ひずみ測定方法およびひずみ測定装置
【課題】 被測定対象物のひずみを正確に推定することができるひずみ推定方法およびひずみ推定装置を提供する。
【解決手段】 解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に歪みゲージ３が貼付けられた状態を模擬する第１解析モデル２２を作成する。シミュレーション手段１６は、第１解析モデル２２を用いて、被測定対象物２に力を加えたときの被測定対象物２および歪みゲージ３のひずみを算出する。解析モデル作成手段１５は、算出した歪みゲージ３のひずみと、実際に測定した歪みゲージ３のひずみとの差が許容誤差の範囲内になるように第１解析モデル２２を補正する。解析モデル作成手段１５は、補正した第１解析モデル２２に基づいて、被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。シミュレーション手段１６は、第２解析モデル２３を用いて、被測定対象物２に力を加えたときの被測定対象物２のひずみを算出する。
【解決手段】 解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に歪みゲージ３が貼付けられた状態を模擬する第１解析モデル２２を作成する。シミュレーション手段１６は、第１解析モデル２２を用いて、被測定対象物２に力を加えたときの被測定対象物２および歪みゲージ３のひずみを算出する。解析モデル作成手段１５は、算出した歪みゲージ３のひずみと、実際に測定した歪みゲージ３のひずみとの差が許容誤差の範囲内になるように第１解析モデル２２を補正する。解析モデル作成手段１５は、補正した第１解析モデル２２に基づいて、被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。シミュレーション手段１６は、第２解析モデル２３を用いて、被測定対象物２に力を加えたときの被測定対象物２のひずみを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象物のひずみを推定するひずみ推定方法およびひずみ推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定対象物のひずみを測定する方法として、歪みゲージを用いる方法がある。この方法では、被測定対象物の表面に歪みゲージが貼付けられる。貼付けられた歪みゲージは、被測定対象物の変形にともなって変形する。歪みゲージが変形すると、歪みゲージの抵抗値は、歪みゲージの変形量に応じて変化する。この歪みゲージの抵抗値の変化を測定することによって、歪みゲージのひずみを測定し、ひいては被測定対象物のひずみを測定することができる。
【０００３】
また、被測定対象物のひずみを測定する方法として、光の干渉を利用した材料ひずみ計測方法がある。材料ひずみ計測方法では、被測定対象物の表面部に予め形成された２つの圧痕対にレーザ光を照射し、各圧痕によって反射された反射光によって形成される干渉縞の間隔に基づいて、圧痕の間隔を測定し、被測定対象物のひずみを測定している（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２２５１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の歪みゲージを用いて被測定対象物のひずみを測定する方法では、被測定対象物に歪みゲージを貼付けるので、歪みゲージが被測定対象物の補強材として働く。歪みゲージが補強材として働くと、被測定対象物の歪みゲージが貼付けられた位置付近が見かけ上局部的に固くなるので、歪みゲージが貼付けられた位置付近は、歪みゲージを貼付けない状態に比べて、力を加えたときのひずみが小さくなる。このように歪みゲージを被測定対象物に貼付けると、被測定対象物のヤング率およびポアソン比などの物性値が見かけ上変化するので、従来の方法では被測定対象物のひずみを正確に測定することができないという問題が生じる。
【０００６】
光の干渉を利用してひずみを測定する方法では、圧痕に光を照射する光源を設けるスペース、光が進行するスペース、および反射光を受光する撮像手段を設けるスペースを確保する必要がある。したがって、このようなスペースを確保することができない小さなスペースにおいては、被測定対象物のひずみを測定することができないという問題が生じる。たとえば製品の小さなスペースに組み込まれた部品のひずみは、光の干渉を利用して測定することができない。また被測定対象物に圧痕を形成する必要があるので、被測定対象物のヤング率およびポアソン比などの物性値が変化し、被測定対象物のひずみを正確に測定することができないという問題が生じる。
【０００７】
したがって本発明の目的は、被測定対象物のひずみを正確に推定することができるひずみ推定方法およびひずみ推定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを求め、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、
前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測によって求めた歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、
補正された第１モデルに基づいて、被測定対象物を模擬する第２モデルを作成し、
第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定することを特徴とするひずみ推定方法である。
【０００９】
また本発明は、前記歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する前記被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを記憶する記憶手段と、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデル、および被測定対象物を模擬する第２モデルを作成するモデル作成手段と、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定する算出手段と、
算出手段によって推定される被測定対象物のひずみを出力する出力手段とを含み、
前記モデル作成手段は、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測された歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、補正された第１モデルに基づいて、前記第２モデルを作成することを特徴とするひずみ推定装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを求める。つまり被測定対象物に貼付けられた歪みゲージのひずみを実際に測定する。また被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、この第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出する。つまり実際のひずみの測定とは別に、被測定対象物と歪みゲージとのひずみを算出する。
【００１３】
被測定対象物と歪みゲージとを完全に模擬する第１モデルを作成することは困難であるが、実際の測定結果と、算出して得られた結果との差を小さくするために、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測によって求めた歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正する。つまり被測定対象物の予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態をより正確に模擬するように第１モデルを補正する。
【００１４】
被測定対象物を模擬する第２モデルは、被測定対象物と歪みゲージとを補正前の第１モデルに比べてより正確に模擬する補正された第１モデルに基づいて作成される。したがって、第２モデルは、被測定対象物を正確に模擬する。このように被測定対象物を正確に模擬する第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出するので、被測定対象物のひずみを精度良く推定することができる。
【００１５】
また第２モデルは、歪みゲージを除いた被測定対象物のみを模擬するので、推定した歪みゲージのひずみには、歪みゲージの影響は表れない。つまり、たとえば歪みゲージが被測定対象物の補強材として作用するとしても、補強材としての効果を除いて被測定対象物のひずみを推定することができる。これによって、歪みゲージを貼付けていない状態の被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【００１６】
また歪みゲージを用いた測定に基づいて被測定対象物のひずみを推定するので、被測定対象物の表面に歪みゲージを貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【００１７】
また本発明によれば、歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する被測定対象物のひずみの推定を行う。被測定対象物に貼付けられた歪みゲージは、被測定対象物の補強材として働く。被測定対象物のヤング率が歪みゲージのヤング率よりも低い場合、いわゆる歪みゲージの方が被測定対象物よりも固い場合には、歪みゲージの方が被測定対象物よりも柔らかい場合に比べて、歪みゲージは、被測定対象物の補強材としてより有効に機能する。このように歪みゲージが被測定対象物の補強材として有効に機能する場合には、歪みゲージを用いたひずみの測定では、被測定対象物のひずみの測定結果に歪みゲージが影響し、被測定対象物のひずみを正確に測定することが困難である。本発明では、歪みゲージの影響を排除して被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。したがって、歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する被測定対象物のひずみの推定に好適に適用することができる。
【００１８】
また本発明によれば、樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定を行う。樹脂材料を含んで形成される被測定対象物は、一般に歪みゲージのヤング率よりもヤング率が低いので、前述したように被測定対象物のひずみを正確に測定することは、困難である。このような被測定対象物であっても、本発明では、歪みゲージの影響を排除して被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。したがって、樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定に好適に適用することができる。
【００１９】
また本発明によれば、記憶手段は、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを記憶する。モデル作成手段は、被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、算出手段は、この被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出する。つまり実際のひずみの測定とは別に、被測定対象物と歪みゲージとのひずみを算出する。
【００２０】
被測定対象物と歪みゲージとを完全に模擬する第１モデルを作成することは困難であるが、実際の測定結果と算出して得られた結果との差を小さくするために、モデル作成手段は、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測された歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正する。つまり被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態をより正確に模擬するように第１モデルを補正する。
