JP2013095318A - Estimating method and calculating device of sloshing damping ratio - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、宇宙機のタンク等の低重力場に配置されるタンク内の貯蔵液体におけるスロッシング振幅の減衰を貯蔵液体のタンクに対する接触角履歴を考慮して予測するスロッシング減衰比の予測方法及び該スロッシング減衰比の計算装置に関する。 The present invention relates to a sloshing attenuation ratio prediction method for predicting attenuation of sloshing amplitude in a storage liquid in a tank arranged in a low-gravity field such as a spacecraft tank in consideration of a contact angle history of the storage liquid with respect to the tank, and The present invention relates to a sloshing attenuation ratio calculation apparatus.
一般に、液体を貯蔵するタンクについてタンク構造設計する場合は、タンク内で生じる液体(貯蔵液体)のスロッシングに伴うスロッシング動液圧による荷重の正確な予測が必要不可欠である。例えば、宇宙衛星等の宇宙機に搭載される推進薬タンクのような液体貯蔵用のタンクでは、該タンク内で液体のスロッシングが生じると、宇宙機自体の姿勢制御に影響を及ぼす虞がある。そのために、この種の宇宙機に搭載される液体貯蔵用のタンクにおいても、貯蔵された液体のスロッシングについての減衰の予測が求められる。 In general, when a tank structure is designed for a tank that stores liquid, it is indispensable to accurately predict a load due to sloshing dynamic pressure accompanying sloshing of the liquid (stored liquid) generated in the tank. For example, in a liquid storage tank such as a propellant tank mounted on a spacecraft such as a space satellite, if the sloshing of the liquid occurs in the tank, the attitude control of the spacecraft itself may be affected. Therefore, even in a liquid storage tank mounted on this type of spacecraft, prediction of attenuation regarding sloshing of the stored liquid is required.
なお、地表重力場に設けられたタンクにおいては、タンクに貯蔵された液体に働く表面張力は、該液体に作用する重力に比して大幅に小さいために、該タンク内の液体の液面はほぼフラットで、その外周縁部にわずかに表面張力の影響によるメニスカスが形成されるに過ぎない。よって、地表重力場におけるタンク内液体のスロッシングの減衰比を予測する場合は、該液体の表面張力はほぼ無視することができる。 In the tank provided in the ground gravity field, since the surface tension acting on the liquid stored in the tank is significantly smaller than the gravity acting on the liquid, the liquid level of the liquid in the tank is It is almost flat, and a meniscus is formed only slightly on the outer peripheral edge due to the influence of surface tension. Therefore, when the damping ratio of the sloshing of the liquid in the tank in the ground gravity field is predicted, the surface tension of the liquid can be almost ignored.
しかし、宇宙空間は低重力場であるため、宇宙機のタンク内に貯蔵された液体については、重力の影響が小さくなることに伴って表面張力の影響が大となり、形成されるメニスカスも大きくなる。したがって
気体と液体との界面(気液界面)
固体と液体との界面(固液界面)
固体と気体との界面(固気界面)
での界面張力によって決まる、液面とタンク壁面との接触角が重要になる。このため減衰は、粘性境界層だけでなく、接触角履歴によっても生じることになる。
However, since the outer space is a low-gravity field, the liquid stored in the spacecraft tank has a greater influence of surface tension and a larger meniscus as the influence of gravity decreases. . Therefore, the interface between gas and liquid (gas-liquid interface)
Solid-liquid interface (solid-liquid interface)
Solid-gas interface (solid-gas interface)
The contact angle between the liquid surface and the tank wall surface, which is determined by the interfacial tension at, becomes important. Therefore, the attenuation is caused not only by the viscous boundary layer but also by the contact angle history.
ここで、接触角履歴とは、液面とタンク壁面とのなす接触角が、摩擦により、液面上昇時には静的平衡時の値よりも大きく、液面下降時には小さくなる現象である。液面が同じ位置でも上昇中か下降中かによって接触角が異なり、接触角が履歴に依存するので、接触角履歴と称される。 Here, the contact angle history is a phenomenon in which the contact angle formed between the liquid surface and the tank wall surface is larger than the value at the time of static equilibrium when the liquid level rises and becomes smaller when the liquid level falls due to friction. Even if the liquid level is the same, the contact angle varies depending on whether the liquid level is rising or descending, and the contact angle depends on the history.
