JP4033119B2 - Material testing method, material testing machine - Google Patents
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Description
本発明は、試験片に負荷を与えて材料特性を計測する試験法に関し、特に、高速度で引張荷重を加える高速引張試験における材料特性を演算するに好適な技術に関する。 The present invention relates to a test method for measuring material properties by applying a load to a test piece, and more particularly to a technique suitable for calculating material properties in a high-speed tensile test in which a tensile load is applied at a high speed.
引張試験は一般に、試験片に引張荷重を加えてその試験片の伸びと荷重を刻々と計測し、材料の機械的特性を調べるものである。引張試験を行う引張試験機は、通常、試験片の両端を治具によって把持し、一方の治具を他方から離隔させることで試験片を引っ張る。試験片に作用する引張荷重は、治具に装着されたロードセルによって測定され、また、試験片の伸びは、試験片に装着した変位計などで測定する。 In general, a tensile test is a method in which a tensile load is applied to a test piece, and the elongation and load of the test piece are measured every moment to examine the mechanical properties of the material. A tensile testing machine for performing a tensile test usually holds both ends of a test piece with a jig and pulls the test piece by separating one jig from the other. The tensile load acting on the test piece is measured by a load cell attached to the jig, and the elongation of the test piece is measured by a displacement meter attached to the test piece.
ところで近年、試験片に高速度で引張荷重を加える高速引張試験が行われるようになっている。これは、自動車等の衝突時において材料が高速変形する際の特性等を正確に評価し、高精度な設計を行うニーズが高まっているからである。例えば、油圧サーボ方式の高速引張試験機では、助走空間を用いてアクチュエータを静止状態から高速域にまで加速させた後、その高速域内の一定の速度で試験片を引っ張る。例えば、1〜20m/sの速度で引っ張ることが多い。 By the way, in recent years, a high-speed tensile test in which a tensile load is applied to a test piece at a high speed has been performed. This is because there is an increasing need to accurately evaluate characteristics and the like when a material is deformed at high speed in the event of a collision with an automobile or the like and to design with high accuracy. For example, in a hydraulic servo type high-speed tensile testing machine, an actuator is accelerated from a stationary state to a high-speed range using a running space, and then a test piece is pulled at a constant speed within the high-speed range. For example, it is often pulled at a speed of 1 to 20 m / s.
しかし、高速引張試験では、アクチュエータや治具等の慣性力・衝撃によって機械全体に振動が発生し、ロードセルの出力にも振動現象が現れる結果、荷重の計測精度が悪化するという問題があった。 However, in the high-speed tensile test, there is a problem that vibration is generated in the entire machine due to inertial force / impact of an actuator or a jig, and a vibration phenomenon appears in the output of the load cell, resulting in deterioration of load measurement accuracy.
そこで試験片に歪みゲージを直接貼り付けて、この歪みゲージによって荷重を計測する手法が提案されている。しかしながら、歪みゲージ自体は荷重を計測する機能を有しないので、予備試験を実施し、歪みゲージの歪み出力とロードセルの荷重出力の変換係数を算出してから、実際の引張試験で歪みゲージによって荷重を計測するものであった。従って、計測に約2倍の時間が必要となり、計測効率が悪いという問題と、予備試験時と本試験時で歪みゲージの貼り方に差があると誤差を生じるという問題があった。 Therefore, a technique has been proposed in which a strain gauge is directly attached to a test piece and a load is measured by the strain gauge. However, since the strain gauge itself does not have a function to measure the load, a preliminary test is performed, the conversion coefficient between the strain gauge's strain output and the load output of the load cell is calculated, and then the load is loaded by the strain gauge in the actual tensile test. Was to measure. Therefore, about twice as much time is required for the measurement, there is a problem that the measurement efficiency is poor, and there is a problem that an error occurs if there is a difference in the way of attaching the strain gauge between the preliminary test and the main test.
