JPH10332314A - 変位計及びそれを用いた歪み測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接着性が悪い試験片に対しても直接取り付け
ることができるとともに、小さな歪みから大きな歪みま
でを測定することのできる変位計を提供する。 【解決手段】 弾性体からなる曲がりはり４０の両端に
回動自在に取り付けられた一対の固定具５０ａ，５０ｂ
を試験片１０に固定する。固定具は、試験片１０を挟む
ための刃部５２ａ，５２ｂと、固定具の回転を防止する
ために刃部と異なる位置で試験片に接触する当接部５５
ａ，５５ｂと、刃部及び当接部を試験片に対して押圧す
るためのバネ５４とを備える。曲がりはりの両面には歪
みゲージ４６，４７が固定され、歪みゲージ４６，４７
で測定した曲がりはり４０の歪みを試験片１０の歪みに
換算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位計及びその変
位計を用いた歪み測定方法に関し、特に歪みゲージを直
接貼付することが困難な材料のクリープ挙動を評価する
のに好適な変位計及びクリープ試験方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】クリープ試験においては、試験片に応力
を加えて変形量を測定する必要がある。単軸応力状態に
おけるクリープ挙動の評価、すなわちクリープ歪み曲線
の測定は、試験片に貼付した歪みゲージを用いて行われ
るのが一般的である。しかしながら、高分子材料、特に
ポリエチレンのように接着性の悪い材料の場合、特殊な
表面処理剤を用いて表面処理を行った場合においても、
約１週間程度で歪みゲージが剥離してしまうため、事実
上ポリエチレンのクリープ歪みの測定には歪みゲージを
使用することができない。このため、試験片両端に取り
付けられたチャックに接触型の変位計を取り付け、この
変位計によりクリープ歪みの測定を行っているのが現状
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、ポリエ
チレンなど接着性の悪い試験片に対してはクリープ歪み
を測定するための変位計歪みゲージを直接貼付すること
が困難である。そのため、チャック部の変位を測定する
ことで試験片の歪み測定を行っている。しかし、この方
法では、試験片の板厚の減少に応じてチャックが試験片
の伸び方向に移動するとともに、平行部以外の試験片伸
びも含んだ歪みが測定されるため、測定精度に限界があ
る。

【０００４】この問題への対処法として、試験片の平行
部両端に変位計端子の受け治具を取り付け、試験片と平
行に配置した２台の変位計を用いて各位置の測定を行う
方法が考えられる。しかしながら、ポリエチレンなど負
荷方向のクリープ変形が極めて大きい試験片の場合に
は、板厚の減少も大きい。従って、変位計端子の受け治
具の固定方法について特別な配慮が必要となる。さら
に、試験片に荷重を作用させた際に、試験片とチャック
との間に残っている僅かな遊びによって試験片の方向が
若干変化し、変位計との平行度が悪くなるという問題も
ある。

【０００５】これらの点を考慮すると、ポリエチレンの
ように接着性が悪く、また負荷方向のクリープ変形が大
きな試験片のクリープ歪みを精度良く測定するには、試
験片の平行部に直接取り付けることができ、板厚が減少
し、あるいは試験片の方向が変化したとしても測定が可
能な変位計を開発することが必要である。さらに、この
変位計は、歪みゲージで測定されるような小さな歪みか
ら、長時間経過した後に生じる大きな歪みまで測定でき
るものでなければならない。

【０００６】本発明は、このような検討のもとになされ
たもので、接着性が悪い試験片に対しても直接取り付け
ることができるとともに、小さな歪みから大きな歪みま
でを測定することのできる変位計を提供することを目的
とする。また、本発明は、接着性が悪く歪みゲージを貼
付することが困難な試験片に対しても試験を実施するこ
とのできるクリープ試験方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、接着
性の悪い試験片に対しても直接取り付けることができる
曲がりはりを用いた変位計を開発することで前記目的を
達成する。曲がりはりの歪みを測定し、それを試験片の
歪みに換算することにより、間接的に歪みを測定する。

