Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ 5
ВВЕДЕНИЕ 11
I. ОБЗОР СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 18
1Л. Обзор систем автоматизированного проектирования 18
1Л Л. Структура, характерные особенности и тенденции развития
современного рынка САПР 20
1Л .2. Сравнительный анализ САПР в приложении к задачам
авиационной акустики 28
1Л.З. Результаты сравнительного анализа 46
1.2. Предпосылки создания автоматизированной системы экспресс-
анализа акустического облика магистрального самолета 55
1.2Л. Требования по шуму на местности, предъявляемые к
магистральным самолетам 55
Влияние конструктивно-компоновочных решений на шум самолета на местности 70
Актуальность проведения акустического экспресс-анализа
на этапе формирования облика самолета 73
1.3. Постановка задачи исследования 16
Вербальная постановка задачи 76
Математическая постановка задачи 77
1.4. Выводы 81
2. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАСЧЕТА ШУМА САМОЛЕТА
НА МЕСТНОСТИ 82
Анализ математических моделей и вычислительных методов, применяемых в акустике 82
Выбор расчетных методов для выполнения акустического экспресс-анализа компоновки самолета 91
Методика расчета эффективных уровней воспринимаемого шума.. 95
Методика оптимизации акустической компоновки самолета 105
Выводы 111
3. СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
«САМОЛЕТ-ЗЕМНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ» 112
ОФьемная параметрическая модель самолета 114
Геометрическая модель рельефа местности 119
Модели траекторий взлета и захода на посадку 123
Модель атмосферы 131
Акустическая модель материалов 134
Модель распространения звуковых волн 137
Геометрическое представление 138
Энергетическое представление 141
Волновое представление 144
Принятые допущения 149
Модели источников шума 150
Выводы 157
4. ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ОБЛИКА
МАГИСТРАЛЬНОГО САМОЛЕТА 158
Основные требования, предъявляемые к системе 158
Назначение, принципы работы и возможности системы 161
Исходные данные и управляющие настройки 169
4.4. Разновидности вариантов расчета и способы представления
результатов 178
Верификация результатов расчета 196
Проектные исследования 209
Преимущества системы экспресс-анализа по сравнению с традиционными расчетными комплексами 213
Программные и аппаратные средства, необходимые для функционирования системы 215
4.9. Выводы 216
ВЫВОДЫ 217
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 222
ЛИТЕРАТУРА 224
ПРИЛОЖЕНИЕ 235
1. Дистрибутив и демонстрационная презентация автоматизированной
системы экспресс-анализа акустического облика магистрального
самолета, 236
5 ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ
Сокращения:
МГЭ - метод граничных элементов;
МКЭ - метод конечных элементов;
МКБЭ - метод конечных/бесконечных элементов;
МОС - методы определения соответствия;
МС - магистральный самолет;
МСА — международная стандартная атмосфера;
НИР — научно-исследовательская работа;
НЛГ - нормы летной годности;
ОСТ - отраслевой стандарт;
ПК - персональный компьютер;
ПО - программное обеспечение;
САПР - система автоматизированного проектирования;
САФОС - система автоматизированного формирования облика самолета;
СГМ — система геометрического моделирования;
СК - система координат;
СНиП - строительные нормы и правила;
СУ - силовая установка;
СЭА - система экспресс-анализа;
ТЗ — техническое задание;
ТРДЦ - турбореактивный двухконтурный двигатель;
УП - управляющая программа;
ФОС - формирование облика самолета;
ЧПУ — числовое программное управление;
ШГУ - шумоглушащее устройство;
ЭВМ - электронно-вычислительная машина;
ANSI - American National Standards Institute (американский национальный
институт стандартов);
API - Application Programming Interface (интерфейс прикладного
программирования);
7
CAD - Computer Aided Design (система автоматизации проектно-
конструкторских работ);
САМ - Computer Aided Manufacturing (система автоматизации изготовления изделий);
САЕ - Computer Aided Engineering (система автоматизации инженерных
расчетов);
DXF - Drawing Exchange Format (чертежный формат обмена);
ISO - International Organization for Standardization (международная
организация по стандартизации);
FAR - Federal Aviation Regulations (Федеральные авиационные правила
США); PDM - Product Data Management (система управления инженерными
данными и производственной информацией); PLM - Product Lifecycle Management (система управления жизненным
циклом изделия).
