Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ рынка 8
2. Место САПР в авиационной промышленности 11
2.1 Определение и задачи САПР 14
2.2 Тезаурус САПР 16
2.3 Облик CALS-технологий авиастроительной корпорации 19
3. Анализ известных САПР 21
3.1 Отечественные разработки 21
3.2 Зарубежные разработки 23
4. Постановка задачи исследования 28
5. Принципы разработки и требования к САПР 31
5.1 Техническое обеспечение САПР 34
5.2 Разработка алгоритмов САПР 36
5.3 САПР в логистической поддержке ГПС 40
ЧАСТЬ I Методология построения САПР ГПС 42
1. Особенности процесса проектирования 42
1.1 Структура проектирования и конструирования ГПС 47
1.2 Взаимосвязь характеристик и параметров 48
1.3 Программа разработки ГПС 52
1.4 Этапы жизненного цикла ГПС 53
2. Формирование облика самолета в САПР 53
2.1 Постановка задачи проектирования 54
2.2 Модель объекта проектирования 58
2.3 Формирование облика ГПС 61
2.4 Модель оптимального проектирования 63
2.5 Методы оптимизации проектных решений 68
2.6 Иерархия проектных задач САПР 71
3. Синтез компоновочной схемы ГПС 72
3.1 Компоновка на этапе предварительного проектирования 72
3.2 Аэродинамическая компоновка 72
3.3 Методы автоматизации компоновки ГПС 73
3.4 Модель компоновки фюзеляжа 74
3.5 Компоновка пассажирской кабины ГПС 74
4. Проектирование конструктивно-силовой схемы 76
4.1 Оптимальное проектирование силовой конструкции 76
4.2 Формирование конструктивной модели 79
4.3 Процесс формирования моделей МКЭ 83
4.4 Критерии оценки силовой конструкции 84
Автоматизация проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов 4.5 Формально-эвристические методы 85
5. Весовая культура проектирования ГПС 89
5.1 Роль весового проектирования 89
5.2 Техническая дисциплина «Весовое проектирование» 90
5.3 Тезаурус весового проектирования 97
5.4 Прогноз размерности ГПС в первом приближении 104
5.5 Иерархия расчетов взлетной массы самолета 106
5.6 Частные задачи весового проектирования 109
5.7 Концепция коэффициента роста массы 111
5.8 Методы оптимального весового проектирования 115
5.9 Организация системы весового контроля 118
6. Оценка конкурентоспособности ГПС на этапе проектирования 123
6.1 Тезаурус конкурентоспособности изделия 123
6.2 Основные ИПИ-технологии и их взаимосвязи 127
6.3 Математическая модель конкурентоспособности 132
6.4 Прогнозирование конкурентоспособности 137
7. Выводы по ЧАСТИ 1 139
ЧАСТЬ II Практическая реализация основных принципов САПР 142
1. Общее 142
2. Реализация комплекса САПР 143
3. Методология комплекса «ЦАПЛЯ» 144
3.1 Состав модулей комплекса 144
3.2 Порядок расчетных алгоритмов комплекса 145
3.3 Структура базы данных комплекса 147
3.4 Базовые принципы комплекса 147
4. Функции Комплекса «ЦАПЛЯ» 148
4.1 Модель общего вида самолета и 3D геометрии 149
4.2 Анализ плановой проекции крыла (оперения) 154
4.3 Модель расчетной аэродинамики (поляра «как надо») 158
4.4 Расчет диаграммы «Нагрузка-Дальность» 161
4.5 Компоновка носовой части, фонаря и кабины 162
4.6 Диаграмма обзора из кабины пилотов 163
4.7 Формирование обводов фюзеляжа 165
4.8 Модель силовой установки 167
4.9 Массово-инерционная модель 170
4.10 Параметризция основных данных проекта 172
4.11 Компоновка двигателя на крыле (фюзеляже) 173
4.12 Расчет диаграммы «Область полетов» 175
4.13 Расчет себестоимости перевозок 175
5.Факторы развития ГПС нетрадиционных схем 177
6. Описание системы «ЦАПЛЯ» 178
6.1 Общее 178
6.2 Дерево меню САПР «ЦАПЛЯ» 180
7. Формирование БД ГПС на основе статистической информации 193
8. Современные критерии оценки совершенства ЛА 194
Автоматизация проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов
9. Выводы по ЧАСТИ II 195
