JP2009204517A - Oscillation analytic method and oscillation analytic equipment - Google Patents

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政明 大熊
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oscillation analytic method or oscillation analytic equipment capable of identifying features of a rigid body while hardly deteriorating identification accuracy even if measuring points to be actually measured are decreased. <P>SOLUTION: The degree of freedom of a characteristic matrix to be identified is made to be larger than the measuring degree of freedom to be actually measured at measuring points in an oscillating test, and thus, the number of values of mode characteristic computed based on the measuring data is made to be smaller than the number of values of mode characteristic computed based on the characteristic matrix. When identifying the characteristic matrix, the characteristic matrix is identified by altering values of the component of the characteristic matrix so as to coincide with the value of the mode characteristic computed based on the characteristic matrix to the value of the mode characteristic computed based on measured data only for a mode characteristic corresponding to the mode characteristic computed based on the measuring data among the mode characteristics computed based on the characteristic matrix. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、振動解析方法及び振動解析装置に関する。   The present invention relates to a vibration analysis method and a vibration analysis apparatus.

自動車やエンジン等の複雑な構造物では、その剛体特性(質量、質量中心位置、三つの主慣性モーメント及びこれらに対応する三本の主軸の向き等)はその構造物の運動性能や振動騒音性能及び振動騒音制御の性能を左右する最大因子の一つである。事実、剛体特性の値は、設計支援のための運動解析、振動解析、防振機構解析、制御性能解析等、多岐にわたる動的挙動の解析、設計、最適化を開始するときに最も必要なパラメータである。従って、複雑な構造物の剛体特性を容易に実用的な精度で同定(推定)することは非常に重要である。   In complex structures such as automobiles and engines, the rigid body characteristics (mass, center of mass position, three main moments of inertia, and directions of the three main shafts corresponding to these) are the motion performance and vibration noise performance of the structure. It is one of the largest factors that affect the performance of vibration and noise control. In fact, the value of the rigid body characteristics is the most necessary parameter when starting analysis, design, and optimization of various dynamic behaviors such as motion analysis, vibration analysis, vibration isolation mechanism analysis, control performance analysis, etc. for design support. It is. Therefore, it is very important to easily identify (estimate) the rigid body characteristics of a complex structure with practical accuracy.

自動車等の構造物の剛体特性を同定する場合には、構造物をワイヤーで吊り下げることによる古典的な剛体特性の計測法を適用することは困難である。このため、現在では振り子ベンチ形式の計測装置が開発され、利用されている。しかし、この計測装置では、自動車を搭載する振り子ベンチ部分及び計測対象の自動車を剛体として扱う必要があるため、セッティングには手間がかかる。また、慣性モーメント計測時には、予め自動車の質量中心位置を同定しておいて、その質量中心が計測装置の回転中心軸線上に正確に位置するように自動車を設置する必要がある。このように、上記振り子ベンチ形式の計測装置には剛体特性を計測するにあたり、いくつかの問題点がある。   When identifying the rigid body characteristics of a structure such as an automobile, it is difficult to apply the classic rigid body characteristic measurement method by suspending the structure with a wire. Therefore, a pendulum bench type measuring device has been developed and used at present. However, in this measuring device, since it is necessary to handle the pendulum bench portion on which the automobile is mounted and the automobile to be measured as a rigid body, setting takes time. In addition, when measuring the moment of inertia, it is necessary to identify the position of the center of mass of the automobile in advance and install the automobile so that the center of mass is accurately located on the rotation center axis of the measuring device. As described above, the pendulum bench type measuring device has several problems in measuring the rigid body characteristics.

本願の発明者は、既に上記課題に対する解決方法として、「実験的特性行列同定法」と名付けた新しい方法を提案している(特許文献1)。この方法では、同定対象物を剛体として扱う必要は無く、むしろ弾性体としての第1次から2次又は3次までの適当な数の共振振動特性から剛体特性を求めることができる。また、加振試験として単点加振多点応答試験を1度実行するだけで、すべての剛体特性を同定することができる。   The inventor of the present application has already proposed a new method named “Experimental characteristic matrix identification method” as a solution to the above problem (Patent Document 1). In this method, it is not necessary to treat the object to be identified as a rigid body. Rather, the rigid body characteristics can be obtained from an appropriate number of resonance vibration characteristics from the first to the second or third order as an elastic body. In addition, all rigid body characteristics can be identified by performing a single-point excitation multipoint response test once as an excitation test.

特開2001−350741号公報JP 2001-350741 A

ところで、上記本願発明者の提案した方法では、加振試験として単点加振多点応答試験が行われる。ここで、複雑な構造物に対して剛体特性を高い精度で同定するためには、その複雑さや大きさに応じて或る程度多くの測定点を設定する必要がある。   By the way, in the method proposed by the inventor, a single-point excitation multipoint response test is performed as an excitation test. Here, in order to identify the rigid body characteristic with high accuracy for a complex structure, it is necessary to set a certain number of measurement points depending on the complexity and size.

ところが、実際に測定を行う測定点の数が増大すると、測定用のセンサのキャリブレーションや計測システムのセッティング等を含む加振試験の測定作業にかかる時間が増大する。また、各測定点毎に周波数応答関数の同定が行われるため、実際に測定を行う測定点の数が増大するとコンピュータによる解析負荷が大きくなる。一方、測定点数を減らして加振試験を行うと、剛体特性の同定精度が低くなってしまう。   However, when the number of measurement points for actual measurement increases, the time required for the measurement work of the vibration test including calibration of the sensor for measurement and setting of the measurement system increases. In addition, since the frequency response function is identified for each measurement point, the analysis load by the computer increases as the number of measurement points actually measured increases. On the other hand, when the vibration test is performed with the number of measurement points reduced, the identification accuracy of the rigid body characteristics is lowered.

従って、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、実際に測定を行う測定点を減少させても、同定精度をほとんど低下させることなく剛体特性を同定することができる振動解析方法又は振動解析装置を提供することにある。   Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a vibration analysis method or vibration analysis apparatus capable of identifying rigid body characteristics without substantially reducing identification accuracy even when the number of measurement points for actual measurement is reduced. Is to provide.

上記課題を解決するために、第1の発明では、解析対象物上に設定された複数の測定点の座標データを要求する工程と、上記解析対象物上の少なくとも一点において加振する加振試験が行われた時に得られた各測定点における測定データに基づいてモード特性を算出する工程と、上記座標データに基づいて、上記解析対象物の振動を表す特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出する工程と、上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定する工程とを具備する、振動解析方法において、上記加振試験で上記測定点において実際に測定される測定自由度よりも上記特性行列の自由度の方が大きく、よって上記測定データに基づいて算出されるモード特性の値の数の方が上記特性行列に基づいて算出されるモード特性の値の数よりも少なく、上記特性行列を同定する工程では、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する。   In order to solve the above-mentioned problem, in the first invention, a step of requesting coordinate data of a plurality of measurement points set on the analysis object, and an excitation test for exciting at least one point on the analysis object A step of calculating a mode characteristic based on measurement data at each measurement point obtained at the time of the measurement, and a constraint condition between components constituting a characteristic matrix representing the vibration of the analysis object based on the coordinate data In the vibration analysis method, comprising the steps of: calculating an expression; and identifying the characteristic matrix using the constraint condition expression based on the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data. The degree of freedom of the characteristic matrix is greater than the degree of freedom of measurement actually measured at the measurement point in the test, and therefore the number of mode characteristic values calculated based on the measurement data is greater than the characteristic. Less than the number of mode characteristic values calculated based on the matrix, and in the step of identifying the characteristic matrix, the mode characteristics calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix For only the mode characteristics corresponding to, change the value of each component of the characteristic matrix so that the value of the mode characteristic calculated based on the characteristic matrix matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data. By doing so, the characteristic matrix is identified.

上記課題を解決するために、第2の発明では、解析対象物上に設定された複数の実測定点及び仮想測定点の座標データを要求する工程と、上記解析対象物上の少なくとも一点において加振する加振試験が行われた時に実測定点においてのみ測定を行い、加振により得られた各実測定点における測定データに基づいてモード特性を算出する工程と、上記座標データに基づいて上記解析対象物の振動を表す特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出する工程と、上記測定データに基づいて、算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定する工程とを具備する、振動解析方法において、上記特性行列は実測定点及び仮想測定点の両測定点における自由度に等しい自由度で作成され、上記特性行列を同定する工程では、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する。   In order to solve the above problem, in the second invention, a step of requesting coordinate data of a plurality of actual measurement points and virtual measurement points set on the analysis object, and excitation at at least one point on the analysis object Performing a measurement only at actual measurement points when the vibration test is performed, calculating a mode characteristic based on measurement data at each actual measurement point obtained by vibration, and the analysis object based on the coordinate data A step of calculating a constraint equation between components constituting the characteristic matrix representing the vibration of the vibration, and identifying the characteristic matrix using the constraint equation based on the calculated mode characteristic value based on the measurement data The characteristic matrix is created with degrees of freedom equal to the degrees of freedom at both the actual measurement point and the virtual measurement point, and the characteristic matrix is identified. The mode characteristic value calculated based on the characteristic matrix is only measured for the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix. The characteristic matrix is identified by changing the value of each component of the characteristic matrix so as to match the value of the mode characteristic calculated based on the data.

第3の発明では、第2の発明において、上記仮想測定点はその仮想測定点に最も近接する測定点が実測定点となるように設けられる。   In a third invention, in the second invention, the virtual measurement point is provided such that a measurement point closest to the virtual measurement point is an actual measurement point.

第4の発明では、第2又は第3の発明において、測定点間の構造的結合状態の入力を要求する工程をさらに具備し、上記制約条件式を算出する工程では、上記座標データに加えて測定点間の構造的結合状態に基づいて制約条件式を算出する。   According to a fourth invention, in the second or third invention, the method further comprises a step of requesting an input of a structural coupling state between measurement points. In the step of calculating the constraint condition expression, in addition to the coordinate data, A constraint equation is calculated based on the structural coupling state between the measurement points.

第5の発明では、第2〜第4のいずれか一つの発明において、上記特性行列を同定する工程で同定される特性行列は質量行列であり、上記特性行列を同定する工程において同定された質量行列に基づいて剛体特性を算出する工程をさらに具備する。   In a fifth invention, in any one of the second to fourth inventions, the characteristic matrix identified in the step of identifying the characteristic matrix is a mass matrix, and the mass identified in the step of identifying the characteristic matrix The method further includes calculating a rigid body characteristic based on the matrix.

上記課題を解決するために、第6の発明では、解析対象物上の測定点における位置、速度又は加速度の変位を測定する測定器と、上記解析対象物上の少なくとも一点において加振を行う加振器と、上記測定器及び加振器からそれぞれ測定データ及び加振データが入力されると共にこれらデータに基づいて演算処理を行う解析部とを具備する振動解析装置において、上記解析部は、上記加振器での加振試験により得られた各測定点における測定データに基づいてモード特性を算出し、各測定点の座標データに基づいて上記解析対象物の振動を表す特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出し、上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定し、上記加振試験で上記測定点において実際に測定される測定自由度よりも上記特性行列の自由度の方が大きく、よって上記測定データに基づいて算出されるモード特性の値の数の方が上記特性行列に基づいて算出されるモード特性の値の数よりも少なく、上記特性行列を同定する際には、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する。   In order to solve the above problems, in the sixth aspect of the invention, a measuring device that measures the displacement of the position, velocity, or acceleration at the measurement point on the analysis object, and an excitation that performs excitation at at least one point on the analysis object. In the vibration analysis apparatus comprising a vibrator and an analysis unit that receives measurement data and vibration data from the measurement device and the vibrator, respectively, and performs arithmetic processing based on the data, the analysis unit includes the above A component that constitutes a characteristic matrix representing the vibration of the analysis object based on the coordinate data of each measurement point based on the measurement data obtained at the measurement point obtained by the vibration test with the vibrator The constraint matrix is calculated, and the characteristic matrix is identified using the constraint formula based on the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data. A mode in which the degree of freedom of the characteristic matrix is greater than the degree of freedom of measurement actually measured, and thus the number of mode characteristic values calculated based on the measurement data is calculated based on the characteristic matrix When identifying the characteristic matrix, which is smaller than the number of characteristic values, only the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix. The value of each component of the characteristic matrix is changed so that the value of the mode characteristic calculated based on the characteristic matrix matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data. Identify the matrix.

上記課題を解決するために、第7の発明では、解析対象物上に設定された実測定点及び仮想測定点のうち実測定点における位置、速度又は加速度の変位を測定する測定器と、上記解析対象物上の少なくとも一点において加振を行う加振器と、上記測定器及び加振器からそれぞれ測定データ及び加振データが入力されると共にこれらデータに基づいて演算処理を行う解析部とを具備する振動解析装置において、上記解析部は、上記加振器による加振試験により得られた実測定点における測定データに基づいてモード特性を算出し、上記実測定点及び仮想測定点の座標データに基づいて特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出し、上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定し、上記特性行列は実測定点及び仮想測定点の両測定点における自由度に等しい自由度で作成され、上記特性行列を同定する際には、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する。   In order to solve the above-described problem, in the seventh invention, a measuring instrument that measures a displacement of a position, velocity, or acceleration at an actual measurement point among actual measurement points and virtual measurement points set on the analysis object, and the analysis object A vibration exciter that excites at least one point on the object, and an analysis unit that receives measurement data and vibration data from the measuring instrument and the vibration exciter, and performs arithmetic processing based on the data, respectively. In the vibration analysis apparatus, the analysis unit calculates a mode characteristic based on measurement data at an actual measurement point obtained by an excitation test using the vibrator, and is based on the coordinate data of the actual measurement point and the virtual measurement point. Calculate the constraint equation between the components that make up the matrix, and identify the characteristic matrix using the constraint equation based on the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data The characteristic matrix is created with a degree of freedom equal to the degrees of freedom at both the real measurement point and the virtual measurement point, and when identifying the characteristic matrix, among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix, Only for the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data, the value of the mode characteristic calculated based on the characteristic matrix matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data. The characteristic matrix is identified by changing the value of each component of the characteristic matrix.

第8の発明では、第7の発明において、上記仮想測定点はその仮想測定点に最も近接する測定点が実測定点となるように設けられる。   In an eighth aspect based on the seventh aspect, the virtual measurement point is provided such that a measurement point closest to the virtual measurement point is an actual measurement point.

第9の発明では、第7又は第8の発明において、上記制約条件式を算出する際には、上記座標データに加えて測定点間の構造的結合状態に基づいて制約条件式が算出される。   In a ninth invention, in the seventh or eighth invention, when calculating the constraint condition expression, the constraint condition expression is calculated based on a structural coupling state between measurement points in addition to the coordinate data. .

第10の発明では、第7〜第9のいずれか一つの発明において、上記同定される特性行列は質量行列であり、上記解析部は、上記特性行列を同定する工程において同定された質量行列に基づいて剛体特性を算出する。   In a tenth invention, in any one of the seventh to ninth inventions, the characteristic matrix identified is a mass matrix, and the analysis unit applies the mass matrix identified in the step of identifying the characteristic matrix. Based on this, the rigid body characteristics are calculated.

本発明によれば、実際に測定を行う測定点を減少させても、推定精度をほとんど低下させることなく剛体特性を推定することができる。   According to the present invention, even if the number of measurement points at which measurement is actually performed is reduced, the rigid body characteristics can be estimated without substantially reducing the estimation accuracy.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態の解析装置のブロック図である。図1において、解析装置10は、解析対象物1の剛体特性等を解析的に算出可能な装置であり、測定部20と解析部30とを具備する。測定部20は、先端に力変換器21を備えた打撃ハンマ22と、解析対象物1に取り付けられる複数の計測器(例えば、加速度計)23a〜23cと、力変換器21及び各計測器23a〜23cに接続された増幅器24、25a〜25cと、これら増幅器24、25a〜25cに接続された外部インタフェース部26とを具備する。   FIG. 1 is a block diagram of the analysis apparatus of this embodiment. In FIG. 1, the analysis device 10 is a device that can analytically calculate the rigid body characteristics and the like of the analysis object 1, and includes a measurement unit 20 and an analysis unit 30. The measurement unit 20 includes a hammer 20 having a force transducer 21 at the tip, a plurality of measuring instruments (for example, accelerometers) 23a to 23c attached to the analysis target 1, a force transducer 21 and each measuring instrument 23a. Amplifiers 24 and 25a to 25c connected to .about.23c, and an external interface unit 26 connected to these amplifiers 24 and 25a to 25c.

一方、解析部30は、リムーバブルメディアへの書き込み等を行うリムーバブルメディア装置(RM装置)31と、リムーバブルメディア装置31を制御するリムーバブルメディア制御部(RM制御部)32と、ユーザからの入力を受け付ける入力装置33と、入力装置33を制御する入力制御部34と、ディスプレイ等への出力を行う出力装置35と、出力装置35を制御する出力制御部36と、各種演算処理を行う中央処理装置37と、記憶装置38と、これら外部インタフェース部26、リムーバブルメディア制御部32、入力制御部34、出力制御部36、中央処理装置37、記憶装置38等を相互に接続するバス39とを具備する。   On the other hand, the analysis unit 30 accepts input from a user, a removable media device (RM device) 31 that writes to removable media, a removable media control unit (RM control unit) 32 that controls the removable media device 31, and the like. An input device 33, an input control unit 34 for controlling the input device 33, an output device 35 for outputting to a display, an output control unit 36 for controlling the output device 35, and a central processing unit 37 for performing various arithmetic processes And a storage device 38 and a bus 39 for interconnecting these external interface unit 26, removable media control unit 32, input control unit 34, output control unit 36, central processing unit 37, storage device 38 and the like.

