{
論文
】
UDC :624
.
074
.
43
:624
.
953
:532 :624.
04 日本 建 築 学 会 構 造系 論 文 報 告 簗 第 362 号・
昭 和61
年4
月有
限
変
形 場
で
の
ポ
テ
ン
シ
ャ ル
流体
と
弾性 体 容
器
の
相
互
作
用
を
支配
す る
汎
関数
正 会 員皆
丿
ll
洋
_
*序
流
体
と弾性 体
の相
互作 用 問
題 は,
両 者
の幾 何 学 的 形 状
,
対 象
にす る流 速
,振 動
数領域
に依 存
して考慮
しなけ
れ ば な ら ない物 理 現 象
が異
な る。
液体
を 入 れ る弾 性 体 容 器
の振 動
問
題
は,液
体
をポ
テン シャル流 体
と仮 定
して,
相 互
作 用 場
にお け る振 動 問 題
と し て扱
わ れてきて いる。弾 性
体 容 器
の変 形 を微 小 と仮 定
して挙
動 を
支
配
す る方
程 式
を線 形 化
し,流 体
の自 由
表面
上
の境
界 条 件
も波 高
や速 度
が小
さい と して線 形 化
したBernoulli
式 を
用いた線
形
の定
式 化
のも
とで,
応 答
が解 析 さ れ
てい る17)・
181・
24)・
25)。
し か し な が ら,
実 験 的
な研 究
報告
9 )・
11 )・
22 )によれば
,
水
の 入っ た円筒
シェ ルへ横 方 向 周 期 外 力
(
周 方 向展 開
次
数
n
=1
)
を作
用
さ せ る と,
n=
0
,
2
,
3
等
の振 動
モー
ドが観
測 さ れ る。 こ の現 象
は線 形 理 論
で は説
明で き ない。
Clo
皿gh
ら9}はこの原 因 を初 期 不 整
の影 響
であ
ろ う と予
測 して いるZ3, 。皆 川
27」・
28〕は弾 性 体
の幾 何 学 的 非 線 形
性
を
考慮
す れ ば,
この よ う な現 象
が生 起
し得
る ことを示
して い る3)−
6〕 。 ま た,
池
田
ら 15),
大 森
29)は剛
な容 器
に 入 っ た流 体
の自由 表
面
上
の非 線 形 境 界 条 件
が生
み出
す効 果 を 検
討
し てい る。
流
体
の自 由 表 面
の非 線 形 境 界 条件
を考 慮
し て,
周 期 外
力
の も とでの応 答
を検 討 す
る時
,
問 題
が生 ず
る。流 体 を
支
配 す る方
程式
はEuler
の方法
で表
示
さ れ て い る の で,
変
形後
の状
態
で境 界 条 件
を導
入 す る 必要
が ある。
線 形 化
し た境界条 件
で は変
形
前 後
の流 体 場
の変 化 を無 視 す
るこ と に な るの で,
エネ
ルギ積
分
を変
形 前
,
ある い は変 形 後
で行っ て も 差 違 は ない。
しか し,
流体
の波 高
を有 限
とす る と, エネ
ルギ積
分 は変
形
後
の形
状
で行
う 必要
が あ る。 こ の た め,非 線 形
のス ロ ッシング応
答解析
は 逐次
近 似 法
に頼
る こ と に な る8)・
1°}。
上 述
し た大
森29)の研 究 は,
自
由表 面
の非 線 形 境 界 条 件
が変 形 前
の静 水
面
で成 立
す る と仮
定
して,
積 分
の変 形 前
の状 態
で行 う近 似 を導
入 してい る。
剛 な
容 器
に入っ たポテ ン シ ャ ル流 体
の挙 動
を支
配 する方 程 式
はBernoulli
の方 程 式
を変 形 後
の流 体 場
で積 分
し た汎 関 数
の第
一
変 分 を計 算
す ることで,
自由表
面
の境 界
本 報 告は文 献34
)で発 表し た内容に加 筆した。
實 鹿児 島 大 学助 教 授
・
工博
(昭 和 60 年 7 月8
日 原稿受 理)条 件
を 含 めて完
全 に記 述
さ れる ことを
,Luke2
〕は示
し てい る。
木
村
,
大 橋
13〕は こ の汎 関 数 を 変 形 前
の状
態
でTaylor
展 開
して,
変
形 前
の状
態
で の非 線 形 関 数
と し て表
現 す る手 法
を用
いて,
回 転
シェ ル の ス ロ ッシング振 動
を解析
し てい る。Euler
表 示
さ れ た有 限 波 高 上
で表 現 さ
れ た自由 表 面 上
の境
界
条件
を静 水 時
の位
置でTaylor
展開
す る方 法
は,
メオー733
)に も示
さ れて い る。
本論
で は,有
限
変
形 場
で の ポ テンシャ ル流 体 と弾 性 体
容 器 と
の相 互 作 用 を支
配 す る汎 関 数
を提 案
する。
流 体
はEuler
表 示
され てい る の で,
弾
性体
も Euler
表 示
し た扱
いを用
いれ
ば,
こ の汎 関数
は厳密
な基 礎 微 分 方 程 式
お よ び境 界 条 件 を 与
え る。
得
ら れ る方
程式
はEttler
表 示
さ れ て い る の で,
遂 次
近似 法
を 適 用 して過渡 応 答
を解 析
す るの に便 利
であ
る。
