JP5475400B2 - 局部応力測定方法及び樹脂材料の応力−歪み曲線を導出する方法ならびに樹脂成形品の寿命予測方法 - Google Patents
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Description
本発明の局部応力測定方法は、脆弱部を備える樹脂成形品に対して荷重を加えた場合に、該脆弱部で発生する局部応力を測定する方法である。本発明の局部応力測定方法は、荷重を加えた際に、脆弱部での歪み量の経時変化を樹脂成形品に非接触で測定する歪み量測定工程と、前記樹脂成形品に含まれる樹脂材料の応力−歪み曲線を元に歪み量を応力に換算する算出工程とを備える。以下、本発明の局部応力測定方法の一例について説明する。
本発明の局部応力測定方法は、どのような樹脂材料を含む樹脂成形品であっても測定対象とすることができる。また、複数の樹脂材料をブレンドした樹脂混合物も上記樹脂材料に含まれる。さらに、樹脂に対して核剤、カーボンブラック、無機焼成顔料等の顔料、酸化防止剤、安定剤、可塑剤、滑剤、離型剤及び難燃剤等の添加剤を添加して、所望の特性を付与した樹脂組成物も上記樹脂材料に含まれる。
樹脂成形品の原料となる樹脂材料を選択した後、樹脂材料を成形し樹脂成形品を作製する。成形方法は特に限定されないが、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形、押出成形、ブロー成形等種々の成形方法を挙げることができる。また、本発明に用いる樹脂成形品には、二以上の樹脂部品を溶着等の方法により接合したものも含む。なお、本発明の局部応力の測定方法の測定対象となる樹脂成形品は脆弱部を備える。脆弱部とは、樹脂成形品内の他の部分より機械的強度が低い部分、形状的・構造的に応力がかかりやすい部分(応力集中部)を指す。例えば、コーナー部、切り欠き部、傷部、ウエルド部及びフローマーク部等が挙げられる。
先ず、樹脂材料からなる樹脂成形品を引っ張る方向に荷重を加える。荷重の加え方は、特に限定されず、樹脂成形品内の少なくとも一部で引張応力が発生するような荷重の加え方であればよい。本発明の局部応力測定方法では、荷重を加えながら、以下の方法で、局部の歪み量を測定する。
算出工程とは、樹脂成形品に含まれる樹脂材料の応力−歪み曲線を元に歪み量を応力に換算する工程である。本発明は上記の通り、局部を含む所定の部分での歪み量を正確に求めることができるため、局部に発生する応力をより正確に算出することができる。
本発明の樹脂材料の応力−歪み曲線を導出する方法は、上記樹脂材料からなる樹脂試験片を引き伸ばす方向に荷重を加えた際に、肉厚が最も薄くなる部分の断面積の経時変化を測定する断面積測定工程と、荷重を加えた際に、樹脂試験片内の上記肉厚が最も薄くなる部分を含む所定の部分の歪み量の経時変化を樹脂試験片に非接触で測定する歪み量測定工程と、荷重の経時変化を測定し、断面積測定工程で得られる断面積の経時変化を用いて、上記肉厚が最も薄くなる部分にかかる応力の経時変化を導出する応力測定工程と、を備えることを特徴とする。以下、本発明の応力−歪み曲線の導出方法の一例について説明する。
本発明の応力−歪み曲線の導出方法で使用する樹脂試験片を作製するために必要な樹脂材料は、上記局部歪み測定方法で用いる樹脂材料と同様のものを用いることができる。上記樹脂成形品の場合と同様に樹脂材料には結晶性熱可塑性樹脂が含まれることが好ましい。
使用する樹脂材料を決定した後、樹脂材料を成形して樹脂試験片を作製する。成形方法は特に限定されず、上記局部歪み測定方法で用いる樹脂成形品と同様の方法で成形することができる。
断面積測定工程は、試験片に荷重を加えた際に樹脂試験片内で上記脆弱部の断面積の経時変化を測定する工程である。「脆弱部」については、上記局部応力測定方法で説明したものと同じである。
