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HIGHWAYBRIDGEVIBRATIONANALYSISBYMATLAB MATLAB

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(1)

MATLAB言語 による道路橋交通振動の解析

敏 * ・加 明**

甲 斐 彦 ***

HIGHWAYBRIDGEVIBRATIONANALYSISBYMATLAB

by

TakatoshiOKABAYASHⅠ*,ToshiakiKAGA**,andToshihikoKAI***

MATLABisamatrixbasedsystem forengineerlngCalculationsandakindoflanguagedisigned solelytodomatrixmanipulation. Thisstudy,WeapplyMATLAB programingtothenumerical analysisforhighwaybridgevibrationproblemsunderMATLABprogramingofthebridgevibration suchasthesimulationofroadroughness,thedeterministicresponseanalysis,thestochasticresponse analysisandtheoptimaldesignoftuningmassdampersaretreated. Thenumericalcalculation methodsofthecovarianceequationsbyRungeKuttamethodandPadeapproximatemethodare proposed. UsingbyMATLAB,programingenvironmentcanberapidlyimproved.

1.は じ め に

近年,多 くの分野 で数 式処 理 ソフ トウェアMAT‑

LAB,Mathematica,Maple,HiQな どが使用 され る ようになって きた.特 に,制御工学 の分野 では,MAT‑

LAB言 語1)の使 用 が 一 般 的 に なって い る.MAT‑

LABは現在 に至 るまで米国や ヨー ロ ッパ の多 くの大 学,研究所 において教育,研究 のため使 われ改良が加 え られて きた2). MATLABは,マ トリックス演算 を 中心 に行 うた めに開発 された言語 であるが, さらに複 雑 な連 立 微 分 方程 式 を容 易 に解 くこ とが で き る.

BASIC,FORTRAN,C言語 な どの高級言語 と比 べ, 通常 のプログラ ミングを書 くことな く,問題 を解 くプ

ロセス を数学的 に紙面 に書 いた ように表示で きるよう になっている.MATLABの豊富 な関数群 によるプロ グ ラム の簡 略化 だ けで な く,MATLABの持 つ グ ラ フィック機能 によ り開発環境 は著 し く向上す る. また, TOOLBOXと呼 ばれてい る特定分野 の解法 を集 めた

ものが,数多 く用意 され てい る3).TOOLBOXとは,

特定 の種類 の問題 を解 くた め にMATLAB関数(m

ファイル)を包括的 に集 めることによって,MATLAB 環境 を拡張す る ものであ る. さ らに このTOOLBOX を使用者 自身が作成 で きるような拡張性が あ りこれが 大 きな特徴 となっている.著者 らは これ まで,MAT‑

LABを構造解析 や不規則振動論等 に適 用 し,解析 を 行 って きた.本論文 では,道路橋交通振動 の解析 にお

ける適用例 について報告す る.

2.MATLABの概要 と作成 したプ ログラム

MATLAB1980年 に開発 され, 当初FORTRAN であった ものが現在 で はC言語 による記述1)が行 われ てい る.MATLABのプログラ ミングはベ ク トルやマ

トリックス演算 を行 う際,紙面 に書 くように入力で き, プ ログ ラム開発 環境 が著 し く向上 す る.MATLAB の構成 は基礎 的な計算 を行 う基本モジュール と, それ に処理機能 を付加 させ る拡張TOOLBOXによ り構成 され て い る.制 御 用 の基本 的 な処 理 を行 うControl 平成710月27日受理

*社会 開発工学科 (DepartmentofCivilEngineering)

**大学院海洋生産料学研究科海洋生産開発学専攻 (GraduateStudent,DepartmentofCivilEngineering)

***㈱大 日本 コンサルタン ト (NipponEngineeringConsultantsCo.Ltd.)

(2)

98 岡林隆敏 ・加賀敏明 ・甲斐利彦 SystemTOOLBOX,非線形系の最小化 または最大化,

線形計画法 な どを行 うOptimizationTOOLBOX4), フィルターの設計,離散 フー リエ変換,不規則信号の 統計処理 を行 うSignalProcessingTOOLBOX5),H 制御 な どの ロバ ス ト制御系 を設計す るRobust Con‑

trolTOOLBOX6)な どがある.立体 的な三次元 グラフ の作成,色 の濃淡 を利用 し2次元 グラフを3次元 グラ フに拡張す るな どのグフイツク機能7)を持 っている.

