Введение к работе
Актуальность проблемы. Автоматизация процедуры формирования облика самолета является сложной и комплексной проблемой. Сложность определяется многообразием типов летательных аппаратов, конструктивно-силовых схем, технических решений и т.д. Комплексность проблемы заключается в необходимости учитывать множество ограничений, накладываемых на облик самолета (геометрических, аэродинамических, прочностных и пр.).
Одной из важных математических моделей, рассматриваемой при проектировании магистрального самолета, является весовая модель. Существующие в настоящее время зависимости по определению массы конструкции на ранних этапах проектирования являются агрегированными с неизменяемым числом параметров, описывающих агрегат. Такие методики имеют ограниченное применение. Это объясняется рядом причин:
коэффициенты в формулах соответствуют выборкам, состав которых проектировщик не может изменить, а выбор новых коэффициентов является трудоемкой задачей;
формулы используют строго фиксированный набор проектных параметров, который можно изменить только построением новой зависимости или добавлением уточняющих членов к существующей.
Анализ систем автоматизированного проектирования (САПР), в части весовых расчетов, показал неудовлетворительную точность результатов весовых расчетов и ограниченную применимость для решения проектных задач на различных стадиях разработки современного магистрального самолета, в частности, на этапе формирования облика.
Актуальность проблемы и возможность ее решения на новом методологическом уровне обусловили выбор темы исследования. Существующие противоречия между повышением качества проектных работ, сокращением сроков проектирования и снижением материальных затрат привели к необходимости поиска новых методов и средств математического моделирования процедуры весового анализа. Решение данной задачи потребовало разработки принципиально нового класса программных продуктов, позволяющих инженеру-проектировщику или расчетчику в минимальные сроки рассмотреть множество альтернативных конструктивно-параметрических решений и оценить их влияние на весовые характеристики создаваемого самолета. В результате, соискателем была создана система для расчета массы крыла самолета, решающая перечисленные задачи в соответствии с предъявляемыми требованиями.
Методологической и теоретической основой исследования стали фундаментальные труды в области искусственных нейронных сетей (ИНС) Ф. Уоссермена, Б. Уидроу, А.Н. Горбаня, А.И. Галушкина, С. Хайкина и др. В работах этих авторов приведены основные математические модели ИНС, рассмотрены алгоритмы их обучения, даны общие рекомендации по применению многослойных нейронных сетей. В труде С. Хайкина приводятся
подходы к увеличению скорости обучения нейронной сети без существенного ухудшения точности аппроксимации.
Помимо работ в области искусственных нейронных сетей, в основу исследования положены труды, посвященные проектированию самолетов, в частности весовому. К таким трудам относятся работы В.М.Шейнина, В.И. Козловского, А.А. Бадягина, Э. Торенбика, СМ. Егера, В.Ф. Мишина, Н.К. Лисейцева.
Анализ работ показывает несоответствие уровня научно-методического обеспечения САПР в части весового проектирования требованиям, предъявляемых к современным магистральным самолетам, и необходимость разработки качественно новых подходов при расчете массы конструкции с целью дальнейшего повышения качества принятия технических решений на ранних стадиях проектирования.
Целью работы является разработка научно-методического и программного обеспечения САПР для анализа проектных решений при проектировании крыльев магистральных самолетов с взлетным весом от 100 до 250 т.
Внедрение предлагаемых методик в цикл разработки повысит качество проектно-конструкторских работ за счет возможности рассмотрения максимального числа альтернативных вариантов конструктивно-силовых и компоновочных схем, что приведет к сокращению сроков проектирования и, как следствие, к уменьшению затрат (материальных, временных и пр.).
Поставленная цель диссертационной работы достигнута путем решения следующих задач:
-определения места и состава задач расчета массы крыла в рамках формирования облика магистрального самолета;
- анализа научно-методического обеспечения и выбора нейросетевой
структуры для построения математической весовой модели крыла
магистрального самолета;
-разработки методик и алгоритмов по формированию весовой математической модели крыла магистрального самолета на основе многослойной искусственной нейронной сети;
программная реализация научно-методического обеспечения;
проведения на основе разработанного программного обеспечения проектных исследований и выявление проектных рекомендаций.
Методика исследования. Объектом исследования является весовая модель крыла магистрального самолета. Предметом исследования является методика использования аппарата искусственных нейронных сетей при определении массы крыла магистрального самолета. Декомпозиция задач, разработка моделей и алгоритмов САПР базируется на принципах системного подхода. Выявление рациональных конструктивно-компоновочных решений осуществлено на основе моделирования с помощью формально-эвристических процедур. Математическая задача отыскания рациональных значений
параметров поставлена как задача многокритериальной дискретной оптимизации.
Научная новизна диссертации заключается в разработке комплекса формально-эвристических методов, моделей, алгоритмов САПР и процедур решения задачи анализа проектных решений при проектировании крыльев магистральных самолетов с помощью парадигмы искусственных нейронных сетей. В ходе работы были получены следующие новые результаты:
-разработаны методика и алгоритмы весовых расчетов с помощью многослойной искусственной нейронной сети для различных классов магистральных самолетов;
предложено описание весовой модели крыла с помощью многослойной искусственной нейронной сети, выявлены рациональные диапазоны параметров сети, позволяющие проводить расчеты с наибольшей точностью;
на основе перечисленных методик и алгоритмов разработана программа для расчета относительной массы крыла самолета, обеспечивающая точное и оперативное решение проектных задач.
'— *
мечифи ования I I *«»" № I ,Ь
I Снижение Повышение I ^
качества ИКР I качества ПКТ I
Традиционный алгоритм расчета Разработанное научно-методическое обеспечение
Рисунок 1 - Традиционный и разработанный подход к подсистеме САПР для
весовых расчетов
Практическая ценность. Разработанная методика проведения весовых расчетов с помощью аппарата искусственных нейронных сетей, математические модели различных крыльев, а также алгоритмы, процедуры и целевые функции использованы соискателем в интеллектуальной системе для расчета относительной массы крыла.
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.
Достоверность результатов обеспечивается тестированием интеллектуальной системы при весовом расчете реальных крыльев и сопоставления их со статистическими данными. Отклонение характеристик физических и математических моделей не превышает 5%. Система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает получение результатов в соответствии с ГОСТ 17228-87.
Внедрение результатов работы. В настоящее время результаты работы внедрены на раде конструкторских бюро и предприятиях авиационной промышленности, таких как: ОАО «Авиационный комплекс им. СВ. Ильюшина», а также в учебный процесс кафедры «Инженерная графика» МАИ.
Апробация работы. Результаты исследований выносились на
обсуждение на следующих научно-технических конференциях:
Основные теоретические положения и некоторые результаты исследования опубликованы автором в научных статьях [10, 14, 18, 19], а также содержатся в тезисах докладов [1-9, 11-13, 15-17] на научно-технических конференциях всероссийского и международного значения.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, библиографического списка (104 работы отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Общий объем диссертации - 149 страниц, включая -18 таблиц и 56 рисунков.
