JP2015090355A - 剪断試験装置及び剪断試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】剪断試験装置において、試験片の破壊途中の様子を観察可能とする。
【解決手段】繊維を含む複合材料からなる試験片を剪断させる剪断試験装置であって、試験片の縁部の少なくとも一部を露出して支持する支持部と、露出された試験片の縁部の一部を含んで試験片を打ち抜く入力側治具と、試験片を打ち抜いた入力側治具を受け止めると共に支持部が固定される出力側治具とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、剪断試験装置及び剪断試験方法に関するものである。

複合材料は、繊維を含む複数の材料の組み合わせによって様々な特性を有する材料であり、近年、航空機や自動車の部品への適用が進んでいる。例えば、航空機の軽量化等を図るために、ジェットエンジンのファンケースを複合材料で形成することが提案されている。

一方で、ファンケース等には、万一のファンブレードの破壊による飛散を想定した耐貫通性能が要求される。複合材料の貫通破壊を知る上で重要な特性は、面外方向の剪断強度である。この剪断強度は、貫通シミュレーションにおいても必要なパラメータである。

例えば、非特許文献１には、面外方向の剪断強度を取得するための試験装置（剪断試験装置）が記載されている。この非特許文献１の剪断試験装置では、プレート状の試験片の中央部を、断面円形の治具で打ち抜き、このときに生じる荷重を測定することで剪断強度を求める。

Prediction of impact induced penetration and delamination in thick composite laminates, International journal of impact engineering, 19, 1997

しかしながら、非特許文献１の剪断試験装置では、プレート状の試験片の中央部を打ち抜くことから、試験片の周囲から破壊途中の様子を観察することができなかった。破壊途中の様子は、破壊に曲げ破壊の要素が含まれていないかの確認や、シミュレーション結果の確認等に用いることができることから、試験装置において確認できることが要望されている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、剪断試験装置において、試験片の破壊途中の様子を観察可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、繊維を含む複合材料からなる試験片を剪断させる剪断試験装置であって、上記試験片の縁部の少なくとも一部を露出して支持する支持部と、露出された上記試験片の縁部の一部を含んで上記試験片を打ち抜く入力側治具と、上記試験片を打ち抜いた上記入力側治具と衝突すると共に上記支持部が固定される出力側治具とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記入力側治具が、上記試験片に当接すると共に上記試験片を打ち抜くときの移動方向から見た形状が矩形の先端部を備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記入力側治具が、上記試験片に当接すると共に上記試験片を打ち抜くときの移動方向から見た形状が上記試験片の幅よりも大きな幅を有する形状とされているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、露出された上記試験片の縁部の一部を撮像する撮像装置を備えるという構成を採用する。

第５の発明は、繊維を含む複合材料からなる試験片を剪断させる剪断試験方法であって、上記試験片の縁部の少なくとも一部を露出して支持し、露出された上記試験片の縁部の一部を含んで上記試験片を打ち抜くという構成を採用する。

本発明によれば、試験片が縁部の少なくとも一部を露出された状態で支持され、この露出された縁部の一部を含んで試験片が打ち抜かれる。このため、試験片の周囲から、試験片の破壊途中の様子を観察することができる。

本発明の一実施形態である剪断試験装置の概略構成を模式的に示す側面図である。 本発明の一実施形態である剪断試験装置の概略構成を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態である剪断試験装置が備える入力側治具の先端部と試験片とを図示した模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る剪断試験装置及び剪断試験方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１及び図２は、本実施形態の剪断試験装置１の概略構成を示す模式図であり、図１が側面図であり、図２が平面図である。これらの図に示すように、剪断試験装置１は、入力側治具２と、出力側治具３と、支持具４（支持部）と、撮像装置５とを備えている。

入力側治具２は、円柱形状の本体部２ａと、入力側治具２の先端側を構成する先端部２ｂとから構成されている。先端部２ｂは、先端側から見た形状（試験片Ｘを打ち抜くときの移動方向から見た形状）が長方形（矩形）とされた板状の部位である。この先端部２ｂは、試験片Ｘを打ち抜くときに、試験片Ｘに対して当接される部位である。このような入力側治具２は、不図示の圧縮ガス供給装置から供給される圧縮ガスの噴射力によって打撃治具を打ち出し、この打撃治具によって図１の左側に移動され、これによって試験片Ｘを打ち抜く。

図３は、試験片Ｘと、入力側治具２の先端部２ｂとを図示した模式図である。試験片Ｘは、図３に示すように、打ち抜く方向（図３の紙面垂直方向）から見た形状が上下方向に長い長方形とされた平板状に形状設定されている。この試験片Ｘは、図３に示す上下左右方向に繊維が配向されて編まれた繊維布を含有する複合材料（例えばＦＲＰ、ＣＦＲＰ）である。なお、試験片Ｘにおける繊維の配向方向は上下左右方向に限定されるものではない。

