氣動外形設(shè)計的案例
高超聲速飛機氣動外形概念設(shè)計
廖孟豪等[3]對美國軍方和軍工部門提出的4個高超聲速作戰(zhàn)飛機概念方案進行了梳理，對比分析了各個概念方案的氣動布局特點，分析認為，美國高超聲速作戰(zhàn)飛機氣動布局向提升低速特性、降低內(nèi)外流耦合程度、增加機身容量等方向演變。左林玄等[4]詳細總結(jié)了高超聲速飛行器的氣動布局分類，并指出未來高超聲速飛行器的布局將向翼身融合布局和乘波體布局兩個方向發(fā)展。李憲開等[5]結(jié)合高超聲速飛機的需求，分析了高超聲速飛機氣動布局設(shè)計存在的問題、難點和關(guān)鍵技術(shù)。
氣動布局技術(shù)是水平起降高超聲速飛機研制的核心技術(shù)之一。崔凱等[6-7]采用前體/發(fā)動機一體化設(shè)計思想，給出了一種雙旁側(cè)進氣翼身融合體概念設(shè)計方案。國內(nèi)對高超聲速飛行器的相關(guān)研究日趨活躍，但對高超聲速飛機尤其是氣動布局方面的研究還不多，而且缺乏具體的應(yīng)用背景和需求指標(biāo)牽引。劉濟民等對高超聲速ISR平臺的軍事需求進行了分析，并對其在未來海戰(zhàn)中的應(yīng)用進行了研究[8]。根據(jù)軍事需求分析得到的能力需求，目前的技術(shù)發(fā)展水平和對未來作戰(zhàn)使用的基本構(gòu)想，對高超聲速ISR 平臺做以下技術(shù)想定，見表1。
表1 高超聲速ISR平臺主要技術(shù)指標(biāo)
Table 1 Main technology index of hypersonic ISR vehicle
本文以上述高超聲速ISR 平臺目標(biāo)圖像為需求牽引，擬采用類乘波體氣動布局，對高超聲速ISR平臺的氣動外形進行初步設(shè)計與性能分析，并進一步驗證氣動外形概念方案滿足設(shè)計需求的程度，找到軍事需求與技術(shù)滿足度之間的差距，為高超聲速飛機氣動布局技術(shù)研究指明努力的方向。
1 氣動外形設(shè)計方法
氣動外形設(shè)計包括乘波前體氣動外形優(yōu)化設(shè)計、機翼設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，進行高超聲速ISR 平臺氣動外形一體化設(shè)計，包括乘波前體與機身的集成、機翼與機身的集成，以及后體與機身的集成三部分。
展開 列車氣動外形分析：車頭越尖越好嗎？
最終的的列車外形設(shè)計，是通過多次的仿真分析，選擇分析結(jié)果良好的案例進行風(fēng)動實驗，綜合計算后產(chǎn)生的。
高速列車的氣動設(shè)計過程啟示了一個亙古不變的道理：在生產(chǎn)生活中，應(yīng)該一切以真實的科學(xué)論證為導(dǎo)向，不應(yīng)盲目追求所謂的“酷炫”；安全、實用、便捷始終是一切產(chǎn)品設(shè)計的首要要求。
氣動分析與設(shè)計代做
飛行器氣動外形設(shè)計，布局設(shè)計，ICEM網(wǎng)格劃分，F(xiàn)LUENT計算，origin,tecplot后處理及分析。根據(jù)工作量及難度議價。
仿真模型互通及ANSYS多物理場技術(shù)分析
對于仿真技術(shù)而言，過去僅考慮單個物理場，比如結(jié)構(gòu)強度、氣動、磁場強度、電場強度等性能，已經(jīng)越來越難以滿足市場的現(xiàn)實需求。在實際產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計師需要綜合各方面因素，尤其是需要考慮多物理場/學(xué)科之間的相互影響。以飛機氣動外形設(shè)計為例，設(shè)計師在優(yōu)化飛機氣動外形設(shè)計的同時，需要兼顧雷擊防護，RCS等電特性，還要保證機體結(jié)構(gòu)外形/材料等參數(shù)調(diào)整以后，不會影響整機、關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強度。