し か し な が ら,弾
性 体
はLagrange
表
示
して定 式 化 す
るのが通 例
であ
る。
ま た,
ポ
テ ン シャ ル流 体
との相 互 作 用
の振 動
を非
線
形 振動 問
題 へ誘 導
し て,
大 域 的
な挙 動 を把 握
す る た め に は,変 形 前
の状 態
で エネ
ルギ積 分
が表
さ れてい な け れば
な ら ない。 ゆ えに,
こ の 汎関 数
を変 形 前
の状 態
でTaylor
展 開 して近似 的
に表
現
す る方 法
を示 す
。§
L
有 限 変 形 場
で のポ
テ ン シャ ル流 体 と 弾性 体
容
器
の
相 互 作 用 を支 配 す
る汎
関数
圧 力の
積 分
が非 粘 性
,非
圧縮性 流
体
の運 動 を支 配
す るLagrange
関 数 と
な ること は19
世 紀
に知
ら れ てい た よ うで あ る1) e1967年
Luke2
) はこ の 汎関 数
の第
一
変
分を
正確
に算 定 す
ると,自 然
境
界
条件
と して流 体
の自由表 面
上
の非 線 形 境 界 条 件 が得
ら れ るこ と を示
し,
剛 な容 器
に 入っ た ポ テンシャ ル流 体
のすべ て の運 動
はこ の汎 関数
に基
づ い て解 析
で きる ことが明
ら かに さ れ た。幾 何
学
的
非 線 形 性 を 考 慮
し た弾 性 体
を支 配 す
るLagrange
関 数
は弾
性 体
の持
つポ
テン シャルエネ
ル ギ か ら運 動
エ ネルギ を 減 じた関数
で あ り, ポ テン シャ ル流 体
の運動
を支 配
するLagrange
関 数
と同
じ次
元を
有
す る。
ゆ えに,
両 者
のLagrange
関
数の和
を と り,
流 体 と弾 性
体
の変
形による流 体 場
の幾 何
学的 変
化 を考 慮
し た汎 関 数
を 有
限変
形 場で の相
互作 用 問 題
の汎関 数
と して提 案
す る。
重 力
と逆 方
向
へz
座 標 を定
め たデ
カル ト座
標 系
に おい て,
流 体
の速 度 ポ
テンシャルを φ,
自 由表 面
の波 高
一
105
一
を η
,
弾 性 体
の変 位
ベ ク トル を u と表
し,
簡 単
の ために
弾 性 体
にお け る外 力仕 事 項
を省
く と, この汎 関数
は次
の
形
で表
され るSU)。
・
(
φ
…u
)
一∬
[
孤
_ ・{
弖
grad
φ
・
grad
φ・φ
・ ・(
2
−
z・)
}
・・一
玖
{
弖
細
)
− A
(
u
)
}
dV
]
dt …・
…・
(1 )
こ こに
,VL
:流体
場,
V
、 :弾 性 体 領 域
,
ρL :流体 質
量密 度
,
ρE :弾 性 体 質 量 密 度
,=
∂/
∂t
,g
:重
力加
速
度
,z
。 :静水 時
の自由表面
座
標
,A
(
u)
:弾性
体
の ひず
みエネ
ルギ密 度
。波 高
はz
方 向
(
単位
ベ ク トルiz
)
の方
向
を有
して いること を考 慮
し て,
(
1
) 式
の第
一
変 分
al
を計 算
す る。
変
分 を とる未知
関数
はφ
, η,u
であ る。
・・
一
∬
[
伽
{
豈
gra
・φ
・
grad
φ
・6
・ ・(
・一
・・)
}
励
・∂
1
_ ・・・
∬
・佳
・rad
φ
・
9
・ad
φ
・φ
・ ・(
・一
・・)
}
(
・…Dl
・dS ’
・皿
_ ・(
grad
φ・
grad
δφ
・ ・φ)
dV
一
孤
1
ρ鼡
踊)
−
dn
∂A
/
∂uldV]
dt
…・
・
・
…一 ・
…・
……・
………・
……・
………・
…………一 ………
(
2
)
こ こ に
,S
ノ:流 体 自 由 表 面
,
SE
:相 互 作 用 面
,
nL :変 形 後
の流 体 場
の外 向
き法 線
ベ ク トル,dS
’変形 後
の表 面
で の面 積 分 要 素
を表
す。
(
2
)式
の第
3
項
を部
分
積
分
して,
次式
を得
る。第
・項
一
∬[
瑳
.,,.,,・…grad
・・
・
・
・・…
dS
’ ・蕉
(
一
・・臙
・・)
・φ
・・ ’ ・泓
(
一
・・)(
a・
・D6ipds
’
一
皿
_ ・・d
・・(
grad
φ)
・副
・・………・
…………・
…・
……・
・
一 一 ………・
………・
……
(
・)
こ こに,
Sb
:流体場
の固
定境界 面
。(
3
)
式 を
(
2
>
式
へ代
入 し,
整
理 す る と,
次式
が得
ら れ る 。・・
一
∬
[
広
・・{
弖
grad
φ
・
grad
φ
・li
・・(
z
−
2
・)
]
・・7(
・・’
・D12
=
a,
+ ・dS ’
・伽
grad
φ
一
il
・・)
・ ・δillx
−
・…dS ’
・
伽
grad
φ
・
n
…edS
’
・∬
・(
grad
φ
一
・)
n
・・di1
・dS
’
・∬
・[
春
grad
φ
・
grad
φ
・φ
・ ・
〔
・一
司
(
・・…}
1
・dS ’
−
fft
.
