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【第2089期】流体仿真在开放式无人机3D打印领域的应用

流体模拟在开放式无人机3D打印领域的应用

现任微软首席执行官Satya在他的书《刷新》中提到,人工智能对人类的重要性在于我们不应将人工智能视为“人为”事物,而应将其视为使用以增强人类智能的能力。 实际上,这种逻辑在很多场景中都用来产生类似的回声感,不仅人工智能用于增强人的能力,在设计中,仿真软件也起到增强人类控制复杂场景的作用,帮助人类实现一些订单“开放大脑”的创新。

在3D打印技术中,“开放式大脑”是开放的,开放式3D打印(OAM)是难以忘怀的。核心思想是打印系统的体积不受构造物体大小的限制。 “通过空间位置无限制,在保持极高的打印精度的同时,实现了3D打印直接成型的大尺寸结构.Dedi创造性地使用无人机作为打印头的载体,配备了大型建筑物的连续进给系统,空间设备,海底建筑和其他场景。

开放式3D打印可以将民用无人机与3D打印技术完美结合,采用全新设计的3D打印专用无人机作为喷嘴载体,完美解决了传统3D打印设备尺寸的局限。开放式3D打印理论上不受打印位置,高度,成型尺寸等的限制,并且具有高度的尺寸自由度和设计自由度。

开放式3D打印技术带来了打印尺寸和空间尺寸的自由度,并且还具有高设计难度和实现难度。它不仅涉及3D打印技术的难度,而且还涉及一般飞机所涉及的所有技术难题,如气动性能,结构力学性能,稳定性等。其中,空气动力学性能主要通过模拟流体力学实现。设计过程。安溪亚太《流体仿真在开放式无人机3D打印领域的应用》简要解释了本期添加剂专栏中关于某种3D打印无人机模型的流体模拟部分。

虽然我们仍然不清楚无人机3D打印的商业前景和潜力,但我们可以感受到仿真如何通过开放式3D打印的流体模拟来增强设计能力。

图片:Dedi?悄芪奕嘶?3D打印

在一般的开放式印刷中,流体模拟可以解决许多问题,主要涉及印刷工作中使用的原材料和工作环境。

在本文中,我们关注的无人机3D打印主要使用混凝土等半液体材料作为原材料。在3D打印工作中,它充满了各种挑战。例如,材料在从打印头挤出后是柔软的,并且不能立即固化。并且由于强烈的外部气流的影响,形状很容易变形。由于在螺旋桨正下方的区域中高速区域的覆盖率很高,因此有必要考虑较高的风速对模型的已打印部分施加较大的力的问题。

这些复杂的挑战依赖于人工试验和错误经验来解决昂贵且难以实现的问题,并且流体模拟起着重要作用。

模拟内容

笔者通过一定模型的管道无人机模型,模拟分析了其在开放空间飞行中的流场,分析了打印喷嘴附近的风速分布。根据当前选择的螺旋桨在不同速度下的升力范围,研究了起落架对螺旋桨升力的影响和打印头附近的风速分布。

- 将原始转子添加到现有管道设计后,不同速度下侧向力的变化;

- 以不同的速度研究无人机的螺旋桨尺寸和升力范围;

- 在一个管道中设计现有的两个转子,无论同一管道中的两个转子在运行期间是否会相互干扰。

现有的无人机模型如图1所示。它由六个转子,一个保护盖,一个臂和一个装置组成,如起落架,支架,平台和打印头。

图1:无人机模型图,来源安士亚太地区

图2:计算域的示意图,来源Anshi Asia Pacific

对开放空间中无人机流场的仿真分析需要选择足够大的空间作为流体计算域(如图2所示),以消除计算域边界存在对无人机流场的影响。考虑到UAV正在飞行,转子驱动产生的流动方向主要在上下方向。因此,选择圆柱形计算域空间,半径为10米,高度方向为45米。

图3:来自?彩垦翘厍奶寤竦腦Z横截面

图4:来自安士亚太地区的螺旋桨叶片的网格细化

在该计算中,使用四面体和棱镜层来划分网格,并且使用0.1至1mm的小尺寸来捕获诸如螺旋桨叶片的小结构附近的曲率变化和接近比率,并且在螺旋桨叶片附近使用5层棱柱层网以确保高速旋转。流场计算的准确性。

