JP6015192B2

JP6015192B2 - 疲労試験機

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Publication number: JP6015192B2
Application number: JP2012163568A
Authority: JP
Inventors: 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: JP2014025702A

Description

この発明は、供試体に対して疲労・耐久試験を行う疲労試験機に関する。

疲労試験機においては、例えば、実際の地震により構造物に与えられた振れ（地震加速度）や、自動車の走行中に部品に与えられた振動を再現し、構造物の耐震性や部品の耐久性などを検証する疲労・耐久試験が行われている。このような疲労試験機による疲労・耐久試験においては、再現したい振動が目標波形として、予め設定される。そして、負荷アクチュエータの駆動により供試体にランダム波形の試験力を負荷し、ランダム波形による供試体の変形量などを検出し、ランダム波形と検出した応答波形との差に基づいて伝達関数を算出している。負荷アクチュエータに与えられる目標波形相当の駆動信号は、目標波形に逆伝達関数を乗じて生成されている（特許文献１参照）。

駆動信号が決定された後には、この駆動信号に基づいて負荷アクチュエータを駆動したときの応答波形と、目標波形との差異から、駆動信号の波形を補正するイタレーション（繰り返し補正）が実行される。そして、応答波形と目標波形との差異に基づく駆動信号の波形の補正は、試験中においても継続して実行される。

また、加速度計を供試体や供試体を載置する振動台に配設し、目標加速度を実現可能な振動台の物理的な移動量（変位量）が得られるように、加速度計の計測値を利用して負荷アクチュエータを動作させる加振制御を行う疲労試験機が知られている（特許文献２参照）。このような疲労試験機において、加速度計が供試体に配設されている場合には、負荷アクチュエータの加振による振動台の移動により生じる加速度波形に、振動台の変位を受けた供試体自体の振動による加速度波形が重なるため、目標加速度の周波数が高周波域になるほど、加速度計により計測される応答波形の波形再現性（コヒーレンス）が低くなる。このため、特許文献２の疲労試験機では、波形再現性の異なる周波数領域ごとに伝達関数（周波数伝達関数）を同定することにより、目標加速度波形の再現性を向上させている。

また、このように疲労試験機では、目標加速度が得られる振動台の物理的な移動量（変位量）に換算し、負荷アクチュエータを動作させる加振制御が行われている。例えば、振動台に配設した加速度計の計測値を利用して加振制御を行う場合には、目標加速度波形を２回積分し、変位目標値に換算した目標変位波形を負荷アクチュエータに与える駆動信号とすることで、目標加速度波形を再現している。

登録実用新案第３１１９６１０号公報特開２０１１−１６９８６６号公報

図５は、目標加速度波形と変位波形とを示す図である。図５（ａ）は、実振動波形に基づく目標加速度波形の一例を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の目標加速度波形を２回積分することにより加速度を変位に換算した変位波形である。なお、図５（ａ）において、縦軸は加速度（ｍ／ｓ^２）、横軸は時間（ｓ）である。また、図５（ｂ）において、縦軸は変位（ｍｍ）、横軸は時間（ｓ）である。

ところで、負荷アクチュエータの変位量および負荷アクチュエータの駆動により加振時に移動する振動台の変位量には、物理的な限界がある。このため、振動台を最大加振幅で移動させても、目標加速度を実現できない場合がある。図５（ａ）に示す目標加速度波形をそのまま２回積分すると、図５（ｂ）に示すように、約プラスマイナス６０ｍｍの変位に換算される。ここで、例えば、疲労試験機あるいは振動台の限界加振幅がプラスマイナス２５ｍｍであると、プラスマイナス２５ｍｍを超える変位波形を負荷することができないため、図５（ａ）の目標加速度波形を再現できない。

