Исследование взаимосвязи геометрических погрешностей и аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов в трубном эксперименте на основе координатных измерений Архангельская Мария Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. Для аэродинамических моделей самолетов характерны повышенные требования к точности воспроизведения в процессе производства заданных геометрических характеристик как отдельных деталей, так и изделия в целом. Именно точность воспроизведения геометрических характеристик определяет возможности экспериментальных исследований на аэродинамических моделях. С одной стороны, уменьшенные размеры и условия испытаний обуславливают необходимость более высокой точности, чем для моделируемых натурных самолетов. С другой, при проведении экспериментальных аэродинамических исследований необходимо определить различия сравниваемых аэродинамических компоновок и оценить возможные улучшения характеристик, в том числе относительно малые к общим показателям (0.5 – 1.0%), но существенные для технического и экономического совершенствования проектируемого самолета. В этой связи, обеспечение оценки точности изготовления аэродинамических моделей, соответствующей современному техническому уровню развития, представляется важным и актуальным, что определило тему диссертационной работы.

Воспроизводимая в модели самолета совокупность геометрических параметров не может контролироваться только по величине отклонений координат точек поверхности изготовленной физической аэродинамической модели от исходного задания в виде математической модели. На основе измерения координат точек поверхностей должны быть установлены геометрические параметры, определяющие базирование аэродинамической модели относительно набегающего потока в рабочей части аэродинамической трубы при испытаниях; точность сборки основных агрегатов; воспроизведение задаваемой аэродинамической профилировки, включая параметры, определяющие положение контрольных сечений и аэродинамических профилей в поверхности изготовленных агрегатов (таких например как крутка и «V»-образность для консолей крыла) и соответствие контуров сечений заданной в математической модели аэродинамической профилировке. Искажение данных параметров возможно за счет погрешностей формообразования в производстве, а также коробления деталей

вследствие действия остаточных напряжений после изготовления и термической обработки.

С другой стороны необходима оценка допустимых, по условиям искажения
результатов аэродинамического эксперимента, величин производственных
погрешностей, соответствующих современным средствам измерения

аэродинамических характеристик.

Оценка числовых величин отклонений геометрических параметров от заданных необходима не только для заключения о годности аэродинамической модели или ее несоответствии требованиям, но и для анализа реализованных в эксперименте значений аэродинамических характеристик. Она позволяет с одной стороны корректировать результаты аэродинамических исследований, с другой – совершенствовать технологический процесс изготовления.

При значительном объеме работ, направленных на решение задач контроля точности изделий общего машиностроения, вопросы оценки точности изготовления аэродинамических моделей освещены недостаточно.

Степень разработанности темы. Обработка измерений применительно к оценке точности изготовления деталей изделий общего машиностроения рассмотрена в работах Н.В. Смирнова, И.В. Дунина-Барковского, А.Н. Журавлева, В.П. Короткова, В.И. Телешевского, целого ряда других. Вопросы применения КИМ при создании современной авиационной техники рассматривались В.Г. Подколзиным, А.И. Пекаршем, С.О. Огарковым и другими исследователями. Контролю точности изготовления лопаток компрессоров и турбин ГТД посвящены работы Р.М. Галиуллина, М.А. Болотова, Д.Н. Елисеева, И.И. Кузнецова и др.

За рубежом задачи обработки измерений решались Р. Кристофом, Х. Нейманом, Е. Хартманом, С. Хью и Дж. Волнером и другими. Решению задачи оптимального совмещения материалов измерений геометрически сложных деталей с CAD-моделью (iterative closest point algorithm, ICP) посвящены работы П. Бесла и Н. Маккея.

Задачи оценки точности изготовления аэродинамических моделей на протяжении ряда лет решались в ЦАГИ. В частности, В.Р. Бертынем выполнены работы по оценке точности изготовления контрольных шаблонов и сечений агрегатов аэродинамических

моделей. Решение задачи обработки измерений с использованием КИМ для заданных совокупностей контрольных сечений рассмотрено в работах В.Д. Вермеля, В.Ф. Забалуева, П.М. Николаева. Верификация разработанной методики и реализующего ее программного обеспечения выполнена В.Р. Бертынем.

