37

3 次元デジタル設計造形コンテストに関する研究―平成 26 年度 課題：フライング・プレーン―
岡本 周平*・田丸 将也*・森本 智博*・瀬濤 喜信*

A study on the 3D digital design modeling contest－A challenge of the flying plane in 2014－
Shuhei Okamoto* , Masaya Tamaru* , Tomohiro Morimoto* andYoshinobu Seto*
Abstract
The Yuge National College of Maritime Technology joined in the Japan College of Technology Design
Competition in 2014. There are four categories in the competition, which are the spatial design, thestructural design, the environmental design and the 3D digital design modeling contest. We participatedin the 3D digital design modeling contest for the first time. Our ranking order is the 10th out of 35 teams.
This paper shows how to design a plane and its carriage. The plane is designed by the PPsim which is thesimulator for the paper plane. The product of a flight distance and duration is maximized by using thePPsim.

１．緒言

２． 大会ルール

今年度の課題は「フライング・プレーン」である．メイ
全国高等専門学校デザインコンペティション（通称：デザコン）はロボットコンテスト，プログラミ ンテーマ「よりそう」に関連して風や空力を利用して飛ぶングコンテストとならぶ高専生のための大会である．プレーンを作製する．3DCAD を用いモデリング・解析を行
デザコンの始まりは，昭和52年(1977)に明石高専 い，3D プリンタで造形したプレーンを用いて競技を行う．と米子高専の建築学科で行われた研究交流シンポジ 作製したプレーンと台車を用いて，図2-1 のようなすべりウムである．平成16年(2004)から主催は高等専門学 台を滑走させた後プレーンを離陸させる．離陸直前にプレ校連合会となり，デザインの領域を「人が生きる生 ーンと台車を切り離し，離陸直後にすべり台の下から送風活環境を構成するための総合的技術」と捉え直し建 機の風を送ってプレーンを舞い上がらせ，プレーンの飛行築学科の枠を超えた全国の高専全体で取り組む「全 距離と滞空時間を競う．さらに，設計コンセプトやCAE 解
国高等専門学校デザインコンペティション」へと変 析に関するプレゼンテーションによって設計技術力を競化した．デザコンは高度な実践的技術教育を受けて う．なお，プレーンと台車は ABS 樹脂を用いて 3D プリンいる高専生が日頃の教育の成果を生かし生活環境関 タで製作する．またプレーンと台車のABS 樹脂の総体積は連のデザインや設計等を行うイベントで，高専が目 150 cm3以下，造形時のABS 樹脂製各部品の外形寸法は，100指す創造性と実践力に富む人材の育成に寄与するこ mm×200 mm×200 mm 以下とされ，このような制限のもとプレーンと台車を設計する．とを目的に開催されている[1]．
本校では2014年に八代で開催された第11回大会に初めて出場した．メインテーマは「よりそう」である．4部門あるなかの一つである3次元デジタル造形コンテストに挑戦した電子機械工学科5年生の取り組みと成果について，プレーンと台車の設計を中心に報告する．

*電子機械工学科

平成 26 年 11 月 30 日受理

38
弓削商船高等専門学校

紀要

第 37 号（平成 27 年）

図 2-1 すべり台

図 3-2 PPSim による設計画面

３．プレーンの設計

PPsim で計算された飛行機の各パーツ形状を 3DCADで設計した．また，3DCAD を用いてプレーン落下時の強度評価を行った．強度評価はプレーンが 1800 mm の高さから落下し，機首が地面と衝突したときを想定して行った．これにより飛行機の胴体部分の軽量化と落下に対する十分な強度を両立することができた（図3-3）．
このプレーン 2 号機（図3-4）はバラストを含めて 13gと大きく軽量化することができた．滞空時間より飛行距離を重視して重心位置は主翼翼根長の 50%より機首よりに設定している．プレーン 2 号機の仕様を表 3-1に示す．

プレーンは出場までに 2 台の試作機を作製し，実験した．まず図3-1 に示すプレーン1 号機を作製した.この1 号機は約3m しか飛ばなかった．1 号機の質量は52 g であり，自重に対する翼面積が不足していることが原因と考えられる．
そこで軽量化を図るため，紙飛行機型で作成することにした．紙飛行機型で作成するにあたって，PPSim という紙飛行機フライトシミュレータソフトを用いた（図3-2）．このPPSim が計算する飛行距離と滞空時間の積が最大になるように主翼形状を含む飛行機形状を設計した．

