JP4893516B2 - Vibration calculation system - Google Patents
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本発明は、構造物の振動計算を行う振動計算システムに関し、特に、構造体と音場との間に防音材が設けられている構造物の振動計算を行う技術に関する。 The present invention relates to a vibration calculation system that performs vibration calculation of a structure, and more particularly to a technique for performing vibration calculation of a structure in which a soundproofing material is provided between the structure and a sound field.
車両開発においては、FEM(有限要素法)などを利用した車室内音場解析が行われる。車室内音場解析では、ボデーと車室(音場)との間に介在する防音材を考慮しなければ、特に100kHz以上の高周波領域において精度良い解析が行えないことが知られている(特許文献1参照)。 In vehicle development, vehicle interior sound field analysis using FEM (finite element method) or the like is performed. In vehicle interior sound field analysis, it is known that accurate analysis cannot be performed particularly in a high-frequency region of 100 kHz or more unless a soundproofing material interposed between the body and the vehicle interior (sound field) is taken into consideration (patent) Reference 1).
防音材は、フェルトやウレタンなどの多孔質材からなる中間層部分と、いわゆるカーペットに相当する表皮部分とから構成され、その主な機能としては、ボデーの振動を減衰させる制振機能、車室内の音を吸収する吸音機能、車室外からの音を遮断する遮音機能がある。防音材をモデル化するための手法としては、たとえばBIOT(ビオ)理論が知られている(非特許文献1参照)。この手法では、多孔質材の特性を、固体相特性、空気相特性、および、これらの連成特性でモデル化している。 The soundproofing material is composed of an intermediate layer part made of a porous material such as felt and urethane, and a skin part corresponding to a so-called carpet. Its main functions are a vibration damping function that attenuates body vibration, a vehicle interior There is a sound absorption function that absorbs the sound of the vehicle, and a sound insulation function that blocks sound from outside the passenger compartment. As a method for modeling the soundproof material, for example, the BIOT theory is known (see Non-Patent Document 1). In this method, the characteristics of the porous material are modeled by solid phase characteristics, air phase characteristics, and their coupled characteristics.
しかし、防音材のFEMモデルを車室内空間のように比較的規模の大きな音場の振動計算に適用するには、次のような問題があった。 However, applying the FEM model of a soundproof material to vibration calculation of a relatively large sound field such as a vehicle interior space has the following problems.
ボデーや音場の動剛性マトリクスは数百万自由度にも及ぶ。よって、車両開発にあっては、計算時間が多大となる直接周波数応答計算が用いられることはほとんどなく、通常はモーダル周波数応答計算(モード解析)が利用される。モーダル周波数応答計算では、ボデーおよび音場の固有値計算を先に行い、そこから得られたボデーと音場の固有値・固有モードを利用する。これにより、マトリクスの自由度が数千のオーダーに減少し、短時間での計算が可能となる。しかしながら、防音材は周波数依存の高減衰特性を持つため、防音材のマトリクスをそのままボデーや音場のマトリクスに付加してモーダル周波数応答計算を適用しても精度が不良となってしまう。とはいえ、防音材モデルを組み込んだ車両モデルを用いて直接周波数応答計算を実行すると、その計算には1ヶ月程度要してしまい、現実的とは言い難い。 The dynamic stiffness matrix of the body and sound field reaches millions of degrees of freedom. Therefore, in vehicle development, direct frequency response calculation, which requires a long calculation time, is rarely used, and modal frequency response calculation (mode analysis) is usually used. In the modal frequency response calculation, the body and sound field eigenvalues are calculated first, and the body and sound field eigenvalues and eigenmodes obtained therefrom are used. As a result, the degree of freedom of the matrix is reduced to the order of several thousand, and calculation in a short time becomes possible. However, since the soundproofing material has high frequency-dependent attenuation characteristics, even if the soundproofing material matrix is directly added to the body or sound field matrix and the modal frequency response calculation is applied, the accuracy is poor. However, if a frequency response calculation is directly performed using a vehicle model incorporating a soundproof material model, the calculation takes about one month, which is not realistic.
