Pipe Dispersion ver.1.0 マニュアル

2008 年 4 月

Copyright 2008 Nagoya Institute of Technology

Pipe Dispersion ver.1.0 マニュアル

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インストールの方法 本ソフトウェアは Windows2000 及び XP に対応しています． Vista は確認が取れておりません． インストーラー(Install_PipeDispersion1.00.exe)を起動して，指示に従ってください． 注１）本ソフトウェアは，Labview8.5 で開発されています．動作するためには，Labview8.5のランタイムエンジンが必要です．Labview8.5 がインストールされていない PC で動作す

る場合には，CD 中のランタイムエンジンもインストールしてください． 注２）インストール先のフォルダ（PipeDispersion1.00.exe があるフォルダ．たとえば

C:¥Program Files¥PipeDispersion）内でも，データの読み書きをします．このフォルダ

内でファイルを読み書きできるように利用権限を設定してください． 注３）画面は 1024x768 ピクセル以上でお使いください． 評価版での制限事項 ・ 新規の計算ができません．サンプルデータをご利用ください． ・ 振動分布が半周期分のみの表示となるため，なめらかな表示になりません． ・ 振動分布の jpeg ファイルを出力できません．

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１．Pipe Dispersion の簡単な使い方

１．立ち上げると，以下のような画面になります．まず，データフォルダを選択してくだ

さい．データフォルダは，すでに計算したデータが格納されているフォルダまたはこ

れから計算するデータを格納するフォルダになります．

注）計算を開始すると，にこのフォルダの既存ファイルは削除されます． ２．データフォルダ内のデータを読み込むのであれば，「データファイルの読み込み」ボタ

ンを，計算パラメータを変更するのであれば，「パラメータ表示モード」から「パラメ

ータ入力モード」に変更してください．

３．パラメータをセットしたら，「計算開始」ボタンで計算が始まります．計算が開始する

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と DOS 窓が現れます．デフォルトのパラメータでは，計算は 4 秒ほど（Intel CPU 1.2GHz, 1.5GB RAM の場合）で終わります．計算が終了したら，Enter を押して，

Dos 窓を閉じてください．

４．「データファイルの読み込み」ボタンを押すと，下のような画面が表示されます．カー

ソルを動かすと選択しているモードについての情報が表示されます．（表示画面が見や

すいように，下図ではラインサイズを３に変更しています．）

５．「選択点の振動形態の可視化」ボタンを押すと，カーソル点のモードの振動形態が表示

されます（下図）．表面カラーを管厚方向に設定し，倍率，表示サイズ等を変更した画

面が下図になります．メイン画面に戻るには，必ず「戻る」ボタンを押してください．

「Wave Structure」ウィンドウがアクティブな状態では，メイン画面の操作は出来ま

せん．

カーソル

選択点情報

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６．Pipe Dispersion ver.1.0 における計算では，管厚方向に円筒層状の要素に分割して計算

しています．管厚方向に等間隔で分割しますが，それぞれの円筒層要素には，任意の

材料定数を入力することができます．メイン画面状の「積層」タブを選択し，「材料デ

ータの作成・読み込み」ボタンを押すと，各層要素に割り当てる材料パラメータ入力

画面になります．

７．それぞれの層に割り当てる材料を定義します．①材料数を入力 ②材料の定義 ③

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各要素（層）への材料の割り当て ④ファイルの保存 ⑤メイン画面へ「戻る」

８．「戻る」でメイン画面へ戻ると，材料データファイルが表示されています．この状態で

「計算開始」をすると，先ほど設定した層状に材料が変化する配管に対して計算する

ことができます．ここで要素数を変更すると，材料データは作成しなおす必要があり

ます．

① ②

③ ④

⑤

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2．各画面の詳細説明 2-1 「メイン」画面の詳細説明

① 分散曲線グラフ：横軸は常に周波数(kHz)です．縦軸は「縦軸設定」ボタンで変更可能

です． ② グラフの表示設定ボタン：拡大・縮小・移動などができます．拡大縮小などは，グラ

フ軸の数値を変更することでも可能です． ③ カーソル点情報：曲線が重なる場合は，拡大してカーソルを移動させてください． ④ カーソル選択点の振動形態の可視化ボタン：選択点の振動形態（振動分布）のアニメ

