JP5870620B2 - 二軸試験装置及び二軸試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体天然ガス（ＬＮＧ）の輸送用タンク、貯蔵用タンク等に用いられるメンブレンと称される金属製の薄板材等における二軸応力下での力学特性を評価するために用いられる二軸試験装置及び二軸試験方法に関する。

前記液化天然ガス等のタンク等に用いられるメンブレンには、コルゲーションと呼ばれる複数の波形部が交差して備えられている。メンブレンは常温の状態で製作された後、例えば−１６２℃という極低温下で使用されるものであるため、常に引っ張り荷重と圧縮荷重が繰り返し作用する過酷な条件で使用されものであり、液密性、防熱性、低温靭性等の基本的な要求に加え、熱サイクルや液圧変動による疲労損傷等に対する厳しい要求にも対応できる必要がある。

このようなメンブレンに対する要求の内でも、疲労強度の評価は重要である。そのため、略矩形板形状を備えた試験片の隣接するコーナ部同士を連結する第１〜第４のリンク組を設け、各リンク組によって前記試験片を四方へ引っ張ることより二軸方向の負荷を試験片に与えるようにした二軸試験装置がある（特許文献１）。

特開２０１０−２１０４４２号公報

ところが、上記特許文献１の二軸試験装置にあっては、試験片の隣接するコーナ部を連結する第１〜第４のリンク組を設け、各リンク組によって前記試験片を四方へ引っ張るようにしているため、リンク組のための構造が複雑になると共に、試験片を四方へ引っ張るための４台のアクチュエータを備える必要があり、試験装置全体が大型になる問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなしたもので、簡略な構成にて、試験片が二軸方向への伸縮以外の方向へ変形するのを防止できるようにした二軸試験装置及び二軸試験方法を提供しようとするものである。

本発明は、アクチュエータの作動により一軸方向に接近離間する一対の荷重負荷部が試験片を挟んで両側に配置され、前記荷重負荷部と試験片とを分離可能に結合し且つ前記荷重負荷部を動作させて前記試験片に一軸方向の荷重を負荷した段階で、前記一軸方向の荷重と直交する方向の荷重を前記試験片に作用させる荷重伝達機構を備え、前記各荷重負荷部における前記一軸方向と平行な方向に延びた端縁に係合し該端縁の一軸方向への移動を案内するスライド案内手段を備え、
前記スライド案内手段は、前記各荷重負荷部の端縁に固定した移動駒と、該各移動駒と摺動可能に係合し案内ビームに固定されたレールを備え、前記案内ビームを上側の前記荷重負荷部に吊り下げたことを特徴とする二軸試験装置、に係るものである。

又、上記二軸試験装置において、前記荷重伝達機構は、一対の荷重負荷部のうちの一方の荷重負荷部に一軸方向と直交する方向へ離間して設けたピンと、一対の荷重負荷部のうちの他方の荷重負荷部に一軸方向と直交する方向へ離間して設けたピンと、前記試験片に設けられて前記ピンが摺動自在に係合するスライド孔を具備し、前記試験片に一軸方向の荷重を負荷した段階で、前記一軸方向の荷重と直交する方向の荷重を前記試験片に作用させるべく、前記スライド孔が荷重の付加方向に対して斜めに形成されたことは好ましい。

