Введение к работе
Актуальность темы. Разработка проекта авиационного ГТД - это относительно небольшой по продолжительности, но чрезвычайно важный по принимаемым решениям период жизненного цикла двигателя. В результате проектирования формируются необходимые информационные модели как по двигателю в целом, так и по всем его элементам. Это, в конечном счете, предопределяет облик двигателя, особенности его конструктивного воплощения, характер технологических процессов при производстве и условия его эксплуатации. Очевидно, что проектные решения, учитывая назначение авиационных ГТД, должны приниматься с целью создания наиболее эффективной системы ГТД - ЛА. Так как в настоящее время проектирование ГТД осуществляется с помощью САПР, то важной и актуальной задачей является их дальнейшее совершенствование, развитие и дополнение специальными методами, средствами, подсистемами, способными использовать не только математические модели, но и накопленный опыт, эвристические знания в рассматриваемой предметной области, чтобы производить оптимизацию и обоснование выбора параметров ГТД и его турбокомпрессора, а также сопоставление научно-технического уровня (НТУ) создаваемых двигателей по их эффективности в системе ЛА.
Одной из важнейших и актуальных задач является выбор оптимальных значений параметров рабочего процесса авиационных ГТД. В настоящее время роль оптимизации параметров проектируемых двигателей'возрастает, так как, с одной стороны, устанавливаются более глубокие количественные' зависимости и связи между различными характеристиками и параметрами силовой установки (СУ) и планера, а, с другой стороны, появляется возможность формировать более обоснованные требования к системе ЛА и отыскивать оптимальные решения, используя возрастающие возможности современных ЭВМ.
Вместе с тем, при проектировании ГТД выявлены определенные трудности, из-за которых часто оказывается невозможным получать удовлетворительные результаты чисто математическими методами. Это связано с тем, что исходная информация, которую реально удается подготовить для решения задачи оптимизации параметров ГТД, носит прогнозный характер и оказывается, как правило, в значительной степени неполной и неточной. Технические требования к СУ и системе ЛА в целом' таюке имеют прогнозный характер и, вследствие этого, вносят в оптимизацию дополнительный элемент неопределенности. Кроме того, принимаемые решения должны удовлетворять комплексу требований и критериев, многие из которых часто оказываются противоречивыми. Поэтому при начальном проектировании ГТД возникает необходимость решения недетермшшровашгой многомерной задачи оптимизации параметров его рабочего процесса в условиях неопределенности исходной проектной информации и многокритериальной оценки эффективности ЛА.
Другим важным аспектом повышения эффективности создаваемого авиационного ГТД является оптимизация конструктивно-геометрического облика его турбокомпрессора. При этом актуальными в настоящее время являются разработка новых методов оптимизации конструктивной схемы турбокомпрессора и его конструктивно-геометрических параметров, а также создание на их основе специализированных подсистем САПР для формирования оптимального облика турбокомпрессора. В существующих САПР ГТД такие подсистемы либо отсутствуют, либо применяемые в них методы и математические модели зачастую не отвечают современным требованиям.
В условиях кризиса отечественной экономики вопросы конкурентной борьбы приобрели особенную остроту и актуальность. Поэтому важнейшим аспектом современной методологии проектирования авиационных ГТД является экспертиза проекта, которая служит инструментом оценки его качества и основывается на сопоставлении результатов проектирования с их прогнозируемыми значениями на год предполагаемой сертификации двигателя или с параметрами создаваемых в мире лучших образцов двигателей аналогичного типоразмера и назначения. Несмотря на очевидную значимость рассматриваемой проблемы, сегодня в научной литературе обсуждению этого чрезвычайно важного этапа создания двигателя уделяется пока недостаточно внимания. Это отчасти связано с тем, что при оценке НТУ ГТД приходится оперировать большими объемами информации, часть которой не может быть получена формализованными методами. Однако решение указанной проблемы возможно при условии применения автоматизированных баз данных, методов искусственного интеллекта и соответствующих баз знаний в сочетании с существующими методами математического моделирования, т.е. путем создания специальной экспертной подсистемы САПР ГТД.
Целью дайной работы является повышение эффективности и качества создаваемых авиационных ГТД на основе разработки новых методов и средств начальных этапов автоматизированного проектирования двигателя, экспертизы его научно-технического уровня и поиска путей повышения его эффективности в системе ЛА.
