автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация формирования пространственных моделей элементов осевых турбомашин

На правах рукописи

Г Го ОД

Дмитриева Ирина Борисовна

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ' ЭЛЕМЕНТОВ ОСЕВЫХ ТУРБОМАШИН

Специальность 05.13.12-Системы автоматизации проектирования (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара - 2000 г

Работа выполнена на касЬелре теории двигателей летательных аппаратов Самарского государственного ачрокосмического унинерситета имени академика С.П. Королёва

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Аронов Б.М.

Официальные оппоненты:

доктор технический наук, доцент

кандидат технических наук, зам. главного

Коеарцев А. 11.

конструктора АО СНТК им. Н. Д. Кузнецова Федорчепко Д. Г.

Ведущая организация : АО «Моторостроитель»

Защита состоится "

2000 г.

на заседании диссертационного совета Д.063.87.02 в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С. П. Королёва по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

ЪМЗ-ОМ'ОЬ/М.о +

Учёный секретарь

диссертационного совета д.т.п., доцент

А. А. Калентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Благодаря высокой эффективности преобразования энергии, относительно малых размеров и массе осевые турбомашины (компрессоры и турбины) широко используются в ка- г

Бандажная полка

Перо

Л

Рис. 1

честве основных узлов авиационных двигателей и энергетических установок различного назначения.

Главной, самой массовой и наибо- -— Хвостовик

лее сложной деталью турбомашин является лопатка (рис. 1).

Для повышения достоверности проектных решений по таким машинам, сокращения сроков и улучшения качества технологической подготовки производства, а также для обеспечения компьютерной сборки необходимы пространственные модели (ПМ) элементов этих машин. В последние годы для этого широко используются инструментальные средства - САО/САЕУСАМ системы ((Л^гарЫсэ, САПА, Сппаггоп и др.). Построение моделей выполняется здесь в диалоговом режиме и поэтому чревато субъективными ошибками, трудоёмко, продолжительно. Это делает невозможным итерационное построение и использование моделей на промежуточных этапах проектирования, тогда как автоматизированное построение модели позволит передавать данные об объекте в системы прочностного и газодинамического анализа в реальном времени проектирования, значительно сократит сроки формирования окончательного варианта конструкции. Таким образом, создание средств автоматизации формирования моделей лопаток и функциональных элементов (ФЭ) проточной части турбомашин является актуальной задачей совершенствования технической подготовки их производства.

Целью исследований является повышение качества и сокращение продолжительности проектирования элементов осевых турбомашин за счёт автоматизации построения их моделей в процессе компьютерного макетирования.

Эта цель достигается посредством разработки метода и автоматизированной системы формирования пространственных моделей лопаток и функциональных

элементов, образованных из частей лопаток и сопрягаемых с ними деталей рабочих колёс и неподвижных (направляющих и сопловых) аппаратов турбомашин. Основные задачи диссертации

1. Формализовать представление структуры объекта моделирования.

2. Разработать методику автоматизации построения пространственных моделей и средства обеспечения, для чего необходимо:

- сформировать математическое описание процесса построения геометрических моделей объектов;

- создать язык описания облика технических объектов для построения их геометрических моделей;

- разработать алгоритмы синтеза автоматизированного формирования моделей лопаток и ФЭ проточных частей турбомашин.

3. Разработать структуру, программное и информационное обеспечение системы синтеза моделей лопаток турбомашин (МЛ'Г);

4. Внедрить автоматизированную систему формирования МЛТ в практику промышленного проектирования турбомашин.

Научная новизна. Предложен новый подход к формализованному представлению облика технических объектов, основанный на выделении структурных элементов и их характеризующих контуров и обеспечивающий автоматизацию построения геометрических моделей.

Разработан оригинальный способ математического описания процесса построения геометрических моделей, инвариантного к объектам моделирования.

Созданы универсальные языковые средства формального представления объектов, исходя из их конструктивных схем и параметров.

Впервые разработаны алгоритмы синтеза геометрических моделей объектов посредством автоматической генерации процедур их построения.

