JP6142074B2 - 疲労試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、疲労試験装置に関するものであり、特に樹脂材料等の高速な疲労強度評価装置を提供するものである。

近年では、樹脂材料が強度部材として工業製品に採用されるケースが増えている。例えば、風力発電機に搭載される羽根車の主たる構成部材であるブレードドには、樹脂材料がガラス繊維強化樹脂や炭素繊維強化樹脂などの複合材料としてされることが多い。他にも自動車のボディおよびシャシーや航空機にもこれらの複合材料が使用される事例が増えてきている。これらの製品は、使用環境において動的な繰り返し荷重に曝される。そのため、これら製品に使用される材料の疲労強度を把握することは、製品設計上非常に重要である。

材料の疲労強度の取得にあたっては、一般的には油圧駆動型の疲労試験機が用いられる。これは、油圧アクチュエータによって、試験片に繰り返し引張りや圧縮、あるいは曲げ変形を与え、疲労破壊させることにより疲労強度を取得するものである。このタイプの疲労試験機は、大荷重や大変位を与えることに適しているものの、試験周波数は最大で数10 Hzから100 Hz程度である。上述の製品においては、10⁷回を超えるような長寿命領域までの疲労強度の把握が必要となることもあるため、この場合は高速な試験装置を採用することが望ましい。

高速な試験装置としては超音波疲労試験機がある。この試験装置は、超音波振動を用いて数10 kHzの周波数で疲労試験を行う装置であり、非常に迅速に疲労試験を行うことができる。しかし、この装置は、主に樹脂材料よりも高い弾性率を有する金属材料の評価を主眼において開発された試験装置であるため、大変位を発生することができない。そのため、樹脂材料のように比較的弾性係数の小さな材料の試験には適さない。また、樹脂材料に高速に繰り返し変形を発生させると、粘性損失に伴う発熱が生じ、これによって試験片の温度が上昇してしまう。試験片温度は、疲労強度に影響を与える場合があるため、材料の使用環境を想定した温度とすることが望ましい。前述の油圧駆動型疲労試験機を用いて数10 Hz程度で単軸の繰返し引張り圧縮の疲労試験を行う場合でも、材料の熱伝導率や試験片形状によっては、試験片温度が100℃を超える高温状態となってしまう場合もある。そこで、発熱を抑制しながら高速に試験を行うためには、曲げ疲労試験とすることが有効である。材料の繰り返し変形による発熱は、材料に生じるひずみ量の２乗に比例する。単軸引張り圧縮試験では、試験片断面に渡って一様に最大ひずみが発生するのに対し、曲げ疲労試験では最大ひずみが発生するのは試験片最表面部のみであり、中立軸位置ではひずみはゼロとなる。そのため、同一の応力振幅を想定した場合でも、試験片全体での発熱量を大幅に低減することが可能となる。しかし、曲げ疲労試験では試験片に曲げ変形を与えるために大変位を発生させられる試験装置が必要である。一般的に疲労試験機の変位量と試験周波数の間にはトレードオフの関係がある。例えば、JIS-K7119記載の平面曲げ疲労試験を想定した場合には、数mmオーダーの試験機変位(ストローク)を確保することが望まれる。

以上のような背景から、樹脂材料の疲労試験を迅速に行うために、高速に繰り返し曲げを試験体に与えることのできる試験装置を実現させることが望まれている。例えば特許文献1記載の装置では、片持ち梁状の試験体を加振装置に取り付け、試験体の共振周波数で加振することにより、比較的少ない加振力で大変形を与えることを可能としている。

特開2010-121939号公報

このように加振装置によって試験片を共振させる方式の試験（以降、共振曲げ試験とする）では共振によって試験片中の評価部位に曲げ応力を負荷する。その際には試験片のみならず、固定用治具やボルトなどを含む振動系全体に慣性力が作用する。そのため、例えばロードセルなどの荷重計測装置を振動系の中に挿入しても、試験片評価部位に作用する曲げ応力を直接計測することは難しい。一般的に、繰り返し荷重による疲労損傷を想定した工業製品の設計では、応力振幅一定の条件下で取得された疲労線図を用いることが多い。そのため、疲労試験の実施にあたっては、試験片に負荷される荷重を一定に保つことが非常に重要である。しかし、これまでの共振曲げ試験を行う装置では、荷重の計測手段を具備しないため、実際の設計に必要な応力振幅一定条件の疲労線図を作成することは困難であった。

