Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы создания авиационных двигателей, используемые методы и средства 30
1.1 Основные требования к авиационным ГТД и проблемы их создания 30
1, 2 Методология проектирования авиационных двигателей и использования автоматизированных систем 35
1.3.Применяемые при разработке двигателей программные и технические средства 40
1.3.1. Программные и технические средства, используемые для автоматизации проектирования двигателей 42
1.3.2. Существующие комплексные САПР и возможности их использования при разработке двигателей VI поколения 44
1.4.Преимущества использования CALS-технологии для разработки двигателей 48
1.4.1, Возможности использования CASE-технологии для автоматизированного построения САПР двигателей ; 50
1.4.2. Концепция компьютеризированного интегрированного проектирования и производства (КИП) в двигателестроении 50
1.4.3.CAD/CAE/CAM и PDM-системы и возможности их использования при разработке двигателей VI поколения 52
1.4.4.Возможности использования в двигателестроении стандартов CALS- технологии 53
1.5. Цель и задачи исследования 58
2. Формализация процесса проектирования и доводки двигателей с использованием case-технологии 61
2.1 Опыт применения CASE- технологии к процессу разработки двигателей . 61
2.2 Учет методологии традиционного проектирования двигателей 64
2.3 Математические модели, логико-лингвистический аппарат и их использование в новой технологии разработки двигателей 66
2.3.1.Особенности моделирования структурных элементов в составе двига теля, его надсистем, внешних объектов и технологического окружения 67
2.3.2.Методы анализа моделей структурных элементов в новой технологии.68
2.3.3.Использование в новой технологии САЕ - систем 69
2,3.4. Применение методов оптимизации при системном проектировании и доводке двигателей 69
2.4 Организационно-производственная структура двигателестроителъного ОКБ
и ее использование для построения модели процесса разработки двигателя.71
2.5 Состав и содержание инженерных задач, решаемых в процессе создания
двигателя 72
2.6. Построение моделей процесса разработки двигателей 77
2.6.1. Модели процесса проектирования двигателей 89
2.6.2. Модели процесса выполнения опытно-конструкторских работ (ОКР).96
2.6.3. Модели процесса конструкторско-технологического проектирования деталей 113
2.6.4. Структурные элементы, используемые при построении модели двигателя и его окружения 114
2.6.5. Анализ трудозатрат при проектировании и доводке двигателя 117
Выводы по главе 117
3. Концепция автоматизированного проектирования двигателей с использованием сетевых моделей и систем поддержки принятия решений 119
3.1. Принципы построения компьютерной среды для автоматизации системной разработки двигателей 119
3.1.1.Методы реализации обобщенных проектно-доводочных процедур 125
3.1.2.Алгоритм универсального решателя 128
З.І.З.Представление моделей структурных элементов (СЭ) в виде объектов. 136
3.1.3.1. Структура наборов данных в составе объектов 136
3.1.3.2. Структура алгоритмов в составе объектов 145
3.1.3.3. Функции алгоритмов в составе объектов 148
3.1.4.Семейство моделей СЭ, используемых при проектировании двигателей..159
3.1.5. Принципы формирования математических моделей структурных элементов 163
3.1.5.1. Метод сетевого представления внутренней структуры объектов... 165
3.1.5.2. Специализированные алгоритмы в составе объектов 172
3.1.5.3. Порядок использования алгоритмов СЭ решателем при обработке дерева проекта 193
3.1.5.4. Технология развития моделей структурных элементов 197
3.1.5.5. Сетевые модели для решателя, работающего без итераций 202
3.2. Последовательность принятия решений при проектировании двигателя и ее использование в САПР 202
З.З.Разработка и использование системы поддержки принятия проектных решений (СППР) 216
ЗАРазработка монитора системы для управления проектированием двигателя..230 3.5. Организация процесса автоматизированного проектирования с использованием сетевых моделей, решателя и СППР 234
3.6.Средства реализации многоуровневого многоаспектного моделирования двигателей 238
3.7. Предложенный подход к разработке авиационных двигателей и CALS-технология 239
Выводы по главе 240
4. Автоматизация проектирования двигателей на стадии окр .. 242
4.1. Модели функциональных элементов, используемых при построении дерева проекта двигателя и его окружения 248
4.2.Использование технологии открытых систем и МетаСАПР (Framework) при функциональном моделировании двигателей 263
4.2.1.Последовательное развитие моделей функциональных элементов в процессе проектирования двигателя 267
