JP3938757B2

JP3938757B2 - 高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法及び装置

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Publication number: JP3938757B2
Application number: JP2003102936A
Authority: JP
Inventors: 博司吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2023-04-07
Also published as: JP2004004032A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、衝突安全に用いられる部材設計に必要な材料特性計測方法及び装置に関し、詳しくは部材の衝突変形モードを決める１０％までの低ひずみ領域での材料の高速変形特性の精密計測に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車業界では、衝突時の乗員への傷害を低減しうる車体構造の開発が急務の課題となっている。この課題の解決のために、計算機上で自動車の衝突のシミュレーションを行い、安全基準をクリアする設計を行うシステムの開発が急速に進んできている。従って、現在ではこの衝突のシミュレーションの精度が衝突安全設計の成否のカギとなっている。しかし、衝突時は自動車の部材が高速で変形するため、部材を構成する材料の高速の変形特性を精密に計測し、シミュレーションに導入しない限り、高精度な衝突特性を予測するシミュレーションは成立しないことになる。
【０００３】
上記の材料の高速の変形特性に関して、通常の準静的な引張試験と比べて試験速度が１００万倍にも達するため、試験中に衝撃弾性波が発生し、試験片の変形応力の計測系にこの衝撃弾性波が重なり正確な材料の高速変形特性が計測できないという問題がある。従来からこの問題の解決のため特許文献１にあるように、試験片の平行部でなくつかみ部にひずみゲージを貼付し、このひずみゲージ出力から別に校正したロードセル出力／ゲージ出力比を用いて試験片の変形応力を計測する方法があった。これは試験片平行部よりつかみ部の方が断面積は広く衝撃弾性波の影響が少なくなるが、本質的に衝撃弾性波を除去できるわけではなく、測定精度向上につながっていなかった。
【０００４】
また、非特許文献１などにあるように、細長い弾性棒で衝撃弾性波を棒の長手方向に逃がすことにより、試験変形時の応力のみを計測すること可能にする、いわゆるKolsky法が高速変形の試験法として標準的に使われているが、構造的に精度管理が難しく、図１に示すような応力−ひずみ曲線の降伏点付近に衝撃に起因すると考えられる初期応力ピークが発生することが問題であった。この初期応力ピークは、材料の降伏応力のひずみ速度依存により高速変形下で発生する因子もあり、衝撃因子と重なり問題解決を困難にしていた。このため、この初期応力ピークを除いた高速変形特性をシミュレーションに導入していたため、衝突解析の精度、しいては衝突安全の最適な設計の信頼性を低下させていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０-３１８８９４号公報
【非特許文献１】
SAE TECHNICAL PAPER #９６００１９（１９９６年１０月発行、発行所：Society of Automotive Engineer）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、衝突シミュレーションや衝突安全設計について評価基準となる材料の高速変形特性において、高速変形特有の衝撃時の非定常な振動を除去し、材料変形時の応力を高精度に計測する方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる計測方法及び装置は、以下の通りである。
（１）板材または丸棒の試験片を取付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験片の応力を計測する試験方法において、下記（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］で、前記出力棒の端部から２００ｍｍ以内を鉛直方向で上下に拘束しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
