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如何驗證飛行器設計概念?以LS-DYNA完成飛行控制模擬
我們在2019/6/19的LS-DYNA ICFD使用者小聚中,發佈了一個【飛行控制模擬】的分析結果,這個結果相信也應該是走在世界及台灣很前面的位置。
一般傳統的飛行器流體分析,是將飛行器位置固定,然後得到相關的昇力/流阻系數或數值,再將其力量輸入到其他運動分析的軟體,用來了解飛行器運動的狀態。在這樣的過程當中,一個分析者需要使用兩套系統,才能達成分析的目的。

LS-DYNA一次解決了這個問題

現在有了LS-DYNA,使用者可以在一個系統內完成以往所需要之所有分析需求。 以下面這個動畫為例,這是一個飛翼的飛行器,我們是利用副翼來控制著飛行型態。例如要向左轉的時候,右方的副翼會向上舉升、左方的副翼向下,利用昇力的差異來達成為飛翼轉彎和滾轉的目的。
可以仔細地看一下在我們這次的模擬飛行當中,強制把副翼做一個運動,流場經過了這個被抬昇的副翼之後,因為左右翼昇力的差異,所以導致飛翼可以向左偏轉,就是實際飛行的一個狀態。
在這個分析當中,除了可以得到昇力或是阻力的數值,還可以得到滾轉的速率。 我們在這裡需要強調一下,這樣的結果是在【同一次】的分析就能一次達成!而不是透過兩個軟體或是兩個計算。這樣的方式可以大大地增加分析上面的效率。

為什麼其他的軟體很難做到這樣的分析結果呢?

第一,因為在副翼變動的過程當中,流場的網格會不斷的變動,所以一般的分析軟體它在計算核心並沒有網格的產生功能,像這樣稱之為「動網格」的功能,在一般的分析軟體是沒有提供的。
第二,像這樣結構的變動而導致流場的變動,且流場的變動又造成了結構的運動狀況改變和應力應變上面的變動; 這樣的功能稱之為流固耦合。ls-dyna提供了強耦合跟弱耦合兩種技術,不論您是在剛性體或是撓性體,它都可以計算交互作用的結果。
第三,在傳統的有限元素分析軟體當中,要計算類似連桿的運動狀態分析,是有很大的困難;特別是在隱式解(Implicit)的過程當中要得到收斂狀況也是一項挑戰,但LS-DYNA具備了在隱式解動態求解能力分析。
在這樣的分析當中我們可以得到很多很有效的數據,
舉例如下:
• 飛行型態研究
• 飛行控制/飛行模擬器輸入參數/飛行傳動系統及設計需求
• 翼形型態特性研究
• 飛行特性分析
• 升力/阻力/側力/飛行負載/掛載研究
• 俯仰力矩/滾轉力矩/偏航力矩/(L/D參數研究)
雖然這是一個簡單的物理現象,卻含藏了很多非常複雜的計算理論,特別是要在一個
求解核心之內能夠完成所有的運算,這是一件非常不容易的事情。
但是LS-DYNA做到了,我們也完成了!