ANSYS專注工程化的仿真技術(shù)開發(fā)近50年，尤其是在多物理場耦合/多學(xué)科系統(tǒng)集成仿真領(lǐng)域已耕耘近20年。支持ANSYS自研“單一求解器架構(gòu)”、“多求解器耦合架構(gòu)”多物理場耦合技術(shù)；更可以通過相關(guān)接口，集成第三方語言、工具、標(biāo)準(zhǔn)，最終實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)高魯棒性多學(xué)科系統(tǒng)集成仿真，有效支撐企業(yè)新產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)需求，支撐企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
以飛機電動剎車系統(tǒng)多學(xué)科系統(tǒng)實際工程仿真為例。整個系統(tǒng)由控制、電力電子、電做動、機械傳動、電動剎車盤、輪轂、輪胎等部件組成，上述模型在系統(tǒng)仿真集成前，需要進行有效的創(chuàng)建與驗證。同時上述模型在創(chuàng)建過程中，除了考慮基本性能意外，還需要考慮不同物理場之間的相互交互影響，比如地面濕滑程度，飛機飛行高度/速度，不同溫度等因素。在ANSYS環(huán)境下，用戶可以通過多種途徑分別構(gòu)建上述部件、分系統(tǒng)的高保真模型，如電路、框圖、狀態(tài)機、物理場模型集成、第三方廠商元件庫、第三方軟件系統(tǒng)仿真等。同時，以相關(guān)技術(shù)為支撐，如物理場模型降階等技術(shù)，有效保證上述模型在系統(tǒng)中的求解速度，最終達到系統(tǒng)仿真精度與速度的平衡。
另外，多物理場/多學(xué)科仿真技術(shù)在實際應(yīng)用過程中涉及大量數(shù)據(jù)、流程、經(jīng)驗的管理問題。
展開 
基于新型高維代理模型的高效全局氣動優(yōu)化設(shè)計
四
團隊介紹
趙歡（第一作者）
，
西北工業(yè)大學(xué)，副教授，研究方向為飛行器氣動/隱身多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計理論與方法；多學(xué)科不確定分析及穩(wěn)健設(shè)計理論與方法；翼型/機翼/旋翼/先進氣動布局高效優(yōu)化設(shè)計理論與方法；新型轉(zhuǎn)捩預(yù)測方法，先進自然層流外形流動機理與優(yōu)化設(shè)計；代理模型、機器學(xué)習(xí)及智能化全局優(yōu)化理論與方法等。目前以第一作者發(fā)表論文20余篇，授權(quán)專利6項，主持國家自然科學(xué)基金等國家級課題2項。
高正紅（團隊負責(zé)人），西北工業(yè)大學(xué)，教授、博士生導(dǎo)師，飛行器設(shè)計學(xué)科長江學(xué)者特聘教授，享受國務(wù)院特殊津貼。中國航空學(xué)會理事，國際航空科學(xué)大會學(xué)術(shù)委員會委員，《航空學(xué)報》編委。第九、十、十一屆全國政協(xié)委員，陜西省十二屆人大常委會委員。長期從事飛行力學(xué)與飛行器綜合設(shè)計研究，發(fā)表論文200余篇，先后主持了國家“十五”~“十四五”裝備預(yù)研、國防863、973等課題。獲得國家科技進步一等獎，省部級科技進步一、二、三等獎項。
文章來源：航空學(xué)報
供稿：趙歡
編輯：李明敏，許雅婷
展開 傾轉(zhuǎn)旋翼機復(fù)合材料機翼動特性仿真分析
改變機翼蒙皮第二層鋪層的角度，分別采用以下三種不同的鋪層角度設(shè)計：0°/90°/45°，研究機翼蒙皮鋪層角度設(shè)計對機翼動特性的影響，結(jié)果如圖4。
結(jié)果顯示，機翼蒙皮第二層鋪層角度設(shè)計為0°和90°時，傾轉(zhuǎn)旋翼機機翼的垂向彎曲、弦向彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率相同，未發(fā)生改變，表明復(fù)合材料鋪層角度0°和90°時，復(fù)合材料鋪層對于機翼的各向剛度貢獻一致。機翼蒙皮第二層鋪層角度設(shè)計為45°時，與0°相比，機翼的垂向和弦向彎曲頻率小幅減小，扭轉(zhuǎn)固有頻率提升了8%，說明復(fù)合材料機翼蒙皮鋪層角度45°時，復(fù)合材料鋪層剛度的彎扭耦合特性有效地提高了機翼的扭轉(zhuǎn)固有頻率和扭轉(zhuǎn)剛度。可見，利用復(fù)合材料剛度方向可設(shè)計性和彎扭耦合剛度特性進行機翼鋪層角度優(yōu)化設(shè)計，可在不改變機翼質(zhì)量和氣動外形設(shè)計的前提下，增強機翼扭轉(zhuǎn)方向的剛度，達到提高扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率的目的。
