JP7121650B2

JP7121650B2 - 荷重計算装置および航空機

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Publication number: JP7121650B2
Application number: JP2018236182A
Authority: JP
Inventors: 健佑吉村; 雅勝安部; 拓也中野
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2038-12-18
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Description

本発明は、荷重計算を行う荷重計算装置および航空機に関する。

航空機などを構成する部材の強度解析のため、有限要素法などが用いられる場合がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１３－１０９４４３号公報

上記の航空機に限らず、解析技術を用いて、外部荷重に対して生じる対象部材の内部荷重を導出する場合がある。また、対象部材の内部荷重の上限値から外部荷重の上限値を導出する場合がある。いずれの場合も計算負荷が高い処理となるため、これらの荷重の計算負荷を軽減する技術の開発が希求される。

本発明は、このような課題に鑑み、荷重の計算負荷を軽減することが可能な荷重計算装置および航空機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の荷重計算装置は、対象部材における集中荷重点に、互いに垂直な３軸のうちの１軸の軸方向に単位荷重が作用したとき、対象部材における対象点に作用する内部荷重を、集中荷重点および対象点に関連付けた第１係数として記憶し、集中荷重点に３軸のうちの１軸の軸方向周りの単位モーメントが作用したとき、対象点に作用する内部荷重を、集中荷重点および対象点に関連付けた第２係数として記憶する係数記憶部と、対象部材に作用する外部荷重を、集中荷重点に作用する６分力に置換した置換荷重および置換モーメントを導出する置換導出部と、対象部材に外部荷重が作用したとき、任意の対象点に作用する内部荷重を、第１係数と置換荷重の積、および、第２係数と置換モーメントの積の和として導出する内部荷重導出部と、を備える。

上記課題を解決するために、本発明の他の荷重計算装置は、対象部材における集中荷重点に、互いに垂直な３軸のうちの１軸の軸方向に単位荷重が作用したとき、対象部材における対象点に作用する内部荷重を、集中荷重点および対象点に関連付けた第１係数として記憶し、集中荷重点に３軸のうちの１軸の軸方向周りの単位モーメントが作用したとき、対象点に作用する内部荷重を、集中荷重点および対象点に関連付けた第２係数として記憶する係数記憶部と、対象点に作用する内部荷重の上限値、対象点に関連付けられた第１係数、第２係数から、対象点に関連付けられた集中荷重点に作用する外部荷重の上限値を導出する上限導出部と、を備える。

上記課題を解決するために、本発明の航空機は、上記荷重計算装置と、内部荷重が設定された上限値を超えないように飛行制御する飛行制御部と、を備える。

本発明によれば、荷重の計算負荷を軽減することが可能となる。

航空機の概略図である。対象部材の斜視図である。置換後の荷重である置換荷重を示す図である。置換後のモーメントである置換モーメントを示す図である。外部荷重と内部荷重の例を示す第１の図である。外部荷重と内部荷重の例を示す第２の図である。外部荷重と内部荷重の例を示す第３の図である。外部荷重と内部荷重の例を示す第４の図である。数式１の係数を説明するための図である。航空機および補助装置の機能ブロック図である。第１係数、第２係数を計算する予備処理の流れを示すフローチャートである。内部荷重導出処理の流れを示すフローチャートである。上限値導出処理の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、航空機１００の概略図である。ここでは、対象部材１１０として、航空機１００の主翼の一部を構成する部材を例に挙げて説明する。ただし、対象部材１１０は、航空機１００の主翼以外の部位を構成する部材であってもよいし、航空機１００以外のものを構成する部材であってもよい。

図２は、対象部材１１０の斜視図である。対象部材１１０（主翼）は所謂ＢＯＸ構造である。対象部材１１０に対し、互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の向きを、図示の通り定義する。すなわち、Ｘ軸は航空機１００の前後方向、Ｙ軸は対象部材１１０の長手方向、Ｚ軸は航空機１００の高さ方向とする。図２に示すように、例えば、対象部材１１０に対して、Ｚ軸方向の分布荷重が作用しているものとする。

