JP6340711B2 - 衝撃印加装置及び衝撃印加方法 - Google Patents

Description

本願発明は、衝撃印加装置及び衝撃印加方法に関し、特に、衝撃加速度を印加して行われる衝撃加速度試験のために供試体に衝撃を加える衝撃印加装置等に関する。

衝撃加速度試験は、供試体に対して衝撃加速度を印加して得られる応答を評価解析するものであり、例えば衝撃応答スペクトル（Shock Response Spectrum、ＳＲＳ）などが知られている。

衝撃加速度試験は、例えば、宇宙機器（例えばロケットなど）の環境試験の一種として知られている。宇宙機器は、打ち上げ時に各種衝撃が印加される。特に、ロケット分離、フェアリング開頭、衛星分離等は、火工品が使用されているために衝撃が大きい。よって、宇宙機器の場所に応じて衝撃レベルが規定されており、規定値以上の衝撃を印加しても宇宙機器に影響がないことを証明する必要がある。このような衝撃加速度試験は、火工品を使用しても実現可能であるが、高価であり、実施場所も限定される。そのため、一般的に、火工品を使用しない簡易的な衝撃加速度試験が採用されている。

火工品を使用しない簡易な衝撃加速度試験では、ベースプレートに供試体を載せて、人がハンマーでベースプレートをたたいたり（ハンマリング）、振り子で重力を利用してベースプレートをたたいたり（振り子式）して、ベースプレートに対して衝撃加速度を与えることが行われている（非特許文献１など参照）。また、他の簡易な衝撃加速度試験として、供試体を落下させて衝突させること（落下式）も知られている。これらは、供試体に対して、剛体移動による衝撃加速度を加えるものであった。

波多、外５名，"50kg級超小型衛星の衝撃加速度試験に向けた基礎実験"，第５４回構造強度に関する講演会，平成２４年８月１日．

しかしながら、従来の簡易な衝撃加速度試験は、剛体運動による衝撃加速度を利用するものであった。これらは、ベースプレートを移動させたり供試体を落下させたりすることにより、剛体運動として移動する一方向によって衝撃加速度を加えるものであった。さらに、供試体に加えられる衝撃加速度は、ピーク加速度が数千Ｇ程度で、最大周波数が１０ｋＨｚ程度までとなり、比較的低い周波数であり、振幅は大きく、加速度は小さいものであった。比較的低い周波数等を対象とするため、人手や重力等を使用すれば足り、積極的に加速するための加速装置は通常使用されていない。むしろ、樹脂材等を使用して高い周波数による影響を抑制しようとしていた。その結果、例えば衛星が大型化したときには、出力が不足するものであった。さらに、剛体運動を利用するため、構造的な損耗を与える可能性が高かった。

そこで、本願発明は、衝撃加速度試験のために供試体に衝撃加速度を印加する場合に、剛体移動により印加するときよりも高い周波数の衝撃加速度を印加することが可能な衝撃印加装置等を提案することを目的とする。

本願発明の第１の観点は、衝撃加速度を印加して行われる衝撃加速度試験のために供試体に衝撃を加える衝撃印加装置であって、前記供試体に接するベース部と、前記ベース部の移動を阻害する移動阻害部と、前記供試体が接する部分とは異なる部分から前記ベース部と前記供試体が接する部分に向けて衝撃を加える衝撃印加部を備え、前記衝撃印加部が前記ベース部に衝撃を加えて生じた弾性波を前記供試体に及ぼすことにより前記供試体に衝撃を加えることを特徴とするものである。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の衝撃印加装置であって、前記ベース部における弾性波を計測する複数の検出部を備え、前記各検出部は、それぞれ、前記弾性波を異なる方向から同時に計測するものである。

本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の衝撃印加装置であって、前記衝撃印加部は、前記ベース部に衝撃を加える打撃部と、前記打撃部を加速させる加速部を備える。

本願発明の第４の観点は、衝撃加速度を印加して行われる衝撃加速度試験のために供試体に衝撃を加える衝撃印加方法であって、前記供試体に接するベース部は、移動阻害部により移動を阻害された状態であり、衝撃印加部が、前記供試体が接する部分とは異なる部分から前記ベース部と前記供試体が接する部分に向けて衝撃を加えて生じた弾性波を前記供試体に及ぼすことにより前記供試体に衝撃を加えるステップを含む。