従来、接触角履歴のモデル化方法として、液面を張力膜と考え膜の周辺にばね支持境界条件を課す方法が慣用されている。非特許文献1では、式(16)とその下の説明のように、液面変位の半径方向勾配が変位に比例する形で接触角履歴を表し、特許文献1に挙げられた文献4,9でも同様な式で表されていることを記している。
Conventionally, as a method for modeling the contact angle history, a method of imposing a spring support boundary condition around the membrane considering the liquid surface as a tension membrane is commonly used. In
しかしながら、このようなモデル化方法では、摩擦によるエネルギ散逸を考慮できないため、接触角履歴による減衰比を予測することはできなかった。非特許文献2では、p.171,式(56a)とその下の説明のように、履歴(ヒステリシス)による減衰、エネルギ散逸が説明できないことを述べている。
However, in such a modeling method, energy dissipation due to friction cannot be taken into account, and thus the attenuation ratio based on the contact angle history cannot be predicted. In
一方、非特許文献3には、低重力における軸対称容器内で軸方向に加振される液体の基本次モードのスロッシングに関する非減衰の振動方程式が開示されている。
On the other hand, Non-Patent
従来の接触角履歴によるスロッシングのモデル化方法においては、摩擦によるエネルギ散逸を考慮できないため、接触角履歴による減衰比を予測することはできなかった。このため、エネルギ散逸も考慮した接触角履歴によるスロッシング減衰比の予測方法及び該スロッシング減衰比の計算装置が求められていた。 In conventional sloshing modeling methods based on contact angle history, energy dissipation due to friction cannot be taken into account, and thus the damping ratio based on contact angle history cannot be predicted. For this reason, there has been a demand for a method for predicting a sloshing attenuation ratio based on contact angle history in consideration of energy dissipation and a calculation apparatus for the sloshing attenuation ratio.
本願に係るスロッシング減衰比の予測方法の発明は、軸対称タンクを球座標で表し、該一般軸対称タンクの内部の液体を非粘性と仮定して非粘性流体の表面張力を含むスロッシングの基本次モードに関する振動方程式を導き、前記軸対称タンク壁面での前記液体の摩擦力と表面張力との釣り合いを履歴を考慮してモデル化し、前記摩擦力を前記液体の前記軸対称タンクに対する接触角の変化で表す関係式を導き、前記摩擦力の仮想仕事を評価し、この仮想仕事を前記振動方程式に付加した非線形減衰方程式を導き、前記非線形減衰方程式の等価線形方程式に対する減衰比の表現を導くものである。 The invention of the method of predicting the sloshing damping ratio according to the present application is based on the basics of sloshing including the surface tension of a non-viscous fluid assuming that the axisymmetric tank is expressed in spherical coordinates and the liquid inside the general axisymmetric tank is assumed to be non-viscous A vibration equation related to a mode is derived, and the balance between the friction force and surface tension of the liquid on the axisymmetric tank wall surface is modeled in consideration of the history, and the friction force is changed in contact angle with the axisymmetric tank. Is derived, a virtual work of the frictional force is evaluated, a non-linear damping equation obtained by adding this virtual work to the vibration equation is derived, and an expression of the damping ratio with respect to the equivalent linear equation of the non-linear damping equation is derived. is there.
前記軸対称タンクは球形であり、前記軸対称タンクの半径、前記液体の密度、前記接触角、前記摩擦力による前記接触角の変化、及び前記液体の前記軸対称タンクの壁面における振幅の少なくとも1つの値に基づいて前記減衰比の値を算定することが好ましい。 The axisymmetric tank is spherical, and at least one of the radius of the axisymmetric tank, the density of the liquid, the contact angle, the change in the contact angle due to the friction force, and the amplitude of the liquid on the wall of the axisymmetric tank. It is preferable to calculate the value of the attenuation ratio based on two values.
