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AcuSolve 熱流体解析
次世代有限要素法数値流体力学(CFD)ソルバー

AcuSolve 汎用熱流体解析ソルバー

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  AcuSolve 解析事例

【蝶型はばたきロボットの流体解析】

背景

小型はばたきロボットの開発が盛んにおこなわれている。 開発アプローチの1つとして、実際の蝶の動作機構を模倣することがおこなわれている。蝶型ロボットはばたき時の流体解析をおこなうことによって、蝶型ロボットの設計思想を得ることや、実際の蝶の飛行メカニズムを解明することが目的とされている。

※本解析は東京電機大学・藤川様との共同研究になります。

蝶型ロボットの例

モデル概要

モデル概要

  • 汎用熱流体解析ソフトAcuSolve及び機構解析ソフトMotionSolveを利用して、蝶型ロボットはばたき時の気流解析をおこなった。
  • 計算は、はばたき開始から翅の回転(flapping運動)が3周期するまでおこなった。
  • 蝶型ロボットの動作は実際の計測データをもとに、翅と胴体が回転する2軸回転運動とした。
  • 計算は3次元-非定常-非圧縮解析でおこなった。
  • 計算モデルは形状の対称性から1/2対称モデルとした。

モデル説明・計算条件

連成計算の概要

今回の計算では、HyperWorks内のソルバーである、汎用熱流体解析ソフトAcuSolve及び機構解析ソフトMotionSolveを使用しています。
計測データをもとに、蝶型ロボットはばたき時の動作をMotionSolveを利用した機構計算により再現します。
各タイムステップごとにMotionSolveからAcuSolveへ翅及び胴体の位置(速度)を受け渡し、これを利用してAcuSolveで流体計算を行います。(流速・圧力を求めます。)
これを全タイムステップで繰り返すことにより、蝶型ロボットはばたき時の流体計算を行う事ができます。

※今回の計算は、片方向連成(流れによって機構の動作を変化させることがない)ですが、双方向連成(流れによって機構の動作が変化する)ような計算も可能です。

動作曲線

図4.1に計算に使用した、蝶型ロボットの動作時刻歴を示します。
flapping運動は10[Hz]程度の周期運動であり、翅の最大打ち上げ時に80[deg]、最大打ち下ろし時に60[deg]となっています。
body pitch運動はflapping運動と位相誤差が約90[deg]となっています。
(おおむね、flapping角が最大(最小)の時にbody pitch角は最小(最大)となっています。)

動作曲線flapping運動body pitch運動

●解析結果

MotionSolveのアニメーション

図5.1 MotionSolveによる機構計算

揚力・推進力・モーメント

図5.2.に蝶型ロボットにかかる揚力・抗力・回転モーメントの時刻歴を示します。
なお、今回は1/2対称モデルで計算したため、フルモデルでは各物理量は2倍となります。

揚力抗力回転モーメント

AcuSolveのアニメーション

図5.3 流線アニメーション


まとめ

  • AcuSolveとMotonSolveの連成計算により、2軸回転のような、複雑な動作を含む計算を行うことができま 
    す。 (複雑な動作の例:オイルタンクを積んだトラックのブレーキ、魚の遊泳、など)
  • 蝶型ロボットにかかる揚力・抗力・回転モーメントを求めることができます。
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