JPH0660866B2 - 移動荷重を利用した三点曲げ弾性係数測定機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、金属、プラスチック、セラミック、複合材
料などの縦弾性係数の測定に用いる材料試験機に関す
る。

（ロ）従来の技術 各種材料の三点曲げ試験による弾性係数の測定では、従
来は汎用の材料試験機を利用して、試験片梁上のサポー
ト間の中央に漸次増加する荷重を加えると同時に荷重点
の試験片梁の変位を測定し、得られた（荷重の大きさ−
試験片梁の変位）曲線を解析して材料の弾性係数を算出
していた。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかし、このような試験方法では、変化する荷重を測定
するための荷重計が付属した、高価な荷重増加装置が必
要である。また試験片梁中に必然的に発生するせん断応
力に起因する試験片梁の変位や、試験機の構造上のがた
つきや、サポートとの接触部における試験片梁の凹みな
ど、解析が困難な原因に起因する変位が測定値に混入す
るため、正確な縦弾性係数を求めることは困難であっ
た。

この発明は、従来は必要とされていた、材料の種類の試
験片寸法に応じた各種の容量の負荷装置や荷重計を使用
せず、正確な縦弾性係数の測定できる簡単な三点曲げ弾
性係数測定機を得ることを目的としている。

（ニ）問題点を解決するための手段 以上の問題点を解決するために、発明した測定機の例を
第１図、第２図に基づいて説明する。弾性係数を測定し
ようとする材料よりなる梁状の試験片１を自由支持する
ため、二つのサポート２がサドル３の上に取り付けてあ
り、サドル３は直線運動機構４のキャリッジ５の上に固
定してある。このキャリッジはモータードライバー６に
駆動されるモーター７によるネジ８の回転運動により、
矢印の方向に運動する。直線運動機構４とモーター７は
ベッド９上に固定してある。

分銅１０の重量を垂直に加えるため、四本のガイド１１
がベッド９に固定した負荷装置の枠１２に取り付けてあ
り、分銅１０を乗せる棒付分銅台１３は、ガイド１１に
案内されて自由に上下運動できるようになっている。移
動する試験片梁１に分銅の荷重を都合よく負荷するた
め、負荷ローラー１４が棒付分銅台１３の下に取り付け
てある。また試験片梁１の変位を測定するため、変位測
定機１５のセンサー１６がサドル３に固定してあり試験
片梁１と同時に移動するようになっている。

サドル３の運動を制御すると同期してセンサー１６から
変位量を読み込んで記憶したり、変位を起こさせる各種
の原因により荷重位置と変位量の関係が相違することを
利用して、この記憶された荷重点の位置（サポートから
の距離をＸとする）と試験片梁の変位（Ｖとする）の関
係から、曲げモーメントのみに起因する変位部分
（Ｖ_b）を分離解析して正確な縦弾性係数を算出したり
するために、小型の計算機１７を備えている。

計算機によるＶ_bの分離解析方法は次の通りである。せ
んだん応力に起因する変位をＶ_S、その他の原因に起因
する小さな変位Ｖ_KはＸは比例するとして、Ｖ＝Ｖ_b＋Ｖ
_S＋Ｋｘ（Ｋは比例定数）の関係式が、すべてのｘで、
できるだけ正確に成立するように最少二乗法で解析する
ことにより、Ｖ_bの分離が可能になり、これより正確な
縦弾性係数を求めることができる。

（ホ）作用 測定しようとする材料で断面が円形や矩形の試験片を作
成し、その寸法を測定する。二つのサポート２を試験片
に都合の良いように間隔を決定してサドル３に固定し、
その上に試験片を乗せて試験片梁１とする。モータート
ライバ６を手動または計算機で作動させて直線運動機構
４を運転し、荷重点が丁度サポート２の何れか一つの上
に来るようにサドル３の位置を調節する。この位置で適
当な重量の分銅１０を棒付分銅台１３に乗せて荷重を増
加して梁に負荷する。この時の梁の変位を零とする。

機械制御とデータ解析を内容とするプログラムをロード
した計算機１７を始動すると、計算機の要求によって試
験片寸法、負荷重量、サポート間隔など必要なデーター
を入力した後は、計算機が測定機を自動運転して、荷重
点が初め乗っていたサポート２の上から他のサポートの
上に来るまでサドル３を連続的に移動させる。その間、
計算機は荷重点の各位置に対応した試験片梁１上の定点
の変位もセンサー１６で読み取り、得られた両者の関係
から縦弾性係数を算出し出力する。

（ヘ）実施例 厚さ１０mmの硬質塩化ビニル板より、幅１０mm、厚さ１
０mm（原厚）の試験片を削り出して試験片とし、本願特
許の試験機でその弾性係数を求めた一例を示すと次の通
りである。この場合、サポートの形は半球状、スパンＬ
＝１００mm、移動荷重Ｗ＝２６．６Ｎ、荷重出発側のサ
ポートから試験片梁のたわみ測定用のセンサーまでの距
離Ｘ＝８０mmに設定した。試験の結果得られた、荷重点
の位置ｘとセンサーの位置Ｘ点の変位量Ｖとの関係Ｖ
（ｘ）−ｘ曲線の一例を第３図に示す。

