試驗夾具和試驗方法與流程
2024-04-16 13:52:05
1.本發明涉及試驗夾具和試驗方法。
背景技術：
2.有一種被稱為halt(highly accelerated limit test：高加速極限試驗)的試驗技術，在產品的設計階段給試製品施加溫度、振動等過大的負荷，在將該試製品產品化時能夠早期掌握脆弱的部位。作為適用於上述試驗技術的試驗裝置，例如，能夠同時負荷多軸方向的隨機振動和溫度突變的halt裝置已被產品化。
3.另一方面，僅可在1個軸方向振動的振動發生裝置也得到廣泛普及，主要被使用於驗證產品對振動的可靠性。作為與能夠沿1個軸方向振動的振動發生裝置及其試驗夾具相關的技術，例如已知有專利文獻1、2所記載的技術。
4.現有技術文獻
5.專利文獻
6.專利文獻1：日本專利特開2000-055777號公報
7.專利文獻2：日本專利特開2000-258290號公報
8.專利文獻3：日本專利特開平10-073512號公報
技術實現要素：
9.發明所要解決的技術問題
10.通常，在halt試驗時使用halt專用裝置。halt專用裝置不僅裝置本身價格昂貴，而且一般在冷卻裝置或急劇改變試驗環境溫度時，會消耗大量液態氮和電力，因此與使用1軸的試驗裝置的情況相比，存在為了進行評價而花費的成本變高的問題。因此，存在想要以更低的成本進行評價的要求。
11.與此相對地，已知根據產品的故障模式，在多個軸方向上同時激振的情況下，與在各1個軸方向激振的情況相比，壽命會縮短的現象。另外，根據產品的不同，即使不使用halt專用裝置，也可以使用例如專利文獻3所記載的試驗裝置進行試料評價。
12.專利文獻3中公開了一種試驗裝置，該試驗裝置使用在一個方向上對試料進行激振並測量激振強度的振動試驗器，將試料安裝在傾斜的夾具上，通過在一個方向上進行激振，在試料上施加豎直方向上的分力的激振力和水平方向上的分力的激振力，從而能提取出脆弱部位。通過這種試驗裝置，能降低用於評價的成本。
13.然而，在專利文獻3的試驗裝置中，存在難以獨立地調節施加到試料的豎直方向上的激振力和水平方向上的激振力的問題。因此，期待一種為了提取脆弱部位，通過安裝在僅能在1個軸方向激振的振動發生裝置上，能在多個軸方向上同時對試料進行激振，另外，能容易地以各種比率改變各軸方向的激振力的試驗夾具。
14.本發明是鑑於上述問題而完成的，其目的在於，提供一種試驗夾具及試驗方法，其使用僅能在1個軸方向上進行激振的振動發生裝置，對供試件同時施加多個軸方向上的激
振力，並且能夠容易地改變各軸方向上的激振力的比率。
15.用於解決技術問題的技術手段
16.為了解決上述問題，代表性的本發明的試驗夾具中的一個包括：
17.振動發生裝置連接部，該振動發生裝置連接部能與振動發生裝置連接，並在z軸方向上進行激振；
18.第一振動板，該第一振動板與所述振動發生裝置連接部連接，並在與所述z軸方向交叉的x軸方向上呈懸臂狀地延伸；
19.第二振動板，該第二振動板與所述第一振動板的x軸方向端部附近連接，並在與所述z軸方向和所述x軸方向交叉的y軸方向上呈懸臂狀地延伸；以及
20.供試件設置部，該供試件設置部能用於設置供試件，並經由所述第一振動板和所述第二振動板從所述振動發生裝置連接部接收振動，
21.所述第一振動板和所述第二振動板中的至少一個具有長度調節機構。
22.發明效果
23.根據本發明，能提供一種試驗夾具及試驗方法，其使用僅能在1個軸方向上進行激振的振動發生裝置，對供試件同時施加多個軸方向上的激振力，並且能夠容易地改變各軸方向上的激振力的比率。
24.上述以外的技術問題、結構以及效果通過以下實施方式的說明來進一步明確。
附圖說明
