WO2023135865A1

WO2023135865A1 - 振動試験用治具

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Publication number: WO2023135865A1
Application number: PCT/JP2022/034877
Authority: WO
Inventors: 謙介塩見; 晃祥大豊; 貴臣稲田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: EP4465006A1; JP7652299B2; JPWO2023135865A1; EP4465006A4; US20240344923A1

Abstract

振動試験用治具（１０）は、試験体の端部が載置される載置面（１１ａ）を含み、加振テーブルに設置される基台（１１）と、試験体の端部を載置面（１１ａ）に向けて押圧する内面（１６ａ）をもつスロット（１６）を有し、基台（１１）上に間隔を置いて載置される天板（１２）と、スロット（１６）に沿って載置される補強部（１３）と、スロット（１６）に沿って配置され、補強部（１３）を基台（１１）に向けて押圧する複数の押圧部材（１４）とを備える。補強部（１３）の厚さは、加振時の天板（１２）内に生じる変動荷重の大きさに応じて、スロット（１６）に沿って変化している。

Description

振動試験用治具

　本開示は、航空機用エンジンに使用されるファン動翼などの、所定の方向に延伸する試験体の端部を保持する振動試験用治具に関する。

　試験体の疲労特性を評価するための試験の１つとして振動試験がある。振動試験では、一定の応力が発生する振動を当該試験体に与える。一般的に、破断等の損傷に至るまでの回数（即ち、破断繰返し数）が所定値（例えば１０^４回）以下のときの疲労を低サイクル疲労、この回数が所定値（例えば１０^４回）を超えるときの疲労を高サイクル疲労と呼んでいる。応力と破断繰返し数の間の相関を評価するには、長時間に亘って試験体に振動を加える必要があり、試験期間は数日から数週間に及ぶことが多い。

　特許文献１は、振動試験装置の加振テーブルに取り付けられる、動翼の振動試験用治具を開示している。特許文献１の治具は、加振テーブルに固定された基台としての治具本体と、天板とを備えている。動翼は、翼根部が天板の保持溝に位置した状態で、治具本体の載置台に置かれる。更に、複数のボルトが天板を介して治具本体に螺合している。これらのボルトを締めることによって、天板が治具本体に向けて移動し、その結果、翼根部が載置台に押し付けられる。これにより翼根部が治具に保持され、振動試験を遂行することができる。

国際公開第２０２０／２０８９２５号

　特許文献１の振動試験用治具では、天板から基台に向けて動翼の翼根部に荷重を掛け、動翼を保持している。この荷重の値は試験体の使用環境に合わせて設定される。例えば特許文献１の試験体は動翼であるため、動翼の翼根部に、遠心力に相当する非常に大きな荷重（例えば２０ｔ）を掛けている。従って、治具にもその反力として同程度の大きな荷重が掛かっている。

　試験体を加振している間、治具に掛かる荷重は試験体の振動に合わせて変動する。動翼のように全体的に形状がねじれた試験体の場合、加振時の変動荷重が治具内の位置に応じて変化する。つまり、変動荷重が大きい位置と変動荷重が小さい位置が定常的に現れる。一方、上述の通り、振動試験は数日から数週間に亘って連続的に遂行される。従って、変動荷重が相対的に大きい箇所では塑性変形が生じやすくなる。このような塑性変形等の疲労が部分的に生じた場合、治具による試験体の端部への均一な荷重（押圧）の印加が難しくなり、治具の製品寿命（使用可能期間）を早めることにもなる。

　本開示は上述の事情を鑑みて成されたものであり、試験体の加振時に治具内に生じる過剰な変動荷重を低減することが可能な振動試験用治具の提供を目的とする。

　本開示の一態様に係る振動試験用治具は、所定の方向に延伸する試験体の端部を保持する治具であり、前記試験体の前記端部が載置される載置面を含み、加振テーブルに設置される基台と、前記試験体の前記端部を前記載置面に向けて押圧する内面をもつスロットを有し、前記基台上に間隔を置いて載置される天板と、前記スロットに沿って配置され、前記補強部を前記基台に向けて押圧する複数の押圧部材とを備え、前記補強部の厚さは、加振時の前記天板内に生じる変動荷重の大きさに応じて、前記スロットに沿って変化している。