本発明は、試験片の二軸応力下における力学特性を評価するのに用いる二軸試験方法であって、
一軸方向に接近離間する一対の荷重負荷部が試験片を挟んで両側に配置され、一対の荷重負荷部のうちの一方の荷重負荷部には一軸方向と直交する方向へ離間してピンを設けると共に、一対の荷重負荷部のうちの他方の荷重負荷部には一軸方向と直交する方向へ離間してピンを設け、
前記試験片には前記ピンが摺動自在に係合する荷重の付加方向に対して斜めのスライド孔を形成し、
前記各荷重負荷部における前記一軸方向と平行な方向に延びた端縁に固定した移動駒と該移動駒に係合し案内ビームに固定したレールとからなるスライド案内手段の前記案内ビームを上側の前記荷重負荷部に吊り下げて設け、
前記一対の荷重負荷部を一軸方向に接近離間させて試験片に一軸方向の荷重を負荷した段階で、前記一軸方向の荷重と直交する方向の荷重を前記試験片に作用させ、このとき試験片に生じる面外変形を前記試験片を挟んで両側に配置した荷重負荷部により抑制し、荷重負荷部が試験片の面の延長外方へ張り出す偏伸び変形を前記スライド案内手段により抑制する
ことを特徴とする二軸試験方法、に係るものである。

本発明の二軸試験装置及び二軸試験方法によれば、簡略な構成により、試験片が二軸方向への伸縮以外の方向へ変形するのを防止して、試験片による正確な性能の測定が可能になるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係る二軸試験装置の一実施例を示す正面図である。 図１をＩＩ−ＩＩ方向から見た二軸試験装置の側面図である。 図２をＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た二軸試験装置の背面図である。 スライド案内手段の一例を示す平面図である。 （ａ）は本発明の二軸試験装置で使用する試験片の一例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ方向矢視図である。 （ａ）は図５の試験片を一軸方向へ引っ張った時に試験片が偏って伸びる偏伸び変形を生じようとする状態を示す作動図、（ｂ）は試験片が面外へ湾曲する面外変形を生じようとする状態を示す作動図である。 本発明の二軸試験装置により試験を行った試験片の縦横の標点間変位を計測して示したグラフである。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図１〜図３に示す二軸試験装置１は、固定台などに固定されるベース２と、押し引きロッド３ａを具備してこの押し引きロッド３ａを鉛直方向（一軸方向）の装置機軸Ｌ上に位置させた状態でベース２の上方に配置したアクチュエータ３と、機軸Ｌを中心に左右に間隔を隔ててベース２に固定した二枚の治具プレート（一対の荷重負荷部のうちの一方の荷重負荷部）４ａ，４ｂと、アクチュエータ３の押し引きロッド３ａに支持ビーム６を介し左右に間隔を隔てて固定した二枚の治具プレート（一対の荷重負荷部のうちの他方の荷重負荷部）５ａ，５ｂと、これらの治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂと試験片７とを分離可能に結合する荷重伝達機構８を備えている。

図５はメンブレンを構成する前記試験片７の一例を示すもので、図５の試験片７は、矩形形状を有する例えばステンレス等の薄い金属板の面にコルゲーションと称される波形部９が交差して形成してあり、且つ、該波形部９の交差部には膨らみ部１０が形成されており、試験片７はその面方向へ伸縮が可能になっている。前記試験片７の波形部９が存在しない四隅の平坦な部分１１には、スライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成してある。

前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂには、前記試験片７のスライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに摺動自在に係合するピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが固定してあり、前記スライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとを係合することにより前記荷重伝達機構８が構成される。

更に、図１の治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂの奥側には、図２、図３に示す如く、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂとの間で前記試験片７を挟むように一対の支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂが配置され、支持プレート１４ａ，１４ｂはベース２に固定され、支持プレート１５ａ，１５ｂは上部の支持ビーム６に固定されている。前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂと前記支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂとは、試験片７の伸縮を拘束しない程度に接近して配置されており、且つ夫々には補強リブ１６を備えて強度が保持されている。

更に、前記支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂは、図３に示す如く、前記試験片７の波形部９及び膨らみ部１０の裏面まで張り出した延長部１７を備えており、該延長部１７によって前記試験片７が面外変形するのを抑制する効果を高めている。

又、前記試験片７の波形部９が存在しない裏面は平坦な面となっているため、前記支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂを備えることに代えて、支持プレート１４ａ，１４ｂを一体とし、又、支持プレート１５ａ，１５ｂを一体として、夫々試験片７の左右幅に亘る長さに形成したものを上下一対で備えるようにしてもよい。

