太陽能飛機設計的案例
一種無人駕駛高空太陽能飛機的優化設計
Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技術學院
近年來，高空長時（HALE）太陽能無人飛行器（無人機）的發展已越來越重要。這種飛機可以作為“偽衛星”，并且相比普通衛星具有與地面更接近、更靈活、更便宜的優勢。使用太陽能陣列電池和普通電池組的組合，不需要復雜的起飛輔助系統，這些無人機在進行長期飛行時可以覆蓋1000公里直徑的面積，進行約425,000次通話。
挑戰
穩定性和控制是任何飛機設計中的關鍵問題，而這種情況下尤其需要特別注意，特別是考慮到飛機在高達17公里高度飛行。另一個問題是如何確定最佳的電池包和電源系統的設置，以符合飛機標準和法規。巴西航空技術學院的研究者研究了如何增強一個輕量級的太陽能無人機模型，該模型具有矩形機翼，機翼連著一個常規的尾部，內部有一個吊桿與兩個引擎。飛機原始模型的總重量為30.1公斤，其中電池在總重中的比例非常高。研究人員尋求被選參數的最佳配置，包括幾何，空氣動力學，結構，穩定性，重量和系統。作為一個多目標優化問題，需要最大限度地提高可用的電源功率，同時降低飛機結構的總重量。
“多虧modeFRONTIER，花了不到一天的時間就獲得了大量的各種可行的設計結構。”
Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技術學院
解決方案
在modeFrontier中建立了多學科工作流程，考慮了穩定約束，以及太陽能電池板的面積不能超過專用部分的翼。優化的目標是最大限度地減少重量和最大限度地提高電力盈余。機翼面積在30至60平方米的范圍之間變化，在30個樣本點進行40代遺傳以后，MOGA-II算法返回一組可行的設計。最好的配置具有比原面積擴展50%的機翼面積，從而可以承受一個更大的太陽能電池板，因此具有相當高的功率可用性，而飛機重量僅略有增加。
展開 世界上最大的太陽能飛機！
太陽能飛機顧名思義，就是以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。2016年7月26日，全球最大太陽能飛機“陽光動力”2號抵達阿聯酋首都阿布扎比，完成了環球飛行的壯舉。今天，小編就和大家聊聊這架不依靠燃料、不排放任何污染物、僅靠太陽能晝夜飛行的飛機。
“陽光動力2號”是瑞士人Bertrand Piccard和André Borschberg制造的第二款太陽能飛機。初代產品“陽光動力號”(Solar Impulse)曾在2012與2013年進行長距離飛行測試，2012年完成了瑞士飛往西班牙1116千米的不停站紀錄，2013年則完成了橫跨美國的飛行測試。“陽光動力2號”使用了與前作大體相似的結構，但是在核心部件部分都有了大幅更新。
聯合創始人伯特蘭·皮卡德與安德烈·波爾施博格
“陽光動力2號”翼展達到72米，比波音747還要寬，僅次于體積最大的商用客機A380（79.75米），龐大的機翼給了“陽光動力2號”足夠的升力。
陽光動力2號與波音747對比
“陽光動力2號”只有2.3噸，與一輛半家用汽車相當。這主要得益于機身骨架使用的碳纖維蜂窩夾層材料，這種材料重量密度僅有25克每平方米，比紙還要輕3倍，但是強度完全滿足飛機的機械要求。飛機表面使用的是柔性蒙皮，主要目標也是減重。
飛機的前緣、后緣都使用的碳纖維材料，其承載能力也比一般材料更好。飛機的艙體則使用的是保溫隔熱材料。
展開 第二架太陽能電動飛機完成首次試飛