１．０×１０ ^-5 ×Ｅ _b ｒ ² ≦ Ｆ ≦ １．５×１０ ^-3 ×Ｅ _b ｒ ² （１）
ここで、Ｄ：出力棒の直径［ｍｍ］、ｒ：出力棒の半径［ｍｍ］＝Ｄ／２
Ｅ _b ：出力棒のヤング率［Ｎ／ｍｍ ² ］
（２）板材または丸棒の試験片を取付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験片の応力を計測する試験方法において、前記出力棒の直径Ｄ［ｍｍ］として前記出力棒の端部からＬ≦１５Ｄ［ｍｍ］となる位置Ｌを、下記（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］で、鉛直方向で上下に拘束しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
１．０×１０ ^-5 ×Ｅ _b ｒ ² ≦ Ｆ ≦ １．５×１０ ^-3 ×Ｅ _b ｒ ² （１）
ここで、Ｄ：出力棒の直径［ｍｍ］、ｒ：出力棒の半径［ｍｍ］＝Ｄ／２
Ｅ _b ：出力棒のヤング率［Ｎ／ｍｍ ² ］
（３）鉛直方向に対して、出力棒の上下両面を固定冶具で接するように拘束することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
（４）鉛直方向に対して、出力棒の下面のみ固定冶具で拘束し、出力棒の上面から（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］でテープを用いて拘束することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
（５）先端に板材または丸棒の試験片の取付手段を有する金属製出力棒と、前記試験片に１０ ² ／ｓ以上のひずみ速度の衝撃を与えて塑性変形させる機能を有するインパクト・ブロックと、前記インパクトブロックを基準として、前記試験片と同じ方向から又は前記試験片と反対方向から前記インパクト・ブロックに衝撃を付与するハンマーと、前記ハンマーが前記インパクト・ブロックに衝突するようガイドするレールと、前記出力棒の先端近傍を鉛直方向で上下に拘束する固定冶具を有することを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
（６）鉛直方向に対して、固定冶具が出力棒の上下両面に接するように設置されていることを特徴とする前記（５）記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
（７）出力棒と接する固定冶具の面のヤング率が出力棒と同等以上であることを特徴とする前記（５）又は（６）記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
（８）出力棒と接する固定冶具が、半径Ｒ≧１．０［ｍｍ］の円柱状であり、出力棒と直交し点接触することを特徴とする前記（６）又は（７）記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
（９）鉛直方向に対して、出力棒の下面側にのみ固定冶具が設置され、出力棒を固定冶具に押し付けるように、出力棒を上面から拘束する固定テープを有すること特徴とする前記（５）記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
（１０）板材または丸棒の試験片を取付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験片の応力を計測する試験方法において、前記出力棒に棒軸方向に沿って試験前に予め（２）式を満足する張力Ｆ ₂ ［Ｎ］を付与しながら、前記試験片に１０² ／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
９．５×（Ｄ／２） ² ≦ Ｆ ₂ ≦ ＹＰ／２（２）
ここで、Ｄ：出力棒の直径［ｍｍ］、ＹＰ：試験片の降伏荷重［Ｎ］
（１１）前記（５）〜（９）の何れか１項に記載の装置を用いて前記（１０）記載の方法を実施することを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
（１２）前記（５）〜（９）の何れか 1 項に記載の装置を用いて、試験時の前記出力棒の断面の中心が、試験時の引張または圧縮の軸線に対して、Ａ ≦ ０．５ｍｍとなる範囲Ａ［ｍｍ］を満たすように出力棒および試験片、インパクト・ブロックを設置し、引張または圧縮の荷重入力方向を範囲Ａに入るように設定しながら、前記試験片に１０² ／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
