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そらりょく弾性だんせい

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
NASAによるスケールモデルロッキードエレクトラのフラッターの風洞ふうどうテスト

そらりょく弾性だんせい(くうりきだんせい)は、弾性だんせいたい流体りゅうたいながれにさらされているあいだ発生はっせいする慣性かんせいりょく弾性だんせいちから、およびそらりょくあいだ相互そうご作用さよう研究けんきゅうする物理ぶつりがくおよび工学こうがく分野ぶんやである。そらりょく弾性だんせい研究けんきゅうは、おおきく2つの分野ぶんや分類ぶんるいできる。流体りゅうたいながれにたいする弾性だんせいたい静的せいてきまたは定常ていじょう状態じょうたい応答おうとうあつか静的せいてきそらりょく弾性だんせい 。また動的どうてき通常つうじょう振動しんどう応答おうとうあつか動的どうてきそらりょく弾性だんせい

航空機こうくうき軽量けいりょうおおきな空気くうき力学りきがくてき負荷ふかえる必要ひつようがあるため、そらりょく弾性だんせい効果こうか発生はっせいしやすくなる。航空機こうくうきは、つぎそらりょく弾性だんせい問題もんだい回避かいひするように設計せっけいされている。

  1. 発散はっさん そらりょくつばさむかえかく増加ぞうかさせ、さらにちから増加ぞうかさせる。
  2. 制御せいぎょ反転はんてん 制御せいぎょめん変化へんかにより反対はんたい空気くうき力学りきがくてきモーメントの発生はっせい、また極端きょくたん場合ばあいには制御せいぎょ逆転ぎゃくてんさせるはたらきがまれる。
  3. フラッター 航空機こうくうき破壊はかいにつながる可能かのうせいのある、閾値をもたない振動しんどう現象げんしょう

そらりょく弾性だんせい問題もんだいは、構造こうぞう質量しつりょう剛性ごうせい空気くうき力学りきがく調整ちょうせいすることで防止ぼうしできる。これは、シミュレーション、振動しんどう試験しけん飛行ひこうフラッター実験じっけんにより検証けんしょうできる。制御せいぎょめんのフラッターは通常つうじょう適切てきせつ質量しつりょうによりふせぐことができる。

ねつ力学りきがくてき効果こうかによりそらりょく弾性だんせい発現はつげんさせる、そらねつりょくてき弾性だんせいとしてられており、制御せいぎょ理論りろんによる発現はつげんそらりょく制御せいぎょ弾性だんせいとしてられている。

ポトマックでのサミュエルラングレーのプロトタイプ飛行機ひこうきの2番目ばんめ失敗しっぱいは、そらりょく弾性だんせい効果こうか具体ぐたいてきにはねじれ発散はっさん)に起因きいんしていた[1]。この問題もんだいかんする最初さいしょ研究けんきゅうとして、1906ねん発表はっぴょうされた剛体ごうたい飛行機ひこうき安定あんていせいかんするジョージブライアン理論りろんがある。[2]だいいち世界せかい大戦たいせんなか、ねじれ発散はっさん問題もんだいおおくの航空機こうくうき問題もんだいこし、おも試行錯誤しこうさくごとそのでのつばさごうによって解決かいけつされてきた。航空機こうくうきでフラッターが最初さいしょ記録きろくされ、文書ぶんしょされたのは、1916ねん飛行ひこうちゅうに、ハンドレページO/400ばくげきはげしい振動しんどうこし、後部こうぶ胴体どうたいとエレベーターの極端きょくたんゆがみと非対称ひたいしょう運動うんどうこしたときである。航空機こうくうき無事ぶじ着陸ちゃくりくしたが、そのFWランチェスターによる調査ちょうさにより、左右さゆうのエレベーターをかたいシャフトでしっかりと接続せつぞくする必要ひつようがあるということが推奨すいしょう事項じこうとしてげあげられた。これはのち設計せっけい要件ようけんになる。さらに、国立こくりつ物理ぶつり研究所けんきゅうじょ(NPL)は、現象げんしょう理論りろんてき調査ちょうさするように依頼いらいされ、Leonard BairstowとArthur Fageによって実行じっこうされた。

1926ねんハンスライスナーつばさ発散はっさん理論りろん発表はっぴょうし、この主題しゅだいかんするさらにおおくの理論りろんてき研究けんきゅう発展はってんさせた[1]そらりょく弾性だんせいという用語ようご自体じたいは、1930年代ねんだい初頭しょとうにファーンバラにあるRoyal Aircraft Establishment(RAE)のHarold Roxbee CoxとAlfred Pugsleyによってつくられた[2]

