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2013春交流会発表 (公開用)
- 2. 人力飛行機向け翼型設計の意義 多様化する日本の人力飛行機 10m/s～15m/s級人力飛行機の台頭 ←TT部門の白熱 距離競技向け人力飛行機の多様化 チーム特色の反映（フライングワイヤ無、先尾翼など） 模範であり続けた「Daedalus 88」という人力飛行機 大半の人力飛行機が何らかの形でDAE Series翼型を使用 翼型が決めうちされる事によって設計に制約が生じる。 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 2 相反が発生 翼型設計の需要
- 3. 学部生の翼型設計の障壁 要求される知識とツールおよび時間的制約 速度分布設計の知識 (Short Bubble 、圧力回復曲線 etc...) 翼型逆問題の知識 (非粘性パネル法逆解法 or 複素マッピングetc... ) 層流乱流境界層の影響を考慮した速度分布計算 (乱流遷移位置予測、速度分布繰返し計算 or 解析スキーム etc...) 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 3 もう間に合わない… 適当に混ぜよう… そこで… 既存の解析ツールを用いて高度な知識が無くても 効率的に良い翼型を探索できる方法 学部2年の冬までに習得
- 4. 解析ツールと最適化アルゴリズムについて パネル法翼型解析ツール「XFOIL」 非粘性パネル法に大規模な修正を加えた翼型解析ツール フリーで入手可。ほとんどのチームが使用。GUIバージョン であるXFLR5も普及 今回用いた最適化アルゴリズム 遺伝的アルゴリズム ←この講演のメイン 最適化するパラメータを二進数の遺伝子で記述 生物の進化を模した方法で最適化 勾配法 別名「山登り法」 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 4 DAI流れ可視化試験 XFOILの解析精度を示す
- 5. 8個のパラメータによる翼型表現 翼型の線形和と追加キャンバ、翼厚調整による表現 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 5 翼厚調整 追加キャンバー PARSEC法を応用 • ある点で極大値を取る条件 • 後縁の角度が指定値になる条件 3次多項式による追加キャンバーの表現 8個の変数によって表された翼型
- 6. 遺伝的アルゴリズム Genetic Algorithm (GA) 遺伝的アルゴリズムの基本的な流れ 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 6 翼型生成 翼型解析・評価 遺伝子交差 突然変異操作 翼型生成 遺伝子情報から翼型を生成。個体数はパラ メータの数等にも寄るが100～200くらい 翼型解析・評価 XFOILを用いて各個体の性能を解析 評価関数より点数をつける 遺伝子交差 ルーレットルールを用いて交差する組を決定 突然変異操作 系の多様性を維持するために、いくつかの遺 伝子の一部をランダムで変化させる。 最も良い個体以外が 選ばれることも ルーレットルールのイメージ
- 7. GAを用いた翼型設計例の紹介 大まかなアルゴリズムの流れは以上 プログラム作成については予稿もしくは参考文献を参照 様々な状態を想定し、設計解を例示 片持ち桁機、翼根向け翼型（太く、Re=500000程度） ワイヤー機、翼根向け翼型（細く、低抵抗） 翼端、プロペラ向け翼型（Re=220000、低CL） 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 7
- 8. GAを 用いた翼型設計結果① 片持ち機、翼根向け 迎角=4° CL=1.2 翼厚=13.3 Re=500000 DAE31 SD7037 MH60 eppler66 をベースとして作成 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 8 翼厚13.4%でDAE21と同等の性能 翼弦長800mmでφ105の桁が入る 高揚力係数ではDAEに性能が劣るが、 翼厚の大きさ、失速特性をみても使いや すい性能
- 9. GAを 用いた翼型設計結果② ワイヤ機、翼根向け 迎角=4° CL=1.2 翼厚=9.6 Re=500000 DAE31 FX76MP120 SD7037 eppler66 をベースとして作成 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 9 翼厚9.6%に縛り使用領域で性能を ブースト 迎角4°付近で150に迫る揚抗比 CL=1～1.2付近で迎角4° 失速特性はDAE31より少し悪い
- 10. GAを 用いた翼型設計結果③ 翼端向け モーメントも考慮しつつ抗力最小化 迎角=1.5° CL=0.5 翼厚=11.2 Re = 220000 DAE51 NACA0012 SD7037 MH60 をベースとして作成 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 10 モーメントを考慮しおとなしい性能 CLの増加に伴ってCDが増加 低CL域と高CL域においてDAE41を 凌駕 失速特性や前縁形状もよく、まさ に翼端に適した翼型
- 11. ３次元翼設計の流れ 大まかな構造設計 コンセプトに合わせてマンドレル径や大まか なCFRPパイプ肉厚設計 循環(揚力)分布設計 最適化理論を用いて翼幅方向の循環分布を 設計 翼型設計/選択 設計した循環分布を満たすような翼型を設計 もしくは選定 空力解析/構造設計 設計した主翼を揚力面理論等で解析 解析結果から構造計算を行いたわみ等を求 める。 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 11 大まかな構造設計 循環(揚力)分布設計 翼型設計/選択 空力計算/構造設計
- 12. GA翼型を主翼設計に適応するメリット 様々な思想をもった主翼を設計できる 全体として揚力係数が1を切るような高速機 ある点での性能に絞った性能特化型 捻りに対して強い主翼 設計時間を短縮できる 揚力や翼厚の指定ができるので設計循環分布に合わ せやすい 構造設計との釣り合いが取りやすい 翼厚の大きい小さいも自由自在 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 12 等々…
- 13. GA翼型を主翼設計に適応するデメリット 性能が特化型になりやすい 現在では失速特性は解析するまで分からない 失速特性を考慮した他点解析を評価に組み込むと、計 算時間の問題が発生 翼型の速度分布調整を行う必要がある 速度分布の振動は翼型の ２階微分の不連続に由来。 4翼型を混合するこの手法では、 速度分布の振動が出るのは ある意味自然 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 13
- 14. GAを用いた設計と既存の設計手法の比較 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 14 三つの方法で設計した主翼の比較を行う 循環分布は、多角形縛りのもと、誘導抗力最小化循環分布
- 15. 設計手法 A) DAE31のみ、捻り下げ 東京工業大学マイスター等が採用していた 欲しい揚力係数に合わせて翼型の迎え角を決める 翼端での抗力係数が増大。捻り下げが大きい B) DAE31とDAE41（空力的捻り下げ）＋幾何的捻り下げ WASAやクールスラスト等が採用 ←最もメジャーな方法 欲しい揚力係数を実現する混合率を求める 翼端で低抵抗な翼型に変化できる C) 翼のセクションの切れ目で翼型をGAで最適化 ＋幾何的捻り下げ 提唱する方法 全体の迎角を決め、欲しい揚力係数と翼厚を持つ翼型を設計 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 15
- 16. 比較結果 提唱する方法はもっとも抵抗小 形状抵抗がA.に比べて1[N]近く 小さい 翼効率が最も高い 設計した循環分布に最も近くしや すい設計法だった 構造設計が楽 B.では桁が入らずに翼弦長を大 きくしている 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 16 A B C
- 17. まとめ GAを用いるメリット 設計者がもっと自由に、飛行機を設計できるように ３次元翼設計においてもその効果を発揮 翼型の様々な制約を緩和し、人力飛行機の多様化に寄与 2013/11/30 第19回スカイスポーツシンポジウム 17 人力飛行機設計をもっと楽しく、もっと自由に！