また、逆に再現しようとする目標加速度波形によっては、負荷アクチュエータの制御が困難となるほど、変位波形に換算された変位量が微小となることもある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、幅広い加速度領域での疲労・耐久試験が可能な疲労試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、負荷アクチュエータを駆動して、供試体に加速度を付与する疲労試験機であって、実振動波形に基づく目標加速度波形を前記負荷アクチュエータの変位量に換算した変位波形に変換するときに、前記目標加速度波形を離散化して得られる時系列データ点間の間隔を変更する間隔変更部を有し、前記負荷アクチュエータの限界加振幅を超える変位がある場合には、前記間隔変更部により基本周波数を大きくして前記時系列データ点間の間隔を短くした加速度波形に基づいて変位波形を生成する制御変位波形作成手段と、前記制御変位波形作成手段により生成された制御変位波形に基づく前記負荷アクチュエータを駆動する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、前記負荷アクチュエータを駆動し、前記供試体に加速度を付与したときの応答信号を検出する応答信号検出手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記負荷アクチュエータの駆動により振動する振動台を備え、前記応答信号検出手段は、前記振動台に配設された加速度計である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記制御変位波形作成手段は、前記目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量の範囲外になると予想されるデータ点を有する領域を抽出する領域抽出部を備え、前記間隔変更部は、前記領域抽出部により抽出された領域について前記目標加速度波形における時系列データ点間の間隔を変更する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記制御変位波形作成手段は、前記領域抽出部により抽出されなかった領域について、前記間隔変更部において変更された時系列データ点間の間隔に反比例してデータ点を追加または削除するデータ点増減部をさらに備える。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記負荷アクチュエータの駆動により振動する振動台と、前記負荷アクチュエータと前記供試体を含む制御系の伝達関数を同定する伝達関数演算手段と、を備え、前記応答信号検出手段は、前記供試体および前記振動台の任意の位置に配設される加速度計であり、前記制御変位波形作成手段は、実振動波形に基づく目標加速度波形を前記負荷アクチュエータの変位量に換算した変位波形に変換するときに、前記目標加速度波形の周波数成分をシフトさせる周波数シフト部をさらに有し、前記加速度計が前記振動台に配設されている場合には、前記間隔変更部により時系列データ点間の間隔が変更された加速度波形に基づいて変位波形を生成し、前記加速度計が前記供試体に配設されている場合には、前記周波数シフト部により周波数成分がシフトされた加速度波形と、前記伝達関数演算手段により算出された伝達関数を用いて変位波形を生成する。

請求項６に記載の発明は、負荷アクチュエータを駆動して、供試体に加速度を付与する疲労試験機であって、前記負荷アクチュエータと前記供試体を含む制御系の伝達関数を同定する伝達関数演算手段と、実振動波形に基づく目標加速度波形を前記負荷アクチュエータの変位量に換算した変位波形に変換するときに、前記目標加速度波形の周波数成分をシフトさせる周波数シフト部を有し、前記負荷アクチュエータの限界加振幅を超える変位がある場合には、前記周波数シフト部により周波数を高い方にシフトさせた加速度波形と、前記伝達関数演算手段により算出された伝達関数を用いて変位波形を生成する制御変位波形作成手段と、前記制御変位波形作成手段により生成された制御変位波形に基づく前記負荷アクチュエータを駆動する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、前記負荷アクチュエータを駆動し、前記供試体に加速度を付与したときの応答信号を検出する応答信号検出手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記応答信号検出手段は、前記供試体に配設された加速度計である。

請求項８に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の発明において、前記制御変位波形作成手段は、前記目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量の範囲外になると予想される領域を抽出する領域抽出部と、前記シフト部により前記領域抽出部により抽出された領域について前記目標加速度波形の周波数成分をシフトさせた後に、前記領域抽出部により抽出された領域の前後において、周波数成分をシフトさせなかった領域との接続を行う波形接続部と、を備える。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、目標加速度波形を離散化して得られる時系列データ点間の間隔を変更する間隔変更部を有し、この間隔変更部により時系列データ点間の間隔が変更された加速度波形に基づいて変位波形を生成する制御変位波形作成手段を備えることから、目標加速度波形をそのまま２回積分して得られる変位波形において、疲労試験機の最大加振幅を超える変位、または、疲労試験機の最小加振幅より小さい変位となる領域がある場合にも、時系列データ点間の間隔が変更された加速度波形を用いることにより、目標加速度を維持しつつ、変位が疲労試験機の加振能力の範囲内となる制御変位波形を生成することができる。したがって、幅広い加速度領域での疲労・耐久試験を行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、制御変位波形作成手段は、目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量を超えると予想されるデータ点を有する領域を抽出する領域抽出部を有することから、加振時間の再現の観点からみて、より実振動波形に忠実な試験を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、制御変位波形作成手段は、領域抽出部により抽出されなかった領域について、間隔変更部において変更された時系列データ点間の間隔に反比例してデータ点を追加または削除するデータ点増減部を有することから、加速度波形全体のデータ点間の間隔を統一することができる。これにより、波形データが取扱いやすくなり、その後の制御変位波形の生成をスムースに行うことが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、制御変位波形作成手段は、目標加速度波形の周波数成分をシフトさせる周波数シフト部を有することから、応答信号検出手段が、供試体に配設されている場合であっても、周波数成分をシフトさせた加速度波形と周期伝達関数を用いることにより、目標加速度を維持しつつ、変位が疲労試験機の加振能力の範囲内となる制御変位波形を生成することができる。

