【ZiDongHua之“技術(shù)文章區(qū)”收錄關(guān)鍵詞：低空飛行 機(jī)器學(xué)習(xí) 新能源汽車 3D打印】
 
　　行業(yè)熱點(diǎn)丨低空飛行eVTOL的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢
 
　　本篇主要圍繞eVTOL仿真難點(diǎn)和趨勢，eVTOL仿真多學(xué)科解決方案和當(dāng)下熱門的AI或者機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在EVTOL中的應(yīng)用展開。
 
　　eVTOL研發(fā)難點(diǎn)
 
　　首先是eVTOL研發(fā)難點(diǎn)，區(qū)別于上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)構(gòu)型穩(wěn)定或者技術(shù)方法穩(wěn)定的民航客機(jī)，eVTOL到今天尚未有經(jīng)過市場驗(yàn)證的成熟產(chǎn)品，可以說大家都是行業(yè)的開拓者，甚至是規(guī)則的制定者。
 
　　另外就是專業(yè)人才短缺，近期教育部對(duì)北航、西工大、南航等高校也是增設(shè)了低空技術(shù)與工程專業(yè)來彌補(bǔ)這一空缺。
 
　　eVTOL是高度復(fù)雜、高度集成的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)及仿真中面臨著各種挑戰(zhàn)，比如航程、載重、安全性之前的矛盾需要解決，尤其是電池問題，并且目前尚沒有革命性的技術(shù)去解決電池的問題。
 
 
　　對(duì)于仿真來說，首要難點(diǎn)就是復(fù)雜物理現(xiàn)象的模擬。比如復(fù)雜流場的計(jì)算，比如旋翼氣動(dòng)噪聲，都是很難分析準(zhǔn)確或者極其耗費(fèi)計(jì)算資源的，還有滿足結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)輕量化要求，另外難點(diǎn)還包括不同學(xué)科專業(yè)復(fù)雜的多物理場耦合仿真，還有仿真替代試驗(yàn)繞不開的模型驗(yàn)證等。
 
　　我們進(jìn)行仿真的目的，一個(gè)是輔助我們設(shè)計(jì)，還有一個(gè)是最終要替代掉我們一部分試驗(yàn)，尤其是局方關(guān)注的一些工況，如果所有工況都去開展試驗(yàn)驗(yàn)證，那成本將極其昂貴。
 
　　尤其研發(fā)階段的試驗(yàn)機(jī)還不是量產(chǎn)機(jī)型，考慮到模具成本，試驗(yàn)機(jī)的造價(jià)會(huì)極其的高，所以我們盡可能使用仿真來替代試驗(yàn)，所以就需要進(jìn)行模型驗(yàn)證，所以也是一個(gè)eVTOL仿真的難點(diǎn)。
 
　　eVTOL關(guān)鍵技術(shù)與趨勢
 
 
　　很多eVTOL行業(yè)專家都提到UAM，UAM是城市公共交通概念，暢想一下像如今的新能源汽車行業(yè)一樣，未來eVTOL蓬勃發(fā)展，首先涉及到就是高效的空中調(diào)度和實(shí)時(shí)通信、通信間干擾等問題。還有目前發(fā)展的基本都是無人駕駛的eVTOL，需要有高度自主且智能的飛行控制，還有電池技術(shù)的革新以及電池的能源形式，目前太陽能或者氫能也有一些很前沿的研究。
 
　　另外就是高效的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、特種材料使用，以及結(jié)構(gòu)的輕量化，電池重量、結(jié)構(gòu)的重量、還有電機(jī)重量都是需要進(jìn)行減重設(shè)計(jì)的，我們仿真技術(shù)可以輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化研究。
 
