Содержание к диссертации
Введение
1 Информационная поддержка разработки космической техники 16
1.1 Становление и развитие методов и средств информационной поддержки изделия в ракетно-космической отрасли 16
1.2 Этапность разработки изделий космической техники 20
1.3 Обзор современного инструментария ИЛИ -технологий 23
1.4 Обзор международной и российской нормативной базы CALS/ИПИ-технологий .25
1.5 Основные проблемы использования ИПИ-технологий при разработке космической техники 29
1.6 Задачи исследования 32
1.7 Выводы 34
2 Создание и ведение сверхболыпих электронных моделей изделия в аэрокосмической промышленности 35
2.1 Жизненный цикл электронной модели конструкции и компоновки КА ДЗЗ 35
2.2 Классификация электронных моделей сборочных единиц по количеству компонентов 2.3 Особенности процесса создания и использования сверхбольшой электронной модели
изделия 48
2.3.1 Планирование 48
2.3.2 Структурирование 49
2.3.3 Требования, предъявляемые к элементам сверхбольшой электронной модели изделия 52
2.3.4 Программные решения для работы со сверхбольшой электронной моделью сборочной единицы изделия 64
2.3.5 Особенности применения компьютерной техники при работе со сверхбольшой электронной моделью сборочной единицы 65
2.4 Оптимизация сверхбольшой электронной модели сборочной единицы 67
2.4.1 Необходимость оптимизации электронных моделей сборочных единиц космической техники 67
2.4.2 Постановка задачи оптимизации электронной модели сборочной единицы 68
2.4.3 Методы решения задачи оптимизации электронной модели сборочной единицы 71
2.4.4 Численные эксперименты по улучшению экономичности модели 77
2.5 Выводы 89
3 Структурная модернизация процесса проектирования ка в условиях комплексного применения информационных технологий
3.1 Предпосылки необходимости структурной модернизации процесса проектирования КА 90
3.2 Формирование изменений в организации проектирования КА
3.2.1 Описание текущей организационной структуры проектирования КА ДЗЗ 91
3.2.2 Применение адаптивного типа структуры управления к процессу проектирования и конструкторской подготовки производства КА 96
3.2.3 Комплексное применение ИТ в процессе проектирования и конструирования КА ДЗЗ 99
3.2.4 Уменьшение количества ошибок в процессе проектирования и конструирования КАДЗЗ 100
3.3 Использование интерактивных электронных технических руководств на этапе концептуального, эскизного и рабочего проектирования космических аппаратов дистанционного зондирования Земли ПО
3.3.1 Роль интерактивных электронных технических руководств в процессе разработки космической техники ПО
3.3.2 Учет стандартов 111
3.3.3 Создание ИЭТР непосредственно в процессе разработки изделия 113
3.3.4 Особенности КАДЗЗ как объекта для создания ИЭТР 116
3.3.5 Технологии и программное обеспечение для создания ИЭТР 119
3.3.6 Методика создания интерактивной анимации монтажно-сборочных операций с КАДЗЗ 119
3.4 Выводы 123
4 Применение и развитие новых методик на проектах КА ДЗЗ 125
4.1 Основные характеристики проектов КА 125
4.2 Решение задач разработки К А на базе модуля служебных систем
4.2.1 Разработка электронного макета К А на базе модуля служебных систем 127
4.2.2 Проведение макетно-конструкторских испытаний с использованием электронного макета космического аппарата 130
4. 3 Решение задач проектирования МКА «Сервал» 135
4.3.1 Автоматизация планирования и управления проектом 135
4.3.2 Поддержка проектной и конструкторской разработки ОКР МКА (CAD и PDM).. 137
4.3.3 Повышение эффективности коммуникаций в проекте 139