4.2.2. Моделирование динамических процессов при использовании МетаСАПР (Framework) 270
4.2.3. Унификация моделей функциональных элементов (объектов) 270
4.2.4. Введение учета новых факторов в модели функциональных элементов.271
4.3. Организация системного функционального проектирования двигателя... 279
4.4.0сновные конструкторские элементы (КЭ), используемые при моделировании двигателя 332
4.5.Особенности топологических схем, потоков и алгоритмов в моделях КЭ, используемых при конструировании двигателей 338
4,6.Создание библиотек моделей конструкторских элементов 356
4.7.Формирование конструкторской модели (дерева КЭ) в процессе проектирования двигателя 363
4.8.Разработка «оболочки» для создания объектных CAD/САМ - приложений в двигателестроении 376
4.9.Виртуальная ЛОМ-технология конструирования двигателя «сверху вниз».377 4.10.Технология создания и использования базы конструкторской информации в среде параллельного проектирования 383
4.11.Автоматизация конструкторско-технологического проектирования деталей 397
4.11.1 .Конструкторские и технологические элементы (КЭ и ТЭ), используемые в моделировании при разработке лопаток 400
4.11.2. Построение библиотек моделей КЭ и ТЭ для разработки деталей 401
4.11.3.Организация информационных процессов при конструировании и технологической подготовке производства лопаток 402
4,11.4.Создание пользовательских приложений по технологии разработки лопаток из композиционных материалов 407
4,11.5.Построение прикладной САЕ/СAD/CAM - системы "Лопатка композиционная" 409
4.11.6.Результаты внедрения систем функционального, конструкторского и конструкторско-технологического проектирования 421
Выводы по главе 422
5. Реализация компьютерной поддержки жизненного цикла (cals) на этапе пректирования и доводки авиационных двигателей 425
5.1 .Сокращение цикла доводки как критерий качества проектирования 425
5.1.1.Многообразие проектно-доводочных ситуаций и пути их разрешения в новой технологии 425
5.1.2.Организация доводки двигателя с использованием сетевых моделей 429
5.2. Опыт разработки и внедрения интегрированной САПР авиационных двигателей АСПАД, как прототипа CALS-технологии 432
5.3.Технологии и средства реализации компьютеризированного интегрированно го проектирования и производства (КИП) в двигателестроении 439
5.4.Разработка и использование в двигателестроении банков данных и знаний.. 440
Выводы по главе 442
Заключение 443
Список использованной литературы
- Основные требования к авиационным ГТД и проблемы их создания
- Опыт применения CASE- технологии к процессу разработки двигателей
- Принципы построения компьютерной среды для автоматизации системной разработки двигателей
- Модели функциональных элементов, используемых при построении дерева проекта двигателя и его окружения
Введение к работе
Актуальность темы. В своем развитии авиационные газотурбинные двигатели IV и V поколений достигли высокой степени сложности, уровень параметров близок к предельно достижимому по характеристикам применяемых материалов, рабочих тел и источников энергии, с учетом используемых технологий изготовления и проектирования. Степень повышения давления в компрессоре достигает 40, температура газов в камере сгорания 1800 К, время пребывания газа в ней снизилось до 1 мс, а требования к эффективности и устойчивости рабочего процесса, к экологичности и «заметности» двигателя, надежности и ресурсу, к его динамике, к эффективности процесса создания двигателей все более ужесточаются.
Общее количество параметров и признаков (с учетом проектных вариантов), которое характеризует размерность информационные потоков при проектировании и доводке двигателя, оценивается в 1010, объем и сложность задач по моделированию и согласованию моделей стали таковы, что в рамках используемой технологии проектирования и доводки двигатели VI поколения, с существенно более высокими показателями, уже не могут быть созданы. Традиционная информационная технология разработки двигателей отличается фрагментарным использованием автоматизированных систем. Она допускает дублирование и несогласованность данных, возможность рассмотрения недостаточно перспективных вариантов, тогда как лучшее решение может остаться вне поля зрения проектировщиков, допускаются ошибки, потери информации и времени при ее передаче и обработке, не гарантируется близость к экстремуму получаемых параметрических и структурных решений. Недостаточно эффективно используются (в рамках ОКБ и отрасли) знания, накапливаемые в процессе создания и эксплуатации двигателей.