Обозначения:
I - интенсивность звука [Вт/м2];
L - уровень (звукового давления, интенсивности) [дБ];
ф - потенциал скоростей;
р — плотность [кг/м ];
с - скорость звука [м/с];
/ - частота колебаний [Гц];
/ - длина волны [м];
к - волновое число;
у - коэффициент адиабаты;
С - теплоемкость среды при постоянном давлении;
Cv - теплоемкость среды при постоянном объеме;
Е - модуль упругости;
z — акустическое сопротивление среды (импеданс);
в - угол между вектором скорости звука и нормалью к поверхности
среды П;
п - показатель преломления;
і - температура [С];
Т - температура [К];
ер - относительная влажность [%];
V - скорость [м/с];
то - взлетная масса самолета [кг];
G - вес самолета [Н];
g - ускорение свободного падения [м/с2];
R - режим работы двигателей;
Р - суммарная тяга двигателей [Н];
а - угол атаки \];
S — площадь крыла [м2];
С - коэффициент аэродинамического сопротивления;
С - коэффициент подъемной силы;
Са - производная коэффициента подъемной силы по углу атаки;
Sh - число Струхаля;
0н - установившийся угол наклона траектории [];
К - аэродинамическое качество;
х - координата по оси X относительно начала ВПП [м];
у — координата по оси Y относительно начала ВПП [м];
z ~ координата по оси Z относительно начала ВПП [м];
И - высота над уровнем моря[м];
г - расстояние [м];
PNL - уровень воспринимаемого шума [РНдБ];
PNLT - уровень воспринимаемого шума с учетом дискретных
составляющих [ТРЫдБ];
EPNL - эффективный уровень воспринимаемого шума [ЕРНдБ];
N - шумность [ной];
ат - коэффициент атмосферного поглощения;
Ьд - уровень громкости, измеренный по шкале А шумомера [дБ];
U - шум одного ТРДЦ [дБ];
ALi - поправка на компоновочную схему силовой установки [дБ];
Л1.2 — поправка на интерференцию звуковых волн вблизи поверхности
земли [дБ];
Л7.3 - поправка на снижение шума в шумоглушащем устройстве [дБ];
D - поправка на продолжительность воздействия шума;
Fn - фактор направленности шума.
Индексы:
Введение к работе
На рубеже 90-х - 2000-х гг. в аэрокосмической промышленности получили большое распространение системы автоматизированного проектирования (САПР), решающие широкий спектр задач геометрического моделирования, инженерного анализа, технологической подготовки производства и электронного документооборота Спецификой применения САПР в производственном цикле стала тесная взаимосвязь технологии проектирования и методов математического моделирования, реализованных в прикладных программных модулях:
с одной стороны, существует влияние методов и методик, используемых в проектной организации на методы реализованные САПР;
с другой стороны, функциональность САПР влияет на методы, которые использует проектная организация.
Качественный выигрыш от использования САПР достигается, во-первых, за счет возможности решения более сложных задач и, во-вторых, за счет увеличения степени типизации принимаемых проектных решений. Типизация заключается в том, что при увеличении множества рассматриваемых альтернатив инженер может использовать единую методику. Поэтому он может применять знакомые для него средства, реализующие данную методику. А, как известно, степень типизации процессов протекающих при проектировании непосредственно влияет на стоимость всего процесса проектирования. По оценкам экспертов стоимость этапа проектирования авиационной техники вследствие типизации проектных процедур может уменьшаться в 3 и более раза [16].
Неоспоримые преимущества САПР перед традиционными методами проектирования обусловили выбор направления данного диссертационного
12 исследования, которое направлено на изучение физики процесса образования
авиационного шума, российского и международного законодательства по шуму и разработку прикладного программного обеспечения, автоматизирующего процедуру формирования облика магистрального самолета с требуемым акустическим совершенством на этапе концептуального проектирования.
С появлением реактивных двигателей и с увеличением размерности пассажирских самолетов возникла реальная потребность в снижении авиационного шума. Это связано, в первую очередь, с его вредным воздействием на окружающую среду и, в частности, на нервную систему человека. Важность проблемы снижения авиационного шума подтверждена целым рядом нормативных документов, таких как стандарты Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и Авиационные правила, которые накладывают жесткие ограничения на уровни шума, создаваемого авиационным транспортом. Повышение требований к характеристикам по шуму обусловило потребность в принципиально новых проектно-конструкторских решениях, отыскание которых практически невозможно без применения современных программных средств геометрического моделирования (СГМ) и инженерного анализа.
