JP6432238B2 - Vibration analysis apparatus and vibration analysis method - Google Patents
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Description
本発明は、振動解析装置および振動解析方法に関する。 The present invention relates to a vibration analysis apparatus and a vibration analysis method.
機械装置や電子機器は、振動や衝撃によって故障を起こす可能性がある。このため、予想される振動や衝撃に対する規格を定め、事前に試験を行うことが一般的に行われている。そして仕様を満たす条件で試験を実施するための装置が種々開発されている。 Mechanical devices and electronic devices can be damaged by vibrations and shocks. For this reason, it is a common practice to set standards for anticipated vibrations and shocks and conduct tests in advance. Various devices have been developed for performing tests under conditions that satisfy the specifications.
例えば特許文献1には、電子機器を搭載したプレートに打撃を与え、プレートの加速度データを解析する装置が開示されている。この技術では、ウェイトとバネからなる振動系をプレートに付加している。そして、バネ及びウェイトを調整することによって、振動系の固有振動数を所定の値に設定することが可能である。
For example,
しかしながら、特許文献1の衝撃試験器では、設定できる固有振動数が離散的であるという問題点があった。バネ、ウェイトの組み合わせで固有振動数を調整するため、設定できる固有振動数には自ずと限りがあった。
However, the impact tester disclosed in
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、固有振動数を連続的に調整可能な振動解析装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a vibration analyzing apparatus capable of continuously adjusting the natural frequency.
上記の課題を解決するため、本発明の振動解析装置は、棒状の支柱と、前記支柱の所定位置を固定する固定手段と、板状のプレートと、前記固定手段からの距離を調節して前記プレートを前記支柱に締結する締結手段と、前記プレートの振動を解析する振動解析手段と、を有している。 In order to solve the above-described problem, the vibration analyzing apparatus of the present invention adjusts the distance from the rod-shaped column, the fixing unit that fixes a predetermined position of the column, the plate-shaped plate, and the fixing unit. Fastening means for fastening the plate to the column and vibration analysis means for analyzing the vibration of the plate.
本発明の効果は、振動系の固有振動数を任意の値に調整しやすいことである。 The effect of the present invention is that the natural frequency of the vibration system can be easily adjusted to an arbitrary value.
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態を示す斜視図である。振動解析装置は、棒状の支柱1と、支柱1の所定位置を固定する支柱固定手段2と、板状のプレート3と、を有している。締結手段4は、固定手段2からの距離を任意に調節してプレート3を支柱1に締結する。そして、プレート3の振動を解析する振動解析手段5を有している。なお、図1では振動解析手段5は、プレート3に接触するタイプのセンサを有するように描いているが、図1に限定されず、種々の方式を取り得る。例えば加速度計測には、機械的変位測定、光学式変位測定、振動変化測定などを用いることがでる。そして、それぞれに応じた解析を行うことができる。すなわち本実施の形態は、具体的な振動解析手法には限定されない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing the first embodiment. The vibration analysis apparatus includes a rod-
上記の構成では、支柱固定手段2と締結手段4との距離を調整することにより、支柱1のねじりバネ定数が変化する。これに伴い、支柱1のねじり方向の固有振動数が変化する。距離が長いほどねじりバネ定数および固有振動数は小さくなり、短いほどねじりバネ定数および固有振動数は大きくなる。即ち振動系の固有振動数を簡単かつ連続的に調整し、振動を解析することができる。
(第2の実施の形態)
図2は、第2の実施の形態を説明するための振動系の側面図である。ここで、支柱固定手段2と締結手段4(プレート3)との距離をL、支柱1のねじりバネ定数をk、プレート3の慣性モーメントをJとする。この系で支柱1のねじりバネ振動について考察する。
In the above configuration, the torsion spring constant of the
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a side view of a vibration system for explaining the second embodiment. Here, the distance between the support fixing means 2 and the fastening means 4 (plate 3) is L, the torsion spring constant of the
ここで支柱1の単位長さあたりのねじり角をθとすると、ねじり振動の運動方程式は下記となる。
Here, when the torsion angle per unit length of the
これは単振動の方程式であるから、解くことができて、固有振動数fは下記となる。
Since this is an equation of simple vibration, it can be solved and the natural frequency f is as follows.