カルテック航空こうくう工学こうがく開発かいはつにおいて、セオドア・フォン・カルマンは「航空こうくうがく適用てきようされる弾性だんせい」のコースを開始かいしした[3]。コースを1にわたっておしえたのち、カルマンはそのコースとそらりょく弾性だんせい開発かいはつしたアーネストエドウィンセクラーに教科書きょうかしょ発行はっこうし、コースをいだ[4] [5]

1947ねん、アーサーロデリックカラーはそらりょく弾性だんせいを「気流きりゅうさらされた構造こうぞう部材ぶざい作用さようする慣性かんせいりょく弾性だんせいりょく、および空気くうきりょく発生はっせいする相互そうご相互そうご作用さよう研究けんきゅう、およびこの研究けんきゅう設計せっけいおよぼす影響えいきょう」と定義ていぎした[6]

静的せいてきそらりょく弾性だんせい

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飛行機ひこうきでは、2つのおおきな静的せいてきそらりょく弾性だんせい効果こうか発生はっせいする可能かのうせいがある。発散はっさんとは、つばさ弾性だんせいねじれが突然とつぜん理論りろんじょう無限むげんになり、つばさ機能きのうしなくなる現象げんしょうである。制御せいぎょ反転はんてんは、補助ほじょつばさまたはその操縦そうじゅうつばさつばさでのみ発生はっせいする現象げんしょうで、これらの操縦そうじゅうつばさ通常つうじょうぎゃく機能きのうしてしまう(たとえば、特定とくてい補助ほじょつばさモーメントに関連かんれんする回転かいてん方向ほうこうぎゃくになる)。

発散はっさん

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発散はっさんは、せいのフィードバックループで揚力ようりょくをさらに増加ぞうかさせる方向ほうこう空気くうき力学りきがくてき負荷ふかした揚力ようりょくめんがたわむときに発生はっせいする。増加ぞうかした揚力ようりょく構造こうぞうをさらに偏向へんこうさせ、最終さいしゅうてき構造こうぞう発散はっさんてんっていく。発散はっさんは、つばさのたわみを支配しはいする微分びぶん方程式ほうていしき単純たんじゅん特性とくせいとして理解りかいできる。たとえば、飛行機ひこうきつばさひとしかたせいオイラーベルヌーイビームとしてモデルすると、結合けつごうねじれ運動うんどう方程式ほうていしきつぎのようになる。

ここで、yはスパン方向ほうこう寸法すんぽうθしーたはビームの弾性だんせいねじれ、GJはビームのねじり剛性ごうせいLはビームちょうM'単位たんいながさあたりのそらりょくモーメントである。単純たんじゅん揚力ようりょく強制きょうせい理論りろんもとで、空気くうき力学りきがくてきモーメントはつぎ形式けいしきとなる。

Cは係数けいすうであり、Uは、自由じゆうなが流体りゅうたい速度そくどであり、αあるふぁ0初期しょきむかかくである。これにより、つぎ形式けいしき常微分じょうびぶん方程式ほうていしき生成せいせいされる。

ここで

固定こていされていないりょう(つまり、かたちのつばさ)の境界きょうかい条件じょうけんつぎのとおりである。

これから以下いかかいもとまる。

てわかるように、λらむだL = πぱい/2 + nπぱいのとき任意にんい整数せいすうnで 、tan(λらむだL)は無限むげんだいとなる。n=0は、ねじれ発散はっさんてん対応たいおうする。特定とくてい構造こうぞうパラメーターの場合ばあい、これは自由じゆうりゅう速度そくどUの単一たんいつ対応たいおうする。これがねじれ発散はっさん速度そくどである。つばさ風洞ふうどう試験しけん実装じっそうされる可能かのうせいのあるいくつかの特別とくべつ境界きょうかい条件じょうけん(たとえば、空気くうき力学りきがくてき中心ちゅうしん前方ぜんぽう配置はいちされたねじり拘束こうそく)では、発散はっさん現象げんしょう完全かんぜん排除はいじょできる[7]

制御せいぎょ反転はんてん

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制御せいぎょつばさめん反転はんてんは、しゅ揚力ようりょくめん変形へんけいによる、操縦そうじゅうつばさめん予想よそうされる応答おうとう損失そんしつ(または逆転ぎゃくてん)である。単純たんじゅんなモデル(たとえば、オイラーベルヌーイビームの単一たんいつ補助ほじょつばさ)の場合ばあい、ねじり発散はっさん同様どうように、制御せいぎょ反転はんてん速度そくど解析かいせきてき導出どうしゅつできる。カマンのサーボフラップローターの設計せっけいでは制御せいぎょ反転はんてん利用りようされている[7]

