ANSYS提供了幾乎涵蓋飛艇設(shè)計(jì)過程所有方面的各種工具

圖1 飛艇

    無人駕駛飛機(jī)對情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）應(yīng)用具有眾多潛在優(yōu)勢，如：威脅識別與記錄、反恐、邊境安全、港口安全以及損失預(yù)防等。但是，在許多情況下，無人駕駛飛機(jī)并不可行，比如因?yàn)椴环�合法�?guī)或安全要求；其有限的有效載荷無法容納所需監(jiān)視設(shè)備；或者其滯空時間不足以完成任務(wù)。比空氣輕（LTA）的飛艇又稱為軟式飛艇，其越來越多地用于替代或補(bǔ)充無人駕駛飛機(jī)：這種飛行器所面臨的法規(guī)與安全問題要少得多，能夠攜帶更多更大的有效載荷，而且滯空時間更長。

    Worldwide Aeros Corp的40E Sky Dragon是最新型LTA平臺，其配備多載荷支架系統(tǒng)，而且具有人員要求更少、以及地面覆蓋范圍更大的靈活性，從而支持ISR任務(wù)的成功與效率。與上一代產(chǎn)品——2007年投入使用的40D Sky Dragon飛艇相比，40E可以提供更大的有效載荷，并且?guī)�來一系列搭載與操作改進(jìn)。40E進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)變更。例如，提高飛艇有效載荷需要提高氦容量以及升級推進(jìn)系統(tǒng)和起落架。Aeros的工程師從設(shè)計(jì)之初就采用了ANSYS多物理場仿真工具，與以前的設(shè)計(jì)方法相比，40E交付時間加快了6~12個月——大約縮短了40%的時間。

AEROS開發(fā)最先進(jìn)的LTA飛艇

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

    在進(jìn)行公司上一代40D SkyDragon飛艇設(shè)計(jì)時，工程師采用手工計(jì)算方法建立基本設(shè)計(jì)參數(shù)，如：評估空氣動力學(xué)流型，確定襟翼安裝位置，以及確定發(fā)動機(jī)尺寸。工程師認(rèn)為采用當(dāng)時的工具執(zhí)行仿真需要大量時間，因而不適合在概念設(shè)計(jì)階段使用。在暫時確定了基本設(shè)計(jì)參數(shù)之后，工程師采用包括計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和有限元分析（FEA）在內(nèi)的仿真工具對推薦的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行更詳細(xì)的評估。

圖2 40D SkyDragon飛艇

    當(dāng)Aeros開始設(shè)計(jì)40E飛艇時，公司決定充分發(fā)揮仿真軟件在此期間所取得的進(jìn)步優(yōu)勢。仿真工具經(jīng)過改進(jìn)現(xiàn)在已經(jīng)能夠以快得多的速度模擬推薦設(shè)計(jì)方案的行為和迅速迭代各種設(shè)計(jì)備選方案，而無需工程師手動模擬每種推薦的設(shè)計(jì)方案。

圖3 對40E飛艇的CFD仿真可以顯示控制面上的湍流行為以及飛艇后面的尾流

    Aeros之所以選擇ANSYS仿真軟件，首先是因?yàn)锳NSYS具有經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，因而相關(guān)成果能夠同時獲得Aeros工程師和現(xiàn)有客戶的認(rèn)可。其次，ANSYS可以在統(tǒng)一個環(huán)境下，提供幾乎涵蓋飛艇設(shè)計(jì)過程所有方面的各種工具——包括空氣動力學(xué)、靜態(tài)與動態(tài)結(jié)構(gòu)分析、信號與電源完整性等。這種產(chǎn)品廣度支持在不同仿真類型之間輕松傳輸數(shù)據(jù)以及運(yùn)行整合了多種仿真類型的自動仿真過程，從而有助于節(jié)省時間。

圖4 對40E飛艇的CFD仿真可以證明方向升降舵沖角與偏轉(zhuǎn)氣流的影響

    Aeros的工程管理人員決定從設(shè)計(jì)過程開始時就采用仿真技術(shù)。他們采用ANSYS Fluent CFD評估新型飛艇的空氣動力學(xué)。工程師在72~96個小時（包括建模與求解時間）內(nèi)大約用了24個工時就完成了完整飛艇的詳細(xì)空氣動力學(xué)仿真。通過空氣動力學(xué)仿真獲得的壓力值可用作ANSYS Mechanical中的邊界條件，以評估40E眾多系統(tǒng)與組件的機(jī)械性能。工程師在設(shè)計(jì)過程中的不同階段采用ANSYS DesignXplorer快速迭代整個設(shè)計(jì)空間和選擇最有可能達(dá)到規(guī)定設(shè)計(jì)目標(biāo)的備選方案。與以前的手動計(jì)算相比，仿真能夠?qū)υO(shè)計(jì)備選方案的性能做出更加精確的預(yù)估。在設(shè)計(jì)過程早期采用仿真技術(shù)可更快發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而節(jié)約時間與資金。

