JP4374785B2 - 超音波疲労試験機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により試験片に歪みを与え、試験片の疲労強度を測定する超音波疲労試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試験片の疲労強度を測定する装置として、超音波を導入して試験片に疲労破壊を起こさせて疲労強度を測定する超音波疲労試験機が知られている。例えば、特開昭６０−１７３３９号公報で開示されている方法では、試験片変位の振幅を受光素子で受けて一定振幅で疲労試験を行うようにしている。このような超音波疲労試験機は、従来の機械式疲労試験機等に比べて応力変化の繰り返し速度を速くすることができ、短期間に多量の疲労強度試験を行うことができる。また、従来は時間がかかりすぎてデータを採るのが難しかった回数が１０８〜１０９回に達する長寿命域での疲労強度試験も短期間に行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように超音波方式の疲労試験機は、短期間に多量の疲労強度試験を行うことに適しているが、試験片に弾性限界以上の応力を負荷すると、超音波疲労試験機で採取される疲労強度試験データは、例えば、従来の機械式のような疲労試験機により採取された試験データと比べ、同一疲労限界繰返し回数に対する応力値が１０〜３０％高めに出るという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来の機械式疲労試験機等とほぼ等しい疲労強度試験データが得られる超音波疲労試験機を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の超音波疲労試験機は、超音波の発生に必要な電力を供給する発振器と、該発振器の出力を受けて試験片に超音波による振動を与える超音波振動子と、試験片端面の変位を検出する変位計を備えて試験片の疲労強度を試験する超音波疲労試験機において、予め同じ試験片で別途測定された歪み応力特性データ又は計算式を用いて、設定された応力に対応した端面振幅値になるように前記発振器の出力を変換して出力するとともに、前記変位計により検出された端面変位データを応力値に変換するようにしたことを特徴とするものである。
本発明の超音波疲労試験機は上記の構成を用いることにより、従来の機械式疲労試験機等とほぼ近い試験データを得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施例による超音波疲労試験機を図面を参照しながら説明する。図１は、本超音波疲労試験機の構成を示す概略ブロック図である。本超音波疲労試験機は、試験片Ｓに超音波振動による所定の歪みを加える制御部１（点線で囲まれた部分）とその歪み検出信号から該当する応力を求める応力出力部２とから構成されている。
【０００６】
前記制御部１は、入力される応力値に相当する試験片Ｓの端面歪み振幅値に変換する応力入力部１１と、その振幅値に相当する電圧設定信号１７ａを発生する端面振幅設定部１７と、超音波振動を発生する超音波振動子１３と、この超音波振動子１３と結合して超音波振動を増幅するホーン１４と、前記超音波振動子１３を駆動するための駆動部１２と、試験片Ｓの端面変位Ｘを測定する変位計１５と、この変位計１５の出力を前記応力出力部２に必要な出力レベルにまで増幅する変位計アンプ１６から構成されている。
【０００７】
上記応力入力部１１は、設定された試験応力値に該当する試験片Ｓの歪み値を補正変換するための応力歪み変換・補正部１１ａと、この補正された歪み値から試験片Ｓの端面における振幅値を算出するための歪み端面振幅変換部１１ｂとから構成されている。
【０００８】
この応力歪み変換・補正部１１ａには予め油圧式材料試験機等により測定された図２に示すような試験片Ｓの応力歪み特性が記憶されている。図２に示されるような応力値σ１は、弾性限界内に該当する応力値であり、これに対応する歪み値ε１とは直線的な関係を有している。これに対して応力値σ２は、弾性限界外に該当する応力値であり、これに対応する歪み値ε２とは非直線的な関係を有している。
【０００９】
また、前記駆動部１２は、必要な超音波振動に該当する発振波形（通常正弦波波形が用いられる）を発生させる発振器１２ａと、その信号波形で、前記端面振幅設定部１７の電圧設定信号１７ａに比例した強さの超音波振動を発生させるに必要な電力を、超音波振動子１３に供給するドライブ回路１２ｂから構成されている。
