CC BY
15
Sherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, professor, head of research department, cniiag@cniiag.ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hy-draulics»,
Azhgirevich Igor Leonidovich, engineer, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»
Kuznetsov Dmitry Nikolaevich, design engineer 1st category, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»
УДК 629.7.054.07
ОПЫТ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ САМОПРИЦЕЛИВАЮЩЕЙСЯ БИНС ВЫСОКОМАНЕВРЕННОГО
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.А. Медельцев, Д.О. Савватеев, Е.И. Титков, П.А. Шаповалов, П.Н. Сигалева, А.В. Фролов, С.В. Смирнов
Предложен численный подход к оптимизации конструкции самоприцеливающейся БИНС на начальном этапе разработки. Подход основан на использовании метода конечных элементов в трёхмерном рассмотрении и решении на основе этого метода задач динамики в стационарной постановке с определением углов отклонения измерительных осей чувствительных элементов. С помощью полученных результатов численного моделирования оценены принятые технические решения, а также сформулированы новые требования к проектированию несущей системы БИНС.
Ключевые слова: БИНС, численный анализ, оптимизация конструкции, метод конечных элементов.
Введение. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) находят всё более широкое применение в качестве основы бортового навигационного комплекса систем управления высокоманевренных летательных аппаратов (ВЛА). Отсутствие карданова подвеса и ги-роплатформы положительно сказывается на технологичности, серийно-пригодности конструкции и надежности прибора, также позволяет улучшить габаритно-массовые характеристики бортового навигационного комплекса в целом. Однако данный аспект приводит к необходимости функционирования чувствительных элементов БИНС (гироскопов и акселерометров) в условиях существенно более высоких уровней механических
61
воздействий - перегрузок, ударов, вибраций - вследствие отсутствия гиро-платформы, изолирующей измерительный базис БИНС от манёвров ВЛА [1 - 4].
Результаты моделирования ошибок БИНС ВЛА [5] показывают, что с увеличением уровня механических воздействий вклад случайных инструментальных погрешностей гироскопов и акселерометров в ошибки ориентации и навигации существенно возрастает. В данный перечень погрешностей также входят ошибки взаимной привязки измерительных осей ЧЭ друг к другу и приборным осям БИНС, которые оказывают существенное влияние на точность измерения пути и вычисления ориентации ВЛА. Данный класс погрешностей складывается как из собственной нестабильности измерительной оси каждого ЧЭ, так и нестабильности несущей системы конструкции БИНС под влиянием температур, перегрузок, ударов, вибраций и процессов старения. Перечисленные аспекты определяют требования к жёсткости несущей конструкции.
Таким образом, наряду с обеспечением привычного требования к комплектующим ВЛА - минимизации массы - необходимо предусмотреть высокий уровень жёсткости несущей конструкции БИНС. Как показывает опыт исследования и разработки таких систем, данные требования противоречат друг другу, что обусловливает разработку подходов к оптимизации конструкции, поиску компромисса.
Одной из наиболее трудоёмких является задача определения отклонений осей чувствительности. Получение этих данных экспериментально связано с определением отклонений плоскостей установки чувствительных элементов непосредственно в процессе имитации внешних воздействий, что обусловливает создание специальной, сложной и дорогостоящей экспериментальной установки.
Благодаря возможностям компьютерных систем инженерного анализа (CAE - computer-aided engineering) и, в частности, систем численного моделирования разработок можно избежать дорогостоящего и трудоза-тратного натурного моделирования, особенно на ранних этапах проектирования, и провести достаточное количество виртуальных экспериментов с рассматриваемыми вариантами и параметрами конструкций.
В настоящей работе изложен подход к определению отклонения измерительных осей чувствительных элементов (ЧЭ), их минимизации, совместно с минимизацией массы прибора путём использования конечно-элементных методов, топологической и параметрической оптимизации с учётом воздействующих на прибор вибрационных, тепловых и силовых факторов. Методический подход реализован в ANSYS Workbench [6].