(1)請求項1の発明は、試験片に負荷を与えて材料特性を計測する試験方法において、一の試験片に負荷を与えながら、一の試験片に作用する力を検出する荷重測定手段による荷重出力の時間変化特性、および試験片に貼り付けた歪みゲージによる歪み出力の時間変化特性を取得し、一の試験片に負荷を与えたときに取得した塑性域における荷重出力の時間変化特性と歪み出力の時間変化特性との関係に基づいて変換係数を算出し、変換係数を用いて、一の試験片に負荷を与えたときに取得した歪み出力の時間変化特性の歪み値を実荷重に変換して一の試験片に作用する実荷重の時間変化特性を算出することを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1の試験方法において、荷重出力の時間変化特性の塑性域における特定時間tの移動平均荷重F(t)を算出すると共に、歪み出力の時間変化特性の塑性域における特定時間tの移動平均歪みε(t)を算出し、移動平均荷重F(t)と移動平均歪みε(t)から、変換係数としてのばね定数kをF(t)=k×ε(t)の関係から算出し、ばね定数kを用いて歪み出力の時間変化特性における歪み値を実荷重に変換するようにしたことを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項2の試験方法において、移動平均荷重F(t)および移動平均歪みε(t)に代えて、フーリエ変換を行って高周波成分を除去することにより平準化した平均荷重F´(t)および平均歪みε´(t)を用いることを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、試験片に負荷を与えて材料特性を計測する材料試験機において、試験片に作用する荷重を測定する荷重測定手段と、試験片に貼り付けた歪みゲージの出力により試験片の歪みを測定する歪み測定手段と、一の試験片に負荷を与えながら、荷重測定手段の測定値により荷重出力の時間変化特性を、歪み測定手段の測定値により歪み出力の時間変化特性をそれぞれ取得し、取得した両時間変化特性のうち、塑性域における荷重出力の時間変化特性と歪み出力の時間変化特性との関係に基づき一の試験片について変換係数を算出し、算出した変換係数を用いて、歪み出力の時間変化特性における歪み値を実荷重に変換し、一の試験片における実荷重の時間変化特性を算出する実荷重演算装置と、を備えることを特徴とする。
(1) A first aspect of the present invention is a test method for measuring a material property by applying a load to a test piece, and a load measuring means for detecting a force acting on the one test piece while applying the load to the one test piece. The time change characteristics of load output due to the strain and the time change characteristics of strain output by the strain gauge attached to the test piece, and the time change characteristic of load output in the plastic region obtained when a load is applied to one test piece The conversion coefficient is calculated based on the relationship between the strain output and the time variation characteristic of the strain output, and the strain value of the time variation characteristic of the strain output obtained when a load is applied to one test piece using the conversion coefficient is the actual load. It is characterized in that the time change characteristic of the actual load acting on one test piece is calculated.
(2) According to the invention of
(3) According to the invention of
(4) The invention of
本発明によれば、予備試験を必要とせずに、歪みゲージの出力値から試験片に作用する荷重を算出することが可能になり、計測効率を高めることが可能になる。 According to the present invention, it is possible to calculate the load acting on the test piece from the output value of the strain gauge without requiring a preliminary test, and it is possible to increase the measurement efficiency.
以下図面を参照しながら本発明の最良の実施形態について詳細に説明する。
図1には、本実施の形態に係る油圧サーボ方式の高速引張試験機10が示されている。この高速引張試験機10は、アクチュエータ11と流量制御弁12、油圧源13、ロードセル14、つかみ装置15、変位検出器16等を備えている。試験片1の両端側のつかみ部をつかみ装置15が把持することで、試験片1が高速引張試験機10に固定されるようになっている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a hydraulic servo type high-speed
特にロードセル14側のつかみ装置15はロードセル14と略一体構造となっており、ロードセル14とつかみ装置15を含めた測定系の固有振動数が高く設定されている。これにより試験片1に作用する荷重を高い精度で計測可能となっている。
In particular, the gripping device 15 on the load cell 14 side has a substantially integrated structure with the load cell 14, and the natural frequency of the measurement system including the load cell 14 and the gripping device 15 is set high. As a result, the load acting on the
試験片1がつかみ装置15に把持される端部近傍、換言すると、試験片1が破断するくびれ部以外の部位に歪みゲージ20が貼り付けられている。歪みゲージ20は試験片の歪みを線形に検出することができる。すなわち、引張荷重により試験片1の中央くびれ部は塑性変形して破断に至るが、試験片端部の塑性変形しない部位に歪みゲージ20が貼り付けられている。
The
更に高速引張試験機10は、歪みゲージ20やロードセル14からの検出信号を入力して荷重−歪み特性を演算するとともに、試験機全体の動作を制御すると演算装置17を備えている。
Furthermore, the high-speed
演算装置17は、ロードセル14からの荷重信号を所定のサンプリング間隔で取得して荷重の時間変化特性を記憶する。同時に、歪みゲージ20からの歪み信号を所定のサンプリング間隔で取得して歪みの時間変化特性を記憶する。すなわち、演算装置17は、試験片1に引張荷重を加える過程で得られる歪みゲージ20およびロードセル14からの出力信号から、荷重出力−時間変化特性と、歪み出力−時間変化特性を同時取得する。なお、本明細書における同時取得という意味は、一度の引張試験過程で取得することを意味している。つまり、予備試験と本試験等を別々に行う必要が無く、一度の引張試験で両特性を得る。
The
演算装置17は、これらの荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性の関係に基づいて演算処理し、歪みの時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換して、試験片1における実荷重の時間変化特性を得る。