【００２１】
モデル作成手段は、被測定対象物と歪みゲージとを補正前の第１モデルに比べてより正確に模擬する補正された第１モデルに基づいて第２モデルを作成する。したがって、第２モデルは、被測定対象物を正確に模擬する。このように被測定対象物を正確に模擬する第２モデルを用いて、算出手段は、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出するので、被測定対象物のひずみを精度良く推定することができる。出力手段は、精度良く推定された被測定対象物のひずみを出力する。
【００２２】
また第２モデルは、歪みゲージを除いた被測定対象物のみを模擬するので、推定した歪みゲージのひずみには、歪みゲージの影響は表れない。つまり、たとえば歪みゲージが被測定対象物の補強材として作用する場合であっても、補強材としての効果を除いた場合の被測定対象物のひずみを推定することができる。したがって、歪みゲージを貼付けていない状態の被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【００２３】
また歪みゲージを用いた測定に基づいて被測定対象物のひずみを算出するので、被測定対象物の表面に歪みゲージを貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施の一形態のひずみ推定装置１の機能的構成を示すブロック図である。図２は、ひずみ推定装置１のハード構成を示すブロック図である。図３は、被測定対象物２と、歪みゲージ３と、データロガー４と、ひずみ推定装置１との接続関係を模式的に示す図である。
【００２５】
被測定対象物２は、本実施の形態においては、板状であって、略直方体をなす。被測定対象物２は、本実施の形態においては熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂にガラス繊維を混ぜ込んだガラス繊維強化樹脂および熱硬化性樹脂などの樹脂材料を含んで形成される。熱可塑性樹脂には、ポリプロピレン、ポリスチレンおよびアクリルニトリルブタジエンスチレンなどがある。熱硬化性樹脂には、エポキシおよびフェノールなどがある。熱可塑性樹脂のヤング率は、低く、１，０００〜３，０００ＭＰａ程度である。またガラス繊維強化樹脂および熱硬化性樹脂のヤング率は、熱可塑性樹脂のヤング率よりも高いが、最高でも１０，０００ＭＰａ程度であって、低い。
【００２６】
歪みゲージ３は、ポリイミドおよびエポキシなどから成る樹脂シートと、この樹脂シートの表面上に形成される導電性を有するゲージとを含んで構成される。ゲージは、樹脂シートの表面上に白金、銅およびインコネルなどを蒸着した箔ゲージ、および樹脂シートの表面上に白金、銅およびインコネルなどから成る抵抗線を貼付けた線ゲージなどによって実現される。
【００２７】
歪みゲージ３は、被測定対象物２の予め定める位置に接着剤によって貼付けられる。本実施の形態においては、歪みゲージ３は、被測定対象物２の厚み方向の一表面の中央部に、高分子の樹脂材料から構成されるいわゆる瞬間接着剤によって貼付けられる。接着剤の厚さは、マイクロメートル程度のオーダーであり、接着剤のヤング率は、歪みゲージ３よりも低い。
【００２８】
歪みゲージ３は、被測定対象物２に貼付けられると、被測定対象物２の補強材として作用する。このような歪みゲージ３による被測定対象物２への影響を低減するために、歪みゲージ３のヤング率を小さくする試みがなされている。たとえば箔ゲージの厚さを１００μｍ以下の薄さにしたり、線ゲージの直径を０．５ｍｍ以下の細さにしている。
【００２９】
このようにヤング率を低減した歪みゲージ３であっても、ゲージのヤング率は、高く、１００，０００ＭＰａ〜２５０，０００ＭＰａ程度である。被測定対象物２のヤング率が、ゲージのヤング率の数分の１を下回り、２０，０００ＭＰａ以下であれば、歪みゲージ３が補強材として有効に作用し、被測定対象物２のひずみの測定に大きな影響を与える。
【００３０】
歪みゲージ３は、被測定対象物２の表面に貼付けられるので、被測定対象物２の変形に伴なって変形する。歪みゲージ３が変形すると、歪みゲージ３を構成するゲージも変形する。ゲージが伸縮すると、伸縮量に応じてゲージの電気抵抗が変化する。すなわち、被測定対象物２の変形に伴なって、ゲージの電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を測定することによって、ゲージのひずみ、ひいては被測定対象物２のひずみを算出することができる。用語「ひずみ」は、物体が変形したときの単位長さ当りの変形量を表す。ひずみは、無次元量である。
【００３１】
データロガー４は、前記ゲージと接続線５によって電気的に接続される。データロガー４とひずみ推定装置１とは、ＲＳ−２３２Ｃ（Recommended Standard 232 version C）およびＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの通信規格に適合したケーブル６によって電気的に接続される。データロガー４は、前記ゲージの電気抵抗を測定し、測定した電気抵抗からゲージのひずみを算出し、算出したゲージのひずみを表す情報をひずみ推定装置１に与える。ゲージの電気抵抗は、たとえばゲージを一部に含むホイーストンブリッジ回路を用いて、１ゲージ法などによって測定することができる。データロガー４は、ゲージの電気抵抗から算出したゲージのひずみをひずみ推定装置１に与えるとしたけれども、ゲージの電気抵抗を直接ひずみ推定装置１に与えてもよい。この場合には、ひずみ測定装置１が、ゲージの電気抵抗からゲージのひずみを算出する。
【００３２】
ひずみ推定装置１は、処理部７と、記憶部８と、入力部９と、出力部１０と、接続部１１とを含んで構成される。ひずみ推定装置１は、たとえばコンピュータによって実現される。
【００３３】
処理部７は、記憶部８に記憶された制御プログラムを読込んで実行することによって、記憶部８、入力部９および接続部１１を制御する。また、処理部７は、記憶部８に記憶されたシミュレーションプログラムを読込んで実行することによって、シミュレーションを実行する。処理部７は、中央処理装置（Central Processing Unit：略称ＣＰＵ）を含んで実現される。
【００３４】
記憶部８は、制御プログラムおよびシミュレーションプログラムなどを記憶する。また記憶部８は、処理部７の指令に基づいて、記憶部８に与えられる情報を記憶する、または処理部７の指令に基づいて、記憶した情報を処理部７に与える。記憶部８は、ＲＯＭ
（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などを含んで実現される。
【００３５】
入力部９は、マウスおよびキーボードを含んで実現される。利用者がマウスおよびキーボードを操作すると、入力部９は、利用者の操作に対応する情報を処理部７に与える。入力部９から処理部７に与えられる情報は、たとえば処理部７が記憶部８を制御することによって記憶部８に記憶される。
【００３６】
出力部１０は、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display：略称ＬＣＤ）およびプリンタを含んで実現される。出力部１０は、処理部７の指令に基づいて、処理部７から与えられる情報を、可視表示したり、印字したりして出力する。
【００３７】
接続部１１は、ＲＳ−２３２ＣおよびＵＳＢなどの通信規格に適合したコネクタを含んで実現される。接続部１１は、処理部７の指令に基づいて、ケーブル６を介して接続されるデータロガー４と情報の受渡しを行う。
【００３８】
ひずみ推定装置１は、入力手段１２と、測定条件記憶手段１３と、解析モデル記憶手段１４と、解析モデル作成手段１５と、算出手段であるシミュレーション手段１６と、比較手段１７と、表示手段１８と、測定結果記憶手段１９と、接続手段２０とを含む。各手段は、処理部７が制御プログラムおよびシミュレーションプログラムを実行し、各部を制御することによって機能する。
【００３９】
接続手段２０は、データロガー４から与えられる歪みゲージ３のひずみを表す情報を、測定結果記憶手段１９に与える。測定結果記憶手段１９は、接続手段２０から与えられる歪みゲージ３のひずみを表す情報を記憶する。
【００４０】
入力手段１２は、作業者がマウスおよびキーボードなどを操作することによって入力されるデータを測定条件記憶手段１３および解析モデル記憶手段１４に与える。
【００４１】
測定条件記憶手段１３は、入力手段１２から与えられるデータに基づいて、測定条件を表す測定条件情報を記憶する。測定条件情報は、データロガー４および歪みゲージ３を用いて被測定対象物２のひずみを測定するときの測定条件を表す。測定条件情報は、被測定対象物２の形状を表す情報、被測定対象物２の物性値を表す情報、歪みゲージ３の形状を表す情報、歪みゲージ３の物性値を表す情報、歪みゲージ３が被測定対象物２に貼付けられる予め定める位置を表す情報、被測定対象物２に加える予め定める力に対応する情報、および被測定対象物２の拘束条件を表す情報などを含む。
【００４２】
図４は、被測定対象物２と歪みゲージ３との形状をモデル化した斜視図である。被測定対象物２の形状を表す情報および歪みゲージ３の形状を表す情報は、たとえばＣＡＤ
（Computer Aided Design）データから成る。
【００４３】
解析モデル作成手段１５は、測定条件記憶手段１３に記憶された測定条件を読込み、シミュレーションを行うための解析モデルを作成する。解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２の予め定める位置に歪みゲージ３が貼付けられた状態を模擬する第１モデルである第１解析モデル２２、および被測定対象物２のみを模擬する第２モデルである第２解析モデル２３を作成する。前述したように、歪みゲージ３を貼付ける接着剤の層厚は、マイクロメートル程度のオーダーであり、かつ接着剤のヤング率は、歪みゲージ３よりも低いので、接着剤が被測定対象物２および歪みゲージ３の剛性に与える影響は小さく、接着剤がシミュレーション結果に与える影響は小さい。したがって、シミュレーションにおいて接着剤の効果を省略することができ、解析モデル作成手段１５は、接着剤の層を省略した第１解析モデル２２を作成する。
【００４４】
解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に歪みゲージ３が貼付けられた状態を模擬する第１解析モデル２２を作成する場合、まず被測定対象物２の形状を表す情報と、歪みゲージ３の形状を表す情報と、歪みゲージ３が被測定対象物２に貼付けられる予め定める位置を表す情報とに基づいて、被測定対象物２の形状と歪みゲージ３の形状とを有限の要素に分割し、被測定対象物２と歪みゲージ３とのメッシュモデル２１を作成する。図５は、被測定対象物２と歪みゲージ３とのメッシュモデル２１の斜視図である。
【００４５】
次に解析モデル作成手段１５は、各要素に対して、被測定対象物２または歪みゲージ３の物性値を関係付ける。具体的には、全ての要素に対して、それぞれ対応するヤング率およびポアソン比などの材料定数を付与する。また解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に加える予め定める力に対応する情報に基づいて、各節点に加えられる力を関係付ける。具体的には、力が加えられる節点に対して、力の向きと大きさを表す情報を付与する。また解析モデル作成手段１５は、拘束条件を各節点に関係付ける。具体的には固定されて移動しない部分に対応する節点に対して、移動を禁止する情報を付与する。解析モデル作成手段１５は、このようにして作成した解析モデルを、解析モデル記憶手段１４に与える。
【００４６】
解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられる第１または第２解析モデル２２，２３、および作業者が解析モデルをキーボードおよびマウスなどを操作することによって入力し、入力手段１２から与えられる第１または第２解析モデル２２，２３を記憶する。
