CC BY
63
Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2002. - №3. - С.49-53.
9. Клячкин В. Н. Статистический контроль технологического процесса по регрессионным остаткам // Проектирование и технология электронных средств. - 2002. - №3. - С.49-52.
10. Клячкин В. Н. Оценка воспроизводимости многомерного процесса // Методы менеджмента качества. -2003. - №1. - С.41-43.
Бубырь Дмитрий Сергеевич, аспирант кафедры «Прикладная математика и информатика» УлГТУ.
Клячкин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная математика и информатика» УлГТУ.
Поступила 03.03.2015 г.
УДК 621.452.3+678.7-43 Д. Г. ВОЛЬСКОВ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассматривается создание интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов при повышении топливной эффективности авиационных газотурбинных двигателей.
Ключевые слова: топливная эффективность, СЛЬ8-технологии, жизненный цикл изделия (ЖЦИ), полимерные композиционные материалы (ПКМ), электронный макет, ЦИАМ.
Успешный результат проектирования современного самолёта с высокими характеристиками в значительной степени зависит от удачного объединения планера и силовой установки. Теперь недостаточно спроектировать планер, обладающий высоким аэродинамическим и весовым совершенством, и поставить на него двигатель с малым удельным расходом топлива и малым удельным весом, необходимо согласовать характеристики планера и силовой установки по тому или иному критерию, определяющему совершенство самолётов данного типа, выбрать оптимальные режимы полёта самолёта и работы силовой установки. Другими словами, наряду с оптимизацией характеристик планера выбрать оптимальную схему двигателя и такие главные параметры (определяющие высотно-скоростные характеристики двигателя), как степень двух-контурности, температура газа перед турбиной, степень повышения давления (степень сжатия) в компрессоре и др. [1].
Топливная эффективность - одно из важнейших свойств пассажирских и транспортных самолётов. Количественным критерием, характе-
© Вольсков Д. Г., 2015
ризующим данные свойства, служит расход топлива, израсходованного двигателями за определённое время, отнесённый к совершённой за это время транспортной работе: для пассажирского самолёта - это количество пассажиро-километ-ров, для транспортного - тонно-километров. Таким образом, топливная эффективность определяется технической дальностью полёта самолёта.
Уровень топливной эффективности самолёта определяется рядом показателей: удельным расходом топлива двигателей, аэродинамическим и весовым совершенством самолёта, его назначением (дальностью и особенностями профиля полёта, пассажировместимостью) и др.
Поиском новых технических решений и отработкой базовых технологий для решения этих амбициозных задач заняты сегодня специалисты ЦИАМ [2].
Как отметил в своём докладе Владимир Бабкин: «Ключевыми словами, характеризующими перспективные газотурбинные двигатели, являются: «неметаллический», «сухой», «электрический». Это означает широкое применение композиционных материалов в «холодной» и «горячей» частях двигателя, отказ от масляной системы с переходом на газодинамические или магнитные подшипники, применение электроприводных
агрегатов в системе автоматического управления и в топливной системе авиадвигателя» [2].
Наибольший эффект ожидается от применения керамических композиционных материалов в «горячей» части двигателя. Чрезвычайно важными являются также работы коллектива ЦИАМ по отработке технологий изготовления лопаток рабочего колеса и корпуса вентилятора из полимерных композиционных материалов [2].
Электрические технологии позволят отказаться от систем отбора воздуха на самолётные нужды, что позволит сократить расход топлива и повысить надёжность двигателя [2].
В ЦИАМ активно ведутся исследования критических технологий для ТВВД («открытый» ротор). При высокой топливной экономичности главной проблемой этого двигателя является повышенный уровень шума по сравнению с традиционными авиадвигателями. Одним из путей решения данной проблемы является проектирование биротативного винтовентилятора с разными диаметрами винтов - данная работа успешно проводится в ЦИАМ [2].