このＶ（ｘ）−ｘ曲線よりは、次項にしめすような解析
方法により、簡易な電算機で容易に縦弾性係数を算出す
ることができた。Ｖ（ｘ）には、梁の曲げモーメントに
起因するＶ_b（ｘ）の他に、せん断力等による変位Ｖ
_s（ｘ）や、サポートと試験梁との接触部のへこみ等ｘ
に比例する変位Ｖ_kを含んでいる。そこで Ｖ（ｘ）＝Ｖ_b（ｘ）＋Ｖ_s（ｘ）＋Ｖ_k（ｘ）と考え
る。ここで、Ａ、Ｂ、Ｋは定数で Ｖ_b（ｘ）＝Ａｘ（Ｌ−Ｘ）（２ＸＬ−ｘ²−Ｘ²） ０＜ｘ＜Ｘのとき Ｖ_b（ｘ）＝Ａ（Ｌ−ｘ）Ｘ（２ｘＬ−ｘ²−Ｘ²） Ｘ＜ｘ＜Ｌのとき Ｖ_s（ｘ）＝Ｂ（Ｌ−Ｘ）ｘ ０＜ｘ＜Ｘのとき Ｖ_s（ｘ）＝ＢＸ（Ｌ−ｘ） Ｘ＜ｘ＜Ｌのとき Ｖ_k（ｘ）＝Ｋｘ ０＜ｘ＜Ｌのとき のようにＶ_b、Ｖ_s、Ｖ_kはｘの異なった関数形で表され
る。

そこでＶ_b（ｘ）とＶ_s（ｘ）とＶ_b（ｘ）の和が、全て
のｘで実験で得られたＶ（ｘ）とできるだけ合致するよ
うに定数Ａ、Ｂ、Ｋを最少二乗法で決定した。そして定
数ＡはＡ＝Ｗ／（６ＥＬＬ）（Ｅ：縦弾性係数、Ｗ：荷
重、Ｉ：梁の断面二次モーメント）で与えられる定数で
あるので、Ａの値より縦弾性係数Ｅを算出した。

本発明の測定機を使用して鋼、銅、アルミニウム、ポリ
塩化ビニル、炭素などの縦弾性係数を測定した結果、従
来の三点曲げによる測定方法によって求められる弾性係
数よりも、引張り荷重と引張り試験片の伸びとの関係よ
り求められる縦弾性係数に、一層近い値を求めることが
できた。

サポート２は、第１図に示すような試験片梁１と接触す
る部分が円筒面の物も使用できたが、下面が不正確な平
面の試験片梁で試験する場合、荷重位置と試験片梁の変
位との精密な関係は得られず、弾性係数の測定値はやや
不正確になった。これは、荷重点が一つのサポート２に
近い間は、近い方のサポートは試験片梁とほぼ線接触を
なし、他方のサポートが試験片梁とほぼ点接触をなす
が、荷重点が移動して他方のサポートに近ずくとサポー
トと試験片梁との接触状況が逆転するからであった。そ
こで上記の実験例では半球のサポートを使用し、試験片
梁の下平面とサポートがほぼ点接触をなす様にし、梁の
両側の二つの接触点を結ぶ直線上の定点に変位測定機の
センサーを設置して、荷重位置と試験片梁の変位との関
係を精密に求める様にしており、一層正確に縦弾性係数
を求めることができた。

（ト）発明の効果 以上説明したように、この発明では従来の方法では不可
能であった曲げモーメントのみに起因する梁の変位量を
検出することができ、従来の方法より一層正確な縦弾性
係数が測定できる。従来は荷重増加装置、荷重計、変位
測定機が必要であったのに対応し、直線運動機構、分
銅、変位測定機で構成され安価であり、荷重増加装置が
不必要なため高温や低温などの特殊環境下での弾性係数
の測定系の構成には特に都合が良い。本発明に必要な計
算機としては、弾性係数の測定を必要とする企業や大学
などが普通持っている簡単な汎用小型計算機でも十分で
ある。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の弾性係数測定機の実施例を示すもので、
第１図は測定機正面図、第２図は正面図Ａ−Ａ方面か見
た断面図、第３図は実施例で得られた試験片梁の変位Ｖ
−分銅位置ｘ曲線の一例である。 １……試験片梁、２……サポート、３……サドル、４…
…直線運動機構、５……キャリッジ、６……モータード
ライバー、７……モータ、８……ネジ、９……ベッド、
１０……分銅、１１……ガイド、１２……枠、１３……
棒付分銅台、１４……負荷ローラー、１５……変位測定
機、１６……センサー、１７……計算機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分銅の定荷重と負荷ローラーを利用した曲
   げ荷重負荷部（９、１０、１１、１２、１３、１４）
   と、サポート（２）に対する荷重点の位置を試験片梁
   （１）に沿って連続的に一方向に移動させる荷重点移動
   部（２、３、４、５、６、７、８）と、サポート上に定
   置された試験片梁の定点の垂直変位を計測するための変
   位測定部（１５、１６）と、測定して得られた（サポー
   トに対する荷重位置−試験片梁上の定点の垂直変位）曲
   線より、その一成分である曲げモーメントのみに起因す
   る曲線を解析分離して、試験片梁の材料の縦弾性係数を
   算出するための計算部（１７）を備えた事を特徴とする
   三点曲げ弾性係数測定機。
2. 【請求項２】試験片梁を支持する二つのサポートとし
   て、試験片梁との接触部付近の形状が球面の形状のサポ
   ートを使用した特許請求の範囲第一項記載の三点曲げ弾
   性係数測定機