先进飞机设计（下）：高效建模拓展航空视野

发布于：2020年12月25日 | 作者：WayKen快速制造

现代工程决策者认为此阶段使用过多计算能力无用且耗时。采用近似技术效率高得多，有助于减少参数建模执行所需时间。此类技术包括降阶建模，在保持支配偏微分方程物理特性完整的同时降低系统数学复杂度。

初始分析后，迭代程序介入，结果指导设计变更以优化。此程序连接概念设计和初步设计阶段。详见工业设计原型制作。

以下简述著名Howe模型的项目综合过程：

• 视为可行性研究延伸，但涉及更多细节和复杂性。
• 第一阶段：选择一种或多种构型。
• 第二阶段：飞行制度与动力装置选择。给定马赫数等运行条件，筛选动力装置类型：涡桨、活塞螺旋桨、涡扇、低涵道比涡扇、涡喷、冲压喷气等。
• 下一阶段：机身布局选择。载荷细节常为驱动因素。为飞机质量首次预测提供良好起点。
• 机翼构型选择。涉及大量参数的空气动力学实验室复杂程序。初步设计过程基础阶段。引出升力、阻力、飞机质量初步估算，连续分析后助翼载估算计算。翼载估算基于按各种飞行条件经验数据调整的理论方程。也助推重比粗略估算。
• 最后，参数分析阶段。第一阶段结合机翼机身尺寸产生各飞行阶段结果集，形成设计空间。为第二阶段参数分析选择合适翼载和推重比集合。
• 第二阶段参数分析结合选定数据计算整机质量。提供最优质量值的集合用于创建参考设计，供深入分析评估。
• 参考设计评估提供：
  • 操纵面尺寸估算
  • 协助完成起落架布局
  • 升力、阻力、质量值更好估算
  • 基于调整输入数据和复杂估算方法的性能特征修正计算
  • 重复程序直至满足质量收敛标准
• 此设计阶段结束时，进行灵敏度设计研究，用图形或数学技术识别关键设计区域。同时进行其他活动，包括液压、电气、灭火、防冰、气动系统设计。

下一阶段即详细设计阶段，奇迹发生之处：设计完全定义，从原型制造商订购缩比测试模型，然后基于装配设计和制造设计绘制最终图纸，包含实际拓扑、几何、尺寸、公差、材料规范。下节详细讨论。

详细设计

此阶段重点在于验证早期阶段概述的设计程序。是整个设计过程中最广泛阶段。聚焦每个零件最终设计、原型制作、测试。基于初步设计阶段获取数据，此阶段涉及使用CAD和CAM软件包支持设计活动。

考虑四因素：性能、制造成本、所需时间、运营效率。为获全面结果，涉及两类测试：地面测试和飞行测试。详细看两者细节。

• 地面测试： 包括风洞测试验证CFD包结果、结构测试、航电评估、系统检查。此阶段原型大显身手。制作缩比零件进行初步测试是节省成本和宝贵时间的关键。优质原型服务商将用适当专业知识按您端材料规格制造结构。原型可分析强度、刚度、颤振、弹性稳定性等系统参数。静载荷、动载荷、振动模态分析、颤振分析是关键测试。缩比飞机零件用立体光刻3D打印提供所需精度，用于大纲设计与实验结果综合评估。
• 飞行测试： 认证机构介入验证实际飞机性能和飞行特征。这些机构称适航当局。按联邦航空条例适航标准中规定的预设设计和安全要求评估飞机设计。下表全面列出所有适航标准及用途。

最值得关注标准包括FAR Part 23，适用最大起飞重量（MTOW）12,500磅以下、乘客容量9人以下的正常、实用、特技飞机。也规定MTOW不超19,000磅、乘客19人以下通勤飞机标准。

像空客A320或波音737这类商用运输类飞机，FAR Part 25规定所需标准。Part 25包含A、B、C、D、E、F各子部分，规定商用运输飞机各系统子系统标准。
同样，旋翼机（直升机）FAR Part 27和29分别规定正常和运输类标准。获得适航认证后，设计周期实际结束，此时已发生生命周期成本95%。随后进入大规模制造阶段。

飞机设计流程总结

这篇飞机设计周期深度回顾看似复杂。但循序渐进、基于批判性思维的成熟决策、明智决策，使飞机设计周期成为可实现壮举。现代高成本高时间赌注下，在需要时何处使用原型至关重要，因飞机设计成功完全依赖设计想法的全面验证。但渲染航空领域正确原型制造商服务真的很重要，因原型精度至关重要。设计周期任何阶段走捷径日后证明是毁灭性的，如最近波音737 Max案例。