模拟结果

使用MRF方法模拟螺旋桨叶片以4000RPM的速度计算旋转。

图5:源自安士亚太区的4000RPM XZ剖面速度云图

图6:源自安士亚太区的4000RPM YZ剖面速度云图

图5和图6是此速度下XZ和YZ截面的速度云。从图中可以看出,在同一飞行状态下无人机不同部分的气流场分布是完全不同的,因为人机框架是由轴对称而不是中心对称引起的现象。

在无人机框架的作用下,转子上方的气流被集中,转子上方的气流被吸入桨叶区域。与其他无人机模型不同,没有框架限制,气流来自周围及以上。在桨叶下方的区域,这种形式的无人机的气流不会以其他非管道无人机的形式发散。

图7:无人机管道和转子干扰分析截图位置,来源安士亚太地区

件1 Y=-0.4m XZ截面速度云图,来源安士亚太地区

件1 Y=0.4m XZ截面速度云图,来源Anshi Asia Pacific

在图8中,Y=-0.4m是两个转子处于同一管道中的状态。在图9中,Y=0.4m是两个转子分别在管道中的状态。从上述两幅图的比较可以看出,桨之间的干涉主要位于桨叶下方的区域。在右图中,两个拨片之间有一个明显的低速区,而在左图中,两个拨片之间没有低速区。这是因为如果桨叶之间没有障碍物,则会有气流被吸入管道。叶片下方的气流将与流动合并,表明两个转子将在一个管道中流动。相互扰动。

由于无人机框架是轴对称的而不是中心对称的,因此产生不均匀的力分布,这在飞行期间产生侧向力,这可能导致偏航并影响飞行稳定性。根据模拟的统计结果,对于这种类型的无人机,X和Y方向的横向力在不同的速度下是不同的,这表明当旋转速度改变时横向力也改变。虽然该值很小,但对于飞行无人机,这会导致身体的不稳定并导致控制和操纵的困难。

综上所述,流体模拟的应用可以避免开放式印刷设计中不必要的资源浪费,起到简化设计思路,缩短设计周期,提高设计效率的作用。

-author -

李静

安希亚太流体咨询专家,航空航天工程,硕士学位,4年数值模拟经验,涉及高超声速,多相流,颗粒物,燃烧,传热分析等,目前涉及多种添加剂设备流体模拟分析项目,积累了大量3D打印设备流体优化的经验。

流体模拟在开放式无人机3D打印领域的应用

现任微软首席执行官Satya在他的书《刷新》中提到,人工智能对人类的重要性在于我们不应将人工智能视为“人为”事物,而应将其视为使用以增强人类智能的能力。 实际上,这种逻辑在很多场景中都用来产生类似的回声感,不仅人工智能用于增强人的能力,在设计中,仿真软件也起到增强人类控制复杂场景的作用,帮助人类实现一些订单“开放大脑”的创新。

在3D打印技术中,“开放式大脑”是开放的,开放式3D打印(OAM)是难以忘怀的。核心思想是打印系统的体积不受构造物体大小的限制。 “通过空间位置无限制,在保持极高的打印精度的同时,实现了3D打印直接成型的大尺寸结构.Dedi创造性地使用无人机作为打印头的载体,配备了大型建筑物的连续进给系统,空间设备,海底建筑和其他场景。

开放式3D打印可以将民用无人机与3D打印技术完美结合,采用全新设计的3D打印专用无人机作为喷嘴载体,完美解决了传统3D打印设备尺寸的局限。开放式3D打印理论上不受打印位置,高度,成型尺寸等的限制,并且具有高度的尺寸自由度和设计自由度。

开放式3D打印技术带来了打印尺寸和空间尺寸的自由度,并且还具有高设计难度和实现难度。它不仅涉及3D打印技术的难度,而且还涉及一般飞机所涉及的所有技术难题,如气动性能,结构力学性能,稳定性等。其中,空气动力学性能主要通过模拟流体力学实现。设计过程。安溪亚太《流体仿真在开放式无人机3D打印领域的应用》简要解释了本期添加剂专栏中关于某种3D打印无人机模型的流体模拟部分。

虽然我们仍然不清楚无人机3D打印的商业前景和潜力,但我们可以感受到仿真如何通过开放式3D打印的流体模拟来增强设计能力。

图片:Dedi智能无人机3D打印

在一般的开放式印刷中,流体模拟可以解决许多问题,主要涉及印刷工作中使用的原材料和工作环境。

在本文中,我们关注的无人机3D打印主要使用混凝土等半液体材料作为原材料。在3D打印工作中,它充满了各种挑战。例如,材料在从打印头挤出后是柔软的,并且不能立即固化。并且由于强烈的外部气流的影响,形状很容易变形。由于在螺旋桨正下方的区域中高速区域的覆盖率很高,因此有必要考虑较高的风速对模型的已打印部分施加较大的力的问题。