ЧАСТЬ III Исследования в САПР проблемных вопросов компоновки ГПС 197
1. Оценка компоновки поперечного сечения фюзеляжа 197
2. Оценка компоновки пассажирских салонов 203
2.1 Основные характеристики компоновок 203
2.2 Оценка прямых эксплуатационных расходов 204
2.3 Расчет прямых эксплуатационных расходов 206
3. Опртимизация числа двигателей для СУ ГПС 208
3.1 Общее 208
3.2 Влияние числа двигателей на тяговооруженность 210
3.3 Отказ двигателя 211
3.4 Потребная длина ВПП при взлете 215
3.5 Влияние числа двигателей на экономичность ЛА 218
4. Оценка вариантов размещения двигателей на крыле и на фюзеляже 220
4.1 Общее 220
4.2 Схема самолета с двигателями под крылом 222
4.3 Анализ схем конструкции 226
5. Оценка конкурентоспособности группы ГПС 227
6. Выводы по ЧАСТИ III 230
Выводы 232
Заключение 234
Литература
- Место САПР в авиационной промышленности
- Структура проектирования и конструирования ГПС
- Процесс формирования моделей МКЭ
- Порядок расчетных алгоритмов комплекса
Введение к работе
Повышение эффективности проектных работ тесно связано с внедрением
информационных технологий (ИПИ-технологий) [14], обеспечивающих
интегрированную информационную поддержку всего жизненного цикла
изделия (ЖЦИ). В последние годы российские предприятия - экспортеры
наукоемкой продукции столкнулись с требованиями потенциальных
покупателей по обеспечению информационной поддержки на стадиях
проектирования, производства, эксплуатации и технического обслуживания
самолетов. Поэтому необходимо в кратчайшие сроки освоить эти новые
твиологии и предложить покупателям соответствующие
іЯВ:урентоспособньіе решения. В противном случае международные рынки сбыта наукоемкой продукции могут быть безвозвратно потеряны. Рост сложности изделий авиационно-космической техники, имеющих длительный ЖЦИ, приводит к многократному увеличению объема информации, используемой в ходе проектирования, изготовления, эксплуатации и обслуживания. Обработка и использование такого объема информации немыслимы без применения ИПИ-технологий и объединения отдельных автоматизированных систем проектирования (САПР) в единую интегрированную систему информационной поддержки и управления ЖЦИ, позволяющую оптимизировать все процессы, сокращать затраты, повышать качество изделий и их конкурентоспособность[23]. Технологии САПР в России сегодня развиваются на основе использования зарубежной программно-аппаратной поддержки. Это требует от разработчиков отечественных САПР владения не только «своими» технологиями и стандартами, но и уверенное знание «чужих». Кроме того, в многообразии решаемых с помощью САПР задач, необходимо найти общие закономерности и принципы, так как все они решают в основном частные
«
блемы, и их применение не распространяется так же широко, как ользование систем геометрического моделирования или стандартных прикладных пакетов.
Актуальность создания научно-методического обеспечения
автоматизированного проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов (ГПС) заключается в том, что сегодня за рубежом используется ряд промышленно используемых САПР, а в России — стране, где это направление было основано - нет ни одной. Это положение необходимо срочно исправлять, так как рост авиационных грузопассажирских перевозок
и в России и за рубежом стабильно растет с темпами в среднем 5,1% в год, и потребность в создании новых самолетов (18387ед) и модернизации существующих (5889ед) в период до 2020 года обусловливает предстоящий масштаб проектных работ (см. рис. 1)
перевозки, биллион
количество ВС
10,000 паекм
600,000 тоннкм
ОМ-
история прогноз in (.опт ии II 09 0]
7,500
средний рос 19S0 21)20 5 I".