この ような特色 を もつMATLABの機能 をさ らに向 上 させ るた め に,著者 らは,Tablelの ようなプ ロ グラム を作成 した.

Table1 Program forbridgevibrationanalysis Determisticresponseanalysis

Simulationofroadroughness

Tim?Variable̲differentialequationby RungeKuttamethod

Random responsFtan̲alyisis

CoVari早nCeequationbyRungeKuttamethod CoVarianceequationbypademethod

3.時刻歴応答解析

(1) 橋梁一車両一路面系の方程式

Fig.1の ような路面凹凸を含む橋梁上 を 1自由度で モデル化 された車両が走行 す るときの橋梁および車両 の方程式 は,

n

y(I,i)k∑¢=1k(I)qk(i) (1) i'k(i)+2hka)kq'k(i)+aJ2kqk(i)1 LkzQk(ut)i'(i)

(2) i'(i)+2ha).(Z'(i)‑メ(ut,i)7;(i))

+a)(Z(i)‑y(ut,i)r(i))‑o (3) ここで,y(a,i):x点の橋梁 の変位応答, ¢k(I):

k次の振動モー ド,qk(i):基準座標,Z(i):車両の垂 直変位,r(i):路 面 凹 凸,aJk,伽, hk,h。:それ ぞ れ,橋梁お よび車両の固有振動数 と減衰定数,JLkz:橋 梁のk次の有効質量mkと車両の質量moとの質量比,

〟:車両の走行速度である.

次のような状態変数 を導入する と,

q(i)‑lql(i)qn(i)]T (4) x(i)‑[q(i)Ti(i)Ta(i) Z'(i)]T (5)

(2)(3)式 は,次の状態方程式で記述す ることがで き

る.

i(i)‑Al(i)x(i)+Bl(i)r(i) (6) ここで,Al(i):橋梁一車両系の係数マ トリックス, Bl(i):外力 マ トリックス,r(i):路面 凹凸 r(i)とそ の時間微分7;(i)か ら構成 され る外力ベ ク トルである.

なお,図中のm,k.,C。はそれぞれ車両の質量,ばね 定数および,減衰係数である.

V

:。 Z(t, r(t,

Vt‑

Fig.1 Bridge‑vehiclesystem.

(2)路面凹凸のモデル化

路面凹凸のパ ワースペ ク トル密度8)は,

S,(a))‑S。(a)2+β2) (7) で近似す ることがで きる.ここで,S。‑27ruA‑27rVa である.

長崎県の荒川橋で決定 した路面凹凸のパ ワースペ ク トル密度 をFig.2に示 した.

(ttlJUNtm)

Fig.2 Powerspectraldensityofroadroughness.

(3)

パ ワースペ ク トル密度が与 えられた場合,路面凹凸 は次の ような三角級数モデル9)によ り合成す ることが で きる.

m

r(i)‑∑k=1akSin(a)kt+¢k) (8)

crk2‑4S,(a))Aa)

wk‑WL・(k Aw,Aw‑(wUwL)/m (9) なお,a k:平均値0,標準偏差Okを有 す る正規乱 敬,¢k:0‑22rの一様乱数,a)L,a)a:合成する波形の 凹凸数の下限 と上限,m :周波数の分割数である.

(3)プログラムの概要

シ ミュレー ションを行 うために,路面凹凸を発生 さ せ るプログラムを示 した.橋 梁一車両系の方程式 は不 規則 な外力 を入力 とす る時変系の方程式 になる.定数 係数の応答計算 を解 くプログラムは,lsimとして準備 されているが,時変係数系のプログラムはない. そこ で, このた めの プ ログ ラム を時変 係 数 系 のRunge‑

Kutta法 に よ り作成 した. それ ぞれ,Program lと Program 2で あ る. プログラム中の,% はコメ ン ト 行,;は その行 の 区切 りの‑記 号 で あ る.functionは ファンクシ ョンサブプログラムを記述す るための もの である.

