JP6314787B2

JP6314787B2 - 材料試験機

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Publication number: JP6314787B2
Application number: JP2014214650A
Authority: JP
Inventors: 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: JP2016080631A

Description

この発明は、破壊じん性試験を実行する材料試験機に関する。

破壊じん性試験は、破壊に対する材料の破壊抵抗性を求める試験である。破壊じん性試験では、破壊特性に応じた多様な試験方法が用いられており、これらの多くは、アメリカ材料試験協会や日本機械学会等により規格化されている。したがって、破壊じん性試験は、各規格に決められている約束ごとに準じて実施されることが必要である。例えば、構造物の安全性を定量的に評価するために、ＣＴ（ＣｏｍｐａｃｔＴｅｎｓｉｏｎ）試験片と呼称される切欠が形成された試験片に予き裂を導入した後に所定の試験力を繰り返し負荷し、き裂の進展速度を求めるき裂進展試験がある。

このような試験を実行する材料試験機は、試験片を保持する試験治具と、試験片に試験力を負荷するアクチュエータと、試験片に負荷された試験力（負荷試験力）を検出するロードセルと、試験片に負荷試験力が与えられているときの切欠開口部の開口変位を検出するクリップゲージと、を備えている。そして、ロードセルにより検出された負荷試験力とクリップゲージにより検出された開口変位とに基づいて、コンプライアンス法により試験片のき裂長さを算出している（特許文献１参照）。また、試験片のき裂長さを算出する式は、Ｓａｘｅｎａらにより提案された推定式を利用して定義されている（特許文献２参照）。

なお、き裂進展試験では、一般的に予き裂導入時から本試験にいたるまで試験片の開口変位をクリップゲージにより計測している。これは、試験片の開口変位と試験力との関係から、予き裂として予定していた所定の長さにき裂が達したときに、負荷試験力を調整したり、試験片に試験力を与える負荷機構の動作を停止したりするためである。

また、コンプライアンス法によるき裂長さの算出においては、クリップゲージによる開口変位の検出に代えて、ＣＴ試験片の背面中央部にひずみゲージを貼着して行う背面ゲージ法が知られている。背面ひずみゲージ法では、試験片に負荷試験力を与えたときの開口変位やき裂進展速度を、試験片の背面圧縮ひずみの増加量としてひずみゲージの検出値から計算している（特許文献３参照）。

特開２００９−２５０８６６号公報特開平６−５８８５９号公報特開平６−１０９６１０号公報

き裂進展試験の効率向上の観点から、予き裂の導入時間や本試験の実行時間を短くすることが要請されている。この予き裂を導入する時間を短縮するには、試験片に繰り返し与える試験力を大きくすることが考えられる。しかしながら、き裂を進展させる本試験に比べて予き裂導入時の負荷試験力が大きすぎると、き裂先端の塑性変形により本試験でき裂が進展しなくなり、正確に試験を行うことができない。

また、予き裂を導入する時間、および、き裂を進展させる試験時間を短縮するために、試験片に繰り返し与える試験力の繰り返し周波数を高くすることが考えられる。しかしながら、き裂進展試験では、一般的に予き裂導入時からクリップゲージで試験片の開口変位を測定しており、繰り返し周波数を高くすると、クリップゲージによる測定が周波数に追従することができない。すなわち、試験片に形成された切欠の開口部に差し込まれるクリップゲージの一対のバネの戻り速度の限界により、繰り返し周波数に対してクリップゲージの測定データに位相遅れやノイズが発生する。このように、クリップゲージのバネの戻り速度が、試験片に試験力を負荷するときの繰り返し周波数に追従できないと、正確にき裂長さを推定できなくなる。

さらに、一定の試験力を試験片に繰り返し与えてき裂を進展させる試験において、き裂長さａと繰り返し数Ｎにより求められるき裂進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大係数範囲ΔＫとの関係から、材料のき裂進展特性を評価する場合、き裂が進展しないとみなすことができる下限界応力拡大係数範囲ΔＫ_ｔｈを求めるために、き裂進展速度ｄａ／ｄＮが１０^−１０ｍ／ｃｙｃｌｅ程度になるまで試験を行う必要がある。このときに、設定できる繰り返し周波数がクリップゲージによる開口変位の測定が可能な周波数に制限されると、試験時間も長くなるという問題がある。

