JP2016001132A - 破断判定方法および曲げ試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、動的曲げ試験時に部材の破断を判定可能な破断判定方法、およびその方法を用いた曲げ試験装置を提供することを主目的とする。【解決手段】本発明は、動的曲げ試験における破断判定方法であって、閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させて密閉した後、上記閉断面構造部材の動的曲げ試験を行い、上記閉断面構造部材の内部からの上記有色気体の噴出によって破断を判定することを特徴とする破断判定方法を提供することにより、上記目的を達成する。【選択図】図１

Description

本発明は、動的曲げ試験における閉断面構造部材の破断を判定する破断判定方法およびその方法を用いた曲げ試験装置に関するものである。

近年、自動車車体には軽量化および衝突安全性の向上が求められている。これらを両立させるためには、材料強度が高い鋼板を使用し、板厚を薄くするという方法が有効であるため、自動車車体への高強度鋼板の適用が拡大している。しかしながら、一般的に材料強度が高い鋼板ほど延性が低下するため破断が問題となる。部材が圧潰する際に破断が生じると、その後の部材の変形挙動の予測が難しく、またほとんど衝突エネルギーを吸収しなくなるため衝突性能は急激に低下する。そのため、自動車車体に高強度鋼板を使用するに当たり、動的圧潰時に部材が破断するタイミングを把握することは重要である。さらに、種々の材料を適用するにはシミュレーション技術が重要となっており、実験結果をシミュレーションに反映させ事前に部材の衝突性能、変形挙動や破断等を予測することが要求されている。

従来、引張試験において、金属部材等の破断は、部材に加わっている荷重値を測定することにより判定できることが知られている（例えば特許文献１参照）。この場合、ある荷重が測定されている時を部材は破断していないと判定し、荷重が低下してゼロになる時を部材が破断したと判定する。しかしながら、曲げ試験においては、部材が破断した時に必ずしも荷重が低下しないため、荷重値からでは破断判定が非常に困難である。

また、動的試験では部材の破断過程を撮影することが行われている。しかしながら、材料試験機のインパクタおよび高速度カメラの位置によっては死角が存在するため、破断が生じる箇所を観察することが難しい場合がある。特に、部材にインパクタを衝突させ曲げ圧潰する際、破断が生じる箇所はインパクタが衝突する部分であることが多く、破断箇所の観察が困難である。また、死角がないように多数の高速度カメラを設置すると、大掛かりな装置になる。

特開平８−２９２１３９号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、動的曲げ試験時に部材の破断を判定可能な破断判定方法、およびその方法を用いた曲げ試験装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、動的曲げ試験における破断判定方法であって、閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させて密閉した後、上記閉断面構造部材の動的曲げ試験を行い、上記閉断面構造部材の内部からの上記有色気体の噴出によって破断を判定することを特徴とする破断判定方法を提供する。

また本発明は、動的曲げ試験を行う曲げ試験機本体と、閉断面構造部材の内部に有色気体を充填する、上記閉断面構造部材に着脱可能な気体充填手段と、上記閉断面構造部材を撮影する撮影手段とを有することを特徴とする曲げ試験装置を提供する。

本発明においては、動的曲げ試験時に破断箇所を直接観察することが困難である場合でも、破断のタイミングを検知することが可能であるという効果を奏する。さらには、その結果をシミュレーションに反映させ、閉断面構造部材の衝突性能、変形挙動や破断等の予測に活用することが可能であるという効果を奏する。

本発明の破断判定方法の一例を示す工程図である。 本発明の曲げ試験装置の一例を示す模式図である。 本発明の破断判定方法における閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させる方法の一例を示す模式図である。 実施例における動的三点曲げ試験時の閉断面構造部材の曲げ変形過程の一部を示す画像である。 実施例における動的三点曲げ試験時の閉断面構造部材の曲げ変形過程の一部を示す画像である。 実施例における動的三点曲げ試験時の閉断面構造部材に加わる荷重の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明の破断判定方法および曲げ試験装置について詳細に説明する。

Ａ．破断判定方法
本発明の破断判定方法は、動的曲げ試験における破断判定方法であって、閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させて密閉した後、上記閉断面構造部材の動的曲げ試験を行い、上記閉断面構造部材の内部からの上記有色気体の噴出によって破断を判定することを特徴とする方法である。

