飞行器总体设计

飞机总体设计余雄庆南京航空航天大学2009年绪论•什么是工程设计•飞机设计的含义•飞机设计的过程•飞机设计的特点•本课程教学目标•课程将如何进行•课程的评分方法什么是工程设计•工程设计是指设计人员应用自然规律，通过分析、综合和创造思维将设计要求(系统要求)转化为一组能完整描述系统的参数(文档或图纸)的活动过程。什么是工程设计•Engineeringdesignisthetranslationofsomesetoffunctionalandaestheticdesiresintoinstructionsthatcouldbeusedtoconstructanobjectthatsatisfiesthesedesires.•Designinthematerialworldistheprocessbywhichideas,tastes,prejudices,scientificprinciplesandavailableresourcesareweightedandcombinedintoawell-definedplanfortheeventualconstructionofanobjectorsystem.工程设计、分析计算和科学研究自然规律自然规律系统或元件系统或元件输入输入输出输出给定求解过程输入、自然规律、系统输出分析计算输出、自然规律、系统输入逆分析输入、输出、系统自然规律科学研究输入、输出、自然规律系统工程设计飞机设计的含义•飞机设计是指设计人员应用气动、结构、动力、材料、工艺等学科知识，通过分析、综合和创造思维将设计要求转化为一组能完整描述飞机的参数的过程。•设计要求通常包括：-性能、载荷和使用要求-适航条例和设计规范-工艺和生产要求-环境要求-成本飞机设计的过程•概念设计(ConceptualDesign)＝技术经济可行性论证•初步设计(PreliminaryDesign)＝预发展（总体方案论证）总体设计=概念设计+初步设计设计要求设计要求技术储备技术储备概念设计输入•设计要求•设计规范工作内容•确定全机布局•确定主要参数确定•选择发动机•分系统架构•确定部件主要几何参数•初步的总体布置•方案分析与评估•总体参数优化•绘制三面图输出•初步方案的三面图•可行性论证报告•详细技术要求与目标目标•可行性论证：能否达到设计指标？•获得一个或几个能满足要求的初步方案方法与手段•统计数据•经验公式•工程估算公式•参数敏感分析•地毯图•总体分析软件•总体参数优化软件初步设计输入•概念设计结果•初始方案的外形CAD模型工作内容•细化和优化几何外形-气动设计、分析与优化•总体结构布置-结构分析与优化•多学科分析与优化•完整三面图和外形数模•飞机总体布置图-各种机载设备、各系统、载荷和结构承力系统•方案的进一步评估输出•全机外形数模•完整三面图/总体布置图•论证报告•全尺寸样机目标•细化、优化概念设计方案•确信方案能达到设计要求，冻结总体外形。方法与手段•CAD软件（CATIA）•基于数值仿真的方法－CFD、FEM、性能、气动优化、结构优化、多学科设计优化软件•风洞实验•工程样机详细设计输入•初步设计结果¾飞机外形数模；¾总体布置（数字样机；全尺寸样机）工作内容•部件设计和零构件设计•各系统的设计¾液压系统¾环控系统¾起落架系统……•详细的重量重心计算•强度计算报告•静强度、动强度和寿命试验•系统的地面台架试验•工装设计输出•部件总图、装配图、零件图•各系统总图、装配图、零件图目标•完成可用于制造加工的细节设计图和技术文件。方法与手段•CAD•CAM（FEM）•结构优化设计•系统可靠性设计•试验飞机设计的三个阶段•概念设计(ConceptualDesign)1%人员•初步设计(PreliminaryDesign)9%人员•详细设计（DetailDesign)90%人员设计工作特点•科学性与创造性–构思与分析–右脑与左脑•非唯一性•逐步细化•反复迭代，多轮逼近•多学科综合与协调设计工作的创造性构思（创造性）：提出各种各样方案Creativity:LeftBrain—RightBrain•Features••norules••uncriticalthinking••irrational••illogical••diverge••alternative•rigidrules•criticalthinking•rational•logical•converge•oneanswerAssociativeCreativeCreativeMind(RightBrain)CreativeSynthesisDeductiveAnalyticalJudicialMind(LeftBrain)AnalysisDecisionMaking反复迭代，多轮逼近设计要求设计方案计算和试验评估是否满足要求？是否最优？