【分享】Simcenter无人机仿真解决方案

本文来源：数字化工业软件技术期刊

无人机已经逐渐走入到我们的生活、娱乐、工业、运输等各个领域，由于其小巧、灵活等特性，可以执行有人驾驶飞机难以应对的各种操作，带来显着的经济节约和环境效益。 通过对各国无人机发展的研究可以看出，目前无人机有以下发展趋势。

高技术的迅速发展使模块化、通用化、系列化成为可能，今后的无人机平台和地面站很可能是通用的，将朝着一机多能的方向发展。

从无人机的发展趋势来看，长航时高空无人机已成为世界各国无人侦察机的发展重点之一。

随着微电子技术和纳米技术的飞速发展，21世纪的无人机将变得“微乎其微”。大量采用人工智能和群体智能理论技术，无人机可自动寻找、识别目标。

图1：城市中随处可见的无人机

新的技术促进无人机行业的发展，同时也对无人机设计带来重大的挑战，如何设计出新一代的无人机，虚拟仿真已经成为不可或缺的技术手段。本文从几个方面介绍一下西门子在无人机方面的仿真应用。

Simcenter Amesim系统仿真可以分析不同操作条件和不同任务下的飞行器性能。能够对飞行器的飞行动力学、确保推进的电动机行为、控制器和电池性能（包括它们的热行为）进行建模和仿真。这些可以在无人机执行任务的任何时刻进行评估，并且可以针对不同的操作条件进行评估，例如故障事件、不同的有效载荷（即质量和惯性）、对风尘等干扰的抵抗力等。

Simcenter Amesim 提供了对各种无人机进行建模并模拟其性能的功能。这些模型可以预测无人机的行为和性能，使其成为一个出色的虚拟工作台，可以持续测试、验证和验证自主飞行的控制器。由于其丰富的接口，Simcenter Amesim 可以与其他软件工具耦合以扩展其建模功能。和Simcenter Prescan（西门子无人驾驶仿真）的联合就是一个引人注目的例子，它可以对用于自主飞行的传感器以及无人机预期运行的环境进行建模。Simcenter Amesim 开放性使其可以作为一个集成平台工作，在该平台上可以同时模拟控制器和工厂（行为）模型。Simcenter Amesim 还支持 MIL、SIL 和 HIL 应用程序。

利用上述功能，我们模拟无人机在发生由硬件或软件故障引起的故障事件时的行为。这可以帮助确定无人机性能下降是否安全，是否需要设计改进提升安全度。

在智能化应用方面， Simcenter Amesim 的行为模型可用于在任何物理原型可用之前虚拟生成数据以训练 AI 算法。当最终在物理原型中实现时，这有助于更快地开发此类算法并具有更高的成熟度。

图2：带有反向旋转螺旋桨的四轴飞行器的 Simcenter Amesim 模型示例

在城市飞行的无人机，安全操作是关键。针对尽可能多的飞行场景和运行条件验证飞行管理系统至关重要。这就是为什么飞行管理系统的数字孪生必须包括飞机和环境的模拟模型。

图3：避障机动系统仿真结果

如上研究模拟了多个碰撞场景，并使用模拟框架评估了障碍物检测和规避功能。这些场景包括在计划的飞行路径上具有不同方向的塔式起重机。我们根据起重机的方向计算了不同的轨迹。当起重机垂直于飞行路径定位时，可以提前很好地检测到。结果还显示了无人机在规避机动期间的结构评估和飞机加速度水平。

飞行器的续航能力是目前客户非常关注的一个指标，如何保障足够的续航能力，电池的设计至关重要。在设计早期计算电池性能，执行无人机推进架构比较，优化现实任务概况，评估动态事件。Simcenter的电池建模解决方案提供了一套软件和功能，可在各种尺度范围内提供仿真能力。使用Simcenter Star CCM+ 和 Simcenter Amesim 仿真软件可以实现完整系统电池建模（电池单体到电池组级别）。

图4：全方位电池性能仿真

一方面动力电池包的设计需要考虑和无人机的匹配关系，无人机总布置会给出合理的安装空间和动力电池包的安装尺寸，另一方面，又要满足电池包的安装结构强度，所以必要的结构仿真对提升无人机电池的可靠性和寿命也至关重要。