計測に用いた高速引張り試験機は、one bar方式であり、図２に概略構造を示す。装置は、試験片１、荷重計測のための出力棒２、試験片１に衝撃引張りを入力するためのハンマー３、インパクト・ブロック４、ハンマー３がインパクト・ブロック４に衝突するようにガイドするレール９からなる。
【０００９】
出力棒２の先端には、試験片１（幅５ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を固定するためアタッチメント５が取付けられ、試験片１はピン６及び接着剤によりアタッチメント５と固定され、試験片１のもう一方はタブ７により補強され、インパクト・ブロック４とピン６により固定されている。ハンマー３で衝撃を与えたインパクト・ブロック４により試験片１に最大１０^３/s以上のひずみ速度を与えることが出来る。図２に（ａ）高速引張試験の初期状態、ハンマー３がインパクト・ブロック４に衝突した状態（ｂ）、試験片が破断した状態（ｃ）を示す。
試験では、応力波の伝達の状況を解析するために、出力棒２上に図３に示すように、３箇所にゲージ８を取付け、同時計測を行った。ゲージ８の取付け箇所はそれぞれ出力棒端部から５０ｍｍ、１００ｍｍ、７７０ｍｍとした。実験に用いた材料は、引張り強度レベルが４４０ＭＰａ級の鋼材と７０００系ジュラルミンである。
この試験機について、図４に示す全体モデル及び試験片締結部の詳細モデルによりＦＥＭ解析を行い、衝撃時の弾性波の伝導・分散が試験片変形の応力波伝導に及ぼす影響を調べた。この解析結果に基づき、従来の試験方法が有していた高速変形特有の応力・ひずみ曲線上の初期応力ピークの改善効果について、本発明を検証した。
【００１０】
比較例として、固定冶具を設けずに試験を行った際の解析結果を図５に示す。図５から各測定点での応力波形がほぼ同じことから、出力棒中の応力波の伝わりは均一であり、応力波の伝達途中で棒の振動などで発生するものではないことが分かる。従って、初期応力ピークは、衝撃試験に起因するもとのしても、試験片付近の初期の衝撃によって発生していることになる。
この原因として、インパクト・ブロックと試験片の間で衝撃引張り力の入力時に、衝撃に振動波形も伝わる可能性が考えられるが、図４の試験片締結部の詳細モデルでのＦＥＭ解析から、衝撃時の振動が試験片を介して出力棒に伝わるような現象は現れないことが分かった。実験でも、インパクト・ブロック４と試験片１の締結方法を様々に変えても系統的な初期応力ピークの減少は観測されないため、この影響は小さいことが確認された。
従って、初期応力ピークへの衝撃試験の影響は、試験片から出力棒締結部分及び出力棒端部の振動が原因となることが判明した。締結部分は、断面積変化から応力波の分散が起きるが、この影響は小さく、断面積を徐々に変化させた試験片での実測結果でも、ほとんど変化が見られなかった。
【００１１】
次に、出力棒端部の振動の影響であるが、図４のＦＥＭ解析上で振動によるピークへの影響を調べた。この結果、図６に示すように、出力棒端部で局所的に横振動を起こしていることが分かった。
図６の横振動は、１０００倍に拡大して示しているため、実際の振動は数十ｍｍと非常に小さいが、動的な現象のため、つりあい状態の振動でなく、発生する範囲が極めて局所的になり、この横振動が出力棒の軸方向への伸縮の弾性変形となり、初期ピークに相当する振動を起こしていることが判明した。
【００１２】
図７は、この振動で発生した弾性応力波のＦＥＭ解析上でのコンタ図である。棒端部で発生した振動によるピークはそのまま引張り時の荷重波形に重なり、平面波として伝わっているのが分かる。図８は、このときの応力波の波形であるが実験で見られたものと同様のピークが再現されているのが分かる。
従って、この振動によるピークを除去するためには、棒端部での振動を抑えることが重要となるが、振動の発生を抑えるためには、ブロックとハンマーの衝撃入力の制御が必要となり安定したピーク除去が困難となる。
そこで、たとえ振動が発生するような衝撃入力になっても、振動発生を抑えるように固定冶具１０を棒端部近傍に設置する。図９に示すように、ハンマー３がインパクト・ブロック４に衝突する際に固定冶具１０とハンマー３が干渉しないように、ハンマー３の一部に空隙を設け、その内部に固定冶具１０を小径ロール等として設置すれば良い。
【００１３】
前記（１）に係る発明では、衝突シミュレーションに必要な材料の１０²／ｓ以上のひずみ速度の高速引張または圧縮の変形応力を、出力棒を用いて計測する際に、出力棒の端部から２００ｍｍ以内を鉛直方向で上下に拘束することにより、金属棒の衝撃による振動を除去し、特に、衝撃試験特有の計測応力に現れる初期応力を除去した高精度な材料の変形応力を計測することが出来る。本来は、計測の精度管理のため、試験装置、試験片の取付け位置を精密に制御する必要があるのに対し、本発明により精密な精度管理に代わって簡単に計測精度・再現性を確保することができる。
