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WO2012067179A1 - 材料試験機 - Google Patents

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Publication number
WO2012067179A1
WO2012067179A1 PCT/JP2011/076496 JP2011076496W WO2012067179A1 WO 2012067179 A1 WO2012067179 A1 WO 2012067179A1 JP 2011076496 W JP2011076496 W JP 2011076496W WO 2012067179 A1 WO2012067179 A1 WO 2012067179A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
test piece
movable
displacement
testing machine
material testing
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/076496
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
知孝 太田
Original Assignee
国際計測器株式会社
桑原 利彦
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国際計測器株式会社, 桑原 利彦 filed Critical 国際計測器株式会社
Priority to KR1020137015413A priority Critical patent/KR101920865B1/ko
Priority to CN201180055582.8A priority patent/CN103250039B/zh
Priority to JP2012544294A priority patent/JP5838165B2/ja
Priority to EP11841790.6A priority patent/EP2642274A4/en
Publication of WO2012067179A1 publication Critical patent/WO2012067179A1/ja
Priority to US13/897,547 priority patent/US8950268B2/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/04—Chucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
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    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12—Pressure testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/026—Specifications of the specimen
    • G01N2203/0262—Shape of the specimen
    • G01N2203/0274—Tubular or ring-shaped specimens

Definitions

  • the present invention relates to a material testing machine that applies a tensile stress or a compressive stress to a test piece to test the mechanical properties of the material.
  • the present invention relates to a biaxial stress test by applying an axial force while applying an internal pressure to a cylindrical test piece. It relates to a pipe bulge testing machine.
  • Non-Patent Document 1 discloses an axial force-internal pressure type tube bulge tester (hereinafter referred to as “circular tube bulge tester”) which performs a hydraulic bulge test by applying an axial force to a tubular test piece while applying an internal pressure. ) Is disclosed.
  • circular tube bulge tester the central portion in the tube axis direction of the test piece expands (expands in the circumferential direction and the tube axis direction) to form a bell-shaped bulge top portion in the longitudinal section.
  • the stress in the two directions of the circumferential direction and the pipe axis direction is determined.
  • the test piece is not completely axisymmetric with respect to the tube axis, and the outer diameter and thickness vary depending on the direction (direction around the tube axis). For this reason, the amount of deformation at the top of the bulge is also asymmetric with respect to the tube axis. Conventionally, since the outer diameter of the test piece was measured only in one direction, the measurement value of the outer diameter varied and the measurement accuracy of the strain of the test piece was low.
  • the present invention has been made based on the above circumstances, and a material testing machine capable of high-precision axial force-internal pressure type pipe bulge testing without using a strain gauge to measure the deformation behavior of a test piece.
  • the purpose is to provide.
  • a material testing machine that applies an internal pressure and stress in the tube axis direction to a circular tubular test piece to measure strain of the test piece.
  • a material testing machine includes a plurality of radial displacement detectors for detecting a radial displacement of an outer peripheral surface in an effective length central portion of a test piece in a tube axis direction, and an effective length central portion of the test piece
  • An axial displacement detector that detects the displacement of the outer circumferential surface in the tube axis direction, and the circumferential direction and the tube at the center of the effective length of the test piece based on the detection results of the radial displacement detector and the axial displacement detector
  • a plurality of radial displacement detectors configured to detect displacements in different directions around the tube axis of the test piece.
  • the plurality of radial displacement detectors may include first, second, and third radial displacement detectors arranged at intervals of 120 ° around the tube axis of the test piece.
  • each of the plurality of radial displacement detectors includes a first displacement meter that detects a radial displacement of the outer peripheral surface at the center portion of the effective length of the test piece
  • at least one of the plurality of radial displacement detectors includes: A second displacement meter that is arranged side by side in the tube axis direction with respect to the first displacement meter and detects a displacement in the radial direction of the outer peripheral surface of the test piece; Based on the detection result of the 1st and 2nd displacement meter, you may be comprised so that the pipe-axis direction curvature radius of the outer peripheral surface in the effective length center part of a test piece may be calculated.
  • the first, second, and third displacement gauges have a needle that is provided so that the tip thereof is perpendicular to the outer peripheral surface of the test piece and is movable in the length direction according to the radial displacement of the outer peripheral surface of the test piece. And detecting the displacement of the needle to detect the radial displacement of the outer peripheral surface of the test piece.
  • the displacement meter has a fixed frame, a movable frame that is slidable in the radial direction of the test piece with respect to the fixed frame, and a contact that protrudes in a radial direction of the test piece from the barrel and one end of the barrel.
  • a contact-type displacement sensor having a body and a body portion attached to a movable frame, the tip of the contact is in contact with a contact abutment plate provided on the fixed frame, and the needle has a length It is good also as a structure attached to the movable frame so that a direction may turn to the radial direction of a test piece and it may protrude from the end facing the test piece of a movable frame.
  • the placement of the needle can be freely set without being restricted by the size and shape of a commercially available contact displacement sensor, and a material testing machine excellent in assemblability and usability can be realized.
  • a material testing machine that applies a stress in a predetermined direction to a test piece and measures the response of the test piece.
  • a material testing machine according to an embodiment of the present invention is fixed to a frame, a first movable part that is provided so as to be movable in a predetermined direction with respect to the frame, and includes a movable chuck that fixes one end of a test piece.
  • the fixed part having a fixed chuck for fixing the other end of the test piece is provided between the first movable part and the fixed part so as to be movable in a predetermined direction with respect to the frame, and stress is applied to the test piece.
  • a second movable part having a central measuring instrument for measuring a response at a central part in a predetermined direction of the test piece, an actuator fixed to the frame and driving the first movable part in a predetermined direction, a frame,
  • the movable part and the second movable part are connected, and a link mechanism is provided that moves the central measuring instrument to the center of the movable chuck and the fixed chuck in accordance with the movement of the first movable part.
  • the central measuring instrument moves to the axial central part of the test piece according to the expansion and contraction of the test piece, the central part of the test piece can always be measured by the central measuring instrument.
  • the first movable part further includes a first runner block that engages with the rail, and is supported by the first runner block so as to be slidable in a predetermined direction.
  • a second runner block that engages with the rail may be provided, and the second runner block may be slidably supported in a predetermined direction by the second runner block.
  • the first and second movable parts are supported by the first and second runner blocks, respectively, unnecessary bending stress or the like is applied to the test piece due to the weight of the first and second movable parts. There is no. Further, since the first and second movable parts can move in a predetermined direction (axial force direction) with low resistance, the test load is applied to the test piece without being attenuated, and a high-accuracy material test can be performed.
  • the fixed portion further includes a load sensor that measures a load in a predetermined direction applied to the test piece, and a third runner block that engages with the rail so as to be movable in the predetermined direction, and the fixed chuck is mounted on the third runner block. It is good also as a structure arrange
  • the link mechanism includes a first link having one end rotatably connected to the first movable part via the first pin, and a first link rotatably connected to the second movable part via the second pin.
  • An end and the other end of the third link are rotatably connected via a fourth pin, and the other end of the second link is rotatably connected to the first or third link via a fifth pin.
  • the distance between the first pins is equal to the distance between the fourth pins and the third pins, and the distance between the fifth pins and the second pins is the same as that between the fifth pin and the fifth pin of the first and third pins. It is good also as a structure equal to a space
  • the first movable portion, the second movable portion, and the fixed portion each include a base plate with first, second, and third runner blocks attached to the lower surface, and the movable chuck, the central portion measuring instrument, and the fixed chuck are each a base plate.
  • the link mechanism may be attached to the lower surface of each base plate and disposed below the base plate.
  • the frame includes a surface plate having a horizontal upper surface
  • the rail is attached to the upper surface of the frame, and a central portion of one side surface of the surface plate is cut out in a horizontal direction, and a concave portion having a bottom formed along the rail.
  • the link mechanism may be disposed in the recess.
  • a material testing machine capable of highly accurate material testing with a simple configuration is provided.
  • FIG. 1 is a front view of a material testing machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the material testing machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an AA arrow view in FIG.
  • FIG. 4 is a top view of the sensor unit moving mechanism.
  • FIG. 5 is a side view of the sensor unit.
  • FIG. 6 is a front view of the sensor unit.
  • FIG. 7 is a top view of the first radial displacement detector.
  • FIG. 8 is a side view of the axial displacement detector.
  • FIG. 9 is a diagram of the axial displacement detection unit viewed in the positive direction of the Y ′ axis.
  • FIG. 10 is a BB arrow view in FIG.
  • FIG. 11 is a top view of the fixed chuck and the movable chuck.
  • FIG. 12 is a longitudinal sectional view of the fixed chuck and the movable chuck.
  • FIG. 13 is a CC arrow view
  • a material testing machine 1 applies an axial force together with an internal pressure to a tubular test piece T, and measures an elasto-plastic behavior of the test piece T at this time. It is an apparatus for performing a test.
  • 1 and 2 are a front view and a top view of the material testing machine 1, respectively.
  • 3 is an AA arrow view of FIG. 2 and shows only a frame 10 and a sensor unit moving mechanism 100 described later. In the following description, the left-right direction in FIG.
  • the vertical direction is the Z-axis direction (the upward direction is the positive Z-axis direction).
  • the vertical direction (Y-axis direction) in FIG. 2 is referred to as “depth direction”, the upper side is referred to as the “back” side, and the lower side is referred to as the “front side”.
  • the material testing machine 1 includes a frame 10, a hydraulic cylinder 20, a first movable unit 30, a second movable unit 40, a fixed unit 50, a sensor unit moving mechanism 100, a hydraulic source, a hydraulic pressure source, and a control unit (not shown).
  • the hydraulic pressure source is a device that supplies hydraulic pressure to drive the hydraulic cylinder 20, and the hydraulic pressure source is a device that supplies pressurized liquid (for example, water mixed with a rust preventive agent) into the tube of the test piece T.
  • the frame 10 is a frame that supports each part of the material testing machine 1, and each part of the material testing machine 1 except the hydraulic power source, the hydraulic pressure source, and the control device is attached to a surface plate 12 provided on the upper surface of the frame 10. Yes.
  • a substantially rectangular recess 12a is formed on the near side and the far side at the center in the X-axis direction of the surface plate 12, and the surface plate 12 has a substantially H-shaped outer shape in a top view (FIG. 2).
  • the frame 10 has a pair of outer walls 14 that cover both sides in the depth direction of the frame 10 and a pair of horizontal sections that are substantially U-shaped and extend vertically from the lower surfaces of the edge portions of the recesses 12 a of the surface plate 12. And a pair of horizontal bottom plates 18 that respectively close the openings of the pair of internal spaces S formed by being surrounded by the inner wall 16 and the outer wall 14.
  • FIG. 4 is a top view of the sensor unit moving mechanism 100.
  • the sensor unit moving mechanism 100 includes the first movable unit 30 such that the second movable unit 40 (or sensor unit 200, which will be described later) is always accurately positioned at an intermediate point between the first movable unit 30 and the fixed unit 50. This is a mechanism for moving the second movable portion 40 in accordance with the movement of.
  • the sensor unit moving mechanism 100 includes two sets of linear guides 120 and link mechanisms 140.
  • Each linear guide 120 includes a rail 121 and three runner blocks 122, 123, and 124 that engage with the rail 121 and can move smoothly along the rail 121.
  • the rails 121 of the two sets of linear guides 120 are disposed between a pair of recesses 12a formed on the surface plate 12, respectively.
  • the two rails 121 extending in the X-axis direction are arranged in parallel at a predetermined interval in the Y-axis direction, and are fixed to the upper surface of the surface plate 12.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are respectively attached to the runner blocks 122 and 123 of each linear guide 120, and the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are respectively connected to the X-axis by the linear guide 120. It is configured to move smoothly in the direction.
  • Each runner block 124 is provided with a chuck 52 (described later) of the fixing portion 50.
  • runner blocks 122, 123, and 124 are connected by a link mechanism 140, and the runner block 123 is always arranged accurately between the runner blocks 122 and 124 even if the runner block 122 moves. ing. Details of the link mechanism 140 will be described later.
  • a linear encoder (not shown) for detecting the position of the runner block 122 is provided on the surface plate 12. The linear encoder is communicably connected to the control unit, and the position information of the first movable unit 30 (that is, the position information of the chuck 32 described later) detected by the linear encoder during the test is sent to the control unit. Recorded in the storage device.
  • the hydraulic cylinder 20 is a hydraulic linear motion actuator that is linearly driven in the X-axis direction by hydraulic pressure supplied from a hydraulic source (not shown).
  • the cylinder tube 21 of the hydraulic cylinder 20 is fixed to the end of the surface plate 12 in the negative X-axis direction via a bracket 24.
  • a piston rod 22 that moves in the X-axis direction protrudes from the X-axis positive direction end of the cylinder tube 21.
  • An attachment 23 for connecting the piston rod 22 and the chuck 32 is provided at the tip of the piston rod 22.
  • the first movable unit 30 includes a base 31, a chuck (movable chuck) 32, and a connecting member 33.
  • a runner block 122 of each linear guide 120 is attached to both end portions in the depth direction of the lower surface of the base 31.
  • a chuck 32 that holds one end of the test piece T is attached to the upper surface of the base 31. Accordingly, a relatively large weight of the chuck 32 is supported by the base 31 and the two sets of linear guides 120 so as to be slidable in the X-axis direction.