なお、特許文献1では、防音材をバネ・マス・ダンパモデルでモデル化し、モーダル周波数応答計算に適用する手法が提案されている。ただし、このモデルは、防音材の吸音機能と遮音機能については妥当であるが、制振機能が考慮されていないという点でさらなる改良が望まれる。特許文献2には、音響性能の観点から車両構造体における最適な制振のレイアウトを決定するための最適化CAE方法が開示されている。特許文献3には、有限要素法により予測したタイヤ車軸力が車体を伝達する車室内での間接音成分の車室内騒音を予測する手法が提案されている。特許文献4では、構造体の加振点から伝達する振動を伝達力が評価点の音響レベルに及ぼす寄与度を演算する手法が提案されている。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、防音材の特性を考慮した振動計算を高速かつ精度良く実行可能な技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of executing vibration calculation in consideration of the characteristics of the soundproof material with high speed and high accuracy.
上記目的を達成するために本発明では、以下の手段および処理を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following means and processing.
本発明に係る振動計算システムは、構造体と音場との間に防音材が設けられた構造物のモーダル周波数応答計算を行う振動計算システムであって、前記防音材のマトリクスを生成する生成手段と、前記防音材のマトリクスを、前記構造体および前記音場のモーダル自由度で構成される中間マトリクスへと変換する変換手段と、前記中間マトリクスを前記構造体および前記音場のモーダルマトリクスに合成する合成手段と、前記合成されたモーダルマトリクスを用いてモーダル周波数応答計算を行う振動計算手段と、を備える。 The vibration calculation system according to the present invention is a vibration calculation system for performing a modal frequency response calculation of a structure in which a soundproofing material is provided between a structure and a sound field, and generating means for generating a matrix of the soundproofing material And means for converting the matrix of the soundproofing material into an intermediate matrix composed of the structure and the modal degree of freedom of the sound field, and synthesizing the intermediate matrix into the structure and the modal matrix of the sound field. And a vibration calculation means for performing a modal frequency response calculation using the combined modal matrix.
この構成によれば、防音材の特性を構造体や音場のモーダルマトリクスに組み込むことができるので、防音材の特性を考慮した精度のよいモーダル周波数応答計算が可能となる。 According to this configuration, since the characteristics of the soundproofing material can be incorporated into the modal matrix of the structure or the sound field, it is possible to calculate the modal frequency response with high accuracy in consideration of the characteristics of the soundproofing material.
具体的には、前記変換手段は、前記防音材のマトリクスの自由度のうち、前記構造体と前記音場のいずれとも共有しない自由度を縮退することによって、縮退マトリクスを生成し、前記縮退マトリクスを前記中間マトリクスへと変換することが好ましい。 Specifically, the conversion means generates a degenerate matrix by degenerating a degree of freedom that is not shared with either the structure or the sound field among the degrees of freedom of the matrix of the soundproof material, and generates the degenerate matrix. Is preferably converted into the intermediate matrix.
前記生成手段は、複数の代表周波数について前記防音材のマトリクスを生成し、前記変換手段は、前記複数の代表周波数のマトリクスのそれぞれを中間マトリクスへと変換し、その複数の中間マトリクスを補間することによって前記代表周波数の間の周波数に対応する中間マトリクスを生成するとよい。 The generating means generates a matrix of the soundproofing material for a plurality of representative frequencies, and the converting means converts each of the plurality of representative frequency matrices into an intermediate matrix and interpolates the plurality of intermediate matrices. An intermediate matrix corresponding to frequencies between the representative frequencies may be generated by
前記生成手段は、前記構造体と共有する自由度をもつ固体相と、前記音場と共有する自由度をもつ空気相とでモデル化された防音材モデルに基づいて、前記防音材のマトリクスを生成することが好ましい。 The generating means generates a matrix of the soundproofing material based on a soundproofing material model modeled by a solid phase having a degree of freedom shared with the structure and an air phase having a degree of freedom shared with the sound field. It is preferable to produce.
なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する振動計算システムとして捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む振動計算方法、または、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。 The present invention can be understood as a vibration calculation system having at least a part of the above means. The present invention can also be understood as a vibration calculation method including at least a part of the above processing, or a program for realizing the method. Each of the above means and processes can be combined with each other as much as possible to constitute the present invention.
本発明によれば、防音材の特性を考慮した振動計算を高速かつ精度良く実行可能となる。 According to the present invention, vibration calculation in consideration of the characteristics of the soundproof material can be executed at high speed and with high accuracy.
