автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Автоматизация формирования эскизной компоновки авиационных ГТД

005009753

На правах рукописи

САПОЖНИКОВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭСКИЗНОЙ КОМПОНОВКИ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ОЕЗ 2С12

Уфа-2011

005009753

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре авиационных двигателей.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор И.А. Кривошеев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

А.И. Белоусов (ФГЪОУ ВПО СГАУ)

доктор технических наук, профессор Г.Г. Куликов (ФГБОУ ВПО УГАТУ)

Ведущее предприятие:

ОАО «Н1111 «Мотор», г. Уфа

Защита состоится £ марта 2012 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: г. Уфа, ул. КМаркса, 12, йктобыи зал ¿.-го корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ)

Автореферат разослан « 26 » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ф.Г. Бакиров

Актуальность проблемы. Этап эскизного проектирования (ЭП) имеет особое значение в жизненном цикле (ЖЦ) авиацимшых ГТД. Результаты принятых на этом этапе решений определяют 70% стоимости всего проекта. Анализ научных работ, посвященных эскизному проектированию и его автоматизации, показал, что в настоящее время остаётся неформализованным ряд задач, связанных с конструкторским аспектом. В частности, отсутствуют алгоритм и критерии выбора конструктивно-силовой схемы двигателя, не до конца решены вопросы взаимосвязи функциональных и конструкторских моделей. Кроме того, отсутствуют специализированные программные средства автоматизированного формирования эскизной компоновки, позволяющие на раннем этапе проектирования проводить оценку и выбор вариантов конструкции ГТД. Не сформулированы требования к универсальным САПР с точки зрения их применения на этапе ЭП для оптимального использования полученных результатов на последующих этапах ЖЦ ГТД, отсутствуют рекомендации по выбору информационных систем и интеграции разнородных САПР между собой.

В настоящее время дальнейшее повышение эффективности создания яниаттитшыу ГТД связано с автоматизацией процесса проектирования, организацией единого информационного пространства (ЕИП) для всех участников ЖЦ на основе концепции CALS (Continuous Acquisition Life-cycle Support).

Таким образом, объектом исследования является последовательность решения задач по формированию облика авиационного ГТД, используемые средства в процессе проектирования конструкции двигателя на этапе эскизного

проекта. .

Предмет исследования составляют задачи формализации, реинжиниринга и автоматизации проектных процедур при формировании эскизной компоновки авиационного ГТД.

Цель работы. Повышение эффективности процесса эскизного проектирования ГТД за счёт разработки технологии автоматизированного проектирования и программных средств для формирования эскизной компоновки двигателя.

Указанная цель достигается за счёт решения следующих задач:

1. Проведение структурного анализа, формализованное представление, выявление резервов повышения эффективности традиционного процесса эскизного проектирования авиационных ГТД, моделирование процесса формирования конструкции ГТД на основе CALS-технологий.

2. Проведение анализа конструкций авиационных ГТД и разработка экспертной системы для поддержки принятия решения при выборе конструктивно-силовой схемы двигателя.

3. Разработка специализированных программных средств (на основе универсальных САПР) для автоматизированного формирования эскизной компоновки ГТД.

4. Апробация разработанной информационной системы и анализ эффективности технологии автоматизированного формирования эскизной компоновки ГТД.

Методы исследования, использованные в работе:

- комплексный подход и структурный анализ процесса проектирования по методологии SADT (Structured Analyze and Design Technology);

- функциональное моделирование (в нотации IDEFO);

- информационное моделирование (в нотации IDEF1X);

- теория реляционных баз данных;

- компьютерное моделирование с использованием универсальных САПР и средств поддержки принятия проектных решений (на основе методов искусственного интеллекта).

Достоверность результатов исследования обеспечивается:

- использованием для создания моделей процесса эскизного

проектирования гибких CASE-средств, соответствующих международным стандартам на разработку программного обеспечения;

- использованием универсальной оболочки для разработки

экспертных систем и сопоставлением полученных результатов оценки конструктивно-силовой схемы ГТД со статистическими данными;

- использованием универсальных САПР различного назначения

(CAD/CAM/CAE/PDM), успешно применяемых в отечественных ОКБ при проектировании авиационных ГТД.

Научная новизна:

1. Функциональные (IDEF0) и информационная (TOEF1X) модели формирования облика авиационного ГТД впервые построенные для процесса эскизного проектирования, раскрывающие резервы повышения эффективности процесса ЭП, роль новых средств автоматизации и требования к ним.

2. Разработанная процедура выбора конструктивно-силовой схемы авиационного ГТД, в отличие от известных, позволившая формализовать и автоматизировать процесс.

3. Обобщённая конструктивно-силовая схема авиационных ГТД, впервые разработанная на основе анализа конструкций двигателей различных типов, отражающая область конструктивно-силовых схем по количеству и расположению опор роторов.

4. Впервые разработанная (на основе предложенной обобщённой конструктивно-силовой схемы) экспертная система для поддержки принятия решения при выборе конструктивно-силовой схемы с учетом требований к проектируемому авиационному ГТД.

5. Сформированная (на основе разработанных функциональной и информационной моделей процесса эскизного проектирования) архитектура информационной системы для реализации технологии параллельного эскизного проектирования с использованием единой информационной модели ГТД.

Практическая значимость результатов.

Разработанные в формате международного стандарта IDEF функциональные (IDEF0) модели описывают традиционный процесс эскизного проектирования и организацию процесса ЭП с применением CAL S-технологий, детализируют состав выполняемых на данном этапе задач, исполнителей, управление и используемые средства.

Разработанная на основе ШЕБ0-модели информационная модель (IDEF1X) процесса эскизного проектирования ГТД представлена диаграммой «сущность - связь» и отображает взаимосвязь различных типов объектов, их атрибуты, исполнителей операций над выделенными объектами. Разработанная модель служит основой для создания базы данных и электронного архива для информационной поддержки эскизного проектирования ГТД.

Проведенный реинжиниринг отдельных процедур в процессе эскизного проектирования позволяет повысить его эффективность за счёт автоматизации конструкторских процедур, организации единого информационного пространства для всех участников эскизного проекта.

Сформированное информационное поле реализованных (принципиально возможных) конструктивно-силовых схем ГТД позволяет более детально рассмотреть возможные варианты по количеству и расположению опор роторов при проектировании новых двигателей.

Разработанная система поддержки принятия решений (СППР) позволяет рассмотреть все возможные варианты конструктивно-силовых схем и произвести обоснованный выбор при проектировании конкретного ГТД, оценку и ранжирование схем на основе предложенного аддитивного критерия.