一方、特許文献３に記載されている背面ひずみゲージ法では、ひずみゲージの方がクリップゲージよりも応答特性が優れていることから、試験片に試験力を与えるときの繰り返し周波数を、クリップゲージにより開口変位を測定する場合よりも高くすることが可能である。しかしながら、ひずみゲージの検出信号を取り込む動ひずみアンプの応答特性と、試験力を検出するロードセルの検出信号を取り込むアンプの応答特性に差異があると、試験片に負荷した試験力の測定データ、および、それによって試験片に生じるひずみの測定データに位相差が生じる。

図１１は、アンプの応答特性に起因する試験力の測定データとひずみの測定データの位相差を説明するグラフである。図１２は、図１１の測定データより作成されたひずみ―試験力線図である。なお、図１１中、実線は試験力の測定データ、破線はひずみの測定データを示し、横軸は時間（秒）、縦軸は試験力（ｋＮ）およびひずみ（με）を示している。また、図１１においては、各測定データは所定の間隔で収集された連続したデータとして波形で示している。

検出信号を取り込むアンプの応答特性に差があると、図１１に示すように、矢印Ａで示す試験力の測定データの最大値となる時間と矢印Ｂで示すひずみの測定データの最大値となる時間、および、矢印Ｃで示す試験力の測定データの最小値となる時間と矢印Ｄで示すひずみの測定データの最小値となる時間とを比べると、試験力の測定データの方に時間遅れが生じており、２つの測定データ間に見かけ上、位相差が生じている。試験片に試験力が与えられた時間とひずみを検出した時間が同じであれば、縦軸を試験力（ｋＮ）、横軸をひずみ（με）とするひずみ―試験力線図は直線状となるが、図１１のように試験片に試験力が与えられた時間とひずみを検出した時間とにずれが生じている測定データを用いて、ひずみ―試験力線図を作成したときには、図１２に示すように、ひずみ―試験力線図が略楕円形状となる。

背面ひずみ法におけるひずみの測定データからコンプライアンス法により試験片のき裂長さを推定するときのコンプライアンスは、次の式（１）より求められる。

λ＝Δε×Ｗ／Δｆ・・・（１）
（λ：コンプライアンス、Δε：ひずみ増分、Ｗ：試験片幅、Δｆ：試験力増分）

図１２に示すように、ひずみ―試験力線図が略楕円形状になっている場合には、ΔεとΔｆの比が測定箇所によって異なるため、式（１）に示す試験力とひずみとの関係から求められるコンプライアンスの値にばらつきが生じる。さらに、試験片のき裂長さは、Ｓａｘｅｎａらにより提案された推定式（例えば、ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｒａｃｔｕｒｅ，１９７８年９月，Ｖｏｌｕｍｅ１４，ｐ．４５３−４６８参照）を利用した次の式（２）および式（３）により求められる。

ａ＝Ｗ（Ｃ_０＋Ｃ_１・Ｕ＋Ｃ_２・Ｕ^２＋Ｃ_３・Ｕ^３＋Ｃ_４・Ｕ^４＋Ｃ_５・Ｕ^５）・・（２）
Ｕ＝１／｛１＋（Ｂ・Ｅ・λ）^１／２｝・・・（３）
（ａ：き裂長さ、Ｗ：試験片幅、Ｃ_０〜Ｃ_５：試験片形状による定数、Ｂ：試験片厚さ、Ｅ：試験片の弾性率、λ：コンプライアンス）

