JP2003075287A - 振動試験装置及び振動試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動台の試加振を行わずに、振動台を精度良く
加振する。 【解決手段】テーブル１０８とテーブル１０８を駆動す
る加振機１０９、１１９とを有する振動台１０３と、加
振機を制御する加振制御装置１０１と、を備え、テーブ
ル１０８の上に取り付けられた供試体１０４を振動させ
る振動試験装置において、振動台１０３及び供試体１０
４をモデル化し、加振機に入力される加振信号とモデル
とからテーブル１０８の加速度を計算するシミュレータ
１０２と、振動の加速度の目標値をシミュレータ１０２
で計算されたテーブル１０８の加速度に基づいて補正す
る波形補正装置１０６と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動台を用いた大
型供試体の振動試験装置及び振動試験方法に関し、特に
振動台の試加振を行わなくても精度良く加振するものに
好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動台を用いた振動試験において
は、供試体から振動台への反力によって、振動台加速度
の精度が低下するので、本実験に先立ち、振動台に供試
体を搭載して試加振を繰り返し行い、供試体を含んだ全
体の振動特性を計測し加振目標波形を補正することによ
り、振動台の加振精度の向上を図っていた。

【０００３】また、供試体からの反力を計測し、この影
響を打ち消す加振力を第２のアクチュエータで振動台に
与えることにより、加振精度の向上を図ることが知ら
れ、例えば特開２０００−１７１３７４号公報に記載さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、試加振は本実験への影響を少なくするために、供試
体が線形特性を示す条件で行わざるを得ない。従って、
供試体が破壊、座屈等の非線形挙動を示す条件では、加
振精度が低下する。また、土槽を用いた振動実験など、
試加振自体を避けたい実験への適用が困難であった。

【０００５】さらに、上記公報のものでは、振動試験に
あたり振動台を加振する第１アクチュエータ、振動台に
搭載された第２アクチュエータというように二つ設ける
必要があり、供試体からの反力を計測するためにはロー
ドセル等を供試体と振動台との間に設置する必要があっ
た。よって、コストや反力計測の精度が振動台上の加速
度の精度に影響する。また、ロードセルの剛性によって
は、振動台上の加速度と、供試体に与えられる加速度と
の差が出てくる恐れがあった。さらに、加振精度の低下
は、ピッチングやローリング等の振動台の回転によって
も生じるが、上記従来技術には、これらに関することは
論じられていない。

【０００６】本発明の目的は、上記課題を解決し、振動
台の試加振を行わずに、振動台を精度良く加振すること
にある。また、供試体からの反力を計測するためのロー
ドセル等の反力計測装置を無くし、低価格化を図ること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
本発明は、テーブルとテーブルを駆動する加振機とを有
する振動台と、加振機を制御する加振制御装置と、を備
え、テーブルの上に取り付けられた供試体を振動させる
振動試験装置において、振動台及び供試体をモデル化
し、加振機に入力される加振信号とモデルとからテーブ
ルの加速度を計算するシミュレータと、振動の加速度の
目標値をシミュレータで計算されたテーブルの加速度に
基づいて補正する波形補正装置と、を備えたものであ
る。

【０００８】これにより、振動台の試加振を行わずにシ
ミュレータで補正目標値を生成することができるので、
振動台の試加振を行うことなく振動台を精度良く加振す
ることができる。また、供試体からの反力を計測するた
めのロードセル等の反力計測装置が不要となる。

【０００９】また、上記のものにおいて、シミュレータ
は、振動台のモデルと加振機に入力される加振信号と供
試体から振動台への反力とからテーブルの加速度を計算
する振動台シミュレータと、供試体のモデルとテーブル
の加速度とから供試体からの反力を計算する供試体シミ
ュレータと、を備たことが望ましい。

【００１０】さらに、上記のものにおいて、振動台及び
供試体のモデルは、シミュレータの外部で生成されるこ
とが望ましい。さらに、シミュレータは供試体からの反
力を受けた振動台の加速度を予め計算し、計算結果が保
持されたデータベースによりテーブルの加速度を求める
ことが望ましい。さらに、本発明はテーブルとテーブル
を駆動する加振機とを有する振動台と、加振機を制御す
る加振制御装置と、を用い、テーブルの上に取り付けら
れた供試体を振動させることによって供試体の振動試験
を行う振動試験方法において、振動台及び供試体をモデ
ル化し、加振機に入力される加振信号とモデルとからテ
ーブルの加速度を計算し、計算された値に基づいて振動
の加速度の目標値を補正するものである。

