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2022 年度 実施状況報告書

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, 助教 (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
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 / 可変翼 / 航空機モデリング
研究実績の概要

<研究実施の概要>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.回転角モデルはジョイント表現が困難,ベクトルモデルは大変形を正確に表現できないからである.この結果,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.【異分野を分かつ変数の相違】が構造・機構の両解析分野を分断している障壁である.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,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.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る.
<数値解析と風洞試験> ラグランジュ方程式ではなく,正準方程式上で変数変換を行うことでベクトルモデルの長所を一切損なうことなく回転角モデルへの変換を可能となった.
<実験内容>
提案手法の実証のため,東北大学・流体科学研究所の永井教授との共同研究の下,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.

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

着実に研究計画通りに進んでいるから.特に難しいと予想されていた「【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」という大きな目標が達成できたから.

今後の研究の推進方策

大変形翼と回転ジョイントを有する模型を製作する.システムレベルでの変形と機構の同期計測として,本グループが構築してきた多点カメラ計測法と分布歪計測法を併用することで挑戦する.

<研究実施の概要>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.回転角モデルはジョイント表現が困難,ベクトルモデルは大変形を正確に表現できないからである.この結果,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.【異分野を分かつ変数の相違】が構造・機構の両解析分野を分断している障壁である.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,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.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る.

次年度使用額が生じた理由

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  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 4件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件)

  • [国際共同研究] University of Chester/University of Manchester/Aston University(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Chester/University of Manchester/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] 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 ページ: 080803

    • DOI

      10.1115/1.4054113

    • 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

    • 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

    • 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 ページ: 4954~4968

    • DOI

      10.2514/1.J061516

    • 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 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
  • [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
    • 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
  • [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
  • [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
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
  • [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
  • [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

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公開日: 2023-12-25  

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