Этим определяется необходимость разработки на основе средств CALS (компьютерной поддержки жизненного цикла изделий) новой технологии проектирования и доводки двигателей, в рамках которой модель ЛА, СУ, двигателя и всех его структурных элементов (СЭ) динамически и согласованно формируется с использованием методов анализа иерархий, объектного подхода, систем поддержки принятия проектных решений (СіПІР) и возможностей компьютеризации - метаСАПР (Framework), CASE, CAD/CAM/CAE, PDM, STEP и других технологий. В настоящее время работы по созданию научно-технического задела (НТЗ) для двигателей VI поколения, с существенно более высокими показателями НТУ (например, удельный вес менее 0.05 кг/кН, ресурс более 50 000 ч., удельный расход топлива менее 0,24кг/ч/кН, в связи с чем степень повышения давления требуется увеличить до 100, температуру газа - до 2000 К), активно ведутся; в Европе - в рамках объединения консорциумов, в США - по программе IHPTET (Integrated High-Performance Engine - Интегральные технологии разработки ГТД с высокими характеристиками), в которой участвуют 6 крупнейших двигателе-строительных фирм и ВВС США, в России - в рамках Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиации до 2015 года». Основные рассматриваемые типы двигателей объединены в группы: ТРД/ТРДД; ТВД/ТВГТД; Ракетные двигатели. Кроме этого рассматриваются двигатели изменяемого цикла (ДИЦ), комбинированные двигатели и двигатели для малоразмерной авиации. Основные проблемы создания НТЗ для двигателей VI поколения показаны на рис.1, в их числе выделена разработка новой информационной технологии проектирования и доводки двигателей, чему и посвящено настоящее исследование.
Предложенные к настоящему времени рядом авторов методы системного проектирования ДЛА на основе согласования с ЛА (в том числе метод использования безразмерных критериев и моделей [306]), методы системного проектирования отдельных деталей (лопаток [5]), сборочных единиц (рабочих колес) не решают проблему в целом. Их не достаточно для того, чтобы построить интегрированные автоматизированные системы для разработки двигателей VI поколения в условиях НИИ и ОКБ, с эффективным использованием многочисленных и разнородных современных технологий и универсальных средств.
Требуется провести анализ и предложить эффективные методы формирования и представления моделей функциональных (ФЭ), конструкторских (КЭ) и технологических (ТЭ) элементов для построения дерева проекта двигателя. В настоящее время нет однозначности в их декомпозиции, не решены вопросы связи функциональных моделей и копструкторско-технологических моделей в среде CAD/CAM/CAE и PDM - систем. (Исключение составляют работы [5], реализованные в САПР лопаток турбомашин.) Используемые структурные схемы организации проектных операций, процедур, этапов и стадий не унифицированы, являются сложными и пригодными только для конкретного этапа разработки и конкретного объекта в составе двигателя, их сходимость не гарантирована, они мало пригодны для формализации. Недостаточна унификация моделей и компонентов для организации интегрированной компьютерной среды для разработки двигателей. В связи с этим актуальна задача разработки новой методологии автоматизации системного проектирования и доводки двигателей, опирающейся на результаты анализа традиционного процесса разработки двигателей и формирование его альтернативной структуры. Эта методология должна включать:
• разработку стандарта на представление моделей ФЭ, КЭ, ТЭ (объектов) в составе двигателя и его окружения, унификацию алгоритмов проектно-доводочных процедур;
• установление последовательности принятия проектных решений и создание экспертных систем (в виде СПОР) для поддержки этих действий;
• разработку методики использования технологий баз данных (БД) и баз знаний (БЗ), открытых технологий моделирования и реализации объектного подхода при проектировании двигателей;
• формирование методов согласования функционального, конструкторского, технологического и других аспектов в процессе разработки двигателя.
По своему содержанию эти задачи относятся к методам реализации КИП (в англоязычной аббревиатуре СГМ) - компьютеризированного интегрированного проектирования и производства, в том числе к интегрированным интеллектуальным САПР,
Основные требования к авиационным ГТД и проблемы их создания
В настоящее время в авиастроении США, Европы и России активно ведутся работы по созданию перспективных самолетов и двигателей для них (VI поколения). Переход на принципиально новую технику (и технологию ее разработки) планируется произвести в период 2000-2015 г.г. Ожидается, что за это время объем перевозок вырастет в 2 раза, в связи с чем требуются сверхзвуковые пассажирские самолеты (СПС) с МКРЕЙС=2...3 И гиперзвуковые транспортные средства с МИ ЕЙС=5. .6, дешевая и сверхнадежная малоразмерная авиация. Главные цели - максимальное расширение тактико-технических возможностей, улучшение эксплуатационных качеств и снижение стоимости жизненного цикла (СЖЦ) самолетов. В качестве основных средств решения проблемы рассматриваются новые технологии (изготовления, проектирования и доводки) и материалы, улучшение интеграции самопета с СУ и двигателем на всех стадиях разработки и эксплуатации (рис. 1.1). При этом как для гражданских, так и для военных самолетов ставится задача более чем в 2 раза улучшить: дальность L, Ш грузоподъемность шп, скороподъемность —, взлетную массу то, ресурс Тр, ат эксплуатационные характеристики. Для военных самолетов дополнительно ставится задача существенного уменьшения дистанции взлета Ьвзли посадки Ьдос, вероятности обнаружения, обеспечение сверхманевренности и длительного полета с МКРЕЙС=1,6 без форсажа.
