ANSYS提供了几乎涵盖飞艇设计过程所有方面的各种工具
图1 飞艇
无人驾驶飞机对情报、监视和侦察（ISR）应用具有众多潜在优势，如：威胁识别与记录、反恐、边境安全、港口安全以及损失预防等。但是，在许多情况下，无人驾驶飞机并不可行，比如因为不符合法规或安全要求；其有限的有效载荷无法容纳所需监视设备；或者其滞空时间不足以完成任务。比空气轻（LTA）的飞艇又称为软式飞艇，其越来越多地用于替代或补充无人驾驶飞机：这种飞行器所面临的法规与安全问题要少得多，能够携带更多更大的有效载荷，而且滞空时间更长。
Worldwide Aeros Corp的40E Sky Dragon是最新型LTA平台，其配备多载荷支架系统，而且具有人员要求更少、以及地面覆盖范围更大的灵活性，从而支持ISR任务的成功与效率。与上一代产品——2007年投入使用的40D Sky Dragon飞艇相比，40E可以提供更大的有效载荷，并且带来一系列搭载与操作改进。40E进行了大量的设计变更。例如，提高飞艇有效载荷需要提高氦容量以及升级推进系统和起落架。Aeros的工程师从设计之初就采用了ANSYS多物理场仿真工具，与以前的设计方法相比，40E交付时间加快了6~12个月——大约缩短了40%的时间。
AEROS开发最先进的LTA飞艇
传统的设计方法
在进行公司上一代40D SkyDragon飞艇设计时，工程师采用手工计算方法建立基本设计参数，如：评估空气动力学流型，确定襟翼安装位置，以及确定发动机尺寸。工程师认为采用当时的工具执行仿真需要大量时间，因而不适合在概念设计阶段使用。在暂时确定了基本设计参数之后，工程师采用包括计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）在内的仿真工具对推荐的概念设计进行更详细的评估。
图2 40D SkyDragon飞艇
当Aeros开始设计40E飞艇时，公司决定充分发挥仿真软件在此期间所取得的进步优势。仿真工具经过改进现在已经能够以快得多的速度模拟推荐设计方案的行为和迅速迭代各种设计备选方案，而无需工程师手动模拟每种推荐的设计方案。
图3 对40E飞艇的CFD仿真可以显示控制面上的湍流行为以及飞艇后面的尾流
Aeros之所以选择ANSYS仿真软件，首先是因为ANSYS具有经过验证的技术，因而相关成果能够同时获得Aeros工程师和现有客户的认可。其次，ANSYS可以在统一个环境下，提供几乎涵盖飞艇设计过程所有方面的各种工具——包括空气动力学、静态与动态结构分析、信号与电源完整性等。这种产品广度支持在不同仿真类型之间轻松传输数据以及运行整合了多种仿真类型的自动仿真过程，从而有助于节省时间。
图4 对40E飞艇的CFD仿真可以证明方向升降舵冲角与偏转气流的影响
Aeros的工程管理人员决定从设计过程开始时就采用仿真技术。他们采用ANSYS Fluent CFD评估新型飞艇的空气动力学。工程师在72~96个小时（包括建模与求解时间）内大约用了24个工时就完成了完整飞艇的详细空气动力学仿真。通过空气动力学仿真获得的压力值可用作ANSYS Mechanical中的边界条件，以评估40E众多系统与组件的机械性能。工程师在设计过程中的不同阶段采用ANSYS DesignXplorer快速迭代整个设计空间和选择最有可能达到规定设计目标的备选方案。与以前的手动计算相比，仿真能够对设计备选方案的性能做出更加精确的预估。在设计过程早期采用仿真技术可更快发现和解决问题，从而节约时间与资金。
新型起落架的设计
40E Sky Dragon的新型起落架是如何使用仿真技术的很好例证。通过在起飞过程中为飞行员提供实时静升力数据，起落架现在能够提高性能、安全性和操作授权，同时改进后的减震力控制能够确保更平稳的降落。飞艇的飞行管理系统可以主动控制减震器的减震特性。起落架的高度有所增加，以加大推进器与地面之间的间隙，从而提高地勤人员的安全性。起落架另外也进行了升级，以应对更重的新飞艇。
图5 40E飞艇起落架的结构分析指出一系列降落条件下最关键的应力区域
图6 冲击桥（起落架组件）设计迭代的静态仿真
刚体动力学
工程师采用ANSYS刚体动力学模块模拟起落架中的结构组件、弹簧、减震器和轮胎。通过重现满载飞艇降落过程的跌落试验可以确定起落架的最大载荷。工程师以各种速度和接近角对飞艇降落进行了一系列刚体动力学仿真。为了调节弹簧与减震器，对仿真进行了迭代。采用一系列不同性能特征评估了各个设计迭代，如：最小的推进器/离地间隙、各点载荷以及降落过程中轮胎弹离地面的次数与高度。
结构分析
刚体动力学模块算出的载荷可用作ANSYS Mechanical的边界条件，从而对单独组件进行结构分析。采用空气动力学仿真结果作为边界条件实施了其它ANSYS Mechanical仿真。工程师针对众多组件采用DesignXplorer寻找符合结构与功能要求的最轻设计。尽管40E比40D重得多，不过仿真能够在不提高应力水平的情况下降低众多关键部件的重量，从而实现整体重量减轻。例如，40D中一个厚度为0.5英寸的部件降低到0.25英寸多一点，从而使重量降低了40%。
Aeros的工程师在大约6周内执行了数百次系统级和组件级仿真。最终得到的起落架设计能够满足各种设计要求，而且非常接近上一代起落架的总重量。此时创建了新起落架设计的原型；其性能符合仿真结果，误差不超过±10%。原型通过了跌落试验和所有其它必需的测试，而且未进行进一步的大幅修改就应用到40E中。
预计节省了6个多月的时间
Aeros的工程师估计如果是采用公司以前的设计方法设计起落架，则做好原型的准备工作就需要至少4个月的时间。此外，他们估计至少需要重复2个甚至3个原型迭代，而且每次迭代都需要6个月的时间。因此，起落架设计可节约8.5~20.5个月的时间。同时还大量节省了工程和原型构建方面的费用。
Aeros的工程师相信，与40D的设计方法相比，仿真能够显著降低40E众多组件的重量。这些节约能够降低制造成本，同时也可以在飞艇使用过程中为Aeros的客户节省燃料。制造方面的节约可能会比原型构建过程中的节约多很多倍。
在设计其它40E Sky Dragon系统的过程中也实现了类似幅度的节约。Aeros的工程师估计，与以前采用的设计方法相比，在设计过程中更多地应用仿真使40E的上市时间缩短6到12个月。第一架40E正在建造之中，预计2015年下半年完工。其在获得联邦航空管理局的型号认证之后即可投入使用。
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本文标题：ANSYS 多物理场软件加快产品研发速度
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