Макроязык описания и модификации геометрической цифровой модели самолета Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Т о м V 19 7 4

№ 6

УДК 681.3.06

629.735.32.01

МАКРОЯЗЫК ОПИСАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ САМОЛЕТА

Н. Г. Буньков, Ю. В. Новиков

Предложен и реализован на БЭСМ-6 способ автоматизированного построения и модификации геометрической цифровой модели самолета.

Разработка способа включала в себя разработку алгоритмического макроязыка описания и модификации геометрической модели и создание его транслирующих процедур. Данный макроязык представляет собой совокупность лаконичных директив воздействия на геометрическую модель самолета, с помощью которых исследователь или конструктор может варьировать параметры внешней формы самолета или его агрегатов в процессе аэродинамического расчета и при решении других задач аэромеханики на ЭЦВМ. Ортогональные и изометрические проекции самолета выводятся на экран дисплея.

Аэродинамический расчет летательного аппарата в целом, рас-счеты по динамике аппарата, определение облика самолета с помощью ЭЦВМ на начальной стадии проектирования, подготовка технологической информации для автоматизированного производства аэродинамических моделей и элементов самолета требует представления в ЭЦВМ геометрических обводов летательного аппарата.

В практике проектирования и конструирования для представления внешних геометрических форм самолета используется термин „теоретические обводы11. Данные о теоретических обводах служат основой на всех этапах создания самолета, т. е. в проектировочных и поверочных расчетах, в разработке компоновки и конструкции плазов и оснастки и в подготовке информации для станков с числовым программным управлением. На основе теоретических обводов определяются также необходимые сечения агрегатов и самолета в целом.

Для таких проектировочных расчетов, как, например, выбор наилучшей аэродинамической компоновки самолета с помощью ЭЦВМ важно иметь не только цифровое представление обводов

самолета, но и возможность оперативной, в процессе расчетов, модификации этих обводов. Известно в то же время, что информация, описывающая геометрию самолета, очень велика по своему объему, поэтому модификация геометрии путем прямого изменения этой информации или ее частей посредством ввода перфокарт или других носителей с новыми данными о геометрии существенно снижает оперативность модификации и ее достоверность.

Следовательно, необходим математический языковый аппарат, позволяющий модифицировать геометрическую цифровую модель самолета и при этом такой, использование которого позволяло бы инженеру вводить в машину минимальную по объему информацию и перекладывало на ЭЦВМ все основные процедуры модификации. Необходим своего рода набор лаконичных директив воздействия, с помощью которых инженер мог бы модифицировать цифровую модель.

В работе предложен экспериментальный вариант алгоритмического макроязыка для описания, модификации и синтеза геометрических обводов летательного аппарата (ОМС-1 — макроязык Описания и Модификации геометрии Самолета, вариант 1). Макроязык позволяет описывать геометрическую цифровую модель самолета, оперативно воздействовать на нее и получать наглядную информацию об этом воздействии на дисплее. Данный вариант языка ОМС-1, построенный на базе АЛГОЛ-бО, ориентирован на использование дисплея типа „Математический пульт (МП)“, являющийся устройством ввода — вывода прямого доступа к БЭСМ-6.

В разработке макроязыка авторы стремились выдержать соблюдение следующих принципов его построения:

— макроязык должен быть оптимальным в смысле своего уровня, а именно: процедуры-элементы языка должны иметь такой набор формальных параметров, который, с одной стороны, позволял бы осуществлять достаточно универсальное и широкое воздействие (одновременно модифицировать геометрию одного или нескольких агрегатов или несколько параметров самолета), а с другой стороны не был настолько большим, чтобы в практическом использовании языка число сопутствующих, т. е. не участвующих в воздействии параметров было велико;

— структура макроязыка должна строиться в соответствии с установившейся практикой агрегирования и принятых определенй геометрических параметров летательного аппарата, в частности, мнемонические правила для запоминания структуры идентификаторов процедур должны быть несложными и удобными для авиационных инженеров и конструкторов;

— организация транслирующих блоков процедур языка должна быть такой, чтобы временные характеристики при использовании макроязыка позволяли инженеру работать на ЭЦВМ в режиме диалога с выводом геометрической модели агрегатов или самолета в целом на дисплей;

— язык должен быть открытым для расширения набора алгоритмических процедур и его вариации в рамках принятых процедур.