図３は、置換後の荷重である置換荷重を示す図である。図４は、置換後のモーメントである置換モーメントを示す図である。図３に示すように、対象部材１１０において、複数の集中荷重点が設定される。ここでは、例えば、ＳＭＴ解析で用いられる基準軸（例えば、対象部材１１０のうち、Ｘ軸およびＺ軸方向の幅の中心であってＹ軸に平行な軸）上に、固定面１２０から順に、４つの集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４が設定される。ただし、集中荷重点は、この基準軸上に配されなくてもよい。また、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４は、４つに限られない。

それぞれの集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４について変位しない（固定されている）と仮定したときの図２に示す分布荷重に対する反力として、図３に示すように、それぞれの集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に作用する集中荷重（置換荷重Ｔ_１ｘ、Ｔ_１ｙ、Ｔ_１ｚ、置換荷重Ｔ_２ｘ、Ｔ_２ｙ、Ｔ_２ｚ、置換荷重Ｔ_３ｘ、Ｔ_３ｙ、Ｔ_３ｚ、置換荷重Ｔ_４ｘ、Ｔ_４ｙ、Ｔ_４ｚ）と、図４に示すように、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に作用するモーメント（置換モーメントＭ_１ｘ、Ｍ_１ｙ、Ｍ_１ｚ、置換モーメントＭ_２ｘ、Ｍ_２ｙ、Ｍ_２ｚ、置換モーメントＭ_３ｘ、Ｍ_３ｙ、Ｍ_３ｚ、置換モーメントＭ_４ｘ、Ｍ_４ｙ、Ｍ_４ｚ）が導出される。

図２に示す分布荷重は、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４それぞれに作用する６分力（上記の置換荷重および置換モーメント）に置換される。

図５は、外部荷重と内部荷重の例を示す第１の図である。図５に示すように、対象部材１１０の部位Ａに作用する外部荷重のＺ軸成分がａ［Ｎ］のとき、部位Ｂに作用する内部荷重のＸ軸成分がｂ［Ｎ］であるものとする。

図６は、外部荷重と内部荷重の例を示す第２の図である。図６に示すように、対象部材１１０の部位Ａに作用する外部荷重のＺ軸成分が２ａ［Ｎ］の外部荷重のとき、部位Ｂに作用する内部荷重のＸ軸成分は、２ｂ［Ｎ］となる。このように、対象となる部位Ａ、部位Ｂが同じであれば、外部荷重と内部荷重の比は等しくなる。

図７は、外部荷重と内部荷重の例を示す第３の図である。図７に示すように、対象部材１１０の部位Ｃに作用する外部荷重のＺ軸成分がｃ［Ｎ］のとき、部位Ｂに作用する内部荷重のＸ軸成分がｄ［Ｎ］であるものとする。

図８は、外部荷重と内部荷重の例を示す第４の図である。図８に示すように、対象部材１１０の部位Ａに作用する外部荷重のＺ軸成分が２ａ［Ｎ］、対象部材１１０の部位Ｃに作用する外部荷重のＺ軸成分がｃ［Ｎ］であるものとする。このとき、部位Ｂに作用する内部荷重のＸ成分は、２ｂ＋ｄ［Ｎ］となる。このように、複数の部位Ａ、部位Ｃの外部荷重が作用するとき、部位Ａへの外部荷重によって部位Ｂに生じる内部荷重と、部位Ｃへの外部荷重によって部位Ｂに生じる内部荷重の和が、部位Ｂに作用する。

ここでは、外部荷重がＺ軸成分、内部荷重がＸ軸成分の軸内部荷重（圧縮、引張）の場合を例に挙げて説明した。しかし、上記の性質は、外部荷重がＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分のそれぞれに関し、内部荷重がＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分の軸内部荷重のいずれの場合にも適用できる。また、上記の性質は、外部荷重がＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分のそれぞれに関し、内部荷重がＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面のせん断内部荷重のいずれの場合にも適用できる。

上記の性質を利用すると、対象部材１１０の任意の対象点に作用する内部荷重を数式に表すことができる。下記の数式１は、対象部材１１０の対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重Ｎｘを導出する式である。

…（数式１）

下記の数式２は、対象部材１１０の対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重Ｎｘｙを導出する式である。

…（数式２）

数式１、２において、添え字ｉは、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４の添え字に対応する。すなわち、ｎは１～４の値を取る。