　前記補強部は前記押圧部材毎の補強セグメントに分割されていてもよい。前記治具は、各前記押圧部材と前記補強部の間に挟まれる板部材を備えてもよい。前記板部材は前記補強部の剛性よりも低い剛性を有してもよい。

　本開示によれば、試験体の加振時に治具内に生じる過剰な変動荷重を低減することが可能な振動試験用治具を提供することができる。

図１は、本開示の実施形態に係る治具に保持される試験体の一例であるファン動翼の斜視図である。図２は、本開示の実施形態に係る治具の正面図である。図３は、本開示の実施形態に係る治具の上面図である。図４Ａは、本開示の実施形態に係る補強部が載置される領域においてＸ方向に沿った位置での変動荷重を示すグラフである。図４Ｂは、図４Ａのグラフに基づいて設定された厚さを有する補強部の側面図である。図５Ａは、本開示の実施形態に係る補強部が載置される領域においてＸ方向に沿った位置での変動荷重を示すグラフである。図５Ｂは、図５Ａのグラフに基づいて設定された厚さを有する補強部の側面図である。図６は、本開示の実施形態に係る補強部の変形例の側面図である。図７は、本開示の実施形態に係るワッシャの側面図である。

　以下、本開示の実施形態に係る治具１０について図面を参照して説明する。図１は、治具１０に保持される試験体の一例であるファン動翼１の斜視図である。図２は、本実施形態に係る治具１０の正面図である。図３は、治具１０の上面図である。説明の便宜上、図３では、図２に示した基台１１と翼根部３の図示を省略している。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

　説明の便宜上、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を定義する。Ｘ方向及びＹ方向は、加振テーブル（図示せず）の振動方向を含む平面（仮想面）と平行である。Ｘ方向はスロット１６（図３参照）の延伸方向であり、スロット１６と平行に天板１２の側面１２ｃから側面１２ｄに向かう方向でもある。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交する。後述する各所の厚さは、Ｚ方向に沿った厚さ（長さ）を指すものとする。

　本実施形態に係る治具１０は振動試験用治具である。治具１０は、振動試験装置の加振テーブル（図示せず）上に取り付けられ、試験体の端部を保持する。試験体の端部は、天板１２によって基台１１に押圧される断面形状を有する。試験体は所謂長尺物であり、Ｘ方向に延伸する端部と、端部からＸ－Ｙ平面と交差する所定の方向（例えばＺ方向）に延伸する本体とを有する。以下、試験体の一例として、ターボファンエンジン（図示せず）等の航空機用エンジンに使用されるファン動翼１を挙げて説明する。

　図１に示すように、試験体としてのファン動翼１は、試験体の本体としての翼体２と、試験体の端部としての翼根部３とを備える。翼体２と翼根部３は一体物として形成されている。翼体２は前縁２aと、後縁２ｂと、チップ２ｃと、ハブ２ｄとを有する。翼体２は、翼根部３からハブ２ｄを介してチップ２ｃまで、スパン方向ＳＤに延伸している。

　翼根部３は翼体２のハブ２ｄに接続すると共に、ファン動翼１が取り付けられるロータ（図示せず）の溝部（ダブテール溝）に嵌合するよう、一方向に延伸している。この翼根部３の延伸方向は、Ｘ方向と一致していてもよい。

　翼根部３は基台１１の載置面１１ａに載置される（図２参照）。翼根部３は一対の側面３ａ、３ａ（図２参照）と、底面３ｂ（図２参照）とを有する。また、翼根部３は、上述の溝部（図示せず）の断面形状と相補的な断面形状を有する。即ち、翼根部３は、翼体２から離れるに連れてＹ方向に広がる幅を含む。一対の側面３ａ、３ａはこの幅を定義する斜面である。底面３ｂは、側面３ａ、３ａの間に位置し、各側面に接続する。翼根部３が基台１１の載置面１１ａに載置されたとき、底面３ｂは載置面１１ａに接触する。

