CC BY
19
УДК 621.165 + 629.7
А. А. Тарелин, И. Е. Аннопольская, Ю. П. Антипцев, И. Ю. Степанов
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СРЕДА ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ДОВОДКИ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Представлена качественно новая информационно-инструментальная система - интегрированная среда, реализованная в виде модельно-программного комплекса, обеспечивающего решение задач оптимизации и идентификации параметров и характеристик авиационных газотурбинных двигателей при их проектировании и доводке. Предлагаемая система инвариантна относительно исследуемых математических моделей и физических процессов.
Введение
Создание авиационных двигателей пятого поколения выдвинуло необходимость разработки программных комплексов, позволяющих интенсифицировать опытно-конструкторские работы, перевести их на новые технологии. При этом математическая модель двигателя и всех его структурных элементов динамически формируется с использованием системного анализа, многоуровневой и многокритериальной оптимизации его параметров и характеристик, системы поддержки принятия решений и предметных баз знаний, представляющих собой многофункциональные информационные системы, обеспечивающие решение широкого спектра задач различных иерархических уровней в единой интегрированной среде.
Существенным фактором, в этом случае, является применение методов математического моделирования и экспериментальных методов изучения сложных процессов на основе системного подхода и согласованного использования теоретических и экспериментальных средств исследования процессов и методов идентификации. Такой комплексный подход и создание соответствующих систем позволит во много раз быстрее и с использованием значительно большего объема информации, чем это доступно проектировщику в обычной практике, рассмотреть множество вариантов конструкций, оценить их достоверные характеристики и на основе качественно новой технологии проектирования принять оптимальное (рациональное) решение.
Следует подчеркнуть, что применение математических методов при принятии решений предполагает наличие адекватной математической модели, формализовано представляющей проблемную ситуацию. Адекватность модели достигается с помощью различных методов идентификации [1, 2, 3] на основе результатов лабораторных и натурных исследований, поэтому цепочка эксперимент-модель-идентификация-оптимизация характеризуется наличием внутренних обратных связей, что, опять
таки, приводит к необходимости ее целостного системного анализа, а следовательно, к созданию методов и программных средств, его обеспечивающих.
Постановка задачи
Учитывая вышесказанное, ИПМаш им. А. Н . Подгорного НАН Украины и ГП «Ивченко-Прогресс» была поставлена задача о разработке программного комплекса, обеспечивающего решение задачи оптимального проектирования и доводки авиационных ГТД в едином информационном пространстве во взаимосвязях и последовательностях, принятых в реальной практике проектирования.
При этом к разрабатываемому программному комплексу были сформулированы основные технические требования:
- комплекс должен быть модульным и развивающимся; обеспечивать возможность введения новых модулей, модернизацию имеющихся, изменения набора входных и выходных данных, развития системы поддержки принятия решений, дополнения и изменения ее алгоритма; с отработкой необходимой технологии использования,наполнения и развития базы знаний;
- необходимо обеспечить возможность использования имеющихся программных продуктов (предметных модулей) с минимальными доработками;
- программный комплекс должен быть многоуровневым с возможностью перехода от более простых расчетов к более сложным в автоматизированном и диалоговом режимах; должно быть обеспечено прерывание расчетов на любом уровне с выводом результатов (в текстовом, графическом или табличном виде);
- на всех уровнях следует предусмотреть многокритериальную оптимизацию рассчитываемых параметров с возможностью визуального контроля получаемых результатов;
© А. А. Тарелин, И. Е. Аннопольская, Ю. П. Антипцев, И. Ю. Степанов, 2007
- 24 -
- комплекс должен обеспечивать решение задач идентификации параметров и характеристик математической модели двигателя и его элементов по экспериментальным данным, представленным в программном, табличном или графическом виде;
- программное обеспечение должно быть технологичным в эксплуатации и доступным в обращении инженеру без специальной подготовки программиста.
В разрабатываемом программном комплексе предметными модулями являются: термодинамические расчеты двигателя в целом и его элементов, расчеты массы двигателя, сопротивления гондолы, летно-технических характеристик самолета и т.д.
Реализация задачи
В соответствии с приведенной концепцией в Институте проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины разработана интегрированная среда для оптимального проектирования и доводки ГТД-Optimum, в которой математические методы, модели и вычислительная техника выступают как средство систематизации процесса создания авиационных ГТД на общей методологической, информационной и технической основе, что обеспечивает решение изложенных выше задач.
