無人機設計的案例
從工業設計角度談多旋翼無人機的設計
4.1用途
近年來隨著多旋翼無人機技術的高速的發展，應用場景越來越多的，在軍事方面，多旋翼無人機分為偵察機和靶機，偵察機用于完成戰場偵察和監視、定位校射、毀傷評估、電子戰等；民用方面，如邊境巡邏，物流運輸，航空攝影，航空探礦，災情監視，交通巡邏等；
在工業設計上，需要考慮的是多旋翼無人機具體的應用場景，融合行業應用的特點進行設計。
4.2功能
功能是多旋翼無人機與用戶之間的基本關系，用戶在使用多旋翼無人機時，從產品的功能中獲得滿足。多旋翼無人機的功能設計體現了產品的實用性原則。在合乎實用性設計原則之上，再考慮多旋翼無人機的創新與藝術性原則，功能即是無人機工業設計的核心點。
4.3結構
對于多旋翼無人機結構常見的有有四旋翼，六旋翼，八旋翼等，無論多旋翼無人機尺寸大小，都基本包括：中心板，機臂，飛控，電調，接收機，高度計，數傳電臺，GPS，IMU，升力裝置和動力裝置等。對于行業應用的多旋翼一般還配有，云臺，圖傳，避障裝置，VR設備，任務載荷等。多旋翼無人機的結構關乎產品功能需求。設計需要根據是產品定位和市場為導向。
4.4形式
形式美是構成多旋翼無人機的外部材料的自然屬性，以及它們的組合規律所呈現出的獨特的審美特性。無人機的產品美是無人機與形式高度統一的復合體。視覺是用戶認知無人機最直接手段，多旋翼無人機的外觀在依附于功能和性能，在滿足功能和性能的前提下，好的工業設計設計能刺激客戶購買欲望。
展開 阿貢國家實驗室聚焦先進無人機電池開發
阿貢國家實驗室正在籌建研究中心以評估無人機系統潛在設計方案，包括電池技術和混動架構。此無人機設計中心是任務驅動的，將聚焦于能源消耗、噪音、壽命、載荷方面的交聯挑戰。
阿貢國家實驗室的新中心將開發評估電池能量和混動無人機設計方案的工具
阿貢國家實驗室位于伊利諾伊州，在自動化產業電池技術進步方面已經扮演了關鍵角色。但從地面移向天空時電池需求會發生變化：飛機起飛和爬升所需的動力，以及垂直起降飛機著陸需要高放電率，這對電池壽命提出挑戰；飛行段間隔的快速充電需求則帶來了熱管理問題。
實驗室化學科學與工程部團隊負責人夏布爾·艾哈邁德稱：“對于飛機來說，滿足安全要求所需的付出和地面設備是不一樣的。航程越長，電池越重。應用領域改變時，所需的代價也要改變。”對于電推進小型無人機來說，能量儲存是基本的性能約束。對于內燃、渦輪大型飛機來說也是使用限制。對于電池的需求是迫切的，尋求新材料仍是重要研究方向。
新中心的目標之一是開發評估潛在無人機設計方案的工具，包括電池能量和混動架構。軍方是關鍵潛在客戶。
新的中心將整合阿貢目前開展的無人機相關研究，包括交通研究中心開展的模擬環境工具項目Aeronomie。該項目旨在預測特定任務無人機設計的航程、性能、能量消耗和元件需求；同時，交通研究中心關于電池效率和輕量化的研究也將應用于無人機。
此前，阿貢剛對其電池分析、建模和原型化基地投資200萬美元以擴大規模，為工業、學術界及其他國家實驗室的電池研發項目生產新材料電極和電池，其中包括開發并測試固態鋰電池系統的電極分離裝置，這種電池將是解決電池能量密度和安全性的關鍵方向。
（航空工業發展中心 蔡琰）
展開 仿真科普｜CAE技術賦能無人機 低空經濟蓄勢起飛
無人機設計制造中的CAE技術應用
01 結構分析與優化
無人機在設計過程中，需要對機體結構進行嚴格的力學分析，以確保其在各種飛行條件下都能保持穩定。CAE技術可以通過有限元分析、有限差分等方法，對無人機的機體結構進行靜力學、動力學分析，預測機體在不同載荷、不同飛行姿態下的應力、應變狀態。
圖片來源：學術論文[2]
