衝撃加速度校正装置の開発経過

独立行政法人産業技術総合研究所
計測標準研究部門野里英明
衝撃加速度校正装置の開発経過
2006 / 12 / 1 (金) 第3回振動計測クラブ
産業技術総合研究所計測標準研究部門野里英明
発表の流れ
1. 衝撃加速度校正の必要性と装置概念
2. 空気軸受内の圧力分布評価
3. 剛体衝突の運動シミュレーション
4. 初期実験結果
5. 総括
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衝撃加速度校正の必要性
•現在、NMIJの振動校正による加速度上限は100 m/s2であるが、
産業界では数百-数千 m/s2の加速度校正が求められている。
1. 自動車の衝突安全基準
2. 頭部損傷基準(Head Injury Criteria)
50 km/hで硬い壁に衝突させた時、
胸部加速度が60 G (588 m/s2)以下
脳に深刻なダメージがないとされる目安
HIC<1000, Gmax<200 G (1960 m/s2)
アメリカ：FMVSS208項
日本：JNCAP
⎡
⎛ 1
HIC = ⎢(t 2 − t1 )⎜⎜
⎢⎣
⎝ t 2 − t1
∫
t2
t1
⎞
αdt ⎟⎟
⎠
α：加速度、 t2, t1：時間変数
2.5
⎤
⎥
⎥⎦
max
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産業界における校正ニーズ
106
メーカ(電気)
自動車用民生機器
メーカ(機器試験)
自動車用機器の試験
10
2
加速度 (m/s )
メーカ(自動車)
自動車衝突用機材
5
数百~数千 m/s2 ニーズが集中
対人安全面からも重要な領域
104
3
10
目標スペック
(200-5000 m/s2)
102
メーカ(計測機器)
高回転エンジンのモニタ用
101
公的機関
潜水艦衝撃波測定用
100 -1
10
100
HIC=1000
(半波正弦波で近似算出)
101 102 103
周波数 (Hz)
104
105
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海外のNMIでは・・・
CMC*登録は、PTB(ドイツ)のみ
[NIST(アメリカ)は依頼校正で対応]
*calibration and measurement capabilities of NMIs
PTBの衝撃加速度校正装置
剛体衝突による加速度運動
振り子
スプリングユニット
ハンマ
加振器
スプリングユニット
ピーク加速度 100~5000 m/s2
時間応答
50 Hz~1 kHz
不確かさ
2 %以内
測定系
レーザ干渉計
加速度計、レーザ干渉計
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校正装置の概念
空気銃とエアベアリングの
採用により、再現性の良い
衝撃加速度運動を実現する。
電磁バルブ
デジタイザ(12bit, 100MS/s)
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空気軸受の圧力分布評価法
エアベアリング
ハンマ及びアンビル
ハンマ、アンビルは
２個のエアベアリングで支持
h
30 mm
供給チューブからの圧縮空気流入
r1
P(x)
X=0(エアベアリング中央)
4π (r1 + h) Lsυu1 = πr22u2
1 2
1
ρu1 + P1 = ρu22 + P2
2
2
(体積流量)=u1・sυ・2π(r1+h)・2L
~大気開放流量 ← カタログ値を参照
Gin(質量流量)=(体積流量)/(すきまの体積)・ρ
(すきまの体積)= 2πr1h・2L
u1, u2：チューブ内及びベアリング出口での流速
P1, P2：上述のu1, u2に該当する所での静圧力
s: 一つあたりのオリフィス面積
υ：単位面積あたりのオリフィス数
r1,r2 ：シリンダ半径及びチューブ内径
h：軸受すきま
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空気軸受内の圧力分布計算結果
連続の式
∂
(ρu ) + ∂ (ρw) = Gin
∂x
∂z
h 2 ∂P
u=−
12μ ∂x
u, w： x, θ方向の流速
ρ：空気密度
Air pressure (Pa)
エアベアリング
h
r1
ハンマ
θ
2.0 10
5
1.5 10
5
1.0 10
5
5.0 10
w
エアベアリング内の圧力分布
境界条件
dP(x=0)/dx=0
4
P(x=0.015)=1×105
0.0 10
0
0
z=(r+h)θ
∂
= 0 (軸対称と仮定)
∂θ
0.005
0.01
length (m) X軸
0.015
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剛体衝突の運動シミュレーション
A
B
ゴム
Xa
Xb
X=0
∂ Xa
∂Xa ∂Xb
(
)
γ
(
)
=
−
−
−
−
k
Xa
Xb
2
∂t
∂t
∂t
∂ 2 Xb
∂Xa ∂Xb
)
−
mb 2 = k ( Xa − Xb) + γ (
∂t
∂t
∂t
2
2500
0.004
2000
G(横弾性率)=7.45×Hs(硬度)/(100-Hs) (kgf/cm2)
ε(ひずみ)=σ(応力)/E(縦弾性率)
E=2G(1+ν(ポアソン比0.5))
σS(ゴム断面積)=k(ΔL/L(ゴム厚))
↓
k=2.19×106×Hs×S/L/(100-Hs) (N/m)
γ=0として試算(ゴムの粘性を無視)
変位 (m)
2
0.005
加速度 (m/s )
硬度70, ゴム厚4 mmの場合
速度v=3 m/s, 加速度a=0 m/s2
ma
0.003
1500
変位A (m)
変位B (m)