Современные КИМ комплектуются развитыми библиотеками программ для оценки точности деталей, образованных прежде всего совокупностями типовых геометрических объектов.

Для современного модельного производства с использованием оборудования с ЧПУ характерен интегрированный процесс проектирования и производства, основанный на электронном описании изделия математической (геометрической) моделью, которая используется и для контроля точности изготовления физической аэродинамической модели.

Выполненное рассмотрение показывает, что контроль точности изготовления изделий общего машиностроения достаточно хорошо освоен. Тем не менее, непосредственное приложение известных методов к оценке точности изготовления аэродинамических моделей ограничено в силу специфичности контролируемых геометрических параметров.

Г.А. Федоренко, А.А. Лебедевым, Л.С. Чернобровкиным и рядом других исследовалось влияние шероховатости поверхности агрегатов самолета и модели на аэродинамическое сопротивление. Публикации по влиянию на аэродинамические характеристики величин отклонений других геометрических параметров при изготовлении моделей практически отсутствуют.

Данные обстоятельства определили цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы: выявление влияния величин производственных погрешностей на аэродинамические характеристики модели в трубном эксперименте, разработка метода оценки точности изготовления по материалам измерений на координатно-измерительных машинах (КИМ), формирование требований к определяющим ее технологическим параметрам финишной обработки на оборудовании с ЧПУ.

Для ее достижения необходимо решение следующих основных задач:

1. Исследование влияния погрешностей изготовления аэродинамических моделей, характерных для обработки на станках с ЧПУ, на их аэродинамические характеристики при различных режимах испытаний и уточнение на этой основе требований к точности изготовления аэродинамических моделей, а также к влияющим на нее технологическим параметрам обработки.

2. Разработка методики проведения и обработки измерений, позволяющей определить значения подлежащих контролю геометрических параметров аэродинамической модели, определяющих погрешности: установки модели на устройствах закрепления в аэродинамической трубе; сборки агрегатов (крыло, фюзеляж, оперение, мотогондолы, пилоны); точность воспроизведения аэродинамической профилировки агрегатов, включая положение контрольных сечений и аэродинамических профилей в поверхности агрегатов и соответствие контуров сечений задаваемым математической моделью.

3. Разработка математического метода оптимального совмещения материалов измерений координат точек поверхности изготовленной аэродинамической модели с математической (CAD) моделью, с повышенной вычислительной эффективностью.

4. Разработка алгоритма и программного модуля, реализующего метод совмещения материалов измерения изделия с исходной математической моделью.

5. Оценка рационального объема измерений, обеспечивающего проведение совмещения осей собственной системы координат измеряемого объекта с осями координат КИМ для устранения возможных погрешностей исходного базирования.

6. Разработка алгоритмов и программного обеспечения оценки точности изготовления аэродинамических моделей и их агрегатов, описываемых математическими моделями, по результатам измерений на КИМ, в составе интегрированной системы автоматизированного проектирования и производства аэродинамических моделей.

7. Апробация разработанного математического и программного обеспечения при изготовлении аэродинамических моделей и внедрение в действующее модельное производство.

Объектом исследования являются аэродинамические модели, а также их обводообразующие детали и агрегаты, изготавливаемые на оборудовании с ЧПУ.

Предмет исследования – математические методы оценки точности изготовления аэродинамических моделей и их агрегатов с аэродинамической профилировкой, описываемых электронными (CAD) моделями.

Область исследования – производство аэродинамических моделей, точность обработки поверхностей с аэродинамической профилировкой на оборудовании с ЧПУ, контроль точности изготовления по результатам измерений на координатно-измерительных машинах (КИМ).

Методологической основой исследования являются труды российских и зарубежных ученых в области метрологии, производственных технологий обработки деталей сложной формы на оборудовании с ЧПУ, численных расчетов обтекания поверхностей сложной формы (CFD – computational fluid dynamics) методом Навье-Стокса.

Методы исследования основаны на использовании промышленного пакета вычислительной гидродинамики (CFD) ANSYS CFX, соотношений дифференциальной геометрии, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что:

8. Выявлена связь между ключевыми параметрами технологического процесса фрезерной обработки на оборудовании с ЧПУ наиболее ответственных агрегатов (типа крыла) аэродинамических моделей, обуславливающими точность изготовления, и изменением значений аэродинамических характеристик, измеряемых в трубном эксперименте.