　　最后是我們現(xiàn)在被卡脖子的芯片技術(shù)，eVTOL芯片可能區(qū)別于我們傳統(tǒng)手機(jī)上或者汽車上的芯片，他有一個(gè)非常高的安全性要求，另外還受高空復(fù)雜環(huán)境及復(fù)雜電磁場的影響，eVTOL的芯片需要更強(qiáng)大的算力和更穩(wěn)定的可靠性和抗環(huán)境和電磁干擾能力。
 
 
　　eVTOL研發(fā)體系，或者很多主機(jī)廠的專業(yè)的劃分，基本是這樣一個(gè)邏輯。包括總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度，動(dòng)力系統(tǒng)，還有飛控相關(guān)的電子控制及電子系統(tǒng)，在eVTOL就是三電：電池、電機(jī)和電控，另外還有制造與集成部門以及最后的試驗(yàn)驗(yàn)證和試飛。對(duì)于以上的全流程仿真，Altair提供了從設(shè)計(jì)到制造，結(jié)構(gòu)流體到電磁，一維到三維，零部件到系統(tǒng)全面的多物理場求解器。
 
　　我們研究一款飛機(jī)第一步肯定是進(jìn)行初步概念設(shè)計(jì)階段快速外形設(shè)計(jì)迭代仿真，也就是飛機(jī)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，比如eVTOL旋翼要怎么設(shè)計(jì)怎么布置，如果有固定機(jī)翼的話，固定機(jī)翼的形狀布置設(shè)計(jì)。
 
　　開展快速仿真設(shè)計(jì)迭代，涉及到很多方案，并且需要通過仿真來驗(yàn)證方案，傳統(tǒng)的仿真可能需要數(shù)天計(jì)算一個(gè)工況，它在時(shí)間上可能不滿足快速設(shè)計(jì)迭代這一需求，那我們需要一款計(jì)算速度極快，硬件資源占用較低，功能強(qiáng)大的空氣動(dòng)力學(xué)求解器，F(xiàn)lightstrem是航空航天應(yīng)用等領(lǐng)域早期快速設(shè)計(jì)迭代及深入空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要工具。能捕捉亞音速到高超音速的流動(dòng)問題，氣動(dòng)聲學(xué)問題，可以和Nastran或OptiStruct耦合進(jìn)行氣彈問題仿真。
 
　　四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制
 
　　關(guān)于飛行器軌跡和姿態(tài)的控制，這里展示了一個(gè)簡單的例子，用四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制來解釋仿真中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程，這個(gè)例子就是給定無人機(jī)目標(biāo)飛行曲線，使用Altair MotionSolve多體動(dòng)力學(xué)模塊和Altair Activate系統(tǒng)控制模塊進(jìn)行機(jī)電一體化仿真來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。
 
　　首先在多體動(dòng)力學(xué)軟件里面建模，無人機(jī)有四個(gè)電機(jī)，定義四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生升力。升力的計(jì)算，我們可以調(diào)用流體軟件去計(jì)算，當(dāng)然也可以通過經(jīng)驗(yàn)公式解耦處理，有了升力可以算出加速度、速度和位移，也就得到了無人機(jī)的姿態(tài)。
 
　　然后進(jìn)行控制模塊和多體模塊的聯(lián)合仿真，把目標(biāo)飛行曲線輸入控制模塊，通過計(jì)算當(dāng)下無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置和目標(biāo)曲線來計(jì)算出四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后實(shí)現(xiàn)軌跡的控制。
 
　　無網(wǎng)格快速設(shè)計(jì)仿真
 
　　結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域來說，結(jié)構(gòu)不單稱為結(jié)構(gòu)，稱之為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，然后由強(qiáng)度來做設(shè)計(jì)驗(yàn)證。傳統(tǒng)流程就是結(jié)構(gòu)出圖強(qiáng)度驗(yàn)證，然后來回迭代直到它滿足設(shè)計(jì)要求。
 
　　Altair SimSolid軟件其實(shí)是去減少該流程迭代所花費(fèi)的時(shí)間，我們強(qiáng)調(diào)的是讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師來做設(shè)計(jì)驗(yàn)證，SimSolid一款結(jié)構(gòu)工程師能夠使用的一款非常簡單易用的軟件，功能強(qiáng)大，不需要畫網(wǎng)格，不需要進(jìn)行復(fù)雜的幾何清理。
 
