2020 Fiscal Year Research-status Report
空気圧浮上搬送装置に発生する自励振動の励振メカニズム解明と制振機構の開発
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20K14683
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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 – 2024-03-31
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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 Annual Research Achievements |
空気圧浮上搬送装置に関する流体構造連成系の解析モデルを構築し，動的安定性解析を行うことで装置および搬送物に発生する自励振動の振動特性と発生条件を示した．特に本解析では，搬送物の運動と空気の流れに加えて，支持構造の弾性変形が連成した流体構造連成系の運動方程式を導出し，支持構造の弾性変形が振動特性と振動発生条件に及ぼす影響を詳細に調べた．既往の空気圧浮上搬送における研究では，支持構造表面に設けた空気供給部の形状がスリットの場合における動的安定性解析と実験が行われたが，実機ではスリットではなく孔から空気を供給する搬送装置が広く利用されている．孔から空気を供給する場合では搬送物下部の空気の流れが複雑になりスリットの場合と流動特性が大きく異なることから，本研究では支持構造表面に設けた空気供給部が多数孔の場合を対象に解析を行い，自励振動の振動特性と発生条件を調べた．そして，孔の配置や径が系の動的安定性に及ぼす影響を明らかにし，自励振動を抑制する配置方法を検討した．また，空気供給孔に加えて支持構造の減衰要素も系の動的安定性に大きな影響を及ぼすことから，簡易実験装置を製作し，解析に加えて実験検証を行うことで減衰要素の影響を調べた．そして，支持構造の減衰が大きい場合では搬送物と支持構造が同位相で振動するモードの臨界流量は上昇する一方，搬送物と支持構造が逆位相で振動するモードの臨界流量は変化が小さいことを明らかにした．このことから，実機に発生する自励振動を制振するには，支持構造に減衰要素を付加することや空気供給部の配置を変更することに加えて，空気の流れを制御し，自励振動の発生原因である流体力による仕事に起因したエネルギ流入を抑制する制振手法も併用する必要があることが明らかになった．このため，自励振動発生時における流体力の仕事分布を解析と実験により調べて，励振メカニズムを考察した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で構築した流体構造連成系の解析手法について，その妥当性を検証するために実験装置を製作し，検証実験を行った．その結果，自励振動が発生する臨界流量について，解析と実験結果は定量的に良く一致し，さらに自励振動発生時の流体力による仕事の分布（エネルギ収支）についても，解析と実験で傾向が一致することを示した．このことから，本研究で構築した解析手法の妥当性を示すことができた．空気圧浮上搬送装置では石炭など多点同時接触問題を伴う集合体を搬送する場合があるため，本研究では今後，構築した流体構造連成系のモデルに個別要素法を組み込み，搬送物の多点同時接触問題を考慮して解析モデルを構築する．前述の通り，本研究で構築した解析手法の妥当性は示しており，これまで課題であった空気の流れ場の連続条件と境界条件，さらに搬送物に作用する力の釣り合い条件を満足するように解析解を求め，自励振動の発生条件を計算することが可能になっていることから，個別要素法を組み込み，搬送物の多点同時接触問題を考慮した解析モデルを構築する準備は完了したと考えている．さらに，搬送物の多点同時接触問題を伴う系に発生する自励振動の基本的な特性を把握するために，実機をモデル化した簡易実験装置を製作し，既に実験検証を行っている．この実験により，搬送物の多点同時接触問題を伴う場合では，搬送物の端部が大きく振動する自励振動が観測された．この結果は解析モデルを構築する上で有益な情報となりうる．一方，この自励振動は，多点同時接触問題を伴う搬送物の運動と空気の流れ，さらに支持構造の弾性変形が連成した極めて複雑な動的不安定現象であり，数値計算による計算コストが大きくなると想定される．上記の進捗について総合的に判断すると，解析モデルに個別要素法を組み込んだ場合の計算コストについて課題が残されているものの，おおむね順調に研究が進んでいると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
実機を対象とした流体構造連成系の厳密な解析手法を構築するために，解析モデルに個別要素法を組み込み，搬送物の多点同時接触問題を考慮する必要がある．この場合，計算コストが大きくなることが想定されるが，本研究では粒子群の衝突現象の効率的な解析手法として近年注目されている個別要素法Non-smooth DEMを用いる．Non-smooth DEMは物体衝突時の衝撃的な接触力をステップ間での平均的な力積として扱い，不連続な変化をするパラメータを効率的に求められる特徴がある．さらに，集合体の摩擦係数や反発係数などの物理的なパラメータも設定できることから，多点同時接触問題を伴う搬送物の解析に最適である．一方，搬送物の多点同時接触問題を考慮した場合の流体力を求めることも計算コストが大きくなることが想定されるが，本研究では計算の一部に数値解析ソフトウェアAnsys fluentを併用して動的流体力の大きさと位相を求めることで計算コストを削減する．そして，動的安定性解析を行うことで空気圧浮上搬送装置に発生する自励振動の振動学的特性を明らかにする．実験では搬送物の多点同時接触，支持構造の弾性変形が伴った自励振動発生時における空気の非定常圧力を測定して流体力による仕事の分布を調べる．そして，解析と実験結果から空気圧浮上搬送装置に発生する自励振動の詳細な励振メカニズムを解明する．さらに本研究では，得られた結果を基に自励振動を制振する機構の開発と検証を行う．現段階では制振機構として空気を供給するチャンバに振動エネルギを散逸するアキュムレータを接続する装置を検討している．詳細な機構は自励振動の詳細な励振メカニズムが明らかになった後に決定するが，まず解析モデルに提案する制振機構を組み込み，解析的に制振効果を調べる．さらに実験検証を行うことで制振機構の妥当性を検証し，実用化が可能になるまで機構の改良を行う．
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| Causes of Carryover |
数値解析およびデータ処理のソフトウェアに支出したが少額が残ったため，次年度の物品費に回すこととした．
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Research Products
(1 results)
