飛機總體設計：1. 第一講-緒論-0303

1、飛機總體設計,飛機系 航空科學與工程學院,2014 第一講,1,教材及部分參考書目,顧誦芬, 解思適. 飛機總體設計. 北京航空航天大學出版社，2001. Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 4rd, 2006. （89年版的中譯本：現(xiàn)代飛機設計,1992） Roskam, J. Airplane Design. 1985. Nicolai, L. and Carichner, G., Fundamentals of Aircraft and Airship Design: Volume 1 Aircraft Design

2、, Revised Edition, AIAA Education Series, 2010 Nicolai, L. M. 飛機設計基本原理. 趙先寧譯. 臺北: 徐氏基金會, 1983. Brandt, S. A., Stiles, R. J., Bertin, etal. Introduction to Aeronautics: A Design Perspective. 2nd Edition, 2004. 方寶瑞. 飛機氣動布局設計. 1997. Mattingly, J. D., Heiser, W. H., and Daley, D. H. Aircraft Engine Desi

3、gn. 2nd Edition, 2003,2,第一講 緒論,1.1 什么是飛機設計？ 1.2 什么是飛機總體設計？ 1.3 總體設計的重要性 1.4 總體設計的特點 1.5 設計中的團隊協(xié)作,3,1.1 什么是飛機設計,所謂設計，便是創(chuàng)制某一產(chǎn)品之前的構思和體現(xiàn)這一構思結果的過程 工程設計是指設計人員應用自然規(guī)律，通過分析、綜合和創(chuàng)造思維將設計要求（系統(tǒng)要求）轉化為一組能完整描述系統(tǒng)的參數(shù)（文檔或圖紙）的活動過程,4,飛機設計是指設計人員應用氣動、結構、動力、材料、工藝等學科知識通過分析綜合和創(chuàng)造思維，將設計要求轉化為一組能完整描述飛機的參數(shù)的過程,1.1 什么是飛機設計,5,飛機研制過程

4、五個階段的劃分方式,路漫漫其修遠兮.,論證階段,方案階段,工程研制 階段,設計定型 階段,生產(chǎn)定型 階段,進一步 改進,分析使用環(huán)境 擬定設計要求,方案概念研究 論證設計要求 可行性,決策,戰(zhàn)術技術要求 及概念性方案,三面圖 總體布置 理論圖 結構受力系統(tǒng) 全機各分系統(tǒng) 設計要求 發(fā)動機及主要 機載設備選定,決策,全尺寸樣機 研制任務書,是,否,否,是,飛機詳細設計 成品配套 飛機試制 地面模擬實驗 機上地面實驗 空、地勤培訓 及試飛準備,決策,原型機,否,是,調(diào)整試飛 定型試飛,決策,定型試飛 報告,否,是,建立生產(chǎn)線 穩(wěn)定工藝 批生產(chǎn)飛機 試飛鑒定,決策,批生產(chǎn)飛機 交付部隊,否,是,1.

5、1 什么是飛機設計,6,飛機設計的范圍 主要涉及論證、方案和工程研制階段 對于設計階段的劃分和各階段應完成的任務， 沒有完全統(tǒng)一的表述形式,論證階段,方案階段,工程研制 階段,設計定型 階段,生產(chǎn)定型 階段,進一步 改進,飛機設計,1.1 什么是飛機設計,7,1.2 什么是飛機總體設計,飛機設計的三階段劃分方式,制造,設計要求,概念設計 （Conceptual Design,初步設計 （Preliminary Design,詳細設計 （Detail Design,8,1.2 什么是飛機總體設計,各階段的任務設計要求論證與研究,9,1.2 什么是飛機總體設計,各階段的任務概念設計 飛機的布局與構