否修改方案多学科综合飞机设计空气动力学结构力学飞行力学航空发动机工程材料学自动控制……协调飞机设计的特点多学科综合协调多轮迭代逐步细化飞机设计的特点IntegratedMultidisciplinaryanalysisandoptimizationaerodynamicsstructureperformance……Disciplinesatgreaterdepthofdetail,butonseparatetracksconceptualpreliminarydetail分析评估逐渐深化飞机总体设计的重要性总体设计影响全寿命周期成本的85％！概念设计初步设计详细设计制造/采购使用维护报废20406080100085％95％65％全寿命周期影响寿命周期成本的程度概念设计流程设计要求、适航条例设计要求、适航条例设计要求、适航条例全机布局设计全机布局设计发动机选择发动机选择机身外形初步设计机身外形初步设计机翼外形初步设计机翼外形初步设计方案分析与评估重量特性气动特性动力特性性能评估操稳特性经济性分析噪声特性排放量可靠性维修性机场适应性……方案分析与评估重量特性气动特性动力特性性能评估操稳特性经济性分析噪声特性排放量可靠性维修性机场适应性……确定主要参数确定主要参数尾翼外形初步设计尾翼外形初步设计总体布置总体布置形成初步方案形成初步方案满足要求？方案最优？设计满足要求？方案最优？YesNo分系统分系统初步方案初步方案初步方案分析优化发动机短舱发动机短舱飞机设计工作的主要形式•尽可能熟悉多种飞机的方案特点•案例分析•团队的力量–头脑风暴•尽可能熟悉多种飞机的方案特点•案例分析•团队的力量–头脑风暴方案生成方案生成方案分析评估方案分析评估方案优选方案优选•定量方法–数学模型–计算机仿真•定性方法–专家打分•定量方法–数学模型–计算机仿真•定性方法–专家打分•参数分析•敏感度分析•试验设计法•优化方法•参数分析•敏感度分析•试验设计法•优化方法飞机设计应具备的知识与技能数据与经验◆数据收集◆统计分析◆经验积累数据与经验◆数据收集◆统计分析◆经验积累构思与决策◆综合与创新◆判断与决策构思与决策◆综合与创新◆判断与决策计算与分析◆几何计算◆气动计算◆结构分析◆重量计算◆性能计算计算与分析◆几何计算◆气动计算◆结构分析◆重量计算◆性能计算绘图与CAD◆部件外形图◆三面图◆总体布置图绘图与CAD◆部件外形图◆三面图◆总体布置图本课程教学目标•掌握飞机设计的一般过程和方法•提供一个飞机设计的经历•融汇贯通前修课程所学的知识•提高综合分析、判断和决策能力•培养团队工作精神•培养制定计划、组织协调的基本能力•提高书面和口头表达能力课程评分内容与方法•设计报告50%•笔试50%•得分：设计报告+笔试成绩•设计报告评分标准：–完整性–正确性和合理性–清晰性设计报告内容•设计要求拟定•飞机构形的确定•飞机主要参数计算•发动机选择•部件外形设计•飞机总体布置•重量重心计算•气动特性分析•飞行性能分析计算•三面图•总结课程如何进行•教员-讲解总体设计的方法-讲解分析和综合方法•学生（分组）-完成设计报告-笔试•采用“基于问题的教学”方法9以解决某飞机总体设计问题为中心，进行“教”与“学”。9不仅仅是获取有关飞机总体设计的知识，更重要的是学会如何应用知识来解决问题。课程网站参考教材1.L.R.Jenkinson,P.Simpkin,D.Rhodes,CivilJetAircraftDesign,AIAAInc,19992.D.P.Raymer,AircraftDesign:AConceptualApproach,AIAAEducationSeries.1992.3.J.Roskam,AirplaneDesign,PartⅠ-PartⅧ,RoskamAviationandEngineeringCorporation,Ottawa,Kansas,19854.D.Howe,AircraftConceptualDesignSynthesis,ProfessionalEngineeringPublishingLimited,London,UK,2000.5.AircraftDesign：SynthesisandAnalysis,（stanford大学教材）：，SynthesisofSubsonicAirplaneDesign，DelftUniversityPress,1982.8.余雄庆，徐惠民，昂海松，飞机总体设计，航空工业出版社，2000年。9.顾诵芬、解思适等编，飞机总体设计，北京航空航天大学出版社，2001年。10.李为吉主编，现代飞机总体综合设计，西北工业大学出版社，2001年。11.谢·米·叶格尔[俄]等著，杨景佐、胡传泰等译，《飞机设计》，航空工业出版社，1986年。12.Nicolai著，赵先宁译，《飞机设计基本原理》，台湾，徐氏基金会，1975年.