CC BY
43
ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММЫ ИНЖЕНЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 629.7:004.925.8
МОДУЛЬНОЕ ВАРИАНТНОЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
С.Л. Шамбина1, В.Г. Вирченко2
'Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419 2Национальный технический университет Украины «КПИ» пр. Победы, 37, Киев, Украина, 03056
В статье рассмотрены вопросы вариантного компьютерного геометрического моделирования сложных технических объектов, проанализированы перспективы его использования с учетом особенностей применения в конструкции композиционных материалов.
Ключевые слова: геометрическое моделирование, проектирование, сложные технические объекты, композиционные материалы.
Компьютерные информационные технологии, важным компонентом которых является автоматизированное геометрическое моделирование, играют ведущую роль в разработке сложной техники. Перспективным считается способ ее проектирования на основе интеграции проверенных опытом инженерных решений. Данный подход позволяет повышать эффективность всех стадий жизненного цикла продукции, обеспечивает высокое ее качество, сокращает затраты различных ресурсов.
В работе [1] приведена концепция формирования самолета как универсальной платформы для его пассажирских, транспортных, пожарных и других разновидностей. Известно, что проектные аэродинамические компоновки летательных аппаратов содержат десятки вариантов. Если же учесть и модели их прочности, конструкции, технологии и т.д., то реальное число исследуемых вариантов возрастает еще более существенно. Изложенные факты свидетельствуют о сложности и трудоемкости разработки технических изделий.
В связи с актуальностью научно-прикладных инженерных исследований, направленных на повышение эффективности проектирования сложных технических
объектов, необходимо разработать новые приемы их автоматизированного вариантного моделирования.
На примере проектирования узлов и отсеков самолета рассмотрим предлагаемый модульный метод компьютерного геометрического моделирования. На рис. 1 показаны исследуемые варианты конструкции лонжерона крыла, состав которого описывается множеством
ЛН = (лн,- )!Ч (1)
число компонентов, лн1 — стенки, лн2
где Мли = 3
При этом
стойки, лн3 — пояса.
лн,
:(Рстен.Х лн2
лн3 = Рпояс = (Рп
Р - = ( Р
стой ^-Т^ст ояс , рпояс-, ^
! , рстой-, ),
(2)
где параметрические твердотельные геометрические модели соответственно: рс.
стенки; рстой, , рс
стойки из уголка и тавра; рпояс , рп
пояса из уголка и тавра.
а б
Рис. 1. Структурно-параметрические варианты лонжерона:
а — с уголковыми стойками и поясами; б — с тавровыми стойками и поясами
Взаимодействие множеств (2) определяется показанной на рис. 2 структурно-параметрической геометрической моделью (СПГМ), где элементы лд = {1; 0} матрицы смежности обозначают возможность сочетания вариантов.
Операции компьютерного моделирования авиационной техники включают построение систем координат, теоретических поверхностей, следов конструктивно-силового набора, компоновку оборудования, разработку конструкции и т.д.
Повысить производительность их вариантного моделирования предлагается путем использования универсальных, специализированных и интегрированных геометрических модулей (ГМ). Основная идея заключается в выделении элементов, общих в структурно-параметрическом плане. Такой подход позволяет реализовать многообразные технические объекты с помощью ограниченного количества унифицированных ГМ.
Проиллюстрируем это на примере мидельной части фюзеляжа. Представленная на рис. 3а фигура может быть создана с помощью универсального ГМ формирования поверхностей по исходному каркасу линий. Указанный модуль пригоден для поверхностей гондол двигателей и др. Однако при моделировании крыла или оперения надо взаимодействовать со специальным ГМ построения аэродинамических профилей, из-за чего рационально иметь интегрированный ГМ, объединяющий два рассмотренные выше.
Шамбина С.Л., Вирченко В.Г. Модульное вариантное геометрическое моделирование..
