上智大學等開發降低飛機主翼之空氣抵抗力和結構重量的設計手法

碳纖維強化塑膠（Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP）是一種輕巧且堅固的複合材料，可通過碳纖維和樹脂的組合實現各種強度特性。近年來CFRP作為飛機材料，廣泛被傳統金屬飛機難以實現的高展弦比（較長較窄）主翼所採用，從而降低空氣阻力。另一方面，高展弦比的細長主翼會產生很大的撓曲，因此使用常規線性數值分析進行變形預測無法準確捕捉主翼的變形狀況。

對此，上智大學理工學部和東北大學的流體科學研究所、大學院工學研究科等團隊，建構了一個以最小化複合材料主翼的空氣阻力和結構重量為目標的多目標優化框架，找出可以同時平衡減少空氣阻力和結構重量的主翼形狀數值。研究也發現如果採用基於現有線性分析的設計，主翼可能會承受比預期更大的力量，從而導致潛在的危險。具體而言，通過採用能夠準確預測較大變形狀態的幾何非線性分析，來分析最佳的主翼形狀。在多目標優化中，將高展弦比的主翼空氣阻力和結構重量的最小化作為目標函數，顯示了空氣阻力降低的同時最佳結構重量會增加的數值趨勢。據此了解到與傳統線性分析的設計，僅需略為增加結構重量。並且越是大面積的高展弦比主翼，其主翼上下厚度分布產生的變化也可以被解出來。本研究是全球第一個針對複合材料主翼的結構設計進行幾何非線性解析並確認詳細效果的研究。

資料來源：上智大學（2025年1月22日）

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