设计仿真 | 海克斯康助力eVTOL革命：多学科仿真技术引领空中交通新时代
引 言
作为未来空中交通产业的核心细分领域，eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，电动垂直起降飞行器）已成为全球最热门的赛道，吸引了包括初创公司、航空巨头、出行服务商和汽车制造商在内的数百家企业竞相布局。中国在该领域已涌现出一批具有代表性的创新企业。
出行作为人类社会生活的重要组成部分，在个人生活、经济发展和社会结构中发挥着关键作用。纵观历史，从步行、马车到蒸汽机车、汽车和飞机，每一次交通工具的革命都深刻重塑了人类出行方式与社会结构，推动着社会进步。如今，汽车虽已成为最普及的地面交通工具，但其大规模使用也带来了诸多挑战：全球各大城市普遍面临交通拥堵问题——2019年英国司机平均拥堵时长达115小时，相当于损失了69亿英镑的潜在经济价值；同时，汽车排放导致的温室效应正威胁着人类生存环境，促使各国政府和企业积极落实低碳减排承诺。
在此背景下，随着城市化进程加快和人们对高效互联的需求提升，发展城市空中交通解决方案势在必行。eVTOL凭借电动推进系统和垂直起降能力，结合近年来快速发展的电储能技术、电机技术及分布式电推进系统（DEP），展现出绿色低碳、安全高效的优势，正成为未来城市空中交通（UAM）和区域运输的理想载体。摩根士丹利预测，全球UAM市场规模将在2040年突破1万亿美元，到2050年更将增长至9万亿美元。
目前，中国eVTOL产业在政策支持、技术突破和商业化落地三个方面同步取得进展，已成为驱动低空经济发展的核心动力。这个充满前景的赛道不仅吸引了航空领域专业企业，更汇聚了跨行业创新力量，展现出多元化的发展格局。
01 eVTOL研发面临的挑战和适航认证
与eVTOL相关的挑战分为三大：商业、技术和监管（符合法规），如下图所示。商业挑战是围绕商业运营、确保可行性和社会接受度的挑战。技术挑战关注与设计和工程相关的挑战，主要是产品的性能，包括安全性、可靠性、经济性、舒适性、动力性能等。监管挑战涉及认证和标准合规性以及运营政策和空域管理。
eVTOL面临的挑战
eVTOL研发面临的挑战主要是技术挑战。细分一下，有以下6个纬度：
结构设计&轻量化：产品设计涉及零件、部件的结构性能，装配性能；先进材料的应用涉及材料的性能参数、许用值，缺陷影响，材料替换、材料生命周期管理；加工工艺包括增材制造工艺、成型工艺、焊接工艺以及热处理等，以及从材料到工艺、到部件、再到整机结构的完整性分析。
气动弹性设计：气动弹性是结构和流体的耦合，是空中飞行器设计至关重要的考核内容。
多体动力学：重点研究推进系统结构的运动及部件受力。
推进和排放：主要从CFD领域分析流场和热。
飞控和动力：涉及控制系统性能、控制策略、电子设备热管理和热机耦合等。
噪声预测：分析舱内舱外噪声，优化声学处理措施，提高舒适性和符合环保要求。
eVTOL研发面临的挑战
开发eVTOL并不像将燃油车改装成电动车那样简单，围绕安全性和适航性还有其他的挑战和严格的标准需要应对。如可靠性（充电并进行最低限度的安全检查）、故障保护和系统冗余、eVTOL有更大的电力需求，需要设计更高的功率密度以实现轻量化和性能提升、还有高速度带来的工程挑战、推力和转子负载，这两种负载均是电动汽车所没有的。冷却要求，需确保冷却系统在高空以及俯仰和回转机动操作期间的有效性。所有这些都需要在产品认证前通过全面的测试加以验证。
关于eVTOL适航认证标准，目前主要有2个：1. 美国 FAA 认证。美国联邦航空局（FAA）对eVTOL的认证主要参考其对无人机和轻型飞机的认证标准，同时结合eVTOL的特殊性制定的新规则。FAA强调飞行器的冗余设计、故障容错能力和数据链路可靠性。2. 欧洲 EASA 认证。欧洲航空安全局（EASA）制定和发布了专门针对eVTOL的认证标准，重点关注飞行器的安全性、可靠性和环保性能。未来随着eVTOL技术的普及，可能会出现全球统一的认证标准，以简化跨国运营的流程。
02 海克斯康针对eVTOL研发挑战的解决方案
海克斯康具有丰富的涉及多个学科的仿真解决方案，如结构、工艺、系统动力学、材料工程、自动驾驶、CFD、声学等。通过我们团队的合作，能够创建用于整机设计和分析一体化的解决方案。
海克斯康一体化组合解决方案
海克斯康的解决方案，涵盖了从部件到子系统、再到整机系统完整的解决方案。比如对动力系统的分析，从传动系统的设计数据，亦或加上电磁模型，建立Romax传动系统仿真模型，结合控制模拟，则可以进行转子动力学、瞬态响应、传动系统噪声预测、热分析、传动元件疲劳寿命，流体流动和空气动力学分析等。结构性能分析，由设计数据到CAD模型，建立FE分析模型，通过与多体动力学软件的联合，分析结构载荷、冲击载荷，进行结构强度的校核和优化，实现轻量化。在动力学系统和结构分析的基础上，进而进行整机分析，分析整机的空气动力学，舱内声学、航空声学、机身振动、零件疲劳等。