【０００８】すなわち、本発明による変位計は、弾性体
からなる曲がりはりと、試験片を挟んで固定するために
曲がりはりの両端に回動自在に取り付けられた一対の固
定具と、曲がりはりの両面に固定された歪みゲージとを
備えることを特徴とする。前記固定具は、試験片を挟む
ための刃部と、固定具の回転を防止するために刃部と異
なる位置で試験片に接触する当接部と、刃部及び当接部
を試験片に対して押圧するためのバネとを備えることを
特徴とする。

【０００９】また、本発明による歪み測定方法は、応力
が加えられている試験片の歪みを測定する歪み測定方法
において、試験片の変形方向の２カ所を前記した変位計
の一対の固定具で挟んで固定し、曲がりはりに固定され
た歪みゲージによって測定される曲がりはりの歪みを試
験片の歪みに換算することを特徴とする。曲がりはりの
歪みは、曲がりはりの両面に固定された歪みゲージをブ
リッジ回路に組み込んだ周知の構成の測定回路を用いて
評価することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。ここでは、ポリエチレン材料のク
リープ試験を例にとって説明する。図１は、ポリエチレ
ン板材を機械加工して作成された試験片の平面図であ
る。試験片１０の形状はＪＩＳのプラスチック引張試験
方法Ｋ７１３３の２号試験片に準じ、これを約２倍に拡
大したものである。試験片１０は、平行部１１の両端に
チャック部１２ａ，１２ｂを有し、チャック部１２ａ，
１２ｂにはピン孔１３ａ，１３ｂが設けられている。

【００１１】図２はクリープ試験機の概略図、図３は試
験片と試験機チャック部の詳細を示す図である。クリー
プ試験機は、試験片１０が入れられる恒温槽２１、及び
試験片１０に荷重をかけるためのおもりを備える。恒温
槽２１には加熱装置２２及び冷却装置２３が取り付けら
れている。恒温槽２１内で、試験片１０の下端は試験機
に固定された固定チャック２４に取り付けられ、試験片
１０の上端はチェーン２６の一端に固定された可動チャ
ック２５に取り付けられる。チェーン２６は第１のチェ
ーンホイール２７と第２のチェーンホイール２８の間に
掛け渡され、第２のチェーンホイール２８にはおもり２
９が吊される。

【００１２】クリープ試験片１０はくさび形の部材３
１，３２で左右から挟み込まれた後、図３に示すように
固定チャック２４と可動チャック２５の間に取り付けら
れる。くさび型部材３１，３２と試験片１０は、図３の
左右方向からピン３３，３４で止められるが、上下方向
（試験片の伸び縮み方向）についてはある程度の移動を
許容するようになっている。これは、クリープ変形が極
めて大きくなり、試験片１０の板厚が減じた後において
も確実に試験片を保持する必要があるためである。

【００１３】試験片への負荷は、チェーン２６の一端で
あるＢ部に吊されたおもり２９の死加重が２つのチェー
ンホイール２７，２８を介して試験片１０に伝達される
ことで印加される。また、チャック２４，２５の重量や
チェーン２６の長さの不均衡の故に、試験片１０を装着
した時点では試験片側の方が重く、チェーン２６やチャ
ック２４，２５と試験片１０との間に遊びが生じる。こ
の遊びを是正するために、Ａ部に予荷重のためのおもり
をのせた。ポリエチレンの力学特性は顕著な温度依存性
を示すため、自動温度調節器を用いて加熱装置２２及び
冷却装置２３を制御して、恒温槽内２１の温度を２０℃
に保持した。