02 熱設計與分析
無人機在高速飛行過程中，機體會產生大量熱量。若無法有效釋放，將會對無人機的性能產生嚴重影響。CAE技術可以對無人機的熱設計進行深入分析，預測機體內部的溫度分布，評估散熱效果。通過熱分析，工程師可以優化無人機的散熱系統，提高機體的熱穩定性。
圖片來源：網絡
03 飛行動力學模擬仿真
無人機的飛行性能與其動力學特性密切相關。CAE技術可以通過飛行動力學模擬，預測無人機在不同飛行條件下的運動軌跡、穩定性、操控性等，從而在設計階段對無人機的飛行性能進行優化，進一步提升無人機的飛行穩定性和安全性。
圖片來源：網絡
04 全方位電池性能仿真
對于用戶來說，如何保障足夠的續航能力，電池的設計至關重要。使用Star CCM+ 等仿真軟件可以實現完整系統電池建模（電池單體到電池組級別）。 [3]
圖片來源：網絡
05 產品測試與驗證
無人機在制造完成后，需要進行嚴格的測試和驗證，以確保其性能滿足設計要求。CAE技術可以通過仿真模擬無人機在實際飛行中的各種場景。例如，通過聲學仿真技術，降低飛行噪音對公眾的影響，使人們在享受無人機帶來的便捷之際，也能享有寧靜舒適的休閑時光。
展開 大國利器：翼龍系列無人機總設計師李屹東講述研發背后的故事
翼龍系列無人機總設計師李屹東:
每一代人有每一代人的使命。前輩中國航空人奮力追趕世界先進水平,最終實現了從我國航空武器裝備從望塵莫及到望其項背的發展進程；今天,我們在某些關鍵領域已經與世界先進水平比肩而立乃至同臺競技,更執著于追尋如何引領未來。我們科研戰線上的航空人,要不忘初心,以型號發展踐行產業報國的追求。
最近幾年，以翼龍、彩虹、云影等為代表的中國察打無人機一次又一次刷屏，在中東、北非、南亞都有良好表現，多個國家引進。其中，由中航工業成都飛機設計研究所自主研制的翼龍系列是根據國際市場需求研制的中空、長航時、偵察打擊一體化多用途無人機系統，最新型號是翼龍II，李屹東是總設計師，這款無人機堪稱中國出口武器的爆款。和美國無人機相比，中國翼龍無人機設計更講究安全性，且價格相對便宜，暢銷世界也不足為奇了。據了解，翼龍II無人機出口總數已經突破100架，成飛技術人員曾經自豪的說“翼龍2還在圖紙上訂單已經超過100架”。
這款爆款產品的背后有哪些故事？下面，讓我們一起走近翼龍系列無人機的總設計師李屹東：
點擊下方視頻觀看《翼龍系列無人機總設計師李屹東講述研發背后的故事》
據了解，2010年成飛推出翼龍I，此后又在此基礎上開發了翼龍II，并于2017年成功首飛。“翼龍II”身長11米，高4.1米，翼展達20.5米，外掛能力從200千克增加到了480千克，續航時間20小時。
一架翼龍無人機需要的零件超過13萬個，涉及300多家生產單位，其中零部件超過50%出自民營企業，是典型的軍民融合項目
。
展開 
大國利器：翼龍系列無人機總設計師李屹東講述研發背后的故事
翼龍系列無人機總設計師李屹東:
每一代人有每一代人的使命。前輩中國航空人奮力追趕世界先進水平,最終實現了從我國航空武器裝備從望塵莫及到望其項背的發展進程；今天,我們在某些關鍵領域已經與世界先進水平比肩而立乃至同臺競技,更執著于追尋如何引領未來。我們科研戰線上的航空人,要不忘初心,以型號發展踐行產業報國的追求。
最近幾年，以翼龍、彩虹、云影等為代表的中國察打無人機一次又一次刷屏，在中東、北非、南亞都有良好表現，多個國家引進。其中，由中航工業成都飛機設計研究所自主研制的翼龍系列是根據國際市場需求研制的中空、長航時、偵察打擊一體化多用途無人機系統，最新型號是翼龍II，李屹東是總設計師，這款無人機堪稱中國出口武器的爆款。和美國無人機相比，中國翼龍無人機設計更講究安全性，且價格相對便宜，暢銷世界也不足為奇了。據了解，翼龍II無人機出口總數已經突破100架，成飛技術人員曾經自豪的說“翼龍2還在圖紙上訂單已經超過100架”。
