Содержание к диссертации
Введение
1 Развитие систем автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна
1.1 Общие понятия и направление развития систем автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна 11
1.2 Основные функции и классификация фюзеляжей магистрального воздушного судна 21
1.3 Анализ и обзор исследований в области автоматизированного проектирования фюзеляжа воздушного судна 34
1.4 Анализ характеристик, влияющих на фюзеляж магистрального воздушного судна 48
1.5 Выводы по главе 60
2 Математическая модель процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна 62
2.1 Математическое моделирование процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна. 62
2.1.1 Конструктивно-геометрические характеристики фюзеляжа магистрального ВС 65
2.1.2 Массовые характеристики фюзеляжа магистрального ВС 66
2.1.3 Режимные характеристики магистрального ВС 69
2.1.4 Аэродинамические характеристики магистрального ВС 70
2.1.5 Прочностные характеристики фюзеляжа магистрального ВС 72
2.1.6 Эргономические характеристики фюзеляжа магистрального ВС 73
2.2 Структура общей математической модели процедур эскизного проектирования фюзеляжа, учитывающей закономерности влиянияразличных групп характеристик на проектируемый фюзеляж
2.2.1 Построение целевой функции для моделирования процесса эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС 77
2.2.2 Система ограничений в математическом моделировании процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС 81
2.2.3 Система переменных в математическом моделировании процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС 84
2.3 Выводы по главе 86
3 Автоматизация процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна
3.1 Методика автоматизации процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна 87
3.2 Программные модули компьютерного моделирования и инженерного анализа 90
3.2.1 Закономерности изменения значений целевой функции при изменении входных параметров 106
3.3 Компьютерное моделирование фюзеляжа магистрального воздушного судна 109
3.4 Оборудование и программы, применяемые при компьютерном моделировании 113
3.5 Результаты расчетно-экспериментального исследования аэродинамических характеристик 1 3.5.1 Назначение проводимого исследования 114
3.5.2 Обработка экспериментальных данных 116
3.6 Выводы по главе 120
4 Исследования методики и эффективности комплексной САПР 122
4.1 Натурные эксперименты в аэродинамической трубе. Описание лабораторной установки 122
4.2 Экспериментальные исследования фюзеляжа 127
4.2.1 Требования, предъявляемые к моделям для продувок в аэродинамической трубе 127
4.2.2 Критерий для оценки полученных результатов исследования
4.3 Определение экономической эффективности внедрения и эксплуатации системы автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна. Методика расчета 140
4.4 Расчет экономического эффекта от внедрения и эксплуатации системы автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна
4.4.1 Расчет общих дополнительных денежных вложений на создание программного средства
4.4.2 Определение дополнительной прибыли (условно-годовой экономии) от снижения себестоимости проектирования фюзеляжа 149
4.4.3 Расчет показателей экономической эффективности от внедрения программного средства 154
4.5 Выводы по главе 158
Заключение 160
Список источников
- Анализ и обзор исследований в области автоматизированного проектирования фюзеляжа воздушного судна
- Конструктивно-геометрические характеристики фюзеляжа магистрального ВС
- Программные модули компьютерного моделирования и инженерного анализа
- Расчет экономического эффекта от внедрения и эксплуатации системы автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна
Введение к работе
Актуальность темы. Проектирование и производство наукоемкой продукции, в том числе и воздушных судов, связано с большими расходами на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Фюзеляж магистрального воздушного судна (ВС) – агрегат планера, соединительный элемент между основными частями ВС: несущими поверхностями (крылом и хвостовым оперением), шасси, двигателем и т.д., место размещения целевой нагрузки ВС.
В настоящее время известно множество конструкций фюзеляжа ВС магистральных ВС, различающихся геометрическими характеристиками, количеством палуб, формой поперечного сечения, пассажировместимостью.
Проектирование фюзеляжа связано с учетом множества конструктивно-геометрических, массовых, прочностных характеристик, требований заказчика к размещению пассажиров и т.д. Жесткая конкуренция на рынке магистральных ВС заставляет их производителей прибегать к усовершенствованным и новым технологиям на всех этапах жизненного цикла ВС, в том числе, на этапе эскизного проектирования.
Сложность процессов, которыми характеризуется процесс эскизного проектирования нового или модернизации существующего ВС, не позволяет осуществить его обычными методами без использования систем автоматизированного проектирования (САПР).