動的どうてきそらりょく弾性だんせい

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動的どうてきそらりょく弾性だんせいは、そらりょく弾性だんせい、および慣性かんせいりょくあいだ相互そうご作用さようである。動的どうてきそらりょく弾性だんせい現象げんしょうれいつぎのとおりである。

フラッター

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フラッターは、流体りゅうたい弾性だんせい構造こうぞう動的どうてき不安定ふあんていせいであり、弾性だんせいたいのたわみと流体りゅうたいながれがおよぼすちからとのあいだせいのフィードバックによってこされる。線形せんけいシステムでは、「フラッターポイント」とは、構造こうぞう単純たんじゅん調和ちょうわ運動うんどう正味しょうみ減衰げんすいがゼロとなるてんであり、減衰げんすいがさらに減少げんしょうすると、自己じこ発振はっしんにより最終さいしゅうてき障害しょうがい発生はっせいする。「正味しょうみ減衰げんすい」は、構造こうぞう自然しぜんせい減衰げんすいそらりょくまけ減衰げんすい合計ごうけいとして理解りかいできる。フラッターは2つのタイプに分類ぶんるいできる。ハードフラッターでは、正味しょうみ減衰げんすい急激きゅうげき減少げんしょうし、フラッターポイントに非常ひじょうちかくなる。ソフトフラッターでは、正味しょうみ減衰げんすい徐々じょじょ現象げんしょうする[8]

水中すいちゅうでは、フォイルのピッチ慣性かんせい流体りゅうたい外接がいせつシリンダーの質量しつりょう一般いっぱんにはひくすぎて、バイナリフラッターが発生はっせいしない。これは、もっと単純たんじゅんなピッチとヒーブフラッターの安定あんていせい決定けってい要因よういん明確めいかくかいしめされている[9]

タコマきょうがフラッタにより崩壊ほうかいする映像えいぞう

つばさつばさ、さらには煙突えんとつはしなどの空気くうきりょくさらされる構造こうぞうぶつは、フラッターをけるために既知きちのパラメーターない注意深ちゅういぶか設計せっけいされている。空気くうき力学りきがく構造こうぞう機械きかいてき特性とくせい両方りょうほう完全かんぜん理解りかいされていない複雑ふくざつ構造こうぞうでは、詳細しょうさいなテストによってのみフラッターをふせぐことができる。航空機こうくうき質量しつりょう分布ぶんぷまたは1つのコンポーネントの剛性ごうせい変更へんこうすることでさえ、一見いっけん無関係むかんけいそらりょくコンポーネントにフラッターをこす可能かのうせいがある。フラッタの軽微けいびなものは、航空機こうくうき構造こうぞう振動しんどうとしてられるが、深刻しんこく場合ばあい、フラッタは急速きゅうそく成長せいちょうして、航空機こうくうき深刻しんこく損傷そんしょうこす[10]。ブラニフフライト542、またはVLミルスキー戦闘せんとうのプロトタイプではこのようなフラッタによる破壊はかいこった。有名ゆうめいれいでは、タコマきょうそらりょく弾性だんせいフラッタの結果けっかとして破壊はかいされた[11]

そらりょく制御せいぎょ弾性だんせい

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場合ばあいによっては、フラッター関連かんれん構造こうぞう振動しんどう防止ぼうしまたは制限せいげんするのに役立やくだ自動じどう制御せいぎょシステムが実証じっしょうされている[12]

プロペラフラッター

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プロペラフラッターは、回転かいてんするプロペラの空気くうき力学りきがくてきおよび慣性かんせい効果こうかと、支持しじするナセル構造こうぞう剛性ごうせいともなう、フラッターの特殊とくしゅなケースである。プロペラとエンジンサポートのピッチとヨーの自由じゆうふく動的どうてき不安定ふあんていせい発生はっせいし、プロペラのとし運動うんどう不安定ふあんていになることがある[13]。エンジンサポートの故障こしょうにより、1959ねんにブラニフフライト542で2だいのロッキードL-188エレクトラに、そして1960ねんにノースウエストオリエントエアライン710フライトでプロペラフラッタが発生はっせいした[14]

