Conception d'avions (Partie 2) :Élargir les horizons

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Publié le :25 décembre 2020, | Par WayKen fabrication rapide

Les décideurs en ingénierie moderne considèrent l'utilisation d'une puissance de calcul excessive à ce stade comme inutile et comme une perte de temps. L'adoption de techniques impliquant des approximations est beaucoup plus efficace et aide à réduire le temps nécessaire à l'exécution de la modélisation paramétrique. Ces techniques incluent la modélisation d'ordre réduit qui réduit la complexité mathématique du système tout en garantissant que la physique des équations aux dérivées partielles gouvernantes est conservée intacte.

Une fois l'analyse initiale effectuée, une procédure itérative entre en jeu où les résultats dictent des changements dans la conception pour l'optimisation. Cette procédure est le lien entre les phases de conception conceptuelle et préliminaire. Voir plus en détail Prototypage de design industriel.

Jetons un coup d'œil à une forme résumée du célèbre modèle de Howe pour le processus de synthèse de projet.

• Elle est considérée comme une extension de l'étude de faisabilité, mais avec plus de détails et de complexité.
• La première étape de ce processus est la sélection d'une ou plusieurs configurations.
• La deuxième étape est connue sous le nom de sélection du régime de vol et du groupe motopropulseur. À ce stade, pour un ensemble donné de conditions de fonctionnement, c'est-à-dire un nombre de Mach, etc., le type de groupe motopropulseur à sélectionner est présélectionné, c'est-à-dire turbopropulseur, piston-propulseur, turboréacteur, turboréacteur à double flux, turboréacteur, statoréacteur, etc.
• La prochaine étape concerne la sélection de la disposition du fuselage. Les détails de la charge utile sont souvent le facteur déterminant derrière cette étape. Cela fournit un bon point de départ pour la première prédiction de la masse de l'avion.
• La configuration de l'aile vient ensuite. Il s'agit d'une procédure complexe pour le laboratoire d'aérodynamique où un grand nombre de paramètres sont impliqués. C'est une phase fondamentale lors du processus de conception préliminaire. Il conduit à une estimation initiale de la portance, de la traînée, de la masse d'un avion et aide également à réaliser des calculs d'estimation de la charge alaire après l'analyse successive. Les estimations de la charge alaire sont effectuées sur la base d'équations théoriques ajustées en fonction de données empiriques pour diverses conditions de vol. Cela permet également d'obtenir une estimation approximative du rapport poussée/poids.
• Enfin, les étapes d'analyse paramétrique entrent en jeu. La première étape combine les dimensions de l'aile et du fuselage pour produire un ensemble de résultats pour chaque phase de vol. Il en résulte la formation d'un espace de conception. Des ensembles appropriés de rapports de charge alaire et de poussée sur poids sont sélectionnés pour la deuxième étape de l'analyse paramétrique.
• La deuxième étape de l'analyse paramétrique intègre les ensembles de données choisis pour calculer la masse globale de l'avion. L'ensemble qui fournit la valeur de masse optimale est utilisé pour créer une conception de référence qui est ensuite utilisée pour une analyse et une évaluation approfondies.
• La conception de l'arbitre est évaluée, ce qui fournit à son tour :
  • Tailles estimées pour les surfaces de contrôle
  • Aide à l'achèvement de la disposition du train d'atterrissage
  • Meilleure estimation des valeurs de portance, de traînée et de masse
  • Calculs révisés pour les caractéristiques de performance basés sur des données d'entrée ajustées et des méthodes d'estimation complexes
  • La répétition de la procédure se produit jusqu'à ce que les critères de convergence de masse soient satisfaits
• À la fin de cette phase de conception, des études de conception de sensibilité sont réalisées pour identifier les zones de conception critiques à l'aide de techniques graphiques ou mathématiques. De plus, d'autres activités se déroulent simultanément, notamment la conception de systèmes hydrauliques, électriques, d'extinction d'incendie, de protection contre le gel et pneumatiques.

La phase suivante, c'est-à-dire la phase de conception détaillée, est l'endroit où la magie opère, c'est-à-dire que la conception est entièrement définie, les modèles à l'échelle pour les tests sont commandés auprès d'un fabricant de prototypes, puis les dessins finaux basés sur la conception pour l'assemblage et la conception pour la fabrication sont présentés avec des topologies réelles , géométries, dimensions, tolérances et spécifications des matériaux. Discutons-en plus en détail maintenant dans la section suivante.