ーションを表示します． ⑤ グラフの縦軸変更ボタン：縦軸の設定を位相速度，群速度，波長，波数（実部），波数

（虚部）に設定できます． ⑥ パラメータ入力・表示モード変更ボタン：パラメータを変更する際は，入力モードに

変更してください． ⑦ 音速入力タブ：縦波・横波音速を入力して設定することができます．「材料選択」から

サンプルデータを選択することも可能です．サンプルデータは自由に編集可能です（デー

タについての項参照）． ⑧ 各種パラメータ入力領域：入力モードの際には，パラメータを変更できます． ・ 要素数：求める計算精度に応じて変化させてください．必要な要素数は，計算で得ら

れるガイド波の管厚方向振動分布の複雑さによって決定します．通常，高周波ほど多

くの要素数が必要なので，高周波帯で要素数を変化させて計算させ，値に変化がなけ

れば十分な精度で計算できているといえます．詳しくは別紙「半解析的有限要素法に

よる分散曲線の計算とガイド波理論について」を参照してください． ・ 計算周波数点数：小さすぎると，モードごとの曲線の結合がうまくいかない可能性が

あります．逆に大きいと計算時間が大きくなります． ・ 最小・最大周波数：計算は，{(最大周波数)-(最小周波数)}/(計算点数)x i （i=1,2....計算

点数）となる周波数で逐次計算を行っています．計算には最小周波数を含みません． ・ 円周方向次数 n：軸対称モードは，この次数 n=0 で，円周方向の分布が複雑になるにつ

れて次数が上がります（後のページ参照）． ・ 汎用パイプ選択：汎用のパイプを選択することができます．初期状態では SGP 管（JIS

G 3452)のみ表示します．データを編集して，良く用いるパイプについて設定しておく

ことも可能です(データについての項参照）． ・ 収録モード：データを保存するモードを選択します．通常，検査には伝播モードのみ

を使いますが，研究用に非伝播モードを含むすべてのモードを収録できるようにして

あります． ・ データフォルダ：分散曲線データや振動形態データ，材料データなどを保存する作業

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フォルダです．作業開始時に指定してください． ⑨ 表示モード選択領域：表示するモードをチェックボタンなどで選択できます．特定モ

ードのみの表示や追加，削除も可能です．モード選択で現れる n, m などの記号は後のモー

ド名称についての説明を参照してください．

2-2 「Wave Structure」（振動形態）表示画面の詳細説明

① 表示している振動形態のモード情報：メイン画面のカーソル点情報と同じです． ② 振動形態表示画面：振動形態を１周期３２フレームで連続表示します．白い表示画面

上でマウスを一回クリックし，マウスの真ん中スクロールホイールを回すと，画面の拡大

縮小ができます．ドラッグで画像が回転します． ③ 表示制御領域：表示に関する各種パラメータを変更します． ・ パイプ表面：斜めから見たパイプの外表面の振動形態を示します． ・ r-theta 断面：パイプの r-θ断面を表示します． ・ r-z 断面：θ=0 における r-z 断面を表示します． ・ 伝播方向分割数：デフォルトは波長を８等分するだけの分割数に設定してあります．

この分割数が少なすぎると，波動伝播が正確に表現されません． ・ 円周方向分割数：デフォルトは３２ですが，表示するモードによっては十分な値では

ないことがあります．モード次数 n の８倍程度が妥当な値です． ・ 管厚方向分割数：デフォルトは２ですが，表示するモードによっては十分な値ではな

①

②

⑤ ④ ③

⑥

⑦ ⑧

⑨

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いことがあります．モード次数 m に依存します． ・ 伝播方向表示長さ：管厚の３倍がデフォルト値ですが，要素分割数が 2000 を超えると

自動的に短く表示し，要素数を減らすようになっています．適宜，長さを調整してく

ださい． ・ 倍率：大きくすると，表示されている変位値が大きくなります． ・ カラー制御値：表示されているカラーのスペクトル分布やグレースケールを決定しま

す．大きいほど薄く，小さいほど濃い表示になります． ・ 円周方向正負：非軸対称モードの場合，モード次数 n の正負によって回転方向が決ま

ります．正負それぞれの表示と，正のモードと負のモードが等分で重ね合わされた時

の分布を表示できます． ・ 表面カラー：表面カラーが示す振動方向を決定します．またカラーやグレーなどの表

示も選択できます． ④ ファイル制御領域：表示の画面を保存することができます．ボタンを押すと指定のフ

ォルダに３２個の jpeg ファイルが 自動的に保存されます．それを用いて，専用のソフトウ

ェアを用いれば AVI 動画などを作成することも可能です．（参考：AVI maker，http://yamatabi.que.ne.jp/soft/avimk/）