　図２及び図３に示すように、治具１０は、基台１１と、天板１２と、補強部１３と、複数の押圧部材１４とを備えている。押圧部材１４は、ねじ部１４ａとヘッド部１４ｂが一体に形成されたボルト１５によって構成される。或いは、押圧部材１４は、スタッドボルトとして形成されたねじ部１４ａと当該ねじ部１４ａに螺合するナット１４ｃとの組によって構成されてもよい（図２参照）。前者の場合はボルト１５を、後者の場合はナット１４ｃを締めることによって、補強部１３を基台１１に向けて押圧する。以下、説明の便宜上、押圧部材１４の一例としてボルト１５を挙げて説明する。

　基台１１は所定の厚さを有する平板であり、ステンレス等の剛性が高い金属によって形成されている。基台１１の厚さは、締結時のボルト１５の軸力及び振動時の応力に対して十分な剛性が得られる値に設定されている。基台１１は、振動試験装置の加振テーブル（図示せず）に設置され、所望の加振方向が得られるように向きを調整した状態で、ボルト等の締結部材により固定される。

　基台１１は翼根部３が載置される載置面１１ａを含む。載置面１１ａは天板１２に面し、例えば、基台１１から天板１２に向けて突出する載置台１１ｂの上面として形成されている。本実施形態に係る載置台１１ｂの高さは、天板１２が翼根部３を載置面１１ａに押し付ける際に、基台１１と天板１２の間の間隙を維持できる値に設定される。

　天板１２は所定の厚さを有する矩形の平板であり、基台１１上に間隔を置いて載置される。基台１１と同様に、天板１２もステンレス等の剛性が高い金属によって形成されている。天板１２の厚さは、締結時のボルト１５の軸力及び振動時の応力に対して十分な剛性が得られる値に設定されている。なお、天板１２の形状は矩形に限られず、円形等の他の形状でもよい。

　天板１２は、翼根部３の少なくとも一部が収容されるスロット（保持溝）１６を有する。スロット１６は、天板１２の上面１２ａに開口すると共に、Ｘ方向に延伸している。スロット１６は、天板１２の側面１２ｃ、１２ｄ（図３参照）の少なくとも一方にも、翼根部３の挿入口１７として開口している。図３に示す例では、スロット１６は、天板１２の側面１２ｃ、１２ｄのうちの一方から他方まで延伸している。この場合、天板１２の側面１２ｃ、１２ｄのそれぞれに挿入口１７が設けられる。

　スロット１６は、天板１２の下面１２ｂにも、載置台１１ｂの挿入口１８として開口している。この挿入口１８は、スロット１６の内面１６ａの一部である底面１６ｂから天板１２の下面１２ｂまで貫通している。

　スロット１６は、当該スロット１６内に位置した翼根部３を載置面１１ａに向けて押圧する内面１６ａを有する。即ち、Ｘ方向に直交するスロット１６の断面は、スロット１６内に位置する翼根部３の側面３ａ、３ａに相当する輪郭を含む。これにより内面１６ａの一部は、翼根部３の一対の側面３ａ、３ａと接触する。

　Ｚ方向に沿ったスロット１６の深さは、スロット１６内に収容される翼根部３の部分のＺ方向に沿った長さよりも深い。また、Ｙ方向に沿ったスロット１６の底面１６ｂの幅は、Ｙ方向に沿った翼根部３の幅よりも広い。これにより、挿入口１７を介して翼根部３をスロット１６に挿入する際に、翼根部３とスロット１６の内面１６ａのとの間に十分な間隙が形成され、翼根部３を容易にスロット１６に挿入することができる。

　スロット１６の底面１６ｂを含み且つＹ方向に延伸する部分は、スロット１６を挟んだ一方側の板部１２Ａと他方側の板部１２Ｂを連結する連結部１９として機能する。スロット１６に沿った両側にはボルト１５が螺合するネジ孔２０（図２参照）が形成されている。ネジ孔２０は所定の間隔を置いてＸ方向に並んでいる。

　補強部１３は、Ｙ方向に所定の幅を有し、スロット１６に沿って（即ちＸ方向に）延伸する扁平な板状部材（棒状部材）である。補強部１３は、スロット１６に沿った両側のそれぞれに載置される。補強部１３には、ボルト１５が挿入される貫通孔２１（図４Ｂ参照）が設けられている。貫通孔２１は所定の間隔を置いてＸ方向に並んでいる。この間隔は、Ｘ方向に隣接するネジ孔２０の間隔に等しい。補強部１３は、天板１２よりも剛性の互い金属材料で形成されている。このような材料は例えばクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）である。

