(57)【要約】【課題】材料の局所変形部などにおける多軸応力下において、複雑な機構を用いることなく容易に計測をすることができると共に得られたデータの解釈が容易かつ明確となる多軸応力下の応力ひずみ特性の計測及び解析をすることができる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置、及び大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置を提供する。【解決手段】応力ひずみ特性計測装置１０を、供試材１２よりも高剛性とされ、軸方向に沿って貫通された挿通孔１８を備えて筒状に形成され、供試材１２が挿通孔１８に嵌入される拘束パイプ１４と、供試材１２よりも高剛性とされ、拘束パイプ１４の装置上方側から挿通孔１８に嵌入され、供試材１２に当接する圧子１６と、供試材１２の偏心を調整する軸心位置調整機構２０及び軸心傾き調整機構２２、２４、２６、２８と、を備える。【選択図】図１Ｂ
2019203765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中実棒状に形成された供試材よりも高い剛性を有し、軸方向に沿って貫通された挿通孔を備えて筒状に形成され、前記供試材が前記挿通孔に嵌入される拘束パイプと、
前記供試材よりも高い剛性を有して中実棒状に形成され、前記拘束パイプの前記挿通孔に嵌入され、端面が前記挿通孔に嵌入された前記供試材の端面に当接する圧子と、
前記挿通孔に前記供試材と前記圧子が嵌入された前記拘束パイプの一方の端部側を固定する固定ロッドと、前記拘束パイプの他方の端部側から前記供試材に荷重を負荷する負荷ロッドと、を含んで構成された荷重負荷機構と、
前記荷重負荷機構に連結され、前記荷重負荷機構により前記供試材の軸方向に負荷された荷重を計測する荷重計測装置と、
前記拘束パイプの外周面に配置され、前記拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみを計測するパイプひずみ計測装置と、
を含んで構成された大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置。
【請求項２】
前記拘束パイプ又は前記圧子の外周面に当接して前記応力ひずみ特性計測装置の軸方向に直交する方向に移動可能に配置され前記応力ひずみ特性計測装置の軸方向に直交する面における前記圧子の軸心位置を前記応力ひずみ特性計測装置の軸心位置に調整する軸心位置調整機構と、
前記拘束パイプの一方又は他方の端部側に前記応力ひずみ特性計測装置に対して傾斜可能に配置され前記供試材の軸心方向を前記応力ひずみ特性計測装置の軸心方向と略同一に調整する軸心傾き調整機構と、
が備えられた請求項１に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置。
【請求項３】
解析に用いるデータを入力又は読み込むと共に解析を行うための指令を入力又は読み込む入力部と、
中実棒状に形成された供試材よりも高い剛性を有し、軸方向に沿って貫通された挿通孔を備えて筒状に形成され、前記供試材が前記挿通孔に嵌入される拘束パイプを備えた計測装置を用いて計測された前記供試材の軸方向の応力と前記拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみとの関係である大変形域又は多軸応力下の計測変形データを算出する計測変形データ算出部と、
前記供試材の硬化又は軟化を想定して補正された前記供試材の応力ひずみ曲線を用いた有限要素解析に基づき前記供試材の軸方向の応力と前記拘束パイプの軸方向に直交する方向のひずみとの関係である多軸応力下の予測変形データを算出する又は別個に算出された当該予測変形データを取得する予測変形データ取得部と、
前記計測変形データと前記予測変形データに基づき供試材の硬化又は軟化の状態を推定することにより、前記供試材の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を算出する応力ひずみ特性算出部と、
計測変形データ算出部、前記予測変形データ取得部及び応力ひずみ特性算出部により算出された結果を保存又は出力する出力部と、
を備えた大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置、及び大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物及び機械を安全かつ安心して使用するためには、構造物及び機械の経年変化による寿命や構造物及び機械に用いられる部材の劣化等に対する信頼性を評価することが重要となる。これらの評価を行うためには、部材の応力やひずみの集中する箇所における応力ひずみ特性を正確に把握することが重要となる。応力ひずみ特性を把握する場合において、部材が負荷される荷重に対してその構成材料が弾性的に変形する状態であれば、線形破壊力学に基づいて応力ひずみ特性を把握することは有効である。これに対し、部材の構成材料に塑性変形やクリープ変形といった非弾性変形が生じた状態で荷重が負荷される場合には、非線形破壊力学に基づいて応力ひずみ特性を把握する必要がある。とりわけ、塑性変形（塑性ひずみ）等の非弾性変形が生じて部材が大きく変形する領域（以下、「大変形域」と称す。）では、多軸応力状態が生じる場合がある。このため、多軸応力下での応力ひずみ特性を適切に把握する必要がある。
【０００３】