The
演算装置17にはモニタ18が接続され、モニタ18には、荷重の時間変化特性、歪みの時間変化特性、あるいは荷重−歪み特性のグラフを表示する。
A
次に、図2のフローチャート等を参照して高速引張試験機10を用いた引張試験を説明する。
まず、ステップS30において、アクチュエータ11によって試験片1に引張荷重を加える。それと同時に、ステップS32において、ロードセル14と歪みゲージ20から出力信号を得る。ステップ34では、荷重出力−時間変化特性(図3(a)参照:荷重の時間変化特性とも呼ぶ)と歪み出力−時間変化特性(図3(b)参照:歪みの時間変化特性とも呼ぶ)を生成する。
Next, a tensile test using the high-
First, in step S <b> 30, a tensile load is applied to the
なお、図3(a)に示されるように、高速引張試験においては、仮に高固有振動数のロードセル14を用いたとしても、試験の衝撃や引っ張り試験機10の慣性力によって荷重出力に振動が発生する場合があることは避けられない。特にA部のように、弾性限界近辺のグラフの傾きが大きく変化する領域において振動の影響が大きい。一方、図3(b)に示されるように、歪み出力には振動の影響は殆ど発生しない。
As shown in FIG. 3A, in the high-speed tensile test, even if the load cell 14 having a high natural frequency is used, vibration is generated in the load output due to the impact of the test or the inertial force of the
その後、ステップS36において、同時に得られた荷重出力−時間特性と歪み出力−時間特性との関係に基づいて、歪み出力−時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換し、試験片における実荷重−時間変化特性を算出する。特に、塑性域の関係に基づいて、歪み出力−時間変化特性の歪み出力を実荷重に変換するようにしている。 Thereafter, in step S36, based on the relationship between the load output-time characteristic and the strain output-time characteristic obtained simultaneously, the strain output in the strain output-time change characteristic is converted into an actual load, and the actual load in the test piece- Calculate time-varying characteristics. In particular, the strain output of the strain output-time change characteristic is converted into an actual load based on the relationship between the plastic regions.
このステップS36について、図4のフローチャートを参照して更に具体的に説明する。
まず、ステップS361において、図3(a)の荷重出力−時間特性の塑性域Bにおける特定時間t1の移動平均荷重F(t1)と特定時間t2の移動平均荷重F(t2)を算出する。次に、ステップS362において、同様に、図3(b)の歪み出力−時間特性の塑性域Cにおける特定時間t1、t2の移動平均歪みε(t1)、ε(t2)を算出する。
Step S36 will be described more specifically with reference to the flowchart of FIG.
First, in step S361, a moving average load F (t1) at a specific time t1 and a moving average load F (t2) at a specific time t2 in the plastic region B of the load output-time characteristic of FIG. Next, in step S362, similarly, moving average strains ε (t1) and ε (t2) at specific times t1 and t2 in the plastic region C of the strain output-time characteristic of FIG. 3B are calculated.
なお、これらの移動平均は、この塑性域B、Cを微小区間で細分割して各微小区間の荷重出力・歪み出力をそれぞれ算出し、特定時間t1、t2において、その時間前(或いはその時間後)の所定区間分の出力平均値を求めることによって算出される。なお、ここでの塑性域B、Cは上記弾性限界近辺の領域Aを除いた部分であることが望ましい。 Note that these moving averages are obtained by subdividing the plastic zones B and C into minute sections and calculating the load output and strain output of each minute section, respectively, and at the specific times t1 and t2, the time before (or the time) It is calculated by obtaining an output average value for a predetermined section of (after). The plastic regions B and C here are preferably portions excluding the region A in the vicinity of the elastic limit.
次に、ステップS363で、移動平均F(t1)と移動平均歪みε(t1)から、ばね定数k1をF(t1)=k1×ε(t1)の関係から算出し、同様に、移動平均F(t2)と移動平均歪みε(t2)から、ばね定数k2をF(t2)=k2×ε(t2)の関係から算出する。その後、ステップS364において、これらの複数のばね定数k1、k2の平均値kを算出する。なお、ここでは2つの特定時間のばね定数k1、k2を算出するようにしたが、3以上のばね定数を用いても良く、反対に1つでも構わない。また、複数の移動平均、例えばF(t1)F、(t2)を更に平均化して1つの値F(t)を得、その後にばね定数を求めても良い。 Next, in step S363, the spring constant k1 is calculated from the relationship of F (t1) = k1 × ε (t1) from the moving average F (t1) and the moving average strain ε (t1). The spring constant k2 is calculated from the relationship of F (t2) = k2 × ε (t2) from (t2) and the moving average strain ε (t2). Thereafter, in step S364, an average value k of the plurality of spring constants k1 and k2 is calculated. Although the spring constants k1 and k2 for two specific times are calculated here, three or more spring constants may be used, or one spring constant may be used. Further, a plurality of moving averages, for example, F (t1) F and (t2) may be further averaged to obtain one value F (t), and then the spring constant may be obtained.