コンプライアンスの値がばらつくと、コンプライアンスを用いて算出されるき裂長さの値もばらつくことになる。このため、従来は、試験片の背面ひずみからき裂長さを推定するに際し、ひずみ、試験力に見かけ上の位相差があった場合には安定した試験結果を得ることが困難であった。さらに、推定されるき裂長さの値が不安定であると、き裂長さに応じた負荷試験力の調整に不具合が生じることもある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ＣＴ試験片を用いたき裂進展試験においてひずみゲージによる測定結果を利用してき裂長さを求めるときに、安定した試験結果を得ることが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、切欠が形成された試験片に繰り返し試験力を負荷するアクチュエータと、前記試験片に負荷された試験力を測定するための荷重検出器と、前記試験片に試験力を負荷したときに、前記試験片に生じるひずみを測定するためのひずみゲージと、試験力が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを、前記荷重検出器の測定データと、前記ひずみゲージの測定データとを利用して算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記荷重検出器の測定データと入力された前記ひずみゲージの測定データとの位相差を演算する位相差演算部と、前記位相差演算部において演算された位相差を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された位相差に基づいて前記荷重検出器の測定データと前記ひずみゲージの測定データのいずれか一方を補正する補正部と、を有し、前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器の測定データと前記ひずみゲージの測定データのいずれか一方が前記補正部において補正された後に、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記位相差演算部は、予備試験により取得した、前記荷重検出器の測定データと前記ひずみゲージの測定データとによりひずみ―試験力線図を作成し、一方の測定データに対して他方の測定データを時間軸に対してシフトさせるとともに、前記ひずみ―試験力線図の面積の演算を行い、当該面積が最小となるシフト量を位相差とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記位相差演算部は、予備試験により取得した前記荷重検出器の測定データをフーリエ変換して求めた位相と前記ひずみゲージの測定データをフーリエ変換して求めた位相との差分を位相差として算出する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記位相差演算部は、予備試験により取得した前記荷重検出器の測定データの最大値と前記ひずみゲージの測定データの最大値との時間差、及び、前記荷重検出器の測定データの最小値と前記ひずみゲージの特定データの最小値との時間差の平均値を位相差として算出する。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記補正部は、前記荷重検出器の測定データと、前記ひずみゲージの測定データとのいずれか一方に対して、各測定点間に対して関数による曲線あてはめを行うとともに、前記記憶部に記憶させた位相差に基づいて時間軸に対してシフトさせることにより補正を行う。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、前記制御装置には、第１のアンプを介して前記荷重検出器の測定データが入力され、第２のアンプを介して前記ひずみゲージの測定データが入力される。

請求項１から請求項６に記載の発明によれば、制御装置に入力される試験力の測定データと変位の測定データとの間の位相差を算出する位相差演算部と、位相差演算部において算出された位相差を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された位相差に基づいて荷重検出器の測定データとひずみゲージの測定データのいずれか一方を補正する補正部とを備えることから、き裂進展試験において、各測定データ間の位相差を自動的に補正し、試験片に試験力が与えられた時間と、それにより変位が生じた時間とを一致させることができる。このため、コンプライアンス法によるき裂長さの推定を正確に行うことが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、測定データに対して関数による曲線あてはめ（フィッティング）を行うことにより、データのサンプリング間隔によっては、実際には収集されていない時間での測定値を補完できる。これにより、一方の測定データに対して他方の測定データを任意の時間で移動させる時間シフトが可能となり、より正確に見かけ上の位相差を解消することができる。

この発明に係る材料試験機の主要な構成を示す概要図である。試験片１０の斜視図である。制御系の主要な構成を示すブロック図である。この発明の材料試験機によるき裂進展試験の手順を示すフローチャートである。位相差演算部４４において実行される、第１の位相差演算方法を説明するフローチャートである。位相差演算部４４において実行される、第２の位相差演算方法を説明するフローチャートである。位相差演算部４４において実行される、第３の位相差演算方法を説明するフローチャートである。試験力の測定データをひずみの測定データに対して時間シフトさせた状態を示すグラフである。図８の測定データより作成されたひずみ―試験力線図である。補正部４５において実行される、測定データの補正方法を説明するフローチャートであるアンプの応答特性に起因する試験力の測定波形とひずみの測定波形の位相差を説明するグラフである。図６の測定データより作成されたひずみ―試験力線図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。図２は、試験片１０の斜視図である。図３は、制御系の主要な構成を示すブロック図である。

この材料試験機は、テーブル１１により支持された一対のコラム１２と、これらのコラム１２により支持された架台１３とを備える。テーブル１１には、試験片１０に試験力を負荷するためのアクチュエータである油圧シリンダ２１が配設されている。この油圧シリンダ２１は、作動油の供給量を弁開度等により決定するサーボバルブ２２と、シリンダロッド２５の変位を検出するストローク変位検出器２６とに接続されている。油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５には、試験片１０を取り付ける試験治具２９が接続されている。

架台１３の下面には、試験力を測定するための荷重検出器としてのロードセル２７と、試験片１０を取り付けるための試験治具２９とが配設されている。また、テーブル１１の下方には、油圧シリンダ２１を動作させるための作動油を供給する油圧供給部３０が配置されている。試験力が加えられたときの変形（ひずみ）を測定するためのひずみゲージ２８が貼設された試験片１０は、上下二つの試験治具２９により保持されて材料試験機における試験位置に配置される。