Она реализована в среде разработки Delphi и оформлена в виде модульного, многооконного интерфейсного приложения, разработанного под системы Windows 98, ME, NT4, 2000 или XP. Для нормальной работы среды необходимы следующие системные ресурсы:
- Pentium I 200 MHz;
- 32 Mb оперативной памяти;
- 70 Mb свободного дискового пространства;
- SVGA монитор с разрешающей способностью не менее 800x600 точек.
Модульность Optimum обеспечивает рациональ-
ное использование системных ресурсов, высокую производительность и возможность расширения новыми приложениями без внесения существенных изменений. Структура среды приведена на рис. 1.
При разработке этого программного комплекса, в соответствии с изложенными выше требованиями, особое внимание уделялось его универсальности, т.е. возможности оперативной адаптации к решению различных задач оптимизации и идентификации. Для этого методы оптимизации, проблемные задачи и «дополнительные приложения»1 выполнены в виде динамически компонуемых библиотек (dynamic link libraries) и файлов данных, которые подключаются к среде по мере необходимости. При этом методы оптимизации и проблемные задачи связаны не только с базовой программой среды, но и непосредственно между собой, что значительно увеличивает скорость решения поставленной задачи.
Метод подключения проблемных задач как динамически компонуемых библиотек позволяет достаточно просто адаптировать математические модели, написанные на различных языках программирования, к Optimum. Это же относится и к привлечению других методов поиска оптимальных решений.
Создан стандартный интерфейс для всего комплекса предметных модулей с их единой организацией, а также простым способом формирования входов - выходов подпрограмм и выделения из их числа оптимизируемых и идентифицируемых параметров, состав которых может широко изменяться при исследованиях.
1 Перечень дополнительных приложений и их функциональные возможности приведены ниже
Дополнительные приложения
Рис. 1. Структура Optimum
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007 # 25 —
Optimum имеет также оконный интерфейс, который обеспечивает пользователю простоту и удобство доступа к ее функциям. При этом вновь вызываемые функции выполняются в новых окнах, что позволяет осуществлять различные операции одновременно и отслеживать работу программы. В процессе работы в интегрированной среде предусмотрена возможность экспортировать и импортировать исходные данные и (или) результаты расчетов в MS Excel, либо в текстовый файл.
Необходимо отметить, что Optimum имеет встроенный обработчик исключительных ситуаций, позволяющий обходить ряд ошибок, возникающих при работе проблемных задач без вмешательства пользователя. Например, при вводе данных происходит постоянный контроль на наличие логических ошибок, а в случае их обнаружения пользователю предлагаются варианты их исправления.
Диалоговая подсистема оптимизации, являющаяся фрагментом Optimum, используемые в ней численные методы поиска оптимальных решений, а также ее функциональные возможности при реализации задач оптимизации и идентификации параметров и характеристик энергетических установок достаточно подробно изложены в [3, 4]. Отличительной особенностью новой версии подсистемы является расширение векторов варьируемых параметров и ограничений на расчетные характеристики с 40 элементов до 512.
Несколько подробнее рассмотрим «дополнительные приложения», представляющие мощный инструмент, расширяющий возможности системы. Эти подпрограммы оформлены так же как динамически компонуемые библиотеки.
«Дополнительные приложения» включают в себя:
- подпрограмму просмотра текстовых файлов;
- файлы экспериментальных данных;
- подпрограмму для загрузки экспериментальных данных, представленных в числовом и (или) графическом виде;
- подсистему построения графиков, которая представляет собой специально разработанную функцию на основе параболических интерполяционных сплайнов [5], позволяющую проектировщику оценивать результаты, полученные в процессе оптимизации и идентификации параметров и характеристик создаваемого объекта;
- подпрограмму обмена исходной и полученной информации с базой знаний и архивами данных.
Заключение
Итак, разработана сложноорганизованная интегрированная среда, содержащая одновременно как фактографическую, так и семантическую информацию, отражающую предметную область объекта проектирования (авиационного ГТД), являющаяся современным инструментальным средством инже-
нера-проектировщика для создания и доводки двигателя.
Среда Optimum внедрена на Государственном предприятии Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» имени академика А.Г. Ивченко в систему реального проектирования авиационных ГТД в среде базы знаний [6].
С помощью Optimum выполнены исследования:
- по оптимизации параметрических и дроссельных характеристик создаваемых перспективных двигателей с целью достижения его максимальной тяги при минимальном весе и расходе топлива;
- по идентификации математических моделей (ММ) ГТД АИ-25ТЛ и Д-436 по экспериментальным данным.