Из этого вытекают требования к двигателям VI поколения (которые ниже даются в сравнении с V поколением); -уменьшение удельной массы YR в 1,4...2 раза, удельного расхода топлива CR на 15...40%. числа деталей пдеТ в 2 раза, трудоемкости обслуживания Т0БСЛ В 2...Зраза, СЖЦв 1.5 раза, воздействия на окружающую средуишума на 5..10 дб; -увеличение надежности на 60...80%, назначенного ресурса (кратного ресурсу планера) до 0,5... 1 ресурса планера.
Так например, для двигателей гражданских самолетов общий ресурс должен составить 50 000 ч (без съема 30 000 ч). Для ТВВД снижение Суд составит 25%, а для ТВД и ТВлД увеличение Ыуд на 100... 120%.
Перечисленные особенности определяют различие в подходах к разработке двигателей IV,V и VI поколений (см. табл.1 Л)
Нетрадиционньге схемы и конструкции: биротативные, с выносным ГГ, PC с ОВТ, многофункциональные и несиммметричные вых. устройства, ДИЦ, редуктор для вентилятора, РК типа busk, ЦБК, новые схемы КС, магнитные подшипники, шеточные уплотнения....
Новые материалы: керамика, композиты (ПКМ, МКМ), ламиллой, твердые смазки,...
Разработка и применение эффективных программных комплексов: анализ локальных зон, контактные задачи, нестационарность, накопление дефектов, прогноз долговечности,...
Совершенствование интеграции двигателя с СУ и самолетом: учет критериев и ограничений по самолету, использование адаптивной модели самолета и его траекторий, выявление вклада узлов в достижение параметров самолета, оптимизация управления,...
Создание перспективных систем управления, измерительно-информационных и контрольных систем и оборудования: интегральные системы управления самолетом и СУ,...
Уровень основных параметров двигателей VI поколения, который должен быть достигнут, в сравнении с двигателями предыдущих поколений, показан в табл. 1.3, Чтобы понять необходимость структурных и качественных изменений в устройстве и конструкции, организации рабочих процессов, в технологии изготовления, проектирования и доводки двигателей, приведен рис.1.2., где показаны возможные варианты динамики обеспечения требуемого уровня удельного веса двигателя. Понятно, что приведенные варианты по-разному обеспечивают судьбу новых изделий и конкурентоспособность отечественных двигате лей и самолетов на международном (и внутреннем) рынке. Сама же динамика будет зависеть от внедрения новой технологии разработки двигателей.
Необходимая динамика уменьшения удельного веса двигателей VI поколения и возможные варианты ее реализации
С целью создания НТЗ для двигателей VI поколения в Европе объединились консорциумы, в США развернута программа IHPTET (Integrated High-Performance Engine - Интегральные технологии ГТД с высокими характеристиками), а в России - Федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиации до 2015 года». В программе IHPTET участвует 25 проектов, 6 ведущих фирм (GE, PW, Allaid-Signal, Alison, Teledain, Williams International) вместе с лабораториями АД и материалов ВВС США. В программе выделяется три основных этапа: улучшение параметров основных узлов, отработка конструкторско-технологических решений, улучшение интеграции самолета с СУ и двигателем. Рассматриваемые типы двигателей объединены в группы: ТРД/ТРДД; ТВД/ТВГТД; Ракетные двигатели. Рассматриваются также и ДИЦ, и комбинированные двигатели и двигатели для малоразмерной авиации. Все это говорит о важности, которая придается в мире решению проблемы создания двигателей VI поколения.