這款爆款產品的背后有哪些故事？下面，讓我們一起走近翼龍系列無人機的總設計師李屹東：
點擊下方視頻觀看《翼龍系列無人機總設計師李屹東講述研發背后的故事》
據了解，2010年成飛推出翼龍I，此后又在此基礎上開發了翼龍II，并于2017年成功首飛。“翼龍II”身長11米，高4.1米，翼展達20.5米，外掛能力從200千克增加到了480千克，續航時間20小時。
一架翼龍無人機需要的零件超過13萬個，涉及300多家生產單位，其中零部件超過50%出自民營企業，是典型的軍民融合項目
。
展開 追夢無人機，ANSYS CFD帶你設計帶你飛！
科技的發展，總能創造令人意想不到的奇跡，無人機正是一種讓人“浮想聯翩”的成果。無人機的廣泛應用得益于設計理念上的不斷創新，這使得CAE仿真技術在無人機的研發設計中舉足輕重。
無人機（UAV）是無人駕駛飛機（Unmanned Aerial Vehicle）的簡稱，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。
四旋翼飛行器
隨著近些年來民用級和消費級無人機市場的高速發展，無人機在航拍、農業、植保、快遞運輸、災難救援、觀察野生動物、監控傳染病、測繪、氣象、新聞報道、電力巡檢、影視拍攝等眾多領域的應用都呈現出了爆發式的增長。
來看看民用級和消費級無人機市場的龍頭企業DJI大疆創新的宣傳片，就能感受到無人機的豐富功能和迷人的魅力了。
無人機的設計是一個典型的多學科、多物理場的系統工程，涉及到電磁、結構、流體、熱等多個領域，包括天線布局、電機與驅動控制、電磁兼容與安全防護、沖擊、碰撞、跌落、氣動布局、側風穩定性等問題，如果使用傳統的試驗設計手段，通常整個研發設計周期少則數月、多則數年，但借助CAE工程仿真技術效果則會大大不同。ANSYS多物理場仿真技術，能夠幫助企業縮短研發設計周期，加快新技術、新工藝的應用，提高產品的市場競爭力，節約研發成本。
ANSYS多物理場仿真技術
接下來，我們聊一聊ANSYS CFD流體仿真技術在無人機設計中的應用。
多旋翼飛行器作為民用級和消費級無人機市場的主力產品，其氣動性能設計較為復雜，因為多旋翼飛行器僅能通過調節不同旋翼的電機轉速來實現各旋翼的升力變化，進而控制飛行器的姿態和位置，因此其本身是一個不穩定的欠驅動系統。
展開 仿真保設計丨從無人機振動分析看有限元分析法在設計中的應用
有限元分析法已從解決產品設計生產過程中的單一問題的工具，逐漸發展成為從產品概念設計開始，到產品詳細設計、產品生產過程設計、產品運行過程監控仿真的產品全生命周期仿真優化設計平臺。
而在無人機結構設計中，從方案設計到結構細節設計，從靜力學分析到結構動力學分析，從結構工藝設計到疲勞壽命預測，有限元法已滲透到無人機結構設計的各個環節，主要可總結為以下幾點：
1 總體方案設計階段
在無人機總體方案設計初期，需要快速的計算驗證和反復迭代改進，最終確定滿足設計要求的總體結構方案，而此時利用有限元法對簡化的總體結構模型進行計算驗證，能夠很快的得到計算結果，驗證方案可行性。
2 細節結構設計階段
利用有限元法，對無人機結構進行靜力學結構靜力學計算、模態分析、動響應分析、結構熱變形及熱應力分析等，結構設計人員能夠快速得知所設計無人機細節結構的可行性并進行迭代優化設計。
3 結構工藝成型設計階段