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る振動計算システムの構成を示すブロック図である。この振動計算システム1は、FEMを用いてモーダル周波数応答計算(モード解析)を実行する装置であり、たとえば、車両開発CAEにおける車室内音場解析などに利用される。ただし、本発明は、車両に限らず、防音材を有する構造物の解析(振動計算)に好ましく適用可能である。なお、FEMおよびモーダル周波数応答計算の基本概念自体については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a vibration calculation system according to an embodiment of the present invention. This
図1に示すように、振動計算システム1は、主な機能として、サンプリング周波数決定部10、記憶部11、防音材マトリクス生成部12、固有値解析部13、縮退部14、変換部15、補間部16、合成部17、振動計算部18を備えている。このシステムは、ハードウエア的には、CPU(中央演算処理装置)、記憶装置、表示装置、入力装置などを備えた汎用のコンピュータシステムで構成可能であり、上述した各機能は記憶装置に格納されたプログラムがCPUによって実行されることで実現されるものである。
As shown in FIG. 1, the
では、振動計算の処理の流れに沿って、振動計算システム1の機能を詳しく説明する。
Now, the function of the
(1)ボデーおよび車室音場の固有値解析
予め固有値解析部13が、記憶部11に格納されているボデーと車室音場それぞれのFEMモデル21、22を用いて実固有値計算解析を実行し、ボデー、車室音場それぞれのモーダル自由度やモーダルマトリクスを算出する。これらの解析結果は固有値データ23として記憶部11に格納される。
(1) Eigenvalue Analysis of Body and Cabin Sound Field The
(2)サンプリング周波数の決定
次にサンプリング周波数決定部10が、防音材マトリクスの縮退計算を実施する複数の周波数(サンプリング周波数、サンプリング点、または、代表周波数とよぶ)を決定する。サンプリング点数は、モーダル周波数応答計算が実施される周波数(応答計算周波数とよぶ)の点数よりも少ない数に設定される。たとえば本実施形態では、応答計算周波数を2Hzステップ、サンプリング周波数を25Hzステップに設定する。
(2) Determination of sampling frequency Next, the sampling
このようにサンプリング点数を少なくしたのは、計算時間のかかる防音材マトリクスの縮退計算の回数を少なくし、処理の効率化を図るためである。ただし、サンプリング点の間隔が広すぎると精度の低下を招く可能性があるので、精度に影響のない範囲でサンプリング点を設定することが重要である。たとえば、サンプリング点を25Hzステップのように等間隔に設定するのではなく、防音材の振動特性に基づいてサンプリング点の数、間隔、粗密などを適応的に変えてもよい。たとえば、図2に示すように、防音材の振動応答が予めわかっていたとしたら、振動応答の急変部を網羅するようにサンプリング点を設定すれば、精度の確保と計算時間の短縮の両立が可能となる。 The reason why the number of sampling points is reduced in this way is to reduce the number of times of degeneracy calculation of the soundproofing material matrix, which takes a long calculation time, and to improve the processing efficiency. However, if the interval between the sampling points is too wide, the accuracy may be lowered. Therefore, it is important to set the sampling points within a range that does not affect the accuracy. For example, instead of setting the sampling points at regular intervals as in a 25 Hz step, the number of sampling points, the interval, the density, and the like may be adaptively changed based on the vibration characteristics of the soundproof material. For example, as shown in FIG. 2, if the vibration response of the soundproof material is known in advance, setting the sampling point to cover the sudden change part of the vibration response can ensure both accuracy and shorten the calculation time. It becomes.
ここで設定されたサンプリング周波数のそれぞれについて、以下の(3)〜(5)の処理が繰り返される。 The following processes (3) to (5) are repeated for each of the sampling frequencies set here.
(3)防音材の動剛性マトリクスの生成
防音材マトリクス生成部12は、記憶部11に格納されている防音材のFEMモデル20を用いてFEM解析を行い、防音材の動剛性マトリクスを生成する。
(3) Generation of Dynamic Stiffness Matrix of Soundproofing Material The soundproofing material
図3は、防音材のFEMモデルを模式的に示している。防音材は、多孔質材からなるものであって、制振・吸音・遮音のためにボデー(構造体)と車室音場の間に設けられている。本実施形態では、BIOT理論による多孔質材モデルを利用し、ボデーと共有する自由度をもつ固体相と、車室音場と共有する自由度をもつ空気相とで防音材をモデル化している。固体相の部分は1節点あたりx、y、zの3並進自由度をもち、空気相の部分は1節点あたりに音圧自由度を有している。 FIG. 3 schematically shows the FEM model of the soundproofing material. The soundproofing material is made of a porous material, and is provided between the body (structure) and the vehicle compartment sound field for vibration suppression, sound absorption and sound insulation. In the present embodiment, a soundproof material is modeled by using a porous material model based on the BIOT theory, and a solid phase having a degree of freedom shared with the body and an air phase having a degree of freedom shared with the passenger compartment sound field. . The solid phase portion has three translational degrees of freedom of x, y, and z per node, and the air phase portion has sound pressure freedom per node.
