Vliegtuigontwerp (deel 2):​​horizonten uitbreiden

Geplaatst op:25 december 2020, | By WayKen Snelle productie

Moderne technische besluitvormers beschouwen het gebruik van buitensporige rekenkracht in dit stadium als nutteloos en als een tijdvreter. De toepassing van technieken met benaderingen is veel efficiënter en helpt de tijd te verminderen die nodig is om parametrische modellering uit te voeren. Dergelijke technieken omvatten onder meer Reduced Order Modeling, die de wiskundige complexiteit van het systeem reduceerde en er tegelijkertijd voor zorgde dat de fysica van de heersende partiële differentiaalvergelijkingen intact bleef.

Nadat de eerste analyse is uitgevoerd, komt een iteratieve procedure in het spel waarbij de resultaten wijzigingen in het ontwerp voor optimalisatie dicteren. Deze procedure vormt de schakel tussen de conceptuele en voorlopige ontwerpfasen. Zie meer het detail Industrial Design Prototyping.

Laten we eens kijken naar een samengevatte vorm van het beroemde Howe-model voor projectsyntheseproces.

• Het wordt beschouwd als een uitbreiding op de haalbaarheidsstudie, maar met meer detail en complexiteit.
• De eerste fase van dit proces is de selectie van een of meer configuraties.
• De tweede fase staat bekend als de Flight Regime en Powerplant-selectie. In dit stadium wordt voor een bepaalde reeks bedrijfsomstandigheden, d.w.z. Mach-nummer, enz., het te selecteren motortype op de shortlist geplaatst, d.w.z. turboprop, piston-prop, turbofan, turbofan met lage bypass, turbojet, ramjet, enz.
• De volgende fase betreft de selectie van de lay-out van de romp. De details van het laadvermogen zijn vaak de drijvende factor achter deze fase. Dit biedt een goed uitgangspunt voor de eerste voorspelling van de vliegtuigmassa.
• De configuratie van de vleugel komt als volgende. Dit is een complexe procedure voor het aerodynamicalab waar een groot aantal parameters bij betrokken zijn. Het is een fundamentele fase in het voorontwerpproces. Het leidt tot een eerste schatting van lift, weerstand, de massa van een vliegtuig en helpt ook bij het maken van schattingsberekeningen voor de vleugelbelasting nadat de opeenvolgende analyse is uitgevoerd. Schattingen van de vleugelbelasting worden uitgevoerd op basis van theoretische vergelijkingen die zijn afgestemd op empirische gegevens voor verschillende vluchtomstandigheden. Het helpt ook om een ​​ruwe schatting te maken van de stuwkracht-gewichtsverhouding.
• Ten slotte komen de parametrische analysefasen in het spel. De eerste fase combineert vleugel- en rompafmetingen om een ​​reeks resultaten voor elke vluchtfase te produceren. Dit resulteert in de vorming van een ontwerpruimte. Geschikte sets vleugelbelasting en stuwkracht-gewichtsverhoudingen worden geselecteerd voor de tweede fase van de parametrische analyse.
• De tweede fase van de parametrische analyse omvat de gekozen gegevenssets om de totale vliegtuigmassa te berekenen. De set die de optimale massawaarde biedt, wordt gebruikt om een ​​scheidsrechtersontwerp te maken dat vervolgens wordt gebruikt voor diepgaande analyse en evaluatie.
• Het ontwerp van de scheidsrechter wordt geëvalueerd, wat op zijn beurt voorziet in:
  • Geschatte afmetingen voor stuurvlakken
  • Hulp bij het voltooien van de lay-out van het landingsgestel
  • Betere schatting van waarden voor lift, weerstand en massa
  • Herziene berekeningen voor prestatiekenmerken op basis van afgestemde invoergegevens en complexe schattingsmethoden
  • Herhaling van de procedure vindt plaats totdat aan de massaconvergentiecriteria is voldaan
• Aan het einde van deze ontwerpfase worden gevoeligheidsontwerpstudies uitgevoerd om kritische ontwerpgebieden te identificeren met behulp van grafische of wiskundige technieken. Daarnaast vinden gelijktijdig andere werkzaamheden plaats, waaronder het ontwerpen van hydraulische, elektrische, brandbestrijdings-, ijsbeschermings- en pneumatische systemen.

De volgende fase, d.w.z. de gedetailleerde ontwerpfase, is waar de magie gebeurt, d.w.z. het ontwerp is volledig gedefinieerd, schaalmodellen voor testen worden besteld bij een prototypefabrikant en vervolgens worden de definitieve tekeningen op basis van Design for Assembly en Design for Manufacturing opgesteld met werkelijke topologieën , geometrieën, afmetingen, toleranties en materiaalspecificaties. Laten we dit nu in meer detail bespreken in de volgende sectie.

