JP6620780B2 - 動的圧壊試験装置および動的圧壊試験方法 - Google Patents

Description

この発明は、試験体に衝撃を加えた際の衝撃荷重を測定する動的圧壊試験装置および動的圧壊試験方法に関する。

自動車に求められる重要な性能の１つとして、衝突性能がある。自動車メーカーでは試作車による衝突試験を実施し、衝突安全性能を評価するが、一方で車体開発の開発期間、コスト低減に対する要求も大きく、試作、評価試験の回数を削減することも望まれている。開発期間短縮のために、コンピュータ上でのシミュレーションが広く行われており、ＣＡＥ解析の役割は年々重要となってきており、解析精度の向上も強く求められている。自動車部品の高速変形時の変形挙動を精度よく解析するためには、材料を高精度にモデル化する必要があり、材料評価試験の高精度化は重要と言える。

材料の動的圧壊性能を評価する試験方法として、代表的なものに落錘方式と油圧制御方式がある。しかしながら、静的な圧壊試験と比べて、動的な、つまり高速の圧壊試験では弾性応力波（衝撃弾性波）が発生するとともに往復伝播することで応力が振動してしまうため、測定データの正確性に欠けてしまうという問題がある。

従来からこの課題に対して、弾性応力波を十分に長い応力棒に伝播させて、互いに干渉なく独立に計測するバー方式での試験方法が提案されており、スプリットホプキンソンバー法やワンバー法が挙げられる。スプリットホプキンソンバー法は、図９（ａ）に示すように、２本の長い入力棒と出力棒の間に試験体を配置し、一端から衝撃を与える方法であるが、応力棒が長くなると、試験機長が増大し、応力棒の軸調整に時間を要するとともに広い設置スペースを必要とする。そこで軸調整の時間や設置スペースの課題に対し、特許文献１に開示されるように、入力棒の代わりに長さの短い衝撃ブロックを用いたワンバー法が開発された。しかし、図９（ｂ）に示すように、ワンバー法を用いて圧壊試験を行う場合には、出力棒からみて衝撃ブロックの先方にインパクターを配置し、インパクターを出力棒側へ加速させて衝撃ブロックに衝撃を与える必要があり、インパクターの加速距離を確保しようとすると設置スペースの優位性が失われてしまう。

特開２００４−４０３２号公報

この発明は、上記従来の問題点を解消し、コンパクトでかつ簡便に動的圧壊試験を行うことができる装置および方法を提案することを目的とする。

この発明は、試験体に衝撃を加えた際の衝撃荷重を測定する動的圧壊試験装置であって、上記目的を達成するため、荷重検出部を有する出力棒と、前記出力棒の先端に固定され、前記試験体を支持する支持部材と、前記試験体に衝撃負荷を与えるインパクターと、を備え、前記支持部材は、衝撃入力方向で前記試験体の前方側の端部を支持する支持端部と、衝撃入力方向で前記試験体の後方側に位置し前記出力棒の先端に固定される固定端部と、前記支持端部および前記固定端部間をつなぐ連結部を有している。

なお、この発明の動的圧壊試験装置にあっては、連結部は、互いに対向しその間に前記試験体を収容するとともに露出させる開口部を形成する対向壁からなることが好ましい。

また、この発明の動的圧壊試験装置にあっては、衝撃入力方向で前記試験体の後方側の端部に固定されるとともに前記開口部から突出し、前記インパクターからの衝撃負荷を受ける衝撃ブロックをさらに備えることが好ましい。

この発明は、この発明の動的圧壊試験装置を用いて、試験体に衝撃を加えた際の衝撃荷重を測定する動的圧壊試験方法であって、上記目的を達成するため、前記インパクターで前記試験体に衝撃負荷を与え、該試験体の前方側の端部に到達した弾性応力波を前記支持部材によって衝撃入力方向と逆方向に伝播させるとともに出力棒に入力させ、出力棒の弾性変形を前記荷重検出部で検出することにより衝撃荷重を測定するものである。

なお、この発明の動的圧壊試験方法にあっては、前記インパクターまたは衝撃ブロックにターゲットマークを配置し、前記試験体に衝撃を加えた際のターゲットマークの変位を高速度カメラによって撮像し、試験体の荷重―変位曲線を求めることが好ましい。

また、この発明の動的圧壊試験方法にあっては、前記試験体の表面に、規則的に配列されたグリッドパターンを形成し、前記試験体を高速度カメラで撮像した画像から前記グリッドパターンの３次元位置を演算して前記試験体の３次元形状の変化を測定することが好ましい。

