Дизайн самолета (часть 1):расширение горизонтов

Среди самых сложных инженерных специальностей в мире аэрокосмическая и авиационная техника, возможно, возглавляет списки. Любой инженер, читающий эту статью, может быть знаком с обычными циклами проектирования, связанными с проектированием любого продукта, но именно уровень сложности, необходимый в области авиации, делает ее такой сложной.

Современная конструкция самолетов сталкивается со строгими эксплуатационными, экологическими и финансовыми проблемами. Наблюдается массовый сдвиг парадигмы в отношении того, как проектируются сложные системы и как избежать конструктивных недостатков, как в случае с последним Boeing 737 Max. В этой статье мы обсудим поток современного цикла проектирования самолетов и случаи, когда использование услуг производителя прототипа для масштабных испытаний может спасти положение.

Узнайте больше о прототипировании промышленного дизайна здесь.

Цикл проектирования современного самолета

Каждый дизайнер, читающий эту статью, может быть знаком с тремя основными этапами проектирования:концептуальным, предварительным и детальным проектированием. Однако жесткая конкуренция между игроками рынка и высокими ожиданиями клиентов означает, что компания должна внедрять значительные инновации на этапах проектирования, чтобы соответствовать различным критериям. Давайте обсудим цикл проектирования самолета на основе стоимости жизненного цикла с помощью следующей диаграммы.

Как видите, первые три этапа до этапа производства составляют 95% всей стоимости. Среди первых трех этапов наиболее важным является этап 1, то есть планирование и концептуальный дизайн. Поэтому давайте подробно сосредоточимся на первом этапе, а затем на двух других.

Планирование и концептуальный дизайн

Начальный шаг отмечен технико-экономическим обоснованием, которое определяет, может ли требование быть выполнено с помощью существующей технологии или нет. Кроме того, технико-экономическое обоснование также помогает оптимизировать путь проекта, т. е. полную модернизацию, что означает самый высокий риск и стоимость или принятие/модификацию существующей конструкции. После этого начинается этап концептуального проектирования. Любой авиаконструктор очень хорошо знает модели Raymer и Roskam, и, как они излагают, этап концептуального проектирования включает в себя ответы на следующие основные вопросы:

• Будет ли это работать?
• Как это выглядит?
• Каковы требования?
• Как оптимизировать компромиссы?
• Как оптимизировать вес и затраты?

Конечной целью этапа концептуального проектирования является определение и подготовка осуществимой и оптимальной концепции проектирования для дальнейшей доработки. Таким образом, этот этап включает в себя разработку, изучение и проверку различных концепций дизайна с минимальным знанием результатов экспериментов и ограниченными данными о практичности дизайна. На графике под этим абзацем показан больший диапазон неопределенности на концептуальных этапах по сравнению с продвинутыми этапами. Вдобавок к этому колоссальные 65 % стоимости жизненного цикла, возникающие на этом этапе, означают, что любое изменение базового проекта впоследствии означает сокращение общих доходов и увеличение сроков.

Дилемма, с которой обычно сталкиваются на этапе концептуального проектирования, заключается в том, что программа проектирования начинается без четкого определения набора требований, которые необходимо выполнить. Чрезвычайно важно определить требования рынка и добиться от клиентов ясного изложения своих ожиданий. Уточнение требований на более позднем этапе приводит к неэкономичному и неэффективному подходу, и такой цикл проектирования имеет серьезные последствия для понесенных затрат в течение жизненного цикла. В случае конструкции самолета заказчики предъявляют многочисленные, часто противоречащие друг другу наборы требований и ожиданий. Разнообразный и сложный набор авиационных систем, основанных на различных частях самолета, например. крылья, двигатель, фюзеляж, шасси, хвостовое оперение и утка создают множество проблем.

Работа с этим сама по себе является искусством, и именно поэтому такие решения облегчаются с помощью таких методов, как принятие решений по множеству атрибутов (MADM). С помощью таких методов в игру вводятся неявные соображения, и процесс принятия решений переходит от одноточечного детерминированного подхода к динамическому и параметрическому подходу. Кроме того, такие методы, как междисциплинарный анализ и оптимизация дизайна, жизненно важны для соответствия запутанным наборам ограничений в такой среде. Этот метод показан на следующей диаграмме, на которой показано взаимодействие между различными авиационными направлениями.

Что касается неопределенности на этапе концептуального проектирования, о чем говорилось ранее, общепринятые методы основаны на вероятностных теориях и методах проектирования. Эти методы включают использование функций плотности вероятности (PDF) и кумулятивных функций распределения (CDF) для каждого проектного ограничения. Затем данные для нескольких проектных ограничений наносятся на график и анализируются. Эти совокупные данные дают разработчику четкое представление об области проектирования и о том, нужно ли ему или ей ослабить какое-либо ограничение или внедрить какую-либо технологию для общего улучшения цикла проектирования.

Короче говоря, дизайнер создает связь между входными и выходными переменными с учетом изменчивости входных факторов.

Предварительный проект

Этот этап чрезвычайно важен для определения различных факторов дизайна для концепции, завершенной на первом этапе. Это требует глубокого изучения и анализа междисциплинарных взаимодействий между различными системами и подсистемами летательного аппарата. Например, концепция аэроупругости представляет собой сочетание структурной механики и аэродинамики.

В современную инженерную эпоху этап предварительного проектирования также включает в себя такие соображения, как надежность, ремонтопригодность, стабильность и контроль, безопасность и экономичность. Теперь мы более подробно обсудим проблемы, возникающие на этом этапе проектирования, и оптимальные способы их решения.

Сложное, сложное и точное моделирование требует использования продвинутых численных алгоритмов, например. Вычислительная гидродинамика и анализ методом конечных элементов. Однако исключительно высокие вычислительные затраты создают еще одну проблему для разработчиков. На следующей диаграмме образно показан компромисс, связанный с выбором высокоточных инструментов по сравнению с использованием простых симуляций.

Переход к сложным и высокоточным инструментам означает не только более высокие вычислительные затраты, но и необходимость работы с несколькими переменными, часто исчисляемыми сотнями, а также с их взаимозависимостью. Таким образом, значительное время тратится на определение и отображение среды моделирования. （История не заканчивается!!!）

Если вы все еще заинтересованы в содержании, пожалуйста, прочитайте Дизайн самолета (часть 2):расширяя горизонты. Спасибо.