طراحی نسل بعدی هوایپیماهای شهری (eVTOL): مدیریت نقص کامپوزیت با 3DEXPERIENCE و Abaqus

[موسیقی: هیجان‌انگیز و آینده‌نگر]

آینده حمل و نقل شهری در حال شکل‌گیری است و هواپیماهای برقی با قابلیت برخاست و فرود عمودی (eVTOL)، که اغلب با نام “تاکسی هوایی” شناخته می‌شوند، در خط مقدم این تحول قرار دارند. با پتانسیل کاهش چشمگیر آلایندگی‌ها و کارایی بالا، eVTOLها نویدبخش آسمانی سبزتر و شهرهایی متصل‌تر هستند. با این حال، دستیابی به این پتانسیل نیازمند غلبه بر چالش‌های مهندسی بی‌شماری است، از جمله نگرانی‌های مربوط به نویز، محدودیت‌های باتری، ایمنی و مدیریت ترافیک هوایی.

داسو سیستمز (Dassault Systèmes)، با چهار دهه تجربه در توسعه فناوری برای سیستم‌های هوافضا، به تولیدکنندگان eVTOL کمک می‌کند تا این چالش‌ها را با موفقیت پشت سر بگذارند. بسیاری از استارت‌آپ‌های پیشرو در این حوزه، پلتفرم 3DEXPERIENCE را برای طراحی، تولید و مدیریت داده‌های خود انتخاب می‌کنند. این پلتفرم، با ارائه ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته مانند Simulia Abaqus، به بازآفرینی آسمان کمک می‌کند.

در این مقاله، به بررسی عمیق یک رویکرد پیشگامانه برای مدیریت نقص در مواد کامپوزیت هواپیماهای eVTOL می‌پردازیم که نتیجه یک تلاش مشترک بین متخصصان Simulia است. این کار، که در کنفرانس هوانوردی AIAA منتشر شده، بر روی الگوی نقص کامپوزیت پارامتری تمرکز دارد که به طراحان امکان می‌دهد تا تأثیر نقص‌های ساختاری را بر عملکرد ایمنی هواپیما پیش‌بینی و مدیریت کنند.

چرا کامپوزیت‌ها برای eVTOLها ضروری هستند؟

حمل و نقل هوایی شهری بر وسایل نقلیه الکتریکی برای عملیات پاک، سبز و کارآمد متمرکز است. در این راستا، مواد سبک وزن کلید افزایش کارایی هستند. کامپوزیت‌های فیبر کربن، با ویژگی‌های برتری مانند نسبت استحکام به وزن بالا و عملکرد کلی، انتخاب ایده‌آلی برای eVTOLها محسوب می‌شوند. استفاده از کامپوزیت‌ها مزایای متعددی را به همراه دارد:

• کاهش وزن سازه: منجر به افزایش ظرفیت مسافر یا بار و افزایش برد پروازی می‌شود.
• کاهش نیاز به انرژی: عملیات پروازی بهینه و مصرف انرژی کمتر.
• بهبود ردپای کربن: به طور کلی، سازگاری بیشتر با محیط زیست.

مدیریت نقص در کامپوزیت‌ها: چالش‌ها و راه حل‌ها

با وجود مزایای فراوان، مواد کامپوزیت مستعد طیف وسیعی از عیوب هستند که می‌توانند به طور قابل توجهی استحکام و سختی باقیمانده قطعه را کاهش دهند. این عیوب می‌توانند ناشی از:

• فرآیند تولید: مانند تخلخل (حفره‌های کوچک در ماتریس) یا عیوب اتصال (عدم هم‌ترازی الیاف).
• حین سرویس: عمدتاً ناشی از ضربه (برخورد پرنده، آوار، ضربه انفجاری) که منجر به ترک، لایه‌لایه شدن (Delamination) یا شکستگی الیاف می‌شود.

برای تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان، درک و مدیریت این نقص‌ها حیاتی است. شبیه‌سازی اجزای محدود (FEA) نقش کلیدی در این فرآیند ایفا می‌کند. Abaqus، به عنوان بخشی از Simulia، انواع تکنیک‌های مدل‌سازی را برای نقص‌ها ارائه می‌دهد:

• VCCT (Virtual Crack Closure Technique): برای پیش‌بینی نرخ رشد ترک و مسیر آن.
• Cohesive Behavior: برای مدل‌سازی اتصالات بین لایه‌ها یا بخش‌های مختلف کامپوزیت.
• CZONE (Crushing Zone): برای مدل‌سازی رفتار خردشدگی کامپوزیت تحت بارگذاری فشاری یا ضربه‌ای.
• XFEM (Extended Finite Element Method): امکان مطالعه رشد ترک در امتداد هر مسیر دلخواهی را بدون نیاز به مش‌بندی مجدد مدل فراهم می‌کند.