4.3.4 Формирование интерактивных электронных технических руководств на начальном этапе разработки изделия 141
4.4 Решение задач разработки радиолокационного КА «Обзор-Р» 144
4.4.1 Общие характеристики проекта КА «Обзор-Р» 144
4.4.2 Использование адаптивной структуры управления проектом 145
4.4.3 Комплексное применение САПР на всех этапах разработки КА 151
4.5 Выводы 162
Основные результаты и выводы 165
Список использованных источников
- Обзор современного инструментария ИЛИ -технологий
- Требования, предъявляемые к элементам сверхбольшой электронной модели изделия
- Применение адаптивного типа структуры управления к процессу проектирования и конструкторской подготовки производства КА
- Разработка электронного макета К А на базе модуля служебных систем
Обзор современного инструментария ИЛИ -технологий
В приведенных нормативных документах содержатся рекомендации ведения разработки изделия с изготовлением электронного макета. В соответствии с ГОСТ 2.052-2006 электронным макетом является электронная модель изделия, описывающая его внешнюю форму и размеры, позволяющая полностью или частично оценить его взаимодействие с элементами производственного и/или эксплуатационного окружения, служащая для принятия решений при разработке изделия и процессов его изготовления и использования. Так как это требование носит рекомендательный характер, то выполняется оно не всегда и в перечень документации, поставляемой заказчикам, электронные модели, как правило, не входят.
КА ДЗЗ является достаточно сложным изделием и для обеспечения необходимого уровня технического совершенства и конкурентоспособности электронные модели должны создаваться на самых ранних стадиях разработки изделия. При этом трехмерная модель изделия имеет свой жизненный цикл, связанный с жизненным циклом самого изделия. Как правило, с момента разработки она эволюционирует, постоянно усложняется и наращивается. К окончанию разработки электронный макет КА ДЗЗ может насчитывать десятки тысяч компонентов, что делает работу с ним крайне сложной. Кроме того, помимо летного образца КА, для обеспечения отработки создаются натурные макеты, которые имеют отличия от основного изделия и для обеспечения качественной отработки также должны моделироваться. Также должно моделироваться сопрягаемое оборудование и элементы ракеты-носителя.
Современные КА ДЗЗ создаются несколько лет и, как правило, являются уникальными проектами [25-26], воспроизводимыми единичными или малыми сериями. Модульный принцип построения КА, который на данный момент наиболее актуален, обеспечивает создания ряда КА различного назначения с различной целевой аппаратурой на основе типовых конструктивных решений. Соответственно, структура, формат, правила хранения и создания электронных моделей должны обеспечивать формирования электронных макетов изделий всей номенклатуры КА, построенных на основе модульного принципа. Это достаточно сложная задача, требующая четкой формализации и методологии формирования электронных моделей, хранения и эволюционного развития.
Трехмерная модель конструкции и компоновки космического аппарата и ее элементы должны являться основой для большей части расчетных моделей. Таким образом, разработка космической техники делится на регламентированные стадии и в современных условиях должна сопровождаться разработкой серии электронных моделей с отражением состояния изделия на каждой стадии. Более подробно эволюция электронной модели изделия и ее жизненный цикл представлен в разделе 2.1.
