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| タイトル： | 公開特許公報(A)_応力ひずみ曲線算出装置、応力ひずみ曲線算出方法およびプログラム |
| 出願番号： | 2009011572 |
| 年次： | 2010 |
| IPC分類： | G01M 5/00,G01N 3/00 |
特許情報キャッシュ
中野 幸人 中川 稔章 古巣 克也 西垣 佳臣 JP 2010169500 公開特許公報(A) 20100805 2009011572 20090122 応力ひずみ曲線算出装置、応力ひずみ曲線算出方法およびプログラム 株式会社豊田中央研究所 000003609 トヨタ紡織株式会社 000241500 井上 誠一 100096091 中野 幸人 中川 稔章 古巣 克也 西垣 佳臣 G01M 5/00 20060101AFI20100709BHJP G01N 3/00 20060101ALI20100709BHJP JPG01M5/00G01N3/00 A 5 3 ＯＬ 10 2G061 2G061AA02 2G061AB04 2G061BA07 2G061CA10 2G061CB01 2G061EA01 2G061EA02 2G061EA06 2G061EC02 本発明は、軟質発泡材の応力ひずみ曲線を算出する応力ひずみ曲線算出装置、応力ひずみ曲線算出方法およびプログラムに関するものである。 従来、自動車シート等に用いられるウレタン材料等の軟質発泡材の公的な規格試験としては、非特許文献１から非特許文献３に記載されたものがある。非特許文献１では、軟質発泡剤の荷重耐久性のための試験を規定している。非特許文献２では、静的な強度試験、燃焼性、通気性等、非特許文献１よりも項目数が多い標準化のための試験を規定している。非特許文献３では、振動試験も含む自動車シート用標準規格試験を規定している。 一方、計算機の技術的向上に伴い、従来不可能であったＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析による自動車シート（材質が軟質発泡材）の乗り心地解析が可能になりつつある。ＣＡＥ解析を行うためには、材料モデルの実験データが必要である。特に、非線形過渡解析を行う場合、ひずみ速度が判明している応力ひずみ曲線が必要となる。 非特許文献１から非特許文献３に規定されている試験は、軟質発泡材の相対的な性能比較のための試験であり、ＣＡＥ解析を行う為のデータを取得することはできない。 ＣＡＥ解析に必要なデータを測定する手法としては、実験モード解析が知られている。実験モード解析は、線形固有値解析で利用できるモーダルパラメータを実験同定する手法である。しかし、実験モード解析では、ひずみ速度に依存する応力ひずみ曲線を取得することはできない。 ひずみ速度に依存する応力ひずみ曲線を測定する実験としては、島津製作所製の高速引張試験機ＨＩＴＳ−Ｔ１０等を利用した高速引張試験がある。しかし、この試験機ではロードセルが荷重側についており、高速での試験では試験片（＝軟質発泡材）への慣性力の影響が大きく、測定結果の扱いが難しい。また、乗り心地解析に必要なデータは、圧縮の場合と除荷重の場合の両方である。しかし、通常の圧縮試験では、速度一定とした高速圧縮を行うと、底付きして試験機が破損してしまう。ＩＳＯ ５９９９ 「軟質気泡性ポリマー材−カーペットの下敷を除く荷重負荷用ポリウレタンフォーム」ＪＩＳ Ｋ６４０１ 「耐荷重用軟質ポリウレタンフォーム」ＪＡＳＯ Ｂ４０７−８７「自動車用シートのクッション性試験方法」 前述のとおり、軟質発泡材に対して、ひずみ速度に依存する応力ひずみ曲線を算出する有効な方法が存在しない。ひいては、軟質発泡材に対して、非線形過渡解析を行うことができない。 本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、軟質発泡材に対して、ひずみ速度に依存する応力ひずみ曲線を算出することができる応力ひずみ曲線算出装置等を提供することである。 前述した目的を達成するために第１の発明は、軟質発泡材の応力ひずみ曲線を算出する応力ひずみ曲線算出装置であって、軟質発泡材である試験片の固定側に荷重計測装置を配置し、正弦波の加振信号によって加振実験を行うことで測定した、前記試験片にかかる荷重、前記試験片の変位、前記加振信号の周波数を入力する入力手段と、前記荷重、前記変位、前記周波数に基づいて、前記試験片のひずみ、ひずみ速度、応力を算出する算出手段と、前記ひずみ、前記ひずみ速度、前記応力の３変数データから前記応力の応答曲面を生成する生成手段と、を具備することを特徴とする応力ひずみ曲線算出装置である。 第１の発明における前記算出手段は、前記荷重から前記試験片の質量による慣性力を除いて前記応力を算出することが望ましい。