۱۷-مطالعه یکپارچه توسعه از طراحی مفهومی تا طراحی سازه‌ای تفصیلی برای حمل و نقل هوایی شهری و Unified Development Study from Conceptual to Detailed Structural Design for Urban Air Mobility
۱۷-Unified Development Study from Conceptual to Detailed Structural Design for Urban Air Mobility
چکیده
در طول طراحی هواپیما، مدل‌های سازه‌ای در سطوح مختلف سیستم ساخته می‌شوند. نمایش‌های کلی از کل سازه برای فعالیت‌های اولیه تعیین اندازه استفاده می‌شوند، در حالی که مدل‌های اصلاح‌شده زیرسیستم‌ها بعداً برای تعیین اندازه دقیق ساخته می‌شوند. داده‌های بار معمولاً در سطح کل وسیله نقلیه تولید می‌شوند و باید به طور دقیق به مدل‌های زیرسیستم دقیق منتقل شوند. همگام‌سازی همه مدل‌ها با آخرین داده‌های طراحی می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.
برای پرداختن به این چالش‌ها، ما در این ارائه یک گردش کار یکپارچه در پلتفرم 3DEXPERIENCE پیشنهاد می‌کنیم که مدل‌های سازه‌ای را در سطوح مختلف سیستم به هم متصل می‌کند و انتقال بار یکپارچه را امکان‌پذیر می‌سازد و در عین حال ارتباط با داده‌های طراحی پارامتری را تضمین می‌کند.
ما نشان می‌دهیم که چگونه یک مدل مفهومی از یک وسیله نقلیه eVTOL کامل و یک مدل دقیق از بال آن ساخته شده و با یک مدل طراحی پارامتری در CATIA مرتبط می‌شوند، با یک اندازه دقیق از ساختار بال که توسط داده‌های بار از مدل کامل وسیله نقلیه هدایت می‌شود. یک مطالعه اکتشافی طراحی برای ساختار بال با هدف برآورده کردن الزامات از نظر کمانش پوسته انجام می‌شود و بهترین گزینه از طریق یک شبیه‌سازی دقیق پس از کمانش اعتبارسنجی می‌شود.
نکات برجسته:
همبستگی مدل‌های سازه‌ای کل هواپیما و زیرسیستم با مدل داده یکپارچه
انتقال بار یکپارچه از مطالعه مفهومی به مدل بال دقیق برای تحلیل کمانش
بررسی طراحی برای بهترین پیکربندی بال که الزامات کمانش پوسته را برآورده می‌کند
اعتبارسنجی رفتار سازه‌ای بال از طریق یک تحلیل پس از کمانش کاملاً غیرخطی
انقلاب در طراحی هواپیما با “Modsim”: از کانسپت تا واقعیت در EVTOL
[موسیقی متن]
آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که چگونه هواپیماهای پیشرفته امروزی، به خصوص وسایل نقلیه هوایی شهری (UAM) مانند EVTOL، از یک ایده اولیه به محصولی پروازی تبدیل می‌شوند؟ پاسخ در رویکردی نوین به نام مدل‌سازی و شبیه‌سازی یکپارچه (Modsim) نهفته است. در این مقاله به بررسی عمیق چگونگی استفاده از Modsim، از طراحی مفهومی تا تحلیل سازه‌ای دقیق، برای تسریع فرآیند توسعه در صنعت هوانوردی، به ویژه برای EVTOLها، می‌پردازیم. این مقاله بر اساس ارائه‌ای در انجمن AIAA Scitec است و شما می‌توانید برای جزئیات بیشتر به مقاله کامل آن مراجعه کنید.
Modsim چیست و چرا در صنعت هوانوردی حیاتی است؟
برای دهه‌ها، آزمایش‌های فیزیکی ابزار اصلی برای ارزیابی عملکرد، قابلیت تولید و پایداری یک محصول بودند. این آزمایش‌ها اما کند، گران و پرخطر هستند و به نمونه‌های اولیه فیزیکی نیاز دارند. شبیه‌سازی گام بزرگی در مجازی‌سازی این فرآیند بود و هزینه‌ها را به شدت کاهش داد. با این حال، مشکل اصلی در این بود که ابزارها، افراد و بخش‌ها هنوز از هم جدا بودند. تبادل داده‌ها از طریق فایل‌های جداگانه و ایمیل انجام می‌شد که منجر به کندی و عدم انسجام می‌شد.
اینجاست که Modsim وارد عمل می‌شود. Modsim یک پلتفرم تجربه سه‌بعدی است که ابزارهای مختلف را در یک محیط واحد گرد هم می‌آورد. این رویکرد یکپارچه، امکان همکاری بی‌نظیر بین تیم‌های مختلف را فراهم می‌کند و زمان ایجاد مفهوم و اعتبارسنجی را از هفته‌ها به چند روز کاهش می‌دهد.
