第一讲-飞机总体设计

飞机总体设计飞机设计研究所航空科学与工程学院飞机总体设计第一讲1课程服务团队武哲教授航空宇航科学与技术学科责任教授杨超教授航空科学与工程学院院长，气动弹性研究室主任张云飞教授长期从事飞行器设计和隐身技术的教学科研工作，并参加了某型飞机的研制，负责总体设计工作黄俊教授飞机系书记兼副主任，航空创新实践基地主任焦起祥长期从事飞机总体设计的教学与科研，制作了内容丰富的网络多媒体课件黄沛霖副教授飞行器设计专业博士，专长于飞行器隐身设计技术刘虎副教授飞行器设计专业博士，多年的计算机辅助飞机总体设计软件研发经验，AIAAMember2课程安排与评分方式课程安排课堂讲授专题讲座课程项目—设计小组／信息小组课堂展示课后作业上机练习3课程安排与评分方式设计小组—飞机概念方案设计任务：根据所给题目，选择某一类型的飞机进行概念设计，每组应完成至少2个方案的布局设计与初步布置以进行对比，完成其中至少1个方案的性能估算，完成演示文稿和设计报告人员：每班2个设计小组，每组10人左右4课程安排与评分方式信息小组—飞机总体设计数据资料收集与分析任务：利用飞机设计手册、飞机年鉴等资料，选定一个主题，收集各种飞机的相关文献和数据，进行分类整理和深入分析，总结规律，完成翻译*、演示文稿和分析报告人员：每班1个信息小组，除设计小组外的人员均应参加，每组不超过8人*每位组员应翻译一份1500字左右的所用英文资料（节选）5评分方式总分＝平时成绩＋期末笔试100％＝50％＋50％＊设计小组•平时成绩＝课程项目50％＝50％＊信息小组•平时成绩＝作业＋课程项目50％＝15％＋35％课程安排与评分方式6获取课件北航《飞机总体设计》精品课网站获取通知[e-mail](Password:design2008)————————————————意见与建议办公室：科研南1号楼301（刘虎）Tel:[phone]E-mail:[e-mail]8教材及部分参考书目顾诵芬,解思适.飞机总体设计.北京航空航天大学出版社，2001.Raymer,D.P.AircraftDesign:AConceptualApproach,3rd,1999.（89年版的中译本：《现代飞机设计》,1992）Roskam,J.AirplaneDesign.1985.Fielding,J.P.IntroductiontoAircraftDesign.London:CambridgeUniversityPress,1999Nicolai,L.M.飞机设计基本原理.赵先宁译.台北:徐氏基金会,1983.Brandt,S.A.,Stiles,R.J.,Bertin,etal.IntroductiontoAeronautics:ADesignPerspective.1997.方宝瑞.飞机气动布局设计.1997.Mattingly,J.D.,Heiser,W.H.,andDaley,D.H.AircraftEngineDesign.1987.9第一讲：绪论1.1什么是飞机设计？1.2什么是飞机总体设计？1.3总体设计的重要性1.4总体设计的特点1.5现代设计技术简介1.6设计中的团队协作101.1什么是飞机设计？所谓设计，便是创制某一产品之前的构思和体现这一构思结果的过程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111.1什么是飞机设计？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121.1什么是飞机设计？飞机研制过程—五个阶段的划分方式论证阶段—研究设计新飞机的可行性方案阶段—设计出可行的飞机总体技术方案工程研制阶段—进行详细设计，提供图纸试制原型机设计定型阶段—进行定型试飞生产定型阶段－少量改进，小批量生产13军用飞机的一般研制过程“路漫漫其修远兮......”论证阶段方案阶段工程研制阶段设计定型阶段生产定型阶段进一步改进分析使用环境拟定设计要求方案概念研究论证设计要求可行性决策战术技术要求及概念性方案三面图总体布置理论图结构受力系统全机各分系统设计要求发动机及主要机载设备选定决策全尺寸样机研制任务书是否否是飞机详细设计成品配套飞机试制地面模拟实验机上地面实验空、地勤培训及试飞准备决策原型机否是调整试飞定型试飞决策定型试飞报告否是建立生产线稳定工艺批生产飞机试飞鉴定决策批生产飞机交付部队否是1.2什么是飞机总体设计？14飞机设计的范围—主要涉及论证、方案和工程研制阶段对于设计阶段的划分和各阶段应完成的任务，没有完全统一的表述形式论证阶段方案阶段工程研制阶段设计定型阶段生产定型阶段进一步改进飞机设计1.2什么是飞机总体设计？151.2什么是飞机总体设计？飞机设计的三阶段划分方式制造设计要求概念设计（ConceptualDesign）初步设计（PreliminaryDesign）详细设计（DetailDesign）161.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—设计要求论证与研究171.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—概念设计飞机的布局与构型主要参数发动机、装载的布置三面图初步估算性能方案评估参数选择与权衡研究方案优化181.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—概念设计用CAD系统绘制的设计布置图191.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—初步设计冻结布局完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和理论外形（三维CAD模型）详细绘出飞机的总体布置图•机载设备•分系统•载荷和结构承力系统较精确的计算（重量重心、气动、性能和操稳等）模型吹风试验201.