Разработанные в универсальной CAD-системе программные средства автоматизированного формирования компоновки ГТД повышают качество эскизного проектирования за счёт сокращения времени и увеличения количества просматриваемых вариантов. Дают возможность более детального рассмотрения и анализа каждого проектного решения.

Результаты исследований и разработанные методики внедрены в ОАО «НПП «Мотор» (г. Уфа) и учебный процесс ФГБОУ ВПО УГАТУ (г. Уфа), ФГБОУ ВПО СГАУ (г. Самара).

На защиту выносятся:

1. Функциональные модели формирования конструктивного облика авиационного ГТД при традиционной организации процесса ЭП и организации автоматизированного процесса ЭП на основе CALS-технологий после проведения изменений (реинжиниринга).

2. Информационная модель, описывающая взаимосвязи и атрибуты типов объектов, используемых на этапе ЭП, операции над выделенными объектами и их исполнителей.

3. Технология поддержки принятия решений при выборе конструктивносиловой схемы авиационного ГТД на основе разработанной экспертной системы.

4. Технология автоматизированного формирования эскизной компоновки авиационных ГТД с применением разработанных в CAD-системе специализированных программных модулей.

Апробация. Основные положения работы докладывались на

международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла

промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2002)" (Москва, 2002 г.);

всероссийской научно-практической конференции "Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства” (Оренбург, 2003 г.); международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения” (Самара, 2003 г.); четвертой научнопрактической конференции "Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности" (Москва, 2007 г.); международной научнотехнической конференции "Проблемы и перспективы развития

двигателестроения" (Самара, 2009 г.).

Программный модуль "KOSys" зарегистрирован в Федеральном институте промышленной собственности РОСПАТ'ЕНТа в соавторстве с Кривошеевым И.А., Воронковым А.П., Карповым A.B.

Разработанные программные средства в среде AutoCAD апробированы в ОАО «НПП «Мотор» при формировании эскизной компоновки компрессора низкого давления, результаты исследования конструктивно-силовых схем ГТД и ОКСС внедрены в учебный процесс УГАТУ, СГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 статьи в изданиях из списка ВАК и одно свидетельство РОСПАТЕНГа об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 188 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 26 таблиц, библиографический список из 125 наименований, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведена краткая характеристика работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава кратко характеризует традиционную методологию проектирования авиационных двигателей, современные тенденции в области информационной поддержки жизненного цикла ГТД, описывает место САПР в проектировании ГТД, а также проблемы их внедрения.

Улучшение характеристик авиационных ГТД, произошедшее за последние три десятилетия, достигнуто за счёт усложнения их конструкции, что привело к увеличению сроков и стоимости разработки двигателя, а также значительному увеличению доли научно-исследовательских и экспериментальных работ (НИЭР), росту числа специалистов, участвующих в

проектировании. На рисунке 1 показаны продолжительность и стоимость разработки базовых двигателей со второго по пятое поколение. Резкое увеличение сроков и стоимости началось с двигателей 4-го поколения. Так, сроки их создания увеличились с 5...6 до 10 лет, а стоимость более чем в 4,5 раза и 2,5 раза, соответственно, по сравнению с двигателями 2-го и 3-го поколений.

Сложность разработки современных ГТД стала причиной интеграции двигателестроительных компаний, появления «виртуальных предприятий», требующих организации единого информационного пространства.

Дальнейшее совершенствование авиационных ГТД сопряжено с увеличением потоков информации о создаваемом двигателе, необходимостью вовлечения в процесс проектирования новых достижений науки и техники, ужесточением требований к самому процессу проектирования.

млрд. долл.

Общий срок 5 создания (годы):

—Г" 3

. - НИЭР

Стоимость 2 разработки (млрд. долл.) 1

ГЛ

О

ИИЭР К ]() ¡V V Поколения

Рисунок 1 - Стоимость и сроки создания авиационных ГТД

Решение указанных проблем традиционными методами стало затруднительным, что привело к идее комплексной автоматизации процесса проектирования (CALS). Появились международные стандарты (IGES, STEP), ориентированные на обмен данными между различными САПР, стала возможной интеграция САПР, организация электронного документооборота, использование информации об изделии в ЕИП.

В 2006 году в России были утверждены стандарты, регламентирующие работу с электронными документами и моделями, описывающие электронную структуру изделия. В результате появилась возможность автоматизировать процесс разработки ГТД, используя универсальные информационные системы, создавать на их основе специализированные приложения, составляющие ноу-хау конкретного предприятия.

Среди работ на стадии опытно-конструкторских работ (ОКР) наименее формализованным с точки зрения автоматизации является этап ЭП, рассматриваемый как резерв для сокращения стоимости и сроков проектирования ГТД.

Анализ работ, посвященных автоматизации отдельных задач, проведенных в ЦИАМ (М.Н. Перельмутер, И.В. Демьянушко, В.И. Венедиктов,

В.В. Жестовский), МАИ (Д.В. Хронин, Ю.П. Кирпикин, В.И. Баулин, К,С. Зверев), СГАУ (Б.М. Аронов, В.П. Филекин, А.И. Белоусов) и т.д.,

г ■ ■ "I *3.500

16я. L_j 1170% -

I 53.400 I _| и J

5а Г 6л. $0.750 250Н 466% ЭЯ. 1

—i I

8X300 103% ! —J г я Ï

демонстрирует фрагментарное использование САПР (как правило, собственной разработки) для решения отдельных задач функционального проектирования. При этом в конструкторском аспекте не решены вопросы автоматизации отдельных процедур (выбор конструктивно-силовой схемы двигателя), остается разрыв между системами для функционального и конструкторско-технологического проектирования. Кроме того, отсутствуют модель процесса автоматизированной разработки двигателей, требования к выбору САПР, программные средства оперативного формирования эскизной компоновки.

Из зарубежных работ, посвященных описанию систематизированного подхода к конструированию на основе каталогов, известны труды К. Рота.

Анализ проблем в области автоматизированной разработки ГТД позволил сформулировать цель и задачи исследования, перечисленные выше.

Во второй главе проведена формализация процесса эскизного проектирования на основе методологии SADT (с использованием CASE-пакета IDEF/Design). Сформированы функциональные (IDEF0) модели, описывающие традиционный процесс эскизного проектирования («как есть») и организацию процесса ЭП с применением CALS-технологий («как должно быть»).