Как видно из схемы, на этапе концептуальной разработки и конструирования наиболее значимыми инструментами являются CAD/CAE/PDM-системы. Большинство разработчиков САПР стремятся иметь в номенклатуре своей продукции программы, решающие максимально возможное количество задач. Разработчики «тяжелых» САПР обеспечивают связку CAD/CAE/PDM фактически единым программным комплексом, имеющем многомодульную структуру. Это очень важный фактор для обеспечения сквозного проектирова ния таких сложных изделий, как космические аппараты ДЗЗ. Это не всегда достигается, достаточно большое количество прочностных, тепловых и специализированных расчетов выполняется программным обеспечением, не имеющим прямого интерфейса с CAD-системой, а зачастую не обеспечивающей интеграции с PDM-системой. Например, расчеты затенения антенных устройств, в том числе подвижных, в проектных работах по одному из КА разработки ОАО «РКЦ «Прогресс» были проведены с использованием программного комплекса САФОКС внутренней разработки. Для проведения расчетных работ требовалось создание специальной трехмерной модели, ее экспорт в САФОКС, где проводился расчет и строилась диаграмма затенения антенных устройств. При этом отсутствовала ассоциативность с основной моделью космического аппарата, и в случае изменений экспорт и расчеты необходимо повторять вновь. Данный тип расчетов имеет исключительную важность, так как на основе его результатов определяется вероятность вхождения в связь космического аппарата и возможность сброса целевой информации. Подобную схему имеет достаточно большое количество специализированных расчетов, которые сопровождают разработку К А ДЗЗ. А в ряде случаев расчеты ведутся с использованием математических моделей без прямой интеграции с трехмерной моделью КА ДЗЗ. При проектировании КА - это расчеты аэродинамического воздействия, анализ виброакустического воздействия, расчет магнитного поля, создаваемого приборами и другие. В этом случае математическая модель строится на основе набора исходных данных, описывающих изделие в нужном контексте. Зачастую подобные расчеты выполняются с использованием отработанного и проверенного ПО разработки в 80-90-х годов. Соответственно, при проведении изменений также необходимо помнить о разрыве ассоциативной связи и повторять цикл формирования исходных данных и расчетов.
В случае использования ПО с прямым интерфейсом с CAD-системой взаимодействие упрощается, и в ряде случаев возможно обеспечение ассоциативной связи. Большинство современных CAD-систем имеют встроенную
функцию формирования конечно-элементной сетки и проведения экспресс расчетов на прочность или возможность экспортировать конечно-элементную сетку в специальные программы для анализа и расчета. В этом случае уменьшается количество итераций и, соответственно, потери данных при изменениях.
Требования, предъявляемые к элементам сверхбольшой электронной модели изделия
В современных методах проектирования и конструирования космических аппаратов моделирование в целом и трехмерное моделирование в частности является основным инструментом разработки. С их помощью решаются задачи построения общего облика КА, проработки основных конструктивных и компоновочных схем, разработки и анализа силовой схемы [38]. Первые трехмерные эскизы общего вида КА и его элементов создаются на самом раннем этапе концептуального проектирования. Создание и работа с трехмерной моделью на этом и последующих этапах должна в обязательном порядке вестись под управлением PDM-системы. На ранних этапах проектирования это обеспечивает хранение и возможность последующего переосмысливания логики развития проекта. Следует учитывать, что процесс самого проектирования и разработки моделей может существенно различаться в зависимости от разработки принципиально нового КА или разработки с заимствованием и опорой на типовые и готовые решения. Рассмотрим вариант создания принципиально нового КА ДЗЗ, разрабатываемого ОАО «РКЦ «Прогресс». В данной организации используется проектно-конструкторский подход к проектированию, что отражается на процессе моделирования.
Формулируемая на этапе технического предложения идеология построения КА ДЗЗ и формализация основных принципов позволяют начать первые трехмерные проработки общего облика и конструктивно-компоновочной схемы. На этом этапе проектирование может осуществляться с разработкой нескольких вариантов. Как правило, они имеют принципиальное различие и обеспечивают решение целевых задач, и имеют различия в стоимости готового изделия, применяемых технологических процессах, времени разработки и т. д. Трехмерные модели данных вариантов прорабатываются параллельно и позволяют путем анализа и оптимизации набора проектных параметров сузить поиск необходимого решения до одного варианта конструкции и компоновки изделия с несколькими вариантами решений по части узлов и элементов. Для КА ДЗЗ это могут быть различные варианты исполнения основных элементов конструкции, различные применяемые материалы или техпроцессы. Для приводимого в пример КА на базе МСС на этом этапе не был окончательно решен вопрос с выбором материала одного из кронштейнов в составе целевой аппаратуры - требуемые характеристики по размеростабильности обеспечивались при использовании и углепластика, и титанового сплава. Такое положение характерно для этапа эскизного проектирования. Разрабатываемая на данном этапе трехмерная модель КА должна учитывать все варианты исполнения основных узлов и позволять разработчикам оперативно переключаться между ними. Решение этой задачи требует наличия в применяемых САПР специального инструментария, использования соответствующей методики. Например, в ходе проектирования КА с МСС при непосредственном участии автора была разработана и реализована в трехмерной модели система представлений, результатом которой стала реализация в модели основных состояний изделия на различных этапах жизненного цикла. В дальнейшем эта система получила развитие при разработке радиолокационного космического аппарата и позволила отказаться от ряда документов на бумажном носителе. Иллюстрация реализации данного подхода приведена на рисунке 2.1. Л.