(∋路面凹凸の発生

program lは,路面凹凸 を発生 させ るプログラム である.メインファイルでは,T :路面凹凸を発生 さ せ る時間,dt:時間刻 み, fl,fu:下限 と上限の周波 ,m:周波数分割数,V:車両の速度,A,a:路面 のパ ラメータ,n:乱数 の初期条件 である. ファンク ションファイル(1)は,波形 を合成 す るルーチ ンで あ る.一般的なパ ワースペ ク トル密度 をファンクシ ョン ファイル(2)で定義す ることによ り,一般的なスペ ク ト ル にも対応で きる.

(参不規則外力 を入力 とす る時変係数系ための Runge‑Kutta

RungeKutta法10)を橋 梁一車 両系 に適 用 した場合 を考 える.(6)式 は一般的に次式で表す ことがで きる.

1;(i)‑i(I,i) (10) Runge‑Kutta法では,この式 を次の ように差分表示す

る.

x(t十At)‑3(t).‡(kl+2k2+2k3・k4) (ll)

に,

klAtf(x,i)

k2Atf(x+kl/2,i+At/2) k3Atf(K+k2/2,i+At/2) k。Atf(a+k3,i+At)

Program 2は① の路面凹凸 を外乱 とした場合の,棉 梁中点の変位応答 を求 めるための ものである.ただ し, 橋梁 は 1次振動 のみを考慮 している.その内容 は, メ インファイルで(3)式のa)oho,時刻 :to,ポイン ト数 : n,時間刻み:dを入力 し,路面凹凸の情報rr.matを▲

よかだす. これ らを引数 として初期条件 を求めるファ ンクシ ョンファイル (1)に入力 しIsim関数 によ り橋梁 直前の車両 の初期条件 Joを求 める.Runge‑Kutta によるファンクシ ョンファイル(2)では,車両二橋梁系 のパ ラメータお よび方程式 を定義 したファンクシ ョン ファイル(3)とのあいだで,(ll)式 よ り,橋梁中点の変 位応答 y(I,i)を求める.これ を説明する と,まず最初 にメイ ンファイル よ り車 両 の初 期 値 3.が他 のパ ラ メータ とともに入力 され る. これ らはファンクシ ョン ファイル(3)に入 力 され ∬が求 め られ再 び ファン ク ションファイル(2)に も どされklが求 まる. これ が (ll)式の値 である.同 じようにk2,k3,k。も決 まる.

これ らの値 か ら次の点 のOが決定 され る. これ は, Program‑1 Simulationofroadroughness.ノ

Mainfile

%ROADROUGHNESS

T=10.0;dt=0.01;fu=6.0;fl=0;.m=50;V=10;

A=0.0027;a=0.05;n=1;

trr,t=road(T,dt,fu,f1,m,V,A,a,n).;

Functionfile(1)

function【rr月=road(T,dt,fu,f1,m,Y,A,a,n) wl1=2'pifu;wl=2'pifl;ns=T/dt+1; dw=(wu‑wl)/m;

randn('seed',n);ra=randn(1,m); rand('seed',n+1);rb=rand(1,m); t=0:dt:T;

r=zeros(size(t));rd=zeros(size(t)); fork=1:m

w=wl+(k‑1/2)'dw;

sgm=sqrt(4'psd(W,,A,a)'dw); ak=sgm'ra(k);fai=2'pirb(k); r=r+ak.'(sin(W't+fa)); rd=rd+W■ak.'(cos(W't+fa));

end rr=【rr;r;rdI;

Functionfile(2) functionsX=psd(W,Ⅴ,A,a) sO=2'pi'Ⅴ'A;bb=2'pi'Ⅴ'a;

(4)

100 岡林隆敏 ・加賀敏明 ・甲斐利彦

Program‑2 Runge‑Kuttamethodfor㌧vectolequtation.

Mainfile

%BRIGDEVIBRATION fO=3.0;wO=2'pifO;hO=0.03;

tO=0;n=401;d=0.01;L=40;

loadrr.mat;%ROADROUGHNESS RVl=rr(1:2,1:401);RBl=RVl';

Ⅹ0=Vehicle(wO,hO,RVl);

RV2ニrr(1:2,402:803);RB2=RV2'; lt,YI=runge(tO,n,a,Ⅹ0,RB2); y=sin(pi'(L/2)/L)Y(1,:); plot(t,y)

Function丘le(1)(initialcondidon) functionXO〒Vehicle(wO,hO,RV)

t=0:0.01:4;

a=(01;W0‑2‑2'hO'wOJ;b=tOO:wOA22'hO.wO7; C=(10J;d=(00l;

r=RV';

ly,ⅩFlsim(a,b,C,a,r,t);

