飞机设计（第 2 部分）：扩大视野

发表于：2020 年 12 月 25 日，| By WayKen 快速制造

现代工程决策者认为在这个阶段使用过多的计算能力是无用的，并且会浪费时间。采用涉及近似的技术效率更高，并有助于减少执行参数化建模所需的时间。这些技术包括降阶建模，它降低了系统的数学复杂性，同时确保控制偏微分方程的物理特性保持不变。

进行初始分析后，迭代过程开始发挥作用，结果表明优化设计的变化。这个过程是概念和初步设计阶段之间的联系。查看更多细节工业设计原型。

让我们看一下著名的Howe Project Synthesis Process模型的概括形式。

• 它被认为是可行性研究的延伸，但涉及更多细节和复杂性。
• 此过程的第一阶段是选择一个或多个配置。
• 第二阶段称为飞行制度和动力装置选择。在这个阶段，对于一组给定的运行条件，即马赫数等，要选择的动力装置类型是入围的，即涡轮螺旋桨发动机、活塞螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机、低旁通涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、冲压发动机等。
• 下一阶段是关于机身布局的选择。有效载荷的细节通常是这个阶段背后的驱动因素。这为首次预测飞机质量提供了一个很好的起点。
• 接下来是机翼配置。对于涉及大量参数的空气动力学实验室来说，这是一个复杂的过程。这是初步设计过程中的一个基本阶段。它导致对升力、阻力和飞机质量的初始估计，并且还有助于在进行连续分析后实现机翼载荷估计计算。机翼载荷估计是基于根据各种飞行条件的经验数据调整的理论方程进行的。它还有助于粗略估计推重比。
• 最后，参数分析阶段开始发挥作用。第一阶段结合机翼和机身尺寸，为每个飞行阶段生成一组结果。这导致了设计空间的形成。为参数分析的第二阶段选择合适的机翼载荷和推重比。
• 参数分析的第二阶段结合选定的数据集来计算飞机的总质量。提供最佳质量值的集合用于创建裁判设计，然后用于深入分析和评估。
• 对裁判设计进行评估，进而提供：
  • 控制面的估计尺寸
  • 帮助完成起落架布局
  • 更好地估计升力、阻力和质量值
  • 根据调整后的输入数据和复杂的估计方法对性能特征的计算进行了修订
  • 重复过程直到满足质量收敛标准
• 在此设计阶段结束时，会进行敏感性设计研究，以使用图形或数学技术确定关键设计区域。此外，其他活动也在同时进行，包括液压、电动、灭火、防冰和气动系统的设计。

下一阶段，即详细设计阶段是奇迹发生的地方，即完全定义设计，从原型制造商处订购用于测试的比例模型，然后根据实际拓扑设计基于装配设计和制造设计的最终图纸、几何形状、尺寸、公差和材料规格。现在让我们在下一节中更详细地讨论这个问题。

详细设计

此阶段的重点主要是对早期阶段中概述的设计程序进行验证。这是整个设计过程中最广泛的阶段。它侧重于每个部件的最终设计、原型设计和测试。根据从初步设计阶段获得的数据，该阶段涉及使用计算机辅助设计和计算机辅助制造包来支持设计活动。

需要考虑三个因素：性能、制造成本、所需时间和运营效率。为了获得全面的结果，涉及两种类型的测试程序，即地面测试和飞行测试。让我们更详细地了解这两种类型的细节。

• 地面测试： 它涉及风洞测试，以验证 CFD 包的结果、结构测试、航空电子设备评估和系统检查。这是原型设计节省一天的阶段。为初始测试制作缩放零件原型是节省成本和宝贵时间的关键。一个好的原型设计服务提供商将使用适当的专业知识根据您最终所需的材料规格来制作结构。该原型可用于分析强度、刚度、颤振、弹性稳定性和其他系统参数。静态载荷、动态载荷、振动模态分析和颤振分析是要执行的一些关键测试。对于按比例缩放的飞机零件，立体光刻 3D 打印可提供所需的精度，以便在概述的设计和实验结果之间进行综合评估。
• 飞行中测试： 认证机构的参与，以验证实际飞机的性能和飞行特性。这些机构被称为适航当局。他们根据联邦航空条例适航标准中概述的预设设计和安全要求评估飞机的设计。下表全面概述了所有适航标准及其各自的用途。

这些标准中最值得注意的包括 FAR 第 23 部分，它适用于最大起飞重量 (MTOW) 小于 12,500 磅且载客量为 9 或更少的普通、通用和杂技飞机。它还规定了 MTOW 不超过 19,000 磅、载客量为 19 或更少的通勤飞机的标准。

对于空中客车 A320 或波音 737 等商业运输类飞机，FAR 第 25 部分规定了所需的标准。第 25 部分包括各种子部分，即 A、B、C、D、E 和 F，它们都是商用运输机的各种系统和子系统的所有规定标准。

同样，对于旋翼机（通常称为直升机），FAR 第 27 部分和第 29 部分分别规定了正常和运输类别的标准。在获得适航认证后，设计周期实际上以该阶段产生的 95% 的生命周期成本结束。然后是大规模制造阶段。

结束飞机的设计过程

这种对飞机设计周期的深入审查可能看起来非常复杂。然而，通过循序渐进的方法、基于批判性思维的成熟决策和明智的决策，飞机的设计周期是可以实现的壮举。在成本和时间都很高的现代时代，原型的使用在需要的时间和地点至关重要，因为飞机设计的成功完全取决于对设计理念的全面验证。但是，在航空领域为正确的原型制造商提供服务非常重要，因为原型的准确性非常重要。在设计周期的任何阶段采取的任何捷径都被证明是具有破坏性的，例如最近的波音 737 Max。