Vliegtuigontwerp (Deel 1): Pioneers in Luchtvaart Engineering

Onder de zwaarste studieingenieurs wereldwijd, staan luchtvaart- en aeronautische engineering wellicht bovenaan de lijsten. Elke ingenieur die dit artikel leest, is misschien bekend met de gebruikelijke ontwerpcycli betrokken bij het ontwerp van elk product, maar het is het niveau van complexiteit dat vereist is in het vakgebied van luchtvaart dat het zo uitdagend maakt.

Modern vliegtuigontwerp staat voor stringente operationele, milieu- en financiële uitdagingen. Een massive paradigmaverschuiving wordt opgemerkt over hoe complexe systemen ontworpen worden en hoe ontwerpfouten te vermijden zoals in het geval van de laatste Boeing 737 Max. In dit artikel bespreken we de vloeistof van een moderne vliegtuigontwerpcyclus en instanties waar het gebruik van de diensten van een prototypefabrikant voor geschaalde testing de dag kan redden.

Ontdek meer details van industriële ontwerp prototyping hier.

Ontwerpcyclus van een Modern Vliegtuig

Elke ontwerper die dit artikel leest, is misschien bekend met de drie basisontwerpfasen, d.w.z. Conceptueel, Voorlopig en Gedetailleerd Ontwerp. Echter, felle concurrentie onder marktspelers met hoge verwachtingen van klanten betekent dat een bedrijf zich opmerkelijk moet vernieuwen in de ontwerpfasen om diverse criteria te voldoen. Laten we de ontwerpcyclus van een vliegtuig bespreken gebaseerd op de levenscycluskosten met behulp van het volgende diagram.

Zoals u kunt zien, bedragen de eerste drie fasen vóór het productiestadium 95% van de totale kosten. Onder de initiële drie fasen is de belangrijkste Fase 1, d.w.z. Planning en Conceptueel Ontwerp. Daarom laten we ons richten op de eerste fase in detail, gevolgd door de andere twee.

Planning en Conceptueel Ontwerp

De initiële stap wordt gemarkeerd door een haalbaarheidsstudie die bepaalt of een vereiste vervuld kan worden met bestaande technologie of niet. Bovendien helpt de haalbaarheidsstudie ook om het pad voor een project te optimaliseren, d.w.z. complete herontwerp wat het hoogste risico en kosten betekent of adoptie/wijziging van bestaand ontwerp. Hierna begint de conceptuele ontwerpfase. Elke vliegtuigontwerper kent Raymer en Roskam modellen heel goed en zoals ze uiteenzetten, omvat de conceptuele ontwerpfase het beantwoorden van de volgende basisvragen:

• Zal het werken?
• Hoe ziet het eruit?
• Wat zijn de vereisten?
• Hoe de afwegingen te optimaliseren?
• Hoe gewicht en kosten te optimaliseren?

Het uiteindelijke doel van het conceptuele ontwerpstadium is om een haalbaar en optimaal ontwerpconcept te identificeren en voor te bereiden voor verdere verfijning. Deze fase omvat dus het creëren, bestuderen en onderzoeken van diverse ontwerpconcepten, allemaal met minimale kennis van experimentele uitkomsten en beperkte data over de praktische haalbaarheid van het ontwerp. De grafiek onder deze alinea geeft de grotere onzekerheid tijdens de conceptuele stadia weer vergeleken met de gevorderde stadia. Hierbij komt dat een verbazingwekkende 65 procent van de levenscycluskosten tijdens deze fase geleden wordt, wat betekent dat elke wijziging in het basisonderwerp later een vermindering van de totale opbrengsten en verlenging van deadlines betekent.

