numerical analysis of coupling oscillation and internal

7
2 点吊り振子の連成振動と内部共振の数値解析 *1 *2 *2 *2 *3 Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal Resonance of Bifilar Suspension Pendulum Tatsumi MIYAUCHI *1 Toshio FUNADA *2 Katsuhisa OHBA *2 Yusuke AOKI *2 and Kouji MOCHIZUKI *3 Abstract: A bifilar suspension pendulum, a uniform density bar suspended at its two points by two strings of same length, may swing in a vertical plane or make torsional oscillation about a vertical axis. The swinging in a co-plane of the strings and the bar is called Mode 1, and the swinging in a vertical plane perpendicular to the bar is Mode 2. Mode 3 is the torsional oscillation about a vertical axis. These modes are linearly independent of each other, but it is possible to make nonlinear coupling oscillation between the modes and internal resonance. In this report, the 1-3 modes coupling oscillations are computed for parameter excitation and external forcing. Keywords: Coupling Oscillations of Bifilar Suspension Pendulum, 1-3 Mode Coupling Due to External Excitation 1 はじめに 2 ( ) するため [1] されて,2 について,運 して 題を し, った [2]–[7] .そ れる “mode 1 ( mode)” それに れる “mode 2 (ブラ ンコ mode)” があり, “mode 3( mode)” される. ,各 mode [4]–[8] づき, いた 3 mode により, [9]–[11] §2 し, mode (mode 3) mode (mode 1) ( parameter ) する. 2 2 点吊り振子の 3 つの振動 mode の球座標表現 x y z するデカルト (x, y, z) いて,Fig.1 ように,C 1 2 する. 2a 2c z x (x 0 ,z 0 ) O C 1 C 2 A 2 A 1 G O θ y θ yg y Fig.1 Bifilar suspension pendulum with c>a (mode 1). *1 : Department of Mechanical Engineering. *2 : Department of Digital Engineering. *3 : Department of Electrical & Electronics Engineering. また, し, する. C 1 (x 0 ,y 0 ,z 0 ) り. c 1 O (x 0 + c 1 ,y 0 ,z 0 ), C 2 (x 0 +2c 1 ,y 0 ,z 0 ) る. ( ) G (x g ,y g ,z g ) し,G から a 1 A 1 (x 1 ,y 1 ,z 1 ),右 A 2 (x 2 ,y 2 ,z 2 ) す.これらにより,各 ( ) A 1 A 2 =2a 1 , A 1 G = a 1 , GA 2 = a 1 , A 1 C 1 = L 1 , A 2 C 2 = L 2 , OG = r g される. 角をデカルト りに って け,O する (r, θ y z ) い,z-x りに θ yg y-z から りに θ xg り,G (x g ,y g ,z g ) される: x g = r g sin(θ yg )+ x 0 + c 1 , y g = r g cos(θ yg ) sin(θ xg )+ y 0 , z g = r g cos(θ yg ) cos(θ xg )+ z 0 (2.1) また, G する いて, z-x から りに θ y x-y から りに θ z り,A 1 (x 1 ,y 1 ,z 1 ) A 2 (x 2 ,y 2 ,z 2 ) される: x 1 = x g - a 1 cos(θ y ) cos(θ z ), y 1 = y g - a 1 cos(θ y ) sin(θ z ), z 1 = z g + a 1 sin(θ y ) (2.2) x 2 = x g + a 1 cos(θ y ) cos(θ z ), y 2 = y g + a 1 cos(θ y ) sin(θ z ), z 2 = z g - a 1 sin(θ y ) (2.3) さが しく (L 2 = L 1 ) ある.また, A 1 A 2 =2a 1 f 0 され, A 1 C 1 = L 1 f 1 A 2 C 2 = L 2 f 2 される: これら

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Page 1: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

2点吊り振子の連成振動と内部共振の数値解析

宮内太積*1 舟田敏雄*2 大庭勝久*2 青木悠祐*2 望月孔二*3

Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal Resonance of Bifilar SuspensionPendulum

