仿真科普｜CAE技术赋能无人机低空经济蓄势起飞

喝一杯无人机送来的现磨热咖啡；在拥堵的早高峰打个“空中的士”上班；乘坐水陆两栖飞机来一场“陆海空”立体式观光……曾经只出现在科幻片里的5D城市魔幻场景，正逐渐走进现实。而推动上述场景实现的，就是近年来越来越热的“低空经济”。

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不久前召开的中央经济工作会议提出，“打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业”。“低空经济”再度成为大家热议的话题。

2024年1月1日，《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正式施行，2024年或将成为低空经济发展元年。据中国民用航空局发布的数据显示，到2025年，中国低空经济的市场规模预计将达到1.5万亿元，到2035年有望达到3.5万亿元。

什么是低空经济？

低空经济是指以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为主，以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。

图片来源：国家低空经济融合创新研究中心、前瞻产业研究院、国联证券研究所

“在低空经济中，无人机是乘势而起的新引擎。无人机3.0时代是低空经济以科技创新推动产业创新的制胜之匙。目前，无人机以‘集群组网’和‘智能化’为特征，正成为‘会飞的电脑’。”[1]

与此同时，无人机技术已经渗透到我们生活的方方面面，从航拍摄影到农业种植，从环境监测到军事侦察，无人机的身影无处不在。在无人机的设计与制造环节，计算机辅助工程（CAE）技术具有至关重要的作用。借助CAE技术，无人机设计阶段可实现对传统试验与测试的替代，进而以更高效的方式完成设计任务。通过数值模拟与仿真，CAE技术为无人机设计提供了有力支持。

无人机设计制造中的CAE技术应用

01 结构分析与优化

无人机在设计过程中，需要对机体结构进行严格的力学分析，以确保其在各种飞行条件下都能保持稳定。CAE技术可以通过有限元分析、有限差分等方法，对无人机的机体结构进行静力学、动力学分析，预测机体在不同载荷、不同飞行姿态下的应力、应变状态。

图片来源：学术论文[2]

02 热设计与分析

无人机在高速飞行过程中，机体会产生大量热量。若无法有效释放，将会对无人机的性能产生严重影响。CAE技术可以对无人机的热设计进行深入分析，预测机体内部的温度分布，评估散热效果。通过热分析，工程师可以优化无人机的散热系统，提高机体的热稳定性。

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03 飞行动力学模拟仿真

无人机的飞行性能与其动力学特性密切相关。CAE技术可以通过飞行动力学模拟，预测无人机在不同飞行条件下的运动轨迹、稳定性、操控性等，从而在设计阶段对无人机的飞行性能进行优化，进一步提升无人机的飞行稳定性和安全性。

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04 全方位电池性能仿真

对于用户来说，如何保障足够的续航能力，电池的设计至关重要。使用Star CCM+ 等仿真软件可以实现完整系统电池建模（电池单体到电池组级别）。[3]

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05 产品测试与验证

无人机在制造完成后，需要进行严格的测试和验证，以确保其性能满足设计要求。CAE技术可以通过仿真模拟无人机在实际飞行中的各种场景。例如，通过声学仿真技术，降低飞行噪音对公众的影响，使人们在享受无人机带来的便捷之际，也能享有宁静舒适的休闲时光。

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以上仅从设计制造的角度来描述无人机开发中涉及的CAE技术，也仅描述目前做得比较成熟的领域，除了这五大领域，也有一些前沿的CAE技术探索，比如多学科联合仿真、系统仿真、多场耦合等。

神工坊在无人机领域的应用案例

01 复杂仿真应用定制

某无人机制造商拟定制一款仿真软件，神工坊依托自主研发的仿真定制框架和高性能计算技术，针对用户在复杂产品设计、复杂环境评估等场景下的特定仿真需求，打造出一款高度易用、高效求解、精确可靠的无人机仿真App。该软件为用户提供了完整的几何清理功能，通过自研的网格模块，根据无人机真实工况生成自适应网格，进而利用LBM求解器进行计算，实现了对旋翼机体的数值仿真。这款软件易于操作，界面设计简洁直观，产品经理也可轻松上手。