Functionfile(2)RungeKuttamethod

%RUNGE‑KUTTAMETHODFOR

%VECTOREQUATION

functionlt,Y】=runge(tO,n,d,Ⅹ0,RB2) Y(:,1)=Ⅹ0;

t(1)=tO;th=tO;

fork=2:n t(k)=th;

Y(:,k)=Ⅹ0;

kl=func(th,Ⅹ0,RB2,d)'d;

th=th+d/2;kkl=Ⅹ0+kl/2;

k2=func(th,kkl,RB2,a)'d;

kk2=Ⅹ0+k2/2;

k3=func(th,kk2,RB2,a)d;

th=th+d/2;kk3=Ⅹ0+k3;

k4=func(th,kk3,RB2,d)'d;

Ⅹ0=Ⅹ0+(kl+2'k2+2●k3+k4)/6;

end

(ll)式のx(i+At)に相 当す る.この作業 をn‑1回繰 り返 し γ としてメイ ンファイル に もどし, これ と橋 索のモー ドsin(i)の横 によ り,橋 梁中点 の変位応答

〟をプロッ トさせ る.

4.不規則応答解析

(1)確率微分方程式

(7)式のパ ワースペ ク トル密度 を有す る定常確率過 程 は,強度 62を有 す る白色雑音n(i)を入力 とす る次 式のような路面系モデルで示す ことがで きる.

/(i)+βr(i)‑n(i)

ただ し, 62‑47r2uAである.

(12)

Functionfile(3) functionx=func(th,Ⅹ0,RB2,d) nnn=round(也/d+0.1‑d); DDD=【RB2(ann+1,:)I';

%BRIDGEPARAMETER

L=40;EI=24.41●10ー8;M=10.68'10ー4;

g=9.8;h=0.02;m=M/2;

W=(pi/L).2●sqrt(EI/(M/L/g));

%VEHICLEPARAMETER hO=0.03;fO=3.0;wO=2'pifO;

mO=2010ー3;Ⅴ=10;

%MATRIX(A,B) Rm=mO/孤;

F=sin(pi/L'Ⅴ't

al≡‑wA2‑wOA2'Rm.F(2;

aZ=‑2'h'wl2'hO'wO'Rm'FZ;

a3=wO'2'Rm'F;

a4=2●hO'wO'RmIF;

a5=wO2■F;a6=2●hO●wO●F;

a7ニwO〈2;a8=‑2●hO●wO;

A=[0 1 0 0;ala2a3a4;

0 0 01;a5a6a7a81;

blニトRm'wO2●F‑Rm2◆hO●wOIF】; b2=lwO〈22●hO'wO】;

B=Ezeros(i,2);bl;zeros(i,2);b2l;

Ⅹ=A'Ⅹ0+B'DDD;

(5)式の橋梁の状態ベ ク トル,車両 の変位,速度,お よ び路面凹凸か ら状態変数ベ ク トルX(i)を,

x(i)‑[q(i)Ti(i)Tz(t) Z.(i)r(i)]T(13)

と定義する と, (2), (3),(12)式 は次のように白色雑 音過程 を入力 とす る伊藤型の微分方程式で表す ことが で きる.

k(i)‑A(i)X(i)+B(i)n(i),X(to)‑X. (14) A(i),B(i)マ トリックスの要素 は省略する.詳細 は文 8)を参照 された し.

(2)共分散方程式

橋梁振動の分散 を求 める.応答の分散 は,

Ely(i)2]¢2(i)Elq2(i)] (15) とな り,状態マ トリクスX(i)の共分散 の要素 よ り求 め られ る.

応答x(i)の平均値 回 りの変動 のみに着 目す る と, X(i)の共分散 は,

Rx(i)‑E[X(i)X(i)T] (16) と定義できる. したが って,(14)式 に対応する共分散 方程式 は,

(5)

x(i)‑A(i)Rx(i)+Rx(i)A(i)T+B(i)B(i)T62, Rx(to)‑RE. (17) また,初期条件 は,車両が無 限遠点か ら発進 し,定 常状 態 に達 した後 に車両 は橋 梁 に進入す る もの とす る.

