JP2011137667A - Method and apparatus for testing indentation - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new indentation testing apparatus. <P>SOLUTION: The indentation testing apparatus is employed to push an indenter in a sample and has a corresponding indentation strain calculator for calculating the corresponding indentation strain of the sample using the thickness of the sample and a non-linear physical property calculator for calculating the non-linear physical property values of the sample using the corresponding indentation strain. Herein, a viscoelastic material can be employed as the sample. Further, non-linear physical property values in a three-element solid model can be calculated as the non-linear physical property values. That is, the Young's modulus of an elastic part, the viscosity compliance of the viscoelastic part and the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part can be calculated as the non-linear physical property values. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な押込試験方法に関する。また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置に関する。   The present invention relates to a novel indentation test method. The present invention also relates to a novel indentation test apparatus using the above indentation test method.

標準的な材料試験法は、これまで生体の様々な器官の力学的特性を求める試験などに応用されてきたが、倫理上の問題解決のためヒトの物性計測に適したin situ 計測法への発展が期待されている。   Standard material testing methods have been applied to the tests to determine the mechanical properties of various organs in the living body, but in order to solve ethical problems, in-situ measurement methods suitable for human physical property measurement have been developed. Development is expected.

そこで、試料を切り出さずに物性値を計測できる球圧子押込試験において、発明者はヤング率を試料の厚さに依らず計測する相当押込ひずみの概念を導入した方法を提案し、これにより高分子材料や生体軟組織などの軟材料で低侵襲な計測が可能であることを示した(非特許文献1参照)。   Therefore, in the ball indenter indentation test that can measure the physical property value without cutting out the sample, the inventor proposed a method that introduced the concept of equivalent indentation strain that measures the Young's modulus regardless of the thickness of the sample. It was shown that minimally invasive measurement is possible with soft materials such as materials and soft tissues of living organisms (see Non-Patent Document 1).

ここで、さらにこれら軟材料の粘弾性挙動を評価する場合に関しては、一般化粘弾性モデル等の多要素力学的モデルなどの有効性が知られており、他にも種々の構成モデルが検討されている。この中でも3要素固体モデルは、構成要素が少なくFEMへの適用が比較的容易であり、生体の高精度な数値シミュレーションに有効なモデルとされている(非特許文献2,3参照)。   Here, regarding the case of evaluating the viscoelastic behavior of these soft materials, the effectiveness of a multi-element mechanical model such as a generalized viscoelastic model is known, and various other constitutive models have been studied. ing. Among them, the three-element solid model has few components and is relatively easy to apply to FEM, and is an effective model for highly accurate numerical simulation of a living body (see Non-Patent Documents 2 and 3).

このシミュレーションの高精度化法としては、さらに3要素固体モデルにおいて3つの異なるひずみ速度による単軸引張試験結果から非線形な物性値を同定する方法が提案されており、生体軟組織の粘弾性挙動評価での有効性が確認されている(非特許文献4参照)。   As a method for improving the accuracy of this simulation, a method for identifying nonlinear physical property values from uniaxial tensile test results at three different strain rates in a three-element solid model has been proposed. Has been confirmed (see Non-Patent Document 4).

M. Tani, A. Sakuma and M. Shinomiya, Evaluation of Thickness and Young's Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.755, (2009), pp.901-908. (in Japanese)M. Tani, A. Sakuma and M. Shinomiya, Evaluation of Thickness and Young's Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.755, (2009) , pp.901-908. (in Japanese) E. Nakamachi, K. Furukawa, N. Shiomura and Y. Itou, Development of a Multi-Scale Finite Element Analysis Code by Using a Micro Nerve Cell Model for Brain Injury Prediction, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.73, No.733, (2007), pp.1087-1094. (in Japanese)E. Nakamachi, K. Furukawa, N. Shiomura and Y. Itou, Development of a Multi-Scale Finite Element Analysis Code by Using a Micro Nerve Cell Model for Brain Injury Prediction, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.73, No.733, (2007), pp.1087-1094. (In Japanese) H. Kuramae, Y. Itou, Y. Uetsuji and E. Nakamachi, A Multi-Scale Finite Element Crash Analysis for Head Injury Prediction by Employing a Micro Blood Vessel Model, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.74, No.741, (2008), pp.749-756. (in Japanese)H. Kuramae, Y. Itou, Y. Uetsuji and E. Nakamachi, A Multi-Scale Finite Element Crash Analysis for Head Injury Prediction by Employing a Micro Blood Vessel Model, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol. 74, No.741, (2008), pp.749-756. (In Japanese) M. Ogasawara, A. Sakuma, T. Tadomi, E. Yanagisawa and M. Tani, Valuation Technique of Nonlinear Parameters in Three-Element Solid Model and Its Application to Biological Soft Tissue, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.750, (2009), pp.251-258. (in Japanese)M. Ogasawara, A. Sakuma, T. Tadomi, E. Yanagisawa and M. Tani, Valuation Technique of Nonlinear Parameters in Three-Element Solid Model and Its Application to Biological Soft Tissue, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A , Vol.75, No.750, (2009), pp.251-258. (In Japanese)

しかしながら、非特許文献4記載の方法では最も標準的な引張試験を用いるため低侵襲での計測が困難であるという問題がある。   However, the method described in Non-Patent Document 4 has a problem that it is difficult to perform measurement with minimal invasiveness because the most standard tensile test is used.

そのため、このような課題を解決する、新規な押込試験方法および押込試験装置の開発が望まれている。   Therefore, development of a novel indentation test method and indentation test apparatus that solves such problems is desired.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な押込試験方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a novel indentation test method.
Another object of the present invention is to provide a novel indentation test apparatus using the above indentation test method.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の押込試験方法は、試料に圧子を押込む押込試験方法において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出し、前記相当押込ひずみを用いて試料の非線形物性値を算出することを特徴とする。   In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, the indentation test method of the present invention calculates the equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness in the indentation test method of indenting the sample into the sample, The nonlinear physical property value of the sample is calculated using the equivalent indentation strain.

ここで、限定されるわけではないが、試料は粘弾性体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、非線形物性値は3要素固体モデルにおける非線形物性値であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、非線形物性値は、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率であることが好ましい。   Here, although not necessarily limited, the sample is preferably a viscoelastic body. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the nonlinear physical property value is a nonlinear physical property value in a three-element solid model. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a nonlinear physical property value is the Young's modulus of an elastic part, the viscosity compliance of a viscoelastic part, and the Young's modulus of the elastic part in a viscoelastic part.

本発明の押込試験装置は、試料に圧子を押込む押込試験装置において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、前記相当押込ひずみを用いて試料の非線形物性値を算出する非線形物性値算出部を有することを特徴とする。   The indentation test apparatus according to the present invention is an indentation test apparatus for indenting an indenter into a sample, an equivalent indentation strain calculating unit for calculating an equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness, and a nonlinear of the sample using the equivalent indentation strain. It has a non-linear property value calculation unit for calculating a property value.

ここで、限定されるわけではないが、試料は粘弾性体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、非線形物性値は3要素固体モデルにおける非線形物性値であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、非線形物性値は、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率であることが好ましい。   Here, although not necessarily limited, the sample is preferably a viscoelastic body. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the nonlinear physical property value is a nonlinear physical property value in a three-element solid model. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a nonlinear physical property value is the Young's modulus of an elastic part, the viscosity compliance of a viscoelastic part, and the Young's modulus of the elastic part in a viscoelastic part.

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。   The present invention has the following effects.

本発明の押込試験方法は、試料に圧子を押込む押込試験方法において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出し、前記相当押込ひずみを用いて試料の非線形物性値を算出するので、新規な押込試験方法を提供することができる。   In the indentation test method of the present invention, in the indentation test method in which an indenter is indented into a sample, the equivalent indentation strain of the sample is calculated using the sample thickness, and the nonlinear physical property value of the sample is calculated using the equivalent indentation strain. A new indentation test method can be provided.

本発明の押込試験装置は、試料に圧子を押込む押込試験装置において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、前記相当押込ひずみを用いて試料の非線形物性値を算出する非線形物性値算出部を有するので、新規な押込試験装置を提供することができる。   The indentation test apparatus according to the present invention is an indentation test apparatus for indenting an indenter into a sample, an equivalent indentation strain calculating unit for calculating an equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness, and a nonlinear of the sample using the equivalent indentation strain. Since it has the nonlinear physical property value calculation part which calculates a physical property value, a novel indentation test apparatus can be provided.