機翼蒙皮鋪層厚度影響
研究機翼蒙皮厚度對其固有頻率的影響，結(jié)合上述分析結(jié)果，機翼局部或整體增厚，具體鋪層方案及相應(yīng)增重如下：
方案1：機翼整體蒙皮鋪層增加1層，增重9kg;
方案2：機翼整體蒙皮鋪層增加2層，增重18kg;
方案3：機翼根部蒙皮鋪層增加3層，增重9kg;
方案4：機翼根部蒙皮鋪層增加6層，增重18kg。
圖5(a）為四種蒙皮增厚方案下機翼固有頻率對比結(jié)果，圖5(b）為機翼整體和根部分別增厚，機翼增重18kg的方案與原方案固有頻率對比結(jié)果。
對比方案1和方案3，方案2和方案4，結(jié)果顯示，復(fù)合材料機翼蒙皮增厚可以有效地提高機翼各階固有頻率。
展開 基于實際工程的飛行器氣動設(shè)計與仿真
從兩者氣動布局上分析，“新格倫”一子級下降過程中迎角將大于超重，更充分利用空氣阻力減速，這有利于減少再入減速段推進劑的消耗量。
圖6 藍色起源公司的火箭產(chǎn)品
兩位首富的可回收火箭，氣動布局明顯不同，但均滿足各自的設(shè)計約束，但布局上具有共同的特點，利用尾部的邊條緩解重心過于靠前的弊端，不同于Falocin 9火箭一子級的返場回收，重型可回收火箭一子級航區(qū)回收方式的射程要求使得氣動布局應(yīng)滿足如下條件：
2.3. 基于分解指標(biāo)的氣動布局設(shè)計流程
傳統(tǒng)的設(shè)計模式（如圖7所示）為在明確飛行器指標(biāo)的前提下，基于工程經(jīng)驗，設(shè)計出至少兩種不同形式的氣動外形，該外形特征尺寸不脫離實際工程，同時涵蓋外形設(shè)計約束（如隱身平面），利用工程算法進行參數(shù)化設(shè)計，在確定初步方案可行的基礎(chǔ)上，風(fēng)洞試驗介入設(shè)計流程。
圖7 跨速域飛行器氣動布局設(shè)計流程
從20世紀90年代開始，軍用及民用飛機已從原來的技術(shù)驅(qū)動型設(shè)計的產(chǎn)品過渡為要求性能好、生產(chǎn)周期短和更廉價的市場驅(qū)動型設(shè)計的產(chǎn)品（見圖8）。在航天領(lǐng)域，可復(fù)用火箭即是利用此理論的傳統(tǒng)航天產(chǎn)品設(shè)計思路的顛覆性作品。盡管定義階段的費用與成本低，但絕大部分決策是現(xiàn)階段確定的，對運營和全壽命成本影響是最大的。隨著各階段的進展，對產(chǎn)品具有的最終性能將越來越了解，但改變與設(shè)計的自由度卻越來越少，改動設(shè)計會造成成本急劇提高。因此，為了控制成本，應(yīng)盡早地掌握產(chǎn)品將具有的性能，意味著需要盡可能早的設(shè)計階段進行高保真度的幾何數(shù)模和CFD模擬，這已然成為現(xiàn)代復(fù)雜飛行器氣動布局設(shè)計的重要特點。
圖8 高保真設(shè)計對設(shè)計流程的影響
復(fù)雜氣動布局飛行器設(shè)計的CAE包括計算流體力學(xué)（CFD）、計算固體力學(xué)（CSM）、計算電磁學(xué)（CEM）和計算聲學(xué)（CAA）等。
展開 自板手機外形設(shè)計
自板手機外形設(shè)計
基于Inspire拓撲優(yōu)化的燈具外形設(shè)計
1 設(shè)計背景
該案例中以燈具為設(shè)計對象，對燈具蠟燭放置位置施加向下集中力，用Inspire拓撲優(yōu)化模塊來對其進行優(yōu)化設(shè)計。
2 設(shè)計過程
2.1 建模
燈具分三層，每層6個蠟燭安裝孔。
2.2 材料參數(shù)
選用材料為銅，參數(shù)如下。
楊氏模量/MPa
泊松比
密度/kg·mm-3
屈服應(yīng)力/MPa
120e+3
0.34
8.92e-6
345
2.3 約束及載荷
為確保優(yōu)化結(jié)果的對稱性，需對模型設(shè)置6等分的周期對稱約束。此外，中心柱頂部固定。由于燈具受載荷不大，一般情況下不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，因此可對載荷做放大處理，設(shè)定所有孔受向下100N的力。
2.4 優(yōu)化
