JPH09196837A - 複合の制御系を備えた疲労試験法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試験片の複数の材料特性に基づいて制御する
疲労試験を、正確で信頼性高く行え、かつ、自動的に疲
労試験を行え、試験者の負担が少ないとともに、種々の
試験条件で、特に、試験片を高速で変形することも可能
な複合の制御系を備えた疲労試験法を提供する。 【解決手段】 一つの試験片に対してそれぞれ異なる材
料特性に基づいて制御する複数の閉ループからなる疲労
試験の制御系を有し、制御系の１つの検知データが予め
設定した所定値に到達した時点で、別の制御系に基づい
て疲労試験を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の鋼やその接
合部に弾塑性変形を繰り返し加える複合の制御系を備え
た疲労試験法、特に、変位や荷重等の複数の材料特性に
基づいて疲労試験を制御する複合の制御系を備えた疲労
試験法に関する。

【０００２】

【従来の技術】軸荷重（引張り、圧縮）を加える疲労試
験は、最も基本的な疲労強度特性を調べるもので、古く
から多くの駆動及び制御方法が開発されている。駆動方
式としては、クランク式、電磁式、油圧式等が挙げられ
る。最近は閉ループ方式の電気油圧サーボ疲労試験方法
が汎用されている。電気油圧サーボ疲労試験方法では、
ロードセルで検知された荷重信号を制御部にフィードバ
ックして閉ループを構成し、信号発生器の基準信号とフ
ィードバック信号の差がゼロとなるように制御してい
る。この制御信号を用いて、油圧サーボでアクチュエー
タの圧力油量を調整し所定の荷重を付加する。荷重制御
ばかりでなく変位制御も可能であり、上述のロードセル
で検知された荷重信号の代わりに変位計で検知された変
位信号を用いて制御を行うこともある。

【０００３】近年、鉄筋継手などの継手性能評価におい
ては、日本建築センターや土木学会が規定する「鉄筋継
手性能判定基準」や「鉄筋継手評価指針」があり、これ
らの基準や指針に応じた疲労試験を実施する必要があ
る。これらの疲労試験の中で弾塑性域正負繰り返し試験
なるものがあり、本繰り返し試験においては、（０．９
５σ_y 〜−０．５σ_y ）のサイクルを２０回繰り返した
後に、（２ε_y 〜−０．５σ_y ）のサイクルを４回繰り
返し、さらに、（５ε_y 〜−０．５σ_y ）のサイクルを
４回繰り返しを行う必要がある。ここで、σ_y は試験片
の降伏応力であり、ε_y は試験片の降伏ひずみである。
この疲労試験を行うには、引張り域においては変位によ
って試験片の引張り停止位置を制御し、圧縮域において
は荷重により圧縮停止位置を制御する必要が生じる。

【０００４】上記疲労試験を行う従来の方法としては、
検知された荷重と変位をＸ−Ｙ記録計に出力し、この出
力結果を試験者が確認しつつ、手動で疲労試験機を操作
している。つまり、試験者がＸ−Ｙ記録計の荷重の値を
読み取って、疲労試験機を操作し、（０．９５σ_y 〜−
０．５σ_y ）のサイクルを２０回繰り返した後に、Ｘ−
Ｙ記録計の変位及び荷重の値を読み取って、疲労試験機
を操作し、（２ε_y 〜−０．５σ_y ）及び（５ε_y 〜−
０．５σ_y ）のサイクルをそれぞれ４回繰り返す操作を
行っている。また、他の疲労試験方法として、Ｘ−Ｙ記
録計に電気的な接点を設け、Ｘ−Ｙ記録計のペンが所定
ひずみ値に到達した際に、この接点が作動しブザーを鳴
らし、試験者がこのブザー音により疲労試験機を操作す
る方法も開発されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の疲労試験方法は、未だ、以下の解決すべき課題
を有していた。即ち、試験者がＸ−Ｙ記録計を読み取っ
て疲労試験機を操作する方法では、変位や荷重の読み取
りが不正確となり、引張り・圧縮サイクルを繰り返し試
験片に施した際、試験条件にバラツキが多くなる。その
結果、正確な疲労試験がおこなわれず、信頼性に劣ると
いう問題がある。また、試験者が変位や荷重の値を見誤
り試験条件以外の変位を試験片に与える場合が生じ、疲
労試験の失敗による再試験の比率が多くなり作業効率が
悪いという問題がある。また、試験者が常に疲労試験に
立ち会う必要があり、多数の試験片の疲労試験を行う際
は、試験者の負担が多く作業性に劣るという問題があ
る。特に、連続して数か月にもおよぶ疲労試験を行う際
は、その間、試験者が昼夜をとわず常時疲労試験機のそ
ばに待機することは現実的でなく、実際上はこのような
疲労試験を行うことは困難であるという問題がある。さ
らに、試験者が変位と荷重の値をＸ−Ｙ記録計から読み
取らねばならないので、試験片の変形速度が速くなると
データを読み取ることができない。従って、高速の疲労
試験を行う場合は、試験者が試験速度に追従できず、測
定可能な疲労試験条件が限定されるという問題がある。