打撃ハンマ22は、解析対象物1を加振するのに用いられる。加振時に加えられた力の大きさは、打撃ハンマ22に設けられた力変換器21によって電気信号に変換される。この電気信号は、増幅器24で増幅された後に外部インタフェース26に出力される。なお、本実施形態では加振器として打撃ハンマ22を用いて解析対象物1に非定常波を与えているが、加振器や加振方法はこれに限定されるものではない。解析対象物1を加振することができると共に解析対象物1に加えられた力の大きさが分かれば、打撃ハンマ22の代わりに如何なる加振器を用いても良い。従って、加振器として、油圧式や圧電式等の加振器、及び音圧や磁界を用いた非接触加振器等を使用することができる。また、非定常波の代わりに、定常波や周期波等の各種の加振波形の加振を行ってもよい。さらに、本実施形態では、単点加振試験を行っているが、多点加振試験を行ってもよい。   The striking hammer 22 is used to vibrate the analysis object 1. The magnitude of the force applied at the time of vibration is converted into an electric signal by a force converter 21 provided on the hammering hammer 22. This electric signal is amplified by the amplifier 24 and then output to the external interface 26. In this embodiment, an unsteady wave is given to the analysis object 1 using the hammering hammer 22 as a vibrator, but the vibrator and the vibration method are not limited to this. As long as the analysis object 1 can be vibrated and the magnitude of the force applied to the analysis object 1 is known, any vibration exciter may be used instead of the striking hammer 22. Accordingly, a hydraulic or piezoelectric exciter, a non-contact exciter using sound pressure or a magnetic field, or the like can be used as the exciter. Further, instead of the non-stationary wave, various excitation waveforms such as a stationary wave and a periodic wave may be excited. Furthermore, in this embodiment, a single point vibration test is performed, but a multipoint vibration test may be performed.

加速度計23a〜23cはそれぞれ解析対象物1上の測定点に配置され、測定点において解析対象物1に発生した加速度の大きさを測定し、これを電気信号に変換して出力する。この電気信号は、増幅器25a〜25cで増幅された後に外部インタフェース26に出力される。測定点は、注目したい次数までの固有モードを幾何学的に充分に表現することができる程度に適切な分布及び数となるようにユーザにより決定される。なお、本実施形態では、計測器として3軸加速度計23a〜23cを用いているが、渦電流やレーザ光線を利用した非接触変位計、レーザドップラ速度計、ひずみゲージ等、測定点における各種パラメータ(位置、速度、加速度等)の変位を計測することができれば加速度計23a〜23cの代わりに如何なる計測器を用いても良い。   Each of the accelerometers 23a to 23c is arranged at a measurement point on the analysis object 1, measures the magnitude of the acceleration generated in the analysis object 1 at the measurement point, converts this to an electrical signal, and outputs it. The electric signal is amplified by the amplifiers 25a to 25c and then output to the external interface 26. The measurement points are determined by the user so as to have an appropriate distribution and number to the extent that the eigenmodes up to the desired order can be sufficiently geometrically expressed. In the present embodiment, the triaxial accelerometers 23a to 23c are used as measuring instruments, but various parameters at measurement points such as a non-contact displacement meter, a laser Doppler velocimeter, a strain gauge, etc. using eddy currents or laser beams. Any measuring instrument may be used instead of the accelerometers 23a to 23c as long as the displacement of (position, velocity, acceleration, etc.) can be measured.

外部インタフェース部26は、力変換器21及び加速度計23から増幅器24、25を介して入力された電気信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号をバス39に出力する。リムーバブルメディア装置31は、リムーバブルメディア制御部32によって制御される。リムーバブルメディア装置31では、リムーバブルメディア2に記録されたプログラム(例えば、後述する解析を行うプログラム)等を解析部30にインストールしたり、解析結果をリムーバブルメディア2に記録したりすることができる。なお、リムーバブルメディア2としては、FD、CD、DVD、MO等、如何なる記憶媒体を用いても良い。   The external interface unit 26 converts electrical signals input from the force transducer 21 and the accelerometer 23 via the amplifiers 24 and 25 into digital signals, and outputs the digital signals to the bus 39. The removable media device 31 is controlled by a removable media control unit 32. In the removable media device 31, a program (for example, a program for performing an analysis described later) recorded on the removable media 2 can be installed in the analysis unit 30, and an analysis result can be recorded on the removable media 2. As the removable medium 2, any storage medium such as FD, CD, DVD, and MO may be used.

入力装置33は、キーボード、マウス及びデジタイザ等の入力機器であり、入力制御部34によって制御される。この入力装置33により、ユーザは解析対象物の形状や各測定点の座標データ等、各種データを入力することができる。出力装置35は、ディスプレイやプリンタ等の出力機器であり、出力制御部36によって制御される。出力装置35には、入力装置33に入力された各種データ、プログラム実行のためのメニュー、解析結果等が出力される。   The input device 33 is an input device such as a keyboard, a mouse, and a digitizer, and is controlled by the input control unit 34. With this input device 33, the user can input various data such as the shape of the analysis object and the coordinate data of each measurement point. The output device 35 is an output device such as a display or a printer, and is controlled by the output control unit 36. The output device 35 outputs various data input to the input device 33, a menu for executing a program, an analysis result, and the like.

中央処理装置37は、バス39を介して、外部インタフェース部26、リムーバブルメディア制御部32、入力制御部34、出力制御部36及び記憶装置38と接続され、これら制御部等に指示を与え、また、記憶装置129に格納され各プログラムに従いフーリエ変換や実験的特性行列同定法等の各種処理を行う。また、記憶装置38は、RAM(ランダムアクセスメモリ)やROM(リードオンリメモリ)等から構成され、プログラムや、各プログラム実行中の一時的なデータ、解析結果等が格納される。   The central processing unit 37 is connected to the external interface unit 26, the removable media control unit 32, the input control unit 34, the output control unit 36, and the storage device 38 via the bus 39, and gives instructions to these control units. Various processes such as Fourier transform and experimental characteristic matrix identification method are performed in accordance with each program stored in the storage device 129. The storage device 38 includes a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and the like, and stores programs, temporary data during execution of each program, analysis results, and the like.

次に、このように構成された解析装置10によって行われる解析処理について説明する。   Next, an analysis process performed by the analysis apparatus 10 configured as described above will be described.

まず、本実施形態の解析装置10によって行われる解析処理についての基本的な概念について説明する。例えば、図2(a)に示したような解析対象物を多自由度系でモデル化する。特に、図2(a)に示した例では、計測点がn個あり、各計測点における自由度がx、y、z方向の3自由度であるため、解析対象物を自由度3nの多自由度系でモデル化している。この場合、質量行列、粘性減衰行列及び剛性行列をそれぞれ[M]、[C]、及び[K]とおくと、モデル化した解析対象物の運動方程式は下記式(1)で表される。なお、下記式(1)では粘性減衰を仮定しているが、必要に応じて構造減衰を仮定してもよいし、両者の減衰を同時に組み込んだ運動方程式を用いてもよい。

Figure 2009204517
First, the basic concept about the analysis process performed by the analysis apparatus 10 of this embodiment is demonstrated. For example, the analysis object as shown in FIG. 2A is modeled by a multi-degree-of-freedom system. In particular, in the example shown in FIG. 2A, there are n measurement points, and the degree of freedom at each measurement point is three degrees of freedom in the x, y, and z directions. Modeled with a system of degrees of freedom. In this case, if the mass matrix, the viscous damping matrix, and the stiffness matrix are set to [M], [C], and [K], respectively, the modeled equation of motion of the analysis object is expressed by the following equation (1). In the following formula (1), viscous damping is assumed. However, structural damping may be assumed as necessary, or an equation of motion incorporating both dampings may be used.
Figure 2009204517

ここで、式(1)中の{ψ}は測定点と定めた各点におけるx方向変位xi、y方向変位yi、z方向変位ziを縦に並べてできるベクトル、{f}は測定点と定めた各点におけるx方向の加振力fxi、y方向の加振力fyi、z方向の加振力fziを縦に並べてできるベクトルを表している(下記式(2)参照)。

Figure 2009204517
Here, {ψ} in equation (1) is a vector in which x-direction displacement x i , y-direction displacement y i , and z-direction displacement z i at each point determined as a measurement point are vertically arranged, and {f} is a measurement exciting force fx i in the x direction at each point which defines a point represents a vector that can be side by side y-direction exciting force fy i, the z-direction exciting force fz i vertically (the following formula (2) see ).
Figure 2009204517

なお、質量行列[M]、粘性減衰行列[C]及び剛性行列[K](以下、これらをまとめて「特性行列」という)は3n行3n列の対称行列(すなわち、行数及び列数が解析対象物の測定自由度3nに等しい対称行列)であり、iは測定点の番号を示している。また、式(1)中の{ψ’}は変位を表すベクトルの一階微分、すなわち測定点の速度を表すベクトルであり、{ψ’’}は変位を表すベクトルの二階微分、すなわち測定点の加速度を表すベクトルである。本明細書では、行列を[]で、ベクトルを{}で表す。   The mass matrix [M], the viscous damping matrix [C], and the stiffness matrix [K] (hereinafter collectively referred to as “characteristic matrix”) are 3n × 3n symmetric matrices (that is, the number of rows and the number of columns are Symmetric matrix equal to 3n degree of freedom of measurement of the analysis object), i indicates the number of the measurement point. In the equation (1), {ψ ′} is a first derivative of a vector representing displacement, that is, a vector representing the velocity of a measurement point, and {ψ ″} is a second derivative of a vector representing displacement, that is, a measurement point. Is a vector representing the acceleration of. In this specification, a matrix is represented by [] and a vector is represented by {}.

上記運動方程式(1)において、質量行列[M]等の特性行列を求めると、解析対象物1の振動の様子を把握することができると共に、解析対象物1の剛体特性(例えば、解析対象物1の質量、質量中心位置、三つの主慣性モーメント及びこれらに対応する三つの主軸の向き等)を求めることができる。そこで、本実施形態では、打撃ハンマ22によって解析対処物1が加振されたときの各測定点での測定データに基づいて、解析対象物1の特性行列を求めることとしている。   When the characteristic matrix such as the mass matrix [M] is obtained in the equation of motion (1), the state of vibration of the analysis object 1 can be grasped, and the rigid body characteristics of the analysis object 1 (for example, the analysis object) 1 mass, center of mass position, three main moments of inertia, and directions of three main axes corresponding to these, etc.). Therefore, in the present embodiment, the characteristic matrix of the analysis object 1 is obtained based on the measurement data at each measurement point when the analysis object 1 is vibrated by the striking hammer 22.

加振時の測定データに基づく解析対象物1の特性行列の同定及び剛体特性の算出は、図3に示したように大別して四つの処理工程によって行われる。   The identification of the characteristic matrix of the analysis object 1 and the calculation of the rigid body characteristics based on the measurement data at the time of vibration are performed roughly according to four processing steps as shown in FIG.

まず、ステップS10に示したように、単点加振試験時の測定データに基づいて、モード特性の同定が行われる。すなわち、打撃ハンマ22によって解析対象物1の一点が打撃(加振)されると共に、この加振力が力変換器21によって測定され且つこの加振によって発生した振動が各加速度計23によって測定される。その後、このようにして力変換器21及び加速度計23によって測定された測定データから各測定点について周波数応答関数及びコヒーレンス関数が算出される。次いで、算出された周波数応答関数を用いて、一般的な方法で、固有振動数、固有モードベクトル及びモード減衰比(以下、これらをまとめて「モード特性」という)を同定する。   First, as shown in step S10, mode characteristics are identified based on measurement data during a single-point excitation test. That is, one point of the analysis object 1 is struck (vibrated) by the striking hammer 22, this vibration force is measured by the force transducer 21, and the vibration generated by this vibration is measured by each accelerometer 23. The Thereafter, a frequency response function and a coherence function are calculated for each measurement point from the measurement data measured by the force transducer 21 and the accelerometer 23 in this way. Next, the natural frequency, natural mode vector, and mode damping ratio (hereinafter collectively referred to as “mode characteristics”) are identified by a general method using the calculated frequency response function.

次いで、ステップS20では、特性行列成分間の物理的制約条件式の算出が行われる。すなわち、特性行列の特定の成分の値や特定の成分間の制約条件は、各種力学原理、各測定点の座標、測定点間の構造的結合状態等に基づいて、加振試験の測定結果とは無関係に求められる。例えば、測定点間の構造的結合状態に基づいて特性行列中の零成分の配置を或る程度特定することができる。また、各種力学原理や測定点の座標等に基づいて、特性行列中の非零成分間の関係(制約条件)を或る程度特定することができる。   Next, in step S20, a physical constraint condition expression between characteristic matrix components is calculated. That is, the value of a specific component of the characteristic matrix and the constraint condition between specific components are based on various mechanical principles, the coordinates of each measurement point, the structural coupling state between the measurement points, etc. Are irrelevant. For example, the arrangement of zero components in the characteristic matrix can be specified to some extent based on the structural coupling state between measurement points. In addition, the relationship (constraint condition) between non-zero components in the characteristic matrix can be specified to some extent based on various mechanical principles, the coordinates of measurement points, and the like.

このように、特性行列成分間の制約条件式を算出することにより、上記ステップS10において求められたモード特性に基づいて同定しなければならない特性行列中の成分の数が減少する。例えば質量行列[M]が3n行3n列の行列である場合、この質量行列[M]中には3n(3n+1)/2個の成分が含まれている(実際の成分の数は3n×3n個であるが、行列の対称性を考慮すると3n(3n+1)/2個であるということができる)。ここで、この質量行列[M]の成分間の制約条件等が求められていない場合には、上記ステップS10において求められたモード特性に基づいて同定しなければならない質量行列[M]中の成分の数は3n(3n+1)/2ということになり、現実的には質量行列[M]の全ての成分を適切に同定することは困難である。   Thus, by calculating the constraint equation between the characteristic matrix components, the number of components in the characteristic matrix that must be identified based on the mode characteristics obtained in step S10 is reduced. For example, when the mass matrix [M] is a matrix of 3n rows and 3n columns, the mass matrix [M] includes 3n (3n + 1) / 2 components (the actual number of components is 3n × 3n). It can be said that the number is 3n (3n + 1) / 2 in consideration of the symmetry of the matrix). Here, when the constraint condition between the components of the mass matrix [M] is not obtained, the components in the mass matrix [M] that must be identified based on the mode characteristics obtained in step S10. Is 3n (3n + 1) / 2, and in reality, it is difficult to appropriately identify all the components of the mass matrix [M].

しかしながら、本ステップS20では質量行列[M]の成分間の制約条件式が求められ、よって質量行列[M]中の零成分の配置や、質量行列[M]中の特定の成分と別の特定の成分との関係式が求められる。従って、質量行列[M]成分間の制約条件式を算出することにより、上記ステップS10において求められたモード特性に基づいて同定しなければならない質量行列[M]中の成分の数がかなり減少する。具体的には、質量行列[M]中の全ての成分の数3n(3n+1)/2個から、質量行列[M]中の零成分の数及び作成された制約条件式の数を減算した数の成分(以下、「独立未知成分」という)を上記ステップS10において求められたモード特性に基づいて同定することになる。   However, in this step S20, a constraint condition expression between the components of the mass matrix [M] is obtained, so that the arrangement of the zero component in the mass matrix [M] and the specific component different from the specific component in the mass matrix [M] are determined. The relational expression with the component of is obtained. Therefore, by calculating the constraint equation between the mass matrix [M] components, the number of components in the mass matrix [M] that must be identified based on the mode characteristics obtained in step S10 is considerably reduced. . Specifically, the number obtained by subtracting the number of zero components in the mass matrix [M] and the number of created constraint conditions from the number 3n (3n + 1) / 2 of all the components in the mass matrix [M]. Are identified on the basis of the mode characteristics obtained in step S10.

