談到未來的交通運輸，一些技術尤其突出：電動汽車、自動駕駛汽車和垂直起降車輛 (VTOL)。後者通常被設計為電動 (eVTOL)。城市空中交通 (urban air mobility, UAM)引起了極大的鼓舞和興致，這將涉及在城市空域使用eVTOL進行客運和貨運，從而減少地面交通。 雖然UAM行業仍處於起步階段，但多家初創公司和OEM正在努力開發概念車，創造一個已經競爭激烈的市場。為了在這個新興行業保持領先地位，這些製造商必須利用新的工具和方法來簡化設計流程。 由於足夠的電池能量密度可能成為電動UAM行業成功的限制因素，因此概念設計階段的主要目標之一，是確定最輕量化的車輛結構是符合要求的。確定機身結構的適當配置和尺寸，是一項具有挑戰性的任務，為了實現這一目標，我們需要充分利用優化技術。達梭系統 (Dassault Systèmes)通過結合參數和非參數優化技術，提出了一個有效的概念結構尺寸工作流程。 圖1.eVTOL概念結構優化工作流程 機身結構參數化設計 第一步，在3DEXPERIENCE平台上基於瀏覽器的雲端「CATIA xGenerative Design」應用程序中構建內部機身結構的參數模型。由於模擬分析模型和參數化設計數據之間擁有完全關聯性，設計機身結構所需的時間和精力大大減少。考慮先前開發的eVTOL設計的外表面作為輸入，建立參數模型。CATIA xGenerative Design應用程序設計內部機身結構，允許結合使用圖形視覺化腳本和交互式3D建模界面。 圖2.用於3D建模（左）和圖形建模（右）的xGenerative Design界面 上圖左顯示了帶有不同內部機身組件的3D建模界面，例如肋骨、前後翼梁、塔架艙壁、地板結構、前後艙壁、中央翼盒和縱梁。右圖顯示了圖形建模界面，可以通過拖放現有組件，快速構建參數化設計圖。藉由此全局視圖，您可以瞭解模型物件、參數和運算子之間的依賴關係。 飛行載荷平衡 關鍵飛行條件下的外部載荷必須平衡結構尺寸。在任何給定的飛行條件下，飛行器都會承受空氣動力載荷、旋翼力、重力和慣性載荷。借助3DEXPERIENCE平台，使用流體動力學應用程序，計算流體動力學 (CFD)模擬分析模型可以完全與設計相關聯。建立CFD模擬以確定概念eVTOL飛行器的空氣動力載荷作為攻角 (機翼之翼弦與自由流之夾)、馬赫數 (Mach number)等的函數。然後計算旋翼力、平衡空氣動力學、慣性和重力載荷以確保飛行載荷平衡。該外部載荷數據庫為eVTOL的結構模型提供數據，其考慮了兩個極限載荷：正極限載荷和負極限載荷，如下圖左黑色圓圈所示。 圖3.飛行包線圖表和機身的不同動力 氣動壓力映射（Aerodynamic Pressure Mapping） 與參數化設計完全關聯，結構有限元素模型是在3DEXPERIENCE平台上的Mechanical Scenario應用程序中構建的，模型網格化針對不同內部結構的殼和梁單元，前、後轉子和電池，被理想化為通過分佈式耦合約束連接到結構的點質量。假設該結構由標準碳纖維增強聚合物 (carbon fiber reinforced polymer, CFRP)複合材料製成，連同慣性和轉子載荷，從CFD網格到結構網格的氣動壓力分佈，被映射用於調整結構尺寸。 圖4.CFD壓力映射到結構模型 參數化設計研究 對於在3DEXPERIENCE平台中構建的參數化模擬分析模型，新的參數化設計研究應用程序提供了一個直觀且易於使用的界面，用於DOE (design of experiment)研究。考慮到應力、位移和質量等各種設計響應，對eVTOL車輛進行了參數化設計研究。 參數和非參數結構優化 在這項概念設計研究中，3DEXPERIENCE平台上的Process Composer應用程序，結合了參數優化和非參數尺寸調整技術，優化技術直接應用於參數模型。 圖5.結合參數和非參數優化的Process Composer工作流程 在優化任務下，結構模型的正負載荷情況在每次迭代中並行執行，參數優化的目標，是以最小化受應力約束和位移約束的總結構質量，在優化運行的每次迭代中，在Tosca Structure中調整非參數尺寸，以通過優化外蒙皮厚度和縱梁特性的分佈來進一步減少質量。進一步檢查最終優化模型的結構要求，如複合材料的屈曲和強度，以驗證配置。 圖6.優化的車輛配置（左）與尺寸優化（右） 協作工作流程對城市空中交通（UAM）的優勢 在發展eVTOL車輛時，電池重量是關鍵的限制因素之一。此工作流程充分利用當前的結構優化技術，減少了概念車的重量。參數化設計、模擬和優化在3DEXPERIENCE平台中的緊密整合，非常有利於概念結構尺寸研究。xGenerative Design應用程序使所有設計人員都可以参與參數化設計，而無需複雜的編程。此外，由於結構模擬模型與參數化設計完全相關，因此可以輕鬆地自動探索大量設計配置，並通過結合參數化和非參數化方法進行優化。 關鍵字：3DEXPERIENCE、eVTOL、 UAM、飛行、動力、參數化