Lassen Sie uns den Ablauf des modernen Flugzeugdesignzyklus diskutieren und ein Beispiel dafür geben, wie Sie die Dienste eines Prototypenherstellers nutzen können Prototypen testen.
Kategorie Gedankengeschichte: Industriedesign-Prototyp
Featurebilder von Prototypenherstellern für die Luftfahrtindustrie
Veröffentlichungszeit: 23. Dezember 2020,| Runsom-Präzision
Unter den schwierigsten Ingenieurstudiengängen der Welt gehören Luft- und Raumfahrttechnik zu den besten. Jeder Ingenieur, der diesen Artikel gelesen hat, ist vielleicht mit dem normalen Designzyklus vertraut, der sich auf jedes Produktdesign bezieht, aber so viele Herausforderungen, die durch die Komplexitätsanforderungen der Luftfahrtindustrie verursacht werden.
Modernes Flugzeugdesign steht vor strengen betrieblichen, ökologischen und finanziellen Herausforderungen. In Bezug auf die Gestaltung komplexer Systeme und die Vermeidung von Konstruktionsfehlern haben die Menschen einen enormen Paradigmenwechsel festgestellt, genau wie bei der neuesten Boeing 737 Max. In diesem Papier werden der Ablauf des modernen Flugzeugdesignzyklus und Beispiele dafür, wie groß angelegte Tests mit den Diensten eines Prototypenherstellers die Situation retten können, sorgfältig diskutiert.
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Der Konstruktionszyklus moderner Flugzeuge
Jeder Designer, der dieses Dokument liest, ist vielleicht mit den drei grundlegenden Designphasen vertraut: konzeptionelles Design, vorläufiges Design und detailliertes Design. Der harte Wettbewerb unter den Marktteilnehmern und hohe Kundenerwartungen erfordern jedoch erhebliche Innovationen in der Designphase, um unterschiedliche Standards zu erfüllen. Lassen Sie uns das folgende Diagramm verwenden, um den Flugzeugdesignzyklus basierend auf den Lebenszykluskosten zu diskutieren.
Wie Sie wissen, machen die ersten drei Stufen vor der Herstellungsphase 95% der Gesamtkosten aus. Während der ersten drei Phasen ist die erste Phase wichtiger als die beiden anderen, nämlich Planung und Konzeption. Konzentrieren wir uns also auf die Details der ersten Stufe und dann der anderen beiden Stufen.
Planung und Konzeption
Zunächst wird eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, um sicherzustellen, dass die vorhandene Technologie diese Anforderung erfüllen kann. Darüber hinaus kann durch die Machbarkeitsstudie der Weg des Projekts optimiert werden, nämlich ein komplettes Redesign, was das höchste Risiko und die höchsten Kosten bedeutet, oder die Übernahme/Änderung eines bestehenden Designs. Als nächstes beginnt die Konzeptionsphase. Jeder Flugzeugkonstrukteur kennt die Raymer- und Roskam-Modelle sehr gut. Wie sie beschrieben haben, umfasst die Konzeptphase die Beantwortung der folgenden grundlegenden Fragen:
Wird es wirksam sein?
Was scheint es zu sein?
Was sind die Anfragen?
Wie kann die Transaktion optimiert werden?
Wie lassen sich Gewicht und Kosten optimieren?
Ein realisierbares und optimales Designkonzept für die weitere Verfeinerung zu identifizieren und vorzubereiten, ist das Endziel der Phase des konzeptionellen Designs. Daher umfasst diese Phase die Produktion, Recherche und Überprüfung verschiedener Designkonzepte, die alle nur wenig Wissen über experimentelle Ergebnisse und begrenzte Daten über das nützliche Design erfordern. Die Grafik unter diesem Absatz beschreibt den größeren Unsicherheitsbereich in der Konzeptphase im Vergleich zur fortgeschrittenen Phase. Darüber hinaus betragen die in dieser Phase anfallenden Lebenszykluskosten bis zu 65%, was bedeutet, dass jede spätere Änderung des Grunddesigns eine Verringerung des Gesamtumsatzes und eine Verlängerung der Frist bedeutet.