На текущий момент большинство комплексных САПР, применяющихся при проектировании ВС и включающих в свой состав CAD/CAE/CAM-системы для автоматизированного проектирования, инженерных расчетов и подготовки производства, имеют существенный недостаток: в них отсутствует подсистема расчета аэродинамических и летно-технических характеристик, используемая на наиболее наукоемких ранних стадиях проектирования (эскизного проектирования).
Несмотря на накопленный опыт и значительное число публикаций в области автоматизированного проектирования ВС, имеются нерешенные задачи: отсутствуют комплексные методики синтеза и анализа проектных решений по фюзеляжу ВС на основе его моделирования с учетом режимных, прочностных, аэродинамических, массовых характеристик и характеристик пассажирского салона; отсутствует критерий для оптимизации фюзеляжа ВС, учитывающий вышеуказанные характеристики; отсутствует модуль проектирования компоновки пассажирского салона фюзеляжа для создания семейства магистральных ВС.
Изложенное позволяет считать разработку методик и средств формализации процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для повышения эффективности функционирования систем автоматизированного проектирования изделий на примере фюзеляжа магистрального ВС.
Исследования проводились в рамках дополнительного соглашения от 29.02.2016 г. № 1 к договору № 14.Z56.15.5527-МК от 16.02.2015 г., грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых на выполнение научного исследования по теме «Автоматизация проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла как элемента жизненного цикла воздушного судна».
Цель работы – разработка методики и моделей процедур автоматизированного проектирования, реализуемых на стадии эскизного проекта новой техники.
Задачи исследования:
-
провести обзор возможностей современных САПР, используемых при проектировании фюзеляжа магистрального воздушного судна;
-
разработать методику процедур автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС на стадии эскизного проекта, основанную на формализованном описании проектных процедур и использовании современных методов моделирования и инженерного анализа;
-
применить разработанную методику и программное средство для автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС с учетом его характерных особенностей;
-
верифицировать программное средство путем сравнения результатов проектирования с результатами компьютерного моделирования и данными физического эксперимента в аэродинамической трубе, оценить экономическую эффективность внедрения и эксплуатации разработанной на основе предложенной методики подсистемы САПР фюзеляжа.
Объект исследования – процесс автоматизированного проектирования изделий на примере фюзеляжа магистрального ВС.
Предмет исследования – модели и методики процесса эскизного проектирования фюзеляжа ВС, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур.
Методы исследования. Использованы современные подходы в области автоматизированного проектирования ВС, отраслевые обзорно-аналитические материалы, принцип системного анализа, методы математического моделирования, математической логики, численные методы, теории сложных систем и реляционных баз данных, технологии объектно-ориентированного программирования, методы экспериментального исследования.
Научной новизной обладают:
- разработанная математическая модель процедур эскизного проектирования фюзеляжа ВС, отличающаяся учетом конструктивно-геометрических, массовых, прочностных, режимных, аэродинамических и эргономических характеристик ВС и позволяющая осуществить выбор проектных характеристик фюзеляжа по разработанному комплексному критерию эффективности ВС;
методика автоматизации процедур эскизного проектирования фюзеляжа ВС, представленная последовательностью и содержанием этапов использования разработанных компьютерных процедур и современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа;
закономерности влияния изменения выходных параметров фюзеляжа ВС на минимизацию взлетной массы ВС, позволяющие корректировать результат проектирования фюзеляжа ВС в диалоговом режиме, получая вариант с рациональными параметрами по критерию минимальной взлетной массы при помощи разработанного программного средства.
Практическую значимость имеют:
1) разработанное программное средство для автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС, включающее программные модули:
- расчета конструктивно-геометрических, массовых, аэродинамических, эр-
гономических, режимных и прочностных характеристик с базой данных (БД) по используемым профилям силовых элементов;
- построения 3D-модели ВС со спроектированным фюзеляжем и компоновки пассажирского салона с применением API-функций CAD-систем;
-
методика использования современных средств инженерного анализа ANSYS в проектировании фюзеляжа магистрального ВС;
-
методическое обеспечение разработанного программного средства (ПС) для автоматизированного проектирования фюзеляжа.