  • the back surface (left side surface in FIG. 1) of the chuck 32 is fixed to the attachment 23 of the hydraulic cylinder 20 via the connecting member 33, and the chuck 32 is driven in the X-axis direction as the piston rod 22 moves.
  • the second movable part 40 includes a base 41 and a sensor unit 200.
  • the runner blocks 123 of the respective linear guides 120 are attached to both end portions in the depth direction of the lower surface of the base 41.
  • a sensor unit 200 for measuring the shape of the central portion in the length direction (X-axis direction) of the test piece T is attached to the upper surface of the base 41. Details of the sensor unit 200 will be described later.
  • the fixing unit 50 includes a base 51, a chuck (fixed chuck) 52, a connecting member 53, a load cell 54, and a bracket 55.
  • a chuck 52 that holds the other end of the test piece T is attached to the upper surface of the base 51.
  • the runner blocks 124 of the respective linear guides 120 are attached to both ends of the bottom surface of the base 51 in the depth direction. Accordingly, a relatively large weight of the chuck 52 is supported by the base 51 and the two sets of linear guides 120 so as to be slidable in the X-axis direction.
  • a mounting base for the load cell 54 is attached to the back surface of the chuck 52 (the right side surface in FIG. 1) via a connecting member 53.
  • a load receiving bar 54a protrudes vertically from a load seat (the plate on the right side surface in FIG. 1) of the load cell 54, and the load receiving bar 54a is fixed to a bracket 55 attached to the surface plate 12.
  • the load cell 54 arranged in this way detects a test load (axial force) in the X-axis direction applied to the test piece T. Further, as described above, the relatively large weight of the chuck 52 is slidably supported by the linear guide 120, so that a large bending moment is not applied to the load cell 54, and an accurate axial force can be measured by the load cell 54. Become.
  • the chuck 52 can move on the linear guide 120 in the X-axis direction with a low resistance, the axial force applied to the chuck 52 is transmitted to the load cell 54 with almost no loss and is accurately detected by the load cell 54.
  • the load cell 54 is connected to the control unit, and the load cell detection signal (strain gauge resistance value) is read out by a well-known bridge circuit provided in the control unit and converted into test load data. Information on the test load detected by the load cell 54 during the test is recorded in the memory of the control unit in association with the position information of the first movable unit 30 detected at the same time.
  • the link mechanism 140 will be described with reference to FIG. 1, FIG. 3, and FIG.
  • the two link mechanisms 140 are arranged vertically in the internal space S of the frame 10. Since the structures of the two link mechanisms 140 are mirror images of each other, only the structure of the link mechanism 140 on the near side will be described in detail.
  • the link mechanism 140 has three long plate links (movable links) 141, 142, and 143 that are rotatably connected by pins, and a fixed link 140a that is fixed to the upper surface of the surface plate 12.
  • a connecting hole for passing a pin is formed at both ends of each movable link, and a connecting hole is formed at one end of the fixed link 140a.
  • the movable link 143 has a third connection hole in the middle of the connection holes at both ends. Note that a bearing for rotatably holding the pin is provided in one of the connecting holes of the two links to be connected, whereby the links are connected to each other so as to be smoothly rotated.
  • the link 141 and the link 143 are members of the same scale having the same link length (interval between connecting holes provided at both ends) 2L, and the link 142 has a link length L that is half of that.
  • pins 145 and 146 are fixed to both ends in the depth direction of the bases 31 and 41 by pin fixtures 145a and 146a, respectively.
  • a pin 145 is inserted into a connecting hole at one end of the link 141, and the link 141 is rotatably connected to the base 31 via the pin 145.
  • the link 142 is rotatably connected to the base 41 via a pin 146.
  • one end of the link 143 is rotatably connected to one end of the fixed link 140a via a pin 147.
  • the other end of the link 141 is rotatably connected to the other end of the link 143 via a pin 148.
  • the other end of the link 142 is rotatably connected to the center portion of the link 143 via a pin 149.
  • a triangle having apexes of the pins 145, 147, and 148 is an isosceles triangle (hereinafter referred to as an “isosceles triangle 578”).
  • the link 142 has a link length that is half of the link length of the link 143, and the connecting hole at the other end of the link 142 is connected to the connecting hole at the center in the length direction of the link 143 by the pin 149. , 147 and 249 are connected to form an isosceles triangle (hereinafter referred to as “isosceles triangle 679”).
  • the isosceles triangle 578 and the isosceles triangle 679 are similar figures having a similarity ratio of 2: 1. Therefore, even if the first movable unit 30 (pin 145) moves, the pin 146 is always located at the intermediate point between the pin 145 and the pin 147. That is, when driven by the hydraulic cylinder 20 and the first movable part 30 moves in the X-axis direction, the link mechanism 140 coupled to the first movable part 30 is actuated by the pin 145 and coupled to the link mechanism 140 by the pin 146. The second movable part 40 moves to the intermediate point between the first movable part 30 and the fixed part 50 after the movement.
  • the pins 145, 146, and 147 are reference positions (X-axis reference) in the X-axis direction of the first movable unit 30, the second movable unit 40, and the fixed unit 50 (specifically, the bases 31, 41, and 51), respectively. Point).
  • the X-axis reference point of the first movable part 30 and the fixed part 50 has a substantial end of the test piece T (deformable that is not clamped by the chuck). The end of the part) is arranged. Therefore, an intermediate point of the span of the test piece T (an intermediate point of the effective length of the test piece T) is disposed at the X-axis reference point of the second movable unit 40.
  • the sensor unit 200 provided in the second movable part 40 is configured to measure the shape of the test piece T at the X-axis reference point of the second movable part 40. Therefore, even if the length of the test piece T changes due to the test load during the test, the sensor unit 200 can always measure the substantial shape of the central portion in the length direction of the test piece T.
  • the sensor unit 200 is always arranged between the movable chuck 32 and the fixed chuck 52 by the sensor unit moving mechanism 100 described above, and is arranged in the radial direction and the length direction of the outer peripheral surface of the test piece T at the center of the span of the test piece T.
  • a component for measuring displacement during testing is a view of the second movable portion 40 to which the sensor unit 200 is attached viewed in the positive direction of the X axis.
  • FIG. 6 is a view of the sensor unit 200 as viewed in the positive Y-axis direction (that is, from the front side of the material testing machine 1).
  • the sensor unit 200 includes a plate 201, a first radial displacement detector 220, a second radial displacement detector 240, a third radial displacement detector 260, and an axial displacement detector 280.
  • the plate 201 is a flat plate extending perpendicularly from the X-axis positive direction end portion of the base 41, and an opening 201a having an arcuate edge through which the test piece T passes is formed in the center portion.
  • the opening 201a is opened at the upper part on the front side (upper right part in FIG. 5), and the test piece T can be taken into and out of the opening 201a through this opened part.
  • the first radial displacement detector 220, the second radial displacement detector 240, the third radial displacement detector 260, and the axial displacement detector 280 are each on one surface of the plate 201 (surface on the front side in FIG. 5). It is attached. Further, the first radial displacement detector 220, the second radial displacement detector 240, and the third radial displacement detector 260 are arranged around the axis of the test piece T at intervals of 120 °. Further, the first radial direction displacement detection unit 220 is disposed directly above the test piece T.
  • FIG. 7 is a view of the first radial displacement detector 220 as viewed from above.
  • the first radial displacement detector 220 includes a plate 221, three contact displacement meters 230a to 230c, three needles 223a to 223c, and needles 223a to 223c.
  • the sensor supports 224a to 224c fixed to the main bodies 231a to 231c of the contact displacement gauges 230a to 230c and the main bodies 231a to 223c of the contact displacement gauges and the needles 223a to 223c are vertically moved with respect to the plate 221 (Z Three linear guides 228 are slidably supported in the axial direction.
  • the contact displacement meters 230a to 230c are provided with substantially cylindrical main bodies 231a to 231c and round bar-like contacts 232a to 232c, respectively.
  • the main bodies 231a to 231c are formed with round holes extending from one end to the central axis, and the contacts 232a to 232c are accommodated in the round holes so as to be slidable in the central axis direction. Further, the contacts 232a to 232c are urged toward the tip end side by coil springs (not shown) provided in the main bodies 231a to 231c of the contact displacement gauges, and the tip portions of the contacts 232a to 232c are placed on the main bodies 231a to 231c. Protrudes from one end of the.
  • the contact displacement meters 230a to 230c detect positions or displacements of the contacts 232a to 232c relative to the main bodies 231a to 231c in the central axis direction (measurement axis direction P).
  • the plate 221 is a support plate that protrudes perpendicularly from one surface of the plate 201 (surface on the X axis negative direction side) and is arranged in parallel with the test piece T.
  • a rail 228m extending in the Z-axis direction of three linear guides 228 arranged at equal intervals in the X-axis direction is fixed to one surface of the plate 221 (the surface on the Y-axis negative direction side).
  • One runner block 228n is slidably engaged with each rail 228m along the rail 228m.
  • Plates 225a to 225c of the sensor supports 224a to 224c are attached to the attachment surfaces of the runner blocks 228n, respectively.
  • clamps 226a to 226c for attaching the main bodies 231a to 231c of the contact type displacement gauges are respectively attached to the surfaces of the plates 225a to c opposite to the runner blocks 228n.
  • the main bodies 231a to 231c of the contact displacement meter are supported to be slidable in the measurement axis direction P with respect to the plate 221 (that is, the frame of the sensor unit 200) by attaching to the clamps 226a to 226c.
  • the arms 227a to 227c extend horizontally from the lower ends of the plates 225a to 225c toward the Y axis negative direction.
  • a through-hole extending in the Z-axis direction through which the needles 223a to 223c are respectively passed is formed at the distal ends of the arms 227a to 227c.
  • the needles 223a to 223c are fixed to the arms 227a to 227c by a set screw 229 in a state where the tips of the needles 223a to 223c are accurately projected from the lower surfaces of the arms 227a to 227c by a predetermined length.
  • the needles 223a to 223c are fixed in parallel to the main bodies 231a to 231c of the contact type displacement gauges, respectively, and are slidable together with the main bodies 231a to 231c of the contact type displacement gauges in the Z axis direction (that is, the measurement axis direction P). Supported by
  • the needles 223a to 223c are arranged perpendicular to the central axis (X axis) of the tubular test piece T (in parallel with the Z axis), and have a predetermined interval in the X axis direction (in this embodiment, an interval of 10 mm). ) At equal intervals. Further, the center needle 223b is accurately arranged at the X-axis reference point of the second movable portion 40, and the tip is in contact with the center of the span of the test piece T.
  • the contact piece abutting plate 222 protrudes perpendicularly to the Y axis negative direction side and in parallel with the test piece T.
  • the top ends of the contact butt plates 222 are in contact with the tips of the contacts 232a to 232c of the contact displacement meter.
  • the contacts 232a to 232c are urged toward the distal end side by the coil springs provided in the main bodies 231a to 231c of the contact type displacement gauge, the main body 231a of the contact type displacement gauge together with the needles 223a to 223c.
  • the second radial direction displacement detection unit 240 has a plate 241 (contactor abutment plate 242), a contact displacement meter 250, a needle 243, and a sensor for fixing the needle 243 to the main body 251 of the contact displacement meter 250.
  • a support 244 and a linear guide 248 that slidably supports the main body 251 and the needle 243 of the contact displacement meter with respect to the plate 241 in the measurement axis direction Q of the contact displacement meter 250 are provided.
  • the second radial displacement detector 240 includes only one set of a contact displacement meter 250, a needle 243, a sensor support 244 and a linear guide 248, and the plate 241 is arranged in parallel with the plate 201.
  • the second radial displacement detector 240 is provided with a spring mechanism 245 that urges the body 251 of the contact displacement meter against the test piece T against gravity, and the tip of the needle 243 is always tested. It comes into contact with the piece T.
  • the central axis of the needle 243 is accurately disposed at the X-axis reference point of the second movable portion 40, and is configured to measure the radial displacement of the outer peripheral surface at the center of the span of the test piece T. Yes. Further, the configuration of the sensor support 244 in the second radial direction displacement detection unit 240 and the relative arrangement relationship of the plate 241, the needle 243, the sensor support 244, the linear guide 248, and the contact displacement meter 250 are the contact displacement.
  • the structure of the third radial displacement detector 260 is a mirror image of the structure of the second radial displacement detector 240, a detailed description of the configuration of the third radial displacement detector 260 is omitted.
  • the tubular test piece T expands in the circumferential direction around the center of the span due to the internal pressure. That is, the longitudinal section of the test piece T is deformed into a bell shape with the center portion of the span as a vertex.
  • the circumferential strain of the test piece T is mainly the displacement in the radial direction of the outer peripheral surface at the center of the span of the test piece T measured by the first, second, and third radial displacement detectors 220, 240, 260.
  • the strain in the circumferential direction of the test piece T can be measured based on only the radial displacement at one point on the outer peripheral surface at the center of the span of the test piece T, which is measured using the third radial direction displacement detection unit 260, for example. Can be determined.
  • the first, second, and third radial displacement detectors 220, 240, and 260 cause the radial displacement on the outer peripheral surface of the test piece T to be 120 around the central axis of the test piece T. By using three measured values measured at equal intervals, the circumferential strain of the test piece T can be measured more accurately.
  • the first radial direction displacement detection unit 220 includes three displacement meters arranged at equal intervals in the central axis direction of the test piece T. Thereby, the curvature of the bell-shaped deformation in the longitudinal section of the test piece T is determined, and the circumferential strain of the test piece T can be measured more accurately.
