JP4619157B2 - 衝撃試験装置及び衝撃試験方法 - Google Patents
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Description
また、薄い試験片が発泡材料や粘弾性材料あるいはこれらを組み合わせた材料からなり、衝撃作用時に衝撃を緩和、吸収するような衝撃吸収材料であっても、該試験片の衝撃応力とこの衝撃応力に対する厚さ方向の歪みとの関係を表す衝撃応力−歪み特性情報を得ることが可能となる。このため、製品の形態等が異なる場合や、衝撃力の作用の方法が異なる場合であっても、発泡材料や粘弾性材料あるいはこれらを組み合わせた材料からなる薄い衝撃吸収材料の衝撃力作用時における衝撃応力―歪み特性等を実機試験することなく確実に求めることができる。
また、薄い試験片が発泡材料や粘弾性材料あるいはこれらを組み合わせた材料からなり、衝撃作用時に衝撃を緩和、吸収するような衝撃吸収材料であっても、該試験片の衝撃応力とこの衝撃応力に対する厚さ方向の歪みとの関係を表す衝撃応力−歪み特性情報を得ることが可能となる。このため、製品の形態等が異なる場合や、衝撃力の作用の方法が異なる場合であっても、発泡材料や粘弾性材料あるいはこれらを組み合わせた材料からなる薄い衝撃吸収材料の衝撃力作用時における衝撃応力―歪み特性等を実機試験することなく確実に求めることができる。
また、薄い試験片が発泡材料や粘弾性材料あるいはこれらを組み合わせた材料からなり、衝撃作用時に衝撃を緩和、吸収するような衝撃吸収材料であっても、該試験片の衝撃力作用時における衝撃吸収率を得ることが可能となる。このため、製品の形態等が異なる場合や、衝撃力の作用の方法が異なる場合であっても、発泡材料や粘弾性材料あるいはこれらを組み合わせた材料からなる薄い衝撃吸収材料の衝撃力作用時における衝撃吸収率等を実機試験することなく確実に求めることができる。
図1乃至図4に示すように、実施例1に係る衝撃試験装置1は、試験片2を任意の保持力で保持する保持手段としての保持部材3と、試験片2に衝撃応力を負荷する衝撃負荷手段としての衝撃負荷部材4と、衝撃負荷部材4による試験片2に対する衝撃力を検出する衝撃力検出手段としての力センサ5と、試験片2の衝撃負荷部材4による衝撃力作用時の変位を検出する変位検出手段としての高速度カメラ6と、力センサ5からの信号と、高速度カメラ6からの信号とを同期させて試験片2に衝撃力が作用した時の該試験片2の衝撃応力とこの衝撃応力に対する歪みとの関係を表す衝撃応力―歪み特性情報としての衝撃応力−歪み特性曲線を出力する出力手段としての出力装置部7と、で構成される。
また、図4に示すように、衝撃応力―歪み特性曲線を出力する出力装置部7は、変位検出手段である高速度カメラ6からの変位検出信号(画像信号)を出力する第1制御手段32と、衝撃力検出手段である力センサ5からの信号と、第1制御手段32からの変位検出信号(画像信号)を同期させる同期手段35と、第1制御手段32からの変位検出信号(画像信号)の画像を解析し、変位を試験片2の無負荷時の厚さで除算して歪を算出すると共に、同期手段35で同期された力センサ5からの信号を解析し、衝撃力を算出後、試験片2の支持板28に当接する面の面積で除算して衝撃応力を算出して、衝撃応力―歪み特性曲線を出力する第2制御手段30と、で構成されている。ここで、力センサ5からの信号と、第1制御手段32からの変位検出信号(画像信号)との同期は、ハンマ24が試験片2の手前に設けられた速度センサ34の前を通過した際に発せられる速度計33からの信号をきっかけとして第1制御手段32及び同期手段35が同時に各々の信号を検出するようにすることで行われている。