Tatsumi MIYAUCHI*1 Toshio FUNADA*2 Katsuhisa OHBA*2

Yusuke AOKI*2 and Kouji MOCHIZUKI*3

Abstract: A bifilar suspension pendulum, a uniform density bar suspended at its two points by two strings of same length,

may swing in a vertical plane or make torsional oscillation about a vertical axis. The swinging in a co-plane of the strings

and the bar is called Mode 1, and the swinging in a vertical plane perpendicular to the bar is Mode 2. Mode 3 is the torsional

oscillation about a vertical axis. These modes are linearly independent of each other, but it is possible to make nonlinear

coupling oscillation between the modes and internal resonance. In this report, the 1-3 modes coupling oscillations are

computed for parameter excitation and external forcing.

Keywords:Coupling Oscillations of Bifilar Suspension Pendulum, 1-3 Mode Coupling Due to External Excitation

1 はじめに

対称 2点吊り振子 (並進振子) を免震床に応用するため

の検討[1] に刺激されて,2 点吊り振子の静止平衡状態

周りの振子運動について,運動方程式を導出して初期値

問題を数値解析し,実験を行った[2]–[7].その振子運動に

は,紐と円木の成す鉛直面内で揺れる “mode 1 (遊動円木

mode)”とそれに垂直な鉛直面内で揺れる “mode 2 (ブラ

ンコmode)”があり,鉛直軸回りの円木の振動は,“mode

3 (捩れ振動 mode)”に分類される.

本報告では,各振動 modeの実験値と線形振動理論値

の比較結果[4]–[8] に基づき,球座標系を用いた 3つの振動

modeの表現により,前報[9]–[11] の §2を再掲し,捩れ振動 mode (mode 3)と遊動円木 mode (mode 1)の連成振動

(自由振動,parameter励振,強制振動)を数値解析する.

2 2点吊り振子の 3つの振動 modeの球座標表現

水平右手方向に x軸,手前方向に y 軸,鉛直下方向に z

軸とするデカルト座標系 (x, y, z)を用いて,Fig.1に示す

ように,C1 点を起点に 2点吊り振子の配置を記述する.

2a

2c

z

x(x0,z0)

OC1 C2

A2A1

G

O

θy

θyg

y

Fig.1 Bifilar suspension pendulum withc > a (mode 1).

*1 機械工学科: Department of Mechanical Engineering.*2 電子制御工学科: Department of Digital Engineering.*3 電気電子工学科: Department of Electrical & Electronics Engineering.

また,球座標系を併用し,座標原点は適宜取るものと

する.水平な上壁面上に C1 点 (x0, y0, z0)を取り.間隔

c1 で,O 点 (x0 + c1, y0, z0), C2 点 (x0 + 2c1, y0, z0) を

取る.遊動円木の中央 (質量中心) を G 点 (xg, yg, zg) と

し,G 点から間隔 a1 で,遊動円木上の左の紐の結び目

位置を A1 点 (x1, y1, z1),右の紐の結び目位置を A2 点

(x2, y2, z2) と表す.これらにより,各点間の長さ (距離)

は A1A2 = 2a1, A1G = a1, GA2 = a1, A1C1 = L1,

A2C2 = L2, OG = rg と表される.回転角をデカルト座

標系の軸回りに取って軸名の添え字を付け,O 点を原点

とする球座標系 (r, θy, θz) を用い,z-x 面内で鉛直軸か

ら反時計回りに θyg,y-z 面内で鉛直軸から反時計回りに

θxg を取り,G点の座標 (xg, yg, zg)は次式で表される:xg = rg sin(θyg) + x0 + c1,

yg = rg cos(θyg) sin(θxg) + y0,

zg = rg cos(θyg) cos(θxg) + z0

(2.1)

