항공기 설계(1부):지평 확장

전 세계적으로 가장 어려운 엔지니어링 전공 중에서 항공우주 및 항공 공학이 틀림없이 목록 1위를 차지할 것입니다. 이 기사를 읽는 모든 엔지니어는 모든 제품의 설계와 관련된 일반적인 설계 주기에 익숙할 수 있지만 항공 분야에서 요구되는 복잡성 수준이 이를 매우 어렵게 만듭니다.

현대 항공기 설계는 엄격한 운영, 환경 및 재정적 문제에 직면해 있습니다. 최신 Boeing 737 Max의 경우와 같이 복잡한 시스템을 설계하고 설계 결함을 방지하는 방법에 대한 대규모 패러다임 전환이 주목되고 있습니다. 이 기사에서는 현대 항공기 설계 주기의 흐름과 규모 테스트를 위해 프로토타입 제조업체의 서비스를 사용하면 하루를 절약할 수 있는 사례에 대해 설명합니다.

여기에서 산업 디자인 프로토타이핑에 대한 자세한 내용을 살펴보십시오.

현대 항공기의 설계 주기

이 기사를 읽는 모든 디자이너는 세 가지 기본 설계 단계, 즉 개념적, 예비 및 상세 설계에 익숙할 것입니다. 그러나 고객의 기대치가 높은 시장 참여자 간의 치열한 경쟁은 기업이 다양한 기준을 충족하기 위해 설계 단계에서 획기적인 혁신을 해야 함을 의미합니다. 다음 다이어그램을 참조하여 수명 주기 비용을 기반으로 하는 항공기의 설계 주기에 대해 논의해 보겠습니다.

보시다시피, 제조 단계 이전의 처음 3단계는 전체 비용의 95%에 달합니다. 초기 3단계 중 가장 중요한 단계는 계획 및 개념 설계인 1단계입니다. 따라서 첫 번째 단계에 집중하고 나머지 두 단계를 자세히 살펴보겠습니다.

계획 및 개념 설계

초기 단계는 요구 사항이 기존 기술로 충족될 수 있는지 여부를 결정하는 타당성 조사로 표시됩니다. 또한, 타당성 조사는 프로젝트의 경로를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 즉, 가장 높은 위험과 비용을 의미하는 완전한 재설계 또는 기존 설계의 채택/수정을 의미합니다. 다음으로 개념 설계 단계가 시작됩니다. Anyaircraft 디자이너는 Raymer 및 Roskam 모델을 매우 잘 알고 있으며 개요에 따라 개념적 디자인 단계에는 다음과 같은 기본 질문에 대한 답변이 포함됩니다.

• 효과가 있을까요?
• 어떻게 생겼나요?
• 요구사항은 무엇입니까?
• 상충 관계를 최적화하는 방법은 무엇입니까?
• 무게와 비용을 최적화하는 방법은 무엇입니까?

개념 설계 단계의 궁극적인 목표는 추가 개선을 위해 실현 가능하고 최적의 설계 개념을 식별하고 준비하는 것입니다. 따라서 이 단계에서는 실험 결과에 대한 최소한의 지식과 디자인의 실용성에 관한 제한된 데이터로 다양한 디자인 개념을 만들고, 연구하고, 검토합니다. 이 단락 아래의 그래프는 고급 단계에 비해 개념 단계에서 더 큰 불확실성 범위를 보여줍니다. 여기에 더해 이 단계에서 발생하는 수명 주기 비용의 무려 65%는 나중에 기본 설계를 변경하면 전체 수익이 감소하고 기한이 연장된다는 것을 의미합니다.

