Geavanceerd Vliegtuigontwerp: Deel 2 – Horizonnen Verruimen met Efficiënte Modellering

Geplaatst op: 25 dec. 2020 | Door WayKen Rapid Manufacturing

Moderne engineering-beslissers beschouwen het gebruik van excessieve computationele kracht in dit stadium als nutteloos en als tijdverspilling. Adoptie van technieken die benaderingen omvatten, zijn veel efficiënter en helpen de tijd te verminderen die nodig is voor parametrische modellering om uit te voeren. Dergelijke technieken omvatten Reduced Order Modeling die de wiskundige complexiteit van het systeem vermindert terwijl gewaarborgd wordt dat de fysica van de gouvernerende partiële differentiaalvergelijkingen intact blijft.

Na de initiële analyse uitgevoerd is, komt een iteratieve procedure in spel waar de resultaten wijzigingen in het ontwerp dicteren voor optimalisatie. Deze procedure is de koppeling tussen de Conceptuele en Voorlopige ontwerpfasen. Zie meer detail Industriële Ontwerp Prototyping.

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

• Het wordt beschouwd als een uitbreiding van de haalbaarheidsstudie maar met de betrokkenheid van meer detail en complexiteit.
• De eerste stap van dit proces is de selectie van een of meer configuraties.
• De tweede stap is bekend als de Vluchtregime en Aandrijvingselectie. In deze stap, voor een gegeven set operatieve condities, d.w.z. Mach-nummer, etc., wordt het aan te drifftype geselecteerd, d.w.z. turbo-prop, zuiger-prop, turbofan, lage bypass turbofan, turbojet, ramjet, etc.
• De volgende stap betreft de selectie van de rompindeling. De details van de payload zijn vaak de drijvende factor achter deze stap. Dit biedt een goed startpunt voor de eerste voorspelling van vliegtuigmassa.
• Vleugelconfiguratie komt daarna. Dit is een complex proces voor het aerodynamica-lab waar een groot aantal parameters betrokken zijn. Het is een fundamentele fase tijdens het voorlopige ontwerpproces. Het leidt tot een initiële schatting van lift, drag, de massa van een vliegtuig en helpt ook bij het bereiken van vleugelbelastingsschattingsberekeningen na opvolgende analyse. Vleugelbelastingsschattingen worden uitgevoerd op basis van theoretische vergelijkingen afgestemd volgens empirische data voor verschillende vluchtcondities. Het helpt ook een ruwe schatting van de duw-kracht-tot-gewicht-verhouding te bereiken.
• Ten slotte komen de parametrische analysestadials in spel. De eerste stap combineert vleugel- en rompafmetingen om een set resultaten te produceren voor elke vluchtfase. Dit resulteert in de vorming van een ontwerpruimte. Geschikte sets van Vleugelbelasting en Duw-kracht-tot-Gewicht-verhoudingen worden geselecteerd voor de tweede stap van de parametrische analyse.
• De tweede stap van de parametrische analyse integreert de gekozen sets van data om de totale vliegtuigmassa te berekenen. De set die de optimale massa-waarde levert, wordt gebruikt om een referee-ontwerp te creëren wat vervolgens gebruikt wordt voor diepgaande analyse en evaluatie.
• Het referee-ontwerp wordt geëvalueerd wat op zijn beurt voorziet in:
  • Geschatte afmetingen voor besturingsoppervlakken

  Ondersteuning bij het voltooien van de landingsgestel-indeling

  • Betere schatting van lift, drag en massa-waarden
  • Gereviseerde berekeningen voor prestatiekenmerken op basis van afgestemde invoerdata en complexe schattingsmethoden
  • Herhaling van procedure totdat massa-convergentiecriteria zijn voldaan
• Aan het einde van deze ontwerpfase worden gevoeligheidsontwerpstudies uitgevoerd om kritische ontwerpgebieden te identificeren met behulp van ofwel grafische of wiskundige technieken. Bovendien zijn er andere activiteiten gelijktijdig gaande, waaronder het ontwerp van hydraulische, elektrische, brandonderdrukking, ijzbescherming 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, geschaalde modellen voor testen worden besteld bij een prototypefabrikant en dan worden de definitieve tekeningen gebaseerd op Design for Assembly en Design for Manufacturing uitgewerkt met daadwerkelijke topologieën, geometrieën, afmetingen, toleranties en materialspecificaties. Laten we dit nu in grotere detail bespreken in de volgende sectie.

