(57)【要約】【課題】汎用の振動試験機が無くても、構造物と振動試験機の結合部の振動特性を測定することができる測定方法を提供すること。【解決手段】一次の曲げモードの共振周波数が前記構造物の周波数範囲より大きい振動試験機代用部材を前記構造物に固定する際に、前記構造物を振動試験機に結合する場合と同等の特性を有する結合部材を前記構造物と前記振動試験機代用部材の間に用い、かつ前記構造物を前記振動試験機に結合する場合と同等の結合力を前記結合部材に与えて、前記構造物に固定させたあと、前記構造物、前記結合部材、および前記振動試験機代用部材の全体を加振することにより、前記構造物と前記振動試験機代用部材の結合部の振動特性を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法であって、
一次の曲げモードの共振周波数が前記構造物の周波数範囲より大きい振動試験機代用部材を前記構造物に固定する際に、前記構造物を振動試験機に結合する場合と同等の特性を有する結合部材を前記構造物と前記振動試験機代用部材の間に用い、かつ前記構造物を前記振動試験機に結合する場合と同等の結合力を前記結合部材に与えて、前記構造物に固定させたあと、前記構造物、前記結合部材、および前記振動試験機代用部材の全体を加振することにより、前記構造物と前記振動試験機代用部材の結合部の振動特性を測定する振動加速度測定工程と、
前記構造物、前記振動試験機代用部材および前記結合部材の特性データを表した数値解析モデルを作成する数値解析モデル作成工程と、
前記数値解析モデルの固有値を解析する固有値解析工程と、
前記固有値解析工程で解析した前記固有値を用いて周波数応答を解析する周波数応答解析工程と、
前記振動加速度測定工程と前記周波数応答解析工程の所定の位置における振動特性を比較する周波数応答比較工程と、
を有することを特徴とする構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法。
【請求項２】
前記周波数応答比較工程において、所定の位置における振動特性のいずれかが所定の範囲以下にならない場合に前記数値解析モデルを変更する数値解析モデル変更工程と、
前記周波数応答比較工程において、所定の位置における振動特性が所定の範囲以下になった場合に、前記数値解析モデルにおける振動試験機代用部材を振動試験機に変更する解析モデル変更工程と、を有することを特徴とする請求項１に記載の構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法。
【請求項３】
前記構造物が樹脂製で、前記振動試験機代用部材が金属製であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法。
【請求項４】
前記構造物と該構造物に取り付けられた前記振動試験機代用部材の全体をハンマ加振法によって加振することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法。
【請求項５】
前記構造物と該構造物に取り付けられた前記振動試験機代用部材の全体をシェイカー加振法によって加振することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の高性能化、高効率化、コスト削減のために、例えばインテークマニホールドなどの構造物の軽量化が積極的に進められている。しかし、構造物を軽量化することによって、その構造物が実際に使用される周波数範囲において従来は発生していなかった振動が発生して実使用時に破壊に至る場合がある。
【０００３】
例えば、自動車の吸気系部品であるインテークマニホールドは、車両走行時に主にエンジン回転に起因する振動によって加振される。エンジン振動は、インテークマニホールドとエンジンブロックとの結合部からインテークマニホールドに伝わり、インテークマニホールドは、その材質、形状、エンジンとの結合条件によって決まる共振周波数、振動モードで振動する。ここで、共振したときの変形量や加速度などの大きさには、材質や形状、エンジンとの結合条件などで決まる減衰率（ダンピング）が大きく影響する。
【０００４】
ここで、インテークマニホールドを軽量化するために板厚を薄くするなどの対策を行うと、共振周波数が変化する。その結果、共振周波数がエンジン回転速度の実用範囲内に入り、これまでは実用回転速度範囲内では発生していなかった共振が発生して、最悪の場合は破壊に至る可能性がある。
【０００５】
特に、実際に使用される際にエンジンから常に加振されるインテークマニホールドなどのような構造物を設計する際には、構造物を汎用の振動試験機に固定して、所定の加速度パターンで加振した場合の共振周波数、振動加速度などがスペックとして規定されている場合が多い。したがって、構造物を設計する際には、構造物を汎用の振動試験機に固定して、所定の加速度パターンで加振した場合の共振周波数、振動加速度などの振動特性を予測または把握しておき、スペックを満足するように構造物を設計する必要がある。
【０００６】
振動特性を予測または把握するためには、（１）有限要素法を代表とする数値解析手法を用いて予測する方法、（２）構造物の試作を行い、振動試験を実施して把握する方法の２通りの方法がよく用いられる。
