《飞机总体设计》电子教案2009最新版-南航-余雄庆-620页-单个PDF.pdf
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飞机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什么是工程设计飞机设计的含义飞机设计的含义飞机设计的过程飞机设计的过程飞机设计的特点飞机设计的特点本课程教学目标本课程教学目标课程将如何进行课程将如何进行课程的评分方法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)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)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。
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自然规律自然规律系统或元件系统或元件系统或元件系统或元件输入输入输入输入输出输出输出输出给定给定求解求解过程过程输入、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。
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:
设计要求通常包括:
-性能、载荷和使用要求-性能、载荷和使用要求-适航条例和设计规范-适航条例和设计规范-工艺和生产要求-工艺和生产要求-环境要求-环境要求-成本-成本飞机设计的过程概念设计概念设计(ConceptualDesign)技术经济可行性论证技术经济可行性论证初步设计初步设计(PreliminaryDesign)预发展(总体方案论证)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设计要求设计要求技术技术储备储备技术技术储备储备概念设计输入输入设计要求设计要求设计规范设计规范工作内容工作内容确定全机布局确定全机布局确定主要参数确定确定主要参数确定选择发动机选择发动机分系统架构分系统架构确定部件主要几何参数确定部件主要几何参数初步的总体布置初步的总体布置方案分析与评估方案分析与评估总体参数优化总体参数优化绘制三面图绘制三面图输出输出初步方案的三面图初步方案的三面图可行性论证报告可行性论证报告详细技术要求与目标详细技术要求与目标目标目标可行性论证:
能否达到设计指标?
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获得一个或几个能满足要求的初步方案方法与手段方法与手段统计数据统计数据经验公式经验公式工程估算公式工程估算公式参数敏感分析参数敏感分析地毯图地毯图总体分析软件总体分析软件总体参数优化软件总体参数优化软件初步设计输入输入概念设计结果概念设计结果初始方案的外形CAD模型初始方案的外形CAD模型工作内容工作内容细化和优化几何外形细化和优化几何外形-气动设计、分析与优化气动设计、分析与优化总体结构布置总体结构布置-结构分析与优化结构分析与优化多学科分析与优化多学科分析与优化完整三面图和外形数模完整三面图和外形数模飞机总体布置图飞机总体布置图-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方案的进一步评估输出输出全机外形数模全机外形数模完整三面图/总体布置图完整三面图/总体布置图论证报告论证报告全尺寸样机全尺寸样机目标目标细化、优化概念设计方案细化、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。
确信方案能达到设计要求,冻结总体外形。
方法与手段方法与手段CAD软件(CATIA)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风洞实验工程样机工程样机详细设计输入输入初步设计结果初步设计结果?
飞机外形数模;飞机外形数模;?
总体布置(数字样机;全尺寸样机)总体布置(数字样机;全尺寸样机)工作内容工作内容部件设计和零构件设计部件设计和零构件设计各系统的设计各系统的设计?
液压系统液压系统?
环控系统环控系统?
起落架系统起落架系统详细的重量重心计算详细的重量重心计算强度计算报告强度计算报告静强度、动强度和寿命试验静强度、动强度和寿命试验系统的地面台架试验系统的地面台架试验工装设计工装设计输出输出部件总图、装配图、零件图部件总图、装配图、零件图各系统总图、装配图、零件图各系统总图、装配图、零件图目标目标完成可用于制造加工的细节设计图和技术文件。
完成可用于制造加工的细节设计图和技术文件。
方法与手段方法与手段CADCADCAM(FEM)CAM(FEM)结构优化设计结构优化设计系统可靠性设计系统可靠性设计试验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科学性与创造性构思与分析构思与分析右脑与左脑右脑与左脑非唯一性非唯一性逐步细化逐步细化反复迭代,多轮逼近反复迭代,多轮逼近多学科综合与协调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:
LeftBrainRightBrainFeaturesnorulesuncriticalthinkingirrationalillogicaldivergealternativerigidrulescriticalthinkingrationallogicalconvergeoneanswerAssociativeCreativeCreativeMind(RightBrain)CreativeSynthesisDeductiveAnalyticalJudicialMind(LeftBrain)AnalysisDecisionMaking反复迭代,多轮逼近设计要求设计要求设计方案设计方案计算和试验计算和试验评估评估是否满足要求?
是否最优?
是否满足要求?
是否最优?
否修改方案否修改方案多学科综合飞机设计飞机设计空气动力学空气动力学结构力学结构力学飞行力学飞行力学航空发动机航空发动机工程材料学工程材料学自动控制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多学科综合协调多轮迭代逐步细化飞机设计的特点IntegratedMultidisciplinaryanalysisandoptimizationaerodynamicsstructureperformanceDisciplinesatgreaterdepthofdetail,butonseparatetracksconceptualpreliminarydetail分析评估逐渐深化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!
