圖 1
日本在無(wú)人直升機(jī)的開(kāi)發(fā)和使用方面起步較早，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司于 1990 年代初首次推出了旗艦 RMAX 無(wú)人直升機(jī)。從那時(shí)起，雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)不斷在其原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化無(wú)人直升機(jī)在不同環(huán)境中的使用。
設(shè)計(jì)無(wú)人直升機(jī)時(shí)要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素是飛行器將在哪里飛行。任何在居民區(qū)飛行的飛行器都需要限制其產(chǎn)生的噪音。正如雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)公司機(jī)器人事業(yè)部 KentaMizuno所解釋?zhuān)骸拜^低的噪音水平有利于操作員。對(duì)于農(nóng)業(yè)用途，我們必須降低無(wú)人直升機(jī)產(chǎn)生的噪音，因?yàn)樗鼈儗w越住宅區(qū)周?chē)奶镆啊＝翟脒€有助于減輕操作員的疲勞。到目前為止，我們主要通過(guò)采用四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降噪。但是，現(xiàn)在想要更進(jìn)一步，降低主旋翼造成的噪音”
設(shè)計(jì)無(wú)人直升機(jī)的挑戰(zhàn)
直升機(jī)的主要聲音來(lái)源之一是主旋翼葉片引起的流體噪聲。
由于無(wú)法使用隔聲罩來(lái)阻止轉(zhuǎn)子的噪音傳播，雅馬哈不得不考慮轉(zhuǎn)子速度和葉片形狀的設(shè)計(jì)。
然而，這兩個(gè)因素對(duì)直升機(jī)的整體性能都有很大影響，任何變化都會(huì)產(chǎn)生需要優(yōu)化的多種設(shè)計(jì)權(quán)衡。
一旦產(chǎn)品規(guī)格細(xì)節(jié)到位，評(píng)估工業(yè)產(chǎn)品的聲學(xué)性能非常復(fù)雜，并且通常在設(shè)計(jì)的后期階段。但是，在設(shè)計(jì)過(guò)程后期將聲學(xué)性能評(píng)估的結(jié)果納入規(guī)范會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題：例如，工程師必須回頭來(lái)查看更改對(duì)先前設(shè)計(jì)決策的影響，這是一個(gè)費(fèi)力的過(guò)程，且可能導(dǎo)致交貨時(shí)間的延長(zhǎng)。出于這個(gè)原因，雅馬哈希望在設(shè)計(jì)初期整體考慮各方面的設(shè)計(jì)因素與產(chǎn)品性能。
使用聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)的流體-結(jié)構(gòu)-聲學(xué)仿真設(shè)計(jì)
雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)公司基于 MSC CoSim聯(lián)合仿真模塊來(lái)全面評(píng)估無(wú)人直升機(jī)“FAZER R”的性能（圖 1）。MSC CoSim提供了一個(gè)聯(lián)合仿真的接口，可將不同求解器/學(xué)科與多物理場(chǎng)雙向強(qiáng)耦合起來(lái)。使用MSC CoSim，雅馬哈能夠通過(guò)交互傳輸數(shù)據(jù)的多學(xué)科軟件產(chǎn)品同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)分析。
MSC CoSim的優(yōu)勢(shì)之一是用戶(hù)能夠輕松地在不同的軟件工具之間無(wú)縫切換。這使得運(yùn)動(dòng)部件與結(jié)構(gòu)部件、結(jié)構(gòu)部件與流體區(qū)域，以及運(yùn)動(dòng)部件與流體區(qū)域的耦合分析變得更方便快捷，并真實(shí)反映物理世界中發(fā)生的實(shí)際情況。
在分析 FAZER R 無(wú)人機(jī)時(shí)，雅馬哈使用MSC Nastran和scFLOW進(jìn)行了結(jié)構(gòu)流體聯(lián)合仿真，模擬轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣流和轉(zhuǎn)子變形。然后，進(jìn)一步使用MSC 的聲學(xué)分析軟件工具 Actran 來(lái)計(jì)算由轉(zhuǎn)子引起的流體噪聲。
MSC CoSim以多種方式確保了準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，CoSim在源代碼級(jí)別針對(duì) MSC Nastran 和 scFLOW 進(jìn)行了優(yōu)化，可提供卓越的穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)于 MSC Nastran 和 scFLOW，盡管它們需要不同類(lèi)型的網(wǎng)格，但高精度的映射技術(shù)使它們能夠交換位移和流體力等數(shù)據(jù)。此外，在 scFLOW 2021 中，用于網(wǎng)格變形速度比早期版本快得多，從而進(jìn)一步提高了聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性和速度。