【００４７】
シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された第１または第２解析モデル２２，２３を用いて、シミュレーションを行う。シミュレーションは、各要素に関係付けられた物性値および各要素の形状に基づいて計算される仮想バネを各節点間に接続し、フックの法則にしたがって釣り合い計算を行うことによって実行される。第１解析モデル２２を用いる場合には、シミュレーション手段１６は、被測定対象物２に力が加えられたときの被測定対象物２および歪みゲージ３を構成する各節点の変位を算出し、この変位から被測定対象物２および歪みゲージ３のひずみを算出する。第２解析モデル２３を用いる場合には、シミュレーション手段１６は、被測定対象物２に力が加えられたときの被測定対象物２を構成する各節点の変位を算出し、この変位から被測定対象物２のひずみを算出する。シミュレーション手段１６は、算出したひずみを表す情報をシミュレーション結果として比較手段１７および表示手段１８に与える。
【００４８】
比較手段１７は、測定結果記憶手段１９に記憶された測定結果と、シミュレーション手段１６から与えられるシミュレーション結果とを比較する。具体的には、比較手段１７は、実際に測定された歪みゲージ３のひずみと、シミュレーションによって得られた歪みゲージのひずみとを比較し、両者のひずみの差が予め定める許容誤差の範囲内か否かを判断する。予め定める許容誤差の範囲とは、実際に測定された歪みゲージ３のひずみと、シミュレーションによって得られた歪みゲージ３のひずみとの差分の絶対値を、シミュレーションによって得られた歪みゲージ３のひずみで除した値に１００を乗じた値が、たとえば１０以下となる範囲である。比較手段１７は、判断結果を表示手段１８に与える。
【００４９】
表示手段１８は、シミュレーション手段１６から与えられるシミュレーション結果、測定結果記憶手段１９に記憶された測定結果および比較手段１７から与えられる判断結果を、液晶表示ディスプレイに可視表示する、または印字する。
【００５０】
図６は、ひずみ推定装置１がひずみを推定する手順を表すフローチャートである。被測定対象物２に、測定条件記憶手段１３に記憶されえた予め定める力を加えたときの歪みゲージ３のひずみを測定し、データロガー４からひずみ推定装置１に測定結果を表す情報が与えられると、ステップａ０からステップａ１に移る。
【００５１】
ステップａ１では、接続手段２０は、データロガー４から与えられる歪みゲージ３のひずみを表す情報を含む測定結果を取得し、測定結果を測定結果記憶手段１９に与える。測定結果記憶手段１９は、接続手段２０から与えられる測定結果を記憶する。次にステップａ２に移る。
【００５２】
ステップａ２では、解析モデル作成手段１５は、測定条件記憶手段１３に記憶された被測定対象物２の形状を表す情報、歪みゲージ３の形状を表す情報、および歪みゲージ３が被測定対象物２に貼付けられる予め定める位置を表す情報に基づいて、被測定対象物２の形状と歪みゲージ３の形状とを有限の要素に分割し、被測定対象物２および被測定対象物２に貼付けられた歪みゲージ３のメッシュモデル２１を作成する。次にステップａ３に移る。
【００５３】
ステップａ３では、解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２および被測定対象物２の予め定める位置に貼付けられた歪みゲージ３のシミュレーションを行うための第１解析モデル２２を作成する。具体的には解析モデル作成手段１５は、測定条件記憶手段１３に記憶された被測定対象物２および歪みゲージ３の物性値を表す情報に基づいて、各要素に対して、対応するヤング率およびポアソン比などの材料定数を関係付ける。また解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に加える予め定める力に対応する情報に基づいて、各節点に加えられる力を関係付ける。また解析モデル作成手段１５は、拘束条件を各節点に関係付ける。解析モデル作成手段１５は、作成した解析モデルを解析モデル記憶手段１４に与え、ステップａ４に移る。
【００５４】
ステップａ４では、解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられた解析モデルを記憶し、ステップａ５に移る。
【００５５】
ステップａ５では、シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された第１解析モデル２２に基づいて、有限要素法を用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を比較手段１７および表示手段１８に与え、ステップａ６に移る。
【００５６】
ステップａ６では、比較手段１７は、シミュレーション手段１６から与えられたシミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと測定結果記憶手段１９に記憶された実測による歪みゲージ３のひずみとを比較し、両者のひずみの差が予め定める許容誤差の範囲内か否かを判断し、判断結果を表示手段１８に与えてステップａ７に移る。
【００５７】
ステップａ７では、表示手段１８は、シミュレーション手段１６から与えられるシミュレーション結果および比較手段１７から与えられる判断結果を液晶表示パネルに可視表示し、ステップａ８に移る。
【００５８】
ステップａ８では、比較手段１７がひずみの差が許容誤差の範囲外であると判断した場合には、ステップａ９に移る。
【００５９】
ステップａ９では、入力手段１２は、液晶表示パネルに表示されたシミュレーション結果および判断結果を見た作業者が、マウスおよびキーボードなど操作することによって入力される測定条件を補正する補正情報を、測定条件記憶手段１３に与える。補正情報とは、解析モデルを作成するときに用いられる情報を補正する情報であり、具体的には、被測定対象物２のヤング率およびポアソン比などの物性値を表す情報、歪みゲージ３のヤング率およびポアソン比などの物性値を表す情報、および被測定対象物２に加えられる予め定める力に対応する情報などを補正する情報である。測定条件記憶手段１３は、入力手段１２から与えられる補正を表す情報に基づいて、測定条件情報を補正して記憶する。次にステップａ３に移り、補正された測定条件情報に基づいて補正した第１解析モデル２２を作成し、ステップａ３〜ステップａ８までの手順を繰返す。
【００６０】
ステップａ８において、比較手段１７がひずみの差が許容誤差の範囲内であると判断した場合には、ステップａ１０に移る。
【００６１】
ステップａ１０では、解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。具体的には、解析モデル作成手段１５は、ステップａ３において作成した解析モデルから、歪みゲージ３を表す要素を除く。すなわち解析モデル作成手段１５は、ひずみの差が許容誤差の範囲内となる第１解析モデル２２から、歪みゲージ３を表す要素を除いた被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。解析モデル作成手段１５は、作成した第２解析モデル２３を解析モデル記憶手段１４に与え、ステップａ１１に移る。
【００６２】
ステップａ１１では、解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられた解析モデルを記憶し、ステップａ１２に移る。
【００６３】
ステップａ１２では、シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３に基づいて、有限要素法を用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を表示手段１８に与え、ステップａ１３に移る。
【００６４】
ステップａ１３では、表示手段１８は、シミュレーション結果を液晶表示ディスプレイに可視表示し、ステップａ１４に移る。ステップａ１４では、処理を終了する。
【００６５】
ステップａ６においてシミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと実測における歪みゲージ３のひずみとの比較を行っているが、両者のひずみは、一般的には一致しない。両者のひずみが一致しないのは、ステップａ３において解析モデル作成手段１５が作成した第１解析モデル２２が、実際の歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力を正確に模擬していないからである。第１解析モデル２２が被測定対象物２などを正確に模擬していないのは、たとえば被測定対象物２などの微細な形状を省略してメッシュモデル２１を作成し、このメッシュモデル２１を用いて第１解析モデル２２を作成するからである。また被測定対象物２に加えられる予め定める力に対応する力を、正確に見積ることができていないので、各節点に加えられる力が、実際に被測定対象物２に加えられる力を正確に模擬していないからである。また被測定対象物２および歪みゲージ３の物性値が、カタログに掲載されている値と異なる場合があり、各要素に付与された被測定対象物２および歪みゲージ３の物性値が、実際の物性値と正確に対応していない場合があるからである。特に、物性値は、被測定対象物２の形成方法および形成条件に依存するので、被測定対象物２の部位によって、カタログの値と異なる値となる。したがって、カタログに掲載されている物性値を用いたのでは、被測定対象物２および歪みゲージ３の実際の物性値を正確に表すことができない。以上述べたような原因から、初めてステップａ３において第１解析モデル２２を作成する場合には、実際の歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力を正確に模擬する第１解析モデル２２を作成することはできない。
【００６６】
ステップａ９では、第１解析モデル２２を再度作成するときに用いられる測定条件情報を補正する。この補正は、第１解析モデル２２が再度作成されたとしたならば、再度作成された第１解析モデル２２が歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力をより正確に模擬するように行われる。つまり、ステップａ９における補正に基づいて再度作成された第１解析モデル２２を用いて、再度ステップａ６においてシミュレーションを行ったときに、シミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと測定結果記憶手段１９に記憶された実測による歪みゲージ３のひずみとの差が小さくなるように、測定条件情報を補正する。この補正された測定条件情報に基づいて再度第１解析モデル２２を作成し直し、シミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと実測における歪みゲージ３のひずみとの差が許容範囲内になるまで、ステップａ３〜ステップａ９を繰返す。この補正によって、実際の歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力を正確に模擬する第１解析モデル２２を作成することができる。
【００６７】
ステップａ１０では、解析モデル作成手段１５は、ひずみの差が許容誤差の範囲内となる第１解析モデル２２に基づいて、歪みゲージ３を表す要素を除いた被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。したがって、ステップａ１０において作成された第２解析モデル２３は、被測定対象物２を正確に模擬する。このように被測定対象物２を正確に模擬する第２解析モデル２３を用いて、被測定対象物２に予め定める力を加えたときの被測定対象物２のひずみをシミュレートするので、精度の高いシミュレーション結果が得られる。
【００６８】
またステップａ１０において作成される第２解析モデル２３は、歪みゲージ３を除いた被測定対象物２のみを模擬するので、シミュレーション結果には、歪みゲージ３の影響は表れない。したがって、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。