Следующим этапом создания КА ДЗЗ идет техническое проектирование и соответствующее ему трехмерное моделирование конструкции и компоновки изделия. На предприятиях, где принят проектно-конструкторский подход, на этом этапе разрабатываются основные проектные документы, описывающие общий облик, конструкцию и компоновку изделия, и ведется соответствующая проектная модель. Как правило, она уже достаточно детально проработана и может служить основой для набора взаимоувязанных расчетных моделей. Также она может служить основой для начала разработки других проектов КА. Широко используемый в настоящий момент модульный принцип построения КА ДЗЗ этому способствует. При этом необходимо учитывать, что изменения, идущие в основном проекте и соответствующей трехмерной модели, должны ассоциативно проводиться в трехмерных моделях новых проектов. Это условие возможно реализовать инструментами PDM-системы. На этапе разработки рабочей конструкторской документации создается конструкторская трехмерная модель изделия, которая уже может называться в соответствии с ГОСТ 2.052-2006 электронной моделью изделия. Данная модель должна являться единым центром и основой всей информации, касающейся конструкции и компоновки КА и служить для выпуска ассоциативной документации на изделие. Создание такой модели - это наиболее трудоемкий, дорогостоящий и сложный процесс. Разрабатываются модели отдельных узлов, деталей, и ведется моделирование с декомпозицией по отсекам, модулям и системам. Электронная модель изделия - нового КА ДЗЗ - была разработана ОАО «РКЦ «Прогресс» впервые за всю историю предприятия. Это работа потребовала серьезных усилий более сотни специалистов в течение нескольких лет.
Последним этапом создания электронной модели изделия должен являться этап присвоения ей архивного статуса. Однако, в случае большой длительности разработки, смене концепций, программного обеспечения и ротации специалистов возможно накапливание ошибок, несоответствий двумерной конструкторской документации и изменениям, проводимым на производстве. Это может привести к деградации модели и, как следствие, к утрате статуса единого информационного объекта. Для обеспечения защиты от такой ситуации необходима разработка методологии моделирования, широкая информационная поддержка разработки изделия, понимание необходимости данной работы у руководителей и специалистов предприятия [39].
Электронная модель изделия может служить основой для разработки моделей экспериментальных установок, которые, как правило, имеют различия с основной моделью.
В случае создания нескольких летных номеров КА в процессе разработки накапливаются изменения, и трехмерная модель должна их отражать. При этом может быть использована единая электронная модель изделия с переключениями между номерами или могут разрабатываться разные модели.
Помимо электронной модели КА необходима параллельная разработка и ведение электронных моделей сопрягаемого оборудования, которое само может являться достаточно сложным объектом моделирования и иметь собственную эволюцию моделей. Для КА это сборочно-защитный блок, транспортировочный контейнер и прочее.
Применение адаптивного типа структуры управления к процессу проектирования и конструкторской подготовки производства КА
Одними из основных требований к электронной модели сборочной единицы являются ее полнота - способность отразить в достаточной мере характеристики и особенности реального объекта, точность - обеспечение приемлемого совпадения реальных и модельных результатов, и экономичность - затраты на вычислительные ресурсы, необходимые для работы с моделью [12]. Данные требования противоречивы, но применительно к космической технике соответствие им модели, как правило, необходимо. С развитием возможностей вычислительной техники требования к полноте и точности модели будут расти, при этом экономичность модели должна оставаться на приемлемом уровне.