請求項６および請求項７に記載の発明によれば、制御変位波形作成手段は、目標加速度波形の周波数成分をシフトさせる周波数シフト部を有することから、周波数成分をシフトさせた加速度波形と周期伝達関数を用いることにより、目標加速度を維持しつつ、変位が疲労試験機の加振能力の範囲内となる制御変位波形を生成することができる。したがって、幅広い加速度領域での疲労・耐久試験を行うことが可能となる。

請求項８に記載の発明によれば、制御変位波形作成手段は、目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量を超えると予想される領域を抽出する領域抽出部と、領域抽出部により抽出された領域の前後において、周波数成分をシフトさせなかった領域との接続を行う波形接続部とを有することから、領域のつなぎ目が不連続となるのを防止し、試験中の疲労試験機の動きをスムースなものとすることができる。

この発明に係る疲労試験機の概要図である。制御装置５０内部の機能ブロック図である。変位波形作成部５２における間隔変更部６１により基本周波数が変更された目標加速度波形と、変位波形作成部５２から出力される制御変位波形とを示す波形図である。周波数シフト部６２における周波数のシフトを説明するグラフである。目標加速度波形と、この目標加速度波形を２回積分した後の制御変位波形とを示す波形図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る疲労試験機の概要図である。

この疲労試験機は、振動台３４を加振する油圧アクチュエータ３１を介して供試体２０に連続して振動負荷を付与することより疲労試験を行うものである。制御装置５０には、ランダム波形発生器４５と目標波形発生器４６が接続されている。

ランダム波形発生器４５は、周波数ごとのパワースペクトル値を示すＰＳＤ（ＰｏｗｅｒＳｐｅｃｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ）が一定の値となる波形であるＰＳＤランダム波形を制御装置５０に出力する。ＰＳＤランダム波形は、予めランダム波形発生器４５に保持させておいた様々な周波数成分を含む合成された任意波形や、モデル波形として選択した目標波形にも使用される実振動波形に基づいて作成される。また、このＰＳＤランダム波形は、後述する油圧アクチュエータ３１と供試体２０とを含む制御系の伝達関数を同定するために使用される。

目標波形発生器４６は、実際の地震で観測された速度波形や、供試体３８が車両用部品の場合には、実車走行により採取した測定信号から目標波形を生成し、その信号を制御装置５０に出力する。この目標波形は、後述する制御装置５０における変位波形作成部５２において、制御変位波形を生成する際に使用される。

制御装置５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置および演算装置を備えるコンピュータやシーケンサーによって構成され、この疲労試験機全体の動作を制御する。制御装置５０からは、この油圧アクチュエータ３１の駆動信号が送信される。このデジタル駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器４１でアナログ信号に変換された後、増幅器３５で増幅されて、油圧アクチュエータ３１のサーボ弁に入力される。振動台３４の変位量は変位計３３で検出され、その変位検出信号は、増幅器３６で増幅されてＡ／Ｄ変換器４２でデジタル検出信号に変換された後、制御装置５０に入力される。

供試体２０に作用する振動は、供試体２０を載置する振動台３４に配設された加速度計２１（図１に仮想線で示す）、または、供試体２０に配設された加速度計２１（図１に実線で示す）により計測され、その計測値は、増幅器３７で増幅されてＡ／Ｄ変換器４３でデジタル信号に変換された後、制御装置５０に入力される。制御装置５０は、油圧アクチュエータ３１に与えられた駆動信号と加速度計２１の検出信号（応答信号）との差分を算出し、その差分に基づくデータを油圧アクチュエータ３１のサーボ弁にフィードバックすることにより、この疲労試験機の加振制御を行う。なお、この疲労試験機において、加速度計２１は、実行したい試験の内容に応じて、振動台３４および供試体２０の任意の場所に移動させて配設することが可能に構成されている。

図２は、制御装置５０内部の機能ブロック図である。なお、図２では、この実施形態の機能を実行するために必要な構成のみを図示している。

この制御装置５０は、伝達関数演算部５１と、変位波形作成部５２と、イタレーション処理部５３と、油圧アクチュエータ３１におけるサーボ弁に変位波形に基づく制御信号を出力する駆動信号出力部５４と、変位計３３および加速度計２１の検出信号を受信する検出信号受信部５５とを備える。

伝達関数演算部５１は、油圧アクチュエータ３１と供試体２０とを含む制御系全体に入力されるＰＳＤランダム波形等の波形と、その波形に基づいて供試体２０に負荷を付与したときに得られる応答信号の波形（変位検出波形や加速度検出波形）との比に基づいて、この制御系の伝達関数を同定する。