1. Структура макроязыка ОМС-1. В качестве опорного алфавита в макроязыке взят латинский алфавит, так как макроязык ОМС-1 базируется на языке АЛГОЛ-бО.

Слово макроязыка ОМС-1 есть идентификатор. Слово состоит из слогов. Слог в работе определен как неделимый буквенноцифровой набор, который может быть и пустым.

Семантическое значение слов макроязыка формируется на основе семантики его слогов. Семантика же слогов такова: каждый символ (группа символов) слога соответствует начальной букве (группе букв) русского слова, поясняющее смысловое значение данного слова. Семантика слога определяется как его видом, так и его местом в слове.

Например: слог (Р) означает „Построение", слог (£Л!>> — „Угол Стреловидности11, слог (иРУ) — „Угол Поперечного Vй, слог (/?) — „Размах11, (ЗЛО— »3 (базисных) Направления11 и т. д.

Структура ОМСа-1, представленная на фиг. 1—3, описывается иерархическим графом, верхний уровень которого определяет класс воздействия.

УО

Рд

&0

м

из

- из

- К -

ЦРУ -

- 50

- СУ -

- N

- Т2

Б0

- 8 -

- К -I

* В

- ЕМ

Фиг.

Фиг. 2

Фиг. 3

Данная версия макроязыка ОМС-1 содержит пять классов воздействия: „Построение11, „Модификация", „Перемещение11, „Вывод на экран" и „Вспомогательный". Класс воздействия определяется в соответствии с орфографической структурой, корневым слогом. Первый суффиксальный слог определяет вид объекта воздействия, второй (непустой в группе „Модификация Фюзеляжа") уточняет объект воздействия, указывает на то, что воздействие распространяется на ту или иную часть объекта (агрегата), третий слог определяет группу воздействия в заданном классе и, наконец, четвертый слог уточняет вид или объект воздействия. Таким образом, слово макроязыка формируется в соответствии со структурой макроязыка и семантикой слогов. Приведем несколько примеров;

MFND — Модификация Фюзеляжа. Носок. Длина (модификация длины носка фюзеляжа);

SAN—Сдвиг Агрегата по Направлению;

ЕКОРАЗ — (вывод на) Экран Ортогональной Проекции Агрегатов в 3 (плоскостях);

DEA — Деформация Элемента Агрегата.

Рассмотрим кратко классы воздействия и некоторые (в качестве примеров) алгоритмические процедуры, осуществляющие эти воздействия.

2. Клаес „Построение". Слова этого класса состоят из двух слогов:

— корневой слог (Р)— „Построение",

— 1-й суффиксальный слог, определяющий объект воздейстия (К) „Крыло" | (F) — „Фюзеляж" | {VO) — „Вертикальное Оперение" I (GD) — „Гондола Двигателя" | (PD) — „Пилон Двигателя" | (CD) — „Горизонтальное Оперение" (см. фиг. 1).

Класс процедур „Построение" введен для формирования в ЭЦВМ первоначальной геометрической цифровой модели летательного аппарата на основе исходных данных. Эти процедуры практически применяются один раз в начале расчетов, после чего геометрическая модель может постоянно храниться во внешней памяти машины (на магнитных дисках или лентах). Необходимость полного описания геометрии самолета с помощью процедур класса „Построение" определяет число параметров этих процедур, которое в данном случае достаточно велико (от 6 до 15).

Класс „Построение" состоит из шести процедур. Кратко опишем две основные из них.

2.1. Процедура „Построение Крыла". Заголовок: PROCEDURE PK(VP, N, N0, М, KS, LS, NS, В, ALF0, BET, 4, RK, ALFU).