【００１０】
本装置において、応力歪み変換・補正部１１ａに試験を行う応力値を設定すると、図２の応力歪み特性データまたはそれから得られた近似式を用いて歪み値が算出される。例えば、設定された応力値がσ２であるとすると、図２から補正のない場合であれば非直線性が無視されて歪み値は点線上のε２０と見なされるのに対し、本発明では非直線性による補正が行われるので歪み値はε２と見なされる。この歪み値ε２は図２からも見られるように一般的に歪み値ε２０より大きな値を取るが、この歪み値ε２は歪み端面振幅変換部１１ｂにおいて必要な端面振幅値に変換され、端面振幅設定部１７から電圧設定信号１７ａとしてドライブ回路１２ｂに出力される。
【００１１】
前記ドライブ回路１２ｂからは、所定の振幅幅の歪みと、発振器１２ａの波形とを有する駆動信号が超音波振動子１３に供給され、超音波振動が発生する。この超音波振動は、超音波振動子１３内を伝播し、ホーン１４で増幅されて試験片Ｓに加えられ、試験片Ｓが伸縮してその端面と変位計１５間の変位Ｘが変化する。
【００１２】
前記変位Ｘは変位計１５により検出され、変位計アンプ１６により応力出力部２に必要な信号レベルに増幅される。このようにして、所定の応力値σ１、σ２に対応した歪みが超音波振動により試験片Ｓに加えられる。
【００１３】
一方、実際に試験片Ｓに生じた応力を計測するために前記応力出力部２が用いられる。この応力出力部２は、変位計アンプ１６により試験片Ｓの端面変位Ｘを増幅した出力信号１６ａから歪み値に変換する端面振幅歪み変換部２１と、この歪み値を応力に補正変換する歪み応力変換・補正部２２より構成されている。
【００１４】
上記応力変換・補正部２２には、図２と同様、予め油圧式材料試験機等により測定された図３に示すような試験片Ｓの応力歪み特性が記憶されている。図３に示されるような歪み値ε３は弾性限界内に該当する歪み値で、これに対応する応力値σ３とは直線的な関係を有している。これに対して歪み値ε４は、弾性限界外に該当する歪み値で、これに対応する応力値σ４とは非直線的な関係を有している。
【００１５】
試験片Ｓの変位Ｘは、変位計１５および変位計アンプ１６で信号変換された後、前記端面振幅歪み変換部２１により歪み値ε４に変換される。この歪み値ε４は前記歪み応力変換・補正部２２において図３の応力歪み特性データまたはそれから得られた近似式を用いて応力値σ４が算出される。この応力値σ４は補正が行われない場合の応力値、すなわち点線上の応力値σ４０に比べて小さくなる。
【００１６】
以上のような制御部１および応力出力部２を用いて試験片Ｓの疲労試験を行うことにより、弾性限界以上の応力を加えて疲労試験を行う場合、補正は歪みを増加させる方向に作用し、疲労寿命データは寿命が短くなる方向に作用する。したがって、疲労強度は補正を行わない場合に比べて、従来の疲労試験機で測定する疲労強度に近い試験データを得ることができる。
このようにして計測される応力を順次変更して疲労試験を行い、疲労破壊した寿命（疲労試験繰り返し回数）を求め、これを△印でプロットすることにより、図４のように○印で示した補正が行われない場合に比べて疲労強度が低下する。
【００１７】
図５は本発明の第２実施例の構成を示す概略ブロック図である。本超音波疲労試験機は、試験片Ｓに所定の振幅の歪みをより正確に発生させるために、前記第１実施例（図１参照）において、前記端面振幅設定部１７の代わりに、前記変位計アンプ１６からのフィードバック信号１６ｂと前記歪み端面振幅変換部１１ｂからの偏差信号を検出して、前記ドライブ回路１２ｂに修正信号を出力するための端面振幅比較部１８が用いられている。
【００１８】
本装置において、応力入力部１１に試験を行う応力値を設定すると、第１実施例と同様に、端面振幅値が補正変換され、この端面振幅値は、端面振幅比較部１８で変位計アンプ１６からの変位Ｘに比例したフィードバック信号１６ｂと比較され、その偏差信号は電圧信号１８ａとしてドライブ回路１２ｂに入力される。この端面振幅比較部１８から変位計アンプ１６までのフィードバック回路により、周囲温度などの環境変化や経年変化の影響を除去して、試験片Ｓの端面振幅は、正確に歪み端面振幅変換部１１ｂの出力値に制御される。
【００１９】