25.圖1是表示實施方式1的試驗夾具的結構的概要立體圖。
26.圖2是示出長度調節機構的示例的圖。
27.圖3是示出長度調節機構的示例的圖。
28.圖4是振動試驗開始前的側視示意圖。
29.圖5是振動試驗過程中的變形圖。
30.圖6是示出二維材料力學模型的圖。
31.圖7是二維材料力學模型的變形圖。
32.圖8是二維材料力學模型中的第一振動板的變形圖。
33.圖9是示出二維材料力學模型的圖。
34.圖10是示出有限元分析模型的圖。
35.圖11是示出有限元分析結果的圖。
36.圖12是示出有限元分析結果的圖。
37.圖13是示出有限元分析結果的圖。
38.圖14是示出有限元分析結果的圖。
39.圖15是示出有限元分析模型的圖。
40.圖16是示出有限元分析結果的圖。
41.圖17是示出有限元分析結果的圖。
42.圖18是示出有限元分析結果的圖。
43.圖19是示出實施方式2的試驗夾具的結構的概要立體圖。
具體實施方式
44.以下，適當地參照附圖，對用於實施本發明的優選的實施方式進行說明。但是，本發明並不限定於在此列舉的實施方式，在不變更要旨的範圍內能夠進行適當的組合或改良。
45.本說明書中，「振動板的有效長度」在振動板的兩端接合有另一個振動板的情況下，是指振動板的軸線彼此相交的點之間的距離，在振動板一端與振動發生裝置連接部或供試件設置部接合、且振動板的另一端與另一個振動板接合的情況下，是指振動板的軸線在一端側與接合部相交的點與在另一端側與另一個振動板的軸線相交的點之間的距離。此外，「長度調節裝置」是指用於調節振動板的有效長度的裝置。
46.另外，在以下的實施方式中，以x軸方向、y軸方向、z軸方向相互正交的情況(直角坐標系)為例進行說明，但是，即使在x軸方向、y軸方向、z軸方向傾斜交叉的情況(斜交坐標系)中，也能夠同樣適用。
47.《實施方式1》
48.圖1是示出試驗夾具的結構的概要立體圖。試驗夾具100由振動發生裝置連接部1、第一振動板2、第二振動板3、第三振動板4和供試件設置部5構成。振動發生裝置連接部1使用螺栓等連接到能夠在1個軸方向上進行激振的振動發生裝置9(參照圖4、圖5)。
49.這裡，將豎直方向設為z軸方向，將與z軸方向正交的方向設為x軸方向和y軸方向。x軸方向和y軸方向相互正交。
50.第一振動板2與振動發生裝置連接部1相鄰地連接，與振動發生裝置的振動方向(z軸方向)正交並在x軸方向上呈懸臂狀地延伸。第二振動板3連接到第一振動板2的端部附近並在y軸方向上呈懸臂狀地延伸。第三振動板4連接到第二振動板3的端部附近並沿z軸方向延伸。也就是說，第一振動板2、第二振動板3、第三振動板4彼此正交。供試件設置部5位於第三振動板4的端部附近，能使用螺栓等固定作為試驗對象的供試件。
51.由於試驗夾具100的質量越小且剛度越高，則共振頻率越大，更容易避免試驗夾具在試驗頻段中的共振，因此優選使用比重較小且剛度較高的材料作為其材料。另外，優選為使用能夠抑制由于振動試驗時的負荷引起的變形、破損和疲勞破壞的具有足夠強度和疲勞強度的材料。
52.作為試驗夾具100的素材，例如可以使用鐵、鋁或以它們為主要成分的合金等金屬、或frp(fiber reinforced plastics：纖維增強塑料)等複合材料。金屬一般具有加工性好的優點。另一方面，複合材料雖然比重一般較小，但具有剛度和強度較高的優點。
53.第一振動板2、第二振動板3和第三振動板4的截面形狀除了如圖1所示的實心的長方形以外，也可以是內部具有空腔的方形或h字型。在截面為實心長方形的情況下，例如具有容易確保緊固用螺紋孔等且加工和安裝容易的優點。另一方面，截面為方形、h字型的情況下，與實心長方形的情況相比，具有剛度不會大幅降低而能減小質量的優點。
