微軟的現(xiàn)任CEO薩提亞在他的《刷新》一書中提到，人工智能對(duì)人類的意義在于，我們不應(yīng)將人工智能視為“人工的”東西，而是應(yīng)該把它看成是用來增強(qiáng)人類能力的智能。

      其實(shí)這個(gè)邏輯用在很多場(chǎng)景中有著異曲同工的呼應(yīng)感，不僅僅是人工智能是用來增強(qiáng)人類能力的，在設(shè)計(jì)中，仿真軟件也在發(fā)揮著增強(qiáng)人類駕馭復(fù)雜情景的能力，幫助人類實(shí)現(xiàn)一些令人“腦洞大開”的創(chuàng)新。

       要論3D打印技術(shù)中的“腦洞大開”，開放式3D打印（OAM）讓人過目不忘，其核心思想是打印系統(tǒng)的體積不受構(gòu)建物體體積大小的限制，執(zhí)行構(gòu)建的“打印頭”不受空間位置限制，同時(shí)保持極高的打印精度，實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)建的3D打印直接成型。德迪創(chuàng)造性地將無人機(jī)作為打印噴頭的載體，配備持續(xù)性的供料系統(tǒng)，適用于大型建筑、太空設(shè)備、海底建筑等場(chǎng)景。

      開放式3D打印可以將民用無人機(jī)與3D打印技術(shù)進(jìn)行完美融合，采用全新設(shè)計(jì)的3D打印專用無人機(jī)作為噴頭載體，完美解決常規(guī)3D打印設(shè)備尺寸的限制。開放式 3D打印理論上不受打印地點(diǎn)、高度、成型尺寸等限制，具有高度的尺寸自由和設(shè)計(jì)自由性能。

        開放式3D打印技術(shù)帶來了打印尺寸和空間維度上的自由度，也具有相當(dāng)高的設(shè)計(jì)難度和實(shí)現(xiàn)難度，其中不但涉及3D打印技術(shù)的難點(diǎn)，也涉及了一般飛行器涉及的全部技術(shù)難點(diǎn)，例如氣動(dòng)性性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、穩(wěn)定性性能等等。其中，氣動(dòng)性能在設(shè)計(jì)過程中主要依靠仿真流體力學(xué)來實(shí)現(xiàn)，本期谷.專欄通過安世亞太的《流體仿真在開放式無人機(jī)3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用》針對(duì)某一型號(hào)的3D打印無人機(jī)機(jī)型的流體仿真部分進(jìn)行簡(jiǎn)要的說明。

雖然我們還并不清楚無人機(jī)3D打印的商業(yè)前景與潛力，但是通過開放式3D打印中流體仿真的學(xué)問，我們可以感受到仿真是如何來增強(qiáng)設(shè)計(jì)能力的。

圖片：德迪智能無人機(jī)3D打印

      在一般的開放式打印中，流體仿真能夠解決的問題很多，主要與打印工作時(shí)使用的原料及工作環(huán)境相關(guān)。本文中我們關(guān)注的無人機(jī)3D打印主要以混凝土等半流質(zhì)的材料為原料，在3D打印工作中， 充滿了各種挑戰(zhàn)，譬如說材料從打印頭擠出后質(zhì)地比較軟，不能馬上凝固，且外形容易受到外界強(qiáng)氣流的影響而發(fā)生變形。而由于在螺旋槳正下方區(qū)域，高流速區(qū)域的覆蓋范圍很高，需要考慮較高的風(fēng)速對(duì)已經(jīng)打印好的模型部分產(chǎn)生較大作用力的問題。

這些復(fù)雜的挑戰(zhàn)依靠人的試錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)來解決是昂貴且很難以實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)候流體仿真就發(fā)揮了重要的作用。

 仿真內(nèi)容

      本文作者通過某一型號(hào)的涵道無人機(jī)模型，仿真分析其在開放空間中飛行時(shí)的流場(chǎng)，分析打印噴頭附近的風(fēng)速分布情況。針對(duì)當(dāng)前選用的螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下的升力范圍，研究有無起落架對(duì)螺旋槳升力及打印噴頭附近風(fēng)速分布的影響。

