飞机设计问题
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来源: Parker, Team Players and Teamwork
来源：W.H. Mason, Virginia理工
设计中的团队协作
什么是团队协作（Teamwork）?
不是让大家坐在一起做同样的家庭作业 是: - 一起明确需要解决的问题 - 每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作 - 在团队会议上把每项任务的结果集合起来，并且确定： 我们是否已经解决了问题？ - 如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？ 如果是否定的，那么如何进行修改和调整来解决问题？
—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
飞机总体设计
飞行器设计
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.
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. 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 Design. 1987.
Techniques for Transport Aircraft Design. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2002
现代设计技术简介
几种典型的软件
AAA 美国DAR公司 （J. Roskam） RDS 美国Conceptual Research公司 （D .P. Raymer）
反复循环迭代的过程
设计要求 技术可用性 新概念构思
设计要求权衡
参数选择与 权衡研究
概念草图
初始设计
修正设计
设计要求
设计分析
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 －„
设计方案
初次估计 的参数选择 参数选择与 性能优化 细化的参数选择与 性能优化
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
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
ACSYNT Virginia理工& NASA Ames
VisualCAPDA Berlin工大
现代设计技术简介
几种典型的软件
SEACD 北京航空航天大学
＊ 教育版(CADS)
可在航空实践创新基地使用 更多软件介绍： • htt来自百度文库://www.aoe.vt.edu/~mason/Mason_f/ACDesSR/review.html
什么是飞机总体设计？
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
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
“Design Wheel” 概念设计流程
初步设计
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”？！
方案优化
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
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
较精确的计算（重量重心、气动、性能和操 稳等） 模型吹风试验
•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
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
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）
设计阶段 概念设计
初步设计 详细设计
人员比例 1％
9％ 90％
总体设计的重要性
（决定的费用） （消耗的费用）
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
总体设计的特点
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.
现代设计技术简介
飞机设计过程的演化
现代（1990年 之 后 ）
获取 “定制” （Defineproduce） 外购 支持
用户 · “用户介入” · 大量的律师 工程设计与制造 · 大规模（但更精益）的组织 · 集成化产品小组（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”
第一章：绪论
什么是飞机设计？ 什么是飞机总体设计？ 总体设计的重要性 总体设计的特点 现代设计技术简介 设计中的团队协作
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 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
来源: Parker, Team Players and Teamwork
设计中的团队协作
低效的团队
1. 氛围－互不关心／无聊 或 紧张／对抗 2. 少数团队成员居于支配地位 3. 旁观者难以理解团队的目标 4. 团队成员不互相倾听，讨论时各执一词 5. 分歧没有被有效地加以处理 6. 在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动 7. 行动：不清晰－该做什么？谁来做？ 8. 领导者明显表现出太软弱或太强硬 9. 提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗 10. 个人感受都隐藏起来了 11. 集团对团队的成绩和进展不进行检查
初步设计
（Preliminary Design）
详细设计 （Detail Design） 制造
什么是飞机总体设计？
各阶段的任务—设计要求论证与研究
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
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
概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！ 翼盒 机翼油箱 前梁的位置 前缘襟翼
设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费
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
飞机进行总装配
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
飞机 总体 设计
初步设计 详细设计
制 造
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
设计中的团队协作
来源: Brandt etal.
设计中的团队协作
Lockheed Martin的 “臭鼬工厂”(Skunk Works)
设计中的团队协作
The Skunk Works approach has proven to be the best for small projects using experienced team members – small, expert, team members with lots of responsibility
什么是飞机设计？
飞机设计的范围 —主要涉及论证、方案和工程研制阶段
论证阶段 方案阶段 工程研制 阶段 设计定型 阶段 生产定型 阶段 进一步 改进
飞机设计
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
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）
设计定型 阶段
生产定型 阶段
进一步 改进
分析使用环境 拟定设计要求
建立生产线 调整试飞 稳定工艺 定型试飞 批生产飞机 试飞鉴定 否 决策 是 定型试飞 报告 决策 是 全尺寸样机 研制任务书 否
方案 概念研究 论证设计要求 可行性 否 决策 是 战术技术要求 及概念性方案
“路漫漫其修远兮......”
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
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
什么是飞机总体设计？
军用飞机的一般研制过程
论证阶段 方案阶段
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 否 决策 是 全尺寸样机 研制任务书 决策 是 原型机
工程研制 阶段
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 否
布鲁恩＆米勒
总体设计的特点
K. D. 伍德
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 工程设计
要求 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
制图
· 用户，市场和 要求间的紧密联系 · 规范、标准等
设计中的团队协作
高效的团队
1. 氛围－非正式、放松的和舒适的 2. 所有的成员都参加讨论 3. 团队的目标能被充分的理解／接受 4. 成员们能倾听彼此的意见 5. 存在不同意见，但团队允许它的存在 6. 绝大多数的决定能取得某种共识 7. 批评是经常的、坦诚的和建设性的；不是针对个人的 8. 成员们能自由地表达感受和想法 9. 行动：分配明确，得到接受 10. 领导者并不独裁 11. 集团对行动进行评估并解决问题
来源：W.H. Mason, Virginia理工
设计中的团队协作
什么是团队协作（Teamwork）?