【００１１】さらに、上記のものにおいて、振動台及び
供試体のモデル化は、振動台のモデルと加振機に入力さ
れる加振信号と供試体から振動台への反力とからテーブ
ルの加速度を計算する振動台シミュレータと、供試体の
モデルとテーブルの加速度とから供試体からの反力を計
算する供試体シミュレータとより行われることが望まし
い。

【００１２】さらに、上記のものにおいて、振動台及び
供試体のモデル化は、振動台のモデルと加振機に入力さ
れる加振信号と供試体から振動台への反力とからテーブ
ルの加速度を計算する振動台シミュレータと、供試体の
モデルとテーブルの加速度とから供試体からの反力を計
算する供試体シミュレータとされ、振動台及び供試体の
モデルは振動台シミュレータ及び供試体シミュレータの
外部でデータとして生成され、それを用いてテーブルの
加速度が計算されることが望ましい。

【００１３】さらに、上記のものにおいて、供試体から
の反力を受けた振動台の加速度を予め計算し、計算結果
が保持されたデータベースによりテーブルの加速度を求
めることが望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
を参照して説明する。図１において、本振動試験装置
は、加振制御装置101、シミュレータ102、振動台103か
ら構成され、振動台103は水平加振機119と垂直加振機10
9、110によってテーブル108を駆動する。テーブル上に
取り付けられた供試体104は、振動台103が駆動、つまり
振動されることにより、振動試験が行われる。

【００１５】加振制御装置101は、テーブル108で実現す
べき加速度の目標波107、波形補正装置106、フィードバ
ック制御装置105を備え、フィードバック制御装置105
は、波形補正装置106から出力された補正目標変位を指
令信号115とし、フィードバック信号112がフィードバッ
クされて、振動台103を制御するための加振信号111を生
成し、振動台103、つまり加振機に出力する。フィード
バック信号112の一例は、水平加振機119、垂直加振機10
9、110の変位、差圧、テーブル108の速度、加速度であ
り、テーブル108の加速度は信号118のように波形補正装
置106へ入力される。フィードバック制御装置は加振信
号111と同様の信号を加振信号113としてシミュレータ10
2にも出力する。

【００１６】シミュレータ102は、振動台103及び供試体
104の伝達特性をモデル化し、加振信号113とモデル（伝
達特性）とに基づき、供試体104からの反力の影響を考
慮した振動台103の挙動（水平加振機119、垂直加振機10
9、110の変位、差圧、テーブル108の速度、加速度）を
計算する。計算結果は、フィードバック信号112と同様
の信号をフィードバック信号114としてフィードバック
制御装置105に出力され、計算されたテーブル108の加速
度は加速度出力117として波形補正装置106に出力され
る。従って、指令信号115に対するフィードバック制御
装置105からテーブル108の加速度118への伝達特性Ｇ0
は、指令信号115に対してシミュレータ102が計算した加
速度出力117の伝達特性Ｇでシミュレートできる。この
伝達特性Ｇはフィードバック制御装置105への指令信号1
15とシミュレータ102の加速度出力117の関係から求め
る。

【００１７】シミュレータ102は振動台シミュレータ121
と供試体シミュレータ120とを備え、振動台シミュレー
タ121は、振動台103のモデルとフィードバック制御装置
からの加振信号113とに基づき、振動台103のテーブル10
8の加速度122を計算し、供試体シミュレータ120に出力
する。供試体シミュレータ120は、供試体104のモデルと
振動台103のテーブル108の加速度122とに基づき、供試
体104から振動台103への反力123を計算し、振動台シミ
ュレータ121に出力する。次に、振動台シミュレータ121
は、振動台103のモデルとフィードバック制御装置105か
らの加振信号113と供試体104から振動台103への反力123
に基づき、振動台103のテーブル108の加速度122、117
と、フィードバック信号114を計算し、それぞれ供試体
シミュレータ120、波形補正装置106、フィードバック制
御装置105に出力する。以下、この手順を繰り返す。