Эта процедура позволяет строить цифровую геометрическую модель крыла по следующей исходной информации:

1. А/—число базовых сечений, т. е. сечений, задаваемых координатой носка сечения (массив NS), длиной хорды сечения (массив LS), углом крутки сечения (массив KS) и координатами точек контура (число точек М);

2. N0 — число опорных сечений, т. е. сечений, задаваемых только координатой носка сечений (массив NS) и длиной хорды сечения (массив LS),

Интерполяция по размаху крыла осуществляется параболами (yV—1)-й степени (при 7V<4) или „цепочкой" кубических парабол (при jV> 4), причем соединение звеньев производится из условия непрерывности функции и ее 1-й и 2-й производных (сплайн-

интерполяция). Параметр RK определяет установочый радиус-вектор крыла, ALFU — установочный угол крыла. Принятая схема описания геометрии крыла может быть в той или иной мере изменена в рамках процедуры РК■

Следует отметить, что приведенная схема описания геометрии крыла не претендует на абсолютную универсальность, а является лишь одной из схем, применяемых пользователями.

Процедуры построения агрегатов типа „Крыло“: вертикального и горизонтального оперения, пилонов двигателей и т. п. основаны на процедуре РК.

2.2. Процедура „Построение Фюзеляжа“. Заголовок: PROCEDURE PF (VPF, NF, MF, ASF, BSF, LOF).

Процедура позволяет по исходной информации строить фюзеляж с эллиптическими сечениями и осевой линией произвольной формы. Исходной информацией является:

1) NF — число сечений;

2) MF — число точек на половине контура каждого сечения;

3) ASF, BFS[ 1 :NF] — массивы задания длин полуосей сечений фюзеляжа;

4) LOF[ 1 :NF, 1:2] —массив задания линии оси фюзеляжа.

Процедура PF определяет координаты точек сечений и „развешивает" эти сечения на оси фюзеляжа. Процедуры построения агрегатов типа „фюзеляж11: гондолы двигателя, подвесных баков и т. п. основаны на процедуре PF.

3. Класс „Модификация". Слова этого класса состоят из четырех слогов:

— корневой слог (М) — „Модификация11;

1-й суффиксальный слог, определяющий объект воздействия: (К) — „Крыло" | (Л/С) — „Агрегат (типа) Крыло1* |

(F) — „Фюзеляж11 | (AF) — „Агрегат (типа) Фюзеляж" |;

2-й суффиксальный слог:

(N) — „Носок" | (S) — „Середина" | (К) — „Кончик" | (EN) — Элемент Носка" | (ЕК) — „Элемент Кончика" |;

3-й суффиксальный слог, определяющий группу воздействия:

для объектов (К) и (АК):

{US) — „Угол Стреловидности" | (UPV) — „Угол поперечного Vй | (R) — „Размах" | (S)—„Сужение" | (Т) — „Толщина" |

(SO) — „5-Образность11 | (GV) — „Глубина Выреза (задней кромки)" | (LMT) — „Линия Максимальных Толщин" |;

для объектов (F) и (AF):

{D) — „Длина" | (Г2) — „Толщина по 2 (осям)" |

(Р)—„Положение" (см. фиг. 2).

Модификация агрегатов при использовании процедур данного класса осуществляется перемещением на Д* (£=1,2,3) некоторой характерной точки; например носка концевого сечения крыла, концевого сечения и т. п.

Класс процедур „Модификация" служит для варьирования геометрических параметров агрегатов летательного аппарата. Рассмотрим несколько примеров процедур модификации крыла.

3.1. Процедура „Размах". PROCEDURE MKR (LKh).

Данная процедура модифицирует крыло с исходным размахом

в крыло с размахом LKN.

3.2. Процедура „Угол Стреловидности*. PROCEDURE MKUS {HIN).

Посредством этой процедуры крыло с углом стреловидности HI переводится в крыло с углом стреловидности HIN.

