JP2009023374A - 衝撃緩衝装置の設計方法、衝撃緩衝装置の設計プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】船舶に搭載する装備機器の衝撃緩衝装置を設計する方法であって、船舶の構造モデルを作成する船舶モデル作成ステップと、船舶モデル作成ステップで得た構造モデル上の所定位置について時刻歴応答解析を実行し、当該位置における衝撃スペクトルを作成する衝撃スペクトル作成ステップと、装備機器の構造モデルを作成する装備機器モデル作成ステップと、衝撃スペクトル作成ステップで得た衝撃スペクトルを、装備機器モデル作成ステップで得た構造モデルについて適用し、当該装備機器について衝撃スペクトル解析を行う衝撃スペクトル解析ステップと、を有し、衝撃スペクトル解析ステップの結果に基づき衝撃緩衝装置の耐衝撃性を設計する。
【選択図】図1
Description
しかしながら、振動を静的なものに置き換えて設計された緩衝装置では、常に一定の重荷重が装備機器にかかるものとして設計が行われることにより、緩衝仕様が過剰になってしまう場合がある。
図1は、本発明の実施の形態1に係る衝撃緩衝装置設計システムの機能ブロック図を示すものである。
図1の衝撃緩衝装置設計システムの機能ブロックは、入力荷重作成パートと、装備機器の衝撃応答解析パートとの2つに大別される。
各パートは、必要なデータの入出力を行うためのインターフェース、CPUやマイコン等の演算装置、各ステップの処理を実装したプログラム、及び演算結果等を格納する記憶装置から構成される。詳細は後述する。
船体の各床面に加速度計を配置し、実際に海上で爆薬を爆発させるなどして船底から衝撃を作用させ、振動波形を計測する。計測した振動波形データを、あらかじめ取得しておく。
次のステップ(3)で用いるための船舶構造モデルを構築する。
モデリングに際し、船体構造物の材質および板厚を船舶構造モデルに忠実に反映するため、周波数別に船体構造物の減衰定数を材質データとして入力する。これにより、船体構造を伝搬していく振動エネルギーの減衰を船舶構造モデルに忠実に反映することを可能とする。
ステップ(2)で作成した船舶構造モデルに基づき、時刻暦応答解析を実行し、船舶構造に作用する振動データを模擬生成する。解析により得られた結果と、ステップ(1)で取得した実計測に基づく振動波形データとを比較し、ステップ(2)で作成した船舶構造モデルがその船舶をうまく模擬できているか否かを評価する。
ステップ(3)のシミュレーションにより得られた振動データを用いて、衝撃緩衝装置の設計に用いるための衝撃スペクトルを作成する。衝撃スペクトルの使用法は後述する。
なお、衝撃スペクトルは、船内の高さ方向の3箇所、前後方向の3箇所の合計9箇所に対応した9パターンを作成する。
ここでいう衝撃緩衝装置の設計とは、主に装備機器の衝撃応答解析を行うことである。
船体から装備機器に伝わる衝撃について衝撃スペクトル解析を実行することにより、船体からの衝撃により装備機器が受ける疲労が分かるため、緩衝装置が備えるべき性能仕様が明確になる。
緩衝装置の性能仕様が明確になれば、それに合わせて適切な緩衝装置を設計することは容易である。
ステップ(4)で作成した各箇所の衝撃スペクトルをあらかじめ得ておく。
後述のステップ(6)で得る装備機器の構造モデルと、ステップ(7)で仮設定する緩衝装置の性能パラメータとを用いて、各箇所毎に衝撃スペクトル解析を実行する。
衝撃スペクトル解析の実行により、船内の各箇所において船体が装備機器に与える衝撃の度合い、特に装備機器の疲労に与える影響が分かる。
船内の装備機器の構造を、有限要素モデルなどの手法によりモデル化する。船内の装備機器には、例えば機械台構造、儀装品、防振構造、などがある。モデル化の手法は有限要素法に限られるものではない。
衝撃緩衝装置の性能パラメータを仮設定し、図1の衝撃緩衝装置設計システムに入力する。ここでいう性能パラメータとは、例えば緩衝装置のバネ定数や減衰定数である。
ステップ(5)の衝撃スペクトル解析の結果、船内の各箇所における衝撃応答解析データ(最大応答加速度、最大応答応力、最大応答変位、など)の値が得られる。
(9)衝撃の方向毎の結果を合成
ステップ(8)で得た衝撃応答解析データを方向毎に合成する。
ステップ(9)で合成した衝撃応答解析データに基づき、ステップ(7)で仮設定した衝撃緩衝装置の性能パラメータにより、緩衝性能が基準を満たすことができているか否かを評価する。
基準を満たしている場合はステップ(11)へ進み、満たしていない場合はステップ(7)へ戻って再度新たな性能パラメータを設定し、衝撃スペクトル解析を再実行する。