出力棒の端部から２００ｍｍより離れた位置を拘束すると衝撃による振動を除去する効果が弱くなるので、２００ｍｍ以内とする。
また、出力棒を（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］で拘束する。（１）式はＦＥＭ解析と実際の計測により最適範囲として求めた式であり、（１）式を満たすと、振動を抑制するのに十分な拘束力を付与できるので、初期応力ピークのない高精度な引張試験の応力を計測できる。（１）式の範囲を外れると、拘束力が不十分のため、初期応力ピークを除去できないか，拘束力が大きくなりすぎるため，引張試験の応力の伝達を阻害することになる。また、上記（１）式を満たす拘束力であれば、この抑え力は常に同じ大きさでなくとも、この算定式を満たす範囲であれば効果は同じで再現性の良い計測ができる。
【００１４】
また、前記（２）に係る発明では、前記出力棒の直径Ｄ［ｍｍ］として前記出力棒の端部からＬ≦１５Ｄ［ｍｍ］となる位置Ｌ［ｍｍ］を、（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］で、鉛直方向で上下に拘束しながら、試験を行う。
Ｌ＞１５Ｄ［ｍｍ］となると、前記（１）と同じく、衝撃による振動を除去する効果が弱くなるので、Ｌ≦１５Ｄ［ｍｍ］とする。Ｌ≦１５Ｄ［ｍｍ］でかつ、２００ｍｍ以上となる場合は、前記（１）で規定する。
【００１５】
前記（３）に係る発明では、鉛直方向に対して、出力棒の上下両面を固定冶具で接するように拘束する。これにより、インパクト・ブロックの衝撃入力時に発生する棒端部の非定常な上下振動を抑制することができるため、振動による初期応力ピークのない試験片の引張応力を計測できる。
【００１７】
前記（４）に係る発明では、鉛直方向に対して、出力棒の下面のみ固定冶具で拘束し、出力棒の上面から（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］でテープを用いて拘束する。このように拘束すると、はじめに一度だけ，（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］についてテープの張力を貼付位置から決めるだけでよいので、簡単に安定した初期応力ピークのない応力計測を再現できる。
【００１８】
前記（５）に係る装置は、先端に板材または丸棒の試験片の取付手段を有する金属製出力棒と、試験片に１０ ² ／ｓ以上のひずみ速度を付与する衝撃を与えて塑性変形させる機能を有するインパクト・ブロックと、前記インパクトブロックを基準として、前記試験片と同じ方向から又は前記試験片と反対方向からインパクト・ブロックに衝撃を与えるハンマーと、ハンマーがインパクト・ブロックに衝突するようガイドするレールと、出力棒の先端近傍を鉛直方向で上下に拘束する固定冶具を有する。出力棒の先端近傍を鉛直方向で上下に拘束する固定冶具を有すると、出力棒の自重撓みや、インパクト・ブロックの衝撃時の飛び出し方向が出力棒の軸線から外れることにより発生する出力棒の振動を抑えるため、試験装置の精密な位置決め・精度管理を行うことなく、安定した初期応力ピークが発生しない高精度な応力計測ができる。固定冶具の設置位置は出力棒端部の非定常な振動を抑制する効果が機能するためには、出力棒の端部から２００ｍｍ以内とし、出力棒径が異なるときに出力棒の振動抑制の効果を最も大きくするためには、出力棒の端部からＬ≦１５Ｄ［ｍｍ］となる位置Ｌ［ｍｍ］に設置することが好ましい。
【００１９】
前記（６）に係る発明では、前記（３）に係る発明と同じ理由により、鉛直方向に対して、固定冶具が出力棒の上下両面に接するように設置する。
【００２０】
前記（７）に係る発明では、出力棒と接する固定冶具の面のヤング率が出力棒と同等以上とする。これにより、出力棒の軸方向の応力波が伝達するのを阻害せず軸方向外の振動を抑えるので、振動による初期応力ピークの発生を抑制できる。固定冶具の面のヤング率が出力棒より小さいと、出力棒の軸方向の応力波が伝達するのを阻害するため、試験片本来の変形応力より計測応力が過小となるので好ましくない。
【００２１】
前記（８）に係る発明では、出力棒と接する固定冶具が、中心軸を棒と直交させた半径Ｒ≧１．０［ｍｍ］の一組の円筒状とする。これにより、出力棒と固定冶具は点接触になるので、固定冶具と出力棒との摩擦の影響を小さくし、軸方向の応力波の伝達を阻害することなく出力棒の振動を抑制できる。
