“Stratollite載具能攜帶多達(dá)50kg的有效載荷，并且能在同一位置停留長(zhǎng)達(dá)數(shù)星期或數(shù)月之久，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前無(wú)人機(jī)的水平?！?/p>

這種遙控的無(wú)人操作Stratollite載具是一種由高空氣球攜帶的有效載荷艙。它是火箭發(fā)射衛(wèi)星的低成本替代方案，可在客戶指定的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期部署。Stratollite載具使用一種專有的可升降壓載系統(tǒng)來捕獲特定的定向風(fēng)型，從而使其位置保持不變。構(gòu)建和測(cè)試熱設(shè)計(jì)原型或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原型需花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元以及幾個(gè)星期的時(shí)間。World View工程師轉(zhuǎn)而使用 ANSYS Mechanical的結(jié)構(gòu)和熱分析功能，從而迭代出一款能夠滿足公司要求的設(shè)計(jì)，并且僅用一個(gè)結(jié)構(gòu)原型和一個(gè)熱原型即完成了驗(yàn)證工作。

觀測(cè)與通信挑戰(zhàn)

國(guó)土安全、災(zāi)害救援、天氣預(yù)報(bào)和通信等大量商業(yè)和國(guó)防應(yīng)用都需要將傳感器放置在遠(yuǎn)離地面的固定平臺(tái)上，由此構(gòu)成一個(gè)智能互聯(lián)的世界。一直以來，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的常規(guī)方法是將衛(wèi)星發(fā)射到地球同步軌道。這種做法成本高昂而且可能需要等待多年才能確定發(fā)射日期。無(wú)人機(jī)（UAV）確實(shí)能提供一種成本更低廉也更靈活的替代方案，但它們的飛行時(shí)間有限而且建造和運(yùn)行成本也仍然偏高。

World View的遙控Stratollite載具克服了這些局限，將高空氣球懸停在太空邊緣的成本通常僅需數(shù)十萬(wàn)美元。Stratollite載具能攜帶多達(dá)50kg的有效載荷，并且能在同一位置停留長(zhǎng)達(dá)數(shù)星期或數(shù)月之久，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前無(wú)人機(jī)的水平。近期，World View成功完成了Stratollite的首次多日飛行任務(wù)。這是一個(gè)標(biāo)志著該平臺(tái)已為商業(yè)飛行做好準(zhǔn)備的重大里程碑。美國(guó)南方司令部指揮官Kurt W. Tidd上將近期發(fā)表了對(duì)Stratollite的看法，“我們認(rèn)為它是一個(gè)出色的長(zhǎng)時(shí)間駐留監(jiān)視平臺(tái)，有望提供某種變革力量?！?/p>

“工程師借助ANSYS仿真軟件節(jié)約了長(zhǎng)達(dá)八個(gè)月的時(shí)間和大約600,000美元的成本?！?/p>

仿真機(jī)械載荷

設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是，確保Stratollite載具能承受同溫層中的熱載荷以及降落著陸過程中的機(jī)械載荷。與常規(guī)衛(wèi)星相比，由于有效載荷艙在發(fā)射過程中沒有經(jīng)歷高振動(dòng)和高沖擊載荷，因此載荷工況較為簡(jiǎn)單。最大的機(jī)械載荷發(fā)生在降落過程中降落傘張開時(shí)以及有效載荷艙著陸時(shí)。

Stratollite有效載荷艙框架使用鉚接的金屬薄板形成半單體結(jié)構(gòu)，以用于攜帶高度控制與航空電子設(shè)備以及有效載荷。結(jié)構(gòu)底部是著陸過程中使用的三個(gè)帶有能量吸收器的滑軌。如果測(cè)試該結(jié)構(gòu)在下降過程中承受的機(jī)械載荷，不僅需要數(shù)十萬(wàn)美元來構(gòu)建原型，而且需要大約三個(gè)星期完成設(shè)計(jì)迭代。World View工程師需要確保該結(jié)構(gòu)能夠承受降落傘張開時(shí)的5g重力加速度以及著陸時(shí)的7g重力加速度。屈曲是最可能發(fā)生的故障模式。此外，工程師也需要盡量減輕結(jié)構(gòu)重量，以最大限度地增加有效載荷重量。通過優(yōu)秀渠道合作伙伴Phoenix Analysis & Design Technologies（PADT）的幫助，World View加入了ANSYS初創(chuàng)公司計(jì)劃，因而能夠全面使用專為初創(chuàng)公司設(shè)計(jì)和定價(jià)的仿真軟件包。經(jīng)過與PADT的多年密切合作，World View工程師已獲得一流的專業(yè)技術(shù)與支持，確保Stratollite能夠在發(fā)射到同溫層、穿越同溫層并從同溫層返回的過程中承受住各種嚴(yán)苛狀況。

