JPH10197396A - 風洞実験用模型 - Google Patents

風洞実験用模型

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JPH10197396A
JPH10197396A JP35763296A JP35763296A JPH10197396A JP H10197396 A JPH10197396 A JP H10197396A JP 35763296 A JP35763296 A JP 35763296A JP 35763296 A JP35763296 A JP 35763296A JP H10197396 A JPH10197396 A JP H10197396A
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rigid rod
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wind tunnel
rigidity
carbon fibers
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Takayuki Takeyama
孝行 竹山
Kazuyoshi Tsujita
和義 辻田
Hideo Kumagai
日出生 熊谷
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 風洞実験用模型において、振動モードを実物
と相似にするための剛性棒の構成の簡素化をはかる。 【解決手段】 水平方向にピッチa,鉛直方向にピッチ
bで配設された多数のカーボン繊維4a,4bと、各繊
維4a,4b間に積層されたプラスチック3とで剛性棒
10Aを構成して上記各ピッチa,bおよびプラスチック
3の含有成分を調整して剛性棒10Aの剛性(振動モー
ド)を所定値に設定できるようにすることで、剛性棒の
構成の簡素化を可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、橋や塔状構造物あ
るいは建築物等の風洞実験に好適な模型に関し、特に風
洞による動的実験に好適な風洞実験用模型に関する。
【0002】
【従来の技術】橋梁や塔状構造物あるいは建築物等の風
洞実験には、通常縮尺模型が使用される。また風による
動的応答を調査する際には、実物の振動モードを再現可
能な弾性体模型が使用されるのが一般的である。すなわ
ち、従来の風洞実験用模型は、図5に示すように、幾何
学的形状を実物と相似にするための外形材03と振動モー
ド(剛性)を実物と相似にするための剛性棒01とで構成
されている。
【0003】ここで、剛性棒01は実物と剛性を相似にす
る必要があり、つまり鉛直・水平の曲げ剛性およびねじ
れ剛性の3つの剛性を満足させる必要がある。そのため
に、例えば図6(a),(b)に示すように、水平の曲げ剛
性とねじれ剛性については本体01Aにより所定の剛性に
合わせ、鉛直の曲げ剛性が不足する分については一対の
フィン02を対向突設して、上記3つの剛性値を満足させ
たものが提案されている。なお、従来はこの剛性棒01の
材料として鉄やアルミニウム等の金属が用いられてい
る。このように剛性を実物と相似にすることで振動モー
ドの形状を相似にすることができる。図7は振動モード
の一例を示している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、(A) 最近の
構造物はほとんど軽量化され低コスト型構造となってい
る一方、剛性は従来なみに保持されており、従来のもの
と比較した場合、相対的に剛性が大きくなっているケー
スが増加している。
【0005】また、(B) このような実機構造の変化の他
に構造物の大型化・橋梁等の長大化に伴い、風洞の大き
さの兼ね合いから風洞実験用模型の縮尺が小さくなって
きたことから、模型の剛性棒においては不具合が生じて
いる。
【0006】この点を以下に詳述する。通常、曲げ剛性
はE・I,ねじれ剛性はG・Jで定義付けられている。
ここで、Eは縦弾性係数、Iは断面定数、Gは横弾性係
数、Jは断面定数である。そしてこのようなパラメータ
をもとに剛性棒の設計を行なうのであるが、金属材料で