【０００６】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、試験片の複数の材料特性に基づいて制御する疲労試
験を、正確で信頼性高く行え、かつ、自動的に疲労試験
を行え、試験者の負担が少ないとともに、種々の試験条
件で、特に、試験片を高速で変形することも可能な複合
の制御系を備えた疲労試験法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載の複合の制御系を備えた疲労試験法は、一つの試験
片に対してそれぞれ異なる材料特性に基づいて制御する
複数の閉ループからなる疲労試験の制御系を有し、該制
御系の１つの検知データが予め設定した所定値に到達し
た時点で、別の前記制御系に基づいて疲労試験を行う。
請求項２記載の複合の制御系を備えた疲労試験法は、請
求項１記載の複合の制御系を備えた疲労試験法におい
て、前記複数の閉ループからなる疲労試験の制御系が、
前記試験片の変位に基づいて疲労試験を行う変位制御系
と、前記試験片の荷重に基づいて疲労試験を行う荷重制
御系とからなる。請求項３記載の複合の制御系を備えた
疲労試験法は、請求項１又は２記載の複合の制御系を備
えた疲労試験法において、荷重に基づいた疲労試験を行
う単独の制御系と複数の閉ループからなる疲労試験を行
う制御系を適宜組み合わせて一つの疲労試験を行う。

【０００８】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。ここに、図１は本発明の第１の実施
の形態に係る複合の制御系を備えた疲労試験法に使用さ
れる疲労試験装置Ａのブロック図であり、図２は試験片
２３の疲労試験装置Ａへの装着状態を示す説明図であ
り、図３は本発明の第１の実施の形態に係る複合の制御
系を備えた疲労試験法の手順を表すフローチャートであ
る。図１及び図２に示すように、疲労試験装置Ａは、ア
クチュエータ１１と、油圧サーボ１２と、サーボアンプ
１３と、Ａ−Ｄ変換器１４と、ロードセル１５と、ロー
ドアンプ１６と、Ａ−Ｄ変換器１７と、変位計１８と、
変位アンプ１９と、Ａ−Ｄ変換器２０と、制御部２１と
からなる。また、試験片２３はチャック２２によりアク
チュエータ１１に固定されている。

【０００９】上記の構成において、アクチュエータ１１
は、内部に油が充填された円筒状のシリンダと該シリン
ダ内に挿入され油圧の変動により上下動自在に移動する
ピストンからなる。ピストンの先端部には試験片２３を
固定するチャック２２が配置され、ピストンの移動に伴
い試験片２３の引張りや圧縮を行うことができる。油圧
サーボ１２はポンプからなり、油をシリンダ内に圧送し
シリンダ内の油圧を増減させることにより、アクチュエ
ータ１１を作動する。サーボアンプ１３は、Ａ−Ｄ変換
器１４からのアクチュエータ１１への制御信号を油圧サ
ーボ１２の制御信号として使用可能なように増幅して変
換する。Ａ−Ｄ変換器１４は、制御部２１からのアクチ
ュエータ１１への制御信号をサーボアンプ１３に伝達す
るためにデジタル信号をアナログ信号に変換する。ロー
ドセル１５は、金属等の弾性体及びそれに被着された半
導体ひずみゲージからなり、試験片２３を固定したチャ
ック２２の根元に配置される。ロードセル１５は、試験
片２３に加わる荷重を自身のひずみにより検知し、その
ひずみを半導体ひずみゲージで電気信号に変換して、試
験片２３に加わる荷重を検知する。

