JP3924223B2 - Time history response analysis program - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
機械システムなどの過渡的および定常的な挙動を解析する時刻歴応答解析プログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、機械システムや、電子回路システムにおいて、その動作の最適化を図るなどの目的で、過渡的および定常的な振動現象などを解析することが必要であり、多くの解析法が提案されている。
【0003】
(1)機械システム(特許文献1)や電子回路(特許文献2)の時刻歴応答解析法
特許文献1には、常微分方程式で示される油圧・制御・車両系の機械システムの過渡振動を数値積分法で解析することが示されている。また、特許文献2には、電子回路の過渡振動現象を高速・高精度に解析する数値積分法が示されている。
【0004】
(2)線形な機械システムの周波数応答解析法(特許文献3、4)
特許文献3、4には、車両や一般構造物を対象として、線形要素から構成される機械システムの周波数応答を解析することが示されている。また、実験モード解析の結果を使って、機械システムに作用する外力や、構造体の質量行列・剛性行列を同定する方法が示されている。
【0005】
(3)市販の機構・振動解析ソフト
また、機械システムの振動・運動の時刻歴応答解析を行う汎用ソフトが市販されており、制御要素として2次遅れ系の伝達関数要素を備えているものが知られている。市販の機構・振動解析ソフトとしては、LMS International 社の機構解析プログラム「DADS(Dynamic Analysis and Design System) Rivision 8.0」等がある。
【0006】
また、物体変位・振動解析方法を利用した汎用のエンジン振動解析ソフトについては、特許文献5に記載がある。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−83252号公報
【特許文献2】
特開2001−357093号公報
【特許文献3】
特開2002−73703号公報
【特許文献4】
特開2001−350741号公報
【特許文献5】
特開2000−305922号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来の手法では、次のような問題がある。
【0009】
(1)機械システム(特許文献1)や電子回路(特許文献2)の時刻歴応答解析法
非線形なばね・減衰要素を含む機械システムの過渡的な振動・運動解析は可能であるが、ゴム部品など周波数依存性の大きなばね・減衰要素を含む機械システムの解析は不可能である。
【0010】
(2)線形な機械システムの周波数応答解析法(特許文献3、4)
ゴム部品など周波数依存性の大きなばね・減衰要素を含む機械システムの周波数応答解析は可能であるが、過渡的な振動・運動の解析や,非線形なばね・減衰要素を含む機械システムの振動解析は不可能である。
【0011】
(3)市販の機構・振動解析ソフト
2次遅れ系の伝達関数要素を利用すれば、限られた周波数特性のばね・減衰要素は解析可能である。しかし、次数が限定されているため、任意の周波数特性をもつばね・減衰要素に対応できない。
【0012】
本発明の目的は、任意の周波数特性をもつばね・減衰要素と,任意の非線形性をもつばね・減衰要素をが共存するシステムの過渡的および定常的な振動挙動の解析を可能にすることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、システムの過渡的および定常的な挙動を解析する時刻歴応答解析プログラムであって、周波数特性を有するシステムの構成要素の振動および減衰特性を周波数領域の伝達関数として表現するステップと、得られた周波数伝達関数をラプラス変換のs平面上の伝達関数に変換するステップと、得られたs平面上の伝達関数をz変換のz平面上の伝達関数に変換するステップと、得られたz平面上の伝達関数に逆z変換を施して、離散時間領域における入力変位と出力の関係式を導くステップと、得られた関係式と、他の非線形要素の動特性を考慮して、システムの挙動を示す微分方程式を時間領域で数値積分するステップと、をコンピュータに実行させ、システムの挙動の時刻歴応答を解析することを特徴とする。
【0014】
このように、本発明によれば、周波数領域で表現された伝達関数から、ラプラス変換とz変換の理論を利用して離散時間領域における入力と出力の関係式を導く。これによって、システムの挙動を示す微分方程式の時刻歴応答解析を行う数値積分の中で、伝達関数要素に発生する出力の計算が可能となる。従って、任意の周波数依存性を有する要素を含むシステムの周波数応答解析が可能であるとともに、過渡的な振動の解析や、非線形なばね・減衰要素を含むシステムの振動解析が可能となる。
【0015】
