(57)【要約】【課題】物体を試験体に衝突させる際の衝突荷重を、低コストかつ高精度に計測することが可能な衝突荷重計測装置を提供する。【解決手段】物体２を試験体に衝突させる際の衝突荷重を計測する装置であって、物体２を衝突させる受圧板３と、受圧板３の物体２を衝突させる側と反対側の面に設けられると共に、該反対側の面の中央部から垂直に延びるように設けられる棒状体４と、棒状体４に取り付けられ、物体２が受圧板３に衝突した際の衝突荷重により、棒状体４に発生する歪を計測する歪計測手段５と、歪計測手段５で計測した歪と、予め求めておいた棒状体４の歪と衝突荷重の関係とに基づき、衝突荷重を演算する演算装置６と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を試験体に衝突させる際の衝突荷重を計測する装置であって、
前記物体を衝突させる受圧板と、
該受圧板の前記物体を衝突させる側と反対側の面に設けられると共に、該反対側の面の中央部から垂直に延びるように設けられる棒状体と、
前記棒状体に取り付けられ、前記物体が前記受圧板に衝突した際の衝突荷重により、前記棒状体に発生する歪を計測する歪計測手段と、
前記歪計測手段で計測した歪と、予め求めておいた前記棒状体の歪と衝突荷重の関係とに基づき、衝突荷重を演算する演算装置と、
を備えたことを特徴とする衝突荷重計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼラチン等の物体を高速で試験体に衝突させる際の衝突荷重を計測する衝突荷重計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジェットエンジンへの鳥等の異物衝突損傷（ＦＯＤ：Foreign Object Damage）の評価を行うための基礎試験として、鳥を模擬したゼラチン等の物体（以下、軟質物体という）を射出装置より射出し、軟質物体を高速で試験体に衝突させる高速衝突試験を実施する場合がある。
【０００３】
軟質物体が試験体に衝突する際の衝突荷重は、軟質物体の密度、圧縮性といった物性、速度、および衝突時の形状の影響を受ける。試験の妥当性や再現性を維持するためには、軟質物体を毎回同じ衝突荷重が作用するように試験体に衝突させる必要がある。そのため、試験の妥当性や再現性、解析との比較などのために、衝突荷重の計測データを取得したいという要求がある。試験体の応答を調べるという観点からは衝突荷重の波形が重要であるから、衝突荷重の波形が想定した通りの波形となっていることを確認できる簡便な方法が望まれる。
【０００４】
ところで、衝突荷重は、試験の規模等にもよるが、軟質物体（軟質飛来物）の長さを衝突速度で除した程度の時間継続する。例えば、軟質物体の衝突方向の長さを２５ｍｍ、衝突速度を２００ｍ／ｓとすれば、衝突荷重が継続する時間は０．１２５ｍｓ程度となる。軟質物体が試験体に衝突する際の衝突荷重を計測する際には、このように非常に短い時間に作用する大きな荷重を精度良く計測することが必要となる。
【０００５】
従来の衝突荷重の計測方法としては、応答速度の速いロードセルを用いる方法（例えば、非特許文献１）や、荷重を計測する代わりに圧力を計測する方法（例えば、非特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５６４８４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Georgiadis et al.、「Bird-Strike simulation for Certification of the Boeing 787 Composite Moveable Trailing Edge」、Composite Structures 86、２００８年
【非特許文献２】Lavoie et al.、「Birds substitute tests results and evaluation of available numerical methods」、Int. J. Impact Engineering 36、２００９年
