(57)【要約】【課題】例えば、疲労試験に用いられる供試体に対して、多軸を模擬した均一なひずみ状態を作り出す。【解決手段】板状の供試体５０の周縁部を支持体１２に固定する供試体固定工程と、固定された供試体５０の主面上で、固定された周縁部よりも内側に複数の荷重付与点Ｐを設定する荷重付与点設定工程と、設定した複数の荷重付与点Ｐに対して主面と交差する方向に荷重を付与する荷重付与工程と、を備える多軸荷重付与方法を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の供試体の周縁部を支持体に固定する供試体固定工程と、
固定された前記供試体の主面上で、固定された前記周縁部よりも内側に複数の荷重付与点を設定する荷重付与点設定工程と、
設定した前記複数の荷重付与点に対して主面と交差する方向に荷重を付与する荷重付与工程と、を備える多軸荷重付与方法。
【請求項２】
前記荷重付与点設定工程において、前記荷重付与点は、荷重を発生させる荷重軸回りに環状に複数配置され、前記荷重軸に対して位置調整を行う請求項１に記載の多軸荷重付与方法。
【請求項３】
前記荷重付与点設定工程において、前記位置調整は、前記荷重軸に対して径方向に行う請求項２に記載の多軸荷重付与方法。
【請求項４】
前記荷重付与点設定工程において、前記位置調整は、前記荷重軸に対して周方向に行う請求項２に記載の多軸荷重付与方法。
【請求項５】
前記荷重付与工程の前段において、前記供試体を所定の温度及び所定の圧力の水に浸漬させる供試体浸漬工程を、さらに備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の多軸荷重付与方法。
【請求項６】
板状の供試体に荷重を付与させるための多軸荷重付与機構であって、
前記供試体の周縁部を固定する支持体と、
荷重を発生させる荷重軸に固定される固定部を有する基部と、
前記基部から前記供試体に向けて突出して前記供試体に接触される複数の荷重付与部と、を備える多軸荷重付与機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供試体に荷重や振動を付与するための多軸荷重付与方法、及びこの方法を用いて供試体に荷重を付与する多軸荷重付与機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温高圧水中での環境疲労評価においては、単軸による疲労試験結果を基準にして、ひずみ速度と温度等をパラメータとして評価する方法を用いている。一方、例えば加圧水型原子力発電設備などの実機においては、内圧、軸力、ねじり等により多軸応力場が想定されている。即ち、一方向の荷重のみならず、複数方向からの複雑な荷重が付与される状況を想定した試験が必要となる。よって、高温高圧水中における多軸疲労試験を実施可能な方法が望まれている。
特許文献１には、供試体に対して同心円状に負荷をかけることによって、曲げによる多軸応力場制御を可能とする試験装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１９５９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載の試験装置においては、荷重を同心円状にのみ付与する構成であるため、複雑な多軸場を模擬することが難しいという課題があった。また、供試体を観察するためのスペースがないため、例えば供試体にき裂が発生した際に測定を行うための装置が必要であるという課題があった。
【０００５】
この発明は、供試体に対して多軸を模擬した均一なひずみ状態を作り出すことができる多軸荷重付与方法、及びこの方法を用いて供試体に荷重を付与する多軸荷重付与機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様によれば、多軸荷重付与方法は、板状の供試体の周縁部を支持体に固定する供試体固定工程と、固定された前記供試体の主面上で、固定された前記周縁部よりも内側に複数の荷重付与点を設定する荷重付与点設定工程と、設定した前記複数の荷重付与点に対して主面と交差する方向に荷重を付与する荷重付与工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、複数の荷重付与点によって荷重を付与することによって、供試体に対して複数付与による多軸を模擬した均一なひずみ状態を作り出すことができる。
【０００８】
前記荷重付与点設定工程において、前記荷重付与点は、荷重を発生させる荷重軸回りに環状に複数配置され、前記荷重軸に対して位置調整を行う構成としてもよい。
【０００９】
このような構成によれば、複数の荷重付与点の位置調整を行って複数の荷重付与点を変化させることによって、多種多様な多軸応力場の発生が可能となる。
【００１０】
前記荷重付与点設定工程において、前記位置調整は、前記荷重軸に対して径方向に行ってよい。
前記荷重付与点設定工程において、前記位置調整は、前記荷重軸に対して周方向に行ってよい。
【００１１】
