2026-03-05T19:54:17Z https://ir.soken.ac.jp/oai

oai:ir.soken.ac.jp:00000553 2023-06-20T16:12:48Z 2:427:13

薄肉開断面梁のスピン軸方向伸展に関する研究 Research on Spin-Axis Extension of Thin-Walled Open Cross-Section Beam 荻, 芳郎 オギ, ヨシロウ OGI, Yoshiro 総合研究大学院大学 博士（工学） 薄肉構造は,　軽量であるという利点から,　航空機や宇宙機を含む工業機械に広く用い<br />られている.　ところが,　回転機械の軸として用いられているのは,　中実梁や薄肉閉断面<br />梁がほとんどであり,　薄肉開断面梁,　特に非対称開断面を有する梁はほとんど用いられ<br />ていない.　これは,　薄肉開断面梁が,　中実梁や薄肉閉断面梁に比べて剛性・強度の点で<br />不利であり,　また,　断面形状によっては重心とせん断中心が大きく離れ,　曲げとねじり<br />を連成させ,　挙動をより複雑にするからであると考えられる.　薄肉開断面梁の動的挙動<br />に関するこれまでの研究は,　非回転時及び非伸展時の振動問題に限られており,　回転時,<br />さらにはスピン軸方向伸展時についての研究はなされていない.　しかし,　宇宙機器の軽<br />量化が今後も求められていくなかで,　薄肉構造はさらに利用が拡大していくものと考え<br />られる.<br />　本論文の研究背景として,　現在,　宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部にて次期磁<br />気圏探査計画SCOPE(cross-Scale COupling in Plasma universE)がミッション提案に<br />向けて検討されている.　SCOPE計画では,　衛星スピン軸方向に伸展式の電場アンテナが<br />必要であり,　スピン安定性などからくるアンテナ質量や剛性などの厳しい制約条件から,<br />インフレータブル方式による薄肉開断面伸展梁SPIR(Space INflatable Actuated Rod)<br />を開発中である.　この新規概念をSCOPE衛星で実現するためには,薄肉開断面伸展梁の<br />SCOPE衛星搭載を想定した解析をしておく必要がある.<br />　本研究の目的は,　薄肉開断面梁のスピン軸方向伸展の動的挙動を明らかにすることで<br />ある.　本論文は,　薄肉開断面梁の構造モデリング,　一軸対称薄肉開断面を有する回転軸<br />の安定解析,　一軸対称薄肉開断面梁のスピン軸方向伸展解析,　薄肉開断面伸展梁の開発<br />における実証試験について述べている.<br />　まず,　薄肉開断面梁を連続体として扱い,　回転軸の安定解析とスピン軸方向伸展解析<br />に用いるための準備として,　地上での振動試験結果から構造モデリングする方法につい<br />て述べた.　衛星スピン軸方向伸展構造物として有望な構造方式である薄肉開断面伸展梁<br />の,　SCOPE 衛星搭載を想定した解析を行うため,　本論文では,　薄肉開断面伸展梁を一様<br />な円形開断面を持つ一端弾性支持一端自由梁にモデル化した.　円形開断面は一軸対称薄<br />肉開断面の一種であり,　一般的な一軸対称薄肉開断面梁について,　自重圧縮か自重引張<br />を受ける時の曲げとねじりの自由振動基礎式を,　Vlasovによる弾性理論とD'Alembert<br />の原理より導いた.　この基礎式を用いた一端固定一端自由梁の数値計算例より,　一軸対<br />称薄肉開断面梁では重心軸とせん断中心軸の不一致を考慮した振動解析が必要であるこ<br />と,　及び重力加速度が固有振動数に与える影響を明らかにした.　また,　一端弾性支持一<br />端自由梁の弾性支持パラメータを,　地上で自重圧縮状態にあるときの固有振動数実験値<br />を推定できるよう決定した.　この一端弾性支持一端自由梁について振動解析を行い,<br />SCOPE 衛星で必要とされる長さ5mでは地上試験における重力の影響を無視できないこ<br />とを示した.<br />　次に,　構造数学モデルを回転軸問題へ拡張するために,　偏重心を持つ一軸対称薄肉開<br />断面を有する回転軸について,　Hamiltonの原理により運動方程式を導出し,　静的変形及<br />び動的安定性を推定する手法を導いた.　