.,
.
,PL
…(
・・adφ)
・酬
皿
蝋
・ +・〃
・u
)
dV
]
dt−
………
(
・}
自由 表 面
の静 水 時
の微 小
面積
をdxdy
と表
現 すると き,変
形 後の面 積dS ’
は 次の よ うに表
さ れ る。
dS
’
=研
dxdy
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
マ
ー
・
・
…
一
…
一
・
一
一
・
・
・
・
・
…
一・
・
…
呷
一・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
『
・
・
『
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(
5
)
ま た
,
波 高
が生
じた時
,自 由表 面
S1
上
の外 向 き法
tw
nL
は次 式
で表
され
る。
髭乙
=
(
1
十 η三
じ
十 η…
』
)
−
v2
(
一
η=i苫一
η”ごy十‘z)
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一…
一・
・
…
一・
一・
一・
・
・
…
一・
・
阜
・
一・
一・
・
一・
・
・
・
・
・
・
・
…
P鹽
9・
…
噛
一
(
6
)
こ こ に,i
=
,iy
は x,y
方 向
の単 位
ベ ク トル であ
る。
(
5
)
,
(
6
)式 を (
4
)
.
式
へ代 入
し て,
自由 表 面
の項
,
お よび相 互 作 用 面
の項
の一
部 を書
き か え て,
次 式
を得
る。
・・
一
∬[
fl
. ・・{
弖
…d
φ
・
grad
φ
・6
・9
(
・一
司
勧
ト
ー ・d
・dy
・
伽
(
φ
.
・−
il
,
・Vpe
−
¢
,
・n
,
y−
b
)
・il1
・一
…蜘
+伽
grad
φ
・
n
・・φ
dSt
・∬
・(
grad
φ一e
)
n・・ip1
…
’
・
伽
・
・場
grad
φ
・
…d
φ
・φ
・・(
z
−
z
・)
}
1
・dS
’
一
孤
。 , ・ …(
・ra
.
・・¢
〉
・edV
+
皿
晦
顔+ ∂A
/
∂ω
dy
]
dt …・
…一 ……一 …・
一 ……一 一 ・
・
…一 ………・
…・
…・
…・
・
弾
性 体
の境 界 条 件
お よ び基 礎 微 分 方 程 式
は,(7 )
式
の最
後
の項 を算 定 す
れ ば得
ら れ るこ と が分
っ て い る の で31},
(
7
) 式
か ら流
体
お よび相 互 作 用 面
で の境 界 条
件
を取
り出
す。 ・・上
・P
・{
弖
grad
¢
・
grad
φ
・φ
+
9
(
鮓 銑引
_ 鋤一
・……・
(
8
−
・)
ρ、(
転
一
φ
辺ガ蜘
ηr
ウ
)δφ
1
。
.
m,
+
η
=
o
.
.
・
・
…
噛
幽
…
9・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(
8
−
2
)
祠
一
grad
φ・
grad
φ・φ
・ ・
(
・一
為脚
・
一 ・……・
・
…・
…
(8
−
6)
自 由
表
面,
流 体
固定 境 界 面
,
流 体 内部
での条 件 式
は,
周 知の 厳 密 な 方 程 式2 )を 与 え る。
(
8
−
5
)
式は弾 性 体
と流
・
・
・
…
(7 )
Sb
上
:ρLgrad
φ
・
nL
δφ
=O
………・
・
…・
…
(
8
−
3
)
VL
中
:ρLdiv
(
grad
φ)
δip
iO…一 ・
…・
…
《
8
−
4)
Ss
上
:ρL(
grad
φ
一
a
)
nL
δil
1
.=O − …・
…
(
8
−
5
)
1
2
一 106 一
体
の相
互作
用 面
で の速 度
お よ び 流 速の法線 方 向 成 分
が一
致 し,
す き間
がで き ない こと を意
味
し,
(
8
−
6
)式
は流
体
の圧 力
が相 互 作 用 面
の変形後
の法線
方 向
の力 と
し て作 用
す ることを意 味
す る。
以上
か ら(
8
−
5
,
6
)式
は物
理的
に 判 断 し て,
相
互作 用 面
で の厳密
な境 界 条 件 式 を表 現
し て いる。流 体
は変 形 後
の座 標
で諸
量 を計
量 するEuler
の方 法
に基づ い て表 示
さ れ て い る の で,弾 性 体 も
Euler
の方
法
に基
づい て定 式 化
すれば,
す な わ ち,
(
7
)式 を 増 分
表 示
して,
弾 性 体
はUpdated
Lagrangian
Approach3i
) を 適 用 し,
遂次 近 似 法
を用
い て解析
す れ ば,
有 限 変 形 場
で の弾性
体
と ポ テン シャ ル流 体
の相
互作
用
の問題
が解 け
る。
§
2.
