JP2014048928A - 結合面動特性計測装置及び結合面動特性計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を高精度に同定することができる結合面動特性計測装置及び結合面動特性計測方法を提供する。
【解決手段】第１の試験片１１で第２の試験片１２を挟み込むと共に第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面に予め設定した面圧を付与する面圧付与手段１３と、結合面に面圧が付与された状態で第２の試験片１２に予め設定した加振力を付与する加振力付与手段１４と、加振力が付与されたときの第１の試験片１１と第２の試験片１２との相対変位を計測する相対変位計測手段１５と、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、付与された面圧毎にばね要素５１と減衰要素５２とに与える変数を同定する処理手段と、を備える結合面動特性計測装置１０である。
【選択図】図１
【解決手段】第１の試験片１１で第２の試験片１２を挟み込むと共に第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面に予め設定した面圧を付与する面圧付与手段１３と、結合面に面圧が付与された状態で第２の試験片１２に予め設定した加振力を付与する加振力付与手段１４と、加振力が付与されたときの第１の試験片１１と第２の試験片１２との相対変位を計測する相対変位計測手段１５と、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、付与された面圧毎にばね要素５１と減衰要素５２とに与える変数を同定する処理手段と、を備える結合面動特性計測装置１０である。
【選択図】図１
Description
本発明は、結合面動特性計測装置及び結合面動特性計測方法に関するものである。
従来から、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化して、有限要素法（Finite Element Method；ＦＥＭ）によって解析を行う際に、解析精度の向上を図ることを目的として、部品間の結合部にばね要素と減衰要素とを配置する手法が知られているが、現在の技術では、ばね要素と減衰要素とに与える変数を計算によって求めることは困難であるため、一般的には、部品間の結合部を節点の共有による結合とした有限要素モデルを用いて解析を行っている。
しかしながら、このような有限要素モデルは、結合による剛性と減衰とが存在する実機の構造とはかけ離れた剛結構造として振る舞うため、有限要素法による解析値が実測値から大きく乖離することになり、解析精度が悪化する要因となっていた。
そのため、ばね要素と減衰要素とに与える変数の高精度な同定を可能とし、部品間の結合部にばね要素と減衰要素とを配置する手法の実用化が強く求められている。
そこで、本発明の目的は、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を高精度に同定することができる結合面動特性計測装置及び結合面動特性計測方法を提供することにある。
この目的を達成するために創案された本発明は、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、前記複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を同定するための結合面動特性計測装置であって、第１の部品を模した第１の試験片で第２の部品を模した第２の試験片を挟み込むと共に、前記第１の試験片と前記第２の試験片との結合面に予め設定した面圧を付与する面圧付与手段と、前記面圧付与手段により結合面に面圧が付与された状態で前記第２の試験片に予め設定した加振力を付与する加振力付与手段と、前記加振力付与手段により加振力が付与されたときの前記第１の試験片と前記第２の試験片との相対変位を計測する相対変位計測手段と、前記加振力付与手段により付与された加振力と前記相対変位計測手段により計測された相対変位とに基づいて、前記面圧付与手段により付与された面圧毎に前記ばね要素と前記減衰要素とに与える変数を同定する処理手段と、を備える結合面動特性計測装置である。
前記第１の試験片の表面状態は、前記第１の部品の表面状態と同一であり、前記第２の試験片の表面状態は、前記第２の部品の表面状態と同一であると良い。
前記処理手段は、前記加振力付与手段により付与された加振力と前記相対変位計測手段により計測された相対変位とに基づいて、前記ばね要素に与えるばね定数を同定すると共に、同定されたばね定数と前記加振力付与手段により付与された加振力に対する前記相対変位計測手段により計測された相対変位の遅れ角度と前記加振力付与手段により付与された加振力の加振角振動数とに基づいて、前記減衰要素に与える減衰係数を同定すると良い。
また、本発明は、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、前記複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を同定するための結合面動特性計測方法であって、第１の部品を模した第１の試験片で第２の部品を模した第２の試験片を挟み込むと共に、前記第１の試験片と前記第２の試験片との結合面に予め設定した面圧を付与する工程と、結合面に面圧が付与された状態で前記第２の試験片に予め設定した加振力を付与する工程と、加振力が付与されたときの前記第１の試験片と前記第２の試験片との相対変位を計測する工程と、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、付与された面圧毎に前記ばね要素と前記減衰要素とに与える変数を同定する工程と、を備える結合面動特性計測方法である。
前記第１の試験片の表面状態を前記第１の部品の表面状態と同一とし、前記第２の試験片の表面状態を前記第２の部品の表面状態と同一とすると良い。
前記ばね要素と前記減衰要素とに与える変数を同定する工程では、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、前記ばね要素に与えるばね定数を同定すると共に、同定されたばね定数と付与された加振力に対する計測された相対変位の遅れ角度と付与された加振力の加振角振動数とに基づいて、前記減衰要素に与える減衰係数を同定すると良い。
本発明によれば、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を高精度に同定することができる結合面動特性計測装置及び結合面動特性計測方法を提供することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図１〜３に示すように、本実施の形態に係る結合面動特性計測装置１０は、第１の部品を模した第１の試験片１１で第２の部品を模した第２の試験片１２を挟み込むと共に、第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面に予め設定した面圧を付与する面圧付与手段１３と、面圧付与手段１３により結合面に面圧が付与された状態で第２の試験片１２に予め設定した加振力を付与する加振力付与手段１４と、加振力付与手段１４により加振力が付与されたときの第１の試験片１１と第２の試験片１２との相対変位を計測する相対変位計測手段１５と、加振力付与手段１４により付与された加振力と相対変位計測手段１５により計測された相対変位とに基づいて、面圧付与手段１３により付与された面圧毎にばね要素（ばね）と減衰要素（ダッシュポット）とに与える変数、即ちばね定数と減衰係数とを同定する処理手段（図示せず）と、を備えることを特徴とする。
本実施の形態では、一例として、図４に示すように、シリンダヘッド４１、シリンダブロック４２、及びラダーフレーム４３等の複数の部品が結合されたエンジン単シリンダを解析対象物として有限要素モデル化する場合を説明する。
結合面動特性計測装置１０は、図５に示すように、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素５１と減衰要素５２とに与えるばね定数と減衰係数とを同定するためのものである。
従来は、ばね要素５１と減衰要素５２とに与えるばね定数と減衰係数とを計算によって求めることが困難であるとの理由から、図６に示すように、部品間の結合部を節点６１の共有による結合、即ち節点結合として解析を行っていた。
しかしながら、部品間の結合部を節点結合とした有限要素モデルは、結合による剛性と減衰とが存在する実機の構造とはかけ離れた剛結構造として振る舞うため、有限要素法による解析値が実測値から大きく乖離することになり、解析精度が悪化する要因となっていた。
このような課題を解決し、部品間の結合部をばね要素５１と減衰要素５２とで有限要素モデル化するために、ばね要素５１と減衰要素５２とに与えるばね定数と減衰係数とを高精度に同定するために創案された発明が結合面動特性計測装置１０である。
第１の試験片１１は、第１の部品（例えば、シリンダヘッド４１）と同一の材料で形成され、第２の試験片１２は、第２の部品（例えば、シリンダブロック４２）と同一の材料で形成される。また、第１の試験片１１の表面状態は、第１の部品の表面状態と同一であり、第２の試験片１２の表面状態は、第２の部品の表面状態と同一であることが好ましい。
これは、ばね定数と減衰係数は、付与する面圧の差異により変化する一方で、結合部を形成する第１の部品と第２の部品のヤング率やポアソン比等の材料固有の機械的特性の他、表面粗さや平坦度等の表面状態にも影響を受けるからである。
このような理由から、第１の試験片１１と第２の試験片１２は、実機の結合部を形成する第１の部品と第２の部品とから実際に切り出して作製されることが最も望ましいが、第１の部品と第２の部品の図面等の情報から結合部を忠実に模して作製されても構わない。
面圧付与手段１３は、結合面に対して垂直な方向に沿って設けられたリニアガイドレール１６と、リニアガイドレール１６上を走行するリニアガイド１７を有すると共に、第１の試験片１１と第２の試験片１２とを挟み込んで結合面に面圧を付与する面圧付与部１８と、面圧付与部１８にスラストローラベアリング１９を介して取り付けられると共に、計測器本体２０の両側から面圧付与部１８に荷重を印加するボルト２１と、ボルト２１によって印加された荷重を計測する荷重計２２と、を備える。
結合面に付与される面圧は、荷重計２２の計測値を第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面積で除算することにより求めることができる。
面圧付与手段１３を用いて結合面に予め設定した面圧を付与するためには、荷重計２２の計測値を第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面積で除算した値が予め設定した面圧の値となるように、ボルト２１を回転させて印加される荷重を調整すれば良い。
なお、結合面に付与される面圧の求め方は、これに限定されるものではなく、例えば、感圧紙を用いて求めても良い。
加振力付与手段１４は、先端部が第２の試験片１２の中心部にスタッドボルト２３を介して取り付けられると共に、結合面に対して平行な方向に変動荷重を印加して第２の試験片１２に加振力を付与するリニア単軸ロボット２４と、リニア単軸ロボット２４によって印加された変動荷重を計測する荷重計２５と、を備える。
第２の試験片１２に付与される加振力は、荷重計２５の計測値から求めることができる。
加振力付与手段１４を用いて第２の試験片１２に予め設定した加振力を付与するためには、荷重計２５の計測値が予め設定した加振力の値となるように、リニア単軸ロボット２４の加振波形や加振角振動数を調整すれば良い。
相対変位計測手段１５は、ＸＹリニアステージ２６上に載置されると共に、加振力付与手段１４により加振力が付与されたときの第１の試験片１１の変位を計測する第１の変位センサ２７と、ＸＹリニアステージ２６上に載置されると共に、加振力付与手段１４により加振力が付与されたときの第２の試験片１２の変位を計測する第２の変位センサ２８と、を備える。
第１の変位センサ２７と第２の変位センサ２８は、例えば、静電容量型の変位センサからなる。
第１の試験片１１と第２の試験片１２との相対変位は、第１の変位センサ２７の計測値から第２の変位センサ２８の計測値を減算することにより求めることができる。
処理手段は、例えば、マイクロプロセッサやメモリ等を搭載したコンピュータを備え、加振力付与手段１４により付与された加振力と相対変位計測手段１５により計測された相対変位とに基づいて、ばね要素５１に与えるばね定数を同定すると共に、同定されたばね定数と加振力付与手段１４により付与された加振力に対する相対変位計測手段１５により計測された相対変位の遅れ角度と加振力付与手段１４により付与された加振力の加振角振動数とに基づいて、減衰要素５２に与える減衰係数を同定するものである。
次に、結合面動特性計測装置１０を用いた結合面動特性計測方法を説明する。
本実施の形態に係る結合面動特性計測方法は、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素５１と減衰要素５２とに与えるばね定数と減衰係数とを同定するためのものであり、第１の部品を模した第１の試験片１１で第２の部品を模した第２の試験片１２を挟み込むと共に、第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面に予め設定した面圧を付与する工程と、結合面に面圧が付与された状態で第２の試験片１２に予め設定した加振力を付与する工程と、加振力が付与されたときの第１の試験片１１と第２の試験片１２との相対変位を計測する工程と、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、付与された面圧毎にばね要素５１と減衰要素５２とに与えるばね定数と減衰係数とを同定する工程と、を備えることを特徴とする。
第１の試験片１１の表面状態を第１の部品の表面状態と同一とし、第２の試験片１２の表面状態を第２の部品の表面状態と同一とすることが望ましい。
ばね要素５１と減衰要素５２とに与えるばね定数と減衰係数とを同定する工程では、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、ばね要素５１に与えるばね定数を同定すると共に、同定されたばね定数と付与された加振力に対する計測された相対変位の遅れ角度と付与された加振力の加振角振動数とに基づいて、減衰要素５２に与える減衰係数を同定する。
例えば、図７に示すように、面圧付与手段１３により結合面に面圧が付与された状態で、加振力付与手段１４により第２の試験片１２に加振角振動数ωの正弦波形の加振力Ｆ＝Ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）を付与された場合、結合面に減衰が存在するならば、相対変位Ｘには加振力Ｆに対して遅れが生じる。その遅れ角度をδと定義すれば、相対変位はＸ＝Ｘ0ｓｉｎ（ωｔ−δ）で定義される。ここで、Ｆ0は最大加振力、Ｘ0は最大相対変位、ｔは時間である。
この場合のばね定数ｋと減衰係数Ｃは以下の式（１）で定義される。
このばね定数ｋと減衰係数Ｃは、結合面の平均面圧に対して図８に示すような変化を示す。
つまり、結合面動特性計測装置１０を用いて、面圧付与手段１３により結合面に付与する面圧を変化させていき、図８に示したような図を完成させた後に、この図と面圧の分布とに基づいて、有限要素モデルの節点間のばね要素５１と減衰要素５２とに与える適切なばね定数ｋと減衰係数Ｃとを同定する。
結合面動特性計測装置１０による計測結果から、ばね定数ｋと減衰係数Ｃとが同定されたならば、第１の試験片１１と第２の試験片１２との結合面積と実機の複数の部品間の結合面積との比率に応じて、有限要素モデルの節点間に同定されたばね定数ｋと減衰係数Ｃとが与えられたばね要素５１と減衰要素５２とを配置していけば良い。
これにより、実機に極めて近い特性を持つ有限要素モデルを作製することができるため、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化して、有限要素法によって解析を行う際に、解析精度の向上を図ることが可能となる。
これまで説明したように、本発明によれば、複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を高精度に同定することができる結合面動特性計測装置及び結合面動特性計測方法を提供することができる。