"і Проектирование
5,000
, мі. ісрмиїї
2,500
100J
Ш
утилизация
о 1985
Рис 1 Динамика роста мировых авиационных перевозок и парка грузопассажирских самолетов
Цель работы - создание научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования включающего методики, модели процесса и объектов проектирования обеспечивающего снижение временных и материальных затрат, повышение качества процесса проектирования грузопассажирских самолетов, их конкурентоспособности в течение всего жизненного цикла. Задачи исследования;
автоматизированного бизнес-процессов и
-
Разработать принципы и модели процесса проектирования на основе существующих требований ИПИ-технологий.
-
Разработать научные основы и формальные модели САПР, необходимые для достижения поставленной цели. ЩЛ
-
Формализовать процедуры аэродинамических, прочностных и массово-инерционных расчетов в единой информационной среде.
-
Выработать требования к интегрированной логистической поддержке ГПС в течение всего жизненного цикла изделия.
-
Реализовать полученные методы в комплексе автоматизированного проектирования ГПС.
Предметом исследования является методология автоматизации проектирования ГПС в объеме этапа Технического предложения в соответствии с Авиационными правилами Часть 25 (АП-25). Объектом исследования является процесс автоматизированного проектирования ГПС. Методы исследования. В работе использованы методы:
-
Системного подхода;
-
Структурно-параметрических и эвристических разрешений противоречий путем экспертных оценок, сформированных на базе опыта проектно-конструкторских работ.
-
Статистического анализа параметров серийных образцов авиационной техники, основанного на современных информационных технологиях И обработке мультиформатных потоков данных.
Вь^^ление рациональных конструктивно-компоновочных решений [1-8] ос^цествляется методами структурно-параметрического синтеза, а их оценка методами моделирования. В качестве объектов синтеза рассматриваются грузопассажирские самолеты, подлежащие сертификации по АП-25. Для оценки конструктивно-компоновочных решений используются методы математического программирования. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования ГПС. Предложен новый подход к формированию облика самолета, обеспечивающий повышение конкурентоспособности и сокращение сроков его проектирования на основе принципов и технологий ИПИ. В работе получены следующие новые результаты:
-
Определены, формализованы и количественно представлены новые связи между конструктивно-компоновочными параметрами и характеристиками самолета в процессе автоматизированного синтеза его облика при выполнении требований Технического задания и норм АП-25;
-
Выявлены, систематизированы и формализованы модели процесса автоматизированного синтеза конструктивно-компоновочных решений
ЗЯгыявлены и отражены в соответствующих моделях связи между конструктивно-компоновочными параметрами и характеристиками самолета с эксплуатационно-технологичными (логистическими) параметрами ГПС.
4. Сформулированы и решены актуальные оптимизационные проектно-компоновочные задачи для ГПС средней размерности, в том числе выбор рационального количества двигателей и размещение их на самолете,
выбор оптимального поперечного сечения фюзеляжа для семейства
ГПС и определение их эффективности. 5. Предложен метод оценки конкурентоспособности ГПС и ее изменение
в течение всего жизненного цикла изделия. Практическое значение диссертационной работы заключается в том что на базе разработанных методик, процедур и моделей создан комплекс автоматизированного проектирования «ЦАПЛЯ» [24, 25], который используется в НИИ и ОКБ авиационной промышленности, обеспечивая при этом существенное (до 25-30%) повышение качества проектных решений (за счет обеспечения быстродействия итерационного процесса), сокращение трудоемкости проектирования в 2-4 раза и формирование информационного базиса для логистической поддержки в течение всего жизненного цикла изделия.