また、前記変位計アンプ１６からの端面歪み振幅は、第１実施例と同様にして応力出力部２で補正変換され、歪み応力変換・補正部２２から応力値として出力される。
本発明の特徴は上記のように試験片Ｓに与える応力と、試験片Ｓの歪みから求める応力を予め測定された歪み応力データまたは近似式により補正することにより、従来の疲労試験機による疲労試験データに近いデータが得られるようにした点にある。なお、前記応力入力部１１及び応力出力部２の構成要素の演算機能はマイクロコンピュータにより実施することもできる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の超音波疲労試験機は、歪み応力の非直線性の補正をすることで、超音波疲労試験機で採取した疲労強度データを従来の試験機で採取したデータに近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による超音波疲労試験機のブロック構成図である。
【図２】超音波により加えた応力に対する歪みの関係を表す歪み応力特性図である。
【図３】超音波により生じた歪に対する応力の関係を表す歪み応力特性図である。
【図４】超音波疲労試験における応力歪み非直線性の補正の有無しの影響を説明するための疲労寿命特性図である。
【図５】本発明の第２実施例による超音波疲労試験機のブロック構成図である。
【符号の説明】
１…制御部
２…応力出力部
１１…応力入力部
１２…駆動部
１３…超音波振動子
１４…ホーン
１５…変位計
１６…変位計アンプ
１６ａ…出力信号
１６ｂ…フィードバック信号
１７…端面振幅設定部
１７ａ…電圧設定信号
１８…端面振幅比較部
１８ａ…電圧信号
２１…端面振幅歪み変換部
２２…歪み応力変換・補正部
Ｓ…試験片
Ｘ…変位
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により試験片に歪みを与え、試験片の疲労強度を測定する超音波疲労試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試験片の疲労強度を測定する装置として、超音波を導入して試験片に疲労破壊を起こさせて疲労強度を測定する超音波疲労試験機が知られている。例えば、特開昭６０−１７３３９号公報で開示されている方法では、試験片変位の振幅を受光素子で受けて一定振幅で疲労試験を行うようにしている。このような超音波疲労試験機は、従来の機械式疲労試験機等に比べて応力変化の繰り返し速度を速くすることができ、短期間に多量の疲労強度試験を行うことができる。また、従来は時間がかかりすぎてデータを採るのが難しかった回数が１０８〜１０９回に達する長寿命域での疲労強度試験も短期間に行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように超音波方式の疲労試験機は、短期間に多量の疲労強度試験を行うことに適しているが、試験片に弾性限界以上の応力を負荷すると、超音波疲労試験機で採取される疲労強度試験データは、例えば、従来の機械式のような疲労試験機により採取された試験データと比べ、同一疲労限界繰返し回数に対する応力値が１０〜３０％高めに出るという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来の機械式疲労試験機等とほぼ等しい疲労強度試験データが得られる超音波疲労試験機を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の超音波疲労試験機は、超音波の発生に必要な電力を供給する発振器と、該発振器の出力を受けて試験片に超音波による振動を与える超音波振動子と、試験片端面の変位を検出する変位計を備えて試験片の疲労強度を試験する超音波疲労試験機において、予め同じ試験片で別途測定された歪み応力特性データ又は計算式を用いて、設定された応力に対応した端面振幅値になるように前記発振器の出力を変換して出力するとともに、前記変位計により検出された端面変位データを応力値に変換するようにしたことを特徴とするものである。
本発明の超音波疲労試験機は上記の構成を用いることにより、従来の機械式疲労試験機等とほぼ近い試験データを得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施例による超音波疲労試験機を図面を参照しながら説明する。図１は、本超音波疲労試験機の構成を示す概略ブロック図である。本超音波疲労試験機は、試験片Ｓに超音波振動による所定の歪みを加える制御部１（点線で囲まれた部分）とその歪み検出信号から該当する応力を求める応力出力部２とから構成されている。