【００６９】
また、歪みゲージ３を用いた測定に基づいて被測定対象物２のひずみを算出するので、被測定対象物２の表面に歪みゲージ３を貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物２のひずみを推定することができる。
【００７０】
図７は、第１解析モデル２２を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２と歪みゲージ３とを表す断面図である。被測定対象物２の長手方向の両端部２４を固定し、被測定対象物２の歪みゲージ３が貼付けられた表面と反対側の表面の全面に一様な圧力を加えたときのシミュレーションを行った。図７は、変形量を見易くするために、シミュレーションによって得られた変形量よりも、変形量を大きくして表している。シミュレーション結果から、歪みゲージ３が貼付けられた位置付近の領域Ａは、他の領域に比べて被測定対象物２のひずみが小さいことがわかる。これは歪みゲージ３が被測定対象物２の補強材として働いていることを表す。被測定対象物２の歪みゲージ３から離れた部分は、歪みゲージ３が補強材として働かないので、歪みゲージ３が貼付けられた位置付近よりも大きくひずむ。
【００７１】
図８は、第２解析モデル２３を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２を表す断面図である。シミュレーションの条件は、図７に示すシミュレーション結果を得たときのシミュレーションの条件と同じである。図８は、変形量を見易くするために、シミュレーションによって得られた変形量よりも、変形量を大きくして表している。第２解析モデル２３は、第１解析モデル２２から歪みゲージ３を除いたモデルであるので、第２解析モデル２３を用いて、歪みゲージ３の補強材としての効果を除いたシミュレーションを行うことができる。シミュレーション結果から、被測定対象物２は、全体として変形することがわかる。すなわち歪みゲージ３が貼付けられた位置付近の領域Ａも、被測定対象物２の歪みゲージ３から離れた部分と同様に変形する。このように、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。
【００７２】
被測定対象物２は、樹脂材料を含んで形成され、被測定対象物２のヤング率は、ゲージのヤング率の数分の１以下であり、２０，０００ＭＰａ以下である。ヤング率が２０，０００ＭＰａ以下の柔らかい被測定対象物２に固い歪みゲージ３を貼付けて、被測定対象物２のひずみを測定すると、歪みゲージ３の補強材としての作用が測定結果に顕在化するが、本発明では、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。したがって、樹脂材料から成る柔らかい被測定対象物２であっても、正確にひずみの推定を行うことができる。
【００７３】
また歪みゲージ３を用いた測定に基づいて被測定対象物２のひずみを算出するので、被測定対象物２の表面に歪みゲージ３を貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。たとえば筐体に組み込まれた部品であれば、まず部品のひずみを歪みゲージ３を用いて測定する。この測定結果を用いて歪みゲージ３が貼付けていない状態の部品のひずみを推定するためには、シミュレーションを行う必要があるので、部品にかかる力の向きと大きさとを得る必要がある。部品にかかる力の方向は、筐体に固定される部品の固定方法から推定することができる。また部品にかかる力の大きさは、実際に測定した歪みゲージ３のひずみと、シミュレーションによって得られる歪みゲージ３のひずみとが等しくなるように固定される。これによって、部品にかかる力の向きと大きさとを得ることができ、歪みゲージ３が貼付けていない状態の部品のひずみを正確に推定することができる。部品の固定方法から部品にかかる力の向きを推定することができない場合には、部品の表面に複数枚の歪みゲージ３を貼付けて、部品の複数の方向のひずみを測定することによって、部品にかかる力の向きを推定することができる。部品のひずみを正確に推定することができるので、筐体および筐体に組み込まれる部品の機構設計の効率化を図ることができる。
【００７４】
被測定対象物２は、実施の一例として、樹脂材料を含んで形成されるとしたけれども、どのような材料から形成される物であっても、本発明を適用することができ、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。
【００７５】
またシミュレーションは、実施の一例として有限要素法を用いて行うとしたけれども、境界要素法および差分法などを用いて行ってもよい。
【００７６】
本発明の実施の他の形態のひずみ推定装置１では、被測定対象物２のひずみの推定をより精度良く行うために、測定条件を変えて、前述したステップａ１〜ステップａ９までの手順を複数回繰返して行い、被測定対象物２のひずみの推定を行う。たとえば被測定対象物２に加えられる予め定める力を変更したり、歪みゲージ３を貼付ける位置を変更したり、歪みゲージ３を貼付ける方向を変更したりして、測定条件を変更し、測定条件を変更する毎に、被測定対象物２のひずみを測定し、各測定毎に、測定結果に基づいて前述したステップａ１〜ステップａ９までの処理を行う。
【００７７】
図９は、ひずみ推定装置１および作業者がひずみを推定する手順を示すフローチャートである。作業者がマウスおよびキーボードを操作することによって、変更した測定条件をひずみ推定装置１に入力すると、ステップｂ０からステップｂ１に移る。変更した測定条件とは、たとえば歪みゲージ３が貼付けられる予め定める位置および被測定対象物２に加えられる予め定める力に対応する力などである。
【００７８】
ステップｂ１では、入力手段１２は、入力された変更した測定条件を測定条件記憶手段１３に与える。測定条件記憶手段１３は、変更された測定条件を記憶してステップｂ２に移る。
【００７９】
ステップｂ２では、ひずみ推定装置１は、前述したステップａ１〜ステップａ９までの処理を行い、第１解析モデル２２の補正を行う。次にステップｂ３に移る。
【００８０】
ステップｂ３では、作業者がさらに第１解析モデル２２の補正を行うか否かを判断し、さらに第１解析モデル２２の補正を行うと判断した場合には、ステップｂ１に移る。作業者が、第１解析モデル２２の補正を行わないと判断した場合には、ステップｂ４に移る。
【００８１】
ステップｂ４では、解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。具体的には、解析モデル作成手段１５は、ひずみの差が許容誤差の範囲内となる第１解析モデル２２から、歪みゲージ３を表す要素を除いた被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。解析モデル作成手段１５は、作成した第２解析モデル２３を解析モデル記憶手段１４に与え、次にステップｂ５に移る。
【００８２】
ステップｂ５では、解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられた解析モデルを記憶し、ステップｂ６に移る。
【００８３】
ステップｂ６では、シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された第２解析モデル２３に基づいて、有限要素法を用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を表示手段１８に与え、ステップｂ７に移る。
【００８４】
ステップｂ７では、表示手段１８は、シミュレーション結果を液晶表示ディスプレイに可視表示し、ステップｂ８に移る。ステップｂ８では、処理を終了する。
【００８５】
第１解析モデル２２を補正するために補正する測定条件情報は、たとえば被測定対象物２のヤング率およびポアソン比など複数の情報を含む。したがって、１回のひずみの測定結果から得られるひずみから、これら複数の条件の補正を行うことは困難である。本実施の形態においては、ステップｂ１およびステップｂ２の処理を複数回繰返すことによって、被測定対象物２に加える力などの測定条件を変えて、各測定結果に合うように第１解析モデル２２を補正する。このように複数回のひずみの測定結果に基づいて第１解析モデル２２を補正するので、１回のひずみの測定に基づいて第１解析モデル２２を補正する場合に比べて、被測定対象物２に歪みゲージ３が貼付けられた状態をより正確に模擬する第１解析モデル２２を作成することができる。この第１解析モデル２２に基づいて、被測定対象物２を模擬する第２解析モデル２３を作成するので、第２解析モデル２３は、被測定対象物２をより正確に模擬する。被測定対象物２をより正確に模擬する第２モデルを用いて、シミュレーションを行うので、より正確に被測定対象物２のひずみを推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の一形態のひずみ推定装置１の機能的構成を示すブロック図である。
【図２】ひずみ推定装置１のハード構成を示すブロック図である。
【図３】被測定対象物２と、歪みゲージ３と、データロガー４と、ひずみ推定装置１との接続関係を模式的に示す図である。
【図４】被測定対象物２と歪みゲージ３との形状をモデル化した斜視図である。
【図５】被測定対象物２と歪みゲージ３とのメッシュモデル２１の斜視図である。
【図６】ひずみ推定装置１がひずみを推定する手順を表すフローチャートである。
【図７】第１解析モデル２２を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２と歪みゲージ３とを表す断面図である。
【図８】第２解析モデル２３を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２を表す断面図である。
【図９】ひずみ推定装置１および作業者がひずみを推定する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８７】
１ ひずみ推定装置
２ 被測定対象物
３ 歪みゲージ
７ 処理部
８ 記憶部
９ 入力部
１０ 出力部
１１ 接続部
１２ 入力手段
１３ 測定条件記憶手段
１４ 解析モデル記憶手段
１５ 解析モデル作成手段
１６ シミュレーション手段
１７ 比較手段
１８ 表示手段
１９ 測定結果記憶手段
２０ 接続手段
２１ メッシュモデル
２２ 第１解析モデル
２３ 第２解析モデル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象物のひずみを推定するひずみ推定方法およびひずみ推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定対象物のひずみを測定する方法として、歪みゲージを用いる方法がある。この方法では、被測定対象物の表面に歪みゲージが貼付けられる。貼付けられた歪みゲージは、被測定対象物の変形にともなって変形する。歪みゲージが変形すると、歪みゲージの抵抗値は、歪みゲージの変形量に応じて変化する。この歪みゲージの抵抗値の変化を測定することによって、歪みゲージのひずみを測定し、ひいては被測定対象物のひずみを測定することができる。
【０００３】
また、被測定対象物のひずみを測定する方法として、光の干渉を利用した材料ひずみ計測方法がある。材料ひずみ計測方法では、被測定対象物の表面部に予め形成された２つの圧痕対にレーザ光を照射し、各圧痕によって反射された反射光によって形成される干渉縞の間隔に基づいて、圧痕の間隔を測定し、被測定対象物のひずみを測定している（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２２５１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の歪みゲージを用いて被測定対象物のひずみを測定する方法では、被測定対象物に歪みゲージを貼付けるので、歪みゲージが被測定対象物の補強材として働く。歪みゲージが補強材として働くと、被測定対象物の歪みゲージが貼付けられた位置付近が見かけ上局部的に固くなるので、歪みゲージが貼付けられた位置付近は、歪みゲージを貼付けない状態に比べて、力を加えたときのひずみが小さくなる。このように歪みゲージを被測定対象物に貼付けると、被測定対象物のヤング率およびポアソン比などの物性値が見かけ上変化するので、従来の方法では被測定対象物のひずみを正確に測定することができないという問題が生じる。