本願発明によれば、ベース部が移動を阻害された状態であり、このベース部に衝撃を加えることによって生じた弾性波を供試体に及ぼすことにより、簡易な衝撃試験方法を実現することが可能になる。これは、移動を阻害された状態であるために剛体運動を利用しないものであり、新規な衝撃試験方法である。そして、本願発明によれば、材料中の弾性波を利用するため、ピーク加速度は数万Ｇで、最大周波数１００ｋＨｚの衝撃加速度を実現でき、比較的高い周波数で、振幅が小さく、加速度が大きな衝撃加速度を印加することができる。そのため、実際のロケット等の打ち上げで発生する衝撃をよりよく模擬することができる。さらに、剛体運動ではなく弾性波を利用するので、構造的な損耗を与える可能性を低減することができる。

発明者らは、剛体運動に代えて材料中の弾性波を利用しても、宇宙機器等の衝撃加速度試験に求められる衝撃加速度の印加が可能であることを見出し、ベース部の移動を阻害して弾性波を利用した衝撃加速度試験の実現に想到したものである。従来は、このような知見がなく、ベースプレート等の剛体移動による衝撃加速度を使用するしかなかった。さらに、発明者らは、ベース部の移動を阻害して弾性波を利用することにより、比較的高い周波数等を利用して実際の環境に近いとされる状況での簡易な衝撃加速度試験を実現させた。

さらに、本願発明によれば、材料中を球面状に伝播する弾性波を利用する。そのため、本願発明の第２の観点にあるように、例えばｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のように、弾性波を異なる方向で同時に計測することが可能になる。剛体運動は、一方向であったため、複数の軸で測定するためには、同じ回数の試験が必要であった。本願発明によれば、複数の軸での測定が一度に実現することが可能になる。

さらに、本願発明の第３の観点にあるように、比較的高い周波数等を対象とするため、加速部によって打撃部を積極的に加速してもよい。これにより、大型化した場合にも対応することができる。加速部は、例えば、バネや空気圧等を使用してもよい。なお、ベース部と打撃部は、金属製であってもよい。硬質材料（セラミックス等）によるものであってもよい。

なお、材料試験として、ホプキンソン棒試験が知られている。これは、金属棒の端から入力された応力波によるひずみ（材料の変形）を計測するものである。応力波は、棒中の境界面からの影響を受けない工夫がなされている。本願発明は衝撃加速度試験であり、応力波を境界面からの影響を受けた形である点で異なる。

また、コンクリートの損傷試験等では、弾性波が使用されている。これは、弾性波の伝播速度差によりコンクリート中の損傷を調べるためのものである。本願発明は、衝撃加速度を計測して構造の健全性を見るためのものであり、本質的に異なるものである。

本願発明の実施の形態の一例である衝撃加速度試験システムの概略ブロック図である。 本願発明を用いたＳＲＳの試験結果の一例を示すグラフである。 図１の加速度１５としてバネを使用した場合の具体例を示す図である。 図２の打撃装置で何も載せない状態の試験で計測された衝撃加速度を示すグラフである。 図２の打撃装置で小型衛星を載せた状態の試験で計測された衝撃加速度を示すグラフである。 図２の打撃装置で他の小型衛星を載せた状態の試験でて計測された衝撃加速度を示すグラフである。 図１の加速部１５としてガス銃を使用した場合の具体例を示す図である。 図７で用いられる飛翔体の一例を示す図である。 図７（ｂ）の試験において計測された衝撃加速度を示すグラフである。 ガス銃を用いた他の試験における衝撃加速度を示すグラフである。 図１０の試験においてアルミ板を使用したときに計測された衝撃加速度を示すグラフである。

以下では、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。なお、本願発明は、この実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態の一例である衝撃加速度試験システムの概略ブロック図である。衝撃加速度試験システム１は、供試体３（本願請求項の「供試体」の一例）と、ベースプレート５（本願請求項の「ベース部」の一例）と、移動阻害部７（本願請求項の「移動阻害部」の一例）と、衝撃印加部９（本願請求項の「衝撃印加部」の一例）と、第１検出部１１₁と、第２検出部１１₂と、第３検出部１１₃（第１検出部１１₁と第２検出部１１₂と第３検出部１１₃を併せて検出部１１という。本願請求項の「複数の検出部」の一例である。）を備える。衝撃印加部９は、打撃部１３（本願請求項の「打撃部」の一例）と、加速部１５（本願請求項の「加速部」の一例）を備える。

供試体３は、例えば宇宙機器等のように、衝撃加速度試験のために衝撃加速度が印加されるものである。ベースプレート５は、供試体３に接する。移動阻害部７は、例えばベースプレート５を固定して、ベースプレート５の移動を阻害する。衝撃印加部９は、ベースプレート５に対して衝撃加速度を印加する。