Conception détaillée

L'objectif de cette étape est principalement d'obtenir des vérifications pour les procédures de conception décrites dans les phases précédentes. C'est la phase la plus importante de tout le processus de conception. Il se concentre sur la conception finale, le prototypage et les tests de chaque pièce. Sur la base des données acquises lors de la phase de conception préliminaire, cette phase implique l'utilisation de progiciels de conception et de fabrication assistées par ordinateur pour soutenir les activités de conception.

Trois facteurs sont pris en compte :les performances, les coûts de fabrication, le temps requis et l'efficacité opérationnelle. Pour un résultat complet, il existe deux types de procédures de test, à savoir les tests au sol et les tests en vol. Examinons plus en détail les spécificités des deux types.

• Essais au sol : Cela implique des tests en soufflerie pour valider les résultats des packages CFD, des tests structurels, l'évaluation de l'avionique et la vérification des systèmes. C'est l'étape où le prototypage sauve la journée. Le prototypage de pièces à l'échelle pour les tests initiaux est la clé pour économiser des coûts et un temps précieux. Un bon fournisseur de services de prototypage utilisera l'expertise appropriée pour concevoir la structure à partir des spécifications matérielles requises de votre part. Le prototype peut être utilisé pour analyser la résistance, la rigidité, le flottement, la stabilité élastique et d'autres paramètres du système. Le chargement statique, le chargement dynamique, l'analyse modale vibrationnelle et l'analyse de flottement sont quelques-uns des tests clés à effectuer. Pour les pièces d'avion à l'échelle, l'impression 3D par stéréolithographie fournit la précision requise pour une évaluation complète entre la conception décrite et les résultats expérimentaux.
• Tests en vol : L'implication des agences de certification pour vérifier les performances et les caractéristiques de vol de l'avion réel. Ces agences sont connues sous le nom d'autorités de navigabilité. Ils évaluent la conception d'un aéronef en fonction des exigences de conception et de sécurité prédéfinies décrites dans les normes de navigabilité de la réglementation fédérale de l'aviation. Le tableau suivant décrit en détail toutes les normes de navigabilité et leur utilisation respective.

La plus remarquable de ces normes comprend la FAR Part 23 qui s'applique aux aéronefs normaux, utilitaires et acrobatiques avec une masse maximale au décollage (MTOW) inférieure à 12 500 livres et une capacité de 9 passagers ou moins. Il dicte également des normes pour les avions de banlieue ayant un MTOW ne dépassant pas 19 000 livres avec une capacité de 19 passagers ou moins.

Pour les avions de la catégorie transport commercial comme l'Airbus A320 ou le Boeing 737, FAR Part 25 dicte les normes requises. La partie 25 comprend diverses sous-parties, à savoir A, B, C, D, E et F, toutes dictant des normes pour les différents systèmes et sous-systèmes d'un avion de transport commercial.

De même, pour les giravions (plus communément appelés hélicoptères), les FAR Part 27 et 29 dictent respectivement les normes pour la catégorie normale et la catégorie de transport. Après avoir obtenu les certifications de navigabilité, le cycle de conception se termine pratiquement avec 95 % du coût du cycle de vie encouru par cette étape. Ceci est ensuite suivi par des étapes de fabrication à grande échelle.

Conclusion du processus de conception d'un avion

Cette revue en profondeur du cycle de conception d'un avion peut sembler très complexe. Cependant, avec une approche étape par étape, des décisions mûres basées sur la pensée critique et une prise de décision judicieuse, le cycle de conception d'un avion est un exploit réalisable. À l'ère moderne où les enjeux sont importants à la fois en termes de coût et de temps, l'utilisation du prototypage est vitale quand et où cela est nécessaire car le succès de la conception d'un avion dépend entièrement de la validation complète des idées de conception. Mais il est vraiment important de rendre les services du bon fabricant de prototypes dans le domaine de l'aviation car la précision des prototypes compte beaucoup. Tout raccourci pris à n'importe quelle étape du cycle de conception s'avère destructeur par la suite, comme dans le cas du Boeing 737 Max récemment.