С точки зрения трехмерного моделирования полнота и точность линейно зависят от количества компонентов и качества их моделирования. Исследование взаимного влияния параметров моделирования, структуры и состава элементов модели, ограничений, связанных с работой аппаратных и программных средств вычислительной техники, экономичности модели является актуальной задачей при разработке космической техники. КА ДЗЗ, представляющий собой особо сложное техническое изделие, требующее при разработке специальных подходов в моделировании, в частности, создания и ведения сверхбольших электронных моделей сборочных единиц, является подходящим объектом для исследования методов повышения экономичности моделей.
Экономичность модели, выраженная аналитически, зависит от множества параметров и, если принять ее за единственную целевую функцию, поддается формулировке с помощью инструментария математического программирования.
Рассмотрим в качестве целевой функции при описании сверхбольшой модели сборочной единицы объем оперативной памяти, который требуется для ее загрузки - VRAM- Эта величина связана с объемом постоянной памяти, выделяемой для хранения модели - VROM, НО В отличие от нее, напрямую влияет на скорость работы с моделью после завершения процесса загрузки. По этому далее VRAM рассматривается как целевая функция. Практика показывает, что требуемая для загрузки модели оперативная память линейно зависит от постоянной VRAM=a VROM, (2.1) где а - коэффициент, определяемый опытным путем.
На VRAM накладывается ряд ограничений, связанных с программными и аппаратными возможностями вычислительной техники. Так широко распространенные на сегодняшний день компьютеры и даже графические станции начального уровня работают с использованием 32-х разрядных операционных систем, на которых по умолчанию запущенные приложения не могут занимать более 2 Гб оперативной памяти. CAD-системы также могут накладывать свои ограничения. Например, KoMnac-3D V12 в 32-разрядной версии не может использовать более 4 Гб оперативной памяти.
Кроме того, время, затрачиваемое на открытие сборочной единицы, пропорционально значению необходимого для открытия объема оперативной памяти. Как правило, время ожидания более нескольких минут вызывает у неподготовленного оператора негативные эмоции. Численные результаты экспериментов со временем открытия сборочных единиц большой размерности приведены на рисунке
На проектные переменные могут быть наложены ограничения в форме неравенств, физический смысл которых заложен в основных подходах к моделированию и зависит от конкретных задач. Например, любой компонент сборочной единицы в самом упрощенном случае представляет собой геометрическое тело - многогранник или тело вращения, соответственно минимальное значение VmRAMn может быть определено объемом памяти, требуемой для построения данных тел. Для бортовой аппаратуры в структуре модели должна иметься маркировка - внесенная в модель запись, содержащая обозначение прибора. Запись имеет фиксированный минимальный размер, включающий в себя обозначение самого КА (в случае, если прибор изготавливается на том же предприятии, что и КА) и цифробуквенный код прибора. Память, занимаемая такой записью, составляет значение параметра VfRAMn- В это же значение войдут обозначение разъемов и прочие обязательные для габаритной модели бортовой аппаратуры атрибуты
Разработка электронного макета К А на базе модуля служебных систем
В период с 2008 по 2013 год при непосредственном участии автора в ОАО «РКЦ «Прогресс» разрабатывались следующие проекты КА ДЗЗ:
КА на базе МСС. Является первым КА ДЗЗ, разработки ОАО «РКЦ «Прогресс» в негерметичном исполнении. В качестве целевой аппаратуры используется оптико-электронный комплекс с уникальным сочетанием характеристик, построенный на основе крупногабаритной размеростабильной уг-лепластиковой конструкции. Проект включает в себя полный цикл разработки, изготовления, экспериментальной отработки и летных испытаний.