Положения, выносимые на защиту:
-
математическая модель процедур эскизного проектирования фюзеляжа ВС, отличающаяся учетом конструктивно-геометрических, массовых, прочностных, режимных, аэродинамических и эргономических характеристик ВС и позволяющая осуществить выбор проектных характеристик фюзеляжа по разработанному комплексному критерию эффективности ВС;
-
методика автоматизации процедур эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС;
-
разработанное программное средство для автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС, включающее программные модули расчета характеристик фюзеляжа магистрального ВС и построения 3D-модели ВС со спроектированным фюзеляжем и компоновки пассажирского салона на стадии эскизного проекта с применением API-функций CAD-систем;
-
закономерности влияния изменения выходных параметров фюзеляжа ВС на минимизацию взлетной массы ВС, позволяющие корректировать результат проектирования фюзеляжа ВС в диалоговом режиме, получая вариант с рациональными параметрами по критерию минимальной взлетной массы при помощи разработанного программного средства.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в АО «Авиатехприемка» (г. Москва) и в учебный процесс кафедры летательных аппаратов Аэрокосмического института ОГУ.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались автором на международных, всероссийских и межотраслевых научно-практических конференциях: девятой международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ» (Przemysl, 2013 г.); третьей международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Оренбург, 2014 г.); восьмой международной научно-практической конференции «The Strategies of Modern Science Development» (North Charleston, 2015 г.); седьмой международной научно-практической конференции «Academic science – problems and achievements» (North Charleston, 2015 г.); международной молодежной научной конференции XXII Туполевские чтения (школа молодых ученых) (Казань, 2015 г.); шестой и седьмой всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ–технологии» (Оренбург, 2013, 2015 гг.); всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2014, 2015, 2016 гг.); школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2014, 2016 г.); научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения
Р. Е. Алексеева «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве» (Нижний Новгород, 2016 г.).
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 29 печатных работ, в том числе три статьи из «Перечня…» ВАК, 14 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, пять свидетельств о регистрации программных продуктов, три статьи в журналах, индексируемых в Scopus, одно учебное пособие.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа выполнена на 196 страницах, включая 59 рисунков, 14 таблиц, 19 страниц приложений.
Анализ и обзор исследований в области автоматизированного проектирования фюзеляжа воздушного судна
Проектирование и производство такой наукоемкой продукции, как авиационная техника, связано с большими расходами на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Во всем мире ведущие машиностроительные предприятия (в том числе и авиационные) прибегают к новейшим разработкам в области компьютеризации и автоматизации всех этапов жизненного цикла изделий, что сокращает время от начала маркетинговых исследований до ввода в эксплуатацию серийных образцов техники. Это особенно важно при проектировании ВС гражданской авиации, так как срок разработки принципиально нового ВС не должен составлять более пяти лет, в противном случае оно морально устаревает и теряет свою конкурентоспособность на мировом рынке [51].
На фоне необходимости сокращения сроков проектирования и производства как необходимого условия развития авиационной отрасли и повышения конкурентоспособности выпускаемых ВС наблюдается повсеместное внедрение САПР в проектной деятельности, в том числе и в проектировании ВС. С помощью автоматизированных систем разрабатывают чертежи, составляют всю конструкторскую и технологическую документацию и управляющие программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), ведут архив конструкторской и технологической документации. Расширение области применения САПР и управления жизненным циклом изделия (ЖЦИ), а также применение САПР на начальных стадиях разработки ВС помимо сокращения ЖЦИ позволяют избежать ошибок на дальнейших стадиях производства, являются важным шагом в повышении эффективности производства, стратегической инвестицией в развитие бизнеса, поэтому автоматизация всех стадий проектирования дает большую отдачу. К примеру, такие ведущие мировые и российские компании по производству магистральных ВС, как Boeing, Airbus, Гражданские самолеты Сухого (ГСС), используют при разработке новых воздушных судов комплексные САПР, технологической подготовки производства и инженерного анализа, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов. Например, среди механических систем автоматизированного проектирования (Mechanical Computer Aided System, MCAD) наибольшее применение получили такие программные пакеты высшего уровня, как CATIA, NX, Pro/ENGINEER [43].