【０００６】
光の干渉を利用してひずみを測定する方法では、圧痕に光を照射する光源を設けるスペース、光が進行するスペース、および反射光を受光する撮像手段を設けるスペースを確保する必要がある。したがって、このようなスペースを確保することができない小さなスペースにおいては、被測定対象物のひずみを測定することができないという問題が生じる。たとえば製品の小さなスペースに組み込まれた部品のひずみは、光の干渉を利用して測定することができない。また被測定対象物に圧痕を形成する必要があるので、被測定対象物のヤング率およびポアソン比などの物性値が変化し、被測定対象物のひずみを正確に測定することができないという問題が生じる。
【０００７】
したがって本発明の目的は、被測定対象物のひずみを正確に推定することができるひずみ推定方法およびひずみ推定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを求め、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、
前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測によって求めた歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、
補正された第１モデルに基づいて、被測定対象物を模擬する第２モデルを作成し、
第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定することを特徴とするひずみ推定方法である。
【０００９】
また本発明は、前記歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する前記被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを記憶する記憶手段と、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデル、および被測定対象物を模擬する第２モデルを作成するモデル作成手段と、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定する算出手段と、
算出手段によって推定される被測定対象物のひずみを出力する出力手段とを含み、
前記モデル作成手段は、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測された歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、補正された第１モデルに基づいて、前記第２モデルを作成することを特徴とするひずみ推定装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを求める。つまり被測定対象物に貼付けられた歪みゲージのひずみを実際に測定する。また被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、この第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出する。つまり実際のひずみの測定とは別に、被測定対象物と歪みゲージとのひずみを算出する。
【００１３】
被測定対象物と歪みゲージとを完全に模擬する第１モデルを作成することは困難であるが、実際の測定結果と、算出して得られた結果との差を小さくするために、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測によって求めた歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正する。つまり被測定対象物の予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態をより正確に模擬するように第１モデルを補正する。
【００１４】
被測定対象物を模擬する第２モデルは、被測定対象物と歪みゲージとを補正前の第１モデルに比べてより正確に模擬する補正された第１モデルに基づいて作成される。したがって、第２モデルは、被測定対象物を正確に模擬する。このように被測定対象物を正確に模擬する第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出するので、被測定対象物のひずみを精度良く推定することができる。
【００１５】
また第２モデルは、歪みゲージを除いた被測定対象物のみを模擬するので、推定した歪みゲージのひずみには、歪みゲージの影響は表れない。つまり、たとえば歪みゲージが被測定対象物の補強材として作用するとしても、補強材としての効果を除いて被測定対象物のひずみを推定することができる。これによって、歪みゲージを貼付けていない状態の被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【００１６】
また歪みゲージを用いた測定に基づいて被測定対象物のひずみを推定するので、被測定対象物の表面に歪みゲージを貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【００１７】
また本発明によれば、歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する被測定対象物のひずみの推定を行う。被測定対象物に貼付けられた歪みゲージは、被測定対象物の補強材として働く。被測定対象物のヤング率が歪みゲージのヤング率よりも低い場合、いわゆる歪みゲージの方が被測定対象物よりも固い場合には、歪みゲージの方が被測定対象物よりも柔らかい場合に比べて、歪みゲージは、被測定対象物の補強材としてより有効に機能する。このように歪みゲージが被測定対象物の補強材として有効に機能する場合には、歪みゲージを用いたひずみの測定では、被測定対象物のひずみの測定結果に歪みゲージが影響し、被測定対象物のひずみを正確に測定することが困難である。本発明では、歪みゲージの影響を排除して被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。したがって、歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する被測定対象物のひずみの推定に好適に適用することができる。
【００１８】
また本発明によれば、樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定を行う。樹脂材料を含んで形成される被測定対象物は、一般に歪みゲージのヤング率よりもヤング率が低いので、前述したように被測定対象物のひずみを正確に測定することは、困難である。このような被測定対象物であっても、本発明では、歪みゲージの影響を排除して被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。したがって、樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定に好適に適用することができる。
【００１９】
また本発明によれば、記憶手段は、歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを記憶する。モデル作成手段は、被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、算出手段は、この被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出する。つまり実際のひずみの測定とは別に、被測定対象物と歪みゲージとのひずみを算出する。
【００２０】
被測定対象物と歪みゲージとを完全に模擬する第１モデルを作成することは困難であるが、実際の測定結果と算出して得られた結果との差を小さくするために、モデル作成手段は、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測された歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正する。つまり被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態をより正確に模擬するように第１モデルを補正する。
【００２１】
モデル作成手段は、被測定対象物と歪みゲージとを補正前の第１モデルに比べてより正確に模擬する補正された第１モデルに基づいて第２モデルを作成する。したがって、第２モデルは、被測定対象物を正確に模擬する。このように被測定対象物を正確に模擬する第２モデルを用いて、算出手段は、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出するので、被測定対象物のひずみを精度良く推定することができる。出力手段は、精度良く推定された被測定対象物のひずみを出力する。
【００２２】
また第２モデルは、歪みゲージを除いた被測定対象物のみを模擬するので、推定した歪みゲージのひずみには、歪みゲージの影響は表れない。つまり、たとえば歪みゲージが被測定対象物の補強材として作用する場合であっても、補強材としての効果を除いた場合の被測定対象物のひずみを推定することができる。したがって、歪みゲージを貼付けていない状態の被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【００２３】
また歪みゲージを用いた測定に基づいて被測定対象物のひずみを算出するので、被測定対象物の表面に歪みゲージを貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物のひずみを正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施の一形態のひずみ推定装置１の機能的構成を示すブロック図である。図２は、ひずみ推定装置１のハード構成を示すブロック図である。図３は、被測定対象物２と、歪みゲージ３と、データロガー４と、ひずみ推定装置１との接続関係を模式的に示す図である。
【００２５】
被測定対象物２は、本実施の形態においては、板状であって、略直方体をなす。被測定対象物２は、本実施の形態においては熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂にガラス繊維を混ぜ込んだガラス繊維強化樹脂および熱硬化性樹脂などの樹脂材料を含んで形成される。熱可塑性樹脂には、ポリプロピレン、ポリスチレンおよびアクリルニトリルブタジエンスチレンなどがある。熱硬化性樹脂には、エポキシおよびフェノールなどがある。熱可塑性樹脂のヤング率は、低く、１，０００〜３，０００ＭＰａ程度である。またガラス繊維強化樹脂および熱硬化性樹脂のヤング率は、熱可塑性樹脂のヤング率よりも高いが、最高でも１０，０００ＭＰａ程度であって、低い。
【００２６】
歪みゲージ３は、ポリイミドおよびエポキシなどから成る樹脂シートと、この樹脂シートの表面上に形成される導電性を有するゲージとを含んで構成される。ゲージは、樹脂シートの表面上に白金、銅およびインコネルなどを蒸着した箔ゲージ、および樹脂シートの表面上に白金、銅およびインコネルなどから成る抵抗線を貼付けた線ゲージなどによって実現される。
【００２７】
歪みゲージ３は、被測定対象物２の予め定める位置に接着剤によって貼付けられる。本実施の形態においては、歪みゲージ３は、被測定対象物２の厚み方向の一表面の中央部に、高分子の樹脂材料から構成されるいわゆる瞬間接着剤によって貼付けられる。接着剤の厚さは、マイクロメートル程度のオーダーであり、接着剤のヤング率は、歪みゲージ３よりも低い。