6、型 主要參數(shù) 發(fā)動機、裝載的布置 三面圖 初步估算性能 方案評估 參數(shù)選擇與權衡研究 方案優(yōu)化,10,1.2 什么是飛機總體設計,各階段的任務概念設計,用CAD系統(tǒng)繪制的設計布置圖,11,1.2 什么是飛機總體設計,各階段的任務初步設計 凍結布局 完善飛機的幾何外形設計、完整的三面圖和理論外形（三維CAD模型） 詳細繪出飛機的總體布置圖 機載設備 分系統(tǒng) 載荷和結構承力系統(tǒng) 較精確的計算 （重量重心、氣動、性能和操穩(wěn)等） 模型吹風試驗,12,各階段的任務詳細設計 飛機結構的設計和各系統(tǒng)的設計，繪出能夠指導生產(chǎn)的圖紙 如理論圖，運動圖，總裝配圖，構件裝配面，零件圖，各系統(tǒng)總裝配圖，零構件圖 詳細

7、的重量計算和強度計算報告 大量的實驗 系統(tǒng)的臺架試驗 部分主要承力件的靜動強度試驗 . 準備原型機的生產(chǎn),1.2 什么是飛機總體設計,13,各階段的任務原型機試制,1.2 什么是飛機總體設計,14,飛機總體設計概念設計初步設計,飛機 總體 設計,1.2 什么是飛機總體設計,制造,設計要求,概念設計 （Conceptual Design,初步設計 （Preliminary Design,詳細設計 （Detail Design,15,1.3 總體設計的重要性,管中窺豹” 機翼前梁在設計過程中的演變,詳細設計 專注于每一個細節(jié)尺寸與參數(shù),初步設計 表示出梁的截面變化,概念設計 僅僅是一個從翼根到翼梢

8、的平面,簡單任務”,16,管中窺豹” 機翼前梁在設計過程中的演變 概念設計階段就已經(jīng)確定了整架飛機的布置,翼盒,機翼油箱,前緣襟翼,前梁的位置,1.3 總體設計的重要性,17,1.3 總體設計的重要性,總體設計階段所占時間相對較短，但需要作出大量的關鍵決策 設計前期的失誤，將造成后期工作的巨大浪費,2000億美元,18,1.3 總體設計的重要性,投入的人員和花費相對較少，但卻決定了一架飛機大約80%的全壽命周期成本,19,1.3 總體設計的重要性,決定的費用,消耗的費用,20,1.4 總體設計的特點,科學性與創(chuàng)造性 應用航空科學技術相關的眾多領域（如空氣動力學、結構力學、材料學、自動控制、動力

9、技術、隱身技術）的成果 總體設計沒有“標準答案,21,1.4 總體設計的特點,反復循環(huán)迭代的過程,參數(shù)選擇與 權衡研究,設計分析,設計方案,設計要求,Design Wheel,22,1.4 總體設計的特點,高度的綜合性 綜合考慮設計要求的各個方面，進行不同學科專業(yè)間的權衡與協(xié)調(diào) 從孤立專業(yè)的角度設計出的飛機,氣動力 把機身、發(fā)動機、起落架這樣 降低氣動效率的部件統(tǒng)統(tǒng)去掉,動力裝置 飛機？ “會飛的發(fā)動機”,重量 重量工程師的夢想 航模飛機,布魯恩米勒,23,1.4 總體設計的特點,K. D. 伍德,24,1.5 現(xiàn)代設計技術簡介,飛機設計過程的演化來自Boeing的觀點,McMasters,

10、J. H., Cummings, R. M. Airplane Design as a Social Activity: Emerging Trends in the Aerospace Industry (Invited Paper). AIAA Paper 2002-0516,最具革命性的變化數(shù)字計算機的出現(xiàn),25,1.5 現(xiàn)代設計技術簡介,飛機設計過程的演化,推動力： 外界政治經(jīng)濟環(huán)境的變化 CADCAECAM、CIMS等技術的迅速發(fā)展,26,1.5 現(xiàn)代設計技術簡介,虛擬風洞實驗,數(shù)字樣機,計算流體力學 （CFD,27,1.5 現(xiàn)代設計技術簡介,計算機輔助飛機概念設計軟件 使得設計者可

11、以迅速地提出一個新穎的設計方案，并且不斷地修改方案和進行權衡研究（trade studies） Raymer D. P., “Aircraft Design： A Conceptual Approach” 顯著減少對突然出現(xiàn)的設計項目的反應時間、極大地提高設計質量和在一定的資源水平下可同時進行的設計項目的數(shù)量 使得解決更為大規(guī)模的設計問題成為可能 Isikveren, A. T., Quasi-Analytical Modeling and Optimisation Techniques for Transport Aircraft Design. Stockholm: Royal Insti