本願に係る計算装置の発明は、軸対称タンクを球座標で表し、該一般軸対称タンクの内部の液体を非粘性と仮定して非粘性流体の表面張力を含むスロッシングの基本次モードに関する振動方程式を導き、前記軸対称タンク壁面での前記液体の摩擦力と表面張力との釣り合いを履歴を考慮してモデル化し、前記摩擦力を前記液体の前記軸対称タンクに対する接触角の変化で表す関係式を導き、前記摩擦力の仮想仕事を評価し、この仮想仕事を前記振動方程式に付加した非線形減衰方程式を導き、前記非線形減衰方程式の等価線形方程式に対する減衰比の表現を導くことにより得られた前記減衰比の表現を含む所定のプログラムを格納した記憶手段と、前記軸対称タンクの寸法、前記液体の密度、前記接触角、前記摩擦力による前記接触角の変化、及び前記液体の前記軸対称タンクの壁面における振幅の少なくとも1つの値を入力する入力手段と、前記記憶手段に格納された前記プログラムを読み込んで実行し、前記入力手段に入力された前記少なくとも1つの値に基づいて前記減衰比の表現の値を計算し、この値が前記閾値を超えたかどうかを判定する演算手段と、前記演算手段で計算した前記減衰比の値と前記判定の結果を出力する出力手段とを含むものである。 The invention of the computing device according to the present application is to express an axisymmetric tank in spherical coordinates, and assume a liquid inside the general axisymmetric tank as non-viscous, and an oscillation equation relating to a fundamental mode of sloshing including surface tension of a non-viscous fluid The relational expression between the frictional force and surface tension of the liquid on the axisymmetric tank wall surface is modeled in consideration of history, and the frictional force is expressed by a change in the contact angle of the liquid with respect to the axisymmetric tank. The virtual work of the frictional force is evaluated, a nonlinear damping equation obtained by adding this virtual work to the vibration equation is derived, and the expression of the damping ratio with respect to the equivalent linear equation of the nonlinear damping equation is derived. Storage means storing a predetermined program including a representation of a damping ratio, the size of the axisymmetric tank, the density of the liquid, the contact angle, and the change in the contact angle due to the friction force And input means for inputting at least one value of the amplitude of the liquid on the wall surface of the axisymmetric tank, and the program stored in the storage means is read and executed, and the at least one input to the input means The value of the expression of the attenuation ratio is calculated based on the value, the calculating means for determining whether or not this value exceeds the threshold value, the value of the attenuation ratio calculated by the calculating means and the result of the determination are output. Output means.
前記軸対称タンクは球形であり、前記軸対称タンクの寸法は、該軸対称タンクの半径であることが好ましい。 Preferably, the axisymmetric tank has a spherical shape, and the dimension of the axisymmetric tank is a radius of the axisymmetric tank.
本発明によると、エネルギ散逸も考慮した接触角履歴によるスロッシング減衰比を予測することができる。 According to the present invention, it is possible to predict the sloshing attenuation ratio based on the contact angle history in consideration of energy dissipation.
以下、本発明に係る接触角履歴によるスロッシング減衰の予測方法及び該スロッシング減衰比の計算装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Embodiments of a sloshing attenuation prediction method using a contact angle history and a sloshing attenuation ratio calculation apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
〔1.実施の形態の構成〕
本実施の形態は、以下のような順序で構成されている。最初に、非特許文献3の方法で、基本次モードに関する非減衰の振動方程式を導き(2.2節)、この方程式に接触角履歴による減衰項を次の手順で導入する。
(1)摩擦力と界面張力のつりあいを、履歴を考慮して記述する正確なモデル化を行い、摩擦力を接触角変化で表す関係式を導く(2.3節)。
(2)摩擦力(非保存力)の仮想仕事を評価し、この仮想仕事を非減衰方程式に付加する(2.4節)。
(3)履歴非線形により非線形減衰となるので、等価線形系の減衰比(等価減衰比)を算定する(2.5節)。
[1. Configuration of Embodiment]
The present embodiment is configured in the following order. First, the non-damping vibration equation related to the fundamental mode is derived by the method of Non-Patent Document 3 (Section 2.2), and the damping term due to the contact angle history is introduced into this equation by the following procedure.
(1) Accurate modeling that describes the balance between friction force and interfacial tension in consideration of the history, and derives a relational expression that expresses friction force as a change in contact angle (Section 2.3).
(2) Evaluate the virtual work of frictional force (non-conservative force) and add this virtual work to the non-damping equation (Section 2.4).
(3) Since nonlinear attenuation is caused by hysteresis nonlinearity, the attenuation ratio (equivalent attenuation ratio) of the equivalent linear system is calculated (Section 2.5).
実施例(3節)の結果、重力が低下すると等価減衰比は、履歴による非線形によって、粘性減衰比よりも顕著に増大すること、このために、本明細書で求めた接触角履歴による減衰比を省略すると実際の減衰比(粘性と接触角履歴による減衰の和)を1/3以下にまで過小評価し得ることが分った。 As a result of the example (section 3), when the gravity is reduced, the equivalent damping ratio is significantly higher than the viscous damping ratio due to the nonlinearity due to the hysteresis. For this reason, the damping ratio due to the contact angle history obtained in this specification It was found that the actual damping ratio (sum of damping due to viscosity and contact angle history) could be underestimated to 1/3 or less if is omitted.
さらに、上述のような非線形減衰を考慮したスロッシング減衰比について、計算を実行して予測を可能にする計算装置を具体例として示す(4節)。また、付録Aとして式(32)の導出を示す。 Furthermore, a calculation device that enables prediction by executing calculation for the sloshing attenuation ratio in consideration of the nonlinear attenuation as described above is shown as a specific example (section 4). Appendix A shows the derivation of equation (32).
