一直以來，發(fā)明家和工程師們都面臨著航空設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。對(duì)于航空學(xué)面臨的兩個(gè)挑戰(zhàn)，其中一個(gè)是模仿自然的設(shè)計(jì)問題：建造一臺(tái)模仿楓樹種子空氣動(dòng)力學(xué)的飛行機(jī)器。這個(gè)問題在過去六十年里一直困擾著工程師。

另外一個(gè)挑戰(zhàn)是：在封閉的建筑物內(nèi)駕駛無人機(jī)，這是在不斷發(fā)展的無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）和飛行（UAV）世界中剩下的最后一個(gè)前沿。

現(xiàn)在，已經(jīng)有一個(gè)挑戰(zhàn)被成功解決：一種受生物啟發(fā)設(shè)計(jì)的自動(dòng)單旋翼直升機(jī)。

完成這一挑戰(zhàn)的飛機(jī)是由美國佛羅里達(dá)州代托納海灘的安柏瑞德航空大學(xué)（Embry-Riddle Aeronautical University of Daytona Beach）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造。安柏瑞德航空大學(xué)是航空和航天教育的世界領(lǐng)先者。

這個(gè)以學(xué)生為主的團(tuán)隊(duì)用DFMA?設(shè)計(jì)了這架飛機(jī)，同時(shí)，參加了由國際無人駕駛汽車系統(tǒng)協(xié)會(huì)（AUVSI）主辦的第19屆國際航空機(jī)器人競(jìng)賽（IARC），名列第三，贏得了“最具創(chuàng)新精神的飛行器”獎(jiǎng)，并吸引所有看到它飛行的人們的眼睛。

Imagination meets manufacturing and assembly in the classroom

在課堂上制造與組裝，想象力碰撞迸射

安柏瑞德航空大學(xué)的機(jī)械工程教授Sathya Gangadharan說：“DFMA?這門課程是以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的，彌合了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的鴻溝。當(dāng)學(xué)生和實(shí)習(xí)工程師做設(shè)計(jì)的時(shí)候，他們不會(huì)考慮制造產(chǎn)品的實(shí)際方面或成本影響?！?/span>

對(duì)于這門課程，學(xué)生必須選擇一個(gè)包含15-30個(gè)組件的產(chǎn)品，然后使用DFMA?提出修改方案。這些新的設(shè)計(jì)探索了替代材料和制造工藝，最終允許團(tuán)隊(duì)在減少零件數(shù)量和成本的同時(shí)保留或改進(jìn)特征和功能。

研究生克里斯托弗·霍克利把參加競(jìng)賽用的自動(dòng)單旋翼直升機(jī)原型帶到了班上，希望能有所改進(jìn)。在此之前，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)考慮了幾種設(shè)計(jì)，選擇楓葉種子的版本：簡(jiǎn)單而優(yōu)雅，總共有一個(gè)泡沫單翼，一個(gè)熱塑機(jī)身，一個(gè)泡沫起落架或腳，一種碳纖維翼梁用來提供機(jī)翼剛度，一個(gè)塑料風(fēng)扇和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件（見圖1）。

由于來自楓樹種子（即翅膀種子）的靈感，以及設(shè)計(jì)的傳感器要求，他們把飛機(jī)命名為SamarEye。但是，翅翼衍生飛機(jī)以及一般單翼飛機(jī)并沒有得到太多關(guān)注或認(rèn)可，因此現(xiàn)有的設(shè)計(jì)信息很少（關(guān)于動(dòng)力單翼飛機(jī)的論文不到10篇）。因此，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)和材料方面確實(shí)只能依靠自己。

圖1    自動(dòng)單旋翼直升機(jī)原設(shè)計(jì)

在準(zhǔn)備IARC競(jìng)賽時(shí)，團(tuán)隊(duì)還在黑暗中摸索，這涉及到成本、裝配和制造方面的考慮。霍克利說：“我們只考慮如何制造單個(gè)零件，但到了組裝的時(shí)候，我們沒有頭緒。”結(jié)果，制造時(shí)間太長(zhǎng)（大約40個(gè)工時(shí)），大量的熱膠是緊固件的首選。

在測(cè)試之后，顯然需要一些批判性的思考來改進(jìn)裝配和制造，并把飛機(jī)看作一個(gè)集成的、整體的系統(tǒng)，而不是一個(gè)單獨(dú)部件的集合。DFMA?課程為重新設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)提供了完美的工具。

