Transcript 積層はりの減衰特性評価における 支持条件の影響について 中村 良太 （北海道工業大学大学院） 研究背景    繊維強化複合材料（FRP）は，多くの機械構造物に用い られている．しかし，減衰特性評価に関する研究はあま り見受けられない． 本研究室ではFRP積層構造物の減衰評価に関する研 究を実施しているが，数値計算結果と実験結果が必ず しも一致しない場合がある． 本研究では，作製した試験片において自由振動実験を 行い，試験片の支持条件が減衰振動に及ぼす影響を 検討する． H.I.T. Intelligent Design LAB. 研究手順 プリプレグシートを積層し 加熱することで硬化させる 積層はりを切り出して 試験片を作製する 片持ち支持し，自由振動実験を行う 振動波形から固有振動数 対数減衰率を算出する 支持条件の影響を検討する H.I.T. Intelligent Design LAB. 試験片の作製（１） FRPプリプレグシート 三菱レーヨン製 (130℃キュア)CFUDプリプレグ 積層形態 例． [02/902]sym. [02/902]sym. ， [(0/90)2]sym. 0° 0° [902/02]sym. ， [(90/0)2]sym. 90° 90° H.I.T.

積層はりの減衰特性評価における
支持条件の影響について
中村 良太 （北海道工業大学大学院）
研究背景



繊維強化複合材料（FRP）は，多くの機械構造物に用い
られている．しかし，減衰特性評価に関する研究はあま
り見受けられない．
本研究室ではFRP積層構造物の減衰評価に関する研
究を実施しているが，数値計算結果と実験結果が必ず
しも一致しない場合がある．
本研究では，作製した試験片において自由振動実験を
行い，試験片の支持条件が減衰振動に及ぼす影響を
検討する．
H.I.T. Intelligent Design LAB.
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研究手順
プリプレグシートを積層し
加熱することで硬化させる
積層はりを切り出して
試験片を作製する
片持ち支持し，自由振動実験を行う
振動波形から固有振動数
対数減衰率を算出する
支持条件の影響を検討する
H.I.T. Intelligent Design LAB.
3
試験片の作製（１）
FRPプリプレグシート
三菱レーヨン製
(130℃キュア)CFUDプリプレグ
積層形態
例． [02/902]sym.
[02/902]sym.
，
[(0/90)2]sym.
0°
0°
[902/02]sym.
，
[(90/0)2]sym.
90°
90°
H.I.T. Intelligent Design LAB.
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試験片の作製（2）
加圧トルク ： 5Nm
離型シート
テフロンシート
積層プリプレグ
アルミ板
H.I.T. Intelligent Design LAB.
スペーサー
シリコンゴム（2mm）
5
試験片の作製（3）
恒温槽
ISUZU製「こすもす」
Temperature
130℃×90min
試料台
H.I.T. Intelligent Design LAB.
90℃×60min
Time
6
試験片の作製（4）
0.2m
0.2m
板片
 GFRP
 CFRP
 アルミ
 なし
（北海道立工業試験場の施設を利用）
H.I.T. Intelligent Design LAB.
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自由振動実験装置
レーザー変位計
データ収集装置
(サンプリング周期：10μs)
（サンプリング周期：512μs）
固定端
電源
（サンプリング周期：512ms）
試験片
（サンプリング周期：10ms）
レーザーアンプユニット
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締付トルク
8
自由振動実験
本実験における諸条件
試験片作製時の加圧トルク[Nm]：
5
支持部の締付けトルク[Nm]：
5，10，15，20，25，30
試験片の寸法[×10-3m]：
200×20
プリプレグシートの積層形態：
H.I.T. Intelligent Design LAB.
[02/902]sym.
， [(0/90)2]sym.，
[(90/0)2]sym.
， [902/02]sym.
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考察
固有振動数
対数減衰率
1.
支持部の締付けトルクが
2.
支持部に挟む材料が
3.
プリプレグシートの積層形態が
固有振動数
対数減衰率
に及ぼす影響
に及ぼす影響
固有振動数
対数減衰率
に
及ぼす影響
4.
数値計算結果と実験結果の比較
H.I.T. Intelligent Design LAB.
10
実験結果［１／３］
支持部の締付けトルクの影響
支持部の締付けトルク[Nm]
なし
5
10
15
20
25
30
平均値 (A)
96.9
97.1
97.2
97.2
97.3
97.4
標準偏差 (B)
0.18
0.26
0.23
0.26
0.15
0.28
B/A
0.2%
0.3%
0.2%
0.3%
0.2%
0.3%
平均値 (A)
95.8
96.0
96.1
96.2
96.2
96.3
標準偏差 (B)
0.29
0.25
0.35
0.17
0.18
0.12
B/A
0.3%
0.3%
0.4%
0.2%
0.2%
0.1%
5
10
15
20
25
30
平均値 (A)
0.0108
0.0117
0.0120
0.0118
0.0116
0.0114
標準偏差 (B)
0.0011
0.0006
0.0003
0.0003
0.0003
0.0004
B/A
10%
5.4%
2.4%
2.5%
3.0%
3.9%
平均値 (A)
0.0058
0.0057
0.0055
0.0052
0.0051
0.0049
標準偏差 (B)
0.0005
0.0006
0.0005
0.0004
0.0002
0.0003
B/A
9.5%
11%
9.8%
8.3%
3.3%
6.8%
固有振動数[Hz]
GFRP
積層形態：[02/902]sym.
支持部の締付けトルク[Nm]
なし
対数減衰率
GFRP
積層形態：[02/902]sym.
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実験結果［２／３］
支持部に挟む材料の影響
支持部に挟む材料
20
支持部の
固有振動数[Hz]
なし
GFRP
CFRP
アルミ
平均値 (A)
97.2
96.2
96.3
95.8
標準偏差 (B)
0.26
0.17
0.11
0.18
B/A
0.3%
0.2%
0.1%
0.2%
平均値 (A)
96.6
96.3
96.2
95.9
標準偏差 (B)
0.30
0.12
0.15
0.20
B/A
0.3%
0.1%
0.2%
0.2%
なし
GFRP
CFRP
アルミ
平均値 (C)
0.0106
0.0049
0.0045
0.0044
標準偏差 (D)
0.0007
0.0003
0.0003
0.0004
D/C
6%
7%
7%
9%
平均値 (C)
0.0118
0.0056
0.0060
0.0050
標準偏差 (D)
0.0003
0.0002
0.0005
0.0003
D/C
2%
4%
9%
6%
締付けトルク[Nm]
30
積層形態：[02/902]sym.
支持部に挟む材料
20
対数減衰率
支持部の
締付けトルク[Nm]
30
積層形態：[02/902]sym.
H.I.T. Intelligent Design LAB.
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実験結果［３／３］
プリプレグシートの積層形態の影響
[02/902]sym. [(0/90)2]sym. [(90/0)2]sym.
なし
平均値 (A)
96.6
86.9
62.3
標準偏差 (B)
B/A
0.30
0.12
0.15
0.3%
0.1%
0.2%
平均値 (A)
96.3
88.3
63.8
0.12
0.23
0.10
0.1%
0.3%
0.2%
固有振動数[Hz]
標準偏差 (B)
B/A
支持部の締付けトルク：30Nm
GFRP
[02/902]sym. [(0/90)2]sym. [(90/0)2]sym.
なし
平均値 (C)
0.0106
0.0099
0.0095
標準偏差 (D)
D/C
0.0007
0.0004
0.0004
6%
4%
5%
平均値 (C)
0.0049
0.0054
0.0075
0.0003
0.0003
0.0003
7%
5%
4%
対数減衰率
標準偏差 (D)
D/C
支持部の締付けトルク：
30Nm
GFRP
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13
数値結果と実験値の比較
数値計算結果
(1)
実験値
なし
本実験　GFRP
固有振動数の比較 [Hz]
[02/902]sym. [(0/90)2]sym. [(90/0)2]sym. [902/02]sym.
138
123
86.7
60.4
112
100
76.0
44.0
96.6
86.9
62.3
--96.3
88.1
63.7
43.4
数値計算結果(1)
実験値(1)
なし
本実験
GFRP
減衰特性の比較
[02/902]sym. [(0/90)2]sym. [(90/0)2]sym. [902/02]sym.
0.0016
0.0017
0.0023
0.0037
0.175
0.096
0.050
0.023
0.0106
0.0099
0.0095
--0.0052
0.0057
0.0082
0.0139
(1)
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ここまでの結論