また、本発明は、周波数特性をもつばね・減衰要素と、非線形性をもつばね・減衰要素が共存する動的システムの過渡的および定常的な振動挙動を解析する時刻歴応答解析プログラムであって、動的システムの構成要素において,そのばね・減衰特性(動剛性)が周波数依存性を持つ場合に,その動剛性を周波数領域の伝達関数(出力荷重と入力変位の比)として表現するサブプログラムと、得られた周波数伝達関数をラプラス変換のs平面上の伝達関数に変換するサブプログラムと、得られたs平面上の伝達関数をz変換のz平面上の伝達関数に変換するサブプログラムと、得られたz平面上の伝達関数に逆z変換を施して、離散時間領域における入力変位と出力荷重の関係式を導くサブプログラムと、得られた関係式と他の非線形要素の動特性を考慮して、動的システムの挙動の方程式を時間領域で数値積分するサブプログラムと、を有し、これらサブプログラムを組み合わせてコンピュータに実行させることによって、動的システムの振動挙動を解析することを特徴とする。
【0016】
このように、本発明によれば、周波数領域で表現された伝達関数から、ラプラス変換とz変換の理論を利用して離散時間領域における入力変位と出力荷重の関係式を導く。これによって、運動方程式の時刻歴応答解析を行う数値積分の中で、伝達関数要素に発生する出力荷重の計算が可能となる。従って、ゴム部品など周波数依存性の大きなばね・減衰要素を含む機械システムの周波数応答解析が可能であるとともに、過渡的な振動・運動の解析や、非線形なばね・減衰要素を含む機械システムの振動解析が可能である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、説明する。
【0018】
本発明は、コンピュータプログラムに関するものであり、通常の汎用コンピュータがプログラムの実行に利用される。プログラムは各種記録媒体の他、通信などで提供することも可能であり、提供形態が限定されるものではない。
【0019】
まず、図1に、解析対象の機械システムの構成図を示す。構造体10は、単独あるいは複数の部品で構成される弾性体および剛体要素である。外力feは、時刻tの関数fe(t)として構造体に作用する。非線形要素12は、軸受油膜やばね・減衰要素など、構造体の変位xと速度dx/dtに依存して出力荷重(反力)fNを構造体10に返す要素である。その出力荷重fNは次式のように、構造体10の変位xと速度dx/dt(図においては、時間微分をドットで表している)に関する非線形関数として表現される。
【数1】
【0020】
伝達関数要素14は、本発明で新たに解析を可能にする要素である。伝達関数要素14は、ゴムの支持部品のように、ばね特性が周波数ωの伝達関数H(ω)で表現されるばね要素(動剛性要素)で、構造体の変位に依存して、出力荷重(反力)fを構造体10に返す。
【0021】
このシステムでは、構造体10に印加される力は、fe、fN、fであり、構造体10の変位がxである。そこで、このシステムのダイナミクスを表す運動方程式は、次のように表される。
【数2】
【0022】
ここで、xは構造体の変位ベクトル、Mは構造体の質量行列、Cは減衰行列、Kは剛性行列を表す。
【0023】
この運動方程式を時刻歴応答解析する場合に、周波数領域で表現された伝達関数要素14の出力荷重(反力)fをどのように計算するかが、ポイントとなる。
【0024】
「伝達関数要素の定義」
ゴム部品などの伝達関数H(ω)は、入力変位xと出力荷重fの周波数スペクトルX(ω),F(ω)の比として次式のように定義される。
【数3】
【0025】
ここで、周波数スペクトルX(ω),F(ω)および伝達関数H(ω)は、複素数として表現する。
【0026】
図2に伝達関数の一例を示す。一般に,ゴム部品などの伝達関数H(ω)は加振実験やFEM解析(有限要素解析)で求めることができる。
【0027】
「伝達関数要素の解析方法」
図3に、伝達関数要素14の定式化の手順を示す。
【0028】
(i)伝達関数の変換その1(ラプラス変換のs平面上の関数へ変換)
まず、式(3)により、周波数ωの関数として表現された伝達関数H(ω)を、次式で表現されるラプラス変換のs平面上の関数に変換する。
【数4】
【0029】
ここで、nは伝達関数の次数、An〜A0およびBn〜B0は定数、An≠0である。
【0030】
特に、FEM解析や実験モード解析などにより、予め伝達関数H(ω)がωの多項式関数として求められている場合は、次の変換式で容易に式(4)の伝達関数を得ることができる。
【数5】
【0031】
また、加振実験により、伝達関数H(ω)が離散データとして与えられている場合には、最小二乗法などの同定手段により式(4)の各係数を求める。
【0032】
(ii)伝達関数の変換その2(z平面上の関数へ変換)
式(4)で表現される伝達関数を、時刻歴応答解析の数値積分で扱えるようにするため、離散時間が表現できるz平面上の伝達関数に変換する。ここで、数値積分の時間ステップをdtとする。
【0033】
式(6)に示すs→zの変換公式(Tustin変換)を式(4)に代入することにより、式(7)に示すz平面上の伝達関数を得ることができる。
【数6】
【数7】
【0034】
なお、このz平面への変換は、Tustin変換に限定されることなく、Zero次ホールド変換などを利用することもできる。このZero次ホールド変換の場合、式(6)に代えて、s=(z−1)/dtが採用される。
【0035】
(iii)時刻歴応答解析における伝達関数の漸化式