Разработанная IDEFO-модель «как есть» детализует последовательность и состав работ, позволяет провести анализ процесса эскизного проектирования, выявить его «узкие места», уточнить исполнителей, средства и управляющие механизмы. Разработанная функциональная модель «как должно быть» (рисунок 2) описывает изменения (реинжиниринг) в процессе формирования конструкции ГТД на этапе эскизного проекта на основе CALS-технологий, указывает место предложенных универсальных САПР, интеллектуальной компоненты поддержки принятия решений, формализует процедуру выбора конструктивно-силовой схемы ГТД.

Отличительными особенностями функциональной модели «как должно быть» являются:

1) Обновленная нормативная база (ГОСТы серии ИСО, рекомендации к ним).

2) Формализованные проектные процедуры.

3) Универсальные САПР (CAD/CAE).

4) Технология управления данными об изделии (PDM).

5) Система поддержки принятия решений.

6) Структурированный банк данных.

7) Единая электронная модель ГТД.

Проведённый анализ функциональных возможностей универсальных САПР и последовательность решаемых с их помощью задач (согласно TDEF0-модели) позволили выделить необходимые программные средства для создания информационной среды для поддержки этапа ЭП в составе ЖЦ ГТД.

Разработанная информационная IDEFlX-модель, построенная на основе функциональной модели, иллюстрирует взаимосвязь различных типов объектов, исполнителей функций их обработки, атрибуты объектов. Модель IDEF1X является логической структурой данных и приводит к созданию спецификации базы данных.

Рецвмм* па доработке ЭЛ

ТЭн*ОД

С2

Программное

оОеспачвпт

Рисунок 2 - Функциональная ГОЕРО-диаграмма процесса эскизного проектирования

Все объекты, которые определены в форме дуг в функциональной модели, трактуются в информационной модели как сущности (информационные структуры), затем следует определение атрибутов для каждой сущности и отношений между ними.

На рисунке 3 представлена информационная модель, иллюстрирующая информационное взаимодействие различных типов объектов и исполнителей функций их обработки в процессе ЭП.

В качестве упрощения на рисунке 3 конкретные структурные элементы объединены в сущности «Функциональный элемент» и «Конструкторский элемент». В работе проведено описание по уровням структурных (функциональных, конструкторских) элементов в виде классификаторов в порядке их появления при проектировании, выделены атрибуты структурных элементов.

В завершении главы делается вывод о том, что па основе выполненной формализации процесса эскизного проектирования и использования методологии БАОТ для структурного моделирования, обеспечивается системная интеграция процесса ЭП с предыдущим и последующим этапами ЖЦ. В результате повышается эффективность ЖЦ за счёт увеличения степени формализации системной модели ЭП и организации единого информационного пространства для всех участников ЖЦ ГТД.

СТЛ

ІОбозначение-СТП

[Найменование-СТП

\ информирует

4

РАБОТНИК-ОКБ

ФИО

Номер-отдела__________

табельный-номер (АК1) Обозначение-СТП (РК)

~з:

статус

(

РУКОВОДИТЕЛЬ

СОТРУДНИК

ФИО (РК) Номер-отдела (РК)

должность

ФИО (РК) Номер-отдела (РК)

утверждает

РАСЧЕТ

наименование-расчета

согласует

РІ“'

выбирает!

11 11 ні НАЗНАЧЕНИЕ-РАСЧЕТА

1 1 ФИО Номер-отдела (РК) код-схемы-ротора-ОД код-схемы-статора-ОД Н> содержит ж Г р **» і наименование-расчета (РК)

Чгч > і і і і і ФИО(РК) Номер-отдела (РК) обоэвачение-ЛЗ (РК)

утверждает • * * р --1 ЗСКИЗНАЯ-КОМПОНОВКА-ОД

/житдлл

служитдля создания

создает

код-изделия

обозначение-компоновки код-схвмь>-ОД (РК)

ФИО(РК)' Номер-отдела (РК) обозначение-ПЗ (РК)

ТГр-

описывает согласует - - р

ПОЯСНИТЕДЬНАЯ-ЗАПКСКА

обозначение-ПЗ

ФИО (РК) Номер-отдела (РК)

содержит

оформляет

. соответствует

;...........п

имеет

проверяет

содержит

.........ІР --

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ-ЗЛ-Т

Наименованиэ-ФЭ

Номер-страты-ФЭ____________

обозначение-компоновки (РК) наименование-расчета (РК) код-изделия (РК) код-схемы-ОД (РК)

ЗО-МОДЕЛЬ

формирует ^ ^ р

КОНСТРУКГОРСКИЙ-ЭЛ-Т

обозначении-модели________

каименование-КЭ (РК) наименование-расчета (РК) номер-страты-КЭ (РК)

наименовгкие-КЭ і і

номео-стоаты-КЭ

обоэначениечсомлоновки (РК) к-'!

код-издепин (РК)

Наименование-ФЭ (РК)

Номер-страты-ФЭ (РК)

ФИО (РК)

Номер-отдела (РК)

код*схамы-ОД (РК)

имеет

ЧЕРТЕЖ__________________

Jобозначение-чертежа наименование-КЭ (РК) номер-страты-КЭ (РК)

^ оСозначение-модели (РК)

Р обозначение-ПЗ (РК)

Рисунок 3 - Информационная ЮЕР1Х-модель взаимодействия исполнителей и типов объектов при эскизном проектировании ГТД

Третья глава посвящена анализу конструкций отечественных ГТД, являющегося основой для последующего выбора рациональной схемы 1ТД с использованием экспертной системы.

Разработке экспертной системы предшествует решение следующих задач:

а) создание базы данных по элементам подсистем ГТД;

б) создание базы знаний.

База данных (БД) представляет собой множество альтернатив (конструктивных вариантов), полученных на основе опыта и традиций проектных и производственных Организаций, с использованием как имеющихся, так и новых (полученных на этапе НТЗ) технологий.

Основу базы знаний составляют правила, факты, алгоритмы, относящиеся к принятию решений в данной предметной области.

Анализ конструктивных схем ГТД, составляющих БД, целесообразно проводить раздельно по каскадам турбокомпрессора, а в пределах турбокомпрессора (ТК) — по его основным элементам: компрессору и турбине. При создании отечественных ГТД было использовано 18 схем ТК, отличающихся количеством и расположением опор (таблица 1). По этому же признаку каскады компрессора выполнены по одной из семи схем (таблица 2), такое же количество реализованных схем имеет турбина (таблица 3). Возможные типы силового замыкания корпусов ГТД представлены в таблице 4.