下記特許文献１には、上側に下面が凹面部に形成された第１試験治具と、下側に上面が凸面部に形成された第２試験治具と、を備えた多軸応力負荷試験装置が開示されている。この多軸応力負荷試験装置によれば、第１試験治具と第２試験治具との間に、すきま形成部材が配置された試験片を挟み込むと共に第１試験治具と第２試験治具の四隅をボルトにより上下方向（Ｚ軸方向）に押え付けることにより、試験片のＺＸ面及びＺＹ面に応力を生じさせる。これにより、多軸応力下での応力ひずみ特性を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９６１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置では、ＺＸ面およびＺＹ面に曲げ応力を生じさせるため、複雑な多軸応力状態となる。また、ＸＹ面は拘束されないため、材料の３軸方向の変形を拘束した計測をすることができないことに加えて、試験片がＸＹ面に沿って変形することによって試験片の拘束が不安定になると共に試験片に負荷される荷重が分散する等の影響が考慮できない。さらに、凹面部と凸面部とにより試験片を挟み込むだけの構成であるため、凹面部及び凸面部と試験片との間に生じる摩擦などによっても試験片の拘束が不安定になる可能性がある。このため、計測データを軸方向毎に分離することが難しく、計測データに基づき算出された応力ひずみ特性がどのような多軸応力状態における特性であるのか必ずしも明確ではないため計測結果の解釈が困難となる。この様にして得られた応力ひずみ特性を用いた構造物等の寿命評価や信頼性評価の結果も、同様に不明確な部分を含むこととなる。これに加えて、一般的な引張試験や圧縮試験などの材料試験では、一般に３％程度までのひずみ域ではひずみゲージを用いてゲージ部の局所ひずみを高精度に計測することができるものの、それ以上のひずみ域となる大変形域ではひずみが集中した局所変形部のひずみを正確に計測することは難しい。以上の点から、材料の局所変形部などにおける多軸応力下において、複雑な機構を用いることなく容易に計測をすることができると共に得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性の計測及び解析をするうえで改善の余地がある。
【０００６】
本発明は、上記事実を考慮し、材料の局所変形部などにおける多軸応力下において、複雑な機構を用いることなく容易に計測をすることができると共に得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性の計測及び解析をすることができる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置、及び大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置は、中実棒状に形成された供試材よりも高い剛性を有し、軸方向に沿って貫通された挿通孔を備えて筒状に形成され、前記供試材が前記挿通孔に嵌入される拘束パイプと、前記供試材よりも高い剛性を有して中実棒状に形成され、前記拘束パイプの前記挿通孔に嵌入され、端面が前記挿通孔に嵌入された前記供試材の端面に当接する圧子と、前記挿通孔に前記供試材と前記圧子が嵌入された前記拘束パイプの一方の端部側を固定する固定ロッドと、前記拘束パイプの他方の端部側から前記供試材に荷重を負荷する負荷ロッドと、を含んで構成された荷重負荷機構と、前記荷重負荷機構に連結され、前記荷重負荷機構により前記供試材の軸方向に負荷された荷重を計測する荷重計測装置と、前記拘束パイプの外周面に配置され、前記拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみを計測するパイプひずみ計測装置と、を含んで構成されている。
【０００８】
請求項１に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置によれば、供試材が拘束パイプの挿通孔に嵌入された状態で荷重が負荷されることにより供試材の外周方向への変形が拘束される。このため、供試材に多軸応力状態を発生させることができる。また、外周方向への変形が拘束された供試材は、拘束パイプを押圧するため、拘束パイプの軸方向と直交する方向にひずみが発生し、拘束パイプには軸方向のひずみは殆ど生じない。これにより、多軸応力下の供試材の軸方向に負荷された荷重から算出される応力と拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみとの関係を容易かつ明確に把握することができる。一般的な引張試験や圧縮試験などの材料試験では、供試材の外形を拘束することなく供試材に変形を生じさせて、供試材の応力ひずみ特性を計測する。この場合、供試材の変形が大きくなるとくびれやバルジングといった不均一な変形が生じるため材料の応力ひずみ特性を正確に評価することが難しい。本応力ひずみ特性計測装置によれば、供試材の外形を拘束することにより、大変形域まで均一に供試材を変形させることができるため一般的な材料試験では計測精度の確保が困難であった大変形域における応力ひずみ特性を精度よく測定することができる。さらに、当該装置は、筒状に形成された拘束パイプを用いた簡易な構成であるため、複雑な機構を用いることなく容易に大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を計測することができる。
【０００９】
請求項２に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置は、請求項１に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置において、前記拘束パイプ又は前記圧子の外周面に当接して前記応力ひずみ特性計測装置の軸方向に直交する方向に移動可能に配置され前記応力ひずみ特性計測装置の軸方向に直交する面における前記圧子の軸心位置を前記応力ひずみ特性計測装置の軸心位置に調整する軸心位置調整機構と、前記拘束パイプの一方又は他方の端部側に前記応力ひずみ特性計測装置に対して傾斜可能に配置され前記供試材の軸心方向を前記応力ひずみ特性計測装置の軸心方向と略同一に調整する軸心傾き調整機構と、が備えられている。
【００１０】