式(7)の伝達関数から、数値積分で扱える離散時間の漸化式を導く。入力変位xのz変換をX(z)、出力荷重fのz変換をF(z)とすると、入・出力の関係は、式(7)の伝達関数H(z)を用いて、次のように表される。
【数8】
【0036】
式(7)を式(8)に代入することにより、式(9)が得られる。
【数9】
【0037】
式(9)に逆z変換を適用すると、式(10)が得られる。
【数10】
【0038】
ここで、xi-k,fi-k(k=0,1,2,...,n)は、入力と出力の離散時間データを表す。
【0039】
式(10)は、入・出力の過去n個分の履歴データ、時刻iの入力xi、および伝達関数の係数から、時刻iの出力fiが計算できることを示す。よって、式(10)は、時刻歴応答解析の数値積分において、伝達関数要素の入力変位xから出力荷重fを計算する漸化式として用いることができる。
【0040】
このように、周波数領域の伝達関数をラプラス変換、z変換、逆z変換することで、入力変位xから出力荷重fを計算する漸化式が得られる。
【0041】
「運動方程式の数値積分法」
式(10)の漸化式を利用して、運動方程式(2)を時刻歴応答解析する。式(2)の右辺にある非線形要素の力fNと伝達関数要素の力fは、時刻tによって陽に決定される力ではなく、構造体10の変位と速度に依存する未知の力となる。数値積分の発散防止のため、ニューマークβ法を利用した陰解法の数値積分法により、時刻歴応答解析を行う。
【0042】
数値積分法の流れ図を図4に示す。数値積分の時間刻みをdtとする。時刻ti-1までの加速度、速度、変位が既知で、時刻tiの各状態量を求める場合を想定する。
【0043】
まず、時刻を初期設定(ti=t0)する(S11)。次に、加速度を推定する(S12)。例えば、図4に示すように、前の時刻の加速度(d/dt)2xi-1と同じ値とする。
【0044】
この加速度の推定値を用いて、次のニューマークβ法の式から次の時刻の変位xiと速度dx/dtを計算する(S13)。
【数11】
【数12】
【0045】
ここで、βとγ定数である。例えば、β=1/6,γ=1/2に設定する。
【0046】
次に、式(11)、(12)の変位と速度を使って、式(1)の非線形要素12の出力荷重(反力)fNiを計算する(S14)。
【0047】
また、変位と過去の状態両履歴から、式(10)により伝達関数要素14の出力荷重fiを計算する(S15)。
【0048】
続いて、以上のように求めた速度dx/dt、加速度(d/dt)2x、各要素の出力荷重fNi、fiを式(2)の運動方程式に代入することにより、式(13)のように、新たな加速度の推定値(d/dt)2xi*を、式(13)で求める(S16)。
【数13】
【0049】
この加速度の推定値(d/dt)2xi*が前の推定値(d/dt)2xi(今回は、この推定値は、前の時刻と同一としている)の差が所定の閾値Tol以下かを判定する(S17)。すなわち、加速度の推定値(d/dt)2xi*が前の推定値(d/dt)2xiとほとんど変わらないかを判定する。このS17の判定で、NO、すなわち有意差があれば、(d/dt)2xi*=(d/dt)2xiとする(S18)。そして、S13に戻り、式(11)からの上記計算を加速度の推定値(d/dt)2xi*が収束するまで繰り返す。
【0050】
S17の判定で、YESであれば、加速度が収束したと判定して、時刻tiの各状態量(加速度(d/dt)2xi、速度dxi/dt、変位xi)を決定し(S19)、時刻をti=ti+dtとして、次のステップに進める(S20)。
【0051】
そして、時刻tiが終了時刻(endTime)に至ったかを判定し(S21)、NOであればS12に戻り、時刻ti=ti+dtでの処理を行う。一方、S21の判定で、YESの場合に処理を終了する。
【0052】
このようにして、各時刻における加速度、速度、変位を順次決定することができる。本実施形態は、次のような特徴がある。
【0053】
(1)周波数領域で表現された伝達関数から、ラプラス変換とz変換の理論を利用して、離散時間領域における入力変位と出力荷重の関係式を導くことにより、運動方程式の時刻歴応答解析を行う数値積分の中で、伝達関数要素に発生する出力荷重の計算を可能にした。
【0054】
(2)(1)の伝達関数要素の入力変位・出力荷重の関係式と、ニューマークβ法の陰解法を融合させることにより、他の非線形ばね・減衰要素の出力荷重も考慮して、運動方程式の数値積分を安定・高精度に実行できる。
【0055】
(3)(1)(2)の具体例としては,ゴムマウントの周波数特性を考慮したエンジン・車両系の振動伝達解析、クラッチや流体継ぎ手の周波数特性を考慮したドライブトーレーン系の振動伝達解析などがある。
【0056】
さらに、共振回路などの電気回路における振動解析にも本実施形態の手法を適用することができる。
【0057】
「解析法の適用事例」
(i)1自由度系の基本モデル
本解析法の妥当性を検証するため、図5に示す1自由度系の過渡振動を計算し、その結果を厳密解と比較した。このモデルは、1つのばねと、1つのダッシュポットを並列接続し、これに質点を接続した構成である。条件は、M=0.1kg(重力=0.1×9.8kgf)、C=0.0002kgfs/mm、K=10kgf/mmである。また、式(4)の伝達関数の定義において、n=1,A1=0.0,A0=1.0,B1=0.0002,B0=10.0としている。また、外力は質点に作用する重力のみであり、時刻0における初期値はx=dx/dt=0である。