次いで、ステップS30では、数学的最適化法により質量行列[M]及び剛性行列[K]の独立未知成分の同定が行われる。すなわち、質量行列[M]及び剛性行列[K]と固有角振動数Ωt及び固有モードベクトル{ψ}tとの関係は下記式(3)のように表せる(なお、tは次数を表す)。

Figure 2009204517
Next, in step S30, identification of independent unknown components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] is performed by a mathematical optimization method. That is, the relationship between the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K], the natural angular frequency Ω t and the natural mode vector {ψ} t can be expressed as the following equation (3) (where t represents the order). .
Figure 2009204517

式(3)から分かるように、質量行列[M]及び剛性行列[K]の各成分を変数とみなしてその値を変化させると、これに伴って固有角振動数Ωt及び固有モードベクトル{ψ}tの値も変化することになる。従って、本ステップS30では、上記式(3)によって求められる固有角振動数Ωt及び固有モードベクトル{ψ}tが上記ステップS10で求められた固有角振動数及び固有モードベクトルに一致するように、ステップS20で求められた質量行列[M]及び剛性行列[K]の成分間の制約条件式を満足させながらこれら質量行列[M]及び剛性行列[K]の独立未知成分の値が徐々に変化せしめられる。固有角振動数同士及び固有モードベクトル同士がほぼ一致したときの質量行列[M]及び剛性行列[K]が、図2(a)に示したように多自由度系でモデル化された解析対象物の質量行列[M]及び剛性行列[K]として同定される。 As can be seen from Equation (3), when each component of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] is regarded as a variable and its value is changed, the natural angular frequency Ω t and the natural mode vector { The value of ψ} t will also change. Accordingly, in this step S30, the natural angular frequency Ω t and the natural mode vector {ψ} t obtained by the above equation (3) are made to coincide with the natural angular frequency and the natural mode vector obtained in step S10. The values of the independent unknown components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] gradually increase while satisfying the constraint equation between the components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] obtained in step S20. It can be changed. Analysis target in which the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] when the natural angular frequencies and the natural mode vectors substantially match each other are modeled by a multi-degree-of-freedom system as shown in FIG. Identified as an object mass matrix [M] and a stiffness matrix [K].

以下では、このように固有角振動数同士及び固有モードベクトル同士を一致させることを固有角振動数及び固有モードベクトルの「一致化」として説明し、固有角振動数同士及び固有モードベクトル同士を一致させることで質量行列[M]及び剛性行列[K]の各成分の最適な値を算出・同定することを質量行列[M]及び剛性行列[K]の「最適化」として説明する。   In the following, matching the natural angular frequencies and the natural mode vectors in this way is described as “matching” of the natural angular frequencies and the natural mode vectors, and the natural angular frequencies and the natural mode vectors are matched. The calculation and identification of the optimum values of each component of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] will be described as “optimization” of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K].

なお、このように質量行列[M]及び剛性行列[K]の最適化を行うための数学的手法としては、「ニュートン法類に属する最急降下法」等、多くの手法を適用することが可能であり、最適化が効率よく且つ安定して実行できれば如何なる手法を用いることも可能である。   As a mathematical method for optimizing the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] in this way, many methods such as “the steepest descent method belonging to Newton's method” can be applied. Any method can be used as long as optimization can be performed efficiently and stably.

次いで、ステップS40では、ステップS30において同定された質量行列[M]に基づいて、解析対象物1の剛体特性、すなわち解析対象物1の質量、質量中心位置、三つの主慣性モーメント及びこれらに対応する三つの主軸の向きが求められる。   Next, in step S40, based on the mass matrix [M] identified in step S30, the rigid body characteristics of the object 1 to be analyzed, that is, the mass of the object 1 to be analyzed, the center of mass position, the three main moments of inertia, and corresponding to these. The orientation of the three main axes is required.

ところで、上述した特性行列及び剛体特性の同定法では、適当な数nの測定点を解析対象物1に設定して、加振試験時においてこれら各測定点でx、y、z方向の振動について周波数応答関数を計測し、それに対応した自由度の特性行列を同定することで、剛体特性を推定している。解析対象物1が複雑な構造物であるような場合には、その形状の複雑さや大きさに応じて測定点の数を或る程度多く設定する必要がある。   By the way, in the above-described characteristic matrix and rigid body characteristic identification method, an appropriate number n of measurement points are set on the analysis object 1, and vibrations in the x, y, and z directions at these measurement points during an excitation test are set. The rigid body characteristics are estimated by measuring the frequency response function and identifying the characteristic matrix of the corresponding degrees of freedom. When the analysis object 1 is a complex structure, it is necessary to set a certain number of measurement points depending on the complexity and size of the shape.

ところが、上述した特性行列及び剛体特性の同定法においては、解析対象物1上への測定点の設定から周波数応答関数の算出までの間に、測定点の設定、加速度計のキャリブレーション、計測システムのセッティング等の作業が行われ、よって測定点の設定から周波数応答関数の算出までが最も手間と時間のかかる作業である。従って、測定点数が増大すると、それに伴って周波数応答関数の算出までにかかる手間と時間が大きく増大し、その結果、特性行列及び剛体特性の同定にかかる時間が増大してしまう。また、周波数応答関数は中央処理装置37において行われる同定処理によって求められるため、測定点数が増大すると中央処理装置37における作業負荷が増大してしまい、周波数応答関数の収束速度が大きく低下してしまう。したがって、特性行列及び剛体特性の同定を迅速に行うという観点からは、実際に測定を行う測定点の数が少ないことが好ましい。   However, in the above-described characteristic matrix and rigid body characteristic identification method, measurement point setting, accelerometer calibration, and measurement system are performed between the measurement point setting on the analysis object 1 and the calculation of the frequency response function. Therefore, the process from setting the measurement point to calculating the frequency response function is the most time-consuming and time-consuming work. Therefore, when the number of measurement points increases, the time and effort required to calculate the frequency response function increase accordingly, and as a result, the time required to identify the characteristic matrix and the rigid body characteristic increases. Further, since the frequency response function is obtained by the identification process performed in the central processing unit 37, when the number of measurement points increases, the work load in the central processing unit 37 increases, and the convergence speed of the frequency response function greatly decreases. . Therefore, from the viewpoint of quickly identifying the characteristic matrix and the rigid body characteristics, it is preferable that the number of measurement points to be actually measured is small.

そこで、本発明の実施形態では、測定点数を減少させずに、すなわち特性行列の自由度を小さくすることなく、実際に測定を行う測定点の数を減少させることとしている。すなわち、解析対象物1上に従来と同様なほどの十分な数の測定点を設定すると共に、そのうちの一部の測定点については実際に測定を行って周波数応答関数を算出し(以下、このような測定点を「実測定点」という)、残りの測定点については実際には測定を行わないようにしている(以下、このような測定点を「仮想測定点」という)。換言すると、本実施形態では、実際に測定が行われる測定点の自由度よりも大きな自由度の特性行列を同定することとしている。   Therefore, in the embodiment of the present invention, the number of measurement points to be actually measured is reduced without reducing the number of measurement points, that is, without reducing the degree of freedom of the characteristic matrix. That is, a sufficient number of measurement points are set on the analysis object 1 as in the conventional case, and some of the measurement points are actually measured to calculate a frequency response function (hereinafter referred to as “this”). Such measurement points are referred to as “real measurement points”, and the remaining measurement points are not actually measured (hereinafter, such measurement points are referred to as “virtual measurement points”). In other words, in the present embodiment, a characteristic matrix having a degree of freedom larger than the degree of freedom of the measurement point at which measurement is actually performed is identified.

本実施形態では、このように実測定点と仮想測定点とを設定した上で、上記ステップS30において、数学的最適化法により質量行列[M]及び剛性行列[K]の独立未知成分の同定を行うにあたり、固有モードベクトルのうち実測定点に対応する固有モードベクトルの成分のみを一致化させるようにしている。   In this embodiment, after setting actual measurement points and virtual measurement points in this way, in step S30, identification of independent unknown components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] is performed by a mathematical optimization method. In doing so, only the components of the eigenmode vector corresponding to the actual measurement point in the eigenmode vector are matched.

ここで、本願発明者は、このように仮想測定点という概念を導入した場合であっても、測定点間の構造的結合状態等に基づいて適切に制約条件式が求められている場合には、固有モードベクトルのうち実測定点に対応する成分のみを一致化させることができれば、仮想測定点に対応する成分も従属的に(または自動的に)一致化させることができ、その結果、適切な質量行列[M]及び剛性行列[K]を同定することができることを発見した。換言すると、本願発明者は、固有モードベクトルの一致化をするにあたって、必ずしも全ての固有モードベクトルの成分について一致化させなくても、十分な精度で特性行列の最適化を行うことができることを発見したのである。   Here, even if the inventor of the present application introduces the concept of virtual measurement points in this way, when a constraint equation is appropriately obtained based on the structural coupling state between the measurement points, etc. If only the component corresponding to the actual measurement point in the eigenmode vector can be matched, the component corresponding to the virtual measurement point can also be subordinately (or automatically) matched. It has been discovered that mass matrix [M] and stiffness matrix [K] can be identified. In other words, the inventor of the present application has found that the characteristic matrix can be optimized with sufficient accuracy without necessarily matching all eigenmode vector components when matching the eigenmode vectors. It was.

以下では、本発明の実施形態に係る解析装置10によって行われる解析処理の手順について詳細に説明する。なお、本実施形態における解析処理も、基本的に図3に示した処理手順に従って行われる。従って、以下では、図4〜図7を参照して、上記解析処理の処理手順に対応する形で本実施形態の解析処理の処理手順について説明する。   Below, the procedure of the analysis process performed by the analyzer 10 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated in detail. Note that the analysis processing in the present embodiment is also basically performed according to the processing procedure shown in FIG. Therefore, hereinafter, the processing procedure of the analysis processing according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 7 in a form corresponding to the processing procedure of the analysis processing.

[モード特性の同定]
まず、ステップS10に示したように、単点加振試験による測定結果に基づいてモード特性の同定が行われる。図4は、本発明のモード特性の同定処理の処理手順を示すフローチャートである。モード特性の同定は、加振試験を行って周波数応答関数等を算出する振動計測処理と、算出された周波数応答関数等に基づいてモード特性を同定する特性同定処理とに大別される。
[Identification of mode characteristics]
First, as shown in step S10, the mode characteristics are identified based on the measurement result of the single-point excitation test. FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure of mode characteristic identification processing according to the present invention. The identification of the mode characteristic is roughly classified into a vibration measurement process that performs a vibration test to calculate a frequency response function and the like, and a characteristic identification process that identifies the mode characteristic based on the calculated frequency response function and the like.

図4に示した処理手順の実行の前に、ユーザによる計測システムのセッティングが行われる。計測システムのセッティングにあたっては、解析対象物1がユーザによりゴム紐やタイヤチューブ等の弾性体により支持されるように配置される。これにより、解析対象物1の周辺自由状態が近似的に実現される。なお、解析対象物1の支持は、擬似的に周辺自由状態が実現されれば、如何なる態様で行われてもよい。   Prior to the execution of the processing procedure shown in FIG. 4, the user sets the measurement system. In setting the measurement system, the analysis object 1 is arranged to be supported by an elastic body such as a rubber string or a tire tube by the user. Thereby, the surrounding free state of the analysis object 1 is approximately realized. Note that the analysis object 1 may be supported in any manner as long as the surrounding free state is realized in a pseudo manner.

図4に示したようなモード特性の同定処理においては、まず、ステップS11において、中央処理装置37は、ユーザに解析対象物1の形状・寸法等の初期データを入力するように出力画面35を介して要求する。このような初期データには、実測定点及び仮想測定点を含む全ての測定点の座標データが含まれる。   In the mode characteristic identification process as shown in FIG. 4, first, in step S <b> 11, the central processing unit 37 displays the output screen 35 so as to input initial data such as the shape and dimensions of the analysis object 1 to the user. To request through. Such initial data includes coordinate data of all measurement points including actual measurement points and virtual measurement points.

ユーザは実測定点及び仮想測定点を解析対象物1上の任意の位置に設定する。このとき、仮想測定点は、できるだけ仮想測定点同士が隣り合うことの無いように、すなわちその仮想測定点に最も近接する測定点が実測定点となるように設定される。換言すると、仮想測定点は、少なくとも一つの或る方向において実測定点の間に配置されるように設定される。また、仮想測定点は、仮想測定点数が全測定点数の1/2以上にならないように(好ましくは、1/3以上にならないように)設定される。   The user sets the actual measurement point and the virtual measurement point at arbitrary positions on the analysis object 1. At this time, the virtual measurement points are set so that the virtual measurement points are not adjacent to each other as much as possible, that is, the measurement point closest to the virtual measurement point is the actual measurement point. In other words, the virtual measurement points are set to be arranged between the actual measurement points in at least one certain direction. The virtual measurement points are set so that the number of virtual measurement points does not become 1/2 or more of the total number of measurement points (preferably, it does not become 1/3 or more).

図2(b)は実測定点及び仮想測定点の設定の例を示している。図2(b)中に丸で囲まれた測定点は実際に計測が行われる実測定点を示しており、丸で囲まれていない測定点は実際には計測が行われない仮想測定点を示している。すなわち、図示した例では、3、6、7、11番の測定点においては実際に測定が行われない。   FIG. 2B shows an example of setting actual measurement points and virtual measurement points. In FIG. 2B, circled measurement points indicate actual measurement points at which measurement is actually performed, and measurement points not circled indicate virtual measurement points at which measurement is not actually performed. ing. That is, in the illustrated example, the measurement is not actually performed at the measurement points Nos. 3, 6, 7, and 11.

ユーザは、このような条件のもと各測定点の設定位置を決定すると共に、中央処理装置37の上記要求に応じて全ての測定点の座標データを入力する。また、実測定点の設定位置には加速度計23が取り付けられる。   The user determines the setting position of each measurement point under such conditions, and inputs the coordinate data of all the measurement points in response to the request from the central processing unit 37. In addition, an accelerometer 23 is attached to the actual measurement point setting position.

次に、ユーザは、打撃ハンマ22によって加速度計23が取り付けられた位置の中のいずれかの1つの位置(単点)で解析対象物1に打撃(加振)を加える。
ユーザが打撃ハンマ22によって解析対象物1に加えた打撃は力変換器21によって測定され、その測定データは増幅器24を介して外部インタフェース部26に入力される。また、この打撃によって解析対象物1に発生した振動も加速度計23によって測定され、その測定データは増幅器25を介して外部インタフェース部26に入力される。入力されたこれら測定データは中央処理装置37に取り込まれる。このようにして単点加振試験が行われる。
Next, the user strikes (vibrates) the analysis object 1 at any one position (single point) of the positions where the accelerometer 23 is attached by the striking hammer 22.
The hit applied to the analysis object 1 by the hitting hammer 22 by the user is measured by the force transducer 21, and the measurement data is input to the external interface unit 26 via the amplifier 24. Further, the vibration generated in the object 1 to be analyzed by this impact is also measured by the accelerometer 23, and the measurement data is input to the external interface unit 26 via the amplifier 25. These input measurement data are taken into the central processing unit 37. In this way, a single point vibration test is performed.

次に、ステップS13において、測定データに基づいて周波数応答関数等が算出される。すなわち、中央処理装置37は、これら力変換器21及び加速度計23によって測定された測定データをフーリエ変換(例えば、高速フーリエ変換)して周波数スペクトルになおす。その後、中央処理装置37は、解析対象物1への入力に関する周波数スペクトル(力変換器21の出力に基づく周波数スペクトル)及び解析対象物1からの出力に関する周波数スペクトル(加速度計23の出力に基づく周波数スペクトル)からパワースペクトルとクロススペクトルとを算出し、これらパワースペクトル及びクロススペクトルから周波数応答関数及びコヒーレンス関数を算出する。これら周波数応答関数及びコヒーレンス関数は各実測定点毎に算出される。   Next, in step S13, a frequency response function or the like is calculated based on the measurement data. That is, the central processing unit 37 performs a Fourier transform (for example, a fast Fourier transform) on the measurement data measured by the force transducer 21 and the accelerometer 23 to restore the frequency spectrum. Thereafter, the central processing unit 37 has a frequency spectrum related to the input to the analysis object 1 (frequency spectrum based on the output of the force transducer 21) and a frequency spectrum related to the output from the analysis object 1 (frequency based on the output of the accelerometer 23). The power spectrum and the cross spectrum are calculated from the spectrum), and the frequency response function and the coherence function are calculated from the power spectrum and the cross spectrum. These frequency response function and coherence function are calculated for each actual measurement point.

ここで、コヒーレンス関数(関連度関数)は、入力と出力と内積であり、入出力の相関を示すものである。その値が0である場合には、入力と出力とは無相関であり、1に近づくにつれて相関性が増す。このコヒーレンス関数は、後述する周波数応答関数に基づくモード特性の同定にも用いられる(ステップS15で使用)。   Here, the coherence function (relevance function) is an inner product of an input, an output, and indicates a correlation between input and output. When the value is 0, the input and the output are uncorrelated, and the correlation increases as the value approaches 1. This coherence function is also used for identifying mode characteristics based on a frequency response function described later (used in step S15).

なお、より信頼性の高いデータを得る観点から、この単点加振試験を複数回繰り返し、個々のパワースペクトルおよびクロススペクトルを平均し、その平均値を用いるようにすることが好ましい。   From the viewpoint of obtaining more reliable data, it is preferable to repeat this single-point excitation test a plurality of times, average the individual power spectra and cross spectra, and use the average value.

上記ステップS11〜S13の処理が振動計測処理であり、単点加振試験により得られた測定データに基づいて各実計測点における周波数応答関数及びコヒーレント関数が算出される。   The processes in steps S11 to S13 are vibration measurement processes, and a frequency response function and a coherent function at each actual measurement point are calculated based on measurement data obtained by a single-point excitation test.

このように、周波数応答関数が算出された後で、算出された周波数応答関数等に基づいてモード特性を同定する特性同定処理が行われる。   As described above, after the frequency response function is calculated, the characteristic identification process for identifying the mode characteristic based on the calculated frequency response function or the like is performed.