Необходимость перехода от самолетов, построенных в 80-х - 90-х г. г. XX века, к более современным диктуется, по крайней мере, несколькими причинами: возрастающей конкуренцией между авиакомпаниями как внутри страны, так и с зарубежными перевозчиками; соображениями обеспечения безопасности полетов, снижения эксплуатационных расходов и, наконец, новыми экологическими ограничениями, введенными в 2002 году ИКАО и Европейским Союзом. Несоблюдение внутренних и международных стандартов влечет за собой существенные осложнения при сертификации воздушного судна (ВС) вплоть до полного запрета на его эксплуатацию. Таким образом, в условиях рыночных отношений проблема создания самолета, удовлетворяющего требованиям по шуму, на ранних этапах проектирования приобретает приобретает все большую актуальность и требует разработки
13 приобретает все большую актуальность и требует разработки новых подходов к ее решению, в частности - создания современного программного комплекса экспресс-анализа схемных решений.
Авиационный шум принято подразделять на внутренний (шум в салоне самолета) и внешний (шум на местности). Проблема снижения шума самолета на местности является наиболее актуальной, так как его воздействию круглосуточно подвергаются территории площадью до нескольких миллионов квадратных километров, в том числе и зоны жилой застройки. Авиационный шум негативно сказьшается не только на здоровье населения [38], но и на рыночной стоимости жилья [39] в районах, наиболее подверженных воздействию пролетающих самолетов.
По состоянию на настоящий момент существует ряд методик расчета авиационного шума, позволяющих весьма точно моделировать акустическое поле, создаваемое летательными аппаратами (ЛА) на поверхности земли [13, 69, 81]. Однако, несмотря на значительную экспериментальную базу, имеющиеся методики имеют в основном прикладной характер, поскольку каждая из них «заточена» на конструктивные особенности характерного именно для нее узкого класса ЛА. На этапе концептуального проектирования, когда формируется облик самолета, имеющиеся методики не находят широкого применения, потому что:
при повышенной точности не позволяют быстро оценить принимаемое решение, что приводит к увеличению сроков проектирования и уменьшению количества рассмотренных альтернативных вариантов;
не учитывают в полной мере особенностей компоновки ЛА, как геометрического объекта;
не являются комплексными, т.е. ориентированы на ограниченный класс ЛА с фиксированным набором схемных параметров и силовой установки (СУ);
требуют от компоновщика владения специальными навыками профессионального акустика, что практически нереализуемо в большинстве
14 современных КБ.
С другой стороны, отказаться от акустического анализа на этапе концептуального проектирования нельзя, поскольку увеличивается вероятность принятия неправильного решения, что приводит к;
дополнительным материальным затратам на доработку конструкции и на оснащение уже запущенных в производство самолетов специальными шумоглушащими устройствами, что в свою очередь приводит к повышению относительной массы агрегатов при общем снижении надежности;
повышению стоимости эксплуатации ВС и, как следствие, снижению конкурентоспособности самолетов данного типа.
Актуальность проблемы и возможность ее решения на принципиально новом техническом уровне обусловили выбор темы исследования. Объективно существующие противоречия между повышением качества проектных работ, сокращением сроков проектирования и снижением материальных затрат привели к необходимости поиска новых методов и средств формирования геометрического облика самолета и разработки на их основе автоматизированной системы экспресс-анализа акустического облика альтернативных вариантов компоновки магистрального самолета на этапе концептуального проектирования.
