学 位 論 文 の 要 旨

学 位 論 文 の 要 旨

論文題目

（和訳）

氏 名

A study of the Drop-ball test and impact tensile force measurement based on the Levitation Mass Method (LMM) is presented. The purpose of this study is for expanding the applications of the Drop-ball test and the LMM. There are three topics in this study. The first topic is to measure the impact force acting on the clay by the Drop-ball test. The second topic is theoretical design and calculation of the 3D measurement of the Drop-ball test. The third topic is to measure the impact tensile force acting on the fine wire by the Levitation Mass Method (LMM).

In the LMM, a dynamic force acting on a rigid mass levitated by an aerostatic linear bearing is used as the reference force. The reference force is calculated by the product of the mass and acceleration. The mass is measured by electrical balance and the acceleration is measured by an optical interferometer. This reference force is used for evaluating the impact response of the object under test such as material and structure. However, the use of an aerostatic linear bearing requires a significant cost.

Therefore, the linear motion with sufficiently small friction obtained by using an aerostatic linear bearing is replaced by the free fall motion of a rigid spherical body with sufficiently small air friction on the Drop-ball test. In the drop-ball test, the spherical body containing a cube corner prism is dropped from an initial height and the dynamic force acting on the spherical body is used as the reference force. An optical interferometer is employed to measure the velocity of the spherical body during the free fall motion. The displacement and acceleration of the spherical body are calculated by integrating and differentiating the velocity, respectively. The force acting on the spherical body is calculated as the product of the mass and the acceleration.

In this thesis, the Drop-ball test is used to evaluate the impact force acting on clay. The purpose of this experiment is to establish a new method for evaluating the plasticity of clay. The impact force acting on the clay is computed by subtracting gravitational force from the total force acting on the spherical body, if other forces, such as the air drag of the free fall motion and the magnetic force form the hollow circular electromagnetic which used to hold the spherical body, are negligible. The maximum impact force acting on the clay is approximately 34.5 N. The uncertainty of measured force is estimated to be approximately 50.9 mN. In this measurement, there is a possibility to establish a new indicator of the plasticity of clay by dividing the maximum impact force acting on the clay with the maximum volume of clay deformation. Until now, the Drop-ball test can only evaluate mechanical properties along z-axis. To evaluate mechanical properties three dimensionally, the theoretical design and calculation of 3D measurement of force acting on the spherical body in the Drop-ball test based on the LMM is proposed. Three interferometers are employed to measure the force acting on the spherical body in the Drop-ball test. The measurement region in this method is defined as a range in which the interference fringes are detected by three interferometers simultaneously. The force acting on the spherical body in the range of measurement region is theoretically calculated using the triangle proportionality theorem. The uncertainties of 3D measurement of mechanical properties in the Drop-ball test are estimated using the error propagation theory.

Although the LMM has been used in various applications such as measuring impact forces, calibrating force transducer and evaluating the viscoelastic properties of a material, only the compression force has been measured using the LMM yet.

Therefore, a new LMM setup for measuring the dynamic tensile force of tungsten wire is developed. In this setup, the tensile impact load is applied to the tungsten wire using the inertial force of a rigid mass supported by an aerostatic linear bearing with sufficiently small friction. The tensile impact load is measured as the inertial force of a rigid mass based on the Newton third laws since the friction is negligible. The mass is measured by electrical balance and the acceleration is measured using an optical interferometer. The maximum tensile impact load acting on the tungsten wire is approximately 16.3 N. The uncertainty on the measurement of the tensile impact load acting on the tungsten wire is approximately 33.5 mN. The validity and reproducibility of the proposed method are demonstrated experimentally.

In conclusion, the applications of the Drop-ball test and the LMM have been expanded through the above three studies. In the first study, the application of the Drop-ball test to evaluate the mechanical properties of material has been expanded by

successful to evaluate the impact force acting on the clay. A possibility of a new indicator of the plasticity is found by dividing the maximum impact force acting on the clay with the maximum volume of clay deformation. In the second study, the application of the Drop-ball test has been expanded by proposing the 3D measurement of mechanical properties in the Drop-ball test. In the third study, the application of the LMM has been expanded to evaluate the tensile impact load acting on the material.

The tensile impact load acting on the tungsten wire is evaluated by the LMM accurately with a high precision. However, as for future prospect of the Drop-ball and the LMM, the following recommendation can be conducted in future work; (1) To compare plasticity evaluation method by LMM to other conventional methods to evaluate the validity of our method, (2) To demonstrate 3D measurement of mechanical properties in the Drop-ball test by experimentally, (3) To calibrate force transducers under the tensile impact load by the LMM.