この発明の動的圧壊試験装置および動的圧壊試験方法によれば、試験体で発生する弾性応力波を支持部材を介して衝撃入力方向とは逆方向に反転させて出力棒に入力させるようにしたので、試験体に衝撃負荷を与えるインパクターを出力棒とオーバーラップして配置することができ、インパクターのための十分な加速距離を確保しつつその構造をコンパクトにすることができる。

この発明の一実施形態の動的圧壊試験装置の概略側面図である。 図１の動的圧壊試験装置における支持部材を示す斜視図である。 試験体アセンブリの斜視図である。 各々図１の動的圧壊試験装置の平面図であり、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）はインパクターが衝撃ブロックに衝突した状態を示し、（ｃ）は試験体が圧壊された状態を示している。 各々図１の動的圧壊試験装置の側面図であり、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）はインパクターが衝撃ブロックに衝突した状態を示し、（ｃ）は試験体が圧壊された状態を示している。 この発明の実施例の動的圧壊試験方法に用いた試験体を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は正面図である。 この発明の実施例の動的圧壊試験方法で測定した荷重―変位曲線（実線）と、油圧制御方式の高速衝撃試験機を用いて測定した荷重―変位曲線（破線）である。 試験体の３次元形状の変化を測定した結果を示す図である。 （ａ）はスプリットホプキンソンバー法を説明する概略図であり、（ｂ）はワンバー法を説明する概略図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここで図１は、この発明の一実施形態の動的圧壊試験装置の概略側面図であり、図２は、図１の動的圧壊試験装置における支持部材を示す斜視図であり、図３は試験体アセンブリの斜視図である。

図１に示すように、動的圧壊試験装置１０は、基本的にはワンバー法に従うものであり、主として出力棒１２と、支持部材１４と、衝撃ブロック１６と、固定ブロック１８と、インパクター２０とを備えている。

出力棒１２は、金属製、例えば鋼製の中実円柱体であり、基端において動的圧壊試験装置１０のフレーム等に固定されている。出力棒１２には、衝撃時に試験体Ｔで発生した弾性応力波が先端から入力される。弾性応力波は出力棒１２を伝播し、基端において反射される。出力棒１２の表面には、出力棒１２の、弾性応力波の伝播に伴う弾性変形を荷重（応力）として検出する、荷重検出部としてのひずみゲージ２２が貼り付けられている。出力棒１２の長さは、試験体Ｔの圧壊が終わる前に、出力棒１２の基端で反射した弾性応力波が再びひずみゲージ２２に到達しないよう十分な長さを有している。これによって、出力棒１２における弾性応力波の反射の影響をなくすことが可能となる。また、ひずみゲージ２２は、衝撃による弾性応力波が発生する場所からできるだけ近くに配置されることが好ましい。このため、ひずみゲージ２２は、出力棒１２の先端に隣接して配置されている。

支持部材１４は、金属製、例えば鋼製であり、図１および図２に示すように、衝撃入力方向で試験体Ｔの前方側の端部を固定ブロック１８を介して支持する支持端部１４ａと、衝撃入力方向で試験体Ｔの後方側に位置し出力棒１２の先端に固定される固定端部１４ｂと、支持端部１４ａおよび固定端部１４ｂ間をつなぐ連結部１４ｃとを有している。固定端部１４ｂには孔２３が形成されており、この孔２３にネジを挿通させることで固定端部１４ｂを出力棒１２の先端に着脱可能に固定することができる。しかし、固定端部１４ｂは、出力棒１２の先端に溶接等で着脱不能に固定されてもよい。支持端部１４ａにも孔２４が形成されており、この孔２４にネジを挿通させることで固定ブロック１８を支持部材１４に着脱可能に取り付けることができる。

連結部１４ｃは、互いに上下方向で対向しその間に試験体アセンブリＴＡ（図３参照）を収容する開口部Ｏを形成する一対の対向壁１４ｃ１，１４ｃ２からなる。一対の対向壁１４ｃ１，１４ｃ２間に配置された試験体アセンブリＴＡは、開口部Ｏから露出している。これにより、衝撃ブロック１６の位置および試験体Ｔの変形の様子を高速度カメラ等で側方から撮像することができる。各対向壁１４ｃ１，１４ｃ２は支持端部１４ａから衝撃入力方向とは反対方向へ試験体アセンブリＴＡを越える位置まで延出して固定端部１４ｂにつながっている。

図１に示すように、インパクター２０はスプリングやゴム等の図示しない動力発生手段により加速されて衝撃ブロック１６に衝突することで試験体Ｔに衝撃負荷を与えるものである。インパクター２０は、側面視で出力棒１２とオーバーラップするよう配置されており、出力棒１２の側方に敷設されたガイドレール２６にガイドされて衝撃ブロック１６に衝突する。インパクター２０は、衝撃ブロック１６に衝突した後も前方に配置された衝撃吸収部材２８に当接するまで走行し、試験体Ｔを圧壊させる。