請求項２に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置によれば、応力ひずみ特性計測装置の軸方向に直交する面における圧子の軸心位置を応力ひずみ特性計測装置の軸心位置に調整することにより、供試材の軸心位置を調整することができる。このため、供試材の軸心位置に的確に荷重を作用させることができる。また、供試材の軸心方向が応力ひずみ特性計測装置の軸心方向に対して傾いている場合は、拘束パイプの一方又は他方の端部側が応力ひずみ特性計測装置に対して傾斜可能に配置された軸心傾き調整機構により供試材の軸心方向を調整することができる。このため、供試材には応力ひずみ特性計測装置の軸心方向に沿って荷重が負荷されるため、供試材の軸心方向に負荷された荷重と応力の関係を明確にすることができる。これにより、多軸応力下の供試材の軸方向に負荷された荷重と供試材に発生する応力の関係を容易かつ明確に把握することができる。
【００１１】
請求項３に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置は、解析に用いるデータを入力又は読み込むと共に解析を行うための指令を入力又は読み込む入力部と、中実棒状に形成された供試材よりも高い剛性を有し、軸方向に沿って貫通された挿通孔を備えて筒状に形成され、前記供試材が前記挿通孔に嵌入される拘束パイプを備えた計測装置を用いて計測された前記供試材の軸方向の応力と前記拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみとの関係である大変形域又は多軸応力下の計測変形データを算出する計測変形データ算出部と、前記供試材の硬化又は軟化を想定して補正された前記供試材の応力ひずみ曲線を用いた有限要素解析に基づき前記供試材の軸方向の応力と前記拘束パイプの軸方向に直交する方向のひずみとの関係である多軸応力下の予測変形データを算出する又は別個に算出された当該予測変形データを取得する予測変形データ取得部と、前記計測変形データと前記予測変形データに基づき供試材の硬化又は軟化の状態を推定することにより、前記供試材の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を算出する応力ひずみ特性算出部と、計測変形データ算出部、前記予測変形データ取得部及び応力ひずみ特性算出部により算出された結果を保存又は出力する出力部と、を備える。
【００１２】
請求項３に記載の大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置によれば、入力部から解析を行うための指令を受けた計測変形データ算出部において、拘束パイプを備えた計測装置による計測データから多軸応力下の供試材の軸方向に負荷された荷重から算出される応力と拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみとの関係である大変形域又は多軸応力下の計測変形データが容易かつ明確に算出される。しかしながら、材料の強度解析等を行うためには、供試材についての大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を把握しておく必要がある。そこで、予測変形データ取得部において、供試材の硬化又は軟化を想定して補正された供試材の応力ひずみ曲線を用いた有限要素解析に基づいて供試材の軸方向の応力と拘束パイプの軸方向に直交する方向のひずみとの関係である多軸応力下の予測変形データが算出され又は別個に算出された予測変形データが取得される。さらに、応力ひずみ特性算出部において、計測変形データ及び予測変形データに基づき供試材の硬化又は軟化の状態を推定することにより、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性が算出される。これらの計測変形データ算出部、予測変形データ取得部及び応力ひずみ特性算出部により算出された結果は、出力部を通じて出力される。これにより、得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を解析することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、請求項１に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置は、材料の局所変形部などにおける多軸応力下において、複雑な機構を用いることなく容易に計測をすることができると共に得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性の計測をすることができるという優れた効果を有する。
【００１４】
請求項２に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置は、多軸応力下の供試材の軸方向に負荷された荷重と供試材に発生する応力の関係を容易かつ明確に把握することができるという優れた効果を有する。
【００１５】
請求項３に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置は、材料の局所変形部などにおける大変形域又は多軸応力下において、得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性の解析をすることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本実施形態に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置の側面図である。
【図１Ｂ】本実施形態に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置の縦断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示される大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置をＡ−Ａ線に沿って切断した状態を示す平断面図である。