〔2.計算方法〕
〔2.1 計算モデル〕
人工衛星、宇宙航行機に多用される任意軸対称タンク(円筒タンク以外を称し、球形タンクが例として頻用される)を対象とし、図1のような軸対称タンク1内スロッシングの計算モデルを考える。
V:液体領域
W:タンク壁面
M:静的平衡時の液面(メニスカス)
F:振動している液面
ζ:液面の振動変位
[2. Method of calculation〕
[2.1 Calculation model]
Considering the calculation model of sloshing in the axially
V: Liquid region W: Tank wall M: Liquid level during static equilibrium (meniscus)
F: Vibrating liquid level ζ: Vibration displacement of liquid level
メニスカスは、低重力場では表面張力により強く湾曲した軸対称面となり、表面張力の無視できる地表重力場ではタンク対称軸(z軸)に垂直な平面となる。液体2の運動は非圧縮完全流体の渦なし流れ、タンク1は剛体と仮定する。液面の振動振幅は小さいとして液面境界条件に線形理論を用いる。すなわち、接触角履歴による非線形減衰以外には、線形理論を用いる。
The meniscus is an axisymmetric surface that is strongly curved due to surface tension in a low gravity field, and a plane perpendicular to the tank symmetry axis (z axis) in a ground gravity field where the surface tension can be ignored. The motion of
〔2.2 非減衰のモード方程式〕
本明細書では、接触角履歴を引き起こす摩擦力による減衰項を、摩擦力のなす仮想仕事から導く。このため、まず、減衰を導入する前の非減衰モード方程式を、エネルギ原理に基づく変分形で導いておく必要がある。接触角条件を決める界面エネルギを考慮したハミルトンの原理は、次式によって与えられる。
In the present specification, the damping term due to the frictional force causing the contact angle history is derived from the virtual work made by the frictional force. For this reason, first, it is necessary to derive the non-damped mode equation before introducing attenuation in a variational form based on the energy principle. Hamilton's principle considering the interface energy that determines the contact angle condition is given by:
[ ]の中がラグランジュアンを表す。液圧の項以外、すなわち、気圧と界面エネルギによるポテンシャルエネルギの項を省略すると、液圧がラグランジュアン密度に等しいことに基づく通常の(低重力でない)スロッシング問題のハミルトン原理に帰着する。 [] Represents Lagrangian. Omitting the term of potential energy due to atmospheric pressure and interfacial energy other than the term of hydraulic pressure results in the Hamiltonian principle of the usual (not low gravity) sloshing problem based on the fact that the hydraulic pressure is equal to the Lagrangian density.
ハミルトンの原理[式(1)]を、解析的方法によりモード離散化するため、図1のような球座標系
球座標の原点Oはメニスカスとタンク壁面との接触交線でタンク壁面に接する円錐の頂点である。このため、
ζ:R方向に設定した液面変位
は適合条件(タンク壁面で液面変位が壁面を貫いたり壁面から離れたりせず、壁面に接する条件)を満たす。これは、本解析法独自の工夫で、本発明の、接触角履歴のモデル化にも便利である。
The origin O of the spherical coordinates is the apex of a cone that is in contact with the tank wall surface at the line of contact between the meniscus and the tank wall surface. For this reason,
ζ: The liquid level displacement set in the R direction satisfies a conforming condition (a condition in which the liquid level displacement does not penetrate or leave the wall surface on the tank wall surface). This is a device unique to this analysis method and is convenient for modeling the contact angle history of the present invention.
タンク壁面のr座標のz微分がメニスカスの接触交線で正の場合には、球座標の原点は、図1と対照的にタンクの下側になる。従って、球座標と円筒座標の関係は
減衰比の予測には、タンクの加振加速度のない自由振動を考えれば十分であり、加振加速度項を省略して、液圧plを圧力方程式から次のように表す。
式(6)を式(1)に代入し、液体領域Vが液面変位を介して変動することに注意して変分計算を実行すると、次式が導かれる。
式(7)より、変分
変分原理(7)を球座標で表し、モード離散化して、変分形モード方程式を次の形に得る。
Ms、Ksはスロッシングの質量、剛性パラメータで、固有振動数は次式によって定まる。
モード方程式の解であるモード座標qを用いて、速度ポテンシャル、液面変位は次式によって表される。
任意軸対称タンクについて特性関数を解析的に導出可能とし、計算を大幅に効率化したことが非特許文献3の特長である。
The feature of
〔2.3 摩擦力を接触角の静的接触角からの変化で表す関係〕
界面張力の静的つりあい式は、図2(a)より、次式によって与えられる。
The static balance equation for the interfacial tension is given by the following equation from FIG.
