高速衝撃を受ける変断面円筒の衝撃吸収特性

高速衝撃を受ける変断面円筒の衝撃吸収特性
金沢大学
○樋口理宏
豊橋技術科学大学足立忠晴
Impact Absorption of Cylindrical Tube with Varying Cross-Section Subjected to High Velocity Impact
Masahiro HIGUCHI and Tadaharu ADACHI
１．はじめに
エチレン(UHMWPE)およびナイロンナットから成る 108 g の
衝突安全技術に関連して，軸衝撃を受ける薄肉要素の衝撃
インパクタを高速で打ち出すためのエアガンおよび半導体ひ
吸収特性に関する評価が数多くなされている 1),2)．円筒のよう
ずみゲージが貼付された炭素鋼丸棒(JIS S45C)により構成さ
な薄肉要素は，軸衝撃荷重下でリンクルを形成しながら逐次
れる．圧力容器に蓄えられた圧縮空気を空気作動弁により開
圧潰する連続塑性座屈，すなわち塑性曲げ変形により衝撃エ
放し，インパクタを内径 25 mm, 長さ 2 m のバレル内で加速
ネルギーが吸収される．衝突速度が遅い領域であれば，応力
させ試験片に衝突させる．空気圧を調整することによりイン
波や慣性の影響を無視することができ，準静的な圧潰挙動と
パクタ発射速度を 20 ～ 110 m/s の範囲で設定可能である．
して近似評価することができる．しかし，衝突安全性能基準
本研究では空気圧を 0.4 MPa の一定とし，インパクタの衝突
における衝突速度は年々高まっており，より高速における薄
速度 75 m/s 前後で衝撃試験を実施した．衝撃荷重測定のため
肉部材の動的挙動の解明を考える必要が出てきている．
の炭素鋼丸棒は直径 30 mm, 長さ 6 m であり，試験片設置面
近年，衝突時の応力波や慣性効果が顕著に現れるような高
から 300 mm の位置に 2 枚貼付した半導体ひずみゲージ
速衝撃を受ける薄肉円筒の動的挙動について数多く検討され
(KYOWA, KSP-2-120-E4)により測定されるひずみ履歴から一
てきている 3),4)．著者らは，衝突速度が 100 m/s 程度までの高
次元弾性波動論に従い試験片設置面の衝撃荷重に換算する．
速衝撃を受ける薄肉円筒の動的挙動を実験および数値解析に
炭素鋼の応力波伝ぱ速度は 5.1×103 m/s であるため，インパ
より検討し，薄肉円筒の衝突端を肉厚にし，反対側の固定端
クタ衝突直後から約 2.2 ms の間，丸棒自由端からの反射波の
を薄肉にすることで，固定端側に発生する衝撃荷重を低く抑
影響を受けることなく衝撃荷重を測定することができる．ま
えると同時に衝撃エネルギー吸収特性を向上させることが可
た，インパクタの変位を光学式変位計(Zimmer, Model 100B)
能であることを示唆した 4)．本研究では，アルミニウム合金
により測定し，試験片の変位として用いた．
から成る薄肉円筒に衝突端から固定端に向けて肉厚を減少さ
図 3 に示す形状のテーパー円筒を試験片とし，内径 17.9
せた変断面円筒（以下テーパー円筒）の衝撃吸収特性の評価
mm, 外径 20 mm のアルミニウム合金引抜円筒 (JIS
を行い，その有効性を明らかにする．
A6063TD-T6)から旋盤加工により作製した．また，同様に厚
２．試験方法
さが 0.5, 0.9 mm の一様円筒も試験片として供した．なお，試
本研究では，衝突速度が 100 m/s 程度までの高速衝撃試験
を実施するために，図 1 に示す衝撃試験機を製作した．高速
衝撃試験機は，図 3 に示す炭素鋼(JIS S45C)，超高分子量ポリ
Impactor
験片は油粘土を用いて炭素鋼丸棒の端面に設置した．
また材料試験機(Shimadzu, DCS-25T)を用いて，クロスヘッ
ド速度を 5 mm/min とした準静的圧潰試験も行った．
Specimen
6000
f 30
Air
reservior
f 25
2000
Air valve
300
Gun barrel
Load cell
Semiconductor strain gages
Strain meter
Displacement
(Unit: mm)
transducer Data logger
Velocity pickup
Air
compressor
Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment for high-velocity impact test.