与えられたサンプリング周波数で上記FEMモデルを加振することによって、防音材の動剛性マトリクスが得られる。図4に模式的に示すように、防音材の動剛性マトリクス[Z]は固体相の自由度と空気相の自由度とそれらの連成項とからなり、固体相の自由度の一部分がボデーと共有され、また空気相の自由度の一部が車室音場と共有されている(図4のハッチング部分)。 By oscillating the FEM model at a given sampling frequency, a dynamic stiffness matrix of the soundproof material can be obtained. As schematically shown in FIG. 4, the dynamic stiffness matrix [Z] of the soundproofing material is composed of the degree of freedom of the solid phase, the degree of freedom of the air phase, and their coupled terms, and a part of the degree of freedom of the solid phase is body. And a part of the degree of freedom of the air phase is shared with the passenger compartment sound field (hatched portion in FIG. 4).
(4)動剛性マトリクスの縮退
続いて縮退部14が、(3)で得られた防音材の動剛性マトリクス[Z]を縮退し、ボデーまたは音場との共有自由度だけで構成される縮退マトリクスを生成する。
(4) Degeneration of the dynamic stiffness matrix Subsequently, the
具体的な処理としては、まず縮退部14は、動剛性マトリクス[Z]の各自由度をボデーまたは車室音場と共有している自由度か否かで分類し、行や列の入れ替えにより動剛性マトリクス[Z]を以下のように変形する。ここで、部分行列[Ztaa]は、ボデーとの共有自由度および車室音場との共有自由度(図4のハッチング部分の自由度)をまとめたものである。それ以外の部分行列[Ztoo]、[Ztoa]、[Ztao]の部分は、ボデーと車室音場のいずれとも共有しない自由度である。
そして縮退部14は、下記式により、縮退マトリクス[Ztaa´]を求める。この演算により、ボデーと車室音場のいずれとも共有しない自由度が縮退される。FEMモデルの作り方にもよるが、防音材の動剛性マトリクス[Z]が数十万〜数百万自由度であるのに対し、縮退マトリクス[Ztaa´]は数千〜数万自由度に縮小される。
(5)ボデー・音場の固有モードへ変換
次に変換部15が、(4)で得られた縮退マトリクス[Ztaa´]を、ボデーと車室音場のモーダル自由度で構成されるマトリクス(中間マトリクスとよぶ)[Zthh]へと変換する。ボデーと車室音場のモーダル自由度については、記憶部11に格納されている固有値データ23が参照される。
ここで、[φ]は変換のためのマトリクスであり、[φs]は防音材と共有するボデー自由度の固有モードマトリクス、[φf]は防音材と共有する音場自由度の固有モードマトリクスである。 Here, [φ] is a matrix for conversion, [φs] is an eigenmode matrix of body degrees of freedom shared with the soundproof material, and [φf] is an eigenmode matrix of sound field degrees of freedom shared with the soundproof material. is there.
(6)中間マトリクスの補間
上記(3)〜(5)の処理の繰り返しによって各サンプリング周波数の中間マトリクス[Zthh]が得られる。補間部16は、それらの中間マトリクスを補間することによって、すべての応答計算周波数の中間マトリクスを生成する。補間方法についてはどのような手法を利用してもよい。たとえば、図5の例では、サンプリング周波数の中間マトリクスの成分(●)を3点選び、ラグランジュの2次の補間法を用いて、サンプリング周波数
の間の応答計算周波数における値(○)を算出している。
(6) Interpolation of Intermediate Matrix An intermediate matrix [Zthh] of each sampling frequency is obtained by repeating the processes (3) to (5). The
(7)マトリクスの合成
合成部17は、(6)で求めた各周波数の中間マトリクス[Zthh]をボデーと音場のモーダルマトリクスに合成(加算)し、全系の動剛性マトリクスを得る。
(7) Matrix Synthesis The
(8)モーダル周波数応答計算
振動計算部18は、(7)で求めた動剛性マトリクスを用いて各周波数のモーダル周波数応答計算を実行する。その結果は表示装置などに出力され、車室内の振動や騒音の評価に利用される。
(8) Modal frequency response calculation The
以上述べたように本システムは、複数の周波数について防音材の動剛性マトリクスを求め、各周波数における防音材の自由度をボデー・音場のモーダル自由度へと組み込み、それをモーダル周波数応答計算に用いているので、防音材の周波数依存特性を考慮した精度の良い振動計算が可能となる。しかも、補間処理を用いることにより防音材マトリクスの縮退計算の回数を削減したので、計算時間の一層の短縮を図ることもできる。なお、直接周波数応答計算で約1ヶ月要していた計算が本実施形態の手法では2日程度に短縮された。 As described above, this system calculates the dynamic stiffness matrix of the soundproofing material for multiple frequencies, incorporates the soundproofing material freedom at each frequency into the modal freedom of the body / sound field, and uses it for modal frequency response calculation. Since it is used, it is possible to perform accurate vibration calculation in consideration of the frequency dependence characteristics of the soundproofing material. In addition, since the number of times of degeneracy calculation of the soundproof material matrix is reduced by using the interpolation processing, the calculation time can be further shortened. Note that the calculation that took about one month in the direct frequency response calculation was shortened to about two days in the method of this embodiment.