I" IIIIIIIII
III IIIIIIIII
лн Р 1 стен ^той Р пояс
р г степ 1 Рапой 1 р . Г cnWU2 Рпояс 1 Рпояс2
Рстен р 1 степ 1 0 1 1 1 1
Рстой Pcmoù 1 1 0 0 1 0
Р tctnmn 1 0 0 0 1
Р Рпояс 1 1 1 0 1) 0
Рпояс 2 1 1) 1 1) 1)
Рис. 3. Компьютерные модели проектных вариантов мидельной части фюзеляжа:
а — теоретическая поверхность; б — базы конструктивно-силового набора; в — компоновка салона; г — конструкция
а
б
в
а
г
б
Рис. 2. СПГМ лонжерона:
а — граф структуры; б — матрица смежности элементов
Универсальным является ГМ построения теоретических баз конструктивно-силового набора (рис. 3б), пригодный для формирования следов силовых элементов и других агрегатов планера. На рис. 3в и 3г показаны результаты применения ГМ компоновки и твердотельного конструирования.
Стратегическим направлением вариантного проектирования авиационной техники для обеспечения минимальной массы летательных аппаратов, при одновременной реализации их высокой прочности, жесткости, эксплуатационной надеж-
ности и т.д., является применение композиционных материалов. Эти материалы создаются на основе сочетания углеродных, стеклянных, борных или других волокон с полимерными, металлическими и прочими видами матриц (связующих). Важно, что формирование композитов, технология их изготовления и проектирование конструкции составляют единый процесс. Главное преимущество композиционных материалов состоит в возможности получения материала с заданными свойствами, необходимыми в определенной конструкции исходя из конкретных условий ее эксплуатации. Эта особенность реализуется благодаря большому многообразию волокон и матриц, применяемых в композитах, использованию различных схем армирования, что позволяет целенаправленно регулировать прочность, жесткость, массу и другие характеристики создаваемых технических объектов [2; 3]. Эта вариативность очень полезна при компьютерном моделировании [4].
Модульное компьютерное вариантное геометрическое моделирование весьма перспективно, но требует для своего практического внедрения проведения дальнейших научно-прикладных инженерных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Геремес Ю.Н., Гребешков А.Г., Гуменный А.М. Концепция создания пассажирского самолета для местных воздушных линий // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. — Вып. 47. — Харьков: НАУ «ХАИ», 2010. — С. 20—33. [Gemmes Iu.N., Grebenikov А. G., Gumennyi A.M. Коп!сер1сиа зо7ёапиа pаssаzhirskоgо зашо1е1а dlia ше81пу№ TOzdushnykh linii // Otkrytye informatcionnye i kompiuternye integriro-vannye tekhnologii. — Vyp. 47. — Kharkov: NAU «KhAI», 2010. — S. 20—33.]
[2] Шамбина С.Л. Анизотропные материалы и особенности расчета конструкций из них // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2005. — № 1. — С. 113—118. [Shnmbina S.L. Anizotropnye materialy i оsobennosti rasct^ konstruktcii iz nikh // Stroitelnaia mekhanika inzhenernykh konstruktcii i sooruzhenii. — 2005. — №1. — S. 113—118.]
[3] Шамбина С.Л. Особенности проектирования и расчета элементов конструкций из прессованных стеклопластиков // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2008. — №1. — С. 34—38. [Shаmbina S.L.. Osobennosti proektirovaniia i raschete elementov konstruktcii iz pressovannykh stekloplastikov // Stroitelnaia mekhanika inzhenernykh konstruktcii i sooruzhenii. — 2008. — № 1. — С. 34—38.]
[4] Tong L., Lin J. Structural topology optimization with implicit design variable-optimality and algorithm // Finite Elements in Analysis and Design. — August 2011. — Vol. 47. — Issue 8. — P. 922—932.
MODULAR VARIANT GEOMETRIC MODELING OF COMPLEX TECHNICAL OBJECTS
S. Shambina1, V. Virchenko2
'Engineering Faculty Peoples' Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115419 2National Technical University of Ukraine "KPI" Pobedy av., 37, Kiev, Ukraine, 03056
The paper deals with the variant computer-aided geometric modeling of complex technical objects and analyzed the prospects for its use for technical structures made of composite materials.
Key words: geometric modeling, design, complex technical objects, composite materials.
