ANSYS提供了幾乎涵蓋飛艇設計過程所有方面的各種工具
圖1 飛艇
無人駕駛飛機對情報、監視和偵察（ISR）應用具有眾多潛在優勢，如：威脅識別與記錄、反恐、邊境安全、港口安全以及損失預防等。但是，在許多情況下，無人駕駛飛機并不可行，比如因為不符合法規或安全要求；其有限的有效載荷無法容納所需監視設備；或者其滯空時間不足以完成任務。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充無人駕駛飛機：這種飛行器所面臨的法規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，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任務的成功與效率。與上一代產品——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，并且帶來一系列搭載與操作改進。40E進行了大量的設計變更。例如，提高飛艇有效載荷需要提高氦容量以及升級推進系統和起落架。Aeros的工程師從設計之初就采用了ANSYS多物理場仿真工具，與以前的設計方法相比，40E交付時間加快了6~12個月——大約縮短了40%的時間。
AEROS開發最先進的LTA飛艇
傳統的設計方法
在進行公司上一代40D SkyDragon飛艇設計時，工程師采用手工計算方法建立基本設計參數，如：評估空氣動力學流型，確定襟翼安裝位置，以及確定發動機尺寸。工程師認為采用當時的工具執行仿真需要大量時間，因而不適合在概念設計階段使用。在暫時確定了基本設計參數之后，工程師采用包括計算流體力學（CFD）和有限元分析（FEA）在內的仿真工具對推薦的概念設計進行更詳細的評估。
圖2 40D SkyDragon飛艇
當Aeros開始設計40E飛艇時，公司決定充分發揮仿真軟件在此期間所取得的進步優勢。仿真工具經過改進現在已經能夠以快得多的速度模擬推薦設計方案的行為和迅速迭代各種設計備選方案，而無需工程師手動模擬每種推薦的設計方案。
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，首先是因為ANSYS具有經過驗證的技術，因而相關成果能夠同時獲得Aeros工程師和現有客戶的認可。其次，ANSYS可以在統一個環境下，提供幾乎涵蓋飛艇設計過程所有方面的各種工具——包括空氣動力學、靜態與動態結構分析、信號與電源完整性等。這種產品廣度支持在不同仿真類型之間輕松傳輸數據以及運行整合了多種仿真類型的自動仿真過程，從而有助于節省時間。
圖4 對40E飛艇的CFD仿真可以證明方向升降舵沖角與偏轉氣流的影響
Aeros的工程管理人員決定從設計過程開始時就采用仿真技術。他們采用ANSYS Fluent CFD評估新型飛艇的空氣動力學。工程師在72~96個小時（包括建模與求解時間）內大約用了24個工時就完成了完整飛艇的詳細空氣動力學仿真。通過空氣動力學仿真獲得的壓力值可用作ANSYS Mechanical中的邊界條件，以評估40E眾多系統與組件的機械性能。工程師在設計過程中的不同階段采用ANSYS DesignXplorer快速迭代整個設計空間和選擇最有可能達到規定設計目標的備選方案。與以前的手動計算相比，仿真能夠對設計備選方案的性能做出更加精確的預估。在設計過程早期采用仿真技術可更快發現和解決問題，從而節約時間與資金。
新型起落架的設計
40E Sky Dragon的新型起落架是如何使用仿真技術的很好例證。通過在起飛過程中為飛行員提供實時靜升力數據，起落架現在能夠提高性能、安全性和操作授權，同時改進后的減震力控制能夠確保更平穩的降落。飛艇的飛行管理系統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。起落架另外也進行了升級，以應對更重的新飛艇。
圖5 40E飛艇起落架的結構分析指出一系列降落條件下最關鍵的應力區域
圖6 沖擊橋（起落架組件）設計迭代的靜態仿真
剛體動力學
工程師采用ANSYS剛體動力學模塊模擬起落架中的結構組件、彈簧、減震器和輪胎。通過重現滿載飛艇降落過程的跌落試驗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行了一系列剛體動力學仿真。為了調節彈簧與減震器，對仿真進行了迭代。采用一系列不同性能特征評估了各個設計迭代，如：最小的推進器/離地間隙、各點載荷以及降落過程中輪胎彈離地面的次數與高度。
結構分析
剛體動力學模塊算出的載荷可用作ANSYS Mechanical的邊界條件，從而對單獨組件進行結構分析。采用空氣動力學仿真結果作為邊界條件實施了其它ANSYS Mechanical仿真。工程師針對眾多組件采用DesignXplorer尋找符合結構與功能要求的最輕設計。盡管40E比40D重得多，不過仿真能夠在不提高應力水平的情況下降低眾多關鍵部件的重量，從而實現整體重量減輕。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，從而使重量降低了40%。
Aeros的工程師在大約6周內執行了數百次系統級和組件級仿真。最終得到的起落架設計能夠滿足各種設計要求，而且非常接近上一代起落架的總重量。此時創建了新起落架設計的原型；其性能符合仿真結果，誤差不超過±10%。原型通過了跌落試驗和所有其它必需的測試，而且未進行進一步的大幅修改就應用到40E中。
預計節省了6個多月的時間
Aeros的工程師估計如果是采用公司以前的設計方法設計起落架，則做好原型的準備工作就需要至少4個月的時間。此外，他們估計至少需要重復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，起落架設計可節約8.5~20.5個月的時間。同時還大量節省了工程和原型構建方面的費用。
Aeros的工程師相信，與40D的設計方法相比，仿真能夠顯著降低40E眾多組件的重量。這些節約能夠降低制造成本，同時也可以在飛艇使用過程中為Aeros的客戶節省燃料。制造方面的節約可能會比原型構建過程中的節約多很多倍。
在設計其它40E Sky Dragon系統的過程中也實現了類似幅度的節約。Aeros的工程師估計，與以前采用的設計方法相比，在設計過程中更多地應用仿真使40E的上市時間縮短6到12個月。第一架40E正在建造之中，預計2015年下半年完工。其在獲得聯邦航空管理局的型號認證之后即可投入使用。
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本文標題：ANSYS 多物理場軟件加快產品研發速度
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