ANSYS助力新加坡航天科技公司设计平稳着陆的飞机

无人机（UAV）正在被赋予日益多样化的使命。这其中包括飞越大型水体以完成海上监视等任务。根据UAV的大小及其有效载荷，意外的水上着陆或水上迫降可造成数千或数百万美元的损失，甚至使整套系统毁于一旦。例如高速冲击水面会在机身上产生很大的瞬态压力载荷，而水体的自然属性（动态浮力和压缩性）可能导致UAV翻转。上述任一种情况都会导致机身故障和解体。因此对UAV而言，掌握如何缓解这种状况的方法是一项重要的设计考量因素。

工程师将流体域划分为两个区域，从而缩小了时步大小。

但是，对新型UAV的水面着陆行为开展飞行试验不太切合实际，因为构建原型，部署空域，为测试飞机广泛配备仪器，了解并再现撞击发生的海况和环境等工作非常耗费时间与成本。仿真水面着陆的情景是大量飞行试验的实用性替代方案，但这样做也颇有难度，因为工程师需要考虑多相流（空气和水）、水的压缩率以及获得冲击载荷所需的极小的计算时步。新加坡航天科技公司（ST Aerospace）的工程师使用ANSYS CFD软件解决了这些挑战，并精确地仿真了多种类型的水面着陆情景。这个过程节省了大量时间和资金。

仿真方法的验证。

陡降着陆显示不利的翻转行为。

机腹着陆行为仿真显示不利的翻转行为。

俯冲着陆行为仿真得到了令人满意的结果。

多相流

新加坡航天科技公司是一家综合服务供应商，为世界主要航空公司、货物空运公司和军事运营商等广泛的客户群提供各种维护与工程服务。为获得水冲击仿真中流场的多相属性，新加坡航天科技公司的工程师使用了ANSYS Fluent中的流体体积模型（VOF）。利用该模型，工程师不仅会在整个域的范围内跟踪每相的体积分数（即一个计算单元中该相所占据的体积分数），同时还可获得各相之间的界面。本研究中的几何重构界面捕获方案，通过使用分段线性方法表示水面，从而计算水面的变化。这种方案最为精确，同时也兼容无结构的移动和变形网格（MDM）。

水冲击过程中产生了大到足以压缩海水的压力，因此仿真中必须包括水的压缩率。在仿真过程中，工程师根据水的体积模量（用压力和密度变化进行定义）确定水的密度，从而使用用户自定义函数（UDF）计算水的压缩率。

“对新型UAV的水面着陆行为开展飞行试验不太切合实际。”

划分流体域以延长时步

为仿真飞机相对于相邻单元的移动情况，鉴于相邻网格的高分辨率，时步必须很小。在本例中，工程师通过把流体域划分为两个区域，从而增加了时步大小。一个内部半球形区域控制着飞机并相对飞机保持固定，这样当飞机在水冲击产生的力的作用下发生移动和翻转时，内部区域也会移动和翻转。外部区域是静止的，而且在空间中保持固定。通过使用MDM建模方法，工程师在ANSYS Fluent中实现了这一方案。随着计算的进行，当内部区域移动并穿过外部区域时，MDM能够在两个区域的界面处高效地重新剖分体积单元的网格。时步的大小取决于两个区域界面上较大的体积单元，而不是与飞机直接相邻的更小单元，这样就可以使用较大的时步并大幅减少完成仿真所需的时步数量。

工程师在CFD模型上使用对称边界条件，这样仅为飞机的二分之一部分建立了模型。这样可让体积单元数量减半，并将计算时间缩短50%。这种方法的局限在于虽然能捕捉俯冲运动，但不能捕捉翻转运动和偏航运动。

水冲击仿真从飞机非常接近水面开始，然后以小时步进行仿真。在每个时步上，需要开展CFD仿真来求解瞬时的流场。该流场会产生作用于飞机的力和力矩。这些力和力矩被输入到Fluent的内置六自由度（6DOE）求解器中，用于计算该时步的增量平移和旋转。包含内部流体域的UAV可移动到新的位置和方向。飞机以及固定内部域的移动在与外部流体区域的边界上扭曲了体积单元。扭曲单元所在的区域由MDM重新进行网格剖分，以保持良好的质量。每个后续时步不断重复这个周期。

方法验证

新加坡航天科技公司的工程师仿真了其发布的实验测试案例，从而验证自己的计算方法[1]。该实例涉及将不同质量的160度圆锥体以不同冲击速度投入水中。然后，测量撞击时的冲击力。工程师对质量为0.324kg的圆锥体以5.04m/s的速度冲击水面的实例进行了仿真。实验测得力的峰值为317.844N，而仿真得到的力的峰值为310.977N，相差仅2.2%。

评估不同的水上着陆方式

验证了仿真方法后，新加坡航天科技公司的工程师对新的UAV开展了20种不同的水上着陆案例仿真。该团队仿真了陡降着陆、机腹着陆和俯冲着陆。他们还为机腹着陆建立了模型，用NACA 84水上飞机的船身替代了UAV的机腹。陡降着陆、机腹着陆和水上飞机船身着陆都出现了翻转行为，这增大对UAV的作用力，因而并非是理想的效果。但另一方面，俯冲着陆未发生翻转行为并且作用力最小。水上着陆的图像是从UAV的对称平面看到的结果，并提取自仿真动画。

对UAV水面着陆的CFD仿真得到了极具价值的结论和洞察力，可用于机身的结构设计，使其能够承受水的冲击力。仿真结果对UAV运营商也大有裨益，便于其确定执行水面着陆行为的最佳程序。在没有进行高成本、高风险的飞行试验的情况下实现了这些解决方案，显著降低了设计UAV所需的时间和成本。

新加坡航天科技公司得到了ANSYS渠道合作伙伴新加坡科益集团的大力支持。