【０００７】
数値解析手法を用いて構造物の振動特性を予測する方法は、構造物を実際に試作することなく、構造物の振動特性をコンピュータ上で予測することが可能であり、構造物に設計変更があった場合でもその影響を短期間で確認できるなどの長所がある。しかし、そり変形や加工誤差などによって生じる図面と実際の構造物との形状誤差、実際に製造されて汎用の振動試験機にボルト結合などで組み付けられたときの結合部分の剛性や減衰などを、構造物の図面情報だけからでは、完全に予測するのは困難であることや、数値解析モデル作成時に簡略化した微小なフィレットや穴などの影響により、振動特性の予測精度が十分でない場合があることが短所である。
【０００８】
また、実際に構造物の試作を行い、実験モーダル解析手法を用いて構造物の振動特性を把握する方法は、試作品を用いているため、そり変形や加工誤差などの図面と実際の構造物との形状誤差、実際に製造されて周辺の構造物に組み付けられた時のアセンブリとしての減衰や、ボルト結合などで組み付けられたときの結合部分の剛性などが結果に反映されており、振動特性を高精度に把握できることが長所である。しかし、実際に試作を行う必要があるため、設計変更があった場合にはその都度試作を行う必要があり、数値解析手法に比べて時間と費用が必要になることが短所である。
【０００９】
よって、振動特性を把握するための、（１）有限要素法を代表とする数値解析手法を用いて構造物の振動特性を予測する方法、（２）実際に構造物の試作を行い、実験モーダル解析手法を用いて構造物の振動特性を把握する方法のいずれにおいても無視し難い短所が存在するため、構造物の振動特性を高精度に予測・把握したいときには、特許文献１や非特許文献１に示すように、両者を組み合わせて使用されることが一般的である。
【００１０】
図５は、実際の設計・開発で良く用いられている、数値解析と実測を組み合わせて、構造物を汎用の振動試験機で加振した場合の振動特性を高精度に予測する手順を示したフローチャートである。
【００１１】
まず、構造物単体の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程５４０について説明する。
【００１２】
一次設計工程５００では、過去の知見などに基づいて、周辺のスペースなどの制約のもとに構造物の一次案を設計する。
【００１３】
数値解析モデル作成工程５０１では、一次設計工程５００で作成された構造物の図面やＣＡＤデータを基に、汎用のプリプロセッサーなどを用いて構造物の特性データ、すなわち、シェル要素やソリッド要素で要素分割した構造物の形状データ、弾性率、ポアソン比、密度などの材料データ、固定位置などの境界条件データを補助記憶装置に保存する。
【００１４】
固有値解析工程５０２では、数値解析モデル作成工程５０１で入力された形状データ、材料データ、境界条件データを、エムエスシーソフトウエア  コーポレーション製“ＭＳＣ ＮＡＳＴＲＡＮ”などの市販の振動解析用ソフトウエアに入力し、固有振動数、固有振動モードなどの固有値を求める。
【００１５】
一方、試作工程５０３では、一次設計工程５００で作成された構造物の図面やＣＡＤデータに基づき、構造物の試作を行う。
【００１６】
伝達関数測定工程５０４では、試作品を糸、ゴムなどで吊るし、試作品の所定の位置をインパクトハンマや加振器で加振し、試作品上の複数の位置の振動特性、すなわち、応答加速度または応答速度または応答変位などを、加速度ピックアップなどのセンサーで測定する。加振力と応答加速度の時間波形をそれぞれＦＦＴで周波数波形に変換し、応答周波数波形を加振力周波数波形で割ることで、伝達関数を求める。
【００１７】
モーダルパラメータ同定工程５０５では、固有振動数、減衰比をパラメータとして、測定した複数の伝達関数に最も適合するような曲線を算出する。マヤ ヒート トランスファー テクノロジー社製“Ｔｅｓｔ  ｆｏｒ  Ｉ−ｄｅａｓ”などの市販の実験モーダル解析用ソフトウエアには、モーダルパラメータを自動的に同定する機能が備わっている。
【００１８】
相関解析工程５０６では、固有値解析工程５０２で求めた数値解析モデルの固有振動数、固有振動モードと、モーダルパラメータ同定工程５０５で同定した試作品の固有振動数、固有振動モードの相関を解析する。数値解析モデルにおいて、固有振動数、固有振動モード、減衰率が精度良く解析できていれば、構造物単体の動的な特性を精度良く予測することができる。構造物単体においては、周辺部品との摩擦による損失などを考えなくてよいので、減衰率は材料固有の値である材料減衰を用いれば問題ないことが多い。したがって、数値解析モデルと試作品の固有振動数、固有振動モードの相関が高ければ、振動解析用の数値解析モデルは実際の試作品の動的な特性を精度良く表現できていると考えられる。まず、市販の実験モーダル解析ソフトウエアを用いて、数値解析モデルの固有振動モードと、試作品の固有振動モードのＭＡＣ値を解析し、数値解析モデルのどのモードと試作品のどのモードの相関が高いか、を定量的に求める。次に、相関解析工程５０６で算出したＭＡＣ値および／または対応するモードの固有振動数の差を所定の判定基準と比較し、判定基準以下の場合は、数値解析モデル変更工程５０８で数値解析モデルの形状データや材料データを変更し、再度固有値解析工程５０２で固有値解析を実行し、実験結果との相関を相関解析工程５０６で解析する。相関判定基準比較工程５０７において、数値解析モデルと試作品の相関が所定の値以上になるまで、数値解析モデル変更工程５０８および固有値解析工程５０２、相関解析工程５０６を繰り返す。
