Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время важной целью сонершенствования авиационной техники является решение задачи улучшения взлетно-посадочных характеристик легатсльных аппаратов, которые во многом определяются механизацией крыла и способами ей управления. Одним и І новых решений в конструкции самолетов является применение адаптивного крыла. Адаптивное крыло (АК) наилучшим образом способствует росту аэродинамического качества самолёта на всех этапах полога, реагируя на команды, поступающие от летчика. Такое крыло изменяет в полёте форму профиля для обеспечения оптимальных рабочих характеристик по всему диапазону полетных режимов.
АК обладает достаточно сложной геометрией, которая определяется из условий аэродинамики, прочности, конструкции и компоновки агрегата. В связи с тем, что обозначилась общая тенденция в самолётостроении по применению такого крыла, то знание «конов и методов изменения формы профиля является важной и актуальной темой исследования при проектировании АК.
Несмотря на достаточную известность концепции изменяемой кривизны, многие связанные с ней задачи не решены, например, задача использования гибкой обшивки для получения наивысших характеристик по всему диапазону полётных режимов и применение автоматического управления пилотирования на большом числе эксплуатационных режимов полёта беч привнесения дополнительной нагрузки для лётчика.
Для досшжения хороших рабочих параметров системы требуется моделирование и создание гладких и гибких обшивок адаптивной механизации кромок крыла.
В отличие от общепринятых в настоящее время типов конструкции крыла, контур профиля АК не имеет разрывов, которые обычно происходят из-за наличия предкрылков, закрылков, обтекателей и вызывают возмущение обтекающего крыло потока.
Отсутствие математической модели поверхности (ММП) АК, её алгоритмической и программной реализации, отсутствие или недостаточная проработанность методик конструирования АК значительно затрудняют процесс выбора оптимального решения, порождая и без того многочисленные конструкторские варианты (итерации).
Нестандартные решения в конструкции АК ведут к неточному и дорогому эмпирическому моделированию на всех стадиях проектирования.
Тем не менее, уже на стадии технического предложения необходимо создать довольно точную поверхность целого агрегата для изготовления продувочных моделей В перспективе требования к математической модели поверхности адаптивного крыла на ранних этапах будут очень жесткими вследствие применения высокотехнологичного оборудования для изготовления продувочных моделей, например, стереолитографической установки.
Отличительной особенностью систем автоматизированного проектирования (САПР), влияющей на повышение производительности груда инженеров-конструкторов, является то, что раїрабатьгааемьіе и применяемые новые матемагические методы позволяют найти более простые конструктивные решения, а также избежать роста стоимости продукции при использовании современной технологии производства новых изделий.
Кроме того, повышается эффективность обучения персонала, включая и разработчиков, и, сопровождающих производство, инженеров-технологов. При этом использование разрабатываемых методов математического моделирования поверхности адаптивного крыла в САПР приводит к сокращению сроков разработок в связи с дополнительным повышением производительности коне грукторского труда.
Все это подтверждает актуальность выполненного диссертационного исследования, посвященного моделированию поверхности адаптивного крыла с гибкими обшивками.
Тема настоящею исследования увязана с научно-практическими разработками, выполняемыми автором в Объектом исследования являются поверхности адаптивного крыла с гибкими обшивками.
Предметом исследования является геометрическое моделирование поверхности гибкой обшивки адаптивного крыла для применения в САПР высокого уровня.
Цель работы - разработка методов и алгоритмов параметрического моделирования поверхностей гибкой обшивки аддитивного крьига. обеспечивающих высокую егелень автома і изации проектирования в современных промыгаленных САПР
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:
1 Анализа существующих и перспективных конструкций адаптивных крыльев к разработки общей компоновки отсека АК с учетом конструктивных, аэродинамических и геометро-тсхнологических требований.
2 Разработки математической модели одномерного обвода, удовлетворяющего требованиям минимизации внутренней энергии деформации при заданных граничных условиях.
3. Рачработки методики моделирования и управления формой двумерною обвода с использованием рациональных кубических кривых, позволяющей проектировать адаптивное крыло с требуемой средней линией профиля.
4. Обоснования параметрического подхода при разработке математической модели поверхности адаптивного крыла для достижения высокой степени автоматизации проектирования.
5 Анализа и оптимизации разработанных геометрических моделей средствами системы авгомагизированкого проектирования высокого уровня с учетом возможности аппроксимации применяемых обводов рациональными параметрическими кривыми.
6. Внедрения в производство разработанных алгоритмов и пакета прикладных программ проектирования поверхности адаптивного крыла
Методика выполнения работы
Общей теоретической базой настоящего исследования послужили работы ученых и специалистов в следующих направлениях:
- теории геометрического моделирования: Четверухина Н.Ф., Котова И.И., Рыжова Н.Н.,
Осипова В.А., Якунина В.И. и мноітте других; строительной механике конструкции: Власова В.З., Кан С.Н, Курдюмова А.А, Огибалова ИМ., Образцова И.Ф. и др.;
- теории изгибания поверхностей: Поторелова А.В., Фоменко В.Т. и др.;
- параметризации поверхностей и обводов: Чствсрухина Н.Ф., Рыжова Н.Н. и др.