針對(duì)本3D打印無人機(jī)機(jī)型，流體仿真主要關(guān)心以下幾個(gè)問題：

- 原旋翼加上現(xiàn)有涵道設(shè)計(jì)后不同轉(zhuǎn)速時(shí)側(cè)向力的變化；

- 研究規(guī)定螺旋槳尺寸，不同轉(zhuǎn)速時(shí)無人機(jī)的升力范圍；

- 現(xiàn)有的兩個(gè)旋翼在一個(gè)涵道中的設(shè)計(jì)，在同一涵道中的兩個(gè)旋翼在工作時(shí)是否會(huì)相互干涉。

現(xiàn)有的無人機(jī)模型如圖1所示，包含六個(gè)旋翼、保護(hù)罩、機(jī)臂，以及起落架、支架、平臺(tái)、打印噴頭等裝置。

圖1：無人機(jī)模型圖，來源安世亞太

圖2：計(jì)算域示意圖，來源安世亞太

仿真分析無人機(jī)在開放空間飛行時(shí)的流場(chǎng)，需要選取足夠大的空間作為流體計(jì)算域（如圖2所示），以消除計(jì)算域邊界的存在對(duì)無人機(jī)流場(chǎng)的影響。考慮到無人機(jī)在飛行時(shí)，旋翼驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)方向主要是上下方向的，因此選用圓柱形的計(jì)算域空間，其半徑為10m，高度方向?yàn)?5m。

圖3：體網(wǎng)格XZ截面圖，來源安世亞太

圖4：螺旋槳葉片的網(wǎng)格細(xì)化圖，來源安世亞太

本次計(jì)算使用四面體加棱柱層劃分網(wǎng)格，在螺旋槳葉片等細(xì)小結(jié)構(gòu)附近采用0.1到1mm的小尺寸捕捉曲率變化和接近率, 在螺旋槳葉片附近使用5層棱柱層網(wǎng)格以保證高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的流場(chǎng)計(jì)算精度。

 仿真結(jié)果

螺旋槳葉片使用MRF方法模擬其旋轉(zhuǎn)，計(jì)算轉(zhuǎn)速為4000RPM時(shí)的工況。

圖5：4000RPM XZ截面速度云圖，來源安世亞太

圖6：4000RPM YZ截面速度云圖，來源安世亞太

圖5和圖6分別為，該轉(zhuǎn)速下XZ和YZ截面的速度云圖，從圖中可以看出，相同飛行狀態(tài)下的無人機(jī)不同截面的氣流場(chǎng)分布有較大的不同，這是由于無人機(jī)框架為軸對(duì)稱而非中心對(duì)稱所引起的現(xiàn)象。

     在無人機(jī)的框架作用下，旋翼上方的氣流較為集中，為旋翼上方的氣流被卷吸進(jìn)入槳盤區(qū)域，并不像其他無人機(jī)機(jī)型沒有框架束縛，氣流來自周圍和上方。且在槳盤下方區(qū)域，此形式無人機(jī)的氣流沒有其他非涵道式無人機(jī)形式的發(fā)散現(xiàn)象。

圖7：無人機(jī)涵道與旋翼干涉性分析截圖位置，來源安世亞太

圖8：工況1 Y=-0.4m處XZ截面速度云圖，來源安世亞太

圖9：工況1 Y=0.4m處XZ截面速度云圖，來源安世亞太

     圖8中Y=-0.4m處為兩個(gè)旋翼在同一涵道中的狀態(tài)，圖9中Y=0.4m處為兩個(gè)旋翼分別在一涵道中的狀態(tài)。從以上兩圖對(duì)比可知，槳盤之間的干涉主要位于槳盤之下的區(qū)域。右圖中兩槳盤之間下部有一明顯的低速區(qū)，而左圖中兩槳盤之間下部沒有低速區(qū)的存在。這是由于槳盤之間若沒有涵道壁面的阻礙，也會(huì)有氣流被卷吸進(jìn)涵道中，兩邊槳葉下的氣流隨著流動(dòng)融合在一起，說明兩個(gè)旋翼在一個(gè)涵道中氣流會(huì)有相互擾動(dòng)的現(xiàn)象。

由于此無人機(jī)框架為軸對(duì)稱而非中心對(duì)稱，所以會(huì)產(chǎn)生力的不均衡分布，這種效應(yīng)在飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力，可能會(huì)導(dǎo)致偏航，影響飛行時(shí)的穩(wěn)定性。根據(jù)仿真的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于此型無人機(jī)來說，不同轉(zhuǎn)速下X和Y向的側(cè)向力各有不同，這說明當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)側(cè)向力也在變化。雖然數(shù)值較小，但對(duì)于飛行狀態(tài)的無人機(jī)來說，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的不穩(wěn)定，對(duì)控制和操縱都造成困難。

綜上所述，流體仿真的應(yīng)用可以避免在開放式打印的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不必要的資源浪費(fèi)問題，起到到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)思路、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率的作用。

李菁

    安世亞太流體咨詢專家，航天工程專業(yè)，碩士學(xué)位，4年數(shù)值仿真經(jīng)驗(yàn)，涉及高超聲速、多相流、顆粒物、燃燒、傳熱分析等多個(gè)領(lǐng)域，目前主要參與多個(gè)增材設(shè)備流體仿真分析項(xiàng)目，積累了大量3D打印設(shè)備流體優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

(責(zé)任編輯：admin)

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