押込変形は接触変形と圧縮変形の重ね合わせであると考えられることを説明する図である。It is a figure explaining that indentation deformation | transformation is considered to be a superposition of contact deformation and compression deformation. 本発明に用いる3要素固体モデルを示す図である。It is a figure which shows the 3 element solid model used for this invention. 一定ひずみに至ると変形を停止させる、粘弾性材料の引張試験において、負荷過程における応力上昇と停止後の応力緩和を示す図である。It is a figure which shows the stress increase in a load process, and the stress relaxation after a stop in the tension test of a viscoelastic material which stops a deformation | transformation when it reaches a fixed strain. 極低速条件での実験から得られる基準データに含まれる応力緩和の影響を補正する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of correct | amending the influence of the stress relaxation contained in the reference data obtained from the experiment on very low speed conditions. 押込試験機の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of an indentation testing machine. (a)は、球圧子押込試験と引張試験とにより供試材の3要素固体モデルにおける非線形物性値を同定した結果を示す図であり、(b)は、3要素固体モデルにおいて2つの弾性要素のみの直列接続モデルを考え、弾性部ヤング率および粘弾性部ヤング率の同定結果のみで評価したものを示す図である。(a) is a figure which shows the result of having identified the nonlinear physical property value in the 3 element solid model of a test material by a ball indenter indentation test and a tensile test, (b) is a figure which shows two elastic elements in a 3 element solid model It is a figure which shows what was evaluated only by the identification result of the elastic part Young's modulus and the viscoelastic part Young's modulus, considering only the serial connection model. 3つの異なるひずみ速度で所定ひずみまで引張負荷した上で、さらに引張停止後の応力緩和過程も観察した実験と数値シミュレーションの応力曲線を示す図である。It is a figure which shows the stress curve of the experiment and numerical simulation which also observed the stress relaxation process after tension | pulling stop, after carrying out the tension load to the predetermined strain at three different strain rates.

以下、押込試験方法および押込試験装置にかかる発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention relating to the indentation test method and the indentation test apparatus will be described.

押込試験方法は、試料に圧子を押込む押込試験方法において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出し、前記相当押込ひずみを用いて試料の非線形物性値を算出する方法である。   The indentation test method is a method of calculating the equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness and calculating the nonlinear physical property value of the sample using the equivalent indentation strain in the indentation test method in which an indenter is indented into the sample.

押込試験装置は、試料に圧子を押込む押込試験装置において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、前記相当押込ひずみを用いて試料の非線形物性値を算出する非線形物性値算出部を有する装置である。   The indentation test apparatus is an indentation test apparatus that indents an indenter into a sample, an equivalent indentation strain calculation unit that calculates the equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness, and a nonlinear physical property value of the sample using the equivalent indentation strain. It is an apparatus having a nonlinear physical property value calculation unit for calculating.

試料としては粘弾性体を採用することができる。非線形物性値としては、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率を採用することができる。   A viscoelastic body can be adopted as the sample. As the nonlinear physical property value, the Young's modulus of the elastic part, the viscosity compliance of the viscoelastic part, and the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part in the three-element solid model can be adopted.

なお、本明細書の文章において、英文字記号にハット記号を付すものを「(英文字記号)ハット」と記載し、英文字記号にオーバーラインを付すものを「(英文字記号)オーバーライン」と記載し、英文字記号にオーバードットを付すものを「(英文字記号)オーバードット」と記載し、英文字記号にオーバードットラインを付すものを「(英文字記号)オーバードットライン」と記載する。   In the text of this specification, “(English character symbol) hat” refers to an English character symbol with a hat symbol, and “(English character symbol) overline” refers to an English character symbol with an overline. The one with an overdot in an English character symbol is described as “(English character symbol) overdot”, and the one with an overdot line in an English character symbol is described as “(English character symbol) overdot line”. To do.

球圧子押込試験と粘弾性挙動評価について説明する。まず、球圧子押込試験によるヤング率計測について説明する[1]。図1に示すように、剛体上に固定された有限体試料への球圧子押込試験による押込変形を、接触変形と圧縮変形の重ね合わせと考える。このとき、接触部中央での等価的な単軸ひずみを表す相当押込ひずみ(equivarent indenation strain)εオーバーラインを次式で定義する。   The ball indenter indentation test and viscoelastic behavior evaluation will be described. First, the Young's modulus measurement by the ball indenter indentation test is explained [1]. As shown in FIG. 1, indentation deformation by a ball indenter indentation test to a finite sample fixed on a rigid body is considered as superposition of contact deformation and compression deformation. At this time, an equivalent indentation strain ε overline representing an equivalent uniaxial strain at the center of the contact portion is defined by the following equation.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この第1 項は球圧子による接触変形を表現し、Hertzの弾性接触理論によるHertzひずみ(Hertz strain)として次式とする。   This first term expresses contact deformation due to the ball indenter, and is expressed as the following equation as Hertz strain according to Hertz's elastic contact theory.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ここで、φとδはそれぞれ球圧子の直径と押込量、νは試料のポアソン比である。また第2項は、球圧子と剛体の間で生じる圧縮変形の領域体積の変化率を表すものとして、試料厚さh を用いて次式で表現する。   Here, φ and δ are the diameter and indentation amount of the ball indenter, respectively, and ν is the Poisson's ratio of the sample. The second term expresses the rate of change of the area volume of the compressive deformation that occurs between the ball indenter and the rigid body, and is expressed by the following equation using the sample thickness h.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

このとき、試料のヤング率EはHertz の弾性接触理論とHooke則から次式で求められる。   At this time, the Young's modulus E of the sample is obtained by the following equation from Hertz's elastic contact theory and Hooke's law.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ここで、剛体上に置かれた試料厚さhの有限体試料への押込荷重Fハット は半無限体試料への場合より大きくなり、この影響を相当押込ひずみεオーバーライン によって考慮することでその厚さhに依らずヤング率Eが計測できる。また本計測法では、押込量δによってヤング率が変化するひずみ依存性も計測できる可能性が示唆されている[1]。   Here, the indentation load F-hat on the finite sample with the sample thickness h placed on the rigid body is larger than that on the semi-infinite sample, and this effect is considered by considering the equivalent indentation strain ε overline. The Young's modulus E can be measured regardless of the thickness h. In addition, this measurement method suggests the possibility of measuring the strain dependence in which the Young's modulus changes with the indentation amount δ [1].

3要素固体モデルの非線形物性値の同定[2]について説明する。高分子材料や溶液を含んだ固体等における変形問題は、粘性現象と弾性現象が併存する課題である。本発明では、図2に示す3要素固体モデルで構成式を考える。この図中の添え字e,v,veはそれぞれ弾性部、粘弾性部、粘弾性部中の弾性部を表し、ヤング率をE、粘性コンプライアンスをCとする。まずこのモデルの構成関係式として、全ひずみ速度εオーバードットは、弾性部ひずみ速度εオーバードットおよび粘弾性部ひずみ速度εvオーバードット の和として、以下のように示すことができる。 The identification [2] of the nonlinear physical property value of the three-element solid model will be described. The problem of deformation in a polymer material or a solid containing a solution is a problem in which a viscous phenomenon and an elastic phenomenon coexist. In the present invention, a constitutive equation is considered in the three-element solid model shown in FIG. The subscripts e, v, and ve in this figure represent an elastic part, a viscoelastic part, and an elastic part in the viscoelastic part, respectively, where Young's modulus is E and viscous compliance is C. First as a relational expression of this model, the total strain rate epsilon over dots as the sum of the elastic portions strain rate epsilon e over dots and viscoelastic unit strain rate epsilon v over dots can be illustrated as follows.

Figure 2011137667
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また各構成要素について、それぞれ以下のような関係が成立している。   In addition, the following relationships are established for each component.

