A Novel Lightweight Design and Manufacturing for Aircraft Wing Structure

一种新型飞机机翼结构轻量化设计与制造

基本信息

批准号：
22KJ0676
负责人：
河邉拓樹
金额：
$ 1.41万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

現在の航空機構造設計では、設計者が過去の経験や実績、他機例を参考に決定する構造線図に従って各部材の強度計算を行うため、新たな構造様式が生み出されにくい。また、今後は3Dプリンタのような自動製造技術がモノづくりの主流となることが予想されるが、対応する設計技術は確立されていない。そこで本研究では、バイオミメティクスに立脚した革新的な構造設計手法によって、従来の設計手法からの脱却を図り、現行の複合材機体に対して大幅な軽量化を実現する設計・製造基盤の構築を目的としている。昨年度、優れた構造特性を有するトンボの翅に着目し、翅脈を構成する第一翅脈・第二翅脈の概念的な特徴をそれぞれ構造最適化の一手法であるトポロジー最適化・数学的に定義される幾何学模様であるボロノイ分割によって補強部材の配置設計に適用する設計手法を提案した。提案手法を設計対象に適用したパラメトリックスタディによって軽量構造を得られることが示唆されたが、設計変数の多さから計算コストの増大が課題であり、その検討は設計変数を限定したパラメトリックスタディに留まっているため、設計変数の最適化が不十分であった。本年度では、計算コストの低減を図るため、機械学習によって設計解空間の構造応答を近似できるサロゲートモデルの導入に向けた準備を進めた。設計変数の選択やサロゲートモデルの生成についてより実践的な知見を得るため、大規模な航空宇宙構造に対してサロゲートモデルの導入実績を持つ海外研究機関を訪問し、高精度かつ計算コストの少ない最適化手法に対する理解を深めた。提案手法の最適化プロセスに応用すべく、定式化の改善を進めている。

在当前的飞机结构设计中，很难创造新的结构样式，因为设计者根据过去的经验、结果和其他飞机的例子确定的结构图来计算每个构件的强度。此外，虽然3D打印机等自动化制造技术有望成为未来制造业的主流，但相应的设计技术尚未建立。因此，这项研究的目的是通过采用基于仿生学的创新结构设计方法来摆脱传统的设计方法，并建立一个能够显着减轻当前复合材料机身重量的设计和制造平台。去年，我们关注了蜻蜓的翅膀，它具有优异的结构特性，并利用拓扑优化（结构优化的一种方法）分析了构成翼脉的第一和第二翼脉的概念特征，并从数学上定义了我们提出了一种设计方法，可应用于使用 Voronoi 分区（一种几何图案）的钢筋放置设计。有人建议通过参数化研究获得轻量化结构，并将该方法应用于设计对象，但问题是由于设计变量较多，计算成本会增加，研究受到限制因此，设计变量的优化是不够的。今年，为了降低计算成本，我们准备引入一种代理模型，可以使用机器学习来近似设计解决方案空间的结构响应。为了获得更多有关选择设计变量和生成替代模型的实用知识，我们访问了具有引入大型航空航天结构替代模型记录的国外研究机构，加深了对转换方法的理解。我们目前正在努力改进所提出方法的表述，以便将其应用于优化过程。