Главным направлением в области информационной поддержки авиастроения на сегодняшний день является автоматизация конструкторской деятельности. Программное обеспечение инженерных расчетов, которое является фундаментом для автоматизации проектно-конструкторской деятельности, разрабатываемое внутренними подразделениями компаний проектировщиков, чаще всего заменяется мощным и многофункциональным стандартным программным обеспечением. Например, ПАО «ОАК» в рамках реализации программы инновационного развития перевела большинство конструкторских бюро и заводов на единое программное обеспечение, ключевым стратегическим партнером в представлении программного обеспечения для управления жизненным циклом изделия для предприятий, входящих в корпорацию, стала компания Siemens PLM Software. Однако типичными проблемами, которые продолжают решать многие предприятия, является совмещение подходов, предлагаемых ключевой информационной системой зарубежного производителя, с регламентирующей базой, которая действует в России (например, ЕСКД), и формирование библиотек научно-справочной информации. Поэтому роль внутренних разработчиков в информационной поддержке процесса проектирования и конструирования продолжает оставаться весомой. Современный рынок CAПР представлен рядом компаний, предлагающих разнообразные программные пакеты моделирования и проектирования изделий различной сложности. Например, комплекс программных средств автоматизации, позволяющих охватить все этапы конструкторско технологической подготовки производства T-Flex содержит передовые российские разработки в соответствующих областях автоматизированного проектирования, которые учитывают специфику российского производства (стандарты, технические условия, оборудования и т. д.), решает задачи автоматизации выпуска конструкторско-технологической документации; создания твердотельных моделей деталей и сборок; моделирования динамического поведения сборок; подготовки управляющих программ для станков ЧПУ; автоматизации задач технического документооборота, управление проектами и ведение состава изделий. При достаточно широкой функциональности, стоимость подобных российских систем ниже западных.
Основная задача, решаемая системой КОМПАС-3D — моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Эти цели достигаются благодаря возможностям быстрого получения конструкторской и технологической документации, необходимой для выпуска изделий (сборочных чертежей, спецификаций, деталировок и т.д.); передачи геометрии изделий в расчетные пакеты; передачи геометрии в пакеты разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ; создания дополнительных изображений изделий (например, для составления каталогов, создания иллюстраций к технической документации и т.д.).
Конструктивно-геометрические характеристики фюзеляжа магистрального ВС
Формирование характеристик фюзеляжа зависит в первую очередь, от назначения проектируемого ВС, требований, сформированных заказчиком и предъявляемых к аэродинамической компоновке ВС, его конструкции, технологичности, экономической эффективности от внедрения новой формы фюзеляжа. Что касается именно магистральных ВС, то здесь большинство заказчиков акцентирует внимание на увеличении пассажировместимости за счет изменения геометрии фюзеляжа: удлинения, формы поперечного сечения [18, 51, 59]. Увеличение пассажировместимости может достигаться различными путями: – увеличением количества пассажирских кресел в ряду, то есть увеличением площади миделя или диаметра фюзеляжа при неизменной длине пассажирской кабины; – увеличением длины фюзеляжа при неизменной площади миделя или диаметре фюзеляжа; – одновременным увеличением и длины фюзеляжа, и количества мест в поперечном сечении.
При этом необходимо учитывать, что укорачивание фюзеляжа при увеличении его диаметра приводит к тому, что требуется усиление конструкции для компенсации избыточного внутреннего давления, возникающего в гермокабине, а удлинение фюзеляжа при уменьшении его диаметра приводит к повышению изгибающих моментов, возникающих в его конструкции, что также приводит к увеличению массы. Таким образом, с изменением геометрии меняются соответственно и весовые, и прочностные характеристики проектируемого ВС. На следующем этапе параметрического расчета происходит формирование вариантов компоновок, от которой также зависят геометрические характеристики (например, требование к значительному увеличению объема багажников может стать основанием для выбора бульбообразной формы поперечного сечения фюзеляжа). Условия размещения содержимого самолета и сформированные обводы ВС позволяют рассчитать аэродинамические характеристики ВС, необходимую тяговооруженность и выбрать двигатель с соответствующими характеристиками. Дальнейший расчет предполагает определение массы остальных агрегатов и систем ВС (крыла, оперения, шасси, силовой установки и т.д.), что в конечном счете создает новое значение взлетной массы ВС, которое должно быть пересчитано с помощью заданного алгоритма параметрического расчета. Каждый компоновочный вариант, рассматриваемый проектировщиками, как правило, требует собственной конфигурации и характеристик носовой и хвостовой части фюзеляжа и проработки их конструктивно–силовой схемы. Например, расположение двигателей в хвостовой части ВС существенно утяжеляет ее конструкцию, что вызвано перемещением назад крыла вслед за центром масс ВС. Также увеличивается масса и носовой консольной части фюзеляжа из-за ее удлинения. Для высокопланов, к примеру, свойственно срезание дугой окружности нижней части фюзеляжа, что позволяет уменьшить высоту стоек шасси и сократить расстояние от аэродрома до пола кабины. Выбор количества палуб, как показывают расчеты [51], находится в зависимости от расчетной дальности полета. Так, использование двухпалубных ВС оказывается наиболее выгодным при большой пассажировместимости и наименьшей расчетной дальности для магистральных самолетов. С увеличением пассажировместимости и дальности наиболее выгодными становятся однопалубные фюзеляжи круглого сечения, но при наибольших требуемых значениях пассажировместимости и больших расчетных дальностях опять наивыгоднейшими становятся двухпалубные фюзеляжи.