С другой стороны нетрудно показать, что существующая технология проектирования и доводки стала тормозом на пути создания уже двигателей V поколения. В самом деле, она в значительной степени неавтоматизирована, организация передачи и обработки информации не использует современные методы и средства. В то же время, число деталей в современном двигателе оценивается в 10 000. Как показано ниже, в главе 3, разработка двигателя сопровождается построением многоуровневой многоаспектной модели из 3 деревьев (ФЭ, КЭ, ТЭ), в которых 12 и более уровней. Уровни с 1 по 3 находятся выше двигателя и поэтому могут не детализироваться (т. е. в этой части дерева проекта около 10 элементов, включая внешнюю среду и топливо). Если каждый СЭ в дереве проекта двигателя имеет по 5 подсистем, то их число оценивается в 3-59. Кроме того, модель каждого СЭ последовательно формируется в соответствии с иерархическими классификаторами, в каждом порядка 10 страт, на каждой страте в среднем по 5 альтернатив, каждой альтернативе соответствует добавление в модель СЭ в среднем 5 параметров и признаков. Это означает, что в модели каждого СЭ не менее 50 параметров и признаков и их число в модели двигателя составит (3-59+10)-50«108,5. Дополнительно следует учесть признаки для организации параллельного проектирования, дискретизацию по ПЗР (параметрам, задающим режим) для режимных параметров и, по времени и координатам в пространстве, в т.ч. при разбиении сетки в САЕ-системах. Как показано ниже (глава 3), требуется различать базовые и текущие значения параметров, их границы, весовые коэффициенты оптимизации, признаки («флаги») и т.п. Учет стохастичности также увеличивает информацию как минимум в 3 раза. Все это увеличивает объем информации, подлежащей переработке, как минимум на 3 порядка и может быть оценено в »1012.
Опыт применения CASE- технологии к процессу разработки двигателей
При проведении данной работы, из упомянутых в п.1.4.1. CASE-технологий использованы непосредственно для разработки программного обеспечения (ПО) инструментальные средства разработки ПО (Computer Aided Software Engineering), а именно одна из инструментальных сред разработки RAD (Rapid Application Development), в данном случае для создания ПО САПР-Д использован Delphi. Кроме того использованы специализированные средства (Tools). Это текстовые и графические редакторы, СУБД, электронные таблицы, векторизаторы, User-пакеты и языки для создания приложений в составе CAD/CAM-систем и т.п. Их использование описано в гл. 4 и 5.
Другое направление, в котором в работе использована CASE-технология -это средства поддержки концептуального проектирования сложных, слабоструктурированных систем (Computer Aided System Engineering). Как показал анализ, процесс разработки двигателя и процесс разработки самой САПР-Д яв Результаты получены совместно с Яруллиным Т.Р., Воронковым А.П. и Христолюбовым в.л. ляются достаточно сложными и слабоструктурированными. Поэтому использованы соответствующие инструментальные средства, называемые BPR (Buisiness Process Reengineering). С их помощью в работе сформированы модели процесса разработки двигателя: функциональные (диаграммы потоков данных, например, в форме DFD- Data Flow Diagram, со "словарями данных" и с описанием структуры информационных потоков - в нотации Бэкуса-Наура); информационные (диаграммы "сущность-связь" в виде ERD- Entry-Relations Diagrams); поведенческие (динамические, которые могут строиться в виде граф-схем, диаграмм перехода состояний, таблиц решений, псевдокодов и с использованием языков программирования четвертого поколения 4GL: Informix-4GL, JAMnNewEra).
При проведении данной работы использованы технологии реинжиниринга и параллельного проектирования IDEF (Integrated Definition). Соответственно, для функционального моделирования использована методика SADT (Structured Analysis and Design Technique) [423] и стандарт IDEFO [92]. Для информационного моделирования использована методика инфологического проектирования баз данных IDEF1X [416]. Для поведенческого (динамического) моделирования использована методика IDEF3 [428].
С учетом сложности и изменяемости процесса разработки двигателей, большого числа участников разработки моделей и их пользователей, модели процесса должны строиться и использоваться автоматизированно. Из поддерживающих методологию IDEF систем (BPWin, OOWin, Design/IDEF и др. [267]) в работе использован пакет Design/IDEF. При этом, в соответствии со смыслом реинжиниринга, построены модели процесса «как есть», а затем, после их анализа и оптимизации (по критериям экономии ресурсов и повышения качества изделий) с учетом использования современных СА1)/САМ/САЕ/ТТ М-систем и вновь предложенных компонентов в качестве механизмов - модели «как нужно». Ниже (п.2.6) приводятся результаты моделирования процесса разработки авиационного ГТД, полученные именно таким образом.