数式１において、係数ＮｘａｉＴｘは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＸ軸方向の外部荷重が１［Ｎ］作用したとき（単位荷重が作用したとき）であり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。係数ＮｘａｉＴｘに、集中荷重点Ｓ_ｉにおいて実際に作用したＸ軸方向の置換荷重Ｔｉｘを乗算する。そうすると、上記の図５、図６で説明した性質により、置換荷重Ｔｉｘによって対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重が導出される。

同様に、数式１において、係数ＮｘａｉＴｙは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＹ軸方向の外部荷重が１［Ｎ］作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。係数ＮｘａｉＴｚは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＺ軸方向の外部荷重が１［Ｎ］作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。

図９は、数式１の係数ＮｘａｉＴｚを説明するための図である。図９に示すように、例えば、係数Ｎｘａ_２Ｔｚは、集中荷重点Ｓ_２にＴ_２ｚ＝１［Ｎ］の外部荷重（単位荷重）のみが作用したとき、対象点（部位Ｂ）に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。

数式１において、係数ＮｘａｉＭｘは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＸ軸周りのモーメントが１［Ｎ・ｍ］作用したとき（単位モーメントが作用したとき）であり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。係数ＮｘａｉＭｙは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＹ軸周りのモーメントが１［Ｎ・ｍ］作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。係数ＮｘａｉＭｚは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＺ軸周りのモーメントが１［Ｎ・ｍ］作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸ軸方向の軸内部荷重である。

対象点におけるＸ軸方向の軸内部荷重Ｎｘは、上記の図６、図７、図８で説明した性質により、数式１の各項の和として導出される。

また、数式２において、係数ＮｘｙａｉＴｘは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＸ軸方向の外部荷重が１Ｎ作用したとき（単位荷重が作用したとき）であり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重である。係数ＮｘｙａｉＴｘに、集中荷重点Ｓ_ｉにおいて実際に作用したＸ軸方向の置換荷重Ｔｉｘを乗算する。そうすると、上記の図５、図６で説明した性質により、置換荷重Ｔｉｘによって対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重が導出される。

係数ＮｘｙａｉＴｙは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＹ軸方向の外部荷重が１Ｎ作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重である。係数ＮｘｙａｉＴｚは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＸ軸方向の外部荷重が１Ｎ作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重である。

係数ＮｘｙａｉＭｘは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＸ軸周りのモーメントが１［Ｎ・ｍ］作用したとき（単位モーメントが作用したとき）であり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重である。係数ＮｘｙａｉＭｙは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＹ軸周りのモーメントが１［Ｎ・ｍ］作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重である。係数ＮｘｙａｉＭｚは、集中荷重点Ｓ_ｉにおいてＺ軸周りのモーメントが１［Ｎ・ｍ］作用したときであり、かつ、他に外部荷重（モーメント）が作用していない場合に、対象点に作用するＸＹ平面のせん断内部荷重である。

対象点におけるＸＹ平面のせん断内部荷重Ｎｘｙは、上記の図６、図７、図８で説明した性質により、数式２の各項の和として導出される。

ここでは、Ｘ軸方向の軸内部荷重ＮｘおよびＸＹ平面のせん断内部荷重Ｎｘｙについて説明した。Ｙ軸方向の軸内部荷重Ｎｙ、ＹＺ平面のせん断内部荷重Ｎｙｚ、Ｚ軸方向の軸内部荷重ＮｚおよびＺＸ平面のせん断内部荷重Ｎｚｘについても、Ｘ軸方向の軸内部荷重ＮｘおよびＸＹ平面のせん断内部荷重Ｎｘｙと同様の数式を用いることで導出可能である。

航空機１００では、数式１などの軸内部荷重を導出する計算式、および、数式２などのせん断内部荷重を導出する計算式を用いることで、計算負荷を軽減する。以下、数式１、２を用いた処理機構について詳述する。

図１０は、航空機１００および補助装置２００の機能ブロック図である。図９に示すように、航空機１００は、荷重計算装置１７０、荷重センサ１９０、健全性診断装置１９２、飛行制御部１９４を備える。ここでは、荷重計算装置１７０が航空機１００に搭載される場合について説明するが、荷重計算装置１７０は、航空機１００以外のものに用いられてもよい。

