CC BY
69
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 629.7.01.533.6
МЕТОД АВТОМАТИЗАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
САМОЛЕТА
А.В. Ордин, А.В. Рипецкий, А.Е. Щеляев
В настоящей работе даны материалы по разработке методики автоматизации и оптимизации проведения акустических испытаний летательного аппарата и ее интеграции с современными системами автоматизированного проектирования (САПР).
Ключевые слова: акустические испытания самолета, САПР, управление жизненным циклом изделия, акустическое поле.
Стадия летных испытаний самолета является неотъемлемым и важным этапом ввода его в эксплуатацию, поддержания его летной годности в процессе эксплуатации. Одной из важных стадий испытаний самолета являются акустические замеры в полете и на земле с целью определения уровня звукового давления, действующего на самолет и оценки его ресурсных характеристик[2].
Опытные исследования акустических колебаний, проводимые на специализированных стендах, и в ходе наземных и летных испытаний, как правило, оказываются дорогостоящими, трудоемкими и длительными [4]. Модельные стендовые испытания не всегда позволяют воссоздать необходимые нагрузки, в то время как натурные наземные и летные испытания не обеспечивают допустимую надежность измерений. Кроме того, в фактических условиях эксперимента исследуемые области конструкции не всегда могут быть должным образом оснащены измерительными приборами и, как следствие полные данные пространственного распределения измеряемых параметров фактически не могут быть получены.
Проведение отдельных опытных исследований достаточно трудная задача. В частности это относится к исследованию пульсаций давления в воздухозаборниках сверхзвуковых самолетов или к еще более сложному типу экспериментов, относящиеся к конструированию гиперзвуковых самолетов. Для проведения таких экспериментов необходимо строительство сложных инженерных сооружений или даже комплексов.
Одним из рабочих подходов в промышленности на текущий момент является сравнение результатов математического моделирования и поле-
276
вых испытаний.
Современная концепция управления жизненным циклом изделия подразумевает поэтапную автоматизацию всех этапов цикла разработки, производства и эксплуатации изделия. Автоматизация планирования и проведения эксперимента также является неотъемлемой частью дисциплины автоматизации проектно-конструкторских работ. В части проведения акустических экспериментальных исследований можно отметить существующую высокую трудоемкость его проведения из-за наличия ряда факторов:
- Установка микрофонов для замеров акустического поля (в отличии от тензодатчиков, которые устанавливаются в цеху) производится непосредственно перед испытаниями, зачастую в условиях нехватки времени;
- Записывающая аппаратура требует высокой квалификации оператора, производящего контроль замеров акустического поля;
- Микрофоны требовательны к соблюдению технологии их установки на летательный аппарат [3]
Пульсации давления потока, действующие на конструкцию, описываются их среднеквадратичным уровнем ор спектральной плотностью Ор(^ и пространственными характеристиками. Эти параметры и характеристики, в первую очередь ор, зависят от условий полета.
Пристальное внимание к акустическим колебаниям в последнее время объясняется внедрением нового поколения сверхзвуковых пассажирских и гиперзвуковых самолетов. Сложность обеспечения акустической прочности гиперзвуковых самолетов связана с высокими нагрузками и применением внешней теплоизоляции, состоящей из материалов с низкими прочностными свойствами.
Проведенный анализ рынка систем автоматизированного проектирования (САПР) показал практическую неприменимость предлагаемых программных продуктов для решения проектных задач на стадиях летных испытаний.
Актуальность проблемы и возможность ее решения на принципиально новом техническом уровне обусловили выбор темы исследования. Объективно существующие противоречия между повышением качества проектных работ, сокращением сроков проектирования и снижением материальных затрат привели к необходимости поиска новых методов и средств автоматизации проведения акустических испытаний самолета. Решение данной задачи потребовало разработки принципиально нового класса программных продуктов, позволяющих инженеру-проектировщику (а не профессионалу-акустику) в минимальные сроки рассмотреть множество альтернативных компоновочных решений и оценить их влияние на подготовку и проведение испытаний самолета. В результате, соискателем была создана автоматизированная система анализа компоновочных решений
технологической оснастки акустического эксперимента самолета, испытывающего широкополосные нагрузки в акустическом диапазоне частот (АСАРТП ЛА), решающая перечисленные задачи в соответствии с предъявляемыми требованиями.
