2013 Fiscal Year Research-status Report
くさび形弾性はりにおける波動の無反射・増幅特性を利用した水中推進機の高効率化
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25420182
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
松村 雄一 岐阜大学, 工学部, 教授 (20315922)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古屋 耕平 岐阜大学, 工学部, 助教 (40580056)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 水中推進 / 波動制御 |
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| Research Abstract |
進行波型水中推進機の前進効率を従前よりも向上させるため，導波体となる弾性体をくさび形状とした場合に，尾ヒレ部で波動が増幅する効果の有効性を検討している．本年度の成果は以下のとおりである．
１．流体－構造連成解析（以下，FSI解析）により，進行波型水中推進機に生じる推力を解析する技術を獲得した．静止流体中に置かれた一様弾性平板を伝播する波動が尾ひれ部で無反射となる境界条件を設定し，この条件で駆動した際の推力を求めることに成功した．ただし，一様弾性平板をくさび形弾性体に置き換えてFSI解析を実施しようとしたところ，くさび形はりの尾ひれ部が薄いために流体側と構造側のメッシュサイズが大きく異なり，現段階では解析が実行できない．
２．くさび形弾性体の尾ひれ部における反射波抑制の制御技術を獲得した．上述１のとおり，くさび形弾性体におけるFSI解析は通常の条件下で実行できないが，極めて高密度の材料を仮定した場合にのみ計算できた．そこで，くさび形弾性体における純粋進行波生成の理論を開発し，この条件下で検証した．反射波抑制には，くさび形弾性体の頭部に与えた駆動力によって発生する波動が，尾ひれ部に到達した際の変位を予測し，尾ひれ部がこの変位となる力を与える手法を採用した．この結果，FSI解析において，くさび形弾性体に純粋進行波を生成できることを確認できた．
３．尾ひれ部に設置した位置サーボ機構付のリニア・アクチュエータで所望の変位を与える実験装置を開発した．この装置において，一様弾性平板での純粋進行波生成を試みたところ，これに成功した．また，この実験機では駆動部における摩擦やガタの影響が少なく，指令通りの駆動が実現することから，波数の振幅依存性も高精度に計測できた．既知の周波数依存性と合わせて，任意の速度で航行中に，振幅と周波数を変化させて所望の推力を得るための基礎データを獲得できた．
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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
平成25年度の当初計画では，流体－構造連成解析に基づき，くさび形弾性体の最適形状を解明するとしていた．これに対して，実際の成果は上述の「研究実績の概要」の通りであり，流体－構造連成解析で目指していたことに関しては，5割程度の達成度である．特に，最終目標であるくさび形弾性体の最適形状の解明に向けては，今後，流体－構造連成解析を実現するための，解析テクニック上の工夫が必要な状況にある．
一方，このような状況を受け，流体－構造連成解析の計算時間を利用して平成26年度の当初計画に記載していた事項を前倒しで実施した．具体的には，くさび形弾性体における純粋進行波生成のための制御技術と，制御実験装置の基礎部分を開発した．この成果は，平成26年度の当初計画の5割程度の達成度である．
以上より，平成25年度と平成26年度の当初計画に対する現時点での達成度は，それぞれ5割程度であり，3年計画の中の単年度の成果としてみれば，ほぼ10割であることから，達成度の区分を計画通りとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在の課題は，くさび形弾性体の流体－構造連成解析において，くさび形はりの尾ひれ部が薄いために流体側と構造側のメッシュサイズの差が大きく，解析が実行できないことである．そこで，当面は，この課題の解決に注力する必要がある．
最初の取り組みとして，流体の領域サイズを小さくし，流体側のメッシングに際して要素数を変えずに，要素サイズを小さくすることを考えている．流体の領域が狭くても計算精度を維持できるような解析条件を洗い出し，流体－構造連成解析を実現できるようにする．これにより，流体側と構造側のメッシュサイズの差を小さくして解析を可能にする．さらに，この取り組みも失敗した場合には，解析の内容を分割実施することも考えている．例えば，水の付加質量効果をモデルに組み込めれば，構造解析のみでも，くさび形はりの頭部と尾ひれ部における波動の位相速度減少率と振幅増加率の解析は可能である．また，流体－構造連成解析を用いて一様弾性平板の推力は求められることから，くさび形はりが断続的に一様弾性平板を結合したものと近似して，それぞれの一様弾性平板に働く推力の総和をもって，くさび形はり全体の推力を求める解析も可能と考えられる．以上の工夫により，進行波型水中推進機にとって最適なくさび形状を解明する予定である．
一方，前倒しで実施した平成26年度当初計画に対して未達の課題も解決していく必要がある．大きな課題は，推力計測装置の開発である．当初計画では船を支柱に取り付け，この支柱にかかる応力から推力を計算するとしていたが，現在では，推進機を船に積み込み，この実験船の運動を高速度カメラで撮影した動画を解析して，加速度を計測し，抗力の影響などを差し引くことで推力を計算する手法を準備している．これにより，当初計画では回流水槽を用いるとしていたが，船自体が前進するため，その必要がなくなる．
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