喝一杯無人機送來的現磨熱咖啡；在擁堵的早高峰打個“空中的士”上班；乘坐水陸兩棲飛機來一場“陸海空”立體式觀光……曾經只出現在科幻片里的5D城市魔幻場景，正逐漸走進現實。而推動上述場景實現的，就是近年來越來越熱的“低空經濟”。
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不久前召開的中央經濟工作會議提出，“打造生物制造、商業航天、低空經濟等若干戰略性新興產業”。“低空經濟”再度成為大家熱議的話題。
2024年1月1日，《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》正式施行，2024年或將成為低空經濟發展元年。據中國民用航空局發布的數據顯示，到2025年，中國低空經濟的市場規模預計將達到1.5萬億元，到2035年有望達到3.5萬億元。
什么是低空經濟？
低空經濟是指以民用有人駕駛和無人駕駛航空器為主，以載人、載貨及其他作業等多場景低空飛行活動為牽引，輻射帶動相關領域融合發展的綜合性經濟形態。
圖片來源：國家低空經濟融合創新研究中心、前瞻產業研究院、國聯證券研究所
“在低空經濟中，無人機是乘勢而起的新引擎。無人機3.0時代是低空經濟以科技創新推動產業創新的制勝之匙。目前，無人機以‘集群組網’和‘智能化’為特征，正成為‘會飛的電腦’。”[1]
與此同時，無人機技術已經滲透到我們生活的方方面面，從航拍攝影到農業種植，從環境監測到軍事偵察，無人機的身影無處不在。在無人機的設計與制造環節，計算機輔助工程（CAE）技術具有至關重要的作用。借助CAE技術，無人機設計階段可實現對傳統試驗與測試的替代，進而以更高效的方式完成設計任務。通過數值模擬與仿真，CAE技術為無人機設計提供了有力支持。
無人機設計制造中的CAE技術應用
01?結構分析與優化
無人機在設計過程中，需要對機體結構進行嚴格的力學分析，以確保其在各種飛行條件下都能保持穩定。CAE技術可以通過有限元分析、有限差分等方法，對無人機的機體結構進行靜力學、動力學分析，預測機體在不同載荷、不同飛行姿態下的應力、應變狀態。
圖片來源：學術論文[2]
02?熱設計與分析
無人機在高速飛行過程中，機體會產生大量熱量。若無法有效釋放，將會對無人機的性能產生嚴重影響。CAE技術可以對無人機的熱設計進行深入分析，預測機體內部的溫度分布，評估散熱效果。通過熱分析，工程師可以優化無人機的散熱系統，提高機體的熱穩定性。
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03?飛行動力學模擬仿真
無人機的飛行性能與其動力學特性密切相關。CAE技術可以通過飛行動力學模擬，預測無人機在不同飛行條件下的運動軌跡、穩定性、操控性等，從而在設計階段對無人機的飛行性能進行優化，進一步提升無人機的飛行穩定性和安全性。
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04?全方位電池性能仿真
對于用戶來說，如何保障足夠的續航能力，電池的設計至關重要。使用Star CCM+ 等仿真軟件可以實現完整系統電池建模（電池單體到電池組級別）。[3]
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05?產品測試與驗證
無人機在制造完成后，需要進行嚴格的測試和驗證，以確保其性能滿足設計要求。CAE技術可以通過仿真模擬無人機在實際飛行中的各種場景。例如，通過聲學仿真技術，降低飛行噪音對公眾的影響，使人們在享受無人機帶來的便捷之際，也能享有寧靜舒適的休閑時光。
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以上僅從設計制造的角度來描述無人機開發中涉及的CAE技術，也僅描述目前做得比較成熟的領域，除了這五大領域，也有一些前沿的CAE技術探索，比如多學科聯合仿真、系統仿真、多場耦合等。
神工坊在無人機領域的應用案例
01?復雜仿真應用定制
某無人機制造商擬定制一款仿真軟件，神工坊依托自主研發的仿真定制框架和高性能計算技術，針對用戶在復雜產品設計、復雜環境評估等場景下的特定仿真需求，打造出一款高度易用、高效求解、精確可靠的無人機仿真App。該軟件為用戶提供了完整的幾何清理功能，通過自研的網格模塊，根據無人機真實工況生成自適應網格，進而利用LBM求解器進行計算，實現了對旋翼機體的數值仿真。這款軟件易于操作，界面設計簡潔直觀，產品經理也可輕松上手。
02?高性能仿真云服務
與此同時，神工坊精心推出一站式高性能工業仿真平臺，用戶通過web端即可享受“PC式高性能體驗”，使用超算硬件資源和海量軟件資源開展無人機設計仿真工作，高效快速地進行產品創新和技術研究。在云端實現前處理-求解-后處理全流程作業，以及企業組織管理和研發協同。
總結
CAE技術在無人機領域的應用，為無人機的設計與制造提供了強大的支持，同時也為低空經濟的發展添磚加瓦。隨著無人機技術的不斷突破和我國政策扶持，神工坊將助力無人機產業繼續保持高速發展態勢，為我國經濟社會發展注入新動力。
參考資料
[1] 無人機的藍海 低空經濟的未來,中國民航報,2024
[2] 基于ABAQUS對某型無人機機翼的有限元分析及局部結構設計[D]. 韓洪黎.國防科學技術大學,2011?
[3] Simcenter無人機仿真解決方案.王慶國.數字化工業軟件技術期刊,2021
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