油圧シリンダ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。この油圧供給部３０からの作動油は、管路３７からサーボバルブ２２を介して油圧シリンダ２１に供給される。また、油圧シリンダ２１から排出された作動油は、サーボバルブ２２を通過した後、配管３８を介して油圧供給部３０に戻される。

ストローク変位検出器２６の出力信号、ロードセル２７の出力信号、および、ひずみゲージ２８の出力信号は、試験の実行中に、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。なお、き裂進展試験においては、油圧シリンダ２１を所定の周波数（試験周波数）で駆動させることにより試験片１０に繰り返し試験力を与える。ひずみゲージ２８の検出値より導出されるひずみの測定データおよびロードセル２７の検出値より導出される試験力の測定データは、表示部４１に、時間領域における波（時間軸に対する連続したデータ）としてグラフ化して表される。

図２に示すように試験片１０は、厚さＢの板状試料に切欠１５が形成されたＣＴ試験片と呼称されるものであり、一対の貫通孔１７の各々に挿入されるピン５１（図３参照）を介して、試験治具２９に連結されることにより、材料試験機における試験位置に配置される。コンプライアンス法によりき裂長さａを算出する際の試験片幅Ｗは、貫通孔１７の中心から切欠１５が形成されている側とは反対となる側端部までの距離となる。そして、この実施形態では、試験片１０の切欠１５が形成された面の背面にひずみゲージ２８を貼設する、背面ひずみ法によりひずみを測定する。

また、この材料試験機は、装置全体を制御するための制御部４０を備える。この制御部４０は、論理演算を実行するＣＰＵおよび記憶装置を有し、表示部４１および入力部４２を備えた入出力用コンピュータ４３と接続されている。制御部４０と入出力用コンピュータ４３は、この発明の制御装置である。サーボバルブ２２は、制御部４０からＤ／Ａ変換器６３を介して供給される制御信号によってその弁開度が制御される。ストローク変位検出器２６の出力信号はＡ／Ｄ変換器６４を介して試験の実行中に制御部４０に取り込まれる。

試験片１０に与えられる試験力はロードセル２７により検出される。試験力測定信号は、アンプ６６（第１のアンプ）で増幅され、Ａ／Ｄ変換器６１でデジタル測定信号に変換された後、制御部４０に入力される。ロードセル２７はひずみゲージ式変換器であり、アンプ６６としては、例えば、ひずみゲージブリッジに加える電源方式が直流方式の、直流増幅器と呼称されるものを用いている。

試験力が与えられた試験片１０の切欠１５における開口変位に応じて、試験片１０の背面に生じたひずみは、ひずみゲージ２８により検出される。ひずみ測定信号は、アンプ６７（第２のアンプ）で増幅されてＡ／Ｄ変換器６２でデジタル測定信号に変換された後、制御部４０に入力される。アンプ６７としては、例えば、ひずみゲージブリッジに加える電源方式が交流方式の動ひずみアンプと呼称されるものを用いている。

先に図１１および図１２を参照して説明したように、材料試験機の構成として、試験力測定系とひずみ測定系とで、応答特性の異なるアンプ６６、６７を採用している場合には、制御部４０に入力されるそれぞれの測定データに、見かけ上の位相差が生じる。

制御部４０は、機能的構成として、アンプ６６を介して制御部４０に入力されたロードセル２７による測定データと、アンプ６７を介して制御部４０に入力されたひずみゲージ２８による測定データとの間の位相差を演算する位相差演算部４４と、位相差演算部４４において算出された位相差や各測定データを記憶する記憶部４７と、ロードセル２７による測定データとひずみゲージ２８による測定データのいずれか一方を記憶部４７に記憶させた位相差により補正する補正部４５と、補正後の測定データを用いてコンプライアンスを算出し、試験片１０のき裂長さａを推定するき裂長さ演算部４６を備える。