Gedetailleerd Ontwerp

De focus van dit stadium is primair op het verkrijgen van verificatie voor de ontwerpprocedures uiteengezet in de eerdere fasen. Het is de meest uitgebreide fase van het hele ontwerpproces. Het richt zich op elk onderdeel zijn definitieve ontwerp, prototyping en testen. Gebaseerd op de data verkregen uit de voorlopige ontwerpfase, omvat deze fase het gebruik van Computer-Aided Design en Computer-Aided Manufacturing pakketten om ontwerpactiviteiten te ondersteunen.

Er zijn drie factoren in overweging: prestaties, productiekosten, de benodigde tijd en operationele efficiënties. Voor een uitgebreid resultaat, zijn er twee typen testprocedures betrokken, d.w.z. Grondtesten en In-vlucht Testen. Laten we de specificaties van beide typen in grotere detail bekijken.

• Grondtesten: Het omvat windtunnel-tests om resultaten van CFD-pakketten te valideren, structurele tests, avionica-evaluatie en systemencontrole. Dit is het stadium waar prototyping de dag redt. Prototyping geschaalde onderdelen voor initiële testen is de sleutel om kosten en kostbare tijd te besparen. Een goede prototyping-dienstverlener zal passende expertise gebruiken om de structuur uit de vereiste materialspecificaties van uw kant te vervaardigen. Het prototype kan gebruikt worden om sterkte, stijfheid, fladderen, elastische stabiliteit en andere systeemp parameters te analyseren. Statische belasting, dynamische belasting, trillingmodale analyse en fladderanalyse zijn enkele van de sleuteltests die uitgevoerd moeten worden. Voor geschaalde vliegtuigonderdelen biedt Stereolithografie 3D-printen de vereiste nauwkeurigheid voor uitgebreide evaluatie tussen uiteengezet ontwerp en experimentele resultaten.
• In-vlucht Testen: De betrokkenheid van certificeringsinstanties om de prestaties en vluchtkenmerken van het daadwerkelijke vliegtuig te verifiëren. Deze instanties zijn bekend als luchtwaardigheidsautoriteiten. Ze evalueren het ontwerp van een vliegtuig op basis van vooraf vastgestelde ontwerp- en veiligheidseisen uiteengezet in Federal Aviation Regulations Airworthiness Standards. De volgende tabel geeft alle luchtwaardigheidsstandaarden en hun respectievelijke gebruik uitgebreid weer.

De meest opvallende van deze standaarden omvatten FAR Deel 23 wat van toepassing is op normale, utilitaire en acrobatische vliegtuigen met een Maximale Afvanggewicht (MTOW) van minder dan 12.500 pond en 9 of minder passagierscapaciteit. Het dicteert ook standaarden voor commuter-vliegtuigen met een MTOW van niet meer dan 19.000 pond met een passagierscapaciteit van 19 of minder.

Voor commerciële transportcategorie vliegtuigen zoals de Airbus A320 of Boeing 737, dicteert FAR Deel 25 de vereiste standaarden. Deel 25 omvat verschillende onderdelen naamlijk A, B, C, D, E en F, allemaal dictaterende standaarden voor de verschillende systemen en subsysteem van een commercieel transportvliegtuig.

Evenzo, voor rotorcrafts (meest bekend als helikopters) dicteren FAR Deel 27 en 29 de standaarden voor normale en transportcategorie respectievelijk. Na het behalen van de luchtwaardigheidscertificeringen, eindigt de ontwerpcyclus praktisch met 95 procent van de levenscycluskosten geleden in dit stadium. Dit wordt gevolgd door grootschalige productiestadia.

Het Ontwerpproces van een Vliegtuig Afsluiten

Diepgaande beoordeling van de ontwerpcyclus van een vliegtuig kan erg complex lijken. Echter, met een stap-voor-stap aanpak, volwassen beslissingen gebaseerd op kritisch denken, en wijs besluitvorming, is de ontwerpcyclus van een vliegtuig een haalbaar prestatie. In het moderne tijdperk waar de inzet hoog is zowel in termen van kosten als tijd, is het gebruik van prototyping vitaal wanneer en waar nodig omdat het succes van een vliegtuigontwerp volledig afhangt van uitgebreide validatie van ontwerpideeën. Maar het is echt belangrijk om de diensten van de juiste prototypefabrikant in het vakgebied van luchtvaart in te schakelen, aangezien de nauwkeurigheid van de prototypes een grote zaak is. Elke kortsluiting genomen in elk stadium van de ontwerpcyclus blijkt later destructief, zoals in het geval van de Boeing 737 Max recentelijk.