CC BY
102
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
А. Ю. Сапожников, И. А. Кривошеев, В. А. Зрелов,
М. Е. Проданов, А. Ю. Цой, А. С. Миронов
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВОЙ СХЕМЫ АВИАЦИОННОГО ГТД НА ЭТАПЕ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УДК 621.452
Представлен метод выбора расположения опор турбокомпрессора ГТД на этапе эскизного проектирования с применением системы поддержки принятия решения. Формализация выполнена на основе методологии SADT, рассмотрены программные компоненты информационной среды и взаимодействие между ними. Автоматизация; проектирование; схема расположения опор; конструктивно-силовая схема ГТД
В настоящее время САЬ8-технологии приобретают все большее значение в процессе проектирования авиационных ГТД. В жизненном цикле двигателя эскизное проектирование (ЭП) является одним из наиболее важных этапов, так как результаты принятых на этом этапе решений определяют 70% стоимости всего проекта [1]. Построение ГОЕБО-модели на основе методологии 8АБТ [2, 3] позволяет формализовать последовательность работ, проводимых при проектировании ГТД, проводить анализ «узких» мест, осуществлять последующий реинжиниринг процесса.
ФОРМАЛИЗАЦИЯ РАБОТ НА ЭТАПЕ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В жизненном цикле ГТД этапу ЭП предшествует стадия «Исследование и обоснование разработки». На рис. 1 показан состав работ, составляющих эту стадию. Результатом их выполнения являются сведения по прогнозу развития двигателей конкретного назначения, по уровню требуемых параметров и показателей, по особенностям схем двигателей и отдельных узлов и систем, по возможностям разработки базового газогенератора (ГГ), пригодного для использования в перспективных двигателях другого назначения, по дальнейшему развитию и модернизации двигателей для улучшения их параметров [4]. Эти данные являются исходными для этапа ЭП при создании новых ГТД.
Декомпозиция этапа эскизного проектирования по методологии 8АБТ приведена на рис. 2. К задачам, не формализованным на данном этапе, относится задача выбора конструктивно-силовой схемы двигателя (рис. 3, блок А2131). Актуальность решения данной задачи
состоит в устранении разрыва между функциональным проектированием и автоматизированным переходом к конструкторской деятельности в интегрированной программной среде, оптимизации выбранных решений с учетом многообразия возможных вариантов
и противоречивости требований, предъявляемых к авиационным двигателям. На рис. 3 видно, что в состав интегрированной программной среды входят: интеллектуальная компонента -система поддержки принятия решений (СППР), построенная на основе универсальной «пустой» экспертной системы (оболочки), универсальные CAD/CAE-системы, программные средства MS Office, а также PDM-система, обеспечивающая коллективную работу персонала в едином информационном пространстве.
ВЫБОР КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВОЙ СХЕМЫ ГТД
Предлагаемый алгоритм выбора конструктивно-силовой схемы (КСС) двигателя позволяет проектировщику, используя возможности СППР и PDM-системы, выполнять следующие действия: формировать возможные варианты конструктивно-силовых схем расположения опор (КССРО) двигателей, отбирать наиболее подходящие схемы среди сформированных, оценивать преимущества и недостатки отобранных схем и выбирать из них наиболее подходящую для проектируемого двигателя, составлять перечень всех реализованных двигателей, имеющих выбранную схему, выбирать прототип, рассчитывать линейные размеры расположения опор и, как результат, формировать КСС двигателя с уточненным количеством и расположением опор.
Контактная информация: (347) 273-06-35
Требования заказчика НТД на НТЗ
(Г А, ВВС, самолетные ОКБ)
С1 С2
М1
Персонал ЦИАМ, НИИ, ОКБ
Рис. 1. Декомпозиция блока «Исследование и обоснование разработки» в составе работ стадии технического предложения
НТД, ОДЬБ-стандарты на ЭП
ТЗ на ОД О2
М2 Персонал ОКБ, ЦИАМ
Программное
обеспечение
Рис. 2. Декомпозиция блока «Разработать эскизный проект»
Решение по доработке ЭП С3
ТЗ на ОД С2
НТД, СА1в-стандарты на ЭП
С1
_ Программное
Персонал ОКБ £ г
обеспечение
Рис. 3. Декомпозиция блока «Разработать эскизную компоновку»
Рис. 4. Декомпозиция блока “Выбор силовой схемы ОД”
Декомпозиция блока «Выбрать силовую схему ОД» (рис. 3, блок А2131) показана на ГОЕБО-диаграмме на рис. 4. На данном этапе силовая схема ГТД может быть визуализирована с применением условно стилизованных элементов (рис. 5).