  • FIG. 8 is a diagram of the axial displacement detection unit 280 viewed in the negative X-axis direction. Note that the Y ′ axis and the Z ′ axis in FIG. 8 are coordinate axes obtained by rotating the Y axis and the Z axis by 40 ° around the X axis as shown in FIG. 5.
  • FIG. 9 is a diagram of the axial displacement detection unit 280 as viewed in the Y′-axis positive direction.
  • FIG. 10 is a view taken along arrow BB in FIG.
  • FIG 8 to 10 show a state in which a setting jig 370 used for setting the axial displacement detector 280 to the initial state when the axial displacement detector 280 is mounted on the test piece T is shown. Yes. The test is performed with the setting jig 370 removed.
  • the axial direction displacement detection unit 280 includes a plate 281 fixed perpendicularly to the plate 201 and a movable plate 282 arranged in parallel with the plate 281.
  • a rail 283m extending in the Z′-axis direction is fixed to the surface of the movable plate 282 facing the plate 281.
  • a runner block 283n that engages with the rail 283m is fixed to one surface of the plate 281. That is, the movable plate 282 is attached to one surface (surface on the Y′-axis negative direction side) of the plate 281 via a linear guide 283 constituted by a rail 283m and a runner block 283n. It is slidable in the axial direction.
  • a hand tightening screw 284 that engages with a female screw provided on the mounting surface of the rail 283m is rotatably attached to the movable plate 282.
  • a plurality of positioning pins 282a that engage with positioning shapes (holes or notches) provided on the mounting surface of the rail 283m are attached to the surface of the movable plate 282 that faces the plate 281.
  • the movable plate 282 can be detachably attached to the rail 283m with high positional accuracy by a positioning pin 282a and a hand tightening screw 284.
  • the movable plate 282 is removed from the rail 283 by loosening the hand tightening screw 284 in order to secure a space necessary for the replacement of the test piece T.
  • a bearing portion 310 (FIG. 10) that supports the main body portion 300 of the axial displacement detection unit 280 so as to be swingable around the Y ′ axis is provided at the distal end portion of the movable plate 282 in the negative Z′-axis direction.
  • the main body 300 includes a shaft 320, a plate 330, a first slide part 340, a second slide part 350, and a contact displacement meter 360.
  • the contact displacement meter 360 has the same configuration as the contact displacement meters 230a to 230c.
  • One end of a shaft 320 extending in the Y′-axis direction is rotatably supported by a double row ball bearing 312 provided in the bearing portion 310.
  • a plate 330 is fixed vertically to the other end of the shaft 320. That is, the plate 330 disposed in parallel with the movable plate 282 is supported by the shaft 320 and the bearing portion 310 so as to be swingable around the Y ′ axis with respect to the movable plate 282.
  • the main body 300 of the axial displacement detection unit 280 smoothly swings according to the deformation of the test piece T. The portion 280 is prevented from being damaged by receiving an excessive load from the test piece T.
  • the axial displacement detection unit 280 does not hinder the movement of the test piece T, and the test piece T is mounted even when the axial displacement detection unit 280 is mounted. Can be attached / removed.
  • the plate 330, the first slide part 340, and the second slide part 350 are disposed substantially parallel to each other, and a part of the plate 330 is sandwiched between the first slide part 340 and the second slide part 350.
  • the first slide portion 340 and the second slide portion 350 are attached to the plate 330 via linear guides 332 and 334, respectively, and slide in a predetermined direction (X-axis direction in FIGS. 8 to 9) with respect to the plate 330. It is free.
  • the rail 332 m of the linear guide 332 and the rail 334 m of the linear guide 334 are respectively attached to both surfaces of the plate 330.
  • the runner block 332 n of the linear guide 332 is attached to the first slide portion 340, and the runner block 334 n of the linear guide 334 is attached to the second slide portion 350.
  • first slide part 340 and the second slide part 350 At one end of the first slide part 340 and the second slide part 350 (end part in the Z′-axis negative direction in FIGS. 8 to 10), jaws 344 and 354 to be attached to the side surface of the test piece T are provided, respectively. .
  • a clamp 342 for fixing the main body 361 of the contact displacement meter 360 is provided at the other end portion of the first slide portion 340.
  • the contact displacement meter 360 is arranged so that the measurement axis (the axial direction of the contact 362) is parallel to the movable direction of the linear guides 332 and 334.
  • a contact butting plate 352 perpendicular to the contact 362 is provided.
  • the second relative to the main body 361 of the contact displacement meter fixed to the first slide portion 340 is obtained.
  • the contact piece abutting plate 352 of the slide part 350 moves in the measurement axis direction.
  • the contact 362 of the contact displacement meter is biased in the protruding direction (X-axis negative direction) by a coil spring (not shown) provided in the main body 361, so that the tip contacts the contact abutting plate 352.
  • the X-axis direction moves following the movement of the contact piece abutting plate 352 while maintaining the contacted state.
  • the relative displacement between the jaw 344 and the jaw 354 is detected by the contact displacement meter 360.
  • hook plates 336 are attached to both ends of the plate 330 in the measurement axis direction. Hooks 336 h are formed at both ends of the hook plate 336 in the Y′-axis direction.
  • the rubber band B is hooked on both hooks 336 with the tips of the jaws 344 and 354 in contact with the test piece T, and the rubber band B and the main body part 300 of the axial displacement detection unit A test piece T is sandwiched between the two.
  • the jaws 344 and 354 are urged toward the side surface of the test piece T by the elastic force of the rubber band B, so that the jaws 344 and 354 are displaced in the axial direction without slipping on the side surface of the test piece T.
  • the displacement in the axial direction is accurately detected.
  • the main body 300 of the axial displacement detector 280 is configured to be swingable around the shaft 320, the test piece T is distorted with respect to the center of the span when the test piece T is distorted or during the test. Even if there is a difference in the distance between the tips of the jaws 344 and 354 and the test piece T, the distance difference is eliminated by the rotation of the main body 300, and the two jaws 344 and 354 are securely It is applied to the side surface of the test piece T, and accurate axial displacement measurement is always possible.
  • positioning pins 346 and 356 are provided on the surfaces of the first slide portion 340 and the second slide portion 350 facing the setting jig 370, respectively.
  • a female screw 322 that engages with the hand tightening screw 322 is formed on the central axis of the surface of the shaft 320 facing the setting jig 370.
  • the setting jig 370 is formed with holes 372 and 372 that engage with the positioning pins 346 and 356 and a through hole 378 through which the hand tightening screw 322 is passed.
  • the setting jig 370 is axially moved.
  • the main body 300 of the displacement detector 280 is attached.
  • the shaft 320, the plate 330 integrally fixed to the shaft 320, the first slide portion 340, the second slide portion 350, and the setting jig 370 are fixed in a predetermined arrangement relationship.
  • the distance between the center axis of the shaft 320 and the tip of the jaw 344 and the distance between the center axis of the shaft 320 and the tip of the jaw 354 in the X-axis direction are common predetermined values (in this embodiment, 10 mm).
  • the central axis of the shaft 320 is disposed immediately above the central line in the X-axis direction of the base 41. That is, the shaft 320 is positioned between the movable chuck 32 and the fixed chuck 52 in the X-axis direction.
  • the jaws 344 and 354 are arranged at positions spaced apart from the center of the span of the test piece T at equal intervals in the X-axis positive direction and the negative direction, respectively.
  • the jaws 344 and 354 are abutted against the outer peripheral surface of the test piece T at a predetermined interval at the center of the span of the test piece T and fixed. can do.
  • 11 and 12 show a top view and a longitudinal sectional view of the chucks 32 and 52, respectively.
  • the right chuck 52 shows a clamped state
  • the left chuck 32 shows an unclamped state.
  • the chuck 32 includes a support block 610, a flange portion 620, a core 630, a collet 640, a sleeve 650, a slider 660, and two hydraulic cylinders 670 (FIG. 11).
  • the slider 660 includes four rods 662 and a connecting plate 664.
  • the support block 610 has a flange portion 620 attached to the side surface on the X axis negative direction side and a core 630 attached to the side surface on the X axis positive direction side.
  • the support block 610 is formed with four through holes 612 extending in the X-axis direction.
  • Each through hole 612 has an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the rod 662, and the rod 662 is slidably inserted into each through hole 612.
  • one end of each of the four rods 662 on the X axis negative direction side is fixed to the connecting plate 664.
  • the hydraulic cylinder 670 is configured to be able to bias the test piece T to the connecting plate 664 in the negative Y-axis direction.
  • the flange portion 620 is a structural portion for attaching the connecting member 33, and a flange attachment surface 622 in which a screw hole (not shown) is formed is provided at one end of the flange portion 620.
  • a cylindrical portion 632 having a diameter slightly smaller than the inner diameter of the test piece T is provided at the distal end portion of the core 630.
  • a tapered portion 634 is provided adjacent to the distal end side of the cylindrical portion 632 so that the outer peripheral surface becomes thinner toward the distal end side.
  • An annular groove 636 in which an O-ring is mounted is formed on the outer peripheral surface on the distal end side of the cylindrical portion 632.
  • the collet 640 is an annular member, and four notches (not shown) extending radially from the central axis are formed.
  • the collet 640 is divided into four parts by four notches except for the inner peripheral side end on the support block 610 side, and each divided piece is movable in the radial direction.
  • the inner peripheral surface of the collet 640 is a cylindrical surface that is slightly wider than the outer diameter of the test piece T, and is covered with the cylindrical portion 632 of the core 630. During the test, the test piece T is sandwiched between the inner peripheral surface of the collet 640 and the cylindrical portion 632 of the core 630.
  • the outer peripheral surface of the collet 640 is a conical surface (tapered surface) that becomes thinner toward the tip side.
  • the inner peripheral surface of the sleeve 650 is also a conical surface having the same taper angle as the outer peripheral surface of the collet 640, and the sleeve 650 is covered with the collet 640.
  • a flange portion 652 protruding outward in the radial direction is formed on the support block 610 side of the sleeve 650.
  • the chuck 52 includes a support block 510, a core 530, a collet 540, a sleeve 550, a slider 560, and two hydraulic cylinders 570 (FIG. 11).
  • the collet 540, the sleeve 550, the slider 560, and the hydraulic cylinder 570 are members having the same configuration as the collet 640, the sleeve 650, the slider 660, and the hydraulic cylinder 670 of the chuck 32, respectively.
  • the core 530 has the same configuration as that of the core 630 of the chuck 32 except for the shape of the fixing portion to the support block 510 and the detailed configuration of the pipe line 514 described later.
  • a flange mounting surface 522 in which a screw hole (not shown) for fixing the connecting member 53 is formed is provided on the side surface of the support block 510 on the X axis positive direction side.
  • a core 530 is attached to the side surface of the support block 510 on the X axis negative direction side.
  • the support block 510 is formed with four through holes 512 extending in the X-axis direction, and the rods 562 of the slider 560 are slidably inserted into the through holes 512.
  • FIG. 13 is a view taken along the line CC in FIG.
  • Four through holes 554 extending in the X-axis direction are formed in the flange portion 552 of the sleeve 550.
  • the through hole 554 has an insertion portion 554a through which the head 562h of the rod 562 can be inserted, and a narrow gap portion 554b extending from the insertion portion 554a along the circumferential direction (counterclockwise in FIG. 13). .
  • a countersunk portion 554c is formed around the narrow gap portion 554b.
  • Pipe lines 616 and 636 and pipe lines 516 and 536 for supplying hydraulic fluid for applying an internal pressure to the test piece T are applied to the support block 610 and the core 630 of the chuck 32 and the support block 510 and the core 530 of the chuck 52, respectively. Is formed. In addition, the water and hydraulic oil which mixed the rust preventive agent are used for a hydraulic fluid.
  • One end (nipple 516 a) of the pipe line 516 of the support block 510 is connected to a hydraulic pressure source (not shown), and the other end is connected to one end of a pipe line 532 formed in the core 530.
  • An oil pressure gauge 590 is provided in the middle of the pipe line 516.
  • the other end of the pipe 532 of the core 530 opens to the outer peripheral surface of the tapered portion 534, and the working fluid is injected into the pipe of the test piece T from this opening.
  • one end of the conduit 616 formed in the support block 610 of the chuck 32 is connected to the air vent valve 680 and the other end is connected to one end of the conduit 636 of the core 630.
  • the outlet of the valve 680 is connected to a hydraulic fluid tank (not shown).
  • the other end of the pipe 636 of the core 630 opens to the outer peripheral surface of the tapered portion 634, and hydraulic oil in the pipe of the test piece T flows into the pipes 636 and 616 from this opening.
  • the test piece T When the test piece T is clamped by the chuck 52, one end of the test piece T is inserted into the cylindrical portion 532 of the core 530, the collet 540 is attached to the outer periphery thereof, and the sleeve 550 is attached to the outer periphery of the collet 540.
  • the sleeve 550 When the sleeve 550 is mounted, the sleeve 550 is rotated clockwise through the rod 562 through the through hole 554 (FIG. 13) of the flange portion 552, and the head 562h of the rod 562 and the counterbore portion 554c of the flange portion 552, Engage.
  • the other end of the test piece T is attached to the chuck 32.
  • both ends of the test piece T are inserted into the cylindrical portion 532 of the core 530 and the cylindrical portion 632 of the core 630, respectively, the test piece T and the cylindrical portions 532 and 632 are brought into close contact with each other by the O-rings 536 and 636. Even if the liquid is supplied, the hydraulic fluid does not leak from the gap between the test piece T and the cores 530 and 630.
