Дизайн авиации (Часть 1): прорыв горизонтов в аэрокосмической инженерии

Среди самых сложных специальностей инженерии во всем мире, аэрокосмическая и аэронавигационная инженерия, вероятно, возглавляют списки. Любой инженер, читающий эту статью, может быть знаком с обычными циклами дизайна, вовлеченными в дизайн любого продукта, но именно уровень сложности, требуемый в области авиации, делает его таким сложным.

Современный дизайн авиации сталкивается с жесткими операционными, экологическими и финансовыми вызовами. Массивный парадигмальный сдвиг замечается в том, как проектируются сложные системы и как избегать дефектов дизайна, как в случае последнего Boeing 737 Max. В этой статье мы обсудим поток современного цикла дизайна авиации и случаи, где использование услуг производителя прототипов для масштабного тестирования может спасти положение.

Изучите подробности прототипирования промышленного дизайна здесь.

Цикл дизайна современной авиации

Каждый дизайнер, читающий эту статью, может быть знаком с тремя основными фазами дизайна: концептуальным, предварительным и детальным дизайном. Однако жестокая конкуренция среди игроков рынка с высокими ожиданиями от клиентов означает, что компания должна инновировать замечательно в фазах дизайна, чтобы соответствовать разнообразным критериям. Давайте обсудим цикл дизайна авиации на основе затрат жизненного цикла с помощью следующей диаграммы.

Как вы видите, первые три фазы до стадии производства составляют 95% от всей стоимости. Среди начальных трех фаз самая важная — Фаза 1: Планирование и концептуальный дизайн. Поэтому давайте сосредоточимся на первой фазе детально, за которой следуют другие две.

Планирование и концептуальный дизайн

Первоначальный шаг отмечается исследованием выполнимости, которое определяет, может ли требование быть выполнено с существующей технологией или нет. Более того, исследование выполнимости также помогает оптимизировать путь для проекта: полная переработка, что означает наивысший риск и затраты, или адаптация/модификация существующего дизайна. Следуя за этим, начинается фаза концептуального дизайна. Любой дизайнер авиации хорошо знает модели Raymer и Roskam, и как они обозначивают, фаза концептуального дизайна включает ответ на следующие базовые вопросы:

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

Конечная цель стадии концептуального дизайна — выявить и подготовить жизнеспособную и оптимальную дизайнерскую концепцию для дальнейшего уточнения. Эта фаза таким образом включает создание, изучение и изучение различных дизайнерских концепций, все с минимальным знанием экспериментальных исходов и ограниченными данными относительно практичности дизайна. График ниже этого абзаца изображает больший диапазон неопределенности на концептуальных стадиях по сравнению с продвинутыми стадиями. Добавляя к этому, огромные 65 процентов затрат жизненного цикла, понесенных на этой стадии, означают, что любое изменение базового дизайна позже означает снижение общих доходов и продление сроков.

Дилемма, обычно встречаемая в фазе концептуального дизайна, — начало программы дизайна без четкого обозначения набора требований, которые должны быть выполнены. Обозначение рыночных требований и заставление клиентов делать свои ожидания явно известными — так важно. Уточнение требований на более поздней стадии приводит к неэкономичному и неэффективному подходу, и такой цикл дизайна имеет серьезные последствия на понесенные затраты жизненного цикла. В случае дизайна авиации есть множественные часто конфликтующие наборы требований и ожиданий, установленные клиентами. Разнообразный и сложный набор авиационных систем, основанных на различных частях авиации, например, крылья, двигатель, фюзеляж, шасси, хвост и канарды, означает множественные вызовы.

Работа с этим — искусство само по себе, и именно поэтому такие решения облегчаются с использованием техник, таких как Множественное атрибутное принятие решений (MADM). С помощью таких техник неявные соображения вводятся в игру, и принятие решений переходит от однозначного детерминированного подхода к динамическому и параметрическому подходу. Более того, такие техники, как Многодисциплинарный анализ и оптимизация дизайна, жизненно важны для выполнения запутанных наборов ограничений в такой среде. Эта техника обозначена в следующей диаграмме, изображающей взаимодействия между различными аэронавигационными специальностями.

Относительно неопределенности в стадии концептуального дизайна, как было обозначено ранее, установленные методы основаны на вероятностных теориях и методах дизайна. Эти методы включают использование функций плотности вероятности (PDF) и кумулятивных функций распределения (CDF) для каждого ограничения дизайна. Данные для нескольких ограничений дизайна затем собираются вместе и анализируются. Эти кумулятивные данные дают дизайнеру ясное понимание дизайнерской области и нужно ли ему ослабить какое-либо ограничение или внедрить какую-либо технологию для общего улучшения цикла дизайна.

Короче говоря, дизайнер создает связь между входными и выходными переменными, учитывая изменчивость входных факторов.

Предварительный дизайн

Эта стадия монументально критична для определения размеров различных дизайнерских факторов для концепции, финализированной в первой фазе. Это требует глубокого изучения и анализа междисциплинарных взаимодействий между различными системами и подсистемами авиации. Например, концепция аэроупругости — это комбинация структурной механики и аэродинамики.

В современную эру инженерии предварительная фаза дизайна также включает соображения надежности, обслуживаемости, устойчивости и управления, безопасности и экономики. Теперь мы обсудим более детально вызовы, лежащие в этой фазе дизайна, и оптимальный способ их решения.

Сложное, сложное и точное моделирование требует использования передовых числовых алгоритмов, например, Вычислительная гидродинамика и Анализ конечных элементов. Однако исключительно высокие вычислительные затраты означают другой вызов для дизайнеров. Следующая диаграмма образно изображает компромисс, вовлеченный в выбор инструментов высокой точности против использования простых симуляций.

Переход к сложным и высокоточным инструментам не только означает более высокие вычислительные затраты, но также есть вызов справиться с несколькими переменными, часто достигающими сотен, и их взаимозависимостью тоже. Таким образом, значительное время тратится на идентификацию и маппинг среды симуляции. (История не заканчивается!!!)

Если вы все еще заинтересованы в контенте, пожалуйста, прочитайте Дизайн авиации (Часть 2): Расширение горизонтов. Спасибо.