宇宙構造物の圧電素子を用いたエネルギ再利用準能動的制振の研究

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本研究では、多自由度構造物であるトラス構造物を用い、新たに提唱したエネルギ再利用準能動的制振の効果を実験及び数値シミュレーションを通して実証した。まず、制振に用いる圧電素子の特性を把握する為の特性実験を行い、その実験結果から圧電素子の力、変位、電荷、電圧の関係を表現する数学モデルを構築した。本研究では、構造物の振動により圧電素子内に蓄えられる電気エネルギを単に散逸する事で制振するのではなく、構造物に取り付けた圧電素子を含むLCR電気回路内のスイッチの開閉により、LCR電気回路の特性を利用して、圧電素子内に蓄えられる電荷の符号を反転することで、振動エネルギから抽出した電気エネルギをより有効に制振に再利用する準能動的制振手法を提案した。この画期的な制振概念に基づき、スイッチの開閉に関する幾つかの制御則を導いた。更に、電気回路にダイオードを挿入する工夫により、より現実に使用し易い制御則を構築した。上記の圧電素子の数学モデルとトラス構造物の有限要素モデルとを用いて、エネルギ再利用準能動的制振の高い制振性能を数値シミュレーションにより確認した。更に、過渡応答制振のみならず、正弦波加振及びランダム加振下での本制振手法の有効性をも実証した。トラス構造物を用いた単モード制振実験において、エネルギ再利用準能動的制振の制振性能が、従来の準能動的制振より遥かに高い事が実証した。更に、圧電素子を用いた従来の準能動的制振では実現されていなかった多モード制振実験にも成功した。エネルギ再利用準能動的制振の数値計算と実験の定量的な違いの要因を突き止める為に、圧電素子の特性を詳細に調べた。その結果、電気的振動のサイクル数の増加に伴って圧電素子の等価抵抗が減少し、その減少の為、定抵抗値を仮定した数値計算による予測よりも実際の制振性能が低下する現象を発見した。