【0058】
図5の計算結果において、厳密解を点線で記載したが、実線で示した本解析結果と有意の差がないため、図5において点線は見えていない。このように、過渡振動の計算結果か、本実施形態の計算により、正しい過渡振動の計算が行えることが分かる。
【0059】
(ii)ゴム支持を模擬した簡易モデル
実際のゴム部品への適用性を確認するため、図6に示すように、質点をゴムで支持した場合の過渡振動を計算した。本モデルでは、2次の伝達関数でゴムの伝達特性(動剛性)を表現している。外力は質点に作用する重力のみである。また、時刻0における初期値はx=dx/dt=0である。また、M=1kg(重力=1×9.8kgf)、2次伝達関数の各係数は、A0=1.0,A1=1.201×e-5,A2=4.008×e-8,B0=58.72,B1=4.677e-3,B2=5.164e-7である。
【0060】
この計算によって、図7に示すように、ゴム部品の過渡振動を適切に計算することができる。この計算結果は、実際のゴム部品の挙動を正しく模擬していることが確認されている。
【0061】
(iii)エンジンの実働振動モデル
実際の機械システムへの適用性を確認するため、図8に示すエンジンシステムの実働振動を計算した。この例は、4気筒エンジンについての振動試験である。エンジンのクランク軸には4つのピストンが接続され、シリンダ内の爆発によって、クランク軸が回転される。クランク軸の回転は、減速機を介し出力され、モータによってトルクが吸収される。エンジンブロックおよび減速機ケースがマウントゴムによって接地されている。
【0062】
本モデルでは、図9に示すように、複数のマウントの中のエンジンブロックを接地するゴムマウントの一つ(上下方向の動剛性)に上記事例(ii)の伝達関数要素を適用し、エンジンの火入れ運転状態のマウント振動を計算した。なお、残りのゴムマウントは、端あるばね・減衰要素とした。
【0063】
図10に計算結果による変位xの時間変化(時刻歴波形)を示す。マウント振動の時刻歴波形は、エンジン16回転分の過渡挙動を示しており、ゴムの伝達特性(減衰特性)によって振動が次第に周期定常状態に落ち着く様子を模擬している。なお、この振動計算は、特開2000−305922号公報(特許文献5)に記載の物体変位・振動解析方法を利用した汎用のエンジン振動解析ソフトに、本発明の解析法に基づく新解析要素を実装することにより行った。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、周波数領域で表現された伝達関数から、ラプラス変換とz変換の理論を利用して離散時間領域における入力と出力の関係式を導く。これによって、システムの挙動を示す微分方程式の時刻歴応答解析を行う数値積分の中で、伝達関数要素に発生する出力の計算が可能となる。従って、任意の周波数依存性を有する要素を含むシステムの周波数応答解析が可能であるとともに、過渡的な振動の解析や、非線形なばね・減衰要素を含むシステムの振動解析が可能となる。特に、機械システムにおける変位、振動について、精度の高い推定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 伝達関数要素を含む機械システムを示す図である。
【図2】 伝達関数の例を示す図である。
【図3】 伝達関数要素の解析の流れを示す図である。
【図4】 時刻歴応答解析の流れ図である。
【図5】 1自由度系の基本モデルの構成および過渡振動の計算結果を示す図である。
【図6】 ゴム支持を模擬した簡易モデルの構成および過渡振動の計算結果を示す図である。
【図7】 ゴム支持簡易モデルの計算結果により変位の時間変化を示す図である。
【図8】 エンジンの実働振動モデルの構成を示す図である。
【図9】 マウントの取り付けを説明する図である。
【図10】 エンジン実働振動モデルの解析結果における変位の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
10 構造体、12 非線形要素、14 伝達関数要素。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a time history response analysis program for analyzing transient and steady behavior of a mechanical system or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it is necessary to analyze transient and steady vibration phenomena for the purpose of optimizing the operation of mechanical systems and electronic circuit systems, and many analysis methods have been proposed. Yes.
