構型設計
關注創建者：姜講蔣醬 創建時間：2023-02-23
構型設計的實例教程
貝爾公司于今年1月提交的一個可用于電動垂直起降空中的士的構型設計方案專利近日被公布，采用該方案的驗證機預計將在2020年實現首飛，賽峰公司將為其開發一套混合電推進系統作為動力裝置。
該專利的專利號為U.S.2018/0208305，于今年1月8日提交，該構型使用了3個可傾轉的涵道風扇，其中2個單副旋翼的涵道風扇布置在機翼翼尖，另一個使用共軸雙旋翼的涵道風扇布置在尾部結構上。該構型與貝爾公司此前公布的電動空中的士方案有很多相似之處。
貝爾公司在該專利的應用方向中稱，這是一種可以搭載1名飛行員和1名乘客的飛機，也可以布置一個最多容納六名乘客的座艙，并可選擇有人駕駛或無人駕駛。專利的詳細描述中稱，該飛機可以具有混合動力或混合動力液壓推進系統。
專利申請文件中包括兩個不同版本的草圖，其中一個機身尾部結構為Y形，以支撐尾部風扇。另一個則采用了二面翼，尾部風扇安裝在2個平行的尾梁中間。后者看起來與貝爾公司在此前展示的四座空中的士概念方案類似。
貝爾申請的U.S.2018/0208305專利草圖（尾翼采用二面翼）。
混合電推進動力通過內燃機或輔助動力裝置（APU）驅動發電機，產生高壓電為一組電池充電，由電池來驅動涵道風扇的電動機?；旌弦簤簞恿t通過APU驅動液壓泵，由液壓泵為涵道風扇的液壓發動機提供動力。在該概念的另一個實例中，通過渦輪發動機驅動發電機，由發電機為液壓泵提供電力驅動，進而帶動涵道風扇。
展開 貝爾公司于今年1月提交的一個可用于電動垂直起降空中的士的構型設計方案專利2018年8月被公布，采用該方案的驗證機預計將在2020年實現首飛，賽峰公司將為其開發一套混合電推進系統作為動力裝置。
一、貝爾針對城市空運提出3傾轉涵道垂直起降飛行器構型
該專利的專利號為U.S.2018/0208305，于今年1月8日提交，該構型使用了3個可傾轉的涵道風扇，其中2個單副旋翼的涵道風扇布置在機翼翼尖，另一個使用共軸雙旋翼的涵道風扇布置在尾部結構上。該構型與貝爾公司此前公布的電動空中的士方案有很多相似之處。
專利申請文件中包括兩個不同版本的草圖，其中一個機身尾部結構分為Y形，以支撐尾部風扇。另一個則采用了二面翼，尾部風扇安裝在2個平行的尾梁中間。后者看起來與貝爾公司在此前展示的四座空中的士概念方案類似。
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U.S.2018/0208305專利草圖之一
二、專利提出采用混合動力或混合動力液壓推進系統
貝爾公司在該專利的應用方向中稱，這是一種可以搭載1名飛行員和1名乘客的飛機，也可以布置一個最多容納六名乘客的座艙，并可選擇有人駕駛或無人駕駛。專利的詳細描述中稱，該飛機可以具有混合動力或混合動力液壓推進系統?；旌想娡七M動力通過內燃機或輔助動力裝置（APU）驅動發電機，產生高壓電為一組電池充電，由電池來驅動涵道風扇的電動機?；旌弦簤簞恿t通過APU驅動液壓泵，由液壓泵為涵道風扇的液壓馬達提供動力。在該概念的另一個實例中，通過渦輪發動機驅動發電機，由發電機為液壓泵提供電力驅動，進而帶動涵道風扇。
展開 中國國家國防科技工業局探月與航天工程中心15日在北京釣魚臺國賓館舉行儀式，正式啟動嫦娥四號任務月球車全球征名活動，并對外公布嫦娥四號月球探測器——著陸器和月球車外觀設計構型。 按照計劃，中國探月工程嫦娥四號任務將于2018年12月實施，將首次實現人類探測器在月球背面軟著陸和巡視勘察。 中國探月工程副總指揮、國家國防科工局探月與航天工程中心主任劉繼忠介紹說，承擔月球背面巡視探測任務的嫦娥四號月球車，基本繼承了嫦娥三號月球車“玉兔號”的狀態，但針對月球背面復雜的地形條件、中繼通信新的需求和科學目標的實際需要，也作了適應性更改和有效載荷配置調整。 嫦娥四號著陸器月面著陸效果圖。