ここで支柱1を、断面が真円の均質な丸棒と仮定すると、支柱1をねじるのに必要なトルクから、ねじりバネ定数kを計算することができる。kは支柱の弾性係数をGとして次式によって表される。
Assuming here that the
すなわち、ねじりバネ定数kは距離Lに反比例する。そして式3を式2に代入することにより、次式を得る。
That is, the torsion spring constant k is inversely proportional to the distance L. Then, by substituting
式(4)より、固有振動数fはL−1/2に比例することが分かる。したがって、Lを大きくすることによってfを小さくし、Lを小さくすることによってfを大きくする、ように調整することができる。 From the equation (4), it can be seen that the natural frequency f is proportional to L −1/2 . Therefore, it is possible to adjust so that f is decreased by increasing L and f is increased by decreasing L.
なお式(4)から明らかなように、支柱1をGの異なる材質に変えることでもfを変えることができる。Gを大きくすればfは大きくなり、Gを小さくすればfは小さくなる。支柱1の材質は、例えばアルミ材、鋼材などの各種金属材料である。試験に適したGを有する材質を選択することができる。
(第3の実施の形態)
図3は、振動系の具体例を示す側面図である。支柱1は、基礎面6に固定された支柱固定手段2に固定され、ガイド7、ガイド8によって支持されている。またプレート3は締結手段4によって、支柱固定手段2からLの距離に締結されている。支柱1には目盛9が刻印されている。目盛9は、一定間隔ごとに印刷、または刻印などによって、印が記されたものである。目盛9を用いることで、距離Lの調整をより容易にしている。この例では、支柱固定手段2は基礎面6に固定され、ガイド7、8は、L調整時には、基礎面6沿って移動することができるようになっている。支柱固定手段2、締結手段4それぞれが把持する支柱1の位置を調整することにより、距離Lを調整することができる。
As is clear from equation (4), f can also be changed by changing the
(Third embodiment)
FIG. 3 is a side view showing a specific example of the vibration system. The
図4は、この振動系をプレート3の上面方向(図3の紙面右方向)から見た時の側面図である。ガイド8の支柱支持部には、支柱のねじりを妨げないように、低摩擦部材やベアリングなどの滑動手段10が設けられている。この構成で、図4のようにプレート3の面内方向に向いた力積11が加えられると、プレート3および支柱1を含む振動系にねじり振動が発生する。この振動を振動解析手段5によって解析する。この時、プレート3に供試体12を固定しておけば、供試体12の振動、衝撃試験を行うことができる。上述したように、本発明では、ねじり振動の固有振動数を連続的に調整できる。したがって、力積11と固有振動数とを調整し、供試体12の仕様に適合した条件で、振動、衝撃試験を行うことができる。
(第4の実施の形態)
図5は第4の実施の形態を示す側面図である。本実施の形態では、支柱1を基礎面6と垂直に、プレート3を基礎面6と平行に配置している。そしてプレート3が重力で撓むことを防ぐため、プレート3の下部をジャッキ13で支持している。ジャッキ13の上端にはプレート3の動きを妨げないように低摩擦部材やボールローラなどの滑動手段14を設けている。
FIG. 4 is a side view of the vibration system as viewed from the upper surface direction of the plate 3 (the right direction in FIG. 3). A sliding means 10 such as a low friction member or a bearing is provided on the support portion of the
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a side view showing the fourth embodiment. In the present embodiment, the
図5に示すようにプレート3の面内方向に向かう力積11を加えることにより、支柱1のねじり方向にねじり振動が発生する。実施の形態3と同様、距離Lと力積11とを調整することにより、供試体12の仕様に適合した振動、衝撃試験を行うことができる。
As shown in FIG. 5, torsional vibration is generated in the torsional direction of the
本実施の形態ではプレート3が基礎面6と平行に配置されているため、作業性が良い。
(第5の実施の形態)
図6は本実施の形態を示す側面図である。本実施の形態は第4の実施の形態の変形例である。支柱1が、ねじり方向以外の運動をしないように、ガイド7、ガイド8が支柱1を支持している。ガイド7、8はガイドベース15によって支持されている。また図示はしていないが、ガイド7、8の支柱支持部には滑動手段が設けられている。
In this embodiment, since the
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a side view showing the present embodiment. This embodiment is a modification of the fourth embodiment. The guide 7 and the
