飞机设计（第 1 部分）：拓展视野

在全球最难的工程专业中，航空航天工程可以说是名列前茅。阅读本文的任何工程师都可能熟悉任何产品设计中涉及的通常设计周期，但正是航空领域所需的复杂程度使其如此具有挑战性。

现代飞机设计面临着严峻的运营、环境和财务挑战。在如何设计复杂系统以及如何避免设计缺陷（例如最新的波音 737 Max）方面，人们注意到了巨大的范式转变。在本文中，我们将讨论现代飞机设计周期的流程以及使用原型制造商的服务进行规模测试可以节省时间的实例。

在这里探索更多工业设计原型的细节。

现代飞机的设计周期

每个阅读本文的设计师都可能熟悉三个基本设计阶段，即概念设计、初步设计和详细设计。然而，市场参与者之间的激烈竞争以及客户的高期望意味着公司必须在设计阶段进行显着创新以满足不同的标准。让我们借助下图来讨论基于生命周期成本的飞机设计周期。

如您所见，制造阶段之前的前三个阶段占总成本的 95%。在最初的三个阶段中，最重要的是第一阶段，即规划和概念设计。因此，让我们详细关注第一阶段，然后是其他两个阶段。

规划和概念设计

第一步以可行性研究为标志，该研究确定现有技术是否可以满足要求。此外，可行性研究还有助于优化项目的路径，即完全重新设计，这意味着最高风险和成本或现有设计的采用/修改。在此之后，概念设计阶段开始。 Anyaircraft 设计师非常了解 Raymer 和 Roskam 模型，正如他们概述的那样，概念设计阶段涉及回答以下基本问题：

• 它会起作用吗？
• 它是什么样子的？
• 有什么要求？
• 如何优化权衡？
• 如何优化重量和成本？

概念设计阶段的最终目标是确定和准备一个可行和优化的设计概念，以供进一步细化。因此，这个阶段涉及制作、研究和检查各种设计概念，所有这些都对实验结果的了解最少，并且有关设计实用性的数据有限。本段下方的图表描述了与高级阶段相比，概念阶段的不确定性范围更大。除此之外，在此阶段产生的高达 65% 的生命周期成本意味着后期对基本设计的任何更改都意味着总收入的减少和期限的延长。

概念设计阶段通常面临的困境是设计程序的开始没有明确概述要满足的一组要求。概述市场需求并让客户明确表达他们的期望非常重要。在后期细化需求会导致一种不经济且低效的方法，并且这样的设计周期对所产生的生命周期成本具有严重影响。就飞机设计而言，客户提出的要求和期望往往相互冲突。基于飞机各个部件的多样化和复杂的飞机系统，例如机翼、发动机、机身、起落架、尾翼和鸭翼意味着多重挑战。

处理这个问题本身就是一门艺术，这就是为什么使用多属性决策 (MADM) 等技术来促进此类决策的原因。在这些技术的帮助下，隐含的考虑开始发挥作用，决策从单点确定性方法转变为动态和参数化方法。此外，多学科分析和设计优化等技术对于在这样的环境中满足复杂的约束集至关重要。下图概述了这种技术，描述了各个航空专业之间的相互作用。

关于前面概述的概念设计阶段的不确定性，已建立的方法基于概率理论和设计方法。这些方法涉及对每个设计约束使用概率密度函数 (PDF) 和累积分布函数 (CDF)。然后将多个设计约束的数据集中绘制和分析。这些累积数据使设计人员可以清楚地了解设计区域以及他或她是否需要放松任何约束或引入任何技术以整体改善设计周期。

简而言之，设计者在考虑输入因素的可变性的同时创建输入和输出变量之间的关系。

初步设计

这一阶段对于确定第一阶段最终确定的概念的各种设计因素至关重要。这需要对飞机的各种系统和子系统之间的跨学科相互作用进行深入研究和分析。例如，气动弹性的概念是结构力学和空气动力学的结合。

在当今的现代工程时代，初步设计阶段还包括可靠性、可维护性、稳定性以及控制、安全性和经济性等考虑因素。现在我们将更详细地讨论这个设计阶段存在的挑战以及应对它们的最佳方式。

复杂、复杂和准确的建模需要使用高级数值算法，例如计算流体动力学和有限元分析。然而，极高的计算成本对设计人员来说意味着另一个挑战。下图形象地描述了选择高保真工具与使用简单模拟所涉及的权衡。

转向复杂和高保真工具不仅意味着更高的计算成本，而且还面临处理多个变量（通常多达数百个）及其相互依赖性的挑战。因此，大量时间用于识别和映射模拟环境。 （故事没有结束！！！）

如果您仍然对内容感兴趣，请阅读飞机设计（第 2 部分）：扩展视野。谢谢。