На основе разработанного методического, математического, лингвистического и алгоритмического обеспечения процесса построения геометрических моделей предложена оригинальная структура автоматизированной системы, обеспечивающая эволюционируемость состава моделируемых объектов и инвариантность к САО/САЕ/САМ системам.

Практическая полезность. На основе проведённых исследований разработана система автоматизированного построения пространственных моделей (СЛП ПМ) лопаток и ФЭ проточных частей турбомашин в среде САБ/САЕ/САМ систем. САП ПМ обеспечивает

- значительное сокращение времени на построение модели по сравнению с интерактивным режимом;

- получение параметризованных моделей без затрат времени,на параметризацию; -быстрое изменение топологии модели, которое позволяет реализовать при проектировании структурно - параметрическую оптимизацию с анализом на расчёт-. ных моделях высокого уровня;

-инвариантность к САЭ/САЕ/САМ системам.

Реализация результатов. Разработка получила практическую реализацию при создании подсистем построения пространственных моделей в составе интегрированных САПР лопаток по договорам с СНТК им. Кузнецова (г. Самара), АО «Люлька-Сатурн» (г. Москва), ТМЗ (г. Екатеринбург).

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» (СГАУ, Самара, 1997 и 1999 г), Всероссийских научно-технических конференциях «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении» (СГАУ, Самара, 1995), «Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей машиностроения» (Уфа, 1995), «САЭ/САЕ/САМ системы в инновационных проектах» (ИГТУ, Ижевск, 1998).

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 15 работ: 6 статей, 7 тезисов докладов, 2 свидетельства на регистрацию программ. Положения, выносимые на защиту.

1. Новый подход к формализованному представлению облика объектов, обеспечивающий автоматизацию построения ПМ объектов.

2. Оригинальный способ математического описания процесса построения геометрических моделей, инвариантного к объектам моделирования.

3. Универсальные языковые средства формального представления объектов, исходя из их конструктивных схем и параметров.

4. Алгоритмы синтеза геометрических моделей объектов посредством автоматической генерации процедур их построения.

5. Структура автоматизированной системы, обеспечивающая эволюциони-руемость состава моделируемых объектов и инвариантность к CAD/CAE/CAM системам.

Структура duccepmaijuu. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений и занимает объём 159 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы: показано, в каких именно моментах проектирования турбомашин возникает необходимость в использовании пространственных моделей лопаток и ФЭ; указаны цель исследования, научная новизна.

В первой главе описываются объекты моделирования, даётся анализ опыта формирования MJIT в CAD/CAE/CAM средах, обосновывается необходимость диссертационной работы, формулируется постановка задачи исследования.

Создание осевых турбомашин на современном этапе технического прогресса требует максимального использования достижений информационных технологий, в частности, САПР и CAD/CAE/CAM систем. Это даёт новое качество: проектирование и изготовление превращается в виртуальную технологию изготовления компьютерного макета изделия.

Для принятия обоснованных решений в процессе проектирования лопаток выделены следующие функциональные элементы проточных частей турбомашин: лопаточный венец (ЛВ) как совокупность профильных частей лопаток рабочего колеса или неподвижного аппарата; устройство крепления (УК) как взаимосвязанная совокупность хвостовиков лопаток и ответной части ротора или статора; полочный бандаж (БЖ) как совокупностью бандажных полок.

Поскольку процесс формирования геометрических моделей дополняет процесс проектирования выделенных объектов, то объектами моделирования в дан-

ной работе являются перечисленные ФЭ компрессоров и турбин и их детали - лопатки. Впредь под МЛТ будут пониматься модели как лопаток, так и ФЭ.

В отраслевой научно-исследовательской лаборатории комплексных САПР СГАУ разработаны интегрированные САПР (ИСАПР) лопаток. Их назначение -автоматизированное формирование, оптимизация, корректирование и документирование конструкций лопаток (КЛ) посредством проектирования ЛВ, БЖ, проточной части (ПЧ), УК.

Возникает задача создания связи между системами проектирования лопаток и САО/САЕ/САМ средой. На рис. 2 представлена схема предлагаемой организации процