JP3427015B2 - 振動試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、大型構造物を対象
とする振動試験装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、構造物の振動試験や耐震試験は、
一般的に構造物全体を振動台に搭載し加振する方法で行
なわれている。しかし、評価対象やそれに付属する機器
が非常に大きいと、世界最大の振動台でも実験が不可能
となる。そこで近年、評価対象物以外の構造物を省略
し、その動きを加振機と計算機で模擬する加振実験が提
案されている。 【０００３】図９（ａ）は、特開平７−５５６３０号公
報に開示されている耐震実験システムの構成図であり、
図９（ｂ）はその模式図である。図９（ａ），（ｂ）に
おいて、振動台９１には、架台９２，９３が設けられて
いる。架台９２には主モデル９１２の一端が固定されて
いる。架台９３にはアクチュエータ９１０が取付けられ
ており、アクチュエータ９１０は荷重計９１１を介して
主モデル９１２の他端に連結されている。 【０００４】基礎９１３上には、高速デジタル計算機９
６とアナログ制御装置９５からなる制御装置９４が設け
られている。計算機９６は、主モデル荷重信号９９と振
動台加速度信号９７を入力し、地震応答指令信号９１７
をアナログ制御装置９５へ出力する。アナログ制御装置
９５は制御信号９８を出力し、アクチュエータ９１０を
駆動して、あたかも補助モデルがあるかのように補助モ
デルと同じ振動をし主モデル９１２へ伝達するので、実
験システムの簡素化を図ることができる。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平７
−５５６３０号公報のシステムでは、主モデル９１２に
伝達できる荷重は、一方向に限定されるという問題点が
ある。 【０００６】また図１０は、特開平９−１５９５６９号
公報に開示されている加振装置の構成を示す図である。
図１０に示す構成では、制御装置１０３ａ，１０３ｂに
よるアクチュエータの制御は、それぞれ荷重制御または
変位制御に限定されており、変位と荷重の両者を満足す
るような制御アルゴリズムになっていないという問題点
がある。 【０００７】本発明の目的は、モデルに対して変位制御
と荷重制御を行なえるとともに、多方向への荷重制御を
行なえる振動試験装置を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の振動試験装置は以下の如く構
成されている。 【０００９】本発明の振動試験装置は、試験対象のうち
試験体以外の物体をスードモデルとして模擬し、かつパ
ラレルリンク機構により前記試験体を加振する振動試験
装置であり、前記試験体を振動させることにより得られ
る加速度と反作用力から前記スードモデルの応答変位を
計算する第１の計算手段と、この第１の計算手段で計算
された応答変位に対して制御フィードバックゲインを介
して前記パラレルリンク機構のキネマティクス演算を行
なう第２の計算手段と、この第２の計算手段の計算結果
を基に前記パラレルリンク機構により前記試験体を加振
する少なくとも一つの加振手段と、から構成されてい
る。 【００１０】 【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１の
（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る振
動試験装置の全体構成を示す図である。本振動試験装置
は、試験対象のうち評価対象物以外の構造物（スードモ
デルとなる）を省略し、その多自由度となる動きをパラ
レルリンク機構を含んだ加振機システムと複数台の計算
機とで模擬するハイブリッド実験に適用される。 【００１１】本振動試験装置の評価対象物は、図１の
（ａ）に示す橋３０の橋脚３１である。橋３０は複数の
橋脚を有するが、全ての橋脚を振動台１上に搭載するこ
とはできないため、図１の（ｂ）に示すように一つの橋
脚３１のみを評価対象物として振動台１上に搭載し、他
の橋脚を図１の（ｃ）に示す計算機１２でスードモデル
として模擬する。 【００１２】図１の（ｃ）において、計算機１２では、
振動台１による加振実験中に測定された加速度信号α
と、計算機１３を介して得られた試験体である橋脚３１
からの反作用力信号βの両者を入力とし、スードモデル
の応答変位が計算される。計算機１３では、この応答量
に見合うように油圧加振機１０への指令信号ζを生成
し、橋脚３１を加振する 図２は、本振動試験装置の全体系統図である。図２にお
いて図１と同一な部分には同符号を付してある。図２に
おいて、計算機（Ａ）１２では、振動台１による加振実
験中に加速度計３で測定され増幅器４及びＡ／Ｄ変換器
７を介して得られた振動台加速度信号と、各油圧加振機
１０で発生した荷重信号を基に増幅器５、Ａ／Ｄ変換器
７、計算機（Ｂ）１３の順キネマティクス演算部４２、
Ｄ／Ａ変換器８及びＡ／Ｄ変換器７を介して得られた試
験体２からの反作用力信号の両者を入力し、スードモデ
ルの応答変位が計算される。 【００１３】計算機（Ｂ）１３では、この応答変位量に
見合うように、試験体２から増幅器６及びＡ／Ｄ変換器
７を介して得た変位／角度信号に対して制御フィードバ
ックゲイン（２）４５及び制御フィードバックゲイン
（１）４４を介して、逆キネマティクス演算部４３にて
パラレルリンク機構のキネマティクス演算を行ない、各
油圧加振機１０への指令信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器８
及びターボ増幅器９を介して各油圧加振機１０により試
験体２を加振する。 【００１４】図３は、本振動試験装置の一部となるパラ
レルリンク機構を示す図である。図３に示すように、加
振機取付架台１１側のベースエフェクタ２２に六つの油
圧加振機１０の各一端部が球面軸受２１により支持さ
れ、試験体２側のエンドエフェクタ２３に六つの油圧加
振機１０の各他端部が球面軸受２１により支持されてい
る。 【００１５】以下、計算機１２における具体的演算内容
について説明する。計算機１２では、振動台１からの加
速度信号αと試験体２からの反作用力信号βの両者の信
号から、スードモデルと試験体２との結合点における応
答変位を演算するアルゴリズム構成をなしている。 【００１６】従って、スードモデルの応答変位は下式の
運動方程式を解くことにより求める。 【００１７】 【数１】 【００１８】また、積分方法としてニューマークβ法を
適用することを例にとると、応答変位は下式より求める
ことができる。 【００１９】 【数２】 【００２０】具体的な演算順序は以下となる。 【００２１】 【数３】 【００２２】次に、計算機１３の具体的演算内容につい
て説明する。まず、パラレルリンクのキネマティクス演
算を行なうために、ベースエフェクタ２２の加振機取付
点継手の位置座標、 【００２３】 【数４】 【００２４】：ｉ番目ベースエフェクタの継手の位置
（極座標）（固定値），ただし、ｉ＝１〜６ 及び、エンドエフェクタ２３の継手の位置座標 【００２５】 【数５】 【００２６】：ｉ番目エンドエフェクタの継手の位置
（極座標）（固定値），ただし、ｉ＝１〜６ の初期値を入力する。 【００２７】図４は、計算機１３にてベースエフェクタ
の継手位置やエンドエフェクタの継手位置を演算する場
合のフローチャートである。図４に示すように計算機１
３では、まずステップＳ１で、ｉ番目ベースエフェクタ
（ｉ＝１〜６）の継手の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系）を下
式により演算する。 【００２８】 【数６】 【００２９】次にステップＳ２で、ｉ番目エンドエフェ
クタ（ｉ＝１〜６）の継手の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系）
を下式により演算する。 【００３０】 【数７】 【００３１】図５は、計算機１３にて上式で得られた各
継手の位置に基づき、パラレルリンクのキネマティクス
演算を行なう場合のフローチャートである。図５に示す
各ステップ毎の演算内容を以下に示す。 【００３２】［ステップＳ１１：正弦，余弦演算］ 【００３３】 【数８】 【００３４】：エンドエフェクタの位置・姿勢（Ｘ軸，
Ｙ軸，Ｚ軸，Ｚ軸回り，Ｙ軸回り，Ｘ軸回り），Ａ／Ｄ
入力値 （ａ）: sin，cos計算 sinα，sinβ，sinγ，cosα，cosβ，cosγ 正弦，余弦の算出方法として、テーブル方式またはＣ言
語の標準関数を用いて計算する。 【００３５】（ｂ）: sin×sin， sin×cos， cos×cos
計算 (1) sinα× sinα sinβ， sinα sinγ， sinα cosβ， sinα co
sγ (2) sinβ× sinβ sinγ， cosα sinβ， sinβ cosγ (3) sinγ× cosα sinγ， cosβ sinγ (4) cosα× cosα cosβ， cosα cosγ (5) cosβ× cosβ cosγ （ｃ）:（（ｂ）で計算された値）×sinまたは cos (1) sinα sinβ× sinα sinβ sinγ， sinα sinβ cosγ (2) cosα sinβ× cosα sinβ sinγ， cosα sinβ cosγ (3) sinα cosβ× sinα cosβ sinγ， sinα cosβ cosγ (4) cosα cosβ× cosα cosβ sinγ， cosα cosβ cosγ （ｄ）:上記（ａ），（ｂ），（ｃ）で計算された値を
用い、下記（２）で使用する行列と下記（５）で使用す
るベクトルを作成する。なお、これらは下記（２），
（５）において点線で囲まれている部分である。 【００３６】［ステップＳ１２：ｉ番目エンドエフェク
タの継手の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系）演算］ 【００３７】 【数９】 【００３８】ただし、ｉ＝１〜６ ［ステップＳ１３：ｉ番目アクチュエータの長さのＸ方
向成分、Ｙ方向成分、Ｚ方向成分演算］ 【００３９】 【数１０】 【００４０】ただし、ｉ＝１〜６ ［ステップＳ１４：ｉ番目のアクチュエータの長さの演
算］ 【００４１】 【数１１】 【００４２】ただし、ｉ＝１〜６ ［ステップＳ１５：Ｊａｃｏｂｉａｎ行列要素計算］ 【００４３】 【数１２】 【００４４】ただし、ｉ＝１〜６ 【００４５】 【数１３】 【００４６】 【数１４】 【００４７】 【数１５】【００４８】［ステップＳ１６：Ｊａｃｏｂｉ行列の転
置行列Ｊ^Ｔを計算］ ［ステップＳ１７：エンドエフェクタの荷重計測値演算
（ｆ→Ｆ演算（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
演算））］ 【００４９】 【数１６】 【００５０】：エンドエフェクタの荷重計測値，スード
システムへのＤ／Ａ出力値およびＦ→ｆ演算への入力値 【００５１】 【数１７】 【００５２】：アクチュエータの加振力計測値，Ａ／Ｄ
入力値 ［ステップＳ１８：エンドエフェクタの荷重目標値演
算］ 【００５３】 【数１８】 【００５４】ただし、 【００５５】 【数１９】 【００５６】：エンドエフェクタの荷重計測値，ｆ→Ｆ
演算結果（前回値） 【００５７】 【数２０】 【００５８】：エンドエフェクタの目標変位，スードシ
ステムからのＡ／Ｄ入力値 【００５９】 【数２１】 【００６０】：エンドエフェクタの計測変位，Ａ／Ｄ入
力値 【００６１】 【数２２】【００６２】：変位→荷重変換係数（固定値） 【００６３】 【数２３】 【００６４】：制御ゲイン（固定値） ［ステップＳ１９：行列Ｊ^Ｔの逆行列（Ｊ^Ｔ）^-1を演
算］消去法（枢軸選択なし）、消去法（枢軸選択あ
り）、分割法をそれぞれ用いて計算を行なう。 【００６５】［ステップＳ２０：アクチュエータへの加
振力指令値演算（Ｆ→ｆ演算（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎ
ｅｍａｔｉｃｓ演算））］ 【００６６】 【数２４】 【００６７】ただし、 【００６８】 【数２５】 【００６９】：アクチュエータへの加振力指令値，Ａ／
Ｄ出力値 図１及び図２に示す本振動試験装置における計算機１２
では、シミュレーションモデルとしてモデル化したスー
ドモデルの応答を時々刻々求める。また、計算機１３で
は、試験体２の応答挙動に応じて結合点で発生する荷重
の６自由度成分を、順キネマティクス演算アルゴリズム
（４２）で求めることができる。さらに、結合点で再現
したい荷重条件を、逆キネマティクス演算アルゴリズム
（４３）を用いパラレルリンク機構を構成する各加振機
１０への指令信号として生成することができる。 【００７０】また制御フィードバックゲイン４４は、試
験体２の振動質量と油圧加振機１０で構成されるパラレ
ルリンクの油柱ばねの６自由度成分から成る油柱共振振
動数における応答を押える効果を奏する。 【００７１】図６は、制御フィードバックゲインの効果
を表わした図である。図６に示すように、制御フィード
バックゲイン４４が小さい場合には油柱共振のピークは
高いが、制御フィードバックゲイン４４を大きくすると
油柱共振のピークは下がる。 【００７２】また制御フィードバックゲイン４５は、適
正な位相余有、ゲイン余有が得られるように古典制御理
論を用いて求める。制御フィードバックゲイン４５が小
さい場合には、必要な振動数域が確保できないため、高
精度な結果が得られない。制御フィードバックゲイン４
５が大きい場合には、安定限界を越え、不安定挙動を示
す。従って、制御フィードバックゲイン４５は、本振動
試験装置の性能を支配するものである。 【００７３】（第２の実施の形態）図７は、本発明の第
２の実施の形態に係る振動試験装置の全体構成を示す図
である。本振動試験装置は、試験対象のうち評価対象物
以外の構造物（スードモデルとなる）を省略し、その結
合箇所の動きを複数台の加振機システムと複数台の計算
機とで模擬するハイブリッド実験に適用される。 【００７４】本振動試験装置の評価対象物は、図７に示
す層状構造物４０の最下部の試験体２である。層状構造
物４０は上方へ積層された複数の構造物を有するが、全
ての構造物を振動台１上に搭載することはできないた
め、図７に示すように最下部の構造物のみを試験体２と
して振動台１上に搭載し、他の構造物を計算機１２でス
ードモデルとして模擬する。 【００７５】図７において、計算機１２では、振動台１
による加振実験中に測定された加速度信号αと、計算機
１３を介して得られた試験体２からの反作用力信号βの
両者を入力とし、スードモデルの応答変位が計算され
る。計算機１３では、油圧加振機１０から変位信号γを
入力し、計算機１２からの応答量に見合うように各油圧
加振機１０への指令信号ζを生成し、試験体２を加振す
る図８は、本振動試験装置の全体系統図である。図８に
おいて図７と同一な部分には同符号を付してある。図８
において、計算機（Ａ）１２では、振動台１による加振
実験中に加速度計３で計測され増幅器４及びＡ／Ｄ変換
器７を介して得られた振動台加速度信号と、各油圧加振
機１０で発生した荷重信号を基に増幅器５、Ａ／Ｄ変換
器７を介して得られた試験体２からの反作用力の両者を
入力し、スードモデルの応答変位が計算される。 【００７６】計算機（Ｂ）１３では、この応答変位量に
見合うように、各油圧加振機１０から増幅器６及びＡ／
Ｄ変換器７を介して得た各変位信号に対して、それぞれ
制御フィードバックゲイン４５１，４４１、４５２，４
４２，４５３，４４３の演算を行ない、各油圧加振機１
０への指令信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器８及びターボ増
幅器９を介して各油圧加振機１０により試験体２を加振
する構成となっている。 【００７７】図７及び図８に示す本振動試験装置におけ
る計算機１２では、シミュレーションモデルとしてモデ
ル化したスードモデルの応答を時々刻々求める。また、
計算機１３では、各結合点において再現したい荷重とス
ードモデルの応答に応じた各加振機１０への指令信号を
生成する。 【００７８】制御フィードバックゲイン４４１，４４
２，４４３は、試験体２の振動質量と油圧加振機１０の
油柱ばねによる油柱共振振動数における応答を押える効
果を有する。 【００７９】また、制御フィードバックゲイン４５１，
４５２，４５３は、適正な位相余有、ゲイン余有が得ら
れるように古典制御理論を用いて求める。当該ゲインが
小さい場合には、結合部の結合条件、すなわちスードモ
デルの応答を正確に再現することが必要な振動数域が確
保できないことになる。逆に、当該ゲインが大きい場合
には、制御システム全体が安定限界を越え、不安定挙動
を示す。従って、制御フィードバックゲイン４５１，４
５２，４５３は、本振動試験装置の性能を支配するもの
である。 【００８０】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施で
きる。例えば、本発明の振動試験装置は、評価対象物や
評価対象物以外の構造物（スードモデル）の復元力特性
が種々の非線形性を示す場合においても適用可能であ
る。 【００８１】 【発明の効果】本発明の振動試験装置によれば、モデル
に対して変位制御と荷重制御を行なえるとともに、多方
向への荷重制御を行なうことができる。また、パラレル
リンク機構と計算手段の演算アルゴリズムを適用するこ
とで、１箇所につき６自由度の境界条件が模擬できるた
め、結合された２種類の構造物を対象としたハイブリッ
ド振動実験が可能になる。さらに、複数の加振手段と複
数の計算手段を用いた演算アルゴリズムを適用すること
で、複数箇所で結合された２種類の構造物を対象とした
ハイブリッド振動実験が可能になる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動試験装置
の全体構成を示す図。 【図２】本発明の第１の実施の形態に係る振動試験装置
の全体系統図。 【図３】本発明の第１の実施の形態に係る振動試験装置
の一部となるパラレルリンク機構の概念図。 【図４】本発明の第１の実施の形態に係るパラレルリン
ク機構の演算処理フローチャート。 【図５】本発明の第１の実施の形態に係るパラレルリン
ク機構の演算処理フローチャート。 【図６】本発明の第１の実施の形態に係る制御フィード
バックゲインの効果を表わした図。 【図７】本発明の第２の実施の形態に係る振動試験装置
の全体構成を示す図。 【図８】本発明の第２の実施の形態に係る振動試験装置
の全体系統図。 【図９】従来例に係る耐震実験システムの構成図と模式
図。 【図１０】従来例に係る加振装置の構成を示す図。 【符号の説明】 １…振動台 ２…試験体 ３…加速度計 ４…増幅器（加速度計） ５，６…増幅器 ７…Ａ／Ｄ変換器 ８…Ｄ／Ａ変換器 ９…サーボ増幅器 １０…油圧加振機 １１…加振機取付架台 １２，１３…計算機 ２１…球面軸受 ２２…ベースエフェクタ ２３…エンドエフェクタ ３０…橋 ３１…橋脚 ４０…層状構造物 ４１…ｐｓｅｕｄｏモデル応答演算アルゴリズム ４２…順キネマティクス演算部 ４３…逆キネマティクス演算部 ４４…制御フィードバックゲイン ４５…制御フィードバックゲイン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 敏夫 山口県下関市彦島江の浦町六丁目16番１ 号 三菱重工業株式会社下関造船所内 (56)参考文献 特開 平５−332876（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−55630（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−159569（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 7/02

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】試験対象のうち試験体以外の物体をスード
   モデルとして模擬し、かつパラレルリンク機構により前
   記試験体を加振する振動試験装置であり、 前記試験体を振動させることにより得られる加速度と反
   作用力から前記スードモデルの応答変位を計算する第１
   の計算手段と、 この第１の計算手段で計算された応答変位に対して制御
   フィードバックゲインを介して前記パラレルリンク機構
   のキネマティクス演算を行なう第２の計算手段と、 この第２の計算手段の計算結果を基に前記パラレルリン
   ク機構により前記試験体を加振する少なくとも一つの加
   振手段と、 を具備したことを特徴とする振動試験装置。