【図２Ａ】本実施形態に係る非線形応力−ひずみ解析装置のブロック図である。
【図２Ｂ】本実施形態に係る非線形応力−ひずみ解析装置による解析のフローチャートである。
【図３】供試材の単軸圧縮試験により得られた塑性域における非線形応力ひずみ特性及び材料の硬化又は軟化を想定して補正された非線形応力ひずみ特性である。
【図４】本実施形態に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置の拘束パイプにより拘束された供試材の有限要素解析のメッシュである。
【図５】供試材の軸方向の応力と拘束パイプ外周部の径方向のひずみとの関係についての計測例及び解析例である。
【図６】供試材の応力３軸度と拘束パイプ外周部の径方向のひずみとの関係についての解析例である。
【図７】供試材の材料硬化率と軸方向の応力との関係についての計測例及び解析例である。
【図８】図６及び図７に示された結果に基づき算出された供試材の応力３軸度と供試材の材料硬化率との関係についての算出例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１Ａから図１Ｃを用いて、本発明に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置、及び大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置の一実施形態について説明する。なお、各図において適宜示される矢印ＵＰは、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置の上方側を示し、矢印Ｗは、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置の水平方向を示している。
【００１８】
図１Ａには、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置１０（以下、「応力ひずみ特性計測装置」と称する）の主要部分が示されている。以下に説明する応力ひずみ特性計測装置１０の主要部分は、箱型状に形成された図示しない鋼製のフレームの内側に固定されている。
【００１９】
図１Ｂに示されるように、応力ひずみ特性計測装置１０は、供試材１２を拘束するための拘束パイプ１４及び圧子１６と、供試材１２の軸心を調整するための軸心位置調整機構としての軸心位置調整板２０及び軸心傾き調整機構２２、２４、２６、２８と、供試材１２に荷重を負荷するための荷重負荷機構４０、４２と、を含んで構成されている。また、計測機能として、供試材１２に負荷された荷重を計測するための荷重計測装置としてのロードセル４４と、拘束パイプ１４の軸方向と直交する方向のひずみを計測するパイプひずみ計測装置としてのひずみゲージ４６と、を含んで構成されている。
【００２０】
応力ひずみ特性計測装置１０の略中心部には、中実の丸棒状に形成された供試材１２を拘束するための金属製の拘束パイプ１４が配置されている。拘束パイプ１４は、軸方向に沿って円柱状に貫通された挿通孔１８を備えた筒状に形成され、供試材１２よりも高い剛性に設定されている。図１Ｂ及び図１Ｃに示されるように、供試材１２は、挿通孔１８に嵌入されて拘束パイプ１４に外周部が拘束されている。
【００２１】
図１Ｂに示されるように、供試材１２の装置上方側には、供試材１２よりも高い剛性を有する中実の丸棒状に形成された圧子１６が嵌入されている。圧子１６の下面は、挿通孔１８に嵌入された供試材１２の上面に当接されている。
【００２２】
圧子１６の装置上方側には、板状に形成され供試材１２の装置水平方向の位置を調整する軸心位置調整板２０が配置されている。圧子１６は、軸心位置調整板２０の略中心部に設けられた圧子嵌合部２０Ａに装置下方側から嵌合されている。
【００２３】
拘束パイプ１４の一方の端部側としての軸心位置調整板２０の上面側には、図示しない連結部材を介して装置上方側がフレームに固定された固定ロッド４０が連結されている。連結部材の装置上方側には、荷重負荷機構４０、４２により供試材１２の軸方向に負荷された荷重を計測するためのロードセル４４が取り付けられている。
【００２４】
拘束パイプ１４の装置下方側には、円筒状に形成された軸心傾き調整機構としてのガイドパイプ２２が配置されている。ガイドパイプ２２の内側には、拘束パイプ１４を支持するための軸心傾き調整機構としての試料台２４と、試料台２４を装置下方側から支持して荷重の軸心を調整するための軸心傾き調整機構としての球面座２６と、が配置されている。
【００２５】
円柱状に形成されたガイドパイプ２２の内側の装置下方側には、調整部としての球面座２６が配置されている。球面座２６は、球状の球体部２６Ａと、球体部２６Ａの装置上方側に配置された円板形状の上側板材２６Ｂと、球体部２６Ａの装置下方側に配置された円板形状の下側板材２６Ｃと、を含んで構成されている。上側板材２６Ｂと下側板材２６Ｃの外径は、ガイドパイプ２２の内径と略同一とされている。上側板材２６Ｂは、上面が平面状に形成されると共に下面は球体部２６Ａの形状に合わせて装置下側へ向けて凹とされている。下側板材２６Ｃは、下面が平面状に形成されると共に上面は球体部２６Ａの形状に合わせて装置上側へ向けて凹とされている。下側板材２６Ｃの下面は、後述する負荷ロッド４２の上面に当接されている。
【００２６】
上側板材２６Ｂの上面には、下面を当接させた試料台２４が配置されている。試料台２４の外径は、ガイドパイプ２２の内径と略同一とされており、試料台２４の外周部はガイドパイプ２２の内側面に当接されている。拘束パイプ１４は、下面を当接させて試料台２４の上面に配置されている。
【００２７】