次にステップS365で、歪み出力に上記ばね定数kを乗算することで、図3(b)の歪み出力−時間特性の縦軸、即ち歪み出力を実荷重に変換する。この実荷重は、引張試験の衝撃振動の影響が除去されて試験片に実際に加わっている荷重と想定できる。 In step S365, the vertical axis of the strain output-time characteristic in FIG. 3B, that is, the strain output is converted into an actual load by multiplying the strain output by the spring constant k. This actual load can be assumed to be a load actually applied to the test piece after the influence of the impact vibration of the tensile test is removed.
すなわち、この実施の形態の引張試験装置では、荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性との関係に基づいて、取得した歪みの時間変化特性の歪みを実荷重に変換して試験片に作用する実荷重の時間変化特性を算出している。 That is, in the tensile test apparatus according to this embodiment, based on the relationship between the time change characteristic of the load and the time change characteristic of the strain, the strain of the acquired time change characteristic is converted into an actual load and acts on the test piece. The time change characteristic of the actual load is calculated.
図5には、実際の高速引張試験でロードセル14から直接得た荷重出力−時間特性(H)と、本引張試験装置10による演算によって得られた実荷重−時間特性(M)を示す。実荷重−時間特性(M)では振動の影響は排除され、安定した特性が得られていることが分かる。この実荷重−時間特性は演算装置17の記憶部に記憶されるとともに表示装置18に表示される。
FIG. 5 shows a load output-time characteristic (H) directly obtained from the load cell 14 in an actual high-speed tensile test, and an actual load-time characteristic (M) obtained by calculation by the
本引張試験装置10によれば、1度の高速引張試験で得られるデータから高精度な実荷重−時間特性を得ることができるので、予備試験等をする必要が無くなり、簡単且つ効率的に精度のよい計測が可能になる。なお、荷重出力と歪み出力の塑性域のデータを平坦化(なまし処理)してから比較しているのは、塑性域(特の後半の塑性域)では、振動成分を除くと荷重出力と歪み出力の挙動が非常に近似している点と、塑性域の方が弾性変形域よりも大きな出力値で比較でき、比較精度が高い点に着目したからである。これら合理的に組合わせることで相乗的に高精度の変換結果が得られるようになっている。
According to the present
なお、本実施形態では、ばね定数を求める際に移動平均値を用いたが、この移動平均に代えて、荷重信号と歪み信号に対してフーリエ変換処理を行って高周波成分を除去することにより得られた平均荷重等を用いても構わない。またこれらを組み合わせても構わない。要はデータ(特に荷重出力データ)をなまし処理して振動の影響を小さくできれば十分である。 In this embodiment, the moving average value is used when obtaining the spring constant. Instead of this moving average, the moving constant value is obtained by performing a Fourier transform process on the load signal and the strain signal to remove high frequency components. The average load or the like may be used. Moreover, you may combine these. In short, it is sufficient if data (especially load output data) is smoothed to reduce the influence of vibration.
また本実施形態では、好ましい形態として塑性域のデータ、特に弾性限界近辺の大きな変動を除いた塑性域のデータを用いてばね定数を決定する場合を示したが、本発明はそれに限定されず、同時に計測される荷重出力と歪み出力から所定の関係を求め、それを変換係数に用いることができれば他の領域でも構わない。 Further, in the present embodiment, the case where the spring constant is determined using the plastic region data, particularly the plastic region data excluding large fluctuations in the vicinity of the elastic limit, as a preferred form is shown, but the present invention is not limited thereto, Other regions may be used as long as a predetermined relationship is obtained from the load output and strain output measured at the same time and can be used as a conversion coefficient.
さらに、高速引張試験機について説明したが、荷重検出信号に振動成分がノイズとなって現れるような速度で材料を負荷して特性を評価する試験機であれば、圧縮試験機、疲労試験機、曲げ試験機など種々の材料試験機に本発明を適用できる。 Furthermore, the high-speed tensile testing machine has been described, but if it is a testing machine that evaluates characteristics by loading a material at a speed at which the vibration component appears as noise in the load detection signal, a compression testing machine, a fatigue testing machine, The present invention can be applied to various material testing machines such as a bending testing machine.
