油圧サーボ型疲労試験機における低サイクル疲労試験用制御システム

  Print Print

"LabVIEWに初めて触れてから約5ヶ月、そのうちプログラム自体の作成期間については約3ヶ月という短い期間でシステムを作ることができました。"

- 太田 信, 東京工業大学 大学院理工学研究科 機械物理工学専攻

The Challenge:
・試験機のアナログ制御系をストローク制御とした上で、ひずみ制御の疲労試験を行うための制御プログラムを作成する。 ・予ひずみを与えるため、疲労試験を一時的に停止し、ひずみ範囲を設定し直した後に試験を再開できるようにする。 ・ひずみが一方向に累積していくラチェット疲労試験を行えるようにする。 ・試験機が暴走しないよう、プログラムにより安全性を確保する。

The Solution:
LabVIEWとマルチファンクションDAQデバイスを使用して、アナログ制御系がストローク制御と荷重制御しかない疲労試験機で、ひずみ制御の疲労試験を行うことが可能になりました。

Author(s):
太田 信 - 東京工業大学 大学院理工学研究科 機械物理工学専攻

◆背景

 日本は地震大国であり、多くの震災により甚大な被害が発生している。特に機械・構造物の耐震性は極めて関心の高い問題である。地震荷重によって塑性ひずみを伴うような大きな荷重を受けた部材については、明らかな変形やひび割れが検出されなかった場合にその継続使用の可否を判断する必要があり、そのためにも低サイクル疲労特性に関する知見拡充が急務となっている。ここで低サイクル疲労とは、104回のオーダ以下の繰返し数で破壊する疲労現象のことであり、部材が降伏点を超える応力やひずみを繰返して受ける場合に、この低サイクル疲労が問題になる。

 本研究では原子力発電所の配管材として用いられているオーステナイト系ステンレス鋼と炭素鋼を対象とするが、原子力発電所における低サイクル疲労とは主に起動・停止時に生じる熱応力によるものである。塑性ひずみが生じた部材のその後の運転における疲労寿命を把握することは、構造物の健全性を確保する上で重要である。そこで、鋼材に地震荷重を模擬した予ひずみを与えた上で低サイクル疲労試験を実施するため、 油圧サーボ型疲労試験機用の制御システムの開発を行った。

 

◆課題

 ひずみ範囲一定の条件での疲労寿命を調べるため、疲労試験はひずみ制御により行うが、本研究で用いる疲労試験機のアナログ制御系にはストローク制御と荷重制御しかないため、プログラム上でひずみ制御にする必要がある。

 地震荷重を模擬した予ひずみについては、静的な予ひずみやひずみ範囲が一定の繰り返し予ひずみを与える場合、基本的に通常のひずみ範囲一定の低サイクル疲労試験を行うためのプログラムと同じで問題ない。つまり、まず予ひずみとして大きなひずみ範囲で疲労試験を行い、目標の回数が終了したら疲労試験を一旦停止し、その後ひずみ範囲を小さくして疲労試験を再開すればよい。しかし、過去地震によって破損した配管において、要素試験等により一方向にひずみが累積していくラチェット疲労が確認された例があることから、予ひずみとしてこのようなラチェット疲労も行えるようにする必要がある。

 また本研究では、圧縮時の座屈防止を勘案して試験片形状は砂時計型となっており、そのためひずみの測定にはクリップゲージを用いて最小径変位を測定し、弾性域を無視した体積一定の仮定に基づいて、その変位から軸方向の真ひずみを算出している。試験機はクリップゲージにより測定した試験片最小径の値によって制御するので、万が一クリップゲージが外れたり大きくずれたりした場合には、試験機が暴走してしまう可能性がある。そこでプログラムにより安全性を確保する必要もあると考えられる。

 以上のことから本システムにおける課題をまとめると以下のようになる。

・試験機のアナログ制御系をストローク制御とした上で、ひずみ制御の疲労試験を行うための制御プログラムを作成する。

・予ひずみを与えるため、疲労試験を一時的に停止し、ひずみ範囲を設定し直した後に試験を再開できるようにする。

・ひずみが一方向に累積していくラチェット疲労試験を行えるようにする。

・試験機が暴走しないよう、プログラムにより安全性を確保する。

 

