JP6930240B2 - 衝撃試験の評価方法および衝撃試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片に急速に衝撃を与えたときの試験力を力検出器で検出する衝撃試験の評価方法および衝撃試験機に関する。

材料の動的強度を評価するための衝撃試験には、規定された速度の引張衝撃によって試験片が破断するときのエネルギーを測定する引張衝撃試験（ＪＩＳＫ７１６０「プラスチック−引張衝撃強さの試験方法」）や、試験片表面に垂直にストライカを衝突させて衝撃力−変位線図を得るパンクチャー衝撃試験（ＪＩＳＫ７２１１−２「プラスチック−硬質プラスチックのパンクチャー衝撃試験方法」）などがある。衝撃試験機で引張衝撃試験を実行するときには、上下つかみ具で試験片の両端を把持し、上つかみ具を油圧シリンダで高速駆動して試験片を引張り、試験片破断時の衝撃力をロードセルで検出する（特許文献１参照）。また、衝撃試験機でパンクチャー衝撃試験などの打ち抜き試験を実行するときには、油圧シリンダによりポンチを高速で試験片に衝突させて破壊し、そのときの衝突試験力を検出器により検出する（特許文献２参照）。

特開２００４−３３３２２１ 特開２００４−３３３１４３

上述したように、油圧シリンダで上つかみ具やポンチなどの試験治具を高速移動させて試験片に衝撃を与える試験では、試験片が破断したときに発生する振動やポンチが試験片に衝突したときに発生する振動が、試験機全体に及ぶことがある。また、衝撃試験では、衝撃試験機の固有振動によるノイズが試験力波形に加わることが散見される。

衝撃試験機の固有振動数を知ることは、正確な試験力値を知るために重要である。このような衝撃試験機の固有振動数を得る方法としては、例えば、力検出器に試験治具を接続し、試験治具をハンマーなどで打撃することによって生じさせた振動波形データを取得し、その波形の周波数スペクトル解析を行うことが考えられる。しかしながら、このような方法を採用する場合には、ハンマーなどの打撃物を用意し、試験機を動作させて行う通常の試験データの収集とは別に、振動波形データ収集のための、加速度センサー、オシロスコープ、データロガーなどを衝撃試験機に追加する必要がある。また、このような機器を追加するに際しては、正確な振動波形データを得るために、ユーザに、各機器の正しい接続と操作が求められ、準備が煩雑で時間がかかるという問題が生じる。

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、試験機の固有振動数測定のための特別な機器を追加することなく、簡易かつ正確に、試験機の固有振動数を得て、固有振動に由来する振動の影響を低減することが可能な衝撃試験の評価方法および衝撃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、試験片に急速に衝撃を与える衝撃試験の評価方法であって、衝撃試験の実行により力検出器が検出した時系列データから、試験機の固有振動数を求めるためのデータ区間を抽出するデータ抽出工程と、前記データ抽出工程において抽出したデータに対して周波数スペクトル解析を実行する解析工程と、前記解析工程において得られた周波数スペクトルから定めた固有振動数とサンプリング周波数を用いて、前記時系列データから試験機の固有振動を除去する振動波形除去工程と、を含む。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の衝撃試験の評価方法において、前記振動波形除去工程は、前記サンプリング周波数を前記周波数スペクトルから定めた固有振動数で除することにより定めたデータ点数での移動平均処理を前記力検出器が検出した時系列データに対して実行する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の衝撃試験の評価方法において、前記振動波形除去工程は、前記周波数スペクトルの最も大きいピークとなる周波数を固有振動数とし、前記サンプリング周波数を前記固有振動数で除することにより定めたデータ点数での移動平均処理を前記力検出器が検出した時系列データに対して実行する。

請求項４に記載の発明は、試験片に急速に衝撃を与える衝撃試験機であって、前記試験片に試験力を与える負荷機構と、前記試験片に与えられた試験力を検出する力検出器と、前記力検出器が検出した時系列データを記憶する記憶部を備えた制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記記憶部に記憶された時系列データから、試験機の固有振動数を求めるためのデータ区間を抽出するデータ抽出部と、前記抽出部において抽出したデータに対して、周波数スペクトル解析を実行する解析部と、前記解析部において得られた周波数スペクトルから定めた固有振動数とサンプリング周波数を用いて、前記時系列データから試験機の固有振動を除去する振動波形除去部と、を備える。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、衝撃試験を実行したときに力検出器が検出する試験力データから、試験機の固有振動数を知ることが可能となる。このように、この発明においては、試験機の固有振動数測定のための特別な機器を追加する必要がないため、追加機器を接続する煩雑な作業を行わなくてよく、試験機が追加機器により高額化することがない。