は必然的に弾性係数(E,G)が決定されるため、剛性
棒の設計は材料が決められると断面定数のみで剛性を合
わせることになる。
【0007】このようなことから、上記(A)に対処した
模型では、図8に示すように軽量のわりには剛性が大き
いため、所定の剛性を模型で再現すると剛性棒01の断面
形状が大きくなり、外形材03の内側に収まりきらない場
合や、重量が大きくなりすぎて外形材を含めた全体とし
ての重量が所要値をオーバーする場合がある。
【0008】また上記(B)に対処した模型では、図9に
示すように模型の剛性は相似則により縮尺の5乗分の1
となることから、縮尺が小さくなりすぎると極端に模型
剛性が小さくなり、結果的に剛性棒の断面形状が小さく
なって、剛性棒の製作が不可能となる場合や、仮に製作
が可能であっても模型の組立て時に剛性棒が変形する等
の問題がある。本発明は、これらの問題点を解決しよう
とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、幾何学的形状
を実物と相似にするための外形材と、振動モードを実物
と相似にするための剛性棒とをそなえた風洞による動的
応答実験用模型において、上記剛性棒をカーボン繊維強
化プラスチックで構成して課題解決の手段としている。
【0010】また、上記カーボン繊維強化プラスチック
を多数のカーボン繊維と同各カーボン繊維の間に積層さ
れたプラスチックとで構成し、上記各カーボン繊維の配
列ピッチおよび配設傾斜角ならびに上記プラスチックの
材質の選択により、上記剛性棒の剛性を所定値に設定し
て課題解決の手段としている。
【0011】本発明の風洞実験用模型では、上記カーボ
ン繊維強化プラスチック(複合材)が、そのプラスチッ
クの含有成分の配合比やカーボン繊維の積層形態(積層
数,繊維のピッチ,配設傾斜角など)の調整により、曲
げ剛性(E・I),ねじれ剛性(G・J)を所定の値に
調整する際の、弾性係数(E,G)だけでなく断面定数
(I,J)を変化させることができるため、剛性棒の大
きさ(断面形状)をある範囲で調整できるようになる。
剛性棒の断面が大きくなりすぎる場合には弾性係数を大
きくし、また断面が小さくなりすぎる場合には弾性係数
を小さくすることで断面の大きさを調整し、適当な大き
さの断面を有する剛性棒の製作が可能になる。
【0012】従来の剛性棒は図6のように本体01Aで水
平の曲げとねじれ剛性を合わせ鉛直の不足する曲げ剛性
をフィン02で補っていたが、本発明はカーボン繊維強化
プラスチックで剛性棒を構成したことにより、鉛直・水
平曲げおよびねじれ剛性の3つを同時に合わせることが
可能となり、従来例のようにフィン02を付ける必要がな
く、剛性棒をシンプルな構造にできて製作の工程が減
り、さらに突起物がないため外形材の取付けが簡単にな
る。
【0013】さらに鉄やアルミニウム等の金属材料に比
べ比重が小さいため重量面で有利である。なお弾性係数
および断面定数を調整できることは、実験により確認さ
れている。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施形
態について説明すると、図1(a)〜(c)はその第1実施
形態としての風洞実験用模型の剛性棒を示し、図2(a)
〜(c)はその第2実施形態としての風洞実験用模型の剛
性棒を示し、図3(a)〜(c)はその第3実施形態として
の風洞実験用模型の剛性棒を示すものである。また図4
(a)はその剛性棒の斜視図、同(b)は同平面図である。
【0015】図1(a)〜(c)は、第1実施形態としての
風洞実験用模型の剛性棒10Aを示しており、この剛性棒
10Aも風洞による動的応答実験用模型の一部を構成する
もので、同模型の振動モードを実物に相似させるために
設けられている。
【0016】そして、この第1実施形態の風洞実験用模
型では、その剛性棒10Aが、カーボン繊維強化プラスチ
ック(CFRP)(プラスチックとは「可塑性を有する
合成高分子化合物」をいう)で実物の振動モードを再現
可能な弾性体として形成されている。
【0017】すなわち、剛性棒10Aの長さ方向に、水平
方向にaのピッチで多数のカーボン繊維4aが、また鉛
直方向にbのピッチで多数のカーボン繊維4bがそれぞ