本実施の形態では、支柱1のねじり方向以外の運動が抑制されているため、より精度の高い試験を行うことができる。
(第6の実施の形態)
図7は本実施の形態を示す平面図である。本実施の形態では、支柱1の断面形状とプレート3の締結手段4の具体例を示す。締結手段4は、支柱1が略嵌合する空隙と割り16を有する割締め構造となっている。支柱1を空隙部に嵌合し、ボルト17で割り16を狭めることにより、プレート3を支柱1に締結している。
In the present embodiment, since the movement of the
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a plan view showing this embodiment. In the present embodiment, a specific example of the cross-sectional shape of the
図7(a)は支柱1の断面が円形、図7(b)は楕円、図7(c)は矩形、図7(d)は多角形(八角形)の例を示している。(a)のように支柱1の断面が円形を場合、応力の局所的な集中が無い。また、慣性モーメント、ねじりバネ定数、固有振動数などの計算がしやすい。このため精度の高い試験を行うことができる。反面、大きな力積が加わると締結がずれる恐れがある。一方、図7(b)、(c)、(d)の場合は、大きな力積に対しても締結がずれにくいという利点がある。なお、ここでは中実(内部まで均質)な支柱を例示したが、中空の支柱であっても良い。また、L字、H字などの断面を持った支柱を用いることも可能である。
7A shows an example in which the cross section of the
断面形状が複雑な場合には、ねじりバネ定数や固有振動数を計算できない場合も考えられるが、長さLと固有振動数の関係を実験から求めればよい。Lが大きくなるほど固有振動数fが小さくなる性質に変わりはないため、この場合も、Lを調整することによって、連続的にfを調整することができる。
(第7の実施の形態)
図8は第7の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態の、振動解析装置は、締結手段4としてメカロック18を有している。メカロック18は、内輪18a、外輪18b、ボルト18cを有している。
If the cross-sectional shape is complicated, the torsion spring constant and the natural frequency may not be calculated, but the relationship between the length L and the natural frequency may be obtained from an experiment. Since there is no change in the characteristic that the natural frequency f decreases as L increases, f can be continuously adjusted by adjusting L in this case as well.
(Seventh embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a seventh embodiment. The vibration analysis apparatus according to the present embodiment has a mechanical lock 18 as the fastening means 4. The mechanical lock 18 includes an inner ring 18a, an outer ring 18b, and a bolt 18c.
外輪18bをプレート3の座ぐりに嵌合し、内輪18aが外輪18bに嵌合し、支柱1を内輪18aに通した状態でボルト18cを締めることで、プレート3が支柱1に対して強く締結される。
The outer ring 18b is fitted to the counterbore of the
本実施の形態によれば、プレート3を支柱1に対して強固に締結できるため、振動、衝撃試験の精度を高くすることができる。なお締結強度は若干落ちるがプレートの座ぐりは設けなくても良い。
According to the present embodiment, since the
第6、7の実施の形態では締結手段4の具体例を2例示したが、本発明に適用する締結手段はこれに限られるものではなく、周知の技術を適宜適用することができる。
(第8の実施の形態)
図9は第8の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態では、振動解析手段5および振動解析装置全体の具体的な構成を示す。振動系としては、他の実施の形態と同様、支柱1、プレート3、締結手段4を有している。振動解析手段5としては、加速度ピックアップ19と、データ収集手段20と、データ解析手段21と、を有する。また振動解析装置は、プレート3に力積11を入力する力積入力手段30を備えている。
In the sixth and seventh embodiments, two specific examples of the fastening means 4 are illustrated, but the fastening means applied to the present invention is not limited to this, and a known technique can be applied as appropriate.