弾 性
体
がLagrange
の方 法
で表
示
さ れ てい る時
の
第
一
変 分
弾 性 体
はLagrange
の方 法
に基
づ い て表 示
さ れ る場 合 が多
い の で,
第
1
節
で誘 導
さ れ た有 限 変 形 場
で のポ
テン シャ ル流 体 と
弾性 体
の相
互作
用
を支 配 す
る第
一
変 分
の弾
性 体 部 分
の条 件 式 を
Lagrange
の方 法
で近 似 的
に表 示
す る方 法
をこ の節
で扱
う。
液 体の容
器 とし て薄 肉
の シェ ル構 造
が利 用
さ れ る機 会
が多
いので,
円錐 台
シェ ルを例 題
と して採 用 す
る。 この シェ ルの定 式
化
は円筒
シェ ルを含
み,
母
線
方 向
に傾
きを持
つ ほ か の回 転 シェ ル の扱
いをも
示 唆
す る。2−1
円錐
台
シェ ルシェ ルの
変
形
はKirchhoff
・
Love
の仮
定
が成 立
する状
態
にあ る もの と仮 定
し,
流
体
との相
互作 用 面
で の接 線
ベ ク トル,
法
線
ベ クト
ル は対 応
す る中 央
面での接 線
ベ ク ト ル,
法
線
ベ ク トルと一
致 す
るも
のと
み な す。 ま た,
流 体
の領 域 を 定義
する時
は,
シェ ル の厚
さ を考 慮 す
るも
の の,
相
互作
用 面
で伝 達
さ れる力
は シェ ル の中
央 面
に作 用
す るも
のと
考
え る。変 形 前
の シェ ル の母線 方 向
の長
さ に沿
っ た接線
ベ ク ト ル,
周 方 向
に沿っ た接 線
ベ クト
ルを
そ れ ぞ れti
,t2
とす
る。 こ の2
つ の接
線
ベ ク トル の外 積
t
]
×t
、
の方 向 を
シェ ル の法 線 方 向
と し,
単 位
法線
ベ クト
ルを
n
と表
す。
右手 系
の デカ ル ト座
標
置,y
,z
方 向
の単 位
ベ ク トルを
ix,
iy,
ら とし,
r,z
方 向
が デ カル ト座 標
のx
,2
方
向
と一
致
する図
一
1
(
ti
とt
,が 逆に表 示
されて い る)
に 示 す よ う な円 筒 座 標
r, θ,z
を
導
入 し,
円 錐 台
シェ ル の初
期 形 状
r° を次
の よ うに表
現 す る。
r
°=
=
(
r
。+SSin
ψ>
COS
鵝 +(r
。+sSin
・P
)
Sin
ei
。十
SCOS
Ptz………・
……・
・
……・
………
(
9
)
こ の シェ ル の
第
一
基
本
量Af,
A
:
を定
め る。
Al=
(
rrs・
rrs)
i 〆z=
1
・
・
…・
・
………・
…・
………
(
10
−
1
)
Al
=(
ree・
rPe)
’f
’=
r。+ ssin
ep
…・
一 …・
…
(
10
−
2
)
(
9 )
,(10
) 式
を用
いる と,
接 線
ベ ク トルtl
,t
,お よ び法 線
ベ クト
ルn
は次 式
の よ うに定
め ら れる
。の
ン
,
ら
Fig
.
1
Geometry
of aConical
Shell
withLiquid
t
・=re
./A
:
=sin
9
cos
ei
。+sin
ψsin
θ’,十
cos
¢ix’
「
四’
’
’
’
’
’
’
’
’
’
”
曾
’
’
”………・
…
(
11
−
1
)
t
・=
r
龜
〃
芸
= =−
sin
・ei
。
+cos
ei
。
・
・
…・
・
…・
(
ll
−
2
>
n
=
cos
θcos
9
垣エsin
θcos
¢層劃+
shl
帆
・
………・
・
一・
…・
………・
・
一 ・
(
11−3
)
ti
,
t
!,
n
方 向
の座
標
は そ れ ぞ れ s, θ,
n
を用
い て表
し,
各 方 向
の変 位 成
分 を そ れぞ れ u,v
,w
と表
現
す る と,
変 位
ベ クト
ル u は次式
で表 さ
れ る。
u
=
uti 十vt2
十wn
・
・
…………・
・
…・
…………
(
12
)
変
形後
の位 置
ベ ク トルR °
は次 式
で表
さ れ る。
R
°=
r° 十 u=
r° +uti
十vt2
+ωn…一・
・
…・
・
(
13
)
変
形 後
の シェ ル の法
線
ベ ク トル n’
は,Novozhilov30
〕 に従
え ば,
次 式
の よ うに表
現 さ れ る。n
’
=
1
(
1
+2
e:
i)
(
1
+2
e
芸
z)
广
L/21−
∂.ti− e23ti
十
(
1
−
←all
十an
)
nl
・
・
一・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(
14 )
ここ に
・aH =
u
,
s+ vsinep
/
r
,
an ;
(
U
,
厂 vsinep
)
fr
,elz
=v
.
