飛機總體設計課件 01-客機設計流程

田云北京航空航天大學2023年3月13日客機設計流程客機設計的過程概念設計(ConceptualDesign)＝技術經(jīng)濟可行性論證（市場調(diào)研）初步設計(PreliminaryDesign)＝預發(fā)展總體設計=概念設計+初步設計設計要求技術儲備市場調(diào)研市場調(diào)研：潛在市場（立足國內(nèi)還是全球）未來發(fā)展趨勢（經(jīng)濟、民航）點對點OR樞紐對樞紐模式（B787、A380）高鐵影響（中國尤為突出）技術儲備不可預估因素（政治、軍事及經(jīng)濟，如石油危機、911事件）結論：座級、航程、巡航速度及四性指標CJ828雙通道干線客機市場調(diào)研航空市場需求和發(fā)展預測序號航線全季班次每周班次全季旅客人數(shù)客座率執(zhí)行率1北京-上海15085503296364676942上海-深圳10978366153443277913上海-廣州9676323136115069924北京-廣州7481249132829271945北京-深圳7372246126842874976北京-成都9086303114352870937西安-北京8329278104846477958北京-杭州7867262102471381979廣州-杭州72392411007793869210上海-廈門7008234845071779411上海-青島70002338441747910112北京-南京63372117764737410713北京-昆明50211677668527810514上海-成都6398213734941709215成都-廣州6255209732514759916北京-大連5197173730667779917北京-烏魯木齊48841637128607810218北京-哈爾濱5935198702207759319?？?廣州51791736832538610020北京-重慶60662026826227297航空市場需求和發(fā)展預測

航線（往返）全季班次全季旅客人數(shù)客座率理想座級北京-上海15085296364676259北京-廣州7481132829271250北京-深圳7372126842874233上海-廣州9676136115069204北京-昆明502176685278196北京-烏魯木齊488471286078187北京-大連519773066777183上海-深圳10978153443277182北京-成都9086114352870180上海-大連511260940670170市場調(diào)研：2010-2030年世界各地區(qū)的各型客機需求量亞太地區(qū)13條中國內(nèi)地以及港澳臺地區(qū)5條上述熱門航線的主要機型A-320，B-737A-330，B-777A-380，B-747

250座級300/350座級航程定位—國內(nèi)從南到北：

三亞—哈爾濱：3665公里從東到西：

上?！獮豸斈君R：3650公里航程定位亞洲：

北京到新加坡，雅加達：4500公里，5300公里

非洲：

埃及到南非：5500km拉丁美洲：

阿根廷到委內(nèi)瑞拉：5000km。市場調(diào)研CJ-828立足國內(nèi)和亞太地區(qū)，滿足人口密度較大地區(qū)機場之間的航空客貨運輸，彌補單通道客機運力和航程的不足，最大程度避免與高速鐵路的競爭。三級客艙布局300座級，巡航馬赫數(shù)0.80，設計航程6000km（航時<7h）。A330及B777為300座級客機，但均為跨洋遠程飛機，不適合國內(nèi)中短航程航線

CR929機型CR929-600座位數(shù)三艙258-280（3級）二艙261-291(2級)全經(jīng)濟級321-416（1級）長度57.5～63.43米翼展58～61米高度17.9米機身高度6.07米機身寬度5.92米最大座艙寬度5.61米最大起飛重量208～234噸巡航速率0.85馬赫滿載航距12,000千米概念設計輸入設計要求設計規(guī)范工作內(nèi)容確定全機布局確定主要參數(shù)選擇發(fā)動機分系統(tǒng)架構確定部件主要幾何參數(shù)初步的總體布置方案分析與評估總體參數(shù)優(yōu)化繪制三面圖輸出初步方案的三面圖可行性論證報告詳細技術要求與目標目標可行性論證：能否達到設計指標？獲得一個或幾個能滿足要求的初步方案方法與手段統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)驗公式工程估算公式參數(shù)敏感分析地毯圖總體分析軟件總體參數(shù)優(yōu)化軟件設計要求及規(guī)范設計要求：商載、航程、巡航速度、升阻比、起降場長經(jīng)濟性、安全性、舒適性及環(huán)保性指標設計規(guī)范：CCAR-23、CCAR-25（5.7噸以上運輸類飛機）相關設計規(guī)范（各公司及單位內(nèi)部）民機投入市場必須符合適航規(guī)范，因為適航規(guī)范是最低安全要求空機重量：90.50t比例：48.7%商載重量：33.25t比例：17.9%燃油重量：54.3t比例：29.2%統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)驗公式具體型號起飛總重186t0.48~0.540.16~0.260.26~0.30旅客75kg/人

