東北大学と上智大学の両者は1月22日、近年増加している炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を用い空気抵抗を低減した航空機の主翼のうち、大きくたわむため通常の線形数値解析を用いた予測ではその変形を正確に捉えることができなかった、高アスペクト比で細長い形状のものについて、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することで、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たことを共同で発表した。
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わかったことも併せて発表された。
同成果は、東北大 流体科学研究所のLiu Yajun学術研究員、同・阿部圭晃准教授、東北大大学院 工学研究科の伊達周吾大学院生(研究当時)、同・岡部朋永教授、上智大 理工学部の長嶋利夫教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、航空宇宙分野に関する全般を扱う学術誌「Aerospace Science and Technology」に掲載された。
これまでの航空機の材料には主に金属が使われてきたが、近年は軽量・高剛性・高強度という特性を持つCFRPが使用される割合が増えている。しかし、CFRPは炭素繊維と樹脂を組み合わせた複雑な複合材料であり、内部で生じる数μmの破壊現象が数十mの主翼全体に及ぼす影響の予測は、まだ完全ではないとのこと。しかし航空機の実寸での実験や飛行試験は容易ではないため、主翼の性能を予測する別の手段が求められていたのである。
こうした場合に有効な手段が数値解析であり、航空機の設計開発においてもそれを活用したデジタルツインの実現が期待されている。脱炭素化に資する輸送機器の性能向上の観点からも、デジタルツインを活用した革新的な次世代機の開発が期待されるが、複合材が有するさまざまな特性を活かした主翼設計を数値的に行う手法はまだ研究途上だ。そのため、空気力学・構造力学・破壊力学で記述される複数の物理現象を横断的に扱い、かつ設計へと結びつけるフレームワークを構築する重要性が高まっているという。