前記荷重付与工程の前段において、前記供試体を所定の温度及び所定の圧力の水に浸漬させる供試体浸漬工程を、さらに備えてよい。
このような構成によれば、所定の温度及び所定の圧力の水中において、供試体の評価を行うことができる。
【００１２】
本発明の第二の態様によれば、多軸荷重付与機構は、板状の供試体に荷重を付与させるための多軸荷重付与機構であって、前記供試体の周縁部を固定する支持体と、荷重を発生させる荷重軸に固定される固定部を有する基部と、前記基部から前記供試体に向けて突出して前記供試体に接触される複数の荷重付与部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の荷重付与点によって荷重を付与することによって、供試体に対して複数付与による多軸を模擬した均一なひずみ状態を作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の多軸荷重付与装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態の多軸荷重付与装置の供試体近傍の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態の多軸荷重付与装置を構成する基部の平面図であって、荷重付与点を楕円形に設定した様子を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の多軸荷重付与装置を構成する基部の平面図であって、荷重付与点を四角形に設定した様子を示す図である。
【図５】本発明の実施形態の多軸荷重付与装置の枝状シャフトの内部に設けられているセンサを説明する一部断面図である。
【図６】本発明の実施形態の変形例の多軸荷重付与装置の供試体近傍の拡大図である。
【図７】本発明の実施形態の別の変形例の多軸荷重付与装置を構成する基部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態の多軸荷重付与方法を実施するための多軸荷重付与装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の多軸荷重付与装置１は、固定された供試体５０に荷重や振動を付与する装置であり、ベース部２と、ベース部２に支持されている圧力容器３と、圧力容器３の内外に亘って配置されている多軸荷重付与装置本体４と、を有している。
図２に示すように、供試体５０は、中央部５１が他の部位よりも薄く形成されており、平面視して円板状をなしている。
【００１６】
圧力容器３は、上部が上壁６によって封止され、下部が下壁７によって封止された円筒形状をなしている。圧力容器３の下壁７には、圧力容器３内に水を供給する水供給配管８と、圧力容器３内から水を排出する水排出配管９が接続されている。また、圧力容器３の下壁７には、荷重軸２２を水密を保持しながら挿通させる荷重軸孔１０が形成されている。
【００１７】
多軸荷重付与装置本体４は、圧力容器３内に配置されているロードフレーム１１（櫓）と、供試体５０を把持する供試体固定治具１３を有する供試体支持部１２（支持体）と、供試体５０に荷重や振動を付与する多軸荷重付与機構１４と、を有している。
ロードフレーム１１は、圧力容器３の上壁６近傍に配置されたロードフレーム上部１６と、ロードフレーム上部１６を支持するロードフレーム脚部１７と、を有している。
【００１８】
供試体支持部１２は、ロードフレーム上部１６より下方に延在するように取り付けられている支持部本体１８と、支持部本体１８の下部に取り付けられ供試体固定治具１３を支持する固定治具支持フレーム１９と、供試体固定治具１３と、を有している。
供試体固定治具１３は、円板状の供試体５０の周縁部を供試体５０の主面と直交する方向（本実施形態では上下方向）から挟み込むことで供試体５０を固定する治具である。供試体固定治具１３は、供試体５０の周縁部全体を把持してもよいし、供試体５０の周縁部の数ヶ所を等間隔で把持してもよい。即ち、供試体固定治具１３は、多軸荷重付与機構１４から供試体５０に荷重が付与された際、供試体５０の周縁部が動かないように、供試体５０の周縁部を固定する。
【００１９】
図１及び図２に示すように、多軸荷重付与機構１４は、ベース部２に固定された荷重発生装置２１と、荷重発生装置２１によって発生する荷重・振動が伝達される荷重軸２２と、固定部２３を介して荷重軸２２に固定されている基部２４と、基部２４に取り付けられている複数の枝状シャフト２５と、を有している。
荷重軸２２には、ロードセル３１が取り付けられており、荷重発生装置２１による荷重の測定が可能である。
荷重発生装置２１は、周期的な振動を発生して荷重軸２２を荷重軸２２の長手方向に加振したりする加振装置としての機能や、静的荷重を荷重軸２２に発生させる機能を有している。
【００２０】
図３に示すように、基部２４は、円柱状の部位であり、荷重軸２２の端部に荷重軸２２と同心となるように固定部２３を介して固定されている。基部２４には径方向に沿って延在するように形成された複数の固定長孔２６が形成されている。固定長孔２６は、枝状シャフト２５の位置を変更するための位置調整機構として機能する固定孔である。