Figure 2011137667
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Figure 2011137667
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Figure 2011137667
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ただし、σ,σオーバードット,σveとσveオーバードットはそれぞれ応力、応力速度、粘弾性部の応力とその速度を表すものとする。またここで用いる物性値に関しては、粘弾性材料の複雑な非線形挙動を表現することを目的として、状態量の関数形で表すこととする。この状態量としては、本来ならば変形に関係のある保存力に相当する量などを採用すべきであるが、簡便性から本発明ではひずみεeおよびεvを考える。つまり各物理量がこれらのひずみεevへの依存性を有した関数形として、それぞれ弾性部ヤング率Eee)、粘弾性部ヤング率Evev)および粘性コンプライアンスC(εv)で表すものとする。 However, σ, σ overdot, σve and σve overdot respectively represent stress, stress rate, stress in the viscoelastic part and its rate. In addition, the physical property values used here are expressed in a function form of a state quantity for the purpose of expressing a complicated nonlinear behavior of the viscoelastic material. As this state quantity, an amount corresponding to a storage force related to deformation should be adopted, but strains ε e and ε v are considered in the present invention for simplicity. In other words, each physical quantity has a function form having dependence on these strains ε e and ε v, and elastic Young's modulus E ee ), viscoelastic Young's modulus E vev ) and viscous compliance C, respectively. It shall be represented by (ε v ).

式(5)〜(8)で挙動が表現できる粘弾性材料では、一定ひずみに至ると変形を停止するような引張試験の場合、図3の実線のような負荷過程における応力上昇と破線のような停止後の応力緩和を想定できる。ここで物性値の同定手順として、次式の関係を持つ3つのひずみ速度εIオーバードット(I=α,β,γ)を考える。 In the case of a viscoelastic material whose behavior can be expressed by equations (5) to (8), in a tensile test where the deformation stops when a certain strain is reached, the stress rise in the loading process as shown by the solid line in FIG. Can be assumed to relax the stress after a stop. Here, as a physical property identification procedure, three strain rates ε I overdots (I = α, β, γ) having the following relationship are considered.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この関係は、比較的高速な異なる2つのひずみ速度εαオーバードット,εβオーバードットと、これらに比べ極めて低いひずみ速度εγオーバードットからなっている。この時、応力応答曲線はひずみ速度εIオーバードットが高くなるにつれて停止時の応力ピーク値が高くなるが、極低速なひずみ速度εγオーバードットは応力ピークおよび応力緩和が観察できない、すなわち粘性が無視できる条件を理想とする。この限りなく0に近いが0では無い極低速の理想条件の関係を、本発明では次の様に表す。 This relationship is made from a relatively fast two different strain rates epsilon alpha over dots, and epsilon beta over dot, very low strain rate epsilon gamma-over dot compared thereto. At this time, although the stress response curve becomes high stress peak at stop as strain rate epsilon I over dot becomes higher, the very slow strain rate epsilon gamma-over dots can not be observed stress peaks and stress relaxation, i.e. the viscosity The conditions that can be ignored are ideal. In the present invention, the relationship between the ideal conditions of extremely low speed that is close to 0 but not 0 is shown as follows.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

図3の3つのひずみ速度εIオーバードットから得られる応力曲線について、これらを点線の様に区切って応力レベルをσkからσk+1とする増分過程における関係を考える。この応力レベルがσkからσk+1までの過程において、ひずみ速度εIオーバードットは構成式(5) から次式のように弾性部ひずみ速度εe Ikオーバードットと粘弾性部ひずみ速度εv Ikオーバードットの和で表現することができる。 Stress curves obtained from three strain rate epsilon I over dots in FIG. 3, consider these relationships in incremental process of separated by a dotted line in such a stress level from sigma k and σ k + 1. In the process of this stress level from σ k to σ k + 1 , the strain rate ε I overdot is calculated from the constitutive equation (5) as follows: Elastic part strain rate ε e Ik overdot and viscoelastic part strain rate ε v Can be expressed as the sum of Ik overdots .

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この弾性部ひずみεe Ikおよび粘弾性部ひずみεv Ikは、この過程での時間増分ΔtIk+1を用いて次の関係で定義する。 The elastic part strain ε e Ik and the viscoelastic part strain ε v Ik are defined by the following relationship using the time increment Δt Ik + 1 in this process.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

Figure 2011137667
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ここで、弾性部ひずみεe Ikが、ひずみ速度εIオーバードットに依存しない3要素固体モデルの特性から、εe αke βke γkの関係が成立する。このときヤング率Eeについては、次に示す関係が成立している。 Here, the relationship of ε e αk = ε e βk = ε e γk is established from the characteristics of the three-element solid model in which the elastic portion strain ε e Ik does not depend on the strain rate ε I overdot . At this time, the following relationship holds for the Young's modulus E e .

Figure 2011137667
Figure 2011137667

このヤング率Eee Ik)については、応力増分Δσk+1と時間増分ΔtIk+1から定義する応力速度σIkオーバードット:=Δσk+1/ΔtIk+1を用い、併せて式(6) に式(5),(8)を代入することによって次式が導出できる。 For this Young's modulus E ee Ik ), the stress rate σ Ik overdot defined by the stress increment Δσ k + 1 and time increment Δt Ik + 1 : = Δσ k + 1 / Δt Ik + 1 Thus, the following equation can be derived by substituting equations (5) and (8) into equation (6).

Figure 2011137667
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また本発明では、応力σk+1オーバーラインは増分区間の基準応力とし、応力増分Δσk+1の過程で線形関係を仮定した平均応力σk+1オーバーライン=(σk+1k)/2とする。この基準応力σk+1オーバーラインは、ひずみ速度εIオーバードットに依らない値となる。さらに粘弾性部の応力σve Ikは、式(7)より導出できる関係とする。 In the present invention, the stress σ k + 1 overline is the reference stress in the increment interval, and the average stress σ k + 1 overline = (σ k + 1 + σ assuming a linear relationship in the process of the stress increment Δσ k + 1 is used. k ) / 2. This reference stress σ k + 1 overline is a value that does not depend on the strain rate ε I overdot. Furthermore, the stress σ ve Ik of the viscoelastic part has a relationship that can be derived from Equation (7).

ここで、負荷開始k=0の状態に応力増分Δσ1を与えて応力レベルをσ0からσ1とする条件を考える。まず弾性部ヤング率Eeについて、ひずみ速度εαオーバードット,εβオーバードットに関してそれぞれ次式が定義できる。 Here, a condition is considered in which the stress level Δσ 1 is given to the state of the load start k = 0 to change the stress level from σ 0 to σ 1 . For first elastic portion Young's modulus E e, respectively it can be defined the following equation with respect to strain rate epsilon alpha over dot, epsilon beta over dots.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

Figure 2011137667
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この負荷開始時では、ひずみが生じていないことかε=0であるため弾性部ひずみではεe α0e β0=0の関係が成立し、これに併せて弾性部ヤング率Eeには次の関係が成立する。 At the beginning of this load, since there is no strain or ε = 0, the relationship of ε e α0 = ε e β0 = 0 holds in the elastic portion strain, and accordingly, the elastic portion Young's modulus E e The following relationship holds.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

また粘弾性部ひずみではεv α0v β0=0の関係が成立することから、粘性コンプライアンスCには次の関係が成立する。 Further, since the relationship of ε v α0 = ε v β0 = 0 holds in the viscoelastic part strain, the following relationship holds in the viscosity compliance C.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ここで式(16),(17)および式(19)を式(18)に代入することで、粘性コンプライアンスC(0)は以下のように導出することができる。   Here, by substituting Equations (16), (17), and (19) into Equation (18), the viscous compliance C (0) can be derived as follows.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

一方、式(16),(19)および(20)を式(18) に代入することで、弾性部ヤング率Ee(0)は次の関係で導出できる。 On the other hand, by substituting Equations (16), (19), and (20) into Equation (18), the elastic Young's modulus E e (0) can be derived from the following relationship.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

これらの結果から、粘性コンプライアンスC(0)と弾性部ヤング率Ee(0)は、比較的高速なひずみ速度εαオーバードット,εβオーバードットの2つの実験結果から導出可能なことが分かる。さらに粘弾性部ヤング率Eveについては、極低速条件εγオーバードット〜0と式(8) から得られるσ≒σveすなわちσオーバードット≒ σveオーバードットとなる関係、および式(21) で求められた弾性部ヤング率Ee(0)を式(5)〜(7)の関係へ適用する事によって、次式が定義できる。 These results, viscous compliance C (0) and the elastic portion Young's modulus E e (0), it is seen derivable from a relatively fast strain rate epsilon alpha over dot, two experimental results of epsilon beta over dot . Furthermore, for the viscoelastic part Young's modulus E ve , the relationship of σ ≒ σ ve obtained from the extremely low speed condition ε γ overdot ~ 0 and equation (8), that is, σ over dot ≒ σ ve overdot , and equation (21) The following equation can be defined by applying the elastic part Young's modulus E e (0) obtained in (5) to the relationships of equations (5) to (7).