また、請求項１から請求項４に記載の発明によれば、衝撃試験の実行により試験機が検出した時系列データから、試験機の固有振動を除去できることから、試験力波形に加わっている衝撃試験機の固有振動によるノイズが取り除かれた正確な試験力値を知ることが可能となる。

この発明に係る衝撃試験機の概要図である。 この発明に係る衝撃試験機の主要な制御系を説明するブロック図である。 固有振動の測定手順を示すフローチャートである。 試験力の時系列データの一例を示すグラフである。 図４のグラフにおける試験片ＴＰの破断前後の波形を拡大して示すグラフである。 固有振動数の解析手順を示すフローチャートである。 試験力の時系列データの一例を示すグラフである。 試験片ＴＰが破断した後の時系列データを示すグラフである。 図８に示す時系列データの周波数スペクトル解析結果を示すグラフである。 時系列データから固有振動数を除去する手順を示すフローチャートである。 試験片ＴＰの破断前の時系列データを示すグラフである。 図１１の時系列データから固有振動数を除去したデータを示すグラフである。

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、この発明に係る衝撃試験機の概要図である。図２は、この発明に係る衝撃試験機の主要な制御系を説明するブロック図である。

この衝撃試験機は、試験片ＴＰに急速に衝撃を与える衝撃試験を実行するものであり、試験機本体１０と、制御装置４０を備える。試験機本体１０は、テーブル１１と、テーブル１１に立設された一対の支柱１２と、一対の支柱１２に架け渡されたクロスヨーク１３と、クロスヨーク１３に固定された油圧シリンダ３１を備える。

油圧シリンダ３１は、サーボバルブ３４を介してテーブル内に配置された油圧源（図示せず）から供給される作動油によって動作する。油圧シリンダ３１のピストンロッド３２には、助走治具２５およびジョイント２６を介して上つかみ具２１が接続されている。一方で、テーブル１１には、力検出器であるロードセル２７を介して、下つかみ具２２が接続されている。このように、この試験機本体１０の構成は、助走治具２５により引張方向に助走区間を設け、ピストンロッド３２を０．１〜２０ｍ／秒の高速で引き上げることにより、試験片ＴＰの両端部を把持する一対のつかみ具を急激に離間させる引張衝撃試験を実行するための構成となっている。引張衝撃試験を実行したときの負荷機構の変位（ストローク）、すなわち、ピストンロッド３２の移動量は、ストロークセンサ３３により検出され、その時の試験力はロードセル２７により検出される。

制御装置４０は、試験機本体１０の動作を制御するための本体制御装置４１と、パーソナルコンピュータ４２とから構成される。本体制御装置４１は、プログラムを格納するメモリ４３と、各種演算を実行するＭＰＵ（ｍｉｃｒｏ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）などの演算装置４５と、パーソナルコンピュータ４２との通信を行う通信部４６とを備える。メモリ４３、演算装置４５および通信部４６は、相互にバス６１により接続されている。また、本体制御装置４１は、機能的構成として試験制御部４４を備える。試験制御部４４は、試験制御プログラムとしてメモリ４３に格納されている。引張衝撃試験を実行するときには、試験制御プログラムを実行することにより、サーボバルブ３４に制御信号が供給され、油圧シリンダ３１が動作する。ストロークセンサ３３の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは所定時間間隔で本体制御装置４１に取り込まれる。

パーソナルコンピュータ４２は、データ解析プログラムを記憶するＲＯＭ、プロクラム実行時にプログラムをロードして一時的にデータを記憶するＲＡＭなどから成るメモリ５１、各種演算を実行するＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）などの演算装置５５、本体制御装置４１などの外部接続機器との通信を行う通信部５６、データを記憶する記憶装置５７、表示装置５８および入力装置５９を備える。なお、記憶装置５７は、衝撃試験の試験力の時系列データなどを記憶する記憶部であり、ＨＤＤ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｄｒｉｖｅ）などの大容量記憶装置から構成される。メモリ５１、演算装置５５、通信部５６、記憶装置５７、表示装置５８および入力装置５９は相互にバス７１により接続されている。