学 位 論 文 の 要 旨

論文題目

（英訳） A Study of the Drop-ball Test and Impact Tensile Force Measurement

氏 名

浮上質量法（Levitation Mass Method: LMM）の応用範囲を広げることを目的として，LMMに基づく 落球試験と衝撃引張力測定の研究を提示した．この研究には 3 つのトピックがる．最初のトピックは，

ドロップボール試験によって粘土に作用する衝撃力を測定することである．2番目のトピックは，ドロ ップボール試験の 3D 測定の理論設計と不確かさ評価である．3 番目のトピックは，LMM によって細 線に作用する衝撃引張力を測定することである．

LMMでは，静圧リニアベアリングによって浮上した剛体質量に作用する動的な力が参照力と して用いられる．参照力は，剛体の質量と加速度の積によって計算される．質量は電子天秤によって測 定され，加速度は光学干渉計によって測定される．この参照力は，材料や構造などの試験対象の衝撃応 答を評価するために使用される．しかしながら，空気静圧リニアベアリングの使用はかなりのコストを 必要とする．したがって，空気静圧リニアベアリングを使用することによって得られる十分に小さい摩 擦を有する直線運動は，ドロップボール試験において十分に小さい空気摩擦を有する剛性球体の自由落 下運動によって置き換えられる．落球試験では，キューブコーナープリズムを含む球体を所定の高さか ら落下させ，球体に作用する動的な力を基準力として用いる．自由落下運動中の球体の速度を測定する ために光学干渉計が使用される．球体の変位と加速度は，それぞれ速度の積分と微分によって計算され る．そして，球体に作用する力は，質量と加速度の積で計算される．

この論文では，ドロップボール試験器を使用して粘土に作用する衝撃力を評価する．この実験 の目的は粘土の可塑性を評価するための新しい方法を確立することである．自由落下運動の空気抵抗お よび鋼球を保持するのに用いられた中空円形電磁石の磁力を含む他の力がごくわずかである場合，粘土 に作用する衝撃力は，球体に作用する総力から重力を引くことによって算出される．粘土に作用する最 大衝撃力は約34.5 Nであり，測定された力の不確かさは約50.9 mNと推定された．この測定では，粘 土に作用する最大衝撃力を最大の粘土変形量で割ることによって，粘土の可塑性の新しい指標を確立す る可能性がある．

これまで，ドロップボール試験はz軸に沿った機械的特性しか評価できなかった．機械的性質 を三次元的に評価するために，LMMに基づくドロップボール試験において球体に作用する力の3D測 定の理論的設計と計算手法を提案した．落球試験において球体に作用する力を測定するために3つの干 渉計が使用される．この方法における測定領域は，この3つの干渉計によって干渉縞が同時に検出され る範囲として定義される．測定領域の範囲内で球体に作用する力は，三角比例定理を用いて理論的に計 算される．ドロップボール試験における機械的性質の3D測定の不確かさは，誤差伝播理論を使用して 推定された．

LMMは，衝撃力の測定，力変換器の較正および材料の粘弾性特性の評価などの様々な用途で 使用されてきたが，これまでは圧縮力でしか測定されていない．したがって，タングステン線の動的引 張力を測定するための新しいLMM装置が開発された．この構成では，静圧リニアベアリングによって 十分に小さい摩擦で支持された剛体の慣性力を使用して，引張衝撃荷重がタングステンワイヤに加えら れる．摩擦は無視できるため，引っ張り衝撃荷重はニュートンの第3法則に基づく剛体の慣性力として 測定される．質量は電子天秤によって測定され，加速度は光学干渉計を使用して測定される．測定され たタングステンワイヤに作用する最大引張衝撃荷重は約16.3 Nであった．タングステンワイヤに作用 する引張衝撃荷重の測定の不確かさは約 33.5 mN である．提案した方法の有効性と再現性を実験的に 実証した．

結論として，ドロップボール試験を含むLMMの応用は上記の3つの研究を通して拡大された．

最初の研究では，材料の機械的特性を評価するための落球試験の応用は，粘土に作用する衝撃力を評価 することに成功することによって拡大されました．粘土に作用する最大衝撃力を最大体積の粘土変形量 で割ることによって塑性の新たな指標の可能性が見出された．2番目の研究では，落球試験の機械的性 質の3D測定を提案することによって落球試験の応用が拡大された．3番目の研究では，材料に作用す る引張衝撃荷重を評価するためにLMMの適用が拡張された．タングステンワイヤに作用する引張衝撃 荷重はLMMにより高精度で正確に評価される．しかし，LMMの今後の展望に関しては，次に示す研 究が挙げられる．（1）LMMによる塑性評価法を他の従来法と比較して本方法の妥当性を評価すること，

（2）ドロップボール試験における機械的性質の3D測定を実験的に実証すること，（3） LMMによっ て力センサを引張衝撃荷重に対して校正すること．