また,G点を原点とする球座標系を用いて,z-x面内で鉛

直軸から反時計回りに θy,x-y 面内で鉛直軸から反時計

回りに θz を取り,A1 点の座標 (x1, y1, z1)と A2 点の座

標 (x2, y2, z2)は次式で表される:x1 = xg − a1 cos(θy) cos(θz),y1 = yg − a1 cos(θy) sin(θz),z1 = zg + a1 sin(θy)

(2.2)

x2 = xg + a1 cos(θy) cos(θz),y2 = yg + a1 cos(θy) sin(θz),z2 = zg − a1 sin(θy)

(2.3)

紐の長さが等しく (L2 = L1) 一定である.また,

A1A2 = 2a1 は次の f0 で表され,A1C1 = L1 は f1,

A2C2 = L2 は f2 で表される: これらの条件は,弾性紐の

Page 2: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

効果[12] の場合と比べ,解析過程が非常に異なることに特

に注意されたい.水平面からの遊動円木の傾き角の関係

式は f3, f4 で与えられる:

f0 = (x2 − x1)2 + (y2 − y1)2 + (z2 − z1)2 = 4a21,

f1 = (x1 − x0)2 + (y1 − y0)2 + (z1 − z0)2 − L21

= a21 + c2

1 − L21 − 2a1c1 cos(θy) cos(θz) + r2

g

+2rg (a1 cos(θxg) cos(θyg) sin(θy)+(c1 − a1 cos(θy) cos(θz)) sin(θyg)−a1 sin(θxg) cos(θy) cos(θyg) sin(θz)) = 0,

f2 = (x2 − x0 − 2c1)2 + (y2 − y0)2 + (z2 − z0)2 − L22

= a21 + c2

1 − L21 − 2a1c1 cos(θy) cos(θz)

+r2g − 2rg (a1 cos(θxg) cos(θyg) sin(θy)

+(c1 − a1 cos(θy) cos(θz)) sin(θyg)−a1 sin(θxg) cos(θy) cos(θyg) sin(θz)) = 0,

f3 = − z2 − z1

x2 − x1= sec(θz) tan(θy),

f4 =y2 − y1

x2 − x1= tan(θz),

f5 =z2 − z1

y2 − y1= − csc(θz) tan(θy)

(2.4)

紐の長さが等しく (L2 = L1) 一定であるから,f1, f2 の

条件満たすことが求められる.f1, f2 の和を取ると,rg

を θy, θz で表現する式が得られる:

f1 + f2 = 2(a21 + c2

1 − L21 − 2a1c1 cos(θy) cos(θz) + r2

g

)= 0 (2.5)

rg =√− (a2

1 + c21 − L2

1 − 2a1c1 cos(θy) cos(θz))

≡ rg1(θy, θz) (2.6)

f1, f2 の差を取ると,角度の関係式が得られ,θy を個別

の振動modeを記述する変数 θxg, θyg, θz を基にして表現

できる:

f1 − f2 = 4rg [a1 cos(θxg) cos(θyg) sin(θy)

+(c1 − a1 cos(θy) cos(θz)) sin(θyg)

−a1 cos(θy) cos(θyg) sin(θxg) sin(θz)] = 0 (2.7)

θy = arcsin(d11/c11) − arcsin(b11/c11)

≡ θy1(θxg, θyg, θz) (2.8)

但し,a11-d11 は次のように定義した:a11 = cos(θxg) cos(θyg),b11 = − cos(θz) sin(θyg)− cos(θyg) sin(θxg) sin(θz),

c11 =√

a211 + b2

11, d11 = − c1

a1sin(θyg)

(2.9)

この系の静止平衡状態は,5つの時間の関数について

(rg, θxg, θyg, θy, θz) = (rg0, 0, 0, 0, 0)と表される.但し,

rg0 は次式で定義される:

rg0 =√

L21 − (a1 − c1)

2 (2.10)

静止平衡状態の回りで攪乱に対して (2.6), (2.8)式を Tay-

lor展開し,微小 parameterε (ε ¿ 1)を用いて攪乱を εθyg,

εθxg, εθz と表すと,θy, rg は次のように近似される:

θy =(

1 − c1

a1

)εθyg + ε2θxgθz

+ ε3

[(1 − c2

1

a21

)c1θ

3yg

6a1+

θyg

2

((1 − c1

a1

)θ2

xg − θ2z

)]

+ ε4[13θ3

xgθz −(

1 − c1

a1

)θxgθ

2ygθz − 1

6θxgθ

3z

]+ O(ε5) ≡ θy1(θxg, θyg, θz) = θy1 (2.11)

rg = rg0 −ε2a1c1

2rg0

(θ2

y + θ2z

)+

ε4a1c1

4rg0

[(16− a1c1

2r2g0

) (θ4

y + θ4z

)+

(1 − a1c1

r2g0

)θ2

yθ2z

]+ O(ε6) ≡ rg1(θy, θz) = rg1(θy1(θxg, θyg, θz), θz)(2.12)

つまり,(2.12)式の θy には (2.11)式を代入して項を整理

し,O(ε4)まで取るものとする.

以上の表式を用いて,質量 m1,慣性 momentJy, Jz

(= Jy)の遊動円木の運動を記述する Lagrange関数 Lは,次のように表される:

L =m1

2(x2

g + y2g + z2

g

)+

Jy

2θ2

y +Jz

2ε2θ2

z cos2(θy) + m1gzg

=m1

2r2g +

m1

2ε2r2

g

(θ2

xg cos2(εθyg) + θ2yg

)+

Jy

2θ2

y

+Jz

2ε2θ2

z cos2(θy) + m1g (rg cos(εθxg) cos(εθyg) + z0)

+ m1 [rgx0 sin(εθyg) + rg y0 sin(εθxg) cos(εθyg)

+rg z0 cos(εθxg) cos(εθyg) + rgx0εθyg cos(εθyg)

−εrg z0

(θxg sin(εθxg) cos(εθyg) + θyg cos(εθxg) sin(εθyg)

)+εrg y0

(θxg cos(εθxg) cos(εθyg) − θyg sin(εθxg) sin(εθyg)

)]+

m1

2(x2

0 + y20 + z2

0

)(2.13)

ここでは,C1 点の座標が時間の関数となる場合も含まれ

ている.C1 点が固定の場合には,x0 = 0, y0 = 0, z0 = 0

であるから,遊動円木の運動を記述する Lagrange関数

L0 は,次のように表される:

L11 =m1

2

(r2g + ε2r2

g

(θ2

xg cos2(εθxg) + θ2yg

))+

Jy

2θ2

y +Jz

2ε2θ2

z cos2(θy) + m1grg cos(εθxg) cos(εθyg)

=m1

2

(ε2

(∂rg1

∂(εθy1)θy1 +

∂rg1

∂(εθz)θz

)2

+ε2r2g1

(θ2

xg cos2(εθxg) + θ2yg

))+

Jy

2ε2

(∂θy1

∂(εθxg)θxg +

∂θy1

∂(εθyg)θyg +

∂θy1

∂(εθz)θz

)2

+Jz

2ε2θ2

z cos2(θy) + m1grg1 cos(εθxg) cos(εθyg)(2.14)

ここで,時間の未知関数は rg = rg1(θy1(θxg, θyg, θz), θz),

θxg, θyg, θy = θy1(θxg, θyg, θz), θz であり,束縛条件 f1,

Page 3: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

f2 により,運動を記述する上で基本となる変数 (未知関

数) は 3つである.この一般関係式に基づき,系の個々

の振動 modeの記述との関連が求められる[9], [10].3つの

modeの運動方程式は,報告[10] の (3.12), (3.13), (3.14)式

で与えられ,θyg (遊動円木 modeの角度), θxg (ブランコ

modeの角度), θz (捩れ振動 modeの角度) に対する連立

非線形微分方程式である.外部からの励振がない自立系

の場合の運動方程式は (4.1), (4.2), (4.3)式となり,計算

例[11] が示された.なお,それらの導出過程では外力や

damperは考慮されていないが,後から運動方程式に加

えることができる.同じく,報告[10] の (5.1), (5.2)式が

mode 1, 2間相互作用の運動方程式であり,(5.3), (5.4)式

がmode 2, 3間相互作用の運動方程式であり, (5.5), (5.6)

式がmode 3, 1間相互作用の運動方程式である.