本発明では、樹脂材料等の疲労強度を効果的に把握する疲労試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る疲労試験装置は、片持ち梁状に固定された試験片に繰り返し曲げ変形を連続的に与える加振手段と、前記試験片に取り付けた加速度センサと、前記試験片のうち疲労強度評価部位のひずみを直接計測または算出するひずみ取得手段とを備え、前記加振手段は前記試験片の固有振動数の変化に追随し、追随した該固有振動数を前記試験片に与え、前記ひずみ取得手段であらかじめ取得したひずみと前記加速度センサからあらかじめ取得した応答加速度を用いて疲労強度評価部位における応力振幅を算出することを特徴とする。

本発明によれば、試験材料の疲労強度を効果的に把握する疲労試験装置を提供することが可能になる。

実施例に係る疲労試験装置の構成図である 実施例に係る疲労試験装置の動作チャートである 一般的な試験片形状の一例である 実施例に係る疲労試験装置に好適な試験片形状の一例である

本発明を実施するための形態を、以下図面および数式を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、本発明の実施態様を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。

図1に本実施例における共振曲げ疲労試験装置の構成図を示す。電磁式加振機の可動部１に、試験対象となる試験片2が片持ち梁様に固定治具7および固定ボルト8によって固定されている。このように試験片2を取り付けて、加振機で正弦波加振することで試験片2に曲げ変形を与えることが可能となる。加振機可動部1および試験片2の自由端側にはそれぞれ加速度センサが取り付けられている。加振機可動部側のセンサ3は加振加速度信号4を、自由端側のセンサ5は応答加速度信号6をそれぞれ計測するために用いる。加振加速度信号4と応答加速度信号6は、制御装置9に取り込まれる。加振加速度信号4と応答加速度信号6は、常に高速フーリエ変換(FFT)分析を行い、両者の信号の位相差をモニタできるようになっている。なお、ここで、位相差を常に90°となるようなフィードバック制御に基づいて加振周波数を変化させれば、常に試験片2の固有振動数を追随した試験が可能となる。なお、制御装置9によって生成される加振波形が電力増幅装置によって増幅され、電磁式加振機が駆動される。また、制御装置9に取り込まれる各センサからの信号や、試験周波数は記録装置11へ伝送されて記録されるようになっており、試験終了後に試験中の各パラメータの変化を確認することができるようになっている。なお、制御装置9と記録装置11は、パーソナルコンピュータなどの電子計算機システムとソフトウェアの組み合わせによって構成してもよい。

本発明においては、樹脂材料に高速に繰り返し変形を与えるため、発熱は避けることができない。一般的に樹脂材料は金属材料と比較すると、温度変化に対する物性値の変化が大きい。物体の固有振動数は、自身の剛性に応じて変化する（〔数１〕参照）ため、同一試験片であっても試験中に温度が変化すると固有振動数が変化する可能性がある。また、樹脂材料は疲労損傷によっても、その剛性が著しく低下することが一般的に知られている。しかし、上述のような固有振動数を追随する機能を設けることで、試験中に温度変化や試験片の剛性変化が変動しても、比較的少ない加振力で常に大変形を試験片に加えることができるようになる。

ここで、応力振幅一定の試験を実施するための試験条件について数式を用いて説明する。ある物体の固有振動数fと、その剛性Eの間には、数式1に示す関係がある。
〔数１〕
f ² =c₁E
c₁は比例定数であり、数式1は固有振動数の２乗が剛性に比例することを表している。なお本発明においては、剛性Eは試験片の曲げ弾性係数と読み替えて差し支えない。次に、共振状態にある試験片における自由端側の応答加速度をaとする。このときの応答加速度計測位置における変位dは数式2で表すことができる。
〔数２〕
d = a/(2πf)²
共振状態にある試験片の評価部位におけるひずみをεとすると、変位dとの間には比例関係が成り立つため、
〔数３〕
ε = c₂d
とかける。このときの評価部位における応力σは、数式1〜3より
〔数４〕
σ = εE= c₂ a/(2πf)²・f ²/c₁= c₃a
とあらわすことができる。ここで、c₃は比例定数であり、
〔数５〕
c₃ = c₂/(4π²c₁)
である。数式４に基づくと、応力は試験片の剛性に依存せず、加速度センサによって計測された応答加速度aのみによって一意に求めることができることが分かる。すなわち、試験中に試験片の剛性変化が生じても、応答加速度信号をモニタすることができれば、数式４の関係を用いて、試験中に試験片に負荷される応力振幅を知ることができる。