[0003]
(1) Time history response analysis method for mechanical systems (Patent Literature 1) and electronic circuits (Patent Literature 2)
[0004]
(2) Frequency response analysis method for linear mechanical system (
[0005]
(3) Commercially available mechanism / vibration analysis software and general-purpose software that performs time history response analysis of vibration / motion of mechanical systems are commercially available, and those that have a transfer function element of a second-order lag system as control elements Are known. Commercially available mechanism / vibration analysis software includes a mechanism analysis program “DADS (Dynamic Analysis and Design System) Revision 8.0” by LMS International.
[0006]
Patent Document 5 describes general-purpose engine vibration analysis software using an object displacement / vibration analysis method.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-83252 [Patent Document 2]
JP 2001-357093 A [Patent Document 3]
JP 2002-73703 A [Patent Document 4]
JP 2001-350741 A [Patent Document 5]
JP 2000-305922 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method described above has the following problems.
[0009]
(1) Time history response analysis method for mechanical systems (Patent Literature 1) and electronic circuits (Patent Literature 2) Transient vibration / motion analysis of mechanical systems including nonlinear springs and damping elements is possible, but rubber parts It is impossible to analyze a mechanical system including a spring / damping element having a large frequency dependency.
[0010]
(2) Frequency response analysis method for linear mechanical system (
Although it is possible to perform frequency response analysis of mechanical systems including springs and damping elements with large frequency dependence such as rubber parts, transient vibration and motion analysis and vibration analysis of mechanical systems including nonlinear springs and damping elements are not possible. Impossible.
[0011]
(3) Commercially available mechanism / vibration analysis software If a transfer function element of a second-order lag system is used, a spring / damping element having a limited frequency characteristic can be analyzed. However, since the order is limited, it cannot cope with a spring / damping element having an arbitrary frequency characteristic.
[0012]
An object of the present invention is to enable analysis of transient and steady vibration behavior of a system in which a spring / damping element having an arbitrary frequency characteristic and a spring / damping element having an arbitrary nonlinearity coexist. is there.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a time history response analysis program for analyzing the transient and steady state behavior of a system, and expressing the vibration and damping characteristics of system components having frequency characteristics as a frequency domain transfer function; Transforming the obtained frequency transfer function into a transfer function on the s-plane of Laplace transform, transforming the transfer function on the obtained s-plane into a transfer function on the z-plane of z-transform, and A system in which a transfer function on the z plane is subjected to inverse z transformation to derive a relational expression between input displacement and output in a discrete time domain, the obtained relational expression, and dynamic characteristics of other nonlinear elements are taken into consideration. And a step of numerically integrating a differential equation representing the behavior of the system in the time domain, and executing a time history response of the behavior of the system.
[0014]
Thus, according to the present invention, a relational expression between input and output in the discrete time domain is derived from the transfer function expressed in the frequency domain using the theory of Laplace transform and z transform. This makes it possible to calculate the output generated in the transfer function element in the numerical integration for performing the time history response analysis of the differential equation indicating the behavior of the system. Therefore, it is possible to analyze a frequency response of a system including an element having an arbitrary frequency dependency, and to analyze a transient vibration and a vibration analysis of a system including a nonlinear spring / damping element.
[0015]
Further, the present invention is a time history response analysis program for analyzing transient and steady vibration behavior of a dynamic system in which a spring / damping element having frequency characteristics and a spring / damping element having nonlinearity coexist. Subprogram that expresses dynamic stiffness as a frequency domain transfer function (ratio of output load to input displacement) when the spring / damping characteristics (dynamic stiffness) of a dynamic system component have frequency dependence A subprogram for converting the obtained frequency transfer function into a transfer function on the s-plane of Laplace transform, and a subprogram for converting the obtained transfer function on the s-plane into a transfer function on the z-plane of z-transform A subprogram for deriving the relational expression between the input displacement and the output load in the discrete time domain by applying an inverse z-transform to the obtained transfer function on the z-plane, and the relational expression obtained and other nonlinear elements Considering the characteristics, it has a subprogram that numerically integrates the dynamic system behavior equation in the time domain, and analyzes the vibration behavior of the dynamic system by causing the computer to execute a combination of these subprograms It is characterized by that.
[0016]
As described above, according to the present invention, the relational expression between the input displacement and the output load in the discrete time domain is derived from the transfer function expressed in the frequency domain using the theory of Laplace transform and z transform. This makes it possible to calculate the output load generated in the transfer function element in the numerical integration for performing the time history response analysis of the equation of motion. Therefore, it is possible to analyze the frequency response of mechanical systems including springs and damping elements with large frequency dependence such as rubber parts, as well as transient vibration and motion analysis, and vibrations of mechanical systems including nonlinear springs and damping elements. Analysis is possible.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0018]
The present invention relates to a computer program, and an ordinary general-purpose computer is used to execute the program. The program can be provided by communication in addition to various recording media, and the form of provision is not limited.