圖：試飛現場
就在Sun Flyer 2原型機完成首飛之后的短短幾個月內，Bye Aerospace報道其另一架飛機已完成首次試飛。StratoAirNet中高度太陽能電力演示器正在開發用于長期耐用商業和政府安全需求，并將作為“大氣衛星”無人機運行。StratoAirNet“大氣衛星”的應用包括通信中繼，互聯網，測繪，搜索和救援，消防指揮，原型的每個機翼都裝有SolAero高效PV電池，翼展為15米，原型在北科羅拉多地區機場上空進行演示飛行。
原型具有輕質復合結構和15米（50英尺）翼展，內置SolAero高效光伏電池。在高海拔的理想日光條件下，該陣列據稱可提供約2000瓦電力進行持續飛行。
該飛機雖然在北科羅拉多地區機場的首次亮相和隨后的試飛中進行了試飛，但它注定要成為“大氣衛星”無人機，在長期續航任務中發揮支持作用，包括通信中繼，互聯網，測繪，搜索和救援，消防指揮和控制，反偷獵監測，惡劣天氣跟蹤，農業監測，礦物源測量和溢出檢測。
Bye Aerospace表示，與傳統系統相比，StratoAirNet飛機和姐妹Solesa飛行員系統應具有更低的單位成本，以及更低的運營成本，更低的熱量和噪音特征以及更高的實用性。
來源：cnBeta.COM
展開 極光飛行科學公司建造同溫層太陽能飛機奧德修斯
2008年，極光公司被DARPA授予禿鷲項目合同，開發大型可留空至少5年的太陽能無人機。極光的飛機采用獨特的Z型機翼構型，機翼白天部分折疊，夜晚展開。在禿鷲項目中，極光改進了人力的“輕鷹”飛機，形成了2009年首飛的“日光鷹”無人機。
二、在波音的支持下開展奧德修斯太陽能飛機研發
目前正在研發的奧德修斯采用了更為簡潔的設計。朗福德稱：“奧德修斯取消了Z型機翼。飛行高度比禿鷲項目要求低，在夏天可能飛行高度會升高。”奧德修斯比起禿鷲來說更像代達羅斯。翼展超過波音777X，有三個尾翼和六個螺旋槳。全動垂直和水平尾翼安在三個機身上，提供俯仰和偏航控制。外側的兩個尾翼會使機翼彎曲以控制滾轉，機翼上沒有滾轉控制面。朗福德稱：“飛機設計風險越低越好。對于太陽能飛機來說，載重不小了，雖然不到禿鷲的1000磅，但是超過55磅了，奧德修斯采用可用的鋰-聚合物電池和薄膜砷化鎵光伏電池。”
由阿爾塔設備公司（Alta Devices，被漢能公司收購）提供的光伏電池效率為20%多，在此情況下，光伏板不是問題，能源存儲才是。光伏電池集成到飛機結構中，提供相對高的比能量。薄壁碳纖維管形成長但輕并且強度高的翼梁和機身的箱形截面桁架，以及機翼和尾翼的桁肋。三個機身中的一個結構重量僅為70磅。
07 三個機身搭載了電池、航電設備和載荷以形成沿著柔性機翼的分布式點狀載荷。
為了適應飛行過程中機翼的彎曲，結構被設計組裝成橋型。桁肋部位的蒙皮壁板聯結成V型的外擴聯結點，可在機翼彎曲時產生相對活動。
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談談飛機結構細節應力分析技術 附實用飛機結構應力分析及尺寸設計下載
◆ 復雜結構自動分層連接技術
飛機結構是通過成千上萬的緊固件將零件連接裝配組合成部件，在細節模型中采用實體單元模擬每個緊固件，勢必造成模型巨大無法完成分析，對于非疲勞關鍵部位必須進行工程簡化。
在細節分析中只要準確地反映連接的剛度，就能準確地獲得連接載荷的傳遞，從而獲得關鍵部位的準確應力/應變。因此，可以采用簡化連接的方法，使分析模型規模可接受，而分析精度又能得到保證。然而，手動實現連接工作巨大，且質量難以保證，必須開發自動連接功能。
