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新規理論【ベクトル・回転正準変換】で打破する構造解析と機構解析を分かつ壁

研究課題

研究課題/領域番号 22K18853
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分24:航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

槙原 幹十朗  東北大学, 工学研究科, 教授 (60392817)

研究分担者 大塚 啓介  東北大学, 工学研究科, 准教授 (20881189)
永井 大樹  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (70360724)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
キーワード正準変数変換 / 柔軟展開翼 / 可変翼 / モーフィング / 風洞実験 / 航空機モデリング
研究開始時の研究の概要

新規理論「ベクトル・回転正準変換」によって,衛星航空機・浮体式洋上風車などの大変形構造物の構造解析と機構解析を統合する挑戦的研究である.現状は「部材レベルの構造解析に回転角を変数とするモデル」,「システムレベルの機構解析にベクトルを変数とするモデル」が別々に使用されている.部材レベルからシステムレベルでの設計に移行する際にモデルを作り直すという致命的な問題が生じる.本研究では部材レベルからベクトルモデリングを行った上で,「ベクトル・回転正準変換」を導入し,この障壁の打破に挑む.これは変換前のベクトルでジョイント表現,変換後の回転角で高精度解析を実現する新規アイデアである.

研究成果の概要

研究では部材レベルからベクトルモデリングを行った上で,新規理論【ベクトル・回転正準変換】を導入し,この障壁の打破に挑んだ.これは変換前のベクトルでジョイント表現,変換後の回転角で高精度解析を実現する新規アイデアであった.提案する統合モデリング手法は部材レベルからベクトルモデリングを行うので,【異分野を分かつ変数の相違】が解決され,これまで隔てられていた構造と機構の両解析をシームレスに繋ぐことができた.提案手法の実証のため,同施設の風洞装置で実験を行った.翼模型を用いて部材レベルでの解析精度実証が可能となった.多点カメラ計測法と分布歪計測法を併用することで解析精度実証が可能となった.

研究成果の学術的意義や社会的意義

国際共同研究を通して,【異分野を分かつ変数の相違】を解決することで,これまで断裂していた構造解析と機構解析のシームレスな統合を実現する挑戦的意義を有する.これまでに培った計測方法を統合し,システムレベルでの構造・機構連成挙動の風洞実験という過去研究の知見・データが圧倒的に乏しい実験領域に挑戦する意義を有する.提案する【ベクトル・回転正準変換】は細長梁のみならず,板やソリッドに拡張し,高高度風力発電システムや羽ばたきドローンなど多様な構造に適用可能な萌芽性を有する.

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 12件)

  • [国際共同研究] University of Mancester/University of Leeds/Aston University(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Chester/University of Manchester/Aston University(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Hamiltonian formulation with reduced variables for flexible multibody systems under linear constraints: Theory and experiment2023

    • 著者名/発表者名
      Dong Shuonan、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      Journal of Sound and Vibration

      巻: 547 ページ: 117535-117535

    • DOI

      10.1016/j.jsv.2022.117535

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Moving Morphable Multi Components Introducing Intent of Designer in Topology Optimization2023

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Keisuke、Dong Shuonan、Kuzuno Ryo、Sugiyama Hiroyuki、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      AIAA Journal

      巻: 61 号: 4 ページ: 1720-1734

    • DOI

      10.2514/1.j062210

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Performance Evaluation of Magnetostrictive Small Wind Turbines Using Fe?Co Alloy?Based Clad Sheets2023

    • 著者名/発表者名
      Ueno Toshiki、Nakaki Takeru、Mukogawa Taisei、Dong Shuonan、Kurita Hiroki、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro、Narita Fumio
    • 雑誌名

      Advanced Engineering Materials

      巻: 25 号: 19

    • DOI

      10.1002/adem.202300185

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Recent Advances in the Absolute Nodal Coordinate Formulation: Literature Review From 2012 to 20202022

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro、Sugiyama Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of Computational and Nonlinear Dynamics

      巻: 17 号: 8 ページ: 080803-080803

    • DOI

      10.1115/1.4054113

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dynamics and Energy Analysis of Nonequatorial Space Elevator Using Three-Dimensional Nonlinear Finite Element Method Extended to Noninertial Coordinate System2022

    • 著者名/発表者名
      Kuzuno Ryo、Dong Shuonan、Okada Taiki、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 10 ページ: 43964-43980

    • DOI

      10.1109/access.2022.3168666

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Joint parameters for strain-based geometrically nonlinear beam formulation: Multibody analysis and experiment2022

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Keisuke、Dong Shuonan、Fujita Koji、Nagai Hiroki、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      Journal of Sound and Vibration

      巻: 538 ページ: 117241-117241

    • DOI

      10.1016/j.jsv.2022.117241

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Strain-Based Geometrically Nonlinear Beam Formulation for Rigid?Flexible Multibody Dynamic Analysis2022

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Keisuke、Wang Yinan、Palacios Rafael、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      AIAA Journal

      巻: 60 号: 8 ページ: 4954-4968

    • DOI

      10.2514/1.j061516

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Consistent Strain-Based Multifidelity Modeling for Geometrically Nonlinear Beam Structures2022