s,
a
…=
(
v
.
e+ usin ψ一
wcos
・
o
)
/
r,e1
,=
w
,
。 ,e
・・=
(
w
,
e−
v
cos
q
)
fr
,
e
:
、=e
、i+(
al
,+ef
、+al
,y2
,e
窒
z=
ξ}22十(
e
窪
,十∂莠
,十 ∂蓬
,)
/
2
変 形 後
の相
互 作 用面
で の流
体
の外 向
き法 線
ベ クト
ルnL
=−
n
’
で あ ること を考 慮
し て,
(
7
)式
の相
互作 用 面
S
‘上で の積 分 を 変 形 前
の表
面 積
に関
す る積 分
とし て表
現
する。
n
・dS
’
一一
nt(
RPs
’
瑠
鰕
協
ア
/2dS
=
−
nfl(
1
十2e
曾
1)
(
1
+2
e3
!)
尸
/2dS÷
[
a
、3t,+a2st2
−
〔
1
+a
、1+a
,2)n
ユ
dS
(
∵(
1
の 式 )
・
…・
………
(
15
)
本 論
で は相
互作 用 面
S
‘上で は,
u
,
v
,w
《r
を仮
定
して,
(
15
)式 を次 式
の よ う に 近似
し た表 現
を利 用
する。
一
107
一
n、
dS ’
=
=
(
w
,
。t
、+÷
嚥
一
(
1
+ u,
s+÷
砺)
・)
・
rdeds……・
・
……・
…………・
…・
…
(
16
)
変 形 後
の位 置
で評
価
さ れ る量
,例
え ばgrad
φ,
φ
を そ れ ぞ れgrad
φ」,φ
1
。
と表
す。
こ れ らgrad
φL
,
剃
u は,
有
限
要 素
法
や境 界 要 素 法
を利 用
し てφを 離 散 化
して
表 現
す れば
,比 較 的 容 易
に評 価
で き るが
,解析 的
なi
扱
い を導
入 する時
は,第
3
節
に示
すTaylor
展開
を利 用
i
して評
価
す る方 法 が 便 利
で あ ろ う。(
16
)
式 を (
7
)式
i
へ代
入 し て整
理 すれ ば,
次
式
を得
る。
…∬
[
孤
[
P
・1
壱
・rad
φ
・
grad
φ
・φ
・・(
・一
綱
1
− ・・… ・蕉
[
・(
・.−
n
,
…
,
r−
÷
脇
一
ウ
)
・φ
]
1
− ・・… +伽
grad
φ¶麟
・
伽
(
grad
φ
」
一
・・
・φ
L
@
・・÷
w
.
・t
・一
(
1
+u
・
s・÷
砺)
・)
・dcas
・
伽
{
弖
grad
φ
・
grad
φ・φ
・…
−
Ze
)
}
1
・(
w
.
.au
+塁
徴・δv−
(
1
+u
,
s+1
・
.