まず、保持部材3の固定治具11及び押さえ治具12間に試験片2を挿入せずにアクリル樹脂からなる支持板28のみを挿入する。そして、レバー14によって台座13を固定治具11側にスライドさせて支持板28におおよそ密着させて台座13を仮固定する。次いで、押さえ圧力調整手段16によって台座13を微調整し、固定治具11と支持板28とを密着固定する。そして、このとき押さえ圧力調整手段16に設けられているメモリをリセットし、押さえ治具12の位置を基準点とする。
試験片2のセット終了後、アーム21の一端に設けられている電磁石25のスイッチを入れ、ハンマ24をアーム21に固定保持する。そして、アーム21を任意の所定角度に振り上げて固定後、電磁石25のスイッチを切り、ハンマ24を保持部材3に保持されている支持板28に衝突させる(図2参照)。
(検出工程)
また、このときの衝撃力を力センサ5によって測定する。
ここで、試験片2を挿入する前に、固定治具11と支持板28とを密着固定して、同様にしてハンマ24を支持板28に衝突させ、この際の衝撃力を測定しておき、下記(1)式で計算することによって試験片2の衝撃吸収率(%)を測定することができる。
試験片2に負荷された衝撃力は、前述した方法によりハンマ24の衝突時における力センサ5によって検出する。この力センサ5からの信号は、同期手段35に入力される。一方、このときの試験片2の変位については、高速度カメラ6で撮影し、その撮像信号が第1制御手段32を経て同期手段35に入力される。ここで、同期手段35による力センサ5からの信号及び高速度カメラ6からの信号の同期は、図4に示すように、ハンマ24が保持部材3の直前に設けられている速度センサ34を通過することで速度計33から信号が発信し、第1制御手段32に入力されると共に、該第1制御手段32を介して同期手段35に同期信号が入力される。そして、この速度計33からの信号をきっかけとして高速度カメラ6による撮像が開始されると共に、同期手段35からの力センサ5の信号が発信されるようになる。これによって、高速度カメラ6の撮像開始と力センサ5による衝撃力測定が同時に開始され、各測定時間における試験片2の変位を該試験片2に作用する衝撃力に同期させて測定することが可能となる。
そして、同期手段35によって同期された力センサ5からの信号及び高速度カメラ6からの撮像信号は、第2制御手段30に入力される。この第2制御手段30において、力センサ5からの信号は、衝撃力に変換され、高速度カメラ6からの撮像信号は、画像処理されて変位に変換される。ここで、高速度カメラ6からの撮像信号を画像処理によって変位へ変換するには、試験片2あるいは支持板28の端面にマークを記入しておく。そして、このマークの軌跡を数値化することによって行われる。また、第2制御手段30は、各測定時間における衝撃力と変位とのデータ値を取得後、各衝撃力を試験片2の支持板28に当接する面の面積で除算すると共に、各変位を試験片2の無負荷時の厚さで除算して衝撃応力―歪み特性曲線を出力することが可能となる。例えば、第2制御手段30を液晶表示画面を有するパーソナルコンピュータ等で構成し、この衝撃応力―歪み特性曲線を液晶表示画面に表示することが可能となる。
この試験片2は、ポリプロピレン製の発泡材料で形成された衝撃吸収材料を20mm×20mm×1mmとなるように切り出し、90mm×80mm×3mmのアクリル樹脂製の支持板28を介して保持部材3によって保持した。このとき、押さえ治具12は、基準点から少し押し込んだ状態とし、試験片2を厚さ方向に30%圧縮した状態に保持した。そして、ハンマ24を支柱20に対して45度となるように振り上げた状態にセットした後、該ハンマ24をアーム21から切り離し、支持板28に衝突させた。この際、高速度カメラ6(例えば、Photron社製FASTCAM)によって随時試験片2の変位の撮像を行った。また、室温20℃、湿度60%の環境でこの衝撃試験を行った。
以上の試験条件で得られた衝撃応力―歪み特性曲線45を図5に示す。図5に示すように、試験片2がポリプロピレン製の発泡材料などの衝撃吸収材料であっても衝撃応力―歪み特性曲線45を得ることができた。