以下では、簡単のために、ベースプレート５は、平行な２つの面を有する板状部材とする。ベースプレート５の一方の面は、供試体３に接する。衝撃印加部９は、加速部１５により加速された打撃部１３によって他方の面から供試体３に向けて衝撃を加えることにより、供試体３に対して衝撃加速度を印加する。衝撃印加部９は、移動阻害部７がベースプレート５の移動を阻害していることから、剛体運動による衝撃加速度ではなく、ベースプレート５中の弾性波を利用して、供試体３に対して衝撃加速度を印加することとなる。剛体運動を利用していないため、構造的な損耗を与える可能性を低減させることができる。

さらに、ベースプレート５と打撃部１３は、金属製とすることにより、構造材を伝わる弾性波を容易に利用することができる。また、セラミックス等の硬質材料によるものであってもよい。

検出部１１は、ベースプレート５中の弾性波を検出するものである。第１検出部１１₁は、打撃部１３がベースプレートに対して衝撃を加えた方向について検出する。第２検出部１１₂は、打撃部１３がベースプレートに対して衝撃を加えた方向とは垂直な方向について検出する。第３検出部１１₃は、第１検出部１１₁及び第２検出部１１₂が検出する方向に垂直な方向について検出する。剛体運動を利用する場合には、移動する一方向のものを利用するため、このように複数の異なる方向を検出することができない。しかしながら、本願発明では、弾性波を利用するため、打撃点を中心として広がるように伝播することから、複数の異なる方向で同時に検出することが可能である。

図２は、本願発明を用いたＳＲＳの試験結果の一例を示す。横軸は周波数[Hz]であり、縦軸は、ＳＲＳ[m/s²]である。加速度の時間履歴からＳＲＳを計算することができる。（ａ）は、図３の打撃装置に小型衛星を載せて得られたものである。（ｂ）は、図７の一段式ガス銃を用いた装置により得られたものである。図２（ａ）において、線Ｌ₁₁は、フェアリング分離衝撃を示す。線Ｌ₁₂、Ｌ₁₃及びＬ₁₄は、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の計測結果を示す。図２（ｂ）において、線Ｌ₂₁は、フェアリング分離衝撃を示す。線Ｌ₂₂及びＬ₂₃は、それぞれ、Ｘ軸及びＹ軸の計測結果を示す。図３（ａ）及び（ｂ）にあるように、剛体運動を使用しなくとも、フェアリング分離衝撃として要求されるもの以上の衝撃を与えている。

図３は、図１の衝撃加速度試験システム１の一例を示す打撃装置を示す図である。（ａ）は、ベースプレート５と移動阻害部７と衝撃印加部９の具体的な例を示す。（ｂ）は、検査時の一例を示す。移動阻害部２３は、一方端がベースプレート２１に固定されており、衝撃印加部２５がベースプレート２１を打撃しても自重により動かない状態である。これにより、ベースプレート２１の移動を阻害する。なお、移動阻害部２３の他方端は、図３（ｂ）にあるように、板に固定してもよい。衝撃印加部２５は、バネを駆動力としてベースプレート２１に打撃を印加する。すなわち、衝撃印加部２５の下部を下げることによってバネを引き絞り、これを解放して上方に移動させることによって、衝撃印加部２５は、ベースプレート２１を打撃する。これによりクレーン等の大掛かりな装置は必要とならない。また、３つの計測点で同時に計測することが可能である。図３（ｂ）の計測点２７₁は、長辺で計測するためのものである。以下では、計測点２７₁で得られた計測結果をＸ軸の計測結果という。図３（ｂ）の計測点２７₂は、短辺で計測するためのものである。計測点２７₂で得られた計測結果をＹ軸の計測結果という。さらに、図３（ｂ）中では見えないものの、置かれている物体の後ろ側において面での計測点で計測することができる。以下では、この計測点で得られたものをＺ軸の計測結果という。

図４は、図３の打撃装置において、何も載置しない状態での衝撃加速度を計測したものである。横軸は、時間[msec]であり、縦軸は加速度[kG]である。最大加速度は、およそ３０ｋＧである。よって、数万Ｇもの比較的高い衝撃加速度を得ることができる。

図５は、図３の打撃装置で小型衛星を載せた場合の試験結果を示す。（ａ）はＸ軸、（ｂ）はＹ軸、（ｃ）はＺ軸である。横軸は時間[sec]、縦軸は衝撃加速度[G]である。最大２５ｋＧ程度が得られており、Ｚ軸が比較的大きい。また、図６は、図３の打撃装置で他の小型衛星を載せた場合の試験結果を示す。（ａ）はＸ軸、（ｂ）はＹ軸、（ｃ）はＺ軸である。横軸は時間[sec]、縦軸は衝撃加速度[G]である。最大２０ｋＧ程度が得られており、Ｚ軸が比較的大きい。