【００２８】
歪みゲージ３は、被測定対象物２に貼付けられると、被測定対象物２の補強材として作用する。このような歪みゲージ３による被測定対象物２への影響を低減するために、歪みゲージ３のヤング率を小さくする試みがなされている。たとえば箔ゲージの厚さを１００μｍ以下の薄さにしたり、線ゲージの直径を０．５ｍｍ以下の細さにしている。
【００２９】
このようにヤング率を低減した歪みゲージ３であっても、ゲージのヤング率は、高く、１００，０００ＭＰａ〜２５０，０００ＭＰａ程度である。被測定対象物２のヤング率が、ゲージのヤング率の数分の１を下回り、２０，０００ＭＰａ以下であれば、歪みゲージ３が補強材として有効に作用し、被測定対象物２のひずみの測定に大きな影響を与える。
【００３０】
歪みゲージ３は、被測定対象物２の表面に貼付けられるので、被測定対象物２の変形に伴なって変形する。歪みゲージ３が変形すると、歪みゲージ３を構成するゲージも変形する。ゲージが伸縮すると、伸縮量に応じてゲージの電気抵抗が変化する。すなわち、被測定対象物２の変形に伴なって、ゲージの電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を測定することによって、ゲージのひずみ、ひいては被測定対象物２のひずみを算出することができる。用語「ひずみ」は、物体が変形したときの単位長さ当りの変形量を表す。ひずみは、無次元量である。
【００３１】
データロガー４は、前記ゲージと接続線５によって電気的に接続される。データロガー４とひずみ推定装置１とは、ＲＳ−２３２Ｃ（Recommended Standard 232 version C）およびＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの通信規格に適合したケーブル６によって電気的に接続される。データロガー４は、前記ゲージの電気抵抗を測定し、測定した電気抵抗からゲージのひずみを算出し、算出したゲージのひずみを表す情報をひずみ推定装置１に与える。ゲージの電気抵抗は、たとえばゲージを一部に含むホイーストンブリッジ回路を用いて、１ゲージ法などによって測定することができる。データロガー４は、ゲージの電気抵抗から算出したゲージのひずみをひずみ推定装置１に与えるとしたけれども、ゲージの電気抵抗を直接ひずみ推定装置１に与えてもよい。この場合には、ひずみ測定装置１が、ゲージの電気抵抗からゲージのひずみを算出する。
【００３２】
ひずみ推定装置１は、処理部７と、記憶部８と、入力部９と、出力部１０と、接続部１１とを含んで構成される。ひずみ推定装置１は、たとえばコンピュータによって実現される。
【００３３】
処理部７は、記憶部８に記憶された制御プログラムを読込んで実行することによって、記憶部８、入力部９および接続部１１を制御する。また、処理部７は、記憶部８に記憶されたシミュレーションプログラムを読込んで実行することによって、シミュレーションを実行する。処理部７は、中央処理装置（Central Processing Unit：略称ＣＰＵ）を含んで実現される。
【００３４】
記憶部８は、制御プログラムおよびシミュレーションプログラムなどを記憶する。また記憶部８は、処理部７の指令に基づいて、記憶部８に与えられる情報を記憶する、または処理部７の指令に基づいて、記憶した情報を処理部７に与える。記憶部８は、ＲＯＭ
（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などを含んで実現される。
【００３５】
入力部９は、マウスおよびキーボードを含んで実現される。利用者がマウスおよびキーボードを操作すると、入力部９は、利用者の操作に対応する情報を処理部７に与える。入力部９から処理部７に与えられる情報は、たとえば処理部７が記憶部８を制御することによって記憶部８に記憶される。
【００３６】
出力部１０は、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display：略称ＬＣＤ）およびプリンタを含んで実現される。出力部１０は、処理部７の指令に基づいて、処理部７から与えられる情報を、可視表示したり、印字したりして出力する。
【００３７】
接続部１１は、ＲＳ−２３２ＣおよびＵＳＢなどの通信規格に適合したコネクタを含んで実現される。接続部１１は、処理部７の指令に基づいて、ケーブル６を介して接続されるデータロガー４と情報の受渡しを行う。
【００３８】
ひずみ推定装置１は、入力手段１２と、測定条件記憶手段１３と、解析モデル記憶手段１４と、解析モデル作成手段１５と、算出手段であるシミュレーション手段１６と、比較手段１７と、表示手段１８と、測定結果記憶手段１９と、接続手段２０とを含む。各手段は、処理部７が制御プログラムおよびシミュレーションプログラムを実行し、各部を制御することによって機能する。
【００３９】
接続手段２０は、データロガー４から与えられる歪みゲージ３のひずみを表す情報を、測定結果記憶手段１９に与える。測定結果記憶手段１９は、接続手段２０から与えられる歪みゲージ３のひずみを表す情報を記憶する。
【００４０】
入力手段１２は、作業者がマウスおよびキーボードなどを操作することによって入力されるデータを測定条件記憶手段１３および解析モデル記憶手段１４に与える。
【００４１】
測定条件記憶手段１３は、入力手段１２から与えられるデータに基づいて、測定条件を表す測定条件情報を記憶する。測定条件情報は、データロガー４および歪みゲージ３を用いて被測定対象物２のひずみを測定するときの測定条件を表す。測定条件情報は、被測定対象物２の形状を表す情報、被測定対象物２の物性値を表す情報、歪みゲージ３の形状を表す情報、歪みゲージ３の物性値を表す情報、歪みゲージ３が被測定対象物２に貼付けられる予め定める位置を表す情報、被測定対象物２に加える予め定める力に対応する情報、および被測定対象物２の拘束条件を表す情報などを含む。
【００４２】
図４は、被測定対象物２と歪みゲージ３との形状をモデル化した斜視図である。被測定対象物２の形状を表す情報および歪みゲージ３の形状を表す情報は、たとえばＣＡＤ
（Computer Aided Design）データから成る。
【００４３】
解析モデル作成手段１５は、測定条件記憶手段１３に記憶された測定条件を読込み、シミュレーションを行うための解析モデルを作成する。解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２の予め定める位置に歪みゲージ３が貼付けられた状態を模擬する第１モデルである第１解析モデル２２、および被測定対象物２のみを模擬する第２モデルである第２解析モデル２３を作成する。前述したように、歪みゲージ３を貼付ける接着剤の層厚は、マイクロメートル程度のオーダーであり、かつ接着剤のヤング率は、歪みゲージ３よりも低いので、接着剤が被測定対象物２および歪みゲージ３の剛性に与える影響は小さく、接着剤がシミュレーション結果に与える影響は小さい。したがって、シミュレーションにおいて接着剤の効果を省略することができ、解析モデル作成手段１５は、接着剤の層を省略した第１解析モデル２２を作成する。
【００４４】
解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に歪みゲージ３が貼付けられた状態を模擬する第１解析モデル２２を作成する場合、まず被測定対象物２の形状を表す情報と、歪みゲージ３の形状を表す情報と、歪みゲージ３が被測定対象物２に貼付けられる予め定める位置を表す情報とに基づいて、被測定対象物２の形状と歪みゲージ３の形状とを有限の要素に分割し、被測定対象物２と歪みゲージ３とのメッシュモデル２１を作成する。図５は、被測定対象物２と歪みゲージ３とのメッシュモデル２１の斜視図である。
【００４５】
次に解析モデル作成手段１５は、各要素に対して、被測定対象物２または歪みゲージ３の物性値を関係付ける。具体的には、全ての要素に対して、それぞれ対応するヤング率およびポアソン比などの材料定数を付与する。また解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に加える予め定める力に対応する情報に基づいて、各節点に加えられる力を関係付ける。具体的には、力が加えられる節点に対して、力の向きと大きさを表す情報を付与する。また解析モデル作成手段１５は、拘束条件を各節点に関係付ける。具体的には固定されて移動しない部分に対応する節点に対して、移動を禁止する情報を付与する。解析モデル作成手段１５は、このようにして作成した解析モデルを、解析モデル記憶手段１４に与える。
【００４６】
解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられる第１または第２解析モデル２２，２３、および作業者が解析モデルをキーボードおよびマウスなどを操作することによって入力し、入力手段１２から与えられる第１または第２解析モデル２２，２３を記憶する。
【００４７】
シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された第１または第２解析モデル２２，２３を用いて、シミュレーションを行う。シミュレーションは、各要素に関係付けられた物性値および各要素の形状に基づいて計算される仮想バネを各節点間に接続し、フックの法則にしたがって釣り合い計算を行うことによって実行される。第１解析モデル２２を用いる場合には、シミュレーション手段１６は、被測定対象物２に力が加えられたときの被測定対象物２および歪みゲージ３を構成する各節点の変位を算出し、この変位から被測定対象物２および歪みゲージ３のひずみを算出する。第２解析モデル２３を用いる場合には、シミュレーション手段１６は、被測定対象物２に力が加えられたときの被測定対象物２を構成する各節点の変位を算出し、この変位から被測定対象物２のひずみを算出する。シミュレーション手段１６は、算出したひずみを表す情報をシミュレーション結果として比較手段１７および表示手段１８に与える。
【００４８】
比較手段１７は、測定結果記憶手段１９に記憶された測定結果と、シミュレーション手段１６から与えられるシミュレーション結果とを比較する。具体的には、比較手段１７は、実際に測定された歪みゲージ３のひずみと、シミュレーションによって得られた歪みゲージのひずみとを比較し、両者のひずみの差が予め定める許容誤差の範囲内か否かを判断する。予め定める許容誤差の範囲とは、実際に測定された歪みゲージ３のひずみと、シミュレーションによって得られた歪みゲージ３のひずみとの差分の絶対値を、シミュレーションによって得られた歪みゲージ３のひずみで除した値に１００を乗じた値が、たとえば１０以下となる範囲である。比較手段１７は、判断結果を表示手段１８に与える。
【００４９】
表示手段１８は、シミュレーション手段１６から与えられるシミュレーション結果、測定結果記憶手段１９に記憶された測定結果および比較手段１７から与えられる判断結果を、液晶表示ディスプレイに可視表示する、または印字する。
【００５０】
図６は、ひずみ推定装置１がひずみを推定する手順を表すフローチャートである。被測定対象物２に、測定条件記憶手段１３に記憶されえた予め定める力を加えたときの歪みゲージ３のひずみを測定し、データロガー４からひずみ推定装置１に測定結果を表す情報が与えられると、ステップａ０からステップａ１に移る。
【００５１】
ステップａ１では、接続手段２０は、データロガー４から与えられる歪みゲージ３のひずみを表す情報を含む測定結果を取得し、測定結果を測定結果記憶手段１９に与える。測定結果記憶手段１９は、接続手段２０から与えられる測定結果を記憶する。次にステップａ２に移る。
【００５２】
ステップａ２では、解析モデル作成手段１５は、測定条件記憶手段１３に記憶された被測定対象物２の形状を表す情報、歪みゲージ３の形状を表す情報、および歪みゲージ３が被測定対象物２に貼付けられる予め定める位置を表す情報に基づいて、被測定対象物２の形状と歪みゲージ３の形状とを有限の要素に分割し、被測定対象物２および被測定対象物２に貼付けられた歪みゲージ３のメッシュモデル２１を作成する。次にステップａ３に移る。
【００５３】