以上のような構成を有する材料試験機において、試験を実行する手順について説明する。図４は、この発明の材料試験機によるき裂進展試験の手順を示すフローチャートである。

まず、この材料試験機では、き裂を進展させるために試験片１０に負荷を与える本試験前に予備試験を行い（ステップＳ１）、測定データを収集する（ステップＳ２）。この予備試験は、試験力との測定データとひずみの測定データのいずれか一方を補正するために利用する、ロードセル２７による試験力の測定データとひずみゲージ２８によるひずみの測定データとの間の位相差を、記憶部４７に記憶させるためのものである。ロードセル２７とひずみゲージ２８とは、それぞれ応答特性の異なるアンプ６６およびアンプ６７を介して出力信号を制御部４０に送信している。この実施形態の材料試験機においては、ひずみゲージ２８の測定データよりもロードセル２７の測定データの方が、制御部４０への入力タイミングが遅くなっている（図１１参照）。この発明では、このようなアンプ６６およびアンプ６７の応答特性に起因した制御部４０への入力の時間差を特定し、一方の測定データを補正することにより、試験片１０に試験力が与えられた時と、そのときに生じたひずみを検出した時とを一致させて、正確なコンプライアンスを計算できるようにしている。

き裂を進展させるために試験片１０に負荷を与える本試験を実行する前に行う予備試験は、アンプ６６およびアンプ６７の応答特性に起因した制御部４０へのロードセル２７とひずみゲージ２８からの入力の時間差を調べるために行う。したがって、所定の周波数（例えば初期試験周波数）による振動をき裂が進展しない短時間だけ試験片１０に与えればよい。なお、本試験に供する試験片１０を用いて予備試験を行うことができる。

試験治具２９により試験片１０を保持し、予備試験を実行し、測定データを収集すると、次に、測定データ間の位相差を演算する（ステップＳ３）。この実施形態では、制御部４０に入力されるひずみゲージ２８のひずみの測定データに対するロードセル２７の試験力の測定データの時間遅れを求めることになる。この時間遅れ（時間差）は、ひずみの測定波形と試験力の測定波形との位相差として求めることができる。

位相差は、予備試験により収集された測定データを基に、位相差演算部４４において算出される。位相差演算部４４において位相差を求めるために実行される位相差演算方法について説明する。

＜第１の位相差演算方法＞
図５は、第１の位相差演算方法を説明するフローチャートである。

予備試験により収集され制御部４０に入力されたロードセル２７およびひずみゲージ２８の各測定データは、先に説明した図１１のようになる。したがって、これらの測定データを用いたひずみ―試験力線図は、図１２に示すように略楕円形状となる。図５に示す第１の位相差演算方法では、一方の測定データを図１１のグラフの左右方向に移動させる時間シフトを実行する（ステップＳ３１１）。この実施形態では、図１１に実線で示す試験力の測定データを、破線で示すひずみの測定データに対して、時間シフトさせる。すなわち、一方の測定データを他方の測定データに対して図１１のグラフの時間軸（Ｘ軸）に沿って移動させる。例えば、１ｍｓ間隔等の一定の間隔で試験力の測定データを図１１のグラフの左方向に移動させ、その都度、ひずみ―試験力線図を作成（ステップＳ３１２）し略楕円形状の内側の面積（ステップＳ３１３）を算出する。

図８は、試験力の測定データをひずみの測定データに対して時間シフトさせた状態を示すグラフである。図９は、図８の測定データにおけるひずみと試験力との関係を示すグラフである。

試験力の測定波形をひずみの測定波形に対して全体的に時間シフトさせると、ある時点でひずみ―試験力線図の面積が最小となる。制御部４０への、ロードセル２７からアンプ６６を介した入力と、ひずみゲージ２８からアンプ６７を介した入力との時間差が小さくなれば、図１１に示す略楕円形状のひずみ―試験力線図が、図９に示すような直線状に近づく。ひずみ―試験力線図の面積が最小になるのは、ひずみ―試験力線図がほぼ直線になったときである。したがって、ひずみ―試験力線図の面積が最小となる試験力の測定データの時間シフト量（時間差）を求め（ステップＳ３１４）、それを位相差として記憶部４７に記憶させる（ステップＳ３１５）。

なお、上述した第１の位相差演算方法では、図１１のグラフ中の一方の測定データを時間軸に沿って移動させた後に、ひずみ―試験力線図を作成しているが、これに限定されない。すなわち、表示部４１に表示させた図１２に示すひずみ―試験力線図を構成する各点を、入力部４２を利用して図９のひずみ―試験力線図のように直線状に近づくように移動させた結果を、試験力の測定データのシフト量（時間差）としてフィードバックさせるようにしてもよい。