【０００６】
前記制御部１は、入力される応力値に相当する試験片Ｓの端面歪み振幅値に変換する応力入力部１１と、その振幅値に相当する電圧設定信号１７ａを発生する端面振幅設定部１７と、超音波振動を発生する超音波振動子１３と、この超音波振動子１３と結合して超音波振動を増幅するホーン１４と、前記超音波振動子１３を駆動するための駆動部１２と、試験片Ｓの端面変位Ｘを測定する変位計１５と、この変位計１５の出力を前記応力出力部２に必要な出力レベルにまで増幅する変位計アンプ１６から構成されている。
【０００７】
上記応力入力部１１は、設定された試験応力値に該当する試験片Ｓの歪み値を補正変換するための応力歪み変換・補正部１１ａと、この補正された歪み値から試験片Ｓの端面における振幅値を算出するための歪み端面振幅変換部１１ｂとから構成されている。
【０００８】
この応力歪み変換・補正部１１ａには予め油圧式材料試験機等により測定された図２に示すような試験片Ｓの応力歪み特性が記憶されている。図２に示されるような応力値σ１は、弾性限界内に該当する応力値であり、これに対応する歪み値ε１とは直線的な関係を有している。これに対して応力値σ２は、弾性限界外に該当する応力値であり、これに対応する歪み値ε２とは非直線的な関係を有している。
【０００９】
また、前記駆動部１２は、必要な超音波振動に該当する発振波形（通常正弦波波形が用いられる）を発生させる発振器１２ａと、その信号波形で、前記端面振幅設定部１７の電圧設定信号１７ａに比例した強さの超音波振動を発生させるに必要な電力を、超音波振動子１３に供給するドライブ回路１２ｂから構成されている。
【００１０】
本装置において、応力歪み変換・補正部１１ａに試験を行う応力値を設定すると、図２の応力歪み特性データまたはそれから得られた近似式を用いて歪み値が算出される。例えば、設定された応力値がσ２であるとすると、図２から補正のない場合であれば非直線性が無視されて歪み値は点線上のε２０と見なされるのに対し、本発明では非直線性による補正が行われるので歪み値はε２と見なされる。この歪み値ε２は図２からも見られるように一般的に歪み値ε２０より大きな値を取るが、この歪み値ε２は歪み端面振幅変換部１１ｂにおいて必要な端面振幅値に変換され、端面振幅設定部１７から電圧設定信号１７ａとしてドライブ回路１２ｂに出力される。
【００１１】
前記ドライブ回路１２ｂからは、所定の振幅幅の歪みと、発振器１２ａの波形とを有する駆動信号が超音波振動子１３に供給され、超音波振動が発生する。この超音波振動は、超音波振動子１３内を伝播し、ホーン１４で増幅されて試験片Ｓに加えられ、試験片Ｓが伸縮してその端面と変位計１５間の変位Ｘが変化する。
【００１２】
前記変位Ｘは変位計１５により検出され、変位計アンプ１６により応力出力部２に必要な信号レベルに増幅される。このようにして、所定の応力値σ１、σ２に対応した歪みが超音波振動により試験片Ｓに加えられる。
【００１３】
一方、実際に試験片Ｓに生じた応力を計測するために前記応力出力部２が用いられる。この応力出力部２は、変位計アンプ１６により試験片Ｓの端面変位Ｘを増幅した出力信号１６ａから歪み値に変換する端面振幅歪み変換部２１と、この歪み値を応力に補正変換する歪み応力変換・補正部２２より構成されている。
【００１４】
上記応力変換・補正部２２には、図２と同様、予め油圧式材料試験機等により測定された図３に示すような試験片Ｓの応力歪み特性が記憶されている。図３に示されるような歪み値ε３は弾性限界内に該当する歪み値で、これに対応する応力値σ３とは直線的な関係を有している。これに対して歪み値ε４は、弾性限界外に該当する歪み値で、これに対応する応力値σ４とは非直線的な関係を有している。
【００１５】
試験片Ｓの変位Ｘは、変位計１５および変位計アンプ１６で信号変換された後、前記端面振幅歪み変換部２１により歪み値ε４に変換される。この歪み値ε４は前記歪み応力変換・補正部２２において図３の応力歪み特性データまたはそれから得られた近似式を用いて応力値σ４が算出される。この応力値σ４は補正が行われない場合の応力値、すなわち点線上の応力値σ４０に比べて小さくなる。
【００１６】