В соответствии с выбранной методологией SADT (одной из CASE-технологии) проведен анализ документооборота. Документ, как информационное образование, представлен структурой и описанием атрибутов - информационных полей. Структура документов - совокупность элементов данных, их логических свойств и отношений. По форме представления выделены текст, числа, графика, а по типу - множества, списки, матрицы, векторы. Структуру проектных документов задают стандарты разного уровня (начиная с ISO и ГОСТов ЕСКД и ЕСТП, затем ОСТы и кончая СТП и РТМ). Проектные документы могут отражать модель двигателя на любом этапе разработки и при любой степени сложности. Каждый уровень в иерархии описывает в естествен-ной для представления и хранения форме определенную порцию информации с требуемой детализацией и отражает связи между информационными полями. Поэтому информационная модель проектирования двигателя построена на основе отображения образов документов. В автоматизированной системе целью является, в частности, безбумажная технология, поэтому главное - не получение документов, а организация "человеко-машинного" интерфейса.
Как показано ниже, в процессе разработки двигателя используется информация; директивная (задание на проектирование, стандарты ЕСКД, ЕСТШІ, ЕСТД, ОСТы, СТП, РТМ,...); нормативная (методы расчетов, проектирования, анализа, синтеза и моделирования, классификаторы, таблицы соответствия и применимости, правила кодирования и декодирования, практические рекомендации эвристического характера,...); фактографическая (справочные, каталожные, паспортные данные, типовые решения, аналоги, технические прототипы и прецеденты,...). В основу построения функциональных диаграмм (в нотации IDEF0) для традиционной организации процесса разработки двигателя положена его декомпозиция на стадии, этапы, процедуры и операции, регламентированные в перечисленной нормативно-справочной документации (НТД) как это показано в п.2.2. Ниже приведены модели традиционного процесса, а в главе 3 - модели альтернативного процесса и модель реализующей его автоматизированной системы. В главах 4-5 даны примеры реализации для разных этапов проектирования и доводки двигателя.
Принципы построения компьютерной среды для автоматизации системной разработки двигателей
В работах [238,14] рассмотрена морфологическая таблица ДЛА, структурированная по ряду принципов. В работе [372] анализируются возможности стратифицированного (многоуровневого) представления сепарабельной модели двигателя (в которой главными являются связи между уровнями). Такого рода модели более других пригодны для организации системной разработки изделия и позволяют использовать объектный подход в полном объеме. Однако проблемой является сведение описаний двигателя к такой модели. При выполнении данной работы, в соответствии с CASE-технологией, на основе модели традиционного процесса разработки двигателей построена альтернативная модель организации процесса и модель автоматизированной системы, реализующей этот альтернативный процесс. На этой основе сформированы методы создания компьютерных систем и средства для автоматизации системной разработки двигателей и энергоустановок. Предложены следующие принципы системного проектирования и доводки двигателей, основанные на объектном подходе, использовании баз знаний и экспертных систем:
динамическое формирование стратифицированной (многоуровневой) многоаспектной информационной модели двигателя в виде однонаправленного графа (ОНГ) из взаимосвязанных деревьев ФЭ, КЭ и ТЭ, в которых эти структурные элементы (СЭ) дополнительно имеют направленные внутриуровневые и межас-пектные связи (хорды графа);
стратификация и декомпозиция по аспектам моделей двигателя и входящих в его состав СЭ производится в логической последовательности принятия структурных решений;
фактографическая часть моделей двигателя и входящих в его состав СЭ (объектов) на каждой страте представляется в виде наборов данных (БД) определенной универсальной структуры;
состав и топология внуриуровневых, межаспектных связей структурного элемента (объекта) и вертикальных («аддитивных») связей СЭ-подсистем с СЭ-надсистемой хранятся в БД каждого объекта;
алгоритмическая часть (М) модели СЭ связывает между собой многомерные массивы определенной универсальной структуры, содержащиеся в БД СЭ, запрашивает данные из БД СЭ-передатчиков в соответствии с внутриуровневыми и межаспектными связями («потоками») и добавляет свои данные к соответствующим данным в БД СЭ- надсистемы;
в алгоритме М каждого СЭ (объекта) выделяются специализированные части, используемые в зависимости от этапа проектирования (внешнего или внутреннего) и такта обработки дерева проекта (ОНГ) универсальной программой - решателем;
для решения структурных задач при формировании дерева проекта и моделей СЭ используется универсальная система поддержки принятия решений (СППР) и динамически формируемая БДст статистической информации с предложенной универсальной структурой;
для решения параметрических задач (прогнозирования границ области компромиссов - поиска решений, установления связи между частными критериями оптимизации на соседних уровнях, многорежимной идентификации и оптимизации подсистемы в рамках надсистемы - т.е. внутреннего проектирования) используется предложенный универсальный алгоритм обработки дерева проекта (ОНГ) управляющей программой - решателем;
процесс разработки двигателя управляется пользователем с помощью главного монитора в среде параллельного проектирования (PDM), с добавлением средства управления горизонтальными информационными потоками (Workflow), универсального решателя и СППР, с использованием библиотек фрагментов моделей СЭ (объектов) и библиотек статистической информации (БДст).
