JP3418114B2 - 試験装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造物の振動試験
を行うための試験装置およびその方法に係わり、特に構
造物の一部分のみの振動試験と他の部分の振動応答数値
解析を実時間で組み合わせて行う試験装置およびその方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物の振動試験を行う際には、従来振
動台を用いた試験がよく用いられてきた。また、対象構
造物が大型になり、振動台の積載限界を超えてしまう場
合には、縮小モデルを用いた振動台試験や部分モデルを
用いた振動台試験が行われていた。しかし、非線形構造
物など相似則が成立しにくい構造物や、周辺構造物との
振動の連成が大きな構造物においては、前記縮小モデル
を用いた振動台試験や部分モデルを用いた振動台試験は
精度の悪いものになる可能性があった。

【０００３】これを解決するために、構造物の一部分
（以下、供試体部と呼ぶ）のみのアクチュエータによる
振動試験と、他の部分の数値モデルに対する振動応答数
値解析とを実時間で組み合わせて行う構造物の振動試験
（以下、実時間ハイブリッド振動試験と呼ぶ）方法が特
開平５−１０８４６号に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】実時間ハイブリッド振
動試験においては、振動応答数値解析を行うために、対
象部分（以下、数値モデル化部と呼ぶ）を数値モデル化
し、振動応答方程式を解く必要がある。ここで、数値モ
デル化部の中に、変位に対し非線形な剛性を示す非線型
剛性要素や、速度に対し非線型な減衰を示す非線形減衰
要素（以下、これらをまとめて非線形要素と呼ぶ）が含
まれる場合の振動応答方程式（以下、非線型振動応答方
程式と呼ぶ）は、数値モデル化部の中に非線形要素を含
まず線形要素のみの場合の振動応答方程式（以下、線型
振動応答方程式と呼ぶ）に比べ、収束演算を繰り返す必
要のある場合もあり、その求解に要する時間は大きく増
加する。従って、実時間で数値モデル化部の振動応答解
析を高速に行う必要のある実時間ハイブリッド振動試験
に、このような非線形要素を含む数値モデル化部を設定
することは困難であった。

【０００５】本発明の目的は、前記実時間ハイブリッド
振動試験において、数値モデル化部に非線形要素を含む
場合でも、振動試験が実行可能な試験装置および方法を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、評価対象物の
一部分をなす実物または模型を供試体としてこれを駆動
するための駆動手段と、該駆動手段に生じる前記供試体
からの反力を第１反力として測定するための反力測定手
段と、評価対象物の前記供試体以外の部分を第１の部分
及び第２の部分に分けてそれぞれを第１及び第２数値化
モデルとしたときに、前記反力測定手段により測定され
た第１反力から前記第１数値化モデルに加えられる反力
を算出するための第１の計算手段と、前記第２数値化モ
デルの応答に対して当該第２数値化モデルが生じる反力
を第２反力として算出するための第２の計算手段と、前
記第１及び第２の計算手段により算出された第１及び第
２の反力と与えられた外力とから前記第１数値化モデル
の応答を算出するための第３の計算手段と、該手段の計
算結果から前記供試体との境界点の応答を算出するため
の第４の計算手段と、該手段により算出された境界点の
応答を目標値として前記駆動手段への制御信号を生成
し、これを前記駆動手段へ出力するための第５の計算手
段と、前記第３の計算手段により算出された応答から前
記第２数値化モデルの応答を算出してこれを前記第２の
計算手段へ出力するための第６の計算手段と、前記第
１、第２、第３、第４、第５、及び第６の計算手段によ
る処理がサイクリックに実行されるように制御するため
の制御手段と、を備えたことを特徴とする試験装置を開
示する。

【０００７】また、本発明は、評価対象物の前記供試体
以外の部分を、前記第１の部分及び第２の部分に分割
し、かつ前記第２の部分を表す前記第２数値化モデルで
用いる定数を生成するための数値化モデル分割指定手段
を具備したことを特徴とする試験装置を開示する。

【０００８】また、本発明は、前記第１ないし第６の計
算手段を複数のプロセッサで構成すると共に、前記第２
の計算手段を構成するプロセッサが作動中に、前記第２
以外の計算手段を構成するプロセッサが並列動作するよ
うに構成したことを特徴とする試験装置を開示する。

【０００９】また、本発明は、前記第２の部分が、応答
とこれに対する反力との関係が非線形である要素を含む
部分であることを特徴とする試験装置を開示する。

【００１０】

【００１１】また、本発明は、評価対象物の一部分をな
す実物または模型を供試体とし、評価対象物の前記供試
体以外の部分を第１の部分及び第２の部分に分けてそれ
ぞれを数値モデル化して第１及び第２数値化モデルと
し、前記供試体を駆動したときに生じる第１反力を測定
してこれから前記第１数値化モデルに加えられる反力を
算出する第１の演算を実行し、前記第２数値化モデルの
応答に対して当該第２数値化モデルが生じる反力を第２
反力として算出する第２の演算を実行し、前記第１及び
第２の演算により算出された第１及び第２の反力と与え
られた外力とから前記第１数値化モデルの応答を算出す
る第３の演算を実行し、該第３の演算結果から前記供試
体との境界点の応答を算出する第４の演算を実行し、該
第４の演算により算出された境界点の応答を目標値とし
て前記供試体を駆動し、前記第３の演算により算出され
た応答から前記第２数値化モデルの応答を算出してこれ
を前記第２の演算で用いるようにする第５の演算を実行
し、さらに前記第１、第２、第３、第４、及び第５の演
算がサイクリックに実行されるように制御して評価対象
物の試験を行うようにしたことを特徴とする試験方法を
開示する。