式(17)は下記を意味するため、静的な接触角条件と呼ばれる。
スロッシング時の動的な接触角条件は、摩擦による接触角履歴がないとき、上で導入した変分原理(1)の停留条件E5=0[式(12)参照]である。これらの静的および動的な接触角条件の比較によって、摩擦による接触角履歴がないとき、次の関係が成立することが分かる。
スロッシング時の界面張力と摩擦力の釣り合い式は、図2(b),(c)双方の場合をまとめて次のように表される。
宇宙機の液体推進薬スロッシングでは、静的接触角は小さく(5度前後)、その変化も小さいので、式(18)は次のように近似できる。
式(19)においてsgnを含まない項は、静止時の釣り合い式(17)より消える。従って、摩擦力を接触角変化で表す次の関係式が導かれる。
〔2.4 接触角履歴による減衰項の導出〕
摩擦力による仮想仕事δWfは、
The virtual work δW f by the frictional force is
式(20)を代入して
式(22)のsgn関数の部分は、液面変位のモード展開式(16)を代入すると
式(23)の下線部は、上向き液面変位のモード関数の、タンク壁面上の位置
式(24)を式(22)に代入すると下記のようになる。
式(16)を代入して
積分は、
式(26)を式(14)の左辺に加算することによって、接触角履歴による非線形減衰挙動を支配する振動方程式が次のように導かれる。
式(28)は次のように書ける。
〔2.5 等価線形減衰比〕
式(29)に関して、次のような等価線形化方程式
For equation (29), the following equivalent linearization equation
式(27),(32)より、等価線形減衰比は、下記に比例する:
〔3.実施例〕
〔3.1 減衰比の評価結果〕
下記のパラメータに関して数値計算に用いた。
[3.1 Evaluation result of damping ratio]
The following parameters were used for numerical calculations.
重力加速度は、ボンド数
図3に、等価線形減衰比を示す。横軸は充填率(液体の体積のタンクの体積に対する比)である。図3より、下記の2点が分る:
(1) 等価線形減衰比は、ボンド数が低下すると増加する。
(2) 等価線形減衰比は、特に小さいボンド数1,0.1に関し、充填率の増加と共に単調増加するようになる。
FIG. 3 shows an equivalent linear damping ratio. The horizontal axis represents the filling rate (ratio of liquid volume to tank volume). From Figure 3, you can see the following two points:
(1) The equivalent linear damping ratio increases as the number of bonds decreases.
(2) The equivalent linear damping ratio increases monotonically with increasing filling factor, especially for small bond numbers of 1,0.1.
これらの結果(1),(2)の理由を調べるため、式(32)右辺に現れる諸パラメータの変化を次のように図4,5,6,7に示す。
図4:非線形摩擦減衰項の係数Cf
図5:質量パラメータMs
図6:Cf/Ms
図7:固有振動数ω/2π
In order to investigate the reasons for these results (1) and (2), changes in various parameters appearing on the right side of the equation (32) are shown in FIGS.
Fig. 4: Coefficient of nonlinear friction damping term C f
Figure 5: Mass parameter M s
Figure 6: C f / M s
Figure 7: Natural frequency ω / 2π
〔3.2 結果(1)に関する考察〕
まず、結果(1)の理由について考察する。図4,5より、ボンド数Boの低下に伴う下記の傾向が観察される。
(a)概ね0.5より高い充填率では、CfはMsと異なり単調に減少する。
(b)概ね0.5より低い充填率では、MsはCfと異なり単調に増加する。
[Consideration on 3.2 Results (1)]
First, the reason for the result (1) will be considered. 4 and 5, the following tendency is observed as the number of bonds Bo decreases.
(A) At a filling rate higher than about 0.5, C f decreases monotonously unlike M s .
(B) At a filling rate lower than approximately 0.5, M s increases monotonously unlike C f .
その結果、図6のように、Cf/Msはボンド数の低下に伴い減少する(ボンド数100以上の高い充填率でのみ例外的傾向が見られる)。しかし、式(32)分母に表れる固有振動数ωは、図7のように、ボンド数の減少に伴いCf/Msよりもさらに著しく低下する。その結果、等価線形減衰比は、図3のように、ボンド数が減少すると増加する。このように、3.1節の結果(1)がボンド数の減少による固有振動数の低下に起因することが分った。 As a result, as shown in FIG. 6, C f / M s decreases with a decrease in the number of bonds (an exceptional tendency is observed only at a high filling rate of 100 or more bonds). However, as shown in FIG. 7, the natural frequency ω appearing in the denominator of the equation (32) is significantly lower than C f / M s as the number of bonds decreases. As a result, the equivalent linear damping ratio increases as the number of bonds decreases, as shown in FIG. As described above, it has been found that the result (1) in Section 3.1 is caused by a decrease in the natural frequency due to a decrease in the number of bonds.
