Flugzeugdesign (Teil 2):​​Horizonte erweitern

Gepostet am:25.12.2020, | Von WayKen Rapid Manufacturing

Moderne technische Entscheidungsträger betrachten den Einsatz übermäßiger Rechenleistung in diesem Stadium als nutzlos und als Zeitfresser. Die Einführung von Techniken, die Annäherungen beinhalten, ist viel effizienter und trägt dazu bei, die Zeit zu reduzieren, die für die Ausführung der parametrischen Modellierung erforderlich ist. Zu diesen Techniken gehört die Modellierung mit reduzierter Ordnung, die die mathematische Komplexität des Systems reduziert und gleichzeitig sicherstellt, dass die Physik der maßgeblichen partiellen Differentialgleichungen intakt bleibt.

Nachdem die anfängliche Analyse durchgeführt wurde, kommt ein iteratives Verfahren ins Spiel, bei dem die Ergebnisse Änderungen im Design zur Optimierung vorschreiben. Dieses Verfahren ist die Verbindung zwischen der Konzeptions- und der Vorentwurfsphase. Sehen Sie mehr im Detail Industrial Design Prototyping.

Werfen wir einen Blick auf eine zusammengefasste Form des berühmten Howe-Modells für den Projektsyntheseprozess.

• Sie wird als Erweiterung der Machbarkeitsstudie betrachtet, jedoch mit mehr Details und Komplexität.
• Die erste Phase dieses Prozesses ist die Auswahl einer oder mehrerer Konfigurationen.
• Die zweite Phase ist als Flugregime und Triebwerksauswahl bekannt. In diesem Stadium wird für einen gegebenen Satz von Betriebsbedingungen, d. h. Machzahl usw., der auszuwählende Triebwerkstyp in die engere Wahl gezogen, d. h. Turboprop, Kolbenprop, Turbofan, Low-Bypass-Turbofan, Turbostrahl, Staustrahl usw.
• Der nächste Schritt betrifft die Auswahl des Rumpflayouts. Die Details der Nutzlast sind oft der treibende Faktor hinter dieser Stufe. Dies bietet einen guten Ausgangspunkt für die erste Vorhersage der Flugzeugmasse.
• Die Wing-Konfiguration kommt als nächstes. Für das Aerodynamiklabor ist dies ein komplexer Vorgang, bei dem eine Vielzahl von Parametern eine Rolle spielen. Es ist eine grundlegende Phase während des vorläufigen Entwurfsprozesses. Es führt zu einer anfänglichen Schätzung des Auftriebs, des Luftwiderstands und der Masse eines Flugzeugs und hilft auch bei der Erstellung von Schätzungsberechnungen für die Flächenbelastung, nachdem die nachfolgende Analyse durchgeführt wurde. Schätzungen der Flächenbelastung werden basierend auf theoretischen Gleichungen durchgeführt, die gemäß empirischen Daten für verschiedene Flugbedingungen abgestimmt sind. Es hilft auch dabei, eine grobe Schätzung des Schub-Gewichts-Verhältnisses zu erhalten.
• Schließlich kommen die Phasen der parametrischen Analyse ins Spiel. Die erste Stufe kombiniert Flügel- und Rumpfabmessungen, um eine Reihe von Ergebnissen für jede Flugphase zu erzeugen. Dadurch entsteht ein Gestaltungsraum. Für die zweite Stufe der parametrischen Analyse werden geeignete Sätze von Flächenbelastungs- und Schub-zu-Gewicht-Verhältnissen ausgewählt.
• Die zweite Stufe der parametrischen Analyse umfasst die ausgewählten Datensätze zur Berechnung der Gesamtmasse des Flugzeugs. Der Satz, der den optimalen Massewert liefert, wird verwendet, um ein Schiedsrichterdesign zu erstellen, das dann für eine eingehende Analyse und Bewertung verwendet wird.
• Das Referee-Design wird ausgewertet, was wiederum Folgendes liefert:
  • Geschätzte Größen für Steuerflächen
  • Hilfe bei der Vervollständigung des Fahrwerkslayouts
  • Bessere Schätzung der Auftriebs-, Widerstands- und Massewerte
  • Überarbeitete Berechnungen für Leistungsmerkmale basierend auf abgestimmten Eingabedaten und komplexen Schätzmethoden
  • Das Verfahren wird wiederholt, bis die Massenkonvergenzkriterien erfüllt sind
• Am Ende dieser Designphase werden Sensitivitätsdesignstudien durchgeführt, um kritische Designbereiche mit Hilfe von grafischen oder mathematischen Techniken zu identifizieren. Darüber hinaus werden gleichzeitig andere Aktivitäten durchgeführt, darunter die Konstruktion von hydraulischen, elektrischen, Brandbekämpfungs-, Eisschutz- und pneumatischen Systemen.

In der nächsten Phase, d. h. der Phase des detaillierten Designs, geschieht die Magie, d. h. das Design ist vollständig definiert, skalierte Modelle zum Testen werden bei einem Prototypenhersteller bestellt, und dann werden die endgültigen Zeichnungen auf der Grundlage von Design for Assembly und Design for Manufacturing mit tatsächlichen Topologien ausgelegt , Geometrien, Abmessungen, Toleranzen und Materialspezifikationen. Lassen Sie uns dies nun im nächsten Abschnitt ausführlicher besprechen.