ガイドパイプ２２の装置下方側には、円筒状に形成された軸心傾き調整機構としての軸心調整フランジ２８が配置されている。ガイドパイプ２２は、軸心調整フランジ２８の略中心部に形成されたフランジ嵌合部２８Ａに装置上方側から嵌入されている。これにより、ガイドパイプ２２の装置水平方向の移動が拘束されている。
【００２８】
拘束パイプ１４の他方の端部側としての軸心調整フランジ２８の装置下側には、円柱状に形成され応力ひずみ特性計測装置１０に固定された負荷ロッド４２が結合されている。軸心調整フランジ２８は、負荷ロッド４２に対する装置水平方向の位置が調整された上で、固定用ボルト等により負荷ロッド４２と結合されている。これにより、ガイドパイプ２２の内側に配置されている試料台２４と球面座２６の装置水平方向における位置も調整される。また、負荷ロッド４２の装置下側には、負荷ロッド４２を装置上方側へ向けて押し上げるための図示しない油圧装置が連結されている。
【００２９】
挿通孔１８に嵌入された供試材１２の装置上下方向の略中間部の高さ位置となる拘束パイプ１４の外周部において、拘束パイプ１４の径方向に対向する２箇所にひずみゲージ４６が貼付されている。これにより、供試材１２及び拘束パイプ１４に負荷ロッド４２によって供試材１２の軸方向に荷重が負荷された際に、拘束パイプ１４の軸方向に直交する方向（径方向）のひずみが計測される。
【００３０】
次に、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置５０（以下、「応力ひずみ特性解析装置」と称する）について説明する。
【００３１】
図２Ａに示されるように、本実施形態に係る応力ひずみ特性解析装置５０は、演算処理が可能とされたコンピュータ５２と、コンピュータ５２に内蔵された図示しない記録媒体と、を含んで構成されている。また、応力ひずみ特性解析装置５０には、入力部５４及び出力部５６が備えられている。なお、応力ひずみ特性解析装置５０の構成は、ハードウェアとソフトウェアのどちらで実現されてもよい。
【００３２】
入力部５４は、有限要素解析及び応力ひずみ特性解析のための指令及び入力データの入力手段であり、キーボードや外部接続用の記録媒体から入力データを取得するためのインターフェイス等を含んで構成されると共にコンピュータ５２に接続されている。また、出力部５６は、有限要素解析及び応力ひずみ特性解析による解析結果の出力手段であり、ディスプレイやプリンタ等を含んで構成されると共にコンピュータ５２に接続されている。
【００３３】
なお、本実施形態では、記録媒体は、コンピュータ５２に内蔵されているとしたが、これに限らず、コンピュータ５２に外部接続されたものであってもよい。また、記録媒体は一台に限らず複数台設けられてもよい。
【００３４】
また、本実施形態では、応力ひずみ特性解析装置５０は、一台のコンピュータ５２で構成されているが、これに限らず、大規模な有限要素解析を行うために、複数台のコンピュータを設けて、並列処理による演算処理で解析が実行されてもよい。
【００３５】
コンピュータ５２には、応力ひずみ特性解析を行うための計測変形データ算出部６０と、予測変形データ取得部６２と、応力ひずみ特性算出部６４と、が設けられている。
【００３６】
図２Ｂには、応力ひずみ特性解析のフローチャートが示されている。ステップ１００において、計測変形データ算出部６０は、応力ひずみ特性計測装置１０により計測された拘束パイプ１４の径方向のひずみと供試材１２の軸方向の荷重の計測データを用いて供試材１２の軸方向の応力と拘束パイプの軸方向と直交する方向のひずみとの関係である計測変形データを算出する。具体的には、計測データのノイズ処理等を行った上で、計測データを解析し、荷重から算出された圧縮荷重Ｆ（図４参照）とひずみとの関係を算出する。供試材１２の軸方向の荷重と拘束パイプ１４の径方向のひずみの計測データは、ロードセル４４及びひずみゲージ４６の出力ケーブルを介してコンピュータ５２に記録される又は計測データが一時保存された記録媒体を介してコンピュータ５２に記録される等の方法により、予め記録媒体に記録されている。
【００３７】
ステップ１１０において、予測変形データ取得部６２は、元となる供試材１２の応力ひずみ曲線を用いて、硬化又は軟化の複数の状態を想定して補正された複数の供試材１２の軸方向の応力と拘束パイプの軸方向に直交する方向のひずみとの関係である大変形域又は多軸応力下の予測変形データを有限要素解析により算出する又は別個に算出された予測変形データを取得する。ここで、「取得」とは、予測変形データをコンピュータ５２に入力すること及びコンピュータ５２でデータを読み込むことの両方を含む。予測変形データを算出する場合には、予測変形データ取得部６２は、はじめに、元となる供試材１２の応力ひずみ曲線を用いて、有限要素解析により硬化又は軟化の複数の状態を想定して補正された複数の供試材１２の応力ひずみ曲線を算出する。元となる供試材１２の応力ひずみ曲線は、供試材１２の径方向の変形を拘束しない通常の単軸圧縮試験等により計測され、予めコンピュータ５２に記録されている。次に、予測変形データ取得部６２は、想定された硬化又は軟化の複数の状態毎に補正された供試材１２の応力ひずみ曲線を用いて、有限要素解析を行う。有限要素解析は、応力ひずみ特性計測装置１０で用いられた供試材１２及び拘束パイプ１４のモデル（メッシュデータ）を用いて行われる。これにより、補正された応力ひずみ曲線毎に供試材１２の軸方向の応力と拘束パイプの軸方向に直交する方向のひずみとの関係である大変形域又は多軸応力下の予測変形データが算出される。
【００３８】