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ここで、Eγ0は実験から得られる極低速なひずみ速度εγオーバードットの応力−ひずみ曲線の傾きであって、この時のひずみ増分Δεγ1:=εγオーバードットΔtγ1からEγ0:=Δσ1/Δεγ1とする。この式(22)は、3要素固体モデルが極低速では弾性部ヤング率Eeと粘弾性部ヤング率Eveの2つの要素の直列モデルで近似できる性質を表したものである。以上の結果より、負荷開始時の物性値Ee(0),Eve(0),C(0)を3つのひずみ速度εIオーバードット(I=α,β,γ)の実験結果から導出・定義できる。 Here, E γ0 is the slope of the stress-strain curve of the very low strain rate ε γ overdot obtained from the experiment, and the strain increment Δε γ1 : = ε γ overdot Δt γ1 to E γ0 : = Let Δσ 1 / Δε γ1 . This equation (22) represents the property that the three-element solid model can be approximated by a series model of two elements of an elastic part Young's modulus E e and a viscoelastic part Young's modulus E ve at a very low speed. From the above results, the physical property values E e (0), E ve (0), C (0) at the start of loading are derived from the experimental results of three strain rates ε I overdots (I = α, β, γ).・ Can be defined.

次に、負荷過程k≧1の区間について考える。このとき弾性部に関して、ヤング率EeについてはEee αk)=Eee βk)が式(14)に示す関係から成立する。一方の粘弾性部については、ひずみ速度εαオーバードットとεβオーバードットの2つの条件から得られる次の応力レベルσkの粘性コンプライアンスC(εv αk),C(εv βk)と基準となる粘性コンプライアンスC(εv k-1)の関係を明らかに出来れば、その関係と式(15),(16) から粘性コンプライアンスCの値を求められる。ここで、k-1番目の応力レベルσk-1で基準となる粘弾性部ひずみεv k-1に最高ひずみ速度εαオーバードットの条件から得られる値を採用して Next, consider a section where the load process k ≧ 1. At this time, with regard to the elastic portion, E ee αk ) = E ee βk ) holds for the Young's modulus E e from the relationship shown in Expression (14). For one viscoelastic unit, viscous compliance Cv αk) of the following stress levels sigma k obtained from the two conditions of strain rate epsilon alpha over dots and epsilon beta over dot, C (ε v βk) and reference If the relationship of the viscous compliance C (ε v k-1 ) is clarified, the value of the viscosity compliance C can be obtained from the relationship and the equations (15) and (16). Here, the value obtained from the condition of the maximum strain rate ε α overdot is adopted as the reference viscoelastic part strain ε v k-1 at the k-1th stress level σ k-1.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

と定義し、次の基準となる粘弾性部ひずみεv kにおける粘性コンプライアンスC(εv k)を定義するものとする。このとき本発明では、簡便性から2つのひずみ速度εαオーバードットとεβオーバードットに関する粘性コンプライアンスCにおいて線形関係を仮定し、次式に示す関係を考える。 And the viscous compliance C (ε v k ) at the viscoelastic part strain ε v k as the next standard is defined. In the present invention this time, assuming a linear relationship in the viscous compliance C for the two strain rate epsilon alpha over dots and epsilon beta over dot from simplicity, consider the relationship shown in the following equation.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この式(24) について、式(14) と(15) から得られる関係   For this equation (24), the relationship obtained from equations (14) and (15)

Figure 2011137667
Figure 2011137667

へ代入することで、粘性コンプライアンスC(εv k)を次のように定義することができる。 By substituting into, the viscous compliance C (ε v k ) can be defined as follows.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ここで、係数Rkは次の関係である。 Here, the coefficient R k has the following relationship.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

また弾性部のヤング率Eee k)については、式(14)、(15)および(26)の関係を用いることによって、次式で定義できる。 The Young's modulus E ee k ) of the elastic part can be defined by the following equation by using the relationships of equations (14), (15), and (26).

Figure 2011137667
Figure 2011137667

さらに粘弾性部ヤング率Evev k)も、複数のひずみ速度条件間での関係を明らかにしてその値を求めるため、2つのひずみ速度εαオーバードット,εγオーバードットに関する値Evev αk),Evev γk)について、簡便な線形関係を仮定した次に示す関係を考える。 Further viscoelastic portion Young's modulus E vev k) is also to determine its value by clarifying the relationship between a plurality of strain rate conditions, two strain rate epsilon alpha over dots, values for epsilon gamma-over dot E Consider the following relationship assuming a simple linear relationship for vev αk ) and E vev γk ).

Figure 2011137667
Figure 2011137667

また極低速条件εγオーバードット〜0から、上述したと同様の手順によって、粘弾性部ヤング率Evev γk)は応力−ひずみ曲線の傾きEγk:=Δσk+1/Δεγk+1を用いて次式が定義できる。 From the very low speed condition ε γ overdot to 0, the viscoelastic section Young's modulus E vev γk ) is the slope of the stress-strain curve E γk : = Δσ k + 1 / Δε γk by the same procedure as described above. The following equation can be defined using +1 .

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この式(29) と(30) の関係から、粘弾性部ヤング率Evev k) が次式で定義できる。 From the relationship between the equations (29) and (30), the viscoelastic part Young's modulus E vev k ) can be defined by the following equation.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ここで、実験データについて複数の応力σkで区切って考えるとき、増分区間kは区間k-1の結果を基にして、次式によりεv Ikは導出する。 Here, when the experimental data is considered divided by a plurality of stresses σ k , the increment interval k is derived from the result of the interval k−1, and ε v Ik is derived by the following equation.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

応力σkの各ひずみ速度から得られる値に関して、その基準値として本発明では最高ひずみ速度εαオーバードットの条件から得られる値を採用し、粘弾性部ひずみεv k-1については次式とする。 With respect to the value obtained from each strain rate of the stress σ k, the present invention adopts the value obtained from the condition of the maximum strain rate ε α overdot as the reference value, and the viscoelastic part strain ε v k-1 is And

Figure 2011137667
Figure 2011137667

ただし、負荷開始時ではひずみが生じていないため、粘弾性部ひずみはεv 0=0が成立する。
ひずみ速度εIオーバードットについて試験過程における速度変動にも対応させる目的で、次式のように増分区間kごとに導出して同定法へ適用する。
However, since no strain is generated at the start of loading, ε v 0 = 0 holds for the viscoelastic portion strain.
The strain rate ε I overdot is derived for each incremental section k and applied to the identification method as shown in the following equation in order to deal with the speed fluctuation in the test process.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

応力速度σIkオーバードットにはσIkオーバードット=Δσk+1/ΔtIk+1の関係を用いる。
粘弾性部内の弾性部応力σve Ikについては、次式を用いて導出する。
The stress rate sigma Ik over dots using the relation sigma Ik over dot = Δσ k + 1 / Δt Ik + 1.
The elastic part stress σ ve Ik in the viscoelastic part is derived using the following equation.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この物性値同定法は、上述の通りk=0での初期値を用いてk=1の値を導出し、この結果を用いてk=2での値を導出する手順の繰り返しにより連続的な値を得る。なおΔεv Ikは次式を用いる。右辺カッコ内第1項「σkオーバーライン」は増分区間内の基準応力である。 In this physical property value identification method, as described above, the initial value at k = 0 is used to derive the value of k = 1, and this result is used to repeat the procedure for deriving the value at k = 2. Get the value. Note that Δε v Ik uses the following equation. The first term “σ k overline” in the right parenthesis is the reference stress in the increment interval.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

I=β,γの場合、式(21),(22),(28),(31)は以下のようになる。3要素固体モデルの各物性値の非線形性はひずみ依存性で表現する。負荷開始であるk=0ではひずみが生じていないこととすると、k=0においては次式を考えることができる。   In the case of I = β, γ, the equations (21), (22), (28), (31) are as follows. The nonlinearity of each physical property value of the three-element solid model is expressed by strain dependence. Assuming that no distortion occurs at k = 0 when the load starts, the following equation can be considered at k = 0.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