次の2つの節では、図4,5に示されたCf、Msの変化について議論しておく。 In the next two sections, the changes in C f and M s shown in FIGS. 4 and 5 will be discussed.
〔3.3 Cfの変化について議論〕
図4に示されたCfの変化は、式(27)より
The change in C f shown in FIG.
〔3.4 Msの変化について議論〕
図5に示された質量パラメータMsの変化は、図8に示されたメニスカスの面積に似た変化を呈する。この理由は次のように説明される。質量パラメータMsは運動エネルギを表し、運動エネルギはグリーンの定理とタンク壁面上の境界条件
The change of the mass parameter M s shown in FIG. 5 exhibits a change similar to the area of the meniscus shown in FIG. The reason for this is explained as follows. The mass parameter M s represents the kinetic energy, which is the boundary condition on the tank wall
〔3.5 結果(2)に関する考察〕
3.1節の結果(2)の理由について考察する。図7より、ボンド数が小さい1.0,0.1のとき、固有振動数ωの充填率依存性は弱い。従って、式(32)によって与えられる等価線形減衰比は、Cf/Msと同様な充填率依存性を有する(図3,6参照)。従って、結果(2)の理由は、Cf/Msの変動の原因を考察することによって調べられる。
[3.5 Consideration of result (2)]
Consider the reason for the result (2) in Section 3.1. From FIG. 7, when the number of bonds is small, 1.0 and 0.1, the dependence of the natural frequency ω on the filling rate is weak. Therefore, the equivalent linear damping ratio given by the equation (32) has the same filling factor dependency as C f / M s (see FIGS. 3 and 6). Therefore, the reason for the result (2) can be investigated by considering the cause of the variation of C f / M s .
図6より、Cf/Msは低い充填率よりも高い充填率で大きく、図4より、ボンド数が小さい1.0,0.1のとき、Cfは高い充填率よりも低い充填率で大きい。従って、3.1節の結果(2)は、ボンド数が小さい1.0,0.1のときMsが高い充填率より低い充填率で大きくなることに基づく(図5参照)。3.4節で記したように、質量パラメータMsはメニスカスの面積と強い相関をもつ。従って、3.1節の結果(2)の理由は、メニスカスの面積が高い充填率より低い充填率で大きくなることに基づく(図8参照)。 From FIG. 6, C f / M s is larger at a higher filling factor than a low filling factor, and from FIG. 4, when the number of bonds is 1.0 and 0.1, the C f is a lower filling factor than a high filling factor. It ’s big. Thus, section 3.1 of the results (2) is based on increased at a lower filling rate than M s higher filling factor when the number of bonds is less 1.0, 0.1 (see Figure 5). As described in Section 3.4, the mass parameter M s has a strong correlation with the meniscus area. Therefore, the reason for the result (2) in Section 3.1 is based on the fact that the meniscus area becomes larger at a lower filling rate than at a higher filling rate (see FIG. 8).
メニスカスの面積の指標は、メニスカスの接触線と中心のz座標の差である。図9に、これらのz座標をボンド数1,0.1の場合について示した。ボンド数が1から0.1まで低下する際の低い充填率でのメニスカスの面積の増加は、主として、メニスカス中心の下降ではなく、接触線の上昇に起因することが分かる。 The meniscus area index is the difference between the meniscus contact line and the center z-coordinate. FIG. 9 shows these z coordinates for a bond number of 1,0.1. It can be seen that the increase in meniscus area at a low filling rate when the number of bonds decreases from 1 to 0.1 is mainly due to an increase in the contact line, not a decrease in the meniscus center.
〔3.6 粘性減衰比との比較〕
図10に、粘性減衰比ζvisを示す。粘性係数はμ=0.0011Ns/m2である。図3と図10を比較することによって、ボンド数の低下と共に増加する傾向が、接触角履歴による等価減衰比の方が粘性減衰比よりも強いことが確認できる。この理由は次のように考察できる。粘性による減衰比は、固有振動数の逆数に比例する。接触角履歴による等価線形減衰比は、固有振動数の逆数ではなく、その2乗に比例する。固有振動数は、図7のように、ボンド数が低下すると減少する。このため、接触角履歴による減衰比は、粘性減衰比に比べて、ボンド数の低下と共に増加する傾向が強くなる。
[Comparison with 3.6 viscous damping ratio]
FIG. 10 shows the viscous damping ratio ζ vis . The viscosity coefficient is μ = 0.0011 Ns / m 2 . By comparing FIG. 3 and FIG. 10, it can be confirmed that the tendency to increase with a decrease in the number of bonds is stronger in the equivalent damping ratio based on the contact angle history than in the viscous damping ratio. The reason for this can be considered as follows. The damping ratio due to viscosity is proportional to the reciprocal of the natural frequency. The equivalent linear damping ratio based on the contact angle history is not the reciprocal of the natural frequency but is proportional to the square thereof. As shown in FIG. 7, the natural frequency decreases as the number of bonds decreases. For this reason, the damping ratio due to the contact angle history is more likely to increase as the number of bonds decreases than the viscous damping ratio.
