飞机结构设计（罗漳平）第03讲-设计方法-2

1、飞机结构分析与设计第三讲一、CAD系统的概念2.4 计算机辅助设计CAD计算机辅助设计Computer Aided Design利用计算机及其外围设备和图形输入、输出设备解决设计问题的一种先进的产品设计方法二、 CAD技术应用应用到各种工程设计领域及产品设计过程的各个专业例如：总体设计、气动设计、结构设计、工艺设计、电路设计、系统设计等三、 CAD系统的组成CAD系统计算机、外围设备、图形输入输出设备等应用软件通用支撑软件系统软件总体设计，结构设计、分析，气动分析等；还包括自编软件硬件软件如实体造型，运动机构造型，数据管理、技术文件生成等主要是指用于计算机管理、维护、控制等方面的软件 CAM计

2、算机辅助制造, computer aided manufacturing- 是指利用计算机对制造过程进行规划、管理和控制。 CAD/CAM集成系统 - 将CAD与CAM结合在一起。四、 CAD/CAM 集成系统 波音公司成功地在波音727，波音737，波音767等型号上推广应用CAD/CAM技术，缩短了新型客机的研制周期。B777实现无图纸设计。我国60年代开始应用CAD设计技术自80年代开始，我国应用集成技术把各个应用程序、软件包、图形软件等按照飞机设计要求集成起来，形成了多功能、自动化程序流程的飞机设计集成系统-CAADMM。之后又开发了集成化程度更高、更为先进的交互式飞机研制集成系统CI

3、MS,并已在型号开发中得到应用。2.5 并行工程CE并行工程方法的形成过程：系统工程方法系统工程方法的开展计算机技术80年代中期出现了并行工程方法并行工程是一种具有普遍适用性的系统方法和哲理下面简要介绍并行工程的根本原理和实施要素一、并行工程的根本原理并行工程的定义根本原理并行工程方法与传统设计方法的主要差异并行工程的特点并行工程所带来的效益并行工程的定义并行工程 是集成地、并行地设计产品及其相关各过程包括制造和保障过程的系统方法，这种方法要求开发人员在设计一开始就考虑产品在全寿命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、本钱、进度方案和用户要求。并行工程的根本原理并行工程是对产品及其相

4、关各过程设计-生产-使用和保障实行集成的并行的设计。传统设计方法与并行工程方法比照表并行工程方法与传统设计方法的主要差异内 容传统设计方法并行工程方法设计内容将产品分成一系列独立的专业进行设计，各阶段序列进行强调各专业领域的综合，并在产品方案阶段就将全寿命周期各阶段的要素综合进去设计思想设计时着重于满足产品性能要求，对生产、使用和保障考虑不足全面考虑人的因素，人与人之间的合作，而且还考虑全局产品信息模型的集成，以及集信息共享、保障过程、开发过程于一体的全局集成内 容传统设计方法并行工程方法工程效果后续过程对前行过程信息反馈太迟，在生产、使用和保障阶段存在大量问题，引起设计方案多次修改，导致多次

5、返工、进度计划拖延、费用增加，甚至会使整个产品尚在设计阶段就夭折后续过程在前行过程中就已经考虑，综合各阶段专家的意见，将生产、使用和保障阶段存在的大量问题，在设计方案时进行综合考虑，因此能降低费用，并且产品容易成功产品质量容易造成产品工艺性不好，使用维护特别费时费力，报废量增加等问题，导致产品效能低下，全寿命周期费用增加容易避免因产品工艺性不好导致使用维护费时费力、报废量增加等问题，全寿命周期费用减少并行工程与传统设计方法比较内 容传统设计方法并行工程方法工艺性能产品图纸出来以后才进行工艺设计，往往造成完全针对某个型号形成一条生产线，缺乏灵活性，不能适应改型及其它型号的生产要求，使工装费增加在

6、产品图纸之前已经进行了工艺设计，具有设计的主动性和灵活性并行工程与传统设计方法比较并行工程的特点1、并行工程不是指同时地或交错地完成设计和生产任务，它不要求在设计产品的同时就进行生产，而是要求所有的设计工作包括生产设计、使用维护设计、运输设计等等，要在生产开始前完成。并行工程的特点2、并行工程也不能随意消除一个完整工程过程中现存的、顺序的、向前传递信息的任一必要阶段，如概念设计、方案设计、全面研制，以及必要的工程分析、试验等。3、并行工程不要求保险设计，它通过优化大量过程，以较低的费用使零件到达预定目标而获得产品性能的稳定性。它允许零件带有某些制造偏差，费用低。保险设计靠减少零件、冗余技术、紧