報告[10] の個別 modeの運動方程式は,順に,(6.1) (遊

動円木 modeの θyg), (6.2) (ブランコ modeの θxg), (6.3)

(捩れ振動 modeの θz)式であり,再掲する:

2m02θyg + 2u02θyg + n11x0 + n32εθyg z0 + ε2(4u13θ

3yg

+2m15θyg θ2yg + 2m15θ

2yg θyg + n12θ

2ygx0

)= 0, (2.15)

2m01θxg + 2u01θxg + n21y0 + n31εθxg z0

+ ε2(4u11θ

3xg + n22θ

2xg y0

)= 0, (2.16)

2m03θz + 2u03θz + n33εθz z0

+ ε2(4u16θ

3z + 2m20θz θ

2z + 2m20θ

2z θz

)= 0 (2.17)

運動方程式 (2.15), (2.16), (2.17)を線形化して,固有角

振動数の表式を示す:

ω201 =

12a1g((a1 − c1)3 − a1L

21

)rg0 ((12a2

1 − b21)(a1 − c1)2 − 12a2

1L21)

, (2.18)

ω202 =

g√−a2

1 + 2a1c1 − c21 + L2

1

=g

rg0, (2.19)

ω203 =

12a1c1g

b21

√−a2

1 + 2a1c1 − c21 + L2

1

=12a1c1g

b21rg0

(2.20)

但し,棒の全長 b1 を用いて慣性 momentは m1b21/12 で

あり,rg0 =√

L21 + (a1 − c1)2 と取る.先に線形固有角

振動数が等しくなる条件式を解いて,3つのmodeが共に

等しい条件 (ω01 = ω02 = ω03)は 2点吊り振子の配置の

関係式 c = b21/(12a)[7], [8] を導いている: つまり,3 mode

主共振あるいは内部共振が起こり得ることを意味する.

さらに,本報告で扱う mode 3, 1の連成振動において,2

点吊り振子の配置を換えることにより ω03/ω01 が整数比

となり,外力による高調波/分数調波共振や内部共振が発

生する可能性があることを指摘しておく.本報告では,

しかしながら,基本的な連成振動の特性を調べるに留め,

稿を改めて解析を行う予定である.

3 2点吊り振子の円木modeと捩れ振動modeの連成振

動の数値解析

2 点吊り振子の規定値を L1 = 0.5, a = 0.2, b1 = 0.6

m1 = 1, g = 9.8, Jy = m1b21/12, ε = 1, ω1 = 1とし,計

算時間 0 ≤ t ≤ te,表示時間 ts ≤ t ≤ te (ts = 2π × 90,

te = 2π×100)とし,Table1の設定値を用いて,数値計算

した結果は,Fig.2 (自由振動),Fig.3-8 (parameter励振),

Fig.9, 10 (parameter励振と強制振動) に示される.Fig.2

は,線形共振点 c = b21/(12a) = 0.15 での非線形自由振

動であり,Fig.2c, 2dの時系列図には,唸りが発生してい

ることが示されている.

Table 1Conditions for Computations.c = 0.15, x0(t) = 0, y0(t) = 0, z0(t) = 0, θyg(0) = 0.3, θz(0) = 0.3 (Fig.2)

c = 0.15, x0(t) = A0 sin(ω1t) (A0 = 0.3), z0(t) = 0, θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.3)

c = 0.6, x0(t) = A0 sin(ω1t) (A0 = 0.3), z0(t) = 0, θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.4)

c = 0.15, x0(t) = 0, z0(t) = B0 cos(ω1t) (B0 = 0.3), θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.5)

c = 0.05, x0(t) = 0, z0(t) = B0 cos(ω1t) (B0 = 0.3), θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.6)