接触角履歴による減衰比と粘性減衰比の固有振動数に対する依存性の違いは、履歴非線形に基づく(付録の最後の段落参照)。 The difference in the dependence of the damping ratio and the viscous damping ratio on the natural frequency due to the contact angle history is based on the hysteresis nonlinearity (see the last paragraph of the appendix).
ボンド数の低下に伴い接触角履歴による減衰比の方が粘性減衰比よりも顕著に増加することは、ボンド数低下と共に、接触角履歴による減衰比の
実減衰比=接触角履歴による減衰比ζeq+粘性減衰比ζvis
に対する寄与が増大することを意味する。例えば、ボンド数1のとき、
This means that the contribution to increases. For example, when the number of bonds is 1,
〔4.計算装置〕
上述した接触角履歴を考慮したスロッシング減衰比の予測は、図11に示すような計算装置10によって実現することができる。この計算装置10は、CPU、DSPの如き演算部11、RAM、ROM、ハードディスクの如き記憶部12、LCD、プリンタの如き出力部13、キーボード、マウスの如き入力部14を含み、例えばパーソナルコンピュータを利用することができる。
[4. (Calculator)
Prediction of the sloshing attenuation ratio in consideration of the contact angle history described above can be realized by a
図12に示す計算装置11の一連の動作は、記憶部12に格納されたスロッシング減衰比算定プログラム12aを演算部11が読み出して実行することにより実現される。このスロッシング減衰比算定プログラム12aは、前述のような手順によって得られたスロッシング減衰比の表現を含んでいる。
A series of operations of the
最初のステップS1においては、モデルを設定する。ここでは、球形の軸対称タンクを想定し、前記軸対称タンクの半径、前記液体の密度、前記接触角、前記摩擦力による前記接触角の変化、及び前記液体の前記軸対称タンクの壁面における振幅の少なくとも1つの値によりモデルを設定するものとする。入力部14は、これらの少なくとも1つの値を入力値として受け取る。演算部11は、入力部14が受け取った入力値を記憶部12に格納する。
In the first step S1, a model is set. Here, assuming a spherical axisymmetric tank, the radius of the axisymmetric tank, the density of the liquid, the contact angle, the change in the contact angle due to the friction force, and the amplitude of the liquid on the wall of the axisymmetric tank It is assumed that the model is set with at least one value. The
ステップS2においては、演算部11は、記憶部12に格納された入力値を読み出し、その数値計算部11aにおいて、この入力値に基づいてスロッシング減衰比の表現を用いてこのスロッシング減衰比の値を数値計算する。演算部11は、得られたスロッシング減衰比の値を記憶部12に格納する。
In step S2, the
ステップS3においては、演算部11は、記憶部12に格納されたスロッシング減衰比の値と、同じく記憶部12に格納された所定の閾値12bとを読み出す。演算部11は、その判定部11bにおいて、スロッシング減衰比の値が閾値12bを超えない場合にはOKと判定して一連のステップを終了する。一方、スロッシング減衰比の値が閾値を越えた場合にはNGとして判定して前のステップS1のモデル設定に手順を戻す。なお、閾値12bは、入力部14を介して設定することができる。
In step S <b> 3, the
このような一連の工程において、スロッシング減衰比が所定の閾値内に収まるまでモデル設定、数値計算、判定のループを繰り返すことにより、閾値内に収まるモデル設定を可能としている。また、前述のスロッシング減衰比の表現を利用することにより、エネルギ散逸を考慮した精度の高いモデル設定を可能としている。 In such a series of steps, the model setting, numerical calculation, and determination loop are repeated until the sloshing attenuation ratio falls within the predetermined threshold, thereby enabling model setting that falls within the threshold. In addition, by using the expression of the sloshing attenuation ratio described above, it is possible to set a model with high accuracy in consideration of energy dissipation.
なお、このようなスロッシング減衰比の算定は、記憶部12に格納したスロッシング減衰比算定プログラム12aのような、前述のスロッシング減衰比の表現を含み、モデル設定、数値計算、判定のステップを有するプログラムによっても提供することができる。
Such calculation of the sloshing attenuation ratio includes a representation of the aforementioned sloshing attenuation ratio, such as the sloshing attenuation
〔付録A 式(32)の導出〕
非線形方程式(29)の解を次のようにおく。
The solution of the nonlinear equation (29) is set as follows.