   在設(shè)計(jì)過程中盡早提出正確的問題

DFMA?是來自BDI公司的一整套軟件解決方案，它能幫助工程師在開發(fā)過程的早期提出有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。這樣的評(píng)估會(huì)對(duì)產(chǎn)品下游的制造、裝配和成本產(chǎn)生重大影響。

面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）軟件指導(dǎo)工程師使用問詢來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，例如部件是否彼此相對(duì)移動(dòng)或者它們是否可以由相同的材料制成，這些問詢的答案導(dǎo)致部件數(shù)量和成本的降低。

面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）軟件補(bǔ)充和支持DFA，為工程師提供了一種結(jié)構(gòu)化的方法來檢查工藝技術(shù)和材料選擇，以便在產(chǎn)品開發(fā)生命周期的早期預(yù)測(cè)制造成本。通過預(yù)先提出正確的問題，可以事先考慮設(shè)計(jì)中所有的成本影響，而不是在設(shè)計(jì)被鎖定之后突然出現(xiàn)。

   基于DFMA的單旋翼直升機(jī)原始設(shè)計(jì)分析

SamarEye單旋翼直升機(jī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)71厘米，重量184克，有18個(gè)零件，其中8個(gè)零件是由外部提供的。在剩下的10個(gè)要制造的零件中，有6個(gè)是擠壓的，4個(gè)是熱成型的，除了機(jī)翼以外，其余的尺寸都差不多。

這樣一開始就保持了較低的制造成本，因?yàn)槠胀ǖ淖⑸淠Ｋ芎蜔岢尚驮O(shè)備只能在模具變化的情況下購買。盡管飛機(jī)重量輕，材料相對(duì)較弱，但原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，在典型操作條件下具有足夠的安全系數(shù)。

霍克利使用100000的預(yù)計(jì)生命周期產(chǎn)量和12500的批量大小對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行了DFMA?分析，確定模具成本為2.55美元，零件成本為4.25美元，裝配成本為7.08美元，每件產(chǎn)品的總成本為13.88美元。

注：DFM計(jì)算成本時(shí)輸入的參數(shù)

生命周期產(chǎn)量：指產(chǎn)品從生到死總的生產(chǎn)量

批量大?。褐傅氖巧a(chǎn)訂單大小 

盡管原始設(shè)計(jì)具有相對(duì)少的部件并且制造方法已經(jīng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但分析表明仍有改進(jìn)的余地。在10個(gè)制造零件中，機(jī)身頂部、機(jī)身底部和機(jī)翼這三個(gè)零件最昂貴，因此最受關(guān)注。至于裝配，超過50%的產(chǎn)品總成本是由從這里產(chǎn)生的，代表了從設(shè)計(jì)到成本的任何可變性改進(jìn)的最大空間。

   單旋翼直升機(jī)原始設(shè)計(jì)的改進(jìn)

在DFMA?分析之后，霍克利評(píng)估了設(shè)計(jì)，看哪里可以改進(jìn)。在原始設(shè)計(jì)中，機(jī)翼—單個(gè)最大的部件—由發(fā)泡聚苯乙烯熱塑性塑料（用作地板絕緣）制成，而機(jī)身由PETG熱塑性塑料制成。

在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)決定將機(jī)翼、機(jī)身和主齒輪組合成一個(gè)注射成型聚苯乙烯泡沫塑料片，將主梁和風(fēng)扇外殼成型到位?；艨死f：“這些變化不僅去除了許多部件，而且減少了組裝所需的操作次數(shù)?！彪S著材料從更強(qiáng)的PETG轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的聚苯乙烯，需要額外的迭代有限元仿真以確保飛機(jī)可以承受所有加載場(chǎng)景（經(jīng)測(cè)試能夠滿足需求）。

圖2   自動(dòng)單旋翼直升機(jī)新設(shè)計(jì)

   應(yīng)用DFMA顯著降低成本和時(shí)間

考慮到單旋翼直升機(jī)的商業(yè)化，霍克利對(duì)他的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的最終DFMA?結(jié)果感到興奮：零件成本降低了25%，總產(chǎn)品成本降低了51%，裝配工時(shí)和成本降低了74%（見表1）。