①

②

④

③

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2-3 「材料データ入力」画面の詳細説明

① 要素情報領域：要素数，材料数を変更でき，それぞれの要素に材料を割り当てます． ・ 要素数：デフォルトはメイン画面で入力した要素数です．変更してメイン画面に戻る

とメイン画面の要素数も変更されています． ・ 材料数：要素に与える材料の種類の数です． ・ 材料番号入力：要素ごとに材料番号を与えて，積層パイプを定義します．上から内径

側となります． ② 材料定義領域：材料数分の材料データを割り当てることができます． ・ 材料番号：割り当てる材料の番号を選択します． ・ 材料サンプル：材料定数を与えやすいように，サンプルが与えられています．音速入

力だけ行うものや，材料定数 C を直接入力するものなどがあります．下のピクチャー

に選択したサンプルの C マトリックスの形式が表示されます．CLは縦波音速，CTは横

波音速です． ・ C, C'：C には材料定数を直接入力することができます．C'は xz 面に広げた薄板を y 軸

（厚み方向）についてθだけ回転させた材料定数を示します（そのような層状材料をパ

イプに巻きつけたと考えます）．ガイド波の分散曲線を求める計算では，一方向強化材

を 0°または 90°（180,270,360°など）に回転させた場合は有効ですが，その他の角

度の場合は不適切です．基本的にガイド波の分散曲線は z 方向（ガイド波伝播方向）に

一様であることが前提の計算ですので，z 方向に変化するような C,C'の設定にはしない

でください． ・ 材料番号表示：すべての材料が定義されていることを確認してください． ③ データ操作領域：データフォルダ内の材料データの読み書きをします． 材料データ保存：すべての材料が定義されている場合，材料データを保存できます．保存

先はデータフォルダで，保存ファイル名は材料データファイル名に表示されます．データ

を保存したら，「戻る」ボタンでメイン画面に戻って，積層パイプで計算することができま

す． ・ 材料データ読み込み：保存されているデータを読み込みます．読み込みフォルダは表

示されているデータフォルダです．材料データは必ずデータフォルダ内に置いてくだ

さい．

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３． Pipe Dispersion 中で使用されるデータ 3-1 velocities.dat

インストール先フォルダ（たとえば，C:¥Program Files¥PipeDispersion）内に

velocities.dat というファイルがあります．デフォルトは以下のテキストデータが保存され

ています． これはメイン画面の「均質等方性」タブ内の「材料選択」で用いているデータになりま

す．１行目に材料名，２行目にその材料の縦波音速と横波音速が示され，その間はタブで

仕切られています．このデータを編集して，頻繁に用いる材料のデータを作成していただ

くことも可能です．材料数は任意ですが，データは velocities.dat という名前で，インスト

ール先フォルダに保存してください．

① ②

③

鉄鋼

5800 3200

アルミニウム

6260 3000

銅

4700 2260

アクリル

2620 1360

ステンレス

6044 3095

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3-2 pipe_data.dat

インストール先フォルダ（たとえば，C:¥Program Files¥PipeDispersion）内に

pipe_data.dat というファイルがあります．デフォルトは以下のテキストデータが保存され

ています． SGP 6A, 1/8B

10.5 2.0 5800 3200

SGP 8A, 1/4B

13.8 2.3 5800 3200

SGP 10A, 3/8B

17.3 2.3 5800 3200

SGP 15A, 1/2B

21.7 2.8 5800 3200

216.3 5.8 5800 3200

SGP 225A, 9B

241.8 6.2 5800 3200

SGP 250A, 10B

267.4 6.6 5800 3200

...............

...............

