JAXA Repository / AIREX 未来へ続く、宙(そら)への英知
63879000.pdf3.89 MB
title音響振動解析のための数値計算法に関する研究
Other TitleStudy on numerical prediction approaches for vibroacoustic analysis
Author(jpn)高橋 孝; 村上 桂一; 青山 剛史; 相曽 秀昭
Author(eng)Takahashi, Takashi; Murakami, Keiichi; Aoyama, Takashi; Aiso, Hideaki
Author Affiliation(jpn)宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部 計算科学研究グループ; 宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部 計算科学研究グループ; 宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部 計算科学研究グループ; 宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部 計算科学研究グループ
Author Affiliation(eng)Japan Aerospace Exploration Agency Computational Science Research Group, Institute of Aerospace Technology; Japan Aerospace Exploration Agency Computational Science Research Group, Institute of Aerospace Technology; Japan Aerospace Exploration Agency Computational Science Research Group, Institute of Aerospace Technology; Japan Aerospace Exploration Agency Computational Science Research Group, Institute of Aerospace Technology
Issue Date2008-02-29
PublisherJapan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
宇宙航空研究開発機構
Publication date2008-02-29
Languagejpn
AbstractSpacecraft are placed at the top of launch vehicles, and are excited with mechanical vibrations via interfaces between spacecraft and launch vehicles during launch. In addition to such mechanical vibrations, the spacecraft are also exposed to acoustic pressure with wide frequency range. Lightweight and large area structures, such as solar arrays and antenna dishes, and components with relatively high natural frequencies are sensitive to acoustic loads. We have studied on a series of numerical simulation techniques for searching main acoustic sources at lift-off, and analyzing acoustic wave propagation, transmission through fairing and spacecraft acoustic vibrations. This paper focuses on numerical prediction approaches for steady-state coupled interior vibro-acoustic problems, especially for spacecraft structural vibrations by acoustic loads with the wide frequency range acted during the lift-off. Numerical prediction of vibro-acoustic responses might enable us to cover the ground acoustic tests, and is therefore quite important to design and develop reliable spacecraft. For spacecraft vibro-acoustic simulations, there are deterministic prediction techniques such as Finite Element Method (FEM) and Boundary Element Method (BEM) applicable in the low frequency range, and statistical ones such as Statistical Energy Analysis (SEA) in the high frequency range. However, there generally exists mid-frequency range where no mature numerical methods are applicable. In this paper, some FE (Finite Element) analyses are firstly investigated using some simple models to check FE modeling techniques and responses by structural analysis with random acoustic loads. In addition, the simple primary structure with some stiffeners of a large spacecraft is modeled, and is used to solve the eigen value problem, and transient and steady-state analysis with random acoustic loads. Some results show that FEM is limited to be applied in low frequency range. Then, a novel deterministic prediction approach called the Wave Based Method (WBM) is considered to be applied to vibro-acoustic analysis with higher frequency range. Using a two-dimensional WBM code developed in this study, some coupled vibro-acoustic problems are solved to verify the code and to understand some fundamental features of WBM. Moreover, an uncoupled acoustic problem and a spacecraft vibro-acoustic problem inside a payload fairing are modeled, and solved using the WBM code and commercial FEM software. The results show that WBM is quite practical without using meshes, and has high potential for the vibro-acoustic analysis in the wide frequency range due to no numerical dispersion errors.
打上げ時の宇宙機には、ロケットの間のインターフェイスを通じて機械振動が加わる。さらに、広い周波数成分をもつ音圧が宇宙機表面に加わることにより振動する。太陽電池パドルやアンテナなど軽量で大きな面積をもつ構造や、比較的高い固有振動数をもつコンポーネントは、音響荷重に影響されやすい。この音響振動の数値予測手法に着目すると、既存の解析手法としては、低周波側では有限要素法(FEM: Finite Element Method)などの決定論的手法、高周波側では統計的エネルギー法(SEA: Statistical Energy Analysis)などの確率統計的手法が適用されている。しかし、一般に両手法では信頼性の高い解析のできない中間周波数領域が存在することが知れている。そこで、本論文では、まず、低周波領域における解析に留まっているFEMの性質について議論するため、FEMの基本的なモデリング手法や解析手法などについて整理し、単純なモデルのランダム応答解析を実施した。さらに、補強材を含む単純な衛星主構造モデルを用いて、FEMによる衛星の音響振動解析を実施した。これらの解析結果から、数値分散誤差の影響や音響と構造の連成解析の重要性について明らかにした。次に、このような要素ベース手法の欠点を克服するために新たに提案された波動ベース法(WBM: Wave Based Method)について議論した。まず、本研究において開発した2次元WBM解析コードと商用FEMソフトウェアを用いて、いくつかの単純な音響構造連成解析と非連成音響解析を行い、WBMコードの検証を行うとともに基本的なWBMの性質を把握した。そして、この結果を踏まえて、フェアリング内の衛星の音響振動連成解析を実施した。以上の結果から、WBMの音響振動連成解析における高精度な決定論的性質が確かめられた。つまり、支配方程式を厳密に満たす波動関数の性質により数値分散誤差を伴わないことから、既存の解析手法で精度の高い解析ができない中間周波数領域を含む広い周波数領域における解析が可能であることが分かった。さらに、空間離散化(メッシュ)を必要としないため、モデル化が非常に容易で計算負荷の小さい実用的な手法であることが分かった。
DescriptionJAXA Research and Development Report
宇宙航空研究開発機構研究開発報告
Keywordsvibroacoustic analysis; sound propagation; sound pressure; fairing; spacecraft launching; structural vibration; numerical analysis; finite element method; spacecraft design; frequency response; 音響振動解析; 音響伝播; 音圧; フェアリング; 宇宙機打上げ; 構造振動; 数値解析; 有限要素法; 宇宙機設計; 周波数応答
Document TypeTechnical Report
JAXA Category研究開発報告
ISSN1349-1113
SHI-NOAA0063879000
Report NoJAXA-RR-07-012
URIhttps://repository.exst.jaxa.jp/dspace/handle/a-is/51692


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