【非特許文献３】井上裕嗣、他３名、「逆解析手法を用いた衝撃荷重の測定（伝達関数の推定法の比較検討と計装化シャルピー衝撃試験への応用）」、日本機械学会論文集Ａ、Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．５３４、ｐｐ．４２４〜４２９、１９９１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１のロードセルを用いる方法では、応答速度の速いロードセルは高価であるため、高コストとなってしまう問題がある。また、ロードセルは、現状では、上限周波数が３６ｋＨｚ程度であり、上述のような軟質物体を用いた衝突試験の衝突荷重を計測する場合には、応答速度が必ずしも十分でないという問題がある。さらには、ロードセルは比較的小さい面積で受圧するため、荷重作用面からロードセルまでなんらかの受圧構造と荷重伝達のための構造が必要であり、間接的な荷重計測となってしまう問題もある。
【０００９】
非特許文献２の圧力を計測する方法では、圧力計測を行うための圧力センサーが、ロードセルに比べて高い周波数領域まで用いることができるため、応答速度の観点からは十分に対応可能である。しかし、軟質物体の衝突荷重は広い面積に作用し、大きな圧力勾配を有するので、その分布形まで把握するとなると、多数の圧力センサーが必要となり、結果的に高コストとなってしまう問題がある。
【００１０】
特許文献１では、リーンフォースメントの裏面に弾性を有するクランク部材を設けると共に、クランク部材の中心部に歪ゲージを設け、リーンフォースメントの表面側に物体が衝突したときに、クランク部材の変形によるクランク部材の中心部の歪を歪ゲージで計測する車両用衝突検出装置が開示されている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１の方法では、車両に物体が衝突した場合（すなわち衝突時間が長い場合）を想定しているため応答速度が遅く、上述のような軟質物体を用いた衝突試験の衝突荷重を計測することはできないという問題がある。具体的には、この方法では、衝突時の衝撃により弾性的に変形したクランク部材の歪を計測するが、そのクランク部材の変形に時間がかかるため、例えば０．１ｍｓという非常に短い時間の歪の波形を精度よく計測することは困難である。また、特許文献１では、衝突時の荷重が波として伝わる際のメカニズムが複雑であるため、歪の波形から衝突荷重の波形を求めることも困難である。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、物体を試験体に衝突させる際の衝突荷重を、低コストかつ高精度に計測することが可能な衝突荷重計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、物体を試験体に衝突させる際の衝突荷重を計測する装置であって、前記物体を衝突させる受圧板と、該受圧板の前記物体を衝突させる側と反対側の面に設けられると共に、該反対側の面の中央部から垂直に延びるように設けられる棒状体と、前記棒状体に取り付けられ、前記物体が前記受圧板に衝突した際の衝突荷重により、前記棒状体に発生する歪を計測する歪計測手段と、前記歪計測手段で計測した歪と、予め求めておいた前記棒状体の歪と衝突荷重の関係とに基づき、衝突荷重を演算する演算装置と、を備えた衝突荷重計測装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、物体を試験体に衝突させる際の衝突荷重を、低コストかつ高精度に計測することが可能な衝突荷重計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る衝突荷重計測装置の概略構成図である。
【図２】本発明において、伝達関数を求める際のシミュレーションモデルと、衝突荷重と棒状体の歪の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る衝突荷重計測装置の概略構成図である。
【００１８】
図１に示すように、衝突荷重計測装置１は、ゼラチン等の物体（以下、軟質物体という）２を高速で試験体（図示せず）に衝突させる際の衝突荷重を計測する装置であって、軟質物体２を衝突させる受圧板３と、受圧板３の軟質物体２を衝突させる側と反対側の面に設けられると共に、反対側の面の中央部から垂直に延びるように設けられる棒状体４と、棒状体４に取り付けられ、軟質物体２が受圧板３に衝突した際の衝突荷重により、棒状体４に発生する歪を計測する歪計測手段としての歪ゲージ５と、歪ゲージ５で計測した歪と、予め求めておいた棒状体４の歪と衝突荷重の関係とに基づき、衝突荷重を演算する演算装置６と、を備えている。
【００１９】
