CC BY
14Формализация процедур эскизного проектирования фюзеляжа воздушного судна с помощью программного средства
«FuseCAD»
Быкова И. С., Припадчев А. Д. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
Аннотация: в представленной статье изложена структура функциональной модели процесса эскизного проектирования элементов магистрального воздушного судна, а также разработанная на ее основе методика автоматизированного проектирования элементов магистрального воздушного судна. Для реалииза-ции данной методики, а именно этапа расчета характеристик воздушного судна, а также построения его 3^0-модели, разработано программное средство ЕтеСЛБ, отличающееся возможностью скорректировать результат по выбранному критерию и построить 3^-мо-дели ВС и компоновки его пассажирского салона с применением ЛР/-функций СЛО-сис-тем.
Ключевые слова: элемент воздушного судна; функциональное моделирование; магистральное воздушное судно; объектно-ориентированное программирование; эскизный проект; автоматизация проектирования.
1. АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Фюзеляж магистрального воздушного судна (ВС) — агрегат планера, соединительный элемент между основными частями ВС: несущими поверхностями (крылом и хвостовым оперением), шасси, двигателем и т.д., место размещения целевой нагрузки ВС.
Проектирование фюзеляжа связано с учетом множества конструктивно-геометрических, масс-совых, прочностных характеристик, требований заказчика к размещению пассажиров и т. д. Жесткая конкуренция на рынке магистральных ВС заставляет их производителей прибегать к автоматизации на всех этапах жизненного цикла ВС, в том числе, на этапе проектирования.
На текущий момент большинство комплексных САПР имеют существенный недостаток: в них отсутствует подсистема расчета аэродинамических и летно-технических характеристик, используемая на наиболее наукоемкой стадии эскизного проектирования, вместе с тем затраты на ранние стадии проектирования достигают 40 % стоимости создания сложных технических объектов.
Таким образом, имеются нерешенные задачи: отсутствуют комплексные методики синтеза и
анализа проектных решений по фюзеляжу ВС на основе его моделирования с учетом режимных, прочностных, аэродинамических, массовых характеристик и характеристик пассажирского салона; отсутствует критерий для оптимизации фюзеляжа ВС, учитывающий вышеуказанные характеристики; отсутствует модуль проектирования компоновки пассажирского салона фюзеляжа для создания семейства магистральных ВС.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
При формализации процесса эскизного проектирования фюзеляжа для магистрального ВС процесс описывается математической моделью, которая позволяет перейти от решения отдельных задач к проектированию единой сложной системы. Под математической моделью будем понимать формально описанную систему, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам необходимую информацию об этом объекте.
Математическое моделирование в процессе эскизного проектирования фюзеляжа для магистрального ВС состоит из нескольких этапов:
а) рациональное осмысление математической модели;
б) отождествление модели с помощью экспериментов;
в) сопоставление математических и теоретических исследований модели;
г) проверка модели на адекватность.
Выявленные характеристики фюзеляжа и их
параметры, влияющие на автоматизацию пред-проектных исследований фюзеляжа, являются основой структуры математической модели, состоящей из отдельных множеств характеристик: конструктивно-геометрических; массовых; режимных; аэродинамических; прочностных; эргономических характеристик.
Используя данный структурообразующий принцип, сформируем алгоритм выполнения стадии предпроектных исследований нового или модификации существующего фюзеляжа магистрального ВС с учетом требований заказчика (предварительное техническое задание на разработку проектного решения фюзеляжа), статистических сведений по данному типу ВС и Норм
летной годности для ВС данной категории (АП-25), Рис. 1.
Уменьшение взлетной массы для проектирования ВС имеет тактическое значение.
так как вследствие этого также снижается удельный расход топлива, затраты материалов, энергии и трудоемкость проектирования ВС.
