Дизайн самолета (часть 2):расширение горизонтов

Опубликовано:25 декабря 2020 г., | By WayKen Rapid Manufacturing

Современные лица, принимающие инженерные решения, считают использование чрезмерных вычислительных мощностей на данном этапе бесполезным и пожирателем времени. Принятие методов, включающих аппроксимации, намного более эффективно и помогает сократить время, необходимое для выполнения параметрического моделирования. К таким методам относится моделирование с пониженным порядком, которое снижает математическую сложность системы, обеспечивая при этом сохранение физики основных дифференциальных уравнений в частных производных.

После проведения начального анализа вступает в действие итеративная процедура, результаты которой диктуют изменения в конструкции для оптимизации. Эта процедура является связующим звеном между этапами концептуального и предварительного проектирования. См. подробнее Прототипирование промышленного дизайна.

Давайте взглянем на обобщенную форму знаменитой модели Хоу для процесса синтеза проекта.

• Это рассматривается как расширение технико-экономического обоснования, но с привлечением большей детализации и сложности.
• Первым этапом этого процесса является выбор одной или нескольких конфигураций.
• Второй этап известен как выбор режима полета и силовой установки. На этом этапе для заданного набора условий эксплуатации, т. е. числа Маха и т. д., составляется краткий список выбираемого типа силовой установки, т. е. турбовинтовой, поршневой, ТРДД, ТРДД с малой двухконтурностью, турбореактивный, прямоточный воздушно-реактивный и т. д.
• Следующий этап касается выбора компоновки фюзеляжа. Детали полезной нагрузки часто являются движущим фактором на этом этапе. Это дает хорошую отправную точку для первого прогноза массы самолета.
• Следующая конфигурация крыла. Это сложная процедура для лаборатории аэродинамики, в которой задействовано большое количество параметров. Это фундаментальный этап в процессе предварительного проектирования. Это приводит к начальной оценке подъемной силы, лобового сопротивления, массы самолета, а также помогает в расчетах оценки нагрузки на крыло после проведения последовательного анализа. Расчет нагрузки на крыло проводится на основе теоретических уравнений, настроенных по эмпирическим данным для различных условий полета. Это также помогает получить приблизительную оценку отношения тяги к весу.
• Наконец, в игру вступают этапы параметрического анализа. На первом этапе объединяются размеры крыла и фюзеляжа, чтобы получить набор результатов для каждой фазы полета. В результате формируется дизайнерское пространство. Подходящие наборы соотношений нагрузки на крыло и тяги к весу выбираются для второго этапа параметрического анализа.
• Второй этап параметрического анализа включает выбранные наборы данных для расчета общей массы самолета. Набор, обеспечивающий оптимальное значение массы, используется для создания дизайна рефери, который затем используется для углубленного анализа и оценки.
• Оценивается дизайн рефери, что, в свою очередь, обеспечивает:
  • Приблизительные размеры панелей управления
  • Помощь в завершении компоновки шасси
  • Улучшенная оценка значений подъемной силы, сопротивления и массы.
  • Пересмотрены расчеты характеристик производительности на основе настроенных входных данных и сложных методов оценки.
  • Процедура повторяется до тех пор, пока не будут выполнены критерии массовой сходимости.
• В конце этого этапа проектирования проводятся исследования чувствительности для определения критических областей дизайна с использованием графических или математических методов. Кроме того, параллельно ведутся другие работы, включая проектирование гидравлических, электрических, пожаротушения, защиты от льда и пневматических систем.

На следующем этапе, то есть на этапе детального проектирования, происходит волшебство, т. е. проект полностью определен, масштабированные модели для тестирования заказываются у производителя прототипа, а затем окончательные чертежи, основанные на проектировании для сборки и проектировании для производства, выкладываются с фактическими топологиями. геометрии, размеров, допусков и спецификаций материалов. Давайте обсудим это более подробно в следующем разделе.

Детальный дизайн

Основное внимание на этом этапе уделяется, прежде всего, проверке процедур проектирования, изложенных на предыдущих этапах. Это самый обширный этап всего процесса проектирования. Он фокусируется на окончательном дизайне каждой детали, прототипировании и тестировании. На основе данных, полученных на этапе предварительного проектирования, на этом этапе используются пакеты автоматизированного проектирования и автоматизированного производства для поддержки проектных работ.

При этом учитываются три фактора:производительность, производственные затраты, необходимое время и операционная эффективность. Для получения исчерпывающего результата используются два типа процедур испытаний:наземные испытания и испытания в полете. Давайте рассмотрим особенности обоих типов более подробно.

• Наземные испытания: Он включает в себя испытания в аэродинамической трубе для проверки результатов пакетов CFD, структурные испытания, оценку авионики и проверку систем. Это этап, на котором прототипирование спасает положение. Создание прототипов масштабированных деталей для начального тестирования является ключом к экономии затрат и драгоценного времени. Хороший поставщик услуг прототипирования будет использовать соответствующий опыт для создания структуры из требуемых спецификаций материалов с вашей стороны. Прототип можно использовать для анализа прочности, жесткости, флаттера, упругой устойчивости и других параметров системы. Статическая нагрузка, динамическая нагрузка, модальный анализ вибрации и анализ флаттера являются одними из ключевых испытаний, которые необходимо выполнить. Для деталей самолетов в масштабе стереолитографическая 3D-печать обеспечивает необходимую точность для всесторонней оценки между эскизным проектом и экспериментальными результатами.
• Тестирование в процессе эксплуатации: Привлечение сертификационных органов для проверки летно-технических характеристик реального самолета. Эти агентства известны как органы по летной годности. Они оценивают конструкцию самолета на основе заданной конструкции и требований безопасности, изложенных в стандартах летной годности Федеральных авиационных правил. В следующей таблице подробно описаны все стандарты летной годности и их соответствующее использование.

Наиболее примечательные из этих стандартов включают FAR Part 23, который применим к обычным, служебным и акробатическим самолетам с максимальной взлетной массой (MTOW) менее 12 500 фунтов и вместимостью 9 или менее пассажиров. Он также диктует стандарты для пригородных самолетов с взлетной массой не более 19 000 фунтов и пассажировместимостью 19 или менее.

Для самолетов категории коммерческого транспорта, таких как Airbus A320 или Boeing 737, часть 25 FAR диктует требуемые стандарты. Часть 25 включает в себя различные подразделы, а именно A, B, C, D, E и F, все из которых диктуют стандарты для различных систем и подсистем коммерческого транспортного самолета.

Точно так же для винтокрылых машин (чаще всего известных как вертолеты) FAR Part 27 и 29 диктуют стандарты для нормальной и транспортной категорий соответственно. После получения сертификатов летной годности цикл проектирования практически заканчивается, когда на этом этапе приходится 95% стоимости жизненного цикла. Затем следуют этапы крупномасштабного производства.

Завершение процесса проектирования самолета

Этот углубленный обзор цикла проектирования самолета может показаться очень сложным. Однако при поэтапном подходе, зрелых решениях, основанных на критическом мышлении, и разумном принятии решений цикл проектирования самолета становится достижимым достижением. В современную эпоху, когда ставки высоки как с точки зрения стоимости, так и времени, использование прототипирования жизненно важно, когда и где это необходимо, поскольку успех конструкции самолета полностью зависит от всесторонней проверки проектных идей. Но очень важно оказывать услуги правильного производителя прототипов в области авиации, поскольку точность прототипов имеет большое значение. Любые упрощения, принятые на любом этапе цикла проектирования, впоследствии оказываются разрушительными, как это было недавно в случае с Boeing 737 Max.