受圧板３は、円板状に形成され、その中心に軟質物体２の中心が位置した状態で両者が衝突するように、設置位置が調整される。軟質物質２は、受圧板３への衝突時に流体的に変形し、比較的広範囲に圧力を作用させるが、受圧板３は、その圧力を受けるに十分な寸法に形成される。つまり、受圧板３は、軟質物体２が衝突し圧力が作用するエリアをカバーするように設置される。
【００２０】
受圧板３の軟質物体２を衝突させる側と反対側の面の中央部には、棒状体４が設けられる。受圧板３と棒状体４は、一体に形成されていてもよいが、例えば受圧板３が変形した場合に受圧板３のみを取り替えることができるように、着脱可能とすることが望ましい。本実施の形態では、受圧板３の中央部にネジ穴を設けると共に、棒状体４の先端部の外周部にネジ山を設け、両者を螺合させることにより、受圧板３と棒状体４とを一体とするように構成した。
【００２１】
図１では受圧板３を板状に形成する場合を示しているが、これに限らず、受圧板３の棒状体４を設ける側を、前方から後方（図示左側から右側）にかけて徐々に径が小さくなるテーパ状に形成してもよい（図２のシミュレーションモデル参照）。
【００２２】
棒状体４は、細長い円柱状に形成される。棒状体４には、棒状体４の歪を計測する歪ゲージ５が貼付されている。ここでは、歪ゲージ５を１つ設けた場合を示しているが、複数箇所で歪を測定すべく、複数の歪ゲージ５を設けてもよい。歪ゲージ５は、上限周波数５００ｋＨｚ程度でその応答を計測することが可能であり、市販のロードセルでは追従できない高周波成分まで取得でき、かつ安価である。
【００２３】
棒状体４は、その長さが、直径の４０倍以上、好ましくは、４０倍〜１００倍程度となるように形成されるとよい。これは、受圧板３に軟質物体２を衝突させた際に、受圧板３を介して棒状体４に伝わる波（縦波）を一次元的に近似し、一次元波動論に基づき計測を行うためである。
【００２４】
衝撃を受けた際に物体を伝わる波（縦波）は、通常は３次元的に伝わり、様々な伝播速度を含んだものであるが、棒状体４のような細長い棒を伝わる際には、その表面で反射したり回折したりして、１つの伝播速度で１方向に伝わる１次元的な波として近似できることが知られている。このとき、棒の内部と表面で一様に波が伝わっていると近似できるため、歪ゲージ５で棒状体４の表面の歪を計測し、その計測した歪に棒状体４の断面積とヤング率を乗じれば、荷重が求められることになる。つまり、歪ゲージ５で棒状体４の表面の歪を計測することで、直接荷重を計測することができる。
【００２５】
受圧板３と棒状体４としては、例えば鋼製のものを用いるとよい。ただし、受圧板３と棒状体４としては、軟質物体２が衝突した時に、歪ゲージ５で精度良く計測可能な歪が生じるものであれば、どのようなものを用いてもよく、例えば、金属以外のプラスチック等を用いることも可能である。
【００２６】
棒状体４は、支持構造としてのサポート７により摺動可能（図示左右方向に移動可能）に支持される。図１では、３つのサポート７を設けた場合を示しているが、サポート７の数は特に限定するものではない。
【００２７】
サポート７としては、例えば、ベアリングやテフロンリングを使用することができる。なお、サポート７の構造は特に限定するものではなく、例えば、Ｖ字の溝を有する部材の上に棒状体４を載置する構成とすることも可能である。
【００２８】
棒状体４の後方、すなわち受圧板３と反対側には、軟質物体２を衝突させた際に、衝突方向に移動する棒状体４を受ける緩衝部材８が設けられている。なお、軟質物体２は例えば１０〜２０ｇ程度あり、軟質物体２が受圧板３に衝突する時間は非常に短く、瞬間的にしか作用しない力はエネルギー的には小さい。さらに、受圧板３と棒状体４は例えば１〜２ｋｇ程度であるから、軟質物体２を衝突させた際に受圧板３と棒状体４が移動する速度は、数１０ｃｍ／ｓ程度である。
【００２９】
歪ゲージ５と演算装置６とは、信号線９を介して接続されており、この信号線９を介して、歪ゲージ５の出力信号が演算装置６に入力されるようになっている。演算装置６は、例えばパーソナルコンピュータであり、歪ゲージ５の出力信号を基に歪を計測し、計測した歪の解析を行い衝突荷重を求めるものである。
【００３０】
上述のように、一般的には、棒状体４の表面の歪を測定することで直接荷重を求めることができるが、本実施の形態に係る衝突荷重計測装置１では、衝突荷重が受圧板３を介して棒状体４に伝わるので、受圧板３の構造や寸法によりタイムラグ等の影響が生じる。よって、受圧板３の影響を考慮するために、本実施の形態では、棒状体４の歪と衝突荷重の関係を伝達関数として予め取得しておく。
【００３１】
衝突荷重をｆ（ｔ）、棒状体４の歪をｅ（ｔ）とすると、両者の関係は、［数１］に示す式（１）のように表すことができる。ただし、ｈ（ｔ）は系のインパルス応答である。