ステップ１２０において、はじめに、応力ひずみ特性算出部６４は、計測変形データと予測変形データを対比させることにより、応力毎に変化する硬化又は軟化の状態を把握する。具体的には、元の応力ひずみ曲線から硬化又は軟化している割合である応力ひずみ曲線の補正率Ｆｈ（硬化率又は軟化率）を求める。次に、応力ひずみ特性算出部６４は、予測変形データ取得部６２で入力された又は読み込まれた予測変形データより補正率Ｆｈに基づき補正された応力ひずみ曲線に対応する供試材１２の３軸の応力成分及び静水圧応力を算出する。さらに、応力ひずみ特性算出部６４は、算出した応力を含む３軸の応力成分及び３軸の静水圧応力から応力３軸度ＳＴを算出する。ここでは、応力３軸度ＳＴは、３軸の静水圧応力の平均値をミーゼス応力で割った値と定義する。これにより、供試材１２の局所変形部等において応力の発生状態によって変化する応力３軸度ＳＴから多軸応力下で発生する硬化又は軟化を考慮して応力ひずみ曲線を補正するための補正率Ｆｈを求め、大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を算出することができる。
【００３９】
次に、本実施形態に係る応力ひずみ特性計測装置１０を用いた計測及び応力ひずみ特性解析装置５０を用いた解析の具体例の説明を通じて、本実施形態の作用並びに効果について説明する。なお、本実施形態では、説明の便宜上、供試材１２及び拘束パイプ１４の軸方向をＺ軸方向（装置上下方向）と定義し、それと直交する方向（径方向）をＸ軸方向及びＹ軸方向（装置水平方向）と定義する。
【００４０】
図１Ｂに示されるように応力ひずみ特性計測装置１０の装置下方側に固定された負荷ロッド４２の装置上方側には、軸心調整フランジ２８が配置される。軸心調整フランジ２８の装置上方側には、内部に球面座２６と試料台２４が配置されたガイドパイプ２２が嵌入される。負荷ロッド４２の装置上方側に配置された軸心調整フランジ２８は、負荷ロッド４２に対する装置水平方向の位置が調整された上で負荷ロッド４２に結合される。
【００４１】
応力ひずみ特性計測装置１０の軸心は、固定ロッド４０と負荷ロッド４２の軸心とが一致するように調整されている。このため、軸心調整フランジ２８の位置が装置水平方向に調整されることにより、ガイドパイプ２２内に設けられた試料台２４及び球面座２６の軸心のＸＹ面（応力ひずみ特性計測装置１０の軸方向に直交する面）における位置が、応力ひずみ特性計測装置１０の軸心のＸＹ面（応力ひずみ特性計測装置１０の軸方向に直交する面）における位置と同じ位置となるように調整される。
【００４２】
装置水平方向の位置が調整された試料台２４の上面側に、供試材１２と軸心位置調整板２０が嵌合された圧子１６とが挿通孔１８に嵌入された拘束パイプ１４が配置される。拘束パイプ１４の下面は、試料台２４の上面に当接されている。
【００４３】
応力ひずみ特性の計測対象となる供試材１２は、金属製の拘束パイプ１４に嵌入される。これにより、供試材１２の径方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の変形が、拘束パイプ１４により拘束される。拘束パイプ１４は、供試材１２の変形に合わせて変形することを抑制したうえで供試材１２の径方向の変形を抑制可能な程度に供試材１２よりも高い圧縮剛性に設定されている。具体的には、拘束パイプ１４の材質の弾性率と径方向の厚さ（外径）を大きくすることにより高い圧縮剛性に設定されている。供試材１２の材料は、例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｗｔ％）−焼鈍材、純度９９％以上の工業用純アルミニウム焼鈍材及びＪＩＳ−ＡＣ２Ｂ合金−Ｔ６材などの一般的な金属材料が用いられる。また、金属製の拘束パイプ１４は、例えば、外径が１２ｍｍ、長さが１０ｍｍ程度に形成され、挿通孔１８は、例えば、内径が４．２ｍｍ程度に形成されている。挿通孔１８に嵌入される供試材１２は、例えば、外径が４ｍｍ、長さが８ｍｍ程度とされている。
【００４４】
供試材１２が嵌入された拘束パイプ１４の挿通孔１８の装置上方側から、圧子１６が嵌入される。圧子１６の下面は、供試材１２の上面に当接されている。圧子１６は、供試材１２と同程度の外径を有して、挿通孔１８に嵌入可能とされており、例えば、外径４ｍｍ程度とされている。
【００４５】
圧子１６の装置上方側は、軸心位置調整板２０の略中心部に設けられた圧子嵌合部２０Ａに嵌合されている。軸心位置調整板２０は、固定ロッド４０の軸心に対する圧子１６のＸＹ面（応力ひずみ特性計測装置１０の軸方向に直交する面）における位置を調整するために、上面を固定ロッド４０の下面に当接させた状態で装置水平方向にスライドされる。軸心位置調整板２０が装置水平方向へスライドされることにより、軸心位置調整板２０に嵌合された圧子１６と拘束パイプ１４も装置水平方向にスライドされるため、拘束パイプ１４に嵌入された供試材１２のＸＹ平面における位置が調整される。応力ひずみ特性計測装置１０の軸心は、固定ロッド４０と負荷ロッド４２の軸心とが一致するように調整されている。このため、供試材１２の軸心のＸＹ平面における位置を固定ロッド４０の軸心のＸＹ平面における位置と一致するように調整することにより、供試材１２の軸心と応力ひずみ特性計測装置１０の軸心のＸＹ平面における位置とが一致するように調整される。これにより、供試材１２の軸心に的確に荷重を作用させることができるため、供試材１２の軸方向に負荷された荷重と供試材１２に発生した応力との関係を容易かつ明確に把握することができる。なお、ここでは、軸心位置調整板２０に圧子１６が嵌合されているとして説明したが、これに限らず、軸心位置調整板に拘束パイプが嵌合されてもよい。
【００４６】
供試材１２の軸心のＸＹ平面の位置が調整された上で、負荷ロッド４２が油圧により押し上げられる。これにより、試料台２４の上面に配置された拘束パイプ１４及び供試材１２は装置上方側へ向けて押し上げられる。供試材１２は、装置下方側から試料台２４を介して装置上方側へ向けて押圧されると共に装置上方側の固定されている固定ロッド４０からは圧子１６を介して装置下方側へ向けて押圧されることにより、圧縮荷重Ｆを受ける。このため、供試材１２の内部には軸方向の応力が発生する。
【００４７】