Разработанный программный комплекс может быть использован в проектных организациях, авиакомпаниях, аналитических центрах и ^Ь учебное пособие [19, 26] при подготовке специалистов по проектированию самолетов в авиационных учебных заведениях. Для этого созданы описания, методические пособия и лабораторные работы, которые внедрены в учебный процесс на кафедре «Автоматизированного проектирования ЛА» РГТУ-МАТИ.
Внедрение результатов работы осуществлено в ОАО «Туполев», РГТУ-МАТИ им .К.Э.Циолковского, ООО «Волга-Днепр-Москва», РСК МИГ, ООО «Автомеханика», НТЦ «Современные сети и системы», НИЦ АСК, что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций и в организациях:
Событие
Организация
Конференция по обсуждению научных
направлений развития компоновок ГПС
нетрадиционных схем
по системе
проектирования
Конференция
автоматизированного
ФОДПС
Научный доклад «Компоновка ГПС криогенном топливе»
«Новые информационные технологии ОАО «Туполев». Информационное, программное и аппаратное обеспечение».
Проблемный совет
№6А по CALS
технологиям при
Росавиакосмосе
научно-техническая
Юбилейная конференция
ФГУП СибНИА
Гбликаиии. Полученные в диссертации научные результаты
представлены в 50 научных трудах, опубликованы в 27-и работах, в том
числе в 2 монографиях, 5 научных статьях, 8 описаниях авторских
свидетельств на изобретения и патенты, одном учебно-методическом
пособии и в 12 тезисах докладов на научно-технических конференциях,
конгрессах, форумах, семинарах и симпозиумах всероссийского и
международного уровня. 11 работ опубликованы в изданиях,
рекомендованных ВАК. Различные аспекты материалов, вошедших в диссертацию, отражены более чем в 30 научно-технических отчетах. Личный вклад соискателя. Все основные научные положения от формирования идеи, постановки задачи исследования, разработки моделей до проведения исследований и структурно-параметрического анализа компоновочных признаков, разработаны лично автором. Также соискатель лично формировал всю идеологию построения САПР «ЦАПЛЯ», программировал и отлаживал исходные версии программ, осуществлял подбор наиболее эффективных алгоритмов решения, разрабатывал схемы параметризации основных компоновочных задач, вошедших в состав
«
стемы автоматизированного формирования облика самолета. звитие основных научных положений диссертации. Научная значимость разработанного соискателем метода подтверждается использованием его основных научных положений другими исследователями в различных областях проектирования авиационной техники. Так, в работах:
аспиранта А.П.Будылина
разработан метод формирования трехмерных моделей ГПС по слабо параметризованным «плоским» сечениям и видам объекта
Место САПР в авиационной промышленности
Многочисленность и разнородность участников авиационного рынка наряду с отсутствием механизмов межотраслевого взаимодействия и саморегулирования поставок ГПС оказывает негативное влияние на качество обслуживания участников логистических цепочек и конечных потребителей [26], состояние безопасности полетов и уровень эксплуатационных затрат. В поддержании летной годности воздушных судов существенная роль отводится модификациям, наиболее полно учитывающим всевозрастающие нормы и требования. Они должны полностью соответствовать всем производственно-техническим параметрам, заявленным и подтвержденным на этапе сертификации и производства воздушного судна, поэтому каждая модификация должна проходить полный проектный цикл у Разработчика, что достаточно трудоемко и требует создания специализированных САПР. Без этого невозможно в полной мере осуществлять контроль за движением модификаций и поддерживать их летную годность с требуемой степенью безопасности полетов. Это напрямую связано с увеличением доходности авиакомпаний и ростом налоговых поступлений.
Таким образом, потребность в интеграции испытывается не только производителями, но и предприятиями воздушного транспорта и инфраструктуры. Должные инструменты управления цепями поставок в состоянии дать компаниям дополнительные ключевые конкурентные преимущества. Интеграция же позволяет управлять всем логистическим комплексом как единым целым.
