圖 1
日本在無人直升機的開發和使用方面起步較早，尤其是在農業領域，雅馬哈發動機有限公司于 1990 年代初首次推出了旗艦 RMAX 無人直升機。從那時起，雅馬哈發動機不斷在其原始設計的基礎上進行改進，優化無人直升機在不同環境中的使用。
設計無人直升機時要考慮的一個關鍵因素是飛行器將在哪里飛行。任何在居民區飛行的飛行器都需要限制其產生的噪音。正如雅馬哈發動機公司機器人事業部 KentaMizuno所解釋：“較低的噪音水平有利于操作員。對于農業用途，我們必須降低無人直升機產生的噪音，因為它們將飛越住宅區周圍的田野。降噪還有助于減輕操作員的疲勞。到目前為止，我們主要通過采用四沖程發動機來實現發動機降噪。但是，現在想要更進一步，降低主旋翼造成的噪音”
直升機的主要聲音來源之一是主旋翼葉片引起的流體噪聲。
由于無法使用隔聲罩來阻止轉子的噪音傳播，雅馬哈不得不考慮轉子速度和葉片形狀的設計。
然而，這兩個因素對直升機的整體性能都有很大影響，任何變化都會產生需要優化的多種設計權衡。
一旦產品規格細節到位，評估工業產品的聲學性能非常復雜，并且通常在設計的后期階段。但是，在設計過程后期將聲學性能評估的結果納入規范會產生一系列問題：例如，工程師必須回頭來查看更改對先前設計決策的影響，這是一個費力的過程，且可能導致交貨時間的延長。出于這個原因，雅馬哈希望在設計初期整體考慮各方面的設計因素與產品性能。
使用聯合仿真技術進行無人直升機的流體-結構-聲學仿真設計
雅馬哈發動機公司基于 MSC CoSim聯合仿真模塊來全面評估無人直升機“FAZER R”的性能（圖 1）。MSC CoSim提供了一個聯合仿真的接口，可將不同求解器/學科與多物理場雙向強耦合起來。使用MSC CoSim，雅馬哈能夠通過交互傳輸數據的多學科軟件產品同時執行多項分析。
MSC CoSim的優勢之一是用戶能夠輕松地在不同的軟件工具之間無縫切換。這使得運動部件與結構部件、結構部件與流體區域，以及運動部件與流體區域的耦合分析變得更方便快捷，并真實反映物理世界中發生的實際情況。
在分析 FAZER R 無人機時，雅馬哈使用MSC Nastran和scFLOW進行了結構流體聯合仿真，模擬轉子產生的氣流和轉子變形。然后，進一步使用MSC 的聲學分析軟件工具 Actran 來計算由轉子引起的流體噪聲。
MSC CoSim以多種方式確保了準確性和穩定性。例如，CoSim在源代碼級別針對 MSC Nastran 和 scFLOW 進行了優化，可提供卓越的穩定性。同時，對于 MSC Nastran 和 scFLOW，盡管它們需要不同類型的網格，但高精度的映射技術使它們能夠交換位移和流體力等數據。此外，在 scFLOW 2021 中，用于網格變形速度比早期版本快得多，從而進一步提高了聯合仿真的準確性和速度。
基于MSC CoSim，雅馬哈發動機通過流-固-聲學仿真對工業用無人直升機的性能進行綜合評估，如圖2所示：
圖 2
雅馬哈發動機公司使用以下程序做性能驗證（圖 2）：
? 工程師使用流體分析軟件scFLOW 分析了由主旋翼旋轉引起的氣流。
? 結構分析軟件 MSC Nastran分析由旋轉引起的葉片彈性變形
? 通過MSC CoSim，scFLOW 和MSC Nastran 交換葉片變形和氣流變化的信息。
2. 氣動聲源數據實時傳輸到Actran，并對主旋翼進行聲學仿真。
? 使用聲學仿真軟件Actran，從流固聯合仿真獲得的數據中提取氣動聲源。
? 在Actran 中使用有限元方法分析聲波的傳播。
Actran 實時接收流固聯合仿真中計算出的數據，并同時執行聲學仿真。通過將 scFLOW 和 MSC Nastran 的流固聯合仿真與 Actran 仿真相結合，雅馬哈能夠分別避免在流體、結構和聲學領域重復設計周期。相反，通過使用流固耦合仿真，雅馬哈電機能夠在單個分析過程中全面分析主轉子的性能和噪聲，從而大大縮短了設計和開發的交付周期。
1. scFLOW 和 MSC Nastran 的聯合仿真
2. 使用 Actran 進行聲學模擬顯示以下內容：
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聯合仿真表明，除了壓力分布和渦流產生外，葉片隨著主旋翼旋轉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.聲學仿真中，直觀地捕捉到了聲波干涉引起的聲場指向性和聲壓級水平（圖4）。聲學模擬的結果可以表示為觀測點聲壓級圖（圖5）和聲場指向性的2D或3D圖像。此外，工程師還可以聽到聲學仿真的結果。
圖.4 空間聲壓分布的可視化
圖5 觀測點聲壓級
圖6 某一頻率下聲音傳播的方向性
雅馬哈發動機的 Mizuno先生表示：
“我們預計流體分析和結構分析的有效聯合將有助于高性能主旋翼的開發。
通過提高從設計、分析到原型機再到最終確定設計參數全流程的效率和速度，我們可以針對行業和用途對主旋翼進行定制優化。
將噪聲仿真結果可視化，對無人直升機的設計發展有重大的幫助。
針對噪音問題的對策，我們可以考慮規劃飛行路線和設計飛行指南等具體步驟，這樣不僅可以對制造提出建議，還可以對新業務或服務提出建議。
雅馬哈發動機通過流固聯合仿真以及 Actran 實現的多物理場解決方案能夠為無人直升機開發不同的業務場景，并使用上游到下游的設計流程來解決設計問題。