【００１２】

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。なお、以下の説明では、｛｝で囲まれた記
号はベクトルを、＜＞で囲まれた記号はマトリックス
を、それぞれ表記するものとする。例えばベクトルａは
｛ａ｝、マトリックスＢは、＜Ｂ＞と表記するものとす
る。

【００１４】図２は、実時間ハイブリッド振動試験の評
価対象の一例を示しており、質量ｍ１、ばね要素ｋ1、
減衰要素ｃ１が１つの自由度系を、質量ｍ２、ばね要素
ｋ2、減衰要素ｃ２ がもう１つの自由度系をなしてい
る。ここでばね要素ｋ1を供試体部２０１とし、アクチ
ュエータによる振動実験を行い、残りの要素から成る数
値モデル化部２０２は計算機でシミュレートする。今、
＜Ｍ＞、＜Ｃ＞、＜Ｋ＞をそれぞれ数値モデル化部の質
量マトリックス、減衰マトリックス、剛性マトリックス
とし、｛ｘ｝を数値モデルの基礎（試供体をのせる台）
に対する相対変位ベクトル、｛ｐ｝を地震などによる外
力ベクトル、｛ｆｆ｝を数値モデルと実物モデルの境界
点に発生する力（以下、反力と呼ぶ）のベクトルとす
る。従来技術が対象としていた線形要素のみから成る評
価対象の場合、前記の各マトリックス＜Ｍ＞、＜Ｃ＞、
＜Ｋ＞は定数であり、数値モデル化部の運動方程式は、

【数１】 とかける。ここで、反力｛ｆｆ｝は加振実験により計測
し、これを外力として（数１）を解いて微小時間Δｔ後
の振動応答｛ｘ｝を計算し、このうち境界点の変位（以
下、加振点変位と呼ぶ）｛ｐｆ｝を目標値としてアクチ
ュエータを駆動してこの変位を供試体部２０１に加え、
この変形に対する反力｛ｆｆ｝を計測する。以上を繰り
返し実施することより、構造物全体の振動応答が評価で
きる。

【００１５】上記の（数１）の解法としては、＜Ｍ＞、
＜Ｃ＞、＜Ｋ＞が定数であるので、例えば、中央差分法
を用いて解くことができる。その結果は

【数２】

【数３】 となる。ここで｛ｘｂ｝は現時刻の各ノード変位、｛ｘ
ｂｂ｝はΔｔ時間前の各ノード変位、＜ＦＩ＞ は反力
方向マトリックス、｛ｆｆ｝は反力、＜ＡＩ＞は加速度
入力方向マトリックス、｛ａ｝は入力加速度ベクトル、
｛ｘ｝はΔｔ時間後の各ノード変位、｛ｐｆ｝は供試体
部に与えるべき加振変位ベクトル、＜ＸＯ＞は変位出力
方向マトリックスである。 即ち、＜ＦＩ＞｛ｆｆ｝
は、反力｛ｆｆ｝により｛ｘ｝の成分に働く力を示し、
＜ＡＩ＞｛ａ｝は入力加速度｛ａ｝により｛ｘ｝の各成
分に働く力（即ち、入力加速度による外力）を示し、＜
ＸＯ＞｛ｘ｝は変位｛ｘ｝によりもたらされる｛ｐｆ｝
の各成分を示す。

【００１６】（数１）〜（数３）は一般式であるが、図
２の２自由度系に図示のような一方向加振を与えたとき
には、供試体部２０１からの反力をｆｆ1とすれば、
（数２），（数３）において、

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】

【数１１】

【数１２】 とおけばよい。

【００１７】以上（数３）〜（数１２）による数値モデ
ル化部の解法は線形要素を対象としているが、非線形要
素の時はこのままでは解析できない。そこで、図２に示
す１方向の加振を与える２自由度系を振動応答評価対象
と考え、数値モデル化部２０２のバネ要素ｋ2が非線形
要素であり、他の要素が線形要素である場合を考える。
この場合、本発明では、（数２）、（数３）において、
反力ベクトル｛ｆｆ｝、加振変位ベクトル｛ｐｆ｝の次
元を非線形要素数分拡張する。いまの場合、非線形要素
数は１であるから、上記のベクトル｛ｆｆ｝、｛ｐｆ｝
をそれぞれ１×１行列から、２×１行列に拡張する。こ
れに伴い、行列＜ＦＩ＞も２×１行列から２×２行列に
拡張し、行列＜ＸＯ＞も１×２行列から２×２行列に拡
張する。すなわち、（数２）、（数３）の各ベクトルや
マトリックスを、（数４）〜（数１２）に代わって