れ配設され、さらに各カーボン繊維4a,4bの間にプ
ラスチック3が積層されて、剛性棒10Aが構成されてい
る。
【0018】上述の構成において、カーボン繊維4a,
4bの各ピッチa,bを調整することおよびプラスチッ
ク3の含有成分を調整することで、剛性棒10Aの水平方
向の曲げ剛性と鉛直方向の曲げ剛性とを、同時に所定の
剛性値(振動モード)に合わせることができる。
【0019】図2(a)〜(c)に示した第2実施形態の風
洞実験用模型の剛性棒10Bも風洞による動的応答実験用
模型の一部を構成するもので、CFRPで形成されてい
る。すなわち剛性棒10Bの長さ方向と直角方向に、長手
方向にピッチcでかつ長さ方向に対して配設傾斜角αで
多数のカーボン繊維14aが、また鉛直方向にピッチfで
多数のカーボン繊維14bがそれぞれ配設され、さらにカ
ーボン繊維14a,14bの間にプラスチック3が積層され
て、剛性棒10Bが構成されている。
【0020】上述の構成において、この第2実施形態の
ものでは、各カーボン繊維14a,14bの各ピッチc,f
および配設傾斜角αを調整すること、およびプラスチッ
ク3の含有成分を調整することで、剛性棒10Bの水平方
向および鉛直方向の曲げ剛性を同時に所定の振動モード
(剛性値)に設定することができる。
【0021】図3(a)〜(c)に示した第3実施形態の風
洞実験用模型の剛性棒10Cも同様のもので、この第3実
施形態では、上記の第1実施形態の剛性棒10Aにおける
繊維配列と第2実施形態の剛性棒10Bにおける繊維配列
とが組合わされている。
【0023】すなわち、図3(c)に示すように、鉛直方
向に6本の繊維が、上から1,3,5列目にカーボン繊
維4b、また2,4,6列目にカーボン繊維14bという
ようにカーボン繊維4bと14bとが交互に積層されてい
る。なおカーボン繊維4bおよびカーボン繊維14bがそ
れぞれ図1(a)〜(c)および図2(a)〜(c)に記載され
たピッチおよび配設傾斜角でそれぞれ配設されることは
いうまでもない。
【0024】このほか、図3(a),(b)に示すように、
カーボン繊維4aおよび14aがそれぞれピッチaおよび
ピッチc,配設傾斜角αで配設され、さらに各カーボン
繊維4a,4b,14a,14bの間にプラスチック3が積
層されて、この第3実施形態の剛性棒10Cが構成されて
いる。
【0025】そしてこの第3実施形態の風洞実験用模型
の剛性棒10Cでも、各カーボン繊維4a,4b,14a,
14bの各ピッチa,b,c,fおよび配設傾斜角αなら
びに強化プラスチック3の含有成分を調整することで、
水平方向および鉛直方向の各曲げ剛性ならびにねじれ剛
性を同時に所定の振動モード(剛性値)に設定すること
ができる。
【0026】上述の第1〜3の各実施形態のものでは、
剛性棒をカーボン繊維強化プラスチック(複合材)で構
成したことにより、プラスチックの成分の配合比や繊維
の積層数を調整して剛性棒の曲げ剛性(E・I)、ねじ
れ剛性(G・J)を所定の値に調整する際、弾性係数
(E,G)だけでなく断面定数(I,J)を変化させる
ことができるため、剛性棒の大きさ(断面形状)をある
範囲で調整することができる。つまり剛性棒の断面が大
きくなりすぎる場合には弾性係数を大きくし、また断面
が小さくなりすぎる場合には弾性係数を小さくすること
等で断面の大きさを調整し、適当な大きさの断面を有す
る剛性棒の製作が可能になる。
【0027】従来の剛性棒は図6のように本体01Aで水
平の曲げとねじれ剛性を合わせ、鉛直の不足する曲げ剛
性をフィン02で補っていたが、剛性棒をカーボン繊維強
化プラスチックで構成することにより、上述のとおり鉛
直・水平曲げおよびねじれ剛性の3つを同時に合わせる
ことが可能であるため、フィン02を付ける必要がなく、
図4に示すようなシンプルな構造とすることができ、製
作の工程が減り、さらに突起物がないため外形材の取付
けも簡単となる。
【0028】さらに、鉄やアルミニウム等の金属材料に
比べ比重が小さいため重量面で有利であるなどの利点が
得られる。
【0029】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の風洞実験