【００２２】
前記（９）に係る発明では、前記（４）に係る発明と同じ理由により、鉛直方向に対して、出力棒の下面側にのみ固定冶具が設置され、出力棒を固定冶具に押し付けるように、出力棒を上面から拘束する固定テープを設置することとする。
【００２４】
前記（１０）に係る発明では、出力棒に棒軸方向に沿って試験前に予め（２）式を満足する張力Ｆ ₂ ［Ｎ］を付与しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることにより、前記（１）に係る発明と同じ理由により、インパクト・ブロックの衝撃入力時に発生する棒端部の非定常な上下振動を抑制することができるため、振動による初期応力ピークのない試験片の引張応力を計測できる。
（２）式はＦＥＭ解析と実際の計測により最適範囲として求めた式であり、（２）式を満たすと、振動を抑制するのに十分な張力を付与できるので、初期応力ピークのない高精度な引張試験の応力を計測できる。（２）式の範囲を外れると、張力が不十分のため、初期応力ピークを除去できないか，張力が大きくなりすぎるため，試験片の応力計測の精度を低下させることになる。また、上記（２）式を満たす拘束力であれば、この抑え力は常に同じ大きさでなくとも、この算定式を満たす範囲であれば効果は同じで再現性の良い計測ができる。
【００２６】
前記（１１）に係る発明では、前記（５）〜（９）の何れか１項に規定した出力棒の端部の固定治具を有する装置を用いて、前記（１０）に規定した出力棒に予め張力を付与する方法を組合わせることにより、双方の振動抑制効果が得られることから、振動による初期応力ピークを確実に、除去することが出来る。
【００２７】
前記（１２）に係る発明では、前記（５）〜（９）の何れか 1 項に記載の装置を用いて、試験時の出力棒の断面の中心が、試験時の引張または圧縮の軸線に対して、Ａ ≦ ０．５となる範囲Ａ［ｍｍ］を満たすように出力棒および試験片、インパクト・ブロックを設置し、引張または圧縮の荷重入力方向を範囲Ａに入るように設定しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させる。これにより、前記（１）に係る発明で説明したように、振動発生原因を除外する厳密な精度管理の条件を満たすことになり、振動による初期応力ピークのない試験片の引張応力を計測できる。
尚、本発明において、高速変形時の圧縮応力を測定するには、図１０に示すように、ハンマーを試験片と反対方向からインパクト・ブロックに衝突させればよい。その後の解析は引張応力と同様にすればよい。
【００２８】
【実施例】
図９は、固定冶具１０の模式図であり、出力棒２に対して、点接触になるように固定冶具１０を棒端部近傍に取付けた。試験材の材質は４４０ＭＰａ級の鋼材である。
具体的には、出力棒２の直径１２ｍｍに対し、固定冶具１０の位置Ｌを棒端部から１００ｍｍと決定し、固定冶具の材質を棒と同等のヤング率を持つＳ４５Ｃ材とし、固定冶具１０の形状を半径５ｍｍとし、固定冶具１０による出力棒２の抑え力を３００Nと決めて計測を実施した。この結果、固定冶具１０を取付けたときの応力波形は、図１１のようになり、ピークを除去できたことが分かる。比較例の図３の波形と比較したのが、図１２であり、応力波形が大幅に改善されたのが分かる。残ったピークについては、材料特性としての降伏応力ピークとなる。実際に予ひずみを与えた試験片では、この改良でも比較的大きなピークが見られ、初期応力ピークがすべて棒の振動によるものではなく、上降伏応力の発生の影響も大きいことも分かった。
【００２９】
また、材質が大きく異なるジュラルミンＡ７０７５Ｔ６材においても、図９に示す固定冶具１０を取付け、応力の計測を行った。
具体的には、出力棒２の直径１２ｍｍに対し、固定冶具１０の位置Ｌを棒端部から１００ｍｍと決定し、固定冶具１０の材質を棒と同等のヤング率を持つＳ４５Ｃ材とし、固定冶具１０の形状を半径５ｍｍとし、固定冶具１０による出力棒２の抑え力を３００Ｎと決めて計測を実施した。この結果、ジュラルミンのＡ７０７５Ｔ６材での固定冶具による初期応力ピークの除去効果は図１３のようになり、材料が変わっても同じ効果を得ることができた。
【００３０】
図１４は、前記（１０）に係る発明の、張力を付与する方法を実施する装置の図面であり、治具１１は装置本体とは別に固定されており、この治具１１によりインパクト・ブロック４を固定し、出力棒２をインパクト・ブロック４と反対の端面から反対方向に試験前に予め張力Ｆ₂を付与する。これによる初期応力ピークの除去効果は図１５のようになり、材料が変わっても同じ効果を得ることができた。
