CC BY
247
LIFE TESTING OF PIPELINE ELEMENTS
© 2012 O. M. Boltenkova1, O. Yu. Davydov1, V. G.Yegorov2
Voronezh State University of Engineering Technologies 2Research Institute of Automated Production and Control Facilities plc
Life tests of pipeline elements such as a strongly curved branch pipe by pulsating internal pressure have been carried out. In the course of the tests it was established that the pipes formed by flexible pushing through a die with the internal pressure of the filler and those produced by flexible expansion with elastic medium have cyclic longevity exceeding the resource of an airframe.
Life test, tubular parts, longevity, pulsating pressure.
Информация об авторах
Болтенкова Оксана Михайловна, аспирант кафедры «Техническая механика», ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий». E-mail: boltenkova0210@mail.ru. Область научных интересов: обработка давлением применительно к процессам формообразования элементов трубопроводных систем эластичными средами.
Давыдов Олег Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика», ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий». E-mail: dav 61@mail.ru. Область научных интересов: обработка давлением применительно к процессам формообразования элементов трубопроводных систем эластичными средами.
Егоров Владислав Геннадьевич, доктор технических наук, профессор, генеральный директор, ОАО «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств производства и контроля». E-mail: akvapaskal@mail.ru. Область научных интересов: обработка давлением применительно к процессам формообразования элементов трубопроводных систем эластичными средами.
Boltenkova Oksana Mikhailovna, postgraduate student, the department of technical mechanics, Voronezh State University of Engineering Technologies. E-mail: boltenkova0210@mail.ru. Area of research: plastic working as applied to the processes of shaping elements of pipeline systems by elastic media.
Davydov Oleg Yurievich, candidate of technical science, associate professor, the department of technical mechanics, Voronezh State University of Engineering Technologies. Email: dav 61@mail.ru. Area of research: plastic working as applied to the processes of shaping elements of pipeline systems by elastic media.
Yegorov Vladislav Guennadievich, doctor of technical science, professor, general director of the Research Institute of Automated Production and Control Facilities. E-mail: akvapaska@mail.ru. Area of research: plastic working as applied to the processes of shaping elements of pipeline systems by elastic media.
УДК 629.7.01
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ 3D МОДЕЛИ САМОЛЁТА НА ЭТАПЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ
© 2012 Н. М. Боргест1, Р. Х. Алеев1, П. А. Аксаньян2, А. А. Громов1
1Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет) 2ОАО «Авиакор - авиационный завод», г. Самара
Рассматриваются вопросы автоматизации построения 3Б модели облика самолёта на этапе технических предложений. Представлены результаты разработанной параметрической 3Б модели самолётов традиционных схем в системе автоматизированного проектирования (САПР) САТ1А с изменяемыми параметрами основных агрегатов самолёта. Основное внимание уделено построению внешней и внутренней компоновки самолёта, определению предварительной конструктивно-силовой схемы основных агрегатов самолёта и согласованию её с компоновочными решениями в автоматическом режиме.
Самолёт, проектирование, САПР, CATIA, параметрическая 3D модель самолёта, UDF, исходная матрица проекта, компоновка.
Введение
Проектирование самолёта представляет собой сложный многодисциплинарный процесс, цель которого состоит в поиске рационального сочетания проектных параметров, которое наилучшим образом удовлетворяло бы поставленным задачам и выбранным критериям.
Этап разработки технических предложений (аванпроект, предварительное проектирование) играет особую роль в общем процессе проектирования самолёта. Занимая промежуточное положение между этапами разработки технического задания (ТЗ) и эскизного проектирования, этап разработки технических предложений (ТП) в значительной мере определяет выбор параметров и характеристик самолёта [1, 2]. Следует отметить, что ранние стадии проектирования занимают около 10% трудозатрат, но при этом принимается до 80% решений при недостаточной или, наоборот, избыточной информации [1, 3]. Одной из важнейших задач на этапе разработки ТП является синтез облика самолёта, проработка его внутренней и
внешней компоновки, когда необходимо в сжатые сроки проанализировать различные варианты схемных решений и при этом избежать принципиальных ошибок. Моделирование множества возможных допустимых вариантов вручную является очень трудоёмким процессом, а внесение изменений в них требует значительных временных затрат [4, 5].