Таблица 1 - Силовые схемы каскадов ТК отечественных ГТД

Силовая схема ТК Пример реализации Силовая схема ТК Пример реализации

ІргГ1 Д-20П, Д-30, ПС-90, ПС-90А, Д-100 Й !і_ Тії ТР-1.ТР-3, АЛ-5, ООЗС,РД-Ю

АЙ-25, Р130-300, Р79В-300 №41 АИ-20, АИ-24, ТВ-022, ТВ-2,Д-19

1 Ні РД-33, АЛ-31Ф, НК-6, НК-22, ЩС-144, НК-8, НК-86, Д-20П, Д-30 тэг ВК-1,РД-45

Р 1 ОіІ Р130-300 Я Ї;Р, ? РУ19-300, Р15Б-300

АЛ-31Ф, АИ-22, РД-33, НК-6, НК-8, НК-86, НК-144, РД-1700 Р11-300, Р13-300, Р25-300, Р95Ш, Р195, Р28В-300, Р29Б-300

1 Ві, ¥ сэ 0 9 -3-1

ЇІ АИ-22, АИ-25, ІІС-90А, Р79В-300 9) їі іі Р11-300, Р13-300, Р25-300, Р95Ш, Р195, Р28В-300, Р29Б-300

її 5 8 В ТРДД-50М )РьЧ НК-12

л N і 1 НК-25 ліпрпі ТВ7-117

Й 1 «« Р-125-300

Из проведённого анализа конструкции ГТД следует, что для развития конструктивно-силовых схем отечественных ГТД характерно:

• уменьшение общего количества деталей;

• сокращение опор роторов (в том числе за счёт объединения нескольких опор в один силовой пояс);

• использование в конструкции турбины межроторных подшипников;

» увеличение степени двухконтурности ТРДЦ привело к применению

новых схем (схема ТРДЦ с редуктором).

Наиболее важной тенденцией является создание базового газогенератора и проектирования семейства ГТД на его основе.

Таблица 2 - Силовые схемы компрессоров отечественных ГТД

Код схемы Хп X» Хи Х,4 Х15 Хм Х17

Расположение опор 1?, ж ж Ж 11 Ж

Таблица 3 - Силовые схемы турбин отечественных ГТД

Код схемы Х21 хг2 Хц х24 Ха5 х26 Х27

Расположение опор І? 1? т Г±й 1 л

Таблица 4 - Типы замыкания силовых корпусов отечественных ГТД

Код схемы Х31 Х32 Х33 Х34

Тип замыкания СР г. “ - 1_^

Результатом исследования расположения опор роторов авиационных двигателей явилась классификация силовых схем различных типов ГТД. На её основе создана обобщённая конструктивно-силовая схема (ОКСС) авиационных ГТД (рисунок 4), которая является графическим отображением уровня базы данных, отражает возможные варианты схем ГТД различных типов, а также перспективные схемы, рекомендованные к разработке после стадии «Исследование и обоснование разработки». В качестве принятого допущения в ОКСС не показаны подпорный каскад и разделение контуров.

ТВВД ТРДД(Ф) ТРД(Ф) ТВД (ТВаД)

Рисунок 4 - Обобщённая конструктивно-силовая схема авиационных ГТД

Силовая схема конкретного двигателя может быть получена из ОКСС удалением лишних силовых связей и элементов. Построенные граф-схемы 'ГК

газогенераторов (рисунок 5), а также граф-схемы компрессоров и турбин предназначены для их использования при отработке логических правил в системе поддержки принятия решений. Они образуют дерево возможных решений при синтезе и оценке новых силовых схем двигателя. Нумерованные векторы (рёбра графа), исходящие из соответствующей вершины (множества), показывают определённый конструктивный вариант из данного множества. Например, принятому решению Х!2, (из множества схем компрессоров ХО соответствуют схемные решения Х22, Х23 И Х26 (из множества схем турбин Х2). Векторы, исходящие из вершины Х2, показывают возможные типы силового замыкания из множества Х3 для выбранных схем компрессора и турбины. Итоговое решение обозначено на граф-схеме как А;.

турбокомпрессора газогенератора

Б четвертой главе рассмотрены функциональные (ФЭ), конструкторские (КЭ) элементы, на основе которых формируется дерево проекта ГТД, демонстрируется применение разработанных экспертной системы и специализированных программных средств.

Дня обеспечения автоматизированного проектирования важна унификация моделей всех структурных элементов (СЭ). Для этого в каждом из структурных элементов (ФЭ, КЭ и т.д.) выделяется набор основных структурных признаков — классификатор. Последовательность детализации признаков - «от общего к частному» обеспечивает взаимную вложенность перечисленных СЭ. На рисунке 6 представлена схема логической связи функциональной ГОЕБО, информационной модели ИЖТХ, классификаторов СЭ и наборов данных в РЭМ-системе.

Предложенная в работе технология формирования конструктивносиловой схемы ГТД с использованием разработанных экспертной системы и специализированных приложений для формирования компоновки повышает качество эскизного проектирования за счёт сокращения времени и увеличения количества просматриваемых вариантов.

После определения газодинамической схемы двигателя и количества роторов ГТД, различные варианты силовых схем отличаются между собой

количеством и размещением опор, связанных с наличием межроторных опор.

Классификатор ФЭ ^Силовия схема двштггййяф уровень,

плч струкіурнон» признака Еоїмоамш чн^їьчші стр}їп>рнеґо-гдмпнакл

См.ад'ГК пгмгсемеріиора А|. Аа. Аз. Ал, Д*. Л^, Ат. Аг. А?. Ащ. А«, Аії, Ай. А)*

С'хлю компрессора СД Хп.ХІг.Хи

Схема №«пр«сора ИД ХіьХіз. Хіз, Хід. Хц. Хіс

Следа турйнны СД X»

С*хвмл п-р&мь.т НД - ■- =

Состда- ї'огор ілмп}нчч-орл {ВД СД. НД.І. ротор Г\р5тп.» 0Д, С'ДЛЩ, емтор компресна (БД. СД, НД), статер турСнмы <ДД. СД. НД). ііфре КС. одарп

ними силовыми поясами,

Наследуемые атрибуты ФЭ вернено уровня

Атрибуты

Фрагмент ЮЕР1Х-тдв,пи

Рисунок 6 - Схема логической связи функциональной, информационной моделей, классификаторов и объектов в РОМ-спстеме

Расположение опор ГТД с точки зрения силовой схемы характеризуется следующими критериями:

а) температурный режим;

б) ресурс;

в) организация подвода масла и эффективность маслосистемы;

г) влияние на параметры рабочего процесса;

д) масса (необходимость в дополнительных элементах).

