飞机总体设计飞机总体设计 飞机设计研究所飞机设计研究所航空科学与工程学院航空科学与工程学院飞机总体设计第一讲 课程服务团队课程服务团队武武 哲哲 教授教授航空宇航科学与技术学科责任教授航空宇航科学与技术学科责任教授 杨 超 教授 航空科学与工程学院院长， 气动弹性研究室主任 张云飞 教授 长期从事飞行器设计和隐身技术的教学科研工作，并参加了某型飞机的研制，负责总体设计工作 黄 俊 教授 飞机系书记兼副主任， 航空创新实践基地主任 焦起祥 长期从事飞机总体设计的教学与科研， 制作了内容丰富的网络多媒体课件黄沛霖 副教授 飞行器设计专业博士，专长于飞行器隐身设计技术 刘 虎 副教授 飞行器设计专业博士，多年的计算机辅助飞机总体设计软件研发经验，AIAA Member1 课程安排与评分方式课程安排与评分方式v课程安排课程安排课堂讲授课堂讲授专题讲座专题讲座课程项目课程项目 设计小组信息小组设计小组信息小组课堂展示课堂展示课后作业课后作业上机练习上机练习23课程安排与评分方式课程安排与评分方式v设计小组设计小组飞机概念方案设计飞机概念方案设计任务：根据所给题目，选择某一类型的飞机进任务：根据所给题目，选择某一类型的飞机进行概念设计，每组应完成行概念设计，每组应完成至少至少2个方案个方案的布局设的布局设计与初步布置以进行对比，完成其中至少计与初步布置以进行对比，完成其中至少1个方个方案的性能估算，完成演示文稿和设计报告案的性能估算，完成演示文稿和设计报告人员：每班人员：每班2个个设计小组，每组设计小组，每组10人左右人左右4课程安排与评分方式课程安排与评分方式v信息小组信息小组 飞机总体设计数据资料收集与分析飞机总体设计数据资料收集与分析任务：利用飞机设计手册、飞机年鉴等资料，任务：利用飞机设计手册、飞机年鉴等资料，选定一个主题，收集各种飞机的相关文献和数选定一个主题，收集各种飞机的相关文献和数据，进行分类整理和深入分析，总结规律，完据，进行分类整理和深入分析，总结规律，完成翻译成翻译*、演示文稿和分析报告、演示文稿和分析报告 人员：每班人员：每班1个个信息小组，除设计小组外的人员信息小组，除设计小组外的人员均应参加，每组不超过均应参加，每组不超过8人人* *每位组员应翻译一份每位组员应翻译一份1500字左右的所用英文资料（节选）字左右的所用英文资料（节选）v评分方式评分方式总分总分 平时成绩期末笔试平时成绩期末笔试 100 50 50设计小组设计小组 平时成绩平时成绩 课程项目课程项目 50 50信息小组信息小组平时成绩平时成绩 作业作业 课程项目课程项目 50 15 35 课程安排与评分方式课程安排与评分方式5获取课件获取课件v北航北航飞机总体设计飞机总体设计精品课网站精品课网站http:/jpk.buaa.edu.cn/2007jpk/bjsjpk/fjztsj/index.htm6获取通知获取通知v designcourse163.com (Password: design2008)意见与建议意见与建议办公室：科研南1号楼301 （刘虎）Tel: 010-82339801E-mail: aerodesigner163.com7 教材及部分参考书目教材及部分参考书目v顾诵芬顾诵芬, 解思适解思适. 飞机总体设计飞机总体设计. 北京航空航天大学出版社，北京航空航天大学出版社，2001.vRaymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 3rd, 1999. （89年版的中译本：现代飞机设计,1992）vRoskam, J. Airplane Design. 1985. vFielding, J. P. Introduction to Aircraft Design. London : Cambridge University Press, 1999vNicolai, L. M. 飞机设计基本原理. 赵先宁译. 台北: 徐氏基金会, 1983. vBrandt, S. A., Stiles, R. J., Bertin, etal. Introduction to Aeronautics: A Design Perspective. 1997. v方宝瑞. 飞机气动布局设计. 1997. vMattingly, J. D., Heiser, W. H., and Daley, D. H. Aircraft Engine Design. 1987. 8第一讲：绪论第一讲：绪论 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？ 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？ 1.3 总体设计的重要性总体设计的重要性 1.4 总体设计的特点总体设计的特点 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作9 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？v所谓设计，便是创制某一产品之前的构思所谓设计，便是创制某一产品之前的构思和体现这一构思结果的过程和体现这一构思结果的过程v工程设计是指设计人员应用自然规律，通工程设计是指设计人员应用自然规律，通过分析、综合和创造思维将设计要求（系过分析、综合和创造思维将设计要求（系统要求）转化为一组能完整描述系统的参统要求）转化为一组能完整描述系统的参数（文档或图纸）的活动过程数（文档或图纸）的活动过程 10 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？