По результатам идентификации была разработана ММ двигателя АИ-25ТЛ [3], описывающая его характеристики во всем диапазоне режимов работы и условий эксплуатации самолета. Проведенные по ней численные исследования показали возможность увеличения ресурса без превышения максимально-допустимых значений температуры газов и частот вращения роторов.
Последующие стендовые и летные испытания полностью подтвердили расчетные характеристики двигателя, а следовательно, и адекватность полученной ММ. В условиях высоты Н = 0 м и Мп = 0 тяга увеличена на 7,5%; при Н = 0 м; Мп = 0,6; н = +30 °С тяга увеличена на 13,6 %.
На основании проведенных расчетов выполнено обоснование продления жизненного цикла серийного двигателя АИ-25ТЛ, получившего наименование АИ-25ТЛШ, для модернизированного самолета L-39U ВВС Украины [7]. Применение двигателя АИ-25ТЛШ позволит улучшить маневренные и взлетные характеристики самолета, увеличить максимальный взлетный вес, повысить безопасность маневров и полетов у естественных преград, повысить эффективность обучения летного состава.
Для двигателя Д-436-148 была разработана адекватная ММ по результатам испытаний в барокамере Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ). В настоящее время эта модель корректируется с учетом проведенных стендовых и летных испытаний в диапазоне высот Н = 0-11600 м и Мп = 0-0,77.
Разрабатываемая ММ должна обеспечить отклонение расчетных характеристик - критериев идентификации (расход топлива, импульс тяги, давление за компрессорами высокого, низкого и среднего давления, расход воздуха, температура газов перед турбиной, частоты вращения роторов и др.) от экспериментальных данных в диапазоне 0,51 %.
Таким образом, универсальность и эффективность созданной среды Optimum, подтверждена
решением реальных задач по созданию и доводке авиационных ГТД.
Перечень ссылок
1. Ахмедзянов А.М. Диагностика состояния ВРД по термогазодинамическим параметрам / А.М. Ахмедзянов, Н.Г. Дубровский, А.П. Тунаков -М.: Машиностроение, 1983. - 206 с.
2. Епифанов С.В. Синтез систем управления и диагностирования газотурбинных двигателей / С.В. Епифанов, Б.И. Кузнецов, И.Н. Богаенко и др. - К.: Техыка, 1998. - 312 с.
3. Аннопольская И.Е. Идентификация параметров математических моделей газотурбинных двигателей по результатам испытаний на этапах проектирования и доводки / И.Е. Аннопольская, Ю.П. Антипцев, В.В. Паршин и др. // Пробл. машиностроения, 2004. -7, № 3. - С. 3-8.
4. Тарелин А. А. Основы теории и методы создания оптимальной последней ступени паровых турбин / А.А. Тарелин, Ю.П. Антипцев, И.Е. Анноппольская. - Харьков: Контраст, 2001.-224 с.
5. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с
помощью персональных компьютеров. - М.: МИКАП, 1994. - 382 с.
6. Муравченко О.Ф. Компьютерная система теоретического проектирования авиационных ГТД в среде базы знаний / О.Ф. Муравченко, И.Ю. Степанов, А.И. Коваленко и др. // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Сб. науч. тр. - Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2003. - Т. 1. - С. 18-25.
7. Денисюк В.М. Обгрунтування та результати мо-дерызаци двигуна А1-25ТЛ для лп"ака Л-39У ВПС УкраГни / В.М. Денисюк, О.М. Хусточ-ка // Зб. наук. пр.- К.: НЦ ВПС ЗС УкраГни, 2003.- Вип. 6.- С. 278-283.
Поступила в редакцию 18.05.2007
Подана як1сно нова нформацйночнструментальна система - ¡нтегроване середови-ще, яке реалзовано у вигляд '1 модельно-програмного комплексу, що забезпечуе р1шення задач оптим1зацИ'та ¡дентиф1кацИ'параметр1в та характеристик ав1ац1йних газотурбн-них двигун1в при 1'хньому проектуванн1 та доводу. Система, що пропонуеться, ¡нвар1ант-на в1дносно математичних моделей та ф1зичних процесв, як досл1джуються.
A qualitatively new information-and-tool system - an integrated environment implemented as a model and program complex is proposed. It allows solving optimisation problems and problems in identification of parameters and characteristics of aviation gas turbine engines during their design and backfitting. The system offered is invariant with respect to the mathematical models and physical processes being studied.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007
27
