昆虫羽ばたき飛行操縦性のマルチシステム強連成解析手法の開発

昆虫扑翼飞行机动性多系统强耦合分析方法的建立

• 批准号: 21J11321
• 负责人: 大西 南斗
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J11321/
• 关键词: 昆虫羽ばたき飛行; 操縦性; マルチシステム; 連成解析; 受動的キャンバー

昆虫羽ばたき飛行の高度な操縦性は，柔軟な翼運動，胴体運動およびそれらを制御する脳神経系により達成されていることが示唆されている．しかし，胴体の運動，さらには脳神経系も含めて，操縦性をまるごと解析可能な手法は存在しない．そこで本研究では昆虫羽ばたき飛行操縦性を複数のサブシステムの相互作用と考える分離型解法に対して，(a)翼サブシステムの高精度化，(b)脳神経系を模擬した制御サブシステムの導入を行い，(c)昆虫羽ばたき飛行操縦性に対するマルチシステム強連成解析手法を開発する．そして，本手法により昆虫羽ばたき飛行の高度な操縦性をまるごと解析し，その有効性を実証する．本年度は前年度に開発した昆虫羽ばたき翼に生じる特徴的な変形（フェザリング，キャンバリング）を考慮可能な数値計算フレームワークを用いて，翼の質量分布と特徴的な変形の関係について調査した．その結果，フェザリングおよびキャンバリングが空力性能を向上させることを明らかにした．さらに，翼の質量分布を変更するパラメトリックスタディを通じて，実際の昆虫羽ばたき翼が効率的な空力性能を得るために最適な質量分布であることを明らかにした．さらに前年度に開発した昆虫羽ばたき飛行操縦性の分離型解法に対して，制御を導入することで翼と胴体の相互作用を考慮できるように提案解法を改良した．開発した解法の基本的妥当性を示すと共に，翼運動の制御によって胴体に生じる回転の制御が可能であることを示した．研究発表に示す研究成果として9件の学会発表（国内学会：3件，国際学会：6件），受賞2件を得た．

有人认为，昆虫扑动飞行的高度机动性是通过灵活的翅膀运动、身体运动和控制它们的神经系统来实现的。然而，目前还没有一种方法可以完全分析机动性，包括躯干甚至颅神经系统的运动。因此，在本研究中，我们将引入（a）更高精度的机翼子系统，以及（b）引入模拟脑神经系统的控制子系统，与考虑昆虫机翼飞行机动性的单独求解方法相反(c) 开发昆虫扑翼飞行机动性的多系统强耦合分析方法。利用该方法，我们将充分分析昆虫扑翼飞行的先进机动性并论证其有效性。今年，我们使用前一年开发的数值计算框架研究了翅膀质量分布和特征变形之间的关系，该框架可以考虑拍动昆虫翅膀时发生的特征变形（羽化、拱形）。结果表明，顺桨和外倾可以改善空气动力性能。此外，通过改变翅膀质量分布的参数研究表明，实际扑动昆虫翅膀的质量分布对于实现高效的空气动力学性能是最佳的。此外，我们通过对前一年开发的昆虫扑翼飞行机动性的单独求解方法引入控制，改进了所提出的求解方法，以考虑翅膀和身体之间的相互作用。除了证明所开发的解决方法的基本有效性之外，我们还表明可以通过控制机翼运动来控制机身产生的旋转。从研究报告中显示的研究成果来看，共有9次会议报告（国内会议3次，国际会议6次），奖项2项。

项目成果

Computational Fluid-Structure Interaction Framework for Simulating Characteristic Deformations in Insect Flapping Wings

• DOI: 10.23967/coupled.2021.012
• 发表时间: 2021-07
• 期刊: 9th edition of the International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering
• 作者: M. Onishi;D. Ishihara

Passive motions and aerodynamic performance of insect's flapping wings simulated using the pixel wing model and the strong coupling method

像素翼模型和强耦合方法模拟昆虫扑翼被动运动及气动性能

• 发表时间: 2021
• 作者: Minato Onishi;Daisuke Ishihara
• 通讯作者: Daisuke Ishihara

ポリマー微細加工された昆虫規範型羽ばたき装置による微小翼の共振駆動

利用聚合物微加工制成的类昆虫扑动装置对微翼进行共振驱动

• 发表时间: 2022
• 作者: 石破和弥;末次亮太郎;木村元宣;大西南斗;石原大輔
• 通讯作者: 石原大輔

Flight performance evaluation of polymer micromachined flapping-wing nano air vehicle using fluid-structure interaction analysis

流固耦合聚合物微机械扑翼纳米飞行器飞行性能评估

• 发表时间: 2022
• 作者: Rashmikant;Daisuke Ishihara;Minato Onishi
• 通讯作者: Minato Onishi

Fluid-structure interaction model for passive motions in flapping insect wing

昆虫扑翼被动运动的流固耦合模型

• 发表时间: 2023
• 作者: Minato Onishi;Daisuke Ishihara
• 通讯作者: Daisuke Ishihara