前記荷重伝達機構８を構成するベース２側のピン１３ａ，１３ｂと係合するスライド孔１２ａ，１２ｂは、各々の上端同士の間隔が下端同士の間隔よりも広くなるように荷重の付加方向（鉛直方向）に対して斜めに形成してあり、一方、アクチュエータ３側のピン１３ｃ，１３ｄと係合するスライド孔１２ｃ，１２ｄは、各々の下端同士の間隔が上端同士の間隔よりも広くなるようにして斜めに形成してある。前記スライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを斜めにする傾斜角度は夫々機軸Ｌ（荷重の付加方向）に対して４５゜とすることができる。又、斜めに傾斜する前記スライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは図５に示すように直線であってもよく、或いは、曲線であってもよい。尚、図１では前記荷重伝達機構８を構成する前記ピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、夫々が２本を備えた場合について示したが、１本ずつ備えてもよく、設置する数には限定されない。前記ピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂと支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂの一方で支持するようにしてもよく、或いはその両方で支持するようにしてもよい。

図１の二軸試験装置１のアクチュエータ３に押し引きロッド３ａの引き込み動作を行わせて押し引きロッド３ａを上昇させると、アクチュエータ３の引張り荷重が荷重伝達機構８を介して試験片７に伝えられ、試験片７には鉛直方向（一軸方向）の引張り荷重が作用すると同時に、前記荷重伝達機構８のスライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの作用によって、前記一軸方向と直交する方向の引張り荷重が試験片７に作用する。

この時、図６（ａ）に示すように、試験片７に引張り荷重Ａが作用した場合には、平坦な部分１１の幅端部１８側が引っ張り方向へ偏って伸びる偏伸び変形Ｘを生じようとする。この偏伸び変形Ｘは、左右に備えられる強度が小さい波形部９の前記幅端部側が偏って引き伸ばされることによって生じる。又、同時に図６（ｂ）に示すように、試験片７は波形部９の存在により試験片７の面外へ湾曲する面外変形Ｙを生じようとする。

この時、前記した如く、試験片７の両側には治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂと支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂが配置されているので、図６（ｂ）に示す試験片７の面外変形Ｙは、治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂと支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂによって抑制される。

一方、図６（ａ）に示す偏伸び変形Ｘについては拘束することができない。

このため、本発明では図１に示す如く、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ及び支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂにおける前記一軸方向と平行な方向に延びる外側の端縁を更に外側へ延長させた端縁１９を設け、該端縁１９を一軸方向へ移動するように案内するスライド案内手段２０を設けている。

前記スライド案内手段２０は、図１、図４に示す如く、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ及び支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂの端縁１９に備えたフランジ２１に移動駒２２を固定し、該各移動駒２２にスライド可能に係合するようにしたレール２３を、案内ビーム２４に固定している。案内ビーム２４は上端に設けたブラケット２５を上側の治具プレート５ａ，５ｂのフランジ２１の上端に載置することで、治具プレート５ａ，５ｂから吊り下げるようにしている。

次に、上記二軸試験装置の作動を説明する。

まず、段取り段階において、一対の荷重負荷部のうちの一方を構成する治具プレート４ａ，４ｂをベース２に固定すると共に、一対の荷重負荷部のうちの他方を構成する治具プレート５ａ，５ｂを上側の支持ビーム６に固定し、アクチュエータ３を作動して治具プレート５ａ，５ｂを上側へ移動させることにより、一対の上下の治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂの間隔を調整する。

続いて、図５の試験片７における波形部９が突出している側の面の平坦な部分１１が図１の治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂの背面に対応するように試験片７を配置し、試験片７に備えたスライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを、治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂに設けられたピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに係合させる。