不是让大家坐在一起做同样的家庭作业 是: - 一起明确需要解决的问题 - 每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作 - 在团队会议上把每项任务的结果集合起来，并且确定： 我们是否已经解决了问题？ - 如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？ 如果是否定的，那么如何进行修改和调整来解决问题？
—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
飞机总体设计
飞行器设计
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.
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. 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 Design. 1987.
Techniques for Transport Aircraft Design. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2002
现代设计技术简介
几种典型的软件
AAA 美国DAR公司 （J. Roskam） RDS 美国Conceptual Research公司 （D .P. Raymer）
反复循环迭代的过程
设计要求 技术可用性 新概念构思
设计要求权衡
参数选择与 权衡研究
概念草图
初始设计
修正设计
设计要求
设计分析
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 －„
设计方案
初次估计 的参数选择 参数选择与 性能优化 细化的参数选择与 性能优化
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
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
ACSYNT Virginia理工& NASA Ames
VisualCAPDA Berlin工大
现代设计技术简介
几种典型的软件
SEACD 北京航空航天大学
＊ 教育版(CADS)
可在航空实践创新基地使用 更多软件介绍： • htt来自百度文库://www.aoe.vt.edu/~mason/Mason_f/ACDesSR/review.html
什么是飞机总体设计？
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
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
“Design Wheel” 概念设计流程
初步设计
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”？！
方案优化
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
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
较精确的计算（重量重心、气动、性能和操 稳等） 模型吹风试验
•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
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
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）
设计阶段 概念设计
初步设计 详细设计
人员比例 1％
9％ 90％
总体设计的重要性
（决定的费用） （消耗的费用）
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
总体设计的特点
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.
现代设计技术简介
飞机设计过程的演化
现代（1990年 之 后 ）
获取 “定制” （Defineproduce） 外购 支持
用户 · “用户介入” · 大量的律师 工程设计与制造 · 大规模（但更精益）的组织 · 集成化产品小组（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”
第一章：绪论
什么是飞机设计？ 什么是飞机总体设计？ 总体设计的重要性 总体设计的特点 现代设计技术简介 设计中的团队协作
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 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
来源: Parker, Team Players and Teamwork
设计中的团队协作
低效的团队
1. 氛围－互不关心／无聊 或 紧张／对抗 2. 少数团队成员居于支配地位 3. 旁观者难以理解团队的目标 4. 团队成员不互相倾听，讨论时各执一词 5. 分歧没有被有效地加以处理 6. 在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动 7. 行动：不清晰－该做什么？谁来做？ 8. 领导者明显表现出太软弱或太强硬 9. 提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗 10. 个人感受都隐藏起来了 11. 集团对团队的成绩和进展不进行检查
初步设计
（Preliminary Design）
详细设计 （Detail Design） 制造
什么是飞机总体设计？
各阶段的任务—设计要求论证与研究
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
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
概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！ 翼盒 机翼油箱 前梁的位置 前缘襟翼
设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费
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
飞机进行总装配
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
飞机 总体 设计
初步设计 详细设计
制 造
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
设计中的团队协作
来源: Brandt etal.
设计中的团队协作
Lockheed Martin的 “臭鼬工厂”(Skunk Works)
设计中的团队协作
The Skunk Works approach has proven to be the best for small projects using experienced team members – small, expert, team members with lots of responsibility
什么是飞机设计？
飞机设计的范围 —主要涉及论证、方案和工程研制阶段
论证阶段 方案阶段 工程研制 阶段 设计定型 阶段 生产定型 阶段 进一步 改进
飞机设计
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
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）
设计定型 阶段
生产定型 阶段
进一步 改进
分析使用环境 拟定设计要求
建立生产线 调整试飞 稳定工艺 定型试飞 批生产飞机 试飞鉴定 否 决策 是 定型试飞 报告 决策 是 全尺寸样机 研制任务书 否
方案 概念研究 论证设计要求 可行性 否 决策 是 战术技术要求 及概念性方案
“路漫漫其修远兮......”
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
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
什么是飞机总体设计？
军用飞机的一般研制过程
论证阶段 方案阶段
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 否 决策 是 全尺寸样机 研制任务书 决策 是 原型机
工程研制 阶段
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 否
布鲁恩＆米勒
总体设计的特点
K. D. 伍德
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 工程设计
要求 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
制图
· 用户，市场和 要求间的紧密联系 · 规范、标准等
设计中的团队协作
高效的团队
1. 氛围－非正式、放松的和舒适的 2. 所有的成员都参加讨论 3. 团队的目标能被充分的理解／接受 4. 成员们能倾听彼此的意见 5. 存在不同意见，但团队允许它的存在 6. 绝大多数的决定能取得某种共识 7. 批评是经常的、坦诚的和建设性的；不是针对个人的 8. 成员们能自由地表达感受和想法 9. 行动：分配明确，得到接受 10. 领导者并不独裁 11. 集团对行动进行评估并解决问题