Предварительное техническое задание на разработку проектного решения фюзеляжа
Статистика
Требования Норм летной годности соответствующей категории АП-25
I___
i
1 1
I
oj
1
1 и
е-
I
1 I
-ч:
I
II tl
¡1 |1
I
_L
Формулировка задачи Мора оптимальных (рациональных! характеристик фюзеляжа ВС
- Шор критерия оптимизации параметров характеристик фюзеляжа ВС и составление целевой функции с учетом весового интегрального коэффициента /к6и I
- ранжирование частных критериев,
- установление ограничений для неаптимизируемых характеристик и их I
1. Выбор оптимальных ¡рациональных/значений параметров групп характеристик
- конструктивно-геометрических - 1ф, дф, ('ф, Fnip, Хф. ÀH4,
- массовых - тк, ткр, тф, mm.mw.m„.
- режимных - L. V,
- аэродинамических - СхаВ8фтх. Сха0ф,
- прочностных - Fcmi0, Jx. H. В. S. ag. op. y,
- эргономических - L^.B^.S^. V^.
ydoô/iemôûpfiDuiux целебои функции через значение klu
2. Построение трехмерной модели фюзеляжа ВС и компоновки пассажирского салона по полученным значениям параметров характеристик и экспорт модели в CAD- систему
1. Исследование и решение задач вычислительной аэродинамики фюзеляжа с помощью компьютерного моделирования 2. Физическое моделирование воздействия среды на фюзеляж
J
_L
Следующий этап проектирования
Рис. 1. Алгоритм выполнения стадии эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС
Задача проектирования рационального для конкретного типа ВС фюзеляжа с учетом минимизации взлетной массы при сохранении (увеличении) количества пассажиров представлена целевой функцией, вычисляют по формуле
I = т0 ■ кв.и. ^ т1П (1)
где то'- взлетная масса ВС, кг;
кеи - весовой интегральный коэффициент.
Показателем эффективности ВС является весовой интегральный коэффициент. Весовой интегральный коэффициент представляется необходимым для учета в процессе проектирова-
ния фюзеляжа магистрального ВС значения параметров характеристик всех групп, используемых в качестве входных, так как ни связь с массовыми, ни связь с геометрическими параметрами не отражает многопараметрической сущности взлетной массы ВС. Весовой интегральный коэффициент является функцией
нескольких характеристик весового совершенства ВС, вычисляют по формуле
ke.и. (тком.нагр ^т0) * квес\ ^ (тп.сн Jппасс) *
* квесл ^ ^омыв. * квесл ^ Тб ' квесл ^ Тсв * квесл
(2)
где (ткоммагр/т0) - весовая отдача в относительных единицах, один из показателей совершенства ВС, отношение полезной нагрузки к расчетной взлетной массе, то есть к той, при которой прочность ВС удовлетворяет требованиям «Норм летной годности» (АП-25);
(т„.сн. /„пасс) - отношение массы пустого снаряженного ВС к количеству пассажирских мест, весовые затраты на одно пассажирское место, в относительных единицах;
8 омыв. - омываемая площадь поверхности планера, в относительных единицах, учитывает связь геометрических характеристик с взлетной массой ВС;
Тб - погонное касательное усилие в боковинах фюзеляжа, в относительных единицах;
Тсв - погонное касательное усилие в сводах фюзеляжа, в относительных единицах;
квес1 весовой коэффициент (ранг),
закрепленный за каждым параметром.
Определение весовых коэффициентов осуществляется согласно правилу нормирования рангов.
Определены параметрические, дискретизи-рующие и функциональные ограничения, накладываемые на параметры фюзеляжа, для обеспечения им заданных функций, обусловленные АП-25: Нормами летной годности самолетов транспортной категории, нормами прочности, требованиями к лётным характеристикам, устойчивости и управляемости, требованиями к конструкции летательных аппаратов. Система ограничений имеет следующий вид: Т
Ограничения
S>-
об разр
m(Fcmp +
стр + S) >а
МР
разр
H'
об
разр
0 < х < l
■■ 0,3а1
об
в ;
Ф;
500 < Len < 1000; 0,5 < / < 1;
к4 = {0,0; 0,003
F
0
amp' x р
J ; Н ; .В; S;
Переменными служат параметры, определяемые во входных данных:
- конструктивно-геометрические (длина — 1ф, м; диаметр (ёф, м), объем (Уф, м2) фюзеляжа);
- массовые (масса агрегатов ВС, относительная и абсолютная (Шк, Шкр, Шф, Шоп, Шщ, тт, кг));
- режимные (дальность полета (L, км) и рейсовая скорость (V, км/ч));
- аэродинамические (волновое (Сха ввфшах) и лобовое (Cxa оф) сопротивление);
- прочностные (характеристики сечения стрингера (F^p0, Jx, H, B, S) и толщины обшивки (ов, Ор, у));
- эргономические (длина (£каб, м) и ширина (Вкаб, м) пассажирской кабины, площадь гардеробов (&ард, м2), объем (Vp, м3), необходимый для грузов и т.д.).