Серьёзные перспективы имеет силовая установка на электрохимическом генераторе электроэнергии - топливных элементах. Применение на летательном аппарате такой силовой установки позволит увеличить эффективность преобразования энергии практически до нуля, снизить эмиссию вредных веществ и уровень шума. Для того чтобы реализовать эти достоинства, необходимо разработать ряд критических технологий, основными из которых являются топливные элементы с удельной мощностью не менее 2-3 кВт/кг, малоразмерные высоконагруженные лопаточные машины на газовых подшипниках, малоэмиссионная камера сгорания, работоспособная на анодно-катодном газе [2].
Внедрение новых технологий должно осуществляться на основе системного подхода, заложенного в СЛЬ8-технологиях, обеспечивающих комплексную интеграцию процессов на всех этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ).
ЖЦИ авиационной техники можно представить как совокупность взаимосвязанных во времени процессов последовательного изменения состояния двигателя от зарождения концепции изделия до его утилизации. Он включает в себя такие этапы, как организация управления проектом, технико-экономической обоснование целесообразности создания двигателя, проверка реализуемости проекта, планирование, интегрированную логистическую поддержку, научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские разработки, подготовку производства, организацию серийного производства, сертифи-
кацию двигателя, обучение персонала, эксплуатацию, капитальный ремонт и др.
Одной из ключевых проблем применения СЛЬ8-технологий является внедрение РБМ-систем управления данными об изделии, которая позволяет решить два основных вопроса, возникающих при разработке и поддержке жизненного цикла (ЖЦ): управление данными об изделии и управление информационными процессами ЖЦ изделия, создающими и использующими эти данные. Данные об изделии представляют собой всю информацию, созданную в течение ЖЦ. Они включают в себя состав и структуру изделия, физические и геометрические параметры, чертежи, планы проектирования и производства, спецификации, нормативные документы, программы для станков с ЧПУ, результаты анализа, эксплуатационные данные и многое другое.
РБМ-система должна обеспечивать выполнения проектных работ в едином информационном пространстве и управление данными об изделии.
Организационно-технические мероприятия для обеспечения введения электронных моделей деталей (сборочных единиц) и в соответствии с требованиями государственных стандартов, вводящих понятия «электронная модель изделия», «электронный макет», определяющих требования к их разработке, могут быть следующие:
• разработать требования к выполнению электронных моделей деталей (сборочных единиц) и конструкторской документации (КД);
• разработать требования по ведению электронного макета;
• разработать требования к организации и форматам обмена со вспомогательными подразделениями и производственными базами данных;
• определить структуру и правила наполнения (отнесения) электронного макета;
• определить средством разработки КД и электронного макета двигателя СЛБ/СЛМ/СЛБ-систему;
• провести обучение сотрудников конструкторских подразделений;
• создать в конструкторском подразделение бригаду разработки электронных макетов.
Исходя из определений электронной модели изделия и электронного макета, можно установить следующие цели:
Для электронной модели изделия
• интерпретация всех составляющих модели набор данных (или его частей) в автоматизированных системах;
• визуальное отображение конструкции изделия в процессе выполнения проектных работ, производственных и иных операций;
Рис. 1. Схема этапов разработки конструкторской документации (электронных макетов) и взаимодействия подразделений: I - Конструкторские подразделения; II - Подразделения инженерного анализа;
III - Технологические подразделения.
1 - предварительный газодинамический расчёт; 2 - компоновки; 3 - разбиение на модули;
4 - детализация узлов; 5 - выпуск 2Б-
документации по 3Б-моделям; 6 - разработка эксплуатационной документации; 7 - расчёты
на прочность, газодинамические параметры и т. д.; 8 - проверка технологичности конструкции
(изготовление, сборка); 9 - определение необходимого оборудования и материалов
• выполнение чертёжной конструкторской документации в электронной и/или бумажной форме;
• разработка/корректировка технологической документации, в том числе при создании управляющих программ для станков с ЧПУ;
• ведение конструкторской документации при внесении изменений (обеспечение актуальности КД в процессе изменений).