Для обобщённой конструктивно-силовой схемы каждого типа ГТД экспертным путем устанавливаются весовые коэффициенты влияния перечисленных критериев на качество схемы. На рисунке 7 приведена ОКСС отечественных ТРДД(Ф), где пронумерованы сечения возможного расположения опор.

гаа&

Йіа

ж

~г

О

О I о

л

П1а

йш

1 2 3 4 5 В 7 8 9 10 11 12 1314151« 17 18. 13

Рисунок 7 - ОКСС отечественных ТРДД(Ф)

Ранжирование схем ГТД производится на основе предлагаемого аддитивного критерия потерь «качества» конструктивно-силовой схемы:

где

Куу- показатель по заданному критерию, задаваемый экспертным

путем;

6,- - весовой коэффициент критерия КУ] ,

Расчёт аддитивного критерия Кксс учитывает количество структурных элементов схемы, расположение опор, технологичность соединений между СЭ.

Для оценки силовых схем ГТД с точки зрения количества СЭ в качестве критерия предложен коэффициент опор Коп ■

ОП-гщ

(2)

ОНоксс ы

1 м где ^ОЛп-д - суммарное количество опор в конструктивно-силовой

/=}

схеме проектируемого ГТД;

XОПохсс ~ суммарное количество опор в ОКСС ГТД данного типа.

/=1

Типы соединений, связывающие между собой СЭ, отличаются между собой по технологичности и массовым характеристикам.

Оценка технологичности производится через производственный

показатель - трудоемкость, для которой на ранних стадиях проектирования изделий пригоден метод элементокоэффициентов. В качестве показателя сложности принимается трудоемкость изготовления Тэ и количество элементов.

~ / Т иСХ\ о

При этом один из элементов принимается за исходный (трудоемкость — 13 Л а все остальные оцениваются по отношению к нему специальным

элементокоэффициентом:

кэ = тэ/тг. (3)

В зависимости от размеров, точности изготовления, материала и других параметров строится специальная шкала элементокоэффициентов на основе анализа трудоемкости изделия, характерной для данного типового элемента. Зная К, и параметры элемента, можно оценить сложность и предполагаемую трудоемкость изделия в изготовлении:

ТгТГ-К'-ТГ-'ЁКР,,, (4)

ы

где Лд - число одинаковых элементов в г-ой груше;

КЭ1 - значение элементокоэффидиента для элемента ¡-й группы; /-число групп элементов.

В таблице 4 представлены типы соединений между СЭ в конструктивносиловой схеме ГТД и соответствующие им значения Кз1.

Таблица 4 - Пример оценки трудоемкости типов соединений

№ Тип соединения Основные конструктивные характеристики Значения к„ Дополнительные сведения

1 Сварное По прямой По окружности Неразъемное соединение Неразъемное соединение

2 Штифтовое - 1,2 Неразъемное соединение

3 Посадка с натягом - 1,0 Разъемное соединение

4 Шлицевое Продольные шлицы Торцевые шлицы (хирты) 1,6 1,8 Разъемное соединение Разъемное соединение

5 Шлицевая рессора - 1,8 Разъемное соединение роторов компрессора и турбины

На примере компрессора низкого давления перспективного двигателя малой степени двухконтурности показана технология формирования эскизной компоновки с помощью разработанных программных модулей к универсальной САО-системе АЩоСАТ), объединенных в единый программный комплекс «КОБуэ».

Основные результаты работы и выводы

1. Разработанная функциональная модель традиционного процесса эскизного проектирования авиационных ГТД позволила формализовать последовательность решаемых задач, выявить резервы для сокращения сроков и повышения качества проектирования 1ТД.

Созданная функциональная модель процесса эскизного проектирования на основе САЬБ-техлологий устраняет выявленные недостатки традиционного процесса эскизного проектирования за счёт реорганизации ряда процедур, конкретизирует место используемых САПР и требования к ним, позволяет произвести расчёт стоимости и сроков проектирования на данном этапе.

2. Проведённый анализ конструкции ГТД позволил классифицировать конструктивно-силовые схемы авиационных двигателей, разработать обобщённую силовую схему ГТД различных типов, построить граф-схемы элементов турбокомпрессоров, используемых при отработке логических правил в системе поддержки принятия решений.

Разработанный алгоритм и реализованная на его основе система поддержки принятия решений помогают произвести выбор конструктивносиловой схемы ГТД на базе предложенного аддитивного критерия и выполнить ранжирование возможных конструктивных вариантов в зависимости от предъявляемых требований.

3. В составе универсальной CAD-системы реализован программный продукт для автоматизированного формирования эскизной компоновки на примере осевого компрессора ГТД, (официальная регистрация в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство №2004611061 от 28.04.2004 г.). Его использование позволяет сократить время проектирования за счёт визуализации функциональных элементов, полученных в результате расчётов, параметрических конструктивных элементов, использования библиотеки стандартных элементов ГТД.

4. Выполненные расчётные исследования показали эффект

применения предложенной технологии автоматизированного формирования эскизной компоновки, который составляет до 30% временных затрат в сравнении с традиционной технологией.

Дополнительный эффект от автоматизации процесса эскизного проектирования состоит в более тщательной проработке технических решений, увеличении количества рассматриваемых вариантов и доли творческо-поисковой деятельности конструктора, а также в повышении качества полученных материалов и возможности их использования на последующих стадиях ЖЦ, что в итоге позволяет повысить конкурентоспособность вновь создаваемых ГТД.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях: Публикации в периодических изданиях из списка ВАК

1. Сапожников А. Ю. Автоматизация формирования эскизной компоновки авиационного ГТД/ Кривошеев И.А., Сапожников А.Ю., Карпов A.B.// Известия вузов. Авиационная техника—Казань: КГТУ, 2003, №1. С. 75 - 76.

2. Сапожников А. Ю. Организация базы данных для системного автоматизированного проектирования авиационных ГТД на этапе эскизного проекта/ Кривошеев И.А., Сапожников А.Ю., Карпов A.B.// Известия вузов. Авиационная техника—Казань: КГТУ, 2004, №1. С. 69 - 71.

