(57)【要約】【課題】各種材料の動的物性を容易に、且つ正確に評価することができるようにした材料の動的物性評価方法及びその方法を実施するシステムを提供する。【解決手段】対象とする試験片を固定し、飛翔体を高精度飛翔体発射装置から前記試験片に所定速度で発射して衝突させ、衝突時の試験片各部の変形量の時刻歴を計測する。この計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成する。この応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象とする試験片を固定し、
飛翔体を高精度飛翔体発射装置から前記試験片に所定速度で発射して衝突させ、
衝突時の試験片各部の変形量の時刻歴を計測し、
前記計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、
前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成し、
前記応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定することを特徴とする材料の動的物性評価方法。
【請求項２】
前記未知の動的物性値は、動的ヤング率、動的降伏応力、加工硬化率、破壊靱性値のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の材料の動的物性評価方法。
【請求項３】
前記高精度飛翔体発射装置から、ちょうど試験片を貫通する臨界速度で飛翔体を発射し、そのときの計測結果を、衝撃特性を考慮した構造解析に適用することで、動的降伏応力を求めることを特徴とする請求項１記載の材料の動的物性値評価方法。
【請求項４】
固定した試験片と、前記試験片に飛翔体を所定速度で発射して衝突させる高精度飛翔体発射装置と、前記高精度飛翔体発射装置から発射する飛翔体が試験片に衝突するときの、標的各部の変化量を時間経過と共に計測する計測手段とを備えた物性基礎データ測定システムと、
前記計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成し、前記応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定する解析システムとからなることを特徴とする材料の動的物性値評価システム。
【請求項５】
前記未知の動的物性値は、動的ヤング率、動的降伏応力、加工硬化率、破壊靱性値のいずれかであることを特徴とする請求項４記載の材料の動的物性評価システム。
【請求項６】
前記高精度飛翔体発射装置から、ちょうど試験片を貫通する臨界速度で飛翔体を発射し、そのときの計測結果を、衝撃特性を考慮した構造解析に適用することで、動的降伏応力を求めることを特徴とする請求項４記載の材料の動的物性値システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は各種材料の動的物性値を確定することができるようにした材料の動的物性評価方法及びその方法を実施するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
我々が日常目にする材料の力学特性値はそのほとんどが静的荷重負荷のもとで計測されたものであり、静的荷重負荷による材料の力学特性値の計測はほぼ確立しているということができる。一方、自動車、列車、航空機あるいはビルの窓ガラスなど、実際の構造物は高速で移動する際や風に巻きあげられた物がぶつかり衝撃力を受けることが多く、これらの構造物における動的状態での強度を正確に設計するには、動的物性を知る必要があるにもかかわらず、実際には動的物性値が既知のものはきわめて少ないと共に、その確定手法は確立していない。
【０００３】
即ち、代表的力学特性であるヤング率、降伏応力、引っ張り強度、破壊靱性値などは、材料に加わる荷重速度（あるいはひずみ速度）によって大きく異なり、これらの値のみから動的特性を確定することができない。動的特性値は、前記のような各種構造物において、安全かつ無駄のない設計を行うために極めて重要であるにもかかわらず、体系的に動的物性値を確定する方式は整っていない。
【０００４】
なお、地盤の動的物性を計測する手法としては、例えば特開平７−１４６３７３号公報等に開示されている。また、本発明者等が提案している高精度飛翔体発射装置については、特許第１９３６９８３号として、またその装置を確実に作動させる高速駆動弁を特許第３９６０６０４号として開示している。
【特許文献１】特開平７−１４６３７３号公報
【特許文献２】特許第１９３６９８３号