Математическая модель доведена до уровня пакета прикладных программ.
На основе разработанного алгоритма алгоритма выполнения стадии эскизного проектирования фюзеляжа магистрального ВС разработана программа для ЭВМ «FuseCAD, включающая в себя реализацию информационного (база данных), прикладного программного и алгоритмического (частные алгоритмы расчета отдельных групп характеристик) обеспечения.
Входные данные определяются проектировщиком или ТЗ на проектирование от заказчика.
Каждый этап расчета реализуется с помощью отдельного модуля программы, на Рис. 2 представлена экранная форма расчета массовых характеристик фюзеляжа.
После каждого шага расчета значений характеристик текущей группы пользователь принимается решение об их соответствии ТЗ. При положительном решении система приступает к следующему шагу расчета, при отрицательном возвращает пользователя на предыдущий для пересчета.
Согласно рассчитанным значениям характеристик, программа генерирует 3D-модель фюзеляжа ВС с помощью кроссплатформенного программного интерфейса OpenGL, Рис. 3 с возможностью экспорта 3D-модели в САПР «Компас» посредством технологии API.
Информационное обеспечение представлено в виде базы данных (БД) сортамента прессованных профилей для силовых элементов фюзеляжа (стрингеров). Обращение к базе БД происходит на этапе расчета прочностных характеристик.
ав; ап; Е; у.
cm
Рис. 2. Экранные формы расчета массовых характеристик
---—-'-~--
Рис. 3. Пример 3Б-модели фюзеляжа
Программный модуль расчета целевой функции представляет возможность расчета выходных параметров, используя закономерности изменения значения целевой функции при изменении значений выходных характеристик в установленных интервалах в соответствии с ограничениями. Программная система позволяет пользователю присвоить новое значение параметра согласно графику и в соответствии с присвоенным значением пересчитать значения
остальных выходных параметров. И, тем самым, корректировать результат эскизного проектирования фюзеляжа ВС, получая вариант с наиболее рациональными параметрами по критерию минимальной взлетной массы.
Результатом выполнения данной процедуры служит график зависимости целевой функции от длины фюзеляжа, представленный на вкладке «Расчет целевой функции», Рис. 4.
Рис. 4. Зависимость целевой функции от длины фюзеляжа
Далее выполнено компьютерное моделирование движения текучей среды в системе ANSYS на базе модуля Fluent. Это позволило определить изменение числа
Рейнольдса Яв (аэродинамические характеристики), температуры и кинематической скорости, выявить закономерности обтекания.
Результаты представляются в графическом виде (примеры на Рис. 5, 6).
U=-low IF .,ont:F..m -о о; pom B*|M№SOa &--_ ■ -;-^-' » — - ---
tile Mesft Define Solve Adapt Surface Display Repot Parattel View Help
• a ■ ■■ . о•:• •. • «яIB-
Mestl
AttSYS Fluent Id 5
Setting zone id of inlet to 6 Sotting zone id Of Outlet to 7 Done.
Setting solid (Mixture) . Done-Setting wall-solid (Mixture) Done. Setting interior-solid (Mixture) . Done Setting inlet (Mixture) Done Setting outlet (Mixture) ... Done
Done
Рис. 5. Установление общих параметров для анализа CFD
Рис. 6. Фрагмент анимированного распределения
Таким образом, выполнена верификация программного обеспечения путем сравнения результатов компьютерного моделирования с результатами продувок физической модели в аэродинамической трубе, что показало расхождение результатов в пределах 7 %.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Белоцерковский, А.С. Создание и применение математических моделей самолетов / А.С. Белоцерковский. - М.: Наука, 1984. - 144 с.