Для электронного макета
• проведение компоновочных работ на этапе эскизного проекта;
• проверка изделия на пересечение сопрягаемых поверхностей при сборке макета;
• размещение на изделии агрегатов, трассировка трубопроводных и электрических коммуникаций;
• проверка обеспечения доступа обслуживающего персонала к агрегатам и лючкам осмотра;
• привязка двигателя на объекте;
• подготовка электронных инструкций по сборке-разборке и эксплуатации;
• на основе предварительных газодинамических расчётов разрабатывается компоновка двигателя и проводятся необходимые расчёты;
• разбиение на модули;
• разработка электронной эксплуатационной документации.
В ходе выполнения работ по указанным этапам проводятся расчёты прочностных и газодинамических параметров с обеспечением проверки на технологичность изготовления (сборки) и определением потребности необходимого оборудования/материалов.
Сегодня применение современных СЛБ/СЛЫ/СЛБ- и РБЫ-систем при разработке новой продукции является необходимым инструментом, который позволяет сократить сроки проектирование в 3-4 раза, объём необходимых экспериментальных исследований на 40-50%, а также повысить качество разрабатываемых изделий.
Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) предоставляют исключительную возможность для производства более эффективных в весовом отношении конструкций самолётов, которые являются наиболее прочными, инновационными, топливосберегающими, коррозиестойкими и лёгкими в обслуживании, чем ранее применяемые в изготовление машин подобные металлические структуры. Полимерные композиционные материалы начали широко применяться в машиностроительном производстве. Тем не менее реальный потенциал ПКМ до конца не реализован, так как инженеры при создании сложных конструкций из ПКМ сталкиваются с критическими рисками при проектировании и в процессе производства, такими как: несовершенство СЛБ/СЛЫ/СЛБ-систем для проектирования конструкций из ПКМ, недостаточность информации о технологичности конструкций из ПКМ и неэффективность применения методов неразрушающего контроля в условиях серийности производства.
В этой связи единая система СЛБ/СЛМ/СЛБ и РБМ позволяют создать единую проектно-производственную среду.
Система проектирования слоистой конструкции из ПКМ и система проектирования технологии выкладки слоёв в системе СЛБ/СЛМ/СЛБ дают возможность создания в РБМ-системе набора предварительных производственно-технологических данных для разработки технологического процесса выкладки и автоматизации изготовления конструкции из ПКМ, а также уменьшение времени программирования выкладочной машины. В РБМ-системе визуализируются данные для работы лазерного контроля контура детали.
Процесс создания интегральных конструкций из ПКМ с помощью единой системы СЛБ/СЛМ/СЛБ и РБМ должен включать в себя следующие шаги:
• методологию специфической укладки и направления слоёв, проектирование слоёв основы, силовых зон или силовых жгутов для обеспечения наилучших условий работы конструкции;
• проверку наезда сопрягаемых поверхностей;
• автоматизацию разработки спецификаций и конструкторских требований;
• визуализацию производственного процесса изготовления конструкций из ПКМ;
• автоматизацию генерации управляющих программ.
Единая система СЛБ/СЛМ/СЛБ и РБМ позволяет технологу использовать наработки, созданные в электронном макете конструкции из ПКМ для автоматизации процесса производства композитной конструкции. Электронный макет конструкции из ПКМ является ключевым элементом конструкторского описания изделия. Он представляет собой трёхмерное геометрическое описание конструкции из ПКМ, а также негеометрическую информацию, необходимую для дальнейшей разработки и производства изделия.
При проектировании слоистой конструкции из ПКМ в системе проектирования СЛБ/СЛМ/СЛБ выкладку слоёв необходимо проанализировать.
При построении слоёв конструкции из ПКМ важно обеспечить контакты между ними, иначе построение сетки конечных элементов будет невозможно. Для отработки геометрии следует исходить из схем укладки и геометрии самой конструкции. Отклонение от геометрии слоёв сказывается не в пользу точности расчёта из-за несоответствующего распределения.
Рис. 2. Построение слоёв в СЛБ системе
В СЛБ/СЛМ/СЛБ-системе при проектировании конструкции из ПКМ положительным моментом является параметризация электронных макетов, которая облегчает быструю перестройку макета при решении задач оптимизации конструкции.
