円孔有りアルミ箔の引張試験

円孔があるアルミ箔の簡易的な単軸引張試験の様子をDIC(デジタル画像相関法)で計測しました。円孔付近でひずみの値が大きくなっている様子を可視化できました。

概要

 安全な機械や構造物を設計するためには、金属やプラスチックなどの材料の強度を、引張試験といった材料試験で評価します。デジタル画像相関法(DIC)をそのような材料試験で用いることで試験体の任意の点の局所的な変位やひずみを定量的に評価することができます。様々なデータを得ることができるため、材料試験だけでなく実製品や実構造物のリスク評価にもお役立ていただけます。

 本事例では、円孔のあるアルミ箔の引張試験の様子を2台のカメラを用いてDICで計測しました。その結果、アルミ箔が破断に至るまでの変形やひずみを可視化することができました。また、円孔付近で局所的にひずみが大きくなり、応力集中を示唆する結果が得られました。

なぜDIC?

  • 引張試験中の試験体の変形やひずみを面的にとらえることで応力集中の様子を可視化することが可能
  • 破断直前まで、破断位置のひずみを取得可能
  • ひずみをカラーコンターで出力できるため、数値解析の結果と容易に比較可能

計測結果

  • 使用カメラ:ARAMIS 6M (GOM GmbH)
  • 解析ソフト:GOM Correlate 2018 (GOM GmbH)
  • 計測対象:市販のアルミホイルを短冊状に切ったもの(長さ:90mm、幅:25mm)

伸び計測とひずみ計測

接触式センサでは捉えることのできない、変位やひずみの面的な分布を取得できました。動画内では左から、引張方向変位のコンター図、最大主ひずみのコンター図、荷重-伸び線図を示しています。変位の図より、円孔を中心に上下に変形していることがよくわかります。また、円孔周辺でひずみが大きいことを捉えることができました。荷重-伸び線図では、計測面内の2点間の距離より伸び量を得ています。DICを用いると、ビデオ伸び計のように任意の点の距離を測定することもできます。

3次元的な変形の可視化

本事例では、2台のカメラを用いて計測を行っているため、面外方向への変位も可視化することができました。動画では、左より順に、板幅方向の変位、面外方向への変位を強調表示した図、試験片中央線上の面外方向変位のグラフを示しています。面外方向への変位に着目すると、円孔の上部が手前に、円孔の下部が奥に折れ曲がり、座屈が生じていることが分かります。

応力集中の可視化

円孔の周辺でひずみの値が大きくなっていることを可視化することができました。このことから円孔の周辺に応力が集中していることが推測できます。本事例ではシンプルな形状ですが、より複雑な形状でも、荷重が負荷された際にひずみが大きくなる構造的に弱い箇所を明らかにできます。(動画内では、ひずみの分布を確認しやすいようにコンターレンジを調整しています。ご注意ください。)

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