Параметрическое моделирование в промышленных САПР позволяет ускорить не только этап разработки ТП, но и значительно повлиять на последующие этапы, т.к. появляется возможность работы с одной моделью на протяжении практически всего цикла проектирования самолёта.
Геометрическая модель является главным источником информации, необходимой для проведения оптимизационных исследований по различным критериям, т.к. позволяет на её основе в короткие сроки получать модели для аэродинамического, весового и прочностного анализов [6, 7] (рис. 1).
Рис. 1. Взаимосвязи между различными моделями
Цель исследования
Целью исследования является разработка параметрической 3Б модели гражданского самолёта, позволяющей проектировщику проводить целенаправленную модификацию проекта самолёта в автоматическом режиме, в результате чего выполнялось бы адекватное и непротиворечивое преобразование облика 3Б модели самолёта, и осуществлять параметрический анализ чувствительности проекта к изменению вариантов схемных решений, проектных параметров и проектных ограничений.
Анализ публикаций [4, 6, 7, 12-15] показывает, что, несмотря на большое количество работ по автоматизации проектирования самолётов, в них недостаточно проработаны либо отсутствуют вовсе процедуры автоматического формирования трёхмерной модели облика самолёта в среде промышленных САПР на ранних этапах проектирования. Отсутствие общепринятых стандартов в данной предметной области осложняет решение данной задачи [8]. Традиционно проектные работы в этой области ведутся с применением опыта и эрудиции проектировщиков с частичным применением программных комплексов с целью анализа уже принятых решений.
Параметрическая 3D модель самолёта
Параметрическая 3Б модель самолёта (рис. 2) является частью разрабатываемой на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов СГАУ интеллектуального помощника проектанта, условно названного «Робот-конструктор самолёта» [9]. Эта экспериментальная модель создана для отработки процесса автоматизации формирования облика самолёта. Модель не привязана к конкретному типу или проекту самолёта, на её основе можно построить практически любой проект самолёта классической схемы, используя выбранные или рассчитанные проектные параметры.
Рис. 2. Параметрическая 3D модель самолёта
Представленная параметрическая 3Б модель самолёта была создана в системе САТ1А У5 Ю9, являющейся современной САПР с последовательной объектноориентированной архитектурой. Набор имеющихся в ней инструментов, арсенал которых включает возможность формулировки правил взаимосвязи параметров, проверку накладываемых условий проектирования и создание аналитических зависимостей для автоматической реализации функций проектирования, позволяет создавать сложные параметрические модели объектов, в том числе частей самолёта в виде шаблонов.
Шаблон в понятиях САТ1А представляет собой структуру построений, определяемую проектировщиком, геометрические параметры которой зависят от накладываемых условий, правил и ограничений. При использовании шаблонов проектировщику требуется лишь ввести входные данные. На их основе строятся элементы или целые конструкции по заложенным в них алгоритмам, генерируя результат, который можно использовать в дальнейшем проектировании [10]. Шаблоны дают возможность однажды создан-
ные алгоритмы применять повторно к другим построениям, получая при этом новый результат.
В представленной работе в качестве инструмента автоматизации использовались шаблоны типа UDF (User-Defined Feature), которые представляют собой особый вид примитивов САПР CATIA, внутри которых может находиться любое количество деревьев построения, связанных с любым количеством средств автоматизации CATIA. Например, это могут быть несколько наборов данных с формулами, правилами и реакциями на события, которые в UDF будут представлены одним элементом и несколькими примитивами вывода результатов работы шаблона со своими деревьями параметров и персональными диалоговыми окнами [10]. На рис. 3 представлен пример автоматизированного построения силового набора крыла при помощи UDF шаблона.