此階段可以通過現成的工藝設計有限元軟件對無人機結構工藝方案進行設計，尤其對于機身有復合材料結構件的無人機，復合材料部件工藝方案設計的好壞將直接影響無人機的整體性能。
以復合材料結構件成形工藝中的樹脂傳遞模塑 (RTM) 成型工藝為例，大型結構件一體成型時，事先對樹脂充型過程進行有限元模擬，能夠指導工藝設計人員合理的安排布置樹脂導流管及樹脂出入口以避免干斑的出現。
展開 Wingcopter利用Ansys技術擴大無人機運送醫療物資的規模
Wingcopter利用仿真技術改進其無人機設計，在保持載荷能力的同時增加飛行里程，并更快地運送重要物資
主要亮點
Wingcopter開發的無人機可自主將重要物資（包括疫苗、藥物、血液/其他實驗室樣本和醫療設備）運送到難以抵達的地區，從而加快運送速度并降低成本
在Ansys的支持下，Wingcopter利用仿真技術加速其無人機技術的虛擬原型設計，從而實現穩健、可擴展的產品設計，將飛行里程增加10%以上
Ansys技術可輕松連接到Wingcopter的傳統工具，使團隊能夠遵循嚴格的研發流程并符合嚴苛的認證要求
在Ansys仿真技術以及Ansys Apex渠道合作伙伴CADFEM Germany GmbH的支持下，Wingcopter正在開發前沿無人機技術。其無人機可為難以抵達的地區運送重要物資，包括疫苗、藥物、血液/其他實驗室樣本和醫療設備，并且還提供用于基礎設施檢查的遠程激光雷達測量服務。通過此次合作，Wingcopter確定并優化了其無人機的有效載荷解決方案，可將飛行里程增加10%以上，從而可為更多人運送更多物資。
為了實現從懸停到巡航的平穩過渡，垂直起降（VTOL）飛行器設計需在推進系統的靈活性、空氣動力學、能效和安全性等方面進行工程優化。Wingcopter依靠Ansys的多物理場和安全分析解決方案來驗證無人機設計。其無人機配備冗余電池系統和8個電機，其中4個電機采用傾轉旋翼技術，以增強向巡航狀態的過渡的性能。
仿真技術可幫助Wingcopter評估無人機在各種條件下（包括強風、暴雨、不同海拔等）的性能。仿真結果會與現場測試和運行數據進行比對，并且，結果將被反饋到虛擬環境中，形成一個數據驅動的設計循環，從而實現部件的快速優化，提高性能和安全性。
展開 固定翼無人機設計入門
固定翼無人機設計入門 學習為特定任務設計固定翼無人機，探究飛行器設計與性能之間的取舍。 當下是投身飛行器設計領域的最佳時期。無人機被應用于農業、搜救、包裹配送等領域，未來還將被用于諸多尚未設想出的任務。由于無人機需要為每項任務量身設計，這意味著當下正是投身飛行器設計領域的最佳
使用 SolidWorks 設計的無人機（四軸飛行器） ￥10
無人機（四軸飛行器）
這是使用 SolidWorks 設計的四軸飛行器的詳細 3D CAD 模型。該組件采用三臂結構，包含無刷電機、螺旋槳、中央框架和已安裝的電池組。該結構針對輕量化性能進行了優化，展示了逼真的機械組件，例如電機支架、支撐架和模塊化框架。非常適合無人機設計演示和原型設計。
煤礦無人機智能系統設計與實現
航空測繪無人機設計選用深圳市大疆創新科技有限公司生產的DJI Phantom 4 RTK無人機，該機型實現了視覺避障+超聲波測距避障系統，配合上位機軟件實現了生態厘米級建模。礦區安防巡查深圳市大疆創新科技有限公司生產的DJI M210 V2無人機和DJI Mavic 2行業雙光板無人機，DJI M210 V2無人機實現了前視下視上視視覺避障系統，DJI Mavic 2行業雙光版無人機實現了視覺避障系統、大于等于24GB機載內存(機載內存可加密)、可見光成像+紅外熱成像系統。