(Eighth embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing the eighth embodiment. In the present embodiment, specific configurations of the vibration analyzing means 5 and the entire vibration analyzing apparatus are shown. As the vibration system, the
力積入力手段30は、プレート3に対し面内方向に向かう力積11を加える。力積入力手段30は、例えば、ハンマや衝突体、振動発生器、爆薬などである。
The impulse input means 30 applies an
なお図示はしていないが、プレート3が力積を受ける力積入力部には、各種金属材料やゴム、プラスチックなどの樹脂材料を設けても良い。力積入力部の材質を変更することにより、力積入力時間を変化させることが可能である。
Although not shown, the impulse input portion on which the
加速度ピックアップ19は、プレートの加速度に応じた信号を発生する。加速度の測定には機械的変位測定、光学式変位測定、振動変化測定などを用いることができる。
The
データ収集手段20は、加速度ピックアップ19で取得された信号をメモリ内に蓄積する。また必要に応じて、アナログ−デジタル変換などを行う。
The
データ解析手段21は、データ収集手段20から受信した信号に基づいて振動解析を行う。振動解析手段21は、例えばパソコンなどのコンピュータによって実現され、表示手段その他の入出力手段を備えることができる。
The
本実施の形態によれば、汎用的な部品、装置を用いて振動解析装置を構成することができる。
(第9の実施の形態)
図10は、第9の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態は第8の実施の形態と同じ基本構成をしている。そして衝撃応答スペクトル(Shock Response Spectrum、以下SRS)試験に適した構成となっている。このために、力積入力手段30の一部に、衝撃力を入力する衝撃力入力手段31を有している。また振動解析手段21には、SRS解析手段22を有している。
According to the present embodiment, it is possible to configure the vibration analysis device using general-purpose components and devices.
(Ninth embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing the ninth embodiment. The present embodiment has the same basic configuration as the eighth embodiment. And it is the structure suitable for a shock response spectrum (Shock Response Spectrum, SRS) test. For this purpose, the impulse input means 30 has an impact force input means 31 for inputting an impact force. The vibration analyzing means 21 has an SRS analyzing means 22.
ここで、SRSについて説明する。衛星搭載機器のような、大きな衝撃が加わる電子機器は、耐衝撃性の評価が必要となる。この評価には、SRSで表現する方法が用いられている。 Here, SRS will be described. An electronic device that receives a large impact such as a satellite-mounted device needs to be evaluated for impact resistance. For this evaluation, a method expressed by SRS is used.
SRSは横軸振動数、縦軸加速度で表現される。所定の衝撃加速度波形に対するSRSは以下の手順によって求められる。まず所定の衝撃加速度波形を、ある固有振動数を持つ1自由度バネ・マス・ダンパ系に与え、この時に生じる最大加速度を求める。次いで別の固有振動数を持つ1自由度バネ・マス・ダンパ系に同じ衝撃加速度波形を与えた時に生じる最大加速度を求める。様々な固有振動数について同様の計算を行い、横軸に固有振動数、縦軸に最大加速度をプロットしたものがSRSである。例えば、SRSが、1000Hzで1000Gを示している場合、その衝撃は1000Hzの固有振動数を持つ1自由度バネ・マス・ダンパ系のマス部分に、最大1000Gの加速度が加わるという意味を持つ。 SRS is expressed by a horizontal axis frequency and a vertical axis acceleration. The SRS for a predetermined impact acceleration waveform is obtained by the following procedure. First, a predetermined shock acceleration waveform is applied to a one-degree-of-freedom spring / mass / damper system having a certain natural frequency, and the maximum acceleration generated at this time is obtained. Next, the maximum acceleration generated when the same shock acceleration waveform is applied to a one-degree-of-freedom spring / mass / damper system having another natural frequency is obtained. SRS is obtained by performing similar calculations for various natural frequencies, and plotting the natural frequency on the horizontal axis and the maximum acceleration on the vertical axis. For example, when the SRS indicates 1000 G at 1000 Hz, the impact means that a maximum acceleration of 1000 G is applied to the mass portion of the one-degree-of-freedom spring-mass-damper system having a natural frequency of 1000 Hz.
