補助事業番号

2023M-339

補助事業名

2023年度 粒子法Non-smooth DEMを用いた数値解析と可視化実験による粒状体衝撃ダンパの制振メカニズム解明 補助事業

補助事業者名青山学院大学 理工学部 機械創造工学科 機械制御研究室 武田真和

１ 研究の概要
本事業では，近年，研究開発が進められている粒状体衝撃ダンパの制振メカニズムを解明し，より制振効果が高い装置の設計手法を確立することを目的として数値解析と実験を実施した．数値解析では粒子法Non-smooth DEMを用いて新たに解析モデルを構築した．この手法は従来法に比べて計算コストが低くパラメータ設定が比較的容易であるため，種々のパラメータ効果を検証する粒状体衝撃ダンパの解析に適切な手法である．さらに，実験ではPIV計測に基づいた測定によりダンパ内部の粒状体の運動を可視化し，エネルギの流れを調べた．そして，解析と実験により得られた結果から粒状体衝撃ダンパの制振メカニズムを詳細に考察し，制振に寄与する因子と制振効果を向上させる方法を明らかにした．
２ 研究の目的と背景
粒状体衝撃ダンパは構成が比較的単純であるため，複雑な機構を有するオイルダンパや空気ダンパと比較してメンテナンス性に優れ，さらに温度依存性が低い利点も有する．しかしながら，粒状体衝撃ダンパはパラメータ選定の難しさから設計指針が少なく，装置の設計方法が設計者の経験則に基づいて決定されている．このため，現在稼働している粒状体衝撃ダンパはその性能を十分に活かしきれていない場合が多い．そこで本事業により粒状体衝撃ダンパの制振メカニズムを解明し，最適化設計に必要なパラメータの設定方法を明らかにし，制振効果が高いダンパの設計・開発方法を確立することを目標として研究を実施した．
３ 研究内容（１）粒子法Non-smooth DEMを用いた解析モデルの構築と数値解析(https://www.me.aoyama.ac.jp/~sugawara/keisai.pdf)
本事業では，ステップ幅への依存度が低く計算コストが低減されているためにより多くの粒子を使用できる粒子法Non smooth DEMを用いて粒状体衝撃ダンパをモデル化し二次元における数値解析を行った．本事業で構築した解析モデルの概略図を図1に示す．本事業では接触判定の簡易化と粒子数の削減を目的に巨大な粒子同士を拘束することで容器を表現した．ここで，容器構成粒子及び加振粒子を図1に示した通りの番号(容器左側粒子を➀，容
器底面粒子を➁，容器右側粒子を➂，加振粒子を➃)と呼称し粒子➀～➂の総称を粒状体容器とした．数値解析において辺と円の接触は接触判定に辺と円の距離に加えて辺のどの位置に接触しているか算出する必要があるが，一方で円同士の接触には相対的な距離のみで接触点を決定することができるので計算コストを大幅に削減することができるという特徴を有する．また，円を用いた手法として小さな粒子を連ねて配置して直線として近似する手法があるが，本事業では内部粒子の数も多くなるのに伴って計算コストが増大するため内部粒子に対して十分に大きな粒子を用いて直線として近似して容器のモデル化に用いた．そして粒子➃と粒子➀をフォークトモデルで接続した． 図2に，本モデルを用いた解析により得られた粒状体衝撃ダンパの減衰比を示す．ここでは，後述の実験検証による結果も併せて示している．この結果より，解析結果と実験値は概ね一致しており，粒子層を2層とすることで解析・実験ともに高い減衰比が得られることを明らかにした．なお，粒子層が3層の場合では解析と実験に差異が生じたが，これは解析では考慮していない粒子の奥行方向の摩擦の寄与が大きいためと推測され，この摩擦（3次元効果）を含んだ解析モデルの構築は今後の研究課題である．

図1 粒子法Non-smooth DEMを用いた解析モデル

図2 系の減衰比（実験結果との比較）（２）可視化実験に基づく制振メカニズムの考察(https://www.me.aoyama.ac.jp/~sugawara/keisai.pdf)
本事業では数値解析に加えて，可視化実験を実施することにより粒状体衝撃ダンパの制振メカニズムを考察した．図3に可視化実験の様子を示す．図3(a)に示すように，粒状体衝撃ダンパを模した実験装置を設置し，装置左手の加振器により多数の粒子が封入された容器を水平方向に定常加振した．そして，実験時の容器内部の様子を高速度カメラで撮影し（図3(b)，PIV計測に基づいた手法により解析を実施することで，容器内部の粒子の運動の乱れエネルギを算出した．同時に，系の減衰比を計算することにより制振メカニズムを考察した．実験結果は図4に示す通りであり，粒子の乱れのエネルギと減衰比に大まかな相関があり，粒子が個として運動する場合は減衰効果が上昇することを明らかにした．

(a) 装置全体図(b) 内部粒子撮影の様子
図3 可視化実験の様子

図4 可視化実験等により得られた実験結果
４ 本研究が実社会にどう活かされるか―展望
機械システムに発生する振動は，そのシステムが目的とする機能に影響を及ぼすため，振動を抑制する必要がある．これまでに様々な振動抑制機構が開発されてきたが，その多くは構成が複雑であるが故にメンテナンス性に難があり，さらに温度依存性があるものは使用環境が限定されるなどの問題がある．そこで近年，メンテナンス性に優れており温度依存性もない粒状体衝撃ダンパが着目されている．しかしながら，この機構は詳細な制振メカニズムが解明されておらず，設計手法が確立されていない．このため，現場においてその性能が十分に活かされていない．そこで
本研究では粒状体衝撃ダンパの制振メカニズムを詳細に考察し，制振に寄与する因子を明らかにした．これは粒状体衝撃ダンパの制振効果向上に大きく寄与するものであり，様々な条件・環境下において機械システムに発生する振動を抑制することが可能になる．
５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
これまで，粒子法Non-smooth DEMを用いた動的安定性解析モデルを構築してきた．本事業により，同手法を用いたモデルの構築時に問題となるパラメータの同定方法を確立させ，検証実験によりその妥当性を確認した．これは多点接触問題を伴う解析モデルの構築に有益となる知見であると同時に，流体構造連成問題にNon-smooth性を考慮した個別要素法の概念を取り入れることで流体と集合体の連成問題を解析する今後の研究課題に大きく寄与する．
６ 本研究にかかわる知財・発表論文等（学会発表）
1. 矢野亮祐，和智昭英，武田真和，菅原佳城，「粒子法Non-smooth DEMを用いた数値解析と可視化実験による粒状体衝撃ダンパの制振メカニズム考察」，日本機械学会2023年度年次大会，2023年9月4日，東京都立大学，J101p-09.
７ 補助事業に係る成果物（１）補助事業により作成したもの
2024年5月31日時点では無し（２）（１）以外で当事業において作成したもの
研究成果報告資料(https://www.me.aoyama.ac.jp/~sugawara/keisai.pdf)
８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 青山学院大学 理工学部（アオヤマガクインダイガク リコウガクブ）
住所： 〒252-5258
神奈川県相模原市中央区淵野辺5-10-1

担当者： 助教 武田真和（タケダマサカズ）

担 当 部 署： 機械創造工学科（キカイソウゾウコウガクカ）
E - m a i l： takeda@me.aoyama.ac.jp
ＵＲ

Ｌ： https://www.agnes.aoyama.ac.jp/me/sugawara/