＜第２の位相差演算方法＞
次に、他の位相差演算方法について説明する。図６は、第２の位相差演算方法を説明するフローチャートである。

図６に示す第２の位相差演算方法では、予備試験により取得したロードセル２７の測定データおよびひずみゲージ２８の測定データに対してフーリエ変換を実行する（ステップＳ３２１）。そして、フーリエ変換により求めた各測定データの位相間の差分を位相差として算出する（ステップＳ３２２）。すなわち、時間領域で変化する試験力の測定波形と、ひずみの測定波形は、フーリエ級数で表現することができ、そこから各位相を演算する。しかる後、両位相間の差分を位相差として算出し、それを記憶部４７に記憶させる（ステップＳ３２３）。なお、予備試験における試験周波数が一定で、試験力の測定データおよびひずみの測定データが周期波形であれば、基準時間からの時間差（例えば、図１１のひずみの測定データの矢印Ｂを基準とした矢印Ｂと試験力の測定データの矢印Ａの間の時間）を周期で割って角度にした値が位相差であるから、位相差から時間シフト量（時間差）が容易に求まる。

＜第３の位相差演算方法＞
次に、さらに他の位相差演算方法について説明する。図７は、第３の位相差演算方法を説明するフローチャートである。

図７に示す第３の位相差演算方法では、予備試験により取得したロードセル２７の測定データの最大値および最小値を特定し（ステップＳ３３１）、ひずみゲージ２８の測定データの最大値間および最小値間の検出時間のずれ量を算出し（ステップＳ３３２）、それらの平均値を位相差として算出する（ステップＳ３３３）。すなわち、図１１に矢印Ａで示す試験力の測定データの最大値と矢印Ｂで示すひずみの測定データの最大値との時間差を算出するとともに、矢印Ｃで示す試験力の測定データの最小値と矢印Ｄで示すひずみの測定データの最小値との時間差を算出する。しかる後、それらの時間差の平均値を求め、これを位相差として記憶部４７に記憶させる（ステップＳ３３４）。

図８および図１１においては、説明の便宜上、試験力の測定データおよびひずみの測定データを波形で図示しているが、データを取得するサンプリング間隔により、測定波形における１周期中の最大値および最小値とされた各測定データの測定点での値が、真の最大値および最小値でない場合もある。すなわち、データを取得するサンプリングのタイミングと試験力およびひずみが最大値となるタイミングとが一致していなければ、各測定データの測定点での最大値は、真の最大値にはならない。最小値に関しても同様である。したがって、この第３の位相差演算方法では、少なくとも、試験力とひずみの２つの測定データの１周期の時間区間内の最大値間での時間差と最小値間での時間差を算出し、さらに、その平均を算出することとしている。なお、各測定データの１周期の時間区間内の最大値間での時間差と最小値間での時間差の算出を、数周期分行い、時間差の平均値を求めるようにしてもよい。

また、収集された測定データ（複数の測定点の集合）の一部または全部に対して関数による曲線あてはめ（フィッティング）をし、測定点にはない測定波形の最大値および最小値を関数により推定することで、時間分解能を向上させることができる。すなわち、データのサンプリング間隔よりも最大値および最小値の検出精度を向上させることができる。また、フィッティングに用いる測定データの一部とは、１周期の時間区間であってもよく、複数周期について、最大値および最小値の周辺の所定の時間区間を複数抜き出すものであってもよい。なお、複数のデータを用いて２次関数でフィッティングすると、ノイズの影響を低減することができる。

位相差演算部４４において、上述した第１〜第３のいずれかの位相差演算方法により演算され、記憶部４７に記憶させた位相差は、き裂を進展させる本試験において、制御部４０に入力される試験力の測定データとひずみの測定データのうち、いずれか一方の測定データを補正するために利用される。次に、補正部４５における位相差の補正について説明する。