【００１０】ロードアンプ１６は、ロードセル１５から
出力される電気信号を増幅し、電気信号の変化を処理可
能な値とする。Ａ−Ｄ変換器１７は、ロードアンプ１６
から出力された荷重の検知信号をアナログデータからデ
ジタルデータに変換し制御部２１に入力する。変位計１
８は、試験片２３の所定部に装着され試験片２３の変位
を電気信号に変換して出力する。変位アンプ１９は、変
位計１８が出力した電気信号を増幅し、データ処理可能
な電気信号に変換して、Ａ−Ｄ変換器２０に送達する。
Ａ−Ｄ変換器２０は、変位アンプ１９からの試験片２３
の変位信号をアナログデータからデジタルデータに変換
し制御部２１に入力する。制御部２１は、ワンチップボ
ードコンピュータやパーソナルコンピュータ或いはプロ
セスコンピュータ等からなり、試験条件や試験片２３の
引張りモードや圧縮モードの条件を記憶し、ロードセル
１５からの試験片２３の荷重データや変位計１８からの
試験片２３の変位データに基づいて、前記試験条件に従
って、アクチュエータ１１を作動させる。

【００１１】次に、以上のように構成された疲労試験装
置Ａを用いて、本発明の第１の実施の形態に係る複合の
制御系を備えた疲労試験法について、図面を参照して説
明する。図２及び図３に示すように、引張りモードの際
に試験片２３に加える最大のひずみの値をε_set として
制御部２１に入力するとともに、圧縮モードの際に試験
片２３に加える最大の圧縮応力の値をσ_set として制御
部２１に入力する（ステップＳ１）。次に、試験者が試
験開始を制御部２１に指示すると、制御部２１はアクチ
ュエータ１１の作動信号を発信し、発信信号はＡ−Ｄ変
換器１４、サーボアンプ１３を経て、油圧サーボ１２と
アクチュエータ１１を作動させ、試験片２３を固定して
いるチャック２２が引張りモードで試験片２３を引き伸
ばす方向に移動する（ステップＳ２）。

【００１２】変位計１８は常時試験片２３の変位を測定
し、変位のデータは変位アンプ１９とＡ−Ｄ変換器２０
を経て制御部２１に入力される。疲労試験装置Ａは、変
位計１８で検知される試験片２３の変位データにより閉
ループを形成する変位制御系により制御される（ステッ
プＳ３）。制御部２１は、試験者が与えた試験片２３の
形状の値から、変位計１８からの変位の値を試験片２３
のひずみの値ε_obに計算して変換する（ステップＳ
４）。制御部２１は、ステップＳ１において試験者が設
定したひずみの値ε_set と変位計１８が検知したひずみ
の値ε_obが等しいかどうかを判定する（ステップＳ
５）。ステップＳ５がＮＯの場合は、所定の時間待機し
た（ステップＳ６）後にステップＳ３を再度実行する。
ステップＳ５がＹＥＳの場合は、制御部２１はアクチュ
エータ１１に停止信号を送ると同時に、圧縮モードに移
行しチャック２２の間隔を短くする方向にチャック２２
を移動させる（ステップＳ７）。