Вся цепочка поставщиков, участвующих в процессе создания авиационной техники, технического обслуживания и ремонта, должна обладать общим понима Автоматичация проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов ниєм задач, методов логистической поддержки идентификации и контроля запчастей и поставщиков. Приведенная модель свидетельствует о необходимости создания многоуровневой логистической системы поставщиков ГПС. Средства CALS (Continuous Acguisition and Lifecycle Support) обеспечивают непрерывное развитие и поддержку жизненного цикла изделий, a SCM (supply chain management - управление цепочками поставок).
Информационное обеспечение охватывает процессы проектирования, производства, эксплуатации и утилизации. Цель интеграции CALS в единую систему логистического обеспечения - повышение эффективности всех участников цепочки за счет сокращения времени от разработки продукции до эксплуатации, снижения издержек и повышения уровня сервисного обслуживания потребителей. Предприятия авиапромышленности формируют системы управления данными об изделии на базе электронных каталогов комплектующих и запчастей, интегрированных с блоком подготовки электронной документации. Авиакомпании фактически выступают конечными потребителями CALS-решений и наряду с предприятиями авиационной промышленности заинтересованы в их эффективном применении. Бизнес-процессы промышленных предприятий интегрированы с процессами авиакомпаний через важнейший канал движения ресурсов и запчастей - интегрированную цепь поставок.
Автоматизированным называется проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритмы его функционирования, а также представление описаний на различных языках осуществляются путем взаимодействия человека с вычислительной техникой (ГОСТ 22487-77 Проектирование автоматизированное). В соответствии с ГОСТ 23501.0-79 САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации, выполняющую автоматизированное проектирование. Основу САПР составляет комплекс средств автоматизации проектирования. Он включает в себя средства технического, программного, информационного, методического (включая средства лингвистического и математического обеспечения) и организационного обеспече Лвтоматизация проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов ния. Функционирование системы осуществляется в процессе взаимодействия комплекса с коллективом разработчиков, а также с коллективом обслуживающего персонала, обеспечивающим работоспособность и развитие системы.
Основная функция САПР - осуществление автоматизированного проектирования на всех стадиях проектирования объектов и их составляющих частей на основе применения математических и других моделей, автоматизированных проектных процедур и средств вычислительной техники. На начальных стадиях проектирования, занимающих всего 5-10% от суммарных затрат труда на создание проекта, принимается до 70-80% решений [см. рис. 1.16], обеспечивающих в дальнейшем его эффективную эксплуатацию. Поэтому использование САПР именно на ранних этапах проектирования и получение с их помощью прогрессивных технических решений может существенно улучшить качество проекта. Синтез компоновочной схемы является одним из важнейших этапов проектирования самолета. В настоящее время существует такое множество вариантов взаиморасположения агрегатов самолета, что для выбора их рационального сочетания необходимо промоделировать и рассчитать не один десяток вариантов будущего самолета, что требует значительных временных затрат и людских ресурсов. Это особенно критично на этапе предварительного проектирования, когда необходимо в кротчайший срок представить несколько вариантов проекта в условиях конкуренции со стороны других проектных организаций.
Структура проектирования и конструирования ГПС
Средства технического обеспечения САПР включают в себя набор аппаратных средств вычислительного и организационного обеспечения, предназначенных для ввода информации в систему, ее обработки, передачи и хранения, а также вывода. Их особенностью является универсальность, готовность к применению, способность к наращиванию и развитию. При проектировании самолетов широко используются как физические (материально реализованные), так и математические (абстрактные) модели. Физическими моделями являются макет самолета, его продувочные модели, различные стенды и т.д. Физическое моделирование дает наиболее полное и достоверное представление об исследуемых явлениях, однако оно зачастую связано со значительными затратами времени и материальных ресурсов. Тем не менее, физическое моделирование является практически единственно возможным при исследовании новых закономерностей либо непредсказуемых теоретически, либо требующих экспериментальной проверки и подтверждения каких-то гипотез. Роль физического моделирования возрастает при создании принципиально новых самолетов, основывающихся на новых технических концепциях. Математическое моделирование базируется на известных закономерностях прикладных авиационных наук, используемых при проектировании и расчете самолета. Математическое моделирование, в свою очередь, можно разделить на аналитическое и численное. Аналитическое моделирование позволяет провести исследования в наиболее общем виде и получить результаты в наглядном, удобном для анализа виде. Однако построение аналитических моделей часто связано с необходимостью существенно упростить рассматриваемое явление, что снижает достоверность получаемых результатов. Примерами удачных аналитических моделей могут служить балочная модель крыла и др. Численное моделирование в настоящее время становится одним из основных методов исследования сложных объектов и процессов, обеспечивая высокую точность и достоверность получаемых результатов. Так, на основе конечно элементных моделей разработаны высокоэффективные численные методы расчета аэродинамических характеристик самолета, а также методы анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции самолета и синтеза рациональных конструктивно-силовых схем (КСС) [97].