典型螺栓連接▲
螺栓簡化連接▲
自主開發的自動分層連接技術，使得用戶只需輸入連接件的法矢及材料與直徑，程序就可在細節模型中，對被連接結構進行智能化分層判斷、連接剛度計算，自動完成分層簡化連接，以及預緊力施加，并提供連接處各層的穿透、漏桿等錯誤信息，大大提高了效率和質量。
面對更高的要求，飛機結構細節應力分析技術仍需要不斷向前發展。“”細節決定成敗，精益創造未來”值得疲勞專業不斷踐行的專業理念。
下載地址：實用飛機結構應力分析及尺寸設計
展開 太陽能電池數值仿真設計
太陽能電池數值仿真設計
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【CAE案例】太陽能煙囪發電站設計對發電功率輸出的影響
01 研究背景
太陽能煙囪發電廠(SCPP)以低成本的方式利用太陽輻射能發電，不使用化石燃料，也不排放溫室氣體。發電系統由三個部分組成：集熱器、渦輪發電機和煙囪。空氣在集熱器中被陽光加熱，由于熱空氣比冷空氣輕，被加熱的空氣會沿著由集熱器和煙囪構成的路線向上流動。基于集熱器溫度上升引起的空氣密度差作為驅動力，煙囪利用熱空氣產生動能（空氣對流）和勢能（渦輪機中的壓降），空氣對流動能通過煙囪入口處的渦輪發電機轉化為電能。
本案例旨在設計一種新的煙囪幾何結構，并使用CFD技術來測試SCPP的發電效率。案例設計了一種恒定直徑的煙囪塔，塔筒在出口處擴張。基于兩種情況，研究不同的出口外擴角對發電效率的影響。第一種情況，使用土壤作為集熱器的儲熱系統；第二種情況，使用土壤和埋伏的水管作為集熱器的儲熱系統。
02 方法介紹
1. 發電站幾何模型
圖1：SCPP幾何模型
煙囪高200米，直徑10米，集熱器直徑244米，深度5米。在集熱器上方有透明罩和地面之間的2米的間隙，因此煙囪出口高度將增加2米。這些尺寸參數適用于兩種電廠模型，一種僅由地面土壤作為存熱系統（SCPP1），另一種配備了額外的介質存熱系統（SCPP2）。根據不同的煙囪出口外擴角度和電廠模型，確定若干不同的研究方案如表1所示。
表1：SCPP研究方案
2. 數字模型與邊界條件
2.1邊界條件
邊界條件由阿爾及利亞西南地區的天氣條件定義，太陽輻照為熱源，輻射強度如圖2所示。
圖2：阿爾及利亞西南地區7月7日的太陽輻射
集熱器入口的相對靜壓力為零，入口溫度為大氣溫度：
集熱器（或儲能層）的底部溫度變化較小，因此邊界條件可以設置為恒溫條件。
展開 HyperWorks在太陽能電池板系統設計中的應用
結論
Luxon應用HyperWorks出色地完成了設計目標，降低了產品制造成本并顯著提高仿真效率。例如，經過拓撲優化分析，Luxon提高了驅動機構的結構性能并且降低了8%的制造成本。新設計方案滿足了風載、雪載及地震載荷必須的結構要求。使用OptiStruct的拓撲優化技術，Luxon重新設計了曲柄臂結構，該結構由鑄鐵組件取代了鋼焊接件，降低了38%的制造成本并實現了52%的結構減重。
Wight說，HyperWorks在滿足客戶低成本、高強度的產品需求時起到了關鍵作用。優化過程往往不直觀。在傳統的優化設計流程中，工程師設計一種結構，進行仿真分析并根據經驗反復修改，直至達到直覺上的“優化”。這一過程很少能夠獲得類似于OptiStruct自動產生的、不基于經驗的結果。這將大大減少分析時間及精力。
Wight指出，項目期間，HyperWorks強大的功能給他們的客戶留下了深刻的印象。因此，Luxon在產品研發過程中盡可能使用HyperWorks。
