第一讲-飞机总体设计

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教材及部分参考书目
❖ 顾诵芬, 解思适. 飞机总体设计. 北京航空航天大学出版社，2001.
Design. 1987. 8
第一讲：绪论
➢ 1.1 什么是飞机设计？ ➢ 1.2 什么是飞机总体设计？ ➢ 1.3 总体设计的重要性 ➢ 1.4 总体设计的特点 ➢ 1.5 现代设计技术简介 ➢ 1.6 设计中的团队协作
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1.1 什么是飞机设计？
❖所谓设计，便是创制某一产品之前的构思 和体现这一构思结果的过程
1.5 现代设计技术简介
❖飞机设计过程的演化
现代（1990年 之 后 ）
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“定制” （Defineproduce）
外购 支持
· “用户介入” · 大量的律师
用户
工程设计与制造 · 大规模（但更精益）的组织 · 集成化产品团队（IPTs）
· 达到“价值链”的最高点 · 不再有纸制图纸 · 不再有垫片 · “扁平的组织”
•推动力： •外界政治经济环境的变化 •CAD／CAE／CAM、CIMS等技术的迅速发展
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1.5 现代设计技术简介
数字样机
计算流体力学 （CFD）
虚拟风洞实验 34
1.5 现代设计技术简介
❖计算机辅助飞机概念设计软件
▪ 使得设计者可以迅速地提出一个新颖的设计方案， 并且不断地修改方案和进行权衡研究（trade studies）
▪ 任务：利用飞机设计手册、飞机年鉴等资料， 选定一个主题，收集各种飞机的相关文献和数 据，进行分类整理和深入分析，总结规律，完 成翻译*、演示文稿和分析报告
▪ 人员：每班1个信息小组，除设计小组外的人员 均应参加，每组不超过8人
*每位组员应翻译一份1500字左右的所用英文资料（节选）
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课程安排与评分方式
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1.1 什么是飞机设计？
❖飞机研制过程 —五个阶段的划分方式
▪ 论证阶段 —研究设计新飞机的可行性
▪ 方案阶段 —设计出可行的飞机总体技术方案
▪ 工程研制阶段 —进行详细设计，提供图纸试制原型机
▪ 设计定型阶段 —进行定型试飞
▪ 生产定型阶段 －少量改进，小批量生产
12
1.2 什么是飞机总体设计？
概念设计
1％
初步设计
9％
详细设计
90％
26
1.3 总体设计的重要性
（决定的费用）
（消耗的费用）
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1.4 总体设计的特点
❖科学性与创造性
▪ 应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力 学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、 隐身技术）的成果
▪ 总体设计没有“标准答案”
美国JSF竞争
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1.4 总体设计的特点
Techniques for Transport Aircraft Design. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2002
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1.5 现代设计技术简介
❖ 几种典型的软件
• 系统的台架试验 • 部分主要承力件的静动强度试验 • .....
▪ 准备原型机的生产
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—原型机试制
零件进行数控机械加工
机身侧壁铆接装配
机翼壁板进行铆接
机头设备安装 21
1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—原型机试制
机身段进行铆接
飞机进行总装配
❖反复循环迭代的过程
设计要求
参数选择与 权衡研究
技术可用性 概念草图
设计要求
设计分析
设计方案
“Design Wheel”
初次估计 的参数选择
新概念构思
设计要求权衡
初始设计
修正设计
初始分析 －气动 －重量 －推进
分析 －气动 －重量 －推进 －操稳性 －结构 －费用 －子系统
－…
参数选择与 性能优化
细化的参数选择与 性能优化
飞机在试飞车间
来源：The catalogue of MBB "Economy and Efficiency all the way", Print in West Germany bu MBB, 5.85/1493 22
1.2 什么是飞机总体设计？
❖飞机总体设计＝概念设计＋初步设计
设计要求
概念设计
长期从事飞机总体设计的教学与科研， 制作了内容丰富的网络多媒体课件
飞行器设计专业博士，专长于飞行器隐身设计技术
飞行器设计专业博士，多年的计算机辅助飞机总体 设计软件研发经验，AIAA Member
1
课程安排与评分方式
❖课程安排
▪ 课堂讲授 ▪ 专题讲座 ▪ 课程项目
—设计小组／信息小组 ▪ 课堂展示 ▪ 课后作业 ▪ 上机练习
▪ 概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！
前梁的位置
翼盒 机翼油箱 前缘襟翼
▪ 设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费
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1.3 总体设计的重要性
❖总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作 出大量的关键决策
❖投入的人员和花费相对较少，但却决定了一 架飞机大约80%的全寿命周期成本
设计阶段
பைடு நூலகம்
人员比例
❖ Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 3rd, 1999.
（89年版的中译本：《现代飞机设计》,1992） ❖ Roskam, J. Airplane Design. 1985. ❖ Fielding, J. P. Introduction to Aircraft Design. London :
概念设计流程
初步设计
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1.4 总体设计的特点
❖高度的综合性 —综合考虑设计要求的各个方面，进行不同 学科专业间的权衡与协调
从孤立专业的角度设计出的飞机
重量 重量工程师的梦想
－航模飞机？ 气动力
把机身、发动机、起落架这样 降低气动效率的部件统统去掉！
动力装置 飞机？
“会飞的发动机”？！
布鲁恩＆米勒 30
调整试飞 定型试飞
否 决策
是
战术技术要求 及概念性方案
否 决策
是
否 决策
是
否 决策
是
全尺寸样机 研制任务书
原型机
定型试飞 报告
“路漫漫其修远兮......”