9. Предложено, на основе прямого численного расчета обтекания профиля крыла аэродинамической модели с искажениями, возможными при фрезерной обработке на оборудовании с ЧПУ, оценивать отклонения показателя максимального аэродинамического качества в трубном эксперименте и установить на этой основе требования к точности ключевых технологических параметров обработки.

3) Разработан математический метод оптимального совмещения материалов
замера координат точек поверхности изготовленной аэродинамической модели и ее

агрегатов с исходными конструкторскими математическими моделями, минимизирующий сумму квадратов отклонений, основанный на разложении параметрического представления поверхности в ряд в окрестности точек, соответствующих измеренным, с прогнозом их положения при проведении совмещения.

4) В имитационном эксперименте показана возможность использования для
устранения погрешностей размещения (базирования) изготовленной

аэродинамической модели в осях координатно-измерительной машины (КИМ), при погрешностях измерения и производства, достаточного объема измерений координат точек, распределенных по поверхности изделия, вместо изготавливаемых с повышенной точностью на модели специальных контрольных реперов (отверстий, сегментов плоскостей и др.).

Теоретическая значимость исследования заключается в общей постановке и
решении задачи оценки точности изготовления аэродинамической модели на основе
сопоставления материалов измерений на КИМ при их оптимальном совмещении с
исходной математической моделью и уточнении требований к параметрам
технологического процесса, определяющим точность изготовления, на основании
численного расчета регистрируемых в трубном эксперименте изменений
аэродинамических характеристик, обуславливаемых производственными

погрешностями.

Практическая значимость исследования заключается в:

10. выявлении параметров технологического процесса, определяющих искажение аэродинамической профилировки при обработке на современном оборудовании с ЧПУ, а также требований к точности их задания, соответствующей реализуемой точности измерения аэродинамических характеристик в трубном эксперименте;

11. разработке методики оценки точности изготовления аэродинамической модели самолета и ее агрегатов по результатам измерений с использованием КИМ на основе сопоставления с исходной математической моделью;

3. оценке объема измерений аэродинамической модели и ее агрегатов, достаточного для автоматизированного базирования модели в осях КИМ перед проведением контрольных измерений;

4. разработке программного комплекса обработки материалов измерений аэродинамических моделей для оценки точности изготовления (включая специализированный модуль обработки измерений лопастей винтов, лопаток вентиляторов, винтовентиляторов, компрессоров и турбин), интегрированного в систему средств автоматизации проектирования и изготовления аэродинамических моделей, и его внедрении в действующее модельное производство ФГУП «ЦАГИ»;

5) использовании результатов, полученных в рамках диссертационной работы, при выполнении гос. контрактов по ФЦП РГАТ в 2011 – 2016 годах (шифры «Модель-2011», «База», «Мультиплекс», «Верификация», «Развитие»). На защиту выносятся следующие результаты:

1. определение допустимых величин погрешностей аэродинамических моделей при их изготовлении с использованием для финишной обработки современного оборудования с ЧПУ и обоснование на основе прямого численного аэродинамического расчета требований к точности изготовления моделей крыла, уточняющих отраслевые нормативные материалы;

2. метод оптимального совмещения материалов замера координат точек поверхности изготовленной аэродинамической модели и ее агрегатов с исходными математическими моделями, минимизирующий сумму квадратов отклонений, основанный на разложении параметрического представления поверхности в ряд в окрестности точек, соответствующих измеренным, с прогнозом их положения при проведении совмещения;

3. методика оценки точности изготовления аэродинамических моделей на основе последовательного совмещения материалов измерений аэродинамической компоновки, ее агрегатов и контролируемых сечений с математическими моделями, позволяющая последовательно оценить точность установки модели в рабочей части аэродинамической трубы, точность сборки агрегатов, значения распределенных геометрических параметров, воспроизведение аэродинамической профилировки;

4) разработанный комплекс программного обеспечения (включая специализированный модуль обработки измерений моделей лопастей винтов, лопаток вентиляторов, винтовентиляторов, компрессоров и турбин), реализующий алгоритм совмещения замера и математической модели, а также методику измерений, с документированием результатов оценки точности изготовления аэродинамической модели.