由于銅材料較重，優(yōu)化時需考慮自重，優(yōu)化目標(biāo)為剛度最大化，質(zhì)量目標(biāo)設(shè)定為30%。
優(yōu)化結(jié)果如下：
優(yōu)化結(jié)果應(yīng)力滿足安全要求。
2.5 模型重建
參考優(yōu)化結(jié)果重建模型如下：
展開 艦艇外形雷達隱身優(yōu)化設(shè)計理論與方法
摘要:研究了艦艇外形雷達隱身優(yōu)化設(shè)計問題.介紹了艦艇外形雷達隱身防護常用措施和進行雷達隱身性能評估的數(shù)值方法,提出外形隱身優(yōu)化的多層次設(shè)計優(yōu)化模型理論及相關(guān)數(shù)學(xué)表達式.以某型船為例,進行外形隱身截面吃尋優(yōu)化,將全船隱身設(shè)計與常規(guī)設(shè)計相比較,驗證外形隱身設(shè)計優(yōu)化理論的正確性和優(yōu)越性
艦艇外形雷達隱身優(yōu)化設(shè)計理論與方法.pdf
自板手機外形設(shè)計１
自板手機外形設(shè)計１
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SOLIDWORKS模具設(shè)計之如何抽取“最大外形輪廓線”
抽取產(chǎn)品最大外形輪廓線，這個對于模具設(shè)計師而言，相信并不陌生，在UG里面針對這個有“等斜度曲線”功能，在PORE中則有個“側(cè)向投影線”功能，這時或許有人不禁會問，那這個在SOLIDWORKS中是怎么做或者用那個功能實現(xiàn)的呢，今天就和大家分享一下最大外型輪廓線在SOLIDWORKS中該如何提取。
我們來看這個產(chǎn)品:
拔模分析一下，這時會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的分型線都在R角上面。
使用“分割線”功能，選中產(chǎn)品所有面，進行最大輪廓分割。（注意選擇分割面的時候不要用鼠標(biāo)框選，而是使用工具菜單下的“選擇所有”，這樣才能一次全部選中要分割的面）。
這時,你會發(fā)現(xiàn)仍然有一些面沒有選中，但是，你細心就會發(fā)現(xiàn)這些沒被選中的面都是平面，因為這是“分割線”自過濾的一種功能，你會發(fā)現(xiàn)SOLIDWORKS其實很聰明，它會自動過濾掉不具有分割意義的那些面。
分割完成后，打開拔模分析，這樣可清晰看見前后模的分界線，然后用“組合曲線”逐個選擇剛才的分割邊線，最后打勾，就可以得到整個模型的最大外型輪廓線。
來源：易盛科技SOLIDWORKS
展開 外形酷似蜘蛛，這是有史以來最復(fù)雜的創(chuàng)成式設(shè)計的著陸器
為地球設(shè)計復(fù)雜的機械設(shè)備是一項挑戰(zhàn)，而將它射入太空并且實現(xiàn)著陸完全是另一回事。這就是為什么Autodesk-歐特克為NASA噴氣推進實驗室設(shè)計的太空著陸器的特殊意義，這是有史以來最復(fù)雜的創(chuàng)成式設(shè)計的著陸器。
三種制造技術(shù)的結(jié)合
太空登陸器對NASA尤其重要，NASA現(xiàn)在已經(jīng)著眼于到達到土星和木星的衛(wèi)星，對于NASA來說，空間著陸器越輕越好，因為這意味著可以節(jié)約負載能力以塞進更多的科學(xué)儀器。
軟件公司Autodesk-歐特克和美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室的工程師們設(shè)計出了一種全新的星際著陸器，未來預(yù)計將對木衛(wèi)二和土衛(wèi)二等遙遠的衛(wèi)星進行探索。它的重量大大小于美國宇航局送往其它行星和衛(wèi)星的大多數(shù)著陸器。
歐特克公司公布的這個全新的著陸器設(shè)計，外形酷似一只蜘蛛。通過歐特克的創(chuàng)成式設(shè)計軟件，這個設(shè)計方法運用的是大自然的進化結(jié)果的防生學(xué)計算公式。設(shè)計師和工程師們只需要將設(shè)計目標(biāo)、材料、制造材料和成本限制等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計軟件中，設(shè)計軟件就能夠快速生成多種設(shè)計結(jié)果作為選項。