本発明の破断判定方法について図面を参照して説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の破断判定方法の一例を示す工程図である。まず、図１（ａ）に示すように閉断面構造部材１を準備し、続いて図示しないが、閉断面構造部材１の内部を有色気体で充満させる。次いで、閉断面構造部材１の開口部２ａ、２ｂを図１（ｂ）に示すように金属箔のような密閉部材１０によって密閉する。次に、図１（ｃ）に示すように、支持体２２ａ、２２ｂ上に閉断面構造部材１を載置し、閉断面構造部材１にインパクタ２１を衝突させ、動的三点曲げ試験を行う。閉断面構造部材１が破断すると、破断箇所から有色気体が噴出する。動的三点曲げ試験時には、閉断面構造部材１を撮影し、破断箇所からの有色気体の噴出を観察することで、破断を判定する。

本発明においては、動的曲げ試験において、閉断面構造部材の破断箇所自体を観察するのではなく、破断箇所からの有色気体の噴出を観察することによって破断を判定するため、動的曲げ試験時に破断箇所を直接観察できない場合においても破断のタイミングを検知することが可能である。特に、閉断面構造部材にインパクタを衝突させた際に、インパクタの衝突部分が閉断面構造部材の破断箇所になる場合には、破断箇所がインパクタで隠れてしまうため、破断箇所自体を観察するのは非常に困難であるが、このような場合においても破断箇所からの有色気体の噴出を観察することで破断のタイミングを検知することができる。また、破断時に荷重が低下しない場合においても、破断のタイミングを検知することが可能である。

また、動的曲げ試験において、閉断面構造部材の破断箇所が予測できない場合には、あらゆる方向から撮影可能なように多数の高速度カメラを設置することが考えられるが、本発明においては、破断箇所からの有色気体の噴出を観察することができればよいため、簡素な装置で破断判定が可能である。さらに、閉断面構造部材の破断箇所からの有色気体の噴出を観察するため、容易に破断箇所を特定することもできる。

また、閉断面構造部材の破断箇所から有色気体が噴出するタイミングを捉えることで、閉断面構造部材が破断するタイミングを計測することができるため、閉断面構造部材の衝撃曲げ特性を正確に測定することができる。さらには、得られた衝撃曲げ特性をシミュレーションに反映させ、閉断面構造部材の衝突性能、変形挙動や破断等の予測に活用し、閉断面構造部材の設計に利用することができる。

以下、本発明の破断判定方法について詳しく説明する。

１．閉断面構造部材
閉断面構造部材とは、閉断面構造を有する部材であり、閉断面構造とは、断面が実質的に閉断面である構造をいう。断面が実質的に閉断面であるとは、閉断面構造部材に開口部以外に部分的に孔が形成されている場合も含むことを意味する。
閉断面構造部材としては、上記のような部材であれば特に限定されるものではない。上述したように、閉断面構造部材は開口部以外に孔を有していてもよい。孔の大きさおよび形状としては、動的曲げ試験時に密閉可能な大きさおよび形状であればよい。
閉断面構造部材の材料には、金属材料が用いられる。

２．閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させて密閉する方法
本発明に用いられる有色気体としては、視認可能であり、閉断面構造部材を腐食等させないものであれば特に限定されるものではなく、例えば煙を用いることができる。

閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させる方法としては、特に限定されるものではなく、例えば閉断面構造部材の内部に有色気体を供給する方法や、有色気体雰囲気に閉断面構造部材を配置する方法等が挙げられる。
また、閉断面構造部材を密閉する方法としては、密閉部材によって閉断面構造部材の開口部や孔を密閉する方法を用いることができる。密閉部材としては、動的曲げ試験時に、閉断面構造部材の開口部や孔を密閉することができるとともに、閉断面構造部材の曲げ変形や破断を妨げないものであれば特に限定されるものではなく、例えば金属箔が挙げられる。金属箔として、金属箔テープを用いてもよい。
閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させるに際して、閉断面構造部材の片方の開口部を予め密閉部材で密閉してもよい。また、閉断面構造部材が孔を有する場合には、予め孔を密閉部材で密閉してもよい。

