飞机总体设计课件 01-客机设计流程

田云北京航空航天大学2023年3月13日客机设计流程客机设计的过程概念设计(ConceptualDesign)＝技术经济可行性论证（市场调研）初步设计(PreliminaryDesign)＝预发展总体设计=概念设计+初步设计设计要求技术储备市场调研市场调研：潜在市场（立足国内还是全球）未来发展趋势（经济、民航）点对点OR枢纽对枢纽模式（B787、A380）高铁影响（中国尤为突出）技术储备不可预估因素（政治、军事及经济，如石油危机、911事件）结论：座级、航程、巡航速度及四性指标CJ828双通道干线客机市场调研航空市场需求和发展预测序号航线全季班次每周班次全季旅客人数客座率执行率1北京-上海15085503296364676942上海-深圳10978366153443277913上海-广州9676323136115069924北京-广州7481249132829271945北京-深圳7372246126842874976北京-成都9086303114352870937西安-北京8329278104846477958北京-杭州7867262102471381979广州-杭州72392411007793869210上海-厦门7008234845071779411上海-青岛70002338441747910112北京-南京63372117764737410713北京-昆明50211677668527810514上海-成都6398213734941709215成都-广州6255209732514759916北京-大连5197173730667779917北京-乌鲁木齐48841637128607810218北京-哈尔滨5935198702207759319海口-广州51791736832538610020北京-重庆60662026826227297航空市场需求和发展预测

航线（往返）全季班次全季旅客人数客座率理想座级北京-上海15085296364676259北京-广州7481132829271250北京-深圳7372126842874233上海-广州9676136115069204北京-昆明502176685278196北京-乌鲁木齐488471286078187北京-大连519773066777183上海-深圳10978153443277182北京-成都9086114352870180上海-大连511260940670170市场调研：2010-2030年世界各地区的各型客机需求量亚太地区13条中国内地以及港澳台地区5条上述热门航线的主要机型A-320，B-737A-330，B-777A-380，B-747

250座级300/350座级航程定位—国内从南到北：

三亚—哈尔滨：3665公里从东到西：

上海—乌鲁木齐：3650公里航程定位亚洲：

北京到新加坡，雅加达：4500公里，5300公里

非洲：

埃及到南非：5500km拉丁美洲：

阿根廷到委内瑞拉：5000km。市场调研CJ-828立足国内和亚太地区，满足人口密度较大地区机场之间的航空客货运输，弥补单通道客机运力和航程的不足，最大程度避免与高速铁路的竞争。三级客舱布局300座级，巡航马赫数0.80，设计航程6000km（航时<7h）。A330及B777为300座级客机，但均为跨洋远程飞机，不适合国内中短航程航线

CR929机型CR929-600座位数三舱258-280（3级）二舱261-291(2级)全经济级321-416（1级）长度57.5～63.43米翼展58～61米高度17.9米机身高度6.07米机身宽度5.92米最大座舱宽度5.61米最大起飞重量208～234吨巡航速率0.85马赫满载航距12,000千米概念设计输入设计要求设计规范工作内容确定全机布局确定主要参数选择发动机分系统架构确定部件主要几何参数初步的总体布置方案分析与评估总体参数优化绘制三面图输出初步方案的三面图可行性论证报告详细技术要求与目标目标可行性论证：能否达到设计指标？获得一个或几个能满足要求的初步方案方法与手段统计数据经验公式工程估算公式参数敏感分析地毯图总体分析软件总体参数优化软件设计要求及规范设计要求：商载、航程、巡航速度、升阻比、起降场长经济性、安全性、舒适性及环保性指标设计规范：CCAR-23、CCAR-25（5.7吨以上运输类飞机）相关设计规范（各公司及单位内部）民机投入市场必须符合适航规范，因为适航规范是最低安全要求空机重量：90.50t比例：48.7%商载重量：33.25t比例：17.9%燃油重量：54.3t比例：29.2%统计数据经验公式具体型号起飞总重186t0.48~0.540.16~0.260.26~0.30旅客75kg/人