【数１３】

【数１４】

【数１５】

【数１６】

【数１７】

【数１８】

【数１９】

【数２０】

【数２１】 とする。ここで、拡張したベクトル｛ｐｆ｝の２行１列
要素ｐｆ2は、非線形要素ｋ2に発生する振動応答変位で
あり、拡張したベクトル｛ｆｆ｝の２行１列要素ｆｆ2
は非線形要素ｋ2が、振動応答変位ｐｆ2に対して発生す
る反力である。従って、拡張された、＜ＦＩ＞｛ｆｆ｝
は、供試体からの反力と非線形要素ｋ2からの反力との
両方を反映した結果、｛ｘ｝の各成分に働く力を示し、
＜ＸＯ＞｛ｘ｝は変位｛ｘ｝によりもたらされる｛ｐ
ｆ｝の各成分を示す。従って、振動応答変位ｐｆ2に対
して、非線形要素ｋ2の特性に応じて非線形要素ｋ2の発
生する反力ｆｆ2の計算を行い、これを（数２）に代入
することにより次の時刻の｛ｘ｝を算出することができ
る。即ち、非線形要素ｋ2の特性に応じて、非線形要素
ｋ2の振動応答変位ｐｆ2に対して、非線形要素ｋ2の発
生する反力ｆｆ2を反力モデル化しておき、このモデル
に従って、振動応答変位ｐｆ2に対して、非線形要素ｋ2
の発生する反力ｆｆ2の計算を行う。

【００１８】図１は、上記した本発明の試験方法の手順
をフローチャートで示したもので、制御装置１０１に、
本発明の特徴とするアルゴリズム１０２が搭載されてい
る。制御装置１０１には、アルゴリズム１０２の計算を
行う時刻間隔の管理を行う手段１０３が搭載されてい
る。アルゴリズム１０２の実行に当たっては、次の準備
が必要である。この準備作業を図２の例に即して説明す
ると、評価対象物の一部分を実物または模型を用いた供
試体部２０１とし、その供試体部２０１をアクチュエー
タ１０５により加振できるようにした実試験部１１９を
用意しておく。また評価対象物の他の部分である数値モ
デル化部２０２を、線形要素である質量ｍ１、ｍ２、減
衰要素ｃ１、ｃ２から成る第１の部分と、非線形要素で
あるｋ2の第２の部分に分ける。そして第１の部分を第
１の数値モデルとしてモデル化し、前記第２の部分は、
少なくとも１つの要素（ｋ2）を備え、この各要素の応
答を第２の応答（ｐｆ2）とし、この第２の応答にそれ
ぞれ対応して前記第２の部分の各要素が発生する各反力
を第２の反力（ｆｆ2）としたとき、前記第２の応答
と、前記第２の反力との関係を示す少なくとも１つのモ
デルを第２の数値モデルとしてモデル化しておく。こう
して準備が終わると次の１）〜７）に示すアルゴリズム
１０２の処理が実行される。

【００１９】１）事前に定められているステップｉにお
ける既知の外力を算出する（ステップ１１０）。この方
法として、例えば、事前に定められている入力加速度
｛ａ｝を収集し、これに基づき入力加速度による外力を
算出する方法をとってもよい。

【００２０】２）反力センサ１１８により計測した供試
体部２０１からの反力の収集を行い（ステップ１１
６）、供試体部１０４から数値モデル化部に加わる反力
ｆｆ1を計算する （ステップ１１１）。

【００２１】３）数値モデル部内の非線形要素の応答変
位ｐｆ2をもとに、これに対応して数値モデル部内の非
線形要素の発生する反力ｆｆ2を、反力モデル（前記第
２の数値モデル）に従って計算する （ステップ１１
２）。

【００２２】４）上記１）２）３）の結果より、（数
２））および（数１３）〜（数２１）に基づき（第１の
数値モデルに基づき）、ステップｉ＋１における数値モ
デル化部の振動応答｛ｘ｝を計算する （ステップ１１
３）。

【００２３】５）上記４）の結果より、（数１３）、
（数１８）、（数１９）及び（数２０）に基づき、時刻
ｉ＋１における供試体部との境界点の振動応答ｐｆ1の
計算、出力を行い（ステップ１１４）、このｐｆ1を目
標値として供試体を加振するアクチュエータコントロー
ラ１０６への指令値１０７を計算、出力する（ステップ
１１７）。

【００２４】６）上記４）の結果より、（数１３）、
（数１８）、（数１９）、（数２０）に基づき、ステッ
プｉ＋１における数値モデル部内の非線形要素の振動応
答ｐｆ2の計算、出力を行う（ステップ１１５）。

【００２５】６）試験を終了する場合は計算処理を終了
し、終了しない場合は１）に戻る。

【００２６】図３及び図４は、図１のステップ１１２で
用いる非線形要素モデルの例を示すものである。これら
の図において図２のモデルに対応して述べると、横軸の
応答というのは振動応答変位ｐｆ2であり、縦軸の反力
というのは非線形要素へ加えられる反力ｆｆ2である。
これらの非線形要素モデルは、計算機内で数式またはル
ックアップテーブルの形で用意しておく。なお図３はよ
く見られるヒステリシス特性であり、図４は、一般に近
似度は低下するが計算速度の速い折れ線近似したヒステ
リシス特性である。