【００１８】ここで、供試体シミュレータ120は、例え
ば有限要素解析法に基づくシミュレータを用いてもよい
し、より簡便なシミュレータを用いてもよい。特に、供
試体の厳密なモデル化が難しい場合、例えば固有振動数
等の振動特性パラメータが概ね一致するような簡略モデ
ルを用いてもよい。図１では振動台103のモデルと供試
体104のモデルは、それぞれ振動台シミュレータ121、供
試体シミュレータ120内に持たせている。波形補正装置1
06は、テーブル108の目標加速度116をＧの逆特性で補正
して、さらにこれを変位に変換した補正目標変位を生成
する。

【００１９】本振動試験装置を用いた振動試験方法は次
の通りである。 ステップ１：波形補正装置106にて、テーブル108で実現
すべき加速度の目標波107をＧの逆特性で補正し、さら
に変位に変換した補正目標変位を生成しておく。 ステップ２：補正目標変位を指令信号115としてフィー
ドバック制御装置105に与え、フィードバック制御装置1
05は、指令信号115に対して、フィードバック信号114を
フィードバックして、シミュレータ102内に構成された
振動台モデルをフィードバック制御するための加振信号
113を生成し、シミュレータ102に出力する。このとき、
フィードバック制御装置105は振動台103を加振しない。

【００２０】シミュレータ102は、加振信号113に基づ
き、供試体104からの反力の影響を考慮した振動台103の
挙動をシミュレーションし、シミュレーション結果に基
づきフィードバック信号114（例えば、水平加振機119、
垂直加振機109、110の変位、差圧、テーブル108の速
度、加速度等）をフィードバック制御装置105に出力
し、シミュレーションしたテーブル108の加速度を加速
度出力117として波形補正装置106に出力する。 ステップ３：波形補正装置106は、ステップ２で加速度
出力117として出力されたシミュレーションしたテーブ
ル108の加速度とテーブル108で実現すべき加速度の目標
波107とを比較し、加速度出力117が加速度の目標波107
に近づいたか否かを判定する。

【００２１】判定結果がＹＥＳの場合、次のステップ４
に進む。判定結果がＮＯの場合、シミュレーションした
テーブル108の加速度とテーブル108で実現すべき加速度
の目標波107との差を、Ｇの逆特性で補正し、さらにこ
れを変位に変換した補正目標変位を生成し、ステップ２
に戻る。 ステップ４：補正目標変位を、指令信号115としてフィ
ードバック制御装置105に与え、フィードバック制御装
置105は、指令信号115に対して、フィードバック信号11
2をフィードバックして、振動台103をフィードバック制
御するための加振信号111を生成し、振動台103に出力し
て、振動台103および供試体104を加振する。

【００２２】以上が振動試験方法であるが、供試体104
を更に加振することが可能な範囲で、ステップ４に続い
て、次のステップ５を行ってもよい。 ステップ５：波形補正装置106は、テーブル108の加速度
118とテーブル108で実現すべき加速度の目標波107とを
比較し、加速度118が加速度の目標波107に近づいたか否
かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合、試験終了。判
定結果がＮＯの場合、テーブル108の加速度118とテーブ
ル108で実現すべき加速度の目標波107との差を、Ｇの逆
特性で補正し、さらにこれを変位に変換した補正目標変
位を生成し、ステップ４に戻る。

【００２３】ステップ１における補正目標変位の補正方
法の一例を以下に示す。加速度の目標波107をＸ''T(t)
とする。これをフーリエ変換してＸ''T(s)を求め、

【００２４】

【数１】 により、Ｘ''C1(s)を求める。ここで、k1は初期ゲイン
である。次に、Ｘ''C1(s)をフーリエ２重積分した後、
逆フーリエ変換して、ＸC1(t)を求め、これをステップ
１における補正目標変位とする。

【００２５】ステップ３における補正目標変位の補正方
法の一例を以下に示す。シミュレーションしたテーブル
108の加速度出力117をＸ''O(t)とする。これをフーリエ
変換してＸ''O(s)を求め、加速度の目標波107Ｘ''T(t)
をフーリエ変換したものをＸ''T(s)として、

【００２６】

【数２】

【数３】 により、Ｘ''Ci(s)を求める。ここで、k2はゲイン、i＝
2,3,...である。次に、Ｘ''Ci(s)をフーリエ２重積分し
た後、逆フーリエ変換して、ＸCi(t)を求め、これをス
テップ３におけるｉ回目の補正目標変位とする（１回目
はステップ１で求めた初期値）。