托运行李20kg/人

三级布置305人两级布置331人全经济型363人结构重量：55.93t

动力装置：13.20t

固定设备：19.41t使用燃油85%

备用燃油15%使用项目重量：2.52t比例：1.4%起飞总重估算空重系数与商载系数的统计曲线客机空机重量比与最大装载航程的关系发动机推力估算飞机起飞推力与起飞重量的关系双发三发四发机翼面积、发动机推力与起飞总重的关系翼载与推重比的约束范围机翼面积大小的考量A380尺寸限制80m80m80ftA350三视图初步设计（转阶段）输入概念设计结果初始方案的外形CAD模型工作内容细化和优化几何外形气动设计、分析与优化初步结构布置结构分析与优化多学科分析与优化完整三面图和外形数模飞机总体布置图各种机载设备、各系统、载荷和结构承力系统方案的进一步评估输出全机外形数模完整三面图/总体布置图论证报告全尺寸样机目标细化、优化概念设计方案确信方案能达到设计要求，冻结总体外形。方法与手段CAD软件（CATIA）基于数值仿真的方法－CFD、FEM、性能、气动优化、结构优化、多学科设计优化软件风洞实验工程样机A320机翼机翼平面尺寸A380机身截面的确定A380机身截面设计的考量波音系列飞机机身截面详细设计输入初步设计结果飞机外形数模；总体布置（数字样机；全尺寸样机）工作内容部件设计和零构件设计各系统的设计液压系统环控系统起落架系统……详细的重量重心计算强度计算报告静强度、动强度和寿命试验系统的地面台架试验工装设计输出部件总图、装配图、零件图各系统总图、装配图、零件图目标完成可用于制造加工的细节设计图和技术文件。方法与手段CADCAM（FEM）结构优化设计系统可靠性设计试验增升装置的详细设计过程Stage1多段翼型设计Stage2准三维设计Stage3全展缝翼设计Stage4带短舱吊挂设计Stage5导流片等细节设计Stage6全机低速构型设计校核机翼详细设计风洞试验气动细节设计带短舱网格加装导流片网格B787座舱尺寸飞机设计的三个阶段概念设计(ConceptualDesign)1%人员初步设计(PreliminaryDesign)9%人员详细设计（DetailDesign)90%人员飞机设计的特点设计定义概念设计气动设计结构设计及选材发动机选择机载系统设计及选择重量估算飞行性能分析操稳特性分析经济性分析噪声特性分析设计开始循环迭代气动专业理想飞机发动机专业理想飞机飞控专业理想飞机结构专业理想飞机飞机设计的特点综合多学科分析与优化aerodynamicsstructureperformance……约束更具体,工作开展相对独立概念设计初步设计详细设计分析评估逐渐深化飞机总体设计的重要性总体设计影响全寿命周期成本的85％！概念设计初步设计详细设计制造/采购使用维护报废20406080100085％95％65％全寿命周期影响寿命周期成本的程度概念设计流程设计要求、适航条例全机布局设计发动机选择重量重心确定机翼外形初步设计

方案分析与评估重量特性气动特性动力特性性能评估操稳特性经济性分析噪声特性排放量可靠性维修性机场适应性……确定主要参数尾翼外形初步设计总体布置形成初步方案满足要求？方案最优？YesNo分系统初步方案发动机短舱设计优化分析飞机设计应具备的知识与技能数据与经验数据收集统计分析经验积累构思与决策综合与创新判断与决策计算与分析几何计算气动计算结构分析重量计算性能计算绘图与CAD

部件外形图三面图总体布置图飞机设计工作的主要形式尽可能熟悉多种飞机的方案特点案例分析团队的力量头脑风暴方案生成方案分析评估方案优选定量方法数学模型计算机仿真试验定性方法专家打分参数分析敏感度分析试验设计法优化方法LockheedMartin的“臭鼬工厂”(SkunkWorks)那个该死的瑞典人简直就像是看得见空气流动的方式一样P-38F-104U-2SR-71F-117鲁坦1、首次实现载人单极近空间飞行，拿下AnsariX奖的“太空船一号”；2、畅销车库飞机VariEZ；3、轻型飞机Quickie；4、首次实现载人不着陆不加油环球航行的“旅行者号”；5、首次实现载人不着陆不加油环球航行的喷气飞机“维珍大西洋环球飞行者号”参考教材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大学教材）：/aa241/R.D.Schaufele,TheElementofAircraftPreliminaryDesign,AriesPublications,SantaAna,California,2000.Torenbeek，SynthesisofSubson