Также все возрастающее стремление увеличить вместимость пассажирского ВС, вызывающее увеличение значений геометрических характеристик ВС, вступает в противоречие с требованиями о минимализации взлетной массы, повышении топливной эффективности и инфраструктурными ограничениями в местах базирования самолета (ограничениями по длине терминальной конфигурации). Таким образом, для каждого компоновочного варианта рассчитывается масса фюзеляжа и основных элементов, находятся аэродинамические характеристики, себестоимость перевозок (как главный критерий оптимизации).
Программные модули компьютерного моделирования и инженерного анализа
На основе разработанного алгоритма методики эскизного проектирования разработана программа для ЭВМ «Программа для автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС» (№ 2016614029) [101], с помощью интегрированной среды разработки Microsoft Visual Studio 2010 на объектно-ориентированном языке программирования высокого уровня C#, включающая в себя реализацию информационного (база данных), прикладного программного и алгоритмического (частные алгоритмы расчета отдельных групп характеристик) обеспечения. Автоматизацию стадии эскизного проектирования фюзеляжа ВС, на котором связываются воедино различные аспекты проектирования ВС, касающиеся исследования вышеупомянутых характеристик, рационально базировать на следующих принципах [15]: – итерационный принцип проектирования. Выполнение требований ТЗ осуществляется на основе последовательного приближения по результатам моделирования и оптимизации на каждом этапе предварительного проектирования; – принцип унификации. Для упрощения процесса проектирования используется компактное представление (минимально возможная номенклатура) элементов каждого уровня иерархии. Основная цель унификации — минимизация числа вновь разрабатываемых моделей; – принцип контролируемости каждого этапа предполагает контроль правильности (верификация; подтверждение соответствия конечного продукта предопределнным эталонным требованиям) выполнения работ на различных этапах проектирования.
Эти принципы, справедливые для проектирования сложных технических систем, положенные в основу создания системы автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС, реализуются с помощью объектно-ориентированных технологий. Объектно-ориентированный подход базируется на систематическом использовании моделей (формальных конструкций) предметов и понятий, имеющих отношение к разрабатываемой программной системе, для языково-независимой разработки программной системы на основе ее прагматики, определяемой целью разработки программной системы: в данном случае, для осуществления процесса предэскизного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна. При объектно-ориентированном подходе к автоматизированному проектированию предметы и понятия заменяются их объектными моделями, т.е. определенными формальными конструкциями, представляющими их в программной системе. Основными принципами объектной модели являются [54]:
1. Абстрагирование (способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключив из рассмотрения незначимые).
2. Инкапсуляция (процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации). Инкапсуляция локализует те особенности проекта, которые могут подвергнуться изменениям, т.е. изменяют внутреннее представление объекта, чтобы реализовать более эффективные алгоритмы или оптимизировать алгоритм автоматизированного проектирования фюзеляжа ВС по определенному критерию, заменяя переменные, меняя формулы для расчета определенных параметров. Важным преимуществом ограничения доступа является возможность внесения изменений в объект (формула для расчета) без изменения других объектов (переменная).
3. Иерархия (упорядочение абстракций, расположение их по уровням). Важным видом иерархии является концепция наследования. Наследование— свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым, родительским или суперклассом. Новый класс — потомком, наследником, дочерним или производным классом. Таким образом, в нашей программной системе класс переменных является родительским классом, а класс формул для расчета различных групп характеристик — дочерним классом.
4. Полиморфизм (свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта). Входные данные определяются проектировщиком или ТЗ на проектирование от заказчика (экранная форма ввода входных данных представлена на рисунке 3.2).
Каждый этап расчета реализуется с помощью отдельного модуля программы [32]. Рассмотрим подробно шаги предпроектных исследований фюзеляжа магистрального ВС.
На рисунке 3.3 представлен частный алгоритм расчета конструктивно-геометрических характеристик фюзеляжа. Расчет включает в себя определение длины (Lф) и диаметра (dф) фюзеляжа, удлинений фюзеляжа (Лф) и его носовой
(Янч) и хвостовой (4..,) частей, объема фюзеляжа (Vф) и площадь его поверхности (Snoe). Значения этих параметров необходимы для построения ЗБ-модели проектируемого фюзеляжа, а также для дальнейших расчетов (аэродинамические характеристики, характеристики пассажирского салона и т.д.). Экранные формы данного этапа расчета представлены на рисунке 3.4.