7、公差等方法达成产品性能的稳定性，保险设计零件外表加工讲究，公差严格，本钱高。4、并行工程不是执行一种近于保守的严格测试制度，而是试图采用设计方案一次通过测试的方法来代替重复测试和周期试验。保守测试是通过有方案、重复的测试和周期试验达成产品性能的稳定性。并行工程所带来的效益1、提高设计质量，使早期生产中的修改减少50%以上。2、缩短开发周期，设计与相关过程并行进行，开发周期缩短40%-60%。3、降低全寿命周期费用，多专业协同开发，仅生产费用可降低30%-40%。4、优化开发过程，使产品报废和工作反复减少75%。产品全寿命周期费用是指产品在全寿命周期各个阶段所发生的所有费用之和。产品全寿命周期一

8、般分为五个大的阶段产品全寿命周期的五个阶段概念设计方案验证全面研制生 产使用和保障称为 设计阶段称为 产品的开发对飞机来讲，结构设计对应于方案研制后期和全面研制阶段。二、产品的全寿命周期费用LCC图2-10 全寿命周期费用(LCC)分布图各阶段对全寿命周期费用的影响见以下图所示1全寿命周期费用的95%在设计阶段已经决定。2实际花费仅占全寿命周期费用7%的早期设计阶段概念设计和方案设计已经决定了全寿命周期费用的85%。3生产费用与使用和保障费用之和占全寿命周期费用的绝大多数。从上图可见要有效地降低飞机的全寿命周期费用，应从二方面着手：降低飞机全寿命周期费用的有效方法减少生产费用降低使用和保障费用

9、最根本的方法是结构设计的合理性，在设计阶段就要考虑可生产性，以便利用现有的材料、设备和工艺。影响使用和保障费用的关键因素是可靠性和可维护性，而可靠性和可维护性主要是由设计决定的，所以在结构设计时就应对可靠性和可维护性予以充分考虑。为了提高飞机效能，降低全寿命周期费用，在结构设计时应综合考虑性能、可生产性、可靠性、可维护性，以及其它方面的要求。传统设计方法不能适应这一要求，而并行工程方法正是为适应这一要求产生的。并行工程的实施没有固定的模式。并行工程强调综合，其具体实施表达在如下四个方面：1. 持续与用户保持联系，重视满足用户要求。及时了解和记录用户的需求，并进行技术要求分析与分解，使各领域对技

10、术要求取得一致的认识，共同完成目标。(-对应于 获取信息)三、并行工程的实施要素必须建立起适合于并行工程的管理体制、机构和科学的管理方法，甚至可能涉及较深层的体制改革。 在 产品早期设计阶段，信息不完全性和不确定性的程度高，但是开发人员应该就产品方案及时达成共识，对产品的效能、全寿命周期费用、进度等进行权衡，并作出决策。这时应用质量功能配置QFD、面向制造的设计DFM、面向装配的设计DFA、成组技术等质量工程方法 进行决策、优化产品的结构及过程参数设计。(-对应于 总体设计阶段信息的分析技术) 3. 建立适用于多专业人员协同工作的环境和工作方法。产品的效能、全寿命费用、开发周期等主要是由设计阶

11、段决策所决定的，所以在设计阶段不仅要考虑产品性能上的要求，还要考虑生产、使用和保障诸阶段的要求。根据实际需要，建立多种形式的，由涉及产品全寿命周期各个时期的专家组成的联合工作集体协同工作，能够促进产品全寿命周期各个阶段的信息交流，改善产品开发的设计决策过程。(-对应于 能分析信息的人)例1：F-22的研制过程中，建立了上百个综合产品研制小组的联合工作集体，使F-22后期的设计更改工作减少了50%。新一代波音737飞机研制模式例2：并行工程应用于 复合材料 结构设计。三、并行工程的实施要素2三、并行工程的实施要素34. 不断开展相关的支撑技术，支持产品及其过程设计的集成。利用集成计算机辅助工具和

