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飞机概念设计—概论之概论刘虎航空科学与工程学院IntroductiontoAircraftDesign(SpecialEdition)Copyright©200-2007byLiuHu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制造设计要求概念设计依据何种要求进行设计？什么样的？多重？多贵？应权衡哪些因素？应采用哪些技术？按所提要求能否完成可行和卖得出去的设计？初步设计详细设计简单任务？•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0%25%50%75%100%设计过程中所占时间分析的精确度概念设计初步设计详细设计自由设计变量简单任务？•“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？初始方案设计要求备选可行方案包含n个元素的可行方案集优化后的方案集1优化后的方案集2优化后的方案集n......优化方案主要设计参数•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？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（A＝b2/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,WF•Sw•A,λ,ΛLE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—“Donot‘fallinlove’withyourdesign”•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/W－W/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：“10～50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•策略•？HOT！漫长的旅程“成功？方案才刚上路呢！”•初步设计和详细设计•更多的内容、更多的细节•耗时更多、对资源要求更高的分析优化•大量的实验•更多人的协同•更多的钱•制造•试飞漫长的旅程“Howcouldtheendbehappy?”漫长的旅程“Whereisyoudesign??”Thankyou!