案例分享 | 雅马哈直升机螺旋桨的声音设计
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了雅马哈发动机公司使用联合仿真技术进行无人直升机的流体-结构-声学仿真设计的过程。通过使用MSC CoSim联合仿真模块，雅马哈能够全面评估无人直升机的性能，避免了在流体、结构和声学领域重复设计周期的问题。通过流固耦合仿真，雅马哈能够在单个分析过程中全面分析主转子的性能和噪声，大大缩短了设计和开发的交付周期。此外，声学仿真的结果可以直观地展示出来，为无人直升机的设计发展提供了重要的帮助。雅马哈发动机表示，联合仿真技术对于高性能主旋翼的开发和噪音问题的解决具有重要意义，并有望为无人直升机开发不同的业务场景提供解决方案。
图 1
日本在无人直升机的开发和使用方面起步较早，尤其是在农业领域，雅马哈发动机有限公司于 1990 年代初首次推出了旗舰 RMAX 无人直升机。从那时起，雅马哈发动机不断在其原始设计的基础上进行改进，优化无人直升机在不同环境中的使用。
设计无人直升机时要考虑的一个关键因素是飞行器将在哪里飞行。任何在居民区飞行的飞行器都需要限制其产生的噪音。正如雅马哈发动机公司机器人事业部 KentaMizuno所解释：“较低的噪音水平有利于操作员。对于农业用途，我们必须降低无人直升机产生的噪音，因为它们将飞越住宅区周围的田野。降噪还有助于减轻操作员的疲劳。到目前为止，我们主要通过采用四冲程发动机来实现发动机降噪。但是，现在想要更进一步，降低主旋翼造成的噪音”
直升机的主要声音来源之一是主旋翼叶片引起的流体噪声。由于无法使用隔声罩来阻止转子的噪音传播，雅马哈不得不考虑转子速度和叶片形状的设计。然而，这两个因素对直升机的整体性能都有很大影响，任何变化都会产生需要优化的多种设计权衡。一旦产品规格细节到位，评估工业产品的声学性能非常复杂，并且通常在设计的后期阶段。但是，在设计过程后期将声学性能评估的结果纳入规范会产生一系列问题：例如，工程师必须回头来查看更改对先前设计决策的影响，这是一个费力的过程，且可能导致交货时间的延长。出于这个原因，雅马哈希望在设计初期整体考虑各方面的设计因素与产品性能。
使用联合仿真技术进行无人直升机的流体-结构-声学仿真设计
雅马哈发动机公司基于 MSC CoSim联合仿真模块来全面评估无人直升机“FAZER R”的性能（图 1）。MSC CoSim提供了一个联合仿真的接口，可将不同求解器/学科与多物理场双向强耦合起来。使用MSC CoSim，雅马哈能够通过交互传输数据的多学科软件产品同时执行多项分析。
MSC CoSim的优势之一是用户能够轻松地在不同的软件工具之间无缝切换。这使得运动部件与结构部件、结构部件与流体区域，以及运动部件与流体区域的耦合分析变得更方便快捷，并真实反映物理世界中发生的实际情况。在分析 FAZER R 无人机时，雅马哈使用MSC Nastran和scFLOW进行了结构流体联合仿真，模拟转子产生的气流和转子变形。然后，进一步使用MSC 的声学分析软件工具 Actran 来计算由转子引起的流体噪声。MSC CoSim以多种方式确保了准确性和稳定性。例如，CoSim在源代码级别针对 MSC Nastran 和 scFLOW 进行了优化，可提供卓越的稳定性。同时，对于 MSC Nastran 和 scFLOW，尽管它们需要不同类型的网格，但高精度的映射技术使它们能够交换位移和流体力等数据。此外，在 scFLOW 2021 中，用于网格变形速度比早期版本快得多，从而进一步提高了联合仿真的准确性和速度。基于MSC CoSim，雅马哈发动机通过流-固-声学仿真对工业用无人直升机的性能进行综合评估，如图2所示：
图 2
雅马哈发动机公司使用以下程序做性能验证（图 2）：
• 工程师使用流体分析软件scFLOW 分析了由主旋翼旋转引起的气流。
• 结构分析软件 MSC Nastran分析由旋转引起的叶片弹性变形
• 通过MSC CoSim，scFLOW 和MSC Nastran 交换叶片变形和气流变化的信息。
2. 气动声源数据实时传输到Actran，并对主旋翼进行声学仿真。
• 使用声学仿真软件Actran，从流固联合仿真获得的数据中提取气动声源。
• 在Actran 中使用有限元方法分析声波的传播。
Actran 实时接收流固联合仿真中计算出的数据，并同时执行声学仿真。通过将 scFLOW 和 MSC Nastran 的流固联合仿真与 Actran 仿真相结合，雅马哈能够分别避免在流体、结构和声学领域重复设计周期。相反，通过使用流固耦合仿真，雅马哈电机能够在单个分析过程中全面分析主转子的性能和噪声，从而大大缩短了设计和开发的交付周期。1. scFLOW 和 MSC Nastran 的联合仿真
2. 使用 Actran 进行声学模拟显示以下内容：
- 联合仿真表明，除了压力分布和涡流产生外，叶片随着主旋翼旋转引起的气流轻微上升和下降（图3）。
图 3 叶片变形和变形的可视化流体涡流
在 2.声学仿真中，直观地捕捉到了声波干涉引起的声场指向性和声压级水平（图4）。声学模拟的结果可以表示为观测点声压级图（图5）和声场指向性的2D或3D图像。此外，工程师还可以听到声学仿真的结果。
图.4 空间声压分布的可视化
图5 观测点声压级
图6 某一频率下声音传播的方向性
雅马哈发动机的 Mizuno先生表示：“我们预计流体分析和结构分析的有效联合将有助于高性能主旋翼的开发。通过提高从设计、分析到原型机再到最终确定设计参数全流程的效率和速度，我们可以针对行业和用途对主旋翼进行定制优化。将噪声仿真结果可视化，对无人直升机的设计发展有重大的帮助。针对噪音问题的对策，我们可以考虑规划飞行路线和设计飞行指南等具体步骤，这样不仅可以对制造提出建议，还可以对新业务或服务提出建议。
雅马哈发动机通过流固联合仿真以及 Actran 实现的多物理场解决方案能够为无人直升机开发不同的业务场景，并使用上游到下游的设计流程来解决设计问题。