続いて、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂの背面に配置した試験片７を挟むように、支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂを配置し、支持プレート１４ａ，１４ｂはベース２に固定し、支持プレート１５ａ，１５ｂは上部の支持ビーム６に固定する。

次に、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ及び支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂの端縁１９に備えたフランジ２１に移動駒２２を固定し、該各移動駒２２がスライド可能に係合するレール２３を案内ビーム２４に固定し、該案内ビーム２４の上端に設けたブラケット２５を上側の治具プレート５ａ，５ｂのフランジ２１の上端に載置して吊り下げて、スライド案内手段２０を構成する。

二軸試験を行うには、図１の二軸試験装置１のアクチュエータ３に押し引きロッド３ａの引き込み動作を行わせて押し引きロッド３ａを上昇させる。すると、アクチュエータ３の引張り荷重が荷重伝達機構８を介して試験片７に伝えられ、試験片７には鉛直方向（一軸方向）の引張り荷重が作用すると同時に、前記荷重伝達機構８のスライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとピン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの作用によって、前記一軸方向と直交する方向（他の一軸方向）へも引張り荷重が作用し、これによって二軸試験が行われる。このとき、前記スライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの傾斜角度が４５゜であると、試験片７が一軸方向へ延びる伸び量と、一軸方向と直交する方向への伸び量とは同等になる。従って、前記傾斜角度を４５゜から変更することにより、試験片７が一軸方向へ延びる伸び量と、一軸方向と直交する方向への伸び量（延び比）が変わる状態での試験を行うこともできる。前記アクチュエータ３により、試験片７に対する引っ張り、戻し、圧縮の作動を繰り返し、この時、前記試験片の必要箇所に設置した歪み計、変位計（速度計、加速度計）等のセンサを用いて試験片７の各所における標点間変位を計測し、更に、実機に則した負荷を繰り返し作用させることで試験片７が破壊されるまでの繰り返し回数等を検査し、これによって、二軸応力下での疲労強度等の力学特性を評価することができる。

前記した如く、試験片７に引張り荷重が作用すると、図６（ｂ）に示す如く試験片７は引っ張り荷重Ａによって面の外側へ凸状或いは凹状に変形する面外変形Ｙを生じようとする。

しかし、前記二軸試験装置１には、試験片７を挟むように治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂと支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂを備えているので、試験片７の面外変形Ｙは良好に防止することができる。

又、前記したように、試験片７に引張り荷重が作用すると、図６（ａ）に示すように、平坦な部分１１の幅端部１８側が引っ張り方向へ偏って伸びる偏伸び変形Ｘを生じようとする。

しかし、図１に示す如く、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ及び１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂにおける前記一軸方向と平行な方向に延びた端縁１９に移動駒２２を固定し、該各移動駒２２とスライド可能に係合するレール２３を案内ビーム２４に固定したスライド案内手段２０を設けているので、前記治具プレート４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ及び支持プレート１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂはレール２３に沿って一軸方向にのみ移動し、二軸試験装置１全体によって試験片７が偏伸び変形Ｘを生じるのを抑制することができる。

図７は本発明の二軸試験装置により試験片の縦横の標点間変位を計測して示したグラフであり、本発明はアクチュエータ３によって一軸方向にのみ負荷を作用する構成であるが、図７では、縦と横の標点間変位は略一致している。

前記本願発明により縦と横の標点間変位が略一致したのは、試験片７の偏伸び変形Ｘと面外変形Ｙが抑制されたことにより、試験片７が二軸方向へ均等に伸縮されたことによるものと考えられる。

上記したように、試験片７の偏伸び変形Ｘと面外変形Ｙを抑制できるようにしたので、実機の伸縮挙動を試験片７に忠実に再現させて試験を行うことができ、よって、実機の健全性評価に必要な精度の高い試験データを得ることができる。