【００１９】
相関判定基準比較工程５０７で所定の判定基準を満足したら、周波数応答解析工程５０９で、固有値解析工程５０２で求めた固有振動数と固有振動モード、減衰比、加振条件などを市販の振動解析用ソフトウエアに入力し、所定の評価位置の伝達関数を求める。次いで、伝達関数比較工程５１０で、伝達関数測定工程５０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程５０９で求めた伝達関数とを比較する。伝達関数測定工程５０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程５０９で求めた伝達関数との差が所定の範囲内になければ、数値解析モデル変更工程５１１で減衰比などを変更し、再度、周波数応答解析工程５０９で周波数応答解析を実行し、伝達関数比較工程５１０で、伝達関数測定工程５０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程５０９で求めた伝達関数とを再度比較する。伝達関数比較工程５１０において、伝達関数測定工程５０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程５０９で求めた伝達関数との差が所定の範囲内になるまで、周波数応答解析工程５０９、伝達関数比較工程５１０、数値解析モデル変更工程５１１を繰り返す。
【００２０】
伝達関数比較工程５１０で、伝達関数測定工程５０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程５０９で求めた伝達関数との差が所定の範囲内になれば、構造物単体の振動特性を高精度に予測することができる数値解析モデルが完成したことになる。
【００２１】
次に、構造物を汎用の振動試験機に取り付けた場合の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程５６０について説明する。
【００２２】
構造物＋振動試験機の数値解析モデル作成工程５３０では、構造物を振動試験機に取り付けた状態の数値解析モデルを作成するが、構造物と振動試験機の結合部分には、ねじの噛み合い、シール材の複雑な変形、表面粗さや押し付け力による摩擦係数の変化などの予測困難な因子が複雑に影響しており細部まで正確にモデル化することは難しいので、通常は、ばね要素やビーム要素などで結合部分を簡易的にモデル化し、ばね定数、弾性率などを実測結果に合うように合わせ込む方法が一般的である。
【００２３】
図２は、構造物を汎用の振動試験機に取り付けた場合の構成例を模式的に示した図である。図２に示す振動試験機２０１は、取り付け面２０７に対して垂直方向に加振する構造である。加振方式には、油圧式や動電式など、いくつかの種類があるが、加振力の大きさを広範囲に変えられることから、近年では、動電式が広く用いられている。図２に示した振動試験機は、振動試験機の取り付け面２０７に対して垂直に加振する形式であるが、振動試験機の取り付け面２０７に対して水平（面内方向）に加振する形式のものも存在する。構造物２００は、構造物の取り付け部２０６において振動試験機のステージ２０２にボルト２０３で結合される。構造物２００と振動試験機のステージ２０２の結合面間にはシール材２０４が挿入されている。振動試験機で加振した場合の加速度は加速度ピックアップ２０５で測定する。
【００２４】
図３は、構造物と振動試験機ステージの結合部の構成を模式的に示した図である。構造物３０１は、ボルト３０３でステージ３０２と結合されるが、結合面間にはシール材３０４が挿入されている。結合部分には、ねじの噛み合い、シール材の複雑な変形、表面粗さや押し付け力による摩擦係数の変化などの予測困難な因子が複雑に影響しているため、通常は、図４に示すように、ばね要素やビーム要素などで結合部分を簡易的にモデル化し、構造物の所定の評価位置の応答加速度が実測結果に合うように、ばね定数、弾性率などを合わせ込む方法が一般的である。図４は、構造物と振動試験機の結合部分の構成を模式的に示した図である。構造物４０１は、３軸ばね要素４０３を介してステージ４０２に結合される。ばね要素は、構造物４０１と振動試験機ステージ４０２を取り付けるボルト穴の中央にそれぞれ節点４０５、４０６を作成し、節点４０５と４０６の間に作成する。なお、図４では、便宜的に結合面間を離して描いている。
【００２５】
次に、固有値解析工程５３１、周波数応答解析工程５３２で、構造物を振動試験機に取り付け、所定の加速度パターンで加振した場合の固有振動数、所定の評価位置の応答加速度などを解析する。
【００２６】
一方、構造物＋振動試験機の振動加速度測定工程５３３では、構造物を振動試験機に取り付け、所定の加速度パターンで加振した際の、所定の位置の加速度を加速度ピックアップなどで測定する。
【００２７】