Информация, полученная в результате анализа, позволяет перейти к третьему этапу процесса проектирования - принятию решения. Это весьма ответственный этап, целью которого является выбор единственного из возможных вариантов решения задачи. Такой выбор, как правило, носит компромиссный характер, поскольку каждому варианту присущи определенные достоинства и недостатки. Иными словами, проектировщик сталкивается с необходимостью поиска условного оптимума. Принятие решения - это многошаговый процесс, в котором каждый последующий шаг сужает область поиска, ограничивает как число альтернатив, так и число факторов, которые следует при этом учитывать.
Анализ процесса проектирования [2,21,93] позволяет выявить возможности формализации отдельных этапов проектирования. В наименьшей степени поддается формализации первый этап проектирования - генерация вариантов решения задачи. Есть попытки решить эту проблему с помощью специальных эвристических методов поиска рациональных технических решений. Однако возможности применения таких методов при проектировании сложных технических объектов весьма ограничены. Вместе с тем, если решение базируется на известных элементах, то задача поиска рационального сочетания этих элементов (комбинаторная задача) может быть формализована. Так, с помощью матрицы признаков компоновочных схем [21] можно формализовать процесс генерации вариантов схем самолета, что позволяет автоматизировать этот процесс и на этой основе значительно увеличить область поиска рационального решения. Пополнение же матрицы признаков компо новочных схем благодаря принципиально новым техническим решениям на базе изобретательства - процесс, в принципе, не формализуемый.
Соотношение математического и физического моделирования определяет в значительной степени возможности формализации этапа анализа. При этом, когда разрабатывается принципиально новый самолет, базирующийся на новых технических концепциях, роль и объем физического моделирования возрастают, а, следовательно, уменьшается возможность формализации и, как следствие, автоматизации этого этапа.
Формализация процесса принятия решения базируется на аппарате развивающейся технической дисциплины "Теория принятия решений" [97], в основе которой лежат методы математического программирования. Так, например, если цель проектирования удается количественно выразить через определенный показатель-критерий, являющийся функцией проектных параметров, то задачу принятия решения о конкретных значениях этих параметров можно свести к задаче отыскания такого сочетания параметров, при котором критерий достигает экстремального значения. Таким образом, в процессе проектирования имеется значительная доля проектных процедур, которые могут быть формализованы, а, следовательно, процесс их выполнения - автоматизирован.
Процесс формирования моделей МКЭ
Точность отображения свойств физической системы - конструкции в модели МКЭ зависит от следующих факторов [97]: 1. Типа элемента для каждой области моделируемой системы; 2. Число степеней свободы узлов топологического пространства; 3. Степени детализации модели отдельных областей конструкции; 4. Способа отражения воздействия внешней среды на конструкцию. При проведении моделирования сложных конструкций отмеченные факторы вызывают необходимость использования в моделях МКЭ достаточно большого числа элементов различной структуры. При этом размерность отдельных моделей достигает 10...20 тыс. элементов и более, что определяет размерность по общему числу неизвестных. В связи с этим обстоятельством возникает ряд проблем как при формировании расчетной модели МКЭ, так и при проведении анализа НДС.
