飞机设计导论(特别版)_飞机概念设计之概论

飞机概念设计概论之概论,刘虎航空科学与工程学院,IntroductiontoAircraftDesign(SpecialEdition),Copyright200-2007byLiuHu,提纲,简单任务？按图索骥？从构思到概念机一言堂Vs裁判组千里挑一漫长的旅程,概念设计的内容设计流程方案的生成方案分析与评估方案优化概念设计之后,简单任务？,对设计阶段的划分和各阶段应完成的任务没有明确和统一的表述形式,简单任务？,所占时间相对短，设计自由度高大量的关键性决策确定一架飞机约80%的全寿命周期成本,简单任务？,“系统综合”综合考虑设计要求的各个方面及不同学科专业间的协调“系统之系统”(System-of-systems)现实的差距“与时俱进”更高更多的要求更强的工具与手段更新的思想,K.D.伍德,按图索骥？,基本的演化过程生成分析评估优化反复迭代多方案的对比“仁者见仁，智者见智”不同设计者通常会有最适合自己的工作方式不同类型的飞机应当按照不同的方式来设计即便是同一类型的飞机也应根据设计要求的不同开展工作,按图索骥？,从构思到概念机,STEP-BY-STEPStep1：明确设计要求设计要求主要由使用方提出，尽管在设计过程中会对其进行修正，但在进行初始布局时必然需要以一系列的要求为依据设计要求的内容：有效载荷、乘员情况、航程、起飞着陆距离、飞行性能、起飞噪音（民机）、盘旋半径（军机）、RCS任务剖面FAR,MilSpec.；CCAR，国军标与设计相应的技术水平,从构思到概念机,Step1：明确设计要求,从构思到概念机,Step2：数据收集确定主要标准部件的形状和重量APU（Auxiliarypowerunit,辅助动力装置）、座椅、炸弹、机炮、盥洗室可能的发动机了解相关领域的最新水平气动、结构、飞控系统、隐身技术需要由不同专业组成的一个团队进行工作“臭鼬”工厂（洛克希德）、“鬼怪”工厂（波音）“oneperson,notateam,conceivesagivendesign!”,“勿在浮砂筑高台”*候俊杰深入浅出MFC,从构思到概念机,Step3：概念草图（ConceptualSketch）画出多个候选方案，不要指望一开始就知道该怎么做在可能的情况下对多个方案都进行分析和优化,从构思到概念机,Step3：概念草图（ConceptualSketch）,从构思到概念机,Step3：概念草图（ConceptualSketch）草图的作用确定你对要设计的整体印象勾画出气动布局确定在哪里布置机组、有效载荷、乘员、起落架、发动机、燃油和主要的子系统可以用于估算初始重量和阻力等特性不必绘制草图的情况形状相对固定的民机其他的原准设计,从构思到概念机,Step3：概念草图（ConceptualSketch）,从构思到概念机,Step3：概念草图（ConceptualSketch）,飞机说明书简氏飞机年鉴设计教科书期刊杂志互联网,从构思到概念机,Step4：初始参数选择（InitialSizing）进行估算的依据：设计要求，设计草图、所选发动机需要估算的参数起飞总重、燃油重量、所需推重比T/W，翼载荷W/S初步确定机翼几何外形、轮胎大小、油箱容积确定喷气式飞机的进气道捕获面积螺旋桨推进式飞机的螺旋桨直径机翼前后主梁的百分比弦长位置寻求结构燃油主要的襟副翼在空间上的平衡,从构思到概念机,Step5：开始设计布置（DesignLayout）从机翼开始几何参数：展弦比（Ab2/S）、后掠角、尖削比在全机中的位置根据与重心(c.g.)位置的关系确定设计机身近似确定起始位置放置最大的标准部件（发动机、有效载荷、驾驶舱）将被持续修改，以便能“包”住内部的部件确定尾翼大小尾容量AH=lHSH/(bASw)（平尾）尽快把起落架放进去,从构思到概念机,Step5：开始设计布置（DesignLayout）,从构思到概念机,Step6：初步放样（InitialLofting）选取控制站位（ControlStations）用于定义外形的站位其他站位用于实现控制站位间的光顺尽可能少的数目，避免扭曲所处的位置应当以包住大的内部部件为准满足飞行员视野等几何约束确定每个剖面上曲线的数目和类型对于绘图板作业，将确定纵向控制线的数目在CAD系统中，将确定曲面片（patches)的数目避免数目和类型过多,从构思到概念机,Step6：初步放样（InitialLofting）,从构思到概念机,Step7：主要系统的细化设计起落架电子设备有效载荷燃油系统“如果在进行放样前没有考虑放置起落架，在这一步中十之八九是放不进去了！”,从构思到概念机,Step7：主要系统的细化设计,从构思到概念机,Step8：设计布置终了,W0,WFSwA,LE,从构思到概念机,Step9：仔细分析设计布置湿面积（浸润面积）机翼外露面积体积分布燃油容积其他为分析所需的数据,从构思到概念机,Step10：重画方案“Donotfallinlovewithyourdesign”总是会有的改进余地起落架够简洁吗？机身可否更短些？湿面积能否减少？设计是否具有改进的潜力？必然会根据后续的分析和优化结果进行修改,一言堂Vs裁判组,“更远、更快、更高（farther、faster、higher）”飞行性能的主导地位,一言堂Vs裁判组,“更远、更快、更高”的时代飞行性能的主导地位重量特性气动特性动力特性,一言堂Vs裁判组,新的问题，新的要求隐身性能气动弹性,一言堂Vs裁判组,新的问题，新的要求噪音经济性“leaner、meaner、greener（更精益、更平均、更环保）*”,*McMasters,J.H.,Cummings,R.M.AIAAPaper2003-0553,一言堂Vs裁判组,新的问题，新的要求噪音经济性,1998年飞行候机线？(L.M.Nicolai),一言堂Vs裁判组,如何计算各种特性?且听其他老师分解基本原则效率为先，精度次之大致估计，重在对比工程估算为主大量已有数据的支撑精度与效率间的权衡,千里挑一,基本的权衡毯式图(CarepetPlot)怎样的T/WW/S组合可以得到满足要求且重量最小的方案？6个变量的情况下，至少需要36(729)个点，更合理的情况下需要56(15,625)个点-如何绘制一个6维的毯式图？,RDS,千里挑一,多变量优化1985年：“1050个独立变量”(Torenbeek,E.AIAAPaper85-3081)应用设计实验技术（DesignofExperiment，DOE）辨识对目标函数和约束的贡献大小来减少设计变量的数量响应面拉丁超立方应用近似模型代替需要复杂计算分析的目标和约束函数，减少计算成本,千里挑一,多目标优化多学科优化（MDO）优化问题的规模进一步扩大评判标准？不存在“最优解”，只能寻求满足约束集的Pareto最优解，或称非劣解变多目标为单目标高级优化策略（并行子空间，协同优化）研究的主要方向算法策