折り畳み翼機構の Bees アルゴリズムを使用したバネパラメータの最適化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21913 (2022) この記事を引用

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この研究では、ミサイルに使用される折り畳み翼機構のねじりバネと圧縮バネの設計が最適化問題として考慮されています。 ミサイルが管から離れた後、閉じた状態で待機している翼を開いて一定時間内に固定する必要があります。 研究の目的は、バネに蓄えられるエネルギーを最大化し、翼を最小限の時間で開くことができるようにすることです。 これに関連して、両方の出版物におけるエネルギー方程式は、最適化プロセスの目的関数として定義されています。 ばね設計に必要な線径、巻き径、巻き数、たわみパラメータを最適化変数として決定しました。 機構の寸法による変数の幾何学的制約があり、また、ばねが受ける負荷による安全率の制約もあります。 Bees アルゴリズム (BA) を使用して、この最適化問題を解決し、スプリング設計を実行しました。 BA で得られたエネルギー値は、以前の実験計画法 (DOE) 研究で得られた値よりも優れていました。 最適化によって得られたパラメータを使用して設計されたバネと機構は、まず ADAMS プログラムで解析されます。 その後、製作したバネを実際の機構に組み込んで実験を行いました。 実験の結果、翼が約90msで開くことが確認されました。 この値は、プロジェクト目標の 200 ミリ秒を大幅に下回っています。 さらに、解析結果と実験結果の間には 16 ミリ秒の差しかありません。

航空機や船舶では、折り畳み機構には重要な役割があります。 これらのシステムは、航空機のモーフィングや飛行性能と制御を向上させるための改造作業に使用されます。 飛行モードに応じて、空力効果を軽減するために、翼はさまざまな方法で折りたたまれたり再び開かれたりします1。 この状況は、一部の鳥や昆虫の通常の飛行や潜水中の羽の動きに例えることができます2。 同様に、グライダーは水中乗り物内で折りたたんだり展開したりして、流体力学的影響を軽減し、走行性能を最大限に高めます3。 この機構のもう 1 つの役割は、保管中や輸送中にヘリコプターのプロペラを折りたたむなど、システムに容積上の利点を提供することです4。 ミサイルの翼も折りたたまれて収納スペースが削減されます。 このようにして、より多くのミサイルを発射装置システムのより狭い領域に配置できるようになります5。 折りたたんだり展開したりする際に効果的に使用されるコンポーネントは通常、バネです。 折り畳む瞬間にエネルギーが蓄えられ、展開する瞬間に放出されます。 柔軟な構造のおかげで、エネルギーの貯蔵と放出は等しくなります。 ばねは主にシステム用に設計されており、この設計は最適化問題です6。 なぜなら、線径、巻き取り直径、巻き数、ねじれ角、材料の種類などのさまざまな変数が含まれる一方で、質量、体積、応力分布の最小化、または最大エネルギーを持つなどの基準も存在するからです7。

この研究は、ミサイルシステムで使用される折り畳み可能な翼機構のバネの設計と最適化を明らかにしました。 飛行前に発射管内にある間、翼はミサイルの表面上で折り畳まれたままであり、発射管から出た後、特定の時間内に翼が開き、表面に固定されたままになります。 このプロセスはミサイルが正しく機能するために重要です。 今回設計した折り畳み機構では、翼の開き動作はねじりバネによって行われ、ロック動作は圧縮バネによって行われる。 適切なばねを設計するには、最適化プロセスを実行する必要があります。 文献には、バネの最適化の範囲内でさまざまな応用例が記載されています。

Paredes et al.8 は、コイルばね設計の目的関数として最大疲労寿命係数を最大化することを決定し、最適化方法として準ニュートン法を使用しました。 最適化における変数は、ワイヤーの直径、コイルの直径、巻き数、およびスプリングの長さとして決定されました。 ばねの設計におけるもう 1 つのパラメータは、その製造に使用される材料です。 したがって、設計および最適化の研究で考慮されます。 Zebdi et al.9 は、重量係数が重要な研究において、目的関数に最大剛性と最小重量の目標を設定しました。 彼らは、この文脈における変数として、ばねの材質と幾何学的特性を決定しました。 彼らは最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用しました。 自動車では、材料の重量は、車両の性能から燃費まで、さまざまな分野で効果を発揮します。 サスペンションに使用されるコイルスプリングを最適化して重量を最小限に抑えることは有名な研究です10。 Bakhshesh と Bakhshesh11 は、ANSYS 環境での作業における変数として E ガラス、カーボン、ケブラーなどの材料を決定し、サスペンション スプリングのさまざまな複合設計の中で最小重量と最大張力容量を目指しました。 複合バネの設計には製造プロセスが不可欠です。 したがって、最適化問題では、製造方法、プロセス中に実行されるステップ、およびこれらのステップの順序などのさまざまな変数が影響します12、13。 動的システム用に設計されたばねでは、システムの固有振動数を考慮する必要があります。 共振を避けるために、ばねの最初の固有振動数をシステムの固有振動数より少なくとも 5 ～ 10 倍大きくすることが推奨されます 14。 Taktak et al.7 は、コイルばね設計の目的関数として、ばねの質量を最小化し、第 1 固有振動数を最大化することを選択しました。 彼らは、Matlab 最適化ツールのパターンサーチ、内点、アクティブ セット、および遺伝的アルゴリズム手法を使用しました。 ばね設計検討の一環として解析検討があり、この分野では有限要素法が普及している15。 Patil et al.16 は、解析プロセスを使用して圧縮コイルばねの重量を軽減する最適化手法を開発し、有限要素法で解析方程式を確認しました。 ばねの有用性を高めるもう 1 つの基準は、ばねが蓄えるエネルギーを増やすことです。 この状況により、スプリングが長期間にわたってその有用性を維持することも保証されます。 Rahul と Rameshkumar17 は、自動車で使用される螺旋コイル スプリングの設計において、スプリングの体積を削減し、ひずみエネルギーを増加させることを目的としていました。 彼らは最適化の研究でも遺伝的アルゴリズムを使用しました。