遷音そくそらりょく弾性だんせい

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遷音そく領域りょういきでは、ながれは非常ひじょう非線形ひせんけいであり、衝撃波しょうげきはががともなう。このような領域りょういきでの飛行ひこうは遷音そくマッハすう飛行ひこうする航空機こうくうきにとって不可欠ふかけつである。衝撃波しょうげきは役割やくわりは、最初さいしょホルトアシュレイによって分析ぶんせきさた[15]。フラッタ速度そくど飛行ひこう速度そくどちかづく「遷音そくディップ」としてられる現象げんしょうは、1976ねん5がつラングレー研究けんきゅうセンターのファーマーとハンソン[16]によって報告ほうこくされた。

バフティング

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NASA HARV F/A-18つばさうず崩壊ほうかいによってこされたフィンのバフェッティング

バフェッティングは、ある物体ぶったいからべつ物体ぶったい衝突しょうとつする気流きりゅう分離ぶんりまたは衝撃波しょうげきは振動しんどうによってこされる高周波こうしゅうは不安定ふあんていせいである。これは急激きゅうげき負荷ふか増加ぞうか原因げんいんでおこるランダムな強制きょうせい振動しんどうである。一般いっぱんに、つばさ下流かりゅう空気くうきながれにより、航空機こうくうき構造こうぞう尾翼びよく影響えいきょうあたえる[よう出典しゅってん]

バフェッティング検出けんしゅつ方法ほうほうつぎのとおりである。

  1. 圧力あつりょく係数けいすう[17]
  2. こうえんでの圧力あつりょく発散はっさん
  3. マッハすうもとづくのちえんからの分離ぶんり計算けいさん
  4. 垂直すいちょくりょく変動へんどう発散はっさん

予測よそく対策たいさく

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エルロンからたフラッタをおさえるためのおもり

1950 - 1970ねんに、AGARDはそらりょく弾性だんせい問題もんだい解決かいけつ検証けんしょう使用しようされるプロセスと数値すうちかいのテストに使用しようできる標準ひょうじゅんてきれい詳述しょうじゅつしたそらりょく弾性だんせいマニュアルを開発かいはつした。[18]

そらりょく弾性だんせいには、外部がいぶ空気くうき力学りきがくてき荷重かじゅうとその変化へんか仕方しかただけでなく、航空機こうくうき構造こうぞう減衰げんすい質量しつりょう特性とくせいふくまれる。予測よそくには、航空機こうくうき構造こうぞう動的どうてき特性とくせいあらわすように調整ちょうせいされたバネとダンパーによって接続せつぞくされた一連いちれん質量しつりょうとして航空機こうくうき数学すうがくモデル作成さくせいすることによりなされる。モデルには、くわえられた空気くうきりょく詳細しょうさいとそれらの変化へんか仕方しかたふくまれる。

このモデルを使用しようしてフラッターのしょうじるパラメータ範囲はんい予測よそくし、必要ひつようであればテストにより潜在せんざいてき問題もんだい修正しゅうせいできる。慎重しんちょう設計せっけいのもとに質量しつりょう分布ぶんぷ局所きょくしょ構造こうぞう剛性ごうせいちいさな変更へんこうは、そらりょく弾性だんせい問題もんだい解決かいけつ非常ひじょう効果こうかてきである。

線形せんけい構造こうぞうのフラッターを予測よそくする方法ほうほうには、pほう、kほう、pkほうがある[7]

非線形ひせんけいシステムの場合ばあい、フラッターは通常つうじょうリミットサイクル振動しんどう(LCO)として解釈かいしゃくされ、動的どうてきシステム方法ほうほう使用しようして、フラッターが発生はっせいする速度そくど決定けっていできる[19]

メディア

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これらのビデオはアクティブそらりょく弾性だんせいつばさNASA-空軍くうぐん共同きょうどう研究けんきゅうで、エルロンやフラップなどの従来じゅうらい制御せいぎょ方式ほうしきにより柔軟じゅうなんつばさのねじれを誘発ゆうはつすることで、遷音そくおよびちょう音速おんそく航空機こうくうき操縦そうじゅうせい向上こうじょうさせる可能かのうせい調しらべる実験じっけんである。