Рис. 5. Один из вариантов силовой схемы авиационного ГТД (ТРДДФсм) и ее условно-стилизованное представление
Работа данных модулей с точки зрения взаимодействия комплекса программ и проектировщика происходит следующим образом.
Первоначально в РБЫ-системе формируется список возможных конструктивно-силовых схем двигателя, описывающих количество и расположение опор (рис. 6). При этом крите-
риями отбора схем из всей области возможных вариантов являются количество роторов, заданная схема силового замыкания или схема турбокомпрессора (ТК) базового ГГ.
На следующем шаге выбранное множество схем в заранее закодированном виде (например, как указано в [5]) передается в СППР для экспертной оценки выбранных вариантов. При работе с СППР проектировщику необходимо выбрать из списка критериев (заложенных в СППР) те, которые заданы в ТЗ и которые необходимо учесть при оценке той или иной конструктивно-силовой схемы. Указанные параметры могут быть введены в ручном режиме или выбраны из файла, сформированного РБЫ-системой.
После формирования списка оценочных параметров конструктору необходимо по каждому параметру сравнить все варианты схем и отметить варианты, которые принимаются по данному параметру (рис. 7).
После завершения процедуры оценки реализованных вариантов программа подсчитывает количество пометок для каждого варианта и выдает вариант с наибольшим количеством преимуществ (табл. 1).
После оценки вариантов КССРО их количество уменьшается до одного выбранного варианта.
Рис. 6. Декомпозиция блока “Формирование списка реализованных вариантов КСС
по расположению опор”
CorvidBrowser
File
Exsys®CORVIDTM Runtime
Результаты поиска:
Турбина
^жадатё'тип двигателя: |Щдд_ТРЩФ ::Тжа^йтё',юлйч'ество роторов двигателя: 2 Силовой корпус с одинарной внешней связью Противсвращение роторов Да
Сдама'турбины'Л
Схема тур Вины Т5 Схема турйины Тб
ii.
Схема турбины Т4 - Windows Internet Е... [И~|[п |[Х~|
% Deprogram Files\Exsy v] X [по Файл Правка Вид Избранное Сервис Справка
Û & Схема турбины Т4
Ï
Характеристика схемы:
Жесткость ротора:
Вес конструкции:
КПД турбины:
Надежность Ж:
Маслоподвод. смазка ПК: Технологичность:
Реализация;
Р79В-300
Примечание:
Требует КС укороченной конструкции
Оценка эксперта: LOO 0;95 1,00 1:00 0.90 0,80
j Мой компьютер % 100%
'
Exit
Рис. 7. Окно просмотра результатов в СППР
Таблица 1 Результаты работы СППР
Код схемы Критерии оценки КСС Инте- граль- ный показа- тель Реали- зация
Смазка опор ком- прессо- ра Смазка опор турби- ны КПД турби- ны
Аі 0,9 0,7 0,9 7, 9 ПС-90
А2 0,8 0,6 0,8 7,8 нет
А, 0,8 0,5 0,8 7,1 б:200
Далее для выполнения этапа «Выбор уточненного расположения опор» необходимо совершить следующие действия:
1) Рассчитать относительные линейные коэффициенты найденных схем двигателей по алгоритму [6], значения которых будут являться критериями выбора места расположения опор:
прессора;
L —, Lt
L
- относительная длина ком-
- относительная длина турби-
ТК
ны;
L—
L
L
- относительное расстоя-
ние от опоры до входа в компрессор;
L—
L
- относительное расстоя-
ние между опорами ТК.