【００２７】以上に説明した本発明の試験方法による
と、非線形要素特性の計算が関与するのは図１のステッ
プ１１２のみであり、しかも後述するようにこのステッ
プと他のステップとは並列演算が容易に行える。従っ
て、従来のように非線形要素を含めた１つの非線形方程
式を解いていくのに比べて計算の高速化がはかれるの
で、試験の時間間隔を小さくでき、実時間ハイブリッド
振動試験の実現が容易となる。

【００２８】次に、上記では図２の評価対象の場合を例
に説明したが、供試体部に対する加振方向が１方向でな
く多方向である場合でも、（数２）、（数３）、（数１
３）〜（数２１）は一般化座標で記述しているので、行
列、ベクトルの次元を増やすことによって容易に対応可
能である。このとき、複数のアクチュエータが供試体と
リンク機構を用いて接続されることもあるが、この場
合、処理ステップ１１１、１１６で、反力センサにより
計測した供試体部からの反力から数値モデル化部に加わ
る反力ｆｆ1を求める計算を行い、ステップ１１７で、
供試体部に与えるべき加振変位から、リンク機構を考慮
した各アクチュエータの変位目標値を算出し、これを目
標値として供試体を加振するアクチュエータのサーボコ
ントローラへの指令値を計算、出力することにより、対
応可能である。さらに、ステップ１１７にアクチュエー
タの遅れを補償する処理を追加してもよい。このとき、
アクチュエータの応答実現値の、アクチュエータの前記
変位目標値からの遅れを所定値以下に抑えることができ
る。さらに、アルゴリズム１０２を実時間で実行しても
よい。

【００２９】また、数値モデル化部に含まれる非線形要
素の数が複数になった場合でも、ベクトル｛ｆｆ｝、
｛ｐｆ｝、マトリックス＜ＦＩ＞、＜ＸＯ＞の次元を拡
張することにより対応可能である。すなわち、複数の非
線形要素の複数の振動応答と、これに対応して発生する
複数の反力がある場合でも、本発明は成立する。同様
に、反力モデルが複数ある場合でも本発明は成立する。

【００３０】さらに、図１において、供試体部との境界
における振動応答と、これが供試体部に与えられた場合
に、供試体部の発生する反力との関係を示すモデルを供
試体モデルとし、この供試体モデルを備え、前記供試体
モデルに基づき、制御装置１０１から入力された応答を
用いて、供試体部からこの応答に対して発生する反力を
計算し、制御装置１０１に出力する供試体模擬装置を実
試験部１１９の代わりに用い、ステップ１１７では、ス
テップ１１４より出力された供試体部との境界点の振動
応答ｐｆ1を、前記供試体模擬装置に出力する処理を行
い、前記供試体模擬装置の出力する反力をステップ１１
６の収集する反力とすることにより、本発明は、実際の
供試体、アクチュエータ、アクチュエータコントロー
ラ、反力センサを用いなくても、構成でき、実現可能で
ある。

【００３１】また、以上の実施の形態では、振動応答が
変位である場合の例を述べたが、応答は、変位、速度、
および加速度のいずれか、またはこれらの組み合わせで
あってもよい。また、非線形要素の反力モデル化を、変
位応答に対する発生する反力の形で行った例について述
べたが、非線形要素の応答に対する反力のモデル化にお
いて、応答は、変位、速度、および加速度のいずれか、
またはこれらの組み合わせであってもよい。

【００３２】次に、図１に示したアルゴリズムを実行す
るための計算機について、その種々の構成法を以下に説
明する。まず、このための計算機は１つでもよいが、十
分な処理速度を実現するには複数のプロセッサで分担し
て処理を行うのがこのましい。図５は、アルゴリズム１
０２をプロセッサＡ、プロセッサＢ、プロセッサＣの３
台のプロセッサを用いて処理する方法の一例を示す。図
中の各処理の番号は、図１に示すアルゴリズム１０２中
の各処理ステップの番号である。図中点線で示したとこ
ろは、各プロセッサの担当する処理間の同期処理を示
す。ステップ１１０、１１１と１１６、１１２はそれぞ
れ並列処理可能であり、またステップ１１４、１１５も
同様である。従って、図５に示すような並列処理によっ
て、アルゴリズム１０２の処理時間を短縮することがで
きる。従って、実施の形態により、計算時刻間隔（以
下、計算時間刻みとよぶ）を短縮することが可能とな
り、試験精度を向上させることができる効果がある。

【００３３】図６は、アルゴリズム１０２をプロセッサ
Ａ、プロセッサＢの２台のプロセッサを用いて処理する
方法の一例を示す。図中の各処理の番号は図１に示すア
ルゴリズム１０２中の各処理ステップの番号である。図
中点線で示したところは、各プロセッサの担当する処理
間の同期処理を示す。この処理方法は、非線形を扱うス
テップ１１２が長い時間を要するときに有効であり、図
６に示すように並列処理によって、アルゴリズム１０２
の処理時間を短縮することができる。