図2に本発明の疲労試験装置の動作チャートを示す。各センサからの入力内容13、制御装置の動作ステップ14およびユーザからの入力内容15の大きく３項目に分類して示した。発明においては、応答加速度信号から応力振幅の推定を行うが、応力振幅の絶対値を取得するためには、数式４に示した比例定数c₃あるいはc₁およびc₂を知る必要がある。本実施例では、試験片の評価部位にひずみゲージ12を予め貼り付けておくことにより、試験片に発生するひずみε（数式３および４）を直接的に計測することができる構成となっている。ただし、本発明で対象とする樹脂材料は、金属材料と比較すると弾性係数が小さいため、評価部位においてはひずみゲージ12の測定範囲を超えるような大ひずみが発生する。また、発熱によってひずみゲージ出力値の温度ドリフトが発生するため、疲労試験実施中のひずみゲージ出力値を評価に用いることは難しい。そこで、疲労試験の開始に先立ち、疲労試験時よりも十分に小さい加振加速度で共振曲げ試験(予備試験)を行う。このときの加振加速度レベルは、試験片に損傷が発生せず、かつ、ひずみゲージによるひずみ計測が安定的に行えるひずみ範囲となるように設定するとよい。この予備試験によって得られたひずみεと、別途取得しておいた材料の曲げ弾性係数Eから応力振幅σが得られる。また、予備試験では応答加速度aも計測しているので、比例定数c₃（数式４）が求まる。以降は、この予備試験によって得られた比例定数c₃と、加速度センサによって計測される応答加速度aのみから応力振幅を推定することが可能となる。本実施記載の試験装置に含まれる制御装置9では、試験片取り付け後、目標とする応力振幅と試験片の物性値を入力すると、自動的に上記の予備試験を実施して比例定数c₃の算出を行い、目標応力振幅に対応した応答加速度レベルとなるように加振加速度レベルを調整する機能を有している。この機能により、試験者は煩雑な計算を行うことなく、所定の応力振幅レベルでの疲労試験を実施できる。

なお、本発明を適用するにあたり、試験片形状は、固定部からやや離れた位置に最大応力が発生するような形状とすることが望ましい。例えば、図３に示すようなストレート形状試験片16とし、共振曲げ試験を実施すると、試験片固定部17の端部に最大応力が発生することは自明である。このような部位はひずみゲージの貼り付けが困難であるばかりか、応力特異場となるため実際の応力値を定量的に求めることが難しくなる。そこで、試験片形状を図１に示すような半ダンベル試験片2あるいは図４に示すようなノッチ付き試験片18とすれば、共振曲げ試験時の最大応力発生位置を試験片固定部から離れた位置とすることができる。

本発明の疲労試験装置を用いて、共振曲げ疲労試験を実施すると、疲労損傷による試験片の剛性低下が発生する。数式１に示したように、試験片の剛性は固有振動数の２乗に比例する。本発明では常に試験片の固有振動数を追随するので、疲労損傷の進行とともに試験周波数は低下していく。すなわち、試験周波数をモニタしておけば、試験中の疲労損傷を定量的に評価することができる。本発明の制御装置には固有振動数変化から、数式４に基づき、相対的な剛性の変化(剛性保持率)を自動的に算出し表示する機能が具備されている。また、予め任意の剛性保持率を設定し、固有振動数変化から計算された剛性保持率が設定値に達した時点で試験を終了させることも可能である。

ただし、試験片の剛性は疲労損傷に加え、試験片の温度によっても変化する。前述のように、単軸引張り曲げと比較すると、本発明で採用する曲げ方式は、全体の発熱量を小さくすることができる。しかし、試験で採用する繰り返し周波数やひずみレベル、材料の弾性係数の温度依存性によっては、発熱によって無視することのできない剛性変化が発生する可能性がある。

そこで、本装置には、試験片温度変化による剛性変化を補正する機能を備えている。まず、予め材料の曲げ弾性率と温度の関係を調べておく。このとき、必ずしも曲げ弾性率の絶対値を知る必要はなく、相対値がわかればよい。例えば、本試験装置を活用し、恒温槽などで試験片温度を変化させながら、その際の試験片の固有振動数変化を調べれば、数式１に基づき、相対的な弾性率の温度依存性を調べることができる。

次に、疲労試験実施時には、試験片の温度を計測しておく。温度の計測手段としては、試験片評価部に熱電対20を貼り付ける方式が最も簡便かつ低コストであるが、非接触式の赤外線温度計などを用いてもよい。赤外線温度計は熱電対を比較すると高価であり、放射率補正などの前準備も必要となるが、非接触で温度を計測できるため、ケーブルの取り回しなどを考慮する必要がない。ここで計測された温度と、前述の試験片剛性の温度依存性データを用いて、温度変化に起因した試験片の剛性変化分を算出することができる。これを、疲労試験中に観測された見かけの剛性変化分から差し引くことで、疲労損傷のみによって生じた剛性低下分を求めることができる。本発明の制御装置には、上記の温度補正機能が備えられており、疲労損傷のみによって生じた剛性低下を常時自動的に算出することができる。