式(A2)を時間で微分すると、次のようになる。
式(A1), (A2), (A4) を式(29)に代入すると次式が得られる。
式(A3), (A5)をまとめて記すと
式(A6)を
A、Φは徐々に変動する時間関数であるため、式(A7)の右辺は1周期の時間平均として近似できる:
式(A8)の第2式の被積分関数はΨについて奇関数であることに留意して積分を実行すると
式(31)の特性方程式
式(A9),(A12)から
減衰比の固有振動数ωへの依存性を、線形減衰の場合と比較する。線形の場合の依存性を調べるため、次の変更:
式(A13)を
接触角履歴を有する非線形系の等価線形減衰比は、式(32)のように、固有振動数ではなく、その2乗の逆数に比例し、線形減衰比よりも固有振動数依存性は強まることが分かる。 The equivalent linear damping ratio of a nonlinear system having a contact angle history is not proportional to the natural frequency but proportional to the reciprocal of its square, as shown in equation (32), and the natural frequency dependence is stronger than the linear damping ratio. I understand.
なお、上述の実施の形態は、本発明の一具体例を示すものであり、本発明を限定するものではない。 In addition, the above-mentioned embodiment shows a specific example of the present invention and does not limit the present invention.
10 計算装置
11 演算部
12 記憶部
13 出力部
14 入力部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記軸対称タンク壁面での前記液体の摩擦力と表面張力との釣り合いを履歴を考慮してモデル化し、前記摩擦力を前記液体の前記軸対称タンクに対する接触角の変化で表す関係式を導き、
前記摩擦力の仮想仕事を評価し、この仮想仕事を前記振動方程式に付加した非線形減衰方程式を導き、
前記非線形減衰方程式の等価線形方程式に対する減衰比の表現を導く
ことを特徴とするスロッシング減衰比の予測方法。 Representing the axisymmetric tank in spherical coordinates, assuming the liquid inside the axisymmetric tank as non-viscous, deriving an oscillation equation for the fundamental mode of sloshing including the surface tension of the non-viscous fluid,
The balance between the frictional force and surface tension of the liquid on the axisymmetric tank wall surface is modeled in consideration of history, and a relational expression representing the frictional force as a change in the contact angle of the liquid with respect to the axisymmetric tank is derived,
Evaluate the virtual work of the frictional force, and derive a nonlinear damping equation that adds this virtual work to the vibration equation,
A method for predicting a sloshing attenuation ratio, comprising deriving an expression of an attenuation ratio of the nonlinear attenuation equation with respect to an equivalent linear equation.
前記軸対称タンクの寸法、前記液体の密度、前記接触角、前記摩擦力による前記接触角の変化、及び前記液体の前記軸対称タンクの壁面における振幅の少なくとも1つの値を入力する入力手段と、
前記記憶手段に格納された前記プログラムを読み込んで実行し、前記入力手段に入力された前記少なくとも1つの値に基づいて前記減衰比の表現の値を計算し、この値が前記閾値を超えたかどうかを判定する演算手段と、
前記演算手段で計算した前記減衰比の値と前記判定の結果を出力する出力手段と
を含むことを特徴とするスロッシング減衰比の計算装置。 The axisymmetric tank is expressed in spherical coordinates, and the vibration equation for the fundamental mode of sloshing including the surface tension of the non-viscous fluid is derived assuming that the liquid inside the axisymmetric tank is non-viscous. The balance between the frictional force and the surface tension of the liquid is modeled in consideration of the history, and a relational expression representing the frictional force by a change in the contact angle of the liquid with respect to the axisymmetric tank is derived, and the virtual work of the frictional force is calculated. A predetermined program including a representation of the damping ratio obtained by evaluating and deriving a nonlinear damping equation obtained by adding this virtual work to the vibration equation and deriving a representation of the damping ratio for the equivalent linear equation of the nonlinear damping equation. Stored storage means;
Input means for inputting at least one value of the dimension of the axisymmetric tank, the density of the liquid, the contact angle, the change in the contact angle due to the frictional force, and the amplitude of the liquid on the wall of the axisymmetric tank;
The program stored in the storage means is read and executed, the value of the expression of the attenuation ratio is calculated based on the at least one value input to the input means, and whether or not this value exceeds the threshold Computing means for determining
An apparatus for calculating a sloshing attenuation ratio, comprising: an output means for outputting the value of the attenuation ratio calculated by the arithmetic means and the result of the determination.
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JPN7015001536; 今井良二,外4名: '"ベーン型推薬タンク内における微小重力下流体挙動の数値解析および微小重力実験"' 日本マイクログラビティ応用学会誌 第23巻,第2号, 2006, p.106-113, 日本マイクログラビティ応用学会 * |
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