ステップａ３では、解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２および被測定対象物２の予め定める位置に貼付けられた歪みゲージ３のシミュレーションを行うための第１解析モデル２２を作成する。具体的には解析モデル作成手段１５は、測定条件記憶手段１３に記憶された被測定対象物２および歪みゲージ３の物性値を表す情報に基づいて、各要素に対して、対応するヤング率およびポアソン比などの材料定数を関係付ける。また解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２に加える予め定める力に対応する情報に基づいて、各節点に加えられる力を関係付ける。また解析モデル作成手段１５は、拘束条件を各節点に関係付ける。解析モデル作成手段１５は、作成した解析モデルを解析モデル記憶手段１４に与え、ステップａ４に移る。
【００５４】
ステップａ４では、解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられた解析モデルを記憶し、ステップａ５に移る。
【００５５】
ステップａ５では、シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された第１解析モデル２２に基づいて、有限要素法を用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を比較手段１７および表示手段１８に与え、ステップａ６に移る。
【００５６】
ステップａ６では、比較手段１７は、シミュレーション手段１６から与えられたシミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと測定結果記憶手段１９に記憶された実測による歪みゲージ３のひずみとを比較し、両者のひずみの差が予め定める許容誤差の範囲内か否かを判断し、判断結果を表示手段１８に与えてステップａ７に移る。
【００５７】
ステップａ７では、表示手段１８は、シミュレーション手段１６から与えられるシミュレーション結果および比較手段１７から与えられる判断結果を液晶表示パネルに可視表示し、ステップａ８に移る。
【００５８】
ステップａ８では、比較手段１７がひずみの差が許容誤差の範囲外であると判断した場合には、ステップａ９に移る。
【００５９】
ステップａ９では、入力手段１２は、液晶表示パネルに表示されたシミュレーション結果および判断結果を見た作業者が、マウスおよびキーボードなど操作することによって入力される測定条件を補正する補正情報を、測定条件記憶手段１３に与える。補正情報とは、解析モデルを作成するときに用いられる情報を補正する情報であり、具体的には、被測定対象物２のヤング率およびポアソン比などの物性値を表す情報、歪みゲージ３のヤング率およびポアソン比などの物性値を表す情報、および被測定対象物２に加えられる予め定める力に対応する情報などを補正する情報である。測定条件記憶手段１３は、入力手段１２から与えられる補正を表す情報に基づいて、測定条件情報を補正して記憶する。次にステップａ３に移り、補正された測定条件情報に基づいて補正した第１解析モデル２２を作成し、ステップａ３〜ステップａ８までの手順を繰返す。
【００６０】
ステップａ８において、比較手段１７がひずみの差が許容誤差の範囲内であると判断した場合には、ステップａ１０に移る。
【００６１】
ステップａ１０では、解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。具体的には、解析モデル作成手段１５は、ステップａ３において作成した解析モデルから、歪みゲージ３を表す要素を除く。すなわち解析モデル作成手段１５は、ひずみの差が許容誤差の範囲内となる第１解析モデル２２から、歪みゲージ３を表す要素を除いた被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。解析モデル作成手段１５は、作成した第２解析モデル２３を解析モデル記憶手段１４に与え、ステップａ１１に移る。
【００６２】
ステップａ１１では、解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられた解析モデルを記憶し、ステップａ１２に移る。
【００６３】
ステップａ１２では、シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３に基づいて、有限要素法を用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を表示手段１８に与え、ステップａ１３に移る。
【００６４】
ステップａ１３では、表示手段１８は、シミュレーション結果を液晶表示ディスプレイに可視表示し、ステップａ１４に移る。ステップａ１４では、処理を終了する。
【００６５】
ステップａ６においてシミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと実測における歪みゲージ３のひずみとの比較を行っているが、両者のひずみは、一般的には一致しない。両者のひずみが一致しないのは、ステップａ３において解析モデル作成手段１５が作成した第１解析モデル２２が、実際の歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力を正確に模擬していないからである。第１解析モデル２２が被測定対象物２などを正確に模擬していないのは、たとえば被測定対象物２などの微細な形状を省略してメッシュモデル２１を作成し、このメッシュモデル２１を用いて第１解析モデル２２を作成するからである。また被測定対象物２に加えられる予め定める力に対応する力を、正確に見積ることができていないので、各節点に加えられる力が、実際に被測定対象物２に加えられる力を正確に模擬していないからである。また被測定対象物２および歪みゲージ３の物性値が、カタログに掲載されている値と異なる場合があり、各要素に付与された被測定対象物２および歪みゲージ３の物性値が、実際の物性値と正確に対応していない場合があるからである。特に、物性値は、被測定対象物２の形成方法および形成条件に依存するので、被測定対象物２の部位によって、カタログの値と異なる値となる。したがって、カタログに掲載されている物性値を用いたのでは、被測定対象物２および歪みゲージ３の実際の物性値を正確に表すことができない。以上述べたような原因から、初めてステップａ３において第１解析モデル２２を作成する場合には、実際の歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力を正確に模擬する第１解析モデル２２を作成することはできない。
【００６６】
ステップａ９では、第１解析モデル２２を再度作成するときに用いられる測定条件情報を補正する。この補正は、第１解析モデル２２が再度作成されたとしたならば、再度作成された第１解析モデル２２が歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力をより正確に模擬するように行われる。つまり、ステップａ９における補正に基づいて再度作成された第１解析モデル２２を用いて、再度ステップａ６においてシミュレーションを行ったときに、シミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと測定結果記憶手段１９に記憶された実測による歪みゲージ３のひずみとの差が小さくなるように、測定条件情報を補正する。この補正された測定条件情報に基づいて再度第１解析モデル２２を作成し直し、シミュレーションによる歪みゲージ３のひずみと実測における歪みゲージ３のひずみとの差が許容範囲内になるまで、ステップａ３〜ステップａ９を繰返す。この補正によって、実際の歪みゲージ３、被測定対象物２、および被測定対象物２に加えられる予め定める力を正確に模擬する第１解析モデル２２を作成することができる。
【００６７】
ステップａ１０では、解析モデル作成手段１５は、ひずみの差が許容誤差の範囲内となる第１解析モデル２２に基づいて、歪みゲージ３を表す要素を除いた被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。したがって、ステップａ１０において作成された第２解析モデル２３は、被測定対象物２を正確に模擬する。このように被測定対象物２を正確に模擬する第２解析モデル２３を用いて、被測定対象物２に予め定める力を加えたときの被測定対象物２のひずみをシミュレートするので、精度の高いシミュレーション結果が得られる。
【００６８】
またステップａ１０において作成される第２解析モデル２３は、歪みゲージ３を除いた被測定対象物２のみを模擬するので、シミュレーション結果には、歪みゲージ３の影響は表れない。したがって、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。
【００６９】
また、歪みゲージ３を用いた測定に基づいて被測定対象物２のひずみを算出するので、被測定対象物２の表面に歪みゲージ３を貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物２のひずみを推定することができる。
【００７０】
図７は、第１解析モデル２２を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２と歪みゲージ３とを表す断面図である。被測定対象物２の長手方向の両端部２４を固定し、被測定対象物２の歪みゲージ３が貼付けられた表面と反対側の表面の全面に一様な圧力を加えたときのシミュレーションを行った。図７は、変形量を見易くするために、シミュレーションによって得られた変形量よりも、変形量を大きくして表している。シミュレーション結果から、歪みゲージ３が貼付けられた位置付近の領域Ａは、他の領域に比べて被測定対象物２のひずみが小さいことがわかる。これは歪みゲージ３が被測定対象物２の補強材として働いていることを表す。被測定対象物２の歪みゲージ３から離れた部分は、歪みゲージ３が補強材として働かないので、歪みゲージ３が貼付けられた位置付近よりも大きくひずむ。
【００７１】
図８は、第２解析モデル２３を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２を表す断面図である。シミュレーションの条件は、図７に示すシミュレーション結果を得たときのシミュレーションの条件と同じである。図８は、変形量を見易くするために、シミュレーションによって得られた変形量よりも、変形量を大きくして表している。第２解析モデル２３は、第１解析モデル２２から歪みゲージ３を除いたモデルであるので、第２解析モデル２３を用いて、歪みゲージ３の補強材としての効果を除いたシミュレーションを行うことができる。シミュレーション結果から、被測定対象物２は、全体として変形することがわかる。すなわち歪みゲージ３が貼付けられた位置付近の領域Ａも、被測定対象物２の歪みゲージ３から離れた部分と同様に変形する。このように、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。
【００７２】
被測定対象物２は、樹脂材料を含んで形成され、被測定対象物２のヤング率は、ゲージのヤング率の数分の１以下であり、２０，０００ＭＰａ以下である。ヤング率が２０，０００ＭＰａ以下の柔らかい被測定対象物２に固い歪みゲージ３を貼付けて、被測定対象物２のひずみを測定すると、歪みゲージ３の補強材としての作用が測定結果に顕在化するが、本発明では、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。したがって、樹脂材料から成る柔らかい被測定対象物２であっても、正確にひずみの推定を行うことができる。
【００７３】