固定長孔２６は、基部２４の中央近傍から基部２４の周縁部に向かって、円形の基部２４の径方向に沿って形成されている。
複数の固定長孔２６は、円形の基部２４の周方向において等間隔に形成されている。本実施形態の基部２４には、４５°間隔で８つの固定長孔２６が形成されている。なお、固定長孔２６の長さ及び周方向の間隔はこれに限ることはなく、例えば９０°間隔で４つの固定長孔２６を形成してもよい。
【００２１】
図２に示すように、枝状シャフト２５は、基部２４に基部２４から突出して取り付けられている。枝状シャフト２５は、供試体５０に接触もしくは連結されることで、荷重発生装置２１の荷重や振動を供試体５０に伝達する荷重付与部として機能する部位である。具体的には、枝状シャフト２５は、固定された供試体５０の主面上で、固定された周縁部よりも内側に設定された複数の荷重付与点Ｐに対して、供試体５０の主面と交差（本実施形態では直交）する方向に荷重を付与する。
【００２２】
枝状シャフト２５は、円柱形状（棒状）をなし、外周面の一部には、ナットと協働して枝状シャフト２５を固定するための雄ネジ（図示せず）が形成されている。枝状シャフト２５の第一の端部は、第一固定ナット２８を介して基部２４に固定されている。
枝状シャフト２５の第一の端部とは反対側の第二の端部は、第二固定ナット２９を介して供試体５０に固定されている。枝状シャフト２５の外周面に形成された雄ネジと第二固定ナット２９とは、枝状シャフト２５と供試体５０とを連結する連結部として機能する。即ち、荷重軸２２が上方に移動すると供試体５０の荷重付与点Ｐに上方に荷重がかかり、荷重軸２２が下方に移動すると供試体５０の荷重付与点Ｐに下方に荷重がかかる。
【００２３】
供試体５０には基部２４の固定長孔２６に対応して形成された第二固定長孔３０が形成されている。なお、図１及び図２においては、供試体５０と枝状シャフト２５の連結部としての機能を説明するために、第二固定長孔３０は、単なる円形の孔として描かれている。供試体５０には、上方（荷重軸２２の長手方向に平行な方向）から見て基部２４の固定長孔２６と略同形状の長孔が形成されている。
【００２４】
図示しないが、第二固定長孔３０は、供試体５０の中央部５１近傍から、供試体５０の周縁部に向かって、円形の供試体５０の径方向に沿って形成されている。複数の第二固定長孔３０は、円形の供試体５０の周方向において等間隔に形成されている。本実施形態の供試体５０には、４５°間隔で８つの第二固定長孔３０が形成されている。第二固定長孔３０の周囲は、供試体５０の本体部よりもやや厚さが厚くなっている。
【００２５】
枝状シャフト２５は、荷重軸２２に対して径方向に位置調整を行うことができる。換言すれば、位置調整機構として機能する固定長孔２６を利用することによって、枝状シャフト２５は、径方向の位置を変更することができる。複数の枝状シャフト２５の径方向位置は同じである必要はなく、荷重付与条件に応じて変更することができる。
【００２６】
例えば、図３に示すように、複数の荷重付与点Ｐが、楕円形をなすように枝状シャフト２５の位置を調整することができる。即ち、複数の枝状シャフト２５の径方向位置は、同じでなくてもよく、適宜変更することができる。
また、図４に示すように、全ての枝状シャフト２５を使用する必要はなく、４つの枝状シャフト２５を用いてもよい。図４においては、４本の枝状シャフト２５を用いて四角形状に荷重を付与している。
【００２７】
図５に示すように、枝状シャフト２５には、荷重発生装置２１によって付与される荷重を測定するためのセンサ３２を設けることができる。センサ３２は、枝状シャフト２５を第一枝状シャフト３３と第二枝状シャフト３４とに二分割し、第一枝状シャフト３３と第二枝状シャフト３４との間に挟まれるようにして配置されている。枝状シャフト２５は、第一枝状シャフト３３の端部に形成された凹部３５に、第二枝状シャフト３４の端部に形成された凸部３６を挿入することで一体化されている。
【００２８】
センサ３２は、第二枝状シャフト３４の凸部３６の先端面に取り付けられている。また、凹部３５の内周面には、凸部３６の外周面に接触する複数のシール部材３７が取り付けられている。シール部材３７としては、例えばＯリングを採用することができる。
センサ３２としては、防水性を有するセンサが好ましく、静電容量型センサなどの変位計を用いることができる。また、別途温度センサで水温を計測して補正を行うことによりひずみゲージの使用も可能である。
【００２９】
次に、本実施形態の荷重付与装置１を用いた、多軸荷重付与方法について説明する。本実施形態の多軸荷重付与方法は、板状の供試体５０の周縁部を供試体固定治具１３に固定する供試体固定工程と、複数の荷重付与点を設定する荷重付与点設定工程と、圧力容器３内に水を充填する供試体浸漬工程と、荷重を付与する荷重付与工程と、を備えている。
【００３０】
供試体固定工程は、供試体５０の周縁部を、供試体５０に対する支持体として機能する供試体支持部１２の供試体固定治具１３に固定する工程である。