3. Сапожников А. Ю. Применение обобщённой силовой схемы в процессе

проектирования авиационных ГТД/ Кривошеев И.А., Зрелов В.А., Проданов М.Е., Сапожников AJO., Карпов A.B.// Вестник УГАТУ: научный журнал УГАТУ/ УГАТУ. — Уфа: РЖ УГАТУ, 2006. Т.7, №3 (16). Стр. 56-63. ^

4. Сапожников А. Ю. Применение системы поддержки принятия решений для выбора конструктивно-силовой схемы авиационного ГТД на этапе эскизного проектирования/ Сапожников А. Ю., Кривошеев И. А., Зрелов В. А, Проданов М. E., Цой А. Ю., Миронов А. С.// Вестник УГАТУ: научный журнал УГАТУ/ УГАТУ. — Уфа: РЖ УГАТУ, 2010. Т.7, №3 (16). Стр. 11-20.

Публикации в других изданиях

5. Сапожников А. Ю. Применение CAD-систем для автоматизации компоновки авиационных газотурбинных двигателей/ Кривошеев И.А., Сапожников А.Ю., Карпов A.B.// Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2002): материалы международной конференции. М.: Институт проблем управления РАН. - 2002. С.73-74.

6. Сапожников А. Ю. Разработка эскизной компоновки осевого

компрессора авиационного ГТД в системе AutoCAD на основе программных модулей AutoLISP/ Кривошеев И.А., Сапожников А.Ю., Карпов A.B. // Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства: Сборник статей Всероссийской научно-практической

конференции. 23-25 апреля 2003 г. - Оренбург: РЖ ГОУ ОГУ, 2003 -

С.246-250.

7. Сапожников А. Ю. Применение экспертной системы для выбора силовой

схемы авиационного ГТД/ Кривошеев И.А., Сапожников А.Ю., Карпов А.В. // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы

международной научно-технической конференции. 26-27 июня 2003 г. -Самара, СГАУ, 2003. - С.141-142. (Соискателем предложено применение экспертной системы на ранних этапах проектирования авиационного ГТД, для предварительной оценки множества возможных конструктивных решений)

8. Сапожников А. Ю. Методы и средства для внедрения компонентов CALS-технологии в авиадвигателестроении/ Кривошеев И.А., Т.Р. Яруллин, Сапожников А.Ю., Карпов A.B., Сверчков П.В., Козакевич С.С. // Приложение к журналу «Информационные технологии». - М.: Машиностроение, 2004. -№3.-32 с.

9. Сапожников A. IO. Компьютерная реализация технологии формирования силовой схемы ГТД для учебного процесса УГАТУ / Сапожников А.Ю., Карпов A.B. // Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности: Сборник статей 4-ой научно-практической конференции. 2425 октября 2007 г. - М.: Изд-во МАИ, 2007. - С. 147-152.

10. Сапожников А. Ю. Компьютерное сопровождение учебного процесса исследования силовых схем газотурбинных двигателей/ Сапожников А.Ю., Карпов A.B.// Альманах современной науки и образования. - 2008. - №7(14).-Тамбов: Грамота, С. 179-181.

11. Сапожников А. Ю. Анализ конструктивно-силовых схем отечественных двухроторных ТРДД(Ф)/ Сапожников А.Ю., Кривошеев И.А. // Молодой ученый. - Чита: Молодой учёный, 2009. - №10. - С.76-77.

12. Сапожников А. Ю. Применение экспертных систем в процессе проектирования авиационных ГТД/ Сапожников А.Ю., Кривошеев И.А. // Молодой ученый. - Чита: Молодой учёный, 2009. - №12. - С.90-97.

13. Сапожников А.Ю. Автоматизированное проектирование авиационных

ГТД на основе каталогов// Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Материалы международной научно-технической

конференции. 24-26 июня 2009 г. - Самара, СГАУ, 2009. - С.144-145.

14. Сапожников А. Ю. Система автоматизированного проектирования конструкции осевого компрессора на стадии эскизного проекта авиационных газотурбинных двигателей (KOSys)/ Сапожников А. Ю., Карпов А. В., Кривошеев И. А., Воронков А. П.// Свидетельство № 2004611061 от 28.04.04 РОСПАТЕНТ, Москва, 2004.

Диссертант

Сапожников А.Ю.

САПОЖНИКОВ Алексей Юрьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭСКИЗНОЙ КОМПОНОВКИ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 11.01.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Уел. печ. л. 1,0. Уел. кр.- отт. 1,0. Уч. - изд. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ № 474.

ФБГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

61 12-5/1981

ФГБОУ ВПО «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ты

САПОЖНИКОВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭСКИЗНОЙ КОМПОНОВКИ

АВИАЦИОННЫХ ГТД

Специальность 05.07.05 -Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И.А. Кривошеев

Уфа-2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ...................................................4

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................7

1 МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГТД, ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ......................................................................15

1.1 Современная методология проектирования авиационных ГТД................15

1.2 Современные тенденции в области автоматизации ЖЦ ГТД....................17

1.3 Обзор программных средств, используемых в двигателестроении...........23

1.4 Анализ проблем автоматизированного конструирования авиационных ГТД...................................................................................................41

1.5 Постановка задач исследования....................................................................44

2 СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ЭТАПЕ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТА РАЗРАБОТКИ ГТД...........................46

2.1 Описание работ на этапе эскизного проекта................................................46

2.2 Формализация, функциональное моделирование и анализ процесса эскизного проектирования ГТД............................................................................48

2.2.1 Функциональная модель традиционного процесса

эскизного проектирования ГТД........................................................................50

2.2.2 Функциональная модель процесса эскизного проектирования авиационных ГТД на основе САЬБ-технологий.............................................56

2.2.3 Определение организованности функциональных моделей эскизного проектирования..................................................................................................61

2.3 Информационная модель процесса эскизного проектирования ГТД.........65

2.4 Программные средства для поддержки эскизного проектирования ГТД.. 69

2.5 Выводы по 2 главе............................................................................................77

3 КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВЫХ СХЕМ АВИАЦИОННЫХ ГТД............................................................................78

3.1 Классификация силовых схем авиационных ГТД........................................78

3.2 Анализ конструкции отечественных авиационных ГТД..............................86

3.2.1 Систематизация силовых схем турбокомпрессоров отечественных ГТД.............................................................................................8 6

3.2.2 Анализ конструктивных схем элементов турбокомпрессора................94

3.2.3 Конструктивные схемы компрессоров....................................................94

3.2.4 Конструктивные схемы турбин..............................................................100

3.2.5 Соединение роторов компрессора и турбины.......................................104

3.2.6 Силовые корпуса авиационных ГТД......................................................105

3.3 Обобщённая конструктивно-силовая схема ГТД........................................109

3.4 Выводы по 3 главе..........................................................................................117