図11はSRS仕様の一例である。このようなSRS仕様がX,Y,Zの3方向に与えられる。SRS仕様には主に、傾き、折れ点振動数、最大加速度、トレーランスと呼ばれる幅、が指定される。この仕様は事前に実験や解析によって求められ、衝撃試験では試験仕様を満たす衝撃を発生させて試験を行う。 FIG. 11 is an example of the SRS specification. Such SRS specifications are given in three directions of X, Y, and Z. In the SRS specification, the inclination, the break frequency, the maximum acceleration, and the width called tolerance are mainly designated. This specification is obtained in advance by experiment and analysis. In the impact test, an impact that satisfies the test specification is generated and the test is performed.
SRS仕様は傾き、折れ点振動数、最大加速度、で指定されることを述べたが、これらの値は衝撃波形によって決まる。特に折れ点振動数は衝撃波形の支配的な振動数で決まる。例として単一振動数の加速度波形のSRSを図12に示す。ここでは加速度振幅1G、振動数800Hzの加速度波形(図12(a))と、その時のSRS波形(図12(b))の例を示している。試験仕様として異なる折れ点振動数が指定された場合、衝撃の振動数を変更する必要がある。 Although it has been stated that the SRS specification is specified by inclination, bending point frequency, and maximum acceleration, these values are determined by the impact waveform. In particular, the break frequency is determined by the dominant frequency of the shock waveform. As an example, an SRS of a single frequency acceleration waveform is shown in FIG. Here, an example of an acceleration waveform having an acceleration amplitude of 1 G and a vibration frequency of 800 Hz (FIG. 12A) and an SRS waveform at that time (FIG. 12B) is shown. When different breakpoint frequencies are specified as test specifications, it is necessary to change the shock frequency.
次にSRS仕様に基づく衝撃試験の手順について説明する。なお、ここでは支柱1が、断面が真円の中実丸棒であるとする。
Next, an impact test procedure based on the SRS specification will be described. Here, it is assumed that the
1)まず、試験仕様のSRSから折れ点振動数を読み取る。この振動数をfaとする。 1) First, the break frequency is read from the SRS of the test specification. Let this frequency be fa.
2)次に、プレート3に供試体12と質量が同じ調整用供試体を固定する。この時の固定手段2と締結部4の距離Lbを記録する。そして、第2の実施の形態の式(3)を用いて、この時のねじりバネ定数kbを算出する。
2) Next, an adjustment specimen having the same mass as that of the
3)その後、衝撃力入力手段によって、プレート3の衝撃入力部に試験仕様の衝撃力を与える。衝撃の入力方法としては、例えば、ハンマや弾丸などの衝突体を衝突させる、衝撃入力部に爆薬を設置し爆発させる、などの方法がある。
3) Thereafter, the impact force of the test specification is applied to the impact input portion of the
4)次に実測データから振動数fbと、最大加速度を算出する。振動数の算出は、例えば高速フーリエ変換などによって行う。そして第2の実施の形態の式(2)を用いて、調整用供試体を含めた慣性モーメントJを求める。
4) Next, the frequency fb and the maximum acceleration are calculated from the actually measured data. The frequency is calculated by, for example, fast Fourier transform. Then, using the equation (2) of the second embodiment, the moment of inertia J including the specimen for adjustment is obtained.