◆ソリューション

  • システム構成

 実験装置の外観を図1に、またシステムの構成を図2に示す。プログラムの作成にはLabVIEW8。2を用いた。制御信号の入出力にはマルチファンクションDAQデバイスPXI-6070Eを使用し、I/Oコネクタ・ブロックTBX-68を介して試験機側と接続している。

 制御信号については、クリップゲージで測定した試験片最小径を取り込み、LabVIEWで作成したプログラム上で最小径変位からひずみの値を算出する。また、その値とひずみの目標値からPID制御を行い、出力値を試験機のストロークの制御値として試験機に出力する。なお、ひずみの目標値はひずみ速度一定の完全両振り三角波とし、ひずみ範囲をDeとしたとき、ひずみがDe/2に達するまで目標値を増加させ続け、De/2に達すると今度は-De/2に達するまで減少させ続け-De/2 に達すると再度増加するようにした。その上で、目標値が上限に達した時に下限の値を、下限に達した時に上限の値を平均ひずみ増加率分増加させることで、強制的に一方向累積ひずみを付与し、ラチェット疲労についても行えるようにしている。この時のラチェット疲労における目標値の模式図を図3に示す。

 また、オーステナイト系ステンレス鋼は延性材料であるため、目標値への追従性があまりよくない。上記のような目標値設定では、弾性域において最小径があまり変化しないため偏差が大きくなり、塑性域になると急激に変化するため、オーバーシュートしてしまう可能性が大きく、正しく疲労試験を行うことができないと考えられる。そこで、ひずみが上限または下限に到達している間のみ逆向きに大きな目標値を入れることで一時的にわざと偏差を大きくし、上限または下限に達した瞬間に逆向きに動くようにしてオーバーシュートしないようにする制御も行っている。

 疲労試験の一時的な停止については、PID制御によって得られる制御量を0にして出力値が変化しないようすることで、その状態のまま試験を停止できるようにした。また、安全性を確保するために、測定される荷重、ストローク、試験片最小径変位量について、設定値を超えたら試験を強制的に止めるようにした。それぞれについて上限・下限を設定することで、六重の安全策となっている。

 作成したプログラムのフロントパネルを図4に示す。プログラム上でひずみ速度、ひずみ範囲(ひずみ速度一定のため、周波数はこの2つの値により決定される)、平均ひずみ増加率(通常の疲労試験はこの値を0に設定すればよい)を調整することにより、条件を変えて疲労試験を行うことが可能である。

 

  • 結果

 LabVIEWという直観的で理解しやすいグラフィカル言語によりプログラムを作成することで、LabVIEWに初めて触れてから約5ヶ月、そのうちプログラム自体の作成期間については約3ヶ月という短い期間でシステムを作ることができ、アナログ制御系がストローク制御と荷重制御しかない疲労試験機であっても、ひずみ制御の疲労試験を行うことが可能になった。

 また目標値への追従性がよくないオーステナイト系ステンレス鋼のような延性材料であっても、想定した通り、上限または下限に達した瞬間に逆向きに動くようにすることで、オーバーシュートをせずに目標のひずみ範囲で疲労試験を行うことができた。

 さらに、目標値を上限または下限に達するまでそれぞれ一定速度で増加、減少させるシステムにすることで、容易にラチェット疲労を実現することができた。同時にこのシステムによって、ひずみ速度、ひずみ範囲、平均ひずみ増加率を変えることで様々な条件での低サイクル疲労試験が実施可能となった。

 

・図表類

 

図1 実験装置の外観

 

 

図2 システムの構成

 

図3 ラチェット疲労における目標値の模式図

 

 

図4 プログラムのフロントパネル

Bookmark and Share


Explore the NI Developer Community

Discover and collaborate on the latest example code and tutorials with a worldwide community of engineers and scientists.

‌Check‌ out‌ the‌ NI‌ Community


Who is National Instruments?

National Instruments provides a graphical system design platform for test, control, and embedded design applications that is transforming the way engineers and scientists design, prototype, and deploy systems.

‌Learn‌ more‌ about‌ NI