Разработанный авторами статьи метод усовершенствования решения PLM, предназначенные для управления жизненным циклом продукта, позволили компании ОАО «Авиационный комплекс им. С. В. Ильюшина» и ее партнерам использовать новейшие высокотехнологичные инструменты и процессы, которые были необходимы для решения задач, связанных с созданием нового высокотехнологичного самолета Ил-476 (рис. 1).
Рис. 1. Фотография первого полета Ил-476.
Процесс замера уровней акустического поля науко- и трудоемкий, со множеством усложняющих факторов такими как:
1. Установка микрофонов для замеров акустического поля (в отличие от тензодатчиков, которые устанавливаются в цеху) производится непосредственно перед испытаниями. Зачастую в условиях нехватки времени;
2. Записывающая аппаратура требует высокой квалификации оператора, производящего контроль на борту замеров акустического поля;
3. Микрофоны требовательны к качеству технологии установки на летательный аппарат [3]
Это приводит к большому числу повторных замеров, вылетов, а следовательно к затрате временных и денежных ресурсов [1].
Разработанная методика расстановки микрофонов позволяет автоматизировать и оптимизировать по критерию технологичности расстановку микрофонов для акустических замеров. Используя данные AcousticXpert (Россия) или другой CAE (Computer-aided engineering — общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения раз-
личных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов) удовлетворяющих требованиям авиационной акустики, мы получаем поле значений акустического давления в дБ (с разрешающей способностью до 0,001 дБ). Вводим уточнения по акустической аналоги Лайт-хила:
,Э2 2 л\ Эб
(ту - ^ Д)р - 7
э %
ді дхі
дхі Эх j
(1)
Т-
ТУ
рУ1У] + Д(Р - ср). (2)
Затем вводим ограничения по разрешающей способности измерительной аппаратуры (микрофонов, записывающего устройства) в единицах дБ. Вводим ограничения экспериментальные по способу установи микрофонов (под обшивку, в обшивку, на обшивку) в единицах Дб. Критерий качества процесса методика определяет как то, что кол-во микрофонов должно быть не меньше, чем количество областей усредненного давления. САПР, анализируя цифровую модель самолета, строим сетку в узлах которой будем располагать микрофоны[6], параметризируем ее, вводя данные по распределению акустического давления в дБ и данные по технологической оснастке (разрешающая способность микрофонов, способ размещения микрофонов вглубь, размещение тензодатчиков) автоматизировано выводить пользователю координаты установки микрофонов, площади поверхностей с усредненным уровнем акустического давления в дБ (по разрешающей способности оснастки) с координатами центров этих площадей. На выводе данные сводятся таблицу (см. таблица1) данных и предоставляет возможность раскраски цифровой модели по площадям с одинаковым уровнем дБ см. рис. 2, таким образом создавая 3D акустическую карту, с возможностью 2D проекции, которую возможно использовать для создания новых образцов авиационной техники в качестве прототипа которой будет использоваться существующий самолет [5].
Таблица 1
Результирующая таблица расстановки микрофонов для проведения
№ п.п Агрегат Координаты Способ установки Уровень звукового давления SPL, Дб
1 Киль1 x;y;z (2;3;7) Под обшивку 102
2 Киль1 x;y;z (1;1;7.5) Под обшивку 114
3 Киль1 x;y;z (1;1;7.5) Под обшивку 124
4 Крыло 1 x;y;z (2;3;7) Под обшивку 102
5 Крыло 1 x;y;z (1;1;7.5) Под обшивку 114
6 Крыло 1 x;y;z (1;1;7.5) Под обшивку 124
п Носовая часть x;y;z (1;1;7.5) Под обшивку 124
Рис.2. Пример экспресс акустической карты Ил-476, выполненной с помощью разработанного программного комплекса
Структурная схема алгоритма программы представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема алгоритма программы автоматизации расстановки микрофонов для акустических испытаний
Структурная схема алгоритма содержит две субпрограммы, речь о которых пойдет ниже.
Субпрограмма 1 (Автоматизации установки микрофонов по полю расчетных уровней звукового давления). Описание субпрограммы 1:
Ввод объединяющих значений (если значение в узле(ї) и узле (і+1) меньше, чем на дельту заданную оператором в Дб (в зависимости от планируемой точности и возможности размещения микрофонов), то присваиваем узлу узле(ї) и Узлу (і+1) принадлежность одной плоскости с усредненным значением (усредненной значение получается алгебраическим путем из суммы узлов попавших в плоскость поделенных на число узлов вошедших в плоскость).