Методологической и теоретической основой исследования являются фундаментальные труды по проблемам теоретической аэроакустики, к которым относятся работы ведущих специалистов ЦАГИ А. Г. Мунина [68, 69, 70], В. А. Максимова, В. Г. Дмитриева, Е. А Леонтьева [56], В. Е. Квитки [13], А. М. Мхитаряна [81], В. Ф. Самохина, Р. А. Шипова, И. С. Загузова [42] и др. В частности, в работах [13, 69, 70] рассмотрены проблемы воздействия авиационного шума на окружающую среду и человека; указаны основные источники шума самолетов с учетом фактора направленности, дана физическая картина шумообразования. В этих работах также рассмотрены различные способы снижения шума самолетов, изложена методология прогнозирования
15 акустической обстановки в зоне аэропортов, учитывающая динамику парка
самолетов и интенсивность их эксплуатации. В работе [81] приведены результаты исследований акустических характеристик шума самолетов с реактивными двигателями, рассмотрены вопросы нормирования шума самолетов и двигателей, приведены критерии оценки раздражающего воздействия самолетного шума. Разработанная авторами математическая модель позволяет осуществить выбор оптимального управления самолетом, обеспечивающего минимальные уровни шума на местности. Важной основой при разработке математической модели воздушной атмосферы стали труды Л. М. Брехов-ских и О. А. Година [26], в которых рассматриваются вопросы акустики слоистых сред и геометрической интерпретации их решения.
Помимо указанных выше работ в области теоретической аэроакустики, в основу исследования также положены фундаментальные труды, посвященные вопросам автоматизированного формирования геометрического облика самолета, к которым относятся работы, проведенные в МАИ на кафедре «Проектирование самолетов» под руководством С. М. Егера, О. С. Самойло-вича, В. В. Мальчевского, Н. К. Лисейцева, М. Ю. Куприкова и др.
Анализ работ убеждает в необходимости тесной интеграции наработок в области теоретической аэроакустики, автоматизированного формирования облика самолета и результатов экспериментальных исследований с целью дальнейшего повышения качества принятия технических решений на ранних этапах проектирования и создания современных САПР.
Практическая ценность диссертационной работы.
Разработанные методы проведения акустических расчетов и критерии обоснования выбора компоновки самолета, удовлетворяющей требованиям по шуму, математические модели объектов, сред и материалов, а также алгоритмы, процедуры и целевые функции использованы в созданной автором автоматизированной системе экспресс-анализа акустического облика магистрального самолета (СЭА АОМС). Программный комплекс является современным инструментом проектировшика-исследователя и предназначен для
выработки технических рекомендаций по проектированию магистральных самолетов нового поколения, удовлетворяющих требованиям по шуму на местности.
Результаты работы могут быть использованы в НИИ и ОКБ авиационной промышленности при разработке комплексных систем автоматизированного проектирования и при подготовке специалистов по проектированию самолетов в авиационных учебных заведениях.
Внедрение результатов.
Разработанные методы анализа вариантов компоновки, геометрические и математические модели самолета, рельефа местности, траекторий взлета и захода на посадку, атмосферы, материалов, распространения звуковых волн и источников шума, а также алгоритмы и программный комплекс СЭА АОМС, внедрены в ОАО «Туполев», в ООО «Солидворкс Р.», каф. 904 «Инженерная графика» МАИ.
Основные теоретические положения и некоторые результаты исследования опубликованы автором в семи научных статьях [1, 4, 5, 7, 10, 11], одном учебно-методическом пособии [9], а также содержатся в тезисах докладов [2, 3, 6, 8] на научно-технических конференциях всероссийского и международного значения.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов по работе, заключения, списка литературы (103 работы отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Общий объем диссертации - 236 страниц, включая 12 таблиц и 113 рисунков.
Во введении анализируется состояние проблемы проектирования магистрального самолета, удовлетворяющего требованиям по шуму на местности, сформулирована цель исследования, дается общая характеристика диссертации.
В первой главе дается описание структуры рынка САПР, проводится сравнительный анализ программных продуктов для решения задач авиацион-
17 ной акустики, проводится анализ российского и международного законодательства, регламентирующего ужесточение требований по шуму на местности, обосновывается актуальность создания СЭА АОМС и ставится задача исследования.
Во второй главе проведен анализ применимости существующих математических моделей и вычислительных методов для расчета шума самолета на местности и дана формализация процесса расчета шума самолета на местности.
Третья глава посвящена формированию комплексной расчетной модели «Самолет - земная поверхность», состоящей из совокупности подмоделей: объемной параметрической модели самолета, геометрической модели рельефа местности, моделей траекторий взлета и захода на посадку, модели атмосферы, акустической модели материалов, модели распространения звуковых волн и моделей источников шума.
Четвертая глава посвящена описанию основных возможностей и принципов работы СЭА АОМС и ее практического применения для выполнения расчетов в проектных организациях.
В приложении приведены дистрибутив и демонстрационная презентация СЭА АОМС.