[2] Припадчев, А.Д. Математические модели, применяемые для пассажирских перевозок. Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM / А.Д. Припадчев // Сборник статей III Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009.
[3] Bykova, I. S. Mathematical Simulation in the Scope of Prefeasibility Study of Fuselages of Long Distance Aircraft / A. A. Gorbunov, A. D. Pripadchev,
I. S. Bykova // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. - 2016. - Vol.12. - № 6. - Р. 4883 -4892.
[4] Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016614029. Программа для автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна / И.С. Быкова, А.Д. Припадчев, А.А. Горбунов; заявитель и правообладатель Федерал.гос. бюдж. образоват. учреждение высш. образования «Оренб. гос. ун-т». - № 2016614029; заявл. 24.07.2015 г. ; зарегистр. 12.04.2016. - 1 с.[5] Клиланд, Д. Системный анализ и целевое управление / Д. Клиланд,
В. Кинг. - М.: Сов. Радио, 1974. - 280 с.
[5]. Бахвалов, Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков,
Г.Г. Кобельков. - 8-е изд. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. - 268 с.
Formalization of Procedures for the Outline Design of the Fuselage of an Aircraft Using the Software «FuseCAD»
I.S. BYKOVA, A.D. PRIPADCHEV
Abstract: In the presented article, the structure of the functional model of the process of sketch design of the trunk aircraft elements is described, as well as the method of automated design of the trunk aircraft components developed on its basis. To implement this methodology, namely the stage of calculating the characteristics of the aircraft, as well as constructing its 3D model, a software tool FuseCAD has been developed that is distinguished by the ability to adjust the result based on the selected criterion and build 3D models of the aircraft and the layout of its passenger compartment using CAD API functions Systems.
Keywords: aircraft element; Functional modeling; Trunk aircraft; Object-oriented programming; preliminary design; Design automation.
REFERENCES
[1] Belocerkovskij, A.S. Sozdanie i primenenie matematicheskih modelej samoletov / A.S. Belocerkovskij. - M.: Nauka, 1984. - 144 s.
[2] Pripadchev, A.D. Matematicheskie modeli primenjaemye dlja passazhirskih perevozok. Sistemy proektirovanija, modelirovanija, podgotovki proizvodstva i upravlenie proektami CAD/CAM/CAE/PDM / A.D. Pripadchev // Sbornik statej III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Penza: Privolzhskij Dom znanij, 2009.
[3] Bykova, I. S. Mathematical Simulation in the Scope of Prefeasibility Study of Fuselages of Long Distance Aircraft / A. A. Gorbunov, A. D. Pripadchev, I. S. Bykova // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. - 2016. - Vol.12. - № 6. - R. 4883 -4892.
[4] Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM № 2016614029. Programma dlja avtomatizirovannogo proektirovanija fjuzeljazha magistral'nogo vozdushnogo sudna / I.S. Bykova, A.D.
[5]
Pripadchev, A.A. Gorbunov; zajavitel' i pravoobladatel' Fede-ral.gos. bjudzh. obrazovat. uchrezhdenie vyssh. obrazovanija «Orenb. gos. un-t». - № 2016614029; zajavl. 24.07.2015 g. ; zaregistr. 12.04.2016. - 1 s.[5] Kliland, D. Sistemnyj analiz i celevoe upravlenie / D. Kliland, V. King. - M.: Sov. Radio, 1974. - 280 s. Bahvalov, N.S. Chislennye metody / N.S. Bahvalov, N.P. Zhidkov, G.G. Kobel'kov. - 8-e izd. - M.: Laboratorija Bazovyh Znanij, 2000. - 268 s.
Ирина Сергеевна Быкова-
преподаватель кафедры летательных аппаратов ФГБОУ ВО «ОГУ». E-mail:
is.bykova04@gmail.com
Алексей Дмитриевич
Припадчев- заведующий кафедрой летательных
аппаратов ФГБОУ ВО
«ОГУ», д-р техн. наук, доцент.
E-mail: apripadchev@mail.ru