В настоящее время создание моделей МКЭ решается комплексно, с учетом имеющихся возможностей повышения производительности труда с помощью автоматизации процесса моделирования. Основу такой автоматизации составляет использование существующих технических средств реализации функций кодирования, хранения, контроля и визуального отображения всей совокупности информации по создаваемой модели МКЭ.
После создания объекта исследований, в частности модели МКЭ, перед специалистами открываются возможности проведения комплексных исследований, связанных с проектированием силовых конструкций [58]. Эффективность таких исследований определяется совершенством методического аппарата, используемого при проектировании силовых конструкций самолетов.
Объективным критерием оценки перспективности того или иного варианта конструкции является критерий минимума массы конструкции. Его использование позволяет однозначно выделить из множества вариантов наилучший, которому соответствует конструкция, имеющая после своего изготовления наименьшую массу. На этапе технических предложений, когда происходит формирование силовой схемы конструкции, прогноз окончательной массы конструкции по каждому из конкретных вариантов можно получить лишь на основе статистических данных. Эти данные отражают уровень действующих внутренних сил, существующий на конкретном предприятии, уровень технологии изготовления элементов и агрегатов конструкции, уровень эксплуатационной эффективности конструкции и т.д.
При отсутствии детальной статистической модели в качестве критерия оценки перспективности может выступать критерий минимума массы силовой конструкции. Под силовой массой понимается сумма силовых масс, определенных на всей области модели, состоящей из конечного числа элементов.
Анализ показывает, что решающее влияние на величину потребной силовой массы оказывает значимость компонентов внутренних сил и протяженность их действия. Поэтому в качестве эквивалентного критерия для оценки перспективности силовой конструкции может выступать функция «силовой вес» [97]. Использование этой функции в проектировочных расчетах оказывается более целесообразным, так как она, в отличие от силовой массы, не испытывает влияние таких факторов, как удельная плотность материалов, обладающих приблизительно одинаковыми значениями упругих постоянных.
Функция «силовой вес» позволяет создавать совершенные силовые конструкции с позиций наиболее рационального распределения в ее элементах внутренних усилий, возникающих от внешнего воздействия. В качестве критерия при оценке вариантов силовых конструкций используется критерий минимума силового веса.
В настоящее время для решения слабо структурированных задач разработаны специальные методы, известные как эвристические или методы искусственного интеллекта [21]. Слабо структурированными задачами принято считать задачи исследования сложных систем, связи между элементами которых, слабо формализованы и носят в основном лишь качественный характер. Отличительная особенность таких методов заключается в рациональном сочетании творческой деятельности человека, носящей эвристический характер с формализованными процедурами анализа в процессе поиска нужного решения.
Под эвристическим правилом обычно подразумевают закономерность, познанную на опыте, стратегию, ловкий прием или иное средство, существенно облегчающее поиск нужного решения для сложных задач [22]. История развития авиационной техники показывает, что именно опыт и интуиция специалистов, основанные на глубоком понимании процессов взаимодействия агрегатов и элементов конструкции самолета, позволяли осуществлять прогресс в авиастроении. В то же время та же история свидетельствует и о многочисленных неудачах в проектировании силовых конструкций, практически всегда приводящих к неудаче проекта в целом. Основная причина таких неудач обычно заключалась в неверной интерпретации отдельными специалистами процессов силового взаимодействия между элементами и агрегатами конструкции.
Порядок расчетных алгоритмов комплекса
Весовое проектирование как техническая дисциплина является отдельной отраслью знаний, отобранных из общей науки о проектировании самолета и систематизированных в пяти самостоятельных разделах. Оно включает теоретические основы и методы решения различных задач. Весовое проектирование как процесс относится к непосредственной практике проектирования летательного аппарата и заключается в оптимизации массы самолета на стадии определения его параметров и выполнения компоновочных схем, а также минимизации массы частей самолета при разработке силовых схем и конструкций. Все это и определяет весовую эффективность самолета.