Построенный в модели силовой набор крыла отражает заложенные в неё знания конструктора о типовых решениях, используемых в данном классе самолетов.
Рис. 3. Пример построения силового набора крыла при помощи UDF шаблона в разработанной модели
Исходная матрица проекта самолёта
Исходная матрица проекта в конечном итоге представляет собой табличный файл MS Excel, в который занесены все проектные параметры самолёта и сценарии, необходимые для автоматизации построения модели, т. е. набор таблиц со значениями геометрических и иных параметров самолётов. Главным преимущест-
вом при использовании таких таблиц проектировщиком является то, что от него не требуется никаких особых навыков работы в конкретной CAD системе. Все геометрические параметры 3D модели самолёта управляются и изменяются через интерфейс MS Excel в автоматическом режиме. На рис. 4 представлен фрагмент исходной матрицы проекта для внешней геометрии крыла.
А В
1 Размах крыла 1 (т) 18,350
2 Площадь крыла В (ш2) 39,600
3 Удлинение крыла X 8,500
4 Эффективное удлинение крыла Аэф 7,010
5 Сужение крыла г| 1,654
6 Угол стреловидности крыла по передней кромке у (Лея) 0,000
7 Угол стреловидности крыла по линии четверти хорд х (<1ея) 0,000
8 Угол поперечного V крыла (<^) 0,000
9 Длина излома крыла (т) 2,753
10 Угол установки крыла (<1е$ 0,000
11 Длина цешральной хорды крыла Ъо (т) 2,520
12 Тип аэродинамического профиля в центральном сечении (напишите номер по списку из каталога) 19,000
13 Наличие излома крыла (1-да, 2-нет) 2,000
14 Относительная длина излома крыла 0,300
15 Относительная толщина профиля в центральном сечении 0,170
16 Длина хорды первого промежуточного сечения (т) 2,220
17 Тип аэродинамического профиля в первом промежуточном сечении (нашлите номер по списку’ из каталога) 19,000
18 Относительная толщина профиля в первом промежуточном сечении 0,170
19 Геометрическая крутка первого промежуточного сечения крыла (йей 0,000
20 Относительное расстояние до первого промежуточного сечения крьша (относительно полуразмаха крыла) 0,300
21 Длина хорды второго промежуточного сечения (га) 1,872
22 Тип аэродинамического профиля во втором промежуточном сечении (нашпиите номер по списку из каталога) 19,000
23 Относительная толщина профиля во втором промежуточном сечении 0,170
24 Относительное расстояние до второго промежуточного сечения крыла (относительно полуразмаха крыла) 0,650
Рис. 4. Фрагмент исходной матрицы проекта внешней геометрии крыла самолёта
Исходная матрица проекта представляет собой набор файлов:
- файл данных о каркасах крыла, оперения и фюзеляжа. В нём хранится информация о геометрии силового набора самолёта: количество силовых элементов и их шаги, типы профилей и их размеры и т.д.;
- файл данных о компоновке пассажирского салона и грузового отсека. В нём хранится информация о количестве кресел в ряду, шаге между рядами, соотношении длин пассажирских кабин разных классов, количестве грузовых контейнеров и т. д.;
- файл данных о внешних обводах самолёта. Данные в нём можно разделить на абсолютные и относительные. В абсолютном виде определяются (задаются или рассчитываются) лишь площадь крыла Бкр и диаметр миделевой части фюзеляжа Бмф, либо эквивалентный диаметр Бэкв. Все остальные данные задаются или определяются в относительном виде. К ним относятся: удлинение крыла Хкр, сужение крыла пкр, угол стреловидности крыла %кр,
относительные плечи горизонтального и вертикального оперения и др. Абсолютные значения геометрических параметров самолёта доопределяются, исходя из рассчитанных на предыдущих этапах значений Бкр и Бмф и выбранных или оптимизированных относительных параметров. В данном блоке также содержатся база аэродинамических профилей крыла и оперения, значения их геометрических параметров;
- файл высотно-скоростных характеристик двигателей;
- файл предварительных аэродинамических характеристик проекта самолёта;
- файл весовой сводки проекта самолёта.
