冲击试验的评估方法及冲击试验机与流程

　　本发明涉及一种利用力检测器来检测对试验片快速施加有冲击时的力的冲击试验的评估方法及冲击试验机。

　　在用于评估材料的动态强度的冲击试验中，有通过规定的速度的拉伸冲击来测定试验片断裂时的能量的拉伸冲击试验(日本工业标准(japaneseindustrialstandards，jis)k7160“塑料-拉伸冲击强度的试验方法”)、使撞击器(striker)垂直地碰撞至试验片表面而获得冲击力-位移线图的穿孔机冲击试验(jisk7211-2“塑料-硬质塑料的穿孔机(puncher)冲击试验方法”)等。当利用冲击试验机执行拉伸冲击试验时，利用上下夹具握持试验片的两端，利用油压缸对上夹具进行高速驱动而拉伸试验片，利用测压元件(loadcell)来检测试验片断裂时的冲击力(参照专利文献1)。并且，当利用冲击试验机执行穿孔机冲击试验等穿孔试验时，通过油压缸来使打孔器(punch)高速碰撞至试验片碰撞而加以破坏，并利用检测器来检测此时的碰撞力(参照专利文献2)。

　　如上所述，在利用油压缸使上夹具或打孔器等试验夹具高速移动而对试验片施加冲击的试验中，存在试验片发生断裂时所产生的振动或打孔器碰撞至试验片时所产生的振动波及至整个冲击试验机的情况。并且，在冲击试验中，零星可见由冲击试验机的固有振动所引起的噪声加入至力波形中的情况。

　　为了获知准确的力值，重要的是获知冲击试验机的固有振动频率。作为获得这种冲击试验机的固有振动频率的方法，例如，可考虑如下方法：将试验夹具连接于力检测器，获取利用锤子(hammer)等对试验夹具进行打击而产生的振动波形数据，进行所述波形的频谱分析。但是，当采用这种方法时，必须准备锤子等打击物，并且另外地使冲击试验机运转而进行的通常的试验数据的收集，将用于收集振动波形数据的加速度传感器、示波器(oscilloscope)、数据记录器(datalogger)等追加至冲击试验机。并且，在追加这种设备时，为了获得准确的振动波形数据，对用户想要各设备的正确连接及操作，由此产生准备复杂而要耗费时间的问题。

　　本发明是未解决所述问题而完成的，目的是提供一种不追加用于测定冲击试验机的固有振动频率的特殊设备，就可以简便而准确地获得冲击试验机的固有振动频率，降低由固有振动带来的振动的影响的冲击试验的评估方法及冲击试验机。

　　技术方案1所述的发明是一种冲击试验的评估方法，所述冲击试验是对试验片快速施加冲击的试验，所述冲击试验的评估方法有：数据提取工序，从通过执行冲击试验而由力检测器所检测出的时序数据中，提取用于求出冲击试验机的固有振动频率的数据区间；分析工序，针对所述数据提取工序中所提取的数据区间执行频谱分析；以及振动波形去除工序，利用根据所述分析工序中所获得的频谱而确定的固有振动频率及取样频率，从所述时序数据中去除冲击试验机的固有振动。

　　技术方案2所述的发明根据技术方案1所述的冲击试验的评估方法，其中所述振动波形去除工序是针对所述力检测器所检测出的时序数据，执行如下的数据件数时的移动平均处理，所述数据件数是通过将所述取样频率除以根据所述频谱而确定的固有振动频率来确定。

　　技术方案3所述的发明根据技术方案1所述的冲击试验的评估方法，其中所述振动波形去除工序是针对所述力检测器所检测出的时序数据，执行如下的数据件数时的移动平均处理，所述数据件数是通过将成为所述频谱的最大峰值的频率设为固有振动频率，将所述取样频率除以所述固有振动频率而确定。

　　技术方案4所述的发明是一种冲击试验机，对试验片快速施加冲击，所述冲击试验机包括：载荷机构，对所述试验片施加力；力检测器，检测施加至所述试验片的力；以及控制装置，包括存储所述力检测器所检测出的时序数据的存储部；并且所述控制装置包含：数据提取部，从所述存储部中所存储的时序数据中，提取用于求出冲击试验机的固有振动频率的数据区间；分析部，针对所述数据提取部中所提取的数据区间，执行频谱分析；以及振动波形去除部，利用根据所述分析部中所获得的频谱而确定的固有振动频率及取样频率，从所述时序数据中去除冲击试验机的固有振动。