c = 0.15, x0(t) = A0 sin(ω1t), z0(t) = B0 cos(ω1t) (A0 = B0 = 0.3), θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.7)

c = 0.6, x0(t) = A0 sin(ω1t), z0(t) = B0 cos(ω1t) (A0 = B0 = 0.3), θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.8)

c = 0.6, x0(t) = A0 sin(ω1t), z0(t) = B0 cos(ω1t) (A0 = B0 = 0.3), Fyg(t) = F0 sin(ω1t) (F0 = 0.1),

damperc11 = 0.01, c12 = 0.001, θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.9)

c = 0.6, x0(t) = A0 sin(ω1t), z0(t) = B0 cos(ω1t) (A0 = B0 = 0.3), Fz(t) = F0 sin(ω1t) (F0 = 0.1),

damperc11 = 0.01, c12 = 0.001, θyg(0) = 0.03, θz(0) = 0.03 (Fig.10)

Page 4: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

-0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3

-1.0

-0.5

0.5

1.0

-0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6

-3

-2

-1

1

2

3

580 590 600 610 620

-1.0

-0.5

0.5

1.0

580 590 600 610 620

-3

-2

-1

1

2

3

Fig.2a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.2b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.2c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.2d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.04 0.06

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

-0.04 -0.02 0.02 0.04

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

580 590 600 610 620

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

580 590 600 610 620

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

Fig.3a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.3b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.3c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.3d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

580 590 600 610 620

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

580 590 600 610 620

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

Fig.4a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.4b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.4c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.4d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.10

-0.05

0.05

0.10

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

580 590 600 610 620

-0.10

-0.05

0.05

0.10

580 590 600 610 620

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

Fig.5a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.5b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.5c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.5d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.10

-0.05

0.05

0.10

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.05

0.05

580 590 600 610 620

-0.10

-0.05

0.05

0.10

580 590 600 610 620

-0.05

0.05

Fig.6a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.6b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.6c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.6d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

Page 5: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

-0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.04 0.06

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

-0.04 -0.02 0.02 0.04

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

580 590 600 610 620

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

580 590 600 610 620

-0.15

-0.10

-0.05

0.05

0.10

0.15

Fig.7a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.7b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.7c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.7d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

580 590 600 610 620

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

580 590 600 610 620

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

0.2

0.3

Fig.8a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.8b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.8c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.8d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.010 -0.005 0.005 0.010

-0.010

-0.005

0.005

0.010

-1.´ 10-6-5.´ 10-7 5.´ 10-7 1.´ 10-6

-0.00001

-5.´ 10-6

5.´ 10-6

0.00001

580 590 600 610 620

-0.010

-0.005

0.005

0.010

580 590 600 610 620

-6.´ 10-6

-4.´ 10-6

-2.´ 10-6

2.´ 10-6

4.´ 10-6

6.´ 10-6

Fig.9a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.9b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.9c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.9d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

-0.010 -0.005 0.005 0.010

-0.010

-0.005

0.005

0.010

-0.02 -0.01 0.01 0.02

-0.02

-0.01

0.01

0.02

580 590 600 610 620

-0.010

-0.005

0.005

0.010

580 590 600 610 620

-0.02

-0.01

0.01

0.02

Fig.10a Phase portrait of

(θyg(t), θyg(t)).

Fig.10b Phase portrait of

(θz(t), θz(t)).

Fig.10c Time sequence of

θyg(t) andθyg(t) versust.

Fig.10d Time sequence of

θz(t) andθz(t) versust.

parameter励振 (Fig.3-8) では,励振の代表的な場合に

対し,c = aを基準に cが大きい/小さい場合の計算結果

を示した.3次元励振と 2点吊り振子の配置の多くの組

合せが可能であるが,目下様々な組合せの計算を進めて

おり,それらの結果は十分に分類できていない.