Das häufige Hindernis in der Phase des konzeptionellen Designs besteht darin, dass eine Reihe von Anforderungen zu Beginn des Designprozesses nicht klar aufgelistet sind. Es ist sehr wichtig, die Marktbedürfnisse zu skizzieren und den Kunden ihre Erwartungen klar mitzuteilen. Unwirtschaftliche und ineffiziente Methoden verfeinern die Anforderungen zu einem späteren Zeitpunkt, und ein solcher Designzyklus kann die erzeugten Lebenszykluskosten ernsthaft beeinträchtigen. Kundenwünsche und -erwartungen stehen im Flugzeugdesign oft im Widerspruch zueinander. Basierend auf den verschiedenen Komponenten des Flugzeugs, wie Flügel, Triebwerke, Rumpf, Fahrwerk, Heck und Canards usw., bedeutet ein vielfältiges und komplexes Flugzeugsystem mehrere Herausforderungen.
Es ist eine Kunst, mit diesem Problem selbst umzugehen, weshalb Techniken wie Multiple Attribute Decision Making (MADM) verwendet werden, um diese Art der Entscheidungsfindung zu erleichtern. Mit Hilfe dieser Techniken beginnen implizite Überlegungen eine Rolle zu spielen und bewegen sich von deterministischen Einzelpunktmethoden der Entscheidungsfindung zu dynamischen und parametrischen Methoden. Darüber hinaus sind Techniken wie multidisziplinäre Analyse und Designoptimierung unerlässlich, um die komplexen Einschränkungen in dieser Umgebung zu erfüllen. Das folgende Diagramm skizziert diese Technik, die das Zusammenspiel verschiedener Luftfahrtdisziplinen beschreibt.
Angesichts der oben erwähnten Unsicherheit in der Konzeptionsphase basiert die etablierte Methode auf Wahrscheinlichkeitstheorie und Entwurfsmethoden. Diese Methoden beinhalten die Verwendung von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDFs) und kumulativen Verteilungsfunktionen (CDFs) für jede Designbeschränkung. Zeichnen und analysieren Sie dann die Daten mehrerer Konstruktionsbeschränkungen. Diese gesammelten Daten ermöglichen es dem Designer, den Designbereich klar zu verstehen und festzustellen, ob er oder sie Einschränkungen lockern oder Technologien einführen muss, um den Designzyklus als Ganzes zu verbessern.
Mit einem Wort, der Konstrukteur hat eine Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsvariablen hergestellt, während er die Variabilität von Eingangsfaktoren berücksichtigt hat.
Ersten Entwurf
Diese Phase ist sehr kritisch für die Größe der verschiedenen Designfaktoren des in der ersten Phase fertiggestellten Konzepts. Dies erfordert eine eingehende Erforschung und Analyse der interdisziplinären Wechselwirkungen zwischen Flugzeugsystemen und -subsystemen. Eine Kombination aus Strukturmechanik und Aerodynamik ist beispielsweise das Konzept der Aeroelastizität.
In der heutigen Ära des modernen Ingenieurwesens werden Überlegungen wie Zuverlässigkeit, Wartbarkeit, Stabilität, Kontrolle, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in die Vorentwurfsphase einbezogen. Nun werden hier mehr Details über die Herausforderungen in dieser Entwurfsphase und den besten Weg, mit ihnen umzugehen, diskutiert.
Eine präzise, komplexe und präzise Modellierung erfordert die Verwendung fortschrittlicher numerischer Algorithmen, wie z. B. Computational Fluid Dynamics und Finite-Elemente-Analyse. Der ungewöhnlich hohe Rechenaufwand bedeutet jedoch eine weitere Herausforderung für Designer. Die folgende Abbildung veranschaulicht grafisch die Kompromisse bei der Auswahl von High-Fidelity-Tools und der Verwendung einfacher Simulationen.
Die Entwicklung komplexer und hochgenauer Werkzeuge bedeutet nicht nur höhere Rechenkosten, sondern auch Herausforderungen im Umgang mit mehreren Variablen (normalerweise bis zu Hunderten) und ihrer gegenseitigen Abhängigkeit. Daher wird viel Zeit darauf verwendet, die Simulationsumgebung zu identifizieren und abzubilden. (Die Geschichte ist noch nicht zu Ende!!)
Wenn Sie mehr wissen möchten, lesen Sie bitte weiter „Flugzeugdesign (Teil 2): Den Horizont erweitern“. Danke!