【００２７】本例の場合、Ｘは３×１のベクトルであ
り、Ｇは３×３の行列となる。振動台103の水平変位を
ｘ、垂直変位をｙ、回転変位をθとすれば、

【００２８】

【数４】 となる。即ち、上記補正方法は、水平方向、垂直方向、
回転方向について、適用可能となる。また、ステップ５
における補正目標変位の補正方法として、例えば上記と
同様の方法を用いることができる。上記例においては、
供試体104を加振する加振装置が振動台である場合の例
を示したが、加振装置が振動台以外、例えば加振機のみ
であってもよい。

【００２９】以上によれば、振動台、供試体の試加振を
行わずに、振動台を精度良く加振することできる。ま
た、回転（ピッチング）の影響を低減した精度の良い加
振が可能となる。従って、供試体への試加振の影響を防
ぐことができ、試加振の困難な供試体を用いた場合で
も、振動台を精度よく加振できる。

【００３０】さらに、振動台を加振して実験を行う本加
振の目標波条件で、シミュレータを用いて、供試体から
振動台への反力を考慮して、補正目標変位の修正を繰り
返して修正目標変位の精度を上げることができるため、
供試体が塑性変形や、破壊などの非線形挙動を示す場合
においても、振動台を精度良く加振できる。特に、ステ
ップ５を実施した場合は、ステップ４までを実施した場
合に比べ、振動台をより精度良く加振できる。

【００３１】さらに、試加振が可能な供試体の場合で
も、振動台を加振する前にシミュレータによって補正目
標変位の生成を行うことができるため、試加振の回数を
低減し、供試体への試加振の影響を低減することができ
る。さらに、振動台を加振しての試験を行う前に、シミ
ュレータを用いて、振動台の挙動を考慮した供試体の挙
動をシミュレーションできるため、供試体の計測点の決
定や供試体の設計等の実験計画を立てやすい効果があ
る。

【００３２】さらに、供試体からの反力を計測するため
のロードセル等の反力計測装置なしに、振動台を精度良
く加振することができ、反力計測装置のコストを低減で
きる。さらに、ロードセル等のたわみによる、振動台上
の加速度と供試体に与えられる加速度との誤差を低減で
きる。

【００３３】上記例においては、フィードバック制御装
置105は、振動台103からのフィードバック信号112をフ
ィードバックして振動台103の制御を行う例を示した
が、制御装置105は、振動台103からのフィードバック信
号112がなく、オープンループ制御により振動台103を制
御する制御装置であってもよく、シミュレータ102はフ
ィードバック信号114を出力しなくてもよいので、装置
構成が簡略になる。

【００３４】図２は他の実施の形態を示し、振動台103
のモデルと供試体104のモデルはデータ205として作成し
ておき、入力インターフェース204によって、それぞれ
振動台シミュレータ121、供試体シミュレータ120内にロ
ードしてシミュレータ102としてシミュレーションに用
いる。振動台103のモデルと供試体104のモデルを、シミ
ュレータ102の外部で生成することになるので、シミュ
レータ102の記憶容量に関わらず大きなデータ量を扱う
ことができ、より精度向上を図ることができる。また、
シミュレータ102は振動台103のシミュレーションと供試
体104のシミュレーションとを１つのシミュレータで行
うシミュレータとして簡略化しても良い。

【００３５】図３はさらに他の実施の形態を示し、加振
信号113に対応した、供試体104からの反力の影響を考慮
した振動台103の挙動をシミュレータ102以外の装置で予
め計算しておき、つまり、フィードバック信号112と同
様の信号であるフィードバック信号114、テーブル108の
加速度出力117について計算し、加振信号113に対応した
結果をデータ303として予め保持しておく。データ303は
入力インターフェース302により、予めデータベース301
に送る。加振信号113に対するデータベース301内の計算
結果は、フィードバック信号114がフィードバック制御
装置105に出力され、テーブル108の加速度が加速度出力
117として波形補正装置106に出力される。