e)
・・)
・・…一
皿
一 ・…
(
grad
φ)
・φ…皿
・・(
P
・ti
…/
・・)
・・]
・t
………一 …
・…………・
…………・
…
(
・7 )
ここ に
,S
呈
は変 形 前
の相 互 作 用 面
を表
す。(
17 )
式
の第
一
変 分
で は,
流 体
ポ テンシャ ルφ
は変 形
後
の領
域
で評価
され る表 示 式
と なっ て い る が,
弾 性体 (
回転
シェ ル)内 部
VE,
およ
び相
互作 用 面 上
での積
分 は変
形前
の領 域
S
:
で行
えば
良
い形
を して いる。
この式 を増
分
表
示
し,遂 次 近 似 法
を用
い て時 刻 応 答 を 解析
すれ ば,
弾
性 体 を
Lagrange
表 示
し た扱
い(
例
えば
,運続 体 と
し て の シェ ル理 論
)
を導
入 して,
有
限 変 形 場
にお け
るポ テ
ンシ ャ ル流 体
と弾 性 体
の相
互作
用 問題 を 解 析
する こと が でき る
。§
3L
Lagrange
の方
法
で表 示
さ
れ たポ
テ ンシ
ャ ル流
体 と弾 性 体
の相
互作 用 問
題 の汎 関 数
流 体 場
の積 分 を変 形
後
の形状
に基
づい て行
う定 式 化
は過 渡 応 答 を計 算
す るの には適
してい るも
の の,
応 答
の大
域 的 挙 動
を非 線 形
振 動 理 論 と結
びつ けて理 解
す る の には不 便
であ る。 この節
で は,ポ
テンシャ ル流 体 と弾 性 体
と の連 成 問題
を支配
す る第 1
節
で示
した汎 関 数
を変 形 前
の座 標
に基
づ い て表 現 する方 法 を 示
す。
変 形 前
の座
標
で表
現
さ れ た汎 関 数
に基
づ け ば, こ の連 成 系
を支 配
す る非
線
形
常 微
分方 程 式 を誘 導 す
ること ができ,
相
互作
用
の問
題
を非
線
形振 動 問 題
とし て位 置 付
け ること が可 能
と なる。
3−1Lagrange
表 示
したポ
テン シ ャル流 体
と 回転
シェ ル の
相 互 作 用 問題
を支 配
す る 汎関 数
前 節
で例
題
と して扱
っ た円錐 台
シェ ル をこ の節
でも例
題
と し て採 用 す
る。変 形 後
の流 体 場
を4
つ の領 域
に分 割
する。変 形 前
の流
体 場
をV2
,
静 水 時
の自 由表 面
と波 高
と に よっ て 形成
さ れ る流 体
場 を
Vf
,変 形 前
の相
互 作 用 面 と弾 性 変 形
に よっ て形 成
さ れ る流 体 場
をy
翌
,波 高
と弾 性 変 形
の両
方i
1
1
。 0 ’γ
Fig
.
2
Divisions
ef aFluid
Region
に よっ て
形 成
され る流 体 場
をV
費
と す る。
流体
場陛
と
V
“
との境 界
は変
形
前
に相
互作 用 面
と静
水時
の自由
表 面
との交 点
の軌 跡
と す る。流
体
を含
む 回転
シェ ルを
θ;
O
で切断
し た断 面
図で示 せ ば, これ ら4
つの流 体 場
は図
一
2
のよ う
に表
さ れ る。変 形 前
の相 互 作 用 面
と流
体 自
由 表 面 と
の交 点
P
ノのr
座
標
を定
め る。(
9
)
式におい て 8=
0
の と き の位 置
ベ クト
ル r° がx
−
y 平面
上
にあ
ると す
れ ば,
シェ ルの中
央
面
と流 体
自由表面
の交 点
のr
座 標
は r。+ z。tan
ep
と な る。
シェ ル の厚
さ をh
と すれ ば,
P
∫の r座 標
,
s
座
標
それ ぞ れ rf,Sf
は次 式
で表
され る。rt
=
r。+ z。tan
g
− h
/
2
cos
ψ,sf
=
z。/
cosg
・
………・
…・
・
…一 ……・
(
18
)
(
a)
流
体
場 槻
,vt
で のLag
τange関
数流 体 場
V2
お よ びVf
でのLagrange
関 数
L1
は次
の よ うに表 現 さ
れ る。
・1−
∬甑
W
・{
去
・・ad
φ・
grad
φ
・あ
・…
−
z・1
レ
翩 ・・1
・・一
∬
[
∫
為∬
Y
{
去
grad
φ・
grad
φ・e
・…
一
・・)
レ
・瀲一
一
・
∬
+胃
ワ ・{
器
grad
φ
・
grad
φ
・φ
・・(
・一
・・)
}
rd ・d
・d
・]
dt …・
………一 ・
…………・
・
…
(19)
第
1
項
の う ち変
分
に関 係
し な い項 を
省 略
し,第
2
項 を
z
=
z
。でz
に関
し てTaylor
展 開 し
て,φ
,
η に関
す る4 次
の非線形項
までを採 用 す
ると
,(
19
)
式
は次式
の よう
に表 さ
れ る。
・・一
∬
[
Xthf
, !7
, ”pL
(
壱
grad
φ
・
grad
・
)
rd
・d
・・z +π
〃 ・、1
・(
彦
grad
φ…ad
φ
・φ
)
・
S
η2(
(
者
grad
φ・
grad
φ
)
.
x +φ
.+ ・)
・壱
・・tl
.