Gedetailleerd ontwerp

De focus van deze fase ligt vooral op het verkrijgen van verificaties voor de ontwerpprocedures die in de eerdere fasen zijn geschetst. Het is de meest uitgebreide fase van het gehele ontwerpproces. Het richt zich op het definitieve ontwerp, de prototyping en het testen van elk onderdeel. Op basis van de gegevens die zijn verkregen uit de voorlopige ontwerpfase, omvat deze fase het gebruik van Computer-Aided Design- en Computer-Aided Manufacturing-pakketten ter ondersteuning van ontwerpactiviteiten.

Er zijn drie factoren in overweging:prestaties, productiekosten, de benodigde tijd en operationele efficiëntie. Voor een uitgebreid resultaat zijn er twee soorten testprocedures, namelijk grondtesten en testen tijdens de vlucht. Laten we de details van beide typen eens nader bekijken.

• Tests op de grond: Het omvat windtunneltests om de resultaten van CFD-pakketten, structurele tests, evaluatie van de luchtvaartelektronica en systeemcontrole te valideren. Dit is de fase waarin prototyping de dag redt. Prototyping van geschaalde onderdelen voor eerste tests is de sleutel om kosten en kostbare tijd te besparen. Een goede prototyping-serviceprovider zal de juiste expertise gebruiken om de structuur van uw kant uit de vereiste materiaalspecificaties te maken. Het prototype kan worden gebruikt om sterkte, stijfheid, flutter, elastische stabiliteit en andere systeemparameters te analyseren. Statische belasting, dynamische belasting, modale vibratieanalyse en flutteranalyse zijn enkele van de belangrijkste tests die moeten worden uitgevoerd. Voor geschaalde vliegtuigonderdelen biedt stereolithografie 3D-printen de vereiste nauwkeurigheid voor een uitgebreide evaluatie tussen geschetst ontwerp en experimentele resultaten.
• Test tijdens de vlucht: De betrokkenheid van certificeringsinstanties om de prestaties en vluchtkenmerken van het eigenlijke vliegtuig te verifiëren. Deze instanties staan ​​bekend als luchtwaardigheidsautoriteiten. Ze evalueren het ontwerp van een vliegtuig op basis van vooraf ingestelde ontwerp- en veiligheidseisen die zijn uiteengezet in de luchtwaardigheidsnormen van de Federal Aviation Regulations. De volgende tabel geeft een uitgebreid overzicht van alle luchtwaardigheidsnormen en hun respectievelijke gebruik.

De meest opvallende van deze normen is FAR Part 23, dat van toepassing is op normale, utiliteits- en acrobatische vliegtuigen met een maximaal startgewicht (MTOW) van minder dan 12.500 pond en een passagierscapaciteit van 9 of minder. Het dicteert ook normen voor forensenvliegtuigen met een MTOW van niet meer dan 19.000 pond met een passagierscapaciteit van 19 of minder.

Voor vliegtuigen van de categorie commercieel vervoer, zoals de Airbus A320 of Boeing 737, dicteert FAR Part 25 de vereiste normen. Deel 25 bevat verschillende subonderdelen, namelijk A, B, C, D, E en F, allemaal dicterende normen voor de verschillende systemen en subsystemen van een commercieel transportvliegtuig.

Evenzo dicteren voor rotorcrafts (meestal bekend als helikopters) FAR Part 27 en 29 de normen voor respectievelijk normale en transportcategorie. Na het behalen van de luchtwaardigheidscertificeringen eindigt de ontwerpcyclus praktisch met 95 procent van de levenscycluskosten die in deze fase worden gemaakt. Dit wordt dan gevolgd door grootschalige productiefasen.

Het ontwerpproces van een vliegtuig afronden

Deze grondige herziening van de ontwerpcyclus van een vliegtuig lijkt misschien erg complex. Met een stapsgewijze aanpak, volwassen beslissingen op basis van kritisch denken en verstandige besluitvorming is de ontwerpcyclus van een vliegtuig echter een haalbare prestatie. In het moderne tijdperk waarin de inzet hoog is, zowel wat betreft kosten als tijd, is het gebruik van prototyping van vitaal belang wanneer en waar nodig, omdat het succes van een vliegtuigontwerp volledig afhankelijk is van uitgebreide validatie van ontwerpideeën. Maar het is echt belangrijk om de diensten van de juiste prototypefabrikant op het gebied van luchtvaart te verlenen, aangezien de nauwkeurigheid van de prototypes erg belangrijk is. Alle sluiproutes die in elke fase van de ontwerpcyclus zijn genomen, blijken later destructief te zijn, zoals onlangs in het geval van de Boeing 737 Max.