なお、恒温槽などの環境温度制御装置を用いる場合は、前述の熱電対20や放射温度計などの温度センサを制御点とし、試験片温度が一定となるような環境温度制御を加えることで、繰り返しひずみによって発生する発熱の影響を排除することも可能である。この際、試験片の温度変化に追随できる十分に応答性の高い温度制御装置を用いることができる様、十分な予備検討を行うことが望ましい。

本実施例における疲労強度評価方法によれば、共振による試験片への曲げ変形負荷を活用し、樹脂材料に対して応力振幅一定の高速な疲労試験を行うことが可能となる。

実施例２について以下説明する。尚、実施例１と重複する個所については説明を省略する。実施例１においては、予備試験時のひずみ計測手段として、評価部に直接貼り付けたひずみゲージ12を用いていた。この手法は直接ひずみを計測するため、高精度な応力振幅算出が期待できる。一方で、試験片に直接ひずみゲージを貼り付ける必要があるため、試験準備に手間がかかる。また、ひずみゲージの貼り付け位置や角度にずれを生じると、応力振幅の推定値に誤差を生じる可能性がある。そこで、数式2によって計算される応答加速度計測点の変位から、評価部位のひずみを推定してもよい。本発明では、実施例１で説明したように、半ダンベル形状やノッチ付き形状などの特殊形状の試験片を用いており、断面形状が一様ではない。そのため、試験片先端部の変位量から評価部のひずみを材料力学的な簡易計算で求めることは難しい。そこで、有限要素法などの数値解析を用い、予め試験片先端部の変位量と評価部のひずみの関係を求めておく。これにより、ひずみゲージを用いて直接ひずみを計測しなくとも、評価部のひずみおよび応力振幅を推定することが可能である。本実施例の手段は、試験片の質量および剛性が、加速度センサおよびそのケーブル類のそれよりも十分に大きく、かつ材料が均質等方性とみなせる場合、あるいは材料の不均質性や異方性を解析モデルに十分反映できる場合に好適である。

1 加振機可動部
2 半ダンベル試験片
3 加振加速度センサ
4 加振加速度波形
5 応答加速度センサ
6 応答加速度波形
7 固定治具
8 固定ボルト
9 制御装置
10 電力増幅装置
11 記録装置
12 ひずみゲージ
13 センサからの入力内容
14 制御装置の動作ステップ
15 ユーザからの入力内容
16 ストレート試験片
17 固定部
18 ノッチ付き試験片
19 ノッチ
20 熱電対

Claims (8)

1. 片持ち梁状に固定された試験片に繰り返し曲げ変形を連続的に与える加振手段と、前記試験片に取り付けた加速度センサと、前記試験片のうち疲労強度評価部位のひずみを直接計測または算出するひずみ取得手段とを備え、
   前記加振手段は前記試験片の固有振動数の変化に追随し、追随した該固有振動数を前記試験片に与え、
   前記ひずみ取得手段であらかじめ取得したひずみと前記加速度センサからあらかじめ取得した応答加速度を用いて疲労強度評価部位における応力振幅を算出することを特徴とする疲労試験装置。
2. 請求項１に記載の疲労試験装置であって、前記ひずみ取得手段は、前記疲労強度評価部位に設けられたひずみゲージであることを特徴とする疲労試験装置。
3. 請求項１に記載の疲労試験装置であって、前記ひずみ取得手段は、前記加速度センサ位置の変位振幅を用いて前記疲労強度評価部位のひずみを推定することを特徴とする疲労試験装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の疲労試験装置であって、
   前記加速度センサの出力が一定となるように前記加振手段の加振加速度を自動調整することを特徴とする疲労試験装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一つに記載の疲労試験装置であって、
   試験片の少なくとも一か所の表面温度を計測する温度計測手段を有することを特徴とする疲労試験装置。
6. 請求項５に記載の疲労試験装置であって、前記温度計測手段は熱電対であることを特徴とする疲労試験装置。
7. 請求項５に記載の疲労試験装置であって、前記温度計測手段は非接触方式の放射温度計であることを特徴とする疲労試験装置。
8. 請求項５ないし７のいずれか一つに記載の疲労試験装置であって、
   前記試験片の周囲温度を調節する温度制御装置を有し、前記温度制御装置は前記温度計測手段によって計測された温度を所定の目標値に制御することを特徴とする疲労試験装置。

Images