  • the valve 680 is opened and the hydraulic fluid is sent out from the hydraulic pressure source at a low pressure, the hydraulic fluid is supplied to the hydraulic oil tank via the pipes 516 and 536, the test piece T, the pipes 636 and 616, and the valve 680. Is sent out.
  • the air in the test piece T and the pipes 516, 536, 636, and 616 is also discharged to the hydraulic oil tank together with the hydraulic fluid, and the test piece T and the pipes 516, 536, 636, and 616 are filled with the hydraulic oil.
  • the hydraulic cylinder 570 (670) is activated, and the connecting plate 564 (664) is driven in the positive X-axis direction (negative direction).
  • the sleeve 550 (650) is also strongly pushed in the X axis positive direction (negative direction) via the rod 562 (662) fixed to the connecting plate 564 (664).
  • the collet 540 (640) is strongly pushed inward by the taper surface of the sleeve 550 (650), and one end of the test piece T (others) is formed between the cylindrical portion 532 (632) of the core 530 (630) and the collet 540 (640). Edge) is firmly clamped. Further, when the pressure of the hydraulic fluid is released after the test, the tightening of the collet 540 (640) by the rod 562 (662) and the sleeve 550 (650) is released, so that the unclamped state is obtained.
  • the support block 510 (610) has a female screw 518 (618) that engages with the unclamping bolt 566 (666), and the connecting plate 564 (664) has a through hole 564a through which the unclamping bolt 566 (666) passes. (664a) is provided.
  • the unclamp bolt 566 (666) is passed through the through hole 564a (664a) and the female screw 518 (618).
  • the connecting plate 564 (664) is pushed toward the support block 510 (610), so that the collet 540 (640) is not fixed and can be unclamped.
  • the internal pressure P is detected by a hydraulic pressure gauge provided in a hydraulic pressure source (not shown). Further, the pipe axis direction stress T is detected by the load cell 54. Further, the outer diameter D and the axial direction of the tube radius of curvature R phi specimens T, is obtained by the method described below.
  • the outer diameter D is the span of the test piece T detected by the first radial displacement detector 220 (contact displacement meter 230b), the second radial displacement detector 240, and the third radial displacement detector 260, respectively. It is calculated using the radial displacements e 1 , e 2 and e 3 of the outer peripheral surface at the center (X-axis reference point). Specifically, the outer diameter D of the test piece T is calculated by the following equation (7), using the average value of the three displacement measurement values e 1 , e 2 and e 3 as the amount of change in the radius of the test piece T.
  • the measurement accuracy of the outer diameter D of the test piece T is obtained by calculating the outer diameter D from the average radial displacement of the outer peripheral surface measured at three locations in the circumferential direction at the center of the span of the test piece T.
  • the circumferential stress ⁇ ⁇ and the pipe axial stress ⁇ ⁇ can be measured with high accuracy.
  • the first radial displacement detector 220, the second radial displacement detector 240, and the third radial displacement detector 260 are arranged around the tube axis of the test piece T at equal intervals.
  • the average value of the displacement measurement values e 1 , e 2, and e 3 by the two radial direction change detection units is a value close to the value obtained by averaging the displacements of the entire circumference of the test piece T. That is, according to the configuration of the present embodiment, measurement errors can be effectively reduced by a small number of radial direction displacement detection units.
  • the tube axis direction radius of curvature R ⁇ is calculated based on the displacements e 4 , e 1 and e 5 of the needles 223a to 223c detected by the three contact displacement meters 230a to 230c of the first radial direction displacement detector 220. Calculated by (8) and (9). The signs of the displacements e 1 to e 5 are defined as positive in the direction in which the radius of the test piece T increases.
  • the other end of the link 142 whose one end is connected to the second movable part 40 is connected at the central part of the link 143, but the other end of the link 142 may be connected at the central part of the link 141.
  • Two links 142 may be provided, and the other end of one link 142 may be connected to the link 141 and the other end of the other link 142 may be connected to the link 143. In this case, since the second movable unit 40 is driven by the two links 142, the measurement unit can be moved smoothly and accurately even when a heavy measurement unit is used.
  • the strain at the central portion of the test piece T is measured.
  • the present invention can also be applied to the case where the central portion of the test piece T is measured other than the shape. Measurements other than the shapes to which the present invention can be applied include electrical characteristics (for example, resistance of the test piece T) and optical characteristics (for example, light reflectance).
  • the link length of the link 142 is set to 1 ⁇ 2 of the link length of the link 143, and the second movable portion 40 is always located at the midpoint between the first movable portion 30 and the fixed portion 50.
  • the ratio of the link lengths of the link 142 and the link 143 that is, the similarity magnification between the isosceles triangle 578 and the isosceles triangle 679) can be arbitrarily set.
  • a hydraulic actuator that is driven and controlled by a servo valve is used as an actuator.
  • other types of actuators for example, an electric hydraulic actuator that is driven and controlled by a servo motor or an electric actuator that is driven by various motors). ) May be used.
  • the conventional method of measuring changes in the cross-sectional shape at the center in the length direction of the test piece with a CCD camera or sensor array can only provide measurement accuracy lower than the arrangement interval of the light receiving elements, and can detect minute changes. could not.
  • the measurement accuracy also decreases due to the spread angle and diffraction of the projection light, and when a large test piece is used, the projection distance becomes long, so that the measurement cannot be performed with sufficient accuracy.
  • a contact-type displacement meter by using a contact-type displacement meter, it becomes possible to perform measurement with much higher accuracy and accuracy than before, and a large test piece T can be obtained. Even when the test used is performed, measurement with sufficient accuracy is possible.
  • a displacement meter other than a contact displacement meter for example, a laser light reflection type non-contact displacement meter