　複数のボルト１５は補強部１３上でＸ方向に配置され、補強部１３及び天板１２を介して基台１１に螺合する。各ボルト１５を締めると、天板１２は基台１１に向けて移動する。従って、翼根部３がスロット１６内に挿入され且つ載置台１１ｂに載置された状態でボルト１５を締めると、天板１２が徐々に下降し、スロット１６の内面１６ａが翼根部３の側面３ａ、３ａに接触する。一方、翼根部３は載置台１１ｂに載置されているために下降できない。従って、更にボルト１５を締めると、スロット１６の内面１６ａが翼根部３の側面３ａ、３ａを押圧し、翼根部３は載置台１１ｂの載置面１１ａに押し付けられる。これにより、ファン動翼１は治具１０に保持される。

　各ボルト１５にはひずみセンサ２２が埋設されている。ひずみセンサ２２はボルト１５内に生じた軸力を計測する。ボルト１５を締める際、ひずみセンサ２２が計測する軸力を確認することにより、各ボルト１５に対して一定の軸力を設定することができる。従って、翼根部３及び治具１０に対して位置的に均一な荷重を掛けることができる。

　しかしながら、治具１０に掛かる荷重は、ファン動翼１の振動に合わせて周期的に変動する。また、ファン動翼１のように、全体の形状が延伸方向の周りでねじれている試験体を加振すると、治具１０内の位置毎に変動荷重の最大値が変化する。上述の通り、治具１０において変動荷重が相対的に大きい箇所では塑性変形が生じやすくなる。また、治具１０による翼根部３への均一な荷重の印加が難しくなり、治具１０の製品寿命（使用可能期間）を早めることにもなる。

　そこで本実施形態では、補強部１３の厚さｔは、ファン動翼１の加振時の天板１２内に生じる変動荷重の大きさに応じて、スロット１６に沿って変化している。即ち、補強部１３以外の構成による治具１０によってファン動翼１が保持され、加振されたときの、天板１２に生じる変動荷重の分布を予め算出しておき、算出した分布中のスロット１６に沿った各位置（例えばボルト１５の各位置）における変動荷重の大きさに応じて補強部１３の厚さｔを設定する。従って、補強部１３が載置される領域において変動荷重が大きい箇所ほど、その箇所における補強部１３の厚さも増加する。この変動荷重の大きさの分布は、有限要素法を用いた数値解析などの解析手法によって算出してもよく、ひずみセンサ２２による実測値から算出してもよい。

　図４Ａ～図５Ｂは、補強部１３の厚さｔの設定を説明するための図である。図４Ａ及び図５Ａは補強部１３が載置される領域においてＸ方向に沿った位置での変動荷重の例を示すグラフである。図４Ｂは図４Ａのグラフに基づいて設定された厚さを有する補強部１３の側面図である。図５Ｂは図５Ａのグラフに基づいて設定された厚さを有する補強部１３の側面図である。

　図４Ａに示すように、或る位置での変動荷重の最大値が、その位置がＸ方向に進むに連れて増加する場合、図４Ｂに示すように、或る位置での補強部１３の厚さｔも、その位置がＸ方向に進むに連れて増加する。天板１２の厚さは、図４Ａに示すように、貫通孔２１の位置毎に段階的に増加してもよく、連続的に増加してもよい。何れの場合も、ボルト１５のヘッド部１４ｂが接触する部分は、ボルト１５の挿入方向（本実施形態ではＺ方向と反対方向）と直交する平面として形成される。

　図５Ａに示すように、或る位置での変動荷重の最大値が、その位置がＸ方向に進むに連れて減少する場合、図５Ｂに示すように、或る位置での補強部１３の厚さｔも、その位置がＸ方向に進むに連れて減少する。但し、上述の通り、天板１２の厚さは、図５Ａに示すように、貫通孔２１の位置毎に段階的に減少してもよく、連続的に減少してもよい。

　Ｘ方向に沿った変動荷重の最大値の分布は、治具１０に保持されるファン動翼１（即ち試験体）の形状、寸法、材質、又はファン動翼１に対する加振方向などによって変化する。これに合わせて、Ｘ方向に沿った各位置における補強部１３の厚さｔも設定される。従って、Ｘ方向に沿った各位置における補強部１３の厚さｔの変化は、単調増加又は単調減少に限られない。