3.3. Процедура „Угол Поперечного Vl‘. PROCEDURE MKUPV {FIN).

Процедура позволяет изменить угол поперечного V с FI на FIN.

В настоящее время разработаны также процедуры, позволяющие модифицировать следующие параметры крыла: сужение, относительную толщину, крутку, глубину выреза задней кромки, линию максимальных относительных толщин.

Все процедуры модификации агрегатов типа крыло (вертикальное и горизонтальное оперение, пилоны) в основном аналогичны процедурам модификации крыла.

Группа процедур „Модификация Фюзеляжа" состоит из процедур, с помощью которых осуществляется изменение следующих параметров фюзеляжа:

а) длины,

б) толщины по двум осям,

в) длины носовой части, хвостовой части,

г) длины середины фюзеляжа,

д) S-образности фюзеляжа (деформация оси фюзеляжа),

е) наклона элемента носовой или хвостовой части фюзеляжа.

Процедуры модификации агрегата типа фюзеляж (двигатели,

подвесные баки) также построены по аналогии с процедурой модификации фюзеляжа.

4. Класс „Перемещение". Слова данного класса состоят из трех слогов:

— корневой слог (S) — „Сдвиг" | (R) — „Ротация" | (NP) — „Начальное Положение"; группа процедур „Начальное Положение" используется как вспомогательная в процедурах модификации для приведения объекта воздействия к начальному положению (установочные радиус-вектор и углы равны нулю) и поэтому в данном кратком описании языка их вид не уточняется.

1-й суффиксальный слог, определяющий объект воздействия: (О) — „Объект" (в целом)| (А) — „Агрегат" |

(ЕА) — „Элемент Агрегата";

2-й суффиксальный слог, уточняющий вид воздействия:

(N) — „Направление" | (3N) — „одно из трех (базисных) Направлений" (см. фиг. 3).

Класс процедур „Перемещение" служит для компоновки летательного аппарата, т. е. сборки нз агрегатов объекта в целом. Процедуры содержат от 3 до 9 параметров. Приведем несколько примеров группы процедур „Сдвиг", позволяющий перемещать объект, агрегат (или часть агрегата) на заданный радиус-вектор, либо на заданное расстояние вдоль прямой, определенной двумя точками.

4.1. Процедура „Сдвиг Агрегата". PROCEDURE SA(R, W, NA).

Она позволяет сдвигать агрегат W, содержащий NA точек,

на радиус-вектор R.

4.2. Процедура „Сдвиг Элемента Агрегата". PROCEDURE SEA (R, W, N1, N2, M).

Процедура позволяет сдвигать элемент агрегата W, определяемый начальным сечением N1 и конечным N2, на радиус-вектор R. Группа процедур „Ротация" содержит в себе два вида процедур: вращение относительно начала координат и относительно заданной точки.

4.3. Процедура „Ротация Агрегата". PROCEDURE RA (Е, W, NA).

Она позволяет осуществлять вращение агрегата W, содержащего NA точек, вокруг оси Ох на угол £[1] (в радианах), оси Оу на угол Е[2\ и оси Oz на угол £"[3].

5. Класс „Вывод на экран". Данный класс процедур содержит группу процедур, обеспечивающих вывод на экран дисплея ортогональных проекций агрегатов и объекта в целом, и группу процедур, обеспечивающих вывод на экран изометрических проекций агрегатов и объекта. Во всех этих процедурах используется стандартная процедура „ЭКРАН" математического обеспечения дисплея „МП“, разработанного в ВЦ АН СССР.

6. Класс вспомогательных процедур. Перечислим основные группы процедур этого класса:

6.1. Нанесение сетки на агрегат (фиг. 4).

+

Фиг. 4

6.2. Деформация (изменение масштаба) агрегата одновременно по двум осям с коэффициентом деформации КО.

6.3. Деформация агрегата независимо по осям Ох с коэффициентом КО 1 и по Оу с коэффициентом КО 2.