特性同定処理では、まず、ステップS14に示したように、中央処理装置37が、ユーザにモード特性の同定を行う周波数帯域(以下、「同定周波数帯域」という)を入力するように出力画面35を介して要求する。ユーザは入力装置33から同定周波数帯域を入力する。同定周波数帯域は、その帯域幅が広いほどその帯域内に現れる共振峰の数が多くなる。このため、同定周波数帯域を広げると、多くの次数のモード特性を同定することができる。   In the characteristic identification process, first, as shown in step S14, the output screen 35 is set so that the central processing unit 37 inputs a frequency band (hereinafter referred to as “identification frequency band”) for identifying the mode characteristic to the user. To request through. The user inputs the identification frequency band from the input device 33. As the identification frequency band is wider, the number of resonance peaks appearing in the band increases. For this reason, when the identification frequency band is widened, many order mode characteristics can be identified.

次いで、ステップS15において、ステップS13で算出された周波数応答関数及びコヒーレント関数に基づいて、所定の次数までのモード特性が同定される。この所定の次数は、上記ステップS14で入力された同定周波数帯域応じて変化する。なお、モード特性の同定法としては一般に知られている各種のモード同定法を利用することができ、このようなモード同定法としては、例えば、多点参照法(ポリリファレンス法、poly-referencemethod)、偏分反復法、プロリー法(Prony's method)、サークルフィット法(circle fit method)等が挙げられる。   Next, in step S15, mode characteristics up to a predetermined order are identified based on the frequency response function and coherent function calculated in step S13. This predetermined order changes in accordance with the identification frequency band input in step S14. Note that various known mode identification methods can be used as a method for identifying mode characteristics. Examples of such a mode identification method include a multipoint reference method (poly-reference method). , Partial iteration method, Proly's method, circle fit method and the like.

以下では、周波数応答関数に基づいてモード特性を同定する際の基本的な原理について簡単に説明する。減衰を比例粘性減衰とした振動系の限定された周波数帯域(すなわち、上記同定周波数帯域)に関する周波数応答関数は近似的に下記式(4)で表せる。

Figure 2009204517
ここで、式(4)中のYは慣性項定数パラメータ、Zは剰余項定数パラメータであり、また同定周波数帯域内に存在する共振峰の数をaとする。さらに、そのa個の共振峰に対応する固有角振動数をΩt、モード減衰比をζt、加振点q、応答点(測定点)pの固有モード成分をそれぞれψqt、ψpt(tは次数)とする。 Below, the basic principle at the time of identifying a mode characteristic based on a frequency response function is demonstrated easily. A frequency response function relating to a limited frequency band (that is, the identification frequency band) of the vibration system in which the damping is proportional viscosity damping can be approximately expressed by the following equation (4).
Figure 2009204517
Here, Y in equation (4) is an inertia term constant parameter, Z is a remainder term constant parameter, and the number of resonance peaks existing in the identification frequency band is a. Furthermore, the natural angular frequency corresponding to the a resonance peaks is Ω t , the mode damping ratio is ζ t , the excitation point q, and the natural mode components of the response point (measurement point) p are ψ qt and ψ pt ( t is the order).

このように式(4)で表した周波数応答関数Hpqは、固有角振動数Ωt、モード減衰比ζt、固有モード成分ψpt、ψqtを適切に選択すれば、ステップS13において振動試験に基づく周波数応答関数にほぼ一致する。そこで、本モード特性同定では、式(4)によって算出される周波数応答関数HpqがステップS13において算出された周波数応答関数にほぼ一致するような固有角振動数Ωt、モード減衰比ζt、固有モード成分ψpt、ψqtを最適化法等によって算出し、これらモード特性を同定するようにしている。また、このモード特性の同定の過程で上記コヒーレンス関数が用いられる。 As described above, the frequency response function H pq expressed by the equation (4) can be obtained from the vibration test in step S13 if the natural angular frequency Ω t , the mode damping ratio ζ t , and the natural mode components ψ pt and ψ qt are appropriately selected. The frequency response function based on Therefore, in this mode characteristic identification, the natural angular frequency Ω t , the mode damping ratio ζ t , such that the frequency response function H pq calculated by the equation (4) substantially matches the frequency response function calculated in step S13, The eigenmode components ψ pt and ψ qt are calculated by an optimization method or the like, and these mode characteristics are identified. The coherence function is used in the process of identifying the mode characteristics.

上記ステップS14及びS15の処理が特性同定処理であり、周波数応答関数に基づいてモード特性が同定される。   The process of steps S14 and S15 is a characteristic identification process, and the mode characteristic is identified based on the frequency response function.

[特性行列成分間の物理的制約条件式の同定]
次に、図3にステップS20に示したように、特性行列成分間の物理的制約条件式の算出が行われる。図5は、本発明の特性行列成分間の物理的制約条件式の算出処理の処理手順を示すフローチャートである。
[Identification of physical constraints between characteristic matrix components]
Next, as shown in step S20 in FIG. 3, a physical constraint condition expression between characteristic matrix components is calculated. FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure for calculating a physical constraint condition expression between characteristic matrix components of the present invention.

特性行列成分間の物理的制約条件式の算出にあたって、中央処理装置37は、ステップS21において、測定点間の構造的結合状態(コネクティビティ)を入力するように出力画面35を介して要求する。ここで、測定点間の構造的結合状態とは、或る測定点と別の測定点とが構造的に結びついているか否か、すなわち或る測定点と他の測定点とが構造的に隣り合う関係にあるか否かの状態を意味する。   In calculating the physical constraint condition expression between the characteristic matrix components, the central processing unit 37 requests via the output screen 35 to input the structural coupling state (connectivity) between the measurement points in step S21. Here, the structural coupling state between measurement points means whether a certain measurement point and another measurement point are structurally connected, that is, a certain measurement point and another measurement point are structurally adjacent to each other. It means the state of whether or not there is a matching relationship.

例えば図2(a)に示した構造について考慮すると、測定点間の構造的結合状態は図2(c)のように表される。図中、互いに構造的に結合しているとされる測定点同士は直線によって互いに結ばれている。図2(a)に示した例では、例えば測定点1は測定点2、3、4と互いに構造的に結合されており、測定点3は測定点1、2、4及び5と互いに構造的に結合されている。なお、本実施形態では、測定点間の構造的結合状態はユーザの主観により測定点の配置や測定点間の距離等に基づいて定められて、ユーザにより入力装置33を用いて入力される。しかしながら、例えば、ユーザに解析対象物1の形状及び測定点の配置を入力させて、この入力されたデータに基づいて中央処理装置37により測定点間の構造的結合状態が算出されるようにしてもよい。   For example, considering the structure shown in FIG. 2A, the structural coupling state between the measurement points is expressed as shown in FIG. In the figure, measurement points that are structurally connected to each other are connected to each other by straight lines. In the example shown in FIG. 2A, for example, the measurement point 1 is structurally coupled to the measurement points 2, 3, 4 and the measurement point 3 is structurally coupled to the measurement points 1, 2, 4 and 5. Is bound to. In the present embodiment, the structural coupling state between the measurement points is determined based on the subjectivity of the user based on the arrangement of the measurement points, the distance between the measurement points, and the like, and is input by the user using the input device 33. However, for example, the user inputs the shape of the analysis object 1 and the arrangement of the measurement points, and the central processing unit 37 calculates the structural coupling state between the measurement points based on the input data. Also good.

次いで、ステップS22では、ステップ21において入力された測定点間の構造的結合状態に基づいて質量行列[M]及び剛性行列[K]の零成分の配置が特定される。以下、零成分の配置について説明する。   Next, in step S22, the arrangement of zero components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] is specified based on the structural coupling state between the measurement points input in step 21. Hereinafter, the arrangement of the zero component will be described.

ここで、図6(a)に示したような単純な均一剛体要素と回転バネで直列に結合されたモデルを考える。各剛体要素は、均一形状で長さがそれぞれli、質量中心が中央にありその質量がmi、回転バネ定数がkiであるとして、曲げ振動表現の自由度(上記実施形態における測定点数に相当)を点1〜5番の並進変位とする。この場合の質量行列[M]及び剛性行列[K]はそれぞれ下記式(5)、(6)のように表される。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
Here, a model in which a simple uniform rigid body element and a rotary spring as shown in FIG. Assuming that each rigid element has a uniform shape and has a length l i , a center of mass, a mass m i , and a rotational spring constant k i , the degree of freedom of bending vibration expression (the number of measurement points in the above embodiment) Is equivalent to the translational displacement of points 1-5. In this case, the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] are represented by the following equations (5) and (6), respectively.
Figure 2009204517
Figure 2009204517

ここで、式(5)、(6)中の*は零成分でないこと、すなわち非零成分であることを意味するものである。このように、図6に示したようなモデルでは、質量行列[M]については3重対角行列、剛性行列[K]については5重対角行列として表される。図6(b)、(c)を参照してこの理由について説明する。なお、図6では、剛体要素間の寸法を大きくして回転弾性対偶を描いているが、剛体要素間の寸法はないものとして考える。すなわち、剛体要素Iの右端と剛体要素IIの左端とは同一位置であるとして考える。   Here, * in the equations (5) and (6) means that it is not a zero component, that is, a non-zero component. Thus, in the model as shown in FIG. 6, the mass matrix [M] is represented as a tridiagonal matrix, and the stiffness matrix [K] is represented as a five diagonal matrix. The reason for this will be described with reference to FIGS. In FIG. 6, the rotational elastic pair is drawn by increasing the dimension between the rigid elements, but it is assumed that there is no dimension between the rigid elements. That is, the right end of the rigid element I and the left end of the rigid element II are considered to be at the same position.

図6(b)を参照して、剛体要素Iの質量中心(剛体要素Iの図心)について、自由体図によって運動方程式を作成すると、回転運動については式(7)のように、並進運動については式(8)のように表される。これら式(7)、(8)を行列式でまとめて表示すると、式(9)のようになる。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Referring to FIG. 6 (b), when a motion equation is created by a free body diagram for the center of mass of rigid body element I (centroid of rigid body element I), the rotational motion is translated as in equation (7). Is expressed as in equation (8). When these formulas (7) and (8) are collectively displayed as a determinant, the formula (9) is obtained.
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Figure 2009204517

剛体要素Iの両端の並進変位自由度と質量中心での変位自由度との変換則は下記式(10)のように表せる。そこで、式(10)を式(9)に代入して、両辺左側から[T1Tを乗じると、下記式(11)のようになる。なお、[T1TはT1の転置行列を表す。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
ここで、剛体要素Iが均一形状であって均一材料密度分布であるとすると、下記式(12)のように表せる。なお、式(12)においてm1は剛体要素1の質量である。
Figure 2009204517
The conversion rule between the translational displacement degree of freedom at both ends of the rigid element I and the degree of freedom of displacement at the center of mass can be expressed as the following equation (10). Therefore, substituting Equation (10) into Equation (9) and multiplying by [T 1 ] T from the left side of both sides yields Equation (11) below. [T 1 ] T represents a transposed matrix of T 1 .
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Here, assuming that the rigid element I has a uniform shape and a uniform material density distribution, it can be expressed as the following formula (12). In Equation (12), m 1 is the mass of the rigid element 1.
Figure 2009204517

同様に、図6(c)を参照して、剛体要素IIの質量中心(要素の図心)について自由体図によって上記剛体要素Iの場合と同様に運動方程式を作成して整理すると、下記式(13)が導かれる。

Figure 2009204517
Similarly, with reference to FIG. 6C, the equation of motion is created and arranged in the same way as in the case of the rigid element I by the free body diagram with respect to the center of mass of the rigid element II (element centroid). (13) is derived.
Figure 2009204517

この様に順々に剛体要素III、剛体要素IV、…と運動方程式を求めて、全ての運動方程式を行列表現でまとめて、全系の運動方程式を作成すると、下記式(14)に示したようにその質量行列[M]は3重対角行列、剛性行列[K]は5重対角行列になる。このように、質量行列[M]及び剛性行列{K]の非零成分の配置は、測定点間の構造的結合状態によって決定することができる。

Figure 2009204517
In this way, the equations of motion of rigid body element III, rigid body element IV,... Are obtained in order, and all the motion equations are combined into a matrix expression to create the motion equation of the entire system, and the following equation (14) is obtained. Thus, the mass matrix [M] is a tridiagonal matrix, and the stiffness matrix [K] is a pentadiagonal matrix. Thus, the arrangement of the non-zero components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix {K] can be determined by the structural coupling state between the measurement points.
Figure 2009204517

上述の力学原理に基づいて、図2(c)に示したような測定点間の構造的結合状態となっている解析対象物のモデルを考えると、例えば剛性行列[K]の零成分の配置は下記式(15)のようになる。

Figure 2009204517
Considering the model of the object to be analyzed that is in a structurally coupled state between the measurement points as shown in FIG. 2C based on the dynamic principle described above, for example, the arrangement of zero components of the stiffness matrix [K] Becomes the following equation (15).
Figure 2009204517

上記式(15)の剛性行列[k]中の[N]は3行3列の非零成分となる可能性のある小行列部分を、[0]は3行3列の零成分となる小行列部分を表している。ここで、[N]、[0]が3行3列の小行列となっているのは各測定点における測定自由度がx、y、z方向の3自由度であるためであり、例えば各測定点における測定自由度がx、y、z方向に加えてx軸、y軸、z軸回りの回転方向を加えた6自由度である場合には[N]、[0]は6行6列の小行列となる。   [N] in the stiffness matrix [k] of the above formula (15) is a small matrix portion that may be a non-zero component of 3 rows and 3 columns, and [0] is a small matrix portion that is a zero component of 3 rows and 3 columns. Represents the matrix part. Here, [N] and [0] are small matrices of 3 rows and 3 columns because the measurement degrees of freedom at each measurement point are 3 degrees of freedom in the x, y, and z directions. If the measurement freedom at the measurement point is 6 degrees of freedom in addition to the x, y and z directions plus the rotation directions around the x, y and z axes, [N] and [0] are 6 rows 6 It becomes a small matrix of columns.

図2(c)に示した例では、測定点1は測定点2、3に物理的に結合しており、これら測定点2又は3は測定点4、5に物理的に結合している。従って、式(17)に示したように、剛性行列[K]では、測定点1に対応する1列目には1〜5行目に非零小行列成分が配置されることになる。このように、ユーザがデザインする構造的結合モデルに従って特性行列の零成分配置が力学原理に基づいてコンピュータにより自動的に決定される。   In the example shown in FIG. 2C, the measurement point 1 is physically coupled to the measurement points 2 and 3, and these measurement points 2 or 3 are physically coupled to the measurement points 4 and 5. Accordingly, as shown in the equation (17), in the stiffness matrix [K], the non-zero small matrix components are arranged in the first column corresponding to the measurement point 1 in the first to fifth rows. In this way, the zero component arrangement of the characteristic matrix is automatically determined by the computer based on the dynamic principle according to the structural coupling model designed by the user.

次に、ステップS23において、3次元構造物の質量行列[M]については、如何なるn自由度のモデルについての質量行列[M]も下記式(16)左辺の演算によって、構造物中に任意に設定された剛体運動表現点としての1点の6自由度変位に関する6行6列の剛体質量行列Mrigid]に変換できるという力学原理に基づいて、質量行列[M]の非零成分間の連立1次方程式が物理的制約条件式として作成される。ここで、式(16)中の行列[Φ]は下記式(17)のように表される3n行6列の行列(以下、「剛体変位モード行列」という)であり、剛体質量行列[Mrigid]は下記式(18)のように表される6行6列の行列である。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Next, in step S23, for the mass matrix [M] of the three-dimensional structure, the mass matrix [M] for any n-degree-of-freedom model can be arbitrarily set in the structure by the calculation of the left side of the following equation (16). Based on the dynamic principle that it can be converted to a 6-by-6 rigid mass matrix M rigid ] regarding 6-degree-of-freedom displacement of one point as a set point representing the rigid body motion, a set of non-zero components of the mass matrix [M] A linear equation is created as a physical constraint equation. Here, the matrix [Φ] in the equation (16) is a 3n × 6 matrix (hereinafter referred to as “rigid body displacement mode matrix”) represented by the following equation (17), and the rigid mass matrix [M rigid ]] is a 6 × 6 matrix represented by the following formula (18).
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Figure 2009204517

なお、剛体質量行列中のIxx、Iyy、Izzは剛体運動表現点を通り各座標軸と並行な軸回りの慣性モーメント、Iyx、Izx、Iyzはそれら3軸相互間についての慣性乗積である。A、B、Cは、剛体運動表現点と重心とのズレに起因する値であり、解析対象物1の質量をm、重心座標を(xG、yG、zG)、剛体運動表現点座標を(xR、yR、zR)とすると、A=m(xG−xR)、B=m(yG−yR)、C=m(zG−zR)である。[Mrigid]は、上記式(18)に示すように対称行列である。 In the rigid mass matrix, I xx , I yy , and I zz are moments of inertia around axes that pass through the rigid body motion expression points and are parallel to the coordinate axes, and I yx , I zx , and I yz are inertias between these three axes. It is a product. A, B, and C are values resulting from a deviation between the rigid body motion expression point and the center of gravity. The mass of the analysis object 1 is m, the center of gravity coordinates are (x G , y G , z G ), and the rigid body motion expression point. When coordinates are (x R , y R , z R ), A = m (x G −x R ), B = m (y G −y R ), and C = m (z G −z R ). [M rigid ] is a symmetric matrix as shown in the above equation (18).

