航空機主翼の空気抵抗と構造重量の両方を低減する設計手法を開発 －様々な次世代型航空機設計への展開に期待－

航空機主翼の空気抵抗と構造重量の両方を低減する設計手法を開発－様々な次世代型航空機設計への展開に期待－

2025年1月22日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇流体科学研究所　准教授　阿部圭晃

【発表のポイント】

航空机の主翼设计において、空気抵抗と构造重量の双方を低减するための最适化フレームワークを构筑しました。
复合材料を用いた航空机主翼に特有の大きなたわみが设计に及ぼす影响を、初めて详细に明らかにしました。
次世代复合材航空机の开発期间の短缩のみならず、全く新しい形状の航空机（水素?アンモニア推进等）开発への技术展开も期待されます。

【概要】

炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic: CFRP）^（注¹^）は、炭素繊维と树脂の组み合わせによって様々な强度特性を実现出来る、軽くて强い复合材料です。近年、航空机の材料として広く使われつつあり、従来の金属製航空机では难しい高いアスペクト比^（注²^）の主翼を採用でき、空気抵抗を下げることが可能となっています。一方、高アスペクト比で细长い主翼は大きくたわむため、通常の线形数値解析を用いた変形予测では、主翼の変形を正确に捉えられませんでした。

东北大学流体科学研究所のLiu Yajun学術研究員、阿部圭晃准教授、大学院工学研究科の伊達周吾氏（当時）、岡部朋永教授らと上智大学理工学部の長嶋利夫教授の研究チームは、複合材主翼の空気抵抗と構造重量の最小化を目的とした多目的最適化フレームワークを構築し、空気抵抗と構造重量をバランスよく低減できる主翼形状を数値的に明らかにしました。さらに既存の線形解析にのみ基づく設計を採用すると、予想よりも大きな力が主翼にかかり、危険な設計となりうることが分かりました。具体的には、最適な主翼形状に対して、大変形状態を正確に予測可能な幾何学的非線形解析^（注³^）を取り入れることで、通常の线形解析による设计よりも构造重量がわずかながら増加し、主翼の変形も大きくなることを示しました。

今回の研究成果は、2025年1月6日に学術専門誌Journal of Aerospace Science and Technologyに掲載されました。

図1. 複合材航空機主翼の空力構造最適設計（グラフの横軸は質量）

【用语解説】

注1. 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）：強化材料である炭素繊維と、それを支持する母材樹脂によって構成される複合材料の一種。軽量かつ高剛性?高強度であるという特性を持つ。

注2. アスペクト比：主翼を上から見た形状の縦横比を指す。アスペクト比が高い（高アスペクト比）ほど、細長い主翼となる。

注3. 幾何学的非線形解析：通常の有限要素法と異なり、ひずみの高次項まで考慮した非線形解析により、大きな形状変形を正しく捉えられる解析手法。

【论文情报】

タイトル：E?ects of aeroelastic coupling accuracy and geometrical nonlinearity on performances of optimized composite wings
著者： Yajun Liu, Shugo Date, Toshio Nagashima, Tomonaga Okabe, Yoshiaki Abe*
*責任著者：东北大学流体科学研究所　准教授　阿部圭晃
掲載誌：Aerospace Science and Technology
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