【００３２】
【数１】
2013019675.tif 000003
【００３３】
式（１）をラプラス変換すれば、下式（２）
Ｆ（ｐ）＝Ｅ（ｐ）／Ｈ（ｐ）    ・・・（２）
が得られる。ただし、式（２）におけるＦ（ｐ）、Ｅ（ｐ）、Ｈ（ｐ）は、ｆ（ｔ）、ｅ（ｔ）、ｈ（ｔ）のラプラス変換であり、Ｈ（ｐ）は系の伝達関数である。
【００３４】
演算装置６は、上述のような関係を利用し、計測した棒状体４の歪ｅ（ｔ）をラプラス変換してＥ（ｐ）を求めると共に、求めたＥ（ｐ）と予め求めた伝達関数Ｈ（ｐ）を用いて式（２）によりＦ（ｐ）を求め、そのＦ（ｐ）を逆変換することで、衝突荷重ｆ（ｔ）を求める。なお、棒状体４の歪から衝突荷重を求める手順については、非特許文献３に詳しく記載されている。
【００３５】
伝達関数Ｈ（ｐ）は、図２のようなシミュレーションモデルを作成し、有限要素法による解析を行い、軟質物体２が衝突した際の衝突荷重（図２の左下）と、歪ゲージ５を貼付する位置での棒状体４の歪（図２の右下）との関係をシミュレートすることにより、同定することができる。
【００３６】
なお、棒状体４を伝わる波（縦波）は棒状体４の端部にて反射するので、歪ゲージ５では、反射波が重畳した状態の歪が計測されることになる。棒状体４を伝播する波の速度、棒状体４の長さ、棒状体４の端部での反射率を予め求めておけば、どのタイミングでどの大きさの反射波が重畳されるかが分かるので、演算装置６では、反射波を分離して、入射波のみを歪の波形として用いるようにすればよい。
【００３７】
次に、衝突荷重計測装置１の動作を説明する。
【００３８】
受圧板３を所定位置（試験体を配置する位置）に配置し、射出装置から軟質物体２を射出する。軟質物体２が受圧板３に衝突すると、受圧板３にて受けた衝突荷重は波（縦波）として棒状体４に伝達する。
【００３９】
このとき棒状体４に発生する歪を、棒状体４の表面に貼付した歪ゲージ５により動的に計測する。歪ゲージ５の出力信号は、信号線９を介して演算装置６に入力される。
【００４０】
演算装置６は、歪ゲージ５の出力信号を基に歪を計測し、計測した歪のデータと、予め取得した棒状体４の歪と衝突荷重の関係（上述の伝達関数Ｈ（ｐ））とを基に、衝突荷重を演算する。得られた衝突荷重は、例えば、モニターなどの表示器に表示される。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態に係る衝突荷重計測装置１は、軟質物体２を衝突させる受圧板３と、受圧板３の軟質物体２を衝突させる側と反対側の面に設けられると共に、反対側の面の中央部から垂直に延びるように設けられる棒状体４と、棒状体４に取り付けられ、軟質物体２が受圧板３に衝突した際の衝突荷重により、棒状体４に発生する歪を計測する歪計測手段としての歪ゲージ５と、歪ゲージ５で計測した歪と、予め求めておいた棒状体４の歪と衝突荷重の関係とに基づき、衝突荷重を演算する演算装置６と、を備えている。
【００４２】
つまり、衝突荷重計測装置１では、圧力ではなく荷重を求めるものとし、市販のロードセルではなく歪ゲージ５を貼付した細長い棒状体４を利用し、１次元波動論に基づき荷重を計測している。
【００４３】
これにより、市販の圧力センサーやロードセルを用いる必要がなくなり、低コストな衝突荷重計測装置１が実現できる。
【００４４】
また、歪ゲージ５は、その上限周波数が例えば５００ｋＨｚと、市販のロードセル（例えば３６ｋＨｚ）と比較して応答速度が速い。さらに、本発明では、棒状体４の歪を計測しており、特許文献１のように物質の弾性的な変形を介していない。よって、本発明によれば、応答速度が非常に速く、高周波成分まで取得することが可能な衝突荷重計測装置１を実現でき、軟質物体２を高速で試験体に衝突させる際の衝突荷重のように、非常に短い時間に作用する衝突荷重であっても、高精度に計測することが可能である。
【００４５】
さらに、本実施の形態では、一次元波動論を用いて衝突荷重を計測しているため、高周波成分まで精度良く衝突荷重を計測することができる。
【００４６】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４７】
１  衝突荷重計測装置
２  軟質物体（物体）
３  受圧板
４  棒状体
５  歪ゲージ（歪計測手段）
６  演算装置
７  サポート
８  緩衝部材
【図１】
2013019675.tif 000004
【図２】
2013019675.tif 000005