また歪みゲージ３を用いた測定に基づいて被測定対象物２のひずみを算出するので、被測定対象物２の表面に歪みゲージ３を貼付ける空間があればどのような空間においても被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。たとえば筐体に組み込まれた部品であれば、まず部品のひずみを歪みゲージ３を用いて測定する。この測定結果を用いて歪みゲージ３が貼付けていない状態の部品のひずみを推定するためには、シミュレーションを行う必要があるので、部品にかかる力の向きと大きさとを得る必要がある。部品にかかる力の方向は、筐体に固定される部品の固定方法から推定することができる。また部品にかかる力の大きさは、実際に測定した歪みゲージ３のひずみと、シミュレーションによって得られる歪みゲージ３のひずみとが等しくなるように固定される。これによって、部品にかかる力の向きと大きさとを得ることができ、歪みゲージ３が貼付けていない状態の部品のひずみを正確に推定することができる。部品の固定方法から部品にかかる力の向きを推定することができない場合には、部品の表面に複数枚の歪みゲージ３を貼付けて、部品の複数の方向のひずみを測定することによって、部品にかかる力の向きを推定することができる。部品のひずみを正確に推定することができるので、筐体および筐体に組み込まれる部品の機構設計の効率化を図ることができる。
【００７４】
被測定対象物２は、実施の一例として、樹脂材料を含んで形成されるとしたけれども、どのような材料から形成される物であっても、本発明を適用することができ、歪みゲージ３を貼付けていない状態の被測定対象物２のひずみを正確に推定することができる。
【００７５】
またシミュレーションは、実施の一例として有限要素法を用いて行うとしたけれども、境界要素法および差分法などを用いて行ってもよい。
【００７６】
本発明の実施の他の形態のひずみ推定装置１では、被測定対象物２のひずみの推定をより精度良く行うために、測定条件を変えて、前述したステップａ１〜ステップａ９までの手順を複数回繰返して行い、被測定対象物２のひずみの推定を行う。たとえば被測定対象物２に加えられる予め定める力を変更したり、歪みゲージ３を貼付ける位置を変更したり、歪みゲージ３を貼付ける方向を変更したりして、測定条件を変更し、測定条件を変更する毎に、被測定対象物２のひずみを測定し、各測定毎に、測定結果に基づいて前述したステップａ１〜ステップａ９までの処理を行う。
【００７７】
図９は、ひずみ推定装置１および作業者がひずみを推定する手順を示すフローチャートである。作業者がマウスおよびキーボードを操作することによって、変更した測定条件をひずみ推定装置１に入力すると、ステップｂ０からステップｂ１に移る。変更した測定条件とは、たとえば歪みゲージ３が貼付けられる予め定める位置および被測定対象物２に加えられる予め定める力に対応する力などである。
【００７８】
ステップｂ１では、入力手段１２は、入力された変更した測定条件を測定条件記憶手段１３に与える。測定条件記憶手段１３は、変更された測定条件を記憶してステップｂ２に移る。
【００７９】
ステップｂ２では、ひずみ推定装置１は、前述したステップａ１〜ステップａ９までの処理を行い、第１解析モデル２２の補正を行う。次にステップｂ３に移る。
【００８０】
ステップｂ３では、作業者がさらに第１解析モデル２２の補正を行うか否かを判断し、さらに第１解析モデル２２の補正を行うと判断した場合には、ステップｂ１に移る。作業者が、第１解析モデル２２の補正を行わないと判断した場合には、ステップｂ４に移る。
【００８１】
ステップｂ４では、解析モデル作成手段１５は、被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。具体的には、解析モデル作成手段１５は、ひずみの差が許容誤差の範囲内となる第１解析モデル２２から、歪みゲージ３を表す要素を除いた被測定対象物２のみを模擬する第２解析モデル２３を作成する。解析モデル作成手段１５は、作成した第２解析モデル２３を解析モデル記憶手段１４に与え、次にステップｂ５に移る。
【００８２】
ステップｂ５では、解析モデル記憶手段１４は、解析モデル作成手段１５から与えられた解析モデルを記憶し、ステップｂ６に移る。
【００８３】
ステップｂ６では、シミュレーション手段１６は、解析モデル記憶手段１４に記憶された第２解析モデル２３に基づいて、有限要素法を用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を表示手段１８に与え、ステップｂ７に移る。
【００８４】
ステップｂ７では、表示手段１８は、シミュレーション結果を液晶表示ディスプレイに可視表示し、ステップｂ８に移る。ステップｂ８では、処理を終了する。
【００８５】
第１解析モデル２２を補正するために補正する測定条件情報は、たとえば被測定対象物２のヤング率およびポアソン比など複数の情報を含む。したがって、１回のひずみの測定結果から得られるひずみから、これら複数の条件の補正を行うことは困難である。本実施の形態においては、ステップｂ１およびステップｂ２の処理を複数回繰返すことによって、被測定対象物２に加える力などの測定条件を変えて、各測定結果に合うように第１解析モデル２２を補正する。このように複数回のひずみの測定結果に基づいて第１解析モデル２２を補正するので、１回のひずみの測定に基づいて第１解析モデル２２を補正する場合に比べて、被測定対象物２に歪みゲージ３が貼付けられた状態をより正確に模擬する第１解析モデル２２を作成することができる。この第１解析モデル２２に基づいて、被測定対象物２を模擬する第２解析モデル２３を作成するので、第２解析モデル２３は、被測定対象物２をより正確に模擬する。被測定対象物２をより正確に模擬する第２モデルを用いて、シミュレーションを行うので、より正確に被測定対象物２のひずみを推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の一形態のひずみ推定装置１の機能的構成を示すブロック図である。
【図２】ひずみ推定装置１のハード構成を示すブロック図である。
【図３】被測定対象物２と、歪みゲージ３と、データロガー４と、ひずみ推定装置１との接続関係を模式的に示す図である。
【図４】被測定対象物２と歪みゲージ３との形状をモデル化した斜視図である。
【図５】被測定対象物２と歪みゲージ３とのメッシュモデル２１の斜視図である。
【図６】ひずみ推定装置１がひずみを推定する手順を表すフローチャートである。
【図７】第１解析モデル２２を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２と歪みゲージ３とを表す断面図である。
【図８】第２解析モデル２３を用いてシミュレーションを行ったときの被測定対象物２を表す断面図である。
【図９】ひずみ推定装置１および作業者がひずみを推定する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８７】
１ ひずみ推定装置
２ 被測定対象物
３ 歪みゲージ
７ 処理部
８ 記憶部
９ 入力部
１０ 出力部
１１ 接続部
１２ 入力手段
１３ 測定条件記憶手段
１４ 解析モデル記憶手段
１５ 解析モデル作成手段
１６ シミュレーション手段
１７ 比較手段
１８ 表示手段
１９ 測定結果記憶手段
２０ 接続手段
２１ メッシュモデル
２２ 第１解析モデル
２３ 第２解析モデル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを求め、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、
前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測によって求めた歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、
補正された第１モデルに基づいて、被測定対象物を模擬する第２モデルを作成し、
第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定することを特徴とするひずみ推定方法。
【請求項２】
前記歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する前記被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする請求項１記載のひずみ推定方法。
【請求項３】
樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする請求項２記載のひずみ推定方法。
【請求項４】
歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを記憶する記憶手段と、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデル、および被測定対象物を模擬する第２モデルを作成するモデル作成手段と、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定する算出手段と、
算出手段によって推定される被測定対象物のひずみを出力する出力手段とを含み、
前記モデル作成手段は、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測された歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、補正された第１モデルに基づいて、前記第２モデルを作成することを特徴とするひずみ推定装置。
【請求項１】
歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを求め、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデルを作成し、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、
前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測によって求めた歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、
補正された第１モデルに基づいて、被測定対象物を模擬する第２モデルを作成し、
第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定することを特徴とするひずみ推定方法。
【請求項２】
前記歪みゲージのヤング率よりも低いヤング率を有する前記被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする請求項１記載のひずみ推定方法。
【請求項３】
樹脂材料を含んで形成される被測定対象物のひずみの推定に用いられることを特徴とする請求項２記載のひずみ推定方法。
【請求項４】
歪みゲージが予め定める位置に貼付けられた被測定対象物に予め定める力を加えて、前記歪みゲージによって計測されたひずみを記憶する記憶手段と、
被測定対象物の前記予め定める位置に歪みゲージが貼付けられた状態を模擬する第１モデル、および被測定対象物を模擬する第２モデルを作成するモデル作成手段と、
第１モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみと歪みゲージのひずみとを算出し、第２モデルを用いて、被測定対象物に前記予め定める力を加えたときの被測定対象物のひずみを算出することによって被測定対象物のひずみを推定する算出手段と、
算出手段によって推定される被測定対象物のひずみを出力する出力手段とを含み、
前記モデル作成手段は、前記算出して得られた歪みゲージのひずみが、前記計測された歪みゲージのひずみに近づくように、第１モデルを補正し、補正された第１モデルに基づいて、前記第２モデルを作成することを特徴とするひずみ推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１１４０６１（Ｐ２００７−１１４０６１Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０６１７１（Ｐ２００５−３０６１７１）
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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