(國防科工局探月與航天工程中心 提供) 他希望通過開展嫦娥四號月球車全球征名活動，展示中國探月與航天工程的國家形象，增進公眾對嫦娥四號任務重大意義的深刻了解，激發全民尤其是青少年崇尚科學、探索未知、敢于創新的熱情，為實現中華民族偉大復興的中國夢凝聚力量。 據了解，中國探月工程嫦娥四號任務月球車全球征名活動，對提交名稱要求符合國家商標法的有關規定，具有時代性、延伸性和較好的文化內涵，體現中華民族的文化特征。同時，要符合中國探月工程理念和工程特點，文字簡練，便于記憶，易于傳播。征名活動將聘請航天專家、社會文化名人組成評審委員會，對提交的名稱進行篩選把關。 嫦娥四號月球車全球征名活動啟動后，將分五個階段組織實施：第一階段從8月16日至9月5日，提交名稱，函審備選；第二階段為9月上旬，組織初評，遴選十強；第三階段從9月上旬至9月30日，網絡投票評選前三名；第四階段為10月上旬，終評加權，確定三甲；第五階段為10月上旬，程序報批，公布征名結果。(完)
展開 由圖5(b）可見，方案4相比原方案的扭轉固有頻率提高了9%，方案2相比原方案的扭轉固有頻率提高了11.7%，證明了機翼蒙皮增厚對提高本設計方案的機翼扭轉頻率有效；同時，增重相同情況下，翼根增厚（方案4）能更有效地提升垂向彎曲和弦向彎曲模態頻率，機翼整體增厚（方案2）比翼根增厚（方案4）對于扭轉模態頻率的提升效果更好。
圖5 蒙皮增厚對機翼固有頻率的影響
結語
基于有限元方法和振動測試數據研究了傾轉旋翼復合材料機翼動特性，然后通過復合材料構型設計，研究了鋪層角和蒙皮厚度對機翼動特性的影響。得出以下結論：
(1）通過有限元分析結果和V-22傾轉旋翼機振動測試結果對比可見，機翼的前三階模態振型分別為垂向彎曲、弦向彎曲和扭轉模態，前三階模態分布與V-22傾轉旋翼機振動測試模態一致，模態頻率與其測試數據具有較好的一致性，表明所建立的傾轉旋翼機機翼有限元分析結果的可靠性，模型具有較高的可信度；
(2）復合材料構型設計分析表明，對于本文中的傾轉旋翼機復合材料機翼設計方案，鋪層角度優化設計可在不改變機翼質量和氣動外形設計的前提下，實現機翼剛度優化設計，進而提升機翼的扭轉剛度；機翼蒙皮增厚可有效地提高機翼剛度，進而提高垂向彎曲和弦向彎曲模態頻率，尤其是提高了扭轉模態頻率。在增重相同情況下，機翼蒙皮整體增厚相比翼根局部增厚能夠更有效地提高扭轉頻率，對扭轉剛度影響顯著；
(3）研究表明機翼復合材料構型設計（包括復合材料鋪層角度、厚度、順序等）對于機翼動特性影響顯著，進一步研究將通過“鋪層角度+蒙皮厚度”的組合式優化獲得理想的回轉顫振邊界裕度。
文章來源：中國科技信息
展開 據了解，重量低于249克的DJI Mini 3 Pro在動力、避障、云臺方面經過了全新布局，包括機身新增減阻設計并增大槳葉面積，大幅提升動力效能，實現了大疆消費級無人機里最強續航；首次前置后視避障傳感器，并擴大了障礙物感知范圍，提升飛行安全體驗；云臺經過全新規劃，可實現無損豎拍、大角度仰拍，賦予視覺創作更多可能性。
續航突破47分鐘
延續前代低于 249 克的超輕重量，DJI Mini 3 Pro機臂折疊方式和機身結構均經過重新設計，不僅讓用戶收納及出行輕松便捷，更突破“小”飛機技術瓶頸，帶來飛行性能“大”躍進。
續航性能作為航拍創作的基礎，在消費級無人機中首次突破至最長47分鐘。全新構型設計通過改變機身傾角和增大槳葉面積，降低了風阻從而大幅提升氣動效率，令 DJI Mini 3 Pro 的續航得到顯著突破。用戶結合智能飛行電池可實現長達34分鐘的續航時間，選配長續航電池可實現最長47分鐘，讓用戶告別電量焦慮，更自由創作。
大疆官方表示，DJI Mini 3 Pro 具備出色的三向避障性能，是DJI Mini 系列迄今安全性最強的無人機。其配備前視、后視、下視雙目視覺感應系統和 ToF，得益于創新構型，障礙物感知范圍大幅提升，為安全飛行保駕護航。在此基礎上，APAS 4.0助力實現更好的自主路徑規劃及靈敏避障，可自動探測并躲避飛行路徑中的障礙物，在復雜場景下也能順滑飛行。
