eVTOL飞行器螺旋桨多学科设计分析与优化

在任何复杂系统的设计中，设计优化都是提高产品性能、满足各种利益相关者要求、减少成本和上市时间的关键活动。在设计空间的自动搜索中，设计优化广泛使用了计算机辅助工程（CAE）仿真。工程系统结合了子系统和组件；每个部件都由不同的物理建模，性能评估涵盖了一系列工程学科，包括：流体动力学、结构、热学、电磁和许多其他学科。这种组合被称为多学科设计分析与优化（MDAO）。使用MDAO框架的动机是寻求一种行之有效的方法，以满足不断变化和日益复杂的环境的需求。

在过去的十年里，分布式电力推进（DEP）在航空领域的兴起为飞行器设计问题增添了一种新的范式。电动垂直起降（eVTOL）飞行器在独特的多学科环境中工作。这类飞行器的螺旋桨必须在巡航以及垂直和过渡飞行模式下运行。一些设计使用一组电动高升力螺旋桨（HLP）来增加流量，以在低速飞行条件下增加升力，而其他设计可以为垂直或短距起飞和着陆（V/STOL）提供额外的推力。几个概念旨在实现机身空气动力学和战略集成推进器之间的良好相互作用，实现迄今为止无法实现的性能优势。这些螺旋桨必须结构良好，以应对复杂的飞行器过渡。它们必须保持安静，以允许飞行器在人口稠密的城市环境中运行，从而完成城市空中机动（UAM）任务。

早期的设计实践需要具有高计算效率和足够保真度的工具来可靠地指导飞行器概念的开发。然而，在早期设计阶段（概念和初步），很难以足够的精度对相同的高度耦合的航空推进相互作用进行建模。商业和开源的低保真度和中保真度工具已经出现，实现了涡格方法、表面涡度方法、种子粒子方法或升力线理论，以填补这一能力空白。

FlightStream®是一种表面涡量求解器，可提供可靠的气动载荷分析，同时保持大多数MDAO流程所需的计算效率水平

Vivek Ahuja

首席执行官兼联合创始人

Research in Flight

通过在设计的早期阶段使用可靠、高效的工具，在设计过程的早期就会出现更成熟的设计。虽然求解完整连续Navier-Stokes方程的计算流体动力学（CFD）工具提供了完善设计所需的保真度，但它们通常缺乏足够的计算效率来为早期设计提供信息。

图1 Flightstream允许使用独特的表面涡度、流动分离和粘性分析能力对非常规飞机进行快速分析，无论是动力配置还是无动力配置。

FlightStream®是一种表面涡量求解器，可提供可靠的气动载荷分析，同时保持大多数MDAO流程所需的计算效率水平。解算器使用涡量表在几分钟内提供解。该求解器还与空气声学功能相结合，以便在早期设计阶段对噪声进行建模。

ESTECO公司与飞行研究公司合作，展示了一种优化eVTOL螺旋桨几何形状的方法，以满足利益相关者的竞争要求和关键性能指标。通常情况下，这样一项复杂的任务解决起来过于耗时和昂贵。尤其是当高保真度体积计算流体动力学（CFD）成为瓶颈时。

ESTECO公司通过将ESTECO VOLTA SPDM平台及其MDAO功能与FlightStream®空气动力学分析工具相结合，解决了这一设计挑战。通过结合多种分析和学科来获得物理学结果。

特别是，使用Bernstein多项式对eVTOL螺旋桨进行几何建模，将螺旋桨的横截面数据提供给FlightStream组件横截面（CCS）文件格式。CCS文件是一个文本文件，允许用户以适合自动网格生成的方式将飞机几何图形导入FlightStream。CCS文件还允许用户定义控制表面并设置几个网格选项。在这项工作中，编写了一个FORTRAN脚本，将Bernstein多项式数据自动转换为CCS文件格式的截面数据。这种几何形状的构思过程和构建方法是优化公式发展的关键方面。构造几何体的过程应该是准确和可复制的。此外，设计空间不应受到用于创建几何图形的设计工具的限制。

