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DECIGO pathfinder のための 試験マスモジュールの構造設計・解析 (2). お茶大、国立天文台 A 、 東大地震研 B 、 京大理 C 、 法政大工 D 若林野花、大渕喜之 A 、岡田則夫 A 、鳥居泰男 A 、江尻悠美子、鈴木理恵子 、 上田暁俊 A 、川村静児 A 、新谷昌人 B 、安東正樹 C 、佐藤修一 D 、菅本晶夫. 概要. DPF 試験マスモジュールの Breadboard Model 実験を行っている 現在、打上時の耐久性を検証するために構造解析を行っている 今回、固有値解析を行い要求値を満たしていることを確認。. DPF試験マスモジュール概要.

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Presentation Transcript
decigo pathfinder 2

DECIGO pathfinderのための試験マスモジュールの構造設計・解析(2)

お茶大、国立天文台A、東大地震研B、京大理C、法政大工D

若林野花、大渕喜之A、岡田則夫A、鳥居泰男A、江尻悠美子、鈴木理恵子、上田暁俊A、川村静児A、新谷昌人B、安東正樹C、佐藤修一D、菅本晶夫

slide2
概要
  • DPF試験マスモジュールのBreadboardModel実験を行っている
  • 現在、打上時の耐久性を検証するために構造解析を行っている
  • 今回、固有値解析を行い要求値を満たしていることを確認。
slide3
DPF試験マスモジュール概要
  • DPFとは

 スペース重力波アンテナDECIGOの前哨衛星

  • DPF試験マスモジュールとは

試験マス(干渉計の鏡)を保持・制御する機構

試験マスモジュール

DPF

干渉計モジュール

slide5
DPF試験マスモジュールBBM実験スケジュールDPF試験マスモジュールBBM実験スケジュール
slide6
設計
  • 試験マスモジュール構成コンポーネント
            •  ・ハウジングフレーム
            •  ・試験マス
            •  ・静電容量型センサー/アクチュエーター 
            •  ・クランプリリースモーター
            •  ・ローンチロックモーター
            •  ・レーザーセンサ

・ハウジングフレーム

 □110mm、アルミニウム

・試験マス

 □70mm、アルミニウム

・電極板(静電容量型

 センサー/アクチュエータ)

 銅板に金メッキ

※試験マス電極板間ギャップ

          :1mm

重量:約19kg

サイズ:150mm×200mm×300mm

slide7
製作・組立

電極板(センサー/アクチュエータ)

フレーム・試験マス加工:天文台マシンショップ (精度 30μm)

レーザーセンサの

コーナーキューブ

試験マス

フレーム・電極板

レーザーセンサユニット

slide8
熱・構造解析
  • ロケット打上時耐久性
    • 静解析
      • 準静的加速度荷重(前回)
    • 固有値解析
    • 応答解析
      • ランダム振動
      • 音響(ロケットフェアリング内)
      • 衝撃(衛星分離時)
    • 軌道上での熱分布
  • ロケット打上時耐久性
    • 静解析
      • 準静的加速度荷重
    • 固有値解析
    • 応答解析
      • ランダム振動
      • 音響(ロケットフェアリング内)
      • 衝撃(衛星分離時)
    • 軌道上での熱分布

JAXA

slide9
固有値解析
  • 固有値解析とは?

構造物の振動特性(固有振動数とモードシェイプ)を把握すること

  • 何のため?

構造物の固有振動数とロケットの固有振動数を比較し共振しないか検証するため

(ロケット固有振動数<搭載機器固有振動数 ならOK!)

  • 解析以外の手法は?

振動試験(加振試験)等で、実物の固有振動数を調べることができる

slide10
振動試験の例

ロケット固有振動数(だいたいこのへん)

共振点

共振点

共振点

加振

Z

X

Y

加振台

SWIMグループ 2008年4月

加振して構造物の共振点を調べる

「SWIMグループ・(株)明星電気 提供」

slide11
固有振動数 要求値
  • 機軸方向50Hz以上
  • 機軸直交方向30Hz以上

試験マスモジュールの固有振動数が以下の要求値を満たしていれば良い

slide12
固有振動数の解析方法

ステップ1

 単純なバネ-マスモデルでの解析

ステップ2

 有限要素解析

 (FEM:Finite Element Method)

k1

m1

k2

m2

slide13
ステップ1 単純なバネ‐マスモデル

2質量系のばね結合とみなす

ローンチロック

モーター

k1

フレーム

電極板

k2

k1

m1

試験マス

m2

m1

k2

m2

slide14

ステップ1 単純なバネ‐マスモデル

固有振動数:1158Hz

要求値を十分満たしている。

(衛星機軸方向  :50Hz以上

衛星機軸直交方向:30Hz以上)

