スプリット・ホプキンソン棒: 動作原理 

スプリット・ホプキンソン棒試験法は材料試験において広く実績のある方式です。準静的な試験機に比べ、スプリット・ホプキンソン棒は材料特性を動的状態で試験できます。より高度な検査や計測技術が求められるおかげで、スプリット・ホプキンソン棒を使用した方式は、注目を浴びており、より数多くのアプリケーションで使用されています。

スプリット・ホプキンソン棒は、ヤング率や機械ストレスなどの材料定数を動的に決定するために使用されます。ヤング率はコンポーネントが力をくわえられたときに、どれくらいゆがむかをあらわす材料定数です。 英国の電気技師バートラム・ホプキンソン(Bertram Hopkinson)が1914年にロンドンでこのような計測法を最初に提唱しました。現在使用されている計測形式は、1949年にロンドンでハーバート・コルスキー(Herbert Kolsky)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、入射棒と伝達棒の間に配置されます。衝撃をつくるためにいわゆるストライカー(例えば圧縮空気によって加速された発射体など)を入射棒に衝突させることにより、応力波が発生します。この応力波が入射棒を通過します。 応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伝達棒に到達します。入射棒と伝達棒の表面にはひずみゲージ(SG)が取り付けてあり、応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、入射棒に最初に加えられた応力波と反射した応力波の大きさ、および、サンプルを通過して伝達した応力波の大きさを決定することができます。

 

 

試験と計測技術の必須事項

スプリット・ホプキンソン棒を使用する場合には、どのような計測技術が必須となるのでしょうか?

スプリット・ホプキンソン棒を効果的に使用するには、まず入射棒と伝達棒の表面に取り付けられた、ひずみゲージが必要です。さらには、強力なデータ収集システムが必要です。この点は近年の研究で報告されています:“一般的には、データ収集システム内のすべてのコンポーネントは、最低応答周波数が100 kHzであることが必要です。(Cheng / Song, Split Hopkinson Bar, S. 9)”

HBMのGenesis HighSpeed(ジェネシスハイスピード)シリーズ  は、スプリット・ホプキンソン棒を使用するための完璧なデータ収集システムです。 またHBM はスプリット・ホプキンソン棒向けに自社で開発・製造したひずみゲージ を提供しています。

静的材料試験機とどこがちがうのか?

スプリット・ホプキンソン棒と静的材料試験機は、どこがちがうのか?

ヤング率は、材料試験機内の準静的な条件下で作成された応力ひずみ曲線から、つまり(非常に)小さなひずみ率で決定されるのが一般的です。しかしながら、材料が高速の動的負荷を受けると著しく異なる挙動を見せる場合があります。構造体内で動的な負荷も発生しているのかどうかにもよりますが、設計技術者は、材料の動的特性も知っておく必要があります。

通常では、簡単な材料試験機では、必要とされる高いひずみ率を発生させることはできません。

スプリット・ホプキンソン棒ビデオ

An Introduction to Split-Hopkinson Bar Testing and Dynamic Strain Measurements

 

さらなる詳細情報は?

スプリット・ホプキンソン棒の使用と機能の包括的説明が、Weinong Chen, Bo Song 両氏による参考文献にあります: Split Hopkinson (Kolsky) Bar- Design, Testing and Applications.

抜粋をGoogle booksで読む

世界中の様々な研究施設がスプリット・ホプキンソン棒を使用しています。例えば、独国ベルリンのBundesanstalt für Materialprüfung です。この組織は材料特性の検査を請け負っています。


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