【００１３】ロードセル１５は試験片２３にかかる荷重
を検知し、荷重データをロードアンプ１６及びＡ−Ｄ変
換器１７を介して制御部２１に入力する。疲労試験装置
Ａは、変位が所定の値に到達したことにより制御系が変
更され、ロードセル１５で検知される試験片２３の荷重
データにより閉ループを形成する荷重制御系により制御
される（ステップＳ８）。制御部２１はロードセル１５
により測定された試験片２３の荷重を、記憶している試
験の形状データを参照して試験片２３の応力σ_obの値に
計算して変換する（ステップＳ９）。制御部２１は、試
験者が設定した圧縮応力の値σ_set とロードセル１５に
より検知された応力の値σ_obが等しいかどうかを判定す
る（ステップＳ１０）。ステップＳ１０がＮＯの場合
は、所定の時間待機した（ステップＳ１１）後にステッ
プＳ８を再度実行する。ステップＳ１０がＹＥＳの場合
は、制御部２１がアクチュエータ１１に停止信号を発信
した後に、チャック２２間距離を最初の設定値に戻し
（ステップＳ１２）、疲労試験の１サイクルを終了す
る。

【００１４】このように、第１の実施の形態にかかる複
合の制御系を備えた疲労試験法においては、変位制御系
の検知データが予め設定した所定値に到達した時点で、
荷重制御系に基づいて疲労試験を行うので、変位と荷重
の試験条件を組み合わせた複雑な疲労試験でも試験者が
疲労試験の途中で疲労試験機を操作することなく行え、
試験者の作業性を著しく向上させるとともに、正確で信
頼性の高い疲労試験を確実に行うことができる。

【００１５】次に、本発明の第２の実施の形態に係る複
合の制御系を備えた疲労試験法について、図面を参照し
て説明する。ここに、図４は本発明の第２の実施の形態
に係る複合の制御系を備えた疲労試験法の手順を表すフ
ローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る
複合の制御系を備えた疲労試験法を適用した疲労試験装
置は、図１で説明した第１の実施の形態に係る複合の制
御系を備えた疲労試験法を適用した疲労試験装置Ａと同
様の構成を有し、ただ、制御部２１の制御手順が異なる
だけである。図４に示すように、制御部２１において、
各サイクルを計数するカウンターａ、ｂ、ｃの初期値１
をそれぞれ設定する（ステップＳ２１）。第１のサイク
ルが２０回行われたかどうかをカウンターａの値と２０
を比較することにより行う（ステップＳ２２）。ステッ
プＳ２２がＹＥＳの場合は、第１のサイクルが２０回行
われたと判定し、次の第２のサイクルを行うために、ス
テップＳ２６を実行する。ステップＳ２２がＮＯの場合
は、第１のサイクルがまだ完了してないと判断し、第１
のサイクルを行うために、ステップＳ２３を実行する。
第１のサイクルでは、ロードセル１５で検知される荷重
の値から閉ループを形成する単独の制御系で疲労試験装
置Ａを制御する。

【００１６】ステップＳ２３においては、制御部２１が
アクチュエータ１１に指示を出し、ロードセル１５の荷
重から計算された試験片２３の応力の値σ_obが試験片２
３の降伏応力σ_y の９５％の値に達するまで、チャック
２２の間隔を広げる。降伏応力σ_y の値及び試験片２３
の形状寸法は予め制御部２１に格納されているので、上
記停止条件を示す応力は制御部２１で計算することがで
きる。次に、制御部２１がアクチュエータ１１に指示を
出し、チャック２２の間隔を短縮する方向にチャック２
２を移動させる。ロードセル１５は、試験片２３の荷重
を検知し続け、制御部２１は、検知された荷重から試験
片２３の応力を計算し、停止応力まで応力が達したかど
うかをモニターする。停止応力は試験片２３の降伏応力
の５０％が圧縮力として加わった値である。制御部２１
は、試験片２３の応力が停止応力に達すると圧縮を停止
し、試験片２３を最初に装着された状態に戻す（ステッ
プＳ２４）。カウンターａに１を加えた（ステップＳ２
５）後に、ステップＳ２２を再度実行し第１のサイクル
から抜け出すかどうかを判定する。

