此案例使用MSC CoSim, Cradle CFD-scFLOW, MSC Nastran進行聯合模擬，高精度分析氣流，以產生氣動聲源。另將氣動聲源資料即時傳輸到Actran，並對主旋翼進行聲學模擬。
原文出自”海克斯康工业软件“，本文轉換成正體中文且經過編輯後刊出。
日本在無人直升機的開發和使用起步較早，尤其是在農業領域。日本公司Yamaha Motor於1990年代初首次推出了旗艦R-MAX無人直升機。從那時起，Yamaha Motor不斷地在原始設計的基礎上進行改進，優化無人直升機在不同環境中的使用效能。無人直升機在設計時，需考慮的關鍵因素是飛行器將在哪裡飛行。因為飛行器在住宅區飛行都有噪音的限制。Yamaha Motor機器人事業部KentaMizuno表示：「較低的噪音有利於無人機操作員。在農業用途上，我們必須降低無人直升機產生的噪音，因為他們將飛過住宅區周圍的田野。降噪有也有助於減輕操作員的疲勞。」。
無人直升機的設計挑戰
直升機的聲音主要來源之一，是主旋翼葉片引起的流體噪音。由於無法使用隔音罩來阻止轉子的噪音傳播，Yamaha Motor不得不考慮轉子速度和葉片形狀的設計。這兩項設計項目對直升機的整體性能都有很大影響，因此任何設計變更都需要多種設計之間權衡，以找到最佳化的設計。
一般而言，工程師在確定產品的規格細節後，對產品進行聲學性能評估。這種評估非常複雜，且時間點通常發生在產品設計的後期。然而，到了產品設計後期，如果將聲學性能評估的結果，進行設計變更再納入產品規格，會產生不少問題：例如，工程師必須重新檢視，更改設計對整體設計決策的影響，非常費時費力，可能延長交貨時間。因此，Yamaha Motor希望在設計初期，就能整體考慮各方面的設計因素與產品性能。
流體-結構-聲學 聯合模擬
Yamaha Motor使用MSC CoSim聯合模擬來全面評估無人直升機「FAZER R」的性能（圖1）。
MSC CoSim提供了一個聯合模擬的介面，可將不同求解器/學科與多物理場，進行雙向耦合。使用MSC CoSim，Yamaha Motor能夠透過互動傳輸資料，在不同學科的模擬軟體之間執行多項模擬分析。MSC CoSim的優點是，使用者能夠輕鬆地在不同的軟體之間無縫切換。這使得「運動件與結構件」、「結構件與流體區域」，以及「運動件與流體區域」，這些狀況的耦合分析變得更方便快速，以真實反應物理世界中發生的實際情況。
在分析FAZER R無人機時，Yamaha使用MSC Nastran和scFLOW進行結構&流體的聯合模擬，模擬轉子產生的氣流和轉子的變形。然後，使用MSC的聲學分析軟體工具Actran，計算轉子引起的流體噪音。
MSC CoSim以多種方式確保模擬分析的準確性和穩定性。例如，MSC CoSim在原始碼層級針對MSC Nastran和scFLOW進行最佳化，提供卓越的穩定性。同時，對於MSC Nastran和scFLOW，儘管它們需要不同類型的網格，但高精度的數據映射技術使它們能夠交換位移和流體力等資料。此外，現在scFLOW的網格變形速度比早期的版本快得多，進一步提高了聯合模擬的準確性和速度。
下圖(圖2)是Yamaha Motor這項模擬案例的整體分析架構圖，在中間這欄，可以看到MSC CoSim進行流體-結構聯合模擬，再將結果輸出到聲學模擬軟體進行下一步分析。
模擬分析過程
Yamaha Motor使用以下程序做性能驗證（圖2）：
1. 使用聯合模擬，高精度分析氣流，產生氣動聲源。
- 工程師使用流體分析軟體scFLOW分析由主旋翼旋轉引起的氣流。
- 結構分析軟體MSC Nastran分析由旋轉引起的葉片彈性變形。
- 透過MSC CoSim，scFLOW和MSC Nastran交換葉片變形和氣流變化的資訊。
2. 氣動聲源資料即時傳輸到Actran，對主旋翼進行聲學模擬。
- 使用聲學模擬軟體Actran，從流固聯合模擬所獲得的資料中擷取氣動聲源。
- 在Actran中使用有限元素方法分析聲波的傳播。
Actran即時接收流、固聯合模擬中計算出的數據，同時執行聲學模擬。透過將scFLOW和MSC Nastran 的流固聯合模擬與Actran的模擬相結合，Yamaha Motor能夠避免分別在流體、結構和聲學領域重複的設計週期。再者，在單一分析過程中，就能全面分析主轉子的性能和噪聲，大幅縮短設計和開發時間。
模擬分析結果
性能驗證期間獲得的結果：
1. scFLOW 和MSC Nastran的聯合模擬
2. 使用Actran 進行聲學模擬。顯示如下：
- 聯合模擬顯示，除了壓力分佈和渦流產生外，葉片隨著主旋翼旋轉引起的氣流輕微上升和下降（圖4）。
- 在2.聲學模擬中，我們能直觀地看到聲波干涉引起的聲場指向性和聲壓值（圖5，下圖左）。也能以頻率顯示觀測點的聲壓值（圖6，下圖中）和以2D或3D影像顯示聲場指向性（圖7，下圖右）。此外，聲學模擬的結果還能以聲音播放出來，能實際聽到聲音。
聯合模擬的意義
Yamaha Motor的Mizuno先生表示：「我們預計流體和結構分析的有效聯合將有助於高性能主旋翼的開發。從設計、分析到原型機，再到最終確定設計參數，提高整個流程的效率和速度，我們能針對產業的特出需求和各別用途，對主旋翼進行客製和最佳化設計。」
針對噪音問題，我們可以考慮規劃飛行路線和設計飛行指南等具體步驟，這不僅可以對製造提出建議，還可以對新業務或服務提出建議。
Yamaha Motor透過流固聯合模擬以及Actran實現的多物理場解決方案，能夠為無人直升機開發不同的業務場景，並使用上游到下游的設計流程來解決設計問題。
原文內容: 海克斯康工业软件