【００３４】図７は、アルゴリズム１０２をプロセッサ
Ａ、プロセッサＢ、プロセッサＣ、プロセッサＤの４台
のプロセッサを用いて処理する方法の一例を示す。図中
の各処理の番号は図１に示すアルゴリズム１０２中の各
処理の番号である。図中点線で示したところは、各プロ
セッサの担当する処理間の同期処理を示す。ここで、図
７では処理ステップ１１２がさらに高負荷である場合の
例を示している。この一例としてたとえば、非線形要素
の数が２個になった場合、処理ステップ１１２を２個そ
れぞれの非線形要素の処理１１２（ａ）、１１２（ｂ）
に分割し、これらの各処理は並列に処理可能であるか
ら、各々プロセッサＣ、プロセッサＤに処理させてい
る。また、処理ステップ１１３はマトリックス演算であ
るから、例えば、いくつかの行ごとに分割することによ
り、並列に処理可能である。このように分割した処理
が、処理ステップ１１３（ａ）、１１３（ｂ）、１１３
（ｃ）、１１３（ｄ）であり、これらの各処理をプロセ
ッサＡ、プロセッサＢ、プロセッサＣ、プロセッサＤの
各々に処理させている。

【００３５】図８は、アルゴリズム１０２をプロセッサ
Ａ、プロセッサＢ、の２台のプロセッサを用いて処理す
る方法の一例を示す。図中の各処理の番号は図１に示す
アルゴリズム１０２中の各処理ステップの番号である。
図中点線で示したところは、各プロセッサの担当する処
理間の同期処理を示す。この例では、アルゴリズム１０
２中の処理ステップ１１２以外の処理ステップをプロセ
ッサＡで処理し、処理ステップ１１２のみをプロセッサ
Ｂで処理している。この例では、処理ステップ１１３に
おいて、処理ステップ１１０、１１１、１１２の結果を
用いるため、処理ステップ１１３の開始までは、プロセ
ッサＡとプロセッサＢとは並列に動作可能である。この
例は、図６の場合のステップ１１４、１１５を同一プロ
セッサで処理するようにしたものに相当する。

【００３６】以上の図５〜図８では、いくつかの並列処
理方法を説明したが、いずれも概略的に各プロセッサ間
の処理の関係を示している。実際には同期のとり方、各
処理ステップ間のデータの関係などを正確に定めておく
必要があるので、これを図８の処理方法を用いて次に詳
しく述べる。図１１は、図８の処理方法をより詳しく示
したもので、処理ステップ１１２が高負荷の時に適した
ものである。これは例えば、非線形要素の数が複数個で
ある場合や、応答ｐｆ2と反力ｆｆ2との関係を示すモデ
ルに複雑な非線型要素モデルを採った場合などである。

【００３７】図１１において、時刻ｔi、ｔi+1…は２つ
のプロセッサが同期していて、図１のアルゴリズム１０
２が１巡したときの時刻である。それらの間隔ΔＴは一
定で、その各タイムスロットを符号のＳＬi-1、ＳＬi+1
…で示している。いま、タイムスロットＳＬi-1のステ
ップ１１５で算出された非線形要素の振動応答変位ｐｆ
2は、時刻ｔiでの変位であるので、これをｐｆ2（ｉ）
と示す。そうするとこの応答ｐｆ2（ｉ）を入力とし
て、タイムスロットＳＬiのステップ１１２では応答ｐ
ｆ2（ｉ）に対応する発生反力ｆｆ2（ｉ）をプロセッサ
Ｂで算出する。この反力ｆｆ2（ｉ）は、本来タイムス
ロットＳＬiにおける処理ステップ１１３に用いられる
べきものであるが、処理ステップ１１２の処理負荷が重
い場合は、この計算が間に合わないので、反力ｆｆ2
（ｉ）は、タイムスロットＳＬi+1の処理ステップ１１
３においてであり、時間ΔＴ分のずれを生じる。このず
れは、試験の誤差要因となるが、一方では並列処理によ
り計算時間刻みΔＴを短縮可能で、時間刻みΔＴを小さ
くするほどに誤差が減少できる効果がある。そして並列
処理により、総合的にみて試験精度を向上できるという
効果がある。

【００３８】図１１の説明では、プロセッサＡによるス
テップ１１０の処理とプロセッサＢによるステップ１１
２の処理とが各タイムスロットの始点時刻ｔi、ｔi+1…
で同時に開始されるとしたが、この各処理の開始時刻は
必ずしも一致する必要はない。図１２はこの開始時刻が
一致していない処理方法の例であり、プロセッサＡのタ
イムスロットＳＬＡi、ＳＬＡi+1…とプロセッサＢのタ
イムスロットＳＬＢi、ＳＬＢi+1…の位相がΔＳだけず
れている場合である。この位相ずれΔＳは負の値でもよ
く、タイムスロットＳＬＢiに於けるステップ１１２の
処理が、タイムスロットＳＬＡi-1に於けるステップ１
１５の処理完了後に開始され、かつタイムスロットＳＬ
Ａi+1のステップ１１３開始時刻以前に終了しているよ
うに設定されていればよい。

【００３９】なお、図１２では、２つのプロセッサＡ、
Ｂのタイムスロットの位相ずれΔＳは一定としたが、こ
のためには両プロセッサ間でタイミング同期系が必要で
ある。しかしこれも、必ず一定である必要はない。即
ち、データフロー計算機のようにプロセッサＡのステッ
プ１１５で応答ｐｆ2が算出されると、２つのプロセッ
サの共有メモリ上にフラグを立てて結果を格納し、用意
ができたことをプロセッサＢに知らせる。プロセッサＢ
はこの共有メモリを常時チェックして、フラグを立てて
いるのを見つけるとステップ１１２の処理を開始する。
そしてその結果を同様の方法でプロセッサＡに知らせる
というようにして双方のプロセッサ間で同期をとり処理
を行うことができる。なお、図１１、１２は２プロセッ
サで図８の処理方法を用いたときの詳細であるが、図５
〜図７の場合も同様であることは云うまでもない。