. .}
・d
・d
θ]
dt ・
…・
………・
一 ……・
………一 ・
…
(
・・)
(
b
) 流 体 場
vr
でのLagrange
関 数
こ の
領 域
で のLagrange
関数
L
,を精 密
に表 現
す るこ と は難
し く,
近 似 的
な扱
い を導
入 す る必 要
があ
る。
(の 近 似 法
1
変
形 前
の シェ ル の座 標 (
S
,θ,n
)
を用
い て,
弾 性 変 形
に伴
う流
体
場
を表 現
する と,次 式
の よ うに表
さ れ る。
・・一
∬
[
孤
・・{
者
grad
φ
・
grad
φ・e
・・〔
・一
・・)
1
・d
・ded
・]
dt ……一 ・
…・
…・
一 ・
…・
…・
一 ………
(
21
)
・
∬
[
一
∫
・
∫
2π
…
∬
弔
grad
φ
・
grad
φ
・e
・ ・(
・一
・。)
idn
]
dt
………・
・
………一 ・
・
(
・2>
こ こに
,
r
=
r
。+8sin
ψ,符
号 (
一
)
は流 体
の外 向
き法
線
とn
と
の方 向
が逆
であ
ること を意
味
す る。
(
22
}
式 を
Tayior
展 開
して,
変 位
w
,φ
に関
す る4
次
の非 線 形 を採 用
す る と,
次 式
を得
る。
L
・・∬
[
イ
τ
π
・{
・(
弖
grad
φ
・
grad
φ
・φ
…
8c
・s
・一
・・1
)
・ム
・ ・(
(
巷
grad
φ
・
grad
φL
・
li
,
n+・・…
)
・毒
嘱
レ
dcas
]
d
・・
一 ……・
…………・
…・
一 …・
……一
・
……・
…・
……・
……一
一
(
・3
)
(
23
)
式
の第
一
変
分
を計 算 す
ると
,
圧 力
は変
形
前
の シェ ル の法 線 方 向
へ作
用
す る形
の式
が得
ら れ るen) 。変 形 前 後
の回 転
が小 さ
け れば
(
23
)式
の表
現
で十 分
で あ ろ う。
(
i
の 近 似 法
2
流 体 場
V
:での体 積
積 分
を近 似 的
に表 現
す る に際
し,
近 似 法
1
は体 積 積
分の表
現
の ま ま近 似 を導
入 し た。(
21
)式
の被積 分 項
の第
2
,3
項 を 部
分積
分
す る と,
積
分は変
形後
の表
面
に関
する面積
分
に変
換
さ れ る。変 形
後
の面積
分
は(
16 )
式
を導
入し て,
変形 前
の面
積
分
に変 換
できる か ら,次
の よ う な近 似 式 が 誘 導
で き る。∬
[
孤
。
ρ・}
φ
+9
(
z−
2・)
1
・d
・dcax
]
dt −
∬[
孤
仇卜
φ
ウ
場
9
(
・一
・。)
・(
i
.・
nL
)
}
1
。
dS
’
]
dt
−
∬
[
伽
1
一
φ1
・
(
d
・…)
・Sg
(
・一
・。)
・(
・.・
nL)
}
dS
’
]
dt −
f
。 tL[
∬
回
一
φ
1
.(
啝
号
啝
(
1
+・・+−
lt
・
.
・)
・・)
・59
(
・c
・S
・・一
・。+・ ・血伽
c
・S
。)
・・
(
w
.
・c
・s
・一
(
1
+ u,
s+}
・・)
・…
)
}
・d
…]
d
・・
…・
…・
…………・
一 …・
…・
…・
………一 一 …
(
24 )
〔
24
)式
のφ
1
。は変
形 前
の位 置
でTaylor
展 開
して,
次
の よ うに評価
す る。φ
L
÷φ
切φ
結
嘱
+u
¢.
s+÷
・
¢
.
。…一 …・
一 ・
……・
…一 ・
…・
・
…・
・…・
・一 ・
…・
・
……….
_ ….
.
.
(
,,)
(
25
)式 を (
24 )
式
の第
1
項
へ代
入し,面
内変位
u
,
v
を 含
む項
はu
,v
に関
して1
次
であ
り,
かつ全 体
で3
次 ま
で の非 線 形 項
, ω,φ
に関
して は4
次 ま
での項 を採 用
す る。 また,
(
21
)式
の第 1
項
は(
23
)
式 で示 し た近 似 法
1
の評 価 方 法
を利 用
し て,
次 式 を得
る。
・・÷
∬
[
孤
・・{
Sgrad
・
・
9
・ad
φ・φ
…
z
−
z
・)
1
・d
・dC
・・]
dt −
∬
[
伽
[
・
{
−
w
,
.e − ‘
;
’
・
,
。b
・
(
1
+u
,
・
+÷
・,
・)
d
・}
・・di
.
・…S
…
−te−
・(
弖
grad
φ
・
grad
φ
)
−
t
・・
(
Sgrad
di
…qd
il
)
.
n・
(
・φ
・
+÷殉
・・参
9
(
SC
・s
・一
・。+…np
+uc
…)
・・
@
c
・s
・一
(
1
+u
・
e+÷
…
)
・i
…
)
}
吻
・]
dt ・
・
…
1
…・
・
…………・
……・
・
一 ・
・
………・
…・
・
一 ……
(
26
)
後
に示
す よ うに,
(
26 )式
か ら得
られる第
一
変 分
は,
流 体 ポ
テン シャルφ
お よ び重
力g
か ら 導 か れる圧力
が変 形 後
の法
線
へ作 用
するこ と を近
似的
に表
現
す る。一
正
09
一
(
c)
流 体 場
Vf
’ で のLag
「ange関
数
この
領 域
のLagrange
関 数 を定
める ために は,変
形 後
の
領
域
を適 宜 近 似
す る 必 要が ある。
こ こ では弾
性 変 形
に伴
っ て拡 大 す
る自
由表
面
の面 積 増 分
の絶 対
値
は静 水 時
の舳
麺
の大
き さ と蹶
して小
さい と考
え.Uk
の よう
に扱
う。
θ=
0
の断 面 図に お い て,
変
形前
に静 水 面
と シェ ルと
の交 鮎
と し, 。 の点
の座 標
の変
形
後
の齲
の位
置
を
R
,Kirchhoff
・
Love
の仮 定
の も と でPf
が 移 動
し た変
形 後
の点
をP ’
・P
’
で の鰓
とR
樋
る水 平 線
と の{
Flg
.