1 試験片 10 引張試験機
11 アクチュエータ 12 流量制御弁
13 油圧源 14 ロードセル
15 つかみ装置 16 変位計測器
17 演算装置 18 表示装置
20 歪みゲージ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
一の試験片に負荷を与えながら、前記試験片に作用する力を検出する荷重測定手段による荷重出力の時間変化特性、および前記試験片に貼り付けた歪みゲージによる歪み出力の時間変化特性を取得し、
前記一の試験片に負荷を与えたときに取得した塑性域における前記荷重出力の時間変化特性と前記歪み出力の時間変化特性との関係に基づいて変換係数を算出し、
前記変換係数を用いて、前記一の試験片に負荷を与えたときに取得した歪み出力の時間変化特性の歪み値を実荷重に変換して前記一の試験片に作用する実荷重の時間変化特性を算出することを特徴とする試験方法。 In a test method for measuring material properties by applying a load to a test piece,
While applying the load to one of the specimen, the acquisition time change characteristic of the load output by the load measuring means for detecting a force acting, and time change characteristic of the distortion output by pasted strain gauges on the specimen to the specimen And
Calculating a conversion factor based on a relationship between time variation characteristic of the distortion output and time variation characteristics of the load output in the acquired plastic zone when given load to the one test piece,
Using the conversion coefficient, the time change of the actual load acting on the one test piece by converting the strain value of the time change characteristic of the strain output acquired when the load is applied to the one test piece into an actual load. A test method characterized by calculating characteristics.
前記荷重出力の時間変化特性の塑性域における特定時間tの移動平均荷重F(t)を算出すると共に、前記歪み出力の時間変化特性の塑性域における前記特定時間tの移動平均歪みε(t)を算出し、
前記移動平均荷重F(t)と移動平均歪みε(t)から、前記変換係数としてのばね定数kをF(t)=k×ε(t)の関係から算出し、
前記ばね定数kを用いて前記歪み出力の時間変化特性における歪み値を実荷重に変換するようにしたことを特徴とする試験方法。 The test method of claim 1 ,
The moving average load F (t) at a specific time t in the plastic region of the time change characteristic of the load output is calculated, and the moving average strain ε (t) of the specific time t in the plastic region of the time change characteristic of the strain output. To calculate
From the moving average load F (t) and the moving average strain ε (t), the spring constant k as the conversion coefficient is calculated from the relationship of F (t) = k × ε (t),
A test method characterized by converting a strain value in the time change characteristic of the strain output into an actual load by using the spring constant k.
移動平均荷重F(t)および移動平均歪みε(t)に代えて、フーリエ変換を行って高周波成分を除去することにより平準化した平均荷重F´(t)および平均歪みε´(t)を用いることを特徴とする試験方法。 The test method of claim 2 ,
Instead of the moving average load F (t) and moving average strain epsilon (t), the average load F'was leveled by removing high frequency components by performing a Fourier transform (t) and the average strain ε'a (t) A test method characterized by using.
試験片に作用する荷重を測定する荷重測定手段と、
前記試験片に貼り付けた歪みゲージの出力により試験片の歪みを測定する歪み測定手段と、
一の試験片に負荷を与えながら、前記荷重測定手段の測定値により荷重出力の時間変化特性を、歪み測定手段の測定値により歪み出力の時間変化特性をそれぞれ取得し、取得した両時間変化特性のうち、塑性域における前記荷重出力の時間変化特性と歪み出力の時間変化特性との関係に基づき前記一の試験片について変換係数を算出し、前記算出した変換係数を用いて、前記歪み出力の時間変化特性における歪み値を実荷重に変換し、前記一の試験片における実荷重の時間変化特性を算出する実荷重演算装置と、を備えることを特徴とする材料試験機。
In a material testing machine that applies load to a specimen and measures material properties,
Load measuring means for measuring the load acting on the test piece;
And distortion measuring means for measuring the distortion of the test piece by the output of the strain gauge affixed to the test strip,
While applying the load to one of the specimen, the time change characteristic of the load output by the measurement value of the load measuring means, respectively to get the temporal change characteristics of the strain output by measurement of the strain measuring means, obtained both time variation characteristics of, and calculates the time change characteristic and group Hazuki transform coefficients for said one specimen in relation to the time change characteristic of the strain output of the load output in plastic zone, using the conversion coefficients the calculated, the strain output A material tester comprising: an actual load calculation device that converts a strain value in the time change characteristic of the actual load into an actual load and calculates a time change characteristic of the actual load in the one test piece.
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