另外，Wight表示，他正在深入應用HyperWorks。”我一直在尋找和使用這些工具的新功能。”他說，“當前，我們需要分析像太陽能電池板之類的大規模產品。在進行太陽能電池板（約860萬網格）模態頻率分析時，OptiStruct自動多級子結構特征值求解方法(AMSES)的計算效率比Lanczos方法快2.5倍，而計算結果僅有0.003%的偏差。”
Wight是HyperWorks軟件、許可管理模式及持續開發的新功能的忠實用戶。“與Altair合作過程中，最令人興奮的是該 公司一直在努力開發他們的產品，”他說，“他們不斷發布新的解決方案（例如集成在HyperWorks中的AcuSolve）并且允許我們在同一時間使用這些方案。
展開 設計仿真 | 生產制造中飛機零部件翻轉裝置的優化設計
馬來西亞復合材料技術研究有限公司（CTRM）是全球復合材料航空結構供應鏈的一部分，為世界上主要的商用飛機制造商提供服務。該公司在航空航天和復合材料工業中發揮著戰略作用，并將其業務多元化到復合材料飛機內飾、飛機座椅和運輸領域。
2024
工業挑戰
作為生產過程的一部分，CTRM需要對制造的每個部件進行徹底的物理測試，以確保它們符合嚴格的標準。對于由復合材料制成的部件來說尤其如此。為了確保測試過程極其細致和準確，每個部件都需要從所有可能的角度進行所要求的掃描測試。這意味著每個部件都需要有180度的翻轉、旋轉等，以確保掃描機器能夠掃描該部件的任何部分，并確保所有數據和測量都被捕獲和記錄。
翻轉這些部件非常具有挑戰性，尤其是因為其中一些部件，例如飛機風扇罩，可能重達70公斤。因此，即使是部署了五個人來翻轉這些部件，如圖1，翻轉操作也并不容易。
圖1 將大型復合材料零件翻轉180°
此外，手動翻轉操作也可能會損壞產品，因為它可能被撞倒或碰觸和劃傷表面，從而損壞零件。由于這些零件不是按人體工程學來設計的，在很大程度上是笨重的，不容易被抓握或翻轉。然而，在將每個部件發送給OEM之前，對其進行測試和認證又是至關重要的。
該公司希望通過設計一種翻轉裝置來實現翻轉過程的機械化，該翻轉裝置可根據測試要求來翻轉測試部件。
2024
解決方案
系統及所有程序安裝完成后進行開發環境設置：
進入Dytran Explorer界面，點擊Tools下的Options按鈕，進入選項窗口，設置編譯環境所需的組件路徑。
設計團隊首先嘗試使用通用的開源軟件來設計一個翻轉裝置，雖然該軟件只有一些基本功能來實現設計概念，但它在一些方面存在不足。
展開 設計仿真 | MSC Apex通過創成式設計有效優化飛機結構件
這三個候選設計代表了MSC Apex Generative Design中可用的三種不同算法—稀疏、中等和密集—參考了三種可用的優化選項。這三種設計方案最終在重量上只相差幾克，與原始設計相比，這三種設計方案的總重量減少了63%。每個設計方案都需要不同數量的飛機結構附著點，在稀疏設計中只需要3個附著點，在中等設計中需要4個附著點，而在密集設計中則使用了所有原始的5個附著點。由于用戶希望盡可能均勻地分配負載傳遞，因此最終選擇了具有四個附著點的“中等”設計方案。
圖2:三種不同的設計方案(從左到右)：稀疏，中等，密集，使用MSC Apex Generative Design求解器中的三種不同設置。主要區別在于附著點的數量(稀疏有3個，中等有4個，密集有5個)。方案B(中等)最終被選為最終設計方案。
驗證效果
