片持ち平板の振動試験:DIC&ODSでモード形状を可視化

平板の振動試験をデジタル画像相関法(DIC)で計測した結果を用いて、実稼働振動形状可視化(ODS)を行い、モード形状を解析しました。

概要

 現実の環境に設置された機械・構造物は様々な振動にさらされています。加振振動数が構造体の固有振動数と一致すると、共振によって大きな振動が発生します。このような共振による応力集中は疲労や破壊の原因となるため、構造物の固有振動数を把握することは非常に重要です。構造解析シミュレーションによるモーダル解析は、構造物の振動状態の予測には非常に有効な手段ですが、実物の質量分布や剛性分布を正確に求めることは一般的に困難です。また、このモーダル解析結果を、計測データを用いて妥当性を検証するためには煩雑な工程が必要でした。

 高速度カメラを用いたデジタル画像相関法によって構造物の表面振動を計測し、この表面形状の時刻歴変化に対して実稼働振動形状可視化(Operational Deflection Shape, ODS)を適用することで、実際の構造物の固有モードの形状をアニメーションで取得することができます。このような実際の固有振動モードがわかれば、おもりの取り付けや部材の拘束などによって、加振振動数と固有振動数を離したり、モード形状を変化させるなどの対策の検討が容易になります。

 本事例では「片持ち平板の振動試験」事例でお示ししたCFRP平板の計測データに対してODSを適用した結果をご紹介します。

なぜDIC?

  • センサの貼り付けや配線が不要であるため準備時間が短い
  • 非常に高い空間解像度で振動形状を取得できる
  • シールによるマーキングでも振動形状を取得できる

計測結果:ODS解析

 「片持ち平板の振動試験」事例でお示ししたCFRP平板の計測データに対してODSを適用した結果を示します。動画左上のグラフは各方向(X, Y, Z)の変位量の時刻歴データ、動画左下のグラフは高速フーリエ変換(FFT)による応答スペクトルの結果を表しており、横軸が周波数、縦軸が各方向の相対振幅量です。FFTで得たスペクトルにおいて波形に急峻な立ち上がりが見られるピーク位置は、特に応答が大きい振動周波数とわかります。動画右図は、FFTのスペクトルから3番目までのピークの振動周波数におけるZ方向(動画内鉛直方向)のモード形状を可視化したものです。このように、デジタル画像相関法の計測データに対してODSを適用することで、任意の振動周波数のときの振動モード形状を可視化することができます。

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