さらに、前記（１１）に係る発明について、前記（５）記載の装置を用いて前記（１０）の方法を実施することにより、予め張力Ｆ₂と固定治具の抑え力Ｆを付与したときの初期応力ピークの除去効果は図１６のようになり、材料が変わっても同じ効果を得ることができた。
また、前記（１２）に係る発明について、図１７に示すように、試験時の出力棒の断面の中心が、試験時の引張または圧縮の軸線に対して、Ａ ≦ ０．５となる範囲Ａ［ｍｍ］になるように、出力棒の自重撓みとインパクト・ブロックの発射方向を調整しながら試験を実施した。このように精密に調整したとき、初期応力ピークの除去効果は図１８のようになり、材料が変わっても同じ効果を得ることができた。
【００３１】
この固定冶具による非定常な動的振動の抑制効果は、実施例で示したone bar方式の高速引張試験機はもとより、２本の金属棒を用いるKolsky法に対しても有効であり、また、金属棒を用いない油圧サーボタイプや検力台方式に対しても試験片や試験片接続冶具に適用することにより有効である。固定冶具は、最も効果の大きい上下方向について規定しているが、衝撃入力方向によっては、あらゆる方向で、固定冶具が非定常振動を抑制する効果が得られる。さらに、引張または圧縮の応力計測のみならず、溶接部強度や構造物の変形強度を計測するときにもこの方法が適用できることは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に基づいて高精度な材料の高速変形特性を計測し、更に、この特性を導入することによる高精度な衝突シミュレーションを行うことにより、従来行われていた自動車全体設計または部材設計時に衝突安全性を確保するための試作部材による試行錯誤を省略することができ、試作のためのコストを大幅に軽減するだけでなく、設計にかかる時間も短縮することができる。また、材料の精密な高速変形特性から衝突安全基準をクリアする最小限の材料の使用量を精密に予測することができ、従来、安全性確保のための余分な材料使用を削減し、製造時の材料コスト削減を行うことができるだけでなく、自動車軽量化により燃費を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の試験方法による応力―ひずみ曲線を示す図である。
【図２】従来のone bar方式高速引張試験の計測方法を示す図である。
【図３】出力棒中の応力波の伝達を計測するひずみゲージを示す図である。
【図４】初期応力ピークの発生を解析する有限要素モデルを示す図である。
【図５】従来の試験法による応力波の伝わりを示す図である。
【図６】有限要素法解析による棒端部の局所的な非定常振動を示す図である。
【図７】引張試験の応力波に先行する非定常振動による応力波を示す図である。
【図８】有限要素法解析により再現された初期ピークと実験値を示す図である。
【図９】初期応力ピークを除去するための固定冶具を示す図である。
【図１０】 one bar方式での圧縮試験の方法を示す図である。
【図１１】固定冶具により初期応力ピークが除去された応力波の伝わりを示す図である。
【図１２】固定冶具により高精度に計測された４４０MPa級鋼板の応力と改良前との比較を示す図である。
【図１３】固定冶具により高精度に計測されたA７０７５T６材の応力と改良前との比較を示す図である。
【図１４】出力棒に試験前に予め張力を付与する方法を示す図である。
【図１５】出力棒に予め張力を付与することにより高精度に測定された５９０ＭＰａ級鋼板の応力と改良前との比較を示す図である。
【図１６】出力棒に予め張力を付与し、さらに固定冶具と用いることにより高精度に測定された７８０ＭＰａ級鋼板の応力と改良前との比較を示す図である。
【図１７】出力棒の自重撓みやインパクト・ブロックの発射方向における精密な設置の条件を示す図である。
【図１８】出力棒や試験条件を精密に設置・制御したときの高精度に測定された２７０ＭＰａ級鋼板の応力と改良前との比較を示す図である。
【符号の説明】
１試験片
２出力棒
３ハンマー
４インパクト・ブロック
５アタッチメント
６ピン
７タブ
８歪ゲージ
９レール
１０固定冶具
１１張力付与用の固定冶具

Claims

板材または丸棒の試験片を取付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験片の応力を計測する試験方法において、下記（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］で、前記出力棒の端部から２００ｍｍ以内を鉛直方向で上下に拘束しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