总体设计影响全寿命周期成本的85!
概念设计概念设计初步设计初步设计详细设计详细设计制造制造/采购采购使用维护使用维护报废报废204060801000859565全寿命周期全寿命周期影响寿命周期成本的程度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全机布局设计全机布局设计发动机选择发动机选择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机翼外形初步设计机翼外形初步设计方案分析与评估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尾翼外形初步设计尾翼外形初步设计总体布置总体布置总体布置总体布置形成初步方案形成初步方案形成初步方案形成初步方案满足要求?
方案最优?
满足要求?
方案最优?
设计设计满足要求?
方案最优?
满足要求?
方案最优?
YesNo分系统分系统分系统分系统初步方案初步方案初步方案初步方案初步方案初步方案分析分析优化优化发动机短舱发动机短舱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尽可能熟悉多种飞机的方案特点案例分析案例分析团队的力量团队的力量头脑风暴头脑风暴尽可能熟悉多种飞机的方案特点尽可能熟悉多种飞机的方案特点案例分析案例分析团队的力量团队的力量头脑风暴头脑风暴方案生成方案生成方案生成方案生成方案分析评估方案分析评估方案分析评估方案分析评估方案优选方案优选方案优选方案优选定量方法定量方法数学模型数学模型计算机仿真计算机仿真定性方法定性方法专家打分专家打分定量方法定量方法数学模型数学模型计算机仿真计算机仿真定性方法定性方法专家打分专家打分参数分析参数分析敏感度分析敏感度分析试验设计法试验设计法优化方法优化方法参数分析参数分析敏感度分析敏感度分析试验设计法试验设计法优化方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与经验数据收集统计分析经验积累数据收集统计分析经验积累数据与经验数据与经验数据收集统计分析经验积累数据收集统计分析经验积累构思与决策构思与决策综合与创新判断与决策综合与创新判断与决策构思与决策构思与决策综合与创新判断与决策综合与创新判断与决策计算与分析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几何计算气动计算结构分析重量计算性能计算绘图与CAD绘图与CAD部件外形图三面图总体布置图部件外形图三面图总体布置图绘图与CAD绘图与CAD部件外形图三面图总体布置图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提供一个飞机设计的经历融汇贯通前修课程所学的知识融汇贯通前修课程所学的知识提高综合分析、判断和决策能力提高综合分析、判断和决策能力培养团队工作精神培养团队工作精神培养制定计划、组织协调的基本能力培养制定计划、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%设计报告50%笔试50%笔试50%得分:
设计报告+笔试成绩得分:
设计报告+笔试成绩设计报告评分标准:
设计报告评分标准:
完整性完整性正确性和合理性正确性和合理性清晰性清晰性设计报告内容设计报告内容设计要求拟定设计要求拟定飞机构形的确定飞机构形的确定飞机主要参数计算飞机主要参数计算发动机选择发动机选择部件外形设计部件外形设计飞机总体布置飞机总体布置重量重心计算重量重心计算气动特性分析气动特性分析飞行性能分析计算飞行性能分析计算三面图三面图总结总结课程如何进行教员教员-讲解总体设计的方法-讲解总体设计的方法-讲解分析和综合方法-讲解分析和综合方法学生(分组)学生(分组)-完成设计报告-笔试-完成设计报告-笔试采用采用“基于问题的教学基于问题的教学”方法方法?
以解决某飞机总体设计问题为中心,进行以解决某飞机总体设计问题为中心,进行“教教”与与“学学”。
?