5)次に求めたJと、目標とする固有振動数faを第2の実施の形態の式(2)に代入して、faを実現するためのねじりバネ定数kaを求める。
5) Substituting the obtained J and the target natural frequency f a into equation (2) of the second embodiment to obtain a torsion spring constant ka for realizing f a .
5)次いで、第2の実施の形態の式3を用いて、kaを実現するためのLaを求める。
5) Next, La for realizing k a is obtained using
6)次に、このLaになるように支柱固定手段と締結手段との距離Lを調整する。 6) Next, the distance L between the support fixing means and the fastening means is adjusted so as to be La.
7)次に、再度プレート3に衝撃力を与え、振動数が目的の振動数faになっていることを確認する。
7) Next, an impact force is applied to the
8)次に、調整用供試体を、試験を行う供試体12と交換してプレート3に固定し、衝撃試験を行う。これにより、衝撃試験が完了する。
8) Next, the specimen for adjustment is replaced with the
以上、本実施の形態によれば、試験条件をSRS仕様に合致するように調整して試験を行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, the test can be performed by adjusting the test conditions so as to match the SRS specifications.
なお、支柱1の断面が真円以外の場合には、それぞれ適した計算を行うか、実験的にLとfとの関係を求めるかして、同様の調整を行うことができる。
In addition, when the cross section of the support |
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。 The present invention has been described above using the above-described embodiment as an exemplary example. However, the present invention is not limited to the above embodiment. That is, the present invention can apply various modes that can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention.
1 支柱
2 支柱固定手段
3 プレート
4 締結手段
5 振動解析手段
6 基礎面
7、8 ガイド
9 目盛
10 滑動手段
11 力積
12 供試体
13 ジャッキ
14 滑動手段
15 ガイドベース
16 割り
17 ボルト
18 メカロック
19 加速度ピックアップ
20 データ収集手段
21 データ解析手段
22 SRS解析手段
30 力積入力手段
31 衝撃力入力手段
DESCRIPTION OF
Claims (8)
板状のプレートと、
前記固定手段からの距離を調節して前記プレートを前記支柱に締結する締結手段と、
前記プレートの振動を解析する振動解析手段と、
前記プレートの面内方向に力積を入力する力積入力手段と
を有することを特徴とする振動解析装置。 A rod-shaped column and fixing means for fixing a predetermined position of the column;
A plate-shaped plate;
Fastening means for adjusting the distance from the fixing means to fasten the plate to the support;
Vibration analysis means for analyzing the vibration of the plate;
A vibration analysis device comprising impulse input means for inputting impulse in an in-plane direction of the plate .
ことを特徴とする請求項1に記載の振動解析装置。 The column has a circular cross-sectional shape;
The vibration analysis apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の振動解析装置。 The column has an elliptical or polygonal cross-sectional shape;
The vibration analysis apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3いずれか一項に記載の振動解析装置。 It has a guide that suppresses movement other than the torsional direction of the column,
The vibration analysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4いずれか一項に記載の振動解析装置。 Plate support means for supporting the plate with low friction;
The vibration analysis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration analysis apparatus according to any one of claims 1 to 4 is provided.
前記振動解析手段がSRS解析手段を有している、The vibration analysis means has SRS analysis means;
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5いずれか一項に記載の振動解析装置。The vibration analysis apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the vibration analysis apparatus according to any one of claims 1 to 5 is provided.
前記所定位置からの距離を調節してプレートを前記支柱に締結し、Adjust the distance from the predetermined position to fasten the plate to the column,
前記プレートの面内方向に力積を入力しInput impulse in in-plane direction of the plate
前記プレートの振動を解析する、ことを特徴とする振動解析方法。A vibration analysis method comprising analyzing vibrations of the plate.
ことを特徴とする請求項7に記載の振動解析方法。The vibration analysis method according to claim 7.
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