　　根据技术方案1至技术方案4所述的发明，可以从执行了冲击试验时力检测器所检测出的力数据，获知冲击试验机的固有振动频率。如上所述，在本发明中，不需要追加用于测定冲击试验机的固有振动频率的特殊设备，因此能不进行连接追加设备的复杂操作，冲击试验机不会因为追加设备而成本升高。

　　并且，根据技术方案1至技术方案4所述的发明，可以从通过执行冲击试验而由冲击试验机所检测出的时序数据中去除冲击试验机的固有振动，因此能够获知加入至力波形中的由冲击试验机的固有振动所引起的噪声经消除的准确的力值。

　　图4是表示力的时序数据的一例的曲线的曲线图中的试验片tp的断裂前后的波形的曲线是表示固有振动频率的分析顺序的流程图。

　　图7是表示力的时序数据的一例的曲线是表示试验片tp产生断裂后的时序数据的曲线所示的时序数据的频谱分析结果的曲线是表示从时序数据中去除固有振动频率的顺序的流程图。

　　图11是表示试验片tp的断裂前的时序数据的曲线的时序数据中去除了固有振动频率的数据的曲线图。

　　根据附图对本发明的实施方式来进行说明。图1是本发明的冲击试验机的概要图。图2是说明本发明的冲击试验机的主要控制管理系统的框图。

　　所述冲击试验机是执行对试验片tp快速施加冲击的冲击试验的装置，包括试验机本体10及控制装置40。试验机本体10包括平台11、立设在平台11上的一对支柱12、架设在一对支柱12上的十字轭架(crossyoke)13、和固定在十字轭架13上的油压缸31。

　　油压缸31是借由工作油来运转，所述工作油是经由伺服阀(servovalve)34从配置在平台11内的油压源(未图示)供给。在油压缸31的活塞杆(pistonrod)32上，经由接近夹具(approachjig)25及接头(joint)26而连接着上夹具21。另一方面，在平台11上，经由作为力检测器的测压元件27而连接着下夹具22。如上所述，所述试验机本体10的构成成为用于执行如下的拉伸冲击试验的构成：利用接近夹具25在拉伸方向上设置接近区间，以0.1m/s～20m/s的高速提起活塞杆32，从而使握持试验片tp的两端部的一对夹具急剧分隔。已执行拉伸冲击试验时的载荷机构的位移(冲程)，即，活塞杆32的移动量是通过冲程传感器(strokesensor)33来检测，此时的力是通过测压元件27来检测。

　　控制装置40包括用于控制试验机本体10的运转的本体控制装置41及个人计算机42。本体控制装置41包括存储程序的存储器43、执行各种运算的微处理器(microprocessingunit，mpu)等运算装置45、及进行与个人计算机42的通信的通信部46。存储器43、运算装置45及通信部46通过总线而相互连接。并且，本体控制装置41具备试验控制部44作为功能性的构成。试验控制部44作为试验控制程序而存储在存储器43中。当执行拉伸冲击试验时，通过执行试验控制程序，而对伺服阀34供给控制信号，从而油压缸31运转。冲程传感器33的输出信号与测压元件27的输出信号是以规定时间间隔撷取至本体控制装置41中。

　　个人计算机42包括包含存储数据分析程序的只读存储器(readonlymemory，rom)、执行程序时下载程序而暂时存储数据的随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)等存储器51，执行各种运算的中央处理器(centralprocessingunit，cpu)等运算装置55，进行与本体控制装置41等外部连接设备的通信的通信部56，存储数据的存储装置57，显示装置58及输入装置59。再者，存储装置57是存储冲击试验的力的时序数据等的存储部，包含硬盘驱动器(harddiskdrive，hdd)等大容量存储装置。存储器51、运算装置55、通信部56、存储装置57、显示装置58及输入装置59通过总线而相互连接。