Предметом технической дисциплины «Весовое проектирование» являются: 1. Изучение весовых закономерностей и форм их конкретного проявления; 2. Исследование связей между геометрическими параметрами, тяговооруженно-стью и взлетной массой самолета; 3. Исследование связей между размерами, действующими нагрузками, допустимыми напряжениями и массой элементов конструкции; 4. Изучение величин, характеризующих распределение масс самолета.
Изучение или выяснение весовых закономерностей или связей каких-либо яв лений заключается, прежде всего, в определении необходимых и достаточных усло Автоматизация проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов вий их проявления и в нахождении зависимости этих явлений от принятых условий. Выяснение весовых закономерностей приводит к теоретически обоснованным методикам, а в итоге - к научному прогнозированию конечных значений весовых характеристик. Задачи технической дисциплины «Весовое проектирование»: 1. Разработка технических концепций весового планирования и организационно-технических систем весового контроля; 2. Разработка методов расчета характерных масс (весовых характеристик) самолета и вывод формул для определения масс его частей на основе упомянутых выше закономерностей и связей; 3. Разработка принципов проектирования конструкций и систем минимальной массы; 4. Обоснование критериев и формирование системы критериев весового анализа; 5. Разработка методов решения задач из области учения о геометрии масс.
При разработке теоретических вопросов весового проектирования и методов прикладных расчетов, а также при выполнении этих расчетов широко используются многие разделы математики (программирование, статистика, теория вероятностей, методы оптимизации, методы анализа и синтеза), балочная теория, метод конечно элементной идеализации.
Весовое проектирование подчинено логике проектирования и методам последовательно уточняющих друг друга приближений, от первой общей концепции до заключительной проработки всех деталей проекта, поэтому различные его процессы выполняются многократно на основе возрастающего числа исходных данных (и повышения их достоверности), применения все более сложных методов повышения вероятности результатов процесса. Одним из простейших примеров, иллюстрирующих необходимость метода последовательных приближений, может служить то, что на начальной стадии весового проектирования при определении взлетной массы самолета необходимо знание массы крыла, фюзеляжа и других частей самолета.
Разделы технической дисциплины «Весовое проектирование»: 1. «Теория и методы весовых расчетов». 2. «Основы весового планирования и весового контроля». Автоматизация проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов 3. «Принципы проектирования конструкций и систем минимальной массы». 4. «Методы весовых анализов». 5. «Геометрия масс» (весовая компоновка, расчеты центровки и моментов инерции самолетов).
Перечисленные разделы в кратком изложении можно представить несколькими основными положениями. Раздел «Теория и методы весовых расчетов» включает в себя исследование весовых закономерностей, изучение принципов разработки методов и вывода формул. Последние основаны на связях «размеры - нагрузка - масса». Кроме того, они учитывают характер применяемых материалов, силовые и компоновочные схемы, конструктивные и технологические особенности и др. Все формулы, в том числе и теоретически строго обоснованные, содержат ряд статистических коэффициентов. Следовательно, другой базой для вывода формул служит статистика весовых, геометрических и прочих данных однотипных самолетов. Раздел «Основы весового планирования и весового контроля» представляет собой комплекс концепций, методов и систем теоретического и организационно-технического характера, объединяемых общей программой создания высокоэффективного самолета путем достижения наилучшего соответствия между минимальным значением массы и потребными статической прочностью и сопротивлением усталости, обеспечивающим назначенный ресурс [97]. Наиболее результативной частью весового контроля являются обратные связи, принятие решения о снижении массы при выяснении фактов завышения ее величины. Таким образом, понятие «Весовое планирование и весовой контроль» в современной терминологии представляет собой часть общей системы управления качеством самолета.
В разделе «Принципы проектирования конструкций и систем минимальной массы» изучаются пути снижения массы конструкции при условии обеспечения прочности, жесткости, надежности. Рассматриваются методы повышения прочностной отдачи единицы массы, например, путем рационального распределения ее между элементами конструкции.