Het dilemma dat in de conceptuele ontwerpfase veelvoorkomend is, is het starten van een ontwerpprogramma zonder duidelijk een set vereisten te schetsen die vervuld moeten worden. Het uiteenzetten van marktvereisten en het laten maken van expliciete verwachtingen door klanten is zo belangrijk. Het verfijnen van vereisten in een later stadium resulteert in een onconomische en inefficiënte benadering en zo'n ontwerpcyclus heeft zware implicaties op de geleden levenscycluskosten. In het geval van een vliegtuigontwerp, zijn er meerdere vaak conflicterende sets van vereisten en verwachtingen uiteengezet door klanten. Een diverse en complexe set vliegtuigsystemen gebaseerd op verschillende delen van een vliegtuig, bijv. vleugels, motor, romp, landingsgestel, staart en canard betekenen meerdere uitdagingen.

Omgaan met dit is een kunst op zich en dat is waarom dergelijke beslissingen gefaciliteerd worden met technieken zoals Multiple Attribute Decision Making (MADM). Met behulp van dergelijke technieken, worden impliciete overwegingen in spel gebracht, en besluitvorming beweegt van een deterministische enkelpuntbenadering naar een dynamische en parametrische benadering. Bovendien zijn technieken zoals Multidisciplinaire Analyse en Ontwerpoptimalisatie vitaal om verwarrende sets van beperkingen in zo'n omgeving te voldoen. Deze techniek is uiteengezet in het volgende diagram dat de interacties tussen verschillende luchtvaartdisciplines afbeeldt.

Met betrekking tot de onzekerheid in het conceptuele ontwerpstadium zoals eerder uiteengezet, zijn gevestigde methoden gebaseerd op probabilistische theorieën en ontwerpmethoden. Deze methoden omvatten het gebruik van Kansdichtheidsfuncties (PDFs) en Cumulatieve Distributiefuncties (CDFs) voor elke ontwerpbeperking. De data voor diverse ontwerpbeperkingen wordt dan collectief uitgezet en geanalyseerd. Deze cumulatieve data geeft de ontwerper een helder inzicht in de ontwerp regio en of hij of zij een beperking moet ontspannen of enige technologie moet introduceren voor de algehele verbetering van de ontwerpcyclus.

Kortom, de ontwerper creëert een relatie tussen invoer- en uitvoervariabelen, houdende rekening met de variabiliteit van invoerfactoren.

Voorlopig Ontwerp

Dit stadium is monumentaal kritiek om de diverse ontwerpfactoren te dimensioneren voor het concept gefinaliseerd in de eerste fase. Dit vereist diepgaande studie en analyse van de interdisciplinaire interacties tussen de diverse systemen en subsysteem van een vliegtuig. Bijvoorbeeld, het concept van aeroelasticiteit is de combinatie van structurele mechanica en aerodynamica.

In de hedendaagse moderne engineering-tijd, omvat de voorlopige ontwerpfase ook overwegingen zoals betrouwbaarheid, onderhoudbaarheid, stabiliteit en controle, veiligheid en economie. Nu zullen we in grotere detail de uitdagingen bespreken die in deze ontwerpfase liggen en de optimale manier om ze aan te pakken.

Gesofisticeerde, complexe en nauwkeurige modellering vereist het gebruik van geavanceerde numerieke algoritmen, bijv. Computational Fluid Dynamics en Finite Element Analysis. Echter, uitzonderlijk hoge computationele kosten betekenen een andere uitdaging voor de ontwerpers. Het volgende diagram beeldt figuurlijk de afweging die betrokken is bij het kiezen van high-fidelity tools versus het gebruik van eenvoudige simulaties.

Naar complexe en high-fidelity tools gaan betekent niet alleen hogere computationele kosten, maar er is ook de uitdaging om met verschillende variabelen te gaan, vaak oplopend tot honderden, en hun onderlinge afhankelijkheid ook. Dus significante tijd wordt besteed aan het identificeren en karten van de simulatieomgeving. (Het verhaal is nog niet ten einde!!!)

Als u nog geïnteresseerd bent in de inhoud, lees dan Vliegtuigontwerp (Deel 2): Horizonnen Verruimen. Dank u.