顕著けんちょそらりょく弾性だんせい破損はそん

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脚注きゃくちゅう

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  1. ^ a b Bisplinghoff, R. L., Ashley, H. and Halfman, H., Aeroelasticity. Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6.
  2. ^ a b AeroSociety Podcast”. 2020ねん8がつ11にち閲覧えつらん
  3. ^ Theodore von Kármán (1967) The Wind and Beyond, page 155.
  4. ^ Ernest Edwin Sechler and L. G. Dunn (1942) Airplane Structural Analysis and Design from Internet Archive.
  5. ^ E. E. Sechler (1952) Elasticity in Engineering.
  6. ^ Collar, A. R. (1978). “The first fifty years of aeroelasticity”. Aerospace 5: 12–20. 
  7. ^ a b c Hodges, D. H. and Pierce, A., Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity, Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5.
  8. ^ G. Dimitriadis, University of Liège, Aeroelasticity: Lectrue 6: Flight testing.
  9. ^ “Binary Flutter as an Oscillating Windmill – Scaling & Linear Analysis”. Wind Engineering 37. (2013). http://multi-science.metapress.com/content/c553k773504m276x/?p=b99b20fe0d14408b9a01c901c4c31c05&pi=3. 
  10. ^ Visual demonstration of flutter which destroys an RC aircraft - YouTube.
  11. ^ a b The adequacy of comparison between flutter in aircraft aerodynamics and Tacoma Narrows Bridge case is discussed and disputed in Yusuf K. Billah, Robert H. Scanian, "Resonance, Tacoma Bridge failure, and undergraduate physics textbooks"; Am. J. Phys. 59(2), 118–124, February 1991.
  12. ^ Control of Aeroelastic Response: Taming the Threats”. 2020ねん8がつ11にち閲覧えつらん
  13. ^ Reed. “Review of propeller-rotor whirl flutter”. Nasa. 2019ねん11月15にち閲覧えつらん
  14. ^ Lessons Learned From Civil Aviation Accidents”. 2019ねん12月14にち閲覧えつらん
  15. ^ Holt Ashley. "Role of Shocks in the "Sub-Transonic" Flutter Phenomenon", Journal of Aircraft, Vol. 17, No. 3 (1980), pp. 187–197.
  16. ^ Farmer, M. G. and Hanson, P. W., "Comparison of Super-critical and Conventional Wing Flutter Characteristics", NASA TM X-72837.
  17. ^ Golestani, A. (2014). “An experimental study of buffet detection on supercritical airfoils in transonic regime”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 
  18. ^ Manual on Aeroelasticity - Subject and author Index”. 2019ねん12月14にち閲覧えつらん
  19. ^ Tang, D. M. (2004). “Effects of geometric structural nonlinearity on flutter and limit cycle oscillations of high-aspect-ratio wings”. Smart Materials and Structures 19 (3): 291–306. Bibcode2004JFS....19..291T. doi:10.1016/j.jfluidstructs.2003.10.007. 
  20. ^ Kepert, J. L. (1993). Aircraft Accident Investigation at ARL-The first 50 years (PDF) (Report). Defence Science and Technology Organisation.

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Bisplinghoff、RL、Ashley、H。およびHalfman、H。、 そらりょく弾性だんせい 。 ドーバーサイエンス、1996、 ISBN 0-486-69189-6 ページ
  • Dowell、EH、 そらりょく弾性だんせい現代げんだいコースISBN 90-286-0057-4 ISBN   90-286-0057-4
  • Fung、YC、 そらりょく弾性だんせい理論りろん紹介しょうかい 。 ドーバー、1994、 ISBN 978-0-486-67871-9
  • Hodges、DH and Pierce、A.、 Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity 、Cambridge、2002、 ISBN 978-0-521-80698-5
  • ライト、JRおよびクーパー、JE、 航空機こうくうきそらりょく弾性だんせい荷重かじゅう紹介しょうかい 、Wiley 2007、 ISBN 978-0-470-85840-0
  • Hoque、ME、「Active Flutter Control」、 LAP Lambert Academic Publishing 、ドイツ、2010ねんISBN 978-3-8383-6851-1
  • 首輪くびわ、AR、「そらりょく弾性だんせい最初さいしょの50ねん」、Aerospace、vol。 5、いいえ。 2、pp。   1978ねん12月20にち
  • Garrick、IEおよびReed WH、「航空機こうくうきフラッターの歴史れきしてき発展はってん」、Journal of Aircraft、vol。 18、pp。   897〜912、1981ねん11月。
  • Patrick R. Veillette (Aug 23, 2018). 「低速ていそくビュッフェ:こう高度こうどで遷音そくトレーニングの弱点じゃくてんつづく」 。 ビジネス&商業しょうぎょう航空こうくう航空こうくう週間しゅうかんネットワーク。

関連かんれん項目こうもく

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外部がいぶリンク

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