以下、上記剛体変位モード行列[Φ]、剛体質量行列[Mrigid]及び上記式(18)の導出方法について簡単に説明する。
上記剛体変位モード行列[Φ]は、6本の互いに独立な剛体運動ベクトルで構成される。具体的に、入力データの一部である測定点座標値を利用して、剛体運動表現点がx軸方向、y軸方向、z軸方向に単位並進変位するときの構造物上の測定点の変位を表すベクトルをそれぞれ第1列、第2列、第3列に当てはめ、剛体運動表現点がその点を通ってx軸と平行な軸回り、y軸と平行な軸回り及びz軸と平行な軸回りに微少角変位する剛体角変位運動に関する構造物上の測定点の並進変位を線形近似表現するベクトルを第4列、第5列、第6列に当てはめることで剛体変位モード行列[Φ]は容易に作成することができる。
Hereinafter, the derivation method of the rigid body displacement mode matrix [Φ], the rigid body mass matrix [M rigid ] and the above equation (18) will be briefly described.
The rigid body displacement mode matrix [Φ] is composed of six independent rigid body motion vectors. Specifically, using the measurement point coordinate value that is a part of the input data, the measurement point of the measurement point on the structure when the rigid body motion expression point undergoes unit translational displacement in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. The vectors representing the displacement are applied to the first, second, and third columns, respectively, and the rigid body motion expression points pass through the points around the axis parallel to the x axis, around the axis parallel to the y axis, and parallel to the z axis. By applying a vector that linearly expresses the translational displacement of the measurement point on the structure relating to the rigid body angular displacement motion that is slightly angularly displaced about an arbitrary axis to the fourth, fifth, and sixth columns, the rigid body displacement mode matrix [Φ ] Can be easily created.

例えば、図7を参考に、剛体中に設定した剛体運動表現点座標をR(xR,yR,zR)、測定点i番のx、y、z座標を(xi,yi,zi)として、剛体が単にx軸方向へδRxだけ並進変位するとそれに伴って測定点i番の変位は、下記式(19)のように、δRxに定数で構成される変換行列(この場合は列ベクトル)を乗じることで表現することができる。

Figure 2009204517
For example, referring to FIG. 7, the rigid body motion expression point coordinates set in the rigid body are R (x R , y R , z R ), and the x, y, z coordinates of the measurement point i are (x i , y i , z i ), when the rigid body is simply displaced in translation in the x-axis direction by δ Rx , the displacement at the measurement point i is accompanied by a transformation matrix (this is a constant composed of δ Rx as shown in the following equation (19)). In this case, it can be expressed by multiplication by a column vector).
Figure 2009204517

剛体が剛体運動表現点で単にx軸に平行な軸回りに角度θxだけ右手に回転することによる測定点i番の変位は幾何学から下記式(21)のように代数的に表現することができる。

Figure 2009204517
The displacement of the measurement point i by rotating the rigid body to the right hand by the angle θ x around the axis parallel to the x axis at the rigid motion expression point is expressed algebraically from the geometry as shown in the following formula (21). Can do.
Figure 2009204517

ここで、今対象としている機械振動の並進振幅や角変位振動は小さい値であることを考慮して、sinθx≒θx、cosθx≒1の近似を十分適用することができるため、上記式(20)は下記式(21)と変形することができる。式(19)と同様に座標データに基づく定数で構成される変換行列を運動表現点の角変位に乗じることで測定点iの変位が表現できる。

Figure 2009204517
Here, considering that the translational amplitude and the angular displacement vibration of the target mechanical vibration are small values, approximations of sin θx≈θx and cos θx≈1 can be sufficiently applied. Can be transformed into the following equation (21). Similar to Equation (19), the displacement of the measurement point i can be expressed by multiplying the angular displacement of the motion expression point by a transformation matrix composed of constants based on the coordinate data.
Figure 2009204517

このようにして6自由度の全ての剛体運動を考えると、剛体変位モード行列[Φ]の成分構成は測定点iのx、y、z方向変位成分についてのみ明記した形式として、下記式(22)のように作成することができる。

Figure 2009204517
Considering all rigid body motions with 6 degrees of freedom in this way, the component structure of the rigid body displacement mode matrix [Φ] is expressed in the following formula (22) as a form in which only the x, y, z direction displacement components of the measurement point i are specified. ) Can be created.
Figure 2009204517

従って、各測定点の座標データを入力することにより、上記剛体変位モード行列[Φ]を求めることができる。なお、フーリエ変換、モード特性同定法等の実験的同定法では、すべてデータ処理法(信号処理法)に過ぎず、幾何学的データ(または構造的データ)としての測定点座標を本質的に必要する「実験的同定法」はこれまで皆無であったと考えることができ、本手法はこの点についても大きな特徴を有する。   Therefore, the rigid body displacement mode matrix [Φ] can be obtained by inputting the coordinate data of each measurement point. The experimental identification methods such as Fourier transform and mode characteristic identification method are all data processing methods (signal processing methods), and essentially require measurement point coordinates as geometric data (or structural data). It can be considered that there has never been an "experimental identification method", and this method has a great feature in this respect.

次に、剛体質量行列[Mrigid]について説明する。上記式(16)の右辺の剛体質量行列[Mrigid]は、如何なる対象構造物に関しても上記式(18)のような独特な成分配置関係となることが知られている。例えば、剛体質量行列[Mrigid]には、1行1列成分と2行2列成分及び3行3列成分は常に同一の値でありその値は解析対象物の質量の値であること、2行1列成分と1行2列成分は常に零となること、5行1列成分と4行2列成分とは絶対値は同一で符号が互いに逆の値となること、等の特徴的な成分配置関係がある。 Next, the rigid mass matrix [M rigid ] will be described. It is known that the rigid mass matrix [M rigid ] on the right side of the above equation (16) has a unique component arrangement relationship as in the above equation (18) for any target structure. For example, in the rigid body mass matrix [M rigid ], the 1 row 1 column component, the 2 row 2 column component, and the 3 row 3 column component are always the same value, and the value is the value of the mass of the analysis object. The 2 row 1 column component and the 1 row 2 column component are always zero, and the 5 row 1 column component and the 4 row 2 column component have the same absolute value and opposite signs. There is a significant component arrangement relationship.

このように表される剛体変位モード行列[Φ]、剛体質量行列[Mrigid]及び質量行列[M]の間には、上記式(16)のような関係がある。ここで、式(18)の非零成分(m、A、Ixx等)の値そのものは同定前には未知であるが、これら非零成分間の関係を利用して、式(16)からその左辺の質量行列[M]の成分間に関する11本の等式制約条件式を自動生成することができる。 The rigid body displacement mode matrix [Φ], the rigid body mass matrix [M rigid ], and the mass matrix [M] expressed as described above have a relationship as expressed by the above equation (16). Here, the values of the non-zero components (m, A, Ixx, etc.) themselves of the equation (18) are unknown before identification, but using the relationship between these non-zero components, It is possible to automatically generate eleven equality constraint expressions related to the components of the left-side mass matrix [M].

なお、解析対象物1の質量(重さ)等の剛体特性値が既知として与えられていれば、これを式(18)に代入して質量行列成分間の制約条件式を生成するようにしてもよい。このように既知の剛体特性値が得られれば、この既知の剛体特性値については、他の成分で表す必要が無くなるという利点がある。   If a rigid body characteristic value such as the mass (weight) of the analysis object 1 is given as a known value, this is substituted into equation (18) to generate a constraint equation between mass matrix components. Also good. If a known rigid body characteristic value is obtained in this way, there is an advantage that the known rigid body characteristic value need not be expressed by other components.

このようにして生成された連立方程式は、互いに独立な方程式よりも未知数である非零成分の数の方が必ず多くなる。従って、このように生成された連立方程式のみからは質量行列[M]の非零成分を全て特定することはできない。しかしながら、方程式の数だけの未知数(非零成分)を他の未知数(非零成分)の従属変数とすることができる。以下の説明では、本ステップS23等において求められた制約条件式により特性行列の他の成分に従属する形で表現される成分を従属成分と、制約条件式によっても他の成分に従属する形では表現されない成分を独立未成分として説明する。   In the simultaneous equations generated in this way, the number of non-zero components that are unknowns is always greater than the equations independent of each other. Therefore, it is impossible to specify all the non-zero components of the mass matrix [M] only from the simultaneous equations generated in this way. However, as many unknowns (non-zero components) as the number of equations can be dependent variables of other unknowns (non-zero components). In the following description, a component expressed in a form dependent on other components of the characteristic matrix by the constraint expression obtained in step S23 and the like is a dependent component, and a form dependent on another component also by the constraint expression The component which is not expressed is demonstrated as an independent uncomponent.

このような等式制約条件式を上記手法により自動生成すると、例えば下記式(23)のような等式が作成される。

Figure 2009204517
ここで、mi,jは質量行列のi行j列の成分を表し、左辺の成分が従属成分、右辺の各項の成分が独立未知成分である。なお、どの成分が独立未知成分に割り当てられ、どの成分が従属成分に割り当てられるかはプログラミングに依存する。例えば、式(23)の最上段の式の場合、m1,1を独立未知成分とすることもでき、この場合m2,1が従属成分となる。 When such an equation constraint conditional expression is automatically generated by the above method, an equation such as the following expression (23) is created.
Figure 2009204517
Here, m i, j represents the component of i-th row and j-th column of the mass matrix, the component on the left side is the dependent component, and the component of each term on the right side is the independent unknown component. Note that which component is assigned to an independent unknown component and which component is assigned to a dependent component depends on programming. For example, in the case of the uppermost expression of Expression (23), m 1,1 can be an independent unknown component, and in this case, m 2,1 is a dependent component.

次に、ステップS24において、3次元構造物の剛性行列[K]と減衰行列[C]について、剛体運動状態ではその構造物のどの位置にもひずみが生じず、そのひずみに基づく応力も全ての部分において零であるという基本的な力学原理に基づいて、剛性行列[K]及び減衰行列[C]の非零成分間に連立1次方程式が物理的制約条件式として作成される。上記力学原理からは、下記式(24)が導き出される。なお、式(24)の右辺の[0]はn行6列の零行列である。

Figure 2009204517
Next, in step S24, with respect to the stiffness matrix [K] and the damping matrix [C] of the three-dimensional structure, no strain occurs in any position of the structure in the rigid body motion state, and all the stresses based on the strain are applied. Based on the basic dynamic principle of being zero in the part, simultaneous linear equations are created as physical constraint equations between the non-zero components of the stiffness matrix [K] and the damping matrix [C]. From the dynamic principle, the following formula (24) is derived. Note that [0] on the right side of the equation (24) is a zero matrix of n rows and 6 columns.
Figure 2009204517

この式(24)により、各特性行列中の非零成分に関する連立1次方程式が作成される。これにより、ステップS23と同様に、剛性行列[K]及び粘性行列[C]についても、成分間に関する複数の等式制約条件式が生成され、生成された方程式の数だけ独立未知成分を減少させることができる。   By this equation (24), simultaneous linear equations relating to non-zero components in each characteristic matrix are created. As a result, as in step S23, a plurality of equality constraint expressions relating to the components are generated for the stiffness matrix [K] and the viscosity matrix [C], and the number of independent unknown components is reduced by the number of generated equations. be able to.

このように、ステップS21〜S24では、物理原則等に基づいて各特性行列毎にその各成分間の関係を示す制約条件式が求められる。これにより、各特性行列中に含まれる独立未知成分の数を減少させると共に力学(物理学)的成分間関連特性を付与することができ、上記ステップS30における最適化処理における最適化精度を高めることができる。   As described above, in steps S21 to S24, a constraint condition expression indicating the relationship between each component is obtained for each characteristic matrix based on the physical principle or the like. As a result, the number of independent unknown components included in each characteristic matrix can be reduced, and dynamic (physical) component related characteristics can be added, and the optimization accuracy in the optimization process in step S30 can be increased. Can do.

[特性行列の同定]
次に、図3にステップS30で示したように、質量行列[M]、剛性行列[K]及び粘性行列[C]中の独立未知成分の同定、従ってこれら特性行列の同定が行われる。上述したように、質量行列[M]及び剛性行列[K]の最適化を行うための数学的手法としては多くの手法を採用可能であり、以下では図8及び図9を参照してその一つの例について説明する。図8及び図9は、本発明の特性行列の同定処理の処理手順を示すフローチャートである。
[Identification of characteristic matrix]
Next, as shown in step S30 in FIG. 3, the identification of independent unknown components in the mass matrix [M], the stiffness matrix [K], and the viscosity matrix [C], and thus the identification of these characteristic matrices are performed. As described above, many methods can be adopted as a mathematical method for optimizing the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K], and one of them is described below with reference to FIGS. One example will be described. 8 and 9 are flowcharts showing the processing procedure of the characteristic matrix identification processing of the present invention.

本実施形態の特性行列の同定処理は、三つの処理に大別される。一つ目の処理は、独立未知成分として適当な値が代入された質量行列[M]が正定値行列になるように、また、独立未知成分として適当な値が代入された剛性行列[K]が非負定値行列となるように、独立未知成分の値を修正する正定値・非負定値化処理である。二つ目の処理は、上記式(3)によって求められる固有角振動数Ωt及び固有モードベクトル{ψ}tが上記ステップS10で求められた固有角振動数及び固有モードベクトル(以下、これらをそれぞれ「目標固有角振動数Ωtt」、「目標固有モードベクトル{ψ}ttという)に一致するように、質量行列[M]及び剛性行列[K]の独立未知成分の値が徐々に変化させる最適化処理である。そして、三つ目の処理は、正規化されている質量行列[M]及び剛性行列[K]にゲイン平行移動係数αを乗算して、最終的に質量行列[M]及び剛性行列[K]を同定するゲイン調整処理である。図8及び図9では、これら三つの大きな処理毎に破線で囲まれている。 The characteristic matrix identification process of this embodiment is roughly divided into three processes. The first processing is such that the mass matrix [M] into which an appropriate value is assigned as an independent unknown component becomes a positive definite matrix, and the stiffness matrix [K] into which an appropriate value is assigned as an independent unknown component. Is a positive definite value / non-negative definite value processing for correcting the value of the independent unknown component so that becomes a non-negative definite matrix. In the second process, the natural angular frequency Ω t and the natural mode vector {ψ} t obtained by the above equation (3) are converted into the natural angular frequency and the natural mode vector (hereinafter referred to as the natural frequency vector obtained in step S10). each "target natural angular frequency Omega tt", to match the "called target eigenmode vector {ψ} tt), gradually changes the value of the independent unknown component of the mass matrix [M] and stiffness matrix [K] The third process is to multiply the normalized mass matrix [M] and stiffness matrix [K] by the gain translation coefficient α, and finally the mass matrix [M]. 8 and 9, each of these three large processes is surrounded by a broken line.

特性行列の同定処理では、まずステップS31において、質量行列[M]及び剛性行列[K]の各成分のうちステップS20(具体的にはステップS24)で物理的制約条件式を作成した結果独立未知成分となった成分に初期値として乱数を代入する。また、代入された乱数に基づいてステップS20において作成された制約条件式を用いて従属成分を算出し、初期値としての質量行列[M]と剛性行列[K]を数値行列として作成する。   In the identification process of the characteristic matrix, first, in step S31, the physical constraint equation is created in step S20 (specifically, step S24) among the components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K]. A random number is assigned as an initial value to the component that becomes the component. Further, the dependent component is calculated using the constraint condition equation created in step S20 based on the assigned random number, and the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] as initial values are created as numerical matrices.

しかしながら、この初期値としての質量行列[M]と剛性行列[K]は乱数から作成されているため、物理学的に最低限満足しなければならない条件をも満足しない場合がある。すなわち、質量や回転慣性は必ず正の値であることから質量行列は正定値行列となる。また、同様に剛性行列も基本的に正の値となるが、剛体運動ではひずみが零であるので固有値に零のものが最大6個まで存在する(剛体変位自由度だけ固有値零が存在する)ことから剛性行列は非負定値行列となる。しかしながら、上記初期値としての質量行列[M]と剛性行列[K]はこのような条件を満足しない場合がある。   However, since the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] as initial values are created from random numbers, there are cases where the conditions that must be physically satisfied are not satisfied. That is, since the mass and the rotational inertia are always positive values, the mass matrix is a positive definite matrix. Similarly, the stiffness matrix is basically a positive value, but since the strain is zero in rigid body motion, there are up to six eigenvalues (zero eigenvalues exist for the rigid body displacement degree of freedom). Therefore, the stiffness matrix is a non-negative definite matrix. However, the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] as the initial values may not satisfy such a condition.