歪み量測定工程とは、荷重を加えた際に、樹脂試験片内の上記脆弱部を含む所定の部分の歪み量の経時変化を樹脂試験片に非接触で測定する工程である。本工程での歪み量の測定は、上記局部応力測定方法の歪み量測定工程と同様の方法で行うことができる。なお、CCDカメラ等の撮影手段を用いて、樹脂試験片の歪み量の経時変化、断面積の経時変化を測定することで、両者を同時に測定することができる。したがって、CCDカメラ等の撮影手段を用いると容易に、且つ正確に応力−歪み曲線が求まるため好ましい。
応力測定工程とは、樹脂試験片に対して加えられる荷重の経時変化を測定し、断面積測定工程で得られる断面積の経時変化を用いて、変化毎に荷重を断面積で除することで算出される脆弱部に発生する応力の経時変化を導出する工程である。
上記の通り図8(a)、(b)、(c)の状態は、それぞれ図5(a)、(b)、(c)の状態に対応する。図5(a)の状態で樹脂試験片の歪み量は0である。図5(b)の状態で樹脂試験片の歪み量は、(b−a)/X3×100(%)、図5(c)の状態で樹脂試験片の歪み量は、(b’−a’)/X3×100(%)である。以上より、図11に示すように、応力−歪み曲線が得られる。
先ず、形状的な応力集中部を備えない所定の温度の樹脂試験片に対して、一定荷重を加えた際に上記樹脂試験片が破壊するまでの破壊時間と、一定荷重を加えることで破壊箇所に発生する応力と、の相関関係を求める。基準相関関係の導出は、実際に上記樹脂試験片に対して一定荷重を加え破壊時間と破壊箇所に加わる応力とを実測して導出する。また、実測する場合、少なくとも破壊時間と応力との関係を二箇所以上で求めることで相関関係を導出することができる。より正確に相関関係を求めるためには、七箇所以上で破壊時間と応力との関係を求める方法が好ましい。
ポリアセタール樹脂:ジュラコンM90−44(ポリプラスチックス社製)
上記ポリアセタール樹脂を用いて、図12(a)に示すような、曲率半径が1.0mmの応力集中部(切り欠き部底)を備えた樹脂試験片を射出成形法で成形した。また、図12(b)に示すような応力集中部を備えない樹脂試験片を射出成形法で成形した。また、図12(b)と同様の形状で、ウエルド部を有する樹脂試験片を成形した。
歪み量測定の際の測定条件の選定を行った。
撮影視野、基準点間ピクセル距離を変更して応力集中部のひずみの測定を行い、試験片全体の伸びの量と応力集中部のひずみの関係を求めた。その結果を図13(a)(b)(c)に示す。その結果、測定されるひずみの値は撮影視野、基準点間ピクセル距離(単位はpixel)によらず、基準点間距離(単位はmm)によってのみ決まることがわかった。図13(a)は、図中に示すように広い範囲を撮影視野とした場合の結果である。図13(b)は図中に示すように(a)の場合よりも撮影視野を狭く(拡大して撮影)した場合の結果である。図13(c)は図中に示すように(b)の場合よりも撮影視野を狭く(拡大して撮影)した場合の結果である。また、基準点間距離とひずみとの関係を図14に示した。
図12(b)に示す樹脂試験片について、図12(a)に示す応力集中部を備える樹脂試験片と同様の方法で、図12(b)に示す範囲に斑点を付した。その後、樹脂試験片に対して、試験片が延びる方向に引っ張り荷重を加えた際の樹脂試験片の歪み量を以下の条件で測定した。上記測定条件の選定と同様に荷重を加えて、樹脂試験片全体としての伸びの量(チャック移動量)と破壊部(脆弱部)の歪み量との関係を導出した。導出結果を図
15(a)に示した。
(コリレーションシステムの測定条件)
CCDカメラの画素数:5MPixel
基準点間距離:0.07mm
<断面積測定工程>