Figure 2011137667
Figure 2011137667

よってI=β,γにおけるEe,Eveも式(21),(22)で導出される。
次に、式(28),(31)について、k=1,2,3…においても等しい応力レベルで各物性値を同定するため、応力レベルkにおける弾性部ひずみεe IKは全ひずみ速度εIオーバードットによらず、εe αKe βKe γKe Kとなることから、次式が成立する。
Therefore, E e and E ve at I = β and γ are also derived by equations (21) and (22).
Next, for the equations (28), (31), in order to identify each physical property value at the same stress level even at k = 1, 2, 3,..., The elastic strain ε e IK at the stress level k is the total strain rate ε Since ε e αK = ε e βK = ε e γK = ε e K regardless of the I overdot , the following equation is established.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

しかし、粘弾性部ひずみεv IKは全ひずみ速度εIオーバードットごとで異なるため、粘性コンプライアンスCと粘弾性部ヤング率Eveはひずみ速度ごとに同定する。I=βにおけるEveは式(31)の記述に倣うと次式となる。 However, since the viscoelastic part strain ε v IK differs depending on the total strain rate ε I overdot, the viscosity compliance C and the viscoelastic part Young's modulus E ve are identified for each strain rate. Eve at I = β is expressed by the following equation according to the description of Equation (31).

Figure 2011137667
Figure 2011137667

I=γについては式(30)により同定する。
ここで、Evev IK-1)についてI=αの場合、k=1については式(22),k=2,3,4…の場合については式(29),(30),(31)より導出するが、I=βの場合については式(29)において左辺分子第一項を
I = γ is identified by equation (30).
Here, when I = α for E vev IK-1 ), Equation (22) for k = 1, Equations (29), (30), for k = 2, 3, 4. (31), but for I = β, the first term on the left-hand side molecule is

Figure 2011137667
Figure 2011137667

および、左辺分母第一項を And the first term on the left side denominator

Figure 2011137667
Figure 2011137667

とすることで同様に導出することとしている。
Eγkは、極低速なひずみ速度εγオーバードットでの応力−ひずみ曲線の傾きで、応力とひずみの増分関係からEγk=Δσk+1/Δεγk+1=Δσk+1/(εγオーバードットΔtγk+1) とする。
It is supposed to derive in the same way.
E γk is the slope of the stress-strain curve at an extremely low strain rate ε γ overdot. From the incremental relationship between stress and strain, E γk = Δσ k + 1 / Δε γk + 1 = Δσ k + 1 / (ε γ overdot Δt γk + 1 ).

以上、3 つあるひずみ速度εIオーバードットの実験結果より、応力増分Δσk+1の増分区間における物性値Eee k),Evev k),C(εv k)を負荷開始から終了まで順に求めることで、弾性部ひずみεe kと粘弾性部ひずみεv kの関数として同定する。さらに、離散的な変数である弾性部ひずみεe kと粘弾性部ひずみεv kの分割を十分細かくすることで、これらの物性値を連続的な値εevの関数として取り扱う。 From the experimental results of the three strain rates ε I overdot, the physical properties E ee k ), E vev k ), C (ε v k ) in the increment interval of the stress increment Δσ k + 1 Are sequentially determined from the start to the end of the load to identify the elastic part strain ε e k and the viscoelastic part strain ε v k as functions. Furthermore, by sufficiently finely dividing the elastic part strain ε e k and the viscoelastic part strain ε v k which are discrete variables, these physical property values are handled as functions of continuous values ε e and ε v .

基準データの補正方法について説明する。極低速条件εγオーバードットでの実験から得られる基準データEγ(ε)に含まれる応力緩和の影響を簡易的に減らす補正方法として、本発明では図4のように基準データEγ(ε) に応力緩和後の応力σγrxを通るよう補正係数をかける方法を示す。この場合、負荷停止時の応力をσγmxとすると、応力緩和の影響を補正された基準データE´γ(ε)は次式で表すことができる。 A method for correcting the reference data will be described. As a correction method for simply reducing the influence of stress relaxation included in the reference data E γ (ε) obtained from the experiment under the extremely low speed condition ε γ overdot, in the present invention, as shown in FIG. 4, the reference data E γ (ε ) Shows a method of applying a correction coefficient so as to pass the stress after stress relaxation σ γrx . In this case, if the stress when the load is stopped is σ γmx , the reference data E ′ γ (ε) corrected for the stress relaxation can be expressed by the following equation.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

粘弾性体への球圧子押込試験では、粘性による変形抵抗が生じるため、試料への押込荷重Fハットは押込速度δIオーバードットに応じて弾性体試料への場合より大きくなる。本発明では、この粘性による変形抵抗を考慮し、加えてひずみ依存性も評価できるように式(4)を一般化することを考え、負荷過程の押込速度δIオーバードットに応じて大きくなる押込荷重FIハット毎に相当押込ひずみεオーバーラインの関数とした次式の変形抵抗率DIを定義する。 The spherical indenter indentation test to viscoelastic body, the deformation resistance due to the viscosity occurs, indentation load F hat to the sample is larger than that of the elastic body sample according to pushing speed [delta] I over dots. In the present invention, push the viscous by considering deformation resistance, addition thinking of generalizing the equation (4) so that it can be evaluated dependent strain, increases in accordance with pushing speed [delta] I over dot loading process defining a load F I deformation resistance ratio D I of the formula as a function of the corresponding push strain ε overline per hat.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

この変形抵抗率DI(εオーバーライン)を用いると、実験データを複数の応力レベルσkで区切って考える場合には、応力レベルσkからσk+1での応力増分Δσk+1に対して、応力増分Δσk+1と相当押込ひずみ増分ΔεIk+1オーバーラインの関係を用いた次の関係が想定される。 Using this deformation resistivity D I (ε overline), when the experimental data is divided into a plurality of stress levels σ k and considered, the stress increment from the stress level σ k to σ k + 1 is increased to Δσ k + 1 . On the other hand, the following relationship using the relationship between the stress increment Δσ k + 1 and the equivalent indentation strain increment Δε Ik + 1 overline is assumed.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

すなわち Ie

Figure 2011137667
Figure 2011137667

つまり、1つの応力増分Δσk+1に関して、3つの変形抵抗率DIに対応した3つの相当押込ひずみ増分ΔεIk+1オーバーラインが得られることとなる。この相当押込ひずみ増分ΔεIk+1オーバーラインとこの増分に要する時間増分ΔtIk+1から、相当押込ひずみ速度εIkオーバードットラインを That is, with respect to one stress increment Δσ k + 1 , three equivalent indentation strain increments Δε Ik + 1 overline corresponding to the three deformation resistivities D I are obtained. From this equivalent indentation strain increment Δε Ik + 1 overline and the time increment Δt Ik + 1 required for this increment, the equivalent indentation strain rate ε Ik overdot line

Figure 2011137667
Figure 2011137667

すなわち Ie

Figure 2011137667
Figure 2011137667

と定義する。
これに応じて3つの応力速度σIkオーバードットも増分に要する時間増分ΔtIk+1から
It is defined as
In response to this, the three stress rates σ Ik overdots are also incremented from the time increment Δt Ik + 1

Figure 2011137667
Figure 2011137667

すなわち Ie

Figure 2011137667
Figure 2011137667

で定義できる。
これら球圧子押込試験での相当押込ひずみ速度εIkオーバードットラインおよび応力速度σIkオーバードットについて、同定法の式(26),(28)へ代入すると、3要素固体モデルの粘弾性物性値の同定が可能となる。
Can be defined.
Substituting the equivalent indentation strain rate ε Ik overdot line and stress rate σ Ik overdot line in these indentation indentation tests into equations (26) and (28) of the identification method, the viscoelastic property values of the three-element solid model Identification becomes possible.

非線形物性値同定法への球圧子押込試験の応用について説明する。まず、試験法と試験条件について説明する。ここでは、3要素固体モデルの非線形物性値の同定法へ球圧子押込試験を適用し、その結果と引張試験によるものとの比較から有効性を評価する。   The application of the ball indenter indentation test to the nonlinear property value identification method will be described. First, test methods and test conditions will be described. Here, the ball indenter indentation test is applied to the method of identifying the non-linear physical property value of the three-element solid model, and the effectiveness is evaluated by comparing the result with that obtained by the tensile test.

