利用ANSYS Fluent設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)！

2016-10-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

科技的發(fā)展,總能創(chuàng)造令人意想不到的奇跡,無(wú)人機(jī)正是一種讓人“浮想聯(lián)翩”的成果。無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用得益于設(shè)計(jì)理念上的不斷創(chuàng)新,這使得CAE仿真技術(shù)在無(wú)人機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)中舉足輕重。

無(wú)人機(jī)(UAV)是無(wú)人駕駛飛機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle)的簡(jiǎn)稱,是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī),包括無(wú)人直升機(jī)、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)等。

四旋翼飛行器

隨著近些年來(lái)民用級(jí)和消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的高速發(fā)展,無(wú)人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、觀察野生動(dòng)物、監(jiān)控傳染病、測(cè)繪、氣象、新聞報(bào)道、電力巡檢、影視拍攝等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用都呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。

來(lái)看看民用級(jí)和消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的龍頭企業(yè)DJI大疆創(chuàng)新的宣傳片,就能感受到無(wú)人機(jī)的豐富功能和迷人的魅力了。

大疆無(wú)人機(jī)宣傳片

無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的多學(xué)科、多物理場(chǎng)的系統(tǒng)工程,涉及到電磁、結(jié)構(gòu)、流體、熱等多個(gè)領(lǐng)域,包括天線布局、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制、電磁兼容與安全防護(hù)、沖擊、碰撞、跌落、氣動(dòng)布局、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等問(wèn)題,如果使用傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)手段,通常整個(gè)研發(fā)設(shè)計(jì)周期少則數(shù)月、多則數(shù)年,但借助CAE工程仿真技術(shù)效果則會(huì)大大不同。ANSYS多物理場(chǎng)仿真技術(shù),能夠幫助企業(yè)縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期,加快新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用,提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,節(jié)約研發(fā)成本。

ANSYS多物理場(chǎng)仿真技術(shù)

接下來(lái),我們聊一聊ANSYS CFD流體仿真技術(shù)在無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

多旋翼飛行器作為民用級(jí)和消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的主力產(chǎn)品,其氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,因?yàn)槎嘈盹w行器僅能通過(guò)調(diào)節(jié)不同旋翼的電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)各旋翼的升力變化,進(jìn)而控制飛行器的姿態(tài)和位置,因此其本身是一個(gè)不穩(wěn)定的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。再加上旋翼本身既隨著機(jī)體一起運(yùn)動(dòng)又做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),還需要考慮力矩的平衡、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等問(wèn)題,而且旋翼之間氣動(dòng)干擾現(xiàn)象非常復(fù)雜,難以通過(guò)飛行試驗(yàn)或風(fēng)洞試驗(yàn)獲知其詳細(xì)的氣動(dòng)性能,因此借助ANSYS CFD流體仿真工具對(duì)大量的氣動(dòng)布局、配平方案進(jìn)行遴選和優(yōu)化就成為了必要的研發(fā)設(shè)計(jì)手段。

四旋翼飛行器沿各自由度的運(yùn)動(dòng)

借助ANSYS Workbench的參數(shù)化仿真功能,使用ANSYS Fluent對(duì)旋翼的氣動(dòng)升力進(jìn)行參數(shù)化仿真分析,獲得旋翼在不同轉(zhuǎn)速下的升力曲線。

通過(guò)參數(shù)化仿真獲得旋翼在不同轉(zhuǎn)速下的升力曲線

由于無(wú)人機(jī)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜多變以及自然風(fēng)作用的隨機(jī)性,無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中經(jīng)常要受到側(cè)向風(fēng)的作用,側(cè)向風(fēng)會(huì)影響無(wú)人機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的翻轉(zhuǎn)和失控,因此有必要在無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)階段對(duì)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

使用ANSYS Fluent,對(duì)四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中遭遇5 m/s側(cè)向風(fēng)時(shí)的氣動(dòng)力變化過(guò)程進(jìn)行仿真分析有利于提升無(wú)人機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。