そこで、本実施形態では、ステップS32〜34において、質量行列については正定値行列化を行い、剛性行列については非負定値行列化を行う。換言すると、質量行列[M]に関しては全ての3n個の固有値が正値となるように質量行列[M]の独立未知成分を修正し、剛性行列[K]の全ての3n個の固有値が負値とならないように剛性行列[K]の独立未知成分を修正する。ここでは、代表として質量行列の正定値行列化手法について説明する。   Therefore, in this embodiment, in steps S32 to S34, the mass matrix is converted to a positive definite matrix, and the stiffness matrix is converted to a non-negative definite matrix. In other words, for the mass matrix [M], the independent unknown component of the mass matrix [M] is corrected so that all 3n eigenvalues become positive values, and all 3n eigenvalues of the stiffness matrix [K] are negative. The independent unknown component of the stiffness matrix [K] is corrected so as not to become a value. Here, as a representative, a method for forming a positive definite matrix of a mass matrix will be described.

まず、質量行列[M]をその成分の絶対値最大の値に対して正規化をした上で、すなわち質量行列[M]の成分の最大絶対値が1になるようにした上で、標準的固有値問題である下記式(25)を解析して、3n個の全ての固有値λと固有ベクトル{x}を求めて、負値の固有値を選び出す。

Figure 2009204517
このようにして算出された固有値λの中に負値のものがなければ、質量行列[M]はこの時点の各成分の値で正定値行列である。一方、固有値λに負値のものがある場合には、これら負値の固有値λを正値へ変化させる必要がある。このために、負値の固有値λを正値へ変化させるための1次感度解析を行う。この感度解析としては、例えば、最急降下法、共役勾配法といったニュートン法に代表されるニュートン法類の手法等、一般に知られている各種の感度解析の手法を利用することができる。以下では、その一例について示す。質量行列[M]内の独立未知成分piに関する固有値λについての1次感度st,iは上記式(25)を独立未知成分piで微分した下記式(26)で算出される。
Figure 2009204517
First, after normalizing the mass matrix [M] with respect to the maximum absolute value of the component, that is, with the maximum absolute value of the component of the mass matrix [M] being 1, The following equation (25), which is an eigenvalue problem, is analyzed to obtain all 3n eigenvalues λ and eigenvectors {x}, and negative eigenvalues are selected.
Figure 2009204517
If there is no negative value among the eigenvalues λ calculated in this way, the mass matrix [M] is a positive definite matrix with the values of the respective components at this time. On the other hand, when there are negative eigenvalues λ, it is necessary to change these eigenvalues λ to positive values. For this purpose, a primary sensitivity analysis is performed to change the negative eigenvalue λ to a positive value. As this sensitivity analysis, for example, various well-known sensitivity analysis methods such as Newton's methods such as the steepest descent method and the conjugate gradient method can be used. Below, the example is shown. The primary sensitivity s t, i for the eigenvalue λ relating to the independent unknown component p i in the mass matrix [M] is calculated by the following equation (26) obtained by differentiating the above equation (25) with the independent unknown component p i .
Figure 2009204517

ここで、式(26)中のλtと{x}tはそれぞれt次の固有値と固有ベクトルを示している。また、piは質量行列[M]中にq個ある独立未知成分のうちの一つであるとする(i=1〜q)。上記式(26)で算出される1次感度st,iを用いて、q個の独立未知成分を微少量Δpi(i=1〜q)だけ増加させた場合の固有値λtの増分Δλtは近似的に下記式(27)のように見積もることができる。

Figure 2009204517
Here, λ t and {x} t in the equation (26) indicate a t-order eigenvalue and an eigenvector, respectively. Further, p i is one of q independent unknown components in the mass matrix [M] (i = 1 to q). Increment Δλ of eigenvalue λ t when q independent unknown components are increased by a small amount Δp i (i = 1 to q) using the primary sensitivity s t, i calculated by the above equation (26). t can be estimated approximately by the following equation (27).
Figure 2009204517

そこで、負値の固有値λ全てについてこの式を生成する。このとき固有値の増分Δλtには、例えば、その負値の固有値の絶対値よりも大きい正値が代入される。そして、このようにして生成された式を満たすような独立未知成分の微少増分Δpiを算出し、このようにして算出された独立未知成分の微少増分Δpiを用いて独立未知成分の更新を行う。このような操作を繰り返すことにより、質量行列[M]の正定値化を行うことができる。なお、剛性行列[K]の非負定値化についても、上記質量行列[M]の正定値化と同様に行われる。 Therefore, this equation is generated for all negative eigenvalues λ. At this time, for example, a positive value larger than the absolute value of the negative eigenvalue is substituted into the eigenvalue increment Δλ t . Then, to calculate the fine increment Delta] p i independent unknown component that satisfies this way is generated wherein the updating of the independent unknown component by using a very small increment Delta] p i of the thus independent unknown component calculated by Do. By repeating such an operation, the mass matrix [M] can be made positive definite. Note that the non-negative definite value of the stiffness matrix [K] is also performed in the same manner as the positive definite value of the mass matrix [M].

このような正定値化の概念に基づいて、ステップS32では、上記式(25)に基づいて算出された全ての固有値λtのうち負値のものが選定される。次いで、ステップS33では、上記式(26)を用いてステップS32で選定された負値の固有値λ毎に各独立未知成分についての固有値の1次感度st,iが算出される。次いで、ステップS34では、ステップS33において算出された1次感度を用いて上記式(27)により独立未知成分の微少増分Δpiが算出され、算出された微少増分Δpiを用いて下記式(28)により独立未知成分の更新が行われる。

Figure 2009204517
Based on this concept of positive definite value, in step S32, a negative value is selected from all the eigenvalues λ t calculated based on the above equation (25). Next, in step S33, eigenvalue primary sensitivity st , i for each independent unknown component is calculated for each negative eigenvalue λ selected in step S32 using the above equation (26). Then, in step S34, by using the first-order sensitivity calculated in step S33 is calculated minute increment Delta] p i independent unknown component by the above formula (27), the following equation using the small increment Delta] p i calculated (28 ) Updates the independent unknown component.
Figure 2009204517

次いで、ステップS35では、ステップS34において独立未知成分の更新が行われた結果、質量行列[M]の正定値化及び剛性行列[K]の非負定値化が実現されたか否かが判定され、質量行列[M]の正定値化及び剛性行列[K]の非負定値化が実現されていないと判定された場合にはステップS32〜ステップ34が繰り返される。一方、ステップS35において、質量行列[M]の正定値化及び剛性行列[K]の非負定値化が実現されたと判定された場合には、ステップS36へ、すなわち最適化処理へと進む。ステップS32〜ステップS35までの処理が上述した正定値・非負定値化処理に該当する。   Next, in step S35, it is determined whether or not the positive definite value of the mass matrix [M] and the non-negative definite value of the stiffness matrix [K] are realized as a result of updating the independent unknown component in step S34. If it is determined that the matrix [M] is not positively definite and the stiffness matrix [K] is not negatively definite, steps S32 to S34 are repeated. On the other hand, when it is determined in step S35 that the positive definite value of the mass matrix [M] and the nonnegative definite value of the stiffness matrix [K] are realized, the process proceeds to step S36, that is, the optimization process. The processing from step S32 to step S35 corresponds to the positive definite value / non-negative definite value processing described above.

特性行列の同定処理では、次に最適化処理が行われる。最適化処理では、下記式(29)の一般的固有値問題を解いて算出される固有角振動数(不減衰固有角振動数)Ωtと固有モードベクトル{ψ}tを、実験で得られた固有角振動数(目標固有角振動数Ωtt)及び固有モードベクトル(目標固有モードベクトル{ψ}tt)に一致化させる処理が行われる。このため、本実施形態では、これら固有角振動数同士及び固有モードベクトル同士を一致化させるべく、1次感度解析を行う。この感度解析においても、一般に知られている各種の感度解析の手法を利用することができる。

Figure 2009204517
In the characteristic matrix identification process, an optimization process is performed next. In the optimization process, the natural angular frequency (undamped natural angular frequency) Ω t and the natural mode vector {ψ} t calculated by solving the general eigenvalue problem of the following equation (29) were obtained through experiments. A process of matching the natural angular frequency (target natural angular frequency Ω tt ) and the natural mode vector (target natural mode vector {ψ} tt ) is performed. For this reason, in this embodiment, a primary sensitivity analysis is performed in order to match these natural angular frequencies and natural mode vectors. Also in this sensitivity analysis, various known sensitivity analysis methods can be used.
Figure 2009204517

固有角振動数Ωについての1次感度は、第t次の固有角振動数Ωtと固有モードベクトル{ψ}tについて上記式(29)を独立未知成分piについて微分して変形することで得られる下記式(30)に基づいて算出される。

Figure 2009204517
The first-order sensitivity for the natural angular frequency Ω is obtained by differentiating the above equation (29) with respect to the independent unknown component p i and modifying the t-th natural angular frequency Ω t and the natural mode vector {ψ} t. It is calculated based on the following formula (30) obtained.
Figure 2009204517

ここで、式(30)中のpiは、質量行列[M]及び剛性行列[K]中にq個ある独立未知成分のうちの一つであるとする(i=1〜q)。固有ベクトル感度は、上記式(29)と固有ベクトルの質量行列に関する正規化の方程式(下記式(31))と固有モードの直交性条件に関する式(下記式(32))を利用しながら微分操作することによって下記式(33)のように得られる。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Here, p i in formula (30) is assumed to be one of the q Separate unknown component into the mass matrix [M] and stiffness matrix [K] (i = 1~q) . The eigenvector sensitivity is obtained by performing a differentiation operation using the above equation (29), the normalization equation for the mass matrix of the eigenvector (the following equation (31)), and the equation for the orthogonality condition of the eigenmode (the following equation (32)). Is obtained by the following equation (33).
Figure 2009204517
Figure 2009204517
Figure 2009204517

このようにして得られた1次感度を用いて、q個の独立未知成分を微少量Δpi(i=1〜q)だけ増加させた場合の固有角振動数を二乗した値の増分が、現在の質量行列[M]及び剛性行列[K]に基づいて上記式(29)の一般的固有値問題を解いて算出される固有角振動数Ωtを二乗した値と加振試験に基づいてステップS15において算出された目標固有角振動数Ωttを二乗した値との差分(Ωtt 2−Ωt 2)になるように、且つq個の独立未知成分を微少量Δpiだけ増加させた場合の固有モードベクトルの増分が、現在の質量行列[M]及び剛性行列[K]に基づいて上記式(29)の一般的固有値問題を解いて算出される固有モードベクトル{ψ}tと加振試験に基づいてステップS15において算出された目標固有モードベクトル{ψ}ttとの差分({ψ}tt−{ψ}t)になるように、上記微少量の増分Δpiが算出される(下記式(34))。

Figure 2009204517
Using the first-order sensitivity obtained in this way, the increment of the square value of the natural angular frequency when q independent unknown components are increased by a small amount Δp i (i = 1 to q), Steps based on a value obtained by squaring the natural angular frequency Ω t calculated by solving the general eigenvalue problem of the above equation (29) based on the current mass matrix [M] and stiffness matrix [K] and an excitation test When q independent unknown components are increased by a small amount Δp i so as to be a difference (Ω tt 2 −Ω t 2 ) from the square value of the target natural angular frequency Ω tt calculated in S15 Eigenmode vector {ψ} t and excitation obtained by solving the general eigenvalue problem of Equation (29) based on the current mass matrix [M] and stiffness matrix [K] Based on the test, the target eigenmode vector calculated in step S15 { [psi} tt and the difference - so that ({ψ} tt {ψ} t), increment Delta] p i of the small amount is calculated (the following equation (34)).
Figure 2009204517

次いで、このようにして算出された独立未知成分の微少増分Δpiを用いて上記式(28)と同様な式により独立未知成分の更新を行う。そして、このような操作を繰り返すことで、質量行列[M]及び剛性行列[K]の最適化を行い、質量行列[M]及び剛性行列[K]の成分を同定する。 Then, to update the independent unknown component by the same formula as the formula (28) using a very small increment Delta] p i of the thus independent unknown component calculated by. By repeating such operations, the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] are optimized, and the components of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] are identified.

なお、上記式(34)の下式において、本実施形態では、左辺の列ベクトル(目標固有モードベクトル){ψtt}には、実測定点自由度に対応する固有モード成分のみが配置され、仮想測定点自由度に対応する固有モード成分は配置されない。このため、本実施形態では、実測定点自由度に対応する固有モード成分についてのみ目標値への一致化を上記式(34)によって行い、仮想測定点自由度に対応する固有モード成分については目標値への一致化を行わない。すなわち、本実施形態では、同定すべき質量行列[M]及び剛性行列[K]の固有値解析で得られる3n個の成分から成る固有モードベクトルの中から実測定点の自由度に対応する自由度の成分のみを抜き出して列ベクトル{ψt}を作成して上記式(34)の最適化を図る。 In the lower expression of the above expression (34), in the present embodiment, only the eigenmode component corresponding to the actual measurement point degree of freedom is arranged in the column vector (target eigenmode vector) {ψ tt } on the left side, and the virtual The eigenmode component corresponding to the measurement point degree of freedom is not arranged. Therefore, in the present embodiment, only the eigenmode component corresponding to the actual measurement point degree of freedom is matched with the target value by the above equation (34), and the eigenmode component corresponding to the virtual measurement point degree of freedom is set to the target value. Do not match to. That is, in this embodiment, the degree of freedom corresponding to the degree of freedom of the actual measurement point from among the eigenmode vectors composed of 3n components obtained by eigenvalue analysis of the mass matrix [M] and stiffness matrix [K] to be identified. Only the components are extracted to create a column vector {ψ t } to optimize the above equation (34).

このように、実測定点自由度に対応する固有モード成分についてのみ目標値への一致化を行っても、質量行列[M]及び剛性行列[K]を適切に最適化することができる。すなわち、本実施形態では、上記ステップS23、S24等で求められる測定点間の構造的結合状態等に基づく制約条件式が利用されている。このため、実測定点が固有モードの形状を適切に表現することができるように解析対象物1上に十分適切に配置されれば、実測定点間に配置される仮想測定点の変位や固有モード成分は実測定点の変位や固有モード成分に基づいて内挿補間的に表現できる。よって、実測定点自由度に対応する固有モード成分についてのみ目標値への一致化を行えば、実測定点間に配置される仮想測定点自由度に対応する固有モード成分は従属的に適切な値となるように調整されることになる。   As described above, the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] can be appropriately optimized even when the eigenmode components corresponding to the actual measurement point degrees of freedom are matched with the target values. That is, in the present embodiment, a constraint condition expression based on the structural coupling state between the measurement points obtained in the above steps S23, S24, etc. is used. For this reason, if the actual measurement points are sufficiently adequately arranged on the analysis object 1 so that the shape of the eigenmode can be appropriately expressed, the displacement of the virtual measurement points arranged between the actual measurement points and the eigenmode components Can be expressed by interpolation based on the displacement of the actual measurement point and the eigenmode component. Therefore, if only the eigenmode components corresponding to the actual measurement point degrees of freedom are matched to the target value, the eigenmode components corresponding to the virtual measurement point degrees of freedom arranged between the actual measurement points are subordinately appropriate values. Will be adjusted to be.

なお、このように実測定点自由度に対応する固有モード成分についてのみ一致化を行うことにより、解析対象物1上に設定された全測定点の自由度に対応する固有モード成分について一致化を行う場合に比べて、質量行列[M]及び剛性行列[K]の最適化解析の計算負荷が大幅に軽減され、よって同定解析の計算速度を向上させることができる。特に、上述したように測定点の一部を仮想測定点とすることから、加速度計23等のセッティングに必要な時間も大幅に削減できることから、本実施形態では解析時間を大幅に縮めることができる。   Note that matching is performed for eigenmode components corresponding to the degrees of freedom of all measurement points set on the analysis object 1 by performing matching for only the eigenmode components corresponding to the actual measurement point degrees of freedom. Compared to the case, the calculation load of the optimization analysis of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] is greatly reduced, and thus the calculation speed of the identification analysis can be improved. In particular, since a part of the measurement points is set as the virtual measurement point as described above, the time required for setting the accelerometer 23 and the like can be significantly reduced. Therefore, in this embodiment, the analysis time can be greatly shortened. .

また、仮想測定点を配置することにより十分な自由度の大きさを確保できることから固有モードの形状を滑らかに表現することができるため、解析対象物1上に設定された全測定点の自由度に対応する固有モード成分について一致化を行う場合に対して、質量行列[M]及び剛性行列[K]の同定精度はほとんど低下しない。したがって、本実施形態によれば、質量行列[M]及び剛性行列[K]の同定精度をほとんど低下させることなく解析時間を極めて短縮することができる。   In addition, since a sufficient degree of freedom can be ensured by arranging the virtual measurement points, the shape of the eigenmode can be expressed smoothly, so the degrees of freedom of all the measurement points set on the analysis object 1 The identification accuracy of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] hardly deteriorates when matching is performed for the eigenmode components corresponding to. Therefore, according to the present embodiment, the analysis time can be significantly reduced without substantially reducing the identification accuracy of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K].