6.4. Вычисление площади в плане крыла и агрегатов типа крыло.

6.5. Определение области перечисления агрегата типа крыло с агрегатом типа фюзеляж.

7. О некоторых результатах применения макроязыка. Опытное внедрение макроязыка было осуществлено на тестовой цифровой модели самолета. В качестве тестовой модели принят планер самолета с крылом переменной стреловидности по размаху(передней и задней кромки), Б-образного фюзеляжа, одного вертикального оперения и четырех двигателей. Очевидно, что макроязык позволяет описывать и модифицировать модели самолета более широкого класса и с большим набором агрегатов. Тестовая модель имеет следующие характеристики агрегатов.

7.1. Крыло — базовых сечений 5; опорных сечений 10; число точек на контуре профиля 20.

7.2 Фюзеляж — число сечений 30; число точек на контуре сечения 20.

7.3. Вертикальное оперение — базовых сечений 2, опорных сечений 4, число точек на контуре 10.

7.4. Гондола двигателя — число сечений 11, число точек на контуре 8.

На фиг. 5 демонстрируется пример модификации геометрической модели крыла самолета, получаемой на БЭСМ-6 и выводимой на экран дисплея (фотографии с экрана). Время с момента задания

6—Ученые записки ЦАГИ № 6

81

абонентом директивы на модификацию геометрии модели до окончания модификации и вывода на экран не превышает нескольких секунд.

Общий объем совокупности всех процедур, в основном оформленных в виде библиотеки на НМЛ, составляет 17 тыс. машинных слов.

Пути развития макроязыка, определенные в настоящее время, следующие:

— образование новых слов (процедур) макроязыка, которые расширили бы совокупность воздействий на геометрическую циф-

Фиг. 5

ровую модель самолета; в частности, введение процедур»построения фонаря кабины, крыльев изменяемой геометрии, фюзеляжа с сечениями произвольной формы (в классе „Построения"), модификации элементов крыла для обработки механизации крыла (в классе „Модификация"), вращение агрегатов вокруг произвольного направления, вычисление площади сечения агрегата самолета произвольно ориентированными плоскостями и т. д.;

— создание „сложных" процедур, позволяющих посредством одной директивы модифицировать несколько параметров агрегата или группу однотипных агрегатов;

■— создание процедур, редуцирующих базовую цифровую модель самолета в различные модели, которые служили бы непосредственной исходной информацией для различных расчетных методов определения аэродинамических характеристик самолета или характеристик прочности;

— совершенствование примеров воздействия на цифровую модель самолета, в основном в направлении сокращения объема информации, которую должен задавать инженер-аэромеханик с помощью аппаратуры дисплея.

Следует отметить, что методы и непосредственные представления геометрии крыла, фюзеляжа и других агрегатов в работе приняты в качестве предварительных и, очевидно, подлежат уточнению и стандартизации в процессе проведения работ по автоматизации проектирования.

Опыт применения экспериментального варианта макроязыка описания, модификации и синтеза геометрии летательного аппарата показал следующее:

— набор процедур (слов макроязыка) является достаточно полным для эффективного построения геометрической цифровой модели самолета, и воздействия на нее;

— уровень макроязыка, т. е. детализация процедур, является удовлетворительной для практического использования в решении задач аэромеханики самолета.

Очевидно в то же время, что развитие макроязыка ОМС-1 и его совершенствование существенным образом будет определено его широким практическим использованием в поверочных и проектировочных расчетах летательных аппаратов.

Авторы глубоко признательны разработчику устройства „Математический пульт11 БЭСМ-6 Л. А. Емельяновой за ценные советы в процессе выполнения данной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Женюи Ф. Языки программирования. М., „Мир“, 1962.

2. В а а 1 s D. D., Robins A. W. and Harris Jr. R. V. Aerodynamics Design Integration of Supersonic Aircraft. Journ. of Aircraft, No 5, 1970.

Рукопись поступила 29jl 1974 г.