0.002
1000
2
加速度B (m/s )
0.001
500
0
0
0
0.001 0.002 0.003 0.004 0.005
時間 (s)
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緩衝材及び衝突時加速度の影響
1950.0
ピーク加速度 (m/s 2)
加速度 (m/s2)
4000
硬度70, t=4mm
硬度70, t=2mm
硬度90, t=4mm
3000
2000
1000
0
0
0.001 0.002 0.003 0.004 0.005
時間 (s)
1949.8
ゴム厚=4 mm, 硬度=70
1949.6
1949.4
1949.2
1949.0
-600 -400 -200 0
200 400
衝突時加速度 (m/s2)
600
2
ピーク加速度 (m/s )
4000
ピーク加速度は、バネ定数に強く依存する。
k=2.19×106×Hs×S/L/(100-Hs) (N/m)
面積に比例、長さに反比例
ゴム厚=4 mm
3000
2000
衝突時に等速運動でなくても、
ピーク加速度の変化は無視できる。
(再現性には影響小)
1000
0
0
20
40
60
硬度
80
100
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初期実験の概要
初期実験用装置の写真
LDVと加速度計から加振器の評価を行う
(厚み4 mm, 硬度70の緩衝材(ゴム)を使用)
LDV
(レーザドップラ振動計)
2気圧、80 msにおける速度及び加速度波形
0.6
600
電磁バルブ
速度 (m/s)
加速度計
400
-9.4 m/s2
LDV
0.3
300
0.2
200
0.1
100
0
2
0.4
500
加速度 (m/s )
加速度計
0.5
0
1.4 ms
-0.1
-100
0.00875
0.01 0.0112 0.0125
時間 (s)
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初期実験結果
ゴム硬度95との比較計算結果
2.0
1.0
1500
1000
-24.84
m/s2
0.5
500
0.0
0
dv
= −24.397 × vmax
dt
-5
加速度 (m/s2)
Exp.
Cal.
6気圧
60 ms
硬度70
0
加速度 (m/s2)
速度 (m/s)
1.5
2000
-10
-15
-20
-25
-30
0.008 0.009 0.01 0.011 0.012 0.013
時間 (s)
ゴム硬度94で実験と計算が良い一致
・使用しているゴムの粘弾性を評価すべき
・重畳する高周波加速度の消去
0
0.2
0.4 0.6 0.8
最高速度 (m/s)
1.0
1.2
最高速度後の加速度は、
速度に比例している。
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初期実験における加速度レベル
加速度の空気圧及びバルブ開時間依存性
2500
2500
2atm
4atm
6atm
高周波加速度、
観測されない
2000
2
加速度 (m/s )
加速度 (m/s2)
2000
1500
1000
500
1500
1000
観測される
500
0
0
20
40
60
80 100
バルブ開時間 (ms)
発生可能な加速度範囲
100-2000
m/s2
・上限加速度の拡大(-5000 m/s2)
120
0
200
250
300 350 400
周波数 (Hz)
450 500
赤色の境界線を境にして、
高周波加速度の有無が観測された
→ゴムの衝撃吸収性に依存するだろう
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加速度レベル
パワースペクトル結果
10
9
10
7
10
5
10
3
・11.3 kHzの共振現象を観測
11.3 kHz
200 mmステンレス棒の固有振動数
1
f =
2L
101
10-1
10
-3
10
-5
2atm 80ms
6atm 60ms
2
10
3
10
10
周波数 (Hz)
E
ρ
固有振動数=12.3 kHz
4
10
5
対策：アンビルの縦振動を緩和する為に、
やわらかい緩衝ゴムを使用すべき
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加速度運動の再現性
同一条件で10回実験を行い、ピーク加速度を標本とする。
実験条件：空気圧力=4 atm, バルブ開時間=40 ms
回数
ピーク加速度
・平均値 742.9273 m/s2
1
738.2813
2
748.4375
1 n
x = ∑ xi
n i =1
3
747.3984
4
746.0938
5
739.5859
6
746.0938
7
742.1875
8
736.9766
9
738.2813
10
735.9375
・標準偏差 4.4672 m/s2
1 n
2
(
)
σ=
x
−
x
∑ i
n i =1
・相対標準偏差 0.6021 %
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総括
• 200-5000 m/s2を目標とする衝撃加速度校正装置の開発
• 緩衝材(ゴム)の弾性を考慮した加速度波形の試算
• 発生可能なピーク加速度(ゴム厚み 4 mm, 硬度70)
100-2000 m/s2
空気銃の改良により上限拡充を検討
• 棒の縦振動が加速度波形に重畳
緩衝材の特性及び材質を変えることで対応
• ピーク加速度750 m/s2における再現性
相対標準偏差 0.60 %程度
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