これは JIS G 3452 に示される SGP 管のデータで，メイン画面の「汎用パイプ選択」に用い

ています．１行目にパイプ名称，２行目にそのパイプの外形と管厚，縦波音速，横波音速

が示され，それらの間はタブで仕切られています．このデータを編集して，頻繁に用いる

パイプのデータを作成していただくことも可能です．パイプ数は任意ですが，データは

pipe_data.dat という名前で，インストール先フォルダに保存してください． 3-3 pipe_data.dat

インストール先フォルダ（たとえば， C:¥Program Files¥PipeDispersion ）内に

pipe_data.dat というファイルがあります．デフォルトは以下のテキストデータが保存され

ています． 3-4 input.dat

計算開始と同時に，メイン画面で指定したデータフォルダに保存されるデータです．#で始

まる行はコメント行，次の行がデータになります． # Problem Number， 51：均質パイプ，52：積層パイプ

51

# 要素数

4

# 計算周波数点数

100

# 計算する周波数帯の最小値(Hz)

0.000000E+0

# 計算する周波数帯の最大値(Hz)

100.000000E+3

# 管厚(m)

1.000000E-3

# 収録モード, 0:伝播モードのみ, 1:すべてのモード（非伝播モードも含む）

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0

# 縦波・横波音速(m/s)

5.800000E+3 3.200000E+3

# パイプ外径(m)

100.000000E-3

# 計算する円周方向モード次数範囲

0 4

3-5 material_PipeXX.dat

「材料データ入力」画面で保存されるデータファイル名です．material_Pipe.dat が存在す

る場合，上書き保存しないように material_Pipe1.dat，material_Pipe2.dat，...という名前

で保存します． #で始まる行がコメント行です．計算に用いられるのは，２番目のデータ（# For Pipe:

LayerNum. MaterialNum. C11 C12 C13 C22 C23 C33 C44 C55 C66 dens の段落）で，残

りは参照データです．

３段目の#材料サンプルの数値は「材料データ入力」画面の「材料サンプル」で選んだ指

標です．上から 0,1,2...となります（たとえば，５は鉄鋼）．

４段目の# C(材料ごと）は６行６列の材料定数 C'の数値が材料数分記録されています．

# 要素数 材料数

4 2

# For Pipe: LayerNum. MaterialNum. C11 C12 C13 C22 C23 C33 C44 C55 C66 dens.

1 1 1.058E+11 5.458E+10 5.458E+10 1.058E+11 5.458E+10 1.058E+11 2.561E+10 2.561E+10 2.561E+10 2.700E+3

2 1 1.058E+11 5.458E+10 5.458E+10 1.058E+11 5.458E+10 1.058E+11 2.561E+10 2.561E+10 2.561E+10 2.700E+3

3 1 1.058E+11 5.458E+10 5.458E+10 1.058E+11 5.458E+10 1.058E+11 2.561E+10 2.561E+10 2.561E+10 2.700E+3

4 2 2.644E+11 1.034E+11 1.034E+11 2.644E+11 1.034E+11 2.644E+11 8.049E+10 8.049E+10 8.049E+10 7.860E+3

# 材料サンプル(材料ごと）

6 5

# C(材料ごと）

1.0580652E+11 5.4579960E+10 5.4579960E+10 0.0000000E+0 0.0000000E+0

0.0000000E+0

5.4579960E+10 1.0580652E+11 5.4579960E+10 0.0000000E+0 0.0000000E+0

0.0000000E+0

5.4579960E+10 5.4579960E+10 1.0580652E+11 0.0000000E+0 0.0000000E+0

0.0000000E+0

0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 2.5613280E+10 0.0000000E+0

0.0000000E+0

0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 2.5613280E+10

0.0000000E+0

0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0

2.5613280E+10

2.6441040E+11 1.0343760E+11 1.0343760E+11 0.0000000E+0 0.0000000E+0

0.0000000E+0

1.0343760E+11 2.6441040E+11 1.0343760E+11 0.0000000E+0 0.0000000E+0

0.0000000E+0

1.0343760E+11 1.0343760E+11 2.6441040E+11 0.0000000E+0 0.0000000E+0

0.0000000E+0

0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 8.0486400E+10 0.0000000E+0

0.0000000E+0

0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 8.0486400E+10

0.0000000E+0

0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0 0.0000000E+0

8.0486400E+10

# theta(材料ごと）

0.000 0.000

積層パイプの場合

# 材料データファイル名

material_PipeXX.dat

となります.