托運行李20kg/人

三級布置305人兩級布置331人全經(jīng)濟型363人結構重量：55.93t

動力裝置：13.20t

固定設備：19.41t使用燃油85%

備用燃油15%使用項目重量：2.52t比例：1.4%起飛總重估算空重系數(shù)與商載系數(shù)的統(tǒng)計曲線客機空機重量比與最大裝載航程的關系發(fā)動機推力估算飛機起飛推力與起飛重量的關系雙發(fā)三發(fā)四發(fā)機翼面積、發(fā)動機推力與起飛總重的關系翼載與推重比的約束范圍機翼面積大小的考量A380尺寸限制80m80m80ftA350三視圖初步設計（轉階段）輸入概念設計結果初始方案的外形CAD模型工作內(nèi)容細化和優(yōu)化幾何外形氣動設計、分析與優(yōu)化初步結構布置結構分析與優(yōu)化多學科分析與優(yōu)化完整三面圖和外形數(shù)模飛機總體布置圖各種機載設備、各系統(tǒng)、載荷和結構承力系統(tǒng)方案的進一步評估輸出全機外形數(shù)模完整三面圖/總體布置圖論證報告全尺寸樣機目標細化、優(yōu)化概念設計方案確信方案能達到設計要求，凍結總體外形。方法與手段CAD軟件（CATIA）基于數(shù)值仿真的方法－CFD、FEM、性能、氣動優(yōu)化、結構優(yōu)化、多學科設計優(yōu)化軟件風洞實驗工程樣機A320機翼機翼平面尺寸A380機身截面的確定A380機身截面設計的考量波音系列飛機機身截面詳細設計輸入初步設計結果飛機外形數(shù)模；總體布置（數(shù)字樣機；全尺寸樣機）工作內(nèi)容部件設計和零構件設計各系統(tǒng)的設計液壓系統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)起落架系統(tǒng)……詳細的重量重心計算強度計算報告靜強度、動強度和壽命試驗系統(tǒng)的地面臺架試驗工裝設計輸出部件總圖、裝配圖、零件圖各系統(tǒng)總圖、裝配圖、零件圖目標完成可用于制造加工的細節(jié)設計圖和技術文件。方法與手段CADCAM（FEM）結構優(yōu)化設計系統(tǒng)可靠性設計試驗增升裝置的詳細設計過程Stage1多段翼型設計Stage2準三維設計Stage3全展縫翼設計Stage4帶短艙吊掛設計Stage5導流片等細節(jié)設計Stage6全機低速構型設計校核機翼詳細設計風洞試驗氣動細節(jié)設計帶短艙網(wǎng)格加裝導流片網(wǎng)格B787座艙尺寸飛機設計的三個階段概念設計(ConceptualDesign)1%人員初步設計(PreliminaryDesign)9%人員詳細設計（DetailDesign)90%人員飛機設計的特點設計定義概念設計氣動設計結構設計及選材發(fā)動機選擇機載系統(tǒng)設計及選擇重量估算飛行性能分析操穩(wěn)特性分析經(jīng)濟性分析噪聲特性分析設計開始循環(huán)迭代氣動專業(yè)理想飛機發(fā)動機專業(yè)理想飛機飛控專業(yè)理想飛機結構專業(yè)理想飛機飛機設計的特點綜合多學科分析與優(yōu)化aerodynamicsstructureperformance……約束更具體,工作開展相對獨立概念設計初步設計詳細設計分析評估逐漸深化飛機總體設計的重要性總體設計影響全壽命周期成本的85％！概念設計初步設計詳細設計制造/采購使用維護報廢20406080100085％95％65％全壽命周期影響壽命周期成本的程度概念設計流程設計要求、適航條例全機布局設計發(fā)動機選擇重量重心確定機翼外形初步設計

方案分析與評估重量特性氣動特性動力特性性能評估操穩(wěn)特性經(jīng)濟性分析噪聲特性排放量可靠性維修性機場適應性……確定主要參數(shù)尾翼外形初步設計總體布置形成初步方案滿足要求？方案最優(yōu)？YesNo分系統(tǒng)初步方案發(fā)動機短艙設計優(yōu)化分析飛機設計應具備的知識與技能數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計分析經(jīng)驗積累構思與決策綜合與創(chuàng)新判斷與決策計算與分析幾何計算氣動計算結構分析重量計算性能計算繪圖與CAD

部件外形圖三面圖總體布置圖飛機設計工作的主要形式盡可能熟悉多種飛機的方案特點案例分析團隊的力量頭腦風暴方案生成方案分析評估方案優(yōu)選定量方法數(shù)學模型計算機仿真試驗定性方法專家打分參數(shù)分析敏感度分析試驗設計法優(yōu)化方法LockheedMartin的“臭鼬工廠”(SkunkWorks)那個該死的瑞典人簡直就像是看得見空氣流動的方式一樣P-38F-104U-2SR-71F-117魯坦1、首次實現(xiàn)載人單極近空間飛行，拿下AnsariX獎的“太空船一號”；2、暢銷車庫飛機VariEZ；3、輕型飛機Quickie；4、首次實現(xiàn)載人不著陸不加油環(huán)球航行的“旅行者號”；5、首次實現(xiàn)載人不著陸不加油環(huán)球航行的噴氣飛機“維珍大西洋環(huán)球飛行者號”參考教材L.R.Jenkinson,P.Simpkin,D.Rhodes,CivilJetAircraftDesign,AIAAInc,1999D.P.Raymer,AircraftDesign:AConceptualApproach,AIAAEducationSeries.1992.J.Roskam,AirplaneDesign,PartⅠ-PartⅧ,RoskamAviationandEngineeringCorporation,Ottawa,Kansas,1985D.Howe,AircraftConceptualDesignSynthesis,ProfessionalEngineeringPublishingLimited,London,UK,2000.AircraftDesign：SynthesisandAnalysis,（stanford大學教材）：/aa241/R.D.Schaufele,TheElementofAircraftPreliminaryDesign,AriesPublications,SantaAna,California,2000.Torenbeek，SynthesisofSubson