このように、実施形態の動的圧壊試験装置よれば、試験体に衝撃負荷を与えるインパクター２０を出力棒１２とオーバーラップして配置することができるので、インパクター２０のための十分な加速距離を確保しつつその構造をコンパクトにすることができる。

次に、上記動的圧壊試験装置１０を用い、試験体Ｔに衝撃を加えた際の衝撃荷重を測定する、この発明の一実施形態の動的圧壊試験方法について説明する。

実施形態の動的圧壊試験方法は、基本的にはワンバー法に従うものであり、インパクター２０によって試験体Ｔに衝撃負荷を与え、試験体Ｔに発生した弾性応力波を支持部材１４によって衝撃入力方向とは逆方向に反転させた上で出力棒１２に入力させることで出力棒１２を弾性変形させ、該弾性変形を荷重検出部としてのひずみゲージ２２により荷重（応力）として測定するものである。以下、詳細に説明する。

まず、図３に示すように、衝撃ブロック１６、固定ブロック１８および試験体Ｔは溶接等で互いに接合し、試験体アセンブリＴＡとしておく。ここで、インパクター２０および衝撃ブロック１６の少なくとも一方にはターゲットマークを形成しておく。図示例では、衝撃ブロック１６の、支持部材１４の開口部Ｏから露出する面にドット状のターゲットマーク３０が形成されている。ターゲットマーク３０は少なくとも１つあればよい。さらに、試験体Ｔの、支持部材１４の開口部Ｏから露出する面にも規則的な格子状に配置された複数のドットからなるグリッドパターン３２を形成しておく。

次に、試験体アセンブリＴＡを支持部材１４にネジ等で固定するとともに、この支持部材１４を出力棒１２の先端にネジ等で固定する。この初期状態を図４（ａ）および図５（ａ）に示す。衝撃ブロック１６のターゲットマーク３０が形成された面および試験体Ｔのグリッドパターン３２が形成された面に対向する位置には、これらの面を撮像可能な高速度カメラ（好ましくはステレオカメラ）３４を配置しておく。

そして、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように、インパクター２０をスプリングやゴム等の張力によって衝撃入力方向に加速させ、衝撃ブロック１６に衝突させる。衝撃ブロック１６は、図４（ｃ）および図５（ｃ）に示すように衝撃入力方向へさらに移動し、試験体Ｔは衝撃ブロック１６の変位に伴って塑性変形し（圧壊され）、このときの衝撃荷重（応力）に応じた弾性応力波が発生する。

試験体Ｔで発生した弾性応力波は、固定ブロック１８を透過して支持部材１４の支持端部１４ａに到達した後、一対の対向壁１４ｃ１，１４ｃ２からなる連結部１４ｃを介して衝撃入力方向とは反対方向へ反転され、固定端部１４ｂを通って出力棒１２の先端に入力されるとともに基端側へ伝播しながら出力棒１２を弾性変形させる。荷重検出部としてのひずみゲージ２２は、この弾性変形（ひずみ）に基づいて荷重（応力）を測定する。

また、実施形態の動的圧壊試験方法では、ターゲットマーク３０が形成された衝撃ブロック１６にインパクター２０を衝突させる際の様子を高速度カメラ３４により撮像する。高速度カメラ３４で撮像されたターゲットマーク３０の画像の出力信号は通常のコンピュータからなる画像処理手段に入力されるようになっている。画像処理手段は、高速度カメラ３４から取得したターゲットマーク３０の撮像画像情報に基づいて衝撃ブロック１６の時々刻々と変化する位置（変位）を求める。これにより、出力棒１２のひずみゲージ２２で測定した荷重と衝撃ブロック１６の変位との関係から試験体Ｔの荷重−変位曲線を求めることが可能となる。

さらに、実施形態の動的圧壊試験方法では、試験体Ｔに衝撃を与えて圧壊する際の様子も上記高速度カメラ３４で撮影する。高速度カメラ３４で撮像されたグリッドパターン３２の画像の出力信号は画像処理手段に入力される。画像処理手段によって、高速度カメラ３４から取得したグリッドパターン３２の撮像画像情報に基づいて試験体Ｔの３次元形状の変化が測定される。