実施例2に係る衝撃試験装置の概略構成及び制御構成は、実施例1に係る衝撃試験装置1とほぼ同じ構成である。
但し、図7乃至図9に示すように、実施例2に係る衝撃試験装置51は、実施例1に係る衝撃試験装置1を構成する力センサ5が取り付けられた保持部材3及び衝撃負荷部材4を温度維持手段及び湿度維持手段としての恒温恒湿槽52の断熱箱体54内に配置した点において上記実施例1に係る衝撃試験装置1の構成と異なっている。
また、断熱箱体54の左側壁面の中央下部には、観測用窓62が設けられ、該断熱箱体54内に配置される保持部材3に保持される試験片2の変位を観察可能に構成されている。また、この観測用窓62の外側には、透明なアクリル板などで形成され略中央部に縦長の貫通孔が穿設された略四角形の保護板64が設けられている。そして、この保護板64の外側には、高速度カメラ6と照明装置66とが配置され、保持部材3に保持される試験片2の変位を観測可能に構成されている。
また、断熱扉55の右側には、冷凍機ユニット56、加湿器58、冷却・除湿器59、ヒータ60及び送風機61を駆動制御する制御回路部(不図示)を備えた操作部68が設けられ、該断熱箱体54内の温度及び湿度を所定温度及び所定湿度に設定可能に構成されている。ここで、恒温恒湿槽52は、断熱箱体54内の温度を−40℃乃至+100℃の範囲内の任意の温度に設定可能に構成され、また、該断熱箱体54内の湿度を0%乃至100%の範囲内の任意の湿度に設定可能に構成されている。
また、図9に示すように、衝撃応力―歪み特性曲線を出力する出力装置部7は、断熱箱体54の外側に配置され、変位検出手段である高速度カメラ6からの変位検出信号(画像信号)を出力する第1制御手段32と、衝撃力検出手段である力センサ5からの信号と、第1制御手段32からの変位検出信号(画像信号)を同期させる同期手段35と、第1制御手段32からの変位検出信号(画像信号)の画像を解析し、変位を試験片2の無負荷時の厚さで除算して歪を算出すると共に、同期手段35で同期された力センサ5からの信号を解析し、衝撃力を算出後、試験片2の支持板28に当接する面の面積で除算して衝撃応力を算出して、衝撃応力―歪み特性曲線を出力する第2制御手段30と、で構成されている。ここで、力センサ5からの信号と、第1制御手段32からの変位検出信号(画像信号)との同期は、ハンマ24が試験片2の手前に設けられた速度センサ34の前を通過した際に発せられる速度計33からの信号をきっかけとして第1制御手段32及び同期手段35が同時に各々の信号を検出するようにすることで行われている。
(保持工程)
まず、断熱箱体54内に配置される保持部材3の固定治具11及び押さえ治具12間に試験片2を挿入せずにアクリル樹脂からなる支持板28のみを挿入する。そして、レバー14によって台座13を固定治具11側にスライドさせて支持板28におおよそ密着させて台座13を仮固定する。次いで、押さえ圧力調整手段16によって台座13を微調整し、固定治具11と支持板28とを密着固定する。そして、このとき押さえ圧力調整手段16に設けられているメモリをリセットし、押さえ治具12の位置を基準点とする。
そして、アーム21を任意の所定角度にセット後、断熱扉55を閉塞し、操作部68を介して恒温恒湿槽52の設定温度及び設定湿度を所定温度及び所定湿度に設定して、所定時間(例えば、約30分乃至約2時間)運転する。これにより、試験片2の温度を設定温度まで確実に上昇させてに維持すると共に、この試験片2を設定湿度の雰囲気中に維持することができる。
その後、電磁石25のスイッチを切り、ハンマ24を保持部材3に保持されている支持板28に衝突させる(図9参照)。
(検出工程)
また、このときの衝撃力を力センサ5によって測定する。
ここで、試験片2を挿入する前に支持板12のみの場合に、同様にしてハンマ24を支持板12に衝突させ、この際の衝撃力を測定しておき、上記(1)式で計算することによって各設定温度及び各設定湿度の雰囲気中における試験片2の衝撃吸収率(%)を測定することができる。