周波数応答比較工程５３４では、周波数応答解析工程５３２で求めた数値解析モデルのおける所定の位置の振動加速度と、構造物＋振動試験機の振動加速度測定工程５３３で測定した、所定の位置の振動加速度を比較する。数値解析モデルの振動加速度と測定した振動加速度の差が所定の許容範囲内になければ、数値解析モデル作成工程５３５で、数値解析モデルの結合部分のばね定数、ビームの弾性率などを変更し、再度、固有値解析工程５３１、周波数応答解析工程５３２で所定の位置の振動加速度を解析し、周波数応答比較工程５３４で測定結果と比較する。周波数応答比較工程５３４において、構造物＋振動試験機の振動加速度測定工程５３３で測定した所定の位置の振動加速度と、周波数応答解析工程５２２で求めた所定の位置の振動加速度との差が所定の範囲内になるまで、周波数応答解析工程５３２、周波数応答比較工程５３４、数値解析モデル変更工程５３５を繰り返す。
【００２８】
周波数応答比較工程５３４で、構造物＋振動試験機の振動加速度測定工程５３３で測定した所定の位置の振動加速度と、周波数応答解析工程５３２で求めた所定の位置の振動加速度との差が所定の範囲内になれば、構造物を振動試験機に取り付けた場合の振動特性を高精度に予測することができる数値解析モデルが完成したことになる。
【００２９】
このようにして、構造物を振動試験機に取り付けた場合の振動特性を高精度に予測できる数値解析モデルが完成すれば、以降は試作を繰り返すことなく、数値解析で構造物の設計検討を迅速に行うことが可能となる。
【００３０】
以上のように、図５に示した、構造物を汎用の振動試験機で加振した場合の振動特性を高精度に予測する手順においては、構造物を汎用の振動試験機に取り付けて振動試験を行う必要がある。しかし、一般に、汎用の振動試験機は高価であり、また、設置スペースの確保、電源などの付帯工事、使用方法の習得、安全対策なども必要になるため、迅速な導入・立ち上げは容易ではないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開平３−１００４３１号公報
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】大久保信行著、「機械のモーダル・アナリシス」、中央大学出版部、１９８２年５月、ｐ．１５８−１６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
本発明の目的は、汎用の振動試験機が無くても、構造物と振動試験機との結合を想定した場合の高精度な数値解析モデルを作成することができる数値解析モデル作成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用する。
【００３５】
本発明によれば、構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法であって、一次の曲げモードの共振周波数が前記構造物の周波数範囲より大きい振動試験機代用部材を前記構造物に固定する際に、前記構造物を振動試験機に結合する場合と同等の特性を有する結合部材を前記構造物と前記振動試験機代用部材の間に用い、かつ前記構造物を前記振動試験機に結合する場合と同等の結合力を前記結合部材に与えて、前記構造物に固定させたあと、前記構造物、前記結合部材、および前記振動試験機代用部材の全体を加振することにより、前記構造物と前記振動試験機代用部材の結合部の振動特性を測定する振動加速度測定工程と、前記構造物、前記振動試験機代用部材および前記結合部材の特性データを表した数値解析モデルを作成する数値解析モデル作成工程と、前記数値解析モデルの固有値を解析する固有値解析工程と、前記固有値解析工程で解析した前記固有値を用いて周波数応答を解析する周波数応答解析工程と、前記振動加速度測定工程と前記周波数応答解析工程の所定の位置における振動特性を比較する周波数応答比較工程と、を有する構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法が提供される。
【００３６】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記周波数応答比較工程において、所定の位置における振動特性のいずれかが所定の範囲以下にならない場合に前記数値解析モデルを変更する数値解析モデル変更工程と、前記周波数応答比較工程において、所定の位置における振動特性が所定の範囲以下になった場合に、前記数値解析モデルにおける振動試験機代用部材を振動試験機に変更する解析モデル変更工程と、を有する構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法が提供される。
【００３７】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構造物が樹脂製で、前記振動試験機代用部材が金属製である構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法が提供される。