用模型によれば次のような効果ないし利点が得られる。 (1) 剛性棒の断面形状や大きさをある程度調整可能にな
ることから、従来では製作の困難であった小さな縮尺の
模型においても剛性棒が製作可能になる。また、剛性が
大きく重量の軽い模型についても適度な大きさの剛性棒
を設計できることから、重量のオーバーや外形材との隙
間がなくなる等の問題をなくすことができる。 (2) 剛性棒の断面にフィン等の突起物を付加する必要が
ないため、製作工程が減るとともに、模型組立て時にお
いても作業が簡単に行なえることからコストの低減が可
能となる。 (3) 鉄やアルミニウム等の金属材料に比べて比重が小さ
いため、重量面で有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a) 本発明の第1実施形態としての風洞実験
用模型の剛性棒の鉛直断面図[図1(c)のA−A矢視断
面図]。 (b) 同水平断面図[図1(c)のB−B矢視断面図]。 (c) 図1(a)のC−C矢視断面図。
【図2】(a) 本発明の第2実施形態としての風洞実験
用模型の剛性棒の鉛直断面図[図2(c)のD−D矢視断
面図]。 (b) 同水平断面図[図2(c)のE−E矢視断面図]。 (c) 図2(a)のF−F矢視断面図。
【図3】(a) 本発明の第3実施形態としての風洞実験
用模型の剛性棒の鉛直断面図[図3(c)のG−G矢視断
面図]。 (b) 同水平断面図[図3(c)のH−H矢視断面図]。 (c) 図3(a)のJ−J矢視断面図。
【図4】(a) 本発明の実施形態としての風洞実験用模
型の剛性棒の斜視図。 (b) 同平面図。
【図5】従来の風洞実験用模型の分解斜視図。
【図6】(a) 従来の風洞実験用模型の剛性棒の斜視
図。 (b) 同平面図。
【図7】振動モードの例を示すモード図。
【図8】従来の風洞実験用模型の剛性棒の横断面図。
【図9】風洞実験に用いる剛性棒と縮尺との関係の特性
図。
【符号の説明】
01 剛性棒 03 外形材 3 プラスチック 4a,4b カーボン繊維 10A,10B,10C 剛性棒 14a,14b カーボン繊維 a,b,c,f カーボン繊維の配列ピッチ α カーボン繊維の配設傾斜角

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 風洞による動的応答実験用模型におい
    て、幾何学的形状を実物と相似にするための外形材と、
    振動モードを実物と相似にするための剛性棒とをそな
    え、同剛性棒がカーボン繊維強化プラスチックで構成さ
    れていることを特徴とする、風洞実験用模型。
  2. 【請求項2】 上記カーボン繊維強化プラスチックが、
    多数のカーボン繊維と、同各カーボン繊維の間に積層さ
    れたプラスチックとで構成され、上記各カーボン繊維の
    配列ピッチおよび配設傾斜角ならびに上記プラスチック
    の材質の選択により、上記剛性棒の剛性が所定値に設定
    されていることを特徴とする、請求項1に記載の風洞実
    験用模型。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102507411A (zh) * 2011-10-27 2012-06-20 哈尔滨工业大学 基于金相照片和图像分析技术分析铝基多孔复合材料中微孔分布的方法
CN107389295A (zh) * 2017-09-13 2017-11-24 湖南大学 一种检测桥梁支座防风沙性能的实验装置
CN115638951A (zh) * 2022-12-05 2023-01-24 中国市政工程西南设计研究总院有限公司 一种桥上车辆全自由度移动风洞试验装置

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CN107389295B (zh) * 2017-09-13 2019-04-09 湖南大学 一种检测桥梁支座防风沙性能的实验装置
CN115638951A (zh) * 2022-12-05 2023-01-24 中国市政工程西南设计研究总院有限公司 一种桥上车辆全自由度移动风洞试验装置

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