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解析事例・インタビュー

テキサスA&M大学 様
超弾性形状記憶合金コブフィラーを有する
航空機前縁スラットの流体構造連成解析

[前編] テキサスA&M大学の研究者たちは、超弾性形状記憶合金で作られた航空機の翼前縁に設置されるスラットコブフィラー(SCF)が展開されたときの騒音低減効果を検証するため、流体解析(CFD)と流体構造連成(FSI)の解析を実施した。この解析ではフィラーが圧縮され計算要素がつぶれることにより体積がゼロになるという課題があり、CFDソフトウェアには複雑なメッシュ変形、非線形性材料特性を含むFSI解析を行うための機能が求められる。高精度の解析を実現した取り組みを聞いた。

空港周辺の航空機騒音の低減

 テキサスA&M大学では、高度な数値解析技術を利用して、航空機の機体から発生する騒音の低減方法を研究している。

 

 空港周辺の大きな騒音は人の健康被害の原因にもなる。元々空港は都市中心から遠く離れた地域にあったが、一方で都市の広がりは、空港を中心として大きく発展した。加えて旅客需要の増加は航空便の増加を意味し、航空機騒音の増大が健康被害、地域社会を含む環境全体に悪影響をもたらすものとして懸念されている。

写真1 M2AESTRO 研究チーム

 テキサスA&M大学航空宇宙工学科准教授のダレン・ハートル博士は、航空宇宙向けの新しい構造や材料の開発を主とした多機能材料および航空宇宙構造最適化(M2AESTRO)研究チームを率いている(写真1)。チームは2名のポスドク(博士研究員)、7名の大学院生、12名の学部生から構成され、アメリカ国立科学財団の研究生でもある博士課程の大学院生ウィリアム・ショルテン氏は、学部生の時からこのSCFの研究を行っている。

図1 前縁スラット近傍の流れ
(クリックで拡大)

 ハートル博士は彼が率いるチームのプロジェクトの背景についてこう語った。「航空機の騒音は機体と翼を通過する空気の流れによって発生する流体騒音が主な原因です。伝統的に、機体は巡航状態(高速かつ高高度)で効率が良くなるように設計されていて、結果的にその状態の騒音は低くなります。前縁スラットのような翼先端のデバイスは、巡航中は主翼の表面と同一の平面にあり、安定した水平飛行を維持するのに十分な揚力を発生し、騒音も大幅に低減します。しかし、航空機が着陸態勢(空港周辺での低速、低高度の状態)では、スラットは失速特性を向上させるために、より大きな揚力を生む状態に設置されます。そして、この状態ではスラットに不規則な流れが生じ、機体の騒音になるのです」。ハートル博士は、着陸態勢時にスラット・コブ内部に発生する渦領域が、前縁スラットの騒音に大きな影響を与えると指摘する(図1a)。

 

大変形でも回復可能な非弾性変形と移動変形する空力機構

 スラット後方の窪みをスラット・コブ・フィラー(SCF)で満たし、空気の流れを制御する方法は、翼先端から発生する騒音低減に対して効果が高い解決策である(図1b)。SCFには大きく2つの状態があり、1つは展開されている状態、もう1つは格納されている状態だ(図2)。

図2 前縁スラット(クリックで拡大)

 スラットが展開されている状態では、SCFは空力的な負荷に対して形状を維持しつつ、空気の流れを修正している。巡航中のスラットが格納されている状態では、SCFは一般的な航空宇宙材料(アルミニウム、鉄、チタン)が降伏せずに形状を維持できるものをはるかに超える大きな変形を受ける。

 このような大きな変形と風圧に対する剛性、スラットの引き込み(動作力の低減)を実現するため、アメリカ航空宇宙局(NASA)のエンジニアはSCFの設計に超弾性形状記憶合金(SMA)の使用を検討した。SMAは、外部からの刺激によって固体でありながら形状変更が可能な特殊なタイプの活物質であり、大きな変形に対しても、回復可能な非弾性変形を実現することができる。

 

 ハートル博士は、この変形構造について以下のように分析している。「この薄いモーフィング空力構造が周囲の流れ場に与える効果によって、SCF構造(形状)にも影響を及ぼすことが考えられます」 。

 

 M2AESTRO研究チームの研究目的は、数値流体解析(CFD)と流体構造連成(FSI)解析、および風洞実験を活用し、実際に空気が流れている状態で、SMAタイプのSCFがどのような挙動を示すのかを理解するとともに、翼全体の性能にどう影響するかを解明することだ。この研究はアメリカ国立科学財団(NSF)とNASAラングレー研究所から資金提供を受けているという。

 

CFDとFSIで多様な飛行状態でのSCF効果の分析・評価が可能

 空力解析とSCFの構造解析の双方向FSI解析を行うことにより、風圧がかかった場合のSCFの変形とともに、その変形が空気の流れ場にどのように影響するかを同時に明らかにすることができた。

 

 しかし、M2AESTRO研究チームがSMAを使ったSCFの高精度なFSI解析を行うためには、非線形性を含む非常に複雑な変形(平行移動と回転、接触、体積の減少など)を扱うことができるCFDソフトウェアが必要だった。

 

 ハートル博士は計算用メッシュの課題について、次のように説明する。「スラットが格納されている状態では、スラットは主翼と接触しているため、SCFには非常に大きな変形(圧縮)が生じ、スラットが展開されている状態との体積的な差が非常に大きくなります。さらにSCFは回転移動をする剛体であるスラット本体と連動して動きます。このSCFの複雑な変形は、CFDモデルに体積の無い要素ができてしまうことに直結します」。

 

 つまり、このスラットおよびSCFのCFD解析は、複雑な変形と流体要素の消滅を扱なければ実現し得ないことなのだ。

 

後編へ続く

※SCRYU/Tetraは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2018年1月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。​

プロフィール

 
 

 

テキサスA&M大学
創立 1876年
大学種別 土地・海洋・宇宙開発研究助成指定
所在地 カレッジステーション、テキサス
(アメリカ)
大学職員数 4,900名
学生数 68,825名(2017年秋現在)
卒業生数 15,135名(2017年秋現在)
URL https://www.tamu.edu/

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