54.第一振動板2、第二振動板3和第三振動板4中的至少一個具有長度調節機構6。長度調節機構6是用於在連接從振動發生裝置連接部1到供試件設置部5的路徑中相對地改變第一振動板2、第二振動板3和第三振動板4各自的有效長度的機構。
55.圖2、圖3示出長度調節機構6的一個示例。例如，如圖2所示，在第一振動板2中設置有與第二振動板3相對的長孔狀的孔(也稱為長孔，以下相同)12，使在前端形成外螺紋的銷
(也稱為緊固件)14通過孔12擰入第二振動板3的內螺紋孔中，通過牢固地緊固銷14來固定相對於第一振動板2的位置。通過鬆開銷14並允許沿著長孔狀的孔12相對移動，可以使第二振動板3相對於第一振動板2的長邊方向移動。通過該機構，能改變連接從振動發生裝置連接部1到供試件設置部5的路徑中的第一振動板2的有效長度。由銷14和孔12構成長度調節機構6。也可以使用通用螺栓代替銷作為緊固件。
56.同樣地，在第二振動板3上設置有與第二振動板3相對的長孔狀的孔13，使在前端形成外螺紋的銷15通過孔13擰入第三振動板4的內螺紋孔中，並通過牢固地緊固銷15來固定相對於第二振動板3的位置。通過鬆開銷15並允許沿著長孔狀的孔13相對移動，可以使第三振動板4相對於第二振動板3的長邊方向移動。通過該機構，能改變連接從振動發生裝置連接部1到供試件設置部5的路徑中的第二振動板3的有效長度。由銷15和孔13構成長度調節機構6。
57.圖3是僅示出第三振動板4附近的側視圖。例如，如圖3所示，通過組合兩個構件4a、4b形成第三振動板4。上側的構件4a中連續設置有厚板部4c、從厚板部4c向下方突出的薄板部4d。另外，下側的構件4b連續設置有厚板部4e、以及薄板部4f，該薄板部4f從厚板部4e向上方突出並與薄板部4d可滑動地進行面接觸。厚板部4c、4e的厚度相等，薄板部4d、4f的厚度相等，並且是厚板部4c、4e的厚度的1/2。
58.在薄板部4d中設置與薄板部4f相對並沿上下方向延伸的長孔狀的孔16，使在前端形成外螺紋的銷17通過孔16擰入到薄板部4f的內螺紋孔中，通過牢固地緊固銷17來固定位置。通過鬆開銷17，允許沿著長孔狀的孔16進行相對移動，從而能改變第三振動板4的厚板部4c、4e彼此之間的距離，由此能改變第三振動板4的全長，即有效長度。由銷17和孔16構成長度調節機構6。
59.這裡，示出了長度調節機構6的一個示例，但是，圖3所示的機構可以應用於第一振動板2或第二振動板3。另外，雖然在圖2和圖3中示出了通過鬆開銷14、銷15、銷17來改變各構件的位置的示例，但是例如也可以在與該銷14、銷15、銷17相當的部位設置致動器，從而能夠調節各構件的相對位置。在這種情況下，在振動試驗時的激振負荷下確保可靠性以使致動器不損壞成為問題，但具有即使在振動試驗中途也可以使致動器動作，進行有效長度調節的優點。
60.使用圖4、圖5說明試驗夾具100的動作。圖4是振動試驗開始前的側視示意圖，圖5是從圖4的狀態實施振動試驗時的某瞬間變形形狀的示意圖。為了容易理解地說明，放大變形量進行顯示。
61.如圖4所示，試驗夾具100中，一端側的振動發生裝置連接部(圖4中未圖示)與振動發生裝置9連接並呈l字形延伸，另一端側的供試件設置部(圖4中未圖示)上安裝有供試件7。振動發生裝置9由振動部9a和振動發生裝置主體9b構成。在振動試驗過程中，如圖5所示，振動部9a僅沿z軸方向振動。但是，如圖5所示，由於試驗夾具100中產生彎曲變形，因此在供試件7中，不僅產生z軸方向分量的加速度，還產生x軸方向分量的加速度。