【００４０】図１３は、図８のプロセッサＢによる処理
方法を実行するための別の構成例で、特に図１に示した
処理方法に適した構成である。図１３において、プロセ
ッサＡ１３０１とプロセッサＢ１３０２とはそれぞれＤ
／Ａ変換器１３０３、信号線１３０７、Ａ／Ｄ変換器１
３０４とＤ／Ａ変換器１３０６、信号線１３０８、Ａ／
Ｄ変換器１３０５を介して接続されており、２つのプロ
セッサ間の情報の伝達は、情報を一旦アナログ信号に変
換することにより行われている。振動試験装置等に用い
る計算機（プロセッサ）は、アクチュエータやセンサと
のインターフェースとしてアナログボートを有している
ことが多く、従って図１３のＡ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換器を内
蔵していることが多い。このため、図１３の構成は、こ
のような計算機を信号線で接続するだけで構成できる利
点がある。

【００４１】図１４は、２プロセッサ構成の別の例を示
しており、２つのプロセッサ１４０１、１４０２間が通
信装置１４０３、１４０４を介して接続されている。本
構成の特徴は、例えば２つのプロセッサが別々のシステ
ムであるとき、特に離れているとき等に有効である。

【００４２】次に、図１に示したアルゴリズムの実行に
際しては、評価対象に応じた定数の設定が、特に数値モ
デル化部中の非線形要素を指定するときに必要である。
これに関する定数としては、マトリックス＜ＦＩ＞とマ
トリックス＜Ｘ０＞があり、これらは評価対象の構造で
定まる。そして、線形系の場合に比べて、数値モデル化
中の非線形要素の個数分だけマトリックス＜ＦＩ＞の列
数をふやし、マトリックス＜Ｘ０＞の行数をふやす必要
がある。このためには、ディスプレイ上に各マトリック
スの入力画面を表示し、操作者がこの画面から各マトリ
ックスを入力するとそれを数値モデルに取り込むツール
を用意すればよい。或いは各マトリックスの情報を含む
ファイルを別途用意して、それを読み込むようにしても
よい。また、評価対象が変化しないときには、アルゴリ
ズム１０２を実行するプログラム中で、数値モデル化部
中に非線形要素を指定しておいてもよい。

【００４３】なお、マトリックス＜ＦＩ＞とマトリック
ス＜Ｘ０＞の間には次の関係を持たせてもよい。

【数２２】

【数２３】 このとき、マトリックス＜ＦＩ＞またはマトリックス＜
ＸＯ＞の一方を前述したようにディスプレイ等を用いて
入力し、他方を（数２２）または（数２３）に示されて
いるように転置行列として算出するようにしてもよい。
以上のようにして定められるマトリックス＜ＦＩ＞及び
＜ＸＯ＞としては、評価対象が図２の場合は（数１６）
及び（数１８）で与えられることは云うまでもない。こ
のときの＜ＦＩ＞の入力画面の例を図１６に、また＜Ｆ
Ｉ＞、＜ＸＯ＞の双方の入力画面の一例を図１６及び図
１７に示す。

【００４４】また、例えば、図１５に示すような、２つ
の非線形要素（ばね要素ｋ2、ｋ3）を含む数値モデル化
部３０２と、供試体部３０１から成る３自由度系を試験
対象とする場合は、マトリックス＜ＦＩ＞の２列目およ
び３列目が非線形要素の位置を示す情報となり、

【数２４】 と設定すればよく、マトリックス＜ＸＯ＞は例えばこの
転置行列で与えられる。さらに（数２４）はより一般化
が可能であって、いま図１５の要素ｋｈが供試体部、要
素ｋｉが１つめの非線形要素、要素ｋｊが２つめの非線
形要素であるとすると、マトリックス＜ＦＩ＞の非零要
素は

【数２５】ＦＩ＜ ｈ−１，１＞ ＝ −１

【数２６】ＦＩ＜ ｈ ，１＞ ＝ １

【数２７】ＦＩ＜ ｉ−１，２＞ ＝ −１

【数２８】ＦＩ＜ ｉ ，２＞ ＝ １

【数２９】ＦＩ＜ ｊ−１，３＞ ＝ −１

【数３０】ＦＩ＜ ｊ ，３＞ ＝ １ で与えられ、他の要素は０である。（数２４）はこれら
の式でｈ＝１、ｉ＝２、ｊ＝３の場合に相当する。従っ
て、図１５のモデルを画面に表示し、ユーザが非線形要
素や供試体をマウス等で指定することで、（数２５）〜
（数３０）からマトリックス＜ＦＩ＞が設定できる。ま
た、図１８に示すように、画面上でマトリックス＜ＦＩ
＞を入力するようにしてもよい。