[0019]
First, FIG. 1 shows a configuration diagram of a machine system to be analyzed. The
[Expression 1]
[0020]
The
[0021]
In this system, the forces applied to the
[Expression 2]
[0022]
Here, x is a displacement vector of the structure, M is a mass matrix of the structure, C is an attenuation matrix, and K is a stiffness matrix.
[0023]
When performing a time history response analysis of this equation of motion, the point is how to calculate the output load (reaction force) f of the
[0024]
“Definition of Transfer Function Elements”
The transfer function H (ω) of a rubber part or the like is defined as the ratio of the frequency spectrum X (ω), F (ω) of the input displacement x and the output load f as follows:
[Equation 3]
[0025]
Here, the frequency spectrum X (ω), F (ω) and the transfer function H (ω) are expressed as complex numbers.
[0026]
FIG. 2 shows an example of the transfer function. In general, the transfer function H (ω) of a rubber part or the like can be obtained by a vibration experiment or FEM analysis (finite element analysis).
[0027]
"Method of analyzing transfer function elements"
FIG. 3 shows a procedure for formulating the
[0028]
(I) Transfer function conversion 1 (Laplace transform converted to function on s plane)
First, the transfer function H (ω) expressed as a function of the frequency ω is converted into a function on the s plane of the Laplace transform expressed by the following equation using Equation (3).
[Expression 4]
[0029]
Here, n is the order of the transfer function, A n to A 0 and B n to B 0 are constants, and A n ≠ 0.
[0030]
In particular, when the transfer function H (ω) is obtained in advance as a polynomial function of ω by FEM analysis or experimental mode analysis, the transfer function of Equation (4) can be easily obtained by the following conversion equation. .
[Equation 5]
[0031]
In addition, when the transfer function H (ω) is given as discrete data by an excitation experiment, each coefficient of Expression (4) is obtained by identification means such as a least square method.
[0032]
(Ii) Transfer function conversion 2 (conversion to function on z plane)
The transfer function expressed by Equation (4) is converted into a transfer function on the z plane that can express discrete time so that it can be handled by numerical integration of time history response analysis. Here, the time step of numerical integration is dt.
[0033]
By substituting the s → z conversion formula (Tustin conversion) shown in Equation (6) into Equation (4), a transfer function on the z plane shown in Equation (7) can be obtained.
[Formula 6]
[Expression 7]
[0034]
Note that the conversion to the z plane is not limited to the Tustin conversion, and Zero-order hold conversion can also be used. In the case of this zero-order hold conversion, s = (z−1) / dt is employed instead of Equation (6).
[0035]
(Iii) Recurrence formula of transfer function in time history response analysis A recurrence formula of discrete time that can be handled by numerical integration is derived from the transfer function of formula (7). Assuming that the z transformation of the input displacement x is X (z) and the z transformation of the output load f is F (z), the relationship between input and output is expressed as follows using the transfer function H (z) of Equation (7): It is expressed as follows.
[Equation 8]
[0036]
By substituting equation (7) into equation (8), equation (9) is obtained.
[Equation 9]
[0037]
Applying the inverse z transform to equation (9) yields equation (10).
[Expression 10]
[0038]
Here, x ik and f ik (k = 0, 1, 2,..., N) represent input and output discrete time data.
[0039]
Expression (10) indicates that the output f i at time i can be calculated from the history data for the past n inputs / outputs, the input x i at time i , and the coefficient of the transfer function. Therefore, Expression (10) can be used as a recurrence expression for calculating the output load f from the input displacement x of the transfer function element in the numerical integration of the time history response analysis.
[0040]
Thus, a recurrence formula for calculating the output load f from the input displacement x is obtained by performing Laplace transform, z transform, and inverse z transform on the transfer function in the frequency domain.
[0041]
"Numerical integration of equations of motion"
Using the recurrence formula of the equation (10), the time history response analysis of the equation of motion (2) is performed. The force f N of the nonlinear element and the force f of the transfer function element on the right side of Expression (2) are not forces determined explicitly by the time t, but are unknown forces that depend on the displacement and speed of the
[0042]
A flowchart of the numerical integration method is shown in FIG. Let dt be the time increment of numerical integration. Assume that the acceleration, speed, and displacement up to time t i-1 are known, and each state quantity at time t i is obtained.
[0043]
First, the time is initially set (t i = t 0 ) (S11). Next, acceleration is estimated (S12). For example, as shown in FIG. 4, it is set to the same value as the acceleration (d / dt) 2 x i-1 at the previous time.
[0044]
Using the estimated value of acceleration, the displacement xi and velocity dx / dt at the next time are calculated from the next Newmark β method equation (S13).
[Expression 11]
[Expression 12]
[0045]
Where β and γ constants. For example, β = 1/6 and γ = 1/2 are set.
[0046]
Next, the output load (reaction force) f Ni of the
[0047]
Further, the output load f i of the
[0048]
Then, above the calculated velocity dx / dt, the acceleration (d / dt) 2 x, output load f Ni of each element, by substituting f i in the equation of motion of the formula (2), formula (13 ), A new estimated value of acceleration (d / dt) 2 x i * is obtained by equation (13) (S16).