Конструкция несущей системы. В процессе проектирования компоновок и деталировки изделия конструктор зачастую вынужден учитывать не всегда оптимальные аспекты разработок, связанные с требованиями ТЗ: элементы крепления, компактность прибора, использование техно-
логических и функциональных конструктивных элементов (отверстий, фасок, рёбер). Следование данным требованиям априори влияет на общую жёсткость и массу прибора и не всегда благоприятно. Разумеется, конструктор пользуется эмпирическими рекомендациями и другими нерасчётными методами оптимизации конструкции на этапе проектирования облика (нулевой этап оптимизации), но ему весьма трудно умозрительно учесть влияние воздействующих факторов на изделие.
Таким образом, входными данными для оптимизации являются облики будущих приборов, подготовленные конструктором.
В рамках настоящей работы предполагалось изготовить несущую конструкцию прибора традиционными, субтрактивными методами, поэтому топологическая оптимизация (часто используемая в рамках аддитивного производства) использована только как предсказательный, прогностический метод, позволяющий увидеть тренды к изменению конструкции, -окрестности, не влияющие на нагруженное состояние прибора. К тому же топологическая оптимизация не позволяет учесть в рамках используемого конечно-элементного пакета всех интересующих воздействующих факторов на прибор.
Путь оптимизации. Рассмотрим последовательность излагаемого подхода на примере несущей конструкции самоприцеливающегося БИНС. На рис. 1 представлен конструкторский облик БИНС. После анализа результатов начальных этапов оптимизации, назначения оптимизационных параметров, диапазонов и шагов варьирования, а также подготовки конструкции проведён основной этап - параметрическая оптимизация.
Рис. 1. Облик конструкции БИНС
63
На рис. 2 показан выбор оптимизационных параметров Х1-Х6 для ключевой (с точки зрения обеспечения жёскости несущей системы) детали.
Рис. 2. Выбор оптимизационных параметров
Результаты отклонений углов измерительных осей чувствительных элементов для исследованных вариантов конструкции показаны на рис. 3.
1 ^ К и ^ о о •
Рис. 3. Отклонения измерительных осей ЧЭ (ось ординат) различных вариантов конструкций (ось абсцисс)
На рис. 4 представлена точечная диаграмма, отражающая соотношение суммарных значений отклонений измерительных осей ЧЭ и масс различных вариантов конструкций несущих систем, определённых шестью параметрами.
17,89 17,94 17,99 38,04 18,09 18,14 18,19
Масса прибора, кг
Рис. 4. Зависимость суммарных отклонений измерительных осей от масс для различных вариантов конструкций
Параметрическая оптимизация представляет собой последовательный пересчёт (перебор) вариантов конструкции с варьированием выбранными параметрами и шагами варьирования в определённом диапазоне. В процессе перебора вариантов конструкций было важно отслеживать адекватность выбора диапазонов и шагов варьирования, корректируя выбранные значения в сторону предполагаемого уменьшения целевой функции, благодаря чему происходит постепенное уменьшение суммарных отклонений (см. рис. 3).
В результате из полученного массива вариантов несущих конструкций формируется множество эффективных решений - область, выделенная на рис. 4. Границы области следует полагать нечёткими вследствие отсутствия правила, определяющего весовые коэффициенты оптимизационных критериев.
Кроме того, в связи с неопределённостью, связанной с трудностью сопоставления оценок по противоречивым критериям: минимизации массы и отклонений измерительных углов ЧЭ, всё множество эффективных решений рекомендуется к рассмотрению на дальнейших этапах оптимизации и проектирования прибора.
Заключение. Данный методический подход, разработанные на его основе численные модели и реализованная оптимизация позволяют количественно оценить принятые на начальном этапе проектирования конструктивные решения степенью возможной минимизации целевой функции. В рассмотренном примере параметрическая оптимизация позволяет минимизировать целевую функцию (отклонения измерительных осей чувствительных элементов) на 30 % с несущественным увеличением массы -всего на 0,1 %.