【００４５】図２０は、本発明の別の実施の形態を示し
たものである。この実施の形態は、図１にて示したアル
ゴリズム１０２に、実験準備処理２００４を追加したも
のである。この実験準備処理２００４は、パラメータ入
力処理Ａ２００１、非線形要素の指定処理２００２、パ
ラメータ入力処理Ｂ２００３を備えている。パラメータ
入力処理Ａ２００１では、実験に必要なパラメータ、例
えば前記第１の数値モデル化部（線形モデル化部）のモ
デルの設定等を行う。パラメータ入力処理Ｂ２００３で
は、実験に必要なパラメータ、例えば入力速度の設定、
前記第２のモデル（非線形特性）の設定等を行う。非線
形要素の指定処理２００２では、前記マトリックス＜Ｆ
Ｉ＞、マトリックス＜ＸＯ＞の設定を行うことにより、
非線形要素の指定を行う。

【００４６】図２０は、図１９のパラメータ入力処理Ａ
２００１および非線形要素の指定処理２００２の詳細な
例を示すもので、マトリックス＜ＦＩ＞＜ＸＯ＞は図１
８のように画面を見ながら入力してもよいが、ここでは
これらを自動的に作成する方法を示している。この図２
０を図１５に示した評価対象を例として説明する。この
場合、供試体部の数（F_hyb）は１である。

【００４７】まず、評価対象全体の自由度数DOFの設定
を行う（ステップ２１０１）。図１５の例では、DOF＝
３となる。次に、入力用図のディスプレイへの表示を行
う（ステップ２１０２）。入力用図の一例として、例え
ば、図１５を示してもよい。次に、供試体部の指定を行
う（ステップ２１０３）。例えば、図１５に示す要素ｋ
１が供試体部である場合、ｋ１を例えばポインティング
装置で供試体部として選択する。これにより、供試体部
指示変数h（１）に、要素ｋ１の属する自由度である１
を設定する。即ち、h（１）＝１と設定する。次に、供
試体部の数 F_hyb を設定する（ステップ２１０４）。
本例の場合、F_hyb＝１と設定する。以上が図１９の処
理２００１に相当する。

【００４８】次に、非線形要素の指定と非線形要素F_NL
の設定を行う（ステップ２１０５）。例えば、図１５に
示す要素ｋ２、ｋ３が非線形要素である場合、これらの
要素を例えばポインティング装置で非線形要素部として
選択する。これにより、非線形要素数 F_NL＝２と設定
し、非線形要素部指示変数NL（１）〜NL（F_NL）に、要
素ｋ２、要素ｋ３の属する自由度である２、３を設定す
る。即ち、本例の場合、NL（１）＝２、NL（２）＝３と
設定する。次に、F_hybとF_NLとの和F_Nを計算する（ス
テップ２１０６）。本例の場合、F_hyb＝１、F_NL＝２
であるから、F_N＝３となる。

【００４９】次に、ｉ＝１〜DOF、j＝１〜F_Nに対して
マトリックス＜ＦＩ＞の各成分ＦＩ（ｉ、ｊ）を設定す
る。このためにまず、前記ｉ,ｊの範囲のすべての成分
を０に初期化する（ステップ２１０７）。本例の場合、
DOF＝３、F_N＝３であるから、ｉ＝１〜３、,ｊ＝１〜
３の範囲が有効範囲となる。次に、マトリックス＜ＦＩ
＞の成分ＦＩ（h(1)-1,1）に−１を、ＦＩ（h(1),1）に
１を設定する（すてっぷ２１０８）。今の例ではｈ
（１）＝１であるから、ＦＩ（０，１）＝−１、ＦＩ
（１，１）＝１である。ただし、ＦＩ（０，１）はｉの
有効範囲外であるので、その値はマトリックスには設定
されない。次にステップ２１０９で示した一般的な場合
の式により、その他のＦＩの成分を求める。今の例では
F_NL＝２、F_hyb＝１でり、NL(1)＝２、NL(2)＝３であ
るから、ＦＩ（１，２）＝−１、ＦＩ（２，２）＝１、
ＦＩ（２，３）＝−１、ＦＩ（３，３）＝１と設定され
る。これは（数２４）で示した値である。次に、例えば
マトリックス＜ＦＩ＞の転置行列を求めてマトリックス
＜ＸＯ＞とする（ステップ２１１０）。以上により非線
形要素の指定と解析に必要なパラメータの準備が行え
る。

【００５０】図１９の実施の形態によれば、数値モデル
化部の中の非線形要素を操作者が容易に、誤りなく指定
できる効果がある。こうして、数値モデル化部に非線形
要素がある場合でも、実モデル部の加振試験と数値モデ
ルの振動応答計算とを実時間で組み合わせて行うことに
より、評価対象物全体の振動応答を求める試験が容易と
なる。

【００５１】なお、以上では、本発明を振動試験に適用
した例を中心に述べたが、本発明は他の試験方法、例え
ば車両試験装置などにも適用可能であることは云うまで
もない。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、ハイブリッド試験装置
において、数値モデル化部に非線形要素が含まれる場合
でも、数値モデル化部の振動応答計算を高速に処理でき
る効果があり、この場合でも実時間でのハイブリッド振
動試験を可能とする効果がある。さらに、本発明によっ
て、計算時刻間隔（以下、計算時間刻みとよぶ）を短縮
することが可能となり、試験精度を向上させることがで
きる効果がある。さらに、本発明により、実時間ハイブ
リッド振動試験に際して、数値モデル化部中の非線形要
素を容易に指定することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる試験方法の全体の流れと数値モデ
ル化部の処理を示すフローチャートである。