図４に示すように、本試験が開始されると（ステップＳ４）、ロードセル２７からの試験力の測定データと、ひずみゲージ２８のひずみの測定データとは、一定のサンプリング間隔で制御部４０に入力される。そして、試験力の測定データおよびひずみの測定データは、隣り合う測定点が互いにサンプリング間隔だけ時間が離れた時系列データとして記憶部４７に記憶されていく。この実施形態の材料試験機の構成においては、図１１に示すように、ロードセル２７から制御部４０への入力の方が、ひずみゲージ２８から制御部４０への入力より遅れている。このような場合には、補正部４５における補正は（ステップＳ５）、き裂を進展させる本試験においてロードセル２７から制御部４０に入力された試験力の測定データに対して実行される。すなわち、ひずみの測定データに合うように、試験力の測定データを記憶部４７に記憶させている位相差（時間差）に応じて、時間シフトさせる。

＜第１の補正方法＞
補正部４５において実行される、測定データの補正方法、すなわち、試験力の測定データの時間シフトについて説明する。図１０は、第１の補正方法を説明するフローチャートである。

第１の補正方法では、この実施形態において補正対象となる試験力の測定データの各測定点に対して、関数によるフィッティングを行い（ステップＳ５１１）、記憶部４７に記憶させたと位相差（時間差）分だけ時間シフトを実行する（ステップＳ５１２）。

なお、試験力の測定データおよびひずみの測定データは、隣り合う測定点が互いにサンプリング間隔だけ時間が離れた時系列データであるため、時間シフト量がサンプリング間隔で割り切れない任意の量である場合には、図８に示すように、時間シフトにより見かけ上、試験力の測定データとひずみの測定データの時間の同期がとれている場合でも、ひずみの測定データの各サンプリング時間に対応する時間に試験力の測定値が存在しないこととなる。このため、試験力の測定データにおいて、関数フィッティングにより、隣接する前後の測定点の値や、付近の測定点の値を利用して、実際には収集されていない時間での測定値を補完するようにしている（ステップＳ５１３）。これにより、より正確に見かけ上の位相差を解消することが可能となる。

＜第２の補正方法＞
次に、補正部４５において実行される、測定データの他の補正方法について説明する。この第２の補正方法では、補正部４５において、図１１に示す試験力の測定データをひずみの測定データに合うように、各測定点を時間軸に沿って左方向にサンプリング間隔単位で移動（時間シフト）させる。すなわち、ロードセル２７の試験力の測定データにおける各測定点のサンプリング時間を、記憶部４７に記憶させている位相差（時間差）に応じて、実際に制御部４０に入力された時間よりも前のサンプリング時間に変更する。この時間シフトの最小シフト量は、サンプリング間隔となる。したがって、上述した第１〜第３の位相差演算方法のいずれかにより算出された位相差（時間差）がサンプリング間隔で割り切れない場合は、この第２の補正方法では、最も位相差（時間差）に近くなるサンプリング間隔の倍数の時間だけ、時間シフトを実行することになる。

なお、この第２の補正方法では、上述した第１〜第３の位相差演算方法のいずれかにより算出された位相差（時間差）が、サンプリング間隔で割り切れる値でない場合には、記憶部４７に記憶させた位相差（時間差）と測定データの時間シフト量が一致しないことになる。しかしながら、第１の補正方法のような関数によるフィッティングを行わないことで、測定データ補正のための計算コストを低く抑えることが可能である。

補正部４５において、上述した第１または第２の補正方法により試験力の測定データが補正されると、図４に示すように、裂長さ演算部４６は、ひずみの測定データと、補正後の試験力の測定データとにより、式（１）によりコンプライアンスを算出し、式（２）によりき裂長さａを算出する（ステップＳ６）。補正部４５における試験力の測定データの補正、裂長さ演算部４６におけるコンプライアンスの算出およびき裂長さａの算出は、き裂を進展させる本試験が終了するまで（ステップＳ７）、繰り返し実行される。なお、本試験の終了は、予め設定されている試験片１０への負荷の繰り返し数Ｎに到達したか否か、あるいは、試験片１０に生じたき裂長さａが予定していたき裂長さに到達したか否か等、試験内容に応じた判断事項に基づき決定される。

この材料試験機では、本試験において測定した測定データに対して自動的に位相差を補正することができ、コンプライアンスの算出精度を向上させ、安定した試験結果を得ることが可能となる。

