複合材航空機主翼の空力・構造・破壊解析統合と非線形非定常性を考慮した設計法の確立

集成复合材料飞机机翼气动、结构和断裂分析，建立考虑非线性非定常的设计方法

• 批准号: 22KJ0229
• 负责人: 伊達 周吾
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0229/
• 关键词: 炭素繊維強化プラスチック; 流体構造連成問題; マルチフィジックス解析; マルチスケール解析; 寸法最適化

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製航空機に特有の設計手法の確立に向けて，数値計算によるCFRP製主翼設計の枠組みを構築し，解析結果について議論した．解析の枠組みを以下の三つの要素により構築した：A）流体と構造の双方向連成解析：B）マルチスケール解析を用いた材料強度と剛性の推算：C）多目的最適化による翼形状の設計．Aについて，流体と構造の双方向連成解析を導入し，静的つり合い時における空気力を基準とした翼構造設計を行った．剛体の翼を仮定した一方向連成解析が予測する空気力と比べ，双方向連成解析が予測する空気力は，約２５％小さいことを示した．翼内部構造の設計は，負荷される空気力に大きく影響を受けるため，翼設計における双方向連成解析の有用性を示したと言える．Bについて，ばね要素モデルや微視的有限要素解析による材料強度の予測を導入し，複合材料特有の破壊モードである繊維破断や局所座屈，亀裂の発生による強度を予測した．繊維選択による剛性と強度の変化を翼設計に組み込むことで，既存の航空機に未適用の繊維が翼の軽量化に寄与する効果を定量的に推算できることを示した．また，従来の繊維と比べて高剛性・高強度な繊維を使用することで，座屈強度や引張強度は増加するが，圧縮強度は同等か減少することが確認された．その結果，座屈強度と圧縮強度の傾向が異なることで，翼上面の破壊モードにも変化が生じることが示された．Cについて，遺伝的アルゴリズムを導入し，翼形状の最適化を行った．アスペクト比の大きい翼は抗力係数が低いものの構造重量が増加する傾向にあることを定量的に示した．また，翼形状によって翼構造の破壊モードが変化することを示した．このように，数値計算によるCFRP製主翼設計の枠組みを構築し，設計結果の議論を行った．枠組み内の流体・構造ソルバーの拡張を行い，非線形・非定常性を考慮した設計手法の確立を目指す．

The establishment of a design method specific to carbon fiber reinforced plastics (CFRP) aircraft is discussed in this paper. A) Fluid and structure of two-way connection analysis B) Fluid and structure of two-way connection analysis C) Multi-purpose optimization of wing shape design A) Fluid and structure of two-way connection analysis C) Static structure of two-way connection analysis D) Air force D) Base wing structure design D) Fluid and structure of two-way connection analysis D) Fluid and structure of two-way connection analysis D) Air force D) Base wing structure design C) Multi-purpose optimization The rigid body wing is fixed, and one direction is connected to the analysis to predict the air force ratio. The two directions are connected to the analysis to predict the air force ratio. About 25% of the air force ratio is shown. The design of wing internal structure is affected by the large air force due to load. The usefulness of bi-directional connection analysis in wing design is shown in this paper. The finite element analysis of Weishi app is introduced to predict the mechanics of materials. The strength of composite material is predicted. The stiffness and strength of the wing design are calculated quantitatively for existing aircraft. It is confirmed that the tensile strength and tensile strength increase and the compressive strength decreases equally. As a result, the tendencies of seat yield strength and compression strength are different, which shows that the cracks on the upper surface of the wing become more and more variable. In addition, the traditional design of the wing is introduced and the wing shape is optimized. A quantitative indication of the tendency of structural weight to increase due to low resistance coefficient. The shape of the wing and the structure of the wing are different. The design of CFRP main wing is discussed in detail. The fluid structure in the structure of the structure of the structure is in the process of expansion, and the non-linear and unsteady properties are considered.