【００３８】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構造物と該構造物に取り付けられた前記振動試験機代用部材の全体をハンマ加振法によって加振する構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法が提供される。
【００３９】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構造物と該構造物に取り付けられた前記振動試験機代用部材の全体をシェイカー加振法によって加振する構造物と振動試験機との結合を想定した場合の振動特性解析における数値解析モデル作成方法が提供される。
【００４０】
本発明において、構造物としては、単一または複数の部材を組み合わせて形成された物体のことをいう。射出成形によって製造された樹脂成形品、切削などの機械加工によって製造された金属部品、鋳造によって製造された鋳造品などが該当する。
【００４１】
本発明において、振動試験機としては、評価対象となる構造物を取り付けるテーブルを有し、テーブルと構造物の全体を任意の加振パターンで長時間振動させることができるものが採用できる。ハンマ加振やシェイカー加振は加振力を制御するのに対して、振動試験機は変位を制御して加速度を与えることができ、振動耐久試験、振動強度試験などに用いられる。
【００４２】
本発明において、ハンマ加振は、評価対象となる構造物を糸などで支持、またはテーブルなどに固定し、力検出器付きインパクトハンマで構造物の１点または数点を打撃加振するものである。実験モーダル解析では、構造物の１点または数点をハンマ加振し、複数点の加速度応答を測定し、伝達関数を算出する。試験方法が単純である反面、打撃方法に個人差がでやすいことが欠点である。
【００４３】
本発明において、シェイカー加振は、評価対象となる構造物を糸などで支持、またはテーブルなどに固定し、加振力を制御する小型の加振器に加振ロッドと呼ばれる金属製の棒により構造物の１点または数点を任意の加振パターンで加振し、複数点の加速度応答を測定し、伝達関数を算出するものである。ハンマ加振と比べて、個人差はでにくいが、加振ロッドと構造物の結合に用いる接着剤の影響などがでる場合があることや、設置に時間がかかることが欠点である。
【００４４】
本発明において、結合部材としては、構造物と振動試験機または振動試験機代用部材を結合するために用いるボルト、ナット、シール材などを採用することができる。
【００４５】
本発明において、結合部の振動特性とは、構造物と振動試験機または振動試験機代用部材を結合部材を用いて結合した場合に、構造物と振動試験機または振動試験機代用部材の相対加速度、速度、変位の時間的な変動を支配する特性などをいう。結合部材の材質、質量、構造物の材質、構造物を取り付ける振動試験機または振動試験機代用部材の材質、構造物と振動試験機または振動試験機代用部材の接触面積、接触力、結合部材と構造物の接触面積、接触力、結合部材と振動試験機または振動試験機代用部材の接触面積、接触力などが影響すると考えられる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、以下に説明するとおり、汎用の振動試験機が無くても、構造物と振動試験機とを結合した場合の高精度な数値解析モデルを作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す模式図である。
【図２】従来の実施形態を示す模式図である。
【図３】構造物と試験機の結合部分の拡大図である。
【図４】数値解析モデルにおける、構造物と試験機の結合部分の拡大図である。
【図５】従来の、振動特性を高精度に予測する手順を示したフローチャートである。
【図６】本発明における、振動特性を高精度に予測する手順を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の最良の実施形態の例を、インテークマニホールドを例にとって、図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図１は、インテークマニホールド１００に振動試験機代用部材１０１を結合した状態でハンマ加振試験をする方法を説明する模式図である。インテークマニホールド１００に、振動試験機代用部材１０１をボルト１０２で結合し、全体を糸１０４で吊るしている。また、インテークマニホールド１００と振動試験機代用部材１０１の間には、シール材１０３が挿入されている。インパクトハンマ１０５で所定の位置を打撃加振し、加速度ピックアップ１０６で所定の位置の加速度を測定する。
【００５０】
インテークマニホールドは、エアクリーナからの空気をエンジンの各気筒に分配するための分岐管である。インテークマニホールドは、従来はアルミ合金製が多かったが、近年は、主に軽量化を目的として、樹脂製が増加傾向にある。樹脂としては、振動溶着性の良さから、ナイロン６樹脂が多く用いられている。本実施形態では樹脂製とするが、アルミ合金製にも応用することができる。
【００５１】