Внешняя геометрия самолёта
Внешняя геометрия зачастую оптимизируется исходя из соображений аэродинамики, вследствие чего требуется довольно высокая чувствительность модели
к изменениям геометрических параметров.
Модель внешней геометрии содержит более 200 параметров (позиции, длины, углы, плечи, отношения), а также многочисленные элементы, входящие в пользовательские библиотеки (типы аэродинамических профилей, каталоги колёс опор шасси). Проектные параметры можно варьировать одновременно либо по отдельности, согласно предопределённой конфигурации самолёта и выбранному критерию эффективности (для большин-
ства случаев на данном этапе проектирования таким критерием является взлётная масса самолёта).
В частности, на примере крыла, внешняя геометрия определяется четырьмя сечениями (рис. 5):
Ь0- центральное сечение крыла -часть крыла, скрытая в фюзеляже;
Ь1- первое промежуточное сечение крыла;
Ь2- второе промежуточное сечение крыла;
^- концевое сечение крыла.
Рис. 5. Внешняя геометрия крыла в плане
Каждое сечение профиля описывается следующими параметрами: тип аэродинамического профиля, его расположение по размаху ^, местная хорда Ьь геометрическая крутка, угол стреловидности по линии четверти хорд Х1/4. В свою очередь, местные хорды крыла вычисляются автоматически в зависимости от заданных проектировщиком или оптимизированных значений удлинения Хкр и сужения Пкр крыла.
Информация о параметризованных аэродинамических профилях хранится в отдельно созданном пользовательском каталоге, что облегчает совместную раз-
работку проекта, поскольку они могут быть доступными для других пользователей и/или процессов. Во время генерации поверхности крыла используются сценарии базы знаний, созданных в САПР CATIA, позволяющие автоматически получить доступ к библиотеке профилей крыла и оперения и задать им соответствующие параметры.
На рис. 6 в качестве примера показаны модели крыла самолёта с круткой и без, а на рис. 7 представлены различные конфигурации внешней геометрии самолёта, созданные из одной модели.
Рис. 6. Геометрические модели крыла самолёта: а - без крутки; б - с круткой
Зи-Ш , ^ ■ Л/
!1*р’
I
Ь-5 Х”0" Xм"554
Рис. 7. Примеры различных конфигураций внешней геометрии модели самолёта
Компоновка самолёта
Важным этапом проектирования является создание модели распределения внутреннего пространства. Необходимость размещения заданного числа пассажиров, служебно-бытовых помещений, элементов каркаса, различных систем и оборудования делает задачу многовариантной, а сам процесс компоновки трудоёмким.
Эта проблема была решена с помощью создания библиотек типовых элементов и средств работы с базами знаний (Knowledge Advisor) в системе CATIA, которые позволяют реализовать автоматическую увязку элементов внутренней структуры с теоретическими обводами агрегатов самолёта.
Процесс компоновки включает в себя выбор оптимальных геометрических параметров и размеров элементов конструкции. С целью ускорения этого процесса были созданы параметрические шаблоны типовых элементов конструкции -лонжероны, рядовые и силовые шпангоуты, нервюры, стрингеры, продольные и поперечные балки пола. Все сопрягаемые элементы при этом завязаны между собой ассоциативной связью. На рис. 8 представлен фрагмент подсборки параметри-
ческих шаблонов элементов каркаса фюзеляжа в регулярной зоне.
