设计仿真 | 海克斯康助力eVTOL革命：多学科仿真技术引领空中交通新时代

作为未来空中交通产业的核心细分领域，eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，电动垂直起降飞行器）已成为全球最热门的赛道，吸引了包括初创公司、航空巨头、出行服务商和汽车制造商在内的数百家企业竞相布局。中国在该领域已涌现出一批具有代表性的创新企业。

出行作为人类社会生活的重要组成部分，在个人生活、经济发展和社会结构中发挥着关键作用。纵观历史，从步行、马车到蒸汽机车、汽车和飞机，每一次交通工具的革命都深刻重塑了人类出行方式与社会结构，推动着社会进步。如今，汽车虽已成为最普及的地面交通工具，但其大规模使用也带来了诸多挑战：全球各大城市普遍面临交通拥堵问题——2019年英国司机平均拥堵时长达115小时，相当于损失了69亿英镑的潜在经济价值；同时，汽车排放导致的温室效应正威胁着人类生存环境，促使各国政府和企业积极落实低碳减排承诺。

在此背景下，随着城市化进程加快和人们对高效互联的需求提升，发展城市空中交通解决方案势在必行。eVTOL凭借电动推进系统和垂直起降能力，结合近年来快速发展的电储能技术、电机技术及分布式电推进系统（DEP），展现出绿色低碳、安全高效的优势，正成为未来城市空中交通（UAM）和区域运输的理想载体。摩根士丹利预测，全球UAM市场规模将在2040年突破1万亿美元，到2050年更将增长至9万亿美元。

与eVTOL相关的挑战分为三大：商业、技术和监管（符合法规），如下图所示。商业挑战是围绕商业运营、确保可行性和社会接受度的挑战。技术挑战关注与设计和工程相关的挑战，主要是产品的性能，包括安全性、可靠性、经济性、舒适性、动力性能等。监管挑战涉及认证和标准合规性以及运营政策和空域管理。

         

eVTOL面临的挑战

eVTOL研发面临的挑战主要是技术挑战。细分一下，有以下6个纬度：

1. 结构设计&轻量化：产品设计涉及零件、部件的结构性能，装配性能；先进材料的应用涉及材料的性能参数、许用值，缺陷影响，材料替换、材料生命周期管理；加工工艺包括增材制造工艺、成型工艺、焊接工艺以及热处理等，以及从材料到工艺、到部件、再到整机结构的完整性分析。

2. 气动弹性设计：气动弹性是结构和流体的耦合，是空中飞行器设计至关重要的考核内容。

3. 多体动力学：重点研究推进系统结构的运动及部件受力。

4. 推进和排放：主要从CFD领域分析流场和热。

5. 飞控和动力：涉及控制系统性能、控制策略、电子设备热管理和热机耦合等。

6. 噪声预测：分析舱内舱外噪声，优化声学处理措施，提高舒适性和符合环保要求。

             

eVTOL研发面临的挑战

开发eVTOL并不像将燃油车改装成电动车那样简单，围绕安全性和适航性还有其他的挑战和严格的标准需要应对。如可靠性（充电并进行最低限度的安全检查）、故障保护和系统冗余、eVTOL有更大的电力需求，需要设计更高的功率密度以实现轻量化和性能提升、还有高速度带来的工程挑战、推力和转子负载，这两种负载均是电动汽车所没有的。冷却要求，需确保冷却系统在高空以及俯仰和回转机动操作期间的有效性。所有这些都需要在产品认证前通过全面的测试加以验证。

关于eVTOL适航认证标准，目前主要有2个：1. 美国 FAA 认证。美国联邦航空局（FAA）对eVTOL的认证主要参考其对无人机和轻型飞机的认证标准，同时结合eVTOL的特殊性制定的新规则。FAA强调飞行器的冗余设计、故障容错能力和数据链路可靠性。2. 欧洲 EASA 认证。欧洲航空安全局（EASA）制定和发布了专门针对eVTOL的认证标准，重点关注飞行器的安全性、可靠性和环保性能。未来随着eVTOL技术的普及，可能会出现全球统一的认证标准，以简化跨国运营的流程。

02 海克斯康针对eVTOL研发挑战的解决方案            

海克斯康具有丰富的涉及多个学科的仿真解决方案，如结构、工艺、系统动力学、材料工程、自动驾驶、CFD、声学等。通过我们团队的合作，能够创建用于整机设计和分析一体化的解决方案。

海克斯康一体化组合解决方案

海克斯康的解决方案，涵盖了从部件到子系统、再到整机系统完整的解决方案。比如对动力系统的分析，从传动系统的设计数据，亦或加上电磁模型，建立Romax传动系统仿真模型，结合控制模拟，则可以进行转子动力学、瞬态响应、传动系统噪声预测、热分析、传动元件疲劳寿命，流体流动和空气动力学分析等。结构性能分析，由设计数据到CAD模型，建立FE分析模型，通过与多体动力学软件的联合，分析结构载荷、冲击载荷，进行结构强度的校核和优化，实现轻量化。在动力学系统和结构分析的基础上，进而进行整机分析，分析整机的空气动力学，舱内声学、航空声学、机身振动、零件疲劳等。

         

海克斯康对于eVTOL动力系统的解决方案，具体来说，涵盖了传动系统动力学仿真、动力元件结构分析、疲劳寿命分析、旋翼动力学仿真、噪声分析、空气动力学、冷却、润滑的热流分析，控制仿真，复合材料仿真建模和材料性能分析、材料管理等。利用海克斯康的方案和工具，可以应对eVTOL研发所面临的各种挑战，帮助你得到安全、高效、可靠、耐用、可持续、高功率和安静的动力系统的最佳设计。

         

海克斯康 eVTOL方案: 动力系统

海克斯康 eVTOL机身仿真方案，涵盖了从概念设计到整个生命周期的全过程。

         

海克斯康 eVTOL方案: 机身仿真

海克斯康 eVTOL解决方案，可以解决的具体问题如下：

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应用案例：德国Lilium公司，使用Actran软件全面分析飞行器噪声。

• 海克斯康 eVTOL解决方案为eVTOL 提供了产品设计和适航认证各级仿真工具。

         

• 海克斯康丰富的多学科仿真解决方案，从材料、工艺、结构、声学到系统动力学、CFD、自动驾驶等，为eVTOL产品提供了一体化的组合解决方案。

• 丰富的工程模拟软件可能会让你不知如何选择，尤其是对初创公司来说。从你想要回答的问题开始是很有帮助的，然后，我们可以帮助你在合适的领域使用合适的工具:

‐ 外载荷、颤振和动力稳定性

‐ 内部载荷，结构设计和轻量化

‐ 复合材料的强度与疲劳分析

‐ 空气动力学设计

‐ 声学和噪声预测

‐ 推进与排放

‐ 飞控机制

‐ 工艺加工和成本核算

• 海克斯康的仿真解决方案可以助力eVTOL飞行器获得FAA和EASA等一系列法规的认证。