このような最適化の概念に基づいて、ステップS36では、上記式(33)により固有各振動数Ω毎に各独立未知成分についての固有各振動数の1次感度が算出される。次いで、ステップS37では、ステップS36において算出された1次感度を用いて上記式(34)により独立未知成分の微少増分Δpiが算出され、算出された微少増分Δpiを用いて上記式(28)と同様な式により独立未知成分の更新が行われる。 Based on such an optimization concept, in step S36, the primary sensitivity of each natural frequency for each independent unknown component is calculated for each natural frequency Ω by the above equation (33). Next, in step S37, by using the first-order sensitivity calculated in step S36 is calculated minute increment Delta] p i independent unknown component by the above formula (34), said equation using the small increment Delta] p i calculated (28 The independent unknown component is updated by the same formula as ().

ステップS38では、ステップS37で更新された独立未知成分を含む質量行列[M]及び剛性行列[K]に基づいて算出された固有角振動数Ωt及び固有モードベクトル{ψ}tが目標固有角振動数Ωtt及び固有モードベクトル{ψ}ttと許容範囲内で一致しているか否かが判定される。このステップS38での判断は、実験結果から得られたモード特性と計算によって得られたモード特性との相関性を示す値を計算し、この値が許容範囲を満足するか否かで判断する。 In step S38, the natural angular frequency Ω t and the natural mode vector {ψ} t calculated based on the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] including the independent unknown component updated in step S37 are used as the target natural angle. It is determined whether the frequency Ω tt and the eigenmode vector {ψ} tt match within an allowable range. The determination in step S38 is performed by calculating a value indicating the correlation between the mode characteristic obtained from the experimental result and the mode characteristic obtained by the calculation, and determining whether or not this value satisfies the allowable range.

ステップS38において固有角振動数同士及び固有モードベクトル同士が許容範囲内で一致していないと判定された場合には、ステップS36及びS37が繰り返される。一方、固有角振動数同士及び固有モード同士が許容範囲内で一致していると判定された場合には、ステップS39へ、すなわちゲイン調整処理へと進む。ステップS36〜ステップS38までの処理が上述した最適化処理に該当する。   If it is determined in step S38 that the natural angular frequencies and the natural mode vectors do not match within the allowable range, steps S36 and S37 are repeated. On the other hand, when it is determined that the natural angular frequencies and the natural modes match within the allowable range, the process proceeds to step S39, that is, the gain adjustment process. The processing from step S36 to step S38 corresponds to the optimization processing described above.

特性行列の同定処理では、次にゲイン調整処理が行われる。上述した反復計算による質量行列[M]と剛性行列[K]の同定法では、最適化の数学処理上の都合から、質量行列[M]の成分の最大絶対値を1とする正規化条件を保持しながら最適化処理が行われている。このため、上記最適化処理で得られた特性行列を用いて計算される加振試験の測定結果に対応する周波数応答関数は、加振試験で得られている周波数応答関数と共振峰の周波数(すなわち固有角振動数)と固有モードは一致するものの、ゲイン(振動振幅レベル)は一致しない。ただし、図10に示したように、最適化処理で得られた特性行列を用いて計算された周波数応答関数(図10中の実線X)と加振試験で得られている周波数応答関数(図10中の破線Y)とは、上記最適化処理で得られた質量行列[M]を適切に定数倍すると両者が一致するようなずれの関係となっている。そこで、ゲインも最適に一致するように、最適化操作を行う。   In the characteristic matrix identification process, a gain adjustment process is performed next. In the identification method of the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] by the above-described iterative calculation, the normalization condition for setting the maximum absolute value of the components of the mass matrix [M] to 1 is set for convenience of mathematical processing of optimization. Optimization processing is performed while holding. For this reason, the frequency response function corresponding to the measurement result of the vibration test calculated using the characteristic matrix obtained in the optimization process is the frequency response function obtained by the vibration test and the frequency of the resonance peak ( That is, the natural angular frequency) and the natural mode match, but the gain (vibration amplitude level) does not match. However, as shown in FIG. 10, the frequency response function (solid line X in FIG. 10) calculated using the characteristic matrix obtained by the optimization process and the frequency response function obtained by the vibration test (FIG. 10) The broken line Y) in FIG. 10 is in such a relationship that when the mass matrix [M] obtained by the optimization process is appropriately multiplied by a constant, they coincide with each other. Therefore, an optimization operation is performed so that the gains are also optimally matched.

ここで、特性行列に基づく周波数応答関数Xを加振試験に基づく周波数応答関数Yに一致させるためには、特定の周波数における両周波数応答関数の値を算出し、算出された値の比率に基づいてゲインを算出することが考えられる。ただし、共振周波数付近(図10中のZ)の周波数帯域では周波数応答関数の値の変化が大きいため、共振周波数付近以外の周波数帯域における両周波数応答関数の値の比率に基づいてゲインを算出するのが好ましい。   Here, in order to make the frequency response function X based on the characteristic matrix coincide with the frequency response function Y based on the vibration test, the values of both frequency response functions at a specific frequency are calculated, and based on the ratio of the calculated values. It is conceivable to calculate the gain. However, since the change in the value of the frequency response function is large in the frequency band near the resonance frequency (Z in FIG. 10), the gain is calculated based on the ratio of the values of both frequency response functions in the frequency band other than the vicinity of the resonance frequency. Is preferred.

そこで、本実施形態では、共振周波数付近を除く周波数帯域における下記式(35)によって得られる周波数応答関数の値が、加振試験で実際に得られている周波数応答関数の値に最適に一致するようにゲイン調整パラメータαの値を決定する。なお、式(35)において、{f(ω)}は周波数ωにおける周波数応答関数を計算するための外力ベクトルであり、{h(ω)}は周波数ωにおける周波数応答関数を表すベクトルである。

Figure 2009204517
Therefore, in this embodiment, the value of the frequency response function obtained by the following equation (35) in the frequency band excluding the vicinity of the resonance frequency optimally matches the value of the frequency response function actually obtained in the vibration test. In this way, the value of the gain adjustment parameter α is determined. In Expression (35), {f (ω)} is an external force vector for calculating the frequency response function at the frequency ω, and {h (ω)} is a vector representing the frequency response function at the frequency ω.
Figure 2009204517

ここで、加振試験では全ての測定点について実際に測定が行われるわけではないため、特性行列に基づく周波数応答関数が全ての測定点について求められるのにたいして、加振試験に基づく周波数応答関数は実測定点についてのみしか求められない。そこで、本実施形態では、特性行列に基づく周波数応答関数のうち実測定点に対応するものについてのみ加振試験に基づく周波数応答関数と一致するようにゲイン調整パラメータαの値を決定する。   Here, since not all measurement points are actually measured in the vibration test, the frequency response function based on the vibration test is calculated while the frequency response function based on the characteristic matrix is obtained for all measurement points. It is only required for actual measurement points. Therefore, in the present embodiment, the value of the gain adjustment parameter α is determined so that only the frequency response function based on the characteristic matrix corresponding to the actual measurement point matches the frequency response function based on the vibration test.

最後に、このようにして算出されたゲイン調整パラメータαを上記最適化処理で算出された質量行列[M]及び剛性行列[K]に乗算し、これによって算出された行列(α[M]及びα[K])をそれぞれ最終同定結果としての質量行列と剛性行列とする。   Finally, the gain adjustment parameter α calculated in this way is multiplied by the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] calculated by the optimization process, and the matrix (α [M] and Let α [K]) be the mass matrix and stiffness matrix as the final identification results, respectively.

このようなゲイン調整の概念に基づいて、ステップS39では、ステップ36〜38で同定された質量行列[M]及び剛性行列[K]に基づいて式(35)を用いて周波数応答関数が算出される。次いで、ステップS40では、ステップ39で算出された周波数応答関数と、加振試験で得られている周波数応答関数とを比較して、ゲイン調整パラメータαを算出する。次いで、ステップS41では、ステップ36〜38で同定された質量行列[M]及び剛性行列[K]にαを乗算して、最終同定結果としての質量行列と剛性行列を算出している([M]=α[M]、[K]=α[K])。   Based on such a concept of gain adjustment, in step S39, a frequency response function is calculated using equation (35) based on the mass matrix [M] and stiffness matrix [K] identified in steps 36 to 38. The Next, in step S40, the gain response parameter α is calculated by comparing the frequency response function calculated in step 39 with the frequency response function obtained in the vibration test. Next, in step S41, the mass matrix [M] and the stiffness matrix [K] identified in steps 36 to 38 are multiplied by α to calculate a mass matrix and a stiffness matrix as a final identification result ([M ] = Α [M], [K] = α [K]).

なお、後述するように剛体特性の同定にあたっては質量行列[M]のみが必要であるため、上記実施形態では減衰行列[C]の同定を行っていない。しかしながら、減衰行列[C]の同定も可能であるため、以下では減衰行列[C]の同定法について簡単に説明する。   As described later, since only the mass matrix [M] is necessary for identifying the rigid body characteristics, the attenuation matrix [C] is not identified in the above embodiment. However, since the attenuation matrix [C] can be identified, the identification method of the attenuation matrix [C] will be briefly described below.

減衰行列[C]の同定にあたっては、まず、減衰行列[C]の初期値を剛性行列[K]をコピーして[C]=β[K]により作成する。そして、最適に一致化させたい第1次から所定の次数までのモード減衰比ζtについての最小二乗法によって最適なβを決定する。すなわち、下記式(36)で計算されるモード減衰比ζtが、適合させるべき全ての次数について、振動試験に基づいてステップS15で同定されたモード減衰比ζttに適合するように、補正係数βを算出する。

Figure 2009204517
In identifying the damping matrix [C], first, the initial value of the damping matrix [C] is created by copying the stiffness matrix [K] and [C] = β [K]. Then, the optimum β is determined by the least square method with respect to the mode damping ratio ζ t from the first order to the predetermined order to be optimally matched. That is, the correction coefficient is adjusted so that the mode damping ratio ζ t calculated by the following equation (36) matches the mode damping ratio ζ tt identified in step S15 based on the vibration test for all orders to be matched. β is calculated.
Figure 2009204517

このように算出された補正係数βを用いて、[C]=β[K]により暫定的な減衰行列を作成する。次に、更なる最適化を図るために、このようにして作成された減衰行列を初期値として、減衰行列に基づいて算出されるモード減衰比ζtが振動試験に基づいて同定されたモード減衰比ζttに一致するように、1次感度解析を行う。この感度解析においても、一般に知られている各種の感度解析の手法を利用することができる。 Using the correction coefficient β calculated in this way, a temporary attenuation matrix is created by [C] = β [K]. Next, for further optimization, the mode attenuation ratio ζ t calculated based on the attenuation matrix is determined based on the vibration test using the attenuation matrix thus created as an initial value. The primary sensitivity analysis is performed so as to match the ratio ζ tt . Also in this sensitivity analysis, various known sensitivity analysis methods can be used.

モード減衰比についての1次感度は、第t次のモード減衰比ζtについて、減衰行列を構成する独立未知成分pi(i=1〜q)に関して下記式(37)で算出される。このように算出された1次感度を用いて、q個の独立未知成分を微少量Δpi(i=1〜q)だけ増加させた場合のモード減衰比の増分が、現在の減衰行列[C]に基づいて算出されるモード減衰比ζtと加振試験に基づいて算出されたモード減衰比ζttとの差分(ζtt−ζt)になるように、上記微少量の増分Δpiが算出される(下記式(38))。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
The primary sensitivity for the mode damping ratio is calculated by the following equation (37) with respect to the independent unknown components p i (i = 1 to q) constituting the damping matrix for the t-th mode damping ratio ζ t . Using the first-order sensitivity calculated in this manner, the increment of the mode attenuation ratio when q independent unknown components are increased by a small amount Δp i (i = 1 to q) is the current attenuation matrix [C ] be the difference between the calculated modal damping ratio ζ tt ttt) based on the mode pressure and damping ratio zeta t vibration test is calculated based on the incremental Delta] p i of the small amount of Is calculated (the following equation (38)).
Figure 2009204517
Figure 2009204517

次いで、このようにして算出された独立未知成分の微少増分Δpiを用いて上記式(28)と同様な式により独立未知成分の更新を行う。そして、このような操作を繰り返すことで、減衰行列[C]の最適化を行い、減衰行列[C]の成分を同定する。 Then, to update the independent unknown component by the same formula as the formula (28) using a very small increment Delta] p i of the thus independent unknown component calculated by. Then, by repeating such operations, the attenuation matrix [C] is optimized, and the components of the attenuation matrix [C] are identified.

[剛体特性の同定]
次に、図3にステップ50で示したように、上記同定処理に基づいて同定された質量行列[M]に基づいて剛体特性の算出が行われる。図11は、本発明の質量行列[M]に基づく剛体特性の算出処理の処理手順を示すフローチャートである。
[Identification of rigid body properties]
Next, as shown in step 50 in FIG. 3, the rigid body characteristics are calculated based on the mass matrix [M] identified based on the identification process. FIG. 11 is a flowchart showing a processing procedure of rigid body characteristic calculation processing based on the mass matrix [M] of the present invention.

ところで、上記同定処理に基づいて同定された質量行列[M]を上記式(16)の左辺に代入して計算すると、その右辺に示される成分構成の6行6列の行列(剛体質量行列)が数値行列として得られる。この剛体質量行列の各成分は上記式(18)に示した成分構成となっている。従って、このように算出された剛体質量行列に基づいて質量mを直接的に求めることができる。また、剛体運動表現点を座標原点にして剛体変位モード行列[Φ]を作成して上記式(16)の左辺を計算すると、質量中心の座標(A/m、B/m、C/m)も直接算出される。   By the way, when the mass matrix [M] identified based on the identification process is substituted into the left side of the equation (16) and calculated, a 6 × 6 matrix (rigid mass matrix) having a component configuration shown on the right side is calculated. Is obtained as a numerical matrix. Each component of the rigid mass matrix has the component configuration shown in the above equation (18). Therefore, the mass m can be directly obtained based on the rigid mass matrix calculated in this way. Further, when the rigid body displacement mode matrix [Φ] is created using the rigid body motion expression point as the coordinate origin and the left side of the above equation (16) is calculated, the coordinates of the center of mass (A / m, B / m, C / m) Is also calculated directly.

一方、主慣性モーメントと慣性主軸の向きの算出は以下のように行われる。剛体変位モード行列[Φ]の第4〜第6列目の剛体回転運動ベクトルを、剛体運動表現点ではなく上述したように算出された質量中心の座標を座標原点として、上記式(16)の左辺の演算を改めて行う。すると、演算結果の剛体質量行列[Mrigid]は下記式(39)のようになる。

Figure 2009204517
On the other hand, the calculation of the main moment of inertia and the direction of the main spindle of inertia is performed as follows. The rigid body rotational motion vectors in the 4th to 6th columns of the rigid body displacement mode matrix [Φ] are expressed not by the rigid body motion expression point but by the coordinates of the center of mass calculated as described above, and the coordinate origin of the above equation (16). Perform the left-hand side operation again. Then, the rigid mass matrix [M rigid ] of the calculation result is as shown in the following formula (39).
Figure 2009204517

式(39)の4行4列から6行6列目までの、いわゆる慣性テンソル(3行3列)について、下記式(40)の標準的固有値問題を解く。これにより算出された三つの固有値が解析対象物1の3つの主慣性モーメントの値、それらに対応して得られる長さ1に正規化された固有ベクトルがそれぞれの主慣性モーメントに対応する慣性主軸の方向余弦ベクトル(慣性主軸の向きを表す)である。すなわち、式(40)の固有値問題の解として、下記式(41)が得られる。

Figure 2009204517
Figure 2009204517
For the so-called inertia tensor (3 rows and 3 columns) from the 4th row and the 4th column to the 6th row and the 6th column of the equation (39), the standard eigenvalue problem of the following equation (40) is solved. The three eigenvalues calculated in this way are the values of the three principal moments of inertia of the object 1 to be analyzed, and the eigenvectors normalized to the length 1 obtained corresponding to them are the inertial principal axes corresponding to the respective principal moments of inertia. It is a direction cosine vector (representing the direction of the principal axis of inertia). That is, the following equation (41) is obtained as a solution to the eigenvalue problem of equation (40).
Figure 2009204517
Figure 2009204517

このようなモード特性同定の概念に基づいて、ステップS51では、上記同定処理に基づいて同定された質量行列[M]及び剛体運動表現点を座標原点にして作成された剛体変位モード行列[Φ]に基づいて、上記式(16)を用いて質量m及び質量中心の座標(A/m、B/m、C/m)が算出される。次いで、ステップS52では、上記同定処理に基づいて同定された質量行列[M]及びステップS51で算出された質量中心の座標を原点にして作成された剛体変位モード行列[Φ]に基づいて、上記式(16)を用いて剛体質量行列[Mrigid]が算出される。ステップS53では、ステップS52で算出された剛体質量行列[Mrigid]に基づいて解析対象物1の3つの主慣性モーメントの値、及び各主慣性モーメントに対応する慣性主軸の方向余弦ベクトルが算出される。 Based on such a concept of mode characteristic identification, in step S51, a rigid body displacement mode matrix [Φ] created using the mass matrix [M] identified based on the identification process and the rigid body motion expression point as a coordinate origin. Based on the above, the mass m and the coordinates of the mass center (A / m, B / m, C / m) are calculated using the above equation (16). Next, in step S52, based on the mass matrix [M] identified based on the identification process and the rigid body displacement mode matrix [Φ] created using the coordinates of the center of mass calculated in step S51 as the origin, A rigid mass matrix [M rigid ] is calculated using Equation (16). In step S53, based on the rigid mass matrix [M rigid ] calculated in step S52, the values of the three main inertia moments of the object 1 to be analyzed, and the direction cosine vector of the inertia main axis corresponding to each main inertia moment are calculated. The

本発明の実施形態によれば、上述したように解析対象物の単点加振試験の測定データに基づいて多点の周波数応答関数から、解析対象物1の振動に関する特性行列の同定及び剛体特性の同定を行うことができる。したがって、本発明の実施形態では、実験的に特性行列の同定を行うことができるので、直接振動解析を行いたい解析対象物の物理モデルを表現することができる。したがって、部分構造合成法、最適設計、有限要素法との一体化及び各種シミュレーション等に直接的に適用することができる。   According to the embodiment of the present invention, as described above, the identification of the characteristic matrix relating to the vibration of the analysis object 1 and the rigid body characteristics from the multipoint frequency response function based on the measurement data of the single-point excitation test of the analysis object. Can be identified. Therefore, in the embodiment of the present invention, since the characteristic matrix can be identified experimentally, a physical model of an analysis object to be directly subjected to vibration analysis can be expressed. Therefore, it can be directly applied to the partial structure synthesis method, optimum design, integration with the finite element method, various simulations, and the like.