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Keisuke、Wang Yinan、Fujita Koji、Nagai Hiroki、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      Journal of Computational and Nonlinear Dynamics

      巻: 17 号: 11 ページ: 111003-111003

    • DOI

      10.1115/1.4055310

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Moving Morphable Components based on Strain-Based Beam Formulation for Topology Optimization2024

    • 著者名/発表者名
      Otsuka, K., Dong, S., Kuzuno, R., Sugiyama, H., and Makihara, K.
    • 学会等名
      AIAA Scitech 2024 Forum
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis-Oriented Moving Morphable Components for Topology Optimization2023

    • 著者名/発表者名
      Otsuka, K., Dong, S., Kuzuno, R., and Makihara, K.
    • 学会等名
      AIAA Scitech 2023 Forum
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dominant Geometrical Factor in Non-Equatorial Space Elevator Dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Kuzuno, R., Dong, S., Takahashi, Y., Okada, T., Shizuno, Y., Otsuka, K., and Makihara, K.
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-Precision Multibody Model for Space Elevator Including Torsional Deformation2023

    • 著者名/発表者名
      Kuzuno, R., Dong, S., Takahashi, Y., Otsuka, K., and Makihara, K.
    • 学会等名
      74th International Aeronautical Congress (IAC)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flutter Harvester Using Flexible Plates with Piezoelectric Film2023

    • 著者名/発表者名
      Mukogawa, T., Dong, S., Jia, Y., Shi, Y., Soutis, C., Kurita, H., Narita, F., Otsuka, K., and Makihara, K.
    • 学会等名
      20th International Conference on Flow Dynamics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural Optimization of Flexible Multibody Systems with Deployment Mechanism2023

    • 著者名/発表者名
      Watanabe, S., Dong, S., Otsuka, K., and Makihara, K.
    • 学会等名
      20th International Conference on Flow Dynamics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Aeroelastic Simulation Framework for Membrane Wings2023

    • 著者名/発表者名
      Otsuka, K., Dong, S., Fujita, K., Nagai, H., and Makihara, K.
    • 学会等名
      23rd International Symposium on Advanced Fluid Information
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 大変形する展開構造物の構造最適化2023

    • 著者名/発表者名
      4.渡辺聡史, DONG Shuonan, 大塚啓介, 槙原幹十朗
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第58期総会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 非線形有限要素法によるテザー構造物の大変形解析2023

    • 著者名/発表者名
      5.髙橋侑也, 葛野諒, DONG Shuonan, 岡田大規, 静野芳崇, 大塚啓介, 槙原幹十朗
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第58期総会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Strain-Based Geometrically Nonlinear Beam Formulation for Multibody Dynamic Analysis2022

    • 著者名/発表者名
      Otsuka, K., Wang, Y., Palacios, R., and Makihara, K.
    • 学会等名
      AIAA Scitech 2022 Forum
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Multibody Dynamics Formulation Based on Canonical Theory2022

    • 著者名/発表者名
      Dong, S., Otsuka, K., Wang, Y., Fujita, K., Nagai, H., and Makihara, K.
    • 学会等名
      33rd International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Flexible Rotating Multibody Analysis Using Extended NPFEM for Non-Equatorial Space Elevator2022

    • 著者名/発表者名
      Kuzuno, R., Dong, S., Takahashi, Y., Okada, T., Shizuno, Y., Otsuka, K., and Makihara, M.
    • 学会等名
      10th Asian Conference on Multibody Dynamics
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of Flutter Velocity and Power Generation with Piezoelectric Film2022

    • 著者名/発表者名
      Dong, S., Mukogawa, T., Hara, Y., Otsuka, K., Chen, B., Shi, Y., Jia, Y., Soutis, C., Kurita, H., Narita, F., and Makihara, K.
    • 学会等名
      19th International Conference on Flow Dynamics
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Geometrically Nonlinear Beam Model for Slender Multibody Wings2022

    • 著者名/発表者名
      Otsuka, K., Wang, Y., Cheng, K., Dong, S., Fujita, K., Palacios, R., Nagai, H., and Makihara, K.
    • 学会等名
      22nd International Symposium on Advanced Fluid Information
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] プロペラと主翼の空力干渉を考慮した高アスペクト比翼の非線形空力弾性解析2022

    • 著者名/発表者名
      1.大塚啓介,Dong Shuonan,槙原幹十朗
    • 学会等名
      第64回構造強度に関する講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] モデル縮約したハミルトニアン形式の柔軟マルチボディシステム解析2022

    • 著者名/発表者名
      2.DONG Shuonan,葛野諒,岡田大規,静野芳崇,大塚啓介,槙原幹十朗
    • 学会等名
      日本機械学会2022年度年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 非慣性座標系へ拡張した非線形有限要素法による非赤道上宇宙エレベータの3次元動解析2022

    • 著者名/発表者名
      3.葛野諒,董鑠男,高橋侑也,岡田大規,静野芳崇,大塚啓介,槙原幹十朗
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-07-05   更新日: 2025-01-30  

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