まず球圧子押込試験システムの概略を図5に示す。このシステムは、アルミニウム製テーブル8の上に設置した試料7に対して、最大押込速度δmaxオーバードット=1200mm/sのアクチュエータ1(NSK社製、XY-HRS400-RH202)に取り付けられた荷重軸5上の直径φ=20mmのアクリル球圧子6を押込むものである。荷重FIハットについては荷重軸5に取り付けたロードセル2(共和電業社製、LUR-A100NSA1)から取得し、押込量δは荷重軸5を取り付けたアクチュエータのステージ4の移動量としてポテンショメータ3(アルプス電気社製、スライドボリュームRSA0N11S9002)によって計測する。それぞれの分解能は荷重6.15×10-3N、変位1.53×10-6mである。 First, the outline of the ball indenter indentation test system is shown in FIG. This system uses a load shaft attached to an actuator 1 (NSK, XY-HRS400-RH202) with a maximum indentation speed δ max overdot = 1200 mm / s for sample 7 placed on an aluminum table 8. 5 Acrylic ball indenter 6 having a diameter φ = 20 mm above 5 is pushed in. Load F I load cell 2 (Kyowa Electronic Instruments Co., LUR-A100NSA1) attached to the load axis 5 for hat obtained from, depression depth δ is a potentiometer 3 as the movement amount of the stage 4 of the actuator, fitted with a loading axis 5 (Alps Electric Measured with a slide volume RSA0N11S9002). Each resolution is load 6.15 × 10 −3 N and displacement 1.53 × 10 −6 m.

また同定法への適用に際して、押込速度δIオーバードットは比較的高速な2つの速度δαオーバードット、δβオーバードットと極めて低い速度δγオーバードットを考えるが、特に極低速δγオーバードットは試験機の最低速度仕様である0.01mm/sとする。便宜上これらの押込速度δIオーバードットを負荷過程で一定にすると相当押込ひずみ速度εIオーバードットラインが変化するものの、ここでも同定法におけるひずみ速度εIオーバードットラインの高低関係は保たれる。なお、この負荷過程における各相当押込ひずみ速度の初期値εI0オーバードットラインを表1に示す。また極低速δγオーバードットにおいて理想的に排除できない粘性挙動は、押込停止後60sの圧子保持で計測される応力緩和量を基準とした補正法[2]を適用することにより、この影響を排除する。 Also, when applying to the identification method, the indentation speed δ I overdot is considered to be two relatively high speeds δ α overdot, δ β overdot and extremely low speed δ γ overdot, especially extremely low speed δ γ overdot Is 0.01 mm / s which is the minimum speed specification of the testing machine. For convenience but when a constant these indentation velocity [delta] I over dot loading process corresponding indentation strain rate epsilon I over dot line changes, a relationship among the strain rate epsilon I over dot line in the identification process again is maintained. Table 1 shows initial values ε I0 overdot lines of the corresponding indentation strain rates in this loading process. In addition, the viscous behavior that cannot be eliminated ideally at very low speed δ γ overdots can be eliminated by applying the correction method [2] based on the stress relaxation measured by holding the indenter for 60 s after stopping the indentation. To do.

Figure 2011137667
Figure 2011137667

なお試料への押込みに関しては、押込量δを荷重10Nまでの大きさとし、押込回数Nを試験法の誤差評価の目的で条件毎に各1回とする。また押込試験時の環境条件は気温26.5〜27.0℃、湿度62〜63%であった。   Regarding the indentation into the sample, the indentation amount δ is set to a load up to 10N, and the indentation number N is set once for each condition for the purpose of error evaluation of the test method. The environmental conditions during the indentation test were temperature 26.5-27.0 ° C and humidity 62-63%.

押込試験システムは、押込試験機のロードセルから送られてきた荷重値Fおよびポテンシオメータから送られてきた押込量δから、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率を算出する。これらCPU部で扱われたデータに関しては、全て記憶装置部で記録される仕組みとなっている。   The indentation test system uses the load value F sent from the load cell of the indentation tester and the indentation amount δ sent from the potentiometer, the Young's modulus of the elastic part, the viscosity compliance of the viscoelastic part in the three-element solid model, And the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part is calculated. All the data handled by the CPU unit is recorded by the storage unit.

引張試験システムは、図5のシステムとほぼ同じ構成の生体軟組織など軟材料用の試験機[2]を利用する。この駆動部は、試料の荷重軸をアクチュエータのステージ部が所定の速度εIオーバードットに達してから稼働させ始める機構を有し、さらに設定した最大ひずみεmxに至ると荷重軸を停止する機構も有しており、これにより広いひずみ速度域でのひずみ速度依存性と応力緩和現象が観察可能である。なお、アクチュエータは速度0.1〜1200mm/sのNSK社製メカトロアクチュエータXY-HRS063-RS204を用いており、変位量は荷重軸の移動量をKEYENCE社製レーザー変位計LB-62で計測して求めている。ロードセルとしては共和電業社製微小荷重ロードセルLST-1KAにより計測するシステムとなっており、分解能は変位6.25×10-6m、荷重3.28×10-3Nである。 The tensile test system uses a testing machine [2] for soft materials such as biological soft tissue having almost the same configuration as the system of FIG. This drive unit has a mechanism for starting the load axis of the sample after the stage part of the actuator reaches a predetermined speed ε I overdot and further stops the load shaft when the set maximum strain ε mx is reached. As a result, strain rate dependence and stress relaxation phenomenon in a wide strain rate region can be observed. The actuator uses NSK's mechatronic actuator XY-HRS063-RS204 with a speed of 0.1 to 1200 mm / s, and the amount of displacement is obtained by measuring the amount of movement of the load axis with the KEYENCE laser displacement meter LB-62. Yes. The load cell is a measurement system using a micro load cell LST-1KA manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd., with a resolution of 6.25 × 10 −6 m and a load of 3.28 × 10 −3 N.

なお非線形物性値の同定に関しては、3つの異なる引張ひずみ速度εIオーバードットを考えることになるが、相当押込ひずみ速度εIオーバードットラインが負荷過程で変化する押込試験とは統一できないため、本発明では表2 の値としている。なお、極低速条件は押込試験同様に試験機の最低速度仕様であるが、同定精度向上のため引張停止後60sの応力緩和量を計測して粘性挙動の補正[2]に利用する。引張試験の試験回数については、条件毎にN=5回実施し、同定法評価の基準のため平均値を算出して用いる。また引張試験時の環境条件は気温23.2〜27.0℃、湿度62〜68%であった。 Regarding the identification of nonlinear physical property values, three different tensile strain rates ε I overdots will be considered, but since the equivalent indentation strain rate ε I overdot line cannot be unified with the indentation test in which the load process changes, this The values in Table 2 are used in the invention. The ultra-low speed condition is the minimum speed specification of the testing machine as well as the indentation test. However, in order to improve the identification accuracy, the stress relaxation amount is measured for 60 s after stopping the tension and used to correct the viscous behavior [2]. The number of tensile tests is N = 5 for each condition, and an average value is calculated and used as a criterion for identification method evaluation. The environmental conditions at the time of the tensile test were air temperature 23.2-27.0 ° C and humidity 62-68%.

Figure 2011137667
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本発明の供試材としては特性が安定した市販のもので異方性も低い共和工業社製シリコーンゴムシートを用い、この中でも高い粘性を持つ硬度A20のものから試料を切り出して利用する。   As a test material of the present invention, a commercially available silicone rubber sheet having a stable characteristic and low anisotropy is used, and a sample is cut out from a material having a high viscosity of hardness A20 and used.

押込試験では、シート厚さ5.1mmの供試材から縦および横の寸法は共に100mmの試料を作成し、この試料の圧子との接触面へ摩擦軽減のためのタルク粉を塗布して物性値を計測する。   In the indentation test, a sample with a sheet thickness of 5.1 mm was prepared with both a vertical and horizontal dimension of 100 mm, and talc powder for reducing friction was applied to the contact surface of the sample with the indenter. Measure.