电池包结构分析包括：结构模态分析、冲击和振动分析，疲劳寿命分析等指标分析，Simcenter 3D集成Simcenter Nastran求解器，Simcenter Nastran是航空航天领域非常知名的求解器。通过Simcenter Nastran的求解，可以预测在不同飞行载荷工况下电池包结构的动力学行为，校核疲劳寿命是否满足要求。

Simcenter 3D提供了无与伦比的实时仿真能力，利用Simcenter 3D能够快速在复杂的CAD模型上建立CAE有限元分析模型，在加上Simcenter Nastran强大的大规模并行计算能力，把过去用其它CAE软件需要用周和月来分析的周期，缩短为用小时和天来计算。极大的提高有限元分析的速度与效率，降低CAE建模的劳动强度。

图5：电池结构动力学和疲劳

多旋翼飞行器作为民用级和消费级无人机市场的主力产品，其气动性能设计较为复杂，难以通过飞行试验或风洞试验获知其详细的气动性能，因此仿真成为了必要的研发设计手段。

多旋翼飞行器大多数概念都有一个包括多个转子的推进系统。您可以想象，要正确模拟空气动力学流动，您可能最终会进行计算成本高昂的模拟，因为您需要解析每个旋翼叶片，并且由于运动，您将需要拥有大量接口。在 Simcenter STAR-CCM+ 中有不同的螺旋桨建模方法，为了模拟所有这些挑战，我们可以在 Simcenter STAR-CCM+ 中结合不同的技术。为了模拟靠近地面或任何其他物体的运动，我们使用了我们的overset重叠技术，通过VTOL 周围的网格切掉背景中的网格，彩色单元格是它们连接的地方。

图6 无人机流体分析

预测螺旋桨性能的一种相对简单的方法是叶片单元法（BEM）。它涉及将叶片分解成几个小部件，然后确定每个小叶片元件上的力。这些力通过所谓的源项引入到流动中。与解析叶片网格相比，结果是更低的计算成本和更少的单元数。Simcenter STAR-CCM+ 的主要优点之一是，除了时间平均BEM外，它还包括时间精确BEM。在每个时间步长，瞬态叶片单元法沿圆周方向移动源项，并将产生的力反馈给背景网格。通过这种方式，您将能够捕捉瞬态效应，例如涡旋脱落、轴和机身载荷以及相互作用的空气动力学。

为了真正让我们的 VTOL 飞起来，我们使用了 DFBI 模型，它代表动态流体体相互作用。Simcenter STAR-CCM+ 测量作用在 VTOL 上的所有力，因此流体力和力矩、重力和推力来自我们的 BEM 方法并求解运动方程。Simcenter starCCM+在一个模拟中结合多个物理和运动以获得更逼真的模拟。

当我们在休闲的假日在户外享受休闲的时光，头顶上不时传来无人机的“嗡嗡”声，实在有些令人烦恼。无人机带来便捷性的同时，也给我们带来了城市噪声的污染，如何减少飞行噪声对人们的影响，声学仿真是非常必要的手段。

在Simcenter3D声学分析中进行无人机建模和城市建模，可以方便进行无人机在城市环境中的声传播的研究，通过仿真减少噪声的影响。

图7：无人机噪声仿真流程1

首先进行风扇噪声传播的负载准备，通过西门子Simcenter StarCCM+对风扇进行CFD分析，使用 Simcenter 3D 前处理工具，将叶片压力转换为风扇噪声负载的叶片力数据，通过求解亥姆霍兹公式以及近场传播和远场自由场麦克风的 AML 来获得声学响应，使用仅在一个叶片上的稳定负载以音调频率在一个解决方案中求解所有风扇。

使用具有方向性的源和感兴趣的城市模型创建射线声学解决方案，计算并绘制带有城市障碍物的声场，解决具有现实环境影响的辐射问题，以便模拟在城市环境中更准确地传播。

图8：无人机噪声仿真流程2

随着无人机的不断发展，无人机行业开始从模仿走向创新。在这种背景下，炫酷的外观、花样的噱头，这些消费级无人机的玩法变得完全行不通。在无人机的发展数量呈现井喷状时，我们该如何发展才能脱颖而出呢?

未来无人机应用将会大大改变我们很多传统的生活方式，随着一些新的应用领域：无人机配送、影视航拍、遥感测绘等运用的不断深入，也会给无人机行业提出更大的挑战，西门子Simcenter仿真提供从端到端的全学科解决方案，可以有效地帮助无人机企业去迎接创新，面对不断地出现的新领域和新挑战。

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