[Formula 13]
[0049]
The difference between the estimated value of acceleration (d / dt) 2 x i * is the previous estimated value (d / dt) 2 x i (this estimated value is the same as that of the previous time). It is determined whether it is equal to or less than Tol (S17). That is, it is determined whether the estimated value (d / dt) 2 x i * of acceleration is almost the same as the previous estimated value (d / dt) 2 x i . If the determination in S17 is NO, that is, if there is a significant difference, (d / dt) 2 x i * = (d / dt) 2 x i is set (S18). Then, returning to S13, the above calculation from the equation (11) is repeated until the estimated acceleration value (d / dt) 2 x i * converges.
[0050]
If YES in S17, it is determined that the acceleration has converged, and each state quantity (acceleration (d / dt) 2 x i , speed dx i / dt, displacement x i ) at time t i is determined. (S19) The time is set to t i = t i + dt, and the process proceeds to the next step (S20).
[0051]
Then, it is determined whether the time t i has reached the end time (endTime) (S21). If NO, the process returns to S12, and the process at time t i = t i + dt is performed. On the other hand, if the determination in S21 is YES, the process ends.
[0052]
In this way, the acceleration, speed, and displacement at each time can be sequentially determined. This embodiment has the following features.
[0053]
(1) Using the theory of Laplace transform and z transform from the transfer function expressed in the frequency domain, the time history response analysis of the equation of motion is performed by deriving the relational expression between the input displacement and the output load in the discrete time domain. In the numerical integration to be performed, the output load generated in the transfer function element can be calculated.
[0054]
(2) By combining the input displacement / output load relational expression of the transfer function element in (1) and the implicit method of the Newmark β method, the output load of other nonlinear springs / damping elements is also taken into account. Numerical integration of equations can be performed stably and with high accuracy.
[0055]
(3) As specific examples of (1) and (2), vibration transmission analysis of the engine / vehicle system considering the frequency characteristics of the rubber mount, and vibration transmission analysis of the drive tolane system considering the frequency characteristics of the clutch and fluid joint. and so on.
[0056]
Furthermore, the method of the present embodiment can also be applied to vibration analysis in an electric circuit such as a resonance circuit.
[0057]
"Application examples of analysis methods"
(I) Basic model of one-degree-of-freedom system In order to verify the validity of this analysis method, the transient vibration of the one-degree-of-freedom system shown in FIG. 5 was calculated and the result was compared with the exact solution. In this model, one spring and one dashpot are connected in parallel, and the mass point is connected to this. The conditions are M = 0.1 kg (gravity = 0.1 × 9.8 kgf), C = 0.0002 kgfs / mm, and K = 10 kgf / mm. Further, in the definition of the transfer function of Expression (4), n = 1, A1 = 0.0, A0 = 1.0, B1 = 0.0002, and B0 = 10.0. The external force is only gravity acting on the mass point, and the initial value at
[0058]
In the calculation result of FIG. 5, the exact solution is indicated by a dotted line, but since there is no significant difference from the analysis result indicated by the solid line, the dotted line is not visible in FIG. Thus, it can be seen that the correct transient vibration can be calculated from the calculation result of the transient vibration or the calculation of the present embodiment.
[0059]
(Ii) Simple model simulating rubber support In order to confirm the applicability to an actual rubber part, as shown in FIG. 6, the transient vibration when the mass point was supported by rubber was calculated. In this model, the transfer characteristic (dynamic rigidity) of rubber is expressed by a secondary transfer function. The external force is only gravity acting on the mass point. The initial value at
[0060]
By this calculation, as shown in FIG. 7, the transient vibration of the rubber part can be appropriately calculated. It has been confirmed that this calculation result correctly simulates the behavior of an actual rubber part.
[0061]
(Iii) Actual Vibration Model of Engine In order to confirm applicability to an actual mechanical system, the actual vibration of the engine system shown in FIG. 8 was calculated. This example is a vibration test for a four cylinder engine. Four pistons are connected to the crankshaft of the engine, and the crankshaft is rotated by explosion in the cylinder. The rotation of the crankshaft is output via a reduction gear, and the torque is absorbed by the motor. The engine block and reducer case are grounded by the mount rubber.
[0062]
In this model, as shown in FIG. 9, the transfer function element of the above case (ii) is applied to one of the rubber mounts (vertical dynamic rigidity) for grounding the engine block among the plurality of mounts, The mount vibration in the fired operation state was calculated. The remaining rubber mount was a spring / damping element with ends.