生产定型 阶段
建立生产线 稳定工艺 批生产飞机 试飞鉴定
否 决策
是 批生产飞机
交付部队
进一步 改进
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖飞机设计的范围 —主要涉及论证、方案和工程研制阶段
❖评分方式
▪ 总分 ＝ 平时成绩＋期末笔试
100％ ＝ 50％ ＋ 50％
＊设计小组
• 平时成绩 ＝ 课程项目 50％ ＝ 50％
＊信息小组
• 平时成绩 ＝ 作业 ＋ 课程项目 50％ ＝ 15％＋ 35％
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获取课件
❖北航《飞机总体设计》精品课网站
/2007jpk/bjsjpk/fjztsj/index.htm 6
详细设计 （Detail Design）
制造 15
1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—设计要求论证与研究
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—概念设计
▪ 飞机的布局与构型 ▪ 主要参数 ▪ 发动机、装载的布置 ▪ 三面图 ▪ 初步估算性能 ▪ 方案评估 ▪ 参数选择与权衡研究 ▪ 方案优化
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课程安排与评分方式
❖设计小组—飞机概念方案设计
▪ 任务：根据所给题目，选择某一类型的飞机进 行概念设计，每组应完成至少2个方案的布局设 计与初步布置以进行对比，完成其中至少1个方 案的性能估算，完成演示文稿和设计报告
▪ 人员：每班2个设计小组，每组10人左右
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课程安排与评分方式
❖信息小组 —飞机总体设计数据资料收集与分析
❖工程设计是指设计人员应用自然规律，通 过分析、综合和创造思维将设计要求（系 统要求）转化为一组能完整描述系统的参 数（文档或图纸）的活动过程
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1.1 什么是飞机设计？
❖飞机设计是指设计人员应用气动、结构、 动力、材料、工艺等学科知识通过分析综 合和创造思维，将设计要求转化为一组能 完整描述飞机的参数的过程
初步设计 详细设计
制造
飞机 总体 设计
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1.3 总体设计的重要性
❖“管中窥豹” — 机翼前梁在设计过程中的演变
概念设计
仅仅是一个从翼根到 翼梢的平面！
初步设计 表示出梁的截面变化
“简单任务”？
详细设计
专注于每一个细节 尺寸与参数
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1.3 总体设计的重要性
❖“管中窥豹” — 机翼前梁在设计过程中的演变
❖军用飞机的一般研制过程
论证阶段
方案阶段
工程研制 阶段
设计定型 阶段
分析使用环境 拟定设计要求
方案概念研究 论证设计要求 可行性
三面图 总体布置 理论图 结构受力系统 全机各分系统 设计要求 发动机及主要 机载设备选定
飞机详细设计 成品配套 飞机试制 地面模拟实验 机上地面实验 空、地勤培训 及试飞准备
1.4 总体设计的特点
K. D. 伍德
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1.5 现代设计技术简介
❖飞机设计过程的演化—来自Boeing的观点*
起步阶段（～ 1950）
需求 或机会
要求
工程设计
制图
制造
原型机 （产品）
试验
是
用户 订货？
否
湮没
成熟阶段（～ 1955 - 1985）：最具革命性的变化—数字计算机的出现
· 用户，市场和 要求间的紧密联系
论证阶段
方案阶段
飞机设计
工程研制 阶段
设计定型 阶段
生产定型 阶段
进一步 改进
对于设计阶段的划分和各阶段应完成的任务， 没有完全统一的表述形式
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖飞机设计的三阶段划分方式
设计要求
概念设计
（Conceptual Design）
初步设计
（Preliminary Design）
—Raymer D. P., “Aircraft Design： A Conceptual Approach”
▪ 显著减少对突然出现的设计项目的反应时间、极 大地提高设计质量和在一定的资源水平下可同时 进行的设计项目的数量
▪ 使得解决更为大规模的设计问题成为可能
—Isikveren, A. T., Quasi-Analytical Modeling and Optimisation
▪ 较精确的计算（重量重心、气动、性能和操 稳等）
▪ 模型吹风试验
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—详细设计
▪ 飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够 指导生产的图纸
• 如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各 系统总装配图，零构件图
▪ 详细的重量计算和强度计算报告 ▪ 大量的实验
· 规范、标准等
制图
工程设计 · 大规模的组织 · 功能上的分离
制造 · 大规模的组织 · 功能上的分离
· 详尽的实验 · 有限的原型制造
大量的图纸和参与机构
*McMasters, J. H., Cummings, R. M. Airplane Design as a Social Activity: Emerging Trends in the Aerospace Industry (Invited Paper). AIAA Paper 2002-0516. 32
飞机总体设计 第一讲
飞机总体设计
飞机设计研究所 航空科学与工程学院
课程服务团队
武 哲 教授 杨 超 教授 张云飞 教授 黄 俊 教授
焦起祥 黄沛霖 副教授 刘 虎 副教授
航空宇航科学与技术学科责任教授
航空科学与工程学院院长， 气动弹性研究室主任 长期从事飞行器设计和隐身技术的教学科研工作， 并参加了某型飞机的研制，负责总体设计工作 飞机系书记兼副主任， 航空创新实践基地主任
Cambridge University Press, 1999 ❖ Nicolai, L. M. 飞机设计基本原理. 赵先宁译. 台北: 徐氏基金会,
1983. ❖ Brandt, S. A., Stiles, R. J., Bertin, etal. Introduction to
Aeronautics: A Design Perspective. 1997. ❖ 方宝瑞. 飞机气动布局设计. 1997. ❖ Mattingly, J. D., Heiser, W. H., and Daley, D. H. Aircraft Engine
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—概念设计
用CAD系统绘制的设计布置图
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1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—初步设计
▪ 冻结布局 ▪ 完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和
理论外形（三维CAD模型） ▪ 详细绘出飞机的总体布置图
• 机载设备 • 分系统 • 载荷和结构承力系统