また、パーソナルコンピュータ４２は、機能的構成として、後述する固有振動の解析において、試験力の時系列データから試験機の固有振動数を求めるためのデータ区間を抽出するデータ抽出部５２と、抽出されたデータ区間に対して周波数スペクトル解析を実行する解析部５３と、試験機の固有振動波形を試験力データから除去する振動波形除去部５４を備える。データ抽出部５２、解析部５３、振動波形除去部５４は、それぞれデータ抽出プログラム、解析プログラム、振動波形除去プログラムとしてメモリ５１に格納されている。これらのプログラムは、演算装置５５の作用により実行される。

引張衝撃試験を実行したときにロードセル２７が検出した試験力は、本体制御装置４１のメモリ４３に入力された後、通信部４６からパーソナルコンピュータ４２に送信される。パーソナルコンピュータ４２の通信部５６が受信した試験力は、時系列データとして記憶装置５７に記憶される。

図３は、固有振動の測定手順を示すフローチャートである。このフローチャートでは、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＳ（ポリスチレン）などの合成樹脂片を試験片ＴＰとした引張衝撃試験での固有振動の測定手順を示している。

試験機本体１０に引張衝撃試験用の治具である上つかみ具２１と下つかみ具２２が取り付けられ、下つかみ具がロードセル２７に緩みなく固定されていることが確認されている状態で、まず、試験条件を設定する（ステップＳ１１）。ユーザは、パーソナルコンピュータ４２の入力装置５９を用いて試験速度などの試験条件を設定する。そして、試験片ＴＰの両端部を上つかみ具２１と下つかみ具２２に把持させる（ステップＳ１２）。

次に、データ収集条件を設定する（ステップＳ１３）。ユーザは、パーソナルコンピュータ４２の入力装置５９を用いて、データ収集開始時刻−終了時刻、サンプリング周波数、取得データ点数（サンプリング点数）などのデータ収集条件を設定する。試験中に試験機本体１０に生じた固有振動は、試験片ＴＰを介してロードセル２７にかかっていた負荷が破断により除かれたときに顕著となる振動を観測することにより取得可能である。また、試験負荷を与えない状態で、試験治具（この実施形態では下つかみ具２２）の重さを受けている状態の試験力も知る必要がある。したがって、データ収集開始時刻−終了時刻の設定においては、試験片ＴＰに引張負荷が加えられる前からデータを取得し、かつ、後述するスペクトル解析に供するに十分なデータ点数（例えば、試験片ＴＰが破断した後のデータ点数が１０００点以上となるデータ点数）が得られるように、設定することが好ましい。サンプリング周波数およびサンプリング点数の設定においては、下記式（１）を利用して、周波数分解能が５００Ｈｚ以下となる値を設定することが好ましい。

Δｆ＝１／Ｔ＝Ｆｓ／Ｎ ・・・ （１）
なお、式（１）において、Δｆは周波数分解能、Ｔは時間窓長、Ｆｓはサンプリング周波数、Ｎはサンプリング点数である。

データ収集条件の設定が終わると、試験を実行する（ステップＳ１４）。データ収集条件で設定したデータ収集開始時刻から終了時刻までの間にロードセル２７が検出した試験力は、本体制御装置４１を介してパーソナルコンピュータ４２に送られ記憶装置５７に保存され、測定は終了する（ステップＳ１５）。

図４は、試験力の時系列データの一例を示すグラフである。図５は、図４のグラフにおける試験片ＴＰの破断前後の波形を拡大して示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は試験力（ｋＮ：キロニュートン）であり、横軸は、時間（μｓ：マイクロ秒）である。

試験実行により得られた試験力の時系列データに対して、後述するスペクトル解析に供するに十分なデータ点数があるか否かについては、式（１）を用いて確認することができる。図４のグラフに示す試験力の時系列データでは、図５に拡大して示すように、破断により１５０００マイクロ秒付近で試験力波形の振幅が大きくなる。破断後のデータの起点は、例えば、図５に示すように、振動波形が１周期半した時刻Ｔ１とすることができる。なお、後述するスペクトル解析に供するに十分なデータ点数が取得できなかった場合には、試験片ＴＰを交換し（ステップＳ１２）、データ収集条件の設定を変更し（ステップＳ１３）、再度試験を実行する（ステップ１４）。