Рис. 8. Подсборка параметрических шаблонов элементов каркаса фюзеляжа самолёта в разработанной модели
Пассажирская кабина самолёта во многом определяет его размеры и, следовательно, аэродинамические, массовые и технико-экономические характеристики. Диаметр фюзеляжа Бмф выбирается из условий получения минимального миделе-вого сечения Бф и выполнения важнейших компоновочных требований в зависимости от варианта компоновки (класса пассажирского салона), высоты пассажирского салона и высоты багажных отсеков, расположенных под ним [1, 2, 11] (рис. 9, 10).
а) б)
Рис. 9. Примеры компоновок пассажирского салона в разработанной 3Б модели: а - 4 кресла в ряду и 4 ряда в бизнес-классе; б - 6 кресел в ряду и 6 рядов в бизнес-классе
Рис. 10. Фрагмент модели распределения внутреннего пространства фюзеляжа
в разработанной 3Б модели
На заключительном этапе создаются сборочные модели агрегатов самолёта. В качестве примера на рис. 11 представлены параметрические сборочные модели агрегатов самолёта. Ассоциативные связи и параметризация всех элементов позволя-
ют значительно ускорить процесс проектирования, дают возможность уточнить конструктивно-силовые схемы агрегатов и в результате провести расчёт массы и спрогнозировать дальнейшие технологические особенности самолёта.
Рис. 11 Сборочные модели агрегатов самолёта: а - сборочная модель фюзеляжа; б - сборочная модель крыла, двигателей и шасси; в - сборочная модель горизонтального оперения; г - сборочная модель вертикального оперения
Заключение
В рамках разрабатываемого на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва программного комплекса автоматизированного проектирования самолёта традиционной схемы в среде промышленной САПР САТ1А построена 3Б модель самолёта.
Дальнейшее развитие программного комплекса предполагает:
• более подробную проработку параметрической 3Б модели: формализация процесса формирования конструктивносиловых схем агрегатов самолёта, модели распределения внутреннего пространства и компоновки самолёта;
• совершенствование расчётов масс агрегатов самолёта;
• развитие баз знаний конструктора, моделирующих реальную обстановку на этапе эскизного проектирования;
• подготовку модели к оптимизационным исследованиям.
Библиографический список
1. Егер, С. М. Основы автоматизи-
рованного проектирования самолётов [Текст] / С. М. Егер, Н. К. Лисейцев, О. С. Самойлович. - М.: Машиностроение,
1984. - 232 с.
2. Машиностроение. [Текст]: энциклопедия / ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др.;Самолёты и вертолёты. Т. IV-21; Проектирование, конструкции и системы самолётов и вертолётов. Кн.2 / А. М. Матвеенко, А. И. Акимов, М. Г. Акопов [и др.]; под общ.ред. А. М. Матвеенко. - М.: Машиностроение, 2004. - 752 с.
3. Концептуальное проектирование самолёта [Текст]: учеб. пособие / [С. М. Комаров и др.]. - Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2011. - 140 с.
4. Ledermann, C. Dynamic CAD objects for structural optimization in preliminary aircraft design [Text] / C. Ledermann, P. Ermanni, R. Kelm // Aerospace Science and Technology. - 2005. - № 9. - P. 601-610.
5. Черепашков, А. А. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машино-
строении [Текст] / А. А. Черепашков, Н. В. Носов. - Волгоград: Издательский дом «Ин-Фолио», 2009. - 640 с.
6. Associative parametric CAE methods in the aircraft pre-design [Text] / C. Led-ermann, C. Hanske, J. Wenzel [et al.] // Aerospace Science and Technology. - 2005. -№ 9. - P. 641-651.
7. Multidisciplinary aircraft design and evaluation software integrating CAD, analysis, database, and optimization [Text] / H. Y. Hwang, K. J. Jung, I. M. Kang [et al.] // Advances in Engineering Software. - 2006. -№ 37. - P. 312-326.
8. Шенг, Х. Правильный подход к
использованию 3D программ на машиностроительных предприятиях
[Текст] / Х. Шенг // САПР и графика. -2012. - №4. - №4. - 97 с.