[0063]
FIG. 10 shows the time change (time history waveform) of the displacement x according to the calculation result. The time history waveform of the mount vibration shows a transient behavior for 16 revolutions of the engine, and simulates how the vibration gradually settles into a periodic steady state by the transfer characteristic (damping characteristic) of rubber. This vibration calculation is performed by adding a new analysis element based on the analysis method of the present invention to general-purpose engine vibration analysis software using the object displacement / vibration analysis method described in JP 2000-305922 A (Patent Document 5). Done by implementing.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a relational expression of input and output in the discrete time domain is derived from the transfer function expressed in the frequency domain using the theory of Laplace transform and z transform. This makes it possible to calculate the output generated in the transfer function element in the numerical integration for performing the time history response analysis of the differential equation indicating the behavior of the system. Therefore, it is possible to analyze a frequency response of a system including an element having an arbitrary frequency dependency, and to analyze a transient vibration and a vibration analysis of a system including a nonlinear spring / damping element. In particular, it is possible to estimate the displacement and vibration in the mechanical system with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a mechanical system including a transfer function element.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a transfer function.
FIG. 3 is a diagram illustrating a flow of analysis of a transfer function element.
FIG. 4 is a flowchart of time history response analysis.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a basic model of a one-degree-of-freedom system and a calculation result of transient vibration.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a simple model simulating rubber support and a calculation result of transient vibration.
FIG. 7 is a diagram showing a change with time of displacement based on a calculation result of a rubber support simple model.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an actual engine vibration model.
FIG. 9 is a diagram illustrating mounting of a mount.
FIG. 10 is a diagram showing a change with time of displacement in an analysis result of an engine actual vibration model.
[Explanation of symbols]
10 structure, 12 nonlinear element, 14 transfer function element.
Claims (2)
周波数特性を有するシステムの構成要素の振動および減衰特性を周波数領域の伝達関数として表現するステップと、
得られた周波数伝達関数をラプラス変換のs平面上の伝達関数に変換するステップと、
得られたs平面上の伝達関数をz変換のz平面上の伝達関数に変換するステップと、
得られたz平面上の伝達関数に逆z変換を施して、離散時間領域における入力変位と出力の関係式を導くステップと、
得られた関係式と、他の非線形要素の動特性を考慮して、システムの挙動を示す微分方程式を時間領域で数値積分するステップと、
をコンピュータに実行させ、システムの挙動の時刻歴応答を解析する時刻歴応答解析プログラム。A time history response analysis program for analyzing the transient and steady state behavior of a system,
Expressing the vibration and damping characteristics of the components of the system having frequency characteristics as a transfer function in the frequency domain;
Transforming the obtained frequency transfer function into a transfer function on the s-plane of Laplace transform;
Converting the obtained transfer function on the s-plane to a transfer function on the z-plane of the z-transform,
Applying inverse z-transform to the obtained transfer function on the z-plane to derive a relational expression between input displacement and output in the discrete time domain;
Considering the obtained relational expression and the dynamic characteristics of other nonlinear elements, numerically integrating a differential equation indicating the behavior of the system in the time domain,
Is a time history response analysis program that analyzes the time history response of the behavior of the system.
動的システムの構成要素において,そのばね・減衰特性(動剛性)が周波数依存性を持つ場合に,その動剛性を周波数領域の伝達関数(出力荷重と入力変位の比)として表現するサブプログラムと、
得られた周波数伝達関数をラプラス変換のs平面上の伝達関数に変換するサブプログラムと、
得られたs平面上の伝達関数をz変換のz平面上の伝達関数に変換するサブプログラムと、
得られたz平面上の伝達関数に逆z変換を施して、離散時間領域における入力変位と出力荷重の関係式を導くサブプログラムと、
得られた関係式と他の非線形要素の動特性を考慮して、動的システムの挙動の方程式を時間領域で数値積分するサブプログラムと、
を有し、
これらサブプログラムを組み合わせてコンピュータに実行させることによって、動的システムの振動挙動を解析する時刻歴応答解析プログラム。A time history response analysis program that analyzes the transient and steady vibration behavior of a dynamic system in which a spring / damping element with frequency characteristics and a spring / damping element with nonlinearity coexist,
A subprogram that expresses dynamic stiffness as a frequency domain transfer function (ratio of output load to input displacement) when the spring / damping characteristics (dynamic stiffness) of a dynamic system component are frequency dependent. ,
A subprogram for converting the obtained frequency transfer function into a transfer function on the s plane of the Laplace transform;
A subprogram for converting the obtained transfer function on the s-plane into a transfer function on the z-plane of the z-transform,
A subprogram that performs inverse z-transform on the obtained transfer function on the z-plane to derive a relational expression between input displacement and output load in a discrete time domain;
A subprogram that numerically integrates the dynamic system behavior equation in the time domain, taking into account the obtained relational expression and the dynamic characteristics of other nonlinear elements,
Have
A time history response analysis program that analyzes the vibration behavior of a dynamic system by causing a computer to execute a combination of these subprograms.
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