На данном этапе СППР делает запрос в РБЫ-систему и получает необходимые данные по найденным двигателям для расчета их относительных линейных коэффициентов.
2) Рассчитать относительную длину компрессора и турбины проектируемого двигателя. Для расчета относительных длин инженеру необходимо указать системе поддержки принятия решения месторасположение файла (например, 1x1 или х^) с результатами термогазодинамического расчета двигателя, из которого СППР в автоматическом режиме выберет необходимые ей данные.
3) Сравнить относительные длины проектируемого двигателя с относительными длинами двигателей, имеющих выбранную схему расположения опор. Этот этап выполняется программой автоматически. Для работы она использует схемы двигателей, найденные при выполнении этапа поиска реализованных схем расположения опор [7]. После сравнения относительных длин на мониторе отображается спи-
сок двигателей, имеющих наиболее близкие значения относительных длин, в порядке удаления от значений относительных длин проектируемого двигателя.
Затем из появившегося списка двигателей проектировщику предлагается выбрать двигатель в качестве прототипа. После чего программа рассчитывает геометрические параметры расположения опор в проектируемом турбокомпрессоре, используя относительные коэффициенты двигателя-прототипа.
Декомпозиция блока «Выбор уточненного расположения опор» отображена на рис. 8.
После сбора необходимых данных: результатов термогазодинамического расчета и линейных размеров расположения опор, программа приступает к построению конструктивносиловой схемы проектируемого двигателя.
После завершения работы данного алгоритма можно переходить к компоновке двигателя с применением СЛБ-систем, куда передаются геометрические параметры расположения опор, полученные в СППР.
ОРГАНИЗАЦИЯ КОЛЛЕКТИВНОЙ РАБОТЫ
Параллельное выполнение работ (рис. 9) в едином информационном пространстве (ЕИП) между всеми участниками жизненного цикла изделия реализуется с помощью информацион-
ных систем специального класса - систем управления данными об изделии (РБМ-систем).
Главная задача РБМ-системы заключается в предоставлении необходимой информации каждому участнику процесса в нужное время и в удобной для него форме.
Объектно-ориентированная модель данных (в дальнейшем РБМ-модель), показанная на рис. 10, имеет ряд свойств, позволяющих обеспечить развитие данного проекта при удобной работе в многопользовательском режиме, и реализует следующие возможности:
• добавление новых описаний на любом уровне иерархического дерева объекта (добавление новых сборочных единиц (СЕ) и деталей
(Д));
• обеспечение доступа каждого пользователя только к той информации, которая предоставляется ему для работы;
• вызов рабочих процедур расчета и проектирования по описанию хранимого файла для любого элемента дерева объекта.
Предложенная структура базы данных (БД) РБМ-системы содержит описания данных о ГТД в виде иерархических деревьев в основном классе «ПРОЕКТЫ». Это описание может быть выполнено с любой степенью подробности и с любой точки зрения. Иерархические деревья отражают наследуемые иерархические связи между любыми типами информации в БД.
отдела
Рис. 8. Декомпозиция блока «Выбор уточненного расположения опор»
Это свойство может быть использовано для представления таблицы атрибутов (BOM - Bill of Materials), для управления предприятием в среде систем класса MRP-II. Каждый класс объектов имеет свои тип паспорта объекта и пиктограмму (табл. 2) в дереве проекта PDM-системы.
Праижодсгво
Рис. 9. Организация параллельной работы участников ЖЦ
Для каждого созданного класса объектов разрабатываются собственные формы представления информации средствами администрирования, т.е. интерфейс пользователя настроен для работы с так называемыми паспортами (или карточками учета) объектов.
При формировании технического задания создается файл в формате MS Word «ТЗ на проектирование двигателя», который прикрепляется к объекту. Для просмотра встроенным про-смотрщиком файла задания используется вкладка «Просмотр» в паспорте объекта. В пас-
порте ТЗ указываются такие атрибуты, как общие сведения, состав двигателя, технические требования (рис. 11).