مزایای کلیدی Modsim:
- یکپارچگی CAD و CAE: طراحی و تحلیل در یک محیط مشترک، امکان به‌روزرسانی خودکار مدل‌های شبیه‌سازی با هر تغییر در هندسه را فراهم می‌کند.
- پایگاه داده متمرکز: تمام ذینفعان به یک پایگاه داده مرکزی متصل هستند و لینک‌های داده را به اشتراک می‌گذارند، که همکاری و پیگیری پیشرفت پروژه را تسهیل می‌کند.
- تسریع فرآیند توسعه: کاهش زمان از ایده تا اعتبارسنجی به دلیل ارتباط و هماهنگی بی‌درنگ.
لایه‌های Modsim: از محصول تا پروژه
Modsim فراتر از شبیه‌سازی صرف است و یک اکوسیستم جامع را در چهار لایه اصلی ارائه می‌دهد:
- لایه مهندسی محصول (Product Engineering): این هسته Modsim است که شامل مدل‌ها، شبیه‌سازی‌ها و ارتباط بین مدل و شبیه‌سازی می‌شود. در اینجا، مدل‌های شبیه‌سازی به طور خودکار با تغییرات در هندسه (CAD) به‌روز می‌شوند و نتایج کل فضای طراحی در دسترس هستند.
- لایه مدیریت تست (Test Management): این لایه فرآیندهای تست و اعتبارسنجی را مدیریت می‌کند. مشخصات تست، نتایج و گزارش‌ها در این لایه پیگیری می‌شوند. همچنین امکان اجرای بهینه‌سازی‌های چند رشته‌ای و دموکراتیزه کردن شبیه‌سازی‌ها وجود دارد.
- لایه مدیریت حرفه‌ای محصول (Professional Product Management): این لایه به طراحی محصول بر اساس الزامات و مشخصات خاص می‌پردازد. هر گونه عدم انطباق یا نیاز به تغییر، در این لایه ردیابی می‌شود.
- لایه مدیریت پروژه (Project Management): بالاترین لایه که امکان ردیابی پیشرفت پروژه، تخصیص وظایف به کاربران خاص و مدیریت تغییرات بر اساس نتایج را فراهم می‌کند.
این لایه‌ها در هماهنگی کامل بر روی پلتفرم تجربه سه‌بعدی کار می‌کنند و یک رویکرد یکپارچه برای توسعه محصول ارائه می‌دهند.
کاربردهای Modsim در حمل و نقل هوایی شهری (UAM)
Modsim راه حل‌های قدرتمندی را برای چالش‌های مختلف در صنعت UAM ارائه می‌دهد:
- پیش‌بینی عملکرد آیرودینامیکی و پیشرانش: استفاده از حلگرهای CFD دقیق برای پیش‌بینی دقیق رفتار پروازی.
- کاهش آلودگی صوتی: شبیه‌سازی سناریوهای مختلف برای طراحی وسایل نقلیه EVTOL بی‌صداتر و یافتن منابع اصلی سر و صدا.
- طراحی وسایل نقلیه ایمن‌تر: طراحی کامپوزیت‌های مناسب، تعریف زیرسیستم‌ها و بررسی آسیب‌پذیری سازه در حوادثی مانند برخورد پرنده یا صاعقه.
- ارتقاء فناوری باتری: طراحی مواد برای پیش‌بینی رفتار باتری در شرایط اتصال کوتاه و مطالعه استحکام، سختی و دوام بسته‌های ماژول سلول باتری.
- برنامه‌ریزی زیرساخت‌های شهری: مکان‌یابی بهینه پورت‌های عمودی (ورتی‌پورت‌ها) یا آسمان‌بندها و همکاری مؤثر بین ذینفعان شهری.
سفر از طراحی مفهومی تا طراحی سازه‌ای دقیق در EVTOL
با ظهور فناوری‌های برخاست و فرود عمودی تمام الکتریکی (EVTOL)، بازار UAM به شدت رقابتی شده است. برای موفقیت در این بازار، استارتاپ‌ها و تولیدکنندگان اصلی (OEM) باید از ابزارها و روش‌های جدیدی مانند Modsim برای ساده‌سازی فرآیند توسعه خود استفاده کنند.
چالش اصلی: در فرآیند طراحی یک هواپیما، مدل‌های سازه‌ای در سطوح مختلف سیستم (از کل وسیله نقلیه تا اجزا) ساخته می‌شوند. انتقال بارهای طراحی و اطمینان از همبستگی مدل‌ها در رویکردهای سنتی بسیار دشوار بود.