Личный вклад автора заключается в следующем.

4. Выявление параметров технологического процесса финишной фрезерной обработки на станках с ЧПУ, определяющих точность изготовления, и построение математической модели аэродинамической профилировки крыльевых поверхностей с производственными погрешностями.

5. Проведение расчетных аэродинамических исследований влияния производственных погрешностей на аэродинамические характеристики, с выделением наиболее существенных и допустимых для них величин отклонений в производстве.

6. Разработка математического метода совмещения материалов замера с исходной математической моделью с повышенной вычислительной эффективностью.

7. Программная реализация и интеграция разработанного программного обеспечения в состав системы автоматизации проектирования и производства аэродинамических моделей ФГУП «ЦАГИ».

8. Выполнение с использованием разработанного программного обеспечения оценки точности изготовления целого ряда аэродинамических моделей перспективных самолетов, моделей лопастей винтов, винтовентиляторов, компрессоров ГТД.

Достоверность обосновывается адекватным применением сертифицированных расчетных программ и средств САПР, математических методов дифференциальной геометрии и вычислительной графики, сопоставлением полученных результатов для конкретных изделий модельного производства.

Внедрение результатов работы.

1. Результаты диссертационной работы и разработанный программный комплекс использовались при выполнении ответственных контрактных работ ФГУП «ЦАГИ» в 2011 – 2016 гг.: оценке точности моделей различного назначения в обеспечение

разработки самолета по проекту МС-21; моделей средне-ближне магистрального самолета СИ-СБМ Фрегат Экоджет; модели самолета SSJ-100 с дренированным крылом (трубный номер 28RRJ-95-2); для контроля точности изготавливаемого в модельном производстве ЦАГИ комплекта крупноразмерных лопаток компрессора трансзвуковой промышленной аэродинамической трубы Т-128; лопастей моделей компрессоров внешнего сжатия по заказам ФГУП «ЦИАМ» (договор № 4219 от 23.12.2013) и «Snecma» (договор FRA/401SN-537 от 03.10.2014); лопаток турбин системы перекачки топлива (заказ №11720 ОАО «Звезда»); упругоподобной модели крыла магистрального самолета с высокой степенью подобия (договор CHI/419FX-532 между ФГУП «ЦАГИ» и «SADRI», КНР) и целого ряда других.

2. Программный комплекс оценки точности изготовления включен в 2015 – 2016 гг. в состав действующей в модельном производстве ФГУП «ЦАГИ» интегрированной системы проектирования и производства.

Соответствие паспорту специальности. Выполненная научно-

исследовательская работа соответствует областям исследований паспорта специальности 05.07.02: 14 «Технологические процессы контроля, испытаний и метрологического обеспечения при производстве летательных аппаратов, их систем и агрегатов, включая технологию и средства контроля геометрических параметров…» и 15 «Технологические процессы проектирования, программирования и информационного обеспечения при производстве летательных аппаратов, двигателей и их составных частей, включая технологию и средства: – автоматизированного проектирования технологических процессов и управления ими; – математического моделирования технологических процессов; – размерной увязки агрегатов; – контроля формы, размеров и взаимного расположения поверхностей агрегатов…».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», г. Жуковский, 2011 г.; международном конкурсе студенческих работ на соискание именных премий компании Delcam plc (Великобритания), 2011 г. (вторая премия); научно-технических конференциях ЦАГИ по аэродинамике (2012, 2013, 2014, 2015 и

2016 гг.); всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», Москва, ФГУП «ЦИАМ имени П.И. Баранова», 24 – 27 ноября 2015 г.; II отраслевой конференции по измерительной технике и метрологии для исследований летательных аппаратов (КИМИЛА), г. Жуковский, 25 – 26 октября 2016 г.; заседаниях НТС научно-производственного комплекса ФГУП «ЦАГИ» 6 августа 2013 г.; 22 октября 2013 г.; 5 марта 2014 г.; 21 сентября 2016 г.

По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, из них 4 – в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014611899 от 13.02.2014.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 169 страниц, в том числе 69 рисунков и 35 таблиц. Список цитированной литературы содержит 57 наименований.