　　通過SimSolid，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師直接把設(shè)計(jì)的原生幾何格式導(dǎo)入到SimSolid進(jìn)行工況分析，快速得到仿真結(jié)果，這個(gè)工作流程也在空客公司得到了高效的驗(yàn)證。
 
　　通過視頻能看到SimSolid從導(dǎo)入模型開始只需要四分鐘就能裝配和求解出包含1600多零件的無人機(jī)的模態(tài)分析，大概三分鐘完成靜力工況的分析。
 
　　eVTOL結(jié)構(gòu)領(lǐng)域涉及到多種仿真類型：
 
　　第一個(gè)是多體動(dòng)力學(xué)的仿真，比如傾旋翼結(jié)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它需要做整體機(jī)翼傾轉(zhuǎn)或者是旋翼的傾轉(zhuǎn)模擬，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的模擬，還有像飛機(jī)艙門的開關(guān)模擬，機(jī)翼的襟翼收放仿真等等。
 
　　第二個(gè)是NVH分析，包括分析模態(tài)、振動(dòng)以及噪聲的問題。
 
　　第三個(gè)是疲勞耐久，疲勞問題是航空器無法避開的問題。
 
　　第四個(gè)是碰撞、迫降、沖擊這類顯示分析問題，比如說航空器鳥撞或者旋翼葉片脫落甩出產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)沖擊。
 
　　最后是熱的問題，包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等，eVTOL行業(yè)涉及到的電機(jī)電池的熱管理，以及熱導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力等內(nèi)容。
 
　　以上這些結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容都可以作為一個(gè)專業(yè)來開展結(jié)構(gòu)的減重優(yōu)化，來達(dá)到最佳的性能狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的輕量化。
 
　　以機(jī)翼支架設(shè)計(jì)為例演示全流程的仿真和優(yōu)化過程。這是機(jī)翼上的副翼結(jié)構(gòu)，通過作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)副翼偏轉(zhuǎn)。我們工作流程先是通過多體動(dòng)力學(xué)軟件提取副翼作動(dòng)器上的載荷，將載荷施加到作動(dòng)器支架上，然后設(shè)置優(yōu)化的應(yīng)力約束，開始優(yōu)化得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果在Inspire軟件中進(jìn)行幾何的重構(gòu)，將傳力路徑傳構(gòu)造出來。再對(duì)重構(gòu)模型做一次仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證一下它的性能是否滿足我們期望目標(biāo)。
 
　　后面是制造環(huán)節(jié)，包括3D打印零件的擺放和3D打印的仿真，最后實(shí)際制造出來的零件能看到零件性能的提升和整體質(zhì)量的下降。
 
　　視頻里展示的設(shè)計(jì)概念就是快速仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化，快速仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化一般在設(shè)計(jì)流程的早期進(jìn)行，從設(shè)計(jì)從一開始就考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想，例如無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從原始CAD輸入，載荷和制造約束的引入，變形和應(yīng)力的控制等，開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)。借助仿真和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)更快的設(shè)計(jì)，更多的方案，提升設(shè)計(jì)生產(chǎn)力。
 
　　eVTOL結(jié)構(gòu)輕量化的需求相比傳統(tǒng)的民機(jī)或軍機(jī)更為迫切。Altair優(yōu)化技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有大量的成熟應(yīng)用，圖示是波音飛機(jī)艙門鉸鏈臂的拓?fù)鋬?yōu)化，簡而言之就是保留必要的傳力路徑上的材料，達(dá)到實(shí)現(xiàn)減重目的，當(dāng)然這是零件級(jí)別，像A350后機(jī)身部段級(jí)優(yōu)化，可以對(duì)框占位布置，框截面形狀，蒙皮厚度等開展優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能控制下的輕量化。
 