新型起落架的設(shè)計(jì)

    40E Sky Dragon的新型起落架是如何使用仿真技術(shù)的很好例證。通過在起飛過程中為飛行員提供實(shí)時靜升力數(shù)據(jù)，起落架現(xiàn)在能夠提高性能、安全性和操作授權(quán)，同時改進(jìn)后的減震力控制能夠確保更平穩(wěn)的降落。飛艇的飛行管理系統(tǒng)可以主動控制減震器的減震特性。起落架的高度有所增加，以加大推進(jìn)器與地面之間的間隙，從而提高地勤人員的安全性。起落架另外也進(jìn)行了升級，以應(yīng)對更重的新飛艇。

圖5 40E飛艇起落架的結(jié)構(gòu)分析指出一系列降落條件下最關(guān)鍵的應(yīng)力區(qū)域

圖6 沖擊橋（起落架組件）設(shè)計(jì)迭代的靜態(tài)仿真

剛體動力學(xué)

    工程師采用ANSYS剛體動力學(xué)模塊模擬起落架中的結(jié)構(gòu)組件、彈簧、減震器和輪胎。通過重現(xiàn)滿載飛艇降落過程的跌落試驗(yàn)可以確定起落架的最大載荷。工程師以各種速度和接近角對飛艇降落進(jìn)行了一系列剛體動力學(xué)仿真。為了調(diào)節(jié)彈簧與減震器，對仿真進(jìn)行了迭代。采用一系列不同性能特征評估了各個設(shè)計(jì)迭代，如：最小的推進(jìn)器/離地間隙、各點(diǎn)載荷以及降落過程中輪胎彈離地面的次數(shù)與高度。

結(jié)構(gòu)分析

    剛體動力學(xué)模塊算出的載荷可用作ANSYS Mechanical的邊界條件，從而對單獨(dú)組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。采用空氣動力學(xué)仿真結(jié)果作為邊界條件實(shí)施了其它ANSYS Mechanical仿真。工程師針對眾多組件采用DesignXplorer尋找符合結(jié)構(gòu)與功能要求的最輕設(shè)計(jì)。盡管40E比40D重得多，不過仿真能夠在不提高應(yīng)力水平的情況下降低眾多關(guān)鍵部件的重量，從而實(shí)現(xiàn)整體重量減輕。例如，40D中一個厚度為0.5英寸的部件降低到0.25英寸多一點(diǎn)，從而使重量降低了40%。

    Aeros的工程師在大約6周內(nèi)執(zhí)行了數(shù)百次系統(tǒng)級和組件級仿真。最終得到的起落架設(shè)計(jì)能夠滿足各種設(shè)計(jì)要求，而且非常接近上一代起落架的總重量。此時創(chuàng)建了新起落架設(shè)計(jì)的原型；其性能符合仿真結(jié)果，誤差不超過±10%。原型通過了跌落試驗(yàn)和所有其它必需的測試，而且未進(jìn)行進(jìn)一步的大幅修改就應(yīng)用到40E中。

預(yù)計(jì)節(jié)省了6個多月的時間

    Aeros的工程師估計(jì)如果是采用公司以前的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)起落架，則做好原型的準(zhǔn)備工作就需要至少4個月的時間。此外，他們估計(jì)至少需要重復(fù)2個甚至3個原型迭代，而且每次迭代都需要6個月的時間。因此，起落架設(shè)計(jì)可節(jié)約8.5~20.5個月的時間。同時還大量節(jié)省了工程和原型構(gòu)建方面的費(fèi)用。

    Aeros的工程師相信，與40D的設(shè)計(jì)方法相比，仿真能夠顯著降低40E眾多組件的重量。這些節(jié)約能夠降低制造成本，同時也可以在飛艇使用過程中為Aeros的客戶節(jié)省燃料。制造方面的節(jié)約可能會比原型構(gòu)建過程中的節(jié)約多很多倍。

    在設(shè)計(jì)其它40E Sky Dragon系統(tǒng)的過程中也實(shí)現(xiàn)了類似幅度的節(jié)約。Aeros的工程師估計(jì)，與以前采用的設(shè)計(jì)方法相比，在設(shè)計(jì)過程中更多地應(yīng)用仿真使40E的上市時間縮短6到12個月。第一架40E正在建造之中，預(yù)計(jì)2015年下半年完工。其在獲得聯(lián)邦航空管理局的型號認(rèn)證之后即可投入使用。

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