Таблица 2 Классы объектов РБМ-модели
ГТД-проект 1 Диск
ГТД-прототип Лопатка
ГТТтГУгП —1 Группа объектов
Конструктивно-силовая схема
Компрессор 1—1 Постоянные данные
Турбина 1—1 Переменные данные
Ф Сборочная единица ТЗ на проектирование двигателя
© Деталь
После проведения термогазодинамического расчета ГТД заполняются сведения о двигателе в паспорте объекта «Двигатель», создается объект «Проточная часть» (рис. 12). В паспорте объекта «Конструктивно-силовая схема» (рис. 13) в РБЫ-системе содержатся такие атрибуты, как тип КСС двигателя, количество опор роторов (НД, СД, ВД), расположение и тип подшипника роторов, количество силовых поясов, относительные линейные коэффициенты и т. д.
Рис. 10. Пример объектно-ориентированной модели данных о ГТД
Рис. 11. Страницы паспорта ТЗ на проектирование двигателя
Рис. 12. Паспорт объекта «Проточная часть»
SmarTeam - [Проекты: ]
вйл Редактировать В ка Дерево Перейти к классу Жизненный цикл Инструменты Окно Справке
ап %нш
о ©
12 Ц Компрессор НК-8 В 11#АИ-24
ш X'.' Компрессор АИ -24 В □^ТВ2-117А
а □2ЬК0МПРЕСС0РТВ2-117
□ ЛР11-Ф?-ЗПП ВО#Д-20П
І±І О £ Камера Сгорания Д-28П г+1 [_}: Компрессор
□ □ф Д-36
® Ц Компрессор Д-36
□ ®БАЗА ДАННЫХ ВСПОМОГАТ. МАТІ рБАЗА ДАННЫХ РЕЖИМОВ а БАЗА ДАННЫХ ОСНАСТКИ &БАЗА ДАННЫХ ИЗМЕРИТ. ИНСТР ^БАЗА ДАННЫХ ИНПТРЧМЕНТГШ ^БАЗА ДАІIIІИХ ПСРСХОДОО 5 база ДАННЫХ УСТАНОВОВ ^БАЗА ДАННЫХ ОБОРУДОВАНИЯ Збазд данных операций
□ ^СКЛАД МАТЕРИАЛОВ 1*15 |_ЗфБД МАТЕРИАЛОВ
^ $ ЗАВОДСКОЙ ЗАКАЗ 1БООО вСЮс ірумур-з ПКБ "Северние"
И □Й||итдел/1 Ш Г-11ШГруппл 7 пгтАлпл 11 В Пф Сектор 1 отделе 11 1±)ОІ ^КАНЦЕЛЯРИЯ 1+1 0(| І Отдел N*1
Е Щ } Главный инженер проекта 58 Ш О і ^ Г лавный инженер проекта 57 а |Главный инженер ПКБ Э і)Директор ПКБ В О ^ 812-Л 'тА
1Л ~ 2Ґ
<© і© ® ф
* | Атрибуты | Связи | Заметки | Версии | Просмотр |
JN
□q
□<
ы
ГУт*»<г?угті Конструктивно силовая схема
Г
Обозначение Тип КСС двигателя |
Количество опор ротора НД Количество опор ротора СД Количество опор ротора ВД Количество опор ротора СТ
Положение РУП ротора НД Положение РУП ротора СД Положение РУП ротора ВД
Руководитель проекта ["" Этап проектирования ["
Вид силовой схемы НД Г Вид силовой схемы СД [" Вид силовой схемы ВД Г Вид силовой схемы СТ Г
Силовая связь от поши.к корп. НИ |
Силовая связь от подш.к корп. СД [~
Силовая связь от подш.к корп. ВД [""
lL
| Добавить
*ЛОбщие/Дополнит /Версия/ФайлУ^
J Применить | Отменить |
Справка
Looin: elena
П
WBJN1 20:02
IL0P0FLVD
апас.|ГТ SmarT earn
3 Adobe Photoshop
Рис. 13. Паспорт объекта «Конструктивно-силовая схема»
ВЫВОДЫ
Формализация этапа эскизного проектирования на основе методологии 8ЛБТ позволяет конкретизировать состав участников проектирования, определить состав программных средств, типы используемых объектов и их атрибуты, сформулировать требования к отдельным программным модулям, предусмотреть их взаимодействие между собой, наметить пути дальнейшего усовершенствования.