海克斯康对于eVTOL动力系统的解决方案，具体来说，涵盖了传动系统动力学仿真、动力元件结构分析、疲劳寿命分析、旋翼动力学仿真、噪声分析、空气动力学、冷却、润滑的热流分析，控制仿真，复合材料仿真建模和材料性能分析、材料管理等。利用海克斯康的方案和工具，可以应对eVTOL研发所面临的各种挑战，帮助你得到安全、高效、可靠、耐用、可持续、高功率和安静的动力系统的最佳设计。
海克斯康 eVTOL方案: 动力系统
海克斯康 eVTOL机身仿真方案，涵盖了从概念设计到整个生命周期的全过程。
海克斯康 eVTOL方案: 机身仿真
海克斯康 eVTOL解决方案，可以解决的具体问题如下：
1、安全性
安全性是eVTOL的首要指标，在安全性方面，海克斯康的解决方案可以解决的问题包括：
• 约束保护系统性能分析-人与货物
• 耐撞结构设计与仿真
• 破损区域，能量吸收结构优化
• 虚拟跌落测试
• 鸟撞模拟
• 坠撞后引发的火灾模拟
• 分布式推进和线控飞行系统设计
2、可靠性
eVTOL快速周转的要求，意味着在运行停留期间没有时间进行详细的检查或维护，因此车辆必须能够长期持续运行，具有高可靠性。在可靠性方面，海克斯康的解决方案可以解决的问题包括：
• 耐久性周期模拟
• 生命周期疲劳仿真
• 维修和大修时间表
• 组件更换间隔
• 先进材料发展，复合材料疲劳分析
• 电池模拟
• 数据管理
3、结构设计&轻量化
目前的旋翼飞机对于垂直起降作业来说太重了，要满足行业需求，就需要开发先进材料和使用优化技术。海克斯康的解决方案可以提供：
• 创成式设计与制造仿真
• 结构布局验证(GFEM, Pre-CAD)
• 复合材料强度分析
• 增材制造(复合材料及金属)
• 材料生命周期管理
• 智能工厂-数字线程-工业
4、声学
eVTOL需要不分昼夜地在人口稠密地区飞行，噪声污染是一个社会关注的问题，降低垂直起降飞行器的噪声水平是获得广泛接受的关键考虑因素。海克斯康的解决方案可以解决：
• 外部噪声/社区噪声
• 转子噪声的传播和抑制
• 齿轮和电机噪声
• 内部噪声/ 乘员舒适性
• 噪音传输和缓解
• 齿轮/转子噪声和振动
5、飞控系统
将强大的线控飞行系统和增强的人工智能与新颖的飞机配置相结合，是减少飞行员工作量并最终转向全自动驾驶的关键因素。海克斯康的解决方案可以解决：
• 结构方案设计
• 倾旋翼、固定翼、多旋翼
• 起落装置
• 控制机制
• 控制系统与控制策略
• 振动分析与缓解
• 性能分析
• 功率要求
• 正常飞行包络线
• 紧急情况
6、推进＆排放
为提高eVTOL的性能和环保性，海克斯康的解决方案可以帮助你：
• 确定推进装置的数量、大小和位置
• 分析和优化推进系统设计
• 电驱动
• 混合动力
• 效率高涡轮轴发动机
• 热管理
• 电池
• 排放
7、气动和气弹设计
准确预测旋翼飞行器的气动弹性和空气动力学稳定性是成功设计各类旋翼飞行器的关键。海克斯康的解决方案可以解决的问题包括：
• 转子或管道风扇
• 数量
• 尺寸
• 位置
• 机身空气动力学
• 性能
• 正常操作条件
• 紧急情况
• 气弹颤振分析
8、 加工工艺和成本
• 机加工部件
• 对于CNC加工，用户在一个高性能的CAM系统中优化和模拟整个制造过程，以预测制造一个零件或一批零件所需的加工时间和成本。
• 增材制造部件
• 在概念设计阶段，用户根据加载路径优化他们的零件，最小化所需材料的数量，并最小化使用3D打印机实际打印一个零件所需的时间。
• 用户还可以模拟实际的打印过程，从而预测热变形，减少所需的支撑结构，并确保第一次打印成功。
• 铺层复合材料部件
• 对于航空中常见的复杂的双曲面，用户需要通过碳纤维悬垂工艺确保零件的完整性。使用内置的碳纤维材料数据库或定制的内部专有材料数据库，用户可以在复合材料层板制造之前预测其成型性，以确保成功。
• 冲压钣金件
• 第一时间准确地开发零件的平面图案，包括紧固件和铆钉孔的位置，这样可以减少材料成本和开发试验的次数。从而减少或消除对昂贵的原型和工具返工的需要。
应用案例：德国Lilium公司，使用Actran软件全面分析飞行器噪声。
03 从设计到生产的全链路赋能
• 海克斯康 eVTOL解决方案为eVTOL 提供了产品设计和适航认证各级仿真工具。
• 海克斯康丰富的多学科仿真解决方案，从材料、工艺、结构、声学到系统动力学、CFD、自动驾驶等，为eVTOL产品提供了一体化的组合解决方案。
• 丰富的工程模拟软件可能会让你不知如何选择，尤其是对初创公司来说。从你想要回答的问题开始是很有帮助的，然后，我们可以帮助你在合适的领域使用合适的工具:
‐ 外载荷、颤振和动力稳定性
‐ 内部载荷，结构设计和轻量化
‐ 复合材料的强度与疲劳分析
‐ 空气动力学设计
‐ 声学和噪声预测
‐ 推进与排放
‐ 飞控机制
‐ 工艺加工和成本核算
• 海克斯康的仿真解决方案可以助力eVTOL飞行器获得FAA和EASA等一系列法规的认证。
（海克斯康工业软件）
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