Abstract We attempted to apply the caustic method to the frozen-stress model to analyze a concentrated load P located in a straight line. The caustic patterns formed by a concentrated load for the frozen-stress model are theoretically calculated by the optical constants that were previously evaluated under the frozen-stress condition. Comparison between optical constants in the frozen-stress state and those at room temperature showed the relationship of plus-minus signs in them to be unstable and values varied considerably under some conditions, thus making it complicated to measure them. In this study, we present some practical methods for determining the value of P from the caustic patterns. In addition, we also propose a simple technique for measuring the optical constants in the frozen-stress state. The caustic patterns obtained in our experiment are consistent with theoretically calculated ones. Furthermore, whether evaluated by the proposed technique or determined by the method using the deviation of light due to stress gradient, these optical constants are the same.
Key Words Caustic Method, Photoelasticity, Stress-Freezing Technique, Concentrated Load, Optical Constant １. 緒言 部材と部材の接触部において発生する荷重の大きさを精度よく簡便に評価することの重要性は，機械分野はもとより生体力学分野でも増加している。例えば， 骨，超高分子量ポリエチレン，金属等，種々の材質の部材で構成されている人工股関節部近傍の応力伝達機構に関する研究１）や，骨セメントの介在によって複 雑な応力分布を呈する肩甲骨の人工肩関節窩部についての研究２），また上下椎体から受ける負荷によって生じる腰椎椎間板内の応力分布問題に関する研究３） などがある。この様なバイオメカニクス領域における研究では，その取り扱う対象の形状や負荷状況が複雑であるため，数値解析法とともに光弾性応力凍結法等 の実験手法も多用されている。光弾性応力凍結法を用いれば，二次元問題のみならず三次元問題も解析が可能であるが，実験を行うに際して多くの労力と細心の 注意が必要であり，また光弾性法により集中荷重の値を評価することは難しい。これに対してコースティックス法は，実験装置や実験方法が簡便であるという長 所がある４）−６）。 そこで，ある線上に分布している集中荷重を連続的に評価するために，光弾性応力凍結試験片へコースティックス法が適用できれば非常に有効であるが，通常 の方法ではコースティック像が得られないことがわかっている７）。これは応力凍結状態におけるコースティック定数 c0と複屈折性感度を表すパラメータξが，常温時の値から大きく変化しているためである。著者らの一人は先に，モード I形の負荷を受けたき裂を有する応力凍結試験片に関してこの問題を検討し，応力拡大係数 K値をコースティックス法によって求める手法を示した７）が，集中荷重問題については未だ検討がなされていない。 そこで本研究では，まずはじめに集中荷重 Pを受けた応力凍結試験片によって形成されるコースティック像を理論的に導き，その像を用いて集中荷重 Pを評価する手法を提案するとともに，その有効性を実験によって検証した。また，コースティックス法によって集中荷重 Pを評価するには応力凍結条件下における c0やξの値が必要であるが，これらの値をコースティック像から簡便に精度良く評価する方法に関しても検討を加えたので，ここに報告する。原稿受付：平成18年7月19日 ＊末次 正寛 鈴鹿工業高等専門学校（三重県鈴鹿市白子町） Department of Mechanical Engineering,Suzuka National College of Technology ＊清水 紘治 関東学院大学（横浜市金沢区六浦1-50-1） Department of Mechanical Engineerin Kantou Gakuin University ＊斎藤 英純 神奈川科学技術アカデミー（川崎市高津区坂戸3-2-1） Material Characterization Center,Kanagawa Academy of Science and Technology