車両 が橋梁 のx‑t点 に位置 し,定常 な接地力 を加 え る もの とす る と,定常応答解析 の問題 にな る. この場 令 (17)式 は次 の連立 方程 式 にな る.

A(i)Rx(i)+Rx(i)A(i)T+B(i)B(i)T62‑0 (18)

(3)プ ログラムの概 要

ここで は(2)で論 じた共分散方程 式 のRunge‑Kutta 法 とPade近似 に よる解析 プログラムの説 明 を行 うが, プ ログ ラムの構成 はProgram 2の橋 梁一車両系 のプロ グ ラム とほぼ同 じで あ るた め使 用 す る関 数及 び マ ト リックスの違 いについて述べ るに とどめ る.

Runge‑Kutta

Runge‑Kutta法 に よる不 規則 応 答解 析 の プ ロ グ ラ ム を,Program 3に示す.メイ ンフ ァイル はProgram 2とほぼ同 じで あ る.初期条件 を求 め るファンクショ ンファイル (1)で は,係数 マ トリックス A と外 力 マ ト リックス β が共分散 方程 式 の係数 に変 わ り,(18)式 の リアプノフ関数 によ り車両 の初期条件 を求 めてい る.

Runge‑Kutta法 によるフ ァンク シ ョンファイル(2)は, Program 2と同一 で あるた め,式 の部分 は省 略す る.

共分散 方程式 の フ ァンクシ ョンファイル(3)で は,橋 梁 車両系 の方程式 に代 わ り, (17)式が定義 され てい る.

ただ し,係数マ トリックスA,外力 マ トリックスB の 要素 の定義 について は省 略す る.

(診Pade近似

Pade近 似は Runge‑Kutta法 に比 べ数 値 積 分 に おいて無条件安定 な解析 を行 える.

共分散 方程 式(17)式 を差 分表 示 す る と, 2次 のPade 近似 式eAkdを用いて,

Rk‑eAkhRk‑1eAkhT+与[BkBkT

+eAkhBk‑1Bk̲lTeAkhT]62h eh d‑(I老 Ak)(I一考Ak)1

と表 せ る.

Pade近似 による不規則応答解析 のプログラム を,Pr0‑

gram 4に示す.ただ し,メイ ンファイル,初期値 を求 め るフ ァンク シ ョンファイル は省 略 す る.Pade近似 与よるフ ァンクシ ョンフ ァイル(1)で は,(19)(20)式 を 定義 し,共分散 方程式(17)式 の係数 マ トリックスA

Program‑3 Runge‑Kuttamethodforcovariance equation.

Mainfile tO=0;n=401;d=0.01;

RO=Vehicle;

lt,XR]=runge(tO‑,n,d,RO);

Functionfile(1)Initialcondition functionR■0主Ⅴ.ehicle

兎MATRⅠⅩ(AO,BO,QO)A.

A=【010;wO〈2‑2'hO■wO‑(2'hO■wO'bV‑wO〈2); 00‑bV】;

B=80;2.hO.wO;1]; Q=B●(sgmー2)'B';

%ⅠNⅠTⅠALCOJNDⅠTⅠON‑

RO=lyap(A,Q);

Functionfile(2)RungeKuttamethod

%RUNGE‑KUTTAMETHODFOR

%coVARⅠANCEEQUAT工ON

Functionfile(3) functionPP=func(也,P)

%MATRⅠⅩ(A̲,B,也)

A±01000;ala2a3a4a5;000 10;

̀a6a7a8a9a10;0000‑bV】; B=EOblOb2lr,.

sgm=sqrt(2●pi'sO);Q=B●(sgmへ2)白'; PP=A'P+P'A'十Q;%CoVarianceEquation

Program‑4 Pade method for covariance equa tion.