特に、本発明の実施形態では、測定点のうち一部の測定点を仮想測定点とすることにより、実際に測定を行う実測定点の測定自由度よりも大きい自由度の特性行列が同定される。これにより、上述したように特性行列や剛体特性の同定精度をほとんど低下させることなく、解析時間を極めて短縮することができる。逆に考えると、実際に測定を行う実測定点の測定自由度と同じ自由度の特性行列を同定する場合に比べて、特性行列や剛体特性の同定精度を高めることができる。   In particular, in the embodiment of the present invention, by setting some of the measurement points as virtual measurement points, a characteristic matrix having a degree of freedom larger than the measurement degree of freedom of the actual measurement points to be actually measured is identified. . As a result, as described above, the analysis time can be greatly reduced without substantially reducing the identification accuracy of the characteristic matrix and the rigid body characteristics. In other words, the identification accuracy of the characteristic matrix and the rigid body characteristic can be improved as compared with the case where the characteristic matrix having the same degree of freedom as the actual measurement point to be actually measured is identified.

なお、上記実施形態では、測定点のうち一部の測定点を仮想測定点とすることで、実際の測定自由度よりも大きい自由度の特性行列を同定している。しかしながら、加振試験で実際に測定される測定自由度よりも同定される特性行列の自由度の方が大きければ本発明を適用可能である。   In the above-described embodiment, a characteristic matrix having a degree of freedom greater than the actual degree of freedom of measurement is identified by using some of the measurement points as virtual measurement points. However, the present invention can be applied if the degree of freedom of the identified characteristic matrix is larger than the degree of freedom of measurement actually measured in the vibration test.

従って、例えば、各測定点の測定自由度が2自由度(例えばx軸方向及びy軸方向のみ)であるn個の測定点に基づいて3n行3n列の特性行列を同定したり、各測定点の測定自由度が3自由度(例えば、x軸方向、y軸方向及びz軸方向)であるn個の測定点に基づいて6n行6n列の特性行列を同定したりすることも可能である。なお、6n行6n列の特性行列は、x、y、z軸方向の並進運動に加えてx、y、z軸回りの回転運動を仮定して作成される特性行列である。   Therefore, for example, a characteristic matrix of 3n rows and 3n columns is identified based on n measurement points having two degrees of freedom (for example, only in the x-axis direction and the y-axis direction) at each measurement point, It is also possible to identify a characteristic matrix of 6n rows and 6n columns based on n measurement points whose measurement degrees of freedom of points are 3 degrees of freedom (for example, x-axis direction, y-axis direction, and z-axis direction). is there. The characteristic matrix of 6n rows and 6n columns is a characteristic matrix created on the assumption of rotational motions about the x, y, and z axes in addition to translational motions in the x, y, and z axis directions.

換言すると、本発明は、実際に測定が行われる実測定自由度と実際には測定が行われない仮想測定自由度とを合わせた自由度の特性行列を、実際に測定が行われる実測定自由度の測定データに基づいて同定する場合にも適用可能である。   In other words, according to the present invention, a characteristic matrix of degrees of freedom that combines the actual measurement degrees of freedom in which measurement is actually performed and the virtual measurement degrees of freedom in which measurement is not actually performed is used as the actual measurement freedom in which measurement is actually performed. The present invention can also be applied to the case where identification is performed based on measurement data of degrees.

本実施形態の解析装置のブロック図を示す図である。It is a figure which shows the block diagram of the analyzer of this embodiment. 解析対象物の多自由度系でのモデル化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of modeling in the multi-degree-of-freedom system of an analysis target object. 解析処理のフローチャートである。It is a flowchart of an analysis process. モード特性の同定処理のフローチャートである。It is a flowchart of the identification process of a mode characteristic. 物理的制約条件式の算出処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the calculation process of a physical constraint conditional expression. 構造的結合状態と零成分の配置との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between a structural coupling | bonding state and arrangement | positioning of a zero component. 剛体変位モード行列及び剛体質量行列を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a rigid body displacement mode matrix and a rigid body mass matrix. 特性行列の同定処理の処理手順を示すフローチャートの一部である。It is a part of flowchart which shows the process sequence of the identification process of a characteristic matrix. 特性行列の同定処理の処理手順を示すフローチャートの一部である。It is a part of flowchart which shows the process sequence of the identification process of a characteristic matrix. ゲイン調整処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a gain adjustment process. 剛体特性の算出処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the calculation process of a rigid body characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

1 解析対象物
10 解析装置
20 測定部
21 力変換器
22 打撃ハンマ
23 加速度計
24、25 増幅器
26 外部インタフェース部
30 解析部
31 リムーバブルメディア装置
33 入力装置
35 出力装置
37 中央処理装置
38 記憶装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Analysis target object 10 Analyzing device 20 Measuring part 21 Force transducer 22 Impact hammer 23 Accelerometer 24, 25 Amplifier 26 External interface part 30 Analyzing part 31 Removable media device 33 Input device 35 Output device 37 Central processing unit 38 Storage device

Claims (10)

解析対象物上に設定された複数の測定点の座標データを要求する工程と、
上記解析対象物上の少なくとも一点において加振する加振試験が行われた時に得られた各測定点における測定データに基づいてモード特性を算出する工程と、
上記座標データに基づいて、上記解析対象物の振動を表す特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出する工程と、
上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定する工程とを具備する、振動解析方法において、
上記加振試験で上記測定点において実際に測定される測定自由度よりも上記特性行列の自由度の方が大きく、よって上記測定データに基づいて算出されるモード特性の値の数の方が上記特性行列に基づいて算出されるモード特性の値の数よりも少なく、
上記特性行列を同定する工程では、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する、振動解析方法。
Requesting coordinate data of a plurality of measurement points set on the analysis object;
Calculating a mode characteristic based on measurement data at each measurement point obtained when an excitation test is performed to perform excitation at at least one point on the analysis target;
Based on the coordinate data, calculating a constraint equation between components constituting a characteristic matrix representing the vibration of the analysis object;
A step of identifying the characteristic matrix using the constraint condition expression based on the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data,
The degree of freedom of the characteristic matrix is larger than the degree of freedom of measurement actually measured at the measurement point in the vibration test, and thus the number of mode characteristic values calculated based on the measurement data is greater than the above. Less than the number of modal characteristic values calculated based on the characteristic matrix,
In the step of identifying the characteristic matrix, the mode calculated based on the characteristic matrix only for the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix A vibration analysis method for identifying the characteristic matrix by changing the value of each component of the characteristic matrix so that the value of the characteristic matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data.
解析対象物上に設定された複数の実測定点及び仮想測定点の座標データを要求する工程と、
上記解析対象物上の少なくとも一点において加振する加振試験が行われた時に実測定点においてのみ測定を行い、加振により得られた各実測定点における測定データに基づいてモード特性を算出する工程と、
上記座標データに基づいて上記解析対象物の振動を表す特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出する工程と、
上記測定データに基づいて、算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定する工程とを具備する、振動解析方法において、
上記特性行列は実測定点及び仮想測定点の両測定点における自由度に等しい自由度で作成され、
上記特性行列を同定する工程では、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する、振動解析方法。
Requesting coordinate data of a plurality of actual measurement points and virtual measurement points set on the analysis object;
A step of performing measurement only at an actual measurement point when an excitation test for exciting at least one point on the analysis object is performed, and calculating a mode characteristic based on measurement data at each actual measurement point obtained by excitation; ,
Calculating a constraint equation between components constituting a characteristic matrix representing the vibration of the analysis object based on the coordinate data;
A step of identifying the characteristic matrix using the constraint equation based on the calculated mode characteristic value based on the measurement data,
The above characteristic matrix is created with degrees of freedom equal to the degrees of freedom at both the real and virtual measurement points,
In the step of identifying the characteristic matrix, the mode calculated based on the characteristic matrix only for the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix A vibration analysis method for identifying the characteristic matrix by changing the value of each component of the characteristic matrix so that the value of the characteristic matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data.
上記仮想測定点はその仮想測定点に最も近接する測定点が実測定点となるように設けられる、請求項2に記載の振動解析方法。   The vibration analysis method according to claim 2, wherein the virtual measurement point is provided such that a measurement point closest to the virtual measurement point is an actual measurement point. 測定点間の構造的結合状態の入力を要求する工程をさらに具備し、
上記制約条件式を算出する工程では、上記座標データに加えて測定点間の構造的結合状態に基づいて制約条件式を算出する、請求項2又は3に記載の振動解析方法。
Further comprising inputting a structural coupling state between the measurement points;
The vibration analysis method according to claim 2 or 3, wherein, in the step of calculating the constraint conditional expression, the constraint conditional expression is calculated based on a structural coupling state between measurement points in addition to the coordinate data.
上記特性行列を同定する工程で同定される特性行列は質量行列であり、
上記特性行列を同定する工程において同定された質量行列に基づいて剛体特性を算出する工程をさらに具備する、請求項2〜4のいずれか1項に記載の振動解析方法。
The characteristic matrix identified in the step of identifying the characteristic matrix is a mass matrix,
The vibration analysis method according to claim 2, further comprising a step of calculating a rigid body characteristic based on the mass matrix identified in the step of identifying the characteristic matrix.
解析対象物上の測定点における位置、速度又は加速度の変位を測定する測定器と、上記解析対象物上の少なくとも一点において加振を行う加振器と、上記測定器及び加振器からそれぞれ測定データ及び加振データが入力されると共にこれらデータに基づいて演算処理を行う解析部とを具備する振動解析装置において、
上記解析部は、上記加振器での加振試験により得られた各測定点における測定データに基づいてモード特性を算出し、各測定点の座標データに基づいて上記解析対象物の振動を表す特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出し、上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定し、
上記加振試験で上記測定点において実際に測定される測定自由度よりも上記特性行列の自由度の方が大きく、よって上記測定データに基づいて算出されるモード特性の値の数の方が上記特性行列に基づいて算出されるモード特性の値の数よりも少なく、
上記特性行列を同定する際には、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する、振動解析装置。
Measured from a measuring device that measures the displacement of the position, velocity, or acceleration at a measurement point on the analysis object, an excitation device that excites at least one point on the analysis object, and the measurement device and the excitation device. In a vibration analysis apparatus comprising an analysis unit that receives data and excitation data and performs arithmetic processing based on these data,
The analysis unit calculates a mode characteristic based on the measurement data at each measurement point obtained by the vibration test with the vibrator, and represents the vibration of the analysis object based on the coordinate data of each measurement point. Calculating a constraint expression between components constituting the characteristic matrix, identifying the characteristic matrix using the constraint expression based on the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data,
The degree of freedom of the characteristic matrix is larger than the degree of freedom of measurement actually measured at the measurement point in the vibration test, and thus the number of mode characteristic values calculated based on the measurement data is greater than the above. Less than the number of modal characteristic values calculated based on the characteristic matrix,
When identifying the characteristic matrix, only the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix is calculated based on the characteristic matrix. A vibration analysis device that identifies the characteristic matrix by changing the value of each component of the characteristic matrix so that the value of the mode characteristic matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data.
解析対象物上に設定された実測定点及び仮想測定点のうち実測定点における位置、速度又は加速度の変位を測定する測定器と、上記解析対象物上の少なくとも一点において加振を行う加振器と、上記測定器及び加振器からそれぞれ測定データ及び加振データが入力されると共にこれらデータに基づいて演算処理を行う解析部とを具備する振動解析装置において、
上記解析部は、上記加振器による加振試験により得られた実測定点における測定データに基づいてモード特性を算出し、上記実測定点及び仮想測定点の座標データに基づいて特性行列を構成する成分間の制約条件式を算出し、上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に基づいて上記制約条件式を用いて上記特性行列を同定し、
上記特性行列は実測定点及び仮想測定点の両測定点における自由度に等しい自由度で作成され、
上記特性行列を同定する際には、上記特性行列に基づいて算出されるモード特性のうち上記測定データに基づいて算出されたモード特性に対応するモード特性についてのみ、特性行列に基づいて算出されるモード特性の値が上記測定データに基づいて算出されたモード特性の値に一致するように上記特性行列の各成分の値を変更していくことで、上記特性行列を同定する、振動解析装置。
A measuring instrument that measures the displacement of the position, velocity, or acceleration at the actual measurement point among the actual measurement point and the virtual measurement point set on the analysis object, and a vibration exciter that excites at least one point on the analysis object. In the vibration analysis apparatus comprising an analysis unit that inputs measurement data and excitation data from the measuring instrument and the vibrator, respectively, and performs arithmetic processing based on these data,
The analysis unit calculates a mode characteristic based on measurement data at an actual measurement point obtained by an excitation test using the vibrator, and constitutes a characteristic matrix based on the coordinate data of the actual measurement point and the virtual measurement point And calculating the constraint equation between them, identifying the characteristic matrix using the constraint equation based on the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data,
The above characteristic matrix is created with degrees of freedom equal to the degrees of freedom at both the real and virtual measurement points,
When identifying the characteristic matrix, only the mode characteristic corresponding to the mode characteristic calculated based on the measurement data among the mode characteristics calculated based on the characteristic matrix is calculated based on the characteristic matrix. A vibration analysis device that identifies the characteristic matrix by changing the value of each component of the characteristic matrix so that the value of the mode characteristic matches the value of the mode characteristic calculated based on the measurement data.
上記仮想測定点はその仮想測定点に最も近接する測定点が実測定点となるように設けられる、請求項7に記載の振動解析装置。   The vibration analysis apparatus according to claim 7, wherein the virtual measurement point is provided such that a measurement point closest to the virtual measurement point is an actual measurement point. 上記制約条件式を算出する際には、上記座標データに加えて測定点間の構造的結合状態に基づいて制約条件式が算出される、請求項7又は8に記載の振動解析装置。   The vibration analysis apparatus according to claim 7 or 8, wherein when calculating the constraint condition formula, the constraint condition formula is calculated based on a structural coupling state between measurement points in addition to the coordinate data. 上記同定される特性行列は質量行列であり、
上記解析部は、上記特性行列を同定する工程において同定された質量行列に基づいて剛体特性を算出する、請求項7〜9のいずれか1項に記載の振動解析装置。
The characteristic matrix identified above is a mass matrix,
The vibration analysis apparatus according to claim 7, wherein the analysis unit calculates a rigid body property based on the mass matrix identified in the step of identifying the property matrix.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012233750A (en) * 2011-04-28 2012-11-29 Hitachi Plant Technologies Ltd Vibration characteristic measurement device and vibration characteristic measurement method
JP2016105250A (en) * 2014-12-01 2016-06-09 トヨタ自動車株式会社 Vibration evaluation method
CN107490463A (en) * 2017-08-18 2017-12-19 北京航空航天大学 A kind of online Modal detection positioner
CN112461358A (en) * 2020-11-23 2021-03-09 合肥工业大学 Bridge modal parameter identification method based on instantaneous frequency of vehicle-bridge system
JP7482001B2 (en) 2020-11-09 2024-05-13 株式会社東芝 Plant evaluation system, method, and program

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012233750A (en) * 2011-04-28 2012-11-29 Hitachi Plant Technologies Ltd Vibration characteristic measurement device and vibration characteristic measurement method
JP2016105250A (en) * 2014-12-01 2016-06-09 トヨタ自動車株式会社 Vibration evaluation method
CN107490463A (en) * 2017-08-18 2017-12-19 北京航空航天大学 A kind of online Modal detection positioner
CN107490463B (en) * 2017-08-18 2019-11-22 北京航空航天大学 A kind of online Modal detection positioning device
JP7482001B2 (en) 2020-11-09 2024-05-13 株式会社東芝 Plant evaluation system, method, and program
CN112461358A (en) * 2020-11-23 2021-03-09 合肥工业大学 Bridge modal parameter identification method based on instantaneous frequency of vehicle-bridge system
CN112461358B (en) * 2020-11-23 2022-04-26 合肥工业大学 Bridge modal parameter identification method based on instantaneous frequency of vehicle-bridge system

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