また、振動試験機代用部材とは、汎用の振動試験機の代わりとなる部材のことをいう。インテークマニホールドは、検討しようとしている周波数範囲（たとえば、１０Ｈｚから１０００Ｈｚまでなど）には複数の共振周波数が存在し、それぞれの共振周波数は固有の振動モードで振動する。このとき、振動試験機代用部材１０１の一次の曲げモードの共振周波数がインテークマニホールドの取り付け部１０７の一次の曲げモードの共振周波数と同等である場合は、振動試験機代用部材１０１とインテークマニホールドの取り付け部１０７が一緒に変形してしまう場合があるため、振動試験機代用部材１０１の一次の曲げモードの共振周波数がインテークマニホールドの取り付け部１０７の一次の曲げモードの共振周波数よりも十分大きくなるように設計する。この際には、インテークマニホールド１００の数値解析モデルにより固有値解析を行い、インテークマニホールドの取り付け部１０７が一次の曲げモードになる共振周波数よりも、振動試験機代用部材の一次の曲げモードの共振周波数が十分大きくなるように設計する。一般には、インテークマニホールドの取り付け部１０７が一次の曲げモードになる共振周波数よりも、振動試験機代用部材単体の一次の曲げモードの共振周波数が５倍以上大きくなるように設計することが望ましい。具体的には、アルミ合金や炭素鋼などの金属製プレートに、振動試験機の取り付け部と同等のねじ穴を設けたもので良い。もちろん、振動試験機代用部材１０１の一次の曲げモードの共振周波数がインテークマニホールドの取り付け部１０７の一次の曲げモードの共振周波数よりも十分大きくなるように設計できるならば、振動試験機代用部材の材質は金属製以外でも構わない。
【００５２】
図６は、本実施形態における、数値解析と実測を組み合わせて、構造物を汎用の振動試験機で加振した場合の振動特性を、汎用の振動試験機の代わりに振動試験機代用部材を用いて、高精度に予測する手順を示したフローチャートである。
【００５３】
まず、構造物単体の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程６４０について説明する。
【００５４】
一次設計工程６００では、過去の知見などに基づいて、周辺のスペースなどの制約のもとに構造物の一次案を設計する。
【００５５】
数値解析モデル作成工程６０１では、一次設計工程６００で作成された構造物の図面やＣＡＤデータを基に、汎用のプリプロセッサーなどを用いてシェル要素やソリッド要素で要素分割した構造物の形状データ、弾性率、ポアソン比、密度などの材料データ、固定位置などの境界条件データを補助記憶装置に保存する。
【００５６】
固有値解析工程６０２では、数値解析モデル作成工程６０１で入力された形状データ、材料データ、境界条件データを、エムエスシーソフトウエア  コーポレーション製“ＭＳＣ ＮＡＳＴＲＡＮ”などの市販の振動解析用ソフトウエアに入力し、固有振動数、固有振動モードなどを求める。
【００５７】
一方、試作工程６０３では、一次設計工程６００で作成された構造物の図面やＣＡＤデータに基づき、構造物の試作を行う。
【００５８】
伝達関数測定工程６０４では、試作品を糸、ゴムなどで吊るし、試作品の所定の位置をインパクトハンマや加振器で加振し、試作品上の複数の位置の応答を加速度ピックアップなどで測定する。加振力と応答加速度の時間波形をそれぞれＦＦＴで周波数波形に変換し、応答周波数波形を加振力周波数波形で割ることで、伝達関数を求める。モーダルパラメータ同定工程６０５では、固有振動数、減衰比をパラメータとして、測定した複数の伝達関数に最も適合するような曲線を算出する。マヤ ヒート トランスファー テクノロジー社製“Ｔｅｓｔ  ｆｏｒ  Ｉ−ｄｅａｓ”などの市販の実験モーダル解析用ソフトウエアには、モーダルパラメータを自動的に同定する機能が備わっている。
【００５９】
相関解析工程６０６では、固有値解析工程６０２で求めた数値解析モデルの固有振動数、固有振動モードと、モーダルパラメータ同定工程６０５で同定した試作品の固有振動数、固有振動モードの相関を解析する。数値解析モデルにおいて、固有振動数、固有振動モード、減衰率が精度良く解析できていれば、構造物の動的な特性を精度良く予測できる。構造物単体においては、減衰率は材料固有の値である材料減衰を用いれば問題ないことが多いので、数値解析モデルと試作品の固有振動数、固有振動モードの相関が高ければ、振動解析用の数値解析モデルは実際の試作品の動的な特性を精度良く表現できていると考えられる。まず、市販の実験モーダル解析ソフトウエアを用いて、数値解析モデルの固有振動モードと、試作品の固有振動モードのＭＡＣ値を解析し、数値解析モデルのどのモードと試作品のどのモードの相関が高いか、を定量的に求める。次に、相関解析工程６０６で算出したＭＡＣ値および／または対応するモードの固有振動数の差を所定の判定基準と比較し、許容範囲外の場合は、数値解析モデル変更工程６０８で数値解析モデルの形状データや材料データを変更し、再度固有値解析工程６０２で固有値解析を実行し、実験結果との相関を相関解析工程６０６で解析する。相関判定基準比較工程６０７において、数値解析モデルと試作品の相関が許容範囲内になるまで、数値解析モデル変更工程６０８および固有値解析工程６０２、相関解析工程６０６を繰り返す。数値解析モデルと試作品の相関判定基準については、ＭＡＣ値は０．８以上、固有振動数の差は１０％以内を許容範囲とすれば、一般的には高精度な数値解析モデルと言える。ただし、さらに精度向上を図る場合は、ＭＡＣ値０．９以上、固有振動数の差５％以内などと、状況に応じて許容範囲を狭めることもある。