為了驗證該組件及其在飛機中的使用，對該組件施加了靜態和動態載荷。帕德博恩大學的工程師模擬了不同的加載條件，并使用Von Mises應力和模型變形來確定零件的強度，以及最終設計的最終有效性。與傳統設計的支架相比，優化后的結構變得更加堅固。對于負載工況1，它現在可以承受三倍的負載，對于負載工況2，它可以承受2.1倍的負載。最終設計的最大應力為原設計的45%，最終設計的最大變形為原設計的70%。
圖3:最終設計的Von Mises應力和變形圖(歸一化到原支架的仿真結果)。最終設計的最大應力為原設計的45%，最終設計的最大變形為原設計的70%。
物理試驗及結論
新設計的部件能夠承受飛機上的載荷條件，該部件安裝在拉伸試驗機上，并施加了原始部件設計的最大載荷。優化后的組件順利通過了這一加載條件，沒有任何缺陷，最終能夠承受其設計載荷的225%，這證明了優化設計的結構有效性。
展開 太陽能薄膜電池設計新方式！3D打印支架將提升其轉換效率
這一發展是展示堅固的鈣鈦礦太陽能電池的重要一步，以實現與c-Si，CIGS和CdTe太陽能電池相比更高的可靠性和使用壽命。
T3DP 正在開展一項3D打印應用與上述太陽能電池的設計思路有著相似之處。根據該技術的主要發明者丹尼爾·克拉克的描述，鈣鈦礦是具有超導特性的鈣鈦氧化物晶體, 近年來這種材料引起了很多人的關注。鈣鈦礦太陽能電池屬于第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池。然而，由于鈣鈦礦的脆性，使得鈣鈦礦材料的制造難度非常大。由于鈣鈦礦與食鹽有些相似，因此它需要支架將將其固定在適當的位置以保持穩定。
T3DP 在設計太陽能電池支架時采用了仿生學思路，靈感來自于蒼蠅的眼睛。3D打印鍍銅支架為六角型，類似于蠅眼的結構，電力可以通過支架直接傳導，形成真正分散的太陽能設計，并行地規劃電力。
目前在工業中使用的集中式太陽能電池板是串聯的，類似于一串圣誕燈，當一個燈泡熄滅時，整個燈停止工作。但是集成3D打印支架的太陽能電池則不存在這個問題，在3D打印支架的保護下，每個子區都是分散獨立工作的。
按此方法布置太陽能電池子區時，相同面積上可以使用雙倍的太陽能材料，從而實現36％的太陽能電池板轉換效率。根據3D科學谷的市場觀察，目前這一設計已獲得了加州智能太陽能解決方案提供商Infinity Energy的認可。
T3DP的目標是將3D打印的六角型支架融入于太陽能薄膜電池中，如果成功的話，將可獲得50％的轉換效率。
來源：3D科學谷
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免費飛機設計：MAV微型飛行器研究進展與總體設計
免費飛機設計：MAV微型飛行器研究進展與總體設計.pdf
在飛機設計中的仿真技術
仿真技術在飛機設計中發揮著越來越重要的作用，本文闡述了國內外在飛機設計中廣泛使用的結構強度計算，多體動力學仿真、多學科多目標結構優化、內外流場分析、非線性有限元分析、疲勞強度分析、電磁仿真分析，機電液聯合仿真分析等，介紹了各種仿真技術的應用范圍，為飛機的機械設計及研究提供參考。
機械產品設計是一個近代完善的過程，尤其對于飛機等航空器是集各種先進科技成果于一體的產品，設計結果都需要進行反復多次的地面試驗，才能驗證設計結果能否符合要求。
在仿真技術獲得大規模應用之前，大部分試驗都是依靠產品樣機進行的，不僅成本高昂，而且試驗一旦失敗，對后續設計將會產生極大影響，無形之中增加研制成本，研制周期也得不到保證，隨著現代計算機仿真技術的發展，在飛機設計中，越來越多的使用虛擬仿真技術。在概念設計階段，仿真技術可以快速預測產品強度及性能，是試驗無法取代的。