図６は、固有振動数の解析手順を示すフローチャートである。図７は、試験力の時系列データの一例を示すグラフである。図８は、試験片ＴＰが破断した後の時系列データを示すグラフである。図７、図８のグラフにおいて、縦軸は試験力（ｋＮ：キロニュートン）であり、横軸は、時間（μｓ：マイクロ秒）である。

固有振動の解析では、まず、図３に示した測定手順に従って取得した試験力の時系列データを記憶装置５７から読み出し、試験片ＴＰから試験力が除かれる前後で時系列データを分離する（ステップＳ２１）。図７に示すグラフは、試験速度５ｍ／ｓの条件で引張衝撃試験を実行し、サンプリング周波数１０００ｋＨｚで取得した試験力データである。引張衝撃試験においては、時系列データを試験片ＴＰの破断前と破断後に分離する。この試験力の時系列データの分離においては、図５を参照して説明したように、時刻Ｔ１を定め、時刻Ｔ１の前後でデータを分離する。そして、図７に破線で示すように時刻Ｔ１（２４４０マイクロ秒）以降のデータを、試験機の固有振動数を求めるためのデータ区間として抽出する（ステップＳ２２：データ抽出工程）。しかる後、ステップＳ２２において抽出した図８に示す試験片ＴＰが破断した後の時系列データに対して、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）による周波数スペクトル解析を実行する（ステップＳ２３：解析工程）。

図９は、図８に示す時系列データの周波数スペクトル解析結果を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は周波数（Ｈｚ：ヘルツ）であり、縦軸は周波数分解能Δｆ毎のパワーを示す。

周波数スペクトル解析の結果は、表示装置５８に表示されるとともに、記憶装置５７に記憶される。図９に示すパワースペクトルでは、最もピークが大きい周波数１３．８ｋＨを固有振動数とする（ステップＳ２４）。

図１０は、時系列データから固有振動数を除去する手順を示すフローチャートである。図１１は、試験片ＴＰの破断前の時系列データを示すグラフであり、図１２は、図１１の時系列データから固有振動数を除去したデータを示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は試験力（ｋＮ：キロニュートン）であり、横軸は、時間（μｓ：マイクロ秒）である。

試験機本体１０の固有振動数がわかれば、試験実行により取得した時系列データから、固有振動数を用いて固有振動を除去することにより、引張衝撃試験中の正確な試験力を知ることができる。まず、固有振動波形を除去するデータ範囲を選択し（ステップＳ３１）、移動平均処理を用いて、データに重畳していると考えられる試験機の固有振動を時系列データから除去する（ステップＳ３２：振動波形除去工程）。

この実施形態では、図１１に示すように、固有振動数の解析手順において、図７の時系列データを試験片ＴＰの破断前後で分離したデータのうち、試験片ＴＰに引張負荷がかかっている状態の時間データを含んでいる試験片ＴＰの破断前の時系列データを、固有振動数を除去対象データとして記憶装置５７から呼び出している。なお、一見して、試験機の固有振動がデータ上に重畳していないように見える場合でも、分離前の全時系列データに対して試験機本体１０の固有振動を除去したい場合は、データ分離前の時系列データを選択すればよい。

ステップＳ３２では、先に説明したステップＳ２４で決まった固有振動数と、データ取得時のサンプリング周波数とを使用した下記式（２）により、移動平均処理に使用するデータ点数を定める。

データ点数＝サンプリング周波数／固有振動数 ・・・ （２）

この図１１のデータは、試験速度５ｍ／ｓの条件で引張衝撃試験を実行し、サンプリング周波数１０００ｋＨｚで取得されたものである。したがって、サンプリング周波数１０００ｋＨｚをステップＳ２４で得た固有振動数１３．８ｋＨｚで除することにより得られた７２．４の整数部分がデータ点数となる。なお、この例のように、サンプリング周波数を固有振動数整数で除した値が整数とならない場合は、小数点以下を切り捨てまたは四捨五入するなどして、整数値とする。

移動平均処理は、平均化させたいデータを中心に前後同数（点数が前後で１違う場合も含む）のデータを用いて平均化する。図１１のデータでは、式（２）を用いた計算で、移動平均処理に使用するデータ点数を７２点と定めたことから、平均化させたいデータ（３６点目）を中心とした前３５点、後ろ３６点として平均化処理を実行する。処理対象として選択した時系列データについて移動平均処理が終了すると、固有振動の除去が終了する（ステップＳ３３）。移動平均処理後のデータは、処理前と処理後のデータを比較可能な態様で、表示装置５８に表示される。