荷重付与点設定工程は、固定された供試体５０の主面上で、固定された周縁部よりも内側に複数の荷重付与点Ｐを設定する工程である。
荷重付与点Ｐは、荷重を発生させる荷重軸２２回りに環状に複数配置され、荷重軸２２に対して位置調整が行われる。荷重付与点Ｐは、供試体５０に対してかけられる所望の多軸応力場に応じて適宜設定される。
【００３１】
供試体浸漬工程は、荷重付与工程の前段において、水供給配管８を介して圧力容器３内に高温高圧の水を供給して供試体５０を所定の温度及び所定の圧力の水に浸漬させる工程である。具体的には、水の温度は２３℃〜３２５℃である。圧力容器３の内部は水で充填され、圧力は例えば０．１ＭＰａ〜１６ＭＰａとなる。水は、水供給配管８から圧力容器３の内部に導入され、水排出配管９から圧力容器３の外部に排出される。水供給配管８及び水排出配管９には、それぞれバルブ（図示せず）が設置されており、バルブ及び循環ポンプにより圧力容器３内部の圧力が調節されている。
【００３２】
荷重付与工程は、荷重付与点設定工程にて設定した複数の荷重付与点Ｐに対して主面と交差する方向に荷重を付与する工程である。荷重は、荷重発生装置２１を用いて荷重軸２２を振動させることにより、荷重軸２２に固定された基部２４及び枝状シャフト２５を介して供試体５０に伝達される。
【００３３】
上記実施形態によれば、複数の荷重付与点Ｐによって荷重を付与することによって、供試体５０に対して複数付与による多軸を模擬した均一なひずみ状態を作り出すことができる。
また、複数の荷重付与点Ｐの位置調整を行って複数の荷重付与点Ｐを変化させることによって、多種多様な多軸応力場の発生が可能となる。
これにより、供試体５０の中央部５１に周方向及び半径方向の応力が発生する。枝状シャフト２５の位置を調整することによって、中央部５１に多種多様な多軸応力場を発生させることが可能となる。この際、中央部５１が他の部位よりも薄く形成されていることによって、所定の位置でき裂が発生し易い構造となっている。
【００３４】
また、供試体５０が連結部として機能する第二固定ナット２９によって連結されていることによって、多軸荷重付与機構１４から付与される引張荷重（下方への荷重）に対応した引張圧縮曲げの試験も可能となる。
また、枝状シャフト２５にセンサ３２を組み込むことによって、個々の荷重を検知することが可能となる。
また、枝状シャフト２５の長さを変更することによって、供試体５０が密閉状態ではなく、外部から観察できるようになる。これにより、き裂発生の確認が容易となる。また、枝状シャフト２５の採用により、多軸荷重付与機構１４の小型化が図れるため、供試体支持部１２と供試体５０とを圧力容器３に入れることで、環境中での試験も可能となる。
【００３５】
次に、本実施形態の変形例の荷重付与装置１Ｂについて説明する。
図６に示すように、本変形例の荷重付与装置１Ｂの多軸荷重付与機構１４Ｂの一部の枝状シャフト２５の端部は、供試体５０と連結する構造となっておらず、先端が半球状とされている。即ち、多軸荷重付与機構１４Ｂにおいては、全ての枝状シャフト２５に連結部を設ける必要はなく、一部又は全ての枝状シャフト２５を片側から荷重を付与する形態としてもよい。
【００３６】
次に、本実施形態の別の変形例の荷重付与装置について説明する。
図７に示すように、本変形例の基部２４Ｃには、基部２４Ｃの周方向に延在する固定長孔２６Ｃが形成されている。
このような基部２４Ｃを用いることによって、荷重付与点Ｐの位置調整を、荷重軸２２に対して周方向に行うことができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３８】
１，１Ｂ  多軸荷重付与装置
２  ベース部
３  圧力容器
４  多軸荷重付与装置本体
６  上壁
７  下壁
８  水供給配管
９  水排出配管
１０  荷重軸孔
１１  ロードフレーム
１２  供試体支持部（支持体）
１３  供試体固定治具
１４，１４Ｂ  多軸荷重付与機構
１６  ロードフレーム上部
１７  ロードフレーム脚部
１８  支持部本体
１９  固定治具支持フレーム
２１  荷重発生装置
２２  荷重軸
２３  固定部
２４，２４Ｃ  基部
２５，２５Ｂ  枝状シャフト（荷重付与部）
２６，２６Ｃ  固定長孔（位置調整機構）
２７  連結部
２８  第一固定ナット
２９  第二固定ナット（連結部）
３０  第二固定長孔
３２  センサ
３３  第一枝状シャフト
３４  第二枝状シャフト
３５  凹部
３６  凸部
３７  シール部材
５０  供試体
５１  中央部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016075531.tif 000007
【図６】
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【図７】
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