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http:
/JetAircraftDesign,AIAAInc,19992.D.P.Raymer,AircraftDesign:
AConceptualApproach,AIAAEducationSeries.1992.3.J.Roskam,AirplaneDesign,Part-Part,RoskamAviationandEngineeringCorporation,Ottawa,Kansas,19854.D.Howe,AircraftConceptualDesignSynthesis,ProfessionalEngineeringPublishingLimited,London,UK,2000.5.AircraftDesign:
SynthesisandAnalysis,(stanford大学教材):
http:
/adg.stanford.edu/aa241/6.R.D.Schaufele,TheElementofAircraftPreliminaryDesign,AriesPublications,SantaAna,California,2000.7.Torenbeek,SynthesisofSubsonicAirplaneDesign,DelftUniversityPress,1982.8.余雄庆,徐惠民,昂海松,飞机总体设计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。
,航空工业出版社,2000年。
9.顾诵芬、解思适等编,飞机总体设计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。
,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。
,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。
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.12.Nicolai著,赵先宁译,飞机设计基本原理,台湾,徐氏基金会,1975年.飞机设计依据飞机设计依据飞机设计的基本要求飞机设计的基本要求飞机设计规范和适航性条例飞机设计规范和适航性条例评价飞机设计方案准则评价飞机设计方案准则飞机设计的基本要求飞机的类型和基本任务飞机的类型和基本任务类型类型军用机:
战斗机,轰炸机,军用机:
战斗机,轰炸机,.民用飞机:
客机,货机,公务机,民用飞机:
客机,货机,公务机,基本任务基本任务飞行任务剖面图飞行任务剖面图有效载荷有效载荷民用飞机:
旅客数;行李重量;货物重量民用飞机:
旅客数;行李重量;货物重量军用飞机:
空勤人员;武器弹药;装备军用飞机:
空勤人员;武器弹药;装备飞机设计的基本要求民机典型飞行剖面图民机典型飞行剖面图飞机设计的基本要求飞行性能指标飞行性能指标飞行速度指标:
最大速度,巡航速度,失速速度飞行速度指标:
最大速度,巡航速度,失速速度飞行高度指标:
巡航高度,升限飞行高度指标:
巡航高度,升限耐航性指标:
航程,作战半径,最大续航时间耐航性指标:
航程,作战半径,最大续航时间起飞着陆指标:
起飞速度,起飞距离,速度着陆,着陆距离起飞着陆指标:
起飞速度,起飞距离,速度着陆,着陆距离机动性能指标机动性能指标改变飞行高度能力:
爬升率改变飞行高度能力:
爬升率改变飞行速度能力:
加速性能改变飞行速度能力:
加速性能改变飞行方向能力:
转弯半径改变飞行方向能力:
转弯半径关于性能指标航程航程航程对飞机重量的确定有很大影响航程对飞机重量的确定有很大影响列出覆盖机场的距离,在此基础上确定航程。
列出覆盖机场的距离,在此基础上确定航程。
巡航速度巡航速度对于短中程客机巡航速度一般不大于对于短中程客机巡航速度一般不大于M0.8对于远程客机巡航速度一般大于对于远程客机巡航速度一般大于0.84起飞距离起飞距离对于短中程客机,一般在对于短中程客机,一般在55007500ft对于大型客机(远程),一般在对于大型客机(远程),一般在800011000ft着陆距离着陆距离一般小于或等于起飞距离一般小于或等于起飞距离飞机设计的基本要求(续)舒适性指标舒适性指标座椅排距座椅排距客舱过道宽度客舱过道宽度座椅宽度座椅宽度座舱噪声座舱噪声环保指标环保指标噪音水平噪音水平排放量排放量经济性指标经济性指标座公里油耗座公里油耗直接使用成本直接使用成本可靠性可靠性签派可靠度签派可靠度设计经济寿命设计经济寿命飞行小时飞行小时日历年日历年环保要求将会日益重要噪声问题噪声问题美国美国50个最大机场认为噪声是他们的最大问题。
个最大机场认为噪声是他们的最大问题。
A380降噪设计修改付出的代价降噪设计修改付出的代价为了满足伦敦为了满足伦敦Headrow机场夜间对噪声的限制,航空公司要求空客对机场夜间对噪声的限制,航空公司要求空客对A380的设计进行修改。
的设计进行修改。
修改结果:
发动机风扇比原先低油耗确定的发动机风扇大得多,发动机、吊舱、挂架和机翼不得不重新设计。
最终使噪声降低了修改结果:
发动机风扇比原先低油耗确定的发动机风扇大得多,发动机、吊舱、挂架和机翼不得不重新设计。
最终使噪声降低了12dB。
代价:
油耗增加代价:
油耗增加12。
昂贵的代价!
。
昂贵的代价!
排放要求排放要求随着机对队数量日益增加,对机场污染和对气候的影响将成为重要问题。
随着机对队数量日益增加,对机场污染和对气候的影响将成为重要问题。
关于设计要求的一些说明重要性重要性很大程度上决定了飞机的市场竞争力。
很大程度上决定了飞机的市场竞争力。
定义定义“什么样的飞机什么样的飞机”也许比研究也许比研究“如何设计飞机如何设计飞机”更为重要。
更为重要。
如何确定设计要求如何确定设计要求实际需要实际需要军机:
通常由军方提出军机:
通常由军方提出民机:
市场调研与预测;意向客户;竞争机型分析民机:
市场调研与预测;意向客户;竞争机型分析可能性可能性技术方面技术方面经费方面经费方面进度方面进度方面型号合格证、生产许可证、适航证为保证在社会上公共销售和使用的民机都达到标准。
管理部门制定了对新设计的民机按“适航标准”进行审定。
为保证在社会上公共销售和使用的民机都达到标准。
管理部门制定了对新设计的民机按“适航标准”进行审定。
型号合格证型号合格证对合格型号颁发型号合格证对合格型号颁发型号合格证生产许可证生产许可证对生产该机型的工厂审定其技术能力,保证所生产的飞机都达到原设计状态,对合格生产厂家颁发生产许可证。
对生产该机型的工厂审定其技术能力,保证所生产的飞机都达到原设计状态,对合格生产厂家颁发生产许可证。
适航证适航证对生产出的每架飞机,经检查后颁发适航证。
对生产出的每架飞机,经检查后颁发适航证。
飞机设计规范和适航性条例什么是飞机设计规范和适航性条例?
