多学科设计优化在新兴飞行汽车行业中的应用

城市空中交通和区域空中交通（UAM/RAM）是目前一个非常火爆的市场。在全球范围内，数以百计的创业公司正试图通过花哨的效果图以及几年内认证和商业运营的承诺给潜在投资者留下深刻印象。只有时间才能证明这是否是一个现实的时间表，以及这些公司是否会成功。

虽然这些创业企业中的一些得到了成熟的航空航天和汽车公司的支持，这些公司能够提供工程和制造方面的实力，但还有许多创业企业并没得到这种支持。那幺，这些创业公司如何才能在其第一次设计中获得更好的成功机会呢？答案其实很简单：在设计和工程过程中充分采用MDO（多学科设计优化）。对于那些不熟悉MDO的人来说，它可以定义为通过计算机在一组设计空间内跨多个学科优化相应的设计。让我们仔细看看电动垂直起降（eVTOL）飞机开发的一些方向以及MDO在其中的作用。

配置分析：快速评价数千个设计

在概念设计阶段，需要对飞行器的配置进行布局。根据其预期任务，设计师必须决定使用哪种类型的架构，选项包括倾斜旋翼、升力+巡航、多旋翼或管道矢量推力。这些架构中的一些使用传统机翼，它提供了更大的航程、有效的巡航以及滑行通过的安全性，但是同时会带来相应的动力损失。多旋翼飞行器具有更好的悬停性能，但通常具有较小的航程，并且其推进系统需要额外的冗余，因为它不能像传统直升机那样滑翔或自动旋转。

通过在该阶段为相关领域（几何、结构、空气动力学等）使用快速运行的低保真度模型，并将其集成到MDO框架中，在该框架中可以分配目标和约束，工程师可以快速评估数千个潜在的设计候选，并选择更佳配置，以便在初步和详细设计阶段进行进一步分析。

任务：航程和有效载荷之间的权衡

对于飞行器的预期任务，工程师需要了解有效载荷、航程和速度要求。通常主要工作是平衡冲突目标和进行权衡研究，而这正是MDO框架的工作。例如，我们可以选择增加有效载荷，但代价是航程更小，因为存储的能量是有限的。相反，我们可以选择增加航程，但相应需要接受较小的有效载荷。

有了MDO，可以轻松建立多目标优化研究，如“更大化航程，更大化有效载荷”，然后智能算法将找到所谓的帕累托非支配优化设计，工程师可以将其作为进一步开发的基准。

结构：和造成重量增加的因素对抗

当涉及到飞行器的结构时，从耐撞性和安全性的角度来看，强度和重量等属性很重要。由于eVTOL飞行器通常比常规飞行器具有更多的增加重量的因素，因此减重并对所有影响重量的因素有良好的预先了解非常重要。通常，设计师希望将重量最小化，同时将强度更大化。

虽然传统飞行器大多由铝制成，但eVTOL严重依赖复合材料，因为结构需要尽可能轻，以补偿更重的电池带来的重量，并允许更多有效载荷，以便经济上可行。材料优化以及强度和有效载荷的平衡是MDO的另一个很好的应用案例。

推进系统：降低噪音，提高性能

设计推进系统可能是eVTOL飞机设计中最具挑战性的部分。工程师需要考虑电池能量密度、冷却、电机性能和螺旋桨或转子设计。这里再次出现了许多MDO的应用案例。

例如，当涉及到螺旋桨设计时，我们可以优化弦长和扭曲的分布，以获得给定翼型组的更大推力和最小功率。但我们也需要考虑噪音，这在城市环境中尤为重要。不仅绝对噪声水平需要非常低，而且噪声类型也会影响公众的接受程度。我们所有人都熟悉传统直升机发出的尖叫声和小型无人机发出的恼人的蚊子般嗡嗡声——这两种声音都是eVTOL无法接受的。

通过实验设计，可以研究圆盘载荷、叶片位置、形状和叶尖速度对噪声的影响，然后进行灵敏度分析，以确定最相关的因素，并进一步优化这些因素。降低转速以降低叶尖速度从而降低噪音？那就需要使用更大、更重的电机来提供补偿所需的增加的扭矩，这可能会导致对更大、更重的支撑结构的需求（这又是重量增长因素）。

所有这些都可以在现代的MDO框架中进行研究，在这个框架中，计算机可以自动探索整个设计空间并找到最关注的区域，计算机处理这一繁琐的工作比人工调整效率高得多。

MDO、MDO和MDO：

创意设计方面的合作

现在应该清楚，MDO拥有许多的应用，可以提供更快的成功途径。虽然各学科需要相应领域的仿真代码（空气动力学的CFD、结构的FEA等），但它们都可以集成在同一个MDO框架中。

MDO是多元化的，它不仅可以在单学科领域内进行优化，还可以当目标是找到更佳总体折衷时在不同学科领域之间进行优化。

MDO可以促进协作，并可以寻找到不一定符合工程师直觉，因而很容易被忽略的更佳设计。

那么，对创业公司有什么建议呢？虽然远大的梦想和让eVTOL看起来违反每一项物理定律是诱人的而且有时也是有益的，但我们不应忘记，我们开发的任何产品都要遵守严格的法规和认证要求。对于一项有创意但又合理的工程，投资于一个好的MDO框架，如ESTECO的modeFRONTIER（桌面级工具）或VOLTA（网络级工具），将是一个明智的决定。

虽然许多创业公司似乎更关心筹集资金，而不是花钱，因此不愿投资软件，但应该注意的是，商业软件供应商通常会提供有吸引力的创业软件包，大大降低许可证费用，最终软件会提供其价值。或者你也可以找到一些免费使用的开源仿真软件包，尽管它们的功能通常是有限的，而且对用户不够友好。