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振動解析ツール

固有値・振動解析インタラクティブシミュレーター

多自由度バネ-質量系の固有振動数・モード形状を計算し、アニメーションで可視化。周波数応答関数(FRF)のリアルタイム描画と共振警告機能付き。

システム定義
自由度数 N :
質量 m₁…mₙ (kg)
バネ定数 k₁…kₙ₊₁ (N/m)  — k₁:左端地盤バネ kₙ₊₁:右端地盤バネ 中間:質量間バネ
減衰比 ζ 0.020
モード形状アニメーション
アニメーション上の質量ブロックをクリックしてモードを切替
0.000 s
固有値計算結果
モード f_n (Hz) ω_n (rad/s) T (s)
モード形状 — 固有ベクトル成分
モード比較保存
0 / 5 件
周波数応答関数(FRF)
5.0 Hz
理論背景

固有値問題の定式化

N自由度バネ-質量系の運動方程式は $M\ddot{x} + Kx = 0$ で表されます。$x = \phi e^{i\omega t}$ を代入すると固有値問題 $(K - \omega^2 M)\phi = 0$ が得られます。$M^{-1/2}KM^{-1/2}$ に変換して対称標準固有値問題とし、Jacobi反復法で全固有値・固有ベクトルを求めます。

剛性マトリクスの構造

K[i][i] = k[i] + k[i+1]
K[i][i±1] = −k[i+1]

両端の地盤バネ k₁, kₙ₊₁ が境界条件を決定します。両端を 0 にすると自由-自由系(剛体モード含む)、大きな値にすると固定端に近い系になります。

周波数応答関数(FRF)

モーダル重ね合わせ法により次式で計算します:
$H_{ij}(\omega) = \sum_{r=1}^{N} \dfrac{\phi_r(i)\,\phi_r(j)}{\omega_r^2 - \omega^2 + 2i\zeta\omega_r\omega}$
グラフは $20\log_{10}|H|$(dB)で表示し、各固有振動数で共振ピークが現れます。

モード形状の正規化と共振警告

各固有ベクトルは最大絶対値成分が ±1 になるよう正規化しています。加振周波数スライダーを動かすと、固有振動数との差が ±10% 以内に入ったとき共振警告バナーが表示されます。設計段階でのデチューニング検討にご活用ください。

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計算例

計算例:3自由度バネ-質量系の固有振動解析

m₁ = m₂ = m₃ = 1 kg、k₁ = k₂ = k₃ = k₄ = 1000 N/m(地盤バネ含む)の3DOF系:

減衰比 ζ = 0.05 での共振倍率(Q値)≈ 1/(2ζ) = 10。加振周波数を各 f_n に合わせると大振幅応答が発生します。

設計基準:ISO 10816(回転機械の振動評価)、ISO 2631(人体全身振動)。建築では 1/200 以下の揺れ角が居住性基準。