試験片2に負荷された衝撃力は、前述した方法によりハンマ24の衝突時における力センサ5によって検出する。この力センサ5からの信号は、同期手段35に入力される。一方、このときの試験片2の変位については、観測用窓62を介して高速度カメラ6で撮影し、その撮像信号が第1制御手段32を経て同期手段35に入力される。ここで、同期手段35による力センサ5からの信号及び高速度カメラ6からの信号の同期は、図9に示すように、ハンマ24が保持部材3の直前に設けられている速度センサ34を通過することで速度計33から信号が発信し、第1制御手段32に入力されると共に、該第1制御手段32を介して同期手段35に同期信号が入力される。そして、この速度計33からの信号をきっかけとして高速度カメラ6による撮像が開始されると共に、同期手段35からの力センサ5の信号が発信されるようになる。これによって、高速度カメラ6の撮像開始と力センサ5による衝撃力測定が同時に開始され、設定温度及び設定湿度の雰囲気中において、各測定時間における試験片2の変位を該試験片2に作用する衝撃力に同期させて測定することが可能となる。
そして、同期手段35によって同期された力センサ5からの信号及び高速度カメラ6からの撮像信号は、第2制御手段30に入力される。この第2制御手段30において、力センサ5からの信号は、衝撃力に変換され、高速度カメラ6からの撮像信号は、画像処理されて変位に変換される。ここで、高速度カメラ6からの撮像信号を画像処理によって変位へ変換するには、試験片2あるいは支持板28の端面にマークを記入しておく。そして、このマークの軌跡を数値化することによって行われる。
また、第2制御手段30は、各測定時間における衝撃力と変位とのデータ値を取得後、各衝撃力を試験片2の支持板28に当接する面の面積で除算すると共に、各変位を試験片2の無負荷時の厚さで除算して、設定温度及び設定湿度の雰囲気中における衝撃応力―歪み特性曲線を出力することが可能となる。例えば、第2制御手段30を液晶表示画面を有するパーソナルコンピュータ等で構成し、この設定温度及び設定湿度の雰囲気中における衝撃応力―歪み特性曲線を液晶表示画面に表示することが可能となる。
この試験片2は、ポリプロピレン製の発泡材料で形成された衝撃吸収材料を20mm×20mm×1mmとなるように切り出し、90mm×80mm×3mmのアクリル樹脂製の支持板28を介して保持部材3によって保持した。このとき、押さえ治具12は、基準点から少し押し込んだ状態とし、試験片2を厚さ方向に30%圧縮した状態に保持した。そして、ハンマ24を支柱20に対して45度となるように振り上げた状態にセットした後、各設定温度−20℃、+20℃、+60℃及び設定湿度60%にそれぞれ約1時間放置した後、該ハンマ24をアーム21から切り離し、支持板28に衝突させた。この際、高速度カメラ6(例えば、Photron社製FASTCAM)によって随時試験片2の変位の撮像を行った。
以上の試験条件で得られた各設定温度−20℃、+20℃、+60℃及び設定湿度60%における各衝撃応力―歪み特性曲線71、72、73を図10に示す。図10に示すように、試験片2がポリプロピレン製の発泡材料などの衝撃吸収材料であっても各設定温度−20℃、+20℃、+60℃及び設定湿度60%における各衝撃応力―歪み特性曲線71、72、73を得ることができた。
2 試験片
3 保持部材
4 衝撃負荷部材
5 力センサ
6 高速度カメラ
7 出力装置部
52 恒温恒湿槽
Claims (11)
- 衝撃吸収材料で形成された薄い試験片を任意の厚さ方向の圧縮率で保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された試験片に衝撃力を負荷する衝撃負荷手段と、
前記衝撃負荷手段によって試験片に負荷された衝撃力を検出する衝撃力検出手段と、