ステップ(10)の結果により定まった緩衝装置の性能パラメータに基づき、緩衝装置の性能仕様を決定する。以後は、決定した性能仕様に基づき、緩衝装置の耐衝撃仕様を適切に設計する。
まずは、本発明の特徴の理解を容易にするため、船舶分野における衝撃緩衝の特性について、建築分野における耐震と対比しながら説明する。
この分野では、緩衝設計をするに際し、例えば過去の大規模地震の際に地盤で計測された地震波形をスペクトルに変換して衝撃スペクトル解析を実行する、といった手法が用いられる。これは、建築物に対して一定の衝撃力が加わるものと仮定した設計手法であるということができる。
このように、建築分野における耐震設計と異なり衝撃力が可変であることに起因して、船舶分野における緩衝設計には困難性が伴う。
上述のような事情から、船舶に搭載する装備機器の緩衝装置は、装備機器が船体に与える衝撃のみを考慮して設計ないし選定されていた。
そのため、図2(a)のように装備機器から船体へ与える衝撃に関しては、座面に伝達する振動の減衰を考慮して緩衝装置が設計ないし選定されているものの、図2(b)のように船体から装備機器へ与える衝撃に関しては、緩衝装置の設計ないし選定の際に考慮されていない。
したがって装備機器に対する適切な緩衝がなされないことになるので、装備機器が損傷する可能性があった。
図1のステップ(2)において、船舶の構造モデルを作成するが、その際には船舶の船体構造図を参照する。
船体構造図には、各部に採用する板の素材や厚さ、骨組類の形状及び配置間隔、開口の配置と寸法などが記載されており、船舶の構造モデル作成には、このような図を用いる。
また、舵のように装備機器でありながら船体との相互影響の考慮が重要な機材もあり、その場合は装備機器の構造図も船舶の構造モデル作成に用いる。
計算精度とモデルの簡略化のバランスは、例えば以下のような観点から設計する。
(2.b)変形が小さい部分は誤差があっても大した影響がないので、大雑把な計算を行う(構造モデルのメッシュを大きく切る)。
即ち、次のステップ(3)で実行したシミュレーション結果が実船試験データに近ければ、その構造モデルは適切であり、したがってメッシュの切り方も適切であったことが分かる。
従来は、このような定量的な設計を行う手法が確立されていなかったため、事実上シミュレーションを実行することができなかったが、本発明では上述のような手法によりシミュレーションを実行する設計手法を確立している。
ステップ(2)で作成した船舶構造モデルに基づき時刻暦応答解析を行うに際し、精度の観点からは、現実世界の全ての要素をシミュレーションに反映することが望ましいが、船体構造モデルの場合と同様に、計算時間等の観点から非現実的である。
そこで、シミュレーションに反映する項目とそれ以外の項目を峻別することを考える。
例えば、実際の衝撃波には数ヘルツから数万ヘルツ以上まで様々な周波数要素が含まれているが、装備機器の変形や損傷に影響するのはその中でも絶対値が大きく、かつある程度の持続性があるものに限らる。
そこで、周波数や強度で一定の閾値を定め、その範囲外の衝撃波は考慮しない(無いものとする)ことで、シミュレーションの簡略化と精度の維持の両立が可能となる。
図3は、設計用衝撃スペクトルを作成する船舶上の区画を図示するものである。
図1において、設計用衝撃スペクトルは、船舶の前後方向(前方区画、中央区画、後方区画)の3箇所と、高さ方向(水線より上、水線、水線より下)の3箇所において作成する。この理由は以下による。
(4.b)船舶の前後方向の複数区画で衝撃スペクトルを作成するのは、前後方向の位置によって衝撃スペクトルのパワー値が変化するためである。
即ち、装備機器を配置する位置によって、船体から受ける衝撃は異なるので、衝撃スペクトルは、装備機器が受ける衝撃に合った衝撃スペクトルが得られる位置で作成することが望ましいのである。
図4に示したスペクトル波形例では、船底部の波形傾きが周波数1KHz以上の領域まで継続しているのに対し、上甲板部の波形傾きは30Hz程度の領域で平坦化している。
例えば、船首部分は船体を細くし、中央部分は船体を太く、船尾部分はやや太く、といったように、船体の断面形状は船舶の前後方向で異なる。これに起因して、用いられる部材や板厚などが、船舶の前後方向で異なるため、振動の減衰定数も前後方向で異なってくる。
したがって、船舶の前後方向の構造の違いに合わせて複数の区画に区分し、区画ごとに衝撃スペクトルを作成することで、船体構造に合わせた適切な衝撃解析が可能となるのである。