Задание материала имеет важнейшее значение в компьютерном моделировании наряду с геометрическими параметрами, так как от его правильности зависит поведение модели. Важно точно и верно ввести свойства слоёв материала.
Так как большинство применяемых силовых ПКМ являются трансверсально-изотропными и ортотропными материалами, то при компьютерном моделировании повысить точность расчётов поможет ортотропное и трансверсально-изотропное представление их свойств и создание локальных систем координат для слоёв соответствующей укладки.
В трансверсально-изотропных материалах свойства в общем случае изотропны в плоскости слоя и анизотропны по толщине. А в частности свойства различаются в двух любых взаимно перпендикулярных плоскостях, которые выбираются при моделировании согласно свойствам материала.
Ортотропные ПКМ имеют три взаимно перпендикулярные оси упругой симметрии. В зависимости от направления армирующих волокон получают однонаправленную, продольно-поперечную, косоперекрестную (КПС) и другие структуры ПКМ.
Для указания схемы армирования применяют обозначения вида [0; 90], [0; 45; 90; -45], [0, +45, 90] и т. п., указывающие углы наклона армирующих волокон слоёв материала. Первое из этих обозначений относится к продольно-поперечной схеме, второе и третье - к косопе-рекрёстной [7].
Рис. 3. Свойства ортотропных и трансверсально-изотропных материалов в T-Fle x CAD
Рис. 4. Автоматизация процесса укладки
Всё вышеперечисленное должно быть учтено при задании физических свойств материала, для более точного и качественного расчёта (рис. 3).
Для задания таких свойств нужно иметь данные реального материала. Направление осей симметрии определяется системой координат, заданной для каждого тела. Главные направления упругости (нормали к плоскостям симметрии) будут направлены вдоль осей системы координат, указанной для тела.
Интегрированный подход к созданию конструкций из ПКМ должен включать в себя автоматическую генерацию различной проектной документации, которая позволяет разработчикам
быстро и качественно варьировать различными свойствами материалов, направлением и типом пересечения слоёв, последовательностью укладки, создавать требуемые спецификации, диаграммы выкладки (рис. 4).
Процесс разработки авиационных конструкций выполняется в несколько этапов (см. рис. 1), включающих проектирование, изготовление и контроль качества. Интегрированные программные пакеты должны обеспечивать пользователям автоматизированный инструментарий для решения задач каждого из этих этапов и предлагать полную функциональную завершённость процесса для обработки всех типов данных по конструкции, материалам, методам и средствам изготовления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проектирование самолётов: учебник для вузов / С. М. Егер, В. Ф. Мишин, Н. К. Лисейцев и др.; под ред. С. М. Егера. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1983. - 616 с.
2. http://www.ciam.ru/?NewsId=1804&lang=R Ш - На конгрессе 1СЛ8 генеральный директор ЦИАМ Владимир Бабкин рассказал об авиационных двигателях будущего.
3. ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов (изм.) / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации по переписке. - М., 2006.
4. ГОСТ 2.052-2006 ЕСКД. Электронная модель изделия. Общие положения / ВНИИН-МАШ, АНО НИЦ СЛЬ8-технологий «Прикладная логистика». - М., 2006.
5. Вольсков Д. Г., Ривин Г. Л. Визуализация процессов работы аэропорта на основе системы массового обслуживания и компьютеризации управления полётами // Известия Самарского научного центра РАН. - 2009. - Т. 11, №3(2) (29). - С. 424-430.
6. Вольсков Д. Г., Ляшко Ф. Е. Графоаналитический метод синтеза рычажных механизмов и расчёты на прочность // Известия Самарского научного центра РАН. - 2009. - Т. 11, №3(2) (29). - С. 430-437.
7. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В., Клюев В. В. Неразрушающий контроль. Т.3. Ультразвуковой контроль / под общ. ред. В. В. Клюева. - М. : Машиностроение, 2004. - 860 с.
Вольсков Дмитрий Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Самолётостроение» ИАТУ УлГТУ. Имеет монографию, научные статьи в журналах ВАК, методические пособия. Область научных интересов - самолётостроение и информационные технологии.
Поступила 29.04.2015 г.