設施設備巡檢選用了DJI M210 V2無人機。三種無人機機型都實現了最大可承受5級風 12m/s風力、8km通視環境測控距離、-20℃ 至 40℃工作溫度、無線+4G備份通信鏈路功能。根據不同的功能給相應的無人機分別設計配置了Z30變焦相機云臺、XT2A25SR雙光云臺、X5S相機、TB55電池、精靈4電池、DJI Mavic 2行業雙光版電池、M600用X3/X5安裝支架、M200用XT2轉接座、M210喊話器、M210隨動補光燈等負載配件。建模和智能管控平臺使用深圳市大疆創新科技有限公司的TERRA、FLIGHTHUB司空政企版。
2 煤礦無人機智能系統功能設計
2.1 基于二維、三維建模的地表沉陷及生態環境監測功能設計
為掌握礦區綜合生態環境狀況，需對礦區地表下沉及生態環境的綜合監測，礦區以往大都采用在地表多點固定位置，安裝相應監測傳感器實現對地表沉陷監測[7]，因礦區面積大、地形復雜，在安裝、維護、通信上難度大。生態環境監測及建模依賴于專業的測繪遙感飛行器，需有專門的遙感測繪單位完成[8]，這種測繪方式成本高周期性長。
此設計立足于小型無人機進行地表二維、三維監測和重建技術，系統根據監測區域自動生成航測路線，航測周期為一星期一次，最終實現精度達到厘米級的地表沉陷及生態環境監測。
展開 
仿真科普｜CAE技術賦能無人機，低空經濟蓄勢起飛
無人機3.0時代是低空經濟以科技創新推動產業創新的制勝之匙。目前，無人機以‘集群組網’和‘智能化’為特征，正成為‘會飛的電腦’。”[1]</p><p class="ql-align-justify"> 與此同時，無人機技術已經滲透到我們生活的方方面面，從航拍攝影到農業種植，從環境監測到軍事偵察，無人機的身影無處不在。在無人機的設計與制造環節，計算機輔助工程（CAE）技術具有至關重要的作用。借助<span style="color: rgb(9, 64, 142);">CAE技術</span>，無人機設計階段可實現對傳統試驗與測試的替代，進而以更高效的方式完成設計任務。通過數值模擬與仿真，CAE技術為無人機設計提供了有力支持。</p><p class="ql-align-center"><br></p><h2 class="ql-align-center"> 01 無人機設計制造中的CAE技術應用</h2><h3> （1）結構分析與優化</h3><p> 無人機在設計過程中，需要對機體結構進行嚴格的力學分析，以確保其在各種飛行條件下都能保持穩定。CAE技術可以通過有限元分析、有限差分等方法，對無人機的機體結構進行靜力學、動力學分析，預測機體在不同載荷、不同飛行姿態下的應力、應變狀態。
展開 波音公司展示新型“女武神”高超聲速無人機設計效果圖
據airforcemag網站2022年1月7日刊文，在本周圣地亞哥舉行的美國航空航天學會會議上，波音公司展示了新型“女武神”高超聲速無人機設計效果圖。此圖與2018年波音公司發布的效果圖有所不同，2018年發布的效果圖機頭很尖、脊背高，機身下方設有“二維”矩形進氣道，很像上世紀八十年代制造的空天飛機（NASP）。新型“女武神”高超聲速無人機機頭扁平、機身較圓、機身下方兩個分立的“二維”矩形進氣道延伸到尾桁，噴管采用塞式技術，機身更多地呈現出“乘波體”的形狀。
美國國防工業協會新興技術研究所執行主任馬克·劉易斯認為，新型“女武神”高超聲速無人機采用的是“組合循環”推進系統，即起飛時采用燃氣渦輪發動機提供動力，當無人機達到足夠大的超聲速時，再由超燃沖壓發動機提供動力。波音公司的這種設計方案汲取了美國宇航局（NASA）X-43高超聲速飛機的設計經驗。