　　借助于優(yōu)化技術(shù)，飛機(jī)制造商能夠?qū)崿F(xiàn)近10%的零部件減重。
 
　　為了保障飛行安全，包括eVTOL等航空結(jié)構(gòu)需要具備高度可靠的系統(tǒng)和足夠的冗余設(shè)計(jì)。
 
　　Altair針對(duì)航空領(lǐng)域特有的破損安全優(yōu)化技術(shù)，在優(yōu)化過程中設(shè)計(jì)出多傳力路徑，保證飛機(jī)故障工況下的結(jié)構(gòu)完整性。
 
　　得益于復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、抗腐蝕耐疲勞等特點(diǎn)，復(fù)合材料在航空器上的使用越來越高，商飛C929飛機(jī)復(fù)合材料使用率達(dá)到了50%以上，eVTOL對(duì)輕量化的要求更高，復(fù)合材料使用率將達(dá)到70%甚至更高。
 
　　Altair提供完整的復(fù)合材料一站式解決方案，從建模到后處理，從微觀材料到宏觀材料、從優(yōu)化設(shè)計(jì)到強(qiáng)度校核全流程仿真平臺(tái)。
 
　　這里展示的是飛機(jī)翼身整流罩復(fù)合材料的優(yōu)化案例，那專業(yè)上我們叫復(fù)材優(yōu)化三部曲。復(fù)合材料建模完成后，第一步進(jìn)行自由尺寸的優(yōu)化，得到復(fù)材鋪層形狀；第二步尺寸優(yōu)化，優(yōu)化出來每個(gè)鋪層的厚度；
 
　　最后一步就是鋪層堆疊順序優(yōu)化，不同的鋪層順序也會(huì)影響復(fù)材的性能，通過復(fù)材優(yōu)化三部曲就實(shí)現(xiàn)了性能的最佳。
 
　　eVTOL電磁應(yīng)用
 
　　再來看電磁，電磁在eVTOL中主要是低頻電機(jī)仿真，還有高頻的天線和雷達(dá)的仿真應(yīng)用。
 
　　對(duì)于電機(jī)相關(guān)的仿真分析，主要是電機(jī)電磁仿真、電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電機(jī)NVH結(jié)構(gòu)振動(dòng)、電機(jī)熱管理以及多物理場耦合等等。
 
　　高頻電磁主要用來協(xié)助進(jìn)行天線設(shè)計(jì)和布置，電磁EMC兼容，還有波的傳播和無線電規(guī)劃等。
 
　　Altair高頻電磁解決方案在航空航天領(lǐng)域有大量的應(yīng)用，空客直升機(jī)公司借助Altair Feko快速高效的開發(fā)機(jī)載天線，通過對(duì)復(fù)合材料的電磁仿真，提高直升機(jī)通信系統(tǒng)的頻率。
 
　　還有天線布局的應(yīng)用，比如所展示的A380這種大型的固定翼飛機(jī)和這種小型旋翼無人機(jī)的應(yīng)用，主要仿真內(nèi)容包括天線布局、天線耦合、干擾分析和場強(qiáng)分布。
 
　　高頻電磁應(yīng)用還包括機(jī)載定向天線對(duì)地面覆蓋，比如說eVTOL在城市或山地環(huán)境下飛行時(shí)，需要計(jì)算機(jī)載定向天線在不同的地形下對(duì)地面的覆蓋，還有復(fù)雜場景下機(jī)載天線與地面系統(tǒng)天線的收發(fā)性能分析等等。
 
　　機(jī)器學(xué)習(xí)和AI的仿真應(yīng)用
 
　　最后介紹當(dāng)下比較熱門的機(jī)器學(xué)習(xí)和AI技術(shù)在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用，人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)也就是數(shù)據(jù)科學(xué)業(yè)務(wù)，是Altair三大主營業(yè)務(wù)之一，其在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用流程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，利用數(shù)據(jù)開展機(jī)器學(xué)習(xí)，然后驗(yàn)證模型以評(píng)估模型的準(zhǔn)確性，最后將生成的模型部署后進(jìn)行具體的應(yīng)用。
 