【００６０】
相関判定基準比較工程６０７で所定の判定基準を満足したら、周波数応答解析工程６０９で、固有値解析工程６０２で求めた固有振動数、固有振動モード、加振条件などを市販の振動解析用ソフトウエアに入力し、所定の評価位置の伝達関数を求める。次いで、伝達関数比較工程６１０で、伝達関数測定工程６０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程６０９で求めた伝達関数とを比較する。伝達関数測定工程６０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程６０９で求めた伝達関数との差が所定の範囲内になければ、数値解析モデル変更工程６１１で減衰比などを変更し、再度、周波数応答解析工程６０９で周波数応答解析を実行し、伝達関数比較工程６１０で、伝達関数測定工程６０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程６０９で求めた伝達関数とを比較する。伝達関数比較工程６１０において、伝達関数測定工程５０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程６０９で求めた伝達関数との差が所定の範囲内になるまで、周波数応答解析工程６０９、伝達関数比較工程６１０、数値解析モデル変更工程６１１を繰り返す。ここで、伝達関数を比較する際は、数値解析モデルと試作品の共振周波数の位置は前記相関判定基準比較工程６０７で整合性がとれているため、共振周波数のピーク高さのみを比較すればよい。共振周波数のピーク高さに影響を与える主な因子は減衰比なので、数値解析結果を実験結果の伝達関数に近づくように、減衰比を数値解析モデル変更工程６１１で変更する。また、伝達関数比較工程６１０において、伝達関数の差、すなわち共振周波数のピーク高さの差は、１０％以内を許容範囲とすれば、一般的には高精度な数値解析モデルと言える。ただし、さらに精度向上を図る場合は、共振周波数のピーク高さの差を５％以内などと、状況に応じて許容範囲を狭めることもある。  伝達関数比較工程６１０で、伝達関数測定工程６０４で測定した伝達関数と、周波数応答解析工程６０９で求めた伝達関数との差が所定の範囲内になれば、構造物単体の振動特性を高精度に予測することができる数値解析モデルが完成したことになる。
【００６１】
次に、構造物を汎用の振動試験機に取り付ける代わりに、振動試験機代用部材を用いた場合の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程６６０について説明する。
【００６２】
構造物＋振動試験機代用部材の数値解析モデル作成工程６３０では、構造物を振動試験機代用部材に取り付けた状態の数値解析モデルを作成するが、構造物と振動試験機代用部材の結合部分には、ねじの噛み合い、シール材の複雑な変形、表面粗さや押し付け力による摩擦係数の変化などの予測困難な因子が複雑に影響しており細部まで正確にモデル化することは難しいので、通常は、ばね要素やビーム要素などで結合部分を簡易的にモデル化し、ばね定数、弾性率などを実測結果に合うように合わせ込む方法が一般的である。
【００６３】
次に、固有値解析工程６３１、周波数応答解析工程６３２で、構造物を振動試験機代用部材に取り付けた場合の固有振動数、所定の評価位置の応答加速度などを解析する。
【００６４】
一方、構造物＋振動試験機代用部材の振動加速度測定工程６３３では、構造物を振動試験機に結合する場合と同等の特性を有する結合部材を構造物と振動試験機代用部材の間に用い、かつ振動試験機に結合する場合と同等の結合力を結合部材に与えて、前記構造物に固定し、所定の位置をインパクトハンマや加振器で加振し、所定の位置の加速度を加速度ピックアップなどで測定する。上述したように、構造物と振動試験機代用部材の結合部分には、ねじの噛み合い、シール材の複雑な変形、表面粗さや押し付け力による摩擦係数の変化などの予測困難な因子が複雑に影響しているため、振動試験機に構造物を結合する場合に使用する結合部材と同等の材質、形状、表面処理がされたものを用い、同等の結合力で結合する必要がある。
【００６５】
周波数応答比較工程６３４では、周波数応答解析工程６３２で求めた数値解析モデルのおける所定の位置の振動加速度と、構造物＋振動試験機の振動加速度測定工程６３３で測定した、所定の位置の振動加速度を比較する。数値解析モデルの振動加速度と測定した振動加速度の差が所定の許容範囲内になければ、数値解析モデル変更工程６３５で、数値解析モデルの結合部分のばね定数、ビームの弾性率などを変更し、再度、固有値解析工程６３１、周波数応答解析工程６３２で所定の位置の振動加速度を解析し、周波数応答比較工程６３４で測定結果と比較する。周波数応答比較工程６３４において、構造物＋振動試験機代用部材の振動加速度測定工程６３３で測定した所定の位置の振動加速度と、周波数応答解析工程６３２で求めた所定の位置の振動加速度との差が所定の範囲内になるまで、周波数応答解析工程６３２、周波数応答比較工程６３４、数値解析モデル変更工程６３５を繰り返す。周波数応答比較工程６３４で構造物＋振動試験機代用部材の数値解析結果と測定結果と比較する際には、加速度の差が１０％以内であれば、一般的には高精度な数値解析モデルと言える。ただし、さらに精度向上を図る場合は、加速度の差を５％以内などと、状況に応じて許容範囲を狭めることもある。