【特許文献３】特許第３９６０６０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のように、従来は動的材料特性が既知でない場合が多く、また材料の動的特性の確定手法が確定していないので、前記のような構造物が高速で動いているとき、或いは高速で動くものと接し、或いは衝突する時の強度を考慮した設計に際しては、従来の静的特性の測定値に基づいて動的特性を予測し、その予測値に基づく解析結果を用いて設計を行う、という手法を採用せざるを得ず、その信頼性は低く、したがって充分安全率を大きくした設計をせざるを得なかった。
【０００６】
もしも、想定される衝撃力に対する強度等の動的物性が予め把握されていれば、不必要に安全率を大きくとることもなく、各種構造物を薄くすることができ、またそれにより軽量化も可能となる。特に動的特性値が確定できるならば、安全性の高い構造物とすることができ、設計し製作された各種構造物の信頼性も向上する。
【０００７】
したがって本発明は、各種材料の動的物性を容易に、且つ正確に評価し確定することができるようにした材料の動的物性評価方法及びその方法を実施するシステムを提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る材料の動的物性評価システムは、物性基礎データ測定システムと解析システムから構成されるものであり、物性基礎データ測定システムは例えば図１（ａ）のような構成をなし、対象とする試験片を標的として固定し、球または円筒状飛翔体を衝突させる。飛翔体発射は前記特許文献２に示され、特許文献３の装置を用いることにより実施されるような高精度飛翔体発射装置を使用する。このようなシステムで、衝突時の標的各部の時々刻々の変形量ならびに貫通速度をひずみ計や高速度カメラを用いて観測するものであり、前記のような高精度飛翔体発射装置が開発されたことにより、本発明を更に容易に実施、且つ正確な確定を行うことができるようになったものである。
【０００９】
前記のような物性基礎データ測定システムで測定されたデータを用い、解析システムにおいては図１（ｂ）に示すように、前記計測された量である、（１）各部のひずみの時刻歴、（２）入射速度、（３）貫通速度、などの計測量に対し、（ａ）動的ヤング率、（ｂ）動的降伏応力、（ｃ）加工硬化率、（ｄ）破壊靱性値、などの未知の動的物性値の初期値を設定して衝突変形の構造解析をし、前記（１）〜（３）の計測結果に合うように前記（ａ）〜（ｄ）の値を修正、繰り返し計算により求め、構造解析結果と計測値とが一致するとき、これを材料の動的物性値として確定する。
【００１０】
前記のような技術思想に基づく本発明による材料の動的物性評価方法は、より具体的には次のような方法を採用する。即ち、本発明に係る材料の動的物性評価方法は、前記課題を解決するため、対象とする試験片を固定し、飛翔体を高精度飛翔体発射装置から前記試験片に所定速度で発射して衝突させ、衝突時の試験片各部の変形量の時刻歴を計測し、前記計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成し、前記応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る他の材料の動的物性評価方法は、前記前記材料の動的物性評価方法において、未知の動的物性値は、動的ヤング率、動的降伏応力、加工硬化率、破壊靱性値のいずれかであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る他の材料の動的物性評価方法は、前記前記材料の動的物性評価方法において、前記高精度飛翔体発射装置から、ちょうど試験片を貫通する臨界速度で飛翔体を発射し、そのときの計測結果を、衝撃特性を考慮した構造解析に適用することで、動的降伏応力を求めることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る材料の動的物性評価システムは、固定した試験片と、前記試験片に飛翔体を所定速度で発射して衝突させる高精度飛翔体発射装置と、前記高精度飛翔体発射装置から発射する飛翔体が試験片に衝突するときの、標的各部の変化量を時間経過と共に計測する計測手段とを備えた物性基礎データ測定システムと、前記計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成し、前記応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定する解析システムとからなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る他の材料の動的物性評価システムは、前記材料の動的物性評価システムにおいて、前記未知の動的物性値は、動的ヤング率、動的降伏応力、加工硬化率、破壊靱性値のいずれかであることを特徴とする請求項４記載の材料の動的物性評価システム。
【００１５】