荷重計算装置１７０は、係数記憶部１７２、外部荷重推定部１７４、置換導出部１７６、内部荷重導出部１７８、上限導出部１８０を備える。ここでは、補助装置２００が荷重計算装置１７０と別体に設けられる場合について説明するが、補助装置２００が荷重計算装置１７０に含まれてもよい。補助装置２００は、航空機１００に搭載されてもよい。

補助装置２００は、有限要素法により荷重解析を行う前処理として、対象部材１１０のモデルデータを複数のセルに分割する。補助装置２００は、対象部材１１０のモデルデータに対し、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４を設定する。補助装置２００は、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に、互いに垂直な３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のうちの１軸の軸方向に単位荷重が作用したとき、対象部材１１０における対象点に作用する内部荷重を導出する（単位荷重解析）。ここで、対象点は、複数のセルのうちの任意のセルである。補助装置２００は、すべてのセルに関して、単位荷重解析を行う。

そして、補助装置２００は、導出された内部荷重を、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４および対象点に関連付けた第１係数とする。ここで、第１係数は、Ｘ軸方向の軸内部荷重ＮｘおよびＸＹ平面のせん断内部荷重Ｎｘｙに関する上記の数式１、２の係数ＮｘａｉＴｘ、ＮｘａｉＴｙ、ＮｘａｉＴｚ、ＮｘｙａｉＴｘ、ＮｘｙａｉＴｙ、ＮｘｙａｉＴｚを含む。

また、数式１、２に対応する、Ｙ軸方向の軸内部荷重Ｎｙ、ＹＺ平面のせん断内部荷重Ｎｙｚ、Ｚ軸方向の軸内部荷重ＮｚおよびＺＸ平面のせん断内部荷重Ｎｚｘに関する数式において、係数ＮｘａｉＴｘ、ＮｘａｉＴｙ、ＮｘａｉＴｚ、ＮｘｙａｉＴｘ、ＮｘｙａｉＴｙ、ＮｘｙａｉＴｚに対応する係数ＮｙａｉＴｘ、ＮｙａｉＴｙ、ＮｙａｉＴｚ、ＮｙｚａｉＴｘ、ＮｙｚａｉＴｙ、ＮｙｚａｉＴｚ、係数ＮｚａｉＴｘ、ＮｚａｉＴｙ、ＮｚａｉＴｚ、ＮｚｘａｉＴｘ、ＮｚｘａｉＴｙ、ＮｚｘａｉＴｚも、第１係数に含まれる。

補助装置２００は、対象部材１１０における集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に、互いに垂直な３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のうちの１軸の軸方向周りの単位モーメントが作用したとき、対象点に作用する内部荷重を導出する（単位モーメント解析）。補助装置２００は、すべてのセルに関して、単位モーメント解析を行う。

そして、補助装置２００は、導出された内部荷重を、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４および対象点に関連付けた第２係数とする。ここで、第２係数は、Ｘ軸方向の軸内部荷重ＮｘおよびＸＹ平面のせん断内部荷重Ｎｘｙに関する上記の数式１、２の係数ＮｘａｉＭｘ、ＮｘａｉＭｙ、ＮｘａｉＭｚ、ＮｘｙａｉＭｘ、ＮｘｙａｉＭｙ、ＮｘｙａｉＭｚを含む。

また、数式１、２に対応する、Ｙ軸方向の軸内部荷重Ｎｙ、ＹＺ平面のせん断内部荷重Ｎｙｚ、Ｚ軸方向の軸内部荷重ＮｚおよびＺＸ平面のせん断内部荷重Ｎｚｘに関する数式において、係数ＮｘａｉＴｘ、ＮｘａｉＴｙ、ＮｘａｉＴｚ、ＮｘａｉＭｘ、ＮｘａｉＭｙ、ＮｘａｉＭｚに対応する係数ＮｙａｉＴｘ、ＮｙａｉＴｙ、ＮｙａｉＴｚ、ＮｙｚａｉＭｘ、ＮｙｚａｉＭｙ、ＮｙｚａｉＭｚ、係数ＮｚａｉＴｘ、ＮｚａｉＴｙ、ＮｚａｉＴｚ、ＮｚｘａｉＭｘ、ＮｚｘａｉＭｙ、ＮｚｘａｉＭｚも、第２係数に含まれる。