【００６６】
周波数応答比較工程６３４で、構造物＋振動試験機代用部材の振動加速度測定工程６３３で測定した所定の位置の振動加速度と、周波数応答解析工程６３２で求めた所定の位置の振動加速度との差が所定の範囲内になれば、構造物を振動試験機代用部材に取り付けた場合の振動特性を高精度に予測できる数値解析モデルが完成したことになる。この時点で、構造物と振動試験機代用部材の結合部の振動特性と、構造物と振動試験機の結合部の振動特性はほぼ同等であると考えられる。次いで、数値解析モデル変更工程６３７で、振動試験機代用部材の数値解析モデルを振動試験機の数値解析モデルに変更することで、構造物を振動試験機に取り付けた場合の振動特性を高精度に予測できる数値解析モデルが完成する。
【００６７】
このようにして、構造物を振動試験機に取り付けた場合の振動特性を高精度に予測できる数値解析モデルが完成すれば、以降は試作を繰り返すことなく、数値解析で構造物の設計検討を迅速に行うことが可能となる。
【００６８】
構造物を汎用の振動試験機で加振した場合の振動特性を高精度に予測するためには、従来は、構造物を汎用の振動試験機に取り付けて振動試験を行う必要があった。一般に、汎用の振動試験機は高価であり、また、設置スペースの確保、電源などの付帯工事、使用方法の習得、安全対策なども必要になるため、迅速な導入・立ち上げは容易ではないという問題点があった。
【００６９】
従来の方法に対して、本発明の方法では、専用に設計した金属プレートなどを振動試験機の代用として用いることができるため、導入費用を極めて安価に抑えることができる。また、ハンマ加振による実験モーダル解析などを実施する設備・ノウハウがある場合には、設置スペースの確保、電源などの付帯工事、使用法の習得、安全対策などを新たに行う必要が無く、迅速な導入・立ち上げが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、振動試験機に限らず、他の周辺部品にも応用することができるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。
【符号の説明】
【００７１】
１００：インテークマニホールド
１０１：振動試験機代用部材
１０２：ボルト
１０３：シール材
１０４：吊り下げ糸
１０５：インパクトハンマ
１０６：加速度ピックアップ
１０７：インテークマニホールドの取り付け部
２００：構造物
２０１：振動試験機
２０２：振動試験機のステージ
２０３：ボルト
２０４：シール材
２０５：加速度ピックアップ
２０６：インテークマニホールドの取り付け部
２０７：振動試験機の取り付け面
３０１：構造物
３０２：振動試験機のステージ
３０３：ボルト
３０４：シール材
４０１：構造物
４０２：振動試験機のステージ
４０３：３軸ばね要素
４０５：節点
４０６：節点
５００：一次設計工程
５０１：構造物単体の数値解析モデル作成工程
５０２：固有値解析工程
５０３：試作工程
５０４：伝達関数測定工程
５０５：モーダルパラメータ同定工程
５０６：相関解析工程
５０７：相関判定基準比較工程
５０８：数値解析モデル変更工程
５０９：周波数応答解析工程
５１０：伝達関数比較工程
５１１：数値解析モデル変更工程
５３０：構造物＋振動試験機の数値解析モデル作成工程
５３１：固有値解析工程
５３２：周波数応答解析工程
５３３：構造物＋振動試験機の振動加速度測定工程
５３４：周波数応答比較工程
５３５：数値解析モデル作成工程
５４０：構造物単体の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程
５６０：構造物＋振動試験機の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程
６００：一次設計工程
６０１：構造物単体の数値解析モデル作成工程
６０２：固有値解析工程
６０３：試作工程
６０４：伝達関数測定工程
６０５：モーダルパラメータ同定工程
６０６：相関解析工程
６０７：相関判定基準比較工程
６０８：数値解析モデル変更工程
６０９：周波数応答解析工程
６１０：伝達関数比較工程
６１１：数値解析モデル変更工程
６３０：構造物＋振動試験機代用部材の数値解析モデル作成工程
６３１：固有値解析工程
６３２：周波数応答解析工程
６３３：構造物＋振動試験機代用部材の振動加速度測定工程
６３４：周波数応答比較工程
６３５：数値解析モデル変更工程
６３７：数値解析モデル変更工程
６４０：構造物単体の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程
６６０：構造物＋振動試験機代用部材の高精度振動解析用数値解析モデル作成工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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