変位波形作成部５２は、間隔変更部６１と周波数シフト部６２とを備え、制御変位波形を出力するこの発明の制御変位波形作成手段として機能する。この変位波形作成部５２は、間隔変更部６１または周波数シフト部６２により、目標波形発生器４６から入力された実振動波形に基づく目標加速度波形の最大・最小加速度を、この疲労試験機の振動台３４の変位限界を超えない範囲で実現するために、目標波形発生器４６から入力された目標加速度波形の変更を実行する。

間隔変更部６１は、加速度波形全体の基本周波数を変更することにより、目標加速度波形における時系列データ点間の間隔を変更する。これにより、実振動波形に基づく目標加速度波形の最大・最小加速度を維持しつつ、変更後の目標加速度波形を基に生成される制御変位波形の変位幅を、この疲労試験機の振動台３４の変位幅の範囲内とすることができる。また、周波数シフト部６２は、目標加速度波形の周波数をシフトさせることで、これを基に生成される制御変位波形の変位の最大値と最小値の両方、または、いずれか一方を増減させることを可能としている。

イタレーション処理部５３は、応答波形が目標波形に一致するように、変位波形作成部５２において生成された制御変位波形に基づいて作成された油圧アクチュエータ３１の駆動信号を、試験実行中において繰り返し補正する。なお、この繰り返し補正のターゲットとなる目標波形は、上述した変位波形作成部５２において制御変位波形を生成する際に、間隔変更部６１または周波数シフト部６２において変更が加えられた目標加速度波形である。すなわち、このイタレーション処理部５３は、加速度計２１の応答加速度波形と目標加速度波形の比または差、あるいは、変位計３３の応答変位波形と目標加速度波形から換算された制御変位波形の比または差に基づいて、油圧アクチュエータ３１の駆動信号を繰り返し補正する。

イタレーション処理後の駆動信号は、駆動信号出力部５４に入力される。駆動信号出力部５４は、イタレーション処理部５３において補正された駆動信号を、油圧アクチュエータ３１のサーボ弁の制御駆動信号（差分駆動信号）として出力する。制御駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器４１でアナログ信号に変換され、増幅器３５で増幅されてサーボ弁に印加される。このような制御駆動信号でサーボ弁が駆動されることにより、油圧アクチュエータ３１が駆動されて供試体３８に負荷が付与される。

このときの振動台３４の変位は変位計３３で検出され、この変位についての応答信号は増幅器３６およびＡ／Ｄ変換器４２を介して検出信号受信部５５に入力される。また、このときの供試体２０に加わる加速度は加速度計２１により検出され、この加速度についての応答信号は、増幅器３７およびＡ／Ｄ変換器４３を介して検出信号受信部５５に入力される。そして、検出信号受信部５５は、変位計３３からの応答信号と加速度計２１からの応答信号のうち、油圧アクチュエータ３１の駆動信号を制御する制御量として選択されている応答信号を、イタレーション処理部５３に入力する。

次に、この発明の特徴である、変位波形作成部５２における目標加速度波形の変更について、さらに詳細に説明する。まず、間隔変更部６１における目標加速度波形の変更について説明する。

図３（ａ）は、図５（ａ）に示す目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を１／２．５倍にした加速度波形を示し、図３（ｂ）は、加速度波形を２回積分した後の制御変位波形を示す波形図である。なお、図３（ａ）においては、縦軸は加速度（ｍ／ｓ^２）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。また、図３（ｂ）においては、縦軸は変位（ｍｍ）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。

間隔変更部６１において、目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を短くすると、加速度のピーク値を確保しつつ、変位波形の最大振幅が小さくなり、逆に目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を長くすると、加速度のピーク値を確保しつつ、変位波形の最大振幅が大きくなるのは、以下の理由による。すべての加速度波形ａ（ｔ）は、以下の式（１）に示すように、ｃｏｓ、ｓｉｎ関数を使って離散フーリエ級数に展開することができる。

この式（１）でのｆ_０は基本周波数である。この加速度波形の加速度を実現する変位波形ｄ_ｉ（ｔ）は、式（１）を２回積分した、以下の式（２）で表すことができる。

この式（２）でのＭｅａｎは、波形の平均値である。また、この発明の間隔変更部６１において、加速度波形の時系列データ点間の間隔を変更する処理を行うとは、式（１）の基本周波数ｆ_０を変更することと同じである。すなわち、時系列データ点間の間隔を変更することは、言い換えると、時系列データのサンプリング周期Ｔ（ｆ_０＝１／Ｔ）を事後的に変更することでもある。そして、間隔変更部６１において、時系列データ点間の間隔が変更された加速度波形ａ´（ｔ）は、下記式（３）のように表すことができる。

