CC BY
54
УДК 629.7.01 Дата подачи статьи: 18.03.16
Б01: 10.15827/0236-235Х.114.135-138
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФЮЗЕЛЯЖА ВОЗДУШНОГО СУДНА С ПОМОЩЬЮ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И.С. Быкова, преподаватель, is.bykova04@gmail.com; А.Д. Припадчев, д.т.н., доцент, зав. кафедрой (Оренбургский государственный университет, просп.. Победы, 13, г. Оренбург, 460018, Россия)
В представленной статье сформулирован и обоснован метод автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального воздушного судна с использованием разработанного программного средства. Метод основан на алгоритме с применением объектно-ориентированного программирования для написания программного средства, позволяющего определить характеристики фюзеляжа воздушного судна (конструктивно-геометрические, массовые, режимные, аэродинамические, прочностные, эргономические) на этапе предварительного проектирования и создать научно-технический задел для модернизации существующих воздушных судов и возможность для проектирования семейства новых воздушных судов в зависимости от требования заказчика (от конструктивно-геометрических до эргономических - расположение пассажиров в салоне). Программное средство позволяет осуществить итерационный расчет вышеуказанных групп характеристик с выводом результатов в отчет, по полученным значениям строить 3Б-модель проектируемого фюзеляжа воздушного судна с помощью не зависимого от языка программирования кроссплатфор-менного программного интерфейса - OpenGL (открытая графическая библиотека) и экспортировать ее в систему трехмерного моделирования КОМПАС-3Б для дальнейшего проведения имитационного и физического моделирования. Программное средство написано с помощью интегрированной среды разработки Microsoft Visual Studio 2010 на объектно-ориентированном языке программирования высокого уровня C#. Метод включает в себя реализацию информационного (банк данных), прикладного программного и алгоритмического обеспечения.
Ключевые слова: воздушное судно, автоматизированное проектирование, объектно-ориентированное программирование, семейство воздушных судов.
В настоящее время российская авиационная промышленность работает над восстановлением позиций в области мировых авиаперевозок, достигнутых в советский период, и в долгосрочной перспективе планирует войти в пятерку лидеров мирового коммерческого авиастроения. Ведутся работы по созданию современных отечественных воздушных судов (ВС), имеющих широкие эксплуатационные возможности, и перспективного семейства ВС, которые займут место в самом востребованном сегменте на мировом рынке - сегменте магистральных ВС [1]. Линейка ВС должна включать различные модификации, отличающиеся пассажировместимо-стью, дальностью, характеристиками пассажирского салона в соответствии с требованиями заказчика, поэтому производителю необходимо иметь ориентированный на клиента подход к ее разработке. Сложность процессов проектирования, которой отличается магистральное ВС и, в частности, его фюзеляж, являющийся вместилищем полезной нагрузки и подвергающийся существенным изменениям в ходе создания модификаций, не позволяет эффективно осуществлять проектирование без использования САПР [2].
На текущий момент большинство комплексных САПР (CATIA, ProEngineer, SolidWorks и т.д.), включающих в свой состав подсистемы геометрического моделирования (CAD), инженерных расчетов (CAE), технологической подготовки производства (CAM), неспециализированные (не имеют четкого определения объекта проектирования, решают проблемно-ориентированные задачи [3]), и
результат работы в них практически не оказывает глобального влияния на технико-экономические показатели разрабатываемого ВС.
Таким образом, для рационального проектирования с использованием САПР на стадии разработки концепции будущего ВС нерешенной остается задача разработки специализированных программных модулей САПР (CAD и CAE), отличающихся от готовых универсальных программных модулей четким определением объекта проектирования (фюзеляж) [4].
Предлагаемый метод автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС, основанный на использовании программы для автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС, разработанной с помощью интегрированной среды разработки Microsoft Visual Studio 2010 на объектно-ориентированном языке программирования высокого уровня C# [5], включает в себя реализацию информационного (банк данных), прикладного программного и алгоритмического (частные алгоритмы расчета отдельных групп характеристик) обеспечения. На основе анализа летно-технических и эксплуатационных требований, предъявляемых заказчиком, сформированы отдельные группы характеристик, оказывающие решающее влияние на проектирование фюзеляжа [6]: конструктивно-геометрические [7], массовые [8], режимные, аэродинамические, прочностные, эргономические.
Разработаны общий алгоритм метода автоматизированного проектирования фюзеляжа маги-
Рис. 1. Общий алгоритм автоматизированного проектирования фюзеляжа магистрального ВС
Fig. 1. The algorithm of computer-aided design of a long-range aircraft body
стрального ВС (рис. 1) с учетом вышеуказанных требований, а также частные алгоритмы расчета вышеуказанных групп характеристик (рис. 2).
Для программной реализации разработанного метода выбрано объектно-ориентированное программирование в связи с тем, что оно позволяет использовать абстракцию данных и предоставляет системе возможность развиваться даже в случае изменения необходимых для расчета групп характеристик [9]. Входные данные задаются проектировщиком или техническим заданием на проектирование от заказчика с возможностью формирования банка данных.
