在任何復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計優(yōu)化都是提高產(chǎn)品性能、滿足各種利益相關(guān)者要求、減少成本和上市時間的關(guān)鍵活動。在設(shè)計空間的自動搜索中，設(shè)計優(yōu)化廣泛使用了計算機(jī)輔助工程（CAE）仿真。工程系統(tǒng)結(jié)合了子系統(tǒng)和組件；每個部件都由不同的物理建模，性能評估涵蓋了一系列工程學(xué)科，包括：流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁和許多其他學(xué)科。這種組合被稱為多學(xué)科設(shè)計分析與優(yōu)化（MDAO）。使用MDAO框架的動機(jī)是尋求一種行之有效的方法，以滿足不斷變化和日益復(fù)雜的環(huán)境的需求。

在過去的十年里，分布式電力推進(jìn)（DEP）在航空領(lǐng)域的興起為飛行器設(shè)計問題增添了一種新的范式。電動垂直起降（eVTOL）飛行器在獨(dú)特的多學(xué)科環(huán)境中工作。這類飛行器的螺旋槳必須在巡航以及垂直和過渡飛行模式下運(yùn)行。一些設(shè)計使用一組電動高升力螺旋槳（HLP）來增加流量，以在低速飛行條件下增加升力，而其他設(shè)計可以為垂直或短距起飛和著陸（V/STOL）提供額外的推力。幾個概念旨在實現(xiàn)機(jī)身空氣動力學(xué)和戰(zhàn)略集成推進(jìn)器之間的良好相互作用，實現(xiàn)迄今為止無法實現(xiàn)的性能優(yōu)勢。這些螺旋槳必須結(jié)構(gòu)良好，以應(yīng)對復(fù)雜的飛行器過渡。它們必須保持安靜，以允許飛行器在人口稠密的城市環(huán)境中運(yùn)行，從而完成城市空中機(jī)動（UAM）任務(wù)。

早期的設(shè)計實踐需要具有高計算效率和足夠保真度的工具來可靠地指導(dǎo)飛行器概念的開發(fā)。然而，在早期設(shè)計階段（概念和初步），很難以足夠的精度對相同的高度耦合的航空推進(jìn)相互作用進(jìn)行建模。商業(yè)和開源的低保真度和中保真度工具已經(jīng)出現(xiàn)，實現(xiàn)了渦格方法、表面渦度方法、種子粒子方法或升力線理論，以填補(bǔ)這一能力空白。

FlightStream?是一種表面渦量求解器，可提供可靠的氣動載荷分析，同時保持大多數(shù)MDAO流程所需的計算效率水平

Vivek Ahuja

首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人

Research in Flight

通過在設(shè)計的早期階段使用可靠、高效的工具，在設(shè)計過程的早期就會出現(xiàn)更成熟的設(shè)計。雖然求解完整連續(xù)Navier-Stokes方程的計算流體動力學(xué)（CFD）工具提供了完善設(shè)計所需的保真度，但它們通常缺乏足夠的計算效率來為早期設(shè)計提供信息。

圖1 Flightstream允許使用獨(dú)特的表面渦度、流動分離和粘性分析能力對非常規(guī)飛機(jī)進(jìn)行快速分析，無論是動力配置還是無動力配置。

FlightStream?是一種表面渦量求解器，可提供可靠的氣動載荷分析，同時保持大多數(shù)MDAO流程所需的計算效率水平。解算器使用渦量表在幾分鐘內(nèi)提供解。該求解器還與空氣聲學(xué)功能相結(jié)合，以便在早期設(shè)計階段對噪聲進(jìn)行建模。

ESTECO公司與飛行研究公司合作，展示了一種優(yōu)化eVTOL螺旋槳幾何形狀的方法，以滿足利益相關(guān)者的競爭要求和關(guān)鍵性能指標(biāo)。通常情況下，這樣一項復(fù)雜的任務(wù)解決起來過于耗時和昂貴。尤其是當(dāng)高保真度體積計算流體動力學(xué)（CFD）成為瓶頸時。

ESTECO公司通過將ESTECO VOLTA SPDM平臺及其MDAO功能與FlightStream?空氣動力學(xué)分析工具相結(jié)合，解決了這一設(shè)計挑戰(zhàn)。通過結(jié)合多種分析和學(xué)科來獲得物理學(xué)結(jié)果。

特別是，使用Bernstein多項式對eVTOL螺旋槳進(jìn)行幾何建模，將螺旋槳的橫截面數(shù)據(jù)提供給FlightStream組件橫截面（CCS）文件格式。CCS文件是一個文本文件，允許用戶以適合自動網(wǎng)格生成的方式將飛機(jī)幾何圖形導(dǎo)入FlightStream。CCS文件還允許用戶定義控制表面并設(shè)置幾個網(wǎng)格選項。在這項工作中，編寫了一個FORTRAN腳本，將Bernstein多項式數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為CCS文件格式的截面數(shù)據(jù)。這種幾何形狀的構(gòu)思過程和構(gòu)建方法是優(yōu)化公式發(fā)展的關(guān)鍵方面。構(gòu)造幾何體的過程應(yīng)該是準(zhǔn)確和可復(fù)制的。此外，設(shè)計空間不應(yīng)受到用于創(chuàng)建幾何圖形的設(shè)計工具的限制。