また、本発明に係る他の材料の動的物性評価システムは、前記材料の動的物性評価システムにおいて、前記高精度飛翔体発射装置から、ちょうど試験片を貫通する臨界速度で飛翔体を発射し、そのときの計測結果を、衝撃特性を考慮した構造解析に適用することで、動的降伏応力を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は上記のように構成したので、どのような材料に対しても動的物性値が特定でき、それにもとづく構造解析が短時間で実施できる。特に高精度飛翔体発射装置は本発明者等が発明し、既に製品化されているものであり、この装置における発射速度の高精度設定能力を用いて、貫通臨界速度の確定が精度よく容易に行うことができるのでそれぞれの荷重速度に対する引っ張り強度が定義できる。さらに（複数の）ひずみの時間変化データと合わせれば、それぞれのひずみ速度における降伏応力、加工硬化率など構造設計ならびに解析上重要な動的物性値の確定も可能となる。
【００１７】
また、想定される衝撃力に対する強度等の動的物性が予め把握されていれば、不必要に安全率を大きくとることもなく、各種構造物を薄くすることができ、またそれにより軽量化も可能となる。特に動的特性値が確定できるならば、安全性の高い構造物とすることができ、設計し製作された各種構造粒の信頼性も向上するという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明によって高価な高速度カメラによる観測を行う必要なしに正確な動的物性を確定することができ、これまでに無い新しい衝撃特性の計量標準が国内ばかりでなく国際的な標準として設定される可能性がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る材料の動的物性評価方法は、各種材料の動的物性を容易に、且つ正確に評価することができるようにするため、対象とする試験片を固定し、飛翔体を高精度飛翔体発射装置から前記試験片に所定速度で発射して衝突させ、衝突時の試験片各部の変形量の時刻歴を計測し、前記計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成し、前記応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明に係る材料の動的物性強化システムは、前記課題を解決するため、固定した試験片と、前記試験片に飛翔体を所定速度で発射して衝突させる高精度飛翔体発射装置と、前記高精度飛翔体発射装置から発射する飛翔体が試験片に衝突するときの、標的各部の変化量を時間経過と共に計測する計測手段とを備えた物性基礎データ測定システムと、前記計測値と、未知の動的物性値の推定値を初期値に設定して衝突変形の構造解析を行った結果との誤差を求め、前記飛翔体の発射速度を変更して前記操作を繰り返して、推定値と誤差との対応関係を近似する応答曲面を作成し、前記応答曲面が最小値をとる推定値を試験片の物性値を示すものとして試験片の物性値を確定する解析システムとからなるものである。
【実施例１】
【００２１】
本発明についての基本的技術思想は前記のとおりであるが、より具体的には次のような手法を採用する。即ち、引っ張り強度を推定するためには、試験片を貫通しないような弾丸速度から弾丸速度を徐々に上げていき、ちょうど試験片を貫通するような弾丸速度を実験的に決定し、そのようなクリティカルな状況での引っ張り強度を推定することになる。ちょうど試験片を貫通するような弾丸速度を達成するためには、極めて高精度な弾丸速度の制御技術が必要となり、そのようなクリティカルな状況における引張り強度の推定では、試験片の物性の衝撃特性（歪み速度依存性）を考慮することが必要となる。このような高精度の弾丸等を発射する飛翔体発射装置は、前記のように本発明者等が提案している特許文献２、３の技術を用いた製品により確実に実施することができる。
【００２２】
本件では、先ず試験片の衝撃特性（歪み速度依存性）を推定し、ちょうど試験片を貫通するようなクリティカルな弾丸速度の実験による計測結果を、衝撃特性を考慮したシミュレーションに適用することで、引っ張り強度を推定する。
なお、本願明細書においては以降において、特許出願の電子出願様式に適合しない数式を多数用いる必要があるが、明細書記載内容を明瞭にするために、これらの数式等が連続する説明部分をまとめて数式としてイメージ入力文章により説明している。
【数１】
2009180567.tif 000003
力と加工硬化率の組から誤差への対応関係を、応答曲面として近似的に多項式で表現する。最後に、応答曲面に対して最適化計算を行い、誤差が最小となるような初期降伏応力と加工硬化率の組を見つける。
【００２３】
こうして、試験片の衝撃特性として初期降伏応力と加工硬化率の歪み速度依存性が推定されると、次に、引っ張り強度を推定することになる。前記のような極めて精度の高い弾丸速度の制御技術を用いて、試験片を貫通しないような弾丸速度から弾丸速度を徐々に上げて、ちょうど試験片を貫通するような弾丸速度を達成させ、その弾丸速度をクリティカルな弾丸速度として計測する。計測した弾丸速度と、あらかじめ推定した衝撃物性（初期降伏応力と加工硬化率の歪み速度依存性）を解析条件としてシミュレーションを実施する。本シミュレーションにおける最大応力によって引っ張り強度が確定される。上記手法を図２に示している。