また、閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させて密閉するに際して、動的曲げ試験時の閉断面構造部材の曲げ変形や破断に影響を及ぼさない範囲で、閉断面構造部材の内部の圧力を外部の圧力よりも高くなるように調整してもよい。例えば、閉断面構造部材の内部に充満させる有色気体の体積を増やしたり、閉断面構造部材を密閉した後に外気圧を低くしたりすることで、圧力を調整することができる。閉断面構造部材の内部の圧力を外部の圧力よりも高くすることで、動的曲げ試験時に破断箇所からの有色気体の噴出の勢いが増すため、有色気体の噴出を観察しやすくなる。

３．動的曲げ試験
本発明に適用可能な動的曲げ試験としては、例えば三点曲げ試験、四点曲げ試験等が挙げられる。中でも、三点曲げ試験が好ましい。三点曲げ試験では、インパクタの衝突部分が閉断面構造部材の破断箇所になる傾向があり、破断箇所の観察が困難であることから、本発明に好適である。

また、動的曲げ試験において、インパクタの先端部の断面形状としては、例えば半円形状、四角形状、三角形状等とすることができる。中でも、半円形状が好ましい。インパクタの先端断面が半円形状である場合には、動的曲げ試験時にインパクタと閉断面構造部材との接触点が移動していくため、閉断面構造部材の破断箇所がインパクタで塞がれにくいので、破断箇所からの有色気体の噴出を観察しやすくなる。

インパクタを閉断面構造部材に衝突させる際の速度としては、一般的な動的曲げ試験における速度と同様とすることができ、例えば５ｋｍ／ｈ以上とすることが好ましい。上記速度であれば、破断箇所自体を観察するのではなく、破断箇所からの有色気体の噴出を観察することが有用になる。

動的曲げ試験においては、閉断面構造部材の曲げ変形過程を高速度カメラ等で撮影し、閉断面構造部材の内部からの有色気体の噴出を観察することで破断を判定する。閉断面構造部材の内部から有色気体が噴出したタイミングから、閉断面構造部材が破断したタイミングを把握することができる。

Ｂ．曲げ試験装置
本発明の曲げ試験装置は、動的曲げ試験を行う曲げ試験機本体と、閉断面構造部材の内部に有色気体を充填する、上記閉断面構造部材に着脱可能な気体充填手段と、上記閉断面構造部材を撮影する撮影手段とを有することを特徴とするものである。

図２は本発明の曲げ試験装置の一例を示す模式図であり、三点曲げ試験装置の例である。図２に例示する曲げ試験装置２０は、インパクタ２１および支持体２２ａ、２２ｂを有する曲げ試験機本体２３と、閉断面構造部材の開口部を密閉し、着脱可能な蓋部１１、蓋部１１にホース１２ａを介して接続され、閉断面構造部材内に有色気体を供給する気体供給源１３、および蓋部１１にホース１２ｂを介して接続され、閉断面構造部材内を排気する負圧ポンプ１４を有する気体充填手段１５と、閉断面構造部材を撮影する、高速度カメラ等の撮影手段２５とを備えている。

図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の曲げ試験装置の使用方法の一例を示す工程図である。まず、図１（ａ）に示すような閉断面構造部材１の内部を有色気体で充満させる。この際、図２に示す気体充填手段１５を用いて、図３に示すように、閉断面構造部材１の一方の開口部を密閉部材１０で密閉した後、閉断面構造部材１の他方の開口部に気体充填手段の蓋部１１を嵌め込み、閉断面構造部材１内にホース１２ａから有色気体を供給するとともに、ホース１２ｂから排気して、閉断面構造部材１の内部を有色気体で充満させる。続いて、図示しないが、閉断面構造部材１の他方の開口部から気体充填手段の蓋部１１を取り外し、図１（ｂ）に示すように閉断面構造部材１の他方の開口部も密閉部材１０で密閉する。次に、図３に示す曲げ試験機本体２３および撮影手段２５を用いて、図１（ｃ）に示すように、支持体２２ａ、２２ｂ上に閉断面構造部材１を載置し、閉断面構造部材１にインパクタ２１を衝突させ、動的三点曲げ試験を行う。この際、動的三点曲げ試験時の閉断面構造部材１の様子を、図３に示す高速度カメラ等の撮影手段２５で撮影する。閉断面構造部材１が破断すると、破断箇所から有色気体が噴出する。破断箇所からの有色気体の噴出を観察することで、破断を判定する。