Логическая схема такой среды представлена на рис.3.1. При этом на рис.3.1. пунктиром показаны связи по управлению, а сплошными линиями -связи по информации. На каждом этапе Главный монитор передает управление вначале СППР (для решения структурной задачи), а затем Решателю (для решения параметрических оптимизационных задач путем обработки многоуровневой модели в виде ОНГ, формируемого на основе дерева проекта).
Управление всеми другими операциями - выделение из библиотек в рамках классификаторов СЭ соответствующих фрагментов их моделей и наращивание деревьев ФЭ, КЭ и ТЭ в модели двигателя, баз статистической информации БДст (для принятия решений с помощью СППР), наполнения отдельных слоев в БД СЭ, обновление информации, доступ к ней и т.д. - производится пользователями с помощью главного монитора.
Указанная схема подробно может быть представлена IDEF-моделями (рис.3.2), которые являются альтернативными приведенным выше в Главе 2 и моделирующим традиционный процесс проектирования двигателя. Все СЭ, участвующие в процессе автоматизированного проектирования двигателя (п.2.6.4.) - Оберсистема (высшего уровня - воздушный транспорт, система вооружений,...), Надсистема (ЛА, Транспортное средство, Энергосистема, Технологическая система,...), Среда, Потребитель энергии (движитель,...), Источник энергии, Рабочее тело потребителя (движителя,...), Рабочее тело процесса, Силовая установка (ДУ, ЭУ,...), Двигатель, Узлы,... представлены стратифицированными описаниями с учетом последовательности принимаемых при проектировании проектных решений по основным структурным признакам. Например, для ЛА это признаки - тип, принцип двиясения, управляемость,...; для Среды -пассивная, активная, состав,...; для Движителя - принцип реализации энергии -струя, привод,...; вид движения,...; для Источника энергии - вид, компоненты, воспламеняемость,...; для Рабочего тела движителя - внешняя среда, рабочее тело процесса,...; для Рабочего тела процесса - внешняя среда, компоненты источника энергии, вид...,; для ДУ - назначение, цикл, управляемость, тип, вид,....
Описание каждого СЭ стратифицировано в последовательности принятия проектных решений и представлено на каждой страте своего классификатора в соответствующем наборе данных (БД) структурными признаками Sx (ссылками на нижестоящие, входящие в его состав объекты) и количественными параметрами Uj, номенклатура которых взаимно обусловлена. Логически БД каждой страты может быть представлено таблицей, где в строках находятся параметры, а каждый столбец (поле) имеет определенный смысл - текущее значение параметра, признак оптимизации, базовое значение (данные прототипа или предыдущее проектное решение), ограничения, служебные признаки и т.д. Структурные признаки Sx попадают в заголовок (имя) таблицы. Выбор очередного признака внутри классификатора (экземпляра сущности) производится с помощью универсального алгоритма системы поддержки принятия решений (СППР), динамически формируемой на каждом этапе по определенным правилам БД -базы статистической информации, с учетом параметрического наполнения на предыдущей страте описания надсистемы (БД) и статистической информации в БДстУправление всеми другими операциями - выделение из библиотек в рамках классификаторов СЭ соответствующих фрагментов их моделей и наращивание деревьев ФЭ, КЭ и ТЭ в модели двигателя, баз статистической информации БДст (для принятия решений с помощью СППР), наполнения отдельных слоев в БД СЭ, обновление информации, доступ к ней и т.д. - производится пользователями с помощью главного монитора.
Модели функциональных элементов, используемых при построении дерева проекта двигателя и его окружения
В соответствии с приведенными выше принципами формирования математических моделей функциональных элементов (ФЭ) в составе двигателя выделим основные аспекты в порядке их использования при проектировании: термодинамика (связана с переносом вещества - рабочего тела); кинематика (газодинамика или гидравлика, вращение и т.д.); механика (силы - осевые, радиальные, окружные (моменты сил)); геометрия (описание в пространстве); энергия (мощность - механическая, тепловая, электрическая);
Для упрощения работы Решателя и доступа к моделям объектов в них могут быть объединены сразу несколько аспектов. При этом потоки, моделирующие внутриуровневые связи сохраняют декомпозицию по аспектам (в своих именах и номенклатуре передаваемых параметров).