什么是飞机设计规范和适航性条例?
是航空运输的最低安全标准。
是航空运输的最低安全标准。
在进行飞机设计时必须遵守的有关规定,是飞机设计的在进行飞机设计时必须遵守的有关规定,是飞机设计的“法律法律”。
指令性规定涵盖:
指令性规定涵盖:
设计情况、安全系数、过载系数、重量极限、重心位置、重量分配、操纵性、稳定性、配平、飞行载荷、飞行包线、突风载荷、起飞与着陆、强度和变形、结构试验、飞行试验、飞行品质、使用极限、起落装置、动力装置、飞机设备、操纵系统、安全措施等。
设计情况、安全系数、过载系数、重量极限、重心位置、重量分配、操纵性、稳定性、配平、飞行载荷、飞行包线、突风载荷、起飞与着陆、强度和变形、结构试验、飞行试验、飞行品质、使用极限、起落装置、动力装置、飞机设备、操纵系统、安全措施等。
适航性条例的特点法规性法规性适航性条例是以法律条文的格式编写的,有相当部分的条款是原则性的、定性的要求,这与法律条文应具有的概括性和普适性是一致的。
适航性条例是以法律条文的格式编写的,有相当部分的条款是原则性的、定性的要求,这与法律条文应具有的概括性和普适性是一致的。
务实性务实性航空器使用中的经验总结航空器使用中的经验总结例如,破损安全设计准则例如,破损安全设计准则新技术、新型号的发展新技术、新型号的发展例如,电传操纵飞机例如,电传操纵飞机稳健性稳健性适航标准只反映已被证实的、成熟的航空科技技术,而不反映最新的进展。
适航标准只反映已被证实的、成熟的航空科技技术,而不反映最新的进展。
平衡性平衡性在安全性、实用性和经济性之间取得平衡。
在安全性、实用性和经济性之间取得平衡。
按适航标准设计的飞机具有满足按适航标准设计的飞机具有满足“公众可以接受的安全水平公众可以接受的安全水平”的安全性。
的安全性。
与飞机相关的适航性条例美国美国联邦适航条例(联邦适航条例(FAR)Part25(重量大于(重量大于12500lb)联邦适航条例(联邦适航条例(FAR)Part23(重量小于(重量小于12500lb)欧洲欧洲联合适航条例(联合适航条例(JAR)Part25(重量大于(重量大于5700kg)联合适航条例(联合适航条例(JAR)Part23(重量小于(重量小于5700kg)中国中国CCAR25中国民用航空规章第中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准(重量大于部运输类飞机适航标准(重量大于5700kg)CCAR23中国民用航空规章第中国民用航空规章第23部运输类飞机适航标准(重量小于部运输类飞机适航标准(重量小于5700kg)与总体设计密切相关一些条例与机翼参数和发动机选择有关的要求与机翼参数和发动机选择有关的要求起飞距离与着陆距离起飞距离与着陆距离单发停车爬升率单发停车爬升率与尾翼参数设计有关的要求与尾翼参数设计有关的要求稳定性与操纵性稳定性与操纵性与重量有关的要求与重量有关的要求对载荷要求对载荷要求与客舱布置有关的要求与客舱布置有关的要求应急出口的要求应急出口的要求起飞性能要求“决策速度”和“平衡场地长度”的概念决策速度决策速度当发动机在大于V当发动机在大于V11时失效,飞机应继续起飞;发动机在小于V时失效,飞机应继续起飞;发动机在小于V11时失效,应立即关闭所有发动机,刹车减速,停止起飞。
速度V时失效,应立即关闭所有发动机,刹车减速,停止起飞。
速度V11就称为就称为“决策速度决策速度”。
平衡场地长度平衡场地长度在V在V11时刻发觉一台发动机失效后,飞机继续起飞到安全高度上所经过的水平距离,等于在V时刻发觉一台发动机失效后,飞机继续起飞到安全高度上所经过的水平距离,等于在V11时刻放弃起飞,迫使飞机减速停止所需的滑跑距离。
时刻放弃起飞,迫使飞机减速停止所需的滑跑距离。
着陆性能要求Definitionofapproachandlanding评价飞机设计方案准则
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