然后，這些用于航空推進(jìn)、航空聲學(xué)和應(yīng)力分析的參數(shù)化模型被自動化到ESTECO modeFRONTIER模塊化MDAO工作流程中，并發(fā)布在VOLTA SPDM平臺上，準(zhǔn)備執(zhí)行。

該工作流程實現(xiàn)了eVTOL螺旋槳的優(yōu)化框架，目標(biāo)是滿足四個學(xué)科相關(guān)目標(biāo)。就氣動推進(jìn)力學(xué)學(xué)科而言，項目組感興趣的是最大化推力，同時最小化螺旋槳的扭矩。從聲學(xué)學(xué)科來看，目標(biāo)是盡可能安靜，所以項目組對最大限度地降低聲壓級感興趣。最后，項目組納入了有限元分析（FEA）學(xué)科，項目組希望最大限度地減少螺旋槳質(zhì)量，并確保項目組的應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)，從而滿足要求。

使用ESTECO專有的pilOPT算法為eVTOL螺旋槳找到了最佳幾何形狀，并在上述目標(biāo)之間進(jìn)行了最佳權(quán)衡。專有的pilOPT算法是ESTECO最先進(jìn)的優(yōu)化策略之一。它可以自適應(yīng)您的設(shè)計問題；根據(jù)需要隨時調(diào)整策略，在合理的時間內(nèi)獲得具有折衷空間覆蓋的帕累托邊界。

一旦建立了MDAO工作流，它就會被發(fā)布到ESTECO VOLTA企業(yè)平臺上來執(zhí)行。由于其網(wǎng)絡(luò)界面和SPDM的協(xié)作環(huán)境，VOLTA加快了學(xué)科專家和利益相關(guān)者之間的溝通。該框架還加強(qiáng)了仿真和業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和形式化，將其作為一種制度化方法，促進(jìn)了知識重用，并促進(jìn)了所需資源的共享。

在VOLTA中，每個學(xué)科專家（SME）都擁有并負(fù)責(zé)維護(hù)其在整個MDAO研究中的部分：

• CAD 專家生成葉片的幾何形狀，提供用于改變螺旋槳形狀的參數(shù)模型和 CAD 解決方案；
• 空氣動力學(xué)專家建立空氣動力學(xué)仿真模型，該模型使用 FlightStream? 評估幾何模型對應(yīng)的空氣動力學(xué)性能，并使結(jié)構(gòu)專家能夠?qū)⒖諝鈩恿W(xué)載荷施加到葉片上；
• 聲學(xué)專家同時使用空氣動力學(xué)仿真的輸出來計算不同觀察者位置的聲壓級；
• 仿真專家將所有這些模型合并到自動化 MDAO 工作流中，以便從 web 界面輕松執(zhí)行并重新用于進(jìn)一步分析。

下一步是從VOLTA web界面向MDAO工作流添加運(yùn)行計劃（Plan）。這使得仿真專家能夠提交MDAO研究，以優(yōu)化螺旋槳形狀，從而在滿足所有設(shè)計要求的同時提高性能。

運(yùn)行計劃意味著一些特定類型的設(shè)計空間探索研究。它可以是實驗設(shè)計（DOE）或優(yōu)化例行分析。通過VOLTA Planner界面，參與項目的每個人都可以更改需求、性能指標(biāo)、輸入域和設(shè)計空間探索策略。您可以在同一MDAO工作流的基礎(chǔ)上構(gòu)建許多不同的計劃。

從過程執(zhí)行方面來看，雖然CAD求解器和內(nèi)部代碼可以很容易地在本地資源上運(yùn)行，但空氣動力學(xué)仿真可能需要額外的計算資源和軟件許可證。ESTECO最先進(jìn)的作業(yè)調(diào)度技術(shù)使組織和團(tuán)隊能夠充分利用當(dāng)前的按需云計算服務(wù)，如亞馬遜EC2或其他公共、私有和混合云，通過使用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)和安全通信協(xié)議來解決大規(guī)模MDAO，從而保護(hù)交換的數(shù)據(jù)。

最后，對優(yōu)化結(jié)果感興趣的利益相關(guān)者可以通過VOLTA Advisor網(wǎng)絡(luò)面板輕松訪問和選擇最佳螺旋槳形狀設(shè)計。

VOLTA Advisor的作用就像是web上進(jìn)行權(quán)衡空間研究的權(quán)威真相來源（ASOT）。通過這種方式，設(shè)計利益相關(guān)者可以登錄，查看與所有其他利益相關(guān)者相同的數(shù)據(jù)，應(yīng)用他們的偏好、需求和性能目標(biāo)。在本案例中，性能目標(biāo)將是螺旋槳設(shè)計的聲音/噪音水平、推力和扭矩，以及確保滿足應(yīng)力要求。將這些過濾器應(yīng)用于數(shù)據(jù)后，他們可以更快地以協(xié)作的方式做出權(quán)衡決策，而不是將數(shù)據(jù)和靜態(tài)圖像復(fù)制到通過電子郵件共享的幻燈片中，而這些幻燈片根本沒有可追溯性。