Продвинутый дизайн авиации: Часть 2 — расширение горизонтов эффективным моделированием

Опубликовано: 25 декабря 2020 г. | Автор: WayKen Rapid Manufacturing

Современные инженеры-приниматели решений считают использование избыточной вычислительной мощности на этом этапе бесполезным и пожирателем времени. Принятие техник, включающих аппроксимации, намного более эффективно и помогает сократить время, необходимое для выполнения параметрического моделирования. Такие техники включают Моделирование сокращенного порядка (Reduced Order Modeling), которое уменьшило математическую сложность системы, обеспечивая сохранение физики управляющих уравнений в частных производных.

После проведения начального анализа вступает в игру итеративная процедура, где результаты диктуют изменения в дизайне для оптимизации. Эта процедура является связующим звеном между стадиями концептуального и предварительного дизайна. Подробнее см. Прототипирование промышленного дизайна.

Давайте посмотрим на обобщенную форму знаменитой модели Howe для процесса синтеза проекта.

• Это считается расширением исследования выполнимости, но с вовлечением большей детали и сложности.
• Первый этап этого процесса — выбор одной или нескольких конфигураций.
• Второй этап известен как выбор полетного режима и силовой установки. На этом этапе, для заданного набора операционных условий, то есть числа Маха и т.д., тип силовой установки для выбора сокращается, то есть турбопроп, поршнево-пропеллерный, турбовентилятор, турбовентилятор с низким обходным отношением, турбореактивный, статорреактивный и т.д.
• Следующий этап касается выбора компоновки фюзеляжа. Детали полезной нагрузки часто являются движущей силой за этим этапом. Это обеспечивает хорошую отправную точку для первого прогнозирования массы авиации.
• Конфигурация крыла идет следующей. Это сложная процедура для аэродинамической лаборатории, где задействовано большое количество параметров. Это фундаментальная фаза в процессе предварительного дизайна. Она приводит к начальной оценке подъемной силы, лобового сопротивления, массы авиации и также помогает в достижении расчетов оценки нагрузки на крыло после проведения последовательного анализа. Оценки нагрузки на крыло проводятся на основе теоретических уравнений, настроенных согласно эмпирическим данным для различных полетных условий. Это также помогает достичь грубой оценки отношения тяги к весу.
• Наконец, этапы параметрического анализа вступают в игру. Первый этап объединяет размеры крыла и фюзеляжа для производства набора результатов для каждой фазы полета. Это приводит к формированию дизайнерского пространства. Подходящие наборы нагрузки на крыло и отношения тяги к весу выбираются для второго этапа параметрического анализа.
• Второй этап параметрического анализа включает выбранные наборы данных для расчета общей массы авиации. Набор, обеспечивающий оптимальное значение массы, используется для создания референсного дизайна, который затем используется для глубокого анализа и оценки.
• Референсный дизайн оценивается, что в свою очередь предоставляет:
  • Оцененные размеры для рулей управления
  • Помощь в завершении компоновки шасси
  • Лучшая оценка подъемной силы, лобового сопротивления и значений массы
  • Пересмотренные расчеты характеристик производительности на основе настроенных входных данных и сложных методов оценки
  • Повторение процедуры происходит до выполнения критериев сходимости массы
• В конце этой фазы дизайна проводятся исследования чувствительности дизайна для выявления критических зон дизайна с использованием либо графических, либо математических техник. Кроме того, другие действия происходят одновременно, включая дизайн гидравлических, электрических, пожаротушения, обледенения и пневматических систем.

Следующая фаза, то есть фаза детального дизайна, — там, где происходит магия, то есть дизайн полностью определен, масштабные модели для тестирования заказываются у производителя прототипов, а затем финальные чертежи на основе Design for Assembly и Design for Manufacturing раскладываются с фактическими топологиями, геометриями, размерами, допусками и спецификациями материалов. Давайте обсудим это более подробно теперь в следующем разделе.

Детальный дизайн

Фокус этой стадии в основном на получении верификаций для процедур дизайна, обозначенных в более ранних фазах. Это самая обширная фаза всего процесса дизайна. Она фокусируется на финальном дизайне каждой детали, прототипировании и тестировании. На основе данных, полученных из фазы предварительного дизайна, эта фаза включает использование пакетов Computer-Aided Design и Computer-Aided Manufacturing для поддержки дизайнерских активностей.

Есть три фактора под рассмотрением: производительность, производственные затраты, требуемое время и операционная эффективность. Для комплексного результата задействованы два типа тестовых процедур: Наземное тестирование и Полетное тестирование. Давайте посмотрим на специфику обоих типов более детально.

• Наземное тестирование: Оно включает ветротуннельные тесты для валидации результатов из CFD-пакетов, структурные тесты, оценку авионики и проверку систем. Это стадия, где прототипирование спасает положение. Прототипирование масштабированных деталей для первоначального тестирования — ключ к экономии затрат и драгоценного времени. Хороший поставщик услуг прототипирования использует соответствующую экспертизу для изготовления структуры из требуемых спецификаций материалов с вашей стороны. Прототип может использоваться для анализа прочности, жесткости, флаттера, эластичной устойчивости и других системных параметров. Статическая нагрузка, динамическая нагрузка, модальный вибрационный анализ и анализ флаттера — некоторые из ключевых тестов для выполнения. Для масштабированных авиационных деталей стереолитографическая 3D-печать обеспечивает требуемую точность для комплексной оценки между обозначенным дизайном и экспериментальными результатами.
• Полетное тестирование: Включение сертификационных агентств для верификации производительности и полетных характеристик фактического авиации. Эти агентства известны как органы по летной годности. Они оценивают дизайн авиации на основе предустановленных дизайна и требований безопасности, обозначенных в Федеральных авиационных правилах Стандартов летной годности. Следующая таблица комплексно обозначивает все стандарты летной годности и их соответствующее использование.

Наиболее заметные из этих стандартов включают FAR Part 23, который применим для нормальных, утилитарных и акробатических авиаций с максимальным взлетным весом (MTOW) менее 12 500 фунтов и вместимостью 9 или менее пассажиров. Он также диктует стандарты для коммьютерных самолетов с MTOW не более 19 000 фунтов с вместимостью пассажиров 19 или менее.

Для коммерческих транспортных категорий самолетов, таких как Airbus A320 или Boeing 737, FAR Part 25 диктует требуемые стандарты. Часть 25 включает различные подчасти: A, B, C, D, E и F, все диктующие стандарты для различных систем и подсистем коммерческого транспортного самолета.

Точно так же для роторных летательных аппаратов (чаще известных как вертолеты) FAR Part 27 и 29 диктуют стандарты для нормальной и транспортной категории соответственно. После достижения сертификатов летной годности, цикл дизайна практически заканчивается с 95 процентами затрат жизненного цикла, понесенными на этой стадии. Это затем следует этапами крупномасштабного производства.

Завершение процесса дизайна авиации

Это глубокий обзор цикла дизайна авиации может показаться очень сложным. Однако, с поэтапным подходом, зрелыми решениями, основанными на критическом мышлении, и мудрым принятием решений, цикл дизайна авиации — достижимый подвиг. В современной эре, где ставки высоки как в терминах затрат, так и времени, использование прототипирования жизненно важно там и когда это нужно, потому что успех дизайна авиации полностью зависит от комплексной валидации дизайнерских идей. Но действительно важно нанять услуги правильного производителя прототипов в области авиации, так как точность прототипов имеет большое значение. Любые уловки, взятые на любой стадии цикла дизайна, оказываются деструктивными позже, как в случае с Boeing 737 Max недавно.