利用ANSYS Fluent設(shè)計無人機！

2016-10-22 by:CAE仿真在線來源: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,無人機正是一種讓人“浮想聯(lián)翩”的成果。無人機的廣泛應(yīng)用得益于設(shè)計理念上的不斷創(chuàng)新,這使得CAE仿真技術(shù)在無人機的研發(fā)設(shè)計中舉足輕重。

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

四旋翼飛行器

隨著近些年來民用級和消費級無人機市場的高速發(fā)展,無人機在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、快遞運輸、災(zāi)難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、氣象、新聞報道、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。

來看看民用級和消費級無人機市場的龍頭企業(yè)DJI大疆創(chuàng)新的宣傳片,就能感受到無人機的豐富功能和迷人的魅力了。

大疆無人機宣傳片

無人機的設(shè)計是一個典型的多學(xué)科、多物理場的系統(tǒng)工程,涉及到電磁、結(jié)構(gòu)、流體、熱等多個領(lǐng)域,包括天線布局、電機與驅(qū)動控制、電磁兼容與安全防護、沖擊、碰撞、跌落、氣動布局、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等問題,如果使用傳統(tǒng)的試驗設(shè)計手段,通常整個研發(fā)設(shè)計周期少則數(shù)月、多則數(shù)年,但借助CAE工程仿真技術(shù)效果則會大大不同。ANSYS多物理場仿真技術(shù),能夠幫助企業(yè)縮短研發(fā)設(shè)計周期,加快新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用,提高產(chǎn)品的市場競爭力,節(jié)約研發(fā)成本。

ANSYS多物理場仿真技術(shù)

接下來,我們聊一聊ANSYS CFD流體仿真技術(shù)在無人機設(shè)計中的應(yīng)用。

多旋翼飛行器作為民用級和消費級無人機市場的主力產(chǎn)品,其氣動性能設(shè)計較為復(fù)雜,因為多旋翼飛行器僅能通過調(diào)節(jié)不同旋翼的電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)各旋翼的升力變化,進而控制飛行器的姿態(tài)和位置,因此其本身是一個不穩(wěn)定的欠驅(qū)動系統(tǒng)。再加上旋翼本身既隨著機體一起運動又做自轉(zhuǎn)運動,還需要考慮力矩的平衡、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等問題,而且旋翼之間氣動干擾現(xiàn)象非常復(fù)雜,難以通過飛行試驗或風(fēng)洞試驗獲知其詳細的氣動性能,因此借助ANSYS CFD流體仿真工具對大量的氣動布局、配平方案進行遴選和優(yōu)化就成為了必要的研發(fā)設(shè)計手段。

四旋翼飛行器沿各自由度的運動

借助ANSYS Workbench的參數(shù)化仿真功能,使用ANSYS Fluent對旋翼的氣動升力進行參數(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

由于無人機運行環(huán)境的復(fù)雜多變以及自然風(fēng)作用的隨機性,無人機在飛行過程中經(jīng)常要受到側(cè)向風(fēng)的作用,側(cè)向風(fēng)會影響無人機運行的安全性和穩(wěn)定性,嚴重時還會導(dǎo)致無人機的翻轉(zhuǎn)和失控,因此有必要在無人機的設(shè)計階段對側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性進行深入研究。

使用ANSYS Fluent,對四旋翼飛行器在飛行過程中遭遇5 m/s側(cè)向風(fēng)時的氣動力變化過程進行仿真分析有利于提升無人機運行的安全性和穩(wěn)定性。