개념 설계 단계에서 일반적으로 직면하는 딜레마는 충족해야 할 일련의 요구 사항을 명확하게 설명하지 않고 설계 프로그램을 시작하는 것입니다. 시장 요구 사항을 설명하고 고객이 자신의 기대치를 명시적으로 알리도록 하는 것은 매우 중요합니다. 나중 단계에서 요구 사항을 개선하면 비경제적이고 비효율적인 접근 방식이 나타나며 이러한 설계 주기는 발생하는 수명 주기 비용에 심각한 영향을 미칩니다. 항공기 설계의 경우 고객이 제시한 요구 사항과 기대치와 충돌하는 경우가 많습니다. 항공기의 다양한 부분을 기반으로 하는 다양하고 복잡한 항공기 시스템 세트. 날개, 엔진, 동체, 착륙 장치, 꼬리 및 카나드는 여러 가지 도전 과제를 의미합니다.

이를 처리하는 것은 그 자체로 하나의 기술이며 이것이 MADM(다중 속성 의사 결정)과 같은 기술을 사용하여 그러한 결정을 촉진하는 이유입니다. 이러한 기술의 도움으로 암시적 고려 사항이 적용되고 의사 결정이 단일 지점 결정론적 접근 방식에서 동적이고 매개변수적 접근 방식으로 이동합니다. 또한, 다학문 분석 및 설계 최적화와 같은 기술은 이러한 환경에서 얽힌 제약 조건을 충족하는 데 필수적입니다. 이 기술은 다양한 항공 전공 간의 상호 작용을 나타내는 다음 다이어그램에 설명되어 있습니다.

앞서 설명한 개념적 설계 단계의 불확실성과 관련하여 기존의 방법론은 확률론적 이론과 디자인 방법론을 기반으로 합니다. 이러한 방법에는 각 설계 제약 조건에 대해 확률 밀도 함수(PDF) 및 누적 분포 함수(CDF)의 사용이 포함됩니다. 그런 다음 여러 설계 제약 조건에 대한 데이터를 종합적으로 도표화하고 분석합니다. 이 누적 데이터는 설계자에게 설계 영역에 대한 명확한 통찰력을 제공하고 설계 주기의 전반적인 개선을 위해 제약 조건을 완화하거나 기술을 도입해야 하는지 여부를 알려줍니다.

요컨대, 디자이너는 입력 요소의 가변성을 고려하여 입력 변수와 출력 변수 사이의 관계를 생성합니다.

예비 설계

이 단계는 첫 번째 단계에서 완성된 개념에 대한 다양한 디자인 요소의 크기를 결정하는 데 매우 중요합니다. 이를 위해서는 항공기의 다양한 시스템과 하위 시스템 간의 학제 간 상호 작용에 대한 심층 연구 및 분석이 필요합니다. 예를 들어, 공탄성 개념은 구조 역학과 공기 역학의 조합입니다.

오늘날의 현대 엔지니어링 시대에 예비 설계 단계에는 신뢰성, 유지 보수성, 안정성 및 제어, 안전 및 경제성과 같은 고려 사항도 포함됩니다. 이제 우리는 이 설계 단계에 있는 과제와 이에 대처하는 최적의 방법에 대해 더 자세히 논의할 것입니다.

정교하고 복잡하며 정확한 모델링을 위해서는 고급 수치 알고리즘을 사용해야 합니다. 전산유체역학 및 유한요소해석. 그러나 예외적으로 높은 계산 비용은 설계자에게 또 다른 과제를 의미합니다. 다음 다이어그램은 충실도가 높은 도구를 선택하는 것과 간단한 시뮬레이션을 사용하는 것과 관련된 절충안을 비유적으로 보여줍니다.

복잡하고 충실도가 높은 도구로 이동한다는 것은 더 높은 계산 비용을 의미할 뿐만 아니라 종종 수백에 달하는 여러 변수와 상호 의존성을 처리해야 하는 과제도 있습니다. 따라서 시뮬레이션 환경을 식별하고 매핑하는 데 상당한 시간이 소요됩니다. (이야기는 끝나지 않는다!!!)

내용에 여전히 관심이 있다면 항공기 설계(2부):지평 확장을 읽어보십시오. 감사합니다.