図１２に示す移動平均処理により固有振動波形を除去したデータと、図１１に示す移動平均処理前のデータを比較すると、図１２のデータの方がより滑らかな挙動を示しており、引張負荷が試験片ＴＰに与えられている状態でも、試験機の固有振動が、ロードセル２７の測定値に影響を及ぼしていることが理解される。図１２に示す例では、図９を参照して説明した周波数スペクトル解析において、最大ピークである１３．８ｋＨｚを固有振動数と定めて移動平均処理を実行したが、いくつかのピークを固有振動数の候補として、それらの候補について、移動平均処理を実行してもよい。

このように、この発明においては、衝撃試験の評価に試験機の固有振動数を考慮した評価方法を採用していることから、試験機の固有振動によるノイズが取り除かれた波形を得ることにより、正確な試験力値を知ることが可能となる。また、この発明においては、固有振動波形の除去前と除去後のデータを同じ時間軸で見ることができることから、ユーザは、個々の衝撃試験において、試験力データにおける試験機の固有振動の影響を確認することができる。

なお、上述した実施形態では、引張衝撃試験について説明したが、ポンチを試験片に衝突させる打ち抜き試験や、３点曲げ試験のように、支点で支持した試験片にポンチを打ち下ろす衝撃試験においても、この発明を適用することができる。

１０ 試験機本体
１１ テーブル
１２ 支柱
１３ クロスヨーク
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２５ 助走治具
２６ ジョイント
２７ ロードセル
３１ 油圧シリンダ
３２ ピストンロッド
３３ ストロークセンサ
３４ サーボバルブ
４０ 制御装置
４１ 本体制御装置
４２ パーソナルコンピュータ
４３ メモリ
４４ 試験制御部
４５ 演算装置
４６ 通信部
５１ メモリ
５２ データ抽出部
５３ 解析部
５４ 振動波形除去部
５５ 演算装置
５６ 通信部
５７ 記憶装置
５８ 表示装置
５９ 入力装置
ＴＰ 試験片

Claims (4)

1. 試験片に急速に衝撃を与える衝撃試験の評価方法であって、
   サンプリング周波数を含むデータ収集条件をユーザが設定するデータ収集条件設定工程と、
   衝撃試験の実行により力検出器が前記データ収集条件で取得した時系列データから、試験機の固有振動数を求めるためのデータ区間として、前記試験片が破断した後のデータを抽出するデータ抽出工程と、
   前記データ抽出工程において抽出したデータに対して周波数スペクトル解析を実行することにより前記固有振動数を求める解析工程と、
   前記固有振動数と前記サンプリング周波数とを用いて、前記時系列データから試験機の固有振動を除去する振動波形除去工程と、
   を含む衝撃試験の評価方法。
2. 請求項１に記載の衝撃試験の評価方法において、
   前記振動波形除去工程は、前記サンプリング周波数を前記周波数スペクトルから定めた前記固有振動数で除することにより定めたデータ点数での移動平均処理を前記力検出器が検出した時系列データに対して実行する衝撃試験の評価方法。
3. 請求項１に記載の衝撃試験の評価方法において、
   前記振動波形除去工程は、前記周波数スペクトルの最も大きいピークとなる周波数を前記固有振動数とし、前記サンプリング周波数を前記固有振動数で除することにより定めたデータ点数での移動平均処理を前記力検出器が検出した時系列データに対して実行する衝撃試験の評価方法。
4. 試験片に急速に衝撃を与える衝撃試験機であって、
   前記試験片に試験力を与える負荷機構と、
   前記試験片に与えられた試験力を検出する力検出器と、
   前記力検出器が検出した時系列データを記憶する記憶部を備えた制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   サンプリング周波数を含むデータ収集条件のユーザによる設定を受け付ける入力装置と、
   前記記憶部に記憶された、前記データ収集条件で取得した時系列データから、試験機の固有振動数を求めるためのデータ区間として、前記試験片が破断した後のデータを抽出するデータ抽出部と、
   前記抽出部において抽出したデータに対して、周波数スペクトル解析を実行することにより前記固有振動数を求める解析部と、
   前記固有振動数と前記サンプリング周波数とを用いて、前記時系列データから試験機の固有振動を除去する振動波形除去部と、
   を備える衝撃試験機。

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