Расчет экономического эффекта от внедрения и эксплуатации системы автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна
Моделирование — исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Применение моделей позволяет проводить контролируемые эксперименты в ситуациях, где экспериментирование на реальных объектах было бы практически невозможным или экономически нецелесообразным, то есть в случае проектирования магистральных ВС и их отсеков и агрегатов [116]. Непосредственное экспериментирование с системой обычно состоит в варьировании ее некоторых параметров (в данном случае, угла атаки, скорости набегающего потока и других параметров внешней среды), поддерживая при этом все остальные параметры неизменными (полученные на стадии автоматизированного проектирования массовые, конструктивно геометрические, прочностные и эргономические характеристики), наблюдают результаты эксперимента. Экспериментирование с моделью ВС зачастую дает больше информации о его внутренних взаимодействующих факторах, чем эксперименты с реальным прототипом, это становится возможным благодаря измеряемости структурных элементов модели и контролируемости ее поведения путем изменения ее параметров.
Компьютерная модель — модель, реализованная средствами программной среды. При проектировании ВС компьютерные модели применяются, когда необходимо провести: – расчет силового воздействия текучей среды, движущейся вокругВС и воздействующей на него или его элементы; – расчет воздействия ВС на окружающую среду; – расчет воздействия различных физических факторов на состав и направление движения текучей среды; – решение задач сопряженного теплообмена; – расчет движения твердых или жидких частиц в рассчитанном поле течения газов.
Для компьютерной модели фюзеляжа ВС необходимо провести расчет силового воздействия текучей среды, движущейся вокруг модели и воздействующей на нее (внешняя аэродинамика). Решение задач внешней аэродинамики необходимо для определения аэродинамических характеристик ВС [2]. Такой тип расчета включает в себя следующие расчетные случаи: – тело неподвижно, среда движется; – среда неподвижна, а тело движется; – движутся и тело, и среда относительно тела.
Все дальнейшие расчеты будут проведены для случая, когда тело неподвижно, а среда движется. Выбранный расчетный случай применяется при определении подъемной силы, силы лобового сопротивления, определения индуктивного сопротивления, а также силы текучей среды, воздействующей на находящееся в ней тело.
В рамках автоматизации эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС и верификации разработанного программного средства применяем компьютерное моделирование с целью определения аэродинамических характеристик ВС со спроектированным фюзеляжем, при конструктивно-геометрических параметрах, рассчитанных с помощью программы для автоматизированного проектирования фюзеляжа ВС на этапе предэскизного проектирования, для их последующего уточнения. Для этого будем использовать полученную в вышеуказанной программе (№ 2016614029) [101] модель фюзеляжа с несущими поверхностями (крыло, горизонтальное и вертикальное оперение), чтобы определить интерференцию системы "фюзеляж – крыло".
Для проведения компьютерного моделирования аэродинамических характеристик ВС со спроектированным фюзеляжем необходимо программное обеспечение, позволяющее решать задачи построения модели конструкции (геометрия, реологические свойства, краевые условия) или импорт их из CAD систем (в данной работе — из «КОМПАС–3D») и изучения реакции конструкции на различные физические воздействия, такие, как воздействие различных нагрузок, температурных и электромагнитных полей, решение задач механики жидкости и газа. Универсальной программной системой конечно-элементного (МКЭ) анализа, решающей эти задачи, являетсяANSYS, совместимый с CAD-системами Unigraphics NX, CATIA, Pro/ENGINEER, SolidEdge, SolidWorks, Autodesk Inventor и некоторыми другими.
Технология ANSYS CFD анализа течений жидкостей и газов компании ANSYS позволяет выполнять глубокий анализ механики жидкости и газов во многих типах изделий и процессов, что дает возможность не только снизить необходимость дорогостоящих прототипов, но и получить исчерпывающие данные, которые не всегда доступны при проведении экспериментальных исследований [77]. Моделирование обтекания фюзеляжа магистрального ВС воздухом также служит дополнением к физическому эксперименту. Анализ гидрогазодинамики выделяет не только следствие неисправности, но и ее причину. Во время оптимизации конструкции нового фюзеляжа ВС или модернизации существующего за короткий промежуток времени можно выполнить много аналитических вычислений (инструмент, позволяющий анализировать множество значений и наблюдать, каким образом изменяется результат). Результатом этого становится соответствие продукта (фюзеляжа) требованиям, заданным в ТЗ.