基于MSC CoSim，雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)流-固-聲學(xué)仿真對(duì)工業(yè)用無(wú)人直升機(jī)的性能進(jìn)行綜合評(píng)估，如圖2所示：
圖 2
雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)公司使用以下程序做性能驗(yàn)證（圖 2）：
1. 使用聯(lián)合仿真高精度分析氣流以生成氣動(dòng)聲源。
? 工程師使用流體分析軟件scFLOW 分析了由主旋翼旋轉(zhuǎn)引起的氣流。
? 結(jié)構(gòu)分析軟件 MSC Nastran分析由旋轉(zhuǎn)引起的葉片彈性變形
? 通過(guò)MSC CoSim，scFLOW 和MSC Nastran 交換葉片變形和氣流變化的信息。
2. 氣動(dòng)聲源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紸ctran，并對(duì)主旋翼進(jìn)行聲學(xué)仿真。
? 使用聲學(xué)仿真軟件Actran，從流固聯(lián)合仿真獲得的數(shù)據(jù)中提取氣動(dòng)聲源。
? 在Actran 中使用有限元方法分析聲波的傳播。
Actran 實(shí)時(shí)接收流固聯(lián)合仿真中計(jì)算出的數(shù)據(jù)，并同時(shí)執(zhí)行聲學(xué)仿真。通過(guò)將 scFLOW 和 MSC Nastran 的流固聯(lián)合仿真與 Actran 仿真相結(jié)合，雅馬哈能夠分別避免在流體、結(jié)構(gòu)和聲學(xué)領(lǐng)域重復(fù)設(shè)計(jì)周期。相反，通過(guò)使用流固耦合仿真，雅馬哈電機(jī)能夠在單個(gè)分析過(guò)程中全面分析主轉(zhuǎn)子的性能和噪聲，從而大大縮短了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的交付周期。
1. scFLOW 和 MSC Nastran 的聯(lián)合仿真
2. 使用 Actran 進(jìn)行聲學(xué)模擬顯示以下內(nèi)容：
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聯(lián)合仿真表明，除了壓力分布和渦流產(chǎn)生外，葉片隨著主旋翼旋轉(zhuǎn)引起的氣流輕微上升和下降（圖3）。
圖 3 葉片變形和變形的可視化流體渦流
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在 2.聲學(xué)仿真中，直觀地捕捉到了聲波干涉引起的聲場(chǎng)指向性和聲壓級(jí)水平（圖4）。聲學(xué)模擬的結(jié)果可以表示為觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)圖（圖5）和聲場(chǎng)指向性的2D或3D圖像。此外，工程師還可以聽(tīng)到聲學(xué)仿真的結(jié)果。
圖.4 空間聲壓分布的可視化
圖5 觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)
圖6 某一頻率下聲音傳播的方向性
聯(lián)合仿真對(duì)雅馬哈電機(jī)的意義
雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)的 Mizuno先生表示：
“我們預(yù)計(jì)流體分析和結(jié)構(gòu)分析的有效聯(lián)合將有助于高性能主旋翼的開(kāi)發(fā)。
通過(guò)提高從設(shè)計(jì)、分析到原型機(jī)再到最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)全流程的效率和速度，我們可以針對(duì)行業(yè)和用途對(duì)主旋翼進(jìn)行定制優(yōu)化。
將噪聲仿真結(jié)果可視化，對(duì)無(wú)人直升機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展有重大的幫助。
針對(duì)噪音問(wèn)題的對(duì)策，我們可以考慮規(guī)劃飛行路線(xiàn)和設(shè)計(jì)飛行指南等具體步驟，這樣不僅可以對(duì)制造提出建議，還可以對(duì)新業(yè)務(wù)或服務(wù)提出建議。
雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)流固聯(lián)合仿真以及 Actran 實(shí)現(xiàn)的多物理場(chǎng)解決方案能夠?yàn)闊o(wú)人直升機(jī)開(kāi)發(fā)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并使用上游到下游的設(shè)計(jì)流程來(lái)解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。