【図２】２自由度系評価対象の例である。

【図３】非線形要素の反力対応答特性の例である。

【図４】非線形要素の反力対応答特性の他の例である。

【図５】数値モデル化部の並列処理方法の例である。

【図６】数値モデル化部の並列処理方法の他の例であ
る。

【図７】数値モデル化部の並列処理方法の他の例であ
る。

【図８】数値モデル化部の並列処理方法の他の例であ
る。

【図９】並列処理を行うプロセッサの構成例である。

【図１０】並列処理を行うプロセッサの他の構成例であ
る。

【図１１】並列処理方法の詳細説明図である。

【図１２】並列処理方法の詳細説明図である。

【図１３】並列処理を行うプロセッサの他の構成例であ
る。

【図１４】並列処理を行うプロセッサの他の構成例であ
る。

【図１５】３自由度系評価対象の例である。

【図１６】マトリックス＜ＦＩ＞の入力画面例である。

【図１７】マトリックス＜ＦＩ＞＜ＸＯ＞の入力画面例
である。

【図１８】マトリックス＜ＦＩ＞の入力画面例である。

【図１９】本発明の別の実施の形態を示すフローチャー
トである。

【図２０】図１９の準備処理の詳細例を示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１０１ 制御装置 １０５ アクチュエータ １０６ アクチュエータコントローラ １１２ 非線形要素が発生する反力の計算ステップ １１３ 振動応答を求めるステップ １１５ 非線形要素部の振動応答を求めるステップ ２０１ 供試体部

フロントページの続き (72)発明者 井上 雅彦 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 今野 隆雄 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (56)参考文献 特開 平７−306115（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 7/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 評価対象物の一部分をなす実物または模
   型を供試体としてこれを駆動するための駆動手段と、 該駆動手段に生じる前記供試体からの反力を第１反力と
   して測定するための反力測定手段と、 評価対象物の前記供試体以外の部分を第１の部分及び第
   ２の部分に分けてそれぞれを第１及び第２数値化モデル
   としたときに、前記反力測定手段により測定された第１
   反力から前記第１数値化モデルに加えられる反力を算出
   するための第１の計算手段と、 前記第２数値化モデルの応答に対して当該第２数値化モ
   デルが生じる反力を第２反力として算出するための第２
   の計算手段と、 前記第１及び第２の計算手段により算出された第１及び
   第２の反力と与えられた外力とから前記第１数値化モデ
   ルの応答を算出するための第３の計算手段と、 該手段の計算結果から前記供試体との境界点の応答を算
   出するための第４の計算手段と、 該手段により算出された境界点の応答を目標値として前
   記駆動手段への制御信号を生成し、これを前記駆動手段
   へ出力するための第５の計算手段と、 前記第３の計算手段により算出された応答から前記第２
   数値化モデルの応答を算出してこれを前記第２の計算手
   段へ出力するための第６の計算手段と、 前記第１、第２、第３、第４、第５、及び第６の計算手
   段による処理がサイクリックに実行されるように制御す
   るための制御手段と、 を備えたことを特徴とする試験装置。
2. 【請求項２】 評価対象物の前記供試体以外の部分を、
   前記第１の部分及び第２の部分に分割し、かつ前記第２
   の部分を表す前記第２数値化モデルで用いる定数を生成
   するための数値化モデル分割指定手段を具備したことを
   特徴とする請求項１に記載の試験装置。
3. 【請求項３】 前記第１ないし第６の計算手段を複数の
   プロセッサで構成すると共に、 前記第２の計算手段を構成するプロセッサが作動中に、
   前記第２以外の計算手段を構成するプロセッサが並列動
   作するように構成したことを特徴とする請求項１に記載
   の試験装置。
4. 【請求項４】 前記第２の部分が、応答とこれに対する
   反力との関係が非線形である要素を含む部分であること
   を特徴とする請求項１に記載の試験装置。
5. 【請求項５】 評価対象物の一部分をなす実物または模
   型を供試体とし、評価対象物の前記供試体以外の部分を
   第１の部分及び第２の部分に分けてそれぞれを数値モデ
   ル化して第１及び第２数値化モデルとし、 前記供試体を駆動したときに生じる第１反力を測定して
   これから前記第１数値化モデルに加えられる反力を算出
   する第１の演算を実行し、 前記第２数値化モデルの応答に対して当該第２数値化モ
   デルが生じる反力を第２反力として算出する第２の演算
   を実行し、 前記第１及び第２の演算により算出された第１及び第２
   の反力と与えられた外力とから前記第１数値化モデルの
   応答を算出する第３の演算を実行し、 該第３の演算結果から前記供試体との境界点の応答を算
   出する第４の演算を実行し、 該第４の演算により算出された境界点の応答を目標値と
   して前記供試体を駆動し、 前記第３の演算により算出された応答から前記第２数値
   化モデルの応答を算出してこれを前記第２の演算で用い
   るようにする第５の演算を実行し、 さらに前記第１、第２、第３、第４、及び第５の演算が
   サイクリックに実行されるように制御して評価対象物の
   試験を行うようにしたことを特徴とする試験方法。