Кроме того, в результате оптимизации формируется множество эффективных решений, которое обеспечивает возможность выбора конструктором различных, более оптимальных по выбранным критериям вариантов несущих систем. С другой стороны, расширяя множество оптимизационных критериев (по технологичности, эргономике, эстетике), данное множество обусловливает возможность дальнейшей оптимизации с формированием, например, кортежа Парето [7].
Результаты представленного численного моделирования требуют экспериментальной валидации, которая в реалиях рассматриваемых процессов весьма сложна. Для того, чтобы иметь возможность экспериментально измерить отклики конструкции на сложный комплекс факторов, воздействующих на прибор, требуется выполнить большой объем работ, связанный с разработкой и внедрением в работу специальных экспериментальных стендов, способных уловить доли угловых секунд - отклонения измерительных осей чувствительных элементов. Поэтому в настоящее время и на ближайшую перспективу численный анализ является рекомендованным способом оптимизации на ранних этапах проектирования.
Список литературы
1. Гурский Б.Г., Люшанов Э.П., Спирин Э.П. Основы теории систем управления высокоточных ракетных комплексов Сухопутных войск. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.
2. Бромберг П.В. Теория инерциальных навигационных систем. М: Наука, 1979. 296 с.
3. Липтон А. Выставка инерциальных систем на подвижном основании. М.:, Наука, 1971.
4. Salychev O.S. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions. M.: BMSTU Press, 2004.
5. Фролов А.В., Смирнов С.В., Попов Е.А. Исследования влияния теплоты на стабильность осей несущей системы блока акселерометров БИНС // XXVII Санкт-петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2020.
66
6. Программный комплекс ANSYS. Версия 2019R3.
7. Сафронов В.В. Основы системного анализа: методы многовекторной оптимизации и многовекторного ранжирования: монография. Саратов: Научная книга, 2009. 329 с.
Медельцев Антон Александрович, инженер-конструктор 2-й категории, medeltsev@,hotmail.com, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»,
Савватеев Денис Олегович, инженер-конструктор, savvateev. denis24 @,gmail.com, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»
Титков Егор Иванович, инженер-конструктор, egor3112@yandex. ru, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»
Шаповалов Пётр Анатольевич, инженер, kinik. keni@yandex. ru, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»
Сигалева Полина Николаевна, инженер, polina@sigaleva. ru, Россия, Москва, АО«ЦНИИАГ»
Фролов Александр Владимирович, канд. техн. наук, нач. лаборатории, Frolov@Frolov.moscow, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»
Смирнов Сергей Викторович канд. техн. наук, нач. отдела, strapdownsys-tems@,mail.ru, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»
PRACTICE OF SELF-AIMING SINS DESIGN OPTIMIZA TIONFOR HIGHLY
MANEUVERABLE AIRCRAFT
A.A. Medeltsev, D.O. Savvateev, E.I. Titkov, P.A. Shapovalov, P.N. Sigaleva, A. V. Frolov, S. V. Smirnov
This article presents a numerical approach to self-aiming strapdown inertial navigation system design optimization in the early stages of development. The approach is based on the use of the finite element method in three-dimensional consideration and solving on the basis of this method dynamics problems in a stationary setting with calculation of the deflection angles of the sensitive elements measuring axes. The obtained results of numerical modeling are used to evaluate the adopted technical solutions and to formulate new requirements for strapdown inertial navigational system design.
Key words: SINS, numerical analysis, structural optimization, finite element method.
Medeltsev Anton Aleksandrovich, CAE-engineer, medeltsevahotmail.com, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
Savvateev Denis Olegovich, design engineer, savvateev. denis24@,gmail. com, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
Titkov Egor Ivanovich, CAD-engineer, egor3112@yandex. ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
Shapovalov Petr Anatolievich, engineer, kinik. keni@yandex. ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
Sigaleva Polina Nikolaevna, engineer, polina@sigaleva. ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
Frolov Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of laboratory, Frolov@Frolov.moscow, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
Smirnov Sergei Viktorovich, candidate of technical sciences, head of division, strapdownsystems@,mail.ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
