クラスタ制御を応用した高周波振動試験実現のための加振台形状最適設計

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04581
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute
• Principal Investigator: 福田 良司 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部物理応用技術部機械技術グループ, 上席研究員 (60463030)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金 大貴 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部物理応用技術部機械技術グループ, 研究員 (50847548)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 振動試験 / はり / 振動特性 / クラスタアクチュエーション / クラスタ制御 / 最適設計 / 多目的最適化

Outline of Annual Research Achievements

工業製品の信頼性確認のため古くから振動試験が行われているが，航空宇宙産業では使用環境を考慮して2,000Hz程度までの比較的高い周波数成分を含む振動を与えることが要求されている．また近年の自動車産業においては，電動化やCASEを志向した技術開発が進むにつれ，振動試験も高周波数化の流れがある．
振動試験の高周波数化を進める際にクリアしなければならない課題の一つとして，加振台の1次の固有振動数を上昇させる必要がある．この課題を解決する方法としては，加振台の高剛性化をあげることができるが，具体的には加振台の板厚を増やす，あるいは高密度の材料を使用するといった手段を採ることになる．
本研究では従来の手法とは異なるアプローチから，加振台の固有振動数を上昇させる方法を提案するために次の2つの観点から研究を進め，今後の方針を検討した．
まず1点目は，加振台の締結位置（境界条件）と板厚の関係についての検討を進めた．具体的には「はり」を対象として，両端固定および中央固定の境界条件と，長手方向の厚みを変化させた際の固有振動数について比較し，固有振動数を上昇させるための指針を得た．
2点目として，多目的最適化手法を用いて加振台の形状最適化を試みた．具体的には，1次の固有振動数と，振動試験装置としての加振力という2つのトレードオフの関係にある目的関数を同時に最大化する多目的最適化問題を定義した．トラス構造とシェル構造の加振台を対象に，遺伝的アルゴリズムを多目的最適化問題用に改良した，NSGA-2（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm - 2）とCAEを用いて最適化を試行し，一般的な形状とは異なる加振台形状の指針を得ることができた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

はりを対象とした解析では，境界条件と板厚の関係から固有振動数を上昇させるための指針を得ることができた．また，加振台の形状についても，多目的最適化手法を用いて理論的に達成し得る加振台の最適形状を示すことができた．3年計画の1年目として，固有振動数を上昇させるという目標に対し，具体的な指針を得られたことから，概ね順調に進行していると言える．

Strategy for Future Research Activity

初年度で得られた成果を確認するため，実験を行うことで提案した手法の妥当性を検証する．まずは板厚を変化させた「はり」を用意し，加振実験を行って基本的な特性を確認する．また，クラスタ制御（クラスタアクチュエーション）との組み合わせを前提とした加振台の形状設計を進め，多目的最適化手法を用いて最適形状の検討を進めるとともに，振動試験の加振台として必要な機能を備えた加振台形状の検討を進める予定である．

Causes of Carryover

最適設計計算に用いるワークステーションの購入に際し，半導体不足やコロナ禍の影響を受けて調達に時間を要した．このため，初年度に計画していた実験用のはりや加振台の製作に至らなかったため，次年度使用額が生じた．
2022年度は実験用のはりや加振台の製作を進めて実験を行い，研究を推進する予定である．