  • the sensor unit moving mechanism is not limited to the circular tube bulge test, but can be applied to various other measurements such as a mechanical test such as a normal tensile test, a compression test, and a torsion test.

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Abstract

　円管状の試験片に内圧と管軸方向の応力とを与えて該試験片のひずみを計測する材料試験機を提供する。　材料試験機は、試験片の管軸方向の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する複数の径方向変位検出部と、試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向の変位を検出する軸方向変位検出部と、径方向変位検出部及び軸方向変位検出部の検出結果に基づいて、試験片の有効長中央部における円周方向及び管軸方向ひずみを演算する演算部とを備え、複数の径方向変位検出部が、試験片の管軸周りの互いに異なる方位における変位を検出するように構成される。

Description

材料試験機
　本発明は、試験片に引張応力や圧縮応力を加えて材料の機械的性質を試験する材料試験機に関連し、特に円管状の試験片に内圧を与えながら軸力を与えて二軸応力試験を行う円管バルジ試験機に関する。
　高精度なプレス成形シミュレーションを実現するためには、多軸応力試験による高精度な材料特性評価が必要となる。特に、大ひずみ域における材料特性評価には液圧バルジ試験が有効であることが知られている。非特許文献１には、円管状の試験片に内圧を与えながら軸力を与えて液圧バルジ試験を行う軸力－内圧型円管バルジ試験機（以下、「円管バルジ試験機」という。）が開示されている。円管バルジ試験においては、試験片の管軸方向中央部が膨張（円周方向及び管軸方向に拡張）し、縦断面が釣鐘状のバルジ頂部を形成する。試験片のバルジ頂部における外径、肉厚、管軸方向曲率半径及び試験荷重（内圧及び軸力）に基づいて、円周方向及び管軸方向の２方向の応力が求められる。
桑原利彦"軸力－内圧型円管バルジ試験機による大ひずみ域高精度材料モデリング"［2011年11月8日検索］、インターネット＜URL：http://www.tuat.ac.jp/~seeds/jseeds/07seedstext/093-0185/parts/0185.pdf＞
　しかしながら、試験片は管軸に対して完全に軸対称ではなく、方向（管軸周りの方位）によって外径や肉厚が異なる。また、そのためにバルジ頂部の変形量も管軸に対して非対称なものとなる。従来は一方向のみで試験片の外径を測定していたため、外径の測定値にバラツキが発生し、試験片のひずみの計測精度が低くなっていた。
　本発明は、上記の事情を背景になされたものであり、試験片の変形挙動の測定にひずみゲージを使用せずに高精度の軸力－内圧型円管バルジ試験が可能な材料試験機を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態によれば、円管状の試験片に内圧と管軸方向の応力とを与えて該試験片のひずみを計測する材料試験機が提供される。本発明の実施形態に係る材料試験機は、試験片の管軸方向の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する複数の径方向変位検出部と、試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向の変位を検出する軸方向変位検出部と、径方向変位検出部及び軸方向変位検出部の検出結果に基づいて、試験片の有効長中央部における円周方向及び管軸方向ひずみを演算する演算部とを備え、複数の径方向変位検出部が、試験片の管軸周りの互いに異なる方位における変位を検出するように構成される。
　この構成によれば、試験片の外径の測定値のバラツキが低く抑えられ、試験片のひずみを高精度に計測することが可能になる。
　なお、複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りに１２０°間隔で配置された第１、第２及び第３径方向変位検出部を含む構成としてもよい。
　この構成によれば、試験片の管軸周りの方位において偏りなく検出した半径方向の変位に基づいて直径が計測されるため、誤差の少ない直径の計測値が得られる。
　また、複数の径方向変位検出部は、それぞれ試験片の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する第１変位計を備え、複数の径方向変位検出部の少なくとも一つは、第１変位計に対して管軸方向に並べて配置された、試験片の外周面の半径方向の変位を検出する第２変位計を備え、演算部は、少なくとも一つの径方向変位検出部の第１及び第２変位計の検出結果に基づいて、試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向曲率半径を計算するように構成されていてもよい。
　第１、第２及び第３変位計は、先端が試験片の外周面に垂直に付き当てられて、試験片の外周面の半径方向の変位に従って長さ方向に移動自在に設けられたニードルを備え、ニードルの変位を検出することにより、試験片の外周面の半径方向の変位を検出するように構成されてもよい。
　この構成によれば、ニードルを試験片の外周面に付き当てるだけで試験片の変形を測定することができるため、例えばひずみゲージを試験片に貼り付ける等の煩雑な準備作業を要さず、効率的な測定が可能になる。また、ニードルの変位量は市販の変位計により容易に高精度で測定することができる。
　変位計は、固定フレームと、固定フレームに対して試験片の半径方向にスライド自在に設けられた可動フレームと、胴部と該胴部の一端から試験片の半径方向に伸縮自在に突出する接触子を備え、胴部が可動フレームに取り付けられた接触式変位センサと、を備え、接触子の先端が固定フレームに設けられた接触子突き当て板に当接されており、ニードルが、長さ方向を試験片の半径方向に向け、可動フレームの試験片と対向する一端から突出するように可動フレームに取り付けられている構成としてもよい。
　この構成によれば、例えば市販の接触式変位センサの寸法・形状による制約を受けずに、ニードルの配置を自由に設定することができ、組立性や使い勝手に優れた材料試験機が実現する。
　また、本発明の実施形態によれば、試験片に所定方向の応力を加えて試験片の応答を測定する材料試験機が提供される。本発明の実施形態に係る材料試験機は、フレームと、フレームに対して所定方向へ移動可能に設けられ、試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、フレームに固定され、試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と、第１可動部と固定部との間にフレームに対して所定方向へ移動可能に設けられ、試験片に応力が加えられているときに試験片の所定方向中央部における応答を測定する中央部測定器を備えた第２可動部と、フレームに固定され、第１可動部を所定方向へ駆動するアクチュエータと、フレーム、第１可動部及び第２可動部を連結し、第１可動部の移動に応じて中央部測定器を可動チャックと固定チャックの中央に移動させるリンク機構とを備える。
　上記の構成によれば、試験片の伸縮に応じて中央部測定器が試験片の軸方向中央部に移動するため、中央部測定器により常に試験片の中央部を測定することができる。
　また、所定方向へ延びるレールを更に備え、第１可動部は、レールと係合する第１ランナーブロックを備え、該第１ランナーブロックにより所定方向にスライド自在に支持され、第２可動部は、レールと係合する第２ランナーブロックを備え、該第２ランナーブロックにより所定方向へスライド自在に支持される構成としてもよい。
　この構成によれば、第１及び第２可動部が、それぞれ第１及び第２ランナーブロックにより支持されるため、第１及び第２可動部の重量により試験片に不要な曲げ応力等が加わることがない。また、第１及び第２可動部が所定方向（軸力方向）へ低抵抗に移動できるため、試験荷重が減衰されることなく、試験片に加えられ、高精度の材料試験が可能になる。
　また、固定部は、試験片に加わる所定方向の荷重を測定する荷重センサと、所定方向へ移動自在にレールと係合する第３ランナーブロックとを更に備え、固定チャックは、第３ランナーブロック上に配置され、荷重センサを介してフレームに固定される構成としてもよい。
　この構成によれば、固定チャックの重量が第３ランナーブロックにより支持されるため、第３ランナーブロックの重量により試験片に不要な曲げ応力が加えられることがない。また、固定チャックが所定方向（軸力方向）へ低抵抗に移動できるため、試験荷重が減衰されることなく、荷重センサに伝達され、高精度の材料試験が可能になる。
　また、リンク機構は、一端が第１ピンを介して第１可動部に回転可能に連結された第１リンクと、一端が第２ピンを介して第２可動部に回転可能に連結された第２リンクと、一端が、第２ピンに対して第１ピンと反対側に配置された第３ピンを介して、フレームに回転可能に連結された第３リンクとを有し、第１リンクの他端と第３リンクの他端が第４ピンを介して回転可能に連結され、第２リンクの他端が第５ピンを介して第１又は第３リンクに回転可能に連結され、第４ピンと第１ピンの間隔は第４ピンと第３ピンの間隔に等しく、第５ピンと第２ピンの間隔は第５ピンと、第１及び第３ピンのうち第５ピンと同一のリンクを連結するものとの間隔に等しい構成としもよい。
　第１可動部、第２可動部及び固定部は、それぞれ第１、第２、第３ランナーブロックが下面に取り付けられたベースプレートを備え、可動チャック、中央部測定器及び固定チャックは、それぞれ各ベースプレートの上面に取り付けられて、ベースプレートの上方に配置され、リンク機構は、各ベースプレートの下面に取り付けられて、ベースプレートの下方に配置された構成としてもよい。
　この構成によれば、可動チャック、中央部測定器及び固定チャックを操作する際に、リンク機構によって作業が干渉されることが無く、中央部測定器やチャックの操作やメンテナンスを容易に行うことができる。
　また、フレームは水平面の上面を有する定盤を備え、レールはフレームの上面に取り付けられ、定盤の一側面中央部は水平方向に切り欠かれて、レールに沿って形成された底部を有する凹部が形成され、リンク機構が凹部内に配置される構成としてもよい。
　この構成によれば、リンク機構が、定盤の凹部内に収容されて、定盤から側方に突出しないため、試験片の着脱やメンテナンス等の作業をリンク機構に干渉されずに効率的に行うことが可能になる。
　簡単な構成により高精度の材料試験が可能な材料試験機が提供される。
図１は、本発明の実施形態に係る材料試験機の正面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る材料試験機の上面図である。 図３は、図２におけるＡ－Ａ矢示図である。 図４は、センサユニット移動機構の上面図である。 図５は、センサユニットの側面図である。 図６は、センサユニットの正面図である。 図７は、第１径方向変位検出部の上面図である。 図８は、軸方向変位検出部の側面図である。 図９は、軸方向変位検出部をＹ’軸正方向で見た図である。 図１０は、図９におけるＢ－Ｂ矢視図である。 図１１は、固定チャック及び可動チャックの上面図である。 図１２は、固定チャック及び可動チャックの縦断面図である。 図１３は、図１２におけるＣ－Ｃ矢視図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の実施形態に係る材料試験機１は、円管状の試験片Ｔに対して内圧と共に軸力を与え、このときの試験片Ｔの弾塑性挙動を測定する軸力－内圧型円管バルジ試験を行うための装置である。図１及び図２は、それぞれ材料試験機１の正面図及び上面図である。図３は、図２のＡ－Ａ矢視図であり、後述のフレーム１０及びセンサユニット移動機構１００のみを示す。なお、以下の説明において、図１における左右方向をＸ軸方向（右方向をＸ軸正方向）、紙面に垂直な方向をＹ軸方向（紙面の表側から裏側へ向かう方向をＹ軸正方向）、上下方向をＺ軸方向（上方向をＺ軸正方向）とする。また、図２における上下方向（Ｙ軸方向）を「奥行方向」とし、上側を「奥」側、下側を「手前」側と呼ぶ。
　材料試験機１は、フレーム１０、油圧シリンダ２０、第１可動部３０、第２可動部４０、固定部５０、センサユニット移動機構１００と、図示しない油圧源、液圧源及び制御部を備えている。なお、油圧源は油圧シリンダ２０を駆動するための油圧を供給する装置であり、液圧源は試験片Ｔの管内に加圧液体（例えば防錆剤を混合した水）を供給する装置である。フレーム１０は材料試験機１の各部を支持する台枠であり、油圧源、液圧源及び制御装置を除く材料試験機１の各部はフレーム１０の上面に設けられた定盤１２に取り付けられている。定盤１２のＸ軸方向中央部には手前側と奥側にそれぞれ略矩形の凹部１２ａが形成されており、定盤１２は上面図（図２）において概略Ｈ形の外形を有している。また、フレーム１０は、フレーム１０の奥行方向両側面を覆う一対の外側壁１４と、定盤１２の各凹部１２ａの辺縁部の下面からそれぞれ垂直に延びる略Ｕ字状の水平断面を有する一対の内側壁１６と、内側壁１６と外側壁１４とで囲まれて形成された一対の内部空間Ｓの開口をそれぞれ塞ぐ一対の水平な底板１８とを備えている。
　図４は、センサユニット移動機構１００の上面図である。センサユニット移動機構１００は、第２可動部４０（端的には後述のセンサユニット２００）が第１可動部３０と固定部５０の中間点に常に正確に配置されるように、第１可動部３０の移動に従って第２可動部４０を移動する機構である。センサユニット移動機構１００は、リニアガイド１２０とリンク機構１４０を二組備えている。各リニアガイド１２０は、１つのレール１２１と、レール１２１と係合してレール１２１に沿ってスムーズに移動可能な３つのランナーブロック１２２、１２３、１２４を備えている。２組のリニアガイド１２０のレール１２１は、それぞれ定盤１２に形成された一対の凹部１２ａの間に配置されている。すなわち、Ｘ軸方向に延びる２本のレール１２１が、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けて平行に並べられ、定盤１２の上面に固定されている。各リニアガイド１２０のランナーブロック１２２及び１２３には、第１可動部３０及び第２可動部４０がそれぞれ取り付けられており、第１可動部３０及び第２可動部４０はそれぞれリニアガイド１２０によりＸ軸方向にスムーズに移動可能に構成されている。各ランナーブロック１２４には、固定部５０のチャック５２（後述）が取り付けられている。また、ランナーブロック１２２、１２３、１２４は、リンク機構１４０によって連結されており、ランナーブロック１２２が移動してもランナーブロック１２３が常にランナーブロック１２２と１２４の中間に正確に配置されるように構成されている。リンク機構１４０の詳細は後述する。また、定盤１２上には、ランナーブロック１２２の位置を検出する図示しないリニアエンコーダが設けられている。リニアエンコーダは制御部と通信可能に接続されており、試験中にリニアエンコーダが検出する第１可動部３０の位置情報（すなわち後述するチャック３２の位置情報）は制御部に送られて、制御部の記憶装置に記録される。
　油圧シリンダ２０は、図示しない油圧源から供給される油圧によりＸ軸方向に直線駆動する油圧式の直動アクチュエータである。油圧シリンダ２０のシリンダチューブ２１は、ブラケット２４を介して定盤１２のＸ軸負方向端部に固定されている。シリンダチューブ２１のＸ軸正方向端からは、Ｘ軸方向に移動するピストンロッド２２が突出している。ピストンロッド２２の先端には、ピストンロッド２２とチャック３２とを連結するアタッチメント２３が設けられている。