強制振動と parameter励振では,θyg 方向の運動方程式

に外力を加えた場合 (Fig.9)と θz 方向の運動方程式に外

力を加えた場合 (Fig.10)の例を示した.そこでは,θz の

運動方程式の減衰係数値の取り方が微妙に計算結果に影

響することが分かっている.

4 おわりに

本研究は,文献[1] に刺激されて始まっているが,3つの振

動 modeがあり,質量や慣性 momentの振子運動への影

響に注目し教材として整備する計画で進めて来た.前報

告では,2点吊り振子の 3つの振動modeの実測値と線形

理論値との対応を述べ,様々な解析を行い,非線形連成

振動が起こることが理論的・実験的に確認された.mode

Page 6: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

1, 2, 3を同時に扱う場合には,水平上壁面上を原点とし

棒の質量中心に向けて球座標系を取り,さらにその質量

中心を原点とする球座標系で棒の姿勢を記述し,棒上の

紐の結び目から上壁面の結び目までの距離 (紐の長さ)が

一定に保たれる拘束条件を課している[8]–[10].一連の報告

の第一報[9] では,mode 1, 2, 3の運動の記述と個々の記述

の確認を行い,3つのmodeの相互作用が起こることを示

し,第二報[10] では,mode 1, 2, 3の運動の記述と 2つず

つの modeの相互作用並びに個々の運動を記述する運動

方程式を示した.第三報[11] では,3つの modeの相互作

用の数値計算例を示した.加えて,本報告では,捩れ振

動 mode (mode 3)と遊動円木 mode (mode 1)の連成振動

(自由振動,parameter励振,強制振動) を数値解析した.

これらの系では,線形振動では互いに独立で,非線形連

成振動が起こることが特徴である.自由振動の計算例で

は,線形共振点での計算例を示した.parameter励振・強

制振動では,3次元的加振の組合せにより,複雑な挙動が

見られる.mode1のみまたは mode3のみの場合には,2

点吊り振子の配置により非線形軟性/硬性バネ特性が現れ

るが,2つが混在する場合にはまだ分類ができていない.

一方,紐の伸縮を許す場合の問題の定式化は報告[12] で

行っており,今後,本報告の問題との関連や差異を検討

し,個々の振動問題の解析を行う.また,従来の表現に

よるmode間相互作用の報告[13]–[15]も参照されたい.

本報告の一部は,先に第 60回理論応用力学講演会[7] 並

びに日本機械学会 2011年度年次大会[8] において講演し

たことを付記する.

本研究遂行にあたり,本校の校長リーダーシップ経費

による支援を受けたことをここに記して,柳下福蔵校長

に厚くお礼申し上げます.

参考文献

[1] 川口衛,立道郁生: “21318並進振子原理を用いた免

震システムの開発: その 1原理と免震床の実大実験”

学術講演梗概集. B-2,構造 II, 振動,原子力プラント

2000 (2000), pp.635-636(社団法人日本建築学会).

[2] 望月孔二,宮内太積,舟田敏雄,佐々木隆吾,マ

ズニアルイルファン,川船雄一郎,川上誠,中道

義之: “2 点吊り振子の線形運動解析” 沼津高専研究

報告第 44号 (2010), pp.55-60.

[3] 大庭勝久,舟田敏雄,岩本大,清水啓介,中道義

之:“2 点吊り振子の捩り振動の基礎解析” 沼津高専研

究報告第 44号 (2010), pp.83-88.

[4] 望月孔二,鈴木秀,舟田敏雄,岩本大,宮内太積,

大庭 勝久,川上 誠,中道 義之: “2 点吊り振子の 3

つの線形振動 modeの実験と解析” 沼津高専研究報

告第 45号 (2011), pp.163-168.

[5] 鈴木秀,舟田敏雄,金子裕哉,宮内太積,福田克也:

“2 点吊り振子と剛体振子の振動実験と解析” 日本機

械学会東海支部東海学生会 第 42回学生員卒業研

究発表講演会,2011年 3月 13日 (日)豊橋技術科学

大学,第 9室 10:50~ 12:14機械力学・計測・制御

�講演番号 909,講演前刷集 (日本機械学会東海学生

会平成 23年 3月 1日発行) CD/ROM,pp.268-269.