В результате использования средств математической логики, теории графов и ретроспективного анализа конструктивных схем ГТД сформирован метод автоматизированного выбора расположения опор в роторе турбокомпрессора ГТД. Предлагаемый метод выбора КСС реализуется системой поддержки принятия решения, построенной на основе универсальной экспертной системы (оболочки), что позволяет на этапе эскизного проектирования получить конструктивно-силовую схему турбокомпрессора с уточненным расположением опор и подобрать прототип для дальнейшего проектирования.
Разработанные классы объектов и их атрибуты составляют информационную модель ГТД, которая поддерживает все уровни иерархии описаний и представляется паспортами объекта в РБМ -системе.
Предлагаемая организация работы на этапе эскизного проектирования авиационных ГТД позволяет устранить разрыв между функциональным и конструкторским проектированием, сократить время эскизного проектирования, повысить качество проектирования ГТД за счет работы в едином информационном пространстве на основе единой модели данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тунаков А. П., Кривошеев И. А., Ах-медзянов Д. А. САПР газотурбинных двигателей. Уфа: УГАТУ, 2005. 272 с.
2. Ахмедзянов А. М., Сахабетди-нов М. А., Алаторцев В. П. Эскизное проектирование авиационных двигателей: Учеб. пособие. Уфа: УАИ, 1984. 80 с.
3. Marka D. A., McGovan K. L. SADT: Structured Analysys and Design Technique. N.Y.: McGrawn Hill, 1988.
4. Калянов Г. Н. CASE-технологии. Консалтинг в автоматизации бизнес-процессов. М.: Горячая линия - Телеком, 2002. 320 с.
5. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 2000. 454 с.
6. Филекин В. П. Атлас конструктивных и силовых схем авиационных ГТД. Куйбышев: КуАИ, 1984. 104 с.
7. Зрелов В. А., Миронов А. С., Прода-нов М. Е. Метод автоматизированного выбора расположения элементов ГТД на схемном уровне// Проблемы и перспективы развития двигате-лестроения: материалы докладов междунар. на-уч.-техн. конф. Самара: СГАУ, 2009. Ч. 1. С .156-158.
ОБ АВТОРАХ
Сапожников Алексей Юрьевич, мл. науч. сотр. каф. авиац. двиг. Дипл. инженер по авиац. двиг. и энерг. установкам (УГ АТУ, 2000). Иссл. в обл. САПР и комплексной автоматизации проектирования двигателей ле-тательн. аппаратов и энергоустановок.
Кривошеев Игорь Александрович, декан факультета АД, проф., науч. рук. НИЛ САПР-Д. Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 1976). Д-р техн. наук по тепл. двигателям ЛА (2000). Иссл. в обл. инф. техн. в двигателестроении.
Зрелов Владимир Андреевич,
доц. каф. конструкций и проектирования двигателей летательн. аппаратов СГАУ. Дипл. инж.-мех. по двигателям летательн. аппаратов (КуАИ, 1969). Д-р техн. наук по тепл. двиг. (СГАУ, 2008). Иссл. в обл. компл. автоматизации проектирования, изобретения и публикации в области конструирования элементов роторных систем двигателей летательных аппаратов.
Проданов Михаил Евгеньевич,
доц. той же каф. Дипл. инж.-мех. по авиац. двиг. (КуАИ, 1983). Канд. техн. наук по тепл. двигателям (КуАИ, 1990). Иссл. в обл. компл. автоматизации проектирования, изобретения и публикации в обл. динамики и управления роторными системами двиг. летательн. аппаратов.
Цой Александр Юрьевич, инж. той же каф. Дипл. инженер по авиац. двиг. и энергетическ. установкам (СГАУ, 1998). Иссл. в обл. инф. технологий проектирования авиац. двигателей.
Миронов Андрей Сергеевич,
асп. той же каф. Дипл. инж. по авиац. двиг. и энергетическ. установкам (СГАУ, 2007). Иссл. в обл. проектирования авиац.
двиг. и энергетическ. установок.