Организация потоков (в т.ч. номенклатура передаваемых в горизонтальном и вертикальном направлениях параметров) влияет на организацию наборов данных (БД) и алгоритмов (М) в объектах (моделях ФЭ). теми, что используются в конструкторском проектировании. В целом термин «функциональное проектирование» не соответствует ГОСТу 2.103-68. ЕСКД. Стадии разработки [112] и более правильно его трактовать как моделирование в функциональном аспекте. Формирование таких моделей начинается с самых ранних этапов проектирования (рис.3.1.), но обязательно используется и на всех более поздних этапах. На рис.4.3. ФЭ в составе СУ и ФЭ в составе Планера смещены по уровню - это сделано для размещения рисунка. На самом деле, например, Двигатель и Фюзеляж - это объекты (ФЭ) одного уровня. Поэтому показанные на рис.4.1 связи между ними - внутриуровневые, которые моделируются информационными «потоками». В данном случае это потки геометрического и силового аспектов.
Как указано в главе 3 (п.3.1.3.), каждый объект (модель ФЭ), среди прочих компонент, имеет характеристику, представленную таблицей в БДр и проектировочным алгоритмом МПр заменяющую идущие снизу связи в случае, когда данный объект (ФЭ) оказывается на нижнем уровне в используемой модели. Вертикальные (аддитивные) связи удобнее продемонстрировать в виде дерева проекта (как это принято в системах PDM), на рис.4.4.
На этом рисунке показано, что каждый объект (ФЭ) в составе модели самолета имеет характеристику (БДр), которая используется, когда он оказывается на нижнем уровне.
Условно указано, что эти характеристики - изменение параметров по высоте с учетом климата и погоды (для внешней среды), ЛТХ, в т.ч. эксплуатационный диапазон и типовые траектории (для самолета), поляры (для планера, крыла, фюзеляжа и оперения), ВСХ, ДрХ (для СУ и двигателя), а также статистические зависимости массы и размеров от параметров и т.д. для всех ФЭ. Сразу отметим, что классические системы PDM за внутриуровневую ассоциативность объектов в дереве проекта «не отвечают», в связи с чем связи в нем не показаны. Поэтому требуется объединение возможностей Решателя, Планировщика с традиционными системами типа PDM и Workflow.
Рассмотрим формирование классификаторов и библиотек математических моделей подсистем для объектов - как типов сущностей, соответствующих основным ФЭ, выделенным в результате декомпозиции в п. 3.2. на примере СУ (ДУ) самолета. При этом унификация моделей подсистем (модулей) нужна, чтобы обеспечить системное проектирование с использованием СППР. Действительно, для ее применения нужна среда, где моделируются все объекты (с разными значениями структурного признака) данного уровня. Поэтому на раннем этапе нужна библиотека ФЭ для моделирования всех видов двигателей (включая ТВД, ПуВРД, ДВС, ДИЦ, Комбинированные двигатели), далее (после выбора вида двигателя) нужна библиотека для моделирования всех типов в рамках выбранного вида и т.д.
Выделение ФЭ связано с их основной функцией. Например, в двигателе или энергетической установке ФЭ является такой ее элемент, в котором реализуется какой-либо основной термогазодинамический процесс, например: - входное устройство - торможение потока - компрессор - сжатие рабочего тела - камера сгорания - подвод тепла в поток и т.д.
Прежде всего важно выделить внешние по отношению к рассматриваемой системе объекты. Как уже отмечено, при проектировании двигателя в составе СУ, которая в свою очередь проектируется в составе «Надсистемы» (транс портное средство и т.д., при этом могут учитываться требования «Оберсисте мы», куда входит «Надсистема»), в качестве внешних объектов выделяется внешняя среда и источник энергии. В частном случае, когда предполагается в основном рассматривать внешнюю среду, которая может использоваться как компонент рабочего тела и компонент источника энергии, для упрощения мож но моделировать их как один внешний объект - ФЭ типа aft «внешняя среда и топливо», снабдив его пиктограммой вида: ЦР Здесь имеется в виду, что данный ФЭ моделирует одновременно среду, в которой находится (движется) Надсистема», свойства рабочего тела и компо нента источника энергии, и в то же время свойства другого компонента - топ лива. Поэтому в БДр данного ФЭ находятся, в том числе, высотная и климати ческая характеристики, с поправками на погоду, данные по топливам и т.д.