【００３６】本例によれば、シミュレーション計算を事
前に行っているため、加振試験時にはシミュレーション
計算を行う必要がなく、データベースから結果を参照す
るだけなので、加振試験時の加振信号113に対するフィ
ードバック信号114と加速度出力117との出力を高速にで
き、試験時間を短くできる。さらに、シミュレーション
計算をシミュレータ102で行う必要がないため、シミュ
レーションが複雑で大規模になった場合でも、対応が可
能となり、シミュレータ102を低コスト化できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、試加振を行わずに、振
動台を精度良く加振することできる。従って、供試体へ
の試加振の影響を防ぐことができ、試加振の困難な供試
体を用いた場合でも、振動台を精度よく加振できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による振動試験装置のブ
ロック図。

【図２】本発明の他の実施の形態による振動試験装置の
シミュレータを示すブロック図。

【図３】さらに他の実施の形態による振動試験装置のシ
ミュレータを示すブロック図。

【符号の説明】 101…加振制御装置、102…シミュレータ、103…振動
台、104…供試体、105…フィードバック制御装置、106
…波形補正装置、107…目標波、108…テーブル、109、1
10…垂直加振機、119…水平加振機、120…供試体シミュ
レータ、121…振動台シミュレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堂薗 美礼 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 亀谷 雅嗣 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 今野 隆雄 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】テーブルとテーブルを駆動する加振機とを
   有する振動台と、前記加振機を制御する加振制御装置
   と、を備え、前記テーブルの上に取り付けられた供試体
   を振動させる振動試験装置において、 前記振動台及び前記供試体をモデル化し、前記加振機に
   入力される加振信号と前記モデルとから前記テーブルの
   加速度を計算するシミュレータと、 前記振動の加速度の目標値を前記シミュレータで計算さ
   れた前記テーブルの加速度に基づいて補正する波形補正
   装置と、を備えたことを特徴とする振動試験装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記シミ
   ュレータは、前記振動台のモデルと前記加振機に入力さ
   れる加振信号と前記供試体から前記振動台への反力とか
   ら前記テーブルの加速度を計算する振動台シミュレータ
   と、前記供試体のモデルと前記テーブルの加速度とから
   供試体からの反力を計算する供試体シミュレータと、を
   備えたことを特徴とする振動試験装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載のものにおいて、前記振動
   台及び前記供試体のモデルは、前記シミュレータの外部
   で生成されることを特徴とする振動試験装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載のものにおいて、前記シミ
   ュレータは前記供試体からの反力を受けた前記振動台の
   加速度を予め計算し、計算結果が保持されたデータベー
   スにより前記テーブルの加速度を求めることを特徴とす
   る振動試験装置。
5. 【請求項５】テーブルとテーブルを駆動する加振機とを
   有する振動台と、前記加振機を制御する加振制御装置
   と、を用い、前記テーブルの上に取り付けられた供試体
   を振動させることによって供試体の振動試験を行う振動
   試験方法において、前記振動台及び前記供試体をモデル
   化し、前記加振機に入力される加振信号と前記モデルと
   から前記テーブルの加速度を計算し、計算された値に基
   づいて前記振動の加速度の目標値を補正することを特徴
   とする振動試験方法。
6. 【請求項６】請求項５に記載のものにおいて、前記テー
   ブルの加速度の計算は、前記振動台のモデルと前記加振
   機に入力される加振信号と前記供試体から前記振動台へ
   の反力とから前記テーブルの加速度を計算する振動台シ
   ミュレータと、前記供試体のモデルと前記テーブルの加
   速度とから供試体からの反力を計算する供試体シミュレ
   ータとより行われることを特徴とする振動試験方法。
7. 【請求項７】請求項５に記載のものにおいて、前記テー
   ブルの加速度の計算は、前記振動台のモデルと前記加振
   機に入力される加振信号と前記供試体から前記振動台へ
   の反力とから前記テーブルの加速度を計算する振動台シ
   ミュレータと、前記供試体のモデルと前記テーブルの加
   速度とから供試体からの反力を計算する供試体シミュレ
   ータとより行われ、前記振動台及び前記供試体のモデル
   は前記振動台シミュレータ及び前記供試体シミュレータ
   の外部でデータとして生成され、それを用いて前記テー
   ブルの加速度が計算されることを特徴とする振動試験方
   法。
8. 【請求項８】請求項５に記載のものにおいて、前記供試
   体からの反力を受けた前記振動台の加速度を予め計算
   し、計算結果が保持されたデータベースにより前記テー
   ブルの加速度を求めることを特徴とする振動試験方法。