Conception aéronautique avancée : Partie 2 – Élargir les horizons par une modélisation efficace

Publié le : 25 décembre 2020 | Par WayKen Rapid Manufacturing

Les décideurs d'ingénierie modernes considèrent l'utilisation de puissance computationnelle excessive à ce stade comme inutile et comme un mangeur de temps. L'adoption de techniques impliquant des approximations est beaucoup plus efficace et aide à réduire le temps requis pour l'exécution de la modélisation paramétrique. De telles techniques incluent la Modélisation à Ordre Réduit qui réduit la complexité mathématique du système tout en assurant que la physique des équations aux dérivées partielles gouvernantes reste intacte.

Après que l'analyse initiale est menée, une procédure itérative entre en jeu où les résultats dictent des changements dans le design pour l'optimisation. Cette procédure est le lien entre les phases de Design Conceptuel et Préliminaire. Voir plus de détails sur le Prototypage de Design Industriel.

Jetons un coup d'œil à une forme résumée du célèbre modèle Howe pour le Processus de Synthèse de Projet.

• Il est considéré comme une extension de l'étude de faisabilité mais avec l'implication de 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 de la Propulsion. À cette étape, pour un ensemble donné de conditions opératoires, c.-à-d. nombre de Mach, etc., le type de propulsion à sélectionner est présélectionné, c.-à-d. turbo-propulseur, propulseur à piston, turbofan, turbofan à faible taux de dilution, turboréacteur, statoréacteur, etc.
• L'étape suivante 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. C'est une procédure complexe pour le laboratoire d'aérodynamique où un grand nombre de paramètres sont impliqués. C'est une phase fondamentale pendant le processus de design préliminaire. Elle mène à une estimation initiale de la portance, traînée, la masse d'un avion et aide aussi à réaliser les calculs d'estimation de charge alaire après que l'analyse successive est conduite. Les estimations de charge alaire sont conduites basées sur des équations théoriques accordées selon des données empiriques pour diverses conditions de vol. Cela aide aussi à obtenir une estimation approximative du rapport poussée/poids.
• Finalement, 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. Cela résulte en la formation d'un espace de design. Des ensembles appropriés de Charge Alaire et de rapports Poussée/Poids sont sélectionnés pour la deuxième étape de l'analyse paramétrique.
• La deuxième étape de l'analyse paramétrique incorpore 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 un design de référence qui est ensuite utilisé pour l'analyse et l'évaluation en profondeur.
• Le design de référence est évalué, ce qui fournit à son tour :
  • Tailles estimées pour les surfaces de contrôle
  • Aide à compléter la disposition du train d'atterrissage
  • Meilleure estimation des valeurs de portance, traînée et masse
  • Calculs révisés pour les caractéristiques de performance basés sur des données d'entrée accordées et méthodes d'estimation complexes
  • Répétition de la procédure jusqu'à ce que les critères de convergence de masse soient remplis
• À la fin de cette phase de design, des études de design de sensibilité sont menées pour identifier les zones critiques de design en utilisant soit des techniques graphiques ou mathématiques. De plus, d'autres activités se déroulent simultanément, incluant le design des systèmes hydrauliques, électriques, de suppression d'incendie, de protection contre le gel et pneumatiques.

La phase suivante, c.-à-d. la phase de Design Détaillé, est où la magie opère, c.-à-d. le design est pleinement défini, des modèles à échelle pour les tests sont commandés auprès d'un fabricant de prototypes et puis les dessins finaux basés sur le Design pour l'Assemblage et le Design pour la Fabrication sont établis avec les topologies, géométries, dimensions, tolérances et spécifications de matériaux réels. Discutons de cela plus en détail maintenant dans la prochaine section.

Design Détaillé

L'accent de cette étape est principalement mis sur l'obtention de vérifications pour les procédures de design décrites dans les phases antérieures. C'est la phase la plus extensive de tout le processus de design. Elle se concentre sur le design final de chaque pièce, le prototypage et les tests. Basé sur les données acquises de la phase de design préliminaire, cette phase implique l'utilisation de packages de Conception Assistée par Ordinateur et Fabrication Assistée par Ordinateur pour soutenir les activités de design.

Il y a trois facteurs à considérer : performance, coûts de fabrication, temps requis et efficacités opérationnelles. Pour un résultat complet, il y a deux types de procédures de test impliquées, c.-à-d. Tests au Sol et Tests en Vol. Regardons les spécificités des deux types en plus grand détail.

• Tests au Sol : Cela implique des tests en soufflerie pour valider les résultats des packages CFD, tests structuraux, évaluation d'avionique et vérification des systèmes. C'est l'étape où le prototypage sauve la mise. Le prototypage de pièces à échelle pour les tests initiaux est la clé pour économiser les coûts et le temps précieux. Un bon fournisseur de services de prototypage utilisera l'expertise appropriée pour fabriquer la structure selon les spécifications de matériaux requises de votre côté. Le prototype peut être utilisé pour analyser la résistance, la rigidité, le flutter, la stabilité élastique et d'autres paramètres de système. Le chargement statique, le chargement dynamique, l'analyse modale vibratoire et l'analyse de flutter sont quelques-uns des tests clés à effectuer. Pour les pièces d'avion à échelle, l'impression 3D Stéréolithographie fournit la précision requise pour une évaluation complète entre le design décrit et les résultats expérimentaux.
• Tests en Vol : L'implication d'agences de certification pour vérifier la performance et les caractéristiques de vol de l'avion réel. Ces agences sont connues sous le nom d'autorités de navigabilité. Elles évaluent le design d'un avion basé sur des exigences de design et de sécurité prédéfinies décrites dans les Standards de Navigabilité des Règlements Fédéraux de l'Aviation. Le tableau suivant décrit de manière exhaustive tous les standards de navigabilité et leur utilisation respective.

Le plus notable de ces standards inclut la FAR Partie 23 qui s'applique aux avions normaux, utilitaires et acrobatiques avec un Poids Maximum au Décollage (MTOW) de moins de 12 500 livres et une capacité de 9 passagers ou moins. Elle dicte aussi des standards pour les avions de transport de passagers ayant un MTOW de pas plus de 19 000 livres avec une capacité de 19 passagers ou moins.

Pour les avions de transport commercial comme l'Airbus A320 ou le Boeing 737, la FAR Partie 25 dicte les standards requis. La Partie 25 inclut diverses sous-parties nommément A, B, C, D, E et F, toutes dictant des standards pour les divers systèmes et sous-systèmes d'un avion de transport commercial.

De même, pour les rotorcrafts (le plus communément connus comme hélicoptères) la FAR Partie 27 et 29 dictent les standards pour les catégories normale et transport respectivement. Après l'obtention des certifications de navigabilité, le cycle de design se termine pratiquement avec 95 pourcent du coût du cycle de vie encouru à cette étape. Cela est ensuite suivi par les étapes de fabrication à grande échelle.

Conclure le processus de design d'un avion

Cette revue approfondie du cycle de design 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 sage, le cycle de design d'un avion est un exploit réalisable. Dans l'ère moderne où les enjeux sont élevés tant en termes de coût que de temps, l'utilisation du prototypage est vitale quand et où c'est nécessaire car le succès d'un design d'avion dépend entièrement de la validation complète des idées de design. Mais il est vraiment important de rendre les services du bon fabricant de prototype dans le domaine de l'aviation car la précision des prototypes importe beaucoup. Tous les raccourcis pris à n'importe quelle étape du cycle de design se révèlent destructeurs plus tard, comme dans le cas du Boeing 737 Max récemment.