なお、この発明の間隔変更部６１において、図５（ａ）に示す波形の時系列データ点間の間隔を１／２．５にする処理を実行すると、全体の時間ｔも１／２．５となり、図３（ａ）に示す波形となる。図５（ａ）の波形をａ（ｔ）とし、図３（ａ）の波形をａ´（ｔ）とすると、この式（３）のｆ´_０は、式（１）の基本周波数ｆ_０より大きな値であって、ｆ´_０＝ｆ_０×２．５と表せる。式（３）は、振幅を表すフーリエ係数ａ_ｎ、ｂ_ｎを変化させないで、式（１）の基本周波数ｆ_０を大きくしたｆ´_０に変更したものになる。このように、目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を短くすることは、図３（ａ）および図５（ａ）を対比するとわかるように、加速度波形ａ（ｔ）と加速度波形ａ´（ｔ）の振幅を変化させずに、基本周波数ｆ_０を大きくしたのと同じ結果となる。そして、この加速度波形ａ´（ｔ）を２回積分して得られる制御変位波形ｄ´（ｔ）は、以下の式（４）のように表すことができる。

式（３）のｆ´_０が式（１）のｆ_０より大きい場合は、変位波形ｄ´（ｔ）のｃｏｓ、ｓｉｎの各成分が、１／（ｎ・２πｆ´_０）^２となることで、変位波形ｄ（ｔ）に比べて変位波形ｄ´（ｔ）の振幅が全体として小さくなる。したがって、図３（ａ）の加速度波形を離散フーリエ級数展開した式を２回積分した変位波形である図３（ｂ）の波形は、図５（ｂ）の波形に比べて、変位の振幅が小さいものとなっている。

このように、間隔変更部６１により目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を短くすると、基本周波数が大きくなり、その結果、変位波形の振幅は小さくなる。このため、加速度波形のそのままの時系列データから変位波形を作成したときに、振動台３４の物理的な移動量（変位量）が不足して実現できない加速度がある場合でも、この発明の疲労試験機では、小さい変位量で目標加速度を実現することが可能となる。

また、目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を長くすることで、式（３）のｆ´_０が式（１）のｆ_０より小さくなる場合には、変位波形ｄ（ｔ）に比べて変位波形ｄ´（ｔ）の振幅が全体として大きくなる。このように、目標加速度波形の時系列データ点間の時間間隔を長く（基本周波数を小さく）すると、目標加速度波形の各加速度ピーク値を保った状態で、変位幅を大きくすることができるため、変位量が小さすぎて、振動台３４の加振制御が困難であった目標加速度についても、振幅が大きくなることで安定した制御が可能となる。

なお、この実施形態では、間隔変更部６１で目標加速度波形の時系列データのデータ点間の時間間隔を変更する処理を行ったが、間隔変更部６１での時系列データの加工処理にかえて、目標加速度波形を離散フーリエ級数展開して、その離散フーリエ級数展開した式の基本周波数の値を変更することにより、変位波形の振幅が変化した制御変位波形を作成するようにしてもよい。

この実施形態では、目標加速度波形の時系列データ全体に対してデータ点間の時間間隔を変更するようにしているが、目標波形発生器４６から入力された目標加速度波形の時系列データをそのまま２回積分した変位波形から、所定の変位量の範囲外になると予想されるデータ点を有する領域を抽出し、その領域のみでデータ点間の時間間隔の変更を間隔変更部６１で行うようにしてもよい。ここで、所定の変位量の範囲は、疲労試験機固有の加振能力（油圧アクチュエータ３１の変位限界）により変わるものであり、この実施形態における疲労試験機において、油圧アクチュエータ３１の駆動を制御することにより実現できる振動台３４の最小加振幅より大きく、最大加振幅より小さい変位量の範囲に相当する。また、油圧アクチュエータ３１の変位に連動して移動する部材として、例えば、供試体に繰り返し押圧負荷を付与する圧盤が配設されている疲労試験機の場合には、所定の変位量の範囲は、油圧アクチュエータ３１の駆動を制御することにより実現できる圧盤の最小移動幅より大きく、最大移動幅より小さい変位量の範囲となる。

この場合には、変位波形作成部５２に、目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量を超えると予想される領域を抽出する領域抽出部を機能的構成として設け、領域抽出を実行させるようにすればよい。例えば、目標波形発生器４６から入力された目標加速度波形の時系列データをそのまま２回積分した変位波形に振動台３４の最大加振幅を超える変位量となるデータ点がある場合には、そのデータ点を含む領域を目標加速度波形の時系列データから切り出し、その領域のみでデータ点間の時間間隔の変更を間隔変更部６１で行うようする。