　本実施形態によれば、補強部１３を天板１２に載置することにより、変動荷重が大きかった箇所の剛性を高めることができる。従って、試験体の加振時に治具１０内に生じる過剰な変動荷重を低減することができる。その結果、荷重分布の不均一性も緩和され、局所的な塑性変形の進行を抑制でき、試験体の端部への均一な荷重（押圧）を維持することができる。つまり、治具１０の製品寿命（使用可能期間）の短縮化を抑制できる。

　図６は、本実施形態に係る補強部１３の変形例の側面図である。この図に示すように、補強部１３は、ボルト１５（押圧部材１４）毎の補強セグメント１３Ｓに分割されてもよい。この場合、厚さの異なる補強セグメント１３Ｓを用いて、様々な変動荷重の分布に合わせて配置することができる。例えば、試験体の振動モードの変化に合わせた厚さを有する補強部１３を、補強セグメント１３Ｓの配置を変えるだけで構成できる。

　図７は、本実施形態に係る板部材２３の側面図である。本実施形態に係る治具１０は、ボルト１５（押圧部材１４）と補強部１３の間に挟まれる板部材２３を備えてもよい。板部材２３は、ねじ部１４ａが挿通される挿通孔２４を有し、例えば環状に形成される。

　板部材２３の剛性は補強部１３の剛性よりも低く、例えば補強部１３の剛性の１／２以下である。板部材２３の材質としては、アルミ、マグネシウム等の軽金属、硬質ゴム又は硬質樹脂などが選ばれる。なお、材質の異なる板部材を重ねて用いてもよい。

　ファン動翼１を保持するとき、締めるべきボルト１５を変えながら、所望の軸力が得られるまで徐々にボルト１５を締めていく。このとき、複数のボルト１５のうちの互いに近接した一群だけが極端に締まること（所謂片締め）を避けるため、一のボルト１５を締めた後は、当該一のボルト１５から十分に離れた他のボルト１５を締める。

　一方、基台１１、天板１２、補強部１３及び押圧部材１４は、荷重による過度な変形を避けるため、ステンレスやＳＣＭなどの比較的剛性が高い金属によって形成されている。そのため、ボルト１５を僅かに締めるだけで、当該ボルト１５の軸力は急激に増加してしまう。また、極端な軸力上昇により、隣接したボルト１５の軸力が低下してしまうこともある。即ち、ボルト１５一回転当たりの軸力増加量が大きいため、適切なボルト締めが難しく、上述した均一な軸力を得るための作業に膨大な時間が掛かってしまう。

　ボルト１５を締めるとき、板部材２３は、ボルト１５のヘッド部１４ｂと補強部１３の間に挟まれる。板部材２３は補強部１３よりも軟らかいため、板部材２３を設けない場合と比べて、ボルト１５一回転当たりの軸力増加量が減少する。つまり、所望の軸力増加量を得るためのボルト１５の回転角を拡大させることができる。従って、ボルト１５の軸力調整が容易になり、複数のボルト１５（押圧部材１４）に対して均一な軸力を得るための作業が緩和され、補強部１３と天板１２を適切な軸力で基台１１に取り付けることができる。

　なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

Claims

所定の方向に延伸する試験体の端部を保持する振動試験用治具であって、
　前記試験体の前記端部が載置される載置面を含み、加振テーブルに設置される基台と、
　前記試験体の前記端部を前記載置面に向けて押圧する内面をもつスロットを有し、前記基台上に間隔を置いて載置される天板と、
　前記スロットに沿って前記天板に載置される補強部と、
　前記スロットに沿って配置され、前記補強部を前記基台に向けて押圧する複数の押圧部材と
を備え、
　前記補強部の厚さは、加振時の前記天板内に生じる変動荷重の大きさに応じて、前記スロットに沿って変化している
振動試験用治具。
　前記補強部は、前記押圧部材毎の補強セグメントに分割されている
請求項１に記載の振動試験用治具。
　各前記押圧部材と前記補強部の間に挟まれる板部材を備え、
　前記板部材は前記補強部の剛性よりも低い剛性を有する
請求項１又は２に記載の振動試験用治具。