また、第１の発明の応力ひずみ曲線算出装置は、前記応答曲面から任意のひずみ速度の応力ひずみ曲線を抽出する抽出手段、を更に具備することが望ましい。 第２の発明は、軟質発泡材の応力ひずみ曲線を算出する応力ひずみ曲線算出方法であって、軟質発泡材である試験片の固定側に荷重計測装置を配置し、正弦波の加振信号によって加振実験を行うことで測定した、前記試験片にかかる荷重、前記試験片の変位、前記加振信号の周波数を入力する入力ステップと、前記荷重、前記変位、前記周波数に基づいて、前記試験片のひずみ、ひずみ速度、応力を算出する算出ステップと、前記ひずみ、前記ひずみ速度、前記応力の３変数データから前記応力の応答曲面を生成する生成ステップと、を含むことを特徴とする応力ひずみ曲線算出方法である。 第３の発明は、コンピュータを第１の発明の応力ひずみ曲線装置として機能させるプログラムである。 本発明により、軟質発泡材に対して、ひずみ速度に依存する応力ひずみ曲線を算出することができる応力ひずみ曲線算出装置等を提供することができる。ひいては、本発明により、軟質発泡材に対して、非線形過渡解析を行うことが可能となる。加振実験を説明するための図コンピュータのハードウェア構成図応力ひずみ曲線算出処理を示すフローチャートデータフローを説明するための図応力の応答曲面を示す図応力の応答曲面の一部を示す図 以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。 図１は、加振実験を説明するための図である。本発明の実施形態では、試験片１は、軟質発泡材である。試験片１は固定部材２に固定され、軽く圧縮された状態で固定部材２と支持部材３に挟持される。加振器４は、試験片１の下部に配置され、振動伝達部材５を介して、試験片１に振動を与える。ロードセル６は、固定部材２の上部に配置され、試験片１に加えられた荷重を計測する。変位計７は、磁界、光、超音波等を媒体とした非接触型のセンサである。変位計７は、試験片１の上下方向の変位を計測する。 ＣＡＥ解析にて必要となる応力ひずみ曲線は、慣性力を含まないものである。一方、ロードセル６で計測される荷重は、慣性力を含むものである。従って、計測された荷重から慣性力を除く必要がある。不要な慣性力は小さい方が望ましいことから、本発明の実施形態に係る加振実験では、ロードセル６は試験片１を固定する固定部材２の上部に取り付ける。これによって、慣性力の対象質量は試験片１のみとなる。 また、慣性力を算出するためには、加振時の加速度が必要となる。加速度を計測するためには加速度ピックアップを試験片１に取り付ける方法が一般的である。しかし、軟質発泡材に加速度ピックアップを取り付けることは困難である。また、取り付けられたとしても、軟質発泡材の質量による慣性力と比べると、加速度ピックアップ自体の質量による慣性力を無視することができない。そこで、本発明の実施形態では、加振器３の加振信号を正弦波とし、加振周波数を測定し、加振周波数と試験片１の変位から加速度を算出する。 図２は、応力ひずみ曲線算出装置１１を実現するコンピュータのハードウェア構成図である。尚、図２のハードウェア構成は一例であり、用途、目的に応じて様々な構成を採ることが可能である。 応力ひずみ曲線算出装置１１は、制御部１３、記憶部１５、メディア入出力部１７、通信制御部１９、入力部２１、表示部２３、周辺機器Ｉ／Ｆ部２５等が、バス２７を介して接続される。 制御部１３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。 ＣＰＵは、記憶部１５、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス２７を介して接続された各装置を駆動制御し、応力ひずみ曲線算出装置１１が行う後述する処理を実現する。 ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持している。 ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部１５、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部１３が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。 記憶部１５は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部１３が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティングシステム）等が格納される。