引張試験時のひずみゲージと画像解析（DIC）によるひずみ結果について

引張試験におけるひずみ計測では従来ひずみゲージが一般的でしたが、近年、画像からひずみ計測を行う手法、DIC法が増えています。

そこで本記事では、DIC解析ソフトウェア「Mercury RT」にてひずみ計測を行い、ひずみゲージと比較しました。

DIC法のメリットである非接触計測で、接触式ひずみゲージとのデータ取得結果に違いが生じるのか検証しています。

引張試験とは

材料の引張強度、伸び、降伏点などの機械的性質を評価する手法です。

具体的には、試験の対象となる物体に引張荷重を載荷させ、破断した時の力や伸びた量などを調べることで、比例限度・弾性限度・下降伏点・降伏点・最大応力などを確認するための試験です。

この試験を行うことによって、対象材料が壊れるまでの強さ（強度）や伸び率が数値で算出されます。

引張試験の目的は、物質がどこまで伸びて、どこで破壊されるかを確認することによって物質の引張強さを確認することにあります。これにより、材料の強度を評価し、それを基に工業や建築などの分野での設計や材料の開発が行われます。

また、試験結果は、対象物質が破壊した際の最大値です。

このように、引張試験は材料の機械的性質を定量的に把握し、それを基に構造物や部品の設計や材料の開発に活用されます。

ひずみゲージ（またはストレインゲージ）は、物体のひずみを測定するためのセンサです。

物体に力が加わると、その物体の形状や体積が変化します。この変化を「ひずみ」と呼びます。そのひずみを計測するのが「ひずみゲージ」です。

ひずみゲージの基本的な仕組みは、金属線が外力によって伸縮した際に生じる、電気抵抗の変化を測定するものです。この電気的な信号変換により、ひずみを定量的に評価することが可能です。

ひずみゲージは、電気絶縁物の薄膜上に抵抗線を配置し、ゲージの外まで伸ばした構造になっています。

これを測定対象物（供試体）の表面に専用接着剤で接着して測定します。

ひずみゲージは、ロードセルなどの荷重測定機に搭載され、力によってひずみが発生する「起歪み体」と呼ばれる部材にひずみゲージを張付けることで、ひずみ状態を測定し、電気的な信号に変換することで力を測定することできます。

ひずみゲージの利点としては、以下が挙げられます。

ひずみゲージは使用環境によっては限界（温度、ひずみ量、疲労等の影響により）があり、試験前にそれらを考慮し、適切に使用する必要があります。

計測の特徴として、力が1点にかかる（一次元）を計測は可能ですが、面（二次元）にかかる圧力を計測する事はできません。

さらに、引張や圧縮試験装置の設置環境においても重要であり、試験機自体の平行度や直角度のレベル出しといった動作精度が確保されていないと、引張や圧縮試験時の面当りでの圧力値の管理が正確に行えず、計測に大きな影響を与えてしまうからです。

ひずみゲージ

それに対して、ひずみを画像から計測することができる、ひずみ（DIC）解析ソフトウェアを紹介します。

DIC解析ソフトは、デジタル画像相関法（DIC: Digital Image Correlation）を用いて物体のひずみや変位を計測するためのソフトウェアです。

具体的には、計測対象物の表面にランダムパターン（スペックルパターンとも呼ばれる）を塗布し、デジタルカメラでその物体の変形前後の画像を撮影します。

この撮影した画像をDIC解析ソフトで処理し、パターンがどのように変化したのかを画像相関により、その変化量からひずみ量を算出します。

DIC解析ソフトの利点としては、

などが挙げられます。

特に従来のひずみ計測手法と比較して、DICは非接触かつ面で計測できることが最大の違いです。

ただし、DIC解析ソフトを使用し解析する際は、スペックルパターンを塗布する必要があり、カメラ性能や撮影画像データの良し悪しに解析結果が左右され、またカメラに写らない部分は計測ができないという制約もあります。

DIC解析ソフトは、材料試験（引張や圧縮による耐久性の試験）、機械工学、土木、医療工学、地質学など、さまざまな研究開発の分野で活用されています。

計測撮影の風景

ここまで、ひずみゲージとDIC解析ソフトウェアそれぞれの特徴を説明してきました。

まとめると、

DIC解析とひずみゲージにはそれぞれ以下のメリットがあります。

DICのメリット	ひずみゲージのメリット
非接触で計測できる	パターンの塗布が不要
面分布、3次元で解析できる	隠れた場所でも計測可能
作業者によって結果が変わらない
様々な解析項目（最大主ひずみ、せん断ひずみ、ポアソン比、等）
ひずみ値だけでなく向きもわかる