断面積測定工程では、破壊部(脆弱部)の断面積の経時変化を測定する。断面積の測定は図12(b)に示す樹脂試験片を用いて行った。図12(b)に示す樹脂試験片の場合、引っ張り方向(樹脂試験片が延びる方向)に荷重を加えると、脆弱部の変形が大きくなり、脆弱部が最も肉厚が薄くなる部分に当たる。図12(a)の試験片と同様に脆弱部を含む範囲に斑点を付した。
図12(a)に示すような応力集中樹脂試験片を作製した。この樹脂試験片に対して引っ張り方向に荷重を加えた場合の、切り欠き部(応力集中部)に発生する歪み量の測定を行ない、この歪み量を上記応力−歪み曲線に当てはめことにより、切り欠き部に発生する応力が算出される。一例として、切り欠き部底のコーナーの曲率半径が1.0mmの場合の測定結果を図19に示す。図19のグラフの横軸は負荷した荷重、縦軸(左側)は切り欠き部底での発生応力(応力集中部に発生する応力)、縦軸(右側)は応力集中係数を示す。なお、応力集中係数とは、負荷荷重を図12(a)に示す樹脂試験片の切り欠き部の断面積で除しただけの応力(1次応力)と応力集中部で発生する応力(最大主応力)との比(最大主応力/1次応力)である。
上記で算出した切り欠き部底に発生する応力と応力集中部を持たない樹脂試験片で測定したクリープ破壊曲線(図20)とを元に、寿命を予測することが可能である。図19より、切り欠き部底の曲率半径が1.0mmである樹脂試験片に461Nの荷重を負荷した時の切り欠き部底での発生応力は47.5MPaであり、図20から47.5MPaの応力が発生した場合の破壊時間は約1000(h)であると推定できる。推定での破壊時間が約1000(h)であるのに対して、実際の破壊時間は1300(h)であり、本発明の局部応力測定方法の測定精度が高いことが確認された。また、クリープ変形の大きな負荷領域では、切り欠き部底の形状が変化することで発生応力も変化するため、クリープ変形を考慮した発生応力を元に推定することが重要となる。
上記ポリアセタール樹脂を用いて図21に示すような内圧容器を作製した。容器に内圧を付加したところ、外周リブの根元で歪みの集中が確認された(図21中の斜線部)。内圧の付加は昇圧速度0.1MPa/10secで行った。図21(a)は10秒後の状態を表し歪み量は0.15%であった。(b)は20秒後の状態を表し歪み量は0.31%であった。(c)は30秒後の状態を表し歪み量は0.47%であった。(d)は47秒後の状態を表し歪み量は0.73%であった。なお、歪み量の測定には上記コリレーションシステムを使用した。
上記ポリアセタール樹脂を用いて図22に示すような片持ち梁を有する成形品を作製した。図22の矢印で示す方向に荷重を加え曲げ試験を行った。片持ち梁の根元での歪みの集中が確認された(図22中の斜線部)。試験速度は5mm/minで行った。図22(a)はY方向への変位2.5mmの状態を表し歪み量は0.57%であった。(b)はY方向への変位5.0mmの状態を表し歪み量は1.17%であった。(c)はY方向への変位7.5mmの状態を表し歪み量は1.83%であった。(d)はY方向への変位11.25mmの状態を表し歪み量は2.98%であった。なお、歪み量の測定には上記コリレーションシステムを使用した。
Claims (14)
- 脆弱部を備える樹脂成形品に荷重を加えることにより該脆弱部で発生する局部応力の測定方法であり、
前記脆弱部を含む所定の部分の全体にわたって細かな印を付し、これら細かな印を付した箇所の少なくとも一部を複数の領域に分け、前記樹脂成形品に前記荷重を加え、前記複数の領域における一方の領域の変形量と他方の領域の変形量とから前記所定の部分での歪み量を計算することで、前記所定の部分での歪み量の経時変化を測定する歪み量測定工程と、