لایه‌لایه شدن (Delamination) یکی از رایج‌ترین و بحرانی‌ترین نقص‌ها در کامپوزیت‌ها است که می‌تواند منجر به خرابی فاجعه‌بار شود. بنابراین، ارزیابی شروع و گسترش این پدیده از اهمیت بالایی برخوردار است.

تحمل آسیب و گواهینامه: استانداردهای ایمنی برای eVTOLها

تولیدکنندگان eVTOL ملزم به رعایت الزامات گواهینامه از سوی سازمان‌هایی مانند FAA (اداره هوانوردی فدرال) و EASA (آژانس ایمنی هوانوردی اروپا) هستند. استاندارد تحمل آسیب (Damage Tolerance) بر این نکته تأکید دارد که خرابی فاجعه‌بار در هواپیماها به دلیل خستگی ناشی از تولید یا آسیب تصادفی باید اجتناب شود.

تحمل آسیب (Damage Tolerance) به معنای ارزیابی توانایی سازه برای مقاومت در برابر بارها در صورت وجود نقص است. این تحلیل‌ها نه تنها به تضمین ایمنی کمک می‌کنند، بلکه از تدوین “راهنمای تعمیر سازه” (Structural Repair Manuals) نیز پشتیبانی می‌کنند، که برای عملیات فراتر از عمر طراحی هواپیما و به حداکثر رساندن سود شرکت‌ها ضروری است.

چالش‌ها در شبیه‌سازی ایمنی eVTOLها:

• مدل‌سازی مجازی آسیب در کامپوزیت‌ها: چگونگی انجام این کار به سادگی و کارآمدی.
• به اشتراک‌گذاری دانش: چگونگی انتقال دانش مدل‌سازی آسیب در داخل سازمان.
• اثربخشی شبیه‌سازی: چگونگی استفاده مؤثر از شبیه‌سازی برای ارزیابی تحمل آسیب.
• تعریف دستورالعمل‌های تعمیر: آیا شبیه‌سازی می‌تواند به تعریف این دستورالعمل‌ها کمک کند؟

الگوی نقص کامپوزیت پارامتری: راه حل نوآورانه Simulia

برای غلبه بر این چالش‌ها، Simulia یک رویکرد مبتنی بر قالب‌های مهندسی (Engineering Templates) را ارائه می‌دهد. این قالب‌ها، برنامه‌های کاربردی در پلتفرم 3DEXPERIENCE هستند که به کاربر امکان می‌دهند عملیات مدل‌سازی ذخیره‌شده را به طور مؤثر در سایر اجزای پایگاه داده (مانند محصولات یا شبیه‌سازی‌ها) اعمال کنند.

نحوه عملکرد الگوی مهندسی:

1. تعریف الگو: ابتدا، یک هندسه ساده (مثلاً یک سطح با یک نقطه مرجع) به عنوان مرجع استفاده می‌شود. عملیات مدل‌سازی نقص (مانند ایجاد یک برش دایره‌ای برای شبیه‌سازی لایه‌لایه شدن، مش‌بندی مناطق اطراف نقص، و تعریف تماس‌های چسبنده) در این الگو ذخیره می‌شوند.
2. پارامتری کردن نقص: این الگو به شما امکان می‌دهد تا پارامترهایی مانند شعاع نقص، اندازه مش، و ضخامت قطعه را تعریف کنید، که کنترل کاملی بر اندازه و محل نقص در مدل نهایی فراهم می‌کند.
3. انتشار (Publication): در پلتفرم 3DEXPERIENCE، از “نشریات” برای ایجاد روابط بین اجزا استفاده می‌شود. این امر به الگو اجازه می‌دهد تا عملیات ذخیره‌شده را به طور خودکار بر روی هندسه‌های جدیدی که دارای نام‌های انتشار مشابه هستند، اعمال کند.
4. اتوماسیون فرآیند: از آنجایی که برخی قابلیت‌ها (مانند تعاریف تماس VCCT یا تغییر خواص ماده CZONE) ممکن است نیاز به تعامل با پشت‌زمینه داشته باشند، از ابزارهای اتوماسیون فرآیند استفاده می‌شود. این ابزارها با اسکریپت‌نویسی، مدل شبیه‌سازی را از پلتفرم گرفته، اصلاحات لازم را انجام داده، آن را حل کرده و نتایج را به پلتفرم بازمی‌گردانند. این قابلیت “حل خارجی” (External Solve) نامیده می‌شود و امکان دسترسی به نتایج را به صورت همزمان با اجرای تحلیل فراهم می‌کند.