12、技术，能够实现开发设计人员相互之间的通信，及时提供设计决策所需要的信息，以便开发人员利用相应的工具和信息，及时完成产品及其过程的设计与评价，实现产品及其过程设计的集成。(-主要对应于 结构设计阶段信息的分析工具)并行工程的计算机环境 是在网络技术、决策支持技术、通信技术、软件工程、数据库集成技术、知识处理和人工智能技术、组织技术等多种技术的支持下，在计算机内建立包括信息集成、开发集成、保障过程集成、管理集成的全局综合系统。-虚拟环境四、并行工程的计算机环境建立并行工程的计算机环境，实现不同专业和技术的集成、各种计算机辅助工具的集成、各种信息的集成，最终实现人与计算机的集成。美国从80年代就开始

13、了在计算机环境下实施并行工程的对策研究，并制定了相应的方案和标准。DICE是美国国防部防御高级研究工程局制定的并行工程倡导方案，该方案提出开发以计算机为根底的各种效劳，以形成一个集成的信息管理环境和决策支持环境。CALS是美国国防部为武器系统的开发所制定的执行并行工程的方案和相应的标准，用于武器系统的获取及综合后勤保障诸过程中技术数据的产生、存取、管理、分布和使用。四、并行工程的计算机环境2.6 主动控制技术及自适应结构与智能结构一、主动控制技术主动控制技术 在飞机设计一开始就考虑飞行自动控制系统的作用，这样做，可将飞机设计成静不定、用自动控制系统使其稳定，可重新布局的外形和结构。传统的飞机设

14、计方法是将飞机控制系统放在次要的、附属的地位，在总体设计时，仅考虑气动力、结构强度和发动机三大因素。主动控制技术的应用：已经在一些军用飞机和民用飞机上得到应用，如 F-14、F-15、F/A-18，幻影2000、A-320等。主动控制技术的综合设计框图见图2-11。任务、性能要求飞机设计参数系统设计要求其它要求气动外形设计动力装置设计结构装载布局设计飞控系统设计综 合 比 较飞 机 型 式设计结果最正确设计结果反复屡次、逐步完成图2-11 主动控制技术的综合设计框图已用的和正在开展的主动控制技术主要有以下几种：1、放宽静稳定性 2、机动载荷控制 3、直接力控制4、颤振主动控制 5、飞行包线扩大

15、与限制 6、乘员品质改善和阵风减缓这局部内容只作一般了解，不具体讲述。主动控制技术自适应结构的应用：自适应结构：是一种随使用条件变化自动调整自身的几何形状，从而使飞机在整个飞行包线范围内获得最正确性能的结构。 自适应结构可看作是主动控制技术的一种应用。结构(感受鼓励)传感器信号处理 器专 用计算机控制器驱动器结构(发生调整)自适应结构的根本组成自适应结构的应用自适应机翼自适应起落架变后掠机翼：实现层流控制变弯度机翼：改善升阻比二、自适应结构智能结构中的传感器： 电传感器、光传感器、压电陶瓷制成的传感器、形状记忆合金制成的传感器等几种类型。智能结构：能够对环境状态因素如力、热、声、电磁波等及其对

16、结构的刺激产生感知，并自动作出反响以适应环境。 也就是说，它除了具有结构功能外，还兼有自我探测、自我判断、自作结论或发出指令，并采取行动的功能。结构(感受鼓励)传感器信号处理 器专 用计算机控制器驱动器结构(发生调整) 智能结构的根本组成三、智能结构智能结构的分类智能蒙皮结构健康监控自适应结构智能结构中的驱动器有： 机电式、液压式、压电陶瓷制成的驱动器、形状记忆合金制成的驱动器等几种类型。智能结构的分类： 将电子元件、光纤等组分复合入蒙皮内，以感受外部电磁、气流、温度等信号，并发生反响，以起到隐身、降阻、减重等效果。对结构的损伤及时探测、定位和作出评价，如果损伤到达临界状态，能发出警告，提示对部件进行修理或更换。甚至还能对损伤进行自抑制和自愈合，或是改变形状和刚度。智能结构总 结 并 行 工 程 的重点内容并行工程的根本原 理并行工