　　以上展示的是我們RapidMiner數(shù)據(jù)平臺(tái)的工作流程，RapidMiner是一個(gè)零代碼、端到端、面向大眾的數(shù)據(jù)科學(xué)和AI平臺(tái)，AI工具的主要目的就是高效使用數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)產(chǎn)生更高的價(jià)值，并幫助決策、助力創(chuàng)新。
 
　　因?yàn)槲覀儚氖碌氖欠抡嫘袠I(yè)，需要AI工具跟工程緊密結(jié)合，比如physicsAI，因?yàn)橹苯痈こ滔嚓P(guān)，所以直接集成在HyperMesh里。
 
　　它主要功能是進(jìn)行云圖實(shí)時(shí)預(yù)測，因?yàn)橐话阕龇抡娣治鲋饕簿涂丛茍D。PhysicsAI一個(gè)無參的AI工具，也就是不需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)化，它基于的原理是幾何深度學(xué)習(xí)模型，基于幾何特征關(guān)聯(lián)結(jié)果數(shù)據(jù)。
 
　　PhysicsAI工作過程
 
　　結(jié)合這個(gè)航空支架剛度預(yù)測案例來詳細(xì)說明PhysicsAI的工作過程。首先就是數(shù)據(jù)，例如已經(jīng)開展了很多種方案的支架設(shè)計(jì)，相對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的已經(jīng)拿到了很多仿真分析的結(jié)果，將這些歷史數(shù)據(jù)中的一部分創(chuàng)建數(shù)據(jù)集加載到PhysicsAI進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，一部分用來進(jìn)行PhysicsAI模型測試以驗(yàn)證訓(xùn)練得到的模型的準(zhǔn)確性。預(yù)測結(jié)果的時(shí)候，只需要輸入新的支架設(shè)計(jì)方案，PhysicsAI基于新的設(shè)計(jì)預(yù)測結(jié)果并顯示云圖。
 
　　PhysicsAI學(xué)科中立且不需要定義設(shè)計(jì)變量，尤其適用于極其耗費(fèi)計(jì)算和時(shí)間資源的仿真，基本上在輸入幾何或有限元模型的同時(shí)就能得到預(yù)測的仿真結(jié)果。
 
　　eVTOL作為航空器，其研發(fā)過程涉及到物理現(xiàn)象多且復(fù)雜，包括像流體這樣非常耗費(fèi)計(jì)算資源的仿真，甚至還有目前還不能實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的物理現(xiàn)象。建議行業(yè)用戶可以到physicsAI來找找思路，利用我們已經(jīng)有的一些歷史仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的預(yù)測。
 
　　Altair在CAE仿真的各個(gè)階段引入AI，包括前處理shapeAI，可以自動(dòng)識(shí)別重用零件，自動(dòng)映射網(wǎng)格；求解及優(yōu)化過程中的AI工具，比如剛才講到的Rapidminder、PhysicsAI等；還有后處理AI工具，ExpertAI，它可以通過行業(yè)專家模式進(jìn)行聚類分析。
 
　
　　關(guān)于Altair澳汰爾
 
　　Altair（納斯達(dá)克股票代碼：ALTR）是計(jì)算智能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一，在仿真、高性能計(jì)算(HPC)和人工智能等領(lǐng)域提供軟件和云解決方案。Altair能使跨越廣泛行業(yè)的企業(yè)們在連接的世界中更高效地競爭，并創(chuàng)造更可持續(xù)的未來。
 
　　公司總部位于美國密歇根州，服務(wù)于16000多家全球企業(yè)，應(yīng)用行業(yè)包括汽車、消費(fèi)電子、航空航天、能源、機(jī)車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。