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該結(jié)構(gòu)的原始幾何模型是在SolidWorks計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件中完成的。使用ANSYS–SolidWorks導(dǎo)入工具，World View工程師能夠輕松地將CAD模型導(dǎo)入ANSYS Workbench。工程師先用ANSYS DesignModeler從原始CAD文件創(chuàng)建表面，然后使用ANSYS Workbench，用高計(jì)算效率的殼單元生成表面網(wǎng)格。當(dāng)把約束和載荷應(yīng)用到結(jié)構(gòu)上時(shí)，靜態(tài)分析顯示降落傘張開、發(fā)射載荷和著陸載荷所造成的應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限。World View工程師深知，在使用半單體結(jié)構(gòu)時(shí)，材料靜態(tài)強(qiáng)度效率并不總是制約設(shè)計(jì)的因素。薄構(gòu)件的橫截面積減少時(shí)將導(dǎo)致模量或剛度下降，這會(huì)帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此工程師需要求助于ANSYS的先進(jìn)功能來開展屈曲分析。

工程師為屈曲分析增加了第二個(gè)分析支路。他們?yōu)槎喾N屈曲模式運(yùn)行了分析，生成了屈曲模態(tài)形狀以及每種模態(tài)形狀的載荷因子。屈曲載荷因子是造成結(jié)構(gòu)屈曲的載荷與實(shí)際載荷之比，即屈曲安全裕量。在多種情況下，載荷因子在可接受的范圍內(nèi)。因此工程師修改了SolidWorks模型以添加縱梁（鉚接在結(jié)構(gòu)上的帶有橫截面的擋邊）。他們從SolidWorks導(dǎo)入新的幾何模型，同時(shí)保留與上一版模型相同的約束和載荷。經(jīng)過連續(xù)八次迭代，工程師在有效載荷艙的上方和下方支撐腳中添加了縱梁，直到結(jié)構(gòu)能夠完全承受屈曲載荷為止。在ANSYS仿真的幫助下，World View增加了最小數(shù)量的結(jié)構(gòu)支撐件，不僅可滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)最大限度地減輕了結(jié)構(gòu)重量。

ANSYS初創(chuàng)公司項(xiàng)目

“如果沒有仿真的幫助，現(xiàn)在的載具結(jié)構(gòu)重量會(huì)更大，從而會(huì)降低有效載荷能力。”

仿真熱載荷

有效載荷艙向陽(yáng)面和背陽(yáng)面的溫差熱載荷會(huì)給電子裝置帶來熱管理問題。背陽(yáng)面環(huán)境溫度可低至-90攝氏度。在大約50,000英尺的較低高度下， 同溫層的酷寒會(huì)破壞電子裝置。而在大約95,000英尺的較高高度下， 稀薄的大氣會(huì)限制對(duì)流冷卻，進(jìn)而造成電子裝置過熱。載具中的電子設(shè)備必須保持在–40攝氏度到+50攝氏度的溫度范圍內(nèi)。為了從熱管理角度評(píng)估有效載荷艙，工程師向該結(jié)構(gòu)添加了幾何模型，以表示電路板、熱沉、散熱板和外殼等電子組件。他們?cè)谀Ｐ蜕霞虞d了多個(gè)熱源，以表示太陽(yáng)、關(guān)鍵集成電路和用于將溫度保持在可接受范圍內(nèi)的加熱器。他們還在外殼內(nèi)部和外部添加了傳導(dǎo)路徑和輻射約束，這樣虛擬組件就能在仿真中彼此傳導(dǎo)熱量并向內(nèi)部和外部輻射熱量。工程師使用查找表來計(jì)算外殼外表面的自然對(duì)流，并將傳熱系數(shù)確定為表面溫度的函數(shù)。在將載荷和約束應(yīng)用到模型后，World View工程師證明了預(yù)期的低溫狀況和高溫狀況都在電子組件所能承受的溫度范圍內(nèi)。

ANSYS仿真的優(yōu)勢(shì)

World View工程師使用仿真來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，并針對(duì)機(jī)械載荷和熱載荷執(zhí)行了地面測(cè)試迭代。在兩種情況下，測(cè)試結(jié)果都證明了設(shè)計(jì)滿足各項(xiàng)要求。近期的飛行測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性。仿真至少節(jié)省了兩輪地面結(jié)構(gòu)測(cè)試和地面熱測(cè)試，這相當(dāng)于總共節(jié)省了大約8個(gè)月的時(shí)間和近600,000美元的成本。此外，如果沒有仿真的幫助，現(xiàn)在的載具結(jié)構(gòu)重量會(huì)更大，從而會(huì)降低有效載荷能力。