【００１４】図４及び図５を用いて、本発明による変位
計を説明する。図４は試験片に取り付けられた状態の変
位計を示す正面図であり、図５は図４のＢ矢視方向図で
ある。また、図４中の右側のハッチング部は、図５のＡ
Ａ′断面である。曲がりはり４０の両端にはシャフト４
１ａ，４１ｂが溶接されている。シャフト４１ａ，４１
ｂは、ベアリングを介して左右の固定具５０ａ，５０ｂ
に回動自在にベースに取り付けられている。左右の固定
具５０ａ，５０ｂは同じ構造を有するため、以下では一
方の固定具５０ａについてのみ、その構造を説明する。
固定具５０ａは、曲がりはり４０が溶接されたシャフト
４１ａが回動自在に取り付けられている上ベース５１ａ
と、上ベース５１ａに対して並進可能な下ベース５１ｂ
を備える。上下のベース５１ａ，５１ｂには刃５２ａ，
５２ｂが取り付けられており、固定具は試験片１０を表
裏からこの刃先で挟み込み、ネジ部５３に取り付けられ
たバネ５４の反力によって試験片１０に固定される。こ
れにより、試験片１０の板厚が減少した場合においても
変位計は試験片１０に確実に固定される。

【００１５】また、曲がりはり４０の反力によって固定
具５０ａ，５０ｂの上下ベース５１ａ，５１ｂ部が刃５
２ａ，５２ｂの刃先を中心として傾くおそれがあるた
め、ベース５１ａ，５１ｂの後部に刃先と同じ高さの試
験片当接部５５ａ，５５ｂを設け、固定具５０ａ，５０
ｂが試験片１０に対して回転するのを防止した。試験片
当接部５５ａ，５５ｂと試験片１０との間には、摩擦を
軽減するためにポリエチレンシート４５を挿入した。

【００１６】試験片１０の伸び方向に見て、刃５２ａ，
５２ｂの刃先の位置はシャフト４１ａの中心と一致する
ように配置されており、これにより刃先の移動距離は曲
がりはり４０両端の移動距離と等しくなる。曲がりはり
４０の中央部の両面には歪みゲージ４６，４７が貼付さ
れている。歪みゲージ４６，４７は周知のブリッジ回路
に組み込まれ、ブリッジ回路の出力から曲がりはり４０
の歪みが求められる。この曲がりはりの歪みは、以下に
説明するように、計算式あるいは実験式によって試験片
１０の歪みに換算することができる。

【００１７】次に、図６及び図７を用いて、曲がりはり
を用いた本発明の変位計による歪み測定の原理について
説明する。図６は、棒材６０に曲がりはり６２が取り付
けられ、棒材６０の両端から荷重Ｐが作用している状態
を示したものである。曲がりはり６２の板厚をｈ₀、軸
線の曲率半径をａとし、中心角を２αとする。また、曲
がりはり６２の両端Ａ，Ｃ点は回転自由とし、その中央
部をＢ点とする。

【００１８】左右の対称性から、図７に示すように、曲
がりはり６２の右側部分だけを取り出す。Ｂ点を基準と
し、負荷方向にｘ軸、円弧の中心方向にｚ軸をとり、Ｃ
点の座標を（ｘ₀，ｚ₀）、ｚ軸から角度ψの曲がりはり
上の任意の点Ｑの座標を（ｘ，ｚ）とすると、点Ｑにお
ける曲げモーメントＭと角ひずみωは、それぞれ次の
〔数１〕で与えられる。ここで、ＥＩは曲がりはりの曲
げ剛性である。

【００１９】

【数１】

【００２０】また、次の〔数２〕の関係から、Ｃ点のｘ
方向の変位をｕ_Cとすると、ｕ_Cは〔数３〕で与えられ
る。

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】図４におけるＡＣ間の距離の変化をδとす
ると、δ＝２ｕ_Cであるため、〔数４〕を得る。

【００２４】

【数４】

【００２５】従って、棒材に生じる歪みε_sは次の〔数
５〕で与えられる。

【００２６】

【数５】

【００２７】Ｂ点に生じる曲げ応力をσとすると、σは
〔数１〕を用いて次の〔数６〕のように表すことができ
る。ここで、ε_aは曲がりはりのＢ点に生じる歪みであ
る。

