DECIGO pathfinder のための試験マスモジュールの構造設計・解析 (2)

DECIGO pathfinderのための試験マスモジュールの構造設計・解析(2) お茶大、国立天文台A、東大地震研B、京大理C、法政大工D 若林野花、大渕喜之A、岡田則夫A、鳥居泰男A、江尻悠美子、鈴木理恵子、上田暁俊A、川村静児A、新谷昌人B、安東正樹C、佐藤修一D、菅本晶夫

概要 • DPF試験マスモジュールのBreadboardModel実験を行っている • 現在、打上時の耐久性を検証するために構造解析を行っている • 今回、固有値解析を行い要求値を満たしていることを確認。

ＤＰＦ試験マスモジュール概要 • ＤＰＦとは　スペース重力波アンテナDECIGOの前哨衛星 • ＤＰＦ試験マスモジュールとは試験マス（干渉計の鏡）を保持・制御する機構試験マスモジュール DPF 干渉計モジュール

試験マスモジュール開発ステップ

ＤＰＦ試験マスモジュールＢＢＭ実験スケジュールＤＰＦ試験マスモジュールＢＢＭ実験スケジュール

設計 • 試験マスモジュール構成コンポーネント • 　・ハウジングフレーム • 　・試験マス • 　・静電容量型センサー/アクチュエーター　 • 　・クランプリリースモーター • 　・ローンチロックモーター • 　・レーザーセンサ・ハウジングフレーム　□110mm、アルミニウム・試験マス　□70mm、アルミニウム・電極板（静電容量型　センサー/アクチュエータ）　銅板に金メッキ ※試験マス電極板間ギャップ　　　　　　　　　　：1mm 重量：約19kg サイズ：150mm×200mm×300mm

製作・組立 電極板（センサー/アクチュエータ）フレーム・試験マス加工：天文台マシンショップ　（精度　30μm）レーザーセンサのコーナーキューブ鏡試験マスフレーム・電極板レーザーセンサユニット

熱・構造解析 • ロケット打上時耐久性 • 静解析 • 準静的加速度荷重（前回） • 固有値解析 • 応答解析 • ランダム振動 • 音響（ロケットフェアリング内） • 衝撃（衛星分離時） • 軌道上での熱分布 • ロケット打上時耐久性 • 静解析 • 準静的加速度荷重 • 固有値解析 • 応答解析 • ランダム振動 • 音響（ロケットフェアリング内） • 衝撃（衛星分離時） • 軌道上での熱分布 JAXA

固有値解析 • 固有値解析とは？構造物の振動特性（固有振動数とモードシェイプ）を把握すること • 何のため？構造物の固有振動数とロケットの固有振動数を比較し共振しないか検証するため（ロケット固有振動数＜搭載機器固有振動数　ならOK!） • 解析以外の手法は？振動試験（加振試験）等で、実物の固有振動数を調べることができる

振動試験の例 ロケット固有振動数（だいたいこのへん）共振点共振点共振点加振 Z X Y 加振台 SWIMグループ　2008年4月加振して構造物の共振点を調べる「SWIMグループ・（株）明星電気提供」

固有振動数　要求値 • 機軸方向50Hz以上 • 機軸直交方向30Hz以上試験マスモジュールの固有振動数が以下の要求値を満たしていれば良い

固有振動数の解析方法 ステップ１　単純なバネ-マスモデルでの解析ステップ２　有限要素解析　（FEM：Finite Element Method） k1 m１ k2 m2

ステップ１　単純なバネ‐マスモデル 2質量系のばね結合とみなすローンチロックモーター k1 フレーム電極板 k2 k1 m１試験マス m2 m１ k2 m2

ステップ１　単純なバネ‐マスモデル 固有振動数：1158Hz 要求値を十分満たしている。 (衛星機軸方向　　：50Hz以上衛星機軸直交方向：30Hz以上) 　ステップ１　OK →ステップ２へGO！ k1 m１ k2 m2

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 • モデルを作成する • FEモデルを作成する（メッシュを切る） • 境界条件、解析条件を設定 • 解析 • 結果

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 • モデルを作成する • FEモデルを作成する（メッシュを切る） • 境界条件、解析条件を設定 • 解析 • 結果 ※解析のため簡易化部品間の締結部は完全に密着

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 • モデルを作成する • FEモデルを作成する（メッシュを切る） • 境界条件、解析条件を設定 • 解析 • 結果 ※フライトモデルで使用予定　の材質を適用　試験マス：Au-Pt合金　電極板：サファイヤ

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 • モデルを作成する • FEモデルを作成する（メッシュを切る） • 境界条件、解析条件を設定 • 解析 • 結果底面固定

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 • モデルを作成する • FEモデルを作成する（メッシュを切る） • 境界条件、解析条件を設定 • 解析 • 結果解析実行中・・・

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 • モデルを作成する • FEモデルを作成する（メッシュを切る） • 境界条件、解析条件を設定 • 解析 • 結果 1次モード 2次モード 3次モード 4次モード 5次モード 6次モード 7次モード 8次モード 9次モード 10次モード

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 -結果- • 1次モード　764Hz

NX I-DEAS 5 使用 ステップ２　有限要素解析 -結果- 固有振動数：764Hz(1次モード) 要求値を十分満たしている。 (衛星機軸方向　　：50Hz以上衛星機軸直交方向：30Hz以上)

ステップ２　有限要素解析 -妥当性検証- フレーム単体での固有振動数について、有限要素解析での結果と実測値との比較を行った ※フレーム（アルミニウム製）実物あり

NX I-DEAS 5 使用 有限要素解析（フレーム単体）アルミニウム製のフレームのモデルで固有振動数解析を行った。 FEモデル作成、境界条件（底面固定）モデル作成固有値解析解析結果：1次モード 946Hz

固有振動数測定（フレーム単体） 　フレームをインパクトハンマーで叩いて加速度センサーで固有振動数を測定 880Hz インパクトハンマー解析結果は妥当!! 加速度センサー結果：880Hz(解析結果：一次モード946Hz) 解析結果とほぼ一致 →形状、材料特性、境界条件が正しく与えられている

固有振動数解析結果 ステップ１単純なバネ-マスモデル　1158Hz ステップ２有限要素解析　764Hz 要求値を十分満たしている。 (衛星機軸方向　　：50Hz以上衛星機軸直交方向：30Hz以上) 試験マスモジュールの固有振動数が打ち上げロケットの固有振動数よりも十分高いので、共振してしまうことはない

今後の予定 構造解析（応答解析）試験マス制御実験（真空中）

まとめ • DPF試験マスモジュールBBMの構造解析（固有値解析）を行った。固有振動数を解析した結果、打ち上げロケットの振動と共振しないことが分かった。 • 今後の予定：応答解析、試験マスの制御実験

ご清聴ありがとうございました★

2400Hz センサーノイズ 2400Hz・・・高次モード（解析結果でも3kHzに高次モードあり）

結果評価：単純なバネ‐マスモデル • 2質量系のばね結合とみなすローンチロックモーター k1 フレーム電極板 k2 k1 m１試験マス m2 m１ k2 m2 固有振動数：1158Hz これは並進の2自由度なので、回転運動も含めたバネーマスモデルにするなど、モデルの精度を上げていきたい

●ばね定数の求めかた 　それぞれのモデルをさらにはりモデル　に置き換える。簡単な例：自由端に集中荷重を受ける片持ちばりローンチロックモーター荷重W k1 フレーム電極板 k2 m１試験マス m2 最大たわみ E：ヤング率 I：断面2次モーメント ※この　k　はばねの横剛性より

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