Методы исследований. Выполненная работа базируется на теориях ГТД и лопаточных машин, современных методах математического моделирования сложных систем, теории и методах нелинейной оптимизации, теории игр, теории принятия решений, методах искусственного интеллекта, методах системного анализа, теории и методах построения и реализации САПР, методах построения информационных систем.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
-
Анализ существующих методов и средств начального проектирования авиационных ГТД с целью определения основных направлений повышения эффективности двигателя в системе ЛА.
-
Развитие теории и методов начальных этапов проектирования ГТД:
создание методов и средств автоматизированного проектирования рабочего процесса авиационных ГТД в системе ЛА, позволяющих производить многомерную оптимизацию в условиях многокритериальности и неопределенности исходных проектных данных;
разработка универсальных численных методов согласования конструктивно-геометрических параметров и структурно-параметрической оптимизации турбокомпрессоров авиационных ГТД разных схем.
3. Разработка теоретических основ экспертизы научно-технического уровня
проектируемых и созданных ГТД на основе применения, интегральных показателей
эффективности ЛА с данным двигателем, обеспечивающих возможность
сопоставления их с двигателями-конкурентами и достигнутым мировым уровнем.
4. Создание автоматизированного экспертного метода распознавания наиболее
вероятных значений параметров рабочего процесса двигателей-конкурентов при
обычной нехватке опубликованной информации для проведения экспертизы
проектируемого ГТД на предмет его соответствия мировому научно-техническому
уровню.
5. Разработка концепции и методологии построения гибридной экспертной САПР
авиационных ГТД для начальных этапов проектирования и создание ее основных
экспертных подсистем, позволяющих использовать математическое, программное
и информационное обеспечение более высокого уровня с применешіем методов и средств искусственного интеллекта.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Созданы новые методы и средства автоматизированного проектирования рабочего
процесса авиационных ГТД в системе ЛА, реализованные в виде гибридной
экспертной подсистемы, и позволяющие производить с использованием баз знаний
многомерную оптимизацию в условиях многокритериальной оценки ЛА и
неопределенности исходных проектных данных, отыскивать такие сочетания
параметров двигателя, при которых вероятность обеспечить запроектированную
эффективность ЛА будет наибольшей.
Впервые разработаны универсальные численные методы согласования и структурно—параметрической оптимизации схемы и конструктивно-геометрических параметров турбокомпрессоров для автоматизированного проектирования авиационных ГТД разных схем с привлечением баз знаний и баз данных.
Разработаны новые методы и средства экспертизы научно-технического уровня проектируемого или созданного ГТД на принципиально иной основе, чем существующие, с отказом от использования нормативов технического уровня и их долгосрочного прогнозирования для каждого типа и размера двигателя.
Впервые разработан экспертный метод поиска наиболее ращюнальных путей повышения научно-технического уровня и конкурентоспособности авиационного ГТД при его проектировании и модификации.
Создан новый автоматизированный экспертный метод распознавания наиболее вероятных значений параметров рабочего процесса двигателей-конкурентов при нехватке опубликованной информации, основанный на совместном использовании математических и логико-лингвистических моделей.
Впервые разработана и реализована концепция создания гибридной экспертной САПР авиационных ГТД, позволяющая использовать математическое, программное и информационное обеспечения высокого уровня с применением баз знаний, методов и средств искусственного интеллекта.
Практическая значимость. Данная работа относится к важнейшим приоритетным направлениям научных исследований в области авиации. Практическое использоваїше разработанных методов и средств автоматизированного проектирования ГТД, а также других результатов диссертации позволяет:
осуществлять в двигателестроительных ОКБ и отраслевых НИИ различные этапы автоматизированного начального проектирования и экспертизу научно-технического уровня перспективных и модернизируемых двигателей в системе предполагаемого или конкретного ЛА;
осуществлять поиск наиболее рациональных путей повышения научно-технического уровня и конкурентоспособности авиационных ГТД; , .