本発明の曲げ試験装置は、上述の破断判定方法を実施することができる。
以下、本発明の曲げ試験装置における各構成について説明する。

１．曲げ試験機本体
曲げ試験機本体は、動的曲げ試験を行うことができるものであればよく、例えば三点曲げ試験、四点曲げ試験等を行う曲げ試験機が挙げられる。中でも、三点曲げ試験を行う曲げ試験機であることが好ましい。三点曲げ試験では、インパクタの衝突部分が閉断面構造部材の破断箇所になる傾向があり、破断箇所の観察が困難であることから、本発明に好適である。

曲げ試験機本体の構成としては、一般的な曲げ試験機と同様とすることができる。インパクタの先端部の断面形状については、上記「Ａ．破断判定方法」に記載したので、ここでの説明は省略する。

２．気体充填手段
気体充填手段は、閉断面構造部材の内部に有色気体を充填することができ、閉断面構造部材に着脱可能なものであればよい。例えば図２に示すような蓋部１１にホース１２ａ、１２ｂを介してそれぞれ気体供給源１３および負圧ポンプ１４が接続された気体充填手段１５を用いることができる。また、図３に示す例においては、閉断面構造部材１の一方の開口部に気体充填手段を取り付けているが、例えば図示しないが、閉断面構造部材の一方の開口部に、ホースを介して気体供給源が接続された第１蓋部を取り付け、閉断構造部材の他方の開口部に、ホースを介して負圧ポンプが接続された第２蓋部を取り付けてもよい。

３．撮影手段
撮影手段は、動的曲げ試験時に閉断面構造部材を撮影できるものであればよく、例えば高速度カメラを用いることができる。
撮影手段の配置としては、閉断面構造部材の内部からの有色気体の噴出を撮影可能な位置であればよく、適宜調整される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。

［実施例］
図１（ａ）に示すような、薄板鋼板から構成される、片ハット型の閉断面構造部材を準備した。次いで、図２に示すように、密閉部材１０としてアルミ箔テープを用い、閉断面構造部材１の一方の開口部にアルミ箔テープを貼付し密閉した。続いて、閉断面構造部材１の他方の開口部に、煙を供給するホース１２ａおよび排気するホース１２ｂが取り付けられた蓋部材１１を嵌め込み、閉断面構造部材１内を煙で充満させた。次に、閉断面構造部材１から蓋部１１を取り外し、図１（ｂ）に示すように、密閉部材１０としてアルミ箔テープを用い、閉断面構造部材１の他方の開口部にアルミ箔テープを貼付し密閉した。

次に、図１（ｃ）に示すように、動的三点曲げ試験を実施し、インパクタ２１を衝突させたときの閉断面構造部材１の曲げ変形過程を高速度カメラで撮影した。また、閉断面構造部材１に加わる荷重の時間変化も測定した。動的三点曲げ試験では、閉断面構造部材１の中央に、重さ８００ｋｇの半円形状のインパクタ２１を速度２０ｋｍ／ｈで衝突させた。

図４および図５に閉断面構造部材の曲げ変形過程の画像の一部を示す。なお、図４（ｂ）は図４（ａ）の拡大図、図５（ｂ）は図５（ａ）の拡大図である。図４では煙が観察されなかったが、図５では煙が観察され、閉断面構造部材の内部から煙が噴き出すタイミングによって破断のタイミングを把握することができた。
また、図６に閉断面構造部材に加わる荷重の時間変化を示す。荷重値から破断を判定することは困難であった。

１ … 閉断面構造部材
２ａ、２ｂ … 開口部
１０ … 密閉部材
２１ … インパクタ
２２ａ、２２ｂ … 支持体

Claims (2)

1. 動的曲げ試験における破断判定方法であって、
   閉断面構造部材の内部を有色気体で充満させて密閉した後、前記閉断面構造部材の動的曲げ試験を行い、前記閉断面構造部材の内部からの前記有色気体の噴出によって破断を判定することを特徴とする破断判定方法。
2. 動的曲げ試験を行う曲げ試験機本体と、
   閉断面構造部材の内部に有色気体を充填する、前記閉断面構造部材に着脱可能な気体充填手段と、
   前記閉断面構造部材を撮影する撮影手段と
   を有することを特徴とする曲げ試験装置。