前記衝撃力検出手段の衝撃力検出時における該試験片の変位を検出する変位検出手段と、
前記衝撃力検出手段によって検出された衝撃力と前記変位検出手段によって検出された変位とに基づいて、該試験片の衝撃応力とこの衝撃応力に対する歪みとの関係を表す衝撃応力−歪み特性情報を出力する出力手段と、を備え、
前記保持手段は、
テーブルに対して垂直に固定されて前記試験片の一面側の全面が密着される板状の固定治具と、
前記固定治具に固定された試験片の他面側の全面を覆うように該他面側に密着される支持板と、
中央部に開口部が形成されて前記固定治具に向かう方向へスライド可能に設けられて、前記支持板の試験片に密着される面と反対側の面に当接して、該支持板を試験片側へ押圧した状態で前記テーブルに固定される押さえ治具と、
前記押さえ治具が前記支持板を押圧する押さえ圧力を調整して前記試験片の厚さ方向の圧縮率を任意に設定する圧力調整手段と、
を有し、
前記衝撃負荷手段は、前記押さえ治具の開口部内に入って前記試験片の前記他面側の全面を覆う支持板に衝撃力を負荷し、
前記衝撃力検出手段は、前記固定治具の前記試験片の一面側の全面が密着される面と反対側の面に設けられて、前記衝撃力を該固定治具の変位又は歪みに基づいて検出する力センサを有し、
前記変位検出手段は、前記試験片の厚さの変位として前記支持板の前記固定治具側方向への変位を検出することを特徴とする衝撃試験装置。 - 前記保持手段に保持されている試験片を所定温度に維持する温度維持手段を備え、
前記所定温度は、設定変更可能であることを特徴とする請求項1に記載の衝撃試験装置。 - 前記保持手段に保持されている試験片を所定湿度の雰囲気中に維持する湿度維持手段を備え、
前記所定湿度は、設定変更可能であることを特徴とする請求項2に記載の衝撃試験装置。 - 前記衝撃負荷手段は、一端が回動可能に軸支された振り子式のハンマと、
前記ハンマを所定角度に持ち上げて保持するハンマ保持手段と、を有し、
前記ハンマ保持手段に保持されたハンマを振り下ろすことによって前記衝撃力を負荷することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の衝撃試験装置。 - 前記変位検出手段は、高速度カメラを有し、
前記高速度カメラを介して前記変位を検出することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の衝撃試験装置。 - 保持手段によって衝撃吸収材料で形成された薄い試験片を任意の厚さ方向の圧縮率で保持する保持工程と、
前記保持工程で保持された試験片に衝撃負荷手段によって衝撃力を負荷する衝撃負荷工程と、
前記衝撃負荷工程で試験片に負荷された衝撃力を衝撃力検出手段によって検出すると共に、該衝撃力の検出時における該試験片の変位を変位検出手段によって検出する検出工程と、
前記検出工程で検出された衝撃力と変位とに基づいて、該試験片の衝撃応力とこの衝撃応力に対する歪みとの関係を表す衝撃応力−歪み特性情報を出力する出力工程と、を備え、
前記保持手段は、
テーブルに対して垂直に固定されて前記試験片の一面側の全面が密着される板状の固定治具と、
前記固定治具に固定された試験片の他面側の全面を覆うように該他面側に密着される支持板と、
中央部に開口部が形成されて前記固定治具に向かう方向へスライド可能に設けられて、前記支持板の試験片に密着される面と反対側の面に当接して、該支持板を試験片側へ押圧した状態で前記テーブルに固定される押さえ治具と、
前記押さえ治具が前記支持板を押圧する押さえ圧力を調整して前記試験片の厚さ方向の圧縮率を任意に設定する圧力調整手段と、
を有し、
前記衝撃負荷手段は、前記押さえ治具の開口部内に入って前記試験片の前記他面側の全面を覆う支持板に衝撃力を負荷し、
前記衝撃力検出手段は、前記固定治具の前記試験片の一面側の全面が密着される面と反対側の面に設けられて、前記衝撃力を該固定治具の変位又は歪みに基づいて検出する力センサを有し、