　　并且，个人计算机42中，作为功能性的构成，包括：数据提取部52，在后述固有振动的分析中，从力的时序数据中提取用于求出冲击试验机的固有振动频率的数据区间；分析部53，针对所提取的数据区间执行频谱分析；以及振动波形去除部54，从力数据中去除冲击试验机的固有振动波形。数据提取部52、分析部53、振动波形去除部54分别作为数据提取程序、分析程序、振动波形去除程序而存储在存储器51中。这些程序是通过运算装置55的作用来执行。

　　已执行拉伸冲击试验时测压元件27所检测出的力在输入至本体控制装置41的存储器43之后，从通信部46发送至个人计算机42。个人计算机42的通信部56所接收到的力作为时序数据而存储在存储装置57中。

　　图3是表示固有振动的测定顺序的流程图。在所述流程图中，表示将聚丙烯(polypropylene，pp)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)、聚苯乙烯(polystyrene，ps)等的合成树脂片作为试验片tp的拉伸冲击试验中的固有振动的测定顺序。

　　在已确认在试验机本体10上安装有拉伸冲击试验用的夹具即上夹具21及下夹具22，并且将下夹具22紧绷地固定在测压元件27上的状态下，首先，设定试验条件(步骤s11)。用户利用个人计算机42的输入装置59设定试验速度等试验条件。然后，使上夹具21及下夹具22握持试验片tp的两端部(步骤s12)。

　　其次，设定数据获取条件(步骤s13)。用户利用个人计算机42的输入装置59，设定数据收集开始时刻-结束时刻、取样频率、获取数据件数(取样件数)等数据收集条件。在试验过程中试验机本体10所产生的固有振动能够最终靠观测如下的振动来获取，所述振动是在经由试验片tp施加至测压元件27的载荷借由断裂而被消除时变得显著的振动。并且，还必须获知在未施加试验载荷的状态下，承受着试验夹具(所述实施方式中为下夹具22)的重量的状态的力。因此，在数据收集开始时刻-结束时刻的设定中，优选的是：从对试验片tp施加拉伸载荷之前获取数据，并且以可获得足够用于后述谱分析的数据件数(例如，试验片tp发生断裂后的数据件数达到1000件以上的数据件数)的方式来进行设定。在取样频率及取样件数的设定中，优选的是利用下述式(1)，设定频率分辨率为500hz以下的值。

　　再者，式(1)中，δf是频率分辨率，t是时间窗长，fs是取样频率，n是取样件数。

　　当数据获取条件的设定结束后，执行试验(步骤s14)。将从数据获取条件中所设定的数据收集开始时刻到结束时刻为止的期间内测压元件27所检测出的力经由本体控制装置41发送至个人计算机42并保存至存储装置57内，测定结束(步骤s15)。

　　图4是表示力的时序数据的一例的曲线的曲线图中的试验片tp的断裂前后的波形的曲线图。在这些曲线图中，纵轴是力(kn：千牛顿(kilonewton))，横轴是时间(μs：微秒)。

　　针对通过执行试验而获得的力的时序数据，可通过式(1)来确认是不是真的存在足够用于后述谱分析的数据件数。在图4的曲线图所示的力的时序数据中，如图5中放大所示，因为断裂而在15000微秒附近，力波形的振幅增大。断裂后的数据的起点例如，如图5所示，可以设为振动波形为一个半周期的时刻t1。再者，当无法获取足够用于后述谱分析的数据件数时，则更换试验片tp(步骤s12)，变更数据获取条件的设定(步骤s13)，再次执行试验(步骤s14)。

　　图6是表示固有振动频率的分析顺序的流程图。图7是表示力的时序数据的一例的曲线是表示试验片tp发生断裂后的时序数据的曲线的曲线图中，纵轴是力(kn：千牛顿)，横轴是时间(μs微秒)。

　　在固有振动的分析中，首先，从存储装置57中读取按照图3所示的测定顺序而获取的力的时序数据，在从试验片tp消除力的前后分离时序数据(步骤s21)。图7所示的曲线m/s的条件下执行拉伸冲击试验，在取样频率1000khz时获取到的力数据。在拉伸冲击试验中，将时序数据分离成试验片tp的断裂前及断裂后。在所述力的时序数据的分离中，如参照图5所说明，确定时刻t1，在时刻t1的前后分离数据。然后，如图7中以虚线微秒)以后的数据，作为用于求出冲击试验机的固有振动频率的数据区间(步骤s22：数据提取工序)。然后，针对步骤s22中所提取的图8所示的试验片tp发生断裂后的时序数据，执行利用快速傅里叶变换(fastfouriertransform，fft)的频谱分析(步骤s23：分析工序)。