Программная реализация предложенного метода осуществляется посредством отдельных модулей программы для расчета вышеуказанных групп характеристик (см. http://www.swsys.ru/up-loaded/image/2016_2/2016-2-dop/3 .jpg).
По окончании работы программы возможен вывод на печать основных параметров групп характеристик в аналитической и графической интерпретации, полученных на этапе предварительного проектирования (рис. 3).
После каждого этапа расчета определенной группы характеристик пользователь в диалоговом режиме принимает решение о соответствии полученных характеристик указанным в техническом задании на проектирование. При положительном решении система приступает к следующему этапу расчета, при отрицательном возвращает пользователя на предыдущий этап для пересчета.
В соответствии с рассчитанным набором характеристик (конструктивно-геометрических, массовых, режимных, аэродинамических, прочностных) программа генерирует 3D-модель проектируемого фюзеляжа ВС с помощью не зависимого от языка программирования кроссплатформенного программного интерфейса - OpenGL (открытая графическая библиотека) (рис. 4), с возможностью экспортирования 3D-модели в САПР «Компас» (горизонтальное меню). Взаимодействие программного средства с САПР «Компас» осуществляется посредством технологии API (Application Programming Interface), которая предоставляет набор процедур и функций для управления данной САПР.
Установив флажок рядом с подписью «Показать компоновку» графического интерфейса программы, пользователь визуализирует компоновку пассажирского салона, полученную по результатам расчета эргономических характеристик с помощью OpenGL [10] (рис. 5).
Таким образом, осуществлена разработка специализированного прикладного ПО для его использования на стадии предварительного проектирования, когда принимаются концептуальные решения, позволяющего
- получить набор рациональных характеристик (конструктивно-геометрических, массовых, режимных, аэродинамических, прочностных, эргономических) фюзеляжа ВС без необходимости построения моделей проектируемого изделия в нескольких системах;
- осуществить компоновку пассажирского салона ВС по полученному набору характеристик на основе заданной пассажировместимости (обратная задача проектирования), что обеспечивает возможность создания семейства ВС различных модификаций, отличающихся дальностью, характеристиками пассажирского салона в соответствии с требованиями заказчика;
- построить 3D-модель проектируемого фюзеляжа ВС с помощью не зависимого от языка программирования кроссплатформенного программного интерфейса - OpenGL (открытая графическая библиотека) для дальнейшего проведения физического моделирования воздействия воздушной среды на ВС;
а)
б)
в)
Рис. 2. Частные алгоритмы расчета характеристик: а) конструктивно-геометрических; б) массовых;
в) эргономических
Fig. 2. The algorithms of performance prediction: a) structural and geometrical characteristics; б) mass properties; в) ergonomic characteristics
Рис. 3. Отчет о работе программы
Fig. 3. A report on program operation
Рис. 4. 3D-модель спроектированного фюзеляжа в составе ВС
Fig. 4. 3D-model of the designed fuselage in the aircraft
Рис. 5. Компоновка пассажирского салона
Fig. 5. The layout of the passenger compartment
- посредством API-подключаемых модулей осуществить взаимодействие программного средства с UnigraphicsNX (NX OpenAPI), SolidWorks (API) и другими САПР для экспорта модели;
- сохранять данные о полученных параметрах фюзеляжа в XLS-формате.
Кроме того, разработанное ПО позволяет выводить на печать основные параметры групп характеристик в аналитической и графической интерпретации, а также модернизировать и наращивать его функциональные возможности, а при создании математических моделей других компонентов и внутреннего оборудования автоматизировать проектирование всего ВС благодаря концеп-
ции объектно-ориентированного программирования.
Литература
1. Припадчев А.Д. Проблемы и перспективы развития парка воздушных судов гражданской авиации Российской Федерации // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2010. № 1. С. 8-12.
2. Raymer D.P. Aircraft design: a conceptual approach. American Institute of Aeronautics and Astronautics Publ., Washington, 1992, p. 391.
3. Припадчев А.Д., Горбунов А.А. Использование технологий САПР при проектировании сложных технических авиационных изделий (тезисы) // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике: сб. стат. междунар. науч.-прак-
тич. конф. Высокие технологии, экономика, промышленность. Т. 1. СПб: Изд-во Политехи. ун-та, 2012. С. 50-52.
4. Куприков М.Ю. Автоматизация проектно-конструктор-ских работ - фундаментальный фактор обеспечения качества жизненного цикла изделий в машиностроении // Новые информационные технологии: Тез. докл. Х Юбилейной междунар. студ. школы-семинара. М.: Изд-во МГИЭМ, 2002. С. 48-53.
5. Иванова Г.С., Ничушкина Т.Н., Пугачев Е.К. Объектно-ориентированное программирование: учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 368 с.
6. Егер С.М., Мишин В.Ф., Лисейцев Н.К. и др. Проекти-
рование самолетов: учебник для вузов. М.: Логос, 2005. 648 с.