また、補助装置２００は、対象部材１１０のモデルデータとして、正常な状態の他に、部分的な劣化、欠損がある場合のものについても、上記の処理を行い、第１係数、第２係数を導出する。劣化、欠損の部位、大きさなどには、種々のパターンがある。補助装置２００は、例えば、想定される多数のパターンについて、第１係数、第２係数を導出する。補助装置２００は、劣化、欠損がある部位に対応するモデルデータ上のセルを切り欠いたり、計算上の剛性を低下させたりするなどして、劣化、欠損を反映させる。ただし、補助装置２００は、対象部材１１０に劣化、欠損のある場合については、第１係数、第２係数を導出しなくてもよい。

係数記憶部１７２は、補助装置２００が導出した、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４および対象点に関連付けた第１係数、第２係数を記憶する。すなわち、係数記憶部１７２は、いずれかの集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に作用した、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの任意の軸方向の単位荷重、または、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの任意の軸周りの単位モーメントによって、対象部材１１０の任意のセルに作用する、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの任意の軸内部荷重、または、ＸＹ平面、ＹＸ平面、ＺＸ平面のうちの任意のせん断内部荷重を記憶する。

外部荷重推定部１７４は、荷重センサ１９０の出力、または、航空機１００の進行方向、速度、風向、風速などの外部条件などに基づいて、対象部材１１０に作用する外部荷重を推定する。荷重センサ１９０は、例えば、対象部材１１０近傍に設けられる。ただし、外部荷重推定部１７４は、外部荷重を推定できれば、他の入力情報に基づいて外部荷重を推定してもよい。

置換導出部１７６は、上記の図２、図３、図４で説明したように、分布荷重などの外部荷重を、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４それぞれに作用する６分力（置換荷重および置換モーメント）に置換する。

内部荷重導出部１７８は、対象部材１１０に外部荷重が作用したとき、任意の対象点に作用する内部荷重を、第１係数と置換荷重の積、および、第２係数と置換モーメントの積の和として導出する。すなわち、内部荷重導出部１７８は、上記の数式１、２などの６つの式を用いて、対象部材１１０の任意の対象点における内部荷重を導出する。このとき、内部荷重導出部１７８は、係数記憶部１７２から、対象点、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に対応する第１係数、第２係数を読み出して用いる。

また、対象部材１１０のいずれかの対象点には、内部荷重の上限値が設定される場合がある。内部荷重の上限値は、係数記憶部１７２に記憶される。上限値は、すべての対象点に設けられてもよいし、特に破損し易いと推定される１または複数の対象点にのみ設けられてもよい。

この場合、上限導出部１８０は、対象点に作用する内部荷重の上限値、対象点に関連付けられた第１係数、第２係数から、同じく、その対象点に関連付けられた集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に作用する外部荷重の上限値を導出する。具体的に、上限導出部１８０は、１つの対象点につき、上記の数式１、２などの６つの式に、内部荷重に上限値を代入し、さらに、対応する第１係数、第２係数を代入する。導出された数式に対し、数値解析により近似的に外部荷重を導出する。導出された外部荷重が、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に作用する外部荷重の上限値となる。

健全性診断装置１９２は、例えば、対象部材１１０に設置されたセンサ（例えば、光ファイバセンサ、歪センサなど）により、対象部材１１０の歪み（応力）など、測定対象となる物理量を常時、または、所定周期で測定する。健全性診断装置１９２は、測定結果から、対象部材１１０の健全性を診断する。健全性診断装置１９２は、例えば、対象部材１１０の部分的な劣化、欠損を検出する。

健全性診断装置１９２により、対象部材１１０の部分的な劣化、欠損が検出されると、内部荷重導出部１７８、上限導出部１８０は、検出された劣化、欠損に最も近いパターンの劣化、欠損が模擬されて導出された第１係数、第２係数を、係数記憶部１７２から読み出して用いる。