　第１可動部３０は、ベース３１、チャック（可動チャック）３２及び連結部材３３を備えている。ベース３１の下面の奥行方向両端部には各リニアガイド１２０のランナーブロック１２２が取り付けられている。また、ベース３１の上面には、試験片Ｔの一端を把持するチャック３２が取り付けられている。従って、チャック３２の比較的に大きな重量は、ベース３１及び２組のリニアガイド１２０によってＸ軸方向にスライド自在に支持されている。また、チャック３２の背面（図１における左側面）は連結部材３３を介して油圧シリンダ２０のアタッチメント２３に固定されており、ピストンロッド２２の移動に従ってチャック３２はＸ軸方向に駆動される。上述のようにチャック３２の比較的に大きな重量をリニアガイド１２０によってスライド自在に支持する構成により、油圧シリンダ２０には曲げモーメントが加わらず、油圧シリンダ２０によるスムーズかつ正確なＸ軸方向の駆動が可能になる。また、試験片Ｔにも不要な曲げ応力が加わらず、正確な試験が可能になる。
　第２可動部４０は、ベース４１及びセンサユニット２００を備えている。ベース４１の下面の奥行方向両端部には、各リニアガイド１２０のランナーブロック１２３がそれぞれ取り付けられている。また、ベース４１の上面には、試験片Ｔの長さ方向（Ｘ軸方向）中央部の形状を測定するセンサユニット２００が取り付けられている。センサユニット２００の詳細は後述する。
　固定部５０は、ベース５１、チャック（固定チャック）５２、連結部材５３、ロードセル５４及びブラケット５５を備えている。ベース５１の上面には、試験片Ｔの他端を把持するチャック５２が取り付けられている。ベース５１の下面の奥行方向両端には、各リニアガイド１２０のランナーブロック１２４がそれぞれ取り付けられている。従って、チャック５２の比較的に大きな重量は、ベース５１及び２組のリニアガイド１２０によってＸ軸方向にスライド自在に支持されている。また、チャック５２の背面（図１における右側面）には、連結部材５３を介してロードセル５４の取り付け台座が取り付けられている。ロードセル５４の荷重受座（図１における右側面のプレート）からは荷重受けバー５４ａが垂直に突出しており、荷重受けバー５４ａは定盤１２に取り付けられたブラケット５５に固定されている。このように配置されたロードセル５４により、試験片Ｔに加わるＸ軸方向の試験荷重（軸力）が検出される。また、上述のように、チャック５２の比較的に大きな重量をリニアガイド１２０によってスライド自在に支持する構成により、ロードセル５４に大きな曲げモーメントが加わらず、ロードセル５４による正確な軸力の測定が可能になる。また、チャック５２はリニアガイド１２０上をＸ軸方向に低抵抗で移動できるため、チャック５２に加わる軸力は、ほとんど損失せずにロードセル５４に伝達され、ロードセル５４により正確に検出される。また、ロードセル５４は制御部に接続されており、ロードセルの検出信号（ひずみゲージの抵抗値）は制御部が備える周知のブリッジ回路によって読み出されて、試験荷重データに変換される。試験中にロードセル５４が検出した試験荷重の情報は、同時に検出された第１可動部３０の位置情報と対応づけられて、制御部のメモリーに記録される。
　次に、図１、図３及び図４を参照して、リンク機構１４０について説明する。なお、本実施形態では、２つのリンク機構１４０が、それぞれフレーム１０の内部空間Ｓ内に縦置きに配置されている。２つリンク機構１４０の構造は、互いに鏡像の関係にあるため、手前側のリンク機構１４０の構造についてのみ詳細に説明する。
　リンク機構１４０は、ピンによって回転自在に連結された３つの長板状のリンク（可動リンク）１４１、１４２及び１４３と、定盤１２の上面に固定された固定リンク１４０ａを有している。各可動リンクの両端にはピンを通すための連結穴が開けられており、固定リンク１４０ａには一端に連結穴が開けられている。また、可動リンク１４３には、両端の連結穴の中間に３つ目の連結穴が開けられている。なお、連結する２つのリンクの一方の連結穴には、ピンを回転自在に保持する軸受が設けられており、これにより各リンクは互いにスムーズに回転可能に連結される。リンク１４１とリンク１４３は、同じリンク長（両端に設けられた連結穴の間隔）２Ｌを有する同尺の部材であり、リンク１４２はその半分のリンク長Ｌを有している。
　図４に示すように、ベース３１及び４１の奥行方向両端には、それぞれピン固定具１４５ａ及び１４６ａによりピン１４５及び１４６が固定されている。リンク１４１の一端の連結穴にピン１４５が差し込まれ、リンク１４１はピン１４５を介してベース３１に回転自在に連結されている。同様に、リンク１４２はピン１４６を介してベース４１に回転自在に連結されている。また、リンク１４３の一端は、ピン１４７を介して固定リンク１４０ａの一端と回転自在に連結されている。リンク１４１の他端は、リンク１４３の他端と、ピン１４８を介して回転自在に連結されている。また、リンク１４２の他端は、リンク１４３の中央部と、ピン１４９を介して回転自在に連結されている。
　上記のように、リンク１４１とリンク１４３はリンク長が等しいため、ピン１４５、１４７及び１４８を頂点とする三角形は二等辺三角形（以下、「二等辺三角形５７８」という。）となる。また、リンク１４２のリンク長はリンク１４３のリンク長の半分であり、またリンク１４２の他端の連結穴がリンク１４３の長さ方向中央の連結穴とピン１４９により連結されているため、ピン１４６、１４７及び２４９を結ぶと二等辺三角形（以下、「二等辺三角形６７９」という。）となる。二等辺三角形５７８と二等辺三角形６７９は、相似比が２：１の相似図形となる。従って、第１可動部３０（ピン１４５）が移動しても、ピン１４６は常にピン１４５とピン１４７の中間点に位置する。すなわち、油圧シリンダ２０に駆動されて第１可動部３０がＸ軸方向に移動すると、ピン１４５によって第１可動部３０と連結されたリンク機構１４０が作動し、ピン１４６によりリンク機構１４０に連結された第２可動部４０が、移動後の第１可動部３０と固定部５０の中間点に移動する。なお、ピン１４５、１４６、１４７は、それぞれ第１可動部３０、第２可動部４０、固定部５０（具体的には、ベース３１、４１、５１）のＸ軸方向における基準位置（Ｘ軸基準点）に取り付けられている。第１可動部３０及び固定部５０のＸ軸基準点には、試験片Ｔを材料試験機１に取り付けた際に、試験片Ｔの実質的な端部（チャックによってクランプされていない変形可能な部分の端部）が配置される。従って、第２可動部４０のＸ軸基準点には、試験片Ｔのスパンの中間点（試験片Ｔの有効長の中間点）が配置される。また、第２可動部４０に設けられたセンサユニット２００は、第２可動部４０のＸ軸基準点における試験片Ｔの形状を測定するように構成されている。そのため、試験中に試験荷重によって試験片Ｔの長さが変化しても、センサユニット２００により常に試験片Ｔの実質的な長さ方向中央部の形状を測定することが可能となっている。
　次に、本発明の実施形態に係るセンサユニット２００について説明する。センサユニット２００は、上述のセンサユニット移動機構１００により可動チャック３２と固定チャック５２の中間に常に配置され、試験片Ｔのスパンの中央部における試験片Ｔの外周面の半径方向及び長さ方向の変位を試験中に測定するための構成要素である。図５は、センサユニット２００が取り付けられた第２可動部４０をＸ軸正方向に見た図である。また、図６は、センサユニット２００をＹ軸正方向に（すなわち材料試験機１の正面側から）見た図である。センサユニット２００は、プレート２０１、第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０、第３径方向変位検出部２６０及び軸方向変位検出部２８０を備えている。プレート２０１は、ベース４１のＸ軸正方向端部より垂直に延びる平板であり、中央部に試験片Ｔが通される円弧状の縁を有する開口２０１ａが形成されている。開口２０１ａは、正面側上部（図５における右上部分）で開放されており、この開放部を経由して試験片Ｔを開口２０１ａ内へ出し入れ可能になっている。
　第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０、第３径方向変位検出部２６０及び軸方向変位検出部２８０は、それぞれプレート２０１の一面（図５における紙面表側の面）に取り付けられている。また、第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０及び第３径方向変位検出部２６０は、試験片Ｔの軸の周囲に１２０°間隔で配置されている。また、第１径方向変位検出部２２０は、試験片Ｔの真上に配置されている。
　図７は第１径方向変位検出部２２０を上から見た図である。図６及び図７に示すように、第１径方向変位検出部２２０は、プレート２２１と、３つの接触式変位計２３０ａ～ｃと、３本のニードル２２３ａ～ｃと、各ニードル２２３ａ～２２３ｃを接触式変位計２３０ａ～ｃの本体２３１ａ～ｃにそれぞれ固定するセンサ支持具２２４ａ～ｃと、接触式変位計の本体２３１ａ～ｃ及びニードル２２３ａ～２２３ｃのそれぞれをプレート２２１に対して上下方向（Ｚ軸方向）にスライド自在に支持する３つのリニアガイド２２８を備えている。
　接触式変位計２３０ａ～ｃは、略円柱形の本体２３１ａ～ｃと、丸棒状の接触子２３２ａ～ｃとをそれぞれ備えている。本体２３１ａ～ｃには、一端から中心軸上に延びる丸穴が形成されており、接触子２３２ａ～ｃはこの丸穴内に中心軸方向へスライド自在に収容されている。また、接触子２３２ａ～ｃは接触式変位計の本体２３１ａ～ｃ内に備えられた図示しないコイルばねにより先端部側に付勢されており、接触子２３２ａ～ｃの先端部は本体２３１ａ～ｃの一端から外部へ突出している。接触式変位計２３０ａ～ｃは、本体２３１ａ～ｃに対する接触子２３２ａ～ｃの中心軸方向（計測軸方向Ｐ）における位置又は変位を検出する。
　プレート２２１は、プレート２０１の一面（Ｘ軸負方向側の面）から垂直に突出し、試験片Ｔと平行に配置された支持板である。プレート２２１の一面（Ｙ軸負方向側の面）には、Ｘ軸方向に等間隔に配列された３つのリニアガイド２２８のＺ軸方向に延びるレール２２８ｍが固定されている。各レール２２８ｍには、それぞれ一つのランナーブロック２２８ｎが、レール２２８ｍに沿ってスライド自在に係合している。各ランナーブロック２２８ｎの取り付け面には、センサ支持具２２４ａ～ｃのプレート２２５ａ～ｃがそれぞれ取り付けられている。また、各プレート２２５ａ～ｃのランナーブロック２２８ｎと反対側の面には、接触式変位計の本体２３１ａ～ｃを取り付けるためのクランプ２２６ａ～ｃがそれぞれ取り付けられている。接触式変位計の本体２３１ａ～ｃは、クランプ２２６ａ～ｃに取り付けることにより、プレート２２１（すなわちセンサユニット２００のフレーム）に対して計測軸方向Ｐにスライド自在に支持される。
　プレート２２５ａ～ｃの下端からは、それぞれアーム２２７ａ～ｃがＹ軸負方向側へ水平に延びている。アーム２２７ａ～ｃの先端部には、それぞれニードル２２３ａ～ｃが通されるＺ軸方向に延びる貫通孔が形成されている。ニードル２２３ａ～ｃは、それぞれ先端をアーム２２７ａ～ｃの下面から所定の長さだけ正確に突き出た状態で、止めねじ２２９によりアーム２２７ａ～ｃに固定される。これにより、ニードル２２３ａ～ｃは、それぞれ接触式変位計の本体２３１ａ～ｃに対して平行に固定され、接触式変位計の本体２３１ａ～ｃと共にＺ軸方向（すなわち計測軸方向Ｐ）にスライド自在に支持される。
　ニードル２２３ａ～ｃは、それぞれ円管状の試験片Ｔの中心軸（Ｘ軸）と垂直に（Ｚ軸と平行に）に配置されており、Ｘ軸方向に所定の間隔（本実施形態では１０ｍｍ間隔）で等間隔に配列されている。また、中央のニードル２２３ｂは、第２可動部４０のＸ軸基準点に正確に配置されており、先端が試験片Ｔのスパンの中央に当接するようになっている。
　また、プレート２２１の一面の下端付近からは、接触子突き当て板２２２がＹ軸負方向側へ垂直に、且つ試験片Ｔと平行に突出している。接触子突き当て板２２２の上面には、接触式変位計の接触子２３２ａ～ｃの先端が当接している。上述のように、接触式変位計の本体２３１ａ～ｃ内に備えられたコイルばねにより接触子２３２ａ～ｃは先端側に付勢されているため、ニードル２２３ａ～ｃと共に接触式変位計の本体２３１ａ～ｃが上方に移動すると、接触子２３２ａ～ｃは、先端を接触子突き当て板２２２に当接させたまま、本体２３１ａ～ｃから更に突出する。これにより、ニードル２２３ａ～ｃのＹ軸方向の移動量が接触式変位計２３０ａ～ｃによって検出される。
　第２径方向変位検出部２４０も同様に、プレート２４１（接触子突き当て板２４２）と、接触式変位計２５０と、ニードル２４３と、ニードル２４３を接触式変位計２５０の本体２５１に固定するセンサ支持具２４４と、接触式変位計の本体２５１及びニードル２４３をプレート２４１に対して接触式変位計２５０の計測軸方向Ｑにスライド自在に支持するリニアガイド２４８を備えている。但し、第２径方向変位検出部２４０は、接触式変位計２５０、ニードル２４３、センサ支持具２４４及びリニアガイド２４８を一組のみ備えており、プレート２４１は、プレート２０１と平行に配置されている。また、第２径方向変位検出部２４０には、接触式変位計の本体２５１を重力に抗して試験片Ｔ側に付勢するばね機構２４５が設けられており、ニードル２４３の先端が常に試験片Ｔに当接するようになっている。
　また、ニードル２４３の中心軸は、第２可動部４０のＸ軸基準点に正確に配置されており、試験片Ｔのスパン中央部における外周面の半径方向の変位を測定するように構成されている。また、第２径方向変位検出部２４０におけるセンサ支持具２４４の構成や、プレート２４１、ニードル２４３、センサ支持具２４４、リニアガイド２４８及び接触式変位計２５０の相対的な配置関係は、接触式変位計２５０の計測軸の方向が異なる点を除き、第１径方向変位検出部２２０におけるセンサ支持具２２４ａ～ｃの構成や、プレート２２１、ニードル２２３ａ～ｃ、センサ支持具２２４ａ～ｃ、リニアガイド２２８及び接触式変位計２３０ａ～ｃの配置関係と同様であるため、第２径方向変位検出部２４０の各部についての詳しい説明は省略する。
　また、第３径方向変位検出部２６０の構造は、第２径方向変位検出部２４０の構造の鏡像であるため、第３径方向変位検出部２６０の構成についての詳しい説明は省略する。
　軸力－内圧型円管バルジ試験においては、管状の試験片Ｔは内圧によりスパン中央部を中心に円周方向に膨張する。すなわち、試験片Ｔの縦断面は、スパン中央部を頂点とする釣鐘状に変形する。試験片Ｔの円周方向のひずみは、主に第１、第２及び第３径方向変位検出部２２０、２４０、２６０によって測定される試験片Ｔのスパン中央部における外周面の半径方向の変位に基づいて計算される。なお、例えば第３径方向変位検出部２６０を使用して測定した、試験片Ｔのスパン中央部における外周面上の一点の半径方向の変位のみに基づいても試験片Ｔの円周方向のひずみを決定することができる。しかしながら、本実施形態においては、第１、第２及び第３径方向変位検出部２２０、２４０、２６０により、試験片Ｔの外周面における半径方向の変位を、試験片Ｔの中心軸周りに１２０°等間隔で測定した３つの測定値を使用することにより、試験片Ｔの円周方向のひずみをより正確に測定することが可能になっている。また、上述のように、第１径方向変位検出部２２０は、試験片Ｔの中心軸方向に等間隔で配置された３つの変位計を備えている。これにより、試験片Ｔの縦断面における釣鐘状の変形の曲率が決定され、試験片Ｔの円周方向のひずみをより正確に測定することが可能になっている。
　次に、軸方向変位検出部２８０の構成を説明する。軸方向変位検出部２８０は、試験片Ｔのスパン中央部の外周面における中心軸方向の伸びを検出する。図８は、軸方向変位検出部２８０をＸ軸負方向で見た図である。なお、図８におけるＹ’軸及びＺ’軸は、図５に示すようにＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに４０°回転させた座標軸である。図９は、軸方向変位検出部２８０をＹ’軸正方向で見た図である。また、図１０は、図９におけるＢ－Ｂ矢視図である。なお、図８～１０は、軸方向変位検出部２８０を試験片Ｔに装着する際に軸方向変位検出部２８０を初期状態に設定するために使用するセッティング治具３７０を取り付けた状態を示している。試験は、セッティング治具３７０が取り外された状態で行われる。
