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仿真科普|CAE技术赋能无人机 低空经济蓄势起飞

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喝一杯无人机送来的现磨热咖啡;在拥堵的早高峰打个“空中的士”上班;乘坐水陆两栖飞机来一场“陆海空”立体式观光……曾经只出现在科幻片里的5D城市魔幻场景,正逐渐走进现实。而推动上述场景实现的,就是近年来越来越热的“低空经济”
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图片来源:网络


不久前召开的中央经济工作会议提出,“打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业”。“低空经济”再度成为大家热议的话题。

2024年1月1日,《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正式施行,2024年或将成为低空经济发展元年。据中国民用航空局发布的数据显示,到2025年,中国低空经济的市场规模预计将达到1.5万亿元,到2035年有望达到3.5万亿元。


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什么是低空经济?

低空经济是指以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为主,以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引,辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。

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图片来源:国家低空经济融合创新研究中心、前瞻产业研究院、国联证券研究所


在低空经济中,无人机是乘势而起的新引擎。无人机3.0时代是低空经济以科技创新推动产业创新的制胜之匙。目前,无人机以‘集群组网’和‘智能化’为特征,正成为‘会飞的电脑’。”[1]

与此同时,无人机技术已经渗透到我们生活的方方面面,从航拍摄影到农业种植,从环境监测到军事侦察,无人机的身影无处不在。在无人机的设计与制造环节,计算机辅助工程(CAE)技术具有至关重要的作用。借助CAE技术,无人机设计阶段可实现对传统试验与测试的替代,进而以更高效的方式完成设计任务。通过数值模拟与仿真,CAE技术为无人机设计提供了有力支持。


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无人机设计制造中的CAE技术应用

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结构分析与优化

无人机在设计过程中,需要对机体结构进行严格的力学分析,以确保其在各种飞行条件下都能保持稳定。CAE技术可以通过有限元分析、有限差分等方法,对无人机的机体结构进行静力学、动力学分析,预测机体在不同载荷、不同飞行姿态下的应力、应变状态。

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图片来源:学术论文[2]


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热设计与分析

无人机在高速飞行过程中,机体会产生大量热量。若无法有效释放,将会对无人机的性能产生严重影响。CAE技术可以对无人机的热设计进行深入分析,预测机体内部的温度分布,评估散热效果。通过热分析,工程师可以优化无人机的散热系统,提高机体的热稳定性。

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飞行动力学模拟仿真

无人机的飞行性能与其动力学特性密切相关。CAE技术可以通过飞行动力学模拟,预测无人机在不同飞行条件下的运动轨迹、稳定性、操控性等,从而在设计阶段对无人机的飞行性能进行优化,进一步提升无人机的飞行稳定性和安全性。

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全方位电池性能仿真

对于用户来说,如何保障足够的续航能力,电池的设计至关重要。使用Star CCM+ 等仿真软件可以实现完整系统电池建模(电池单体到电池组级别)。[3]

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产品测试与验证

无人机在制造完成后,需要进行严格的测试和验证,以确保其性能满足设计要求。CAE技术可以通过仿真模拟无人机在实际飞行中的各种场景。例如,通过声学仿真技术,降低飞行噪音对公众的影响,使人们在享受无人机带来的便捷之际,也能享有宁静舒适的休闲时光。

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以上仅从设计制造的角度来描述无人机开发中涉及的CAE技术,也仅描述目前做得比较成熟的领域,除了这五大领域,也有一些前沿的CAE技术探索,比如多学科联合仿真、系统仿真、多场耦合等。



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神工坊在无人机领域的应用案例

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复杂仿真应用定制

某无人机制造商拟定制一款仿真软件,神工坊依托自主研发的仿真定制框架和高性能计算技术,针对用户在复杂产品设计复杂环境评估等场景下的特定仿真需求,打造出一款高度易用高效求解精确可靠无人机仿真App。该软件为用户提供了完整的几何清理功能,通过自研的网格模块,根据无人机真实工况生成自适应网格,进而利用LBM求解器进行计算,实现了对旋翼机体的数值仿真。这款软件易于操作,界面设计简洁直观,产品经理也可轻松上手。

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高性能仿真云服务

与此同时,神工坊精心推出一站式高性能工业仿真平台,用户通过web端即可享受“PC式高性能体验”,使用超算硬件资源和海量软件资源开展无人机设计仿真工,高效快速地进行产品创新和技术研究。在云端实现前处理-求解-后处理全流程作业,以及企业组织管理和研发协同。

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总结

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CAE技术在无人机领域的应用,为无人机的设计与制造提供了强大的支持,同时也为低空经济的发展添砖加瓦。随着无人机技术的不断突破和我国政策扶持,神工坊将助力无人机产业继续保持高速发展态势,为我国经济社会发展注入新动力。


参考资料

[1] 无人机的蓝海 低空经济的未来,中国民航报,2024

[2] 基于ABAQUS对某型无人机机翼的有限元分析及局部结构设计[D]. 韩洪黎.国防科学技术大学,2011 

[3] Simcenter无人机仿真解决方案.王庆国.数字化工业软件技术期刊,2021

静力学航空Simcenter 3D多体动力学无人机
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首次发布时间:2024-02-29
最近编辑:3月前
神工坊(高性能仿真)
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