動的な材料特性

通常、単純な材料試験機では、ここで必要となるような高いひずみ率を適用することは不可能です。そこで、そうした動的な特性を計測するために、いわゆる「スプリットホプキンソン棒法」を使用します。英国の電気技師、バートラム・ホプキンソンが、1914年に初めてそうした計測方法を提案しました。

現在使用されている計測装置は、1949年にロンドンでHerbert Kolsky（ハーバート・コルスキー）が開発した改良型が基準になっています。そのためこの計測方式は、スプリットホプキンソン・コルスキー棒法（split Hopkinson Kolsky bar）と呼ばれることもあります。

材料サンプルは、スプリットホプキンソン棒法の試験装置内にある2本の棒、入力棒と出力棒の間に配置されます。いわゆる打撃棒（例えば圧縮空気によって加速された発射体など）を入力棒に衝突させることにより、圧力波が発生します。この圧力波が最初の棒を通過します。

圧力波の一部は棒の終端で反射され、他の部分は材料サンプルを通過して出力棒に到達します。入力棒と出力棒の表面にはひずみゲージ（SG）が取り付けてあり、圧力波によって発生したひずみを計測します。

この方法により、入力棒に最初に加えられた圧力波の大きさや、反射した圧力波および伝播した圧力波の大きさを決定することができます。

各ひずみゲージは、ホイートストンブリッジ回路で相互接続されています。圧力波は棒の中を音速で通過するので、これに対応して100 kHz程度の高いバンド幅を提供できる非常に動的な計測システムが必要となります。

... そして材料特性の高速計算

試験と計測のエキスパートHBMは、ダイナミックスとバンド幅に対する高い要求を満たした Genesis HighSpeed 計測システムを提供しています。このモジュラータイプの計測システムは、高いチャンネルカウント数を持つシステムでも、非常に高いサンプルレートを実現しています。

このシステムのモジュール方式では、各ユーザーの計測タスクに対して計測システムを最適に適応させることができます。例えば、対応したデータ取得カードが利用できるので、クォーターブリッジ回路で必要となるひずみゲージの直接接続が可能です。ひずみゲージの接続は非常に簡単です。補正回路やプリアンプを追加する必要はありません。取得された信号の解析用として、認識ソフトウェアもご用意しています。

得られた信号から必要な材料特性を推測するには、いくつかの前提条件が満たされていなければなりません。入力棒と出力棒は、両方とも同じ材料で作られている必要があり、また直径に比較して長さがはるかに大きいものでなければなりません。

これに加えて、圧力波が棒を通過する際の音速C0を知ることが必要不可欠です。棒の直径が上述のように小さいと仮定すると、ヤング率Eおよび密度ρから、以下のように簡単に音速を計算することができます。：

入力棒ε_Iに加えられた圧力波（つまり反射した圧力波εRおよび伝播した圧力波εT）のひずみ信号を、前述のように計測します。その結果、材料の応力は以下の値となります。：

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ここで、Eは出力棒のヤング率、A₀は出力棒の断面積、Aは材料サンプルの断面積です。試験対象となっている材料サンプルのひずみ率は、材料サンプルの元の長さLを使用して、以下のように求められます。：

これを以下のように積分すると、ひずみが得られます。：