ODS解析とは - 動作偏向形状解析とは？
ODS 解析は、運転条件下での構造物の振動パターンを決定し、可視化することを目的としています。これらの振動パターン（別名たわみ形状）は、構造物のたわみを表すアニメーションジオメトリとして、異なる周波数、次数、または時間インスタンスで表示され、ジオメトリ上のさまざまな点と方向（DOF）の形状表に記載されています。振動値は、加速度、速度、変位のいずれかで表示され、ピーク、ピーク間、または RMS スケーリングがあり、SI またはインペリアル単位で表示されます。
動作条件は、例えば、機械の様々な部分の回転速度、機械または構造物が曝される負荷、圧力、および流れによって定義することができます。条件を変更すると、異なる振動パターンが発生します。条件を変更すると、異なる振動パターンが発生します。
観測された振動信号は、構造物に作用する外部強制関数、内部で生成された力、およびそのモーダルパラメータによって定義された構造物の動的特性の組み合わせを含んでいます。共振部では、力が大幅に増幅され、大きな振動レベルにつながります。これは、自動車の運転中の不快感から、航空機や橋梁の倒壊などの悲惨な結果を伴う構造物の損傷に至るまで、あらゆるものを引き起こします。その結果、構造共振周波数とその力がどのように励起されるかを特定することは、ODS解析の典型的な使用シナリオとなります。
ODS分析では、構造X i （ω）の様々な自由度で 観測します。構造物の動的特性を表す外力F(ω)と内力F(ω)と周波数応答関数H(ω)は測定されません。
振動を測定し、時間の関数として、または特定の周波数や次数でのたわみ形状を視覚化することで、測定された振動レベルを見るだけよりも、潜在的な問題や設計上の考慮事項をよりよく理解することができます。また、エンジニアはより最適なソリューションを考えることができます。その結果、ODS解析は多くのユーザーにとって構造力学への第一歩となります。
ODS分析に使用するシナリオ
構造物の出力を測定しているだけなので、ODS解析は、任意のタイプの信号（例えば、定常、準定常、非定常など）で励起された任意の構造物（線形、非線形）、任意のタイプの境界条件（フリーフリーから固定まで）を持つ構造物に対して実行することができます。これにより、ODS解析は非常に使いやすくなっています。モーダル試験とは対照的に、適切な励起信号と境界条件を選択するための事前試験解析は不要であり、測定中はインパクトハンマーやモーダル用加振器を用いた人為的に力を入力する事は行われません。しかし、モーダル試験のようにモデルを作成しないため、他の条件での振動応答の予測はできません。しかし、モーダル試験のようにモデルを作成しないため、他の条件での振動応答の予測はできません。
そのため、条件が変われば再度測定しなければなりません。ODS解析の用途は多岐にわたる。設計検証、目標設定、ベンチマーキングから、トラブルシューティング、品質管理、機械の健全性モニタリングまで。代表的な使用シナリオとしては、以下のようなものがあります。
- 測定されたODSデータと比較する強制応答シミュレーションからのFEM予測の検証
- 騒音・振動の測定値と基準値の比較
- 構造共振が励起されず、臨界速度が発生しないようにする
- 回転部と固定部から発生する回転騒音・構造物騒音・振動現象をそれぞれ識別し、分離する。
- 騒音放射と構造物の振動の関係
- 過度の騒音・振動の低減
- アンバランス、軸ズレ、ガタツキなどの機械摩耗の調査
- ドアの叩きつけ、爆発、発射、発射、衝突、落下の衝撃などの過渡現象の分析
- 一定またはわずかに変化する速度で運転する機械の分析
- 非線形システムの解析、エンジンのランアップ/ダウンなどの周波数変動解析を行う
- 海洋構造物の波浪、建築物の風荷重、橋梁の交通荷重効果など、周囲の力を受ける土木構造物のモニタリングを行います。
ODS分析の種類
ODS分析は一般的に3つのグループに分けられます
- 時間ODS
時間ODSは、時間の関数として構造物の振動パターンを調査するために使用されます。時間ODSは、解析された周波数範囲内のすべての周波数を含み、定常信号または非定常信号のいずれかについて、ある時点での全体的なODSを示すのに非常に便利です。 - スペクトルODS
スペクトルODSは、特定の周波数成分や次数成分について構造物の振動パターンを調査するために使用されます。周波数成分の調査には、FFT解析が使用され、条件は定常状態でなければなりません。次数成分の調査には、次数トラッキングが使用され、条件は、例えば、エンジン回転数をわずかに変化させるなど、わずかに準定常状態にすることができます。続いて、異なるスペクトル成分のODSが抽出され、シェイプテーブルに表示され、アニメーション化されます。 - 非定常ODS