又、図１に示したスライト孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの向きを夫々９０゜変えて、各スライト孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが放射状に形成されるようにした場合には、アクチュエータ３による引張り荷重が荷重伝達機構８を介して試験片７に伝えられ、試験片７には鉛直方向（一軸方向）の引張り荷重が作用すると同時に、前記した向きが変わったスライド孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの作用によって、前記一軸方向と直交する方向（他の一軸方向）への圧縮荷重が作用するようになる。これによって引っ張りと圧縮の二軸試験を行えるようになる。

尚、本発明の二軸試験装置及び二軸試験方法は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、ステンレス等の薄い金属板或いは平板セラミックス等の波形部を備えた種々の試験片の二軸試験に適用できること、図示した試験片以外の形状の試験片の試験にも適用できること、治具プレート及び支持プレートの形状、移動駒及びレールの形状は種々変更し得ること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 二軸試験装置
３ アクチュエータ
４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ 治具プレート（一対の荷重負荷部）
７ 試験片
８ 荷重伝達機構
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ スライト孔
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ ピン
１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５ｂ 支持プレート（一対の荷重負荷部）
１９ 端縁
２０ スライド案内手段
２２ 移動駒
２３ レール
２４ 案内ビーム
Ｘ 面外変形
Ｙ 湾曲変形

Claims (3)

1. アクチュエータの作動により一軸方向に接近離間する一対の荷重負荷部が試験片を挟んで両側に配置され、前記荷重負荷部と試験片とを分離可能に結合し且つ前記荷重負荷部を動作させて前記試験片に一軸方向の荷重を負荷した段階で、前記一軸方向の荷重と直交する方向の荷重を前記試験片に作用させる荷重伝達機構を備え、前記各荷重負荷部における前記一軸方向と平行な方向に延びた端縁に係合し該端縁の一軸方向への移動を案内するスライド案内手段を備え、
   前記スライド案内手段は、前記各荷重負荷部の端縁に固定した移動駒と、該各移動駒と摺動可能に係合し案内ビームに固定されたレールを備え、前記案内ビームを上側の前記荷重負荷部に吊り下げたことを特徴とする二軸試験装置。
2. 前記荷重伝達機構は、一対の荷重負荷部のうちの一方の荷重負荷部に一軸方向と直交する方向へ離間して設けたピンと、一対の荷重負荷部のうちの他方の荷重負荷部に一軸方向と直交する方向へ離間して設けたピンと、前記試験片に設けられて前記ピンが摺動自在に係合するスライド孔を具備し、前記試験片に一軸方向の荷重を負荷した段階で、前記一軸方向の荷重と直交する方向の荷重を前記試験片に作用させるべく、前記スライド孔が荷重の付加方向に対して斜めに形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二軸試験装置。
3. 試験片の二軸応力下における力学特性を評価するのに用いる二軸試験方法であって、
   一軸方向に接近離間する一対の荷重負荷部が試験片を挟んで両側に配置され、一対の荷重負荷部のうちの一方の荷重負荷部には一軸方向と直交する方向へ離間してピンを設けると共に、一対の荷重負荷部のうちの他方の荷重負荷部には一軸方向と直交する方向へ離間してピンを設け、
   前記試験片には前記ピンが摺動自在に係合する荷重の付加方向に対して斜めのスライド孔を形成し、
   前記各荷重負荷部における前記一軸方向と平行な方向に延びた端縁に固定した移動駒と該移動駒に係合し案内ビームに固定したレールとからなるスライド案内手段の前記案内ビームを上側の前記荷重負荷部に吊り下げて設け、
   前記一対の荷重負荷部を一軸方向に接近離間させて試験片に一軸方向の荷重を負荷した段階で、前記一軸方向の荷重と直交する方向の荷重を前記試験片に作用させ、このとき試験片に生じる面外変形を前記試験片を挟んで両側に配置した荷重負荷部により抑制し、荷重負荷部が試験片の面の延長外方へ張り出す偏伸び変形を前記スライド案内手段により抑制する
   ことを特徴とする二軸試験方法。

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