【００２８】

【数６】

【００２９】これより、荷重Ｐは、次の〔数７〕で表さ
れる。

【００３０】

【数７】

【００３１】前記〔数７〕を〔数５〕に代入すると、歪
みε_sは〔数８〕で表される。

【００３２】

【数８】

【００３３】また、幾何学的な関係より弧長をｍ₀とす
ると、ａα＝ｍ₀／２であるため、〔数８〕は次の〔数
９〕のようになる。

【００３４】

【数９】

【００３５】前記〔数９〕を用いることによって、曲が
りはりＢ点に生じる歪みε_aを棒材の歪み ε_sに換算す
ることができるが、これにはさらにαを決定しなければ
ならない。図６に示したように、αは棒材の伸びにつれ
て変化するため、これを考慮する必要がある。棒材が延
びる前のＡＣ間の距離をｌ₀、伸びた後のＡＣ間の距離
をｌとすると、ε_s＝（ｌ−ｌ₀）／ｌ₀であり、また、
幾何学的関係よりａsinα＝ｌ／２であるため、次の
〔数１０〕の関係式が成り立つ。

【００３６】

【数１０】

【００３７】前記〔数１０〕に〔数９〕を代入すること
により、最終的にαに関する関係式は次の〔数１１〕と
なる。

【００３８】

【数１１】

【００３９】従って、曲がりはりＢ点に生じるひずみε
_aを用いて〔数１１〕よりαを求め、得られたαを〔数
９〕に代入することによってε_aを棒材の歪みε_Sに換算
できる。〔数１１〕は陽に解くことが困難であるが、ニ
ュートン法を用いた数値計算によって解くことができ
る。測定とデータ処理の流れは以下の通りである。ク
リープ試験を行い、時々刻々のε_aを測定する。データ
は、時間とその時のε_aの値である。各ε_aの値に対し
て〔数１１〕をニュートン法で解くことによって各αの
値を求める。前記で求めたαの値とε_aの値を用い
て〔数９〕よりε_Sを計算する。これにより、データは
時間とε_Sの値となる。一点一点のデータε_aに対する前
記との処理は予め用意されたソフトウエアによって
行われる。

【００４０】次に、本発明の変位計の試作例について説
明する。曲がりはりには、板厚ｈ₀が０．２７ｍｍ、板
幅８．０ｍｍ、長さ（弧長ｍ₀）７０．４３ｍｍのバネ
鋼（ＳＫ９）を、曲率半径約５５ｍｍの円弧に加工した
ものを用いた。また、曲がりはりの中央部の両面には、
汎用箔歪みゲージ（共和電業製、ＫＦＧ−１０−１２
０、ゲージ率２．１１、歪み限界５％）を貼付した。さ
らに、クリープ試験に際しては刃先間距離、すなわち曲
がりはりの初期弦長ｌ₀を約５０ｍｍにとり、変位計装
着後改めて刃先間距離を測定した。

【００４１】このようにして作製した変位計の精度と測
定限界を評価した。変位計の精度の検定に際しては、長
さ２００ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム
の平板を検定用試験片として用いた。試験片の標点間距
離は約５０ｍｍとし、試験片中央両面に汎用箔歪みゲー
ジ（共和電業製、ＫＦＧ−３０−１２０、ゲージ率２．
１１、歪み限界５％）を貼付した。検定試験は、引張試
験機を用い、引張速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで行った。変
位計及び試験片の歪みゲージの出力は、いずれもブリッ
ジ回路を経て動歪み計（共和電業製、ＤＰＭ−６０３、
応答周波数１０ｋＨｚ）により増幅し、デジタルレコー
ダにてＡＤ変換した後、記録した。変位計の歪みは、前
記〔数９〕と〔数１１〕を用いて試験片の歪みに換算し
た。換算後の歪みをε_sとし、直接試験片に貼付したゲ
ージの出力をε_gageとする。