[6] 宮内太積,福田克也,鈴木秀,金子裕哉,舟田敏

雄:“2点吊り振子の非線形内部共振の解析”日本機

械学会東海支部東海支部第 60期総会・講演会 (支部

60周年記念行事)豊橋技術科学大学,第 8室 (A207

教室) 3月 14日 (月) OS5振動解析と制振 OS5-2非

線形振動 10:45~12:00講演番号 811東海支部第 60

期総会講演会講演論文集 No. 113-1 (日本機械学会東

海支部 2011年3月1日発行), pp.403-404.

[7] 舟田敏雄,鈴木秀,金子裕哉,ビンモハマドイド

ロスムハマドイッザト,大庭勝久,中道義之,青

木 悠祐,宮内 太積,望月 孔二,川上 誠: “2点吊

り振子の mode間相互作用と内部共振の数値解析”

第 60回理論応用力学講演会 3月 9日 (水) 第 4室

9:30-9:45 OS12-4機械系及び構造物系の振動制御講

演番号 OS12-10,講演論文集 OS12-10.pdf

[8] 舟田 敏雄,宮内 太積,大庭 勝久,中道 義之,青

木 悠祐,出川 智啓,望月 孔二: “2 点吊り振子の連

成振動と内部共振の数値解析” 日本機械学会 2011

年度年次大会 『機械工学が牽引するイノベーショ

ン』,2011年 9月 11日 (日)~15日 (木),東京工業

大学大岡山キャンパス,[OS] G100機械力学・計測

制御部門一般セッションセッション,9月 13日 (火)

9:00-10:00会場:W242,講演番号 G100033.日本

機械学会 2011年度年次大会講演論文集 DVDROM

G100033.pdf.

[9] 舟田敏雄,木ノ内智貴,桜井賢人,大庭勝久,青

木 悠祐,宮内太積,望月孔二: “2 点吊り振子の 3

つの mode間相互作用の解析 (1)” 沼津高専研究報告

第 46号 (2012), in press.

[10] 舟田敏雄,木ノ内智貴,桜井賢人,大庭勝久,青

木 悠祐,宮内太積,望月孔二: “2 点吊り振子の 3

つの mode間相互作用の解析 (2)” 沼津高専研究報告

第 46号 (2012), in press.

[11] 舟田敏雄,木ノ内智貴,桜井賢人,大庭勝久,青

木 悠祐,宮内太積,望月孔二: “2 点吊り振子の 3

Page 7: Numerical Analysis of Coupling Oscillation and Internal

つの mode間相互作用の解析 (3)” 沼津高専研究報告

第 46号 (2012), in press.

[12] 木ノ内智貴,舟田敏雄,桜井賢人,大庭勝久,青

木 悠祐,宮内 太積,望月 孔二: “2 点吊り物理振子

の振動解析: 弾性紐の効果” 沼津高専研究報告第 46

号 (2012), in press.

[13] 舟田敏雄,鈴木秀,金子裕哉,木ノ内智貴,桜井

賢人,大庭勝久,青木悠祐,宮内太積,望月孔二,

川上誠; “2 点吊り振子の mode間相互作用と外力と

外部励振による内部共振の数値解析” 沼津高専研究

報告第 46号 (2012), in press.

[14] 舟田敏雄,木ノ内智貴,桜井賢人,大庭勝久,青木

悠祐,宮内太積,望月孔二: “2 点吊り振子の mode

間相互作用と外力と外部励振による内部共振の数値

解析 (2)” 沼津高専研究報告第 46号 (2012), in press.

[15] 舟田敏雄,木ノ内智貴,桜井賢人,大庭勝久,青木

悠祐,宮内太積,望月孔二: “2 点吊り振子の mode

間相互作用と外力と外部励振による内部共振の数値

解析 (3)” 沼津高専研究報告第 46号 (2012), in press.