v飞机设计是指设计人员应用气动、结构、飞机设计是指设计人员应用气动、结构、动力、材料、工艺等学科知识通过分析综动力、材料、工艺等学科知识通过分析综合和创造思维，将设计要求转化为一组能合和创造思维，将设计要求转化为一组能完整描述飞机的参数的过程完整描述飞机的参数的过程11 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？v飞机研制过程飞机研制过程 五个阶段的划分方式五个阶段的划分方式论证阶段论证阶段 研究设计新飞机的可行性研究设计新飞机的可行性方案阶段方案阶段 设计出可行的飞机总体技术方案设计出可行的飞机总体技术方案工程研制阶段工程研制阶段 进行详细设计，提供图纸试制原型机进行详细设计，提供图纸试制原型机设计定型阶段设计定型阶段 进行定型试飞进行定型试飞生产定型阶段生产定型阶段 少量改进，小批量生产少量改进，小批量生产12v军用飞机的一般研制过程军用飞机的一般研制过程“路漫漫其修远兮.” 论证阶段论证阶段方案阶段方案阶段工程研制工程研制阶段阶段设计定型设计定型阶段阶段生产定型生产定型阶段阶段进一步进一步改进改进分析使用环境拟定设计要求方案概念研究论证设计要求可行性决策战术技术要求及概念性方案三面图总体布置理论图结构受力系统全机各分系统设计要求发动机及主要机载设备选定决策全尺寸样机研制任务书是否否是飞机详细设计成品配套飞机试制地面模拟试验机上地面试验空、地勤培训及试飞准备决策原型机否是调整试飞定型试飞决策定型试飞 报告否是建立生产线稳定工艺批生产飞机试飞鉴定决策批生产飞机交付部队否是 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？13v飞机设计的范围飞机设计的范围 主要涉及论证、方案和工程研制阶段主要涉及论证、方案和工程研制阶段对于设计阶段的划分和各阶段应完成的任务，对于设计阶段的划分和各阶段应完成的任务， 没有没有完全统一的表述形式完全统一的表述形式论证阶段论证阶段方案阶段方案阶段工程研制工程研制阶段阶段设计定型设计定型阶段阶段生产定型生产定型阶段阶段进一步进一步改进改进飞机设计 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？14 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v飞机设计的三阶段划分方式飞机设计的三阶段划分方式制造制造制造制造设计要求设计要求概念设计概念设计（Conceptual Design）初步设计初步设计（Preliminary Design）详细设计详细设计（Detail Design）15 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务设计要求论证与研究设计要求论证与研究161.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务概念设计概念设计飞机的布局与构型飞机的布局与构型主要参数主要参数发动机、装载的布置发动机、装载的布置三面图三面图初步估算性能初步估算性能方案评估方案评估参数选择与权衡研究参数选择与权衡研究方案优化方案优化17 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务概念设计概念设计用用CADCAD系统绘制的设计布置图系统绘制的设计布置图 18 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务初步设计初步设计冻结布局冻结布局完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和理论外形（三维理论外形（三维CAD模型）模型）详细绘出飞机的总体布置图详细绘出飞机的总体布置图机载设备机载设备分系统分系统载荷和结构承力系统载荷和结构承力系统较精确的计算（重量重心、气动、性能和操较精确的计算（重量重心、气动、性能和操稳等）稳等）模型吹风试验模型吹风试验19 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务详细设计详细设计飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够指导生产的图纸指导生产的图纸如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各系统总装配图，零构件图系统总装配图，零构件图详细的重量计算和强度计算报告详细的重量计算和强度计算报告大量的试验大量的试验系统的台架试验系统的台架试验部分主要承力件的静动强度试验部分主要承力件的静动强度试验.准备原型机的生产准备原型机的生产20 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务原型机试制原型机试制零件进行数控机械加工机身侧壁铆接装配机翼壁板进行铆接机头设备安装21 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v各阶段的任务各阶段的任务原型机试制原型机试制机身段进行铆接飞机进行总装配飞机在试飞车间来源：The catalogue of MBB Economy and Efficiency all the way, Print in West Germany bu MBB, 5.85/1493 22 1.2 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？v飞机总体设计概念设计初步设计飞机总体设计概念设计初步设计制制制制 造造造造设计要求设计要求概念设计概念设计初步设计初步设计详细设计详细设计飞机飞机总体总体设计设计23 1.3 总体设计的重要性总体设计的重要性v“管中窥豹管中窥豹” 机翼前梁在设计过程中的演变机翼前梁在设计过程中的演变详细设计详细设计专注于每一个细节尺寸与参数初步设计初步设计表示出梁的截面变化概念设计概念设计仅仅是一个从翼根到翼梢的平面！