這個太空登陸器的設(shè)計初衷是創(chuàng)造最輕的結(jié)構(gòu)，但它仍然必須承受被射入太空的壓力，冰凍的溫度，輻射水平是地球的1000倍，以及還需要考慮結(jié)構(gòu)降落在行星（如火星）時的重力和側(cè)向力。3D科學(xué)谷了解到歐特克和噴氣推進實驗室的研究人員將著陸器在深太空可能遭受的溫度和壓力等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計軟件中，軟件根據(jù)數(shù)學(xué)算法生成了數(shù)種不同的設(shè)計結(jié)果。
這種著陸器擁有四條腿，它的身體看起來就像是科幻電影的一種道具。研究團隊在打造這款著陸器時使用了3D打印、數(shù)控加工和鑄造三種技術(shù)。目前NASA與歐特克公司合作設(shè)計的這款著陸器主要是以實驗為目的。在太空旅行中，承受太空惡劣環(huán)境的最佳材料就是鈦和鋁，但是這些材料也有點重。
展開 機械設(shè)計實用計算之氣動計算
一、氣源過濾精度選擇：
a、一般機械及一般氣動回路等過濾精度＜40μm；
b、邏輯元件、射流元件、氣馬達等過濾精度＜10μm；
c、食品、醫(yī)藥、電子、煙酒、空氣軸承等過濾精度＜5μm。
二、氣動技術(shù)要點:
a、氣缸的推力一般在1.7~48230N，常規(guī)速度在50~500mm/s范圍之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)氣缸活塞可達到1500mm/s，沖擊氣缸達到10m/s，特殊狀況的高速甚至可達32m/s。氣缸的低速平穩(wěn)目前可達3m/s，如與液壓阻尼缸組合使用，氣缸的最低速度可達0.5mm/s。
b、閥的壽命一般大于3000萬次，高的可達1億次以上；氣缸的壽命在5000km以上，高的可超過10000km。
c、空氣可壓縮，所以動作速度易受載荷的影響。采用氣液聯(lián)動方式可以克服這一缺陷。
d、低速時，摩擦阻力占比大，不如液壓缸平穩(wěn)。
e、氣缸輸出力比液壓缸小得多。
三、氣動系統(tǒng)的構(gòu)成：
1）氣源部分：
空氣壓縮機（儲氣罐、安全閥、減壓閥、壓力表）、冷卻器、主管道過濾器、干燥器、排水器等。`
2）管道處理部分：
氣動三聯(lián)件（減壓閥、過濾器、油霧器、增壓閥）
附件（氣管、接頭、壓力表）。
展開 當(dāng)測試設(shè)備遇上“奇葩”尺寸：定制底座的3個反常識設(shè)計思路
工業(yè)測試中，常規(guī)尺寸底座定制難度不大，頭疼的是“奇葩”尺寸設(shè)備——外形不規(guī)則、尺寸超標(biāo)、安裝空間受限、負載分布不均，按常規(guī)思路設(shè)計的底座，往往
改用“底部窄面板+頂部寬支撐+中間鏤空”的輕量化設(shè)計后，重量減少30%，同時優(yōu)化支撐點讓落在，穩(wěn)定性遠超加厚底座。核心邏輯：穩(wěn)定性核心是匹配，而非重量堆砌，測算的輕量化設(shè)計同樣能應(yīng)對重載。
反常識思路三：不局限“一體成型”，模塊化拼接更靈活。常規(guī)思路認為，尺寸超標(biāo)、外形復(fù)雜需一體成型保證整體性，但一體成型加工難度高、精度難控、廢品率高，后期設(shè)備或環(huán)境變化時只能整體報廢，成本高。
案例：企業(yè)適配超長不對稱部件測試設(shè)備，一體成型底座加工后精度偏差超0.2mm，完全無法使用。改用3個標(biāo)準(zhǔn)模塊拼接設(shè)計，通過定點銷與螺栓固定，加工精度控制在0.02mm內(nèi)，后期還能靈活增減模塊適配變化。核心邏輯：“奇葩”尺寸痛點是不可控，模塊化設(shè)計將復(fù)雜問題簡單化，降低加工難度還提升靈活。
核心落地提醒：反常識設(shè)計不是天馬行空，需堅守三大原則：①間隙預(yù)留需可控，搭配定點組件防設(shè)備移位；②輕量化鏤空需測算，通過有限元分析驗證承載能力；③模塊化拼接需強固定，保證拼接處無松動、無間隙。
總結(jié)：對付“奇葩”尺寸底座定制，跳出常規(guī)思維是關(guān)鍵。用可控間隙、輕量化設(shè)計、模塊化拼接替代傳統(tǒng)思路，能解決適配、穩(wěn)定、靈活三大問題，避開返工坑，提升效率、降低成本。工業(yè)設(shè)計的核心，從來不是符合常識，而是解決問題。
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