　軸方向変位検出部２８０は、プレート２０１に垂直に固定されたプレート２８１と、プレート２８１と平行に配置された可動プレート２８２を備えている。可動プレート２８２のプレート２８１と対向する面には、Ｚ’軸方向に延びるレール２８３ｍが固定されている。また、プレート２８１の一面には、レール２８３ｍと係合するランナーブロック２８３ｎが固定されている。すなわち、可動プレート２８２は、レール２８３ｍ及びランナーブロック２８３ｎから構成されるリニアガイド２８３を介してプレート２８１の一面（Ｙ’軸負方向側の面）に取り付けられており、プレート２８１に対してＺ’軸方向にスライド自在となっている。これにより、試験中に試験片Ｔの膨張によって外周面が軸方向変位検出部２８０側（半径方向）に変位しても、軸方向変位検出部２８０も試験片Ｔの変位に従って半径方向にスムーズに移動するため、軸方向変位検出部２８０及び試験片Ｔに不要な応力が加わることなく、軸方向変位検出部２８０による試験片Ｔの変位測定を安定して継続することができる。可動プレート２８２には、レール２８３ｍの取り付け面に設けられた雌ねじと係合する手締めねじ２８４が回転自在に取り付けられている。また、可動プレート２８２のプレート２８１と対向する面には、レール２８３ｍの取り付け面に設けられた位置決め形状（穴や切り欠き）と係合する複数の位置決めピン２８２ａが取り付けられている。可動プレート２８２は、位置決めピン２８２ａと手締めねじ２８４により、レール２８３ｍに対して高い位置精度で着脱自在に取り付け可能になっている。試験片Ｔを取り替える際は、試験片Ｔの取り替えに必要なスペースを確保する為に、手締めねじ２８４を緩めて可動プレート２８２がレール２８３から取り外される。
　また、可動プレート２８２のＺ’軸負方向における先端部には、軸方向変位検出部２８０の本体部３００をＹ’軸周りに揺動自在に支持する軸受部３１０（図１０）が設けられている。本体部３００は、軸３２０、プレート３３０、第１スライド部３４０、第２スライド部３５０、及び接触式変位計３６０を備えている。接触式変位計３６０は、接触式変位計２３０ａ～ｃと同一構成のものである。Ｙ’軸方向に伸びる軸３２０の一端は、軸受部３１０に設けられた複列玉軸受３１２により回転自在に支持されている。また、軸３２０の他端には、プレート３３０が垂直に固定されている。すなわち、可動プレート２８２と平行に配置されたプレート３３０は、軸３２０及び軸受部３１０により、可動プレート２８２に対してＹ’軸周りに揺動自在に支持されている。この構成により、例えば試験片Ｔが試験中に座屈などで大きく変形した場合でも、軸方向変位検出部２８０の本体部３００は試験片Ｔの変形に従ってスムーズに揺動するため、軸方向変位検出部２８０が試験片Ｔから過大な荷重を受けて破損することが防止される。また、この構成により、試験片Ｔを材料試験機１に取り付ける際に、軸方向変位検出部２８０が試験片Ｔの移動を阻害せず、軸方向変位検出部２８０を装着した状態でも試験片Ｔの取り付け／取り外しが可能になる。
　プレート３３０、第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０は、互いに略平行に配置されており、プレート３３０の一部は第１スライド部３４０と第２スライド部３５０とで挟み込まれている。第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０は、それぞれリニアガイド３３２及び３３４を介してプレート３３０に取り付けられており、プレート３３０に対して所定方向（図８～９においてはＸ軸方向）にスライド自在となっている。具体的には、プレート３３０の両面に、リニアガイド３３２のレール３３２ｍと、リニアガイド３３４のレール３３４ｍとが、それぞれ取り付けられている。また、リニアガイド３３２のランナーブロック３３２ｎは第１スライド部３４０に取り付けられ、リニアガイド３３４のランナーブロック３３４ｎは第２スライド部３５０に取り付けられている。
　第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０の一端（図８～１０におけるＺ’軸負方向の端部）には、試験片Ｔの側面に付き当てられるジョー３４４及び３５４がそれぞれ設けられている。また、第１スライド部３４０の他端部には、接触式変位計３６０の本体３６１を固定するクランプ３４２が設けられている。接触式変位計３６０は、計測軸（接触子３６２の軸方向）がリニアガイド３３２及び３３４の可動方向と平行になるよう配置されている。第２スライド部３５０の他端には、接触子３６２に垂直な接触子突き当て板３５２が設けられている。ジョー３４４とジョー３５４とが、計測軸方向（図８～１０においてはＸ軸方向）に相対的に移動すると、第１スライド部３４０に固定された接触式変位計の本体３６１に対して第２スライド部３５０の接触子突き当て板３５２が計測軸方向に移動する。接触式変位計の接触子３６２は、本体３６１内に設けられたコイルばね（不図示）により突出方向（Ｘ軸負方向）に付勢されているため、先端が接触子突き当て板３５２に当接した状態を維持しながら、接触子突き当て板３５２の移動に追従してＸ軸方向に移動する。これにより、ジョー３４４とジョー３５４との相対的な変位が接触式変位計３６０によって検出される。
　また、プレート３３０の計測軸方向両端にはフック板３３６がそれぞれ取り付けられている。フック板３３６のＹ’軸方向両端にはフック３３６ｈが形成されている。試験時には、図８に示すように、ジョー３４４、３５４の先端を試験片Ｔに当接させた状態で輪ゴムＢが両フック３３６に引っ掛けられ、輪ゴムＢと軸方向変位検出部の本体部３００との間で試験片Ｔが挟み込まれる。これにより、輪ゴムＢの弾性力によってジョー３４４、３５４が試験片Ｔの側面に付勢されるため、ジョー３４４、３５４が試験片Ｔの側面でスリップすることなく、試験片Ｔの軸方向の変位に追従して移動し、軸方向の変位が正確に検出される。
　また、軸方向変位検出部２８０の本体部３００が軸３２０の周りに揺動自在に構成されているため、試験片Ｔにゆがみがある場合や、試験中に試験片Ｔがスパン中央部に対して不均一に変形し、各ジョー３４４、３５４の先端と試験片Ｔとの距離に差が生じた場合でも、本体部３００の回転によって距離差が解消され、２つのジョー３４４、３５４は確実に試験片Ｔの側面に付き当てられ、常に正確な軸方向変位の測定が可能になる。
　また、図１０に示すように、第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０がセッティング治具３７０と対向する面には、位置決めピン３４６、３５６がそれぞれ設けられている。また、軸３２０のセッティング治具３７０と対向する面の中心軸上には、手締めねじ３２２と係合する雌ねじ３２２が形成されている。一方、セッティング治具３７０には、位置決めピン３４６、３５６と係合する穴３７２、３７２、及び手締めねじ３２２が通される貫通穴３７８が形成されている。位置決めピン３４６、３５６をセッティング治具３７０の穴３７２、３７２に挿し込み、手締めねじ３２２をセッティング治具３７０の貫通穴３７８に通して雌ねじ３２２に捻じ込むことで、セッティング治具３７０が軸方向変位検出部２８０の本体部３００に装着される。このとき、軸３２０、軸３２０に一体に固定されたプレート３３０、第１スライド部３４０、第２スライド部３５０及びセッティング治具３７０が、所定の配置関係に固定される。また、このとき、Ｘ軸方向における、軸３２０の中心軸とジョー３４４の先端との間隔、及び軸３２０の中心軸とジョー３５４の先端との間隔は、共通の所定の値（本実施形態では１０ｍｍ）に設定される。また、軸３２０の中心軸は、ベース４１のＸ軸方向における中心線の真上に配置されている。すなわち、軸３２０は、Ｘ軸方向において、可動チャック３２と固定チャック５２の中間に位置している。従って、セッティング治具３７０を装着した状態では、ジョー３４４及び３５４は、試験片Ｔのスパン中央部からＸ軸正方向及び負方向にそれぞれ等間隔離れた位置に配置される。セッティング治具３７０を装着した状態で軸方向変位検出部２８０を試験片Ｔに装着すると、試験片Ｔのスパン中央部に所定間隔でジョー３４４及び３５４を試験片Ｔの外周面に突き当て、固定することができる。
　次に、チャック３２及び５２の詳細を説明する。図１１及び図１２に、チャック３２及び５２の上面図及び縦断面図をそれぞれ示す。なお、図１１及び図１２において、右側のチャック５２はクランプ状態を示したものであり、左側のチャック３２はアンクランプ状態を示したものである。チャック３２は、支持ブロック６１０、フランジ部６２０、コア６３０、コレット６４０、スリーブ６５０、スライダ６６０及び２つの油圧シリンダ６７０（図１１）を備えている。また、スライダ６６０は、４つのロッド６６２及び連結板６６４を備えている。支持ブロック６１０には、Ｘ軸負方向側の側面にフランジ部６２０が、Ｘ軸正方向側の側面にコア６３０が、それぞれ取り付けられている。また、支持ブロック６１０には、Ｘ軸方向に伸びる４つの貫通穴６１２が形成されている。各貫通穴６１２は、ロッド６６２の外径よりも僅かに大きな内径を有しており、各貫通穴６１２にはロッド６６２がスライド自在に差し込まれている。また、４つのロッド６６２は、Ｘ軸負方向側の一端が、それぞれ連結板６６４に固定されている。油圧シリンダ６７０は、試験片Ｔを連結板６６４をＹ軸負方向に付勢可能に構成されている。また、フランジ部６２０は連結部材３３を取り付けるための構造部であり、フランジ部６２０の一端には図示しない螺子穴が形成されたフランジ取り付け面６２２が設けられている。コア６３０の先端部には、試験片Ｔの内径よりも僅かに小さな直径を有する円柱部６３２が設けられている。また、円柱部６３２の先端側に隣接して、先端側ほど外周面が細くなるように形成されたテーパ部６３４が設けられている。円柱部６３２の先端側の外周面には、Ｏリングが装着される環状溝６３６が形成されている。コレット６４０は、円環状の部材であり、中心軸から放射状に延びる図示しない４つの切れ込みが形成されている。コレット６４０は、支持ブロック６１０側の内周側端部を除いて、４つの切れ込みにより４分割されており、各分割片が半径方向に移動可能になっている。コレット６４０の内周面は、試験片Ｔの外径よりも僅かに広い円柱面となっており、コア６３０の円柱部６３２に被せられる。試験時には、コレット６４０の内周面とコア６３０の円柱部６３２との間で試験片Ｔが挟み込まれる。また、コレット６４０の外周面は、先端側ほど細くなる円錐面（テーパ面）となっている。スリーブ６５０の内周面も、コレット６４０の外周面と同じテーパ角の円錐面となっており、スリーブ６５０はコレット６４０に被せられる。また、スリーブ６５０の支持ブロック６１０側には、半径方向外側に突出したフランジ部６５２が形成されている。
　チャック５２は、支持ブロック５１０、コア５３０、コレット５４０、スリーブ５５０、スライダ５６０及び２つの油圧シリンダ５７０（図１１）を備えている。なお、コレット５４０、スリーブ５５０、スライダ５６０及び油圧シリンダ５７０は、それぞれチャック３２のコレット６４０、スリーブ６５０、スライダ６６０及び油圧シリンダ６７０と同一構成の部材である。また、コア５３０も、支持ブロック５１０との固定部の形状や、後述する管路５１４の細部の構成を除いては、チャック３２のコア６３０と同様の構成を有している。支持ブロック５１０のＸ軸正方向側の側面には、連結部材５３を固定するための図示しない螺子穴が形成されたフランジ取り付け面５２２が設けられている。支持ブロック５１０のＸ軸負方向側の側面にはコア５３０が取り付けられている。また、支持ブロック５１０には、Ｘ軸方向に伸びる４つの貫通穴５１２が形成されており、各貫通穴５１２は、スライダ５６０のロッド５６２がスライド自在に差し込まれている。
　図１３は、図１２におけるＣ－Ｃ矢視図である。スリーブ５５０のフランジ部５５２には、Ｘ軸方向に伸びる４つの貫通穴５５４が形成されている。貫通穴５５４は、ロッド５６２のヘッド５６２ｈが挿通可能な差込部５５４ａと、差込部５５４ａから円周方向に沿って（図１３において反時計方向に）延びる細隙部５５４ｂを有している。また、フランジ部５５２のチャック３２と対向する面には、細隙部５５４ｂの周囲に座繰部５５４ｃが形成されている。フランジ部５５２の貫通穴５５４にロッド５６２を通して、スリーブ５５０を時計方向に回転させると、ロッド５６２のヘッド５６２ｈとフランジ部５５２の座繰部５５４ｃとが係合し、ロッド５６２をＸ軸正方向に駆動させてもフランジ部５５２から抜けなくなる。
　また、チャック３２の支持ブロック６１０、コア６３０及びチャック５２の支持ブロック５１０、コア５３０には、それぞれ試験片Ｔに内圧を加えるための作動液を供給する管路６１６、６３６及び管路５１６、５３６が形成されている。なお、作動液には、防錆剤を混合した水や作動油が使用される。支持ブロック５１０の管路５１６の一端（ニップル５１６ａ）は、図示されない液圧源に接続されており、他端はコア５３０に形成された管路５３２の一端に接続されている。管路５１６の中途には、油圧計５９０が設けられている。また、コア５３０の管路５３２の他端は、テーパ部５３４の外周面に開口しており、この開口から試験片Ｔの管内に作動液が注入される。また、チャック３２の支持ブロック６１０に形成された管路６１６は、一端がエア抜き用のバルブ６８０に接続されており、他端がコア６３０の管路６３６の一端に接続されている。なお、バルブ６８０の出口は図示しない作動液タンクに接続されている。コア６３０の管路６３６の他端は、テーパ部６３４の外周面に開口しており、この開口から試験片Ｔの管内の作動油が管路６３６及び６１６に流入するようになっている。
　チャック５２により試験片Ｔをクランプする際は、試験片Ｔの一端をコア５３０の円柱部５３２に挿し込み、その外周にコレット５４０を装着し、更にコレット５４０の外周にスリーブ５５０を装着する。スリーブ５５０を装着する際には、フランジ部５５２の貫通穴５５４（図１３）にロッド５６２を通して、スリーブ５５０を時計方向に回転させて、ロッド５６２のヘッド５６２ｈとフランジ部５５２の座繰部５５４ｃとを係合させる。同様に、試験片Ｔの他端をチャック３２に装着する。なお、試験片Ｔの両端をコア５３０の円柱部５３２及びコア６３０の円柱部６３２にそれぞれ挿し込むことにより、Ｏリング５３６、６３６により試験片Ｔと円柱部５３２、６３２とが密着するため、作動液を供給しても試験片Ｔとコア５３０、６３０との隙間から作動液が漏れることがない。次に、バルブ６８０を開いて、低圧で液圧源から作動液を送出させると、作動液は、管路５１６、５３６、試験片Ｔ、管路６３６、６１６及びバルブ６８０を介して作動油タンクに送出される。この際、試験片Ｔ及び管路５１６、５３６、６３６、６１６内の空気も作動液と共に作動油タンクに排出され、試験片Ｔ及び管路５１６、５３６、６３６、６１６内が作動油で満たされる。次に、バルブ６８０を閉じて、液圧源により所定の初期液圧を供給させると、油圧シリンダ５７０（６７０）が作動し、連結板５６４（６６４）をＸ軸正方向（負方向）に駆動すると、連結板５６４（６６４）に固定されたロッド５６２（６６２）を介してスリーブ５５０（６５０）もＸ軸正方向（負方向）に強く押し込まれる。スリーブ５５０（６５０）のテーパ面によりコレット５４０（６４０）が内側に強く押し込まれ、コア５３０（６３０）の円柱部５３２（６３２）とコレット５４０（６４０）との間で試験片Ｔの一端（他端）が強固にクランプされる。また、試験後に作動液の圧力を抜くと、ロッド５６２（６６２）とスリーブ５５０（６５０）によるコレット５４０（６４０）の締め付けが解除さるため、アンクランプ状態となる。また、支持ブロック５１０（６１０）にはアンクランプ用ボルト５６６（６６６）と係合する雌ねじ５１８（６１８）が、連結板５６４（６６４）にはアンクランプ用ボルト５６６（６６６）を通す貫通穴５６４ａ（６６４ａ）が設けられている。スリーブ５５０（６５０）、コレット５４０（６４０）及び試験片Ｔが固着してクランプが解除されなくなった場合は、アンクランプ用ボルト５６６（６６６）を貫通穴５６４ａ（６６４ａ）に通して雌ねじ５１８（６１８）に捻じ込み、連結板５６４（６６４）を支持ブロック５１０（６１０）側に押し込むことにより、コレット５４０（６４０）の固着が解消され、アンクランプ状態にすることができる。