非定常ODSは、回転速度や時間の関数として、特定の周波数や次数成分に対する構造物の振動パターンを調査するために使用されます。結果はFFT解析または次数トラッキングに基づいています。非定常ODSは、どのような騒音や振動の挙動が回転に関連しているのか、また、どのような挙動が走行中の機械の固定部品に関連しているのかを特定するのに非常に有用です。エンジンを上下に回転させるランアップ/ダウンODSは、非定常ODSの一種であり、よく使用されます。
自動車のフレームによるBKConnect Time ODS解析
振動パターンをアニメーション化しながら、時間範囲を選択してスイープする事ができます。スキップサンプルにデシメーションファクタを適用することができます。様々な自由度での振動は、離散的な時間インスタンスで形状テーブルに保存することができます。
スペクトル内の周波数/次数を選択することで形状がアニメーション化され、振動パターンは形状テーブルに記録され、検索や比較が容易になります。様々な自由度での振動は、加速度、速度、変位をピーク、ピーク間、またはRMSスケーリングで表示することができます。SIまたはインペリアル単位を使用することができます。SIまたはインペリアル単位を使用できます。
等高線プロットで周波数/次数と回転数/時間の組み合わせを選択して形状をアニメーション化しています。ここではFFTベースのRun-up ODSを使用しており、斜線は次数を、縦線は構造共振を表しています。スペクトルODSでは、振動パターンを形状表で記録することができます。
ODS分析用機器
構造物/機械の出力のみが測定されるため、ODS 分析のための装置は比較的シンプルで低コストです。装置は、ハードウェア、測定および解析ソフトウェア、応答トランスデューサ（一般的には加速度計）、タコプローブを備えたデータ収集システムで構成されています。タコプローブは、周波数のスミアリングを避けるために次数トラッキングを行う必要があるような、わずかに速度の異なる機械でODS分析を行う場合に必要となります。また、オーダートラッキングが行われていなくても、RPMタグでランアップ/ダウンテストをアノテーションするためにタコプローブが必要になる場合もあります。
ODS分析用のシステムは、ロービング加速度ピックアップを使用したシンプルな2チャンネルシステムから、複雑な構造物で全自由度を同時に測定する数百個の加速度ピックアップを搭載したシステムまで様々です。
およびデータ収集のハードウェアとソフトウェア。
ODS試験で測定される振動は未知のものであることが多いため、過負荷やアンダーレンジの状況を避けるために特別な注意を払うことが重要です。常に試運転を行い、それに応じて入力アッテネータを変更することで、多くのことが可能になります。しかし、より高い効率とデータ品質を得るためには、使用するトランスデューサにマッチした高いダイナミックレンジを持つデータ収集システムを使用するのが最良の解決策です。
また、大型機械、船舶、列車、橋梁、建物などの大型構造物でODS試験を実施する場合、ケーブル配線の作業は膨大なものになります。ケーブル配線のコストを削減し、試験のセットアップを簡単にし、エラーのリスクを排除するためには、測定ポイントの近くに配置し、簡単な標準LANケーブルまたは無線で接続できる分散型データ収集ハードウェアを使用することが非常に有利になります。
大型構造物のODS試験を実施する場合、最初の振動パターンは0 Hzに近い非常に低い周波数であるかもしれません。そのため、データ収集ハードウェアと加速度ピックアップの両方が、このようなケースではDCまでの測定をサポートしなければなりません。
加速度ピックアップについては、モーダル試験のような他の構造物試験の要件の多くがここでも適用されます。考慮すべきパラメータは、ダイナミックレンジ、周波数レンジ、感度から、質量負荷を避けるための軽量化、クリップやベースなどのアクセサリを使用した簡単な取り付けまで多岐にわたります。高温範囲、気密性、堅牢性などの特定の要件が適用される場合もあります。
HBKソリューション
HBKは、加速度センサやタコプローブから、ハードウェアによるデータ収集システム、計測・解析ソフトウェアまで、3つのタイプのODS解析に対応する完全なソリューションを提供しています。データ収集システムは、単一のフロントエンドとしても分散システムとしても構成可能なLAN-XIハードウェアと、ユーザー中心のBK Connectソフトウェアをベースにしています。
ODS解析は、構造力学におけるいくつかの補完的なアプリケーションの一つです。HBKは、古典的なモード解析、実稼働モード解析、モデル相関、構造ヘルスモニタリング、衝撃応答解析のための完全なソリューションも提供しています。
ODS解析やその他の構造ダイナミクスアプリケーションに関するウェビナーの録画をご覧になり、HBKがどのようにお手伝いできるかをご確認ください。
