飞行器总体设计

工程设计,分析计算和科学研究
自然规律 输入 系统或元件 输出
给定 输入,自然规律,系统 输出,自然规律,系统 输入,输出,系统 输入,输出,自然规律
求解 输出 输入 自然规律 系统
过程 分析计算 逆分析 科学研究 工程设计
飞机设计的含义
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. 设计要求通常包括: - 性能,载荷和使用要求 - 适航条例和设计规范 - 工艺和生产要求 - 环境要求 - 成本
飞机设计的过程
概念设计 ( Conceptual Design )=技术经济可行性论证 初步设计 ( Preliminary Design )=预发展(总体方案论证)
设 设 计 计 要 要 求 求 技 技 术 术
储 储 备 备
总体设计 = 概念设计 + 初步设计
概念设计
输入
设计要求 设计规范
设计工作的创造性
构思(创造性): 提出各种各样方案
Creativity: Left Brain—Right Brain
Associative Creative Creative Mind (Right Brain) Creative Synthesis
Features no rules uncritical thinking irrational illogical diverge alternative rigid rules critical thinking rational logical converge one answer
�
Judicial Mind (Left Brain)
Analysis
Decision Making
Deductive Analytical
反复迭代,多轮逼近
设计要求
修改方案
设计方案 计算和试验
评估
否
是否满足要求? 是否最优?
多学科综合
结构力学 空气动力学 飞行力学
航空发动机
飞机设计
……
自动控制 工程材料学
课程如何进行
采用"基于问题的教学"方法
以解决某飞机总体设计问题为中心,进行"教"与"学". 不仅仅是获取有关飞机总体设计的知识,更重要的是 学会如何应用知识来解决问题.
教员
- 讲解总体设计的方法 - 讲解分析和综合方法
学生(分组)
- 完成设计报告 - 笔试
课程网站
http://aircraftdesign.nuaa.edu.cn/PD-2004/
设计要求,适航条例 设计要求,适航条例
优化
Yes
初初 步步 方方 案案
方案分析与评估 方案分析与评估
分分 系系 统统 发动机选择 发动机选择 机翼外形初步设计 机翼外形初步设计 尾翼外形初步设计 尾翼外形初步设计 总体布置 总体布置 形成初步方案 形成初步方案 重量特性 重量特性 动力特性 动力特性 操稳特性 操稳特性 噪声特性 噪声特性 气动特性 气动特性 性能评估 性能评估 经济性分析 经济性分析 排放量 排放量
工作内容
部件设计和零构件设计 各系统的设计 液压系统 环控系统 起落架系统…… 详细的重量重心计算 强度计算报告 静强度,动强度和寿命试验 系统的地面台架试验 工装设计
方法与手段
CAD CAM(FEM) 结构优化设计 系统可靠性设计 试验
输出
部件总图,装配图,零 件图 各系统总图,装配图, 零件图
来自百度文库
课程评分内容与方法
设计报告 笔试 得分: 50% 50% 设计报告 + 笔试成绩
设计报告评分标准:
– 完整性 – 正确性和合理性 – 清晰性
设计报告内容
设计要求拟定 飞机构形的确定 飞机主要参数计算 发动机选择 部件外形设计 飞机总体布置 重量重心计算 气动特性分析 飞行性能分析计算 三面图 总结
什么是工程设计
Engineering design is the translation of some set of functional and aesthetic desires into instructions that could be used to construct an object that satisfies these desires. Design in the material world is the process by which ideas, tastes, prejudices, scientific principles and available resources are weighted and combined into a well-defined plan for the eventual construction of an object or system.
目标
可行性论证:能否达到设计指标 ? 获得一个或几个能满足要求的初步方案
工作内容
确定全机布局 确定主要参数确定 选择发动机 分系统架构 确定部件主要几何参数 初步的总体布置 方案分析与评估 总体参数优化 绘制三面图
方法与手段
统计数据 经验公式 工程估算公式 参数敏感分析 地毯图 总体分析软件 总体参数优化软件
可靠性 维修性 可靠性 维修性 机场适应性 …… 机场适应性 ……
分析
飞机设计工作的主要形式
方案生成 方案分析评估 方案优选
尽可能熟悉 多种飞机的 方案特点 案例分析 团队的力量
– 头脑风暴
定量方法
– 数学模型 – 计算机仿真
参数分析 敏感度分析 试验设计法 优化方法
定性方法
– 专家打分
方法与手段
CAD软件(CATIA) 基于数值仿真的方法- CFD,FEM,性能,气动优 化,结构优化,多学科设 计优化软件 风洞实验 工程样机
输出
全机外形数模 完整三面图/总体布置图 论证报告 全尺寸样机
详细设计
输入
初步设计结果 飞机外形数模; 总体布置(数字样机;全尺寸样机)
目标
完成可用于制造加工的细节设计图和技 术文件.