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# 密度(材料ごと）

2700.000 7860.000

# 縦波音速(材料ごと）

6260.000 5800.000

# 横波音速(材料ごと）

3080.000 3200.000

3-6 Error_log.dat

計算を実行しているときに起こったエラーを追跡するのに使います．計算時にエラーが発

生したら，このファイルをサポートまでお送りください． 3-7 0,1,2,3 などのフォルダ

フォルダ名は円周方向モード次数 n に対応しています．中にモードごとのデータファイル

が格納されています． 3-8 モード名.dat (L(0,1).dat, F(1,1).dat, T(0,1).dat など）

周波数[Hz], 波数の実部[1/m], 波数の虚部[1/m], 位相速度[m/s], 群速度[m/s]のデータを

周波数の高い方から順に記録しています．メイン画面で「収録データ」として「伝播モー

ドのみ」を選択すると，波数の虚部がゼロでない値は記録されません．すべての周波数ス

テップにおいて波数の虚部がゼロでない非伝播モードの場合，ファイルが作成されません．

「すべてのモード」を選択すると，すべてのデータが収録されます．非伝播モードの位相

速度は NaN で表わされ，群速度は 0.000000E+00 で表わされます． モード名称についての詳しい説明は別紙「半解析的有限要素法による分散曲線の計算と

ガイド波理論について」を参照してください． Freq.[Hz], Wavenum.(Re)[1/m], Wavenum.(Im)[1/m], PhaseVel.[m/s], GroupVel.[m/s]

0.100000E+06 0.654039E+03 0.000000E+00 0.960675E+03 0.175704E+04

0.990000E+05 0.650455E+03 0.000000E+00 0.956309E+03 0.174912E+04

0.980000E+05 0.646854E+03 0.000000E+00 0.951918E+03 0.174113E+04

0.970000E+05 0.643237E+03 0.000000E+00 0.947503E+03 0.173306E+04

0.960000E+05 0.639603E+03 0.000000E+00 0.943063E+03 0.172491E+04

0.950000E+05 0.635952E+03 0.000000E+00 0.938597E+03 0.171669E+04

0.940000E+05 0.632283E+03 0.000000E+00 0.934106E+03 0.170838E+04

0.930000E+05 0.628596E+03 0.000000E+00 0.929590E+03 0.170000E+04

0.920000E+05 0.624891E+03 0.000000E+00 0.925047E+03 0.169153E+04

0.910000E+05 0.621167E+03 0.000000E+00 0.920477E+03 0.168298E+04

0.900000E+05 0.617424E+03 0.000000E+00 0.915881E+03 0.167434E+04

0.890000E+05 0.613661E+03 0.000000E+00 0.911258E+03 0.166561E+04

0.880000E+05 0.609879E+03 0.000000E+00 0.906607E+03 0.165679E+04

0.870000E+05 0.606076E+03 0.000000E+00 0.901928E+03 0.164788E+04

0.860000E+05 0.602253E+03 0.000000E+00 0.897221E+03 0.163887E+04

......................

......................

3-9 WaveStructure_モード名.dat

表示のモード名に対する振動形態データが保存されています．θ=z=0 における層状要素の

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節点における変位データです．正規化されているので，絶対値は意味がありません．これ

にθ方向の振動分布 exp(inθ)，z 方向の振動分布 exp(ikz)，時間項 exp(-iωt)をかけて，

WaveStructure 画面の振動形態アニメーションを作っています．

データは次の順の構成となっています．

周波数ステップ番号，{節 1 の r 方向振動変位の実部，節 1 の r 方向振動変位の虚部，節 1のθ方向振動変位の実部，節 1 のθ方向振動変位の虚部，節 1 の z 方向振動変位の実部，節 1の z 方向振動変位の虚部}，{節２についても同じ}，{節３｝，{節４｝，．．．．

100 0.000 -0.435 0.000 0.000 0.135 0.000 0.000 -0.440 0.000 0.000

0.068 0.000 0.000 -0.442 0.000 0.000 0.004 0.000 0.000 -0.439 0.000

0.000 -0.059 0.000 0.000 -0.432 0.000 0.000 -0.126 0.000

99 0.000 -0.435 0.000 0.000 0.135 0.000 0.000 -0.440 0.000 0.000

0.068 0.000 0.000 -0.442 0.000 0.000 0.004 0.000 0.000 -0.439 0.000

0.000 -0.059 0.000 0.000 -0.432 0.000 0.000 -0.126 0.000

98 0.000 -0.435 0.000 0.000 0.134 0.000 0.000 -0.440 0.000 0.000

0.067 0.000 0.000 -0.442 0.000 0.000 0.004 0.000 0.000 -0.439 0.000

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