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．

有人提出，通过柔性的机翼运动，机身运动和控制它们的颅神经系统，可以实现昆虫拍打飞行的高度可操作性。但是，没有任何方法可以分析可操作性，包括机身甚至神经系统的运动。因此，在这项研究中，为了分开考虑将昆虫作为多个子系统之间相互作用飞行的能力的解决方案，我们（a）提高了机翼子系统的准确性，（b）引入了一个控制子系统，该系统模拟了脑神经系统，并且（c）开发一种多系统的coupter-strong coupl coupl coupled coupled couplened fly昆虫飞行。然后，该方法分析了昆虫拍打飞行的高级机动性，并证明了其有效性。今年，我们使用数值计算框架研究了机翼的质量分布与特征变形之间的关系，该框架使我们能够考虑上一年开发的特征变形（羽毛，弯腰）。结果，据揭示了羽毛和凹陷改善空气动力学性能。此外，通过改变机翼质量分布的参数研究，我们透露，实际的昆虫拍打的机翼是实现有效空气动力学性能的最佳质量分布。此外，改进了提出的解决方案，以允许上一年开发的昆虫拍打飞行可操作性的分离型解决方案，以通过引入控制来考虑机翼和机身之间的相互作用。它显示了开发的解决方案的基本有效性，并表明可以通过控制机翼运动来控制机身中发生的旋转。研究演讲中显示的研究结果是九次会议演讲（3次国内会议，6次国际会议）和两个奖项。

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

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

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

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