供試材１２に圧縮荷重Ｆが負荷された際に、供試材１２の軸心方向が応力ひずみ特性計測装置１０の軸心方向に対して傾いている場合は、球面座２６の上側板材２６Ｂ及び下側板材２６Ｃが球体部２６Ａに対して摺動する。これにより、試料台２４が球面座２６に沿って回転するため、供試材１２の軸心方向が調整される。これにより、供試材１２の下面は装置上方側へ向けて垂直に押圧されるため、供試材１２には軸心方向に沿って荷重が負荷される。これにより、供試材１２の軸心方向に沿って的確に荷重を作用させることができるため、供試材１２の軸方向に負荷された荷重と供試材１２に発生した応力との関係を容易かつ明確に把握することができる。
【００４８】
圧縮荷重Ｆを受けた供試材１２は、径方向へ向けて変形しようとするが、拘束パイプ１４により抑制される。このため、供試材１２外側面は、拘束パイプ１４の挿通孔１８を径方向外側へ向けて押圧する。これにより、拘束パイプ１４の内部には、拘束パイプ１４の径方向（拘束パイプ１４の軸方向に直交する方向）に対して応力が発生する。発生した径方向のひずみは、拘束パイプ１４の外周面に貼付されたひずみゲージ４６により計測される。
【００４９】
このように、円筒状の拘束パイプ１４を備えた応力ひずみ特性計測装置１０を用いることで、供試材１２全体の変形を抑制し、多軸応力状態を発生させることができる。また、外周方向への変形が拘束された供試材１２は、拘束パイプ１４を押圧するため、拘束パイプ１４の径方向にひずみが発生し、拘束パイプ１４の軸方向のひずみは殆ど生じない。これにより、多軸応力下の供試材１２の軸方向に負荷された荷重から算出される応力と拘束パイプ１４の径方向のひずみとの関係を容易かつ明確に把握することができる。
【００５０】
また、応力ひずみ特性計測装置１０は簡易な構成であり、計測も容易で精度管理も行いやすい。このため、大掛かりな静水圧負荷機構を構成することなく、容易かつ計測データの解釈が明確な大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を高精度で求めることができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置１０は、材料の局所変形部などにおける多軸応力下において、複雑な機構を用いることなく容易に計測をすることができると共に得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性の計測をすることができる。
【００５２】
さらに、本実施形態によれば、軸心傾き調整機構２２、２４、２６、２８により、供試材１２の軸方向負荷の偏心を抑制できると共に荷重の軸方向に対する供試材１２の軸方向のずれも補正できるため、高精度の計測を行うことができる。これにより、偏心により拘束パイプ１４と試料台２４の間に隙間が生じ、その隙間から供試材１２が押し出されてバリが生じ、十分な拘束が生じない状態も回避できる。
【００５３】
なお、ここでは、圧子１６は、供試材１２の装置上方側にだけ設けられたが、これに限らず、上記のバリの発生を抑制又は防止するために圧子が供試材の装置上方側と装置下方側の両側に設けられてもよい。
【００５４】
また、本実施形態に係る応力ひずみ特性解析装置５０を用いた応力ひずみ特性解析の具体例の説明を通じて、本実施形態の作用並びに効果について説明する。
【００５５】
図２Ｂに示される応力ひずみ特性解析のフローチャートのステップ１００において、計測変形データ算出部６０により供試材１２の軸方向の応力と拘束パイプ１４の径方向のひずみの関係である大変形域又は多軸応力下の計測変形データが算出される。図５には、計測変形データが丸印で示されている。後述する有限要素解析の結果と対比することにより、応力毎に補正率Ｆｈ（硬化率又は軟化率）が変動していることが分かる。
【００５６】
ステップ１１０において、予測変形データ取得部６２は、はじめに、元となる供試材１２の応力ひずみ曲線を用いて、硬化又は軟化の複数の状態を想定して補正された複数の供試材１２の応力ひずみ曲線を算出する。元となる供試材１２の応力ひずみ曲線は、供試材１２の径方向の変形を拘束しない通常の単軸圧縮試験等により計測され、予めコンピュータ５２に記録されている。図３には、多軸応力下における硬化又は軟化を想定して補正された供試材１２の応力ひずみ曲線の一例が点線で示されている。実線は、供試材１２の径方向の変形を拘束しない通常の単軸圧縮試験に基づき求めた応力ひずみ曲線である。ここでは、同じひずみに対する補正後の応力を補正前の応力で割った値を補正率Ｆｈと定義し、通常の単軸圧縮試験に基づき求めた応力の値に補正率Ｆｈをかけることで多軸応力下における硬化又は軟化を想定した供試材の応力ひずみ曲線を設定した。図中の例（点線）は、硬化を想定して補正率Ｆｈ＝２．０として補正された例である。
【００５７】
予測変形データ取得部６２は、次に、想定された硬化又は軟化の複数の状態毎に補正された供試材１２の応力ひずみ曲線を用いて、有限要素解析を行う。有限要素解析は、応力ひずみ特性計測装置１０で用いられた供試材１２及び拘束パイプ１４のモデル（メッシュデータ）を用いて行われる。これにより、補正された応力ひずみ曲線毎に供試材１２の軸方向の応力と拘束パイプの軸方向に直交する方向のひずみとの関係である多軸応力下の予測変形データが算出される。
【００５８】
図４には、予測変形データ取得部６２の有限要素解析に用いられたモデル（メッシュ）が示されている。モデルは、応力ひずみ特性計測装置１０による計測における拘束パイプ１４及び供試材１２と同じ形状と寸法の拘束パイプモデル６６及びパイプモデル６８がモデル化された。応力ひずみ特性計測装置１０による計測と同様に円筒形状を有するため、有限要素解析の精度を確保することができる円筒座標系を用いたモデル化が可能とされる。
【００５９】
