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振動解析

さまざまな機械構造物の振動現象をシミュレーションによって再現し、低振動化を前提とした構造変更案を検討します。ソフトウェアは構造解析プログラムとして長年の実績があるNX Nastranを使用します。本ソフトウェアは以下のような構造の振動現象をコンピュータ上で再現することができます。

■航空機や自動車などに多く採用されているセミモノコック構造

■モータやアクチュエータなどが装着されたフレーム構造

■エンジン本体やコンプレッサ本体など、鋳物部品や削り出し部品の集合体

■まくらぎなどの鉄筋コンクリート構造

振動解析では主としてNX Nastranの以下の解析手法を用います。

■ノーマルモード解析

■周波数応答解析

これらの解析手法により振動問題を対策する上での基本となる共振周波数(固有振動数)、固有モード、および振動レベル(周波数応答波形、伝達関数)をコンピュータ上で再現し、パラメータスタディを行って構造変更案を導き出します。板厚やバネレート、減衰など、パラメータの数が増えるとその分組み合わせケースも増加するため、そのような場合は構造最適化解析を使用します。

▶ 構造最適化解析のご紹介

有限要素法解析では、モデル規模が大規模化すると計算時間が膨大となり、パラメータスタディのケース数を大幅に絞り込む必要が生じてしまいます。このような場合は、構成部品をモーダルモデル化することで計算時間の短縮を図ります。モーダルモデルは、たとえば計算に数時間を要する有限要素モデルであっても、わずか数分で計算完了できるため、大規模モデルを用いた構造検討には不可欠な手法となっています。

▶ モーダルモデルのご紹介

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【 ご参考情報】

▶フュエルポンプの低騒音化 – 1) 2021.05.19

▶フュエルポンプの低騒音化 – 2) モーダル実験 2021.05.26

▶フュエルポンプの低騒音化 – 3) シミュレーション 2021.06.07

▶フュエルポンプの低騒音化 – 4) 振動設計 2021.06.18

▶フュエルポンプの低騒音化 – 5) モーダル実験 2021.07.12

▶フュエルポンプの低騒音化 – 6) 騒音計測 2021.08.13

 

自動車の乗り心地解析

自動車の乗り心地にかかわる車体振動やアイドル振動をフルビークルモデルを用いてシミュレーションします。フルビークルモデルは基本的に車体、サスペンション、エンジンといった各コンポーネントを6自由度のマス・バネ系でモデル化した振動システムモデルですが、フレーム車の場合はキャブおよびフレームを弾性体(メッシュ要素)でモデル化し、モーダルリダクションした上で車両全系モデルに組み込みます。振動システムモデルを組むことで以下のようなコンポーネント特性のパラメータスタディが可能となります。

■サスペンションのバネレート、減衰力

■エンジンマウントの剛性、ロスファクタ(損失係数、tanδ)

■キャブマウントの剛性、ロスファクタ(損失係数、tanδ)

■フレーム、メンバーなどの動剛性

■エンジン支持傾角

車両の低周波領域にはエンジンやサスペンションといったコンポーネントの固有値(=共振周波数、固有振動数)に加え、フレーム車(ピックアップトラック、コマーシャルトラック)の場合はキャブやフレームの固有値まで存在しているため、常にコンポーネント同士の連成振動が生じています。自動車の振動設計の基本は固有値を十分に離して配置することですが、これが難しいのが低周波領域の特徴です。振動システムモデルを用いたフルビークルシミュレーションの最大の利点は、このような連成振動を最適化することができる点です。具体的には上記のようなコンポーネント特性を設計変数として構造最適化解析を行うことで膨大なシャシーパラメータの組み合わせから最適解を導き出します。構造最適化解析はパラメータを変更しながら何十回もの繰り返し計算を行います。このためフレーム車のようにモデル規模が大きい場合は、その計算の収束までに膨大な時間を要してしまいますが、フレームやキャブといった設計変数に該当しないコンポーネントをモーダルモデル化すれば、数時間を要する計算であっても、わずか数分で完了できるようになります。

  

キャビンノイズ解析

乗り物の乗り心地に影響するもうひとつの振動現象「キャビンノイズ(=こもり音、Booming Noise)」をコンピュータ上で再現し、構造の音響設計に役立てます。本解析ではエンジンなどの振動によって車体構造や機体構造が振動することで発生するキャビン内の音圧変動=固体伝播音(ソリッドボーンノイズ)を対象とします。エンジンなどの騒音が直接キャビンに進入してくる空気伝播音(エアボーンノイズ)と異なり、固体伝播音は遮音材や吸音材による対策効果が得られにくいため、構造側の低振動化によって対策します。固体伝播音によるキャビンノイズはNX Nastranの構造・音響(音場)連成解析(Structural Acoustic Coupled Analysis)によって再現され、パネル寄与率解析やベクトル合成解析など、発音メカニズムの調査を行って構造変更案を導き出します。

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