 ステップ1 OK

→ステップ2へGO!

k1

m1

k2

m2

slide15

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析
  • モデルを作成する
  • FEモデルを作成する(メッシュを切る)
  • 境界条件、解析条件を設定
  • 解析
  • 結果
slide16

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析
  • モデルを作成する
  • FEモデルを作成する(メッシュを切る)
  • 境界条件、解析条件を設定
  • 解析
  • 結果

※解析のため簡易化

部品間の締結部は

完全に密着

slide17

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析
  • モデルを作成する
  • FEモデルを作成する(メッシュを切る)
  • 境界条件、解析条件を設定
  • 解析
  • 結果

※フライトモデルで使用予定

 の材質を適用

 試験マス:Au-Pt合金

 電極板:サファイヤ

slide18

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析
  • モデルを作成する
  • FEモデルを作成する(メッシュを切る)
  • 境界条件、解析条件を設定
  • 解析
  • 結果

底面固定

slide19

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析
  • モデルを作成する
  • FEモデルを作成する(メッシュを切る)
  • 境界条件、解析条件を設定
  • 解析
  • 結果

解析実行中・・・

slide20

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析
  • モデルを作成する
  • FEモデルを作成する(メッシュを切る)
  • 境界条件、解析条件を設定
  • 解析
  • 結果

1次

モード

2次

モード

3次

モード

4次

モード

5次

モード

6次

モード

7次

モード

8次

モード

9次

モード

10次

モード

slide22

NX I-DEAS 5 使用

ステップ2 有限要素解析 -結果-

固有振動数:764Hz(1次モード)

要求値を十分満たしている。

(衛星機軸方向  :50Hz以上

衛星機軸直交方向:30Hz以上)

slide23
ステップ2 有限要素解析 -妥当性検証-

フレーム単体での固有振動数について、

有限要素解析での結果と実測値との

比較を行った

※フレーム(アルミニウム製)実物あり

slide24

NX I-DEAS 5 使用

有限要素解析(フレーム単体)

アルミニウム製のフレームのモデルで固有振動数解析を行った。

FEモデル作成、境界条件

(底面固定)

モデル作成

固有値解析

解析結果:1次モード 946Hz

slide25
固有振動数測定(フレーム単体)

 フレームをインパクトハンマーで叩いて加速度センサーで固有振動数を測定

880Hz

インパクトハンマー

解析結果は妥当!!

加速度センサー

結果:880Hz(解析結果:一次モード946Hz)

解析結果とほぼ一致

→形状、材料特性、境界条件が正しく与えられている

slide26
固有振動数解析結果

ステップ1 単純なバネ-マスモデル 1158Hz

ステップ2 有限要素解析 764Hz

要求値を十分満たしている。

(衛星機軸方向  :50Hz以上

衛星機軸直交方向:30Hz以上)

試験マスモジュールの固有振動数が打ち上げ

ロケットの固有振動数よりも十分高いので、

共振してしまうことはない

slide27
今後の予定

構造解析(応答解析)

試験マス制御実験(真空中)

slide28
まとめ
  • DPF試験マスモジュールBBMの構造解析(固有値解析)を行った。固有振動数を解析した結果、打ち上げロケットの振動と共振しないことが分かった。
  • 今後の予定:応答解析、試験マスの制御実験
slide30

2400Hz

センサーノイズ

2400Hz・・・高次モード

(解析結果でも3kHzに高次モードあり)

slide31
結果評価:単純なバネ‐マスモデル
  • 2質量系のばね結合とみなす

ローンチロック

モーター

k1

フレーム

電極板

k2

k1

m1

試験マス

m2

m1

k2

m2

固有振動数:1158Hz

これは並進の2自由度なので、回転運動も含めたバネーマスモデルにするなど、モデルの精度を上げていきたい

slide32

●ばね定数の求めかた

 それぞれのモデルをさらにはりモデル

 に置き換える。

簡単な例:自由端に集中荷重を受ける片持ちばり

ローンチロック

モーター

荷重W

k1

フレーム

電極板

k2

m1

試験マス

m2

最大たわみ

E:ヤング率

I:断面2次モーメント

※この k はばねの横剛性

より