また、目標加速度波形の時系列データから抽出された領域のみに対してデータ点間の時間間隔を変更したときには、時系列データ全体でみると、データ点間の時間間隔が異なることになる。このため、抽出された領域でデータ点間の時間間隔を短くしたことにより、それ以外の領域ではデータ点間の時間間隔が長くなるときには、抽出された領域以外の領域において、データ点間の間隔が小さい領域の周期に合わせた間隔で不足するデータ点を、近くのデータ点から補間するようにする。一方で、抽出された領域でデータ点間の時間間隔を長くしたことにより、それ以外の領域ではデータ点間の時間間隔が短くなるときには、抽出された領域以外の領域において、データ点間の時間間隔が長い領域の周期に合わせた間隔でデータ点を削除するようにする。このように、時系列データ全体のデータ点間の間隔を統一することにより、その後の処理において加速度波形を扱いやすいものとすることができる。

なお、このようなデータ点の増減処理は、変位波形作成部５２に、間隔変更部６１において変更された時系列データ点間の間隔に反比例してデータ点を追加または削除するデータ点増減部を機能構成として設けて、実行させるようにすればよい。例えば、目標加速度波形の時系列データから抽出された領域でのみデータ点間の時間間隔を短くした場合には、それ以外の領域では、データ点間の時間間隔を短くした領域での時間間隔に合わせて、不足するデータ点を近くのデータ点から値を補間する。

次に、周波数シフト部６２における目標加速度波形の変更について説明する。加速度計２１が、図１に仮想線で示すように振動台３４に配設されている場合には、振動台３４を移動させるときのアクチュエータ側の入力加速度と、加速度計側の応答加速度とは１対１で対応している。このような場合には、変位は加速度の２回積分であるという、従来からの考え方に基づいて加速度波形から変位波形を求め、疲労試験機の制御を行えばよい。しかしながら、加速度計２１が、図１に実線で示すように供試体２０に配設されている場合には、供試体２０の自由振動を考慮して制御変位波形を作成する必要がある。

したがって、加速度計２１が供試体２０に配設されている場合には、まず、ＰＳＤランダム波形等により疲労試験機を駆動し、得られた応答変位に対する加速度の周波数ごとの関係（周波数伝達関数）を求め、しかる後、油圧アクチュエータ３１と供試体２０を含む制御系の周波数伝達関数を用いて、目標加速度波形を実現するための制御変位波形を算出する。なお、この実施形態においては、ＰＳＤランダム波形をランダム波形発生器４５から入力し、周波数伝達関数を、伝達関数演算部５１において算出している。

上述した式（１）で表される、目標加速度波形ａ（ｔ）を、周波数伝達関数を用いて制御変位波形ｄｔ（ｔ）に変換すると、下記式（５）のように表現できる。

なお、上述した式（３）では、基本周波数ｆ_０を増減し、時系列データ点間の時間間隔が変更された目標加速度波形ａ´（ｔ）を得ていたが、この実施形態では、図２に示す周波数シフト部６２において、下記式（６）に示すように、正の整数ｉ、ｊを用いて目標加速度波形の周波数成分をシフトさせている。

ｎｆ_０は、第ｎ高調波の周波数であるが、この式（６）においては、ｎはｉからＮ−１−ｊまで動くことになる。この正の整数ｉ、ｊを用いて周波数をシフトさせた目標加速度波形ａ_ｓ´（ｔ）を、周波数伝達関数を用いて制御変位波形に変換すると、下記式（７）のように表現できる。

図４は、この実施形態における、目標加速度波形における周波数シフトと振幅との関係を説明する図である。この図においては、目標加速度波形のｃｏｓ成分（式（１）のａ_ｎｃｏｓ（ｎ・２πｆ_０ｔ）、式（６）のａ_ｎｃｏｓ（（ｎ−ｉ＋ｊ）・２πｆ_０ｔ））の大きさ（振幅）を表すａ_ｎの次数８（ａ_０〜ａ_８）までの分布をプロットしており、縦軸は振幅、横軸はｎを示している。また、この図においては、周波数シフトを実行する前のａ_ｎの分布を黒丸で示し、周波数シフトを実行した後のａ_ｎの分布を白丸で示すことにより、周波数シフト前後のａ_ｎの分布変化を示している。そして、図４（ａ）は、ｊ＝２の場合、図４（ｂ）は、ｉ＝２の場合を示している。

上記式（６）および式（７）における正の整数ｉ、ｊのうち、ｉは、周波数を低周波側にシフトさせるものであり、ｊは、周波数を高周波側にシフトさせるものである。この実施形態では、上記式（６）および式（７）において、ｉに値が代入されているときは、ｊは空（０）とし、ｊに値が代入されているときは、ｉは空（０）としている。すなわち、この実施形態ではｉ、ｊのどちらか一方に正の整数を入力可能としている。