Functionfile(1)Pademethod

%PADEMETHODFOR

%COVARⅠANCEEQUATⅠON function(t,XR)=pade(tO,n,d.RO)

b=RO(:);ⅩR(1,:)=b'; t(1)=tO;th=tO;

.fork=2:n (4,QFfunc(th)̲;

・A1=inv(eye(size(A))0..5ATd);

・、B1=eye(size(A))+0.5.̲A'q;

C=A1'B1;

RO=C'RO●C'+A1Q●A1''.d;

仏=th+d;

t(k)=th;

end

Functionfile(2) fupctiontA,Q】=func(th,P)

・a6a7a8a9a.10;0000‑bVl; B=【Ob10.b21';

sgm=sqrt(2'pi'sO); Q=B'(sgm〈2)B'; Q=B'(sgm〈2)B';

(6)

102 岡林隆敏 ・加賀敏明 ・甲斐利彦 外力マ トリックス β を定義 した ファンク ションファ

イル(2)との間でn‑1回のループをまわ し,橋梁の変 位分散 を求 める.ただ し, これ らのマ トリックスの要 素の定義 については省略す る.

5.動吸振器の最適設計

(1) 橋梁一動吸振器一車両系の方程式

Fig.3に示すモデル を考 える.橋梁の振動 をk次振 動 まで考慮 した橋梁一車両一動吸振器一路面系 の基礎方 程式12)は,

d'k(i)十2hka)kdk(i)+a)2kqk(i)1LkzQk(vt)'(i)

FLkd如(a)a(i)(k‑1,‑n) (21) d(i)+2hdaJd(i(i)y'(vt,i))+aJ2d(d(i)

‑y(a,i))‑0 (22) i'(i)+2h。aJ(i(tト y'(vt,i)/(i))+wZ(a(i)

‑y(vt,i)‑r(i))‑o (23) ここで,d(i):動吸振器 の変位,ald,hd :動吸振器の 固有振動数 と減衰定数,FLkd:療梁 のk次の有効質量 mkと動吸振器 の質量mdとの質量比 であ り, その他 の文字 に関 しては,(1)(2)(3)式で定義 した とお りであ る.

この場合の状態変数ベ ク トル を(4)式のq(i)により x(i)‑ [q(i)Td(i)Td(i)d(i)Z(i)Z'(i)r(i)]T(24) と定義す ると,状態方程式お よび共分散方程式 は(6) (17)式 と同 じ形 になる.係数マ トリックスについて は省略する.詳細 は文献(8)を参照 された し.

Fig.3 Bridge‑dampervehiclesystem.

(2)古典的設計法

古典的な動吸振器の設計法 はまず,特定 の橋梁 と動 吸振 器 の質量比〟h また,橋 梁 の振動数 ん を決 め る.外力 か ら橋 梁 の変位応答 に至 る周波数伝 達 関数

IH(ia))Jの最大値が最小 になるように,すなわち,

ma幻H(iaJ)t‑ min

(=00 (25)

として,動吸振器 のパ ラメータを決 める. この結果, 最適同調パ ラメータは,

fd左 h (26)

となる.

(3)Ⅱ2による設計法

最適設計 は, まず,必要なパ ラメータである動吸振 器の固有円振動数お よび減衰定数 に,初期値 として適 当なパ ラメータを与 える.共分散方程式の変数マ トリ クスの要素 となる橋梁中点の変位 の分散が,6一 min となるまで計算 を繰 り返す. そして,その変数 を動吸 振器 のパ ラメータ hd,a)a,目的関数 をE[y2(i)]として

最適 なα‑[adhd]を求 める. この計算 には,Optim‑

izationTOOLBOXfminu関数13)を用いる.

fminuは準 ニ ュー トン法 のFrecherPowell法 を用 い てい る. このプログラムがProgram 5で ある.ただ し,各マ トリックスの要素の定義 については省略する.

また, このフローチャー トをFig.4に示す.

Program‑5 0ptimum damperdesign.

Mainfile X=fminu('func',XO)

0001000;

a41a42a43a44a45a46a47;

0000010;

a61a62̲a63a64a65a66‑a67;.

000000a77】; B=【Ob20b40b60】'; D=.ZrOS(7,1);̲

W=[0:0.01:7rrad;

C=B●B''sgm;

R=1yap(A,4',C); sgmaX=sqrt(氏(1,1))

Functionfile functionfmaX=func(Ⅹd); R=lyap(A,A',C); fmax=R(i,1)'1000 fmax=R(i,1)'1000

6.

路面凹凸,橋梁及び車両の諸元 について説明す る.

Table2,(7)式で述べた路面凹凸のパ ワースペ ク ト ル密度 の定数 を示 す.Table3は解析 の対 象 とした 橋梁のパ ラメータで橋梁の支間 は40mである.Table 4は車両 の諸元である.

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