然后，这些用于航空推进、航空声学和应力分析的参数化模型被自动化到ESTECO modeFRONTIER模块化MDAO工作流程中，并发布在VOLTA SPDM平台上，准备执行。

该工作流程实现了eVTOL螺旋桨的优化框架，目标是满足四个学科相关目标。就气动推进力学学科而言，项目组感兴趣的是最大化推力，同时最小化螺旋桨的扭矩。从声学学科来看，目标是尽可能安静，所以项目组对最大限度地降低声压级感兴趣。最后，项目组纳入了有限元分析（FEA）学科，项目组希望最大限度地减少螺旋桨质量，并确保项目组的应力在允许的范围内，从而满足要求。

使用ESTECO专有的pilOPT算法为eVTOL螺旋桨找到了最佳几何形状，并在上述目标之间进行了最佳权衡。专有的pilOPT算法是ESTECO最先进的优化策略之一。它可以自适应您的设计问题；根据需要随时调整策略，在合理的时间内获得具有折衷空间覆盖的帕累托边界。

一旦建立了MDAO工作流，它就会被发布到ESTECO VOLTA企业平台上来执行。由于其网络界面和SPDM的协作环境，VOLTA加快了学科专家和利益相关者之间的沟通。该框架还加强了仿真和业务流程的标准化和形式化，将其作为一种制度化方法，促进了知识重用，并促进了所需资源的共享。

在VOLTA中，每个学科专家（SME）都拥有并负责维护其在整个MDAO研究中的部分：

• CAD 专家生成叶片的几何形状，提供用于改变螺旋桨形状的参数模型和 CAD 解决方案；
• 空气动力学专家建立空气动力学仿真模型，该模型使用 FlightStream® 评估几何模型对应的空气动力学性能，并使结构专家能够将空气动力学载荷施加到叶片上；
• 声学专家同时使用空气动力学仿真的输出来计算不同观察者位置的声压级；
• 仿真专家将所有这些模型合并到自动化 MDAO 工作流中，以便从 web 界面轻松执行并重新用于进一步分析。

下一步是从VOLTA web界面向MDAO工作流添加运行计划（Plan）。这使得仿真专家能够提交MDAO研究，以优化螺旋桨形状，从而在满足所有设计要求的同时提高性能。

运行计划意味着一些特定类型的设计空间探索研究。它可以是实验设计（DOE）或优化例行分析。通过VOLTA Planner界面，参与项目的每个人都可以更改需求、性能指标、输入域和设计空间探索策略。您可以在同一MDAO工作流的基础上构建许多不同的计划。

从过程执行方面来看，虽然CAD求解器和内部代码可以很容易地在本地资源上运行，但空气动力学仿真可能需要额外的计算资源和软件许可证。ESTECO最先进的作业调度技术使组织和团队能够充分利用当前的按需云计算服务，如亚马逊EC2或其他公共、私有和混合云，通过使用虚拟专用网络和安全通信协议来解决大规模MDAO，从而保护交换的数据。

最后，对优化结果感兴趣的利益相关者可以通过VOLTA Advisor网络面板轻松访问和选择最佳螺旋桨形状设计。

VOLTA Advisor的作用就像是web上进行权衡空间研究的权威真相来源（ASOT）。通过这种方式，设计利益相关者可以登录，查看与所有其他利益相关者相同的数据，应用他们的偏好、需求和性能目标。在本案例中，性能目标将是螺旋桨设计的声音/噪音水平、推力和扭矩，以及确保满足应力要求。将这些过滤器应用于数据后，他们可以更快地以协作的方式做出权衡决策，而不是将数据和静态图像复制到通过电子邮件共享的幻灯片中，而这些幻灯片根本没有可追溯性。