Hawkmoth Manduca sextaの6-dofフライトダイナミクスと安定性分析のためのマルチボディアプローチ

このペーパーでは、2つの翼を含むすべての身体セグメントの慣性テンソルを変化させる時間の影響を含むマルチボディダイナミクスアプローチを使用して、6つの自由度（6-DOF）飛行ダイナミクスとホークモスマンダカセクスタの安定性を調査します。Flapping Wingsの準定常翻訳および非定常回転空力は、関連する実験研究から派生した空力係数を使用して、ブレード要素理論でモデル化されています。空力は、ウィングビートサイクル平均化なしに、各統合時間ステップで瞬時に与えられます。HawkmothのMultibody Dynamic Modelと空力モデルを使用すると、完全に結合された6-Dof非線形マルチボディダイナミクス方程式の直接的な時間統合が実行されます。最初に、各単一のDOFの受動的減衰の大きさは、初期速度の半分（THALF）に採用された時間の尺度で定量的に調べられます。結果は、サイドスリップの翻訳が他の2つの翻訳DOFよりも約3回減衰していないことを示しており、ピッチの回転は他の2つの回転DOFよりも約5回減衰していません。各DOFには（Wingbeatストロークの単位）の値があります：Thalf、Forward/Backward = 7.10、Thalf、Sidellip = 17.95、Thalf、Ascending = 7.13、Thalf、Descending = 5.77、Thalf、Roll = 0.68、Thalf、Pitch = 2.399、およびthalf、yaw = 0.25。第二に、ホバリング飛行を基準平衡条件として、自然の動きモードは、複数の力とモーメント障害の組み合わせによって誘導される完全に結合された6-dof動的応答を分析することにより調べられます。与えられた妨害の組み合わせは、関連する固有モード分析研究で特定された動的モードを励起するように設定されています。この研究から得られた6-dof動的応答は、関連する研究で固有モード分析結果と比較されます。動きの縦方向のモードは、関連する文献からの固有モード分析と同様の動的モーダル特性を示しました。しかし、運動の横方向のモードは、より複雑な挙動を明らかにしました。これは、主に外側飛行状態の結合効果と、運動の横方向と縦方向の平面間の結合効果によるものです。ホバリングホークモスの飛行不安定性の主な原因は、結合された前方/後方速度とピッチレートから成長した縦方向の不安定性、または結合した横滑り速度とロール速度から成長した横方向の不安定性のいずれかとして調べられます。

This paper investigates the six degrees of freedom (6-DOF) flight dynamics and stability of the hawkmoth Manduca sexta using a multibody dynamics approach that encompasses the effects of the time varying inertia tensor of all the body segments including two wings. The quasi-steady translational and unsteady rotational aerodynamics of the flapping wings are modeled with the blade element theory with aerodynamic coefficients derived from relevant experimental studies. The aerodynamics is given instantaneously at each integration time step without wingbeat-cycle-averaging. With the multibody dynamic model and the aerodynamic model for the hawkmoth, a direct time integration of the fully coupled 6-DOF nonlinear multibody dynamics equations of motion is performed. First, the passive damping magnitude of each single DOF is quantitatively examined with the measure of the time taken to half the initial velocity (thalf). The results show that the sideslip translation is less damped approximately three times than the other two translational DOFs, and the pitch rotation is less damped approximately five times than the other two rotational DOFs; each DOF has the value of (unit in wingbeat strokes): thalf,forward/backward = 7.10, thalf,sideslip = 17.95, thalf,ascending = 7.13, thalf,descending = 5.77, thalf,roll = 0.68, thalf,pitch = 2.39, and thalf,yaw = 0.25. Second, the natural modes of motion, with the hovering flight as a reference equilibrium condition, are examined by analyzing fully coupled 6-DOF dynamic responses induced by multiple sets of force and moment disturbance combinations. The given disturbance combinations are set to excite the dynamic modes identified in relevant eigenmode analysis studies. The 6-DOF dynamic responses obtained from this study are compared with eigenmode analysis results in the relevant studies. The longitudinal modes of motion showed dynamic modal characteristics similar to the eigenmode analysis results from the relevant literature. However, the lateral modes of motion revealed more complex behavior, which is mainly due to the coupling effect in the lateral flight states and also between the lateral and longitudinal planes of motion. The main sources of the flight instability of the hovering hawkmoth are examined as either the longitudinal instability grown from the coupled forward/backward velocity and the pitch rate, or the lateral instability grown from the coupled sideslip velocity and the roll rate.