したがって、従来の船舶の装備機器における衝撃緩衝装置では考慮していなかった、船体から装備機器に与える衝撃について、これを適切に緩衝する装置の仕様を設計することができる。
したがって、装備機器が受ける衝撃が大きい箇所と小さい箇所で同じような緩衝装置を用いる必要がなくなり、緩衝仕様を過剰に設計してしまうことがなくなるので、緩衝装置の設計・製造コストや配置スペース等の観点から有利である。
実施の形態1では、図1のステップ(2)で作成した船体構造モデルが実船を忠実に模擬できているか否かを、ステップ(1)で取得した実計測に基づく振動波形データと、ステップ(3)のシミュレーション結果との比較により判定することを説明した。
本発明の実施の形態2では、この判定手法について補足する。
実施の形態1〜2では、実船試験データを測定した船舶、もしくはこれと同種の船舶について衝撃緩衝装置を設計する手法を説明した。
本発明の実施の形態3では、実船試験データを測定した船舶以外の船舶について、同様の手順により衝撃緩衝装置を設計する手法を説明する。
したがって、これをそのまま他の船舶について適用することはできない。
ただし、前提条件として、これらのパラメータの相違により衝撃スペクトルがどのように変化するかを、実船試験データの蓄積により把握しておく必要がある。
船長が大きくなると船舶自体のサイズも大きくなるため、用いられる部材や板厚などもサイズ大のものや耐久度の高いものが用いられる傾向にあると考えることができる。この場合は、減衰定数も大きくなる傾向にあるといえる。
本実施の形態3における「データベース」は、図5のような対応関係を蓄積したデータベースがこれに相当する。
例えば、船長と衝撃衝撃スペクトルそのものとの相関関係を蓄積して用いてもよい。
Claims (6)
- 船舶に搭載する装備機器の衝撃緩衝装置を設計する方法であって、
船舶の構造モデルを作成する船舶モデル作成ステップと、
前記船舶モデル作成ステップで得た構造モデル上の所定位置について時刻歴応答解析を実行し、当該位置における衝撃スペクトルを作成する衝撃スペクトル作成ステップと、
前記装備機器の構造モデルを作成する装備機器モデル作成ステップと、
前記衝撃スペクトル作成ステップで得た衝撃スペクトルを、前記装備機器モデル作成ステップで得た構造モデルについて適用し、当該装備機器について衝撃スペクトル解析を行う衝撃スペクトル解析ステップと、
を有し、
前記衝撃スペクトル解析ステップの結果に基づき衝撃緩衝装置の耐衝撃性を設計する
ことを特徴とする衝撃緩衝装置の設計方法。 - 前記所定位置における衝撃応答を測定した測定データを取得するステップを有し、
前記船舶モデル作成ステップでは、
当該船舶の構造設計情報に基づき当該船舶の構造モデルを作成し、
前記衝撃スペクトル作成ステップにおける時刻歴応答解析の実行後、
時刻歴応答解析で作成した振動データと、前記測定データとを比較して、前記船舶モデル作成ステップで得た構造モデルが当該船舶を模擬できているか否かを評価し、
その評価結果に基づき前記船舶モデル作成ステップと前記時刻歴応答解析を再度実行する
ことを特徴とする請求項1に記載の衝撃緩衝装置の設計方法。 - 前記衝撃スペクトル作成ステップでは、
当該船舶を少なくとも水線より上の区画と水線より下の区画に複数区分して区分毎に衝撃スペクトルを作成する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の衝撃緩衝装置の設計方法。 - 前記衝撃スペクトル作成ステップでは、
当該船舶を前後方向に複数区分して区分毎に衝撃スペクトルを作成する
ことを特徴とする請求項3に記載の衝撃緩衝装置の設計方法。 - 船舶の種類と、その船舶の所定位置における衝撃スペクトルを作成するために用いる構造データとの関係を蓄積したデータベースを設け、
前記衝撃スペクトル作成ステップで衝撃スペクトルを作成した船舶以外の船舶(以下、第2船舶)の構造モデルを作成し、
その構造モデルと、前記データベースに蓄積された前記構造データとに基づき、前記第2船舶の対応する位置における衝撃スペクトルを推定し、
推定した衝撃スペクトルに基づき、前記第2船舶に搭載する装備機器の衝撃緩衝装置の耐衝撃性を設計する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の衝撃緩衝装置の設計方法。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の衝撃緩衝装置の設計方法をコンピュータに実行させることを特徴とする衝撃緩衝装置の設計プログラム。
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