ｊ＝２の場合には、図４（ａ）に示すように、９個（Ｎ＝９）の黒丸点のうちａ_０に着目すると、ａ_０は、縦軸方向の大きさは変化しない状態で、横軸ｎ＝０の位置からｎ＝２の位置（白丸）にシフトする。すなわち、ａ_０の大きさがａ_２の大きさに置き換わることになる。ａ_１〜ａ_８についても、ａ_０の場合と同様に、縦軸方向の大きさは変化しない状態で、横軸の位置について紙面右方向に２ずつシフトする。なお、このｊ＝２の周波数シフトでは、第７次、第８次高調波の周波数が、欠落することになる。

一方、ｉ＝２の場合は、図４（ｂ）に示すように、９個（Ｎ＝９）の黒丸点のうちａ_８に着目すると、ａ_８は、縦軸方向の大きさは変化しない状態で、横軸ｎ＝８の位置からｎ＝６の位置（白丸）にシフトする。すなわち、ａ_８の大きさがａ_６の大きさに置き換わることになる。ａ_０〜ａ_７についても、ａ_８の場合と同様に、縦軸方向の大きさは変化しない状態で、横軸の位置ついて紙面左方向に２ずつシフトする。なお、このｉ＝２の周波数シフトでは、第０次、第１次高調波の周波数が欠落することになる。

このように目標加速度波形の周波数をシフトさせることで、加速度波形のピーク値を維持したまま、制御変位波形ｄ_ｔｓ´（ｔ）（式（７）参照）の最大値を減少、または、最小値を増加させることができる。すなわち、目標波形発生器４６から入力された目標加速度波形と周波数伝達関数を用いて算出された変位波形において、振動台３４の最大加振幅を超える変位がある場合には、目標加速度波形の周波数を高い方にシフトさせると制御変位波形の最大値を減少させ、振動台３４の最大加振幅以下の変位として目標加速度を再現することができるようになる。また、目標波形発生器４６から入力された目標加速度波形と周波数伝達関数を用いて算出された変位波形において、振動台３４の最小加振幅より小さい変位がある場合には、目標加速度波形の周波数を低い方にシフトさせると制御変位波形の最小値を増大させ、振動台３４の最小加振幅以上の変位として目標加速度を再現することができるようになる。

周波数シフト部６２における式（６）を用いた目標加速度波形の周波数のシフトでは、次数がｉ未満またはＮ−ｊより大きい周波数成分が目標加速度波形から欠落することになる。しかしながら、通常の目標加速度波形において、低周波領域および高周波領域の成分は無視できる場合がほとんどであるため、これら次数がｉ未満またはＮ−ｊより大きい周波数成分が目標加速度波形から欠落しても、疲労試験における加速度の再現に影響が及ぶことはない。

また、この実施形態では、周波数シフト部６２における周波数のシフトを、目標加速度波形全体について行っているが、式（５）で表される変位波形の時系列データと振動台３４の移動限界との関係から、変位振幅が不足することが想定される領域のデータを、目標加速度波形の時系列データから切り取り、その切り取った領域のみで周波数のシフトを行うようにすることもできる。なお、周波数のシフトを行った領域と、それ以外の領域の時系列データ上でのつなぎ目が不連続となると、アクチュエータが不必要な動きをする場合がある。このため、周波数のシフトを行った領域と、それ以外の領域とのつなぎ目にオーバーラップ領域を設け、オーバーラップ領域での周波数のシフトを行った領域の時系列データとそれ以外の領域の時系列データを平均化することによりつなぎ目が不連続となることを解消している。このような領域接続に関する一連の処理は、変位波形作成部５２に、機能的構成として領域接続部を設けて実行させるようにすればよい。

このように、この疲労試験機では、振動台３４の移動可能範囲内で、試験において再現したい目標加速度が実現できるように、油圧アクチュエータ３１を動作させる加振制御が行われている。

また、この疲労試験機では、変位波形作成部５２に、間隔変更部６１と周波数シフト部６２とを備えているため、加速度計２１の配設位置に応じて、目標加速度波形を変更し制御変位波形を作成することが可能である。例えば、加速度計２１が振動台３４に配設されているときには、間隔変更部６１において、目標加速度波形の変更と制御変位波形の生成を行い、加速度計２１が供試体２０に配設されているときには、周波数シフト部６２において目標加速度波形の変更と制御変位波形の生成を行えばよい。