【００４２】図８に、５本の試験片に対する測定結果を
示す。図より、いずれの試験片においてもとε_gageは極
めて良い線形関係にあることが分かる。下記の表１は、
各結果に対して直線回帰を行って求めた換算率ε_s／ε
_gageと相関係数ｒを示したものである。表１より、相関
係数はいずれも０．９９９９以上であり、ε_s／ε_gage
の値は試験片により多少のバラツキはあるものの、これ
らの標準偏差が０．０４９と小さいため、今の場合、そ
の平均値１．２４１を換算計数として用いることは妥当
であると考えられる。

【００４３】

【表１】

【００４４】次に、変位計の測定限界を求めるために、
前記〔数９〕を用いて曲がりはりの歪みε_aと試験片歪
みε_sの関係を求めた。図９に、その結果を示す。図よ
り、曲がりはりに用いたバネ鋼の降伏歪みを０．２％、
すなわち２０００μｍとすると、このときに試験片に生
じる歪みは約１７００００μｍ（１７％）であり、これ
がここで試作した変位計の測定限界である。

【００４５】図１０は、ポリエチレン試験片を用い、ク
リープ荷重が３０ｋｇｆ，４５ｋｇｆ，４７．５ｋｇｆ
の場合に対して測定した全歪み−時間曲線である。縦軸
は全歪み、横軸は負荷時間である。各クリープ加重によ
る試験片への作用応力の大きさは、順に６．１６，８．
７８，９．１９ＭＰａである。このように、本発明の変
位計を用いることにより、接着性が悪く歪みゲージを直
接貼付することができない試験片に対しても長期間にわ
たるクリープ試験を行うことができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によると、接着性が悪い試験片に
対しても直接取り付けることができ、小さな歪みから大
きな歪みまでを精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験片の形状を示す図。

【図２】クリープ試験機の概略図。

【図３】チャック部の詳細図。

【図４】本発明による変位計の正面図。

【図５】図４のＢ矢視方向図。

【図６】棒材に取り付けられた曲がりはりを示す図。

【図７】曲がりはりの右側部分の図。

【図８】換算歪みε_sとゲージ出力の関係を示す図。

【図９】曲がりはりの歪みと試験片歪みの関係を示す
図。

【図１０】本発明の変位計を用いて測定した全歪み−時
間曲線の一例を示す図。

【符号の説明】

１０…試験片、１１…平行部、１２ａ，１２ｂ…チャッ
ク部、１３ａ，１３ｂ…ピン孔、２１…恒温槽、２２…
加熱装置、２３…冷却装置、２４…固定チャック、２５
…可動チャック、２６…チェーン、２７，２８…チェー
ンホイール、２９…おもり、３１，３２…くさび形部
材、３３，３４…ピン、４０…曲がりはり，４１ａ，４
１ｂ…シャフト、４５…ポリエチレンシート、４６，４
７…歪みゲージ、５０ａ，５０ｂ…固定具、５１ａ…上
ベース、５１ｂ…下ベース、５２ａ，５２ｂ…刃、５３
…ネジ部、５４…バネ、５５ａ，５５ｂ…試験片当接
部、６０…棒材、６２…曲がりはり

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体からなる曲がりはりと、試験片を
   挟んで固定するために前記曲がりはりの両端に回動自在
   に取り付けられた一対の固定具と、前記曲がりはりの両
   面に固定された歪みゲージとを備えることを特徴とする
   変位計。
2. 【請求項２】 前記固定具は、試験片を挟むための刃部
   と、固定具の回転を防止するために前記刃部と異なる位
   置で試験片に接触する当接部と、前記刃部及び当接部を
   試験片に対して押圧するためのバネとを備えることを特
   徴とする請求項１記載の変位計。
3. 【請求項３】 応力が加えられている試験片の歪みを測
   定する歪み測定方法において、試験片の変形方向の２カ
   所を請求項１又は２記載の変位計の前記一対の固定具で
   挟んで固定し、前記歪みゲージによって測定される前記
   曲がりはりの歪みを試験片の歪みに換算することを特徴
   とする歪み測定方法。