7. Комаров В.А. Весовой анализ авиационных конструкций: теоретические основы // Полет. 2000. № 1. С. 31-39.
8. Кузнецов А.С. Выбор геометрических параметров самолета интегральной схемы на основе высокоточного математического моделирования // Изв. Самарского науч. центра РАН. 2011. Т. 13. №> 1 (2). С. 318-321.
9. Маклафлин Б., Поллайс Г., Уэст Д. Объектно-ориентированный анализ и проектирование. СПб: Питер, 2013. 608 с.
10. Shannon R. Systems simulation modeling. The art and science. Prentice Hall Publ., 1975, 387 p.
DOI: 10.15827/0236-235X.114.135-138 Received 18.03.16
OBJECT-ORIENTED TECHNOLOGIES IN THE METHOD OF AIRCRAFT BODY AUTOMATED DESIGN
BykovaI.S., Lecturer, is.bykova04@gmail.com; Pripadchev A.D., Dr.Sc. (Engineering), Associate Professor, Head of the Department (Orenburg State University, Pobedy Ave. 13, Orenburg, 460018, Russian Federation)
Abstract. The article states and proves the automated design method for a long-range aircraft body using the developed software. The method is based on the algorithm developed using object-oriented programming for developing a software tool that allows determining fuselage characteristics at the preliminary design stage (geometric and constructive, mass, mode, aerodynamic, strength, ergonomic). It also helps to create an opportunity to update exhisting aircrafts and design a family of new aircrafts depending on the customer requirements (from geometric and constructive to ergonomic, i.e. positioning passengers in the cabin of the aircraft). The software tool allows performing iteration calculations of these characteristics and creates a report with obtained results. Then it creates a 3D model of the designed aircraft body using OpenGL (Open Graphics Library) and allows exporting it to the 3D modeling system KOMPAS 3D for further imitation and physical mdeling. The software tool is written in the integrated development environment Microsoft Visual Studio 2010 using the high-level object-oriented programming language C#. The method includes the implementation of information (databank), applied programming and algo-rithmical software.
Keywords: aircraft, computer-aided design, object-oriented programming, aircraft family.
References
1. Pripadchev A.D. Problemy i perspektivy razvitiya parka vozdushnykh sudov grazhdanskoy aviatsii Rossiyskoy Fede-ratsii. IntellektInnovatsiiInvestitsii [Intelligence. Innovation. Investment]. 2010, no. 1, pp. 8-12 (in Russ.).
2. Raymer D.P. Aircraft Design: A Conceptual Approach. American Institute of Aeronautics and Astronautics Publ., Washington, 1992, 391 p.
3. Pripadchev A.D., Gorbunov A.A. Using CAD for design complex engineering aeronautical products (tesises). Vysokie tekhnologii, ekonomika, promyshlennost. T. 1: sbornik statey mezhdunar. nauch.-praktich. konf. "Fundamentalnye iprikladnye issledovaniya, razrabotka iprimenenie vysokikh tekhnology v promyshlennosti i ekonomike " [High Technologies, Economics, Production. Vol. 1. Proc. of the Int. Science and Practice Conf. "Fundamental and Applied Studies, Development and Application of High Technologies in Production Industry and Economics"]. St. Petersburg, Politekhn. Univ. Publ., 2012, pp. 50-52 (in Russ.).
4. Kuprikov M.Yu. Automation of design engineering - a fundamental quality assurance factor of product life cycle in mechanical engineering. Novye informatsionnye tekhnologii. Tezisy dokladovX YubileynoyMezhdunar. studencheskoy shkoly-seminara [New IT. Teses of the 10th Int. Student School-Workshop]. Moscow, MGIEM Publ., 2002, pp. 48-53 (in Russ.).
5. Ivanova G.S., Nichushkina T.N., Pugachev E.K. Obyektno-orientirovannoeprogrammirovanie [Object-Oriented Programming]. Textbook for Universities. 2nd ed., Moscow, N.E. Bauman MSTU, 2003, 368 p.
6. Eger S.M., Mishin V.F., Liseytsev N.K. Proektirovanie samoletov [Aircraft Design]. Textbook for Universities. S.M. Eger (Ed.). 4th ed., Moscow, Logos Publ., 2005, 648 p.
7. Komarov V.A. Airframe gravimetric analysis: theoretical basics. Polet [Flight]. 2000, no. 1, pp. 31-39.
8. Kuznetsov A.S. Choosing integrated circuit aircraft geometrics based on highly-precise matematical modeling. Izv. Samarskogo nauch. tsentra Rossiyskoy akademii nauk [Proc. Samara Scientific Center of the RAS]. 2011, vol. 13, no. 1 (2), pp. 318-321 (in Russ.).
9. McLaughlin B.D., Pollice G., West D. Head First Object-Oriented Analysis and Design. O'Reilly Media Publ., 2006, 636 p. (Russ. ed.: St. Petersburg, Piter Publ., 2013, 608 p.).
10. Shannon R. Systems Simulation Modeling. The Art and Science. Prentice Hall Publ., 1975, 387 p.