- теории сплайн - функций, полиномов высоких степеней и тригонометрической интерполяции: Осипова В. А.. Зубкова В. А., Тузова А. Д., Де Бора К., Швейкерта Д. и др.
При выполнении исследования использованы основополагающие работы по параметризации поверхностей и обводов: Ко-гова И.И., Рыжова Н.Н., Осипова В.А.; теории каркаса: Рыжова Н.Н.; вопросам геометрического моделирования и преобразования пространсіва: Валькова К.И., Иванова Г.С., Тевлина A.M.; вопросам нелинейных сплайнов: Мелума Е.; вопросам автоматизации графических работ и использования ЭВМ в начертательной геометрии и по вопросам создания геометрических подсистем САПР. Безье П., Михайленко В.Е., Надолииного В.А., Филлипова Н.В., Якунина В И.
При решении поставленных задач использовались методы алгебраической, аналитической, начертательной и проективной геометрии, строитогьной механики, теории алгебраических кривых и др. Ниучнуи» новизну выполненного исследования составляют следующие результаты 1 Метод конструирования и исследования свойсгв плоского оовода, основанный использовании закона изменения углов наклона касательных вдоль его длины
2. Алгоритм решения задачи нахождения иэдмегричных форм развертывающихся поверхностей.
1 Методика применения рациональных кривых для аппроксимации обвчда упругой линии в линейном каркасе поверхностей гибких обшивок.
4. Методика исследования локальных характеристик двумерного обвода г»ри проектировании иэометричных форм гибких обшивок адаптивной механизации для обеспечения требуемого порядка гладкости в направлении набегающего потока.
5 Методика построения и использования параметрических моделей поверхности адаптивного крыла.
6. Алгоритмы геометрического моделирования поверхности адаптивного носка с
гибкими обшивками в диапазоне рабочих углов его отклонения.
Практическая ценность выполненного исследования заключается в разработке меюдик и алгоригмов проектирования отклоняемых носков адаптивного крыла для аэродинамических продувочных моделей.
Спроектировано более 10 вариантов отклоняемых носков АК и изготовлены продувочные модели на высокопроизводительном оборудовании с ЧПУ.
Проведён анализ существующих методов проектирования крыльев, адаптивной механизации и их конструкции. На основе анализа предложены новые методы проектирования.
В том числе решены следующие задачи проектирования поверхностей адаптивного крыла:
разработан алгоритм и программы аппроксимации обводообразующей кривой гибкой
обишвки для различных углов отклонения адаптивной механизации;
разработана методика и программа проектирования гибких обшивок для адаптивного
носка;
разработана методика проектирования поверхности адаптивных крыльев с
использованием параметров формы для системы автоматизированного
проектирования.
Полученные результаты позволили существенно сократить сроки изготовления аэродинамических моделей и повысить качество проектно-конструкторских работ.
На защиту выносятся следующие результаты, определяющие научную новизну и имеющие практическую ценность:
метод геометрического моделирования одномерного обвода упругой линии гибкого стержня, минимизирующего внутреннюю энергию его деформации, при заданных граничных условиях; - алгоритм изометрического отображения плоскости при проектировании развёртывающихся поверхностей;
метод задания геометрического базиса дискретного каркаса изометричных поверхностей;
методика параметрического моделирования адаптивного крыла;
метод проектирования адаптивного носка крыла с гибкими обшивками.
Реализации результатов диссертационной работы осуществлена в виде рабочих методик, алгоритмов и пакетов прикладных программ проектирования поверхностей адаптивных крыльев.
Результаты исследования внедрены в ігроизведство в ОАО «ОКБ Сухого» при проектировании адаптивных носков самолетов нового поколения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих семинарах и научно-технических конференциях: 1) на научно-методически; семинарах кафедры «Прикладная геомегриял Московского авиациоііноіо института (государственного технического университета);
2) на XXI и XXVII Международной молодежной научной конференции «Гагаринскиє чтения», г. Москва, 4-8 апреля 1995г., 9-12 апреля, 2002і .
3) на первой научно-практической конференции ОЛО «ОКБ Сухою» і Москва, 200?г
Публикации. Но тема диссертационной работы опубликовано 9 работ, в которых полно отражены теоретические и прикладные результаты проведенных исследований
Структура и объём работы. Диссертация объёмом 119 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 12! наименование и четырёх приложении. Она содержит 47 рисунков и 5 таблиц. В приложениях приведены программа расчета обвода, примеры разработанной параметрической модели адаптивного крыла, эпюры изгибания конических и цилиндрических поверхностей и акт о внедрении результатов исследования.