12、tute of Technology, 2002,28,1.5 現(xiàn)代設計技術簡介,幾種典型的軟件,AAA美國DAR公司（J. Roskam,ACSYNTVirginia理工& NASA Ames,RDS美國Conceptual Research公司（D .P. Raymer,VisualCAPDABerlin工大,航空學院的航空實踐創(chuàng)新基地已經(jīng)購買,29,1.5 現(xiàn)代設計技術簡介,幾種典型的軟件,SEACD 北京航空航天大學,更多軟件介紹： /mason/Mason_f/ACDesSR/review.html,RADIS 北京航空航天大學,30,1.5

13、設計中的團隊協(xié)作,來源: Brandt etal,31,1.5 設計中的團隊協(xié)作,Lockheed Martin的 “臭鼬工廠”(Skunk Works,32,1.5 設計中的團隊協(xié)作,The Skunk Works approach has proven to be the best for small projects using experienced team members small, expert, team members with lots of responsibility 來源：W.H. Mason, Virginia理工,33,1.5 設計中的團隊協(xié)作,什么是團隊協(xié)作（

14、Teamwork）? 不是讓大家坐在一起做同樣的家庭作業(yè) 是: - 一起明確需要解決的問題 - 每個團隊成員都負責某一特定任務并開展工作 - 在團隊會議上把每項任務的結果集合起來，并且確定： 我們是否已經(jīng)解決了問題？ - 如果回答是肯定的，那么確定下一步該做什么？ 如果是否定的，那么如何進行修改和調(diào)整來解決問題,臭鼬工廠團隊原則 小而強的團隊是軍方或者工業(yè)界制勝的關鍵 與項目有關的人的總數(shù)應該嚴格控制 項目經(jīng)理應該有項目的全部管理權 原型極其重要 只走重要流程 測試應細化到最低層次，而且從一開始就要做測試 如果有某些不能滿足的需求，就提前說明 互相信任、日常接觸 獎勵、激勵,1.5 設計中的團

15、隊協(xié)作,來源：360503班設計組DT6,35,1.5 設計中的團隊協(xié)作,Boeing的團隊協(xié)作戒律,36,1.5 設計中的團隊協(xié)作,Boeing的團隊協(xié)作戒律 1. 每個成員都為團隊的進展與成功負責 2. 參加所有的團隊會議并且準時達到 3. 按計劃分配任務 4. 傾聽并尊重其他成員的觀點 5. 對想法進行批評，而不是對人 6. 利用并且期待建設性的反饋意見 7. 建設性地解決爭端 8. 永遠致力于爭取雙贏的局面（win-win situations） 9. 集中注意力 避免導致分裂的行為 10. 在你不明白的時候提問 源于Boeing Commercial Airplane Group D

16、on Evans（Arizona State Univ.）整理改編,37,1.5 設計中的團隊協(xié)作,高效的團隊 1. 氛圍非正式、放松的和舒適的 2. 所有的成員都參加討論 3. 團隊的目標能被充分的理解接受 4. 成員們能傾聽彼此的意見 5. 存在不同意見，但團隊允許它的存在 6. 絕大多數(shù)的決定能取得某種共識 7. 批評是經(jīng)常的、坦誠的和建設性的；不是針對個人的 8. 成員們能自由地表達感受和想法 9. 行動：分配明確，得到接受 10. 領導者并不獨裁 11. 集團對行動進行評估并解決問題 來源: Parker, Team Players and Teamwork,38,1.5 設計中的團隊協(xié)作,低效的團隊 1. 氛圍互不關心無聊 或 緊張對抗 2. 少數(shù)團隊成員居于支配地位 3. 旁觀者難以理解團隊的目標 4. 團隊成員不互相傾聽，討論時各執(zhí)一詞 5. 分歧沒有被有效地加以處理 6. 在真正需要關注的事情解決之前就貿(mào)然行動 7. 行動：不清晰該做什么？誰來做？ 8. 領導者明顯表現(xiàn)出太軟弱或太強硬 9. 提出批評的時候令人尷尬，甚至導致對抗 10. 個人感受都隱藏起來了 1