飛機結構設計（羅漳平）第03講-設計方法-2

1、飛機結構分析與設計第三講一、CAD系統(tǒng)的概念2.4 計算機輔助設計CAD計算機輔助設計Computer Aided Design利用計算機及其外圍設備和圖形輸入、輸出設備解決設計問題的一種先進的產(chǎn)品設計方法二、 CAD技術應用應用到各種工程設計領域及產(chǎn)品設計過程的各個專業(yè)例如：總體設計、氣動設計、結構設計、工藝設計、電路設計、系統(tǒng)設計等三、 CAD系統(tǒng)的組成CAD系統(tǒng)計算機、外圍設備、圖形輸入輸出設備等應用軟件通用支撐軟件系統(tǒng)軟件總體設計，結構設計、分析，氣動分析等；還包括自編軟件硬件軟件如實體造型，運動機構造型，數(shù)據(jù)管理、技術文件生成等主要是指用于計算機管理、維護、控制等方面的軟件 CAM計

2、算機輔助制造, computer aided manufacturing- 是指利用計算機對制造過程進行規(guī)劃、管理和控制。 CAD/CAM集成系統(tǒng) - 將CAD與CAM結合在一起。四、 CAD/CAM 集成系統(tǒng) 波音公司成功地在波音727，波音737，波音767等型號上推廣應用CAD/CAM技術，縮短了新型客機的研制周期。B777實現(xiàn)無圖紙設計。我國60年代開始應用CAD設計技術自80年代開始，我國應用集成技術把各個應用程序、軟件包、圖形軟件等按照飛機設計要求集成起來，形成了多功能、自動化程序流程的飛機設計集成系統(tǒng)-CAADMM。之后又開發(fā)了集成化程度更高、更為先進的交互式飛機研制集成系統(tǒng)CI

3、MS,并已在型號開發(fā)中得到應用。2.5 并行工程CE并行工程方法的形成過程：系統(tǒng)工程方法系統(tǒng)工程方法的開展計算機技術80年代中期出現(xiàn)了并行工程方法并行工程是一種具有普遍適用性的系統(tǒng)方法和哲理下面簡要介紹并行工程的根本原理和實施要素一、并行工程的根本原理并行工程的定義根本原理并行工程方法與傳統(tǒng)設計方法的主要差異并行工程的特點并行工程所帶來的效益并行工程的定義并行工程 是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關各過程包括制造和保障過程的系統(tǒng)方法，這種方法要求開發(fā)人員在設計一開始就考慮產(chǎn)品在全壽命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質量、本錢、進度方案和用戶要求。并行工程的根本原理并行工程是對產(chǎn)品及其相

4、關各過程設計-生產(chǎn)-使用和保障實行集成的并行的設計。傳統(tǒng)設計方法與并行工程方法比照表并行工程方法與傳統(tǒng)設計方法的主要差異內(nèi) 容傳統(tǒng)設計方法并行工程方法設計內(nèi)容將產(chǎn)品分成一系列獨立的專業(yè)進行設計，各階段序列進行強調各專業(yè)領域的綜合，并在產(chǎn)品方案階段就將全壽命周期各階段的要素綜合進去設計思想設計時著重于滿足產(chǎn)品性能要求，對生產(chǎn)、使用和保障考慮不足全面考慮人的因素，人與人之間的合作，而且還考慮全局產(chǎn)品信息模型的集成，以及集信息共享、保障過程、開發(fā)過程于一體的全局集成內(nèi) 容傳統(tǒng)設計方法并行工程方法工程效果后續(xù)過程對前行過程信息反饋太遲，在生產(chǎn)、使用和保障階段存在大量問題，引起設計方案多次修改，導致多次

5、返工、進度計劃拖延、費用增加，甚至會使整個產(chǎn)品尚在設計階段就夭折后續(xù)過程在前行過程中就已經(jīng)考慮，綜合各階段專家的意見，將生產(chǎn)、使用和保障階段存在的大量問題，在設計方案時進行綜合考慮，因此能降低費用，并且產(chǎn)品容易成功產(chǎn)品質量容易造成產(chǎn)品工藝性不好，使用維護特別費時費力，報廢量增加等問題，導致產(chǎn)品效能低下，全壽命周期費用增加容易避免因產(chǎn)品工藝性不好導致使用維護費時費力、報廢量增加等問題，全壽命周期費用減少并行工程與傳統(tǒng)設計方法比較內(nèi) 容傳統(tǒng)設計方法并行工程方法工藝性能產(chǎn)品圖紙出來以后才進行工藝設計，往往造成完全針對某個型號形成一條生產(chǎn)線，缺乏靈活性，不能適應改型及其它型號的生產(chǎn)要求，使工裝費增加在