飞机设计应具备的知识与技能
数据与经验 ◆ 数据收集 ◆ 统计分析 ◆ 经验积累 构思与决策 ◆ 综合与创新 ◆ 判断与决策
计算与分析 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 几何计算 气动计算 结构分析 重量计算 性能计算
绘图与CAD ◆ 部件外形图 ◆ 三面图 ◆ 总体布置图
本课程教学目标
掌握飞机设计的一般过程和方法 提供一个飞机设计的经历 融汇贯通前修课程所学的知识 提高综合分析,判断和决策能力 培养团队工作精神 培养制定计划,组织协调的基本能力 提高书面和口头表达能力
飞机设计的三个阶段
概念设计 (Conceptual Design) 初步设计 (Preliminary Design) 详细设计(Detail Design) 1% 人员 9% 人员 90%人员
设计工作特点
科学性与创造性
– 构思与分析 – 右脑与左脑
非唯一性 逐步细化 反复迭代,多轮逼近 多学科综合与协调
参考教材
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. L. R. Jenkinson, P. Simpkin, D. Rhodes, Civil Jet Aircraft Design, AIAA Inc, 1999 D.P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Education Series. 1992. J. Roskam, Airplane Design, Part Ⅰ- Part Ⅷ, Roskam Aviation and Engineering Corporation, Ottawa, Kansas,1985 D. Howe, Aircraft Conceptual Design Synthesis, Professional Engineering Publishing Limited, London, UK, 2000. Aircraft Design:Synthesis and Analysis, (stanford大学教材):http://adg.stanford.edu/aa241/ R. D. Schaufele, The Element of Aircraft Preliminary Design, Aries Publications, Santa Ana, California, 2000. Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design,Delft University Press, 1982. 余雄庆,徐惠民,昂海松,飞机总体设计,航空工业出版社,2000年. 顾诵芬,解思适等编,飞机总体设计,北京航空航天大学出版社,2001年. 李为吉主编,现代飞机总体综合设计,西北工业大学出版社,2001年. 谢米叶格尔[俄]等著,杨景佐,胡传泰等译,《飞机设计》,航空工业出版社,1986年. Nicolai著,赵先宁译,《飞机设计基本原理》,台湾,徐氏基金会,1975年.
输出
初步方案的三面图 可行性论证报告 详细技术要求与目标
初步设计
输入
概念设计结果 初始方案的外形CAD模型
目标
细化,优化概念设计方案 确信方案能达到设计要求,冻结总体外形.
工作内容
细化和优化几何外形 - 气动设计,分析与优化 总体结构布置 - 结构分析与优化 多学科分析与优化 完整三面图和外形数模 飞机总体布置图 - 各种机载设备,各系统, 载荷和结构承力系统 方案的进一步评估
conceptual
preliminary
detail
飞机总体设计的重要性
总体设计影响全寿命周期成本的85%!
100 95% 85% 80 65%
影 响 寿 命 周 期 成 本 的 程 度
60 40
20 0 概念设计 初步设计 详细设计 制造/采购 使用维护 报废
全寿命周期
概念设计流程
设计
全机布局设计 全机布局设计 No 机身外形初步设计 机身外形初步设计 确定主要参数 确定主要参数 发发 动动 机机 短短 舱舱 满足要求? 满足要求? 方案最优? 方案最优?
飞机总体设计
余雄庆 南京航空航天大学 2009年
绪 论
什么是工程设计 飞机设计的含义 飞机设计的过程 飞机设计的特点 本课程教学目标 课程将如何进行 课程的评分方法
什么是工程设计
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.
协调
飞机设计的特点
多学科 综合协调 多轮迭代 逐步细化
飞机设计的特点
分析评估逐渐深化
Disciplines at greater depth of detail, but on separate tracks
…… aerodynamics structure performance
Integrated Multidisciplinary analysis and optimization