4 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГТД

НА ЭТАПЕ ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТА 118

4.1 Структурные элементы информационной модели авиационного ГТД.... 118

4.2 Классификаторы структурных элементов авиационного ГТД..................126

4.3 Технология автоматизированного конструирования авиационного ГТД

на этапе эскизного проекта..................................................................................130

4.3.1 Синтез конструктивно-силовой схемы двигателя................................130

4.3.2 Формирование эскизной компоновки двигателя..................................139

4.4 Анализ эффективности автоматизированного формирования

эскизной компоновки...........................................................................................149

4.5 Выводы по 4 главе.........................................................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................I54

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 156

Приложение А. Функциональная модель жизненного цикла авиационного ГТД

и детализация традиционного процесса эскизного проектирования.................170

Приложение Б. Функциональная модель жизненного цикла авиационного ГТД

и детализация процесса эскизного проектирования на основе CALS-

177

технологии....................................................................................1/7

Приложение В. Свидетельство об официальной регистрации программы

для ЭВМ...................................................................................................................188

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

Основные сокращения

АП - аванпроект;

АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства;

АСУП - автоматизированная система управления производством; БД - база данных;

ВСУ - вспомогательная силовая установка; ГГ - газогенератор;

ГДУ - газодинамическая устойчивость; ГТД - газотурбинный двигатель; ЕИП - единое информационное пространство; ЖЦ - жизненный цикл (изделия); КВД - компрессор высокого давления; КНД - компрессор низкого давления; КПД - коэффициент полезного действия; КСД - компрессор среднего давления; КСС - конструктивно-силовая схема;

КЭ - конструкторский элемент в составе модели двигателя;

JIA - летальный аппарат;

JIB - лопаточный венец;

МД - монолитная деталь;

НА - направляющий аппарат;

НД - (каскад, ротор) низкого давления;

НИР - научно-исследовательские работы;

НТД - научно-техническая документация;

НТЗ - научно-технический задел;

ОД - опытный двигатель;

ОКБ - опытно-конструкторское бюро;

ОКР - опытно-конструкторские работы;

ОКСС - обобщённая конструктивно-силовая схема;

ПО - программное обеспечение;

ПЧ - проточная часть;

РК - рабочее колесо;

РКД - рабочая конструкторская документация;

САПР - система автоматизированного проектирования;

СЕ - сборочная единица;

СМК - система менеджмента качества;

СППР - система поддержки принятия решений;

СТ - свободная турбина;

СУ - силовая установка;

СУБД - система управления базой данных;

СЭ - структурный элемент в составе модели двигателя (в т.ч. ФЭ, КЭ, ТЭ);

ТВД - турбовинтовой двигатель или турбина высокого давления;

ТВаД - турбовальный двигатель;

ТВВД - турбовинтовентиляторный двигатель;

ТЗ - техническое задание;

ТК - турбокомпрессор;

ТНА - турбонасосный агрегат;

ТНД - турбина низкого давления;

ТП - техническое предложение или технологический процесс;

ТПП - технологическая подготовка производства;

ТСД - турбина среднего давления;

ТРД - турбореактивный двигатель;

ТРДД - двухконтурный турбореактивный двигатель;

ТРДФ - турбореактивный двигатель с форсажем;

ТУ - технические условия;

ТЭ - технологический элемент в составе модели двигателя; ФД - функциональная деталь; ФЕ - функциональная единица; ФН - функциональное назначение;

ФЭ - функциональный элемент в составе модели двигателя; ЧПУ - числовое программное управление; ЭВМ - электронная вычислительная машина; ЭО - элемент объёма;

ЭП - эскизный проект (или элемент поверхности); ЭС - экспертная система; ЭУ - энергетическая установка;

CAD (Computer Aided Design) - система автоматизации конструирования; CAE (Computer Aided Engineering) - автоматизированная система инженерного

анализа;

CALS (Continuous Acquisition Life-cycle Support) - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия; САМ (Computer Aided Mashineering) - система автоматизации изготовления; CASE (Computer Aided Software Engineering) - технология автоматизации разработки информационных систем;

IDEF (Integrated Definition) - методики концептуального проектирования информационных систем (структурного моделирования процессов и изделий, реализующие методологию SADT (США) и т.д.);

ERP (Enterprise Resource Planning) - управление ресурсами предприятия;

ISO - (International Organization for Standardization) Международный комитет по

стандартизации;

PDM (Product Data Management) - система управления данными об изделии; PLM (Product Lifecycle Management) - технология управления жизненным

циклом изделий;

SADT (Structured Analyze and Design Technology) - методология структурного анализа и моделирования изделий и процессов;

STEP (Standard for the Exchange of Product data) - стандарт для обмена данными об изделии.

Индексы нижние:

изд - изделие; JI - лопатка; ОП - опора; о - объёмный; h - номер СЕ; j- номер МД; S- номер ФЕ; s - номер ФД.

Индексы верхние:

сп - спецификация; j - принадлежащий j-й МД; (j) - образованный с помощью частиу'-й МД.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Авиационные двигатели IV и V поколений обладают предельными параметрами и характеризуются высокой степенью сложности. Тем не менее, требования к параметрам, рабочего процесса, стоимости разработки и срокам создания новых ГТД продолжают ужесточаться.

Произошедшее за последние три десятилетия улучшение характеристик авиационных ГТД достигнуто за счёт усложнения их конструкции, что привело к увеличению сроков и стоимости разработки двигателей, а также значительному увеличению доли научно-исследовательских и экспериментальных работ (НИЭР), росту числа специалистов, участвующих в проектировании. На рисунке 1 показаны продолжительность и стоимость разработки базовых двигателей со второго по пятое поколение. Начиная с двигателей 4-го поколения, отмечается резкое увеличение сроков и стоимости их создания. Так, сроки их создания увеличились с 5...6 до 10 лет, а стоимость более чем в 4,5 раза и 2,5 раза, соответственно, по сравнению с двигателями 2-го и 3-го поколений [87].

млрд, долл. Общий срок' д создания

1 НИЭР

Стоимость 2

разработки (млрд, долл.)