راه‌حل Modsim: Modsim یک گردش کار یکپارچه را پیشنهاد می‌کند که مدل‌های سازه‌ای را در سطوح مختلف سیستم به هم متصل کرده و انتقال بار یکپارچه بین مدل‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد، در حالی که ارتباط با داده‌های طراحی پارامتریک را تضمین می‌کند.
مراحل کلیدی در طراحی سازه‌ای EVTOL با Modsim:
- مدیریت پروژه یکپارچه: ایجاد یک پروژه اصلی با استفاده از لایه مدیریت پروژه Modsim، تعریف وظایف و الزامات برای مهندسان طراحی و شبیه‌سازی.
- تعریف الزامات در سطح هواپیما: مانند حفظ وزن وسیله نقلیه در یک محدوده خاص و ارزیابی مشخصات باتری.
- طراحی مفهومی با بهینه‌سازی پارامتریک:
- استفاده از برنامه Generative KIA X برای تولید داده‌های طراحی پارامتریک.
- ترکیب اسکریپت‌نویسی گرافیکی و مدل‌سازی سه‌بعدی برای ایجاد مدل‌های پارامتری برای تمام اجزای هواپیما (دنده‌ها، ستون‌ها، تیرک‌ها و…).
- بررسی فضای طراحی برای الزامات مختلف.
- محاسبه فشارهای آیرودینامیکی: اجرای شبیه‌سازی‌های CFD برای زوایای حمله مختلف برای محاسبه ضرایب لیفت و درگ و تعیین فشارهای آیرودینامیکی بر روی سطح خارجی EVTOL.
- بهینه‌سازی بال با ترکیب بهینه‌سازی پارامتری و ناپارامتری:
- اجرای بهینه‌سازی برای دو حالت بارگذاری (مثبت و منفی) به صورت موازی.
- تغییر پارامترهایی مانند تعداد میله‌ها/دنده‌ها و پیکربندی جعبه بال.
- انجام بهینه‌سازی اندازه‌گیری (ناپارامتری) برای دستیابی به توزیع بهینه ضخامت پوسته بیرونی و تعداد سازه‌های داخلی.
- هدف: حداقل کردن وزن و در عین حال برآورده کردن الزامات مربوط به تنش‌ها در جعبه بال و محل اتصال بال به بدنه.
- انتقال بار یکپارچه و زیرمدل‌سازی:
- اتصال مدل سازه‌ای مفهومی (مدل جهانی) به مدل سازه‌ای دقیق زیرسیستم بال (زیرمدل) از طریق تکنیک زیرمدل‌سازی.
- این تکنیک امکان مطالعه بخش محلی مدل را بر اساس درونیابی حل جابجایی از مدل کلی فراهم می‌کند.
- بارهای اینرسی، فشار آیرودینامیکی و نیروهای روتور به مدل دقیق بال منتقل می‌شوند.
- تحلیل کمانش خطی و بررسی طراحی:
- انجام تحلیل کمانش خطی برای تعیین کمترین بار کمانش پوسته در بال دقیق.
- اجرای طراحی آزمایش (DOE) برای بررسی فضای طراحی با تغییر پارامترهای هندسی و ضخامت پوسته.
- هدف: حداقل کردن جرم بال با اطمینان از عدم کمانش پوسته زیر بار حد مجاز.
- نتایج نشان داد که می‌توان وزن بال را تا ۲۴ درصد کاهش داد، در حالی که الزامات کمانش برآورده می‌شود.
- اعتبارسنجی نهایی با تحلیل پس‌کمانش غیرخطی:
- انجام تحلیل کاملاً غیرخطی بر روی بهترین پیکربندی بال با استفاده از استاندارد Abaqus.
- بررسی دقیق رفتار پس از کمانش و فروپاشی سازه بال، چرا که کمانش پوسته لزوماً به معنای شکست فوری سازه نیست.
نتیجه‌گیری: آینده توسعه هواپیما با Modsim
Modsim با یکپارچه‌سازی فرآیند توسعه از طراحی مفهومی تا تحلیل سازه‌ای دقیق، تحولی در صنعت هوانوردی، به ویژه در زمینه EVTOLها، ایجاد کرده است. این رویکرد نه تنها زمان و هزینه توسعه را به شدت کاهش می‌دهد، بلکه امکان طراحی محصولات ایمن‌تر، کارآمدتر و سبک‌تر را فراهم می‌کند. توانایی Modsim در اتصال مدل‌ها، انتقال یکپارچه بارها و تضمین ارتباط با داده‌های طراحی پارامتریک، آن را به ابزاری ضروری برای رقابت در بازار پرشتاب UAM تبدیل کرده است.
اگر علاقه‌مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد کاربردهای Modsim در حمل و نقل هوایی شهری هستید، می‌توانید از صفحه روند حمل و نقل هوایی شهری داسو سیستمز دیدن کنید و یا با انجمن‌های Simulia در ارتباط باشید.