6、產(chǎn)品圖紙之前已經(jīng)進行了工藝設計，具有設計的主動性和靈活性并行工程與傳統(tǒng)設計方法比較并行工程的特點1、并行工程不是指同時地或交錯地完成設計和生產(chǎn)任務，它不要求在設計產(chǎn)品的同時就進行生產(chǎn)，而是要求所有的設計工作包括生產(chǎn)設計、使用維護設計、運輸設計等等，要在生產(chǎn)開始前完成。并行工程的特點2、并行工程也不能隨意消除一個完整工程過程中現(xiàn)存的、順序的、向前傳遞信息的任一必要階段，如概念設計、方案設計、全面研制，以及必要的工程分析、試驗等。3、并行工程不要求保險設計，它通過優(yōu)化大量過程，以較低的費用使零件到達預定目標而獲得產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。它允許零件帶有某些制造偏差，費用低。保險設計靠減少零件、冗余技術、緊

7、公差等方法達成產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，保險設計零件外表加工講究，公差嚴格，本錢高。4、并行工程不是執(zhí)行一種近于保守的嚴格測試制度，而是試圖采用設計方案一次通過測試的方法來代替重復測試和周期試驗。保守測試是通過有方案、重復的測試和周期試驗達成產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。并行工程所帶來的效益1、提高設計質量，使早期生產(chǎn)中的修改減少50%以上。2、縮短開發(fā)周期，設計與相關過程并行進行，開發(fā)周期縮短40%-60%。3、降低全壽命周期費用，多專業(yè)協(xié)同開發(fā)，僅生產(chǎn)費用可降低30%-40%。4、優(yōu)化開發(fā)過程，使產(chǎn)品報廢和工作反復減少75%。產(chǎn)品全壽命周期費用是指產(chǎn)品在全壽命周期各個階段所發(fā)生的所有費用之和。產(chǎn)品全壽命周期一

8、般分為五個大的階段產(chǎn)品全壽命周期的五個階段概念設計方案驗證全面研制生 產(chǎn)使用和保障稱為 設計階段稱為 產(chǎn)品的開發(fā)對飛機來講，結構設計對應于方案研制后期和全面研制階段。二、產(chǎn)品的全壽命周期費用LCC圖2-10 全壽命周期費用(LCC)分布圖各階段對全壽命周期費用的影響見以下圖所示1全壽命周期費用的95%在設計階段已經(jīng)決定。2實際花費僅占全壽命周期費用7%的早期設計階段概念設計和方案設計已經(jīng)決定了全壽命周期費用的85%。3生產(chǎn)費用與使用和保障費用之和占全壽命周期費用的絕大多數(shù)。從上圖可見要有效地降低飛機的全壽命周期費用，應從二方面著手：降低飛機全壽命周期費用的有效方法減少生產(chǎn)費用降低使用和保障費用

9、最根本的方法是結構設計的合理性，在設計階段就要考慮可生產(chǎn)性，以便利用現(xiàn)有的材料、設備和工藝。影響使用和保障費用的關鍵因素是可靠性和可維護性，而可靠性和可維護性主要是由設計決定的，所以在結構設計時就應對可靠性和可維護性予以充分考慮。為了提高飛機效能，降低全壽命周期費用，在結構設計時應綜合考慮性能、可生產(chǎn)性、可靠性、可維護性，以及其它方面的要求。傳統(tǒng)設計方法不能適應這一要求，而并行工程方法正是為適應這一要求產(chǎn)生的。并行工程的實施沒有固定的模式。并行工程強調綜合，其具體實施表達在如下四個方面：1. 持續(xù)與用戶保持聯(lián)系，重視滿足用戶要求。及時了解和記錄用戶的需求，并進行技術要求分析與分解，使各領域對技

10、術要求取得一致的認識，共同完成目標。(-對應于 獲取信息)三、并行工程的實施要素必須建立起適合于并行工程的管理體制、機構和科學的管理方法，甚至可能涉及較深層的體制改革。 在 產(chǎn)品早期設計階段，信息不完全性和不確定性的程度高，但是開發(fā)人員應該就產(chǎn)品方案及時達成共識，對產(chǎn)品的效能、全壽命周期費用、進度等進行權衡，并作出決策。這時應用質量功能配置QFD、面向制造的設計DFM、面向裝配的設計DFA、成組技術等質量工程方法 進行決策、優(yōu)化產(chǎn)品的結構及過程參數(shù)設計。(-對應于 總體設計階段信息的分析技術) 3. 建立適用于多專業(yè)人員協(xié)同工作的環(huán)境和工作方法。產(chǎn)品的效能、全壽命費用、開發(fā)周期等主要是由設計階

11、段決策所決定的，所以在設計階段不僅要考慮產(chǎn)品性能上的要求，還要考慮生產(chǎn)、使用和保障諸階段的要求。根據(jù)實際需要，建立多種形式的，由涉及產(chǎn)品全壽命周期各個時期的專家組成的聯(lián)合工作集體協(xié)同工作，能夠促進產(chǎn)品全壽命周期各個階段的信息交流，改善產(chǎn)品開發(fā)的設計決策過程。(-對應于 能分析信息的人)例1：F-22的研制過程中，建立了上百個綜合產(chǎn)品研制小組的聯(lián)合工作集體，使F-22后期的設計更改工作減少了50%。新一代波音737飛機研制模式例2：并行工程應用于 復合材料 結構設計。三、并行工程的實施要素2三、并行工程的實施要素34. 不斷開展相關的支撐技術，支持產(chǎn)品及其過程設計的集成。利用集成計算機輔助工具和