9. Боргест, Н. М. Разработка интер-
фейса интеллектуального помощника проектанта [Текст] / Н. М. Боргест, Р. В. Чернов, Д. В. Шустова // Материалы международной научно-технической конференции 0STIS-2011. - Минск:
БГУИР, 2011. - С.21-58.
10. Возможности автоматизации моделирования в CATIA: специальные инструменты и их возможности
[Электронный ресурс] /
кйр8://ёос8.аооа1е.сош/Ше/ё/0Бу-
Ми9ЬкЩНА2Бкк2уШшРуК2А/е&1.
11. Курс лекций проф. Дитера
Шмитта [Электронный ресурс] /
http://www.ssau.ru/fi1es/events/AirTransport SystemSamara2012V1_
12. Пухов, А. А. Автоматизация проектирования дозвуковых грузо-пассажирских самолётов [Текст]: дис.... д-ра. техн. наук/ А. А. Пухов - М., 2005. - 248 с.
13. Мальчевский, В. В. Матричнотопологический метод синтеза схемы и компоновки самолёта (опыт автоматизации творческой деятельности конструктора) [Текст] / В. В. Мальчевский. - М.: Изд-во МАИ, 2011. - 356 с.
14. Куприков, М. Ю. Влияние инфраструктурных ограничений на облик перспективного дальнемагистрального самолёта [Текст] / М. Ю. Куприков, С. В. Максимов // Изв. вузов Авиационная техника. - 1999. - №1. - С.52-55.
15. Боргест, Н. М. Автоматизация предварительного проектирования самолёта [Текст]: учеб. пособие / Н. М. Боргест. - Самара: Самар. авиац. ин-т, 1992. - 92 с.
AUTOMATED CONSTRUCTION OF A 3D PLANE MODEL AT THE STAGE
OF TECHNICAL PROPOSALS
© 2012 N. M. Borgest1, R. H. Aleev1, P. A. Aksanian2, A. A. Gromov1
1Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov
(National Research University)
2"Aviakor- Aircraft Plant"plc, Samara
The paper deals with the problems of automation in constructing 3D models of plane configuration at the stage of technical proposals. The results of the developed parametrical 3D model of traditional-configuration planes in the CAD CATIA system with changeable parameters of the plane’s main units are presented. The emphasis is on the creation of the plane’s external and internal configuration, the determination of a preliminary constructive scheme of the plane’s main units and its coordination with the layout designs in the automatic mode.
Plane, design, CAD, CATIA, parametrical 3D model of a plane, UDF, initial matrix of the project, configuration.
Информация об авторах
Боргест Николай Михайлович, кандидат технических наук, профессор кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: borgest@yandex.ru. Область научных интересов: онтология проектирования, искусственный интеллект, системы автоматизированного проектирования.
Алеев Руслан Халилович, студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). Область научных интересов: системы автоматизированного проектирования.
Аксаньян Пётр Алексеевич, заместитель начальника центра агрегатной сборки, ОАО «Авиакор - авиационный завод». Область научных интересов: системы автоматизированного проектирования, технологии производства самолетов.
Громов Алексей Александрович, студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: gomer 191@mail.ru. Область научных интересов: системы автоматизированного проектирования.
Borgest Nikolay Mihajlovich, candidate of technical science, professor of the department of aircraft design, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: borgest@yandex.ru. Area of research: ontology of designing, artificial intelligence, computer-aided design systems.
Aleev Ruslan Halilovich, undergraduate student, the faculty of aircraft construction, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). Area of research: computer-aided design systems.
Aksanjan Peter Alekseevich, deputy head of the unit assembly centre, «Aviakor-aicraft plant» plc. Area of research: computer-aided design systems.
Gromov Alexey Aleksandrovich, undergraduate student, the faculty of aircraft construction, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: gomer191 @mail.ru. Area of research: computer-aided design systems.
