2022 Fiscal Year Annual Research Report
A Novel Lightweight Design and Manufacturing Method for Aircraft Wings
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21J22284
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
河邉 拓樹 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 補強外板構造 / トポロジー最適化 / バイオミメティクス / 構造最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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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
本研究の大きな課題である計算コストの低減に対処するため、サロゲートモデル導入の準備を進めている。必要な技術の検討・関連研究の文献調査は概ね完了しており、最適化問題の定式化や数値実装の準備を進めている最中であるため、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
サロゲートモデルの生成によって構造解析の回数を大幅に削減できることが見込まれるため、引き続き最適化問題の定式化・数値実装を進めていく予定である。また、更に計算コストを低減できる方策として、複数の精度によるモデルを併用することでより少ない計算コストで同程度の最適化結果を得られるマルチフィデリティ法を導入する予定である。上述の海外研究機関での導入実績を基に、本研究への効率的な応用を図る。最適化手法としての有用性を明らかにするため、まずは簡単な条件・モデルに適用することで定量的な評価を行った後、本研究の設計対象である航空機主翼に適用して軽量構造が得られることを確認する予定である。
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