Detailliertes Design

Der Schwerpunkt dieser Phase liegt in erster Linie darauf, Nachweise für die in den früheren Phasen skizzierten Entwurfsverfahren zu erhalten. Es ist die umfangreichste Phase des gesamten Designprozesses. Es konzentriert sich auf das endgültige Design, das Prototyping und das Testen jedes Teils. Basierend auf den Daten aus der vorläufigen Entwurfsphase umfasst diese Phase die Verwendung von Computer-Aided-Design- und Computer-Aided-Manufacturing-Paketen zur Unterstützung von Designaktivitäten.

Es werden drei Faktoren berücksichtigt:Leistung, Herstellungskosten, benötigte Zeit und Betriebseffizienz. Für ein umfassendes Ergebnis gibt es zwei Arten von Testverfahren, nämlich Bodentests und In-Flight-Tests. Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf die Besonderheiten beider Typen werfen.

• Bodentests: Es umfasst Windkanaltests zur Validierung der Ergebnisse von CFD-Paketen, Strukturtests, Avionikbewertung und Systemprüfung. Dies ist die Phase, in der das Prototyping den Tag rettet. Prototyping skalierter Teile für erste Tests ist der Schlüssel, um Kosten und wertvolle Zeit zu sparen. Ein guter Prototyping-Dienstleister nutzt entsprechendes Fachwissen, um die Struktur aus den erforderlichen Materialspezifikationen von Ihrer Seite herzustellen. Der Prototyp kann verwendet werden, um Festigkeit, Steifigkeit, Flattern, elastische Stabilität und andere Systemparameter zu analysieren. Statische Belastung, dynamische Belastung, Schwingungsmodalanalyse und Flatteranalyse sind einige der wichtigsten Tests, die durchgeführt werden müssen. Für skalierte Flugzeugteile bietet der Stereolithographie-3D-Druck die erforderliche Genauigkeit für eine umfassende Bewertung zwischen skizziertem Design und experimentellen Ergebnissen.
• Flugtests: Die Einbeziehung von Zertifizierungsstellen, um die Leistung und die Flugeigenschaften des tatsächlichen Flugzeugs zu überprüfen. Diese Behörden sind als Lufttüchtigkeitsbehörden bekannt. Sie bewerten das Design eines Flugzeugs basierend auf voreingestellten Design- und Sicherheitsanforderungen, die in den Federal Aviation Regulations Airworthiness Standards beschrieben sind. Die folgende Tabelle umreißt umfassend alle Lufttüchtigkeitsstandards und ihre jeweilige Verwendung.

Zu den bemerkenswertesten dieser Standards gehört FAR Part 23, der für Normal-, Nutz- und Kunstflugzeuge mit einem maximalen Startgewicht (MTOW) von weniger als 12.500 Pfund und 9 oder weniger Passagierkapazität gilt. Es schreibt auch Standards für Pendlerflugzeuge mit einem MTOW von nicht mehr als 19.000 Pfund und einer Passagierkapazität von 19 oder weniger vor.

Für kommerzielle Transportflugzeuge wie den Airbus A320 oder die Boeing 737 schreibt FAR Part 25 die erforderlichen Standards vor. Teil 25 enthält verschiedene Unterteile, nämlich A, B, C, D, E und F, die alle Standards für die verschiedenen Systeme und Teilsysteme eines kommerziellen Transportflugzeugs vorgeben.

Ebenso schreiben FAR Part 27 und 29 für Drehflügler (am häufigsten bekannt als Hubschrauber) die Standards für die normale bzw. Transportkategorie vor. Nach dem Erreichen der Lufttüchtigkeitszeugnisse endet der Designzyklus praktisch mit 95 Prozent der Lebenszykluskosten, die in dieser Phase anfallen. Darauf folgen dann Herstellungsschritte im großen Maßstab.

Abschluss des Konstruktionsprozesses eines Flugzeugs

Diese eingehende Überprüfung des Konstruktionszyklus eines Flugzeugs mag sehr komplex erscheinen. Mit einem schrittweisen Ansatz, ausgereiften Entscheidungen auf der Grundlage kritischen Denkens und einer klugen Entscheidungsfindung ist der Konstruktionszyklus eines Flugzeugs jedoch eine erreichbare Leistung. In der modernen Ära, in der sowohl Kosten als auch Zeit auf dem Spiel stehen, ist der Einsatz von Prototypen bei Bedarf von entscheidender Bedeutung, da der Erfolg eines Flugzeugdesigns vollständig von der umfassenden Validierung von Designideen abhängt. Aber es ist wirklich wichtig, die Dienste des richtigen Prototypenherstellers im Bereich der Luftfahrt zu erbringen, da die Genauigkeit der Prototypen sehr wichtig ist. Alle Abkürzungen, die in irgendeiner Phase des Designzyklus vorgenommen werden, erweisen sich später als destruktiv, wie kürzlich im Fall der Boeing 737 Max.