前記樹脂成形品に含まれる樹脂材料の応力−歪み曲線を元に前記歪み量を応力に換算する算出工程とを備える局部応力測定方法。 - 前記歪み量は、前記細かな印を付した箇所の少なくとも一部を複数の領域に分けた後に前記複数の領域の基準点を定め、前記樹脂成形品に前記荷重を加える前の隣接する基準点間の距離をWとし、前記樹脂成形品に前記荷重を加えた後の前記一方の領域の変形量をW1とし、前記他方の領域の変形量をW2としたときの(W2−W1)/Wを計算することによって求められる、請求項1に記載の局部応力測定方法。
- 樹脂材料の応力−歪み曲線を導出する方法であって、
前記樹脂材料からなる板状の樹脂試験片を引き伸ばす方向に荷重を加えた際に、肉厚が最も薄くなる部分の断面積の経時変化を測定する断面積測定工程と、
前記荷重を加えた際に、前記樹脂試験片内の前記肉厚が最も薄くなる部分を含む所定の部分の全体にわたって細かな印を付し、これら細かな印を付した箇所の少なくとも一部を複数の領域に分け、前記樹脂成形品に前記荷重を加え、前記複数の領域における一方の領域の変形量と他方の領域の変形量とから前記所定の部分での歪み量を計算することで、前記所定の部分での歪み量の経時変化を測定する歪み量測定工程と、
前記荷重の経時変化を測定し、経時変化毎の荷重を、前記断面積測定工程で得られる経時変化毎の断面積の値を用いて除することにより、前記肉厚が最も薄くなる部分にかかる応力の経時変化を導出する応力測定工程と、を備えた応力−歪み曲線を導出する方法。 - 前記歪み量は、前記細かな印を付した箇所の少なくとも一部を複数の領域に分けた後に前記複数の領域の基準点を定め、前記樹脂成形品に前記荷重を加える前の隣接する基準点間の距離をWとし、前記樹脂成形品に前記荷重を加えた後の前記一方の領域の変形量をW1とし、前記他方の領域の変形量をW2としたときの(W2−W1)/Wを計算することによって求められる、請求項3に記載の応力−歪み曲線を導出する方法。
- 前記樹脂試験片は、実質的に応力集中部を備えない樹脂試験片である請求項3又は4に記載の応力−歪み曲線を導出する方法。
- 前記歪み量測定工程は、前記荷重を加える前に前記所定の部分の表面に模様を付し、前記模様の変化から歪み量の経時変化を測定する工程である請求項3から5のいずれか1項に記載の応力−歪み曲線を導出する方法。
- 前記樹脂試験片を引き伸ばす方向に荷重を加えて破壊し、前記肉厚が最も小さくなる部分を決定する測定部分決定工程をさらに備える請求項3から6のいずれか1項に記載の応力−歪み曲線を導出する方法。
- 前記断面積測定工程は、複数の撮影手段により撮影された前記所定の部分の画像から前記断面積の経時変化を測定する工程である請求項3から7のいずれか1項に記載の応力−歪み曲線を導出する方法。
- 前記樹脂材料の応力−歪み曲線は、請求項3から7のいずれかに記載の方法で求めた応力−歪み曲線である請求項1又は2に記載の局部応力測定方法。
- 前記脆弱部が、凹部やコーナー部等の形状的な欠陥部、外観からは判別困難なボイドや異物、繊維配向、分子配向による異方性等による材料的な欠陥部である請求項1、2又は9のいずれか1項に記載の局部応力測定方法。
- 前記歪み量測定工程が、撮影手段により撮影された前記脆弱部の画像から前記脆弱部での歪み量の経時変化を測定する工程である請求項1、2、9又は10のいずれか1項に記載の局部応力測定方法。
- 前記撮影手段は、脆弱部の変位に追随して撮影する請求項11に記載の局部応力測定方法。
- 前記脆弱部の画像における、前記脆弱部の解析範囲が少なくとも画像解析単位以上であることを特徴とする、請求項11又は12に記載の局部応力測定方法。
- 請求項1、2又は9から13のいずれか1項に記載の方法で求めた局部応力をもとに寿命を予測することを特徴とする樹脂成形品の寿命予測方法。
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