上述した実施形態では、試験片１０に生じる変化を、切欠１５の背面に貼設したひずみゲージ２８により測定して、き裂長さａを算出しているが、クリップゲージにより切欠１５の開口部の変位を測定する場合にも、この発明を適用することが可能である。クリップゲージは、内蔵するひずみゲージで検出したひずみを切欠き１５の開口変位に変換するひずみゲージ式の変換器である。したがって、試験力測定系で採用しているアンプ６６と応答特性の異なるアンプを変位測定系に採用した場合には、上述した実施形態と同様の見かけ上の位相差（時間差）が生じることがある。この発明では、このような位相差（時間差）を解決することが可能である。また、クリップゲージは一対のバネを有しており、切欠の開口部に差し込まれる一対のバネの戻り速度の限界により、試験周波数に対してクリップゲージの測定データに位相遅れやノイズが発生した場合も、この発明により、そのような位相遅れやノイズを、解消することが可能となる。このため、試験片１０に負荷する繰り返し周波数を高くでき、試験時間を短縮することができる。

さらに、上述した実施形態では、試験力測定系とひずみ測定系でのアンプの応答特性に起因した測定データ間の位相ずれを例に説明したが、これに限定されない。例えば、どちらか一方の測定系にノイズ除去のフィルターを挿入、あるいは、両方の測定系に性質の異なるノイズ除去のフィルターを挿入したことで、測定データ間に見かけ上の位相差（時間差）が生じた場合にも、この発明により解消することが可能である。

上述した実施形態では、本試験前に試験に供する試験片１０を用いて予備試験を行う例を示したが、例えば、試験力測定系およびひずみ測定系におけるアンプやフィルター等の構成以外に起因するノイズが小さい場合には、このような予備試験は、アンプ等の構成を変更するときに、一度行っておけばよい。

１０試験片
１１テーブル
１２コラム
１３架台
２１油圧シリンダ
２２サーボバルブ
２５シリンダロッド
２６ストローク変位検出器
２７ロードセル
２８ひずみゲージ
２９試験治具
３０油圧供給部
３７管路
３８管路
４０制御部
４１表示部
４２入力部
４３入出力用コンピュータ
４４位相差演算部
４５補正部
４６き裂長さ演算部
４７記憶部
５１ピン
６１Ａ／Ｄ変換器
６２Ａ／Ｄ変換器
６３Ｄ／Ａ変換器
６４Ａ／Ｄ変換器
６６アンプ
６７アンプ

Claims

切欠が形成された試験片に繰り返し試験力を負荷するアクチュエータと、
前記試験片に負荷された試験力を測定するための荷重検出器と、
前記試験片に試験力を負荷したときに、前記試験片に生じるひずみを測定するためのひずみゲージと、
試験力が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを、前記荷重検出器の測定データと、前記ひずみゲージの測定データとを利用して算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記荷重検出器の測定データと入力された前記ひずみゲージの測定データとの位相差を演算する位相差演算部と、
前記位相差演算部において演算された位相差を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された位相差に基づいて前記荷重検出器の測定データと前記ひずみゲージの測定データのいずれか一方を補正する補正部と、
を有し、
前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器の測定データと前記ひずみゲージの測定データのいずれか一方が前記補正部において補正された後に、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記位相差演算部は、予備試験により取得した、前記荷重検出器の測定データと前記ひずみゲージの測定データとによりひずみ―試験力線図を作成し、一方の測定データに対して他方の測定データを時間軸に対してシフトさせるとともに、前記ひずみ―試験力線図の面積の演算を行い、当該面積が最小となるシフト量を位相差とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記位相差演算部は、予備試験により取得した前記荷重検出器の測定データをフーリエ変換して求めた位相と前記ひずみゲージの測定データをフーリエ変換して求めた位相との差分を位相差として算出する材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記位相差演算部は、予備試験により取得した前記荷重検出器の測定データの最大値と前記ひずみゲージの測定データの最大値との時間差、及び、前記荷重検出器の測定データの最小値と前記ひずみゲージの特定データの最小値との時間差の平均値を位相差として算出する材料試験機。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の材料試験機において、
前記補正部は、前記荷重検出器の測定データと、前記ひずみゲージの測定データとのいずれか一方に対して、各測定点間に対して関数による曲線あてはめを行うとともに、前記記憶部に記憶させた位相差に基づいて時間軸に対してシフトさせることにより補正を行う材料試験機。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の材料試験機において、
前記制御装置には、第１のアンプを介して前記荷重検出器の測定データが入力され、第２のアンプを介して前記ひずみゲージの測定データが入力される材料試験機。