、交
点 を
Q
と す る と き,領 域
P
.P ’
QR
を θ=
0
で の 流体
i
場vt
” の断 面
を考
え る(
図
一
3
参 照
)
。
領
域
P
/P
’
QR
のi
面積
△stU
を求
める。
…
一
豈
・
ab
. ・頭
・靤
・西
)
(
・。X
・。)
−
S
・ ・1
鴇
r
識
・。 。S
辮諾
。 ,、
(
w
−
uzv
,
。)
{
u
+wtan
q
)
+
2
(
1
切
。tan
ψ)
’
”
… ”… … … … マ
… … … … ’
… 7’
… … ’
”
殊
tan
甲《1
と し,
一
部
の項 を省 略
し て,
次 式 を得
る。A
・…;
・・伽
叫
+ η(
器
盡
i
〃)
・麺
・ ・…………・
・
…・
……・
…・
………・
…・
…・
こ の
領 域
での 圧力
は一
定
で ある と仮 定
し て,Definitien
of aSubregion
Vr
く
27
)
…………・
・
……・
(
28
)
こ の流 体 場
のLagrange
関 数
Ls
を次
の よ うに表 現
す る。
・・一
∬
[
孤
弔
・rad
φ
・
grad
φ
・φ
・9
(
・一
・・}
1
・d
・d
・dz
]
dt
・
∬
∫
2π ・(
圭
grad
φ
・
grad
φ
・e
…)
1
・
一
・
・,
・
一
・
…
’ ”・
・…t
・
…・
…・
・
………・
……・
……・
……・
…
(
・9
)
弾 性 体
の 運動
エネ
ル ギ, ひず
みエネ
ルギ
,外 力 仕 事
の表 現
は良
く知
ら れ て い るものと判 断
して省 略
す る。(
20
)
,
(
26
)
,
(
29
)
式 を用
いると
,
(
1
) 式
の汎 関 数
は次
のよ う
に近 似 的
にLagrange
表示
でき る。M
(
・
・
,・n
,・}
一
∬[
孤
・(
巷
grad
φ・
grad
φ)
…d
・dz
+伽
{
・(
壱
grad
φ・
grad
φ・φ
)
・
春
・<
(
杢
grad
φ
・
grad
φ
L
・6
・+ ・)
・き
圏
・・…+
孤
仇{
φ
(
一
嚇
一
;
獸・b
+(
1
+ u,
s+÷
v
,
e)
th
)
+ wil.
・de
+S
wz
¢
,
・de
−
・(
弖
grad
φ
・
grad
φ
)
−
i
wt
(
去
grad
φ
・
grad
φ)
.
n +(
uil
,
s・’
li
・
tl
.
e)
・・・
S
・(
・c
・s
・−
2e
… ・+… s幅
・6
・ ・一
(
1
1
+u
・
s+7
v
・
e)
・…
)
1
・d
・d
・・
∬
τ ・(
壱
grad
φ
・
grad
φ
・φ
・9
・)
1
_4
弖
伽
・一
殊 ・+ η(
畿毛
ω)
・
S
・・ta
・ ・レ
・・一
皿
(
者
励
・
ti−
・(
・)
)
dV
]
dt …………・
一 ・
…・
…・
……・
………一
(
・・)
こ こ に,
変 形 前
の流 体 場 を 槻
,
変 形 前
の自 由 表 面
,
流 体
固定境
界
, お よ び相 互 作 用 面 を
そ れ ぞ れ鍔
,
縄
お よ びSl
と表 現
し た。3
−
2 Lagrange 表
示
さ れ た 汎関 数
か ら誘 導
され る第
一
変 分
Lagrange
表
示
された(
30
}式
の汎 関 数
の第
一
変 分
を誘 導
し,
次
に得
ら れ た 式 を 第2
節で誘 導
された第
一
変
分と の対 応 を検 討
す る。
(
30
)式
の第
一
変 分 を計 算
し,
流 体
ポ テンシャルφ
のS
]
上
の部
分積
分は厳 密
に算 定
し,
相 互 作 用 面
Sl
上の部 分 積
分は u, v,
ω《r
を仮 定
し,
r
= 定 数,
の 扱いで実 行
し,
さ らに流 体 場
y
費 以 外
の線 積 分
の項
を省
略
し て,
次
式 を
得
る。
・