DJI Mini 3 Pro 采用DJI O3 旗艦型數字圖傳，穩定的影像傳輸讓飛行體驗更安心。DJI Mini 3 Pro 可實現1080p/30fps 最高實時圖傳畫質和 12 公里最遠傳輸距離，最大圖傳碼率達 18Mbps，且抗干擾能力大幅增強，進一步提升了復雜拍攝場景中的圖傳可靠性。DJI Mini 3 Pro 身形雖小，其動力冗余設計帶來最高可抗 5級風，實現航拍場景自由。
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報告重點概述了無人機、傳統通航飛行器及電動垂直起降飛行器（eVTOL）等主要低空飛行器，并深入探討了eVTOL在構型設計、噪聲控制、適航取證等方面的核心技術挑戰與解決方案。此外，報告還系統闡述了支撐低空經濟發展的安全性、新基建、飛控系統、輕量化材料、環保與新能源、電池能源管理及電動力驅動等多項關鍵核心技術。
1.技術進步推動市場發展
eVTOL技術的不斷進步，如分布式推進系統、高能效的電動推進系統、創新的氣動構型設計等，為其在未來交通中的應用提供了可能。
同時，電子/電氣系統的不斷優化，如提高電池能量密度、優化航電及飛控系統等，也將進一步提升eVTOL的性能和安全性，滿足市場需求。
二維圖
MTF
相對照度
畸變
設計到這里，大概的初始構型已經設計好了，接下來可以增加非球面或者減少鏡片，做進一步優化。
最后，有光學設計相關需求，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯系。
因此，MDO雖然在科學研究中展現了巨大潛力，但是在飛行器全機復雜構型設計中卻面臨“瓶頸”，陷入“創新死亡谷”。近年來，我國超算研制和應用能力達到世界領先水平，“神威·太湖之光”多次登頂世界超算 Top500 榜單，高性能應用榮獲“戈登·貝爾”獎。國家超級計算無錫中心基于“神威·太湖之光”實現了航發整機全流道數值模擬，具備了解決工程仿真問題的能力，為實現第三代MDO軟件研發奠定了良好基礎。
通過特定的構型設計，氣凝膠的隔熱性能可進一步提高，同時將氣凝膠的應用從傳統領域擴展到可調節熱管理器件、刺激響應形狀記憶器件等新領域。該研究為構型可編輯氣凝膠的設計提供了重要見解，有望推動具有特殊構型高強度多孔材料的發展。
END
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圖5 蒙皮增厚對機翼固有頻率的影響
結語
基于有限元方法和振動測試數據研究了傾轉旋翼復合材料機翼動特性，然后通過復合材料構型設計，研究了鋪層角和蒙皮厚度對機翼動特性的影響。
Joby S2 在垂直起降時采用了多螺旋槳構型，這種冗余設計提高了飛行安全性。
圖1 Joby S2構型
在巡航中，這些螺旋槳中的大多數都折疊平放在吊艙上以減少阻力。這對螺旋槳葉片設計提出更高要求，需要高階的 CFD 計算工具來權衡螺旋槳升力性能以及折疊葉片產生的機艙阻力。
拓撲優化技術作為結構優化設計的重要分支，通過定義材料屬性、載荷工況與約束條件，尋求給定設計域內材料的最優分布形式，是結構輕量化設計、獲得高性能創新構型的有效設計方法，現已被廣泛應用到航空航天、汽車制造等領域中。
選擇可以間接地反映結構的靜力與動力性能的特性參數作為優化目標，在基本設計階段給出更為合理的空心結構構型設計，最終獲得材料分布合理，具有優良總體剛度、強度性能的初始設計，促進結構輕量化的目標實現。
拓撲優化技術作為結構優化設計的重要分支，通過定義材料屬性、載荷工況與約束條件，尋求給定設計域內材料的最優分布形式，是結構輕量化設計、獲得高性能創新構型的有效設計方法，現已廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域。