図 3-3 胴体部分の強度評価
図 3-1 プレーン 1 号機

39
3 次元デジタル設計造形コンテストに関する研究

図 3-4 プレーン 2 号機

表 3-1 プレーン仕様

主翼水平尾翼垂直尾翼

展開長350 mm

翼根翼弦長70 mm

翼端翼弦長40 mm

上反角15°

展開長70 mm

翼根翼弦長30 mm

翼端翼弦長10 mm

展開長15 mm

翼根翼弦長30 mm

翼端翼弦長10 mm

験を重ねプレーンの基本形状が固まりつつあった．そこで問題となっていた打ち出し速度向上のために台車が衝突した際のエネルギーを有効に使用することを考えた．台車の持つ運動エネルギーをてこを利用したアームを回転させ，そのアームを使用してプレーンを打ち出す構造を考案した（図 4-2）
．回転軸やスライド構造をどのように実現するかが問題となった．車軸はルール上車軸以外の用途への使用が可能だっため，車軸を最大限活用できる構造を採用し，さらにすべり台のストッパーに衝突後台車がすべり台から落下しないよ
うに台車のフレームをストッパーより低く設計した．
これらの構造によりプレーンの打ち出し速度が 30km/h 程度となり十分な打ち出し速度を実現することができた．また，安定したプレーンの飛行のためにプレーンの打ち出し角度を地面に平行に設定し，その実現のためにプレーンの主翼を左右で支える構造を採用した．この構造により，プレーンの打ち出し角度を地面に平行にできただけでなく，すべり台を台車が滑走中にプレーンが脱落するというトラブルも防ぐことができた．

４． 台車の設計
最初に設計・製作した台車は台車の持つ位置エネルギーのみをプレーンに伝えるような構造である（図4-1）．プレーンの脚部を台車上部に摩擦力のみで固定しており，台車がすべり台のストッパーに衝突するとプレーンが慣性力でスライドし台車と分離し離陸する．
このような構造のため台車の最終速度とプレーンの初速度が等しくなり，実験の結果プレーンが打ち出される速度は 10km/h 程度であることがわかった．十分な
図 4-2 台車 2 号機
飛行距離と滞空時間の実現にはプレーンの打ち出し速度は速ければ速いほどよいと考えられるが，限られたさらに，ストッパーとの衝突に耐えつつ，より軽量時間のなかで設計・製作するために，初期段階におい化を図るために強度評価を行った（図4-3）．衝突部がて台車は可能な限りシンプルな構造を採用した．
高さ 700 mm から垂直落下したときを想定したシミュ
レーションを行った．これにより，衝突部がストッパーに衝突しても壊れない十分な強度を確保することができた．

図 4-1 台車 1 号機台車１号機を用いて多くの飛行実

40
弓削商船高等専門学校紀要

第 37 号（平成 27 年）

新光社 (2013).

図 4-3 衝突部強度評価

５．結言
今回我々は，風を利用したプレーンと，そのプレーンを打ち出す台車を設計・製作した．特にプレーンの設計においては，3DCAD の 強度評価シミュレーションと PPsim を用いた CAE で設計時間を大幅に短縮することができた．台車においては，高速にプレーンを打ち出すことができた反面，打ち出し角度において安定性を欠くこととなった．これは，プレーンを打ち出す際にアームとプレーンの摩擦力が問題となっていると推察される．
今後の研究課題として，・安定した打ち出し機構をもつ台車の設計・迎え角を考慮したプレーンの設計・揚力を補うことのできる水平尾翼の設計などが挙げられる．これらの研究を進めていくことで，更なる飛行距離と滞空時間の向上を図りたいと考えている．
参考文献[1] 谷上 欣也：高専デザコンの取り組みと成果, サレジオ工業高等専門学校研究紀要 35, 1-4, (2009)[2] 近藤 次郎：『飛行機はなぜ飛ぶか 空気力学の眼より』 ，講談社ブルーバックス (1993).
[3] 小林 昭夫：『紙ヒコーキで知る飛行の原理 身近に学ぶ航空力学』 ， 講談社ブルーバックス (1988).
[4] 金田 徹：『3 次元 CAE ツール[COSMOS シリーズ]による SolidWorks アドオン解析ツール利用入門』 ，技術評論社 (2008).
[5] 二宮 康明：『日本で生まれ育った高性能紙飛行機 その設計・製作・飛行技術のすべて』 ，誠文堂