62.同樣地，試驗夾具100在與紙面垂直的y軸方向上也彎曲變形，並且在供試件7上產生y軸方向分量的加速度。如上所述，通過使用試驗夾具100，通過僅能在1個軸方向上進行激振的振動發生裝置9，能夠同時向供試件7施加多個軸方向的激振力。
63.為了在x軸、y軸、z軸方向分別產生相同量級大小的加速度，需要根據供試件7的質
量、試驗夾具100的材質來決定適當的夾具尺寸。另外，如果在試驗頻段中發生共振，則僅在特定頻率下產生過大的加速度，無法實施此次目的的試驗，因此也需要適當地決定夾具的共振頻率。
64.以下，說明適當的夾具尺寸的決定方法。首先，為了便於理解，考慮xz坐標系的二維情況，說明在x軸方向、z軸方向分別產生相同量級的加速度，並且避免在試驗頻率內的共振的方法。
65.圖6是用材料力學模型簡單地示出xz坐標系中的試驗夾具100的示意圖。由於只考慮xz坐標系的變形，在此省略與紙面垂直方向上存在的第二振動板3。假設供試件7為質點。用梁表示的第三振動板4和第一振動板2連接到供試件7。第一振動板2的端部通過固定端11約束變形，並對螺栓連接到振動發生裝置的狀態進行建模。
66.圖7示出在振動試驗中的某一瞬間，產生與圖5同樣的變形時的模型形狀。u
ze
是由振動發生裝置的激振而產生的固定端11的z軸方向位移。第一振動板2在撓曲角θ和撓曲量uz處彎曲變形，隨之，在供試件7中還發生x軸向位移u
x
。
67.圖8僅顯示了圖7所示的模型中的第一振動板2。此時，如果預先將作用於第一振動板2的前端的載荷設為p1，則根據材料力學中的梁變形的基礎式，可以表示為uz＝p1l
13
/(3ei1)，θ＝p1l
12
/(2ei1)。其中，l1是第一振動板2的有效長度，e是第一振動板2和第三振動板4的楊氏模量，i1是第一振動板2的截面二次矩。
68.此外，若預先將第三振動板4的有效長度設為l3，則當θ足夠小時，u
x
＝l3θ成立。對於u
x
、uz而言，u
ze
足夠小，u
x
＝uz成立時，根據l3p1l
12
/(2ei1)＝p1l
13
/(3ei1)，l3＝2l1/3。也就是說，通過設定l1、l3以使l3＝2l1/3這一關係成立，能在x軸方向以及z軸方向分別產生相同量級的加速度。
69.圖9是將供試件7和第三振動板4的質量相加，作為合成質量10用質點表示的模型。如果將圖7所示的第一振動板2變形的模式理解為圖9的針的振動的1次模式，則固有振動頻率fn表示為fn＝1/(2π)√(3ei1/(m+m1/4)/l
13
)。其中，m是合成質量10的質量，m1是第一振動板2的質量。由此，只要該fn不包含在試驗頻率中即可。
70.例如，考慮將供試件7的質量設為m0＝0.5kg，將第一振動板2和第三振動板4的材質設為密度7.85g/cm3、楊氏模量為200gpa的鐵，試驗頻段為1000hz以下的情況。在這種情況下，如果將第一振動板2和第三振動板4的截面形狀設為實心的長方形，例如，l1＝90mm，l3＝60mm，第一振動板2和第三振動板4各自的板厚t1、t3設為t1＝t3＝30mm，板寬b＝100mm，從而共振頻率變為1390hz，不屬於試驗頻率範圍，因此滿足上述條件。
71.圖10示出了用於驗證的有限元分析中使用的分析模型。用固定端11約束變形，對供試件設置部5等分布地設定質量m0＝0.5kg，給整個模型施加z軸方向的加速度。
72.圖11中示出了x軸方向、y軸方向和軸方向上的加速度的響應倍率。在y軸方向幾乎不產生加速度，在x軸方向及z軸方向產生同等的加速度。另外，共振頻率如推定的那樣，超過了1000hz。
73.圖12中示出了圖11所示的z軸方向和x軸方向上的響應倍率之比。在材料力學模型的計算中，由於沒有考慮由於實際結構厚度對變形的影響等，因此響應比正好與1.0不一致，但在試驗頻段1000hz以下的範圍內約為0.8，按計劃，能夠驗證x軸方向和z軸方向分別產生了相同量級的加速度。