プログラムに関しては、ＯＳ（オペレーティングシステム）に相当する制御プログラムや、後述する処理をコンピュータに実行させるためのアプリケーションプログラムが格納されている。 これらの各プログラムコードは、制御部１３により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて各種の手段として実行される。 メディア入出力部１７（ドライブ装置）は、データの入出力を行い、例えば、ＣＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＤＶＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＭＯドライブ等のメディア入出力装置を有する。 通信制御部１９は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク２９間の通信を媒介する通信インタフェースであり、ネットワーク２９を介して、他のコンピュータ間との通信制御を行う。 入力部２１は、データの入力を行い、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。 入力部２１を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。 表示部２３は、ＣＲＴモニタ、液晶パネル等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等（ビデオアダプタ等）を有する。 周辺機器Ｉ／Ｆ（インタフェース）部２５は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器Ｉ／Ｆ部２５を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器Ｉ／Ｆ部２５は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４やＲＳ−２３２Ｃ等で構成されており、通常複数の周辺機器Ｉ／Ｆを有する。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。 バス２７は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。 図３は、応力ひずみ曲線算出処理を示すフローチャートである。図３に示すように、制御部１３は、ある加振周波数によって行った加振実験の実験データを入力する（Ｓ１０１）。実験データは、加振器３の加振周波数、ロードセル６によって計測された荷重、変位計７によって計測された試験片１の上下方向の変位、の３つである。加振周波数、荷重、変位は、周辺機器Ｉ／Ｆ部２５を介して、加振器３、ロードセル６、変位計７から入力される。 図４は、データフローを説明するための図である。図４に示すように、実験データは、横軸を時間として、加振周波数ごとに測定される変位、荷重のデータである。実験データは、１周期分を計測すれば良い。 制御部１３は、慣性力補正後の荷重を算出する（Ｓ１０２）。前述したとおり、ＣＡＥ解析にて必要となる応力ひずみ曲線は、慣性力を含まないものであるから、慣性力を除いた後の荷重を算出する。 加振周波数をｆ、変位をｘとすると、加速度ａは、ａ＝−（（２πｆ）＾２）ｘ・・・（１）である（ここで、Ａ＾Ｂは、ＡのＢ乗を意味する。）。また、試験片１の質量をｍ、慣性力補正前の荷重をＦｍｅとすると、慣性力補正後の荷重Ｆｍｃは、Ｆｍｃ＝Ｆｍｅ−ｍａ＝Ｆｍｅ−（−（（２πｆ）＾２）ｘｍ）・・・（２）となる。制御部１３は、Ｓ１０１にて入力された実験データから式（２）に基づいて慣性力補正後の荷重を算出する。 制御部１３は、試験片１のひずみ、ひずみ速度、応力を算出する（Ｓ１０３）。試験片１のひずみは、Ｓ１０１にて入力された試験片１の変位を、圧縮されていない状態の試験片１の高さで割ることで算出する。試験片１のひずみ速度は、Ｓ１０１にて入力された試験片１の変位を、時間で微分することで算出する。試験片１の応力は、Ｓ１０２にて算出された慣性力補正後の荷重を、試験片１の荷重作用面の面積で割ることで算出する。 図４に示すように、ひずみ、ひずみ速度、応力の３変数データは、実験データの変位、荷重と同様に、横軸を時間として、加振周波数ごとに算出される。３変数データは、１周期分を算出すれば良い。 制御部１３は、Ｓ１０３にて算出されたひずみ、ひずみ速度、応力の３変数データを三次元散布図にプロットする（Ｓ１０４）。 図４に示すように、三次元散布図は、ひずみ、ひずみ速度、応力を各軸とする。制御部１３は、ひずみ、ひずみ速度、応力の３変数データの同一時間の値を、三次元散布図の座標値としてプロットする。制御部１３は、１周期分の３変数データを三次元散布図にプロットする。 