отыскивать с помощью разработанных методов и средств недостающую информацию о двигателях - конкурентах и формировать соответствующие базы данных;
создавать на основе разработанной методологии и инструментальных программно-информационных средств новое поколение САПР ГТД - гибридные экспертные системы, позволяющие использовать при проектировании не только математические модели, но и базы знаний;
использовать разработанные методы и средства в других областях науки и техники, а также в учебном процессе вузов авиационного профиля в курсах "Теория и расчет ВРД", "Теория и расчет лопаточных машин", "Автоматизированное
6 проектирование ГТД", "Информационные системы", "Экспертные системы", а также в курсовом и дипломном проектировании /3.. .8,49.. .55/.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных автором и под его руководством исследований внедрены в:
ЦИАМ им. П.И. Баранова;
Омском моторостроительном конструкторском бюро (ОМКБ);
Объединении акционерных обществ "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова" (ОАО СНТК "Двигатели НК" имени. Н.Д. Кузнецова);
Центральном специализированном конструкторском бюро (ЦСКБ) г. Самара;
Самарском государственном научно-производственном объединении автоматических систем (НПО АС, г. Самара).
Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) в учебном процессе по дисциплинам "Теория и расчет ВРД", "Теория и расчет лопаточных машин", "Автоматизированное проектирование ГТД", "Информационные системы", а также в управлении научно-исследовательской деятельностью.
Материалу диссертации основаны на исследованиях автора в период с 1975-1999 г.г., выполненных в рамках научно-технических программ Минобразования, Миннауки РФ и по заказам предприятий и организаций.
Отдельные вопросы проектирования ГТД на начальных этапах и создания подсистем САПР послужили темами двух защищенных кандидатских диссертаций, в которых автор являлся научным руководителем.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований и научные положения диссертационной работы докладывались на 34 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Межотраслевой конференции по автоматизированному проектированию ГТД (ЦИАМ 1979, 1981, 1984 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по современным проблемам двигателей и энергетических установок (МАИ 1976, 1981, 1986 г.г. ), на Всесоюзной конференции по методам и средствам машинной диагностики газотурбинных установок и их систем (ХАИ 1983, 1999 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по микроэнергетике (КуАИ 1975,1977,1984 г.г.), на научно-методической конференции КуАИ-СГАУ (1984, 1993, 1995, 1996, 1997, 1998 г.г.), на Всесоюзной конференции по газотурбинным и комбинированным установкам (МВТУ им. Баумана Н.Э. 1979, 1983г.г.), на Всесоюзной научно-методической конференции (МАИ, 1983, 1984 г.г.), на Всесоюзной конференции (Новосибирск, 1988 г.), на научно-методической конференции (Ленинград, 1987, 1989 г.г.), , на семинаре "Использование искусственного интеллекта в автоматизированных системах" (Научный Совет по комплексным проблемам управления и навигации АН СССР, Куйбышев, 1989, 1990 г.г.), на научно-технической конференции ассоциации "РЕЛАРН" (Самара 1998 1999 г.гЛ на Региональной научно-практической конференции "Проблемы обеспечения качества продукции, сертификационных и метрологических услуг" (Самара, 1998 г.), на международной научно-технической конференции по проблемам и перспективам развития двигателестроения (Самара, 1997, 1999 г.г.).
Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах предприятий, внедрявших результаты диссертации: ЦИАМ (НТС отдела 006 в 1986, 1987,1990,1991 г.г.), НЛП им. ВЛ. Климова (НТС в 1992г.), Омское моторостроительное конструкторское бюро (НТС в 1990 г.), СКБМ (НТС 1993г.), СНТК им. Н.Д. Кузнецова (НТС 1979, 1994, 1999 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 2 монографии (деп.), 6 учебных пособий (одно из них монографическое), 34 статьи, 12 методических указаний, 20 тезисов, получены 2 свидетельства РосАПО на программно-информационные системы, выпущено 63 научно-технических отчета.
Личный вклад автора. Автору принадлежат: выбор направления исследований, основные идеи методов, алгоритмов и математических моделей многомерной многокритериальной оптимизации параметров рабочего процесса ГТД в условиях неопределенности, проектирования оптимального турбокомпрессора, экспертизы научно-технического уровня ГТД; разработка концепции построения и реализации гибридной экспертной САПР ГТД; руководство и непосредственное участие в создании ее подсистем; личное участие в проведении компьютерных экспериментов и расчетов, выполненных в рамках данного исследования.
Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоит в непосредственном его участии в них на всех стадиях, начиная от общей постановки задачи до проведения численных экспериментов и внедрения созданных методов, средств и полученных результатов.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 349 страницах, включая 45 таблиц и 95 рисунков. Список использованных источников состоит из 278 наименований.