次に、本発明の実施例を説明する。引張強度２７０ＭＰａ、板厚０．７ｍｍの鋼材から、図６に示すように略ハット形状のフレームを形成するとともに、フレームのフランジ部に同じ材質、板厚のパネルを溶接して閉断面形状を有する試験体とし、さらに、この試験体に衝撃ブロックおよび固定ブロックを溶接により固定して試験体アセンブリを製作した。この試験体アセンブリを図１に示す動的圧壊試験装置に組み付け、インパクターで衝撃ブロックに衝撃を負荷することにより試験体を圧壊し、そのときの衝撃荷重をひずみゲージで測定した。また、衝撃ブロックの側面にターゲットマークを貼り付けるとともに、試験体の側面に、複数のドットが規則的に印刷されたグリッドパターンを貼り付けて、ステレオタイプの高速度カメラでこれらのターゲットマークおよびグリッドパターンの画像を記録し、衝撃ブロックの変位および試験体の３次元形状の変化を測定した。なお、出力棒は、直径３０ｍｍ、有効長５ｍの鋼製とし、ひずみゲージの位置は出力棒の先端から３００ｍｍとした。また、支持部材は、出力棒と同様のヤング率をもつ鋼製とし、その各寸法は高さ１００ｍｍ、長さ２３０ｍｍ、厚み５ｍｍとした。

図７は実施例の動的圧壊試験方法により得られた試験体の荷重―変位曲線（実線）である。油圧制御方式の高速衝撃試験機による同じ試験体についての試験結果（荷重―変位曲線）も併せて破線で示した。この図によると、実線で示した実施例の動的圧壊試験方法では、油圧制御方式の高速衝撃試験機で測定した場合よりも振幅の小さな荷重―変位曲線が得られており、弾性応力波の反射の影響が小さいことが確認された。

また、図８は、試験体に形成したグリッドパターンの画像を高速度カメラでの撮像し、その画像に基づき試験体の３次元形状の変化の大きさを算出した結果であり、図中、青色で示す領域は変形が小さく、赤色で示す領域は変形が大きいことを示している。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は、上述の例に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものである。例えば、上記実施形態の動的圧壊試験装置および方法は、断面ハット形状の試験体に適用されているが、試験体はこれに限定されず種々の形状、材質、大きさとすることができる。また、試験体に形成するグリッドパターンは、マグネットシートやフィルムの表面に印刷して試験体の表面に貼りつけてもよいが、試験体に直接印刷してもよい。

この発明により、コンパクトでかつ簡便に動的圧壊試験を行うことができる装置および方法が提案される。

１０ 動的圧壊試験装置
１２ 出力棒
１４ 支持部材
１４ａ 支持端部
１４ｂ 固定端部
１４ｃ 連結部
１４ｃ１，１４ｃ２ 対向壁
１６ 衝撃ブロック
１８ 固定ブロック
２０ インパクター
２２ ひずみゲージ
２３，２４ 孔
２６ ガイドレール
２８ 衝撃吸収部材
３０ ターゲットマーク
３２ グリッドパターン
３４ 高速度カメラ

Claims (6)

1. 試験体に衝撃を加えた際の衝撃荷重を測定する動的圧壊試験装置であって、
   荷重検出部を有する出力棒と、
   前記出力棒の先端に固定され、前記試験体を支持する支持部材と、
   前記試験体に衝撃負荷を与えるインパクターと、を備え、
   前記支持部材は、衝撃入力方向で前記試験体の前方側の端部を支持する支持端部と、衝撃入力方向で前記試験体の後方側に位置し前記出力棒の先端に固定される固定端部と、前記支持端部および前記固定端部間をつなぐ連結部を有することを特徴とする動的圧壊試験装置。
2. 連結部は、互いに対向しその間に前記試験体を収容するとともに露出させる開口部を形成する対向壁からなることを特徴とする、請求項１に記載の動的圧壊試験装置。
3. 衝撃入力方向で前記試験体の後方側の端部に固定されるとともに前記開口部から突出し、前記インパクターからの衝撃負荷を受ける衝撃ブロックをさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の動的圧壊試験装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の動的圧壊試験装置を用いて、試験体に衝撃を加えた際の衝撃荷重を測定する動的圧壊試験方法であって、
   前記インパクターで前記試験体に衝撃負荷を与え、該試験体の前方側の端部に到達した弾性応力波を前記支持部材によって衝撃入力方向と逆方向に伝播させるとともに出力棒に入力させ、出力棒の弾性変形を前記荷重検出部で検出することにより衝撃荷重を測定することを特徴とする動的圧壊試験方法。
5. 前記インパクターまたは衝撃ブロックにターゲットマークを配置し、前記試験体に衝撃を加えた際のターゲットマークの変位を高速度カメラによって撮像し、試験体の荷重―変位曲線を求めることを特徴とする、請求項４に記載の動的圧壊試験方法。
6. 前記試験体の表面に、規則的に配列されたグリッドパターンを形成し、前記試験体を高速度カメラで撮像した画像から前記グリッドパターンの３次元位置を演算して前記試験体の３次元形状の変化を測定することを特徴とする、請求項４または５に記載の動的圧壊試験方法。