目前，使用較為廣泛的有：結構強度計算，多體動力學仿真、多學科多目標結構優化、內外流場分析、非線性有限元分析、疲勞強度分析、電磁仿真分析，機電液聯合仿真分析。
01結構強度分析
飛機的設計中，滿足結構強度要求是設計的首要要求，可以一票否決設計成果。影響結構強度的主要因素有材料的種類和性質、截面積、形狀等，數年來，新材料的發展還不成熟，因此在飛機設計中應用的不多。
設計人員往往考改變結構的形狀來提高設計產品的強度，在機械產品的最薄弱部位增加受力面，隨著仿真軟件的發展，這些已不是困擾設計員的主要問題，在飛機的零組件設計中，更為突出的強度問題是無法得到零組件所受真實荷載，有時候設計員甚至靠估算或放大載荷數來計算產品的強度，估計結果不利于產品的輕量化設計，目前是困擾設計員強度計算的主要問題，亟待要求更為準確的荷載計算方法。
展開 中國全球電網計劃完成頂層設計，用中國的太陽能為入夜的歐洲充電
因此，除了各方對特高壓這種技術本身的質疑，以及全球規模的電網帶來了高度技術復雜性（涉及到關鍵設備研制，全球尺度的電網拓樸結構設計、建模仿真、潮流調節與控制，跨國電網的保護、通信等一系列技術難題），高昂的成本、能源安全的擔憂和地緣政治的不穩定，都是全球能源互聯網難以跨域的高山。事實上，歐洲就曾經計劃過大舉投資北非的太陽能發電，通過地中海海底電纜和特高壓輸電，將電力輸送到歐洲電網。但由于政治、文化和經濟因素的多重阻礙，這一設想一直都能未付諸實現。
圖|Figure 3 中國安徽：用于特高壓輸電的變壓器正在吊裝（圖源：AP | IMAGINECHINA）
不過，雖然全球尺度的能源互聯網還沒有取得實質性進展（已經完成頂層設計），但跨國特高壓電網這一“小目標”卻已經提上了議事日程。中國、韓國、日本和俄羅斯已經在 2016 年簽署了《東北亞電力聯網合作備忘錄》，希望可以把蒙古、中國東北和華北、俄羅斯遠東地區的可再生能源發電能力，與中國華北、日本、韓國的用電負荷連接起來，實現地區可再生能源的大規模開發利用。作為這個項目的主要發起人之一，日本軟銀集團董事長兼首席執行官、因投資阿里巴巴而成為日本首富、被美國《商業周刊》稱為是“電子時代大帝”的孫正義，甚至希望爭取在2020 年東京奧運會之前就建成首條聯網工程，實現日本從外部受電。
展開 提升機械性能、降低生產成本 HyperWorks在太陽能電池板系統設計中的應用
他說，“當前，我們需要分析像太陽能電池板之類的大規模產品。在進行太陽能電池板（約860萬網格）模態頻率分析時，OptiStruct自動多級子結構特征值求解方法(AMSES)的計算效率比Lanczos方法快2.5倍， 而計算結果僅有0.003%的偏差。”
Wight是HyperWorks軟件、許可管理模式及持續開發的新功能的忠實用戶。“與Altair合作過程中，最令人興奮的是該公司一直在努力開發他們的產品，”他說，“他們不斷發布新的解決方案（例如集成在HyperWorks中的AcuSolve）并且允許我們在同一時間使用這些方案。另外，Altair許可管理模式對我們也非常有利，因為我們需要在同一時間使用所有的功能。通過HyperWorks一體化的軟件包，我們不必單獨購買許可證。”
借助于HyperWorks，Luxon Engineering正走在仿真驅動設計的最前沿，且Luxon的客戶也因此獲得競爭優勢。
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