２０供試体
２１加速度計
３１油圧アクチュエータ
３３変位計
３４振動台
３５増幅器
３６増幅器
３７増幅器
４１Ｄ／Ａ変換器
４２Ａ／Ｄ変換器
４３Ａ／Ｄ変換器
４５ランダム波形発生器
４６目標波形発生器
５０制御装置
５１逆伝達関数演算部
５２変位波形作成部
５３イタレーション処理部
５４駆動信号出力部
５５検出信号受信部
６１間隔変更部
６２周波数シフト部

Claims

負荷アクチュエータを駆動して、供試体に加速度を付与する疲労試験機であって、
実振動波形に基づく目標加速度波形を前記負荷アクチュエータの変位量に換算した変位波形に変換するときに、前記目標加速度波形を離散化して得られる時系列データ点間の間隔を変更する間隔変更部を有し、前記負荷アクチュエータの限界加振幅を超える変位がある場合には、前記間隔変更部により基本周波数を大きくして前記時系列データ点間の間隔を短くした加速度波形に基づいて変位波形を生成する制御変位波形作成手段と、
前記制御変位波形作成手段により生成された制御変位波形に基づく前記負荷アクチュエータを駆動する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
前記負荷アクチュエータを駆動し、前記供試体に加速度を付与したときの応答信号を検出する応答信号検出手段と、
を備えたことを特徴とする疲労試験機。
請求項１に記載の疲労試験機において、
前記負荷アクチュエータの駆動により振動する振動台を備え、
前記応答信号検出手段は、前記振動台に配設された加速度計である疲労試験機。
請求項１または請求項２に記載の疲労試験機において、
前記制御変位波形作成手段は、
前記目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量の範囲外になると予想されるデータ点を有する領域を抽出する領域抽出部を備え、
前記間隔変更部は、前記領域抽出部により抽出された領域について前記目標加速度波形における時系列データ点間の間隔を変更する疲労試験機。
請求項３に記載の疲労試験機において、
前記制御変位波形作成手段は、
前記領域抽出部により抽出されなかった領域について、前記間隔変更部において変更された時系列データ点間の間隔に反比例してデータ点を追加または削除するデータ点増減部をさらに備える疲労試験機。
請求項１に記載の疲労試験機において、
前記負荷アクチュエータの駆動により振動する振動台と、
前記負荷アクチュエータと前記供試体を含む制御系の伝達関数を同定する伝達関数演算手段と、を備え、
前記応答信号検出手段は、前記供試体および前記振動台の任意の位置に配設される加速度計であり、
前記制御変位波形作成手段は、
目標加速度波形を前記負荷アクチュエータの変位量に換算した変位波形に変換するときに、前記目標加速度波形の周波数成分をシフトさせる周波数シフト部をさらに有し、
前記加速度計が前記振動台に配設されている場合には、前記間隔変更部により時系列データ点間の間隔が変更された加速度波形に基づいて変位波形を生成し、前記加速度計が前記供試体に配設されている場合には、前記周波数シフト部により周波数成分がシフトされた加速度波形と、前記伝達関数演算手段により算出された伝達関数を用いて変位波形を生成する疲労試験機。
負荷アクチュエータを駆動して、供試体に加速度を付与する疲労試験機であって、
前記負荷アクチュエータと前記供試体を含む制御系の伝達関数を同定する伝達関数演算手段と、
実振動波形に基づく目標加速度波形を前記負荷アクチュエータの変位量に換算した変位波形に変換するときに、前記目標加速度波形の周波数成分をシフトさせる周波数シフト部を有し、前記負荷アクチュエータの限界加振幅を超える変位がある場合には、前記周波数シフト部により周波数を高い方にシフトさせた加速度波形と、前記伝達関数演算手段により算出された伝達関数を用いて変位波形を生成する制御変位波形作成手段と、
前記制御変位波形作成手段により生成された制御変位波形に基づく前記負荷アクチュエータを駆動する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
前記負荷アクチュエータを駆動し、前記供試体に加速度を付与したときの応答信号を検出する応答信号検出手段と、
を備えたことを特徴とする疲労試験機。
請求項６に記載の疲労試験機において、
前記応答信号検出手段は、前記供試体に配設された加速度計である疲労試験機。
請求項６または請求項７に記載の疲労試験機において、
前記制御変位波形作成手段は、
前記目標加速度波形の時系列データにおいて所定の変位量の範囲外になると予想される領域を抽出する領域抽出部と、
前記周波数シフト部により前記領域抽出部により抽出された領域について前記目標加速度波形の周波数成分をシフトさせた後に、前記領域抽出部により抽出された領域の前後において、周波数成分をシフトさせなかった領域との接続を行う波形接続部と、
を備える疲労試験機。