一方の引張試験では、押込用の試料と同一の供試材から切り出した1辺2.5mm程度の四角柱状の試料を作成し、特にチャック間距離10mmとした試験片両端を駆動部へつながる荷重軸とロードセルへつながる感知軸とそれぞれ瞬間接着剤によって接続して物性値を計測する。
なお本発明の計測結果の評価に際して、ポアソン比νは0.48で統一した値を用いる。
On the other hand, in the tensile test, a square column specimen with a side of about 2.5mm cut out from the same specimen as the indentation specimen was prepared, and in particular, a load shaft connecting both ends of the specimen with a chuck distance of 10mm to the drive unit. The sensor axis connected to the load cell is connected to each by an instantaneous adhesive, and the physical property value is measured.
In the evaluation of the measurement result of the present invention, the Poisson's ratio ν uses a unified value of 0.48.

同定結果と考察について説明する。図6(a)には、球圧子押込試験と引張試験とにより供試材の3要素固体モデルにおける非線形物性値を同定した結果を示す。   The identification results and discussion will be described. FIG. 6 (a) shows the result of identifying nonlinear physical property values in a three-element solid model of the specimen by a ball indenter indentation test and a tensile test.

これら物性値は、弾性部ヤング率Ee、粘弾性部ヤング率Eveおよび粘性コンプライアンスCであるが、ひずみεevの増加に対して粘性コンプライアンスCおよび弾性部ヤング率Eeは減少傾向、粘弾性部ヤング率Eveについてはほぼ一定となっている。球圧子押込試験と引張試験との結果を比較すると、太線で示した球圧子押込試験により同定された物性値はすべて引張試験によるものより高い結果となり、その差異は特に粘性コンプライアンスCにおいて顕著である。 These physical properties are elastic part Young's modulus E e , viscoelastic part Young's modulus E ve and viscous compliance C, but viscosity compliance C and elastic part Young's modulus E e decrease as strains ε e and ε v increase. The tendency and the viscoelastic part Young's modulus E ve are almost constant. Comparing the results of the ball indenter indentation test with the tensile test, all the physical property values identified by the ball indenter indentation test shown in bold lines are higher than those in the tensile test, and the difference is particularly noticeable in the viscosity compliance C .

この差異の要因を調べるため、3要素固体モデルにおいて粘性コンプライアンスCの影響を無視した2つの弾性要素のみの直列接続モデルを考え、弾性部ヤング率Eeおよび粘弾性部ヤング率Eveの同定結果のみで評価したものを図6(b)に示す。ここに示した曲線は、球圧子押込試験と引張試験とから同定した弾性部ヤング率Eeと粘弾性部ヤング率Eveの2つの弾性要素の直列接続から算出されるヤング率E=EeEve/(Ee+Eve)とこれに対応する応力−ひずみ曲線、およびこの直列接続モデルに相当する極低速条件での引張試験により得られた応力−ひずみ曲線とその傾きEγであるが、ここでの差異は図6(a)でのものと比較すると著しく小さい。 In order to investigate the cause of this difference, we considered a series connection model of only two elastic elements ignoring the effect of viscous compliance C in the three-element solid model, and the identification results of elastic Young's modulus E e and viscoelastic Young's modulus E ve FIG. 6 (b) shows the results evaluated only with FIG. The curve shown here is the Young's modulus E = E e calculated from the series connection of two elastic elements, elastic Young's modulus E e and viscoelastic Young's modulus E ve identified from the ball indenter indentation test and tensile test. E ve / (E e + E ve ) and the corresponding stress-strain curve, and the stress-strain curve obtained by a tensile test under extremely low speed conditions corresponding to this series connection model and its slope E γ However, the difference here is significantly smaller than that in FIG. 6 (a).

このことは、既報[1]にもあるように、ヤング率によって評価できるような弾性体の場合には球圧子押込試験と引張試験とで差異が小さいことを示している。一方で、図6(a)で同定した3つの物性値で差異が大きくなった結果で示されたように、粘性挙動が作用する変形過程の評価では、引張試験と球圧子押込試験とによる物性値の同定結果で差異が大きくなり、特に粘性コンプライアンスCの同定結果において影響が顕著に表れる。また弾性部ヤング率Eeおよび粘弾性部ヤング率Eveの同定結果でも差異が生じるが、粘性の影響を無視した結果では既報[1]と同様の差異が球圧子押込試験と引張試験とでは小さくなっていることから、これは粘性コンプライアンスCの差異によって引き起こされたと考えることが可能である。
したがって、非線形物性値の同定では、球圧子押込試験での結果には粘性の効果に差異が表れると言える。
This indicates that the difference between the ball indenter indentation test and the tensile test is small in the case of an elastic body that can be evaluated by Young's modulus, as already reported [1]. On the other hand, as shown by the result of the large difference between the three physical property values identified in Fig. 6 (a), the physical properties of the tensile test and the ball indenter indentation test were used in the evaluation of the deformation process where the viscous behavior acts. The difference is large in the identification result of the value, and the influence is particularly noticeable in the identification result of the viscosity compliance C. There are also differences in the identification results of the elastic Young's modulus E e and the viscoelastic Young's modulus E ve , but the results of ignoring the effect of viscosity are similar to those reported in the previous report [1] between the ball indenter indentation test and the tensile test. It can be considered that this is caused by the difference in viscous compliance C, since it is getting smaller.
Therefore, in the identification of nonlinear physical property values, it can be said that the result of the ball indenter indentation test shows a difference in the effect of viscosity.

ここでは、球圧子押込試験による図6(a)に観られた非線形物性値の同定において表れる粘性効果について、これが粘弾性挙動へ及ぼす影響を数値シミュレーションへの適用から確認する。図7は、3つの異なるひずみ速度εIオーバードットで設定したひずみεmx=0.2まで引張負荷した上で、さらに引張停止後の応力緩和過程も観察した実験と数値シミュレーションの応力曲線である。まず引張試験による物性値を用いたシミュレーションと実験結果は、負荷開始から応力ピークに至るまでの各ひずみ速度の過程でほぼ一致しており、緩和後の応力レベルも近い値となっている。これに対して太線で示した球圧子押込試験による物性値を用いたシミュレーション結果は、まず応力ピークが高くなっており、さらに緩和過程も急激な応力緩和の後すぐに一定の応力に収束している。このことから、粘性コンプライアンスCが高く同定されたことで粘性効果が低く見積もられ、これと伴に各部のヤング率Ee,Eveが高めに算出された結果、応力応答が機敏になったものと考えられる。これらにより、粘弾性体への球圧子押込過程における粘性効果を詳細に調べ、さらにこれに基づいた同定法の定式化が必要と考えられる。 Here, regarding the viscous effect that appears in the identification of the nonlinear physical property value observed in FIG. 6 (a) by the ball indenter indentation test, the effect of this on the viscoelastic behavior is confirmed from the application to the numerical simulation. FIG. 7 is a stress curve of an experiment and a numerical simulation in which a tensile load is applied up to a strain ε mx = 0.2 set with three different strain rates ε I overdots and a stress relaxation process is observed after the suspension of tension. First, the simulation using the physical property values by the tensile test and the experimental results are almost the same in the course of each strain rate from the start of loading to the stress peak, and the stress level after relaxation is also a close value. On the other hand, the simulation results using the physical property values from the ball indenter indentation test indicated by the thick line show that the stress peak is high, and the relaxation process converges to a constant stress immediately after the rapid stress relaxation. Yes. As a result, the viscosity effect was estimated to be low due to the high viscosity compliance C identified, and along with this, the Young's modulus E e and E ve of each part were calculated to be high, resulting in a more agile stress response. It is considered a thing. From these, it is considered necessary to investigate the viscosity effect in the process of pushing the ball indenter into the viscoelastic body in detail and to formulate the identification method based on this.

本実施の形態によれば、試料を切り出さずに実施できる球圧子押込試験による方法を確立できれば、低侵襲なin situ計測によるヒト軟組織の粘弾性挙動における非線形物性値の同定も可能となる。   According to the present embodiment, if a method based on a ball indenter indentation test that can be performed without cutting out a sample can be established, it becomes possible to identify nonlinear physical property values in viscoelastic behavior of human soft tissue by minimally invasive in situ measurement.