Строим плоскость параллельную поверхности агрегата летательного аппарата, определяем центр поверхности, проецируем его на поверхность агрегата, как предполагаемое место установки микрофона. Присваиваем месту установки микрофона имя М(і) и координаты от реперной точки агрегата. Реперную точку устанавливает оператор ПК. Строим сетку №2 на агрегате летательного аппарата в узлах которой размещаем места установки микрофонов M(i).
Субпрограмма 2 (Оптимизация расстановки микрофонов по технологической оснастке). Описание субпрограммы 2:
На агрегате летательного аппарата строим сетку №3, узлы которой связываем с тензодатчиками, установленными на агрегате летательного аппарата. Накладываем сетку №3 на сетку №2. Вводим ограничения по
возможности изменения размещения K, по умолчанию радиус перемещения должен быть меньше четверти расстояния от M(i) до M(i+1) (Кратчайшее расстояние между двумя ближайшими микрофонами).
Определяем ближайший тензодатчик T(i) К микрофону M(i), строим линию кратчайшую, если Расстояние M(i) До T(i) Меньше K, то перемещаем M(i) В координаты T(i), если расстояние больше, то передвигаем M(i) по линии (M(i)T(i)) На расстояние K.
Подключение модуля автоматизированной подготовки проведения акустических замеров самолета производится, благодаря средствам SolidWorks API.
SolidWorks API — это интерфейс прикладного программирования, позволяющий разрабатывать пользовательские программы на платформе САПР SolidWorks
Задача оптимизации принимает вид:
*
X = ArgMin F (x; u).
x e X (3)
u e U
где X - матрица конструктивных параметров (таких как топология расположения записывающей аппаратуры); U - вектор ограничений (площадь поверхности, суммарный уровень шума, ограничения технологической оснастки эксперимента).
Проведенный анализ основных принципов построения САПР позволил сформулировать требования, предъявляемые к системе экспресс-анализа на этапе концептуального проектирования.
Программная реализация, работающая на уровне единой информационной модели с средствами геометрического моделирования, доказывает реальные практические преимущества интегрированных комплексов по сравнению с традиционными решениями.
Верификация алгоритмов и проведенные проектные исследования показали, что система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает получение достоверных результатов, которые представляются в текстовом и графическом виде, максимально удобном для проектировщика.
Внедрение разработанного программного комплекса привело к сокращению времени планирования акустического эксперимента в три раза.
Разработанные методы экспресс-анализа вариантов расстановки микрофонов, а также алгоритмы и программный комплекс, внедрены в ОАО «Ил», ОАО «РСК «МиГ»», в подразделении «Хруничев-Телеком» , на каф. 904 «Инженерная графика» МАИ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Список литературы
1. В.Е. Гмурман. Теория вероятностей и математической статистики. М. Высшая школа, 1977.
2. ГОСТ РВ 20.57305-98. Методы испытаний на воздействие механических факторов.
3. Гевонден Г. А., Кисилев Л.Т. Приборы для измерения колебаний. М. Машгиз, 1962.
4. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: «Мир», 1980.
5. Ордин А.В., Рипецкий А.В. Автоматизированная система акустического расчета тонкостенных пластин летательного аппарата. Известия Тульского Государственного университета. Вып. 9, 2012. С. 206-214.
6. Gerald Farin. Curves and Surfaces for CAGD, Fifth Edition: A Practical Guide (The Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics), Arizona State University, 2002.
Ордин Алексей Вячеславович, асп., 123land@,mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Рипецкий Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доц., 123land@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Щеляев Александр Евгеньевич, менеджер отдела вычислительной гидродинамики, alexaflowvision. ru, Россия, Москва, ООО «ТЕСИС»
THE AUTOMATION TECHNIQUE FOR AIRCRAFT ACOUSTIC TESTS.
A. V. Ordin, A. V. Ripetskiy, A.E. Shchelyaev
This article deals with the materials on development of the method for aircraft acoustical testing automation and optimization and its integration with modern CAE systems.
Key words: aircraft acoustical testing, CAGD, Product Lifecycle Management, acoustic field.
Ordin Aleksej Vjacheslavovich, postgraduate, 123landa,mail.ru. Russia, Moscow, Moscow aviation Institute (national research University),
Ripeckij Andrey Vladimirovich, candidate of technical Sciences, docent, 123land a.mail. ru, Russia, Moscow, Moscow aviation Institute (national research University),
Shheljaev Alexander Evgenievich, Manager of the Department of computational hydrodynamics, alexaflowvision.ru, Russia, Moscow, OOO «TESIS»