　次に、センサユニット２００による試験片の変位の検出結果に基づいて、制御部（不図示）によって試験片Ｔのひずみ及び応力を計算する方法を説明する。円管バルジ試験においては、円管状の試験片Ｔの円周方向（θ）及び管軸方向（φ）における応力とひずみの変化が計測される。試験片Ｔの円周方向応力σφ及び管軸方向応力σθは、それぞれ式（１）、（２）により計算される。また、試験片Ｔの円周方向ひずみεφ及び管軸方向ひずみεθは、それぞれ式（３）、（４）により計算される。また、試験片Ｔの肉厚ｔは、式（５）により計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
但し、
　Ｐ：内圧（液圧）
　Ｄ：試験片Ｔの外径（Ｄ０：初期値）
　ｔ：試験片Ｔの肉厚（ｔ０：初期値）
　Ｔ：管軸方向荷重
　Ｒφ：管軸方向曲率半径
　Ｌ：標点間距離（Ｌ０：初期値）
　ｅ６：試験片Ｔのスパン中央部における外周面の軸方向変位（軸方向変位検出部２８０の検出値）
　なお、内圧Ｐは、液圧源（不図示）に設けられた液圧ゲージによって検出される。また、管軸方向応力Ｔは、ロードセル５４によって検出される。また、試験片Ｔの外径Ｄ及び管軸方向曲率半径Ｒφは、以下に説明する方法によって取得される。
（外径Ｄの取得方法）
　外径Ｄは、第１径方向変位検出部２２０（接触式変位計２３０ｂ）、第２径方向変位検出部２４０及び第３径方向変位検出部２６０によってそれぞれ検出された、試験片Ｔのスパンの中央（Ｘ軸基準点）における外周面の半径方向の変位ｅ１、ｅ２及びｅ３を使用して計算される。具体的には、試験片Ｔの外径Ｄは、３つの変位測定値ｅ１、ｅ２及びｅ３の平均値を試験片Ｔの半径の変化量として、次の式（７）により計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　試験片Ｔは、完全な軸対称性を有してはいないため、試験片Ｔの変形も管軸に対して若干非対称なものとなる。そのため、一方向のみで試験片Ｔの外径変化を測定すると、外径Ｄの誤差が比較的に大きくなり、試験精度（すなわち最終的に得られる円周方向応力σφ及び管軸方向応力σθの精度）が低下してしまう。本実施形態では、試験片Ｔのスパンの中央において円周方向３箇所で測定した外周面の半径方向変位の平均から外径Ｄを計算することにより、試験片Ｔの外径Ｄの測定精度が向上し、延いては円周方向応力σφ及び管軸方向応力σθを高精度で計測可能となる。また、第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０及び第３径方向変位検出部２６０は、試験片Ｔの管軸の周囲に等間隔で配置されているため、この３つの径方向変検出部による変位測定値ｅ１、ｅ２及びｅ３の平均値は、試験片Ｔの全周の変位を平均した値に近い値となる。すなわち、本実施形態の構成によれば、少ない径方向変位検出部により、測定誤差を効果的に低減することができる。
（管軸方向曲率半径Ｒφの取得方法）
　管軸方向曲率半径Ｒφは、第１径方向変位検出部２２０の３つ接触式変位計２３０ａ～ｃによって検出されるニードル２２３ａ～２２３ｃの変位ｅ４、ｅ１、ｅ５に基づいて、式（８）、（９）により計算される。なお、変位ｅ１~ｅ５の符号は、試験片Ｔの半径が増大する方向の変位を正として定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
但し、
　Ｓ：第１径方向変位検出部２２０のニードル２２３ａ～ｃの配置間隔
　以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態の構成は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。すなわち、本発明の別の実施形態は、上記に説明した全ての特徴を備える必要はなく、また付加的あるいは代替的に別の特徴を備えてもよい。
　上記の実施形態では、一端が第２可動部４０と連結するリンク１４２の他端がリンク１４３の中央部で連結されているが、リンク１４２の他端をリンク１４１の中央部で連結させてもよい。また、リンク１４２を２つ設け、一方のリンク１４２の他端をリンク１４１に、他方のリンク１４２の他端をリンク１４３にそれぞれ連結させてもよい。この場合、第２可動部４０を２本のリンク１４２で駆動することになるため、重量の大きな測定ユニットを使用しても、測定ユニットをスムーズかつ正確に移動させることが可能になる。
　また、上記の実施形態では、試験片Ｔの中央部のひずみを測定しているが、試験片Ｔの中央部について形状以外の測定を行う場合にも本発明を適用することができる。本発明が適用可能な形状以外の測定としては、電気的特性（例えば試験片Ｔの抵抗）や光学的特性（例えば光反射率）が挙げられる。
　また、上記の実施形態では、リンク１４２のリンク長をリンク１４３のリンク長の１／２に設定して、第２可動部４０が常に第１可動部３０と固定部５０の中間点に位置するように構成されているが、リンク１４２とリンク１４３のリンク長の比（すなわち二等辺三角形５７８と二等辺三角形６７９の相似倍率）は任意に設定することができる。
　上記の実施形態では、アクチュエータとしてサーボバルブにより駆動制御される油圧アクチュエータが使用されるが、他の種類のアクチュエータ（例えば、サーボモータにより駆動制御される電動油圧アクチュエータや各種モータにより駆動される電動アクチュエータ）を使用してもよい。
　試験片の長さ方向中央における断面形状の変化を、ＣＣＤカメラやセンサアレイによって測定する従来の方法では、受光素子の配置間隔よりも低い測定精度しか得られず、微小な変化を検出することができなかった。また、投影光の広がり角や回折によっても測定精度が低下し、大きな試験片を使用する場合には投影距離が長くなるため、十分な精度で測定することができなかった。上記に説明した本発明の実施形態に係る材料試験機によれば、接触式変位計を使用することにより、従来よりも格段に高精度かつ高確度の測定が可能になり、大きな試験片Ｔを使用した試験を行う場合でも十分な精度の測定が可能である。なお、局所の変位を高確度かつ高精度に計測可能な、接触式変位計以外の方式の変位計（例えばレーザ光反射型の非接触変位計）を使用することもできる。
　また、上記のセンサユニット移動機構は、円管バルジ試験に限らず、例えば通常の引張試験、圧縮試験、ねじり試験等の機械試験その他の各種測定にも適用することができる。
　１０　　フレーム
　２０　　油圧シリンダ
　３０　　第１可動部
　４０　　第２可動部
　５０　　固定部
１００　　センサユニット移動機構
２００　　センサユニット
２２０　　第１径方向変位検出部
２４０　　第２径方向変位検出部
２６０　　第３径方向変位検出部
２８０　　軸方向変位検出部
３００　　本体部

Claims (12)

  1. 　円管状の試験片に内圧と管軸方向の応力とを与えて該試験片のひずみを計測する材料試験機において、
    　前記試験片の管軸方向の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する複数の径方向変位検出部と、
    　前記試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向の変位を検出する軸方向変位検出部と、
    　前記径方向変位検出部及び前記軸方向変位検出部の検出結果に基づいて、前記試験片の有効長中央部における円周方向及び管軸方向ひずみを演算する演算部と
    を備え、
    　前記複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りの互いに異なる方位における変位を検出するように構成された、材料試験機。
  2. 　前記複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りに１２０°間隔で配置された第１、第２及び第３径方向変位検出部を含むことを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
  3. 　前記複数の径方向変位検出部は、それぞれ前記試験片の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する第１変位計を備え、
    前記複数の径方向変位検出部の少なくとも一つは、　前記第１変位計に対して前記管軸方向に並べて配置された、前記試験片の外周面の半径方向の変位を検出する第２変位計を備え、
    　前記演算部は、前記少なくとも一つの径方向変位検出部の前記第１及び第２変位計の検出結果に基づいて、前記試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向曲率半径を計算するように構成されている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の材料試験機。
  4. 　前記第１変位計は、先端が前記試験片の外周面に垂直に付き当てられて、前記試験片の外周面の半径方向の変位に従って該半径方向に移動自在に設けられたニードルを備え、該ニードルの移動量を検出することにより、前記試験片の外周面の半径方向の変位を検出するように構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の材料試験機。
  5. 　前記第１及び第２変位計はそれぞれ、
    　　固定フレームと、
    　　前記固定フレームに対して前記試験片の半径方向にスライド自在に設けられた可動フレームと、
    　　前記可動フレームに取り付けられた胴部と、該胴部の一端から前記試験片の半径方向に伸縮自在に突出する接触子を備えた変位センサと、
    を備え、
    　前記変位センサの接触子の先端が前記固定フレームに設けられた接触子突き当て板に当接されており、
    　前記ニードルが、長さ方向を前記試験片の半径方向に向け、前記可動フレームの前記試験片と対向する一端から突出するように前記可動フレームに取り付けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の材料試験機。
  6. 　前記複数の径方向変位検出部及び前記軸方向変位検出部が設けられたセンサユニットを前記材料試験機の装置フレームに対して前記試験片の管軸方向に移動するセンサユニット移動機構を備え、
    　前記センサユニット移動機構は、
    　　前記装置フレームに対して前記試験片の管軸方向へ移動可能に設けられ、前記試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、
    　　前記装置フレームに固定され、前記試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と、
    　　前記第１可動部と前記固定部との間に配置され、前記センサユニットを前記装置フレームに対して前記試験片の管軸方向へ移動する第２可動部と、
    　前記装置フレームに固定され、前記第１可動部を前記所定方向へ駆動するアクチュエータと、
    　前記装置フレーム、前記第１可動部及び前記第２可動部を連結し、前記第１可動部の移動に応じて前記中央部測定器を前記可動チャックと前記固定チャックの中間点に移動させるリンク機構とを備えた、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の材料試験機。
  7. 　試験片に所定方向の応力を加えて前記試験片の応答を測定する材料試験機であって、
    　装置フレームと、
    　前記装置フレームに対して前記所定方向へ移動可能に設けられ、前記試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、
    　前記装置フレームに固定され、前記試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と
    　前記第１可動部と前記固定部との間に前記装置フレームに対して前記所定方向へ移動可能に設けられ、前記試験片に荷重が加えられているときに試験片の前記所定方向中央部における応答を測定する中央部測定器を備えた第２可動部と、
    　前記装置フレームに固定され、前記第１可動部を前記所定方向へ駆動するアクチュエータと、
    　前記装置フレーム、前記第１可動部及び前記第２可動部を連結し、前記第１可動部の移動に応じて前記中央部測定器を前記可動チャックと前記固定チャックの中央に移動させる事により、前記中央部測定器を常に試験片の前記所定方向中央部に位置させるリンク機構と
    を備えた材料試験機。
  8. 　前記所定方向へ延びるレールを更に備え、
    　前記第１可動部は、前記レールと係合する第１ランナーブロックを備え、該レール及び第１ランナーブロックにより前記所定方向にスライド自在に支持され、
    　前記第２可動部は、前記レールと係合する第２ランナーブロックを備え、該レール及び第２ランナーブロックにより前記所定方向へスライド自在に支持される
    ことを特徴とする請求項７に記載の材料試験機。
  9. 　前記固定部は、
    　　前記試験片に加わる前記所定方向の荷重を測定する荷重センサと、
    　　前記所定方向へ移動自在に前記レールと係合する第３ランナーブロックと
    を更に備え、
    　前記固定チャックは、前記第３ランナーブロック上に配置され、前記荷重センサを介して前記装置フレームに固定される
    ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の材料試験機。
  10. 　前記リンク機構は、
    　　一端が第１ピンを介して前記第１可動部に回転可能に連結された第１リンクと、
    　　一端が第２ピンを介して前記第２可動部に回転可能に連結された第２リンクと、
    　　一端が、前記第２ピンに対して前記第１ピンと反対側に配置された第３ピンを介して、前記装置フレームに回転可能に連結された第３リンクと
    を有し、
    　前記第１リンクの他端と前記第３リンクの他端が第４ピンを介して回転可能に連結され、
    　前記第２リンクの他端が第５ピンを介して前記第１又は前記第３リンクに回転可能に連結され、
    　前記第４ピンと前記第１ピンの間隔は前記第４ピンと前記第３ピンの間隔に等しく、
    　前記第５ピンと前記第２ピンの間隔は前記第５ピンと、前記第１及び前記第３ピンのうち前記第５ピンと同一のリンクを連結するものとの間隔に等しい
    ことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の材料試験機。
  11. 　前記第１可動部、前記第２可動部及び前記固定部は、それぞれ第１、第２、第３ランナーブロックが下面に取り付けられたベースプレートを備え、
    　前記可動チャック、前記中央部測定器及び前記固定チャックは、それぞれ各前記ベースプレートの上面に取り付けられて、該ベースプレートの上方に配置され、
    　前記リンク機構は、各前記ベースプレートの下面に取り付けられて、該ベースプレートの下方に配置されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の材料試験機。
  12. 　前記装置フレームは水平面の上面を有する定盤を備え、
    　前記レールは前記装置フレームの上面に取り付けられ、
    　前記定盤の一側面側には、中央部は、切り欠かれて、前記レールと近接して平行に延びた底部を有する、水平方向に凹んだ凹部が形成され、
    　前記第１から第３リンクは、それぞれ前記凹部内に配置される
    ことを特徴とする請求項１１に記載の材料試験機。
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