定部２０を有している。

ダミー固定部２０の構造は、試験片固定部１８と同様であることが好ましい。

また、この例において、試験片１を模擬するダミー片９の両端部が、１対のダミー固定部２０に固定され、軸線Ｚ−Ｚから第２偏心量ｅ２だけ離れた軸線Ｚ−Ｚと平行なダミー負荷線上（ダミー負荷線Ｆ−Ｆ上）に位置する。

「試験片１を模擬するダミー片９」とは、好ましくは、試験片１と形状、材質、熱処理条件等が実質的に同一のダミーの試験片である。しかし、本発明はこれに限定されず、形状、材質、熱処理条件等が相違してもよい。
なお、ダミー片９に作用する応力又は軸力を計測するセンサ（歪みゲージ、ロードセル、等）をダミー片９に設けてもよい。
第２偏心量ｅ２は、好ましくは、上述した第１偏心量ｅ１と同一であるが、相違してもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、ダミー片９は、試験片１の主試験片１ａと形状及び材質が同一であり、第２偏心量ｅ２は、第１偏心量ｅ１と同一である場合を説明する。

図７は、図６の模式図（Ａ）、曲げモーメント図（Ｂ）、及び変形図（Ｃ）である。

図７（Ａ）に示すように、１対の保持部材１２の各把持部１４を単軸引張圧縮試験機２の１対のチャック部３に把持し、かつダミー片９の両端部を、１対のダミー固定部２０に固定する。
この状態で、チャック部３間に単軸上の軸力Ｐを負荷した場合、試験片１の両端Ａ，Ｂには、曲げモーメントＭ２（＝Ｐ×ｅ１／２）と軸力（Ｐ／２）が同時に作用する。

従って、図７（Ｂ）に示すように、試験片１の全体に一様に曲げモーメントＭ２が作用し、試験片１の任意の断面には、σ３＝Ｍ２／Ｚ（Ｚは断面係数）の最大応力σ３が発生する。この最大応力σ３は、曲げモーメントＭ２による引張側は引張応力、圧縮側は圧縮応力となる。
また、軸力（Ｐ／２）により、試験片１の全体に一様に引張応力σ４＝Ｐ／２Ａ（Ａは断面積）が同時に発生する。従って、試験片１の任意の断面には、曲げモーメントＭ２による応力と軸力（Ｐ／２）による応力を足し合わせた応力分布が発生する。

上述した第２実施形態の構成により、本発明の試験用治具１０の第１偏心量ｅ１を調整することで、試験片１（十字溶接継手試験片１）に任意の曲げモーメントＭ２と軸力（Ｐ／２）を与えることができる。

また図７（Ｃ）に示すように、曲げモーメントＭ２により、試験片１とダミー片９は図に示すように変形する。また試験片１の両端Ａ，Ｂ及びダミー片９の両端は、試験片固定部１８に剛に固定されているが、試験片１とダミー片９から受ける力が相殺されるので、単軸引張圧縮試験機２のチャック部３にチャックされる把持部１４は、軸線Ｚ−Ｚからずれない。
従って、第２実施形態の構成では、油圧シリンダ７に作用するせん断力を低減することができる。

上述した本発明の試験用治具１０によれば、１対の保持部材１２の各支持部１６が軸線Ｚ−Ｚから第１偏心量ｅ１だけ離れた偏心位置に試験片１の端部を着脱可能に固定する試験片固定部１８を有するので、試験片１の両端部をそれぞれ試験片固定部１８に固定することで、試験片１を軸線Ｚ−Ｚから第１偏心量ｅ１だけ離れた偏心位置（軸線Ｚ−Ｚと平行な試験片負荷線Ｄ−Ｄ上）に位置決めすることができる。
従って、１対の保持部材１２の各把持部１４を単軸引張圧縮試験機２の１対のチャック部３に把持して、このチャック部３間に単軸上の軸力Ｐ（引張力又は圧縮力）を負荷することにより、専用試験装置を準備することなく、単軸引張圧縮試験機２を用いて試験片１に曲げと軸力を同時に負荷することができる。

すなわち、本発明の試験用治具１０を使用することで、単軸引張圧縮試験機２を用いて、十字溶接継手試験片１に曲げと軸力を与えた疲労試験を行うことが可能となり、曲げと軸力の影響を評価することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Ｐ 荷重（軸力）、ｅ 偏心量、ｅ１ 第１偏心量、ｅ２ 第２偏心量、
Ｃ−Ｃ 重心軸、Ｍ、Ｍ２ 曲げモーメント、σ１、σ２、σ３、σ４ 応力、
Ｄ−Ｄ 試験片負荷線（作用線）、Ｆ−Ｆ ダミー負荷線、Ｚ−Ｚ 軸線、
１ 試験片（十字溶接継手試験片）、
１ａ 主試験片、１ｂ 副試験片、１ｃ ボルト穴、
２ 単軸引張圧縮試験機、３ チャック部、４ 下部フレーム、
５ 上部フレーム、６ コラム、７ 油圧シリンダ、９ ダミー片、
１０ 試験用治具（曲げと軸力を負荷するための試験用治具）、
１２ 保持部材、１４ 把持部、１６ 支持部、
１８ 試験片固定部、１８ａ 固定平面、１８ｂ 雌ネジ穴、
１９ ボルト、２０ ダミー固定部

Claims (3)

1. 同一の軸線上に間隔を隔てて位置する１対のチャック部を有し、該チャック部の間に単軸上の引張力又は圧縮力を負荷する単軸引張圧縮試験機に取り付けられ、試験片に曲げと軸力を負荷するための試験用治具であって、
   前記試験片の両端部を固定する１対の保持部材を備え、
   各保持部材は、前記チャック部に着脱可能に把持される把持部と、
   該把持部に一体的に連結された支持部と、を有し、
   該支持部は、前記軸線から第１偏心量だけ離れた偏心位置に前記試験片の端部を着脱可能に固定する試験片固定部を有する、ことを特徴とする曲げと軸力を負荷するための試験用治具。
2. 前記試験片の両端部は、１対の前記試験片固定部に固定され、前記軸線から第１偏心量だけ離れた前記軸線と平行な試験片負荷線上に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の曲げと軸力を負荷するための試験用治具。
3. 前記支持部は、前記軸線に対し前記試験片固定部と線対称に位置するダミー固定部を有しており、
   前記試験片を模擬するダミー片の両端部が、１対の前記ダミー固定部に固定され、前記軸線から第２偏心量だけ離れた前記軸線と平行なダミー負荷線上に位置する、ことを特徴とする請求項２に記載の曲げと軸力を負荷するための試験用治具。

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