馬克·劉易斯指出，波音公司面臨的技術難題是“組合循環推進系統接替工作”問題，即“在遠低于超然沖壓發動機啟動的馬赫數飛行時，燃氣渦輪發動機出現空中停車，這會造成無人機失去動力，必須采用某種方法解決這一技術難題”。
馬克·劉易斯認為，波音公司應展開“熱結構”復合材料的研究，以解決超高聲速飛行產生的高溫問題。“‘冷結構’復合材料不能解決抗高溫問題，但具有某種‘熱保護’的功能”。
此外馬克·劉易斯還表示，新型“女武神”高超聲速無人機的扁平狀機頭有助于提高飛機的隱身性，這種構型“輻射的熱信號不會像人們想象的那樣明顯”。
轉自：全球航空資訊
展開 基于無人機使用的航空發動機自動加速性試飛方法試驗
楊 雄，姚尚宏
(中國飛行試驗研究院 發動機所，陜西 西安 710089)
摘 要：根據無人機用發動機設計和使用特點，針對發動機加速性試飛考核項目，分析有人機和無人機加速試飛動作過程，提取試飛核心要素，制定具體方案設計流程，并通過試飛驗證。結果表明，該試飛方法在無人機使用范圍內滿足航空發動機加速性試飛考核要求，方法具有一定的通用性，可以指導后續發動機加速性試飛。
關鍵詞：無人機；航空發動機；加速性；試飛方法
0 引 言
近年來，隨著無人機領域的蓬勃發展，無人機用發動機得到越來越多的關注[1-8]，由于飛機無人化操作帶來的飛機/發動機使用特點[9]，無人機用航空發動機試飛技術面臨嚴峻挑戰，如何將傳統有人機航空發動機試飛技術與無人機設計和使用特點相結合是技術工程師面臨的首要難題。發動機加速性試飛作為航空發動機設計定型試飛的關鍵項目[10]，其加速過程中的工作穩定性和加速性能直接影響到無人機是否能準時到達戰場并完成指定任務[11]，因而，無人機用發動機加速性試飛是眾多必須解決的試飛技術難題之一。
國內在發動機加速性試飛方面發表的文章較少，且更多的是有人駕駛飛機發動機試飛[12-13]，無人機用發動機的試驗研究還處于起步階段，更多的是對試驗內容的探討[14-15]，在國外，全球鷹高空長航時無人偵察機作為世界范圍內頂尖技術水平的無人機，其動力裝置采用了羅羅公司的AE3007H發動機，該型發動機是商用AE3007發動機的改進型，在采辦初期進行了大量的試驗，其中進行了至少3次高空臺模擬試驗[16]。
展開 MSC Nastran非線性分析用于無人機的起落架性能設計
CAE分析幫助工程師確認了該型號無人機符合13英寸高度的跌落要求。有了這個解決方案，團隊可以提前完成無人機的起落架設計。
優勢
有效分析和節省時間
滿足認證標準是很重要的，這不僅需要從整機安全的角度來看，而且也為了更平穩的運行設備。通過充分的基于模擬的測試，通用航空公司的客戶可以放心使用這些無人機。使用MSC Nastran的混合方法有助于避免對物理樣機進行重復的物理測試，以及確保了一種有效和高效的方式來縮減設計和交付時間。
起落架非線性變形
無人機市場在各個領域都在增長，包括基礎設施、農業和緊急醫療服務。因此，采用數值模擬方法可以在滿足工程設計的同時縮短設計周期。
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
十多年來，優飛迪科技在數字孿生、工業軟件尤其仿真技術、物聯網技術開發等領域積累了豐富的經驗，并在這些領域擁有數十項獨立自主的知識產權。同時，優飛迪科技也與國際和國內的主要頭部工業軟件廠商建立了戰略合作關系，能夠為客戶提供完整的產品開發平臺解決方案。
優飛迪科技技術團隊實力雄厚，主要成員均來自于國內外頂尖學府、并在相關領域有豐富的工作經驗，能為客戶提供“全心U+端到端服務”。
展開 