制御部１３は、全ての実験済みの加振周波数について処理が終了したか確認する（Ｓ１０５）。処理が終了していない場合、制御部１３は、Ｓ１０１から処理を繰り返す。処理が終了している場合、制御部１３は、Ｓ１０６に進む。 制御部１３は、Ｓ１０４にて生成された三次元散布図上の点群から補完処理を行い、応力の応答曲面を生成し、記憶部１５に記憶する（Ｓ１０６）。補完処理は、加振周波数が同一か否かによって区別することなく、補完する領域の周辺の点群を参照する。 図５は、応力の応答曲面を示す図である。図５に示す点は、制御部１３がＳ１０４にてプロットしたものである。図５に示す矩形は、制御部１３がＳ１０６において行った補完処理によって生成されたものである。図５では、応力の応答曲面を矩形群として示している。 図６は、応力の応答曲面の一部を示す図である。制御部１３は、図６に示すように、応力の応答曲面の一部を抽出し、必要な領域を記憶部１５に記憶しても良い。尚、図６の応力の応答曲面を示す矩形の大きさは、図５の応力の応答曲面を示す矩形の大きさよりも小さい。 制御部１３は、記憶部１５に記憶する応力の応答曲面から、任意のひずみ速度の応力ひずみ曲線を抽出する（Ｓ１０７）。これによって、ユーザは、任意のひずみ速度の応力ひずみ曲線を得ることができ、軟質発泡材に対して、非線形過渡解析を行うことが可能となる。また、本発明の実施形態であれば、圧縮、除荷重の両方の応力ひずみ曲線を得ることができる。ここで、圧縮、除荷重のそれぞれの曲線は、ひずみ速度の絶対値が同じで正負が逆の応力ひずみ曲線である。 以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る応力ひずみ曲線算出装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 １………試験片 ２………固定部材 ３………支持部材 ４………加振器 ５………振動伝達部材 ６………ロードセル ７………変位計 １１………応力ひずみ曲線算出装置 １３………制御部 １５………記憶部 １７………メディア入出力部 １９………通信制御部 ２１………入力部 ２３………表示部 ２５………周辺機器Ｉ／Ｆ部 ２７………バス ２９………ネットワーク 軟質発泡材の応力ひずみ曲線を算出する応力ひずみ曲線算出装置であって、 軟質発泡材である試験片の固定側に荷重計測装置を配置し、正弦波の加振信号によって加振実験を行うことで測定した、前記試験片にかかる荷重、前記試験片の変位、前記加振信号の周波数を入力する入力手段と、 前記荷重、前記変位、前記周波数に基づいて、前記試験片のひずみ、ひずみ速度、応力を算出する算出手段と、 前記ひずみ、前記ひずみ速度、前記応力の３変数データから前記応力の応答曲面を生成する生成手段と、を具備することを特徴とする応力ひずみ曲線算出装置。 前記算出手段は、前記荷重から前記試験片の質量による慣性力を除いて前記応力を算出することを特徴とする請求項１に記載の応力ひずみ曲線算出装置。 前記応答曲面から任意のひずみ速度の応力ひずみ曲線を抽出する抽出手段、を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の応力ひずみ曲線装置。 軟質発泡材の応力ひずみ曲線を算出する応力ひずみ曲線算出方法であって、 軟質発泡材である試験片の固定側に荷重計測装置を配置し、正弦波の加振信号によって加振実験を行うことで測定した、前記試験片にかかる荷重、前記試験片の変位、前記加振信号の周波数を入力する入力ステップと、 前記荷重、前記変位、前記周波数に基づいて、前記試験片のひずみ、ひずみ速度、応力を算出する算出ステップと、 前記ひずみ、前記ひずみ速度、前記応力の３変数データから前記応力の応答曲面を生成する生成ステップと、を含むことを特徴とする応力ひずみ曲線算出方法。 コンピュータを請求項１に記載の応力ひずみ曲線装置として機能させるプログラム。 【課題】軟質発泡材に対して、ひずみ速度に依存する応力ひずみ曲線を算出することができる応力ひずみ曲線算出装置等を提供する。【解決手段】制御部１３は、ある加振周波数によって行った加振実験の実験データ（＝加振周波数、試験片１にかかる荷重、試験片１の変位）を入力する（Ｓ１０１）。制御部１３は、慣性力補正後の荷重を算出し（Ｓ１０２）、試験片１のひずみ、ひずみ速度、応力を算出する（Ｓ１０３）。制御部１３は、Ｓ１０３にて算出されたひずみ、ひずみ速度、応力の３変数データを三次元散布図にプロットする（Ｓ１０４）。制御部１３は、全ての実験済みの加振周波数について処理が終了したか確認し（Ｓ１０５）、処理が終了している場合、制御部１３は、Ｓ１０４にて生成された三次元散布図上の点群から補完処理を行い、応力の応答曲面を生成し、記憶部１５に記憶する（Ｓ１０６）。【選択図】図３