スプリットホプキンソン圧力バー

スプリットホプキンソン圧力バー( SHPB ) は、バートラム ホプキンソンにちなんで名付けられ、コルスキー バーとも呼ばれ、材料の動的応力-ひずみ応答をテストするための装置です。

ホプキンソン圧力棒は、金属棒内の応力パルスの伝播を測定する方法として、1914年にバートラム・ホプキンソンによって初めて提案されました^{[1] 。その後、1949年にハーバート・コルスキー[2]}は、ホプキンソンの手法を改良し、現在ではスプリット・ホプキンソン棒として知られる2本のホプキンソン棒を直列に接続して応力とひずみを測定しました。これには、圧力棒内の圧力波の伝播を記録するための電気コンデンサーユニットと組み合わせた陰極線 オシロスコープの進歩が組み込まれており、これは1年前の1948年にリシアート・モーガン・デイビスによって開拓されました^[3]。

その後の改良により、引張、圧縮、ねじりのテストが可能になりました。

スプリットホプキンソン圧力バーには現在さまざまな設定と技術が使用されていますが、試験と測定の基本原理は同じです。試験片は、入射バーと透過バーと呼ばれる2本の直線バーの端の間に配置されます。^[4]入射バーの端（試験片から少し離れた場所、通常は遠端）で応力波が生成され、バーを通って試験片に向かって伝播します。この波は入射波と呼ばれ、試験片に到達すると2つの小さな波に分割されます。そのうちの1つである透過波は、試験片を通過して透過バーに入り、試験片に塑性変形を引き起こします。もう1つの波は反射波と呼ばれ、試験片から反射され、入射バーに沿って戻ります。^[5]

最新の装置では、バーにひずみゲージを取り付けて、波によるひずみを測定します。試験片の変形が均一であると仮定すると、入射波、透過波、反射波の振幅から応力とひずみを計算できます。^[6]

圧縮試験では、2本の対称バーが直列に配置され、その間にサンプルが置かれます。試験中、入射バーはストライカーバーによって打たれます。ストライカーバーはガスガンから発射されます。伝達バーは運動量トラップ（通常は軟質金属のブロック）と衝突します。ひずみゲージは入射バーと伝達バーの両方に取り付けられています。^[6]

スプリット ホプキンソン圧力バー (SHPB) での引張試験は、荷重方法のバリエーションと入射バーおよび伝達バーへの試験片の取り付けのため、より複雑です。^[7] 最初の引張バーは、1960 年に Hardingらによって設計およびテストされました。この設計では、ヨークに接続された中空のウェイト バーと、ウェイト バー内のねじ付き試験片が使用されました。ウェイト バーにラムを衝突させ、初期圧縮波を自由端で引張波として反射させることで、引張波が生成されました。^[8] SHPB 設計のもう 1 つのブレークスルーは、一般的な圧縮セットアップと、入射端と伝達端の両方にねじ付き金属試験片を使用し、試験片の上に複合カラーを配置した Nichols によって達成されました。初期圧縮波をバイパスするため、試験片は入射側と伝達側にぴったりとフィットしました。Nichols のセットアップでは、ストライカーが入射端に衝突することで初期圧縮波が生成されますが、圧縮波が試験片に到達してもねじには荷重がかかりません。圧縮波は理想的には複合カラーを通過し、張力を受けた自由端で反射します。そして、引張波が試験片を引っ張ります。^[7]次の荷重方法は、1984年に小川によって革命的なものでした。中空のストライカーを使用して、入射バーの端にねじ山が付いたフランジに衝突しました。このストライカーは、ガスガンまたは回転ディスクを使用して推進されました。試験片は、再びねじ山を介して入射バーと伝達バーに接続されました。^[9]

引張試験と同様に、SHPB で材料をねじり試験する場合、試験片の取り付けと荷重にはさまざまな方法があります。

荷重を加える方法の1つに、蓄積トルク法と呼ばれる方法があります。これは、入射バーの中央部分をクランプし、自由端にトルクを加える方法です。クランプを突然解放すると入射波が生成され、試験片に向かってねじり波が送られます。^[5]

爆発荷重法と呼ばれる別の荷重法では、入射バーの自由端に爆薬を装填して入射波を作ります。この方法は、各爆薬が入射バーに等しい衝撃を与える必要があり（曲げのない純粋なねじりを作るため）、両方が同時に爆発する必要があるため、誤差に特に敏感です。爆発荷重法ではきれいな入射波が作られる可能性も低く、試験全体にわたってひずみ率が不均一になる可能性があります。ただし、この方法には、蓄積トルク法に比べて立ち上がり時間が非常に短いという利点があります。^[10]

• 機械工学の歴史的ランドマークのリスト

• スプリットホプキンソンバーの理論に関する論文
• 高ひずみ速度における材料の挙動の実験的調査に関するシンポジウム「コルスキー バー – 50 年後」
• 研究施設向けのスプリット ホプキンソン バー試験および構築のリソースに関するパンフレット。