以上のような制御部１および応力出力部２を用いて試験片Ｓの疲労試験を行うことにより、弾性限界以上の応力を加えて疲労試験を行う場合、補正は歪みを増加させる方向に作用し、疲労寿命データは寿命が短くなる方向に作用する。したがって、疲労強度は補正を行わない場合に比べて、従来の疲労試験機で測定する疲労強度に近い試験データを得ることができる。
このようにして計測される応力を順次変更して疲労試験を行い、疲労破壊した寿命（疲労試験繰り返し回数）を求め、これを△印でプロットすることにより、図４のように○印で示した補正が行われない場合に比べて疲労強度が低下する。
【００１７】
図５は本発明の第２実施例の構成を示す概略ブロック図である。本超音波疲労試験機は、試験片Ｓに所定の振幅の歪みをより正確に発生させるために、前記第１実施例（図１参照）において、前記端面振幅設定部１７の代わりに、前記変位計アンプ１６からのフィードバック信号１６ｂと前記歪み端面振幅変換部１１ｂからの偏差信号を検出して、前記ドライブ回路１２ｂに修正信号を出力するための端面振幅比較部１８が用いられている。
【００１８】
本装置において、応力入力部１１に試験を行う応力値を設定すると、第１実施例と同様に、端面振幅値が補正変換され、この端面振幅値は、端面振幅比較部１８で変位計アンプ１６からの変位Ｘに比例したフィードバック信号１６ｂと比較され、その偏差信号は電圧信号１８ａとしてドライブ回路１２ｂに入力される。この端面振幅比較部１８から変位計アンプ１６までのフィードバック回路により、周囲温度などの環境変化や経年変化の影響を除去して、試験片Ｓの端面振幅は、正確に歪み端面振幅変換部１１ｂの出力値に制御される。
【００１９】
また、前記変位計アンプ１６からの端面歪み振幅は、第１実施例と同様にして応力出力部２で補正変換され、歪み応力変換・補正部２２から応力値として出力される。
本発明の特徴は上記のように試験片Ｓに与える応力と、試験片Ｓの歪みから求める応力を予め測定された歪み応力データまたは近似式により補正することにより、従来の疲労試験機による疲労試験データに近いデータが得られるようにした点にある。なお、前記応力入力部１１及び応力出力部２の構成要素の演算機能はマイクロコンピュータにより実施することもできる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の超音波疲労試験機は、歪み応力の非直線性の補正をすることで、超音波疲労試験機で採取した疲労強度データを従来の試験機で採取したデータに近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による超音波疲労試験機のブロック構成図である。
【図２】超音波により加えた応力に対する歪みの関係を表す歪み応力特性図である。
【図３】超音波により生じた歪に対する応力の関係を表す歪み応力特性図である。
【図４】超音波疲労試験における応力歪み非直線性の補正の有無しの影響を説明するための疲労寿命特性図である。
【図５】本発明の第２実施例による超音波疲労試験機のブロック構成図である。
【符号の説明】
１…制御部
２…応力出力部
１１…応力入力部
１２…駆動部
１３…超音波振動子
１４…ホーン
１５…変位計
１６…変位計アンプ
１６ａ…出力信号
１６ｂ…フィードバック信号
１７…端面振幅設定部
１７ａ…電圧設定信号
１８…端面振幅比較部
１８ａ…電圧信号
２１…端面振幅歪み変換部
２２…歪み応力変換・補正部
Ｓ…試験片
Ｘ…変位
Claims (1)
- 超音波の発生に必要な電力を供給する発振器と、該発振器の出力を受けて試験片に超音波による振動を与える超音波振動子と、試験片端面の変位を検出する変位計を備えて試験片の疲労強度を試験する超音波疲労試験機において、予め同じ試験片で別途測定された歪み応力特性データ又は計算式を用いて、設定された応力に対応した端面振幅値になるように前記発振器の出力を変換して出力するとともに、前記変位計により検出された端面変位データを応力値に変換するようにしたことを特徴とする超音波疲労試験機。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2001044377A JP4374785B2 (ja) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | 超音波疲労試験機 |
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