Impacted end
Steel
50
10
50
0.5
f 24
Fig. 2 Impactor
0.9
(Unit: mm)
50
f 17.9
UHMWPE
f 24.8
M10 Nut
Fixed end
(Unit: mm)
Fig. 3 Geometry of tapered tube specimen
３．試験結果と考察
15
まず準静的試験により得られた荷重－変位線図を図 4 に示
Experiment
Approximate theory (Ref. 5)
結果も示してある．まずテーパー部先端の厚さが 0.5 mm の
箇所から圧潰が開始しテーパー部が順次圧潰される．この際，
厚さの増加に従い，荷重変動を伴いながら荷重が増加する．
その後，厚さ 0.9 mm の一様断面部に連続塑性座屈が生じた後，
緻密化により荷重が急激に増加していることがわかる．なお，
Axial load, kN
す．同図には，著者らが提案した近似理論 5) により得られた
10
5
準静的試験においては試験片の設置方向を逆にした場合も同
様の結果が得られた．
衝撃試験により得られた荷重－変位線図を図 5 に示す．同
0
10
20
図には，(a)固定端を薄肉にした場合と，(b)逆向きに設置した
30
40
50
Displacement, mm
60
70
80
Fig.4 Quasi-static behavior of tapered tube
場合（すなわち固定端を厚肉にした場合）および一様円筒の
実験結果も示してある．まず図 5(a)より，固定端が薄肉とな
15
Tapered tube
Straight tube (t = 0.5 mm)
るよう設置した場合では，厚さ 0.5 mm の一様円筒と比較し
の最大変位が劇的に減少していることがわかる．一方，図 5(b)
より，テーパー円筒を逆向きに設置すると，荷重の最大値が
厚さ 0.9 mm の一様円筒と等しくなり，
さらに最大変位が (a)
の固定端を薄肉にした場合と比較して大きくなっていること
Axial load, kN
て，荷重の最大値は同程度に収まっていると同時に，圧潰時
10
5
がわかる．
図 1 の衝撃試験では衝突端側の衝撃荷重を測定することが
できないため，Altair 社の HyperWorks, RADIOSS ver. 11 を用
0
いて陽解法に基づく動的有限要素解析を実施した．解析にお
10
20
30
40
50
Displacement, mm
60
70
80
(a) Regular setting
いては，剛壁に設置したテーパー円筒を 8 節点 6 面体ソリッ
15
ド要素 (HEPH5))により要素分割し，実験と同じ質量を有する
Tapered tube (Reverse)
Straight tube (t = 0.9 mm)
剛体を初速 72 m/s で円筒に衝突させた．解析により得られ
衝突直後に衝突端付近に軸圧縮変形が生じ衝突端で大きな衝
撃荷重が生じ，衝突体の運動エネルギーの多くを衝突直後に
おいて吸収していることが明らかとなった．そのため，厚さ
0.5 mm の一様円筒と比較して最大変位が劇的に減少するこ
Axial load, kN
た衝突端・固定端における荷重と変位の関係を図 6 に示す．
10
5
とがわかった．
以上より，固定端側を薄肉になるように円筒にテーパーを
設けることにより，荷重の最大値と円筒の変形量を同時に低
0
10
20
く抑えることが可能となる．
300
Axial load
Impact ed end
Fixed end
D. Karagiozova and N. Jones: Int. J. Solids & Struct., 37 ,
2005 (2000).
4)
M. Higuchi, S. Suzuki, T. Adachi and H. Tachiya, Appl.
Mech. Mater. 566, 575 (2014).
5)
Absorbed energy
200
15
10
100
5
M. Higuchi, T. Adachi, Y. Fukushima and W. Araki, Trans.
Jpn. Soc. Mech. Eng. A (in Japanese), 78, 945 (2012).
6)
20
Axial load, kN
3)
80
25
D.A. Galib and A. Limam, Thin-Walled Struct., 42, 1103
(2004).
70
RADIOSS theory manual 11.0 version, Chap. 5, Altair
Engineering, Inc., 5 (2011).
0
10
20
30
40
50
Displacement, mm
60
70
0
80
Fig.6 Results of finite element analysis for tapered tube
Absorbed energy, J
N. Jones, Structural Impact, Cambridge University Press,
Cambridge (1989).
2)
60
(b) Reverse setting
Fig.5 Dynamic behavior of tapered and straight tubes
参考文献
1)
30
40
50
Displacement, mm

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