МКА «Сервал». Характеризуется первой на предприятии попыткой использования адаптивной структуры управления разработкой в ходе крупного проекта. КА отличается сочетанием высоких целевых характеристик с малой массой и габаритами. В ходе проекта рассматривались и предлагались к внедрению ряд новых для предприятия решений: применение электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ), пассивно-активная система обеспечения теплового режима (СОТР), комплекс решений по обеспечению высоких эксплуатационных характеристик. Проект прошел стадию предэскизного проектирования и использовался в качестве основы для разработки конкурсной документации в тендерах на разработку МКА.
КА радиолокационного наблюдения «Обзор-Р». Представляет собой КА с радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) на основе активной фазированной антенной решетки (АФАР) Х-диапазона в качестве целевой аппаратуры. Конструктивное исполнение КА является развитием принятой концепции построения негерметичных КА с использованием сотопанель-ных конструкций. Изделие обладает рядом уникальных целевых характеристик, превышающих мировой уровень.
Общий вид радиолокационного КА «Обзор-Р» с указанием основных Во всех проектах информационные технологии поддержки изделия применялись широко и привели к повышению эффективности процессов концептуального проектирования и разработки КД. Степень использования ИТ в проектах и количество подвергнутых пересмотру процессов в проектах возрастает. В последнем по времени проекте применение ИТ носит комплексный характер, что позволяет прогнозировать сокращение срока разработки по сравнению с КА на базе МСС, являющимся по многим параметрам аналогичной разработкой, более чем на 40%. становлением PDM-системы, формированием электронного архива, началом нового этапа автоматизации работ технологических служб. При этом выпуск проектной и конструкторской документации поддерживался информационными технологиями фрагментарно. Однако при разработке комплексной программы экспериментальной отработки (КПЭО) было принято решение один из этапов макетно-конструкторских испытаний (МКИ) проводить с использованием трехмерной модели изделия, для чего была разработана программа создания электронного макета изделия.
Электронным макет изделия (ЭМИ) строился на основе и в соответствии со структурой конструкторской документации, при этом трехмерные модели сборочных единиц в состав документации не входили. Используемые при этом технологии и методики описаны в разделах 2.3 и 2.4.
Специфика проведения МКИ накладывает на модель следующие дополнительные требования: - помимо приборов, агрегатов, систем, должны быть смоделированы технологические процессы их установки в изделие в тех случаях, когда большие габариты и масса приборов, агрегатов, систем, минимальные зазоры в зонах установки или отсутствие возможности визуального контроля переводят технологические процессы в разряд критических. - решение о моделировании технологического процесса установки прибора предлагается разработчиком КД на установку прибора и принимается макетной комиссией. - при моделировании технологических процессов должны быть созданы модели технологического оборудования в случае его применения при монтаже приборов, агрегатов, систем. - трехмерная модель изделия должна позволять отображать разборку его на модули и агрегаты, снятие и установку панелей кожухов, блок баков двигателя и т. д. — трехмерные модели транспортировочных технологических поясов изделия должны позволять отображать изделие в соответствии со схемами транспортирования, кантования и переноса. Для обеспечения проверки размещения в транспортном контейнере и соответственно в грузовом самолете или железнодорожной платформе должны быть смоделированы все необходимые элементы с требуемой детализацией. На рисунке 4.3 изображено моделирование размещения транспортного контейнера с КА ДЗЗ в грузовом отсеке самолета ИЛ-76 с обеспечением необ ходимых зазоров.
В составе электронной модели сборочной единицы, представляющей электронный макет КА, на момент завершения сборки состояло 20234 компонента, что относит ее к классу больших электронных моделей сборочных единиц. В ходе работ по созданию макета сформированы правила, методики и регламенты для методического обеспечения данных работ. Моделирование последующих изделий, в частности радиолокационного КА «Обзор-Р» прово дится с учетом накопленного опыта и предполагает создание электронной модели КА, содержащей максимально возможное количество конструкторской информации и попадающей в класс сверхбольших электронных моделей сборочных единиц.
