| Project/Area Number |
20K14683
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
武田 真和 青山学院大学, 理工学部, 助教 (40845640)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 流体関連振動 / 空気圧浮上 / 励振メカニズム / 制振機構 / 個別要素法 |
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| Outline of Research at the Start |
空気の圧力により積載物を浮上させて搬送を行う空気圧浮上搬送装置は，条件により積載物と装置に激しい自励振動が発生する．自励振動が発生すると騒音問題や積載物の品質低下を招くため，自励振動を制振する機構が必要となるが，制振機構を開発するためには自励振動発生の励振メカニズムを解明することが課題となる．
そこで本研究では，空気圧浮上搬送装置を対象に解析モデルを構築し，複雑な流れ場の方程式を解くための数値解法と時間変数に対するラプラス変換を併用した動的安定性解析を行う．さらに検証実験を行うことで解析結果の妥当性を検証し，励振メカニズムを解明する．そして，得られた結果を基に自励振動を制振する機構を開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
空気圧浮上搬送装置を対象に数理解析モデルを構築し，実機を対象とした動的安定性解析を実施するために，個別要素法Non-smooth DEMを流体構造連成系の解析モデルへ組み込む準備を進めた．空気浮上式ベルトコンベアなどの体系では，石炭など多点同時接触問題を伴う集合体を浮上搬送するため，より精緻な解析モデルを構築するためには多点同時接触問題を考慮する必要がある．そこで本研究では，空気浮上式ベルトコンベアを対象に，ベルト上に搬送物を模擬した粒子を積載して自励振動発生時にベルトと支持構造（トラフ）および粒子間で多点同時接触が生じる状態を再現するモデルを構築する．そして実機で発生する様々な振動モードが連成した動的不安定状態の解析を実施するが，粒子の摩擦係数や反発係数の取り扱い，また計算の安定性に課題がある．そこで，これまでの研究により粒子数の増加による計算の不安定性や摩擦係数および反発係数の同定方法の確立などの問題を解消し，実現象の解析に適用可能なモデルを構築した．さらに，検証実験用の装置を構築することで，個別要素法Non-smooth DEMにより得られる粒子間の摩擦・衝突に起因した減衰特性の妥当性を評価した．さらに本研究では，動的安定性解析と実験で明らかにした励振メカニズムを基に，制振機構を開発する．これまでに得られた成果により，積載物の振動変位に対するチャンバ内圧力変動の位相進みを緩和する機構が制振に大きく寄与することが明らかとなった．そこでチャンバに圧力変動を抑制する副室を接続し，さらにチャンバと副室間の流体抵抗の効果により位相進みを緩和させる機構を提案した．この基礎検証として実験装置に副室を接続して検証実験を行い，自励振動の振幅を大きく低減させることが可能であることを示した．また，系の解析モデルを構築し，解析モデルを基に自励振動の制振に寄与するパラメータを考察した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
空気圧浮上搬送装置は搬送する対象物の重量や形状により，チャンバやトラフ表面に設けた空気供給部の配置や形状が異なる．ガラス基板など，搬送装置表面との接触が製品の品質に大きく影響するものでは空気供給部の形状を小さい孔とし，多数の孔を広い領域に設けて空気を供給する場合がある．これは，搬送物下部に作用する空気の定常圧力を広い領域で一定とし，搬送物と装置が接触するリスクを低減する効果があるが，系に供給される励振エネルギが増加し自励振動が発生する臨界流量が低下する．このため，動的安定性解析により詳細な自励振動発生条件を明らかにして制振機構を開発する必要があるが，多数の孔から空気を供給する系では，浮上解析（定常解析）において計算時間が増大する問題が生じる．そこで本研究では，計算コストを低く抑えつつ精度を確保した解析を行うために，多孔質体を流れる流体の圧力勾配の計算などに用いられるDarcy-Forchheime則を適用した解析モデルを構築し，実験によりその妥当性を検証した．このモデルを用いることで計算コストを低減することが可能であることを示したが，搬送物の弾性変形や個別要素法を組み込んだ場合の検証は十分ではなく，引き続きモデルの構築と改良が必要である．また，本研究ではチャンバに副室を接続する制振機構を提案し，その制振効果を検証することで搬送物と支持構造に発生する自励振動の振幅が大きく減少することを示したが，一部のパラメータでは自励振動が発生する臨界流量が低下することが観測された．これは副室とチャンバを接続する配管の抵抗が少なく，結果として自励振動を励起する圧力変動の位相進みを緩和させる効果が不足したためだと推測される．このため，配管を含めた副室のパラメータ設定の改善が必要である．上記の進捗について総合的に判断した結果，複数の課題が残っており，計画よりもやや遅れていると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
主な推進方策は前年度に引き続き流体構造連成問題に個別要素法Non-smooth DEMを導入したモデルを構築すること，ならびに制振機構の開発である．前年度の研究では，空気供給部が多数の孔の系においてDarcy-Forchheimer則を適用した解析モデルを構築し，計算コストを抑えて自励振動発生条件を計算できることを示した．一方，個別要素法を適用した場合の検証は実施できていないため，今後は解析モデルに個別要素法を適用し，搬送物である集合体の多点同時接触問題を考慮した動的安定性解析を実施する．さらに，非定常流体力の圧縮性や粘性に関する因子に加えて，粒子間の摩擦や衝突などの因子が自励振動の発生に及ぼす影響を考察し，詳細な励振機構を明らかにする．そして，得られた結果を考慮し，前年度に提案したチャンバに副室を接続する制振機構を改良する．解析モデルを基にした考察により，副室の体積とチャンバ副室間の配管の長さおよび径の大きさが制振において特に重要な因子であることを明らかにし，さらに実験により自励振動の振幅が抑制可能であることを示したが，パラメータによっては自励振動が発生する臨界流量が低下する問題が生じた．このため，チャンバと副室を接続する配管を含めて，副室のパラメータを再検討するが，自励振動を励起する空気の圧力変動の位相進みを緩和させるためには，副室とチャンバを接続する配管の抵抗を適切に決める必要がある．そこで，動的安定性解析と実験により，配管抵抗を含めたパラメータの効果を詳細に検討し，制振効果の向上を目指す．また，副室内容積が変動する機構を併用することで，圧力変動の振幅を減少させることが可能であり，この振幅低減により励振エネルギが減少することが想定される．この機構の効果についても解析と実験により検証を行う．そして，得られた結果を整理することで，空気圧浮上搬送装置の制振機構を確立する．
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