飛行制御部１９４は、対象点の内部荷重が設定された上限値を超えないように（対象部材１１０に与える負荷を抑制するように）、速度や飛行経路を設定するなどといった飛行制御を行う。内部荷重導出部１７８によって導出された内部荷重が上限値を超えている対象点がある場合、飛行制御部１９４は、対象点への負荷が抑制されるように、速度を要請したり急旋回を回避するなどの飛行制御を行う。

また、上限導出部１８０によって、外部荷重の上限値が導出されている場合、外部荷重の上限値を超えないようにすることで、結果的に、対象点の内部荷重が上限値を超えないように飛行制御することとなる。

上述したように、補助装置２００によって予め第１係数、第２係数が導出されて係数記憶部１７２に記憶されている。そのため、内部荷重導出部１７８、上限導出部１８０は、荷重（外部荷重の上限値、または、内部荷重）の導出に際し、計算負荷を低減することが可能となる。また、簡易な計算により迅速に荷重計算が行われるため、飛行制御に迅速に反映することが可能となる。

また、対象部材１１０の部分的な劣化、欠損に関しても、予め反映した種々のパターンで第１係数、第２係数が導出されている。そのため、内部荷重導出部１７８、上限導出部１８０は、荷重（外部荷重の上限値、または、内部荷重）の導出に際し、計算負荷を低減することが可能となる。また、実際に、劣化、欠損が検出されたときも、簡易な計算により迅速に荷重計算が行われるため、飛行制御に迅速に反映することが可能となる。

図１１は、第１係数、第２係数を計算する予備処理の流れを示すフローチャートである。図１１に示す処理は、航空機１００の飛行前に予め行われる。ただし、図１１に示す処理が、航空機１００の飛行中に行われてもよい。

図１１に示すように、補助装置２００は、対象部材１１０のモデルデータに対し、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４を設定する（Ｓ３００）。そして、補助装置２００は、処理未完の対象点があるか否かを判定する（Ｓ３０２）。処理未完の対象点がなければ（Ｓ３０２におけるＮＯ）、当該予備処理を終了する。処理未完の対象点があれば（Ｓ３０２におけるＹＥＳ）、Ｓ３０４に処理を移す。

補助装置２００は、処理未完の対象点を選択する（Ｓ３０４）。そして、補助装置２００は、処理未完の集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４があるか否かを判定する（Ｓ３０６）。処理未完の集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４がなければ（Ｓ３０６におけるＮＯ）、Ｓ３０２に処理を移す。処理未完の集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４があれば（Ｓ３０６におけるＹＥＳ）、Ｓ３０８に処理を移す。

補助装置２００は、処理未完の集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４を選択する（Ｓ３０８）。そして、補助装置２００は、選択された対象点、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に関し、単位荷重解析を行う（Ｓ３１０）。補助装置２００は、選択された対象点、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に関し、単位モーメント解析を行う（Ｓ３１２）。補助装置２００は、導出された単位荷重、単位モーメントを、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、対象点に関連付けて、係数記憶部１７２に記憶させ（Ｓ３１４）、Ｓ３０６に処理を移す。

図１２は、内部荷重導出処理の流れを示すフローチャートである。図１２に示す処理は、航空機１００の飛行中、所定周期で繰り返し実行される。また、図１２に示す処理は、健全性診断装置１９２により健全性診断の結果が更新されたことを契機に行われてもよい。

図１２に示すように、外部荷重推定部１７４は、対象部材１１０に作用する外部荷重を推定する（Ｓ３４０）。置換導出部１７６は、係数記憶部１７２から集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４の座標を読み出す（Ｓ３４２）。置換導出部１７６は、対象部材１１０のモデルデータにおいて、推定された外部荷重を集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４それぞれに作用する６分力（置換荷重および置換モーメント）に置換する（Ｓ３４４）。

内部荷重導出部１７８は、対象点、集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に対応する第１係数、第２係数を読み出す（Ｓ３４６）。内部荷重導出部１７８は、読み出した第１係数、第２係数、および、置換荷重、置換モーメントにより、上記の数式１、２などの６つの式を用いて、対象点に作用する内部荷重を導出する（Ｓ３４８）。Ｓ３４６、Ｓ３４８において、対象点は、すべての対象点が選択されてもよいし、操作入力により選択された部位近傍の対象点が選択されてもよい。