前記変位検出手段は、前記試験片の厚さの変位として前記支持板の前記固定治具側方向への変位を検出し、
前記保持工程は、前記固定治具と前記支持板との間に、前記試験片の前記一面側の全面と前記他面側の全面とを覆うように該試験片を密着させて挟み込んだ後、該支持板に前記押さえ治具を当接させて該押さえ治具を固定した後、更に、前記圧力調整手段によって該押さえ治具が該支持板を押圧する押さえ圧力を調整して該試験片の厚さ方向の圧縮率を任意に設定することを特徴とする衝撃試験方法。 - 前記変位検出手段は、高速度カメラを有し、
前記高速度カメラを介して前記変位を検出することを特徴とする請求項6に記載の衝撃試験方法。 - 保持手段に試験片を装着しない状態で衝撃負荷手段によって衝撃力を負荷する第1衝撃負荷工程と、
前記第1衝撃負荷工程で負荷された衝撃力を衝撃力検出手段によって検出する第1検出工程と、
前記保持手段によって衝撃吸収材料で形成された薄い試験片を任意の厚さ方向の圧縮率で保持する保持工程と、
前記保持工程で保持された試験片に前記衝撃負荷手段によって衝撃力を負荷する第2衝撃負荷工程と、
前記第2衝撃負荷工程で試験片に負荷された衝撃力を前記衝撃力検出手段によって検出する第2検出工程と、
前記第1検出工程で検出された衝撃力から前記第2検出工程で検出された衝撃力を減算して求めた衝撃力を該第1検出工程で検出された衝撃力で除算して該試験片の衝撃吸収率として出力する出力工程と、を備え、
前記保持手段は、
テーブルに対して垂直に固定されて前記試験片の一面側の全面が密着される板状の固定治具と、
前記固定治具に固定された試験片の他面側の全面を覆うように該他面側に密着される支持板と、
中央部に開口部が形成されて前記固定治具に向かう方向へスライド可能に設けられて、前記支持板の試験片に密着される面と反対側の面に当接して、該支持板を試験片側へ押圧した状態で前記テーブルに固定される押さえ治具と、
前記押さえ治具が前記支持板を押圧する押さえ圧力を調整して前記試験片の厚さ方向の圧縮率を任意に設定する圧力調整手段と、
を有し、
前記衝撃負荷手段は、前記押さえ治具の開口部内に入って前記試験片の前記他面側の全面を覆う支持板に衝撃力を負荷し、
前記衝撃力検出手段は、前記固定治具の前記試験片の一面側の全面が密着される面と反対側の面に設けられて、前記衝撃力を該固定治具の変位又は歪みに基づいて検出する力センサを有し、
前記変位検出手段は、前記試験片の厚さの変位として前記支持板の前記固定治具側方向への変位を検出し、
前記保持工程は、前記固定治具と前記支持板との間に、前記試験片の前記一面側の全面と前記他面側の全面とを覆うように該試験片を密着させて挟み込んだ後、該支持板に前記押さえ治具を当接させて該押さえ治具を固定した後、更に、前記圧力調整手段によって該押さえ治具が該支持板を押圧する押さえ圧力を調整して該試験片の厚さ方向の圧縮率を任意に設定することを特徴とする衝撃試験方法。 - 前記保持工程は、保持されている試験片を所定温度に維持する温度維持工程を含み、
前記所定温度は、設定変更可能であることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれかに記載の衝撃試験方法。 - 前記保持工程は、保持されている試験片を所定湿度の雰囲気中に維持する湿度維持工程を含み、
前記所定湿度は、設定変更可能であることを特徴とする請求項9に記載の衝撃試験方法。 - 前記衝撃負荷手段は、一端が回動可能に軸支された振り子式のハンマと、
前記ハンマを所定角度に持ち上げて保持するハンマ保持手段と、を有し、
前記ハンマ保持手段に保持されたハンマを振り下ろすことによって前記衝撃力を負荷することを特徴とする請求項6乃至請求項10のいずれかに記載の衝撃試験方法。
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