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—详细设计飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够指导生产的图纸•如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各系统总装配图，零构件图详细的重量计算和强度计算报告大量的实验•系统的台架试验•部分主要承力件的静动强度试验•.....准备原型机的生产211.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—原型机试制零件进行数控机械加工机身侧壁铆接装配机翼壁板进行铆接机头设备安装221.2什么是飞机总体设计？各阶段的任务—原型机试制机身段进行铆接飞机进行总装配飞机在试飞车间来源：ThecatalogueofMBBEconomyandEfficiencyalltheway,PrintinWestGermanybuMBB,5.85/1493231.2什么是飞机总体设计？飞机总体设计＝概念设计＋初步设计制造设计要求概念设计初步设计详细设计飞机总体设计241.3总体设计的重要性“管中窥豹”—机翼前梁在设计过程中的演变详细设计专注于每一个细节尺寸与参数初步设计表示出梁的截面变化概念设计仅仅是一个从翼根到翼梢的平面！“简单任务”？251.3总体设计的重要性“管中窥豹”—机翼前梁在设计过程中的演变概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费翼盒机翼油箱前缘襟翼前梁的位置261.3总体设计的重要性总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约80%的全寿命周期成本设计阶段人员比例概念设计1％初步设计9％详细设计90％271.3总体设计的重要性（决定的费用）（消耗的费用）281.4总体设计的特点科学性与创造性应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果总体设计没有“标准答案”美国JSF竞争291.4总体设计的特点反复循环迭代的过程设计要求技术可用性概念草图初次估计的参数选择初始设计初始分析－气动－重量－推进参数选择与性能优化修正设计分析－气动－重量－推进－操稳性－结构－费用－子系统－…细化的参数选择与性能优化新概念构思设计要求权衡初步设计概念设计流程参数选择与权衡研究设计分析设计方案设计要求“DesignWheel”301.4总体设计的特点高度的综合性—综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调从孤立专业的角度设计出的飞机气动力把机身、发动机、起落架这样降低气动效率的部件统统去掉！动力装置飞机？“会飞的发动机”？！重量重量工程师的梦想－航模飞机？布鲁恩＆米勒311.4总体设计的特点K.D.伍德321.5现代设计技术简介飞机设计过程的演化—来自Boeing的观点*需求或机会起步阶段（～1950）要求工程设计制图制造原型机（产品）试验用户订货？湮没是否*McMasters,J.H.,Cummings,R.M.AirplaneDesignasaSocialActivity:EmergingTrendsintheAerospaceIndustry(InvitedPaper).AIAAPaper2002-0516.：最具革命性的变化—数字计算机的出现成熟阶段（～1955-1985）·用户，市场和要求间的紧密联系·规范、标准等·大规模的组织·功能上的分离工程设计制图·大规模的组织·功能上的分离制造·详尽的实验·有限的原型制造大量的图纸和参与机构331.5现代设计技术简介飞机设计过程的演化现代（1990年之后）·“用户介入”·大量的律师·大规模（但更精益）的组织·集成化产品团队（IPTs）工程设计与制造外购·达到“价值链”的最高点·不再有纸制图纸·不再有垫片·“扁平的组织”用户获取“定制”（Defineproduce）支持•推动力：•外界政治经济环境的变化•CAD／CAE／CAM、CIMS等技术的迅速发展341.5现代设计技术简介虚拟风洞实验数字样机计算流体力学（CFD）351.5现代设计技术简介计算机辅助飞机概念设计软件使得设计者可以迅速地提出一个新颖的设计方案，并且不断地修改方案和进行权衡研究（tradestudies）—RaymerD.P.,“AircraftDesign：AConceptualApproach”显著减少对突然出现的设计项目的反应时间、极大地提高设计质量和在一定的资源水平下可同时进行的设计项目的数量使得解决更为大规模的设计问题成为可能—Isikveren,A.T.,Quasi-AnalyticalModelingandOptimisationTechniquesforTransportAircraftDesign.Stockholm:RoyalInstituteofTechnology,2002361.5现代设计技术简介几种典型的软件AAA美国DAR公司（J.Roskam）ACSYNTVirginia理工&NASAAmesRDS美国ConceptualResearch公司（D.P.Raymer）VisualCAPDABerlin工大•航空学院的航空实践创新基地已经购买371.5现代设计技术简介几种典型的软件SEACD北京航空航天大学＊教育版(CADS)可在航空创新实践基地使用更多软件介绍：•~mason/Mason_f/ACDesSR/review.html381.6设计中的团队协作来源:Brandtetal.391.6设计中的团队协作LockheedMartin的“臭鼬工厂”(SkunkWorks)401.6设计中的团队协作TheSkunkWorksapproachhasproventobethebestforsmallprojectsusingexperiencedteammembers–small,expert,teammemberswithlotsofresponsibility来源：W.H.Mason,Virginia理工411.6设计中