図１３は、上限値導出処理の流れを示すフローチャートである。図１３に示す処理は、航空機１００の飛行中、所定周期で繰り返し実行される。また、図１３に示す処理は、健全性診断装置１９２により健全性診断の結果が更新されたことを契機に行われてもよい。

上限導出部１８０は、係数記憶部１７２から内部荷重の上限値を読み出す（Ｓ３６０）。上限導出部１８０は、係数記憶部１７２から、内部荷重の上限値が設定された対象点に関連付けられた第１係数、第２係数を読み出す（Ｓ３６２）。上限導出部１８０は、その対象点に関連付けられた集中荷重点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４に作用する外部荷重の上限値を、数式１、２などの６式により導出する（Ｓ３６４）。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、対象部材１１０が航空機１００の主翼である場合について説明したが、これに限られない。対象部材１１０は、例えば、空気力のような分布荷重が種々の条件で作用する部材であってもよい。

また、上述した実施形態では、航空機１００（荷重計算装置１７０）には、内部荷重導出部１７８、上限導出部１８０の双方が設けられる場合について説明した。しかし、航空機１００（荷重計算装置１７０）には、内部荷重導出部１７８、上限導出部１８０の一方のみが設けられればよい。

また、上述した実施形態では、飛行制御部１９４が設けられる場合について説明した。この場合、飛行制御により、対象部材１１０の劣化や欠損の進行が抑制可能となる。しかし、飛行制御部１９４は必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、健全性診断装置１９２が設けられる場合について説明した。この場合、人員による検査を行わずとも、対象部材１１０の劣化や欠損の検出が容易に可能となる。しかし、健全性診断装置１９２は必須の構成ではない。

本発明は、荷重計算を行う荷重計算装置および航空機に利用することができる。

１００航空機
１１０対象部材
１７０荷重計算装置
１７２係数記憶部
１７６置換導出部
１７８内部荷重導出部
１８０上限導出部
１９４飛行制御部
Ｍ_１ｘ、Ｍ_２ｘ、Ｍ_３ｘ、Ｍ_４ｘ、Ｍ_ｉｘ置換モーメント
Ｎｘａ_２Ｔｚ係数
Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_ｉ集中荷重点
Ｔ_１ｘ、Ｔ_２ｘ、Ｔ_３ｘ、Ｔ_４ｘ、Ｔ_ｉｘ置換荷重

Claims

対象部材における集中荷重点に、互いに垂直な３軸のうちの１軸の軸方向に単位荷重が作用したとき、前記対象部材における対象点に作用する内部荷重を、前記集中荷重点および前記対象点に関連付けた第１係数として記憶し、前記集中荷重点に前記３軸のうちの１軸の軸方向周りの単位モーメントが作用したとき、前記対象点に作用する内部荷重を、前記集中荷重点および前記対象点に関連付けた第２係数として記憶する係数記憶部と、
前記対象部材に作用する外部荷重を、前記集中荷重点に作用する６分力に置換した置換荷重および置換モーメントを導出する置換導出部と、
前記対象部材に前記外部荷重が作用したとき、任意の前記対象点に作用する内部荷重を、前記第１係数と前記置換荷重の積、および、前記第２係数と前記置換モーメントの積の和として導出する内部荷重導出部と、
を備える荷重計算装置。
対象部材における集中荷重点に、互いに垂直な３軸のうちの１軸の軸方向に単位荷重が作用したとき、前記対象部材における対象点に作用する内部荷重を、前記集中荷重点および前記対象点に関連付けた第１係数として記憶し、前記集中荷重点に前記３軸のうちの１軸の軸方向周りの単位モーメントが作用したとき、前記対象点に作用する内部荷重を、前記集中荷重点および前記対象点に関連付けた第２係数として記憶する係数記憶部と、
前記対象点に作用する前記内部荷重の上限値、前記対象点に関連付けられた前記第１係数、前記第２係数から、前記対象点に関連付けられた前記集中荷重点に作用する外部荷重の上限値を導出する上限導出部と、
を備える荷重計算装置。
請求項１または２に記載の前記荷重計算装置と、
前記内部荷重が設定された上限値を超えないように飛行制御する飛行制御部と、
を備える航空機。