この図３に示すように、入力側治具２の先端部２ｂは、先端側から見た形状が、長辺Ｄ１が試験片Ｘの幅ｄ１よりも大きく、短辺Ｄ２が試験片Ｘの高さｈよりも小さな長方形とされている。このような入力側治具２の先端部２ｂは、図３に示すように、左右の端部が試験片Ｘの左右の端部から飛び出した状態で試験片Ｘに対して当接される。

このような入力側治具２は、部図示の圧縮ガス供給装置から動力を伝達されて移動されることで、支持具４によって一辺Ｘ１が露出されるように支持された試験片Ｘを、露出された一辺Ｘ１を含んで打ち抜く。

出力側治具３は、円柱形状の本体部３ａと、支持具４が取り付けられる先端部３ｂとから構成されている。先端部３ｂは、図１に示すように、水平方向に貫通した中空の収容部３ｃを有しており、これによって側方から見た形状がコの字状とされている。また、先端部３ｂには、支持具４を締結するためのボルト孔が形成されている。このような出力側治具３は、試験片Ｘを打ち抜いた入力側治具２を、支持具４を介して受け止める。つまり、出力側治具３には入力側治具２が衝突する。また、この出力側治具３は、不図示のロードセル等のセンサと接続されており、試験片Ｘが打ち抜かれるときに入力側治具２により伝達される荷重をロードセルに対して伝達する。これによってロードセル等のセンサからは試験片Ｘの破壊途中に伝達される荷重が出力される。

なお、出力側治具３は、上方から見たときに、図２に示すように、撮像装置５側及び反対側が平らとされている。これによって、不図示の照明からの光が試験片Ｘに届きやすくなり、撮像装置５をいずれ側に配置した場合であっても、良好に行うことができる。

支持具４は、上側支持部４ａと、下側支持部４ｂと、ボルト４ｃとから構成されている。

上側支持部４ａ及び下側支持部４ｂは、図１に示すように、略Ｌ字状に形状設定されており、ボルト４ｃによって出力側治具３の先端部３ｂの外側に締結されている。上側支持部４ａは、出力側治具３の先端部３ｂとの間で試験片Ｘの上部を狭持する。また、下側支持部４ｂは、出力側治具３の先端部３ｂとの間で試験片Ｘの下部を狭持する。これらの上側支持部４ａ及び下側支持部４ｂとは、試験片Ｘの側方の一辺Ｘ１が露出されるように、試験片Ｘを狭持する。

また、上側支持部４ａには、図２に示すように、入力側治具２の移動方向に長いボルト孔４ａ１が形成されている。また、下側支持部４ｂにも、図２に示すように、入力側治具２の移動方向に長いボルト孔４ｂ１が形成されている。このようなボルト孔４ａ１及びボルト孔４ｂ１によって、出力側治具３に対する上側支持部４ａの位置と、出力側治具３に対する下側支持部４ｂの位置とを調整することができ、試験片Ｘの厚みを変更した場合にも容易に対応することができる。

なお、入力側治具２が移動されると、入力側治具２が上側支持部４ａと下側支持部４ｂに当たり、出力側治具３の先端部３ｂと上側支持部４ａとの隙間及び出力側治具３の先端部３ｂと下側支持部４ｂとの隙間が潰れる。この途中で、ボルト孔４ａ１の端部（あるいはボルト孔４ｂ１）がボルト４ｃの軸部に当たるとボルト４ｃが破損する可能性がある。このため、上側支持部４ａ及び下側支持部４ｂとは、ボルト孔４ａ１の端部（あるいはボルト孔４ｂ１）からボルト４ｃの軸部までの距離が試験片Ｘの厚み（出力側治具３の先端部３ｂと上側支持部４ａとの隙間及び出力側治具３の先端部３ｂと下側支持部４ｂとの隙間）よりも大きくなるように、配置されていることが望ましい。

このような支持具４は、上記構成によって、図１に示すように、一辺Ｘ１（縁部の一部）を露出するようにして試験片Ｘを支持する。撮像装置５は、このように露出された試験片Ｘの一辺Ｘ１を撮像し、その撮像データを記憶する。

このように構成された本実施形態の剪断試験装置１による剪断試験方法を行うときは、まず試験片Ｘを支持具４によって出力側治具３に固定する。このとき、試験片Ｘは、一辺Ｘ１が露出されるように支持される。続いて、入力側治具２の先端部２ｂと試験片Ｘに当接させ、入力側治具２を移動させることによって、一辺Ｘ１を含んで試験片Ｘを入力側治具２によって打ち抜く。このとき、入力側治具２から伝達される荷重は、出力側治具３を介して不図示のロードセルに伝達されて計測される。また、試験片Ｘの破壊の様子は、撮像装置５によって記録される。なお、入力側治具２は、本体部２ａが上側支持部４ａ及び下側支持部４ｂを介して出力側治具３に受け止められる。その後、入力側治具２と出力側治具３とが一体となって移動し、最終的に緩衝材に当たることによって停止する。