この手法を用いた一端固定一端自由軸の数値計<br />算例より,　角速度,　危険速度,　偏重心,　及び静的変形の関係を明らかにした.　また,　一<br />軸対称薄肉開断面を有する回転軸では,　重心とせん断中心の不一致に起因した不安定振<br />動が,　ある角速度領域で起こること,　及び内部減衰が存在する場合には,　1次の危険速<br />度より大きい角速度では常に動的不安定になることを示した.　薄肉開断面伸展梁のSCOPE<br />衛星搭載を想定した一端弾性支持一端自由軸の数値計算例より,　SCOPE衛星の運用スピ<br />ンレートでは,　固有振動数が運用スピンレートより低いものの動的安定であることを確<br />認した.<br />　さらに,　一軸対称薄肉開断面を有する回転軸のモデルを発展させ,　一軸対称薄肉開断<br />面梁のスピン軸方向伸展解析を行った.　伸展加速度による軸方向力が梁の曲げとねじり<br />に非保存力として影響を及ぼすものとし,　一軸対称薄肉開断面梁のスピン軸方向伸展時<br />の曲げとねじりの運動方程式を,　Hamiltonの原理により導出した.　そして運動方程式を<br />Galerkin法により離散化し,　動的安定性を調べる方法を導いた.　この手法を用いた一端<br />固定一端自由梁の数値計算例より,　内部減衰が存在しない場合は,　定速度伸展時は重心一<br />せん断中心距離やスピンレートに関わらず常に動的不安定であるが,　内部減衰が存在す<br />れば動的安定領域が存在することを示した.　伸展加速度の影響について考察し,　正の伸<br />展加速度によって動的不安定になる時は自重圧縮による座屈であることを数値計算結果<br />により示した.　また,　伸展終了時の負の伸展加速度は動的安定性に悪影響を与えないこ<br />とを示した.　さらに,　離散化した運動方程式を数値積分し,　伸展が速いと伸展終了時の<br />過渡応答振動が大きくなることを示した.　薄肉開断面伸展梁のSCOPE 衛星搭載を想定し<br />た一端弾性支持一端自由梁の数値計算例より,　伸展中に動的不安定となる場合が見られ<br />たが,　この場合には不安定の度合いが小さく有限時間で終わるため,　伸展後の過渡応答<br />振動に大きな影響は見られず,最大振れ回り量が有限であることが分かった.<br />　最後に,　開発中のSPINARについて,　観測ロケットによる宇宙環境下でのスピン面内伸<br />展実験と航空機による微小重力環境下でのスピン軸方向伸展実験を実施した.　観測ロケ<br />ット実験では,　伸展方向がスピン面内であり,　SCOPE衛星で行うスピン軸方向とは異な<br />るが,　宇宙環境下でのインフレータブル伸展を実証した.　また,　航空機実験では,　微小<br />重力環境下でのスピン軸方向伸展を実証し,　実構造物の動的挙動を把握した.　航空機実<br />験結果と一端弾性支持一端自由梁の数値計算結果とを比較することにより,　伸展後スピ<br />ン時はあらゆる実験パラメータで動的安定であったことを確認し,　スピン軸方向伸展時<br />の危険性を評価できることを示した.<br />　以上のように,　本研究では,　一軸対称薄肉開断面を有する回転軸の解析手法を導出し,<br />動的安定性を調べる方法を示すとともに,　さらに回転軸が伸展する場合にまで適用でき<br />るよう拡張して,　薄肉開断面梁のスピン軸方向伸展の動的挙動を明らかした.　スピン軸<br />方向伸展の動的挙動に,薄肉開断面の構造モデルを用いることが伸展中及び伸展後の動<br />的安定性を推定するために重要であり,　伸展後の過渡応答振動を定量的に評価すること<br />が可能であることも示した.<br /> application/pdf 総研大甲第1131号 thesis 2008-03-19 application/pdf application/pdf https://ir.soken.ac.jp/record/553/files/甲1131_要旨.pdf https://ir.soken.ac.jp/record/553/files/甲1131_本文.pdf https://ir.soken.ac.jp/records/553 jpn