なお、本発明の押込試験方法および押込試験装置の対象となる試料としては、ポリウレタン、シリコーンゴム、ポリオレフィンゴム、天然ゴム、軟質ビニールを含む高分子材料、皮膚や筋肉を含む生体組織、ゼリーやゼラチンを含む食品などを採用することができる。   Samples to be subjected to the indentation test method and indentation test apparatus of the present invention include polyurethane, silicone rubber, polyolefin rubber, natural rubber, polymer materials including soft vinyl, biological tissue including skin and muscle, jelly and gelatin. Foods containing can be used.

試料のヤング率Eは100Pa〜100MPaの範囲内にあることが好ましい。試料のヤング率Eが100Pa以上であると、試料が押込みに伴って崩れたり破壊しないという利点がある。試料のヤング率Eが100MPa以下であると、軟らかめの圧子も利用できるという利点がある。   The Young's modulus E of the sample is preferably in the range of 100 Pa to 100 MPa. When the Young's modulus E of the sample is 100 Pa or more, there is an advantage that the sample does not collapse or break with the indentation. When the Young's modulus E of the sample is 100 MPa or less, there is an advantage that a soft indenter can be used.

3要素固体モデルにおける試料の非線形物性値において、粘弾性部の粘性コンプライアンスは10-14〜103(PaS)-1の範囲内にあることが好ましい。粘弾性部の粘性コンプライアンスが10-14(PaS)-1以上であると、粘性挙動を同定できるという利点がある。粘弾性部の粘性コンプライアンスが103(PaS)-1以下であると、試料の崩れ無しで計測できるという利点がある。 In the nonlinear physical property value of the sample in the three-element solid model, the viscosity compliance of the viscoelastic part is preferably in the range of 10 −14 to 10 3 (PaS) −1 . If the viscosity compliance of the viscoelastic part is 10 −14 (PaS) −1 or more, there is an advantage that the viscous behavior can be identified. When the viscosity compliance of the viscoelastic part is 10 3 (PaS) −1 or less, there is an advantage that measurement can be performed without breaking the sample.

3要素固体モデルにおける試料の非線形物性値において、粘弾性部中の弾性部のヤング率は100Pa〜100MPaの範囲内にあることが好ましい。試料のヤング率Eが100Pa以上であると、試料が押込みに伴って崩れたり破壊しないという利点がある。試料のヤング率Eが100MPa以下であると、軟らかめの圧子も利用できるという利点がある。   In the nonlinear property value of the sample in the three-element solid model, the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part is preferably in the range of 100 Pa to 100 MPa. When the Young's modulus E of the sample is 100 Pa or more, there is an advantage that the sample does not collapse or break with the indentation. When the Young's modulus E of the sample is 100 MPa or less, there is an advantage that a soft indenter can be used.

圧子の形状としては球圧子について説明したが、これに限定されるものではない。このほか圧子の形状としては、円筒や立方体の形状などを採用することができる。   Although the spherical indenter has been described as the shape of the indenter, it is not limited to this. In addition, as the shape of the indenter, a cylindrical shape or a cubic shape can be employed.

圧子の材質としては、金属および/あるいは樹脂材料などを採用することができる。   As the material of the indenter, a metal and / or a resin material can be employed.

圧子が球圧子の場合、球圧子の直径は1×10-8〜1 mの範囲内にあることが好ましい。試料の厚さが球圧子の直径より大きいと、Hertzの理論解と同等の結果を得られるという利点がある。試料の厚さが球圧子の直径以下であると、Hertzの理論では求めることが困難であったYoung率を同定できるという利点がある。 When the indenter is a ball indenter, the diameter of the ball indenter is preferably in the range of 1 × 10 −8 to 1 m. If the thickness of the sample is larger than the diameter of the spherical indenter, there is an advantage that a result equivalent to the theoretical solution of Hertz can be obtained. If the thickness of the sample is equal to or less than the diameter of the ball indenter, there is an advantage that the Young's modulus, which was difficult to obtain by Hertz's theory, can be identified.

圧子が球圧子の場合、球圧子の比較的高速な押込み速度は1nm/s〜10m/sの範囲内にあることが好ましい。球圧子の押込み速度が1nm/s以上であると、計測に時間がかからないという利点がある。球圧子の押込み速度が10m/s以下であると、装置を安全に稼働できるという利点がある。   When the indenter is a ball indenter, the relatively high indentation speed of the ball indenter is preferably in the range of 1 nm / s to 10 m / s. When the indentation speed of the ball indenter is 1 nm / s or more, there is an advantage that it does not take time for measurement. When the indentation speed of the ball indenter is 10 m / s or less, there is an advantage that the apparatus can be operated safely.

圧子が球圧子の場合、球圧子の極めて低い押込み速度は1nm/s〜0.001m/sの範囲内にあることが好ましい。球圧子の押込み速度が1nm/s以上であると、計測に時間がかからないという利点がある。球圧子の押込み速度が0.001m/s以下であると、既製の試験機を使えるという利点がある。   When the indenter is a ball indenter, the extremely low indentation speed of the ball indenter is preferably in the range of 1 nm / s to 0.001 m / s. When the indentation speed of the ball indenter is 1 nm / s or more, there is an advantage that it does not take time for measurement. If the indentation speed of the ball indenter is 0.001 m / s or less, there is an advantage that a ready-made testing machine can be used.

球圧子と試料の接触面での粘着を低減する方法としては、試料接触面にタルク粉を塗布する方法、油を塗布する方法などを採用することができる。なお、球圧子と試料の接触面での粘着性が小さい場合は、これらの処理を省略することができる。   As a method for reducing the adhesion at the contact surface between the ball indenter and the sample, a method of applying talc powder to the sample contact surface, a method of applying oil, or the like can be employed. In addition, when the adhesiveness at the contact surface between the ball indenter and the sample is small, these treatments can be omitted.

なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。   It is to be noted that the present invention is not limited to the embodiment for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

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1‥‥アクチュエータ、2‥‥ロードセル、3‥‥ポテンショメータ、4‥‥ステージ、5‥‥荷重軸、6‥‥球圧子、7‥‥試料、8‥‥テーブル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Actuator, 2 ... Load cell, 3 ... Potentiometer, 4 ... Stage, 5 ... Load axis, 6 ... Ball indenter, 7 ... Sample, 8 ... Table

Claims (8)

試料に圧子を押込む、押込試験方法において、
試料厚さを用いて、試料の相当押込ひずみを算出し、
前記相当押込ひずみを用いて、試料の非線形物性値を算出する
ことを特徴とする押込試験方法。
In the indentation test method in which an indenter is pushed into the sample,
Using the sample thickness, calculate the equivalent indentation strain of the sample,
Using the equivalent indentation strain, the nonlinear physical property value of the sample is calculated.
試料は粘弾性体である
ことを特徴とする請求項1記載の押込試験方法。
The indentation test method according to claim 1, wherein the sample is a viscoelastic body.
非線形物性値は、3要素固体モデルにおける非線形物性値である
ことを特徴とする請求項2記載の押込試験方法。
The indentation test method according to claim 2, wherein the nonlinear property value is a nonlinear property value in a three-element solid model.
非線形物性値は、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率である
ことを特徴とする請求項3記載の押込試験方法。
4. The indentation test method according to claim 3, wherein the nonlinear physical property values are Young's modulus of the elastic part, viscous compliance of the viscoelastic part, and Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part.
試料に圧子を押込む、押込試験装置において、
試料厚さを用いて、試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、
前記相当押込ひずみを用いて、試料の非線形物性値を算出する非線形物性値算出部を有する
ことを特徴とする押込試験装置。
In an indentation testing device that pushes an indenter into a sample,
An equivalent indentation strain calculation unit for calculating the equivalent indentation strain of the sample using the sample thickness;
An indentation test apparatus comprising: a non-linear property value calculation unit that calculates a non-linear property value of a sample using the equivalent indentation strain.
試料は粘弾性体である
ことを特徴とする請求項5記載の押込試験装置。
The indentation test apparatus according to claim 5, wherein the sample is a viscoelastic body.
非線形物性値は、3要素固体モデルにおける非線形物性値である
ことを特徴とする請求項6記載の押込試験装置。
The indentation test apparatus according to claim 6, wherein the nonlinear property value is a nonlinear property value in a three-element solid model.
非線形物性値は、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率である
ことを特徴とする請求項7記載の押込試験装置。
The indentation test apparatus according to claim 7, wherein the nonlinear physical property values are Young's modulus of the elastic part, viscous compliance of the viscoelastic part, and Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part.
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