这些复杂的挑战依赖于人工试验和错误经验来解决昂贵且难以实现的问题,并且流体模拟起着重要作用。

模拟内容

笔者通过一定模型的管道无人机模型,模拟分析了其在开放空间飞行中的流场,分析了打印喷嘴附近的风速分布。根据当前选择的螺旋桨在不同速度下的升力范围,研究了起落架对螺旋桨升力的影响和打印头附近的风速分布。

- 将原始转子添加到现有管道设计后,不同速度下侧向力的变化;

- 以不同的速度研究无人机的螺旋桨尺寸和升力范围;

- 在一个管道中设计现有的两个转子,无论同一管道中的两个转子在运行期间是否会相互干扰。

现有的无人机模型如图1所示。它由六个转子,一个保护盖,一个臂和一个装置组成,如起落架,支架,平台和打印头。

图1:无人机模型图,来源安士亚太地区

图2:计算域的示意图,来源Anshi Asia Pacific

对开放空间中无人机流场的仿真分析需要选择足够大的空间作为流体计算域(如图2所示),以消除计算域边界存在对无人机流场的影响。考虑到UAV正在飞行,转子驱动产生的流动方向主要在上下方向。因此,选择圆柱形计算域空间,半径为10米,高度方向为45米。

图3:来自安士亚太地区的体积网格的XZ横截面

图4:来自安士亚太地区的螺旋桨叶片的网格细化

在该计算中,使用四面体和棱镜层来划分网格,并且使用0.1至1mm的小尺寸来捕获诸如螺旋桨叶片的小结构附近的曲率变化和接近比率,并且在螺旋桨叶片附近使用5层棱柱层网以确保高速旋转。流场计算的准确性。

模拟结果

使用MRF方法模拟螺旋桨叶片以4000RPM的速度计算旋转。

图5:源自安士亚太区的4000RPM XZ剖面速度云图

图6:源自安士亚太区的4000RPM YZ剖面速度云图

图5和图6是此速度下XZ和YZ截面的速度云。从图中可以看出,在同一飞行状态下无人机不同部分的气流场分布是完全不同的,因为人机框架是由轴对称而不是中心对称引起的现象。

在无人机框架的作用下,转子上方的气流被集中,转子上方的气流被吸入桨叶区域。与其他无人机模型不同,没有框架限制,气流来自周围及以上。在桨叶下方的区域,这种形式的无人机的气流不会以其他非管道无人机的形式发散。

图7:无人机管道和转子干扰分析截图位置,来源安士亚太地区

件1 Y=-0.4m XZ截面速度云图,来源安士亚太地区

件1 Y=0.4m XZ截面速度云图,来源Anshi Asia Pacific

在图8中,Y=-0.4m是两个转子处于同一管道中的状态。在图9中,Y=0.4m是两个转子分别在管道中的状态。从上述两幅图的比较可以看出,桨之间的干涉主要位于桨叶下方的区域。在右图中,两个拨片之间有一个明显的低速区,而在左图中,两个拨片之间没有低速区。这是因为如果桨叶之间没有障碍物,则会有气流被吸入管道。叶片下方的气流将与流动合并,表明两个转子将在一个管道中流动。相互扰动。

由于无人机框架是轴对称的而不是中心对称的,因此产生不均匀的力分布,这在飞行期间产生侧向力,这可能导致偏航并影响飞行稳定性。根据模拟的统计结果,对于这种类型的无人机,X和Y方向的横向力在不同的速度下是不同的,这表明当旋转速度改变时横向力也改变。虽然该值很小,但对于飞行无人机,这会导致身体的不稳定并导致控制和操纵的困难。

综上所述,流体模拟的应用可以避免开放式印刷设计中不必要的资源浪费,起到简化设计思路,缩短设计周期,提高设计效率的作用。

-author -

李静

安希亚太流体咨询专家,航空航天工程,硕士学位,4年数值模拟经验,涉及高超声速,多相流,颗粒物,燃烧,传热分析等,目前涉及多种添加剂设备流体模拟分析项目,积累了大量3D打印设备流体优化的经验。