【００２４】
次に加工硬化曲線のひずみ速度依存性の評価方法の例について、より詳細に説明する。
１章．評価方法の考え方
この評価方法の考え方の前提構成としては図３に示すようなものであり、材料Ωの被観測部分に前記のような銃により弾丸を発射するものとする。
【００２５】
１．観測される量について、
【数２】
2009180567.tif 000004
が観測されると仮定する。
【００２６】
評価したい、即ち推定したい量について、
観測される量から、
【数３】
2009180567.tif 000005
を推定することを目標とする。
【００２７】
２．このときの順問題について、
【数４】
2009180567.tif 000006
【００２８】
３．観測結果と解析結果の誤差について、
【数５】
2009180567.tif 000007
【００２９】
４．加工硬化曲線と誤差との対応について、
【数６】
2009180567.tif 000008
【００３０】
５．汎関数の最小化について、
汎関数Ｉを最小にするような２変数関数Ｈを図４に示すようにして求める。
【００３１】
２章．加工硬化曲線のひずみ速度依存性の表現方法について、
多くの場合、有限要素解析で適用される加工硬化曲線Ｈはひとつの半直線で表現される。
つまり、図５に示すように、初期降伏応力と直線の傾きＨ’で表現される。
【数７】
2009180567.tif 000009
【００３２】
３章．汎関数の最小化の計算手順
【数８】
2009180567.tif 000010
【数９】
2009180567.tif 000011
【００３３】
上記のような手法によって、材料の動的特性を確定することができるものであるが、このような本発明を実施するに際しては、本発明者等が提案している前記特許文献２及び３に開示した技術を用いている「ｍ−ＳＨＯＴ０４」と称する高精度飛翔体発射装置を用いることにより、正確な動的特性の確定を行うことができる。即ち、（１）本装置は直径０．５〜２ｍｍ、重さ数ｍｇ〜数ｇの一個の飛翔体を最大１,０００ｍ／ｓｅｃで±４％程度の誤差で発射できる唯一の装置である。より高い発射速度を与える装置は他にも存在するが、火薬銃が多く、一発ごとの発射速度をここまで精度よく制御できない。それに対して本装置を用いることにより、貫通臨界速度を高精度かつ短時間で確定できる等の効果を奏する。
【００３４】
本発明による上記のような手法は、例えば、自動車や新幹線窓ガラス、原子炉壁などの現在使用されている構造材の動的物性値を確定することにより、その物性値を既存の構造物の仕様、寸法に適応し、それら既存の構造体がどれだけの衝撃に耐えられるようになっているかを構造解析により評価することができる。これらの結果は、無駄なく安全に機械要素が設計・製作されているか否かの判断の根拠を与えることとなる。
【００３５】
また、上記のような本発明の応用として、衝撃物性値から対象とする材料の疲労限界が評価できことにより、これまで長時間を要した疲労特性が極めて簡便な方法で把握できるようになる。また、衝撃特性が静的物性値と関係付けられるこにより、簡便な方法で静的物性を確定することもできる。なお、粒子発射装置に関しては、圧縮ガス銃及び多段階電磁加速などを適切に連結することにより、秒速１０ｋｍ／ｓｅｃ以上の高速で粒子を発射できるため、ペースデブリ衝突シミュレーション実験ならびに超高圧・高温下での物質合成もこの物性基礎データ測定システムによって可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、自動車、列車、航空機等の高速走行する構造物が、走行中で発生する各種物体との衝突により受ける影響を正確に把握する技術として、また建築物の窓ガラス等が風で受ける影響を正確に把握する技術として用いることができ、更に種々の相対的速度を持つ各種構造物を構成する材料の動的物性評価を行うことができる。特に本発明によって、国内はもとより国際的な材料の動的特性の標準を作成することが期待されている
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の物性基礎データ測定システムと解析システムの例を示す図であり、（ａ）はる。
【図２】本発明による解析システムで行う処理例を示す図である。
【図３】本発明の実施例において、加工硬化曲線のひずみ速度依存性の評価方法を実施する例を示す図である。
【図４】同実施例において、評価方法の考え方の概念図を示す図である。
【図５】同実施例において、加工硬化曲線のひずみ速度依存性の表現方法を説明する図である。
【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】
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