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2022 年度 実施状況報告書

非線形移動型モデリング法の構築による大変形構造物の高効率な一連解析

研究課題

研究課題/領域番号 21K14341
研究機関東北大学

研究代表者

大塚 啓介  東北大学, 工学研究科, 助教 (20881189)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード衛星航空 / 流体構造連成 / 空力弾性 / 非線形有限要素法 / 風洞実験 / マルチボディダイナミクス / マルチフィジックス
研究実績の概要

低高度を数年継続飛行することで空の基地局となる衛星航空機の実用化が期待されている.従来航空機と異なり,極軽量柔軟な衛星航空機は静的大変形形状によって周波数特性・動特性が激変する.衛星航空機の早期実現には大変形を考慮した数値モデル(非線形運動方程式)による静解析・周波数解析・動解析という一連の解析が必要になる.
非線形性を任意に移動させ,静解析・周波数解析・動解析いずれに対しても容易に適用でき,高い解析性能を発揮する【非線形移動型モデリング法】の構築を目的とし,2年目は以下の3点に取り組んだ.
①静解析モデルの精度実証:東北大学・流体科学研究所の風洞装置を用いた.鉛直に固定支持した平板翼模型に対して,迎角と流速を変更した場合の変形量をレーザ変位計で計測した.風洞実験結果と解析結果は良好に一致した.
②動解析モデルの精度実証:東北大学・流体科学研究所の風洞装置を用いた.鉛直に固定支持した平板翼模型に対して,先端にワイヤを貼付した.そのワイヤを切断することで,風洞内において模型に振動を発生させた.実験結果と解析結果は良好に一致した.この実験成果をJournal of Sound and Vibrationで発表した.
③【ジョイントパラメータ】という定式化法を提案し,衛星航空機の静解析用歪モデルにおいて,操作舵面などのジョイント部の効率的な表現を可能にした.【ジョイントパラメータ】の基礎理論をJournal of Sound and Vibrationで発表した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

第一目的としていた「静解析モデルの実証」ができたため.第二目的としていた「周波数解析モデルの実証」は実施できなかったが,「動解析モデルの実証」はできたため,総合的にみて,おおむね順調に進展しているといえる.

今後の研究の推進方策

研究室内に作成した小型風洞と突風発生装置を用いて,提案モデリング法の実証を多角的に行う.具体的には以下2つの実験を想定している.
①ステップ型の突風に対する平板翼模型の変形
②正弦波型の突風に対する平板翼模型の変形

次年度使用額が生じた理由

東北大学・流体科学研究所の風洞の改修工事に伴い実験回数が減少したため.改修工事が想定よりも長期化しているので,繰越額は数値解析の研究成果発表に対して使用する.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 4件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] The University of Iowa(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      The University of Iowa
  • [国際共同研究] Imperial College London/The University of Liverpool(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Imperial College London/The University of Liverpool
  • [国際共同研究] The University of Manchester/University of Chester/Aston University(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      The University of Manchester/University of Chester/Aston University
  • [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

    • 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 ページ: 1720~1734

    • DOI

      10.2514/1.J062210

    • 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

      ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics

      巻: 17 ページ: 111003

    • DOI

      10.1115/1.4055310

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [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

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Analysis-Oriented Moving Morphable Components for Topology Optimization2023

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Otsuka, Shuonan Dong, Ryo Kuzuno, Kanjuro Makihara
    • 学会等名
      AIAA SciTech 2023 Forum
    • 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
      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
  • [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
      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
  • [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
      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
  • [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
      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
  • [学会発表] 平板翼のフラッタ解析と圧電素子を用いたフラッタ発電実験2022

    • 著者名/発表者名
      向川大成, 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期秋季講演会
  • [学会発表] Flexible Rotating Multibody Analysis Using Extended NPFEM for NonEquatorial Space Elevator2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kuzuno, Shuonan Dong, Yuya Takahashi, Taiki Okada, Yoshitaka Shizuno, Keisuke Otsuka, Kanjuro Makihara
    • 学会等名
      The 6th International Conference on Multibody System Dynamics (IMSD)
    • 国際学会
  • [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
      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
  • [学会発表] Investigation of Flutter Velocity and Power Generation with Piezoelectric Film2022

    • 著者名/発表者名
      Shuonan Dong, Taisei Mukogawa, Yushin Hara, Keisuke Otsuka, Boyue Chen, Yu Shi, Yu Jia, Constantinos Soutis, Hiroki Kurita, Fumio Narita, Kanjuro Makihara
    • 学会等名
      19th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Geometrically Nonlinear Beam Model for Slender Multibody Wings2022

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Otsuka, Yinan Wang, Chi Wing Cheng, Shuonan Dong, Koji Fujita, Rafael Palacios, Hiroki Nagai, Kanjuro Makihara
    • 学会等名
      19th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] 航空機・車両・鉄道・エレベータに対する統一的な柔軟マルチボディ解析法の構築2022

    • 著者名/発表者名
      大塚啓介, Dong Shuonan, 葛野諒, 槙原幹十朗
    • 学会等名
      第31回 交通・物流部門大会(TRANSLOG2022)
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      http://web.tohoku.ac.jp/makihara/www-j/index-j.htm

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公開日: 2023-12-25  

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