کاربرد عملی: شبیه‌سازی مقاومت در برابر تصادف eVTOL با نقص

در این مطالعه، یک نقص (لایه‌لایه شدن اولیه) در مدل کابین یک eVTOL برای شبیه‌سازی مقاومت در برابر تصادف پیاده‌سازی شد. هدف، درک تأثیر چنین نقصی بر شتاب مسافر بود.

الزامات مقاومت در برابر تصادف برای eVTOLها:

اگرچه استانداردهای گواهینامه برای eVTOLها هنوز در حال تدوین هستند، اما انتظار می‌رود که آن‌ها مشابه هواپیماهای کوچک‌تر (مانند هلیکوپترهای هوانوردی عمومی) باشند. الزامات کلی شامل:

• ایجاد یک پوسته محافظ در اطراف سرنشینان.
• نگه داشتن اقلام سنگین برای جلوگیری از خطر.
• جلوگیری از آتش‌سوزی پس از تصادف.
• امکان تخلیه ایمن سرنشینان.
• کاهش شتاب وارده به مسافر به سطح قابل تحمل برای انسان.

مدل شبیه‌سازی تصادف شامل پوسته بیرونی، سازه کف (قاب‌های جانبی و طولی، سکوی کف) و سایر سازه‌های تقویتی بود. خواص مواد کامپوزیت با استفاده از تکنیک CZONE مدل‌سازی شد تا رفتار خردشدگی جذب‌کننده انرژی در هنگام ضربه را نمایش دهد.

سناریوهای نقص و نتایج:

چهار سناریوی مختلف با تغییر محل (پوسته بیرونی، قاب‌های جانبی) و اندازه نقص لایه‌لایه شدن بررسی شدند. نتایج نشان دادند:

• تغییر شتاب مسافر: وجود نقص لایه‌لایه شدن، به ویژه با افزایش اندازه آن، ظرفیت جذب انرژی مدل را کاهش می‌دهد و منجر به افزایش قابل توجه شتاب مسافر می‌شود که می‌تواند از آستانه‌های ایمنی فراتر رود.
• کاهش جذب انرژی: نقص‌ها به طور مستقیم بر توانایی سازه در جذب انرژی ضربه از طریق رفتار خردشدگی تأثیر می‌گذارند.

مزایای کلیدی رویکرد Simulia برای طراحی eVTOL ایمن

این رویکرد مبتنی بر الگو و اتوماسیون فرآیند، مزایای متعددی را برای تولیدکنندگان eVTOL به ارمغان می‌آورد:

• قابلیت استفاده مجدد از دانش مهندسی: الگوها، دانش شرکت در مورد مدل‌سازی نقص را به صورت استاندارد ذخیره و به اشتراک می‌گذارند.
• افزایش کارایی شبیه‌سازی: تحلیل‌گران می‌توانند به جای تمرکز بر جزئیات مدل‌سازی هندسه و تعاریف تماس، بر مطالعه اثر نقص و ارزیابی سناریوهای “چه می‌شود اگر” تمرکز کنند.
• بهبود طراحی برای ایمنی: درک دقیق تأثیر نقص‌ها بر عملکرد سازه به طراحان کمک می‌کند تا طرح‌های ایمن‌تری ایجاد کنند و ریسک‌های ناشی از تصادفات را کاهش دهند.
• پشتیبانی از دستورالعمل‌های تعمیر: نتایج تحلیل تحمل آسیب به تعریف دقیق دستورالعمل‌های مربوط به راهنمای تعمیر سازه کمک می‌کند که برای فرآیند گواهینامه نوع حیاتی هستند.

آینده حمل و نقل هوایی شهری با Simulia و 3DEXPERIENCE

همانطور که حمل و نقل هوایی شهری به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود، ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته مانند آنهایی که توسط Simulia در پلتفرم 3DEXPERIENCE ارائه می‌شوند، نقش حیاتی در تضمین ایمنی، کارایی و قابلیت اطمینان این وسایل نقلیه نوآورانه ایفا خواهند کرد. با استفاده از قابلیت‌های مدل‌سازی نقص پارامتری و اتوماسیون فرآیند، مهندسان می‌توانند با چالش‌های پیچیده طراحی کامپوزیت‌ها مقابله کرده و آینده‌ای سبزتر و متصل‌تر را در آسمان رقم بزنند.

برای اطلاعات بیشتر و دسترسی به مقالات کامل در این زمینه، می‌توانید به انجمن Simulia و صفحه ترند حمل و نقل هوایی شهری در پلتفرم 3DEXPERIENCE مراجعه کنید. تیم Simulia آماده پاسخگویی به سوالات و راهنمایی شما در این مسیر هیجان‌انگیز است.