流体・構造・制御の異分野融合による可変翼モデリング法の確立

融合流体、结构、控制等不同领域建立可变叶片建模方法

基本信息

批准号：
17J01913
负责人：
大塚啓介
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：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

次世代航空機は飛行中に折り畳み展開する可変翼の搭載が期待されている．この可変翼の設計開発に必須となる「構造空力連成モデリング法の確立」に向け，以下の３項目に取り組んだ．（１）構造モデルの三次元化・高効率化：絶対節点座標法（ANCF）に基づいた新たな３次元梁要素を開発し，従来困難であった可変挙動・柔軟変形する翼の三次元構造モデリング・シミュレーションを可能とした．ANCFは全体座標で表現されたベクトルのみを変数とし，大変形・大移動する構造物をモデリングできる手法である．しかし，大半の構造物で非支配的となる梁断面の伸縮やせん断を強制的に考慮してしまうため，計算が発散しやすい上に，航空機翼のような複雑断面構造物には適用できないという問題があった．本研究では，ジョイント拘束を取り扱うマルチボディダイナミクス理論を導入し，これら非支配的な断面変形を拘束することで，３次元ANCF梁要素を航空機翼に適用できるように拡張した．（２）空力モデルの高精度化：昨年度までは，初期検討として流体の三次元効果を無視する二次元空力モデルを使用していた．しかし，折り畳み展開する可変翼はスパンが大きく変化するので，流れの三次元効果は無視できなくなることが昨年度の風洞実験で判明した．今回，流れの三次元効果を考慮した三次元空力モデルを提案する構造モデルと連成させることに成功し，シミュレーションと実験はより良好な一致を示した．（３）風洞内変形実験の高精度測定：構築したモデルの精度を実証するために，東北大学・流体科学研究所で可変翼の展開実験を行った．可変翼実験装置の展開機構を電動化することで，よりバラツキの小さい実験データの取得に成功した．さらに，近距離高精度レーザー変位計を導入し，昨年度から使用していた高速度カメラと合わせることで，可変翼の大きな剛体運動と弾性変形を高精度で捉えることが可能となった．

下一代飞机预计将配备可在飞行过程中折叠和展开的可变机翼。为了“建立结构-气动耦合建模方法”，我们进行了以下三项工作，这对于这种可变翼的设计和开发至关重要。（1）3D高效结构模型：我们基于绝对节点坐标法（ANCF）开发了一种新的3D梁单元，以创建具有可变行为和灵活变形的3D机翼结构，这使得建模和仿真变得困难。可能的。 ANCF是一种仅使用全局坐标表示的向量作为变量的方法，可以对经历大变形和大运动的结构进行建模。然而，由于它强行考虑了梁截面的膨胀、收缩和剪切，而这些在大多数结构中并不占主导地位，因此计算容易出现发散，并且不能应用于飞机机翼等具有复杂截面的结构有问题。在本研究中，我们通过引入处理关节约束并约束这些非主导横截面变形的多体动力学理论，扩展了三维 ANCF 梁单元，使其可以应用于飞机机翼。（2）提高气动模型的精度：直到去年，人们还初步研究了忽略流体三维效应的二维气动模型。然而，去年的风洞实验表明，折叠和展开的可变机翼的翼展变化很大，因此流动的三维效应不容忽视。这次，我们成功地将考虑三维流动效应的三维空气动力学模型与所提出的结构模型耦合起来，并且仿真和实验表现出了更好的一致性。（3）风洞变形实验的高精度测量：为了验证所构建模型的准确性，我们在东北大学流体科学研究所进行了变翼展开实验。通过对可变翼实验装置的展开机构进行电气化，我们成功地获得了变化较小的实验数据。此外，通过引进短程高精度激光位移计，并与去年开始使用的高速相机相结合，可以捕捉变量的大刚体运动和弹性变形。机翼精度高。