衝撃加速度を調整する方法としては、ベースプレートや打撃子（衝撃印加部がベースプレートに衝撃を加える部分）を調整したり、モーメンタムトラップ板等を使用したりすることが考えられる。ベースプレートの調整は、材質、サイズ、形状（穴や突起等）等により行うことができる。打撃子の調整は、材質、サイズ（打撃面積）、質量、打撃速度等により行うことができる。また、モーメンタムトラップ板は、ベースプレートの端面から衝撃で飛翔させることにより弾性波を低減させるためのものである。

図７は、加速部１５としてガス銃を使用した場合の具体例を示す図である。（ａ）では、Inner diameterが19.4mm、長さが1,100〜4,000mmであり、高圧タンクの容量は2.06×10^-2ｍ³である。（ｂ）は、実際の試験の一例を示す図である。図８は、飛翔体の一例を示す。（ａ）は、基本部であり、ポリエチレンで作られている。（ｂ）は、衝突部であり、ステンレス製である。（ｃ）は、基本部と衝突部を併せたものである。飛翔体の速度は、650m/s程度まで実現することが可能である。

図９は、図７（ｂ）により得られた衝撃加速度の検出結果を示す。横軸は時間[msec]であり、縦軸は加速度[kG]である。最大加速度は、およそ４０ｋＧとなっている。

図１０は、ガス銃を用いた他の試験結果を示す。横軸は時間[sec]、縦軸は衝撃加速度[G]である。これは、ＥＭに対する試験結果である。このときは、最大加速度が１００ｋＧ程度となり、衝撃（減衰）時間が長くなった。そのため、図１１は、ＦＭに対する試験結果を示す。図１０と比較して、飛翔体条件は同じであり、衝突部にアルミ板（3mm）を１枚追加した。これは、ベースプレートの端面から動かずに打撃子を受け止め、変形や材料差等を利用してベースプレートに衝撃を加える調整板である。アルミ板を使用することにより、最大加速度が８０ｋＧ程度となり、衝撃（減衰）時間が短くなった。

なお、本願発明において、加速部として、例えばオートポンチ（穴あけ加工のためにポンチを自動的にたたくためのもの）やタッカー（木工作業のために針を拘束で打ち出すもの）のように、従来ある機器を応用してもよい。

本願発明は、宇宙機器等の衝撃加速度試験に限定されるものではない。金属や硬質材質のものが高速に衝突することによる衝撃現象が発生する製品であれば応用可能である。

１ 衝撃加速度試験システム、３ 供試体、５ ベースプレート、７ 移動阻害部、９ 衝撃印加部、１１ 検出部、１３ 打撃部、１５ 加速部、２１ ベースプレート、２３ 移動阻害部、２５ 衝撃印加部、２７ 検出点

Claims (4)

1. 衝撃加速度を印加して行われる衝撃加速度試験のために供試体に衝撃を加える衝撃印加装置であって、
   前記供試体に接するベース部と、
   前記ベース部の移動を阻害する移動阻害部と、
   前記供試体が接する部分とは異なる部分から前記ベース部と前記供試体が接する部分に向けて衝撃を加える衝撃印加部を備え、
   前記移動阻害部は、前記ベース部を、前記衝撃印加部が前記ベース部に衝撃を加えて生じた弾性波が、前記衝撃を加えた点を中心に広がるように固定し、
   前記衝撃印加部が前記ベース部に衝撃を加えて生じた弾性波を前記衝撃を加えた点を中心に広がるように前記供試体に及ぼすことにより前記供試体に衝撃を加えることを特徴とする衝撃印加装置。
2. 前記ベース部における弾性波を計測する複数の検出部を備え、
   前記各検出部は、それぞれ、前記衝撃を加えた点を中心に広がった前記弾性波を異なる方向から同時に計測する、請求項１記載の衝撃印加装置。
3. 前記衝撃印加部は、
   前記ベース部に衝撃を加える打撃部と、
   前記打撃部を加速させる加速部を備える、請求項１又は２に記載の衝撃印加装置。
4. 衝撃加速度を印加して行われる衝撃加速度試験のために供試体に衝撃を加える衝撃印加方法であって、
   前記供試体に接するベース部は、移動阻害部により移動を阻害された状態であって、
   前記移動阻害部は、前記ベース部を、衝撃印加部が前記ベース部に衝撃を加えて生じた弾性波が、前記衝撃を加えた点を中心に広がるように固定し、
   前記衝撃印加部が、前記供試体が接する部分とは異なる部分から前記ベース部と前記供試体が接する部分に向けて衝撃を加えて生じた弾性波を前記衝撃を加えた点を中心に広がるように前記供試体に及ぼすことにより前記供試体に衝撃を加えるステップを含む衝撃印加方法。