次に、本発明の実施例を説明する。
図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、図４のエンジン単シリンダを有限要素モデル化し、１次モードから４次モードの４つのモードの固有振動数を解析した。解析結果を表１に示す。
ここで、実施例とは、複数の部品の結合部に結合面動特性計測装置１０によりばね定数と減衰係数とを同定したばね要素と減衰要素とを配置して有限要素モデル化を行った場合であり、比較例とは、複数の部品の結合部を節点結合として有限要素モデル化を行った場合である。
表１から分かるように、複数の部品の結合部を節点結合として有限要素モデル化を行った比較例に比べて、複数の部品の結合部にばね要素と減衰要素とを配置して有限要素モデル化を行った実施例の方が、解析値と実測値との乖離が小さくなっている。
以上の結果から、本発明により同定したばね定数と減衰係数とを与えたばね要素と減衰要素とで結合部を有限要素モデル化することで、優れた解析精度を得ることができることが実証された。
１０ 結合面動特性計測装置
１１ 第１の試験片
１２ 第２の試験片
１３ 面圧付与手段
１４ 加振力付与手段
１５ 相対変位計測手段
１６ リニアガイドレール
１７ リニアガイド
１８ 面圧付与部
１９ スラストローラベアリング
２０ 計測器本体
２１ ボルト
２２ 荷重計
２３ スタッドボルト
２４ リニア単軸ロボット
２５ 荷重計
２６ ＸＹリニアステージ
２７ 第１の変位センサ
２８ 第２の変位センサ
１１ 第１の試験片
１２ 第２の試験片
１３ 面圧付与手段
１４ 加振力付与手段
１５ 相対変位計測手段
１６ リニアガイドレール
１７ リニアガイド
１８ 面圧付与部
１９ スラストローラベアリング
２０ 計測器本体
２１ ボルト
２２ 荷重計
２３ スタッドボルト
２４ リニア単軸ロボット
２５ 荷重計
２６ ＸＹリニアステージ
２７ 第１の変位センサ
２８ 第２の変位センサ
Claims (6)
- 複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、前記複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を同定するための結合面動特性計測装置であって、
第１の部品を模した第１の試験片で第２の部品を模した第２の試験片を挟み込むと共に、前記第１の試験片と前記第２の試験片との結合面に予め設定した面圧を付与する面圧付与手段と、
前記面圧付与手段により結合面に面圧が付与された状態で前記第２の試験片に予め設定した加振力を付与する加振力付与手段と、
前記加振力付与手段により加振力が付与されたときの前記第１の試験片と前記第２の試験片との相対変位を計測する相対変位計測手段と、
前記加振力付与手段により付与された加振力と前記相対変位計測手段により計測された相対変位とに基づいて、前記面圧付与手段により付与された面圧毎に前記ばね要素と前記減衰要素とに与える変数を同定する処理手段と、
を備えることを特徴とする結合面動特性計測装置。 - 前記第１の試験片の表面状態は、前記第１の部品の表面状態と同一であり、前記第２の試験片の表面状態は、前記第２の部品の表面状態と同一である請求項１に記載の結合面動特性計測装置。
- 前記処理手段は、前記加振力付与手段により付与された加振力と前記相対変位計測手段により計測された相対変位とに基づいて、前記ばね要素に与えるばね定数を同定すると共に、同定されたばね定数と前記加振力付与手段により付与された加振力に対する前記相対変位計測手段により計測された相対変位の遅れ角度と前記加振力付与手段により付与された加振力の加振角振動数とに基づいて、前記減衰要素に与える減衰係数を同定する請求項１又は２に記載の結合面動特性計測装置。
- 複数の部品が結合された解析対象物を有限要素モデル化する際に、前記複数の部品を結合すると共に結合の特性を表すばね要素と減衰要素とに与える変数を同定するための結合面動特性計測方法であって、
第１の部品を模した第１の試験片で第２の部品を模した第２の試験片を挟み込むと共に、前記第１の試験片と前記第２の試験片との結合面に予め設定した面圧を付与する工程と、
結合面に面圧が付与された状態で前記第２の試験片に予め設定した加振力を付与する工程と、
加振力が付与されたときの前記第１の試験片と前記第２の試験片との相対変位を計測する工程と、
付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、付与された面圧毎に前記ばね要素と前記減衰要素とに与える変数を同定する工程と、
を備えることを特徴とする結合面動特性計測方法。 - 前記第１の試験片の表面状態を前記第１の部品の表面状態と同一とし、前記第２の試験片の表面状態を前記第２の部品の表面状態と同一とする請求項４に記載の結合面動特性計測方法。
- 前記ばね要素と前記減衰要素とに与える変数を同定する工程では、付与された加振力と計測された相対変位とに基づいて、前記ばね要素に与えるばね定数を同定すると共に、同定されたばね定数と付与された加振力に対する計測された相対変位の遅れ角度と付与された加振力の加振角振動数とに基づいて、前記減衰要素に与える減衰係数を同定する請求項４又は５に記載の結合面動特性計測方法。
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