74.通過改變l1、l3，能在x軸方向和z軸方向上分別以任意比率產生加速度。這個比率稱為響應比。在圖13、圖14中示出響應比的示例。
75.圖13是l1＝100mm，l3＝75mm時的有限元分析結果。可以將z軸方向、x軸方向的響應比設為1.0。圖14是l1＝100mm，l3＝75mm時的有限元分析結果。根據圖14，可以將z軸方向和x軸方向的響應比設為約0.5。
76.到這裡已經對xz坐標系的二維情況進行了說明，xyz坐標系的三維情況也可以用同樣的方法決定合適的試驗夾具的尺寸。將二維研究中忽略的第二振動板3的變形理解為與圖8相同的梁的彎曲，將在梁的前端產生的載荷設為p2，同樣，撓曲量u
z2
＝p2l
23
/(3ei2)，撓曲角θ2＝p2l22/(2ei2)，供試件7的y軸方向位移uy為uy＝l3θ2。其中，l2是第二振動板3的有效長度，e是第二振動板3的楊氏模量，i2是第二振動板3的截面二次矩。
77.在與二維研究相同的假設下，若考慮x軸方向、y軸方向以及z軸方向的各位移相等的情況，則u
x
＝uy＝uz+u
z2
成立。由此，l3p1l
12
/(2ei1)＝l3p2l22/(2ei2)＝p1l
13
/(3ei1)+p2l
23
/(3ei2)。
78.這裡，若消去p1、p2進行整理，則l3＝2(l1+l2)/3。也就是說，通過設定l1、l3以使l3＝2(l1+l2)/3這一關係成立，能在x、y、z軸方向分別產生相同量級的加速度。
79.對於共振頻率，考慮到第一振動板2變形的模式的情況下，在圖9中，可以將合成質量10理解為供試件7、第二振動板3和第三振動板4的質量之和，可以使用與二維情況相同的公式。
80.圖15中，示出在與二維研究相同的條件下，選定尺寸以使x軸方向、y軸方向以及z軸方向分別產生相同量級的加速度的夾具形狀。板厚全部為30mm，l1＝90mm，l2＝60mm，l3＝100mm。
81.對於該模型，與二維的研究相同，實施了有限元分析。用固定端11約束變形，對供試件設置部5等分布地設定質量m0＝0.5kg，給整個模型施加z軸方向的加速度。
82.圖16中，示出分析結果得到的x軸方向、y軸方向以及z軸方向的各方向的響應倍率。共振頻率如推定的那樣，超過了1000hz。圖17中示出了z軸方向和x軸方向上的響應倍率之比，圖18示出了z軸方向和y軸方向上的響應倍率之比。三維的情況也與二維的情況相同，驗證了x軸方向、y軸方向以及z軸方向分別產生相同量級的加速度。
83.《實施方式2》
84.圖19是示出實施方式2的概要立體圖。相對於實施方式1，實施方式2除了第一振動板2、第二振動板3、第三振動板4之外，還具有經由長度調節機構6連接到第三振動板4的第四振動板18。由於除此以外的結構與上述實施方式相同，因此省略重複的說明。
85.第四振動板18可以不與第一振動板2、第二振動板3、第三振動板4中的任何一個正交。由此，即使採用由四個以上振動板4構成的結構，也可以獲得同樣的效果。雖然結構變得複雜，但是可以進行更細微的調節。
86.標號說明
87.1振動發生裝置連接部
88.2第一振動板
89.3第二振動板
90.4第三振動板
91.5供試件設置部
92.6長度調節機構
93.7供試件
94.8振動方向
95.9振動發生裝置
96.9a振動部
97.9b振動發生裝置主體
98.10合成質量
99.11固定端
100.12、13、16孔
101.14、15、17銷(緊固件)
102.18第四振動板
103.100試驗夾具。