НИЭР

ш

IV V Поколения

Рисунок 1 - Стоимость и сроки создания авиационных ГТД

С другой стороны, общее количество параметров и признаков (с'учетом проектных вариантов), характеризующее размерность информационных потоков, оценивается согласно [76] величиной Ю10. В таких условиях традиционная технология разработки двигателей не удовлетворяет срокам

создания новых ГТД, допускает дублирование данных, применение недостаточно перспективных вариантов, не исключает потери информации, не гарантирует близость к экстремуму параметрических и структурных решений. В тоже время современный уровень развития ЭВМ, появление многофункциональных информационных систем (CAD/CAM/CAE/PDM и др.) и технологий (CASE, РЕМ и т.д.) позволяют существенно повысить эффективность создания ГТД, сократить стоимость их разработки. За последние годы в отечественных ОКБ стали активно использоваться различные САПР, однако их применение носит фрагментарный характер и направлено на решение отдельных задач в рамках традиционной технологии проектирования.

Таким образом, появилось противоречие между существующей технологией проектирования авиационных ГТД и возможностями их создания на основе концепции CALS (компьютерной поддержки жизненного цикла изделий [119]) путем преобразования жизненного цикла (ЖЦ) изделия в высокоавтоматизированный процесс за счёт внедрения новых информационных технологий (концепция Product Lifecycle Management, PLM [55, 73]).

Анализ зарубежных программ в области двигателестроения [9, 78, 79], таких как IHPTET, VAATE, ANTLE, ENGINE ЗЕ и др., показывает, что с 90-х годов наряду с разработкой революционных технологий для улучшения характеристик авиационных двигателей, в центре внимания зарубежных двигателестроительных компаний оказались задачи сокращения времени разработки ГТД на 50%) и стоимости ЖЦ двигателя (~ на 30%).

Особое значение в ЖЦ двигателя имеет этап эскизного проектирования, т.к. результаты принятых на этом этапе решений определяют 70% стоимости всего проекта [7]. Анализ научных работ, посвященных эскизному проектированию авиационных ГТД, показал, что в настоящее время существует множество неформализованных задач, связанных с конструкторским аспектом проектирования, отсутствуют алгоритм и критерии выбора конструктивно-силовой схемы двигателя, не решены вопросы взаимосвязи функциональных и конструкторских моделей, отсутствуют программные средства, позволяющие

оценить множество вариантов конструкции ГТД, а также средства автоматизированного формирования эскизной компоновки двигателя. Кроме того, не сформулированы требования к универсальным САПР с точки зрения их применения в эскизном проектировании ГТД, оптимального использования полученных результатов на последующих этапах ЖЦ ГТД, отсутствуют рекомендации по выбору информационных систем в целом, не освещены проблемы интеграции разнородных систем между собой.

Повышение эффективности создания авиационных ГТД на этапе эскизного проектирования, решение проблем, связанных с автоматизацией конструкторской деятельности на данном этапе связывается с анализом конструкции авиационных ГТД, формализацией процесса эскизного проектирования и его последующим реинжинирингом на основе концепции CALS.

Таким образом, объектом исследования является последовательность решения задач по формированию облика авиационного ГТД, используемые средства в процессе проектирования конструкции двигателя на этапе эскизного проекта.

Предмет исследования составляют задачи формализации, реинжиниринга и автоматизации проектных процедур при формировании эскизной компоновки авиационного ГТД.

Цель работы. Повышение эффективности процесса эскизного проектирования ГТД за счёт разработки технологии автоматизированного проектирования и программных средств для формирования эскизной компоновки двигателя.

Указанная цель достигается за счёт решения следующих задач:

1. Проведение структурного анализа, формализованное представление, выявление резервов повышения эффективности традиционного процесса эскизного проектирования авиационных ГТД, моделирование процесса формирования конструкции ГТД на основе CALS-технологий.

2. Проведение анализа конструкций авиационных ГТД и разработка экспертной системы для поддержки принятия решения при выборе конструктивно-силовой схемы двигателя.

3. Разработка специализированных программных средств (на основе универсальных САПР) для автоматизированного формирования эскизной компоновки ГТД.

4. Апробация разработанной информационной системы и анализ эффективности технологии автоматизированного формирования эскизной компоновки ГТД.

Методы исследования, использованные в работе:

- комплексный подход и структурный анализ процесса проектирования по методологии SADT (Structured Analyze and Design Technology);

- функциональное моделирование (в нотации IDEFO);

- информационное моделирование (в нотации IDEF1X);

- теория реляционных баз данных;

- компьютерное моделирование с использованием универсальных САПР и средств поддержки принятия проектных решений (на основе методов искусственного интеллекта).

На защиту выносятся:

1. Функциональные модели формирования конструктивного облика авиационного ГТД при традиционной организации процесса ЭП и организации автоматизированного процесса ЭП на основе CALS-технологий после проведения изменений (реинжиниринга).

2. Информационная модель, описывающая взаимосвязи и атрибуты типов объектов, используемых на этапе ЭП, операции над выделенными объектами и их исполнителей.

3. Технология поддержки принятия решений при выборе конструктивно-силовой схемы авиационного ГТД на основе разработанной экспертной системы.

4. Технология автоматизированного формирования эскизной компоновки авиационных ГТД с применением разработанных в САБ-системе специализированных программных модулей.

Научная новизна:

1. Функциональные (ГОЕРО) и информационная (ГОЕПХ) модели формирования облика авиационного ГТД, впервые построенные для процесса эскизного проектирования, раскрывающие резервы повышения эффективности процесса ЭП, роль новых средств автоматизации и требования к ним.

2. Разработанная процедура выбора конструктивно-силовой схемы авиационного ГТД, в отличие от известных, позволившая формализовать и автоматизировать процесс.

3. Обобщённая конструктивно-силовая схема авиационных ГТД, впервые разработанная на основе анализа конструкций двигателей различных типов, отражающая область конструктивно-силовых схем по количеству и расположению опор роторов.

4. Впервые разработанная (на основе предложенной обобщённой конструктивно-силовой схемы) экспертная система для поддержки принятия решения при выборе конструктивно-силовой схемы с учетом требований к проектируемому авиационному ГТД.

5. Сформированная (на основе разработанных функциональной и информационной моделей процесса эскизного проектирования) архитектура информационной системы для реализации технологии параллельного эскизного проектирования с использованием единой информационной модели ГТД.

Практическая значимость результатов.

Разработанные в формате международного стандарта ГОЕГ функциональные (ГОЕРО) модели описывают традиционный процесс эскизного проектирования и организацию процесса ЭП с применением САЬ8-технологий, детализируют состав выполняемых на данном этапе задач, исполнителей, управление и используемые средства.

Разработанная на основе ГОЕГО-модели информационная модель (ГОЕР1Х) процесса эскизного проектирования ГТД представлена диаграммой «сущность - связь» и отображает взаимосвязь различных типов объектов, их атр