支持部の締付けトルクは，固有振動数に比べて
対数減衰率に大きな影響を与える.

対数減衰率においては，支持部に挟む板片の
有無によって結果が大きく異なる．

板片の有無による対数減衰率への影響は，
積層形態の違いによって大きく異なる．

試験片を板片で挟むことによって，振動数の高い
ものほど顕著に減衰が低下する．
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15
今後について
 計測精度
サンプリング周期
空気抵抗
 データ分析方法
FFT解析
モード解析
 有限要素解析
支持部の板片を含めた解析
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16
H.I.T. Intelligent Design LAB.
17
実験結果
固有振動数・対数減衰率に及ぼす積層形態の影響
[02/902]sym. [(0/90)2]sym. [(90/0)2]sym.
固有振動数 [Hz]
96.1
88.1
63.7
平均値 (A)
0.24
0.23
0.15
標準偏差 (B)
B/A
0.2%
0.3%
0.2%
対数減衰率
0.0052
平均値 (C)
0.0004
標準偏差 (D)
D/C
8.3%
支持部の締付けトルク：20Nm
支持部の材料 ：GFRP
H.I.T. Intelligent Design LAB.
0.0057
0.0003
4.6%
0.0082
0.0003
3.5%
[902/02]sym.
43.4
0.05
0.1%
0.0139
0.0010
7.0%
18
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
CLT
FSDT
HSDT
EXP.
Specific damping capacity
Fundamental frequency[rad/s]
数値計算結果と実験結果
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
CLT
FSDT
HSDT
EXP.
[902/02]sym. [(90/0)2]sym. [(0/90)2]sym. [02/902]sym.
[902/02]sym. [(90/0)2]sym. [(0/90)2]sym. [02/902]sym.
Stacking sequence
Stacking sequence
平成13年度北海道工業大学修士課程修士論文より
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実験データの処理
自由振動実験結果（試験片B，締付トルク20N･m）
固有振動数[Hz]
対数減衰率
77.82
0.0093
1回目
77.75
0.0084
2回目
77.88
0.0087
3回目
77.91
0.0090
4回目
77.88
0.0079
5回目
77.88
0.0085
6回目
77.45
0.0090
7回目
77.94
0.0076
8回目
77.57
0.0081
9回目
10回目
77.82
0.0068
平均値（A）
77.79
0.0083
標準偏差（B）
0.16
0.0008
0.2%
9%
ばらつき（B/A）
H.I.T. Intelligent Design LAB.
20
固有振動数の評価
周波数：f [Hz]
固有振動数：ω[rad/s]
  2f
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21
対数減衰率の評価
対数減衰率：δ
d  ln X 1
X2
H.I.T. Intelligent Design LAB.
X1
X2
22