　　图9是表示图8所示的时序数据的频谱分析结果的曲线图。在所述曲线图中，横轴表示频率(hz：赫兹)，纵轴表示每个频率分辨率δf的功率。

　　频谱分析的结果为于显示装置58，并且存储在存储装置57中。在图9所示的功率谱(powerspectrum)中，将峰值最大的频率13.8khz设为固有振动频率(步骤s24)。

　　图10是表示从时序数据中去除固有振动频率的顺序的流程图。图11是表示试验片tp的断裂前的时序数据的曲线的时序数据中去除了固有振动频率的数据的曲线图。在这些曲线图中，纵轴是力(kn：千牛顿)，横轴是时间(μs微秒)。

　　如果获知试验机本体10的固有振动频率，就能够最终靠利用固有振动频率从通过执行试验而获取到的时序数据中去除固有振动，来获知拉伸冲击试验中的准确的力。首先，选择去除固有振动波形的数据范围(步骤s31)，利用移动平均处理，从时序数据中去除可认为与数据重叠的冲击试验机的固有振动(步骤s32：振动波形去除工序)。

　　在所述实施方式中，如图11所示，在固有振动频率的分析顺序中，将在试验片tp的断裂前后对图7的时序数据来进行分离所得的数据之中、包含对试验片tp施加有拉伸载荷的状态的时间数据的试验片tp的断裂前的时序数据，作为去除固有振动频率的对象数据而从存储装置57中加以调出。再者，即使在乍一眼看起来冲击试验机的固有振动未重叠于数据上的情况下，当想要针对分离前的所有时序数据去除试验机本体10的固有振动时，也只要选择数据分离前的时序数据即可。

　　在步骤s32中，利用了之前所述的步骤s24中所决定的固有振动频率及获取数据时的取样频率的下述式(2)，来确定用于移动平均处理的数据件数。

　　所述图11的数据是在试验速度5m/s的条件下执行拉伸冲击试验，在取样频率1000khz时所获取的数据。因此，通过将取样频率1000khz除以步骤s24中所获得的固有振动频率13.8khz而获得的72.4的整数部分成为数据件数。再者，当如所述示例，将取样频率除以固有振动频率整数所得的值不为整数时，舍去小数点以后的数字或进行四舍五入等而设为整数值。

　　移动平均处理是以想要平均化的数据为中心利用前后同数(也包括件数在前后相差1的情况)的数据而加以平均化。在图11的数据中，通过利用式(2)的计算，将用于移动平均处理的数据件数确定为72件，因此设为以想要平均化的数据(第36件)为中心的前35件、后36件来执行平均化处理。当针对作为处理对象而选择的时序数据，移动平均处理结束后，固有振动的去除结束(步骤s33)。移动平均处理后的数据是以能够对比处理前与处理后的数据的形态，显示于显示装置58。

　　当对通过图12所示的移动平均处理而去除了固有振动波形的数据、与图11所示的移动平均处理前的数据来进行对比时，图12的多个方面数据显示出更平滑的行为，从而可了解到，在将拉伸载荷已施加至试验片tp的状态下，冲击试验机的固有振动也会对测压元件27的测定值造成影响。在图12所示的示例中，在参照图9所说明的频谱分析中，将最大峰值即13.8khz确定为固有振动频率而执行移动平均处理，但是也可以将若干个峰值设为固有振动频率的候补，针对这些候补，执行移动平均处理。

　　如上所述，在本发明中，在冲击试验的评估中采用考虑到冲击试验机的固有振动频率的评估方法，因此能通过获得由冲击试验机的固有振动所引起的噪声经消除的波形，来获知准确的力值。并且，在本发明中，可以在相同的时间轴上观察固有振动波形的去除前及去除后的数据，因此用户都能够在各个冲击试验中，确认力数据中的冲击试验机的固有振动的影响。

　　再者，在所述实施方式中，是对拉伸冲击试验进行说明，但是在使打孔器碰撞至试验片的穿孔试验、或如三点弯曲试验那样对以支点支撑着的试验片打下打孔器的冲击试验中，也能应用本发明。