平成14年度工学設計Ⅲプロジェクト水中翼を用いたソーラーボートの

平成16年度
水中翼船の６自由度の
走行シミュレーション
指導教授：増山豊教授
宇野雅彦
発表内容
•
•
•
•
•
•
水中翼船について
シミュレーションについて
運動方程式と計算式
直進状態の実験結果との比較
旋回状態の実験結果との比較
結言
水中翼走行について
水中翼の揚力
により艇体を水面
から浮上させる。
↓
造波抵抗を
減らすことができる。
↓
高速・高効率化
が可能となる。
Golden Eagleについて
• 2枚の水中翼を用いた水中翼船である。
艇体の概要図
• 全質量=艇体質量(60kg)+乗員質量
前翼制御について
• 滑走板、もしくはハイト
センサを用いる。
• 滑走板は、水面位置に
より上下する。
• ハイトセンサは、高さを
測定し、ステッピング
モータで前翼を動かす。
シミュレーションの計算方法
• Excelのシート上で入力・出力を行う。
• ＶＢＡによりプログラムを実行する。
• ６自由度の運動方程式を用い、
４次ルンゲクッタ法により求めている。
６自由度と運動方程式
mu  qw  rv  = X
mv  ru  pw  = Y
mw  pv  qu  = Z
I xx p  I zx r  pq   I yy  I zz qr =L


I yy q  I zx r 2  p 2  I zz  I xx rp = M
I zz r  I zx  p  qr   I xx  I yy  pq = N
右辺の項目
•
•
•
•
•
•
水中翼
ストラット
船体の浮力
船体の抵抗
プロペラ推力
プロペラギアボックス
と寄生抵抗
• 重量による力
水中翼
•
•
•
•
(ⅰ)自由表面の影響
(ⅱ)水面変化による迎角変化の影響
(ⅲ)有限幅複葉翼係数
(ⅳ)ロールなどによる影響
25
19
16
S8
22
heave
13
10
7
4
450.0
400.0
350.0
300.0
250.0
Buoyancy [kg]
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
1
浮上高さとピッチ角による浮力の変化
S1
pitch
プロペラ推力曲線について
• 耐久用
5deg:KT=-0.0678J2+0.1302J+0.07
計測値+5deg
設計点
近似値
0.20
KT
0.16
0.12
0.08
0.04
0.00
0.0
0.5
1.0
1.5
Advance ratio J
2.0
2.5
入力の項目
• 船の諸元
• プロペラ回転数
[実測値を時間間隔ごとに]
• 前ストラット(舵)の角度
[実測値を時間間隔ごとに]
実験結果との比較
• 直進状態では、
実測値のプロペラ回転数を入力し、
舵角は0[deg]で、計算した。
• それぞれ0.05秒間隔である。
Input Revolution of Propeller
Simulated Propeller Thrust
600
400
350
300
400
250
300
200
150
200
100
100
50
0
0
0
5
10
15
20
25
Time [s]
30
35
40
Thrust [N]
Revolution [rpm]
500
5
4
Pitch angle [deg]
3
2
1
Measured
Simulated
0
-1
0
10
20
30
40
-2
-3
-4
Time [s]
0.35
0.30
0.20
Measured
Simulated
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
0
10
20
30
40
Time [s]
9
Linear Velocity [m/s]
Heave [m]
0.25
8
7
6
5
4
3
Measured
Simulated
2
1
0
0
10
20
Time [s]
30
40
旋回運動のシミュレーション
実験結果との比較
• 旋回状態では、
実測値の舵角を入力した。
プロペラ回転数は一定である。
• それぞれ0.05秒間隔である。
操縦者の操作
• スピードのコントロール
↓
• プロペラ回転数
予測(安定する姿勢)と
今の状態(主にロール)
から計算して求める．
• 旋回半径とバランス
↓
• 舵の角度
• 横方向の乗員の重心
移動
舵が船体ロール角に及ぼす影響
Ｘ
Lift
δ
Φ
C.G
Z
Rudder Angle [deg]
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10
5
10
15
20
25
30
35
40
Time [s]
20
roll angle [deg]
15
10
Mesured
Simulated
5
0
0
10
20
-5
-10
time [sec]
30
40
100
Measured
50
Simulated Input
Rudder
Measured per 5 sec
0
-50
0
-50
50
100
Input Rudder per 5
sec
結言
• 直進状態ではほぼ一致した値となった．
• 旋回状態については実際の値よりも大きく旋
回するようになった．
• 全体的な船の動きについては，シミュレーショ
ンと実験の姿勢などの変化は同じような傾向
である．
以上です。
ご清聴ありがとうございました。
1
Rudder Angle [deg]
0
-1 0
10
20
30
40
50
60
40
50
60
-2
-3
-4
-5
-6
-7
Time [s]
10
roll angle [deg]
5
0
0
10
20
30
-5
-10
-15
-20
time [sec]
Mesured
Simulated
100
50
0
-100
-50
0
-50
-100
50
100
Mesured
Simulated

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