2015 Fiscal Year Research-status Report
空力性能を向上させるモーフィング羽ばたき翼構造システムの開発
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15K18284
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
永井 弘人 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50510674)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 羽ばたき翼 / モーフィング / MAV / ドローン / 空力弾性 / 変形 / コルゲート構造 / 昆虫 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超小型ドローンとしての羽ばたき機の性能向上を達成するため、本研究は羽ばたき翼の形状を常に最適に変形させるモーフィング羽ばたき翼を提案し、それを軽量かつ簡単な構造で達成させるシステムの開発を目的としている。その目的を達成するために、本研究では羽ばたき駆動方式と翼の弾性変形の両者を効果的に利用することで、高効率かつ簡単軽量な構造システムを目指す。多くの変数に支配される羽ばたき翼の設計には数値解析技術が必須であり、平成２７年度では、モーフィング羽ばたき翼の流体／構造連成解析コードの開発を行い、以下の研究を行った。
１）翼の構造異方性を利用したモーフィング羽ばたき翼
翼の断面形状に波板（コルゲート形状）を採用することで、翼のスパン方向とコード方向の剛性に異方性を持たせ、それにより変形状態を制御する方法を提案し、その基本性能を数値解析により明らかにした。解析結果より、波板構造は翼の軽量化およびパワー消費量の低下に大きく寄与すること、また、適切な剛性比の異方性を持つ波板構造にすることで、２つの運動で構成される羽ばたき運動のうち、１方向の運動入力だけでも効率の良い羽ばたき運動が実現できることが明らかとなった。
２）翼の構造非線形性を利用したモーフィング羽ばたき翼
翼を構成する膜の大変形に伴う剛性変化の非線形性を利用することで、最適なモーフィング状態を達成する翼構造について研究を行った。膜の板厚および拘束条件を変化させた解析を行い、その翼構造における基本的な設計指針を示した。また、実証模型を用いて推力測定実験を実施し、翼の性能評価および解析コードの検証・改善を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、簡単な機構で最適な翼の変形状態を達成するモーフィング羽ばたき翼構造システムを開発し、それにより羽ばたき翼の空力性能を向上させることを目的としている。それを達成するための本研究のアイデアとして、羽ばたき翼の駆動方式および翼の弾性変形を効果的に利用することを提案している。当初の研究計画として、（１）翼の弾性変形を利用したモーフィング構造システムの研究開発、（２）駆動機構によるモーフィング構造システムの研究開発、（３）翼の弾性変形および駆動機構の両方を利用したモーフィング構造システムの研究開発、を予定しており、平成２７年度は、（１）翼の弾性変形を利用したモーフィング構造システムの研究開発に重点をおいて研究を行った。本研究が提案する羽ばたき翼システムは、流体・構造・機構の３者が相互に連成した複雑な現象であり、その設計には数値解析が必須の技術である。平成２７年度は、流体／構造連成解析ツールを開発し、それを用いて、（１）翼の弾性変形を利用したモーフィグ構造システムの解析を行った。研究（１）は２つのアイデアから成り、（１－１）翼の断面形状によって変形状態を制御する方法、（１－２）膜の剛性変化の非線形性を利用した変形状態を制御する方法、の２方面から研究を進めた。両者の研究により、それぞれの翼の設計に対する基本的な設計指針を解析により明らかにした。研究（１－２）については模型実験による性能評価および解析コードの検証を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、（１）翼の弾性変形を利用したモーフィング構造システムの研究開発、（２）駆動機構によるモーフィング構造システムの研究開発、（３）翼の弾性変形および駆動機構の両方を利用したモーフィング構造システムの研究開発、を計画しており、平成２７年度では、研究（１）について実施した。平成２８年度では、引き続き研究（１）をさらに推進し、解析を進めると共に、実験による実証試験も進める。実験装置の設計・製作については、平成２７年度においても進められており、平成２８年度にその実験を実施する。平成２８年度は研究（２）により重点をおいて研究を行う。そのために、羽ばたき駆動機構も考慮した流体／機構連成解析ツールの開発を進め、その解析ツールを用いて駆動機構によるモーフィング構造システムの設計を行い、模型実験によるその実証を行う。平成２７年度では、大学院生２名が参加して研究を行っていたが、平成２８年度では大学院生３名の体制となり、より研究の拡充が期待できる。平成２９年度では、研究（１）と研究（２）の成果を融合させることで、より最適で軽量なモーフィング構造システムの研究開発を行う。
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| Causes of Carryover |
平成２７年度は、主に解析ツールの開発および解析による数値的設計に重点をおいて実施したため、実験装置の製作開発費に割り当てる金額が計画より少なくなった。また、研究体制に大学院生２名が参加したことにより、「人件費・謝金」が節約できた。他に、学生の海外出張旅費を「旅費」として計上していたが、学生の海外出張についての補助金を獲得できたため、その費用が節約できた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究体制を大学院生２名から３名に拡充し、研究の更なる推進を図るとともに、研究成果の積極的な公表を行う。また、平成２８年度では実験装置の製作・開発を実施する予定であり、その費用に割り当てられる。
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Research Products
(5 results)