以上のような本実施形態の剪断試験装置１及び剪断試験方法によれば、試験片Ｘが一辺Ｘ１を露出された状態で支持され、この露出された一辺Ｘ１を含んで試験片Ｘが打ち抜かれる。このため、試験片Ｘの周囲から、試験片Ｘの破壊途中の様子を観察することができる。

また、本実施形態の剪断試験装置１においては、入力側治具２が、試験片Ｘに当接すると共に試験片Ｘを打ち抜くときの移動方向から見た形状が矩形の先端部２ｂを備える。一般的に、剪断試験において用いられる試験片は、本実施形態の試験片Ｘのように、繊維が直交格子状に配向されていたり、せん断方向に対して垂直な一方向に配向されていたりする。このため、先端部２ｂの形状を矩形とすることによって、先端部２ｂの縁が試験片Ｘに含まれる繊維と平行あるいは垂直となる。このため、先端部２ｂの縁部における繊維密度のばらつきが小さくなり、剪断応力のばらつきが小さくなる。よって、試験片Ｘをより安定して剪断させることが可能となる。

また、本実施形態の剪断試験装置１においては、先端部２ｂは、試験片Ｘを打ち抜くときの移動方向から見た形状が、長辺Ｄ１が試験片Ｘの幅ｄ１よりも大きい長方形とされている。このため、試験片Ｘが幅方向の全域で破断されることになり、試験片Ｘに付与される荷重にばらつきが生じることを抑制することができる。したがって、試験片Ｘをより安定して剪断させることが可能となる。

また、本実施形態の剪断試験装置１においては、露出された試験片Ｘの一辺Ｘ１を撮像する撮像装置を備える。このため、破壊の途中の様子を記録し、後で分析することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、試験片Ｘが平板状に形状設定されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、試験片Ｘの形状は任意である。ただし、必ず、試験片Ｘの縁部の一部が露出された状態で支持され、この露出された縁部の一部が入力側治具によって打ち抜かれる。

また、上記実施形態においては、先端部２ｂの形状を長辺Ｄ１が試験片Ｘの幅ｄ１よりも大きい長方形とすることで、試験片Ｘの幅方向の全域を打ち抜く構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、試験片Ｘの一部のみを打ち抜く構成を採用しても良い。ただし、この場合であっても、試験片Ｘの縁部の一部が露出された状態で支持され、この露出された縁部の一部が入力側治具によって打ち抜かれる。

また、上記実施形態においては、先端部３ｂの上部及び下部に、平面を形成して、先端部３ｂと支持部４ａ及び支持部４ｂとが面接触するようにする構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態の剪断試験装置によれば、出力側治具３を入力側治具２に対して移動させることによって、同様に試験片を打ち抜くことができる。

また、上記実施形態においては、先端部２ｂの形状は必ずしも矩形である必要はない。例えば、移動方向から見た先端部２ｂの形状が上下の辺が平行とされた形状であれば、試験片Ｘに直接当接しない左右の端部形状は必ずしも直線でなくても良い。このような場合であっても、試験片Ｘの繊維方向に沿った剪断を行うことができる。ただし、左右の端部形状を直線状（すなわち先端部２ｂの形状を矩形）とすることによって、照明を当てたときに影が発生し難く、良好な撮影を行うことができる。

１……剪断試験装置、２……入力側治具、２ａ……本体部、２ｂ……先端部、３……出力側治具、３ａ……本体部、３ｂ……先端部、３ｃ……収容部、４……支持具、４ａ……上側支持部、４ｂ……下側支持部、４ｃ……ボルト、４ａ１……ボルト孔、４ｂ１……ボルト孔、５……撮像装置、ｄ１……幅、Ｄ１……長辺、Ｄ２……短辺、Ｘ……試験片、Ｘ１……一辺（縁部の一部）

Claims (5)

1. 繊維を含む複合材料からなる試験片を剪断させる剪断試験装置であって、
   前記試験片の縁部の少なくとも一部を露出して支持する支持部と、
   露出された前記試験片の縁部の一部を含んで前記試験片を打ち抜く入力側治具と、
   前記試験片を打ち抜いた前記入力側治具と衝突すると共に前記支持部が固定される出力側治具と
   を備えることを特徴とする剪断試験装置。
2. 前記入力側治具は、前記試験片に当接すると共に前記試験片を打ち抜くときの移動方向から見た形状が矩形の先端部を備えることを特徴とする請求項１記載の剪断試験装置。
3. 前記入力側治具は、前記試験片に当接すると共に前記試験片を打ち抜くときの移動方向から見た形状が前記試験片の幅よりも大きな幅を有する形状とされていることを特徴とする請求項１または２記載の剪断試験装置。
4. 露出された前記試験片の縁部の一部を撮像する撮像装置を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の剪断試験装置。
5. 繊維を含む複合材料からなる試験片を剪断させる剪断試験方法であって、
   前記試験片の縁部の少なくとも一部を露出して支持し、露出された前記試験片の縁部の一部を含んで前記試験片を打ち抜くことを特徴とする剪断試験方法。

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