１．０×１０ ^-5 ×Ｅ _b ｒ ² ≦ Ｆ ≦ １．５×１０ ^-3 ×Ｅ _b ｒ ² （１）
ここで、Ｄ：出力棒の直径［ｍｍ］、ｒ：出力棒の半径［ｍｍ］＝Ｄ／２
Ｅ _b ：出力棒のヤング率［Ｎ／ｍｍ ² ］
板材または丸棒の試験片を取付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験片の応力を計測する試験方法において、前記出力棒の直径Ｄ［ｍｍ］として前記出力棒の端部からＬ≦１５Ｄ［ｍｍ］となる位置Ｌを、下記（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］で、鉛直方向で上下に拘束しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
１．０×１０ ^-5 ×Ｅ _b ｒ ² ≦ Ｆ ≦ １．５×１０ ^-3 ×Ｅ _b ｒ ² （１）
ここで、Ｄ：出力棒の直径［ｍｍ］、ｒ：出力棒の半径［ｍｍ］＝Ｄ／２
Ｅ _b ：出力棒のヤング率［Ｎ／ｍｍ ² ］
鉛直方向に対して、出力棒の上下両面を固定冶具で接するように拘束することを特徴とする請求項１又は２記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
鉛直方向に対して、出力棒の下面のみ固定冶具で拘束し、出力棒の上面から（１）式を満足する抑え力Ｆ［Ｎ］でテープを用いて拘束することを特徴とする請求項１又は２記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
先端に板材または丸棒の試験片の取付手段を有する金属製出力棒と、前記試験片に１０ ² ／ｓ以上のひずみ速度の衝撃を与えて塑性変形させる機能を有するインパクト・ブロックと、前記インパクトブロックを基準として、前記試験片と同じ方向から又は前記試験片と反対方向から前記インパクト・ブロックに衝撃を付与するハンマーと、前記ハンマーが前記インパクト・ブロックに衝突するようガイドするレールと、前記出力棒の先端近傍を鉛直方向で上下に拘束する固定冶具を有することを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
鉛直方向に対して、固定冶具が出力棒の上下両面に接するように設置されていることを特徴とする請求項５記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
出力棒と接する固定冶具の面のヤング率が出力棒と同等以上であることを特徴とする請求項５又は６記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
出力棒と接する固定冶具が、半径Ｒ≧１．０［ｍｍ］の円柱状であり、出力棒と直交し点接触することを特徴とする請求項６又は７記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
鉛直方向に対して、出力棒の下面側にのみ固定冶具が設置され、出力棒を固定冶具に押し付けるように、出力棒を上面から拘束する固定テープを有すること特徴とする請求項５記載の高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測装置。
板材または丸棒の試験片を取付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験片の応力を計測する試験方法において、前記出力棒に棒軸方向に沿って試験前に予め（２）式を満足する張力Ｆ ₂ ［Ｎ］を付与しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
９．５×（Ｄ／２） ² ≦ Ｆ ₂ ≦ ＹＰ／２（２）
ここで、Ｄ：出力棒の直径［ｍｍ］、ＹＰ：試験片の降伏荷重［Ｎ］
請求項５〜９の何れか１項に記載の装置を用いて請求項１０記載の方法を実施することを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。
請求項５〜９の何れか 1 項に記載の装置を用いて、試験時の前記出力棒の断面の中心が、試験時の引張または圧縮の軸線に対して、Ａ ≦ ０．５ｍｍとなる範囲Ａ［ｍｍ］を満たすように出力棒および試験片、インパクト・ブロックを設置し、引張または圧縮の荷重入力方向を範囲Ａに入るように設定しながら、前記試験片に１０²／ｓ以上のひずみ速度を付与して塑性変形させることを特徴とする高速変形時の引張又は圧縮応力の精密計測方法。