複合材航空機主翼の空力・構造・破壊解析統合と非線形非定常性を考慮した設計法の確立

集成复合材料飞机机翼气动、结构和断裂分析，建立考虑非线性非定常的设计方法

• 批准号: 22KJ0229
• 负责人: 伊達 周吾
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tohoku University
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0229/
• 关键词: 炭素繊維強化プラスチック; 流体構造連成問題; マルチフィジックス解析; マルチスケール解析; 寸法最適化

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製航空機に特有の設計手法の確立に向けて，数値計算によるCFRP製主翼設計の枠組みを構築し，解析結果について議論した．解析の枠組みを以下の三つの要素により構築した：A）流体と構造の双方向連成解析：B）マルチスケール解析を用いた材料強度と剛性の推算：C）多目的最適化による翼形状の設計．Aについて，流体と構造の双方向連成解析を導入し，静的つり合い時における空気力を基準とした翼構造設計を行った．剛体の翼を仮定した一方向連成解析が予測する空気力と比べ，双方向連成解析が予測する空気力は，約２５％小さいことを示した．翼内部構造の設計は，負荷される空気力に大きく影響を受けるため，翼設計における双方向連成解析の有用性を示したと言える．Bについて，ばね要素モデルや微視的有限要素解析による材料強度の予測を導入し，複合材料特有の破壊モードである繊維破断や局所座屈，亀裂の発生による強度を予測した．繊維選択による剛性と強度の変化を翼設計に組み込むことで，既存の航空機に未適用の繊維が翼の軽量化に寄与する効果を定量的に推算できることを示した．また，従来の繊維と比べて高剛性・高強度な繊維を使用することで，座屈強度や引張強度は増加するが，圧縮強度は同等か減少することが確認された．その結果，座屈強度と圧縮強度の傾向が異なることで，翼上面の破壊モードにも変化が生じることが示された．Cについて，遺伝的アルゴリズムを導入し，翼形状の最適化を行った．アスペクト比の大きい翼は抗力係数が低いものの構造重量が増加する傾向にあることを定量的に示した．また，翼形状によって翼構造の破壊モードが変化することを示した．このように，数値計算によるCFRP製主翼設計の枠組みを構築し，設計結果の議論を行った．枠組み内の流体・構造ソルバーの拡張を行い，非線形・非定常性を考慮した設計手法の確立を目指す．

为了建立针对碳纤维增强塑料（CFRP）飞机的设计方法，我们利用数值计算构建了CFRP主翼的设计框架，并对分析结果进行了讨论。分析框架使用以下三个要素构建：A) 流体和结构的双向耦合分析：B) 使用多尺度分析估计材料强度和刚度：C) 使用多目标优化设计翼型形状．对于A，我们引入了流体和结构的双向耦合分析，并基于静平衡时的气动力设计了机翼结构。结果表明，假设刚性机翼，双向耦合分析预测的气动力比单向耦合分析预测的气动力小约 25%。由于机翼内部结构的设计很大程度上受所施加的气动力的影响，可以说，这项研究证明了双向耦合分析在机翼设计中的有用性。对于B，我们引入了使用弹簧单元模型和微观有限元分析的材料强度预测，并预测了由于纤维断裂、局部屈曲和开裂等复合材料特有的失效模式而导致的强度。通过将纤维选择引起的刚度和强度变化纳入机翼设计中，我们已经证明，可以定量估计尚未应用于现有飞机的纤维对机翼减重的影响。还证实，通过使用比传统纤维具有更高刚度和强度的纤维，屈曲强度和拉伸强度增加，但压缩强度保持不变或下降。结果表明，由于屈曲强度和抗压强度趋势的差异，机翼上表面的破坏模式也会发生变化。对于C，引入遗传算法来优化机翼形状。定量表明，展弦比大的机翼阻力系数低，但结构重量趋于增加。研究还表明，机翼结构的失效模式根据机翼形状而变化。这样，我们构建了一个利用数值计算设计CFRP主翼的框架，并对设计结果进行了讨论。我们的目标是在框架内扩展流体/结构求解器，并建立考虑非线性和非稳定性的设计方法。