Vliegtuigontwerp (deel 1):horizonten uitbreiden

Een van de zwaarste majors van engineering wereldwijd, lucht- en ruimtevaarttechniek staat waarschijnlijk bovenaan de lijsten. Elke ingenieur die dit artikel leest, is misschien bekend met de gebruikelijke ontwerpcycli die betrokken zijn bij het ontwerp van een product, maar het is het niveau van complexiteit dat vereist is op het gebied van luchtvaart dat het zo uitdagend maakt.

Modern vliegtuigontwerp staat voor strenge operationele, ecologische en financiële uitdagingen. Er wordt een enorme paradigmaverschuiving opgemerkt over hoe complexe systemen worden ontworpen en hoe ontwerpfouten kunnen worden vermeden, zoals in het geval van de nieuwste Boeing 737 Max. In dit artikel bespreken we de stroom van een moderne vliegtuigontwerpcyclus en gevallen waarin het gebruik van de diensten van een prototypefabrikant voor geschaalde tests de dag kan redden.

Ontdek hier meer details van industriële ontwerpprototyping.

Ontwerpcyclus van een modern vliegtuig

Elke ontwerper die dit artikel leest, is misschien bekend met de drie basisontwerpfasen, namelijk conceptueel, voorlopig en gedetailleerd ontwerp. De hevige concurrentie tussen marktpartijen met hoge verwachtingen van klanten betekent echter dat een bedrijf in de ontwerpfase opmerkelijk moet innoveren om aan uiteenlopende criteria te voldoen. Laten we de ontwerpcyclus van een vliegtuig bespreken op basis van de levenscycluskosten met behulp van het volgende diagram.

Zoals u kunt zien, bedragen de eerste drie fasen voorafgaand aan de productiefase 95% van de totale kosten. Van de eerste drie fasen is de belangrijkste fase 1, d.w.z. planning en conceptueel ontwerp. Laten we ons daarom in detail concentreren op de eerste fase, gevolgd door de andere twee.

Planning en conceptueel ontwerp

De eerste stap wordt gemarkeerd door een haalbaarheidsstudie die bepaalt of aan een eis kan worden voldaan met bestaande technologie of niet. Bovendien helpt de haalbaarheidsstudie ook om het pad voor een project te optimaliseren, d.w.z. volledig herontwerp, wat het hoogste risico en de hoogste kosten of goedkeuring/aanpassing van een bestaand ontwerp betekent. Hierna start de conceptuele ontwerpfase. De ontwerper van Anyaircraft kent de modellen van Raymer en Roskam heel goed en terwijl ze schetsen, omvat de conceptuele ontwerpfase het beantwoorden van de volgende basisvragen:

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

Het uiteindelijke doel van de conceptuele ontwerpfase is het identificeren en voorbereiden van een haalbaar en optimaal ontwerpconcept voor verdere verfijning. Deze fase omvat dus het maken, bestuderen en onderzoeken van verschillende ontwerpconcepten, allemaal met minimale kennis van experimentele resultaten en beperkte gegevens over de uitvoerbaarheid van het ontwerp. De grafiek onder deze paragraaf geeft het grotere bereik van onzekerheid weer tijdens de conceptuele stadia in vergelijking met de gevorderde stadia. Daarbij komt nog dat maar liefst 65 procent van de levenscycluskosten die tijdens deze fase worden gemaakt, betekent dat elke wijziging aan het basisontwerp later leidt tot een verlaging van de totale inkomsten en verlenging van de deadlines.

Het dilemma waarmee in de conceptuele ontwerpfase vaak wordt geconfronteerd, is de start van een ontwerpprogramma zonder duidelijk een set van eisen te schetsen waaraan moet worden voldaan. Het in kaart brengen van markteisen en het expliciet laten uiten van hun verwachtingen bij de klant is zo belangrijk. Verfijning van eisen in een later stadium resulteert in een oneconomisch en inefficiënte aanpak en een dergelijke ontwerpcyclus heeft ernstige gevolgen voor de gemaakte levenscycluskosten. In het geval van een vliegtuigontwerp zijn er meerdere, vaak tegenstrijdige, eisen en verwachtingen van klanten. Een diverse en complexe set vliegtuigsystemen gebaseerd op verschillende delen van een vliegtuig, b.v. vleugels, motor, romp, landingsgestel, staart en canard betekenen meerdere uitdagingen.

Hiermee omgaan is een kunst op zich en daarom worden dergelijke beslissingen gefaciliteerd met behulp van technieken als Multiple Attribute Decision Making (MADM). Met behulp van dergelijke technieken worden impliciete overwegingen in het spel gebracht en gaat de besluitvorming van een deterministische benadering op één punt naar een dynamische en parametrische benadering. Bovendien zijn technieken zoals multidisciplinaire analyse en ontwerpoptimalisatie van vitaal belang om in een dergelijke omgeving aan de wirwar van beperkingen te voldoen. Deze techniek is geschetst in het volgende diagram dat de interacties tussen verschillende luchtvaart majors weergeeft.

Wat betreft de onzekerheid in de conceptuele ontwerpfase zoals eerder geschetst, zijn gevestigde methoden gebaseerd op probabilistische theorieën en ontwerpmethoden. Deze methoden omvatten het gebruik van waarschijnlijkheidsdichtheidsfuncties (PDF's) en cumulatieve distributiefuncties (CDF's) voor elke ontwerpbeperking. De gegevens voor verschillende ontwerpbeperkingen worden vervolgens gezamenlijk uitgezet en geanalyseerd. Deze cumulatieve gegevens geven de ontwerper een duidelijk inzicht in de ontwerpregio en of hij of zij een beperking moet versoepelen of technologie moet introduceren voor de algehele verbetering van de ontwerpcyclus.

Kortom, de ontwerper legt een relatie tussen input- en outputvariabelen, rekening houdend met de variabiliteit van inputfactoren.

Voorlopig ontwerp

Deze fase is monumentaal cruciaal om de verschillende ontwerpfactoren voor het concept dat in de eerste fase is afgerond, op maat te maken. Dit vereist diepgaande studie en analyse van de interdisciplinaire interacties tussen de verschillende systemen en subsystemen van een vliegtuig. Het concept van aero-elasticiteit is bijvoorbeeld de combinatie van structurele mechanica en aerodynamica.

In het moderne technische tijdperk van vandaag omvat de voorlopige ontwerpfase ook overwegingen als betrouwbaarheid, onderhoudbaarheid, stabiliteit en controle, veiligheid en economie. Nu zullen we in meer detail de uitdagingen bespreken die in deze ontwerpfase liggen en de optimale manier om ze het hoofd te bieden.

Geavanceerde, complexe en nauwkeurige modellering vereist het gebruik van geavanceerde numerieke algoritmen, b.v. Computational Fluid Dynamics en eindige-elementenanalyse. De uitzonderlijk hoge rekenkosten betekenen echter nog een uitdaging voor de ontwerpers. Het volgende diagram geeft figuurlijk de afweging weer bij het kiezen van high-fidelity-tools versus het gebruik van eenvoudige simulaties.

De overstap naar complexe en high-fidelity-tools betekent niet alleen hogere rekenkosten, maar ook de uitdaging om met verschillende variabelen, vaak honderden, en hun onderlinge afhankelijkheid om te gaan. Er wordt dus veel tijd besteed aan het identificeren en in kaart brengen van de simulatieomgeving. （Het verhaal eindigt niet!!!）

Als je nog steeds geïnteresseerd bent in de inhoud, lees dan het Aircraft Design (Deel 2):​​Expanding Horizons. Dank je.