なお、上記実施形態は本発明の一具体例を例示したものにすぎない。本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、補間処理をやらずに、すべての応答計算周波数についてマトリクスの縮退計算を実行してもよい。上記実施形態よりも計算時間はかかるものの、従来よりも精度の良い振動計算が可能であるし、また直接周波数応答計算に比べたら大幅な時間短縮が可能だからである。 The above embodiment is merely an example of the present invention. The scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea. For example, the matrix degeneracy calculation may be executed for all response calculation frequencies without performing the interpolation process. Although it takes more calculation time than the above embodiment, it is possible to perform vibration calculation with higher accuracy than in the past, and to significantly reduce the time compared to direct frequency response calculation.
1 振動計算システム
10 サンプリング周波数決定部
11 記憶部
12 防音材マトリクス生成部
13 固有値解析部
14 縮退部
15 変換部
16 補間部
17 合成部
18 振動計算部
20 防音材のFEMモデル
21 ボデーのFEMモデル
22 車室音場のFEMモデル
23 固有値データ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記防音材のマトリクスを生成する生成手段と、
前記防音材のマトリクスを、前記構造体および前記音場のモーダル自由度で構成される中間マトリクスへと変換する変換手段と、
前記中間マトリクスを前記構造体および前記音場のモーダルマトリクスに合成する合成手段と、
前記合成されたモーダルマトリクスを用いてモーダル周波数応答計算を行う振動計算手段と、
を備える振動計算システム。 A vibration calculation system for calculating a modal frequency response of a structure provided with a soundproof material between the structure and the sound field,
Generating means for generating a matrix of the soundproofing material;
Converting means for converting the matrix of the soundproof material into an intermediate matrix composed of modal degrees of freedom of the structure and the sound field;
Synthesizing means for synthesizing the intermediate matrix into the structure and the modal matrix of the sound field;
Vibration calculation means for performing a modal frequency response calculation using the synthesized modal matrix;
A vibration calculation system comprising:
前記防音材のマトリクスの自由度のうち、前記構造体と前記音場のいずれとも共有しない自由度を縮退することによって、縮退マトリクスを生成し、
前記縮退マトリクスを前記中間マトリクスへと変換する
請求項1に記載の振動計算システム。 The converting means includes
Among the degrees of freedom of the matrix of the soundproof material, by degenerating a degree of freedom that is not shared with either the structure or the sound field, a degenerate matrix is generated,
The vibration calculation system according to claim 1, wherein the degenerate matrix is converted into the intermediate matrix.
前記変換手段は、前記複数の代表周波数のマトリクスのそれぞれを中間マトリクスへと変換し、その複数の中間マトリクスを補間することによって前記代表周波数の間の周波数に対応する中間マトリクスを生成する
請求項1または2に記載の振動計算システム。 The generating means generates a matrix of the soundproofing material for a plurality of representative frequencies,
The conversion means converts each of the plurality of representative frequency matrices into an intermediate matrix, and generates an intermediate matrix corresponding to a frequency between the representative frequencies by interpolating the plurality of intermediate matrices. Or the vibration calculation system of 2.
請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の振動計算システム。 The generating means generates a matrix of the soundproofing material based on a soundproofing material model modeled by a solid phase having a degree of freedom shared with the structure and an air phase having a degree of freedom shared with the sound field. The vibration calculation system according to claim 1, wherein the vibration calculation system is generated.
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