【００１７】第２及び第３のサイクルでは本発明の第１
の実施の形態に係る複合の制御系を備えた疲労試験法を
条件を替えて行う。つまり、変位制御系で変位の値が所
定の値に到達すると、荷重変位系に制御系を移行し疲労
試験を行う。まず、ステップＳ２６においては、カウン
ターｂが４となったかどうかを判定し、第２のサイクル
の回数を計数する。ステップＳ２６がＹＥＳの場合は、
第２のサイクルから抜け出し、ステップＳ２９を実行す
る。ステップＳ２６がＮＯの場合は、第２のサイクルを
行うためにステップＳ２７を実行する。ステップＳ２７
においては、ひずみの値ε_set を試験片２３の降伏ひず
みε_yの２倍の値と設定し、圧縮応力の値σ_set を試験
片２３の降伏応力の５０％の圧縮応力と設定する。他
は、第１の実施の形態に係る複合の制御系を備えた疲労
試験法と全く同様に疲労試験を行う。カウンターｂの値
に１を加えた（ステップＳ２８）後にステップＳ２６を
再度実行し、第２のサイクルが完了したかどうかを判定
する。

【００１８】次に、第３のサイクルに移行する。第３の
サイクルでは第２のサイクルと同様に、まずサイクル数
が予定の値を完了したかどうかをカウンターｃと予定の
回数４とを比較することにより判定する（ステップＳ２
９）。ステップＳ２９がＹＥＳの場合は、第３のサイク
ルを終了し、ステップＳ３２を実行する。ステップＳ２
９がＮＯの場合は、ステップＳ３０を実行する。ステッ
プＳ３０においては、ひずみの値ε_set を試験片２３の
降伏ひずみε_yの５倍の値と設定し、圧縮応力の値σ
_set を試験片２３の降伏応力の５０％の圧縮応力と設定
する。他は、第１の実施の形態に係る複合の制御系を備
えた疲労試験法と全く同様に疲労試験を行う。ステップ
Ｓ３０が完了すると、カウンターｃの値を１つ加えた
（ステップＳ３１）後にステップＳ２９を実行し第３の
サイクルの完了を判定する。最後に、試験片２３を降伏
ひずみε_y の６倍まで引張った（ステップＳ３２）後
に、試験片２３を除荷し、セット状態に戻し（ステップ
Ｓ３３）、疲労試験を完了する。

【００１９】図５は本発明の第２の実施の形態に係る疲
労試験法における、試験片２３の応力−ひずみ曲線であ
る。図５に示すように、第１のサイクルにおいては
（０．９５σ_y 〜−０．５σ_y）のサイクルを２０回行
い、その後に、（２ε_y 〜−０．５σ_y ）のサイクルを
４回行い、さらに、（５ε_y 〜−０．５σ_y ）のサイク
ルを４回行い、最後に、６ε_y まで引張って疲労試験を
完了している。各停止点では設定された値で正確に制御
されていることが判明する。また、本発明の第２の実施
の形態に係る疲労試験法における試験効率と試験精度
を、従来の試験者が手動で疲労試験機を制御した場合と
比較し、結果を表１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１に示すように、本発明の第２の実施の
形態では１日の処理本数は１０〜１５本と従来例の２倍
程度も多いことが判明する。また、試験失敗による再試
験も全くなく、極めて試験効率が高いことがわかる。ま
た、本発明の第２の実施の形態では荷重精度は±１％以
内であり、変位精度も±２％以内に抑えられ極めて高精
度である。このように、第２の実施の形態に係る複合の
制御系を備えた疲労試験法においては、荷重に基づいた
疲労試験を行う単独の制御系で疲労試験を行った後に、
ただちに、変位制御系と荷重制御系とからなる複合され
た制御系で疲労試験を行うので、極めて多様で複雑な試
験条件を有する疲労試験を試験者の手間をかけずに作業
性良く、かつ、正確に実行することができる。

【００２２】以上、本発明を、複数の実施の形態を参照
して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態
や変容例に記載の構成に限定されるものではなく、特許
請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられる
その他の実施の形態や変容例も含むものである。例え
ば、上記した実施の形態では、第１のサイクルを２０
回、第２のサイクルを４回、第３のサイクルを４回とし
ているが、これに限定されるものではなく、更に多くの
回数を行ってもよい、又は、第４のサイクル以降を付け
加えてもよい。