“ “简单任务简单任务” ”？24 1.3 总体设计的重要性总体设计的重要性v“管中窥豹管中窥豹” 机翼前梁在设计过程中的演变机翼前梁在设计过程中的演变概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费翼盒翼盒机翼油箱机翼油箱前缘襟翼前缘襟翼前梁的位置前梁的位置25 1.3 总体设计的重要性总体设计的重要性v总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策大量的关键决策v投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约飞机大约80%的全寿命周期成本的全寿命周期成本设计阶段设计阶段人员比例人员比例概念设计概念设计1初步设计初步设计9详细设计详细设计9026 1.3 总体设计的重要性总体设计的重要性（决定的费用）（决定的费用）（消耗的费用）（消耗的费用）27 1.4 总体设计的特点总体设计的特点v科学性与创造性科学性与创造性应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果术）的成果总体设计没有总体设计没有“标准答案标准答案”美国JSF竞争281.4 总体设计的特点总体设计的特点v反复循环迭代的过程反复循环迭代的过程概念设计流程概念设计流程参数选择与权衡研究设计分析设计方案设计要求“Design Wheel”29 1.4 总体设计的特点总体设计的特点v高度的综合性高度的综合性 综合考虑设计要求的各个方面，进行不同综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调学科专业间的权衡与协调 从孤立专业的角度设计出的飞机从孤立专业的角度设计出的飞机气动力气动力把机身、发动机、起落架这样 降低气动效率的部件统统去掉！动力装置动力装置飞机？“会飞的发动机”？！重量重量重量工程师的梦想航模飞机？布鲁恩米勒布鲁恩米勒30 1.4 总体设计的特点总体设计的特点 K. D. K. D. 伍德伍德31 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v飞机设计过程的演化飞机设计过程的演化来自来自Boeing的观点的观点* *McMasters, J. H., Cummings, R. M. Airplane Design as a Social Activity: Emerging Trends in the Aerospace Industry (Invited Paper). AIAA Paper 2002-0516. ：最具革命性的变化：最具革命性的变化数字计算机的出现数字计算机的出现 32 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v飞机设计过程的演化飞机设计过程的演化 推动力：推动力：外界政治经济环境的变化外界政治经济环境的变化CADCADCAECAECAMCAM、CIMSCIMS等技术的迅速发展等技术的迅速发展33 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介虚拟风洞实验 数字样机 计算流体力学（CFD） 34 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v计算机辅助飞机概念设计软件计算机辅助飞机概念设计软件使得设计者可以迅速地提出一个新颖的设计方案，使得设计者可以迅速地提出一个新颖的设计方案，并且不断地修改方案和进行权衡研究（并且不断地修改方案和进行权衡研究（trade studies）Raymer D. P., “Aircraft Design： A Conceptual Approach”显著减少对突然出现的设计项目的反应时间、极大显著减少对突然出现的设计项目的反应时间、极大地提高设计质量和在一定的资源水平下可同时进行地提高设计质量和在一定的资源水平下可同时进行的设计项目的数量的设计项目的数量使得解决更为大规模的设计问题成为可能使得解决更为大规模的设计问题成为可能 Isikveren, A. T., Quasi-Analytical Modeling and Optimisation Techniques for Transport Aircraft Design. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2002 35 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v几种典型的软件几种典型的软件 AAA美国美国DAR公司公司（J. Roskam）ACSYNTVirginia理理工工& NASA AmesRDS美国美国Conceptual Research公司公司（D .P. Raymer）VisualCAPDABerlin工大工大 航空学院的航空实践创新基地航空实践创新基地已经购买36 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v几种典型的软件几种典型的软件SEACD 北京航空航天大学北京航空航天大学 教育版(CADS) 可在航空创新实践基地使用更多软件介绍：更多软件介绍： http:/http:/www.aoe.vt.edu/mason/Mason_f/ACDesSR/review.htmwww.aoe.vt.edu/mason/Mason_f/ACDesSR/review.html l37 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作来源: Brandt etal.38 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作vLockheed Martin的的 “臭鼬工厂臭鼬工厂”(Skunk Works)39 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作vThe Skunk Works approach has proven to be the best for small projects using experienced team members small, expert, team members with lots of responsibility 来源：W.H. Mason, Virginia理工40 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作v什么是团队协作（什么是团队协作（Teamwork）?不是不是让大家坐在一起做同样的家庭作业让大家坐在一起做同样的家庭作业是是:- 一起明确需要解决的问题一起明确需要解决的问题- 每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作- 在团队会议上把每项任务的结果集合起来，并且确定：在团队会议上把每项任务的结果集合起来，并且确定： 我们是否已经解决了问题？我们是否已经解决了问题？- 如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？ 如果是否定的，那么如何进行修改和调整来解决问题？如果是否定的，那么如何进行修改和调整来解决问题？41 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作v高效的团队高效的团队1. 氛围非正式、放松的和舒适的氛围非正式、放松的和舒适的2. 所有的成员都参加讨论所有的成员都参加讨论3. 团队的目标能被充分的理解接受团队的目标能被充分的理解接受 4. 成员们能倾听彼此的意见成员们能倾听彼此的意见5. 存在不同意见，但团队允许它的存在存在不同意见，但团队允许它的存在6. 绝大多数的决定能取得某种共识绝大多数的决定能取得某种共识 7. 批评是经常的、坦诚的和建设性的；不是针对个人的批评是经常的、坦诚的和建设性的；不是针对个人的8. 成员们能自由地表达感受和想法成员们能自由地表达感受和想法9. 行动：分配明确，得到接受行动：分配明确，得到接受10. 领导者并不独裁领导者并不独裁11. 集团对行动进行评估并解决问题集团对行动进行评估并解决问题 来源: Parker, Team Players and Teamwork42 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作v低效的团队低效的团队1. 氛围互不关心无聊氛围互不关心无聊 或或 紧张对抗紧张对抗2. 少数团队成员居于支配地位少数团队成员居于支配地位3. 旁观者难以理解团队的目标旁观者难以理解团队的目标4. 团队成员不互相倾听，讨论时各执一词团队成员不互相倾听，讨论时各执一词5. 分歧没有被有效地加以处理分歧没有被有效地加以处理6. 在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动7. 行动：不清晰该做什么？谁来做？行动：不清晰该做什么？谁来做？8. 领导者明显表现出太软弱或太强硬领导者明显表现出太软弱或太强硬 9. 提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗10. 个人感受都隐藏起来了个人感受都隐藏起来了11. 集团对团队的成绩和进展不进行检查集团对团队的成绩和进展不进行检查 来源: Parker, Team Players and Teamwork43 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作vBoeing的团队协作戒律的团队协作戒律1. 每个每个成员都为团队的进展与成功负责成员都为团队的进展与成功负责2. 参加所有的团队会议并且准时达到参加所有的团队会议并且准时达到3. 按计划分配任务按计划分配任务4. 倾听并尊重其他成员的观点倾听并尊重其他成员的观点5. 对想法进行批评，而不是对人对想法进行批评，而不是对人6. 利用并且期待建设性的反馈意见利用并且期待建设性的反馈意见7. 建设性地解决争端建设性地解决争端8. 永远致力于争取双赢的局面（永远致力于争取双赢的局面（win-win situations）9. 集中注意力集中注意力 避免导致分裂的行为避免导致分裂的行为10. 在你不明白的时候提问在你不明白的时候提问源于Boeing Commercial Airplane GroupDon Evans（Arizona State Univ.）整理改编44 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作v系统思想（系统思想（Systems Thinking）来源: Boeing Whether we like it or not, we are all in this together.45复复 习习 题题1.飞机设计的三个主要阶段是什么？各有些什么飞机设计的三个主要阶段是什么？各有些什么主要任务？主要任务？2.飞机总体设计有什么特点？飞机总体设计有什么特点？3.高效的团队和低效的团队各有什么表现？高效的团队和低效的团队各有什么表现？4.Boeing的团队协作戒律有哪些？的团队协作戒律有哪些？ 注意：如果你找到了不同的答案，注明来源（参考文献）注意：如果你找到了不同的答案，注明来源（参考文献）46 谢 谢！47