12、技術，能夠實現(xiàn)開發(fā)設計人員相互之間的通信，及時提供設計決策所需要的信息，以便開發(fā)人員利用相應的工具和信息，及時完成產(chǎn)品及其過程的設計與評價，實現(xiàn)產(chǎn)品及其過程設計的集成。(-主要對應于 結構設計階段信息的分析工具)并行工程的計算機環(huán)境 是在網(wǎng)絡技術、決策支持技術、通信技術、軟件工程、數(shù)據(jù)庫集成技術、知識處理和人工智能技術、組織技術等多種技術的支持下，在計算機內(nèi)建立包括信息集成、開發(fā)集成、保障過程集成、管理集成的全局綜合系統(tǒng)。-虛擬環(huán)境四、并行工程的計算機環(huán)境建立并行工程的計算機環(huán)境，實現(xiàn)不同專業(yè)和技術的集成、各種計算機輔助工具的集成、各種信息的集成，最終實現(xiàn)人與計算機的集成。美國從80年代就開始

13、了在計算機環(huán)境下實施并行工程的對策研究，并制定了相應的方案和標準。DICE是美國國防部防御高級研究工程局制定的并行工程倡導方案，該方案提出開發(fā)以計算機為根底的各種效勞，以形成一個集成的信息管理環(huán)境和決策支持環(huán)境。CALS是美國國防部為武器系統(tǒng)的開發(fā)所制定的執(zhí)行并行工程的方案和相應的標準，用于武器系統(tǒng)的獲取及綜合后勤保障諸過程中技術數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、存取、管理、分布和使用。四、并行工程的計算機環(huán)境2.6 主動控制技術及自適應結構與智能結構一、主動控制技術主動控制技術 在飛機設計一開始就考慮飛行自動控制系統(tǒng)的作用，這樣做，可將飛機設計成靜不定、用自動控制系統(tǒng)使其穩(wěn)定，可重新布局的外形和結構。傳統(tǒng)的飛機設

14、計方法是將飛機控制系統(tǒng)放在次要的、附屬的地位，在總體設計時，僅考慮氣動力、結構強度和發(fā)動機三大因素。主動控制技術的應用：已經(jīng)在一些軍用飛機和民用飛機上得到應用，如 F-14、F-15、F/A-18，幻影2000、A-320等。主動控制技術的綜合設計框圖見圖2-11。任務、性能要求飛機設計參數(shù)系統(tǒng)設計要求其它要求氣動外形設計動力裝置設計結構裝載布局設計飛控系統(tǒng)設計綜 合 比 較飛 機 型 式設計結果最正確設計結果反復屢次、逐步完成圖2-11 主動控制技術的綜合設計框圖已用的和正在開展的主動控制技術主要有以下幾種：1、放寬靜穩(wěn)定性 2、機動載荷控制 3、直接力控制4、顫振主動控制 5、飛行包線擴大

15、與限制 6、乘員品質改善和陣風減緩這局部內(nèi)容只作一般了解，不具體講述。主動控制技術自適應結構的應用：自適應結構：是一種隨使用條件變化自動調整自身的幾何形狀，從而使飛機在整個飛行包線范圍內(nèi)獲得最正確性能的結構。 自適應結構可看作是主動控制技術的一種應用。結構(感受鼓勵)傳感器信號處理 器專 用計算機控制器驅動器結構(發(fā)生調整)自適應結構的根本組成自適應結構的應用自適應機翼自適應起落架變后掠機翼：實現(xiàn)層流控制變彎度機翼：改善升阻比二、自適應結構智能結構中的傳感器： 電傳感器、光傳感器、壓電陶瓷制成的傳感器、形狀記憶合金制成的傳感器等幾種類型。智能結構：能夠對環(huán)境狀態(tài)因素如力、熱、聲、電磁波等及其對

16、結構的刺激產(chǎn)生感知，并自動作出反響以適應環(huán)境。 也就是說，它除了具有結構功能外，還兼有自我探測、自我判斷、自作結論或發(fā)出指令，并采取行動的功能。結構(感受鼓勵)傳感器信號處理 器專 用計算機控制器驅動器結構(發(fā)生調整) 智能結構的根本組成三、智能結構智能結構的分類智能蒙皮結構健康監(jiān)控自適應結構智能結構中的驅動器有： 機電式、液壓式、壓電陶瓷制成的驅動器、形狀記憶合金制成的驅動器等幾種類型。智能結構的分類： 將電子元件、光纖等組分復合入蒙皮內(nèi)，以感受外部電磁、氣流、溫度等信號，并發(fā)生反響，以起到隱身、降阻、減重等效果。對結構的損傷及時探測、定位和作出評價，如果損傷到達臨界狀態(tài)，能發(fā)出警告，提示對部件進行修理或更換。甚至還能對損傷進行自抑制和自愈合，或是改變形狀和剛度。智能結構總 結 并 行 工 程 的重點內(nèi)容并行工程的根本原 理并行工