【００２３】

【発明の効果】請求項１〜３記載の複合の制御系を備え
た疲労試験法においては、一つの試験片に対してそれぞ
れ異なる材料特性に基づいて制御する複数の閉ループか
らなる疲労試験の制御系を有し、該制御系の１つの検知
データが予め設定した所定値に到達した時点で、別の前
記制御系に基づいて疲労試験を行うので、複数の材料特
性の変化に基づく複雑な疲労試験を装置で自動的に行う
ことができる。従って、試験者が疲労試験の間、常に待
機する必要がなく、作業性や試験効率が極めて向上す
る。特に、数カ月に渡る長期試験も確実にまた信頼性高
く行うことができる。また、制御値を電気信号として読
み取るので、正確であるとともに読み取り値のバラツキ
が少なく、試験精度を著しく向上でき、正確な疲労試験
を行うことができる。さらに、電気回路の中でデータの
読み取りや判断を行うので、試験片の変形速度を速くし
ても制御を的確に行うことができ、高速の疲労試験を確
実に行うことができる。従って、複数の材料特性の変化
により試験条件を決定する疲労試験を高速の試験条件で
行うことができる。

【００２４】特に、請求項２記載の複合の制御系を備え
た疲労試験法においては、前記複数の閉ループからなる
疲労試験の制御系が、前記試験片の変位に基づいて疲労
試験を行う変位制御系と、前記試験片の荷重に基づいて
疲労試験を行う荷重制御系とからなるので、試験片の変
位と荷重の値に基づいて疲労試験を行うことができる。
例えば、引張り域を変位制御系で制御し、圧縮域を荷重
制御系で制御することも可能である。また、請求項３記
載の複合の制御系を備えた疲労試験法においては、荷重
に基づいた疲労試験を行う単独の制御系と複数の閉ルー
プからなる疲労試験を行う制御系を適宜組み合わせて一
つの疲労試験を行うので、複雑で多様な試験条件からな
る疲労試験を作業性や信頼性高く確実に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る複合の制御系
を備えた疲労試験法に使用される疲労試験装置Ａのブロ
ック図である。

【図２】試験片の疲労試験装置への装着状態を示す説明
図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る複合の制御系
を備えた疲労試験法の手順を表すフローチャートであ
る。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る複合の制御系
を備えた疲労試験法の手順を表すフローチャートであ
る。

【図５】同疲労試験法における、試験片の応力−ひずみ
曲線である。

【符号の説明】

Ａ 疲労試験装置 １１ アクチュエータ １２ 油圧サー
ボ １３ サーボアンプ １４ Ａ−Ｄ変
換器 １５ ロードセル １６ ロードア
ンプ １７ Ａ−Ｄ変換器 １８ 変位計 １９ 変位アンプ ２０ Ａ−Ｄ変
換器 ２１ 制御部 ２２ チャック ２３ 試験片

フロントページの続き (72)発明者 出水 要吉 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一つの試験片に対してそれぞれ異なる材
   料特性に基づいて制御する複数の閉ループからなる疲労
   試験の制御系を有し、該制御系の１つの検知データが予
   め設定した所定値に到達した時点で、別の前記制御系に
   基づいて疲労試験を行うことを特徴とする複合の制御系
   を備えた疲労試験法。
2. 【請求項２】 前記複数の閉ループからなる疲労試験の
   制御系が、前記試験片の変位に基づいて疲労試験を行う
   変位制御系と、前記試験片の荷重に基づいて疲労試験を
   行う荷重制御系とからなることを特徴とする請求項１記
   載の複合の制御系を備えた疲労試験法。
3. 【請求項３】 荷重に基づいた疲労試験を行う単独の制
   御系と複数の閉ループからなる疲労試験を行う制御系を
   適宜組み合わせて一つの疲労試験を行うことを特徴とす
   る請求項１又は２記載の複合の制御系を備えた疲労試験
   法。