予測変形データ取得部６２では、複数の補正率Ｆｈについて広範な解析を行うことから計算時間の短縮を図る事が望ましい。このため、円筒形状の拘束パイプ１４及び供試材１２に軸方向の荷重が作用する場合は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向において、略対称の変形が生じるため、各軸に直交する面でそれぞれの中央部が切断されている。これにより、モデル（メッシュ）の要素数を全体の１／８まで減らしたモデルを用いて解析を行われている。
【００６０】
図５には、補正率Ｆｈ毎の有限要素解析により算出された供試材１２の軸方向（Ｚ軸方向）応力と拘束パイプ１４の外周部の径方向のひずみとの関係である予測変形データの解析例が示されている。縦軸は供試材１２の軸方向の応力を表し、横軸は径方向のひずみを表す。４本の線で示される解析結果は、硬化を想定して補正率Ｆｈを１．０〜４．０とした場合の解析例である。また、丸印で示された値は、前述したようには、応力ひずみ特性計測装置１０を用いた計測変形データである。応力の発生初期においては、計測変形データは補正率Ｆｈ＝１の予測変形データと合致しており、応力の増大に伴い、補正率Ｆｈ＝２の予測変形データに合致していくことがわかる。このように、応力の発生状況によって、硬化や軟化の影響を反映する補正率Ｆｈが変動することがわかる。
【００６１】
また、図６には、補正率Ｆｈ毎の有限要素解析により算出された供試材１２の応力３軸度ＳＴと拘束パイプ外周部の径方向のひずみの関係についての解析例が示されている。縦軸は応力３軸度ＳＴを表し、横軸は径方向のひずみを表す。有限要素解析によれば、軸方向以外の応力及び静水圧応力も算出することが可能である。応力の発生状況によって、応力３軸度ＳＴも大きく変動する場合があることがわかる。
【００６２】
図２Ｂに示される応力ひずみ特性解析のフローチャートのステップ１２０において、応力ひずみ特性算出部６４は、計測変形データと予測変形データ取得部６２で入力された又は読み込まれた予測変形データを対比させることにより、応力毎に変化する硬化又は軟化の状態を把握する。具体的には、元の応力ひずみ曲線より硬化又は軟化している割合である応力ひずみ曲線の補正率Ｆｈ（硬化率又は軟化率）を求める。図７には、図５及び図６で示された計測変形データ及び予測変形データから拘束パイプの径方向のひずみ毎（図７中のａ１〜ａ９参照）に求めた供試材１２の軸方向の応力と補正率Ｆｈとの関係が示されている。図の縦軸は供試材１２の軸方向の応力、横軸は補正率Ｆｈを示す。
【００６３】
応力ひずみ特性算出部６４は、次に、予測変形データから求めた供試材１２の軸方向の応力と補正率Ｆｈの関係と計測変形データとを対比する。これにより、図８に示されるように、応力３軸度ＳＴと補正率Ｆｈの相関を明らかにすることができる。図の縦軸は補正率Ｆｈ、横軸は応力３軸度ＳＴを示す。これにより、供試材１２の局所変形部等において応力の発生状態によって変化する応力３軸度ＳＴから多軸応力下で発生する硬化又は軟化を考慮して応力ひずみ曲線を補正するための補正率Ｆｈを求め、図３に示されるように多軸応力下の補正された応力ひずみ特性を算出することができる。
【００６４】
また、応力ひずみ特性解析装置５０は簡易な構成であることに加えて、有限要素解析は円筒座標系を用いたモデル化と供試材１２の軸方向だけの荷重負荷であるため、解析も容易で精度管理も行いやすい。このため、予測変形データが迅速に得られ、容易かつ得られたデータの解釈が明確な大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性を高精度で求めることができる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態に係る大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置は、材料の局所変形部などにおける多軸応力下において、得られたデータの解釈が容易かつ明確となる大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性の解析をすることができる。
【００６６】
なお、ここでは、拘束パイプ１４の径方向のひずみ計測方向は、円筒状に形成された拘束パイプ１４の外側面の周方向のどの位置でもよく、今回の計測位置から±９０度周方向に回転した位置で計測されてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１０   大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性計測装置
１２   供試材
１４   拘束パイプ
１６   圧子
１８   挿通孔
２０   軸心位置調整板（軸心位置調整機構）
２０Ａ 圧子嵌合部
２２   ガイドパイプ（軸心傾き調整機構）
２４   試料台（軸心傾き調整機構）
２６   球面座（軸心傾き調整機構）
２８   軸心調整フランジ（軸心傾き調整機構）
４０   固定ロッド
４２   負荷ロッド
４４   ロードセル（荷重計測装置）
４６   ひずみゲージ（パイプひずみ計測装置）
５０   大変形域又は多軸応力下の応力ひずみ特性解析装置
５４   入力部
５６   出力部
６０   計測変形データ算出部
６２   予測変形データ取得部
６４   応力ひずみ特性算出部
【図１Ａ】
2019203765.tif 000003
【図１Ｂ】
2019203765.tif 000004
【図１Ｃ】
2019203765.tif 000005
【図２Ａ】
2019203765.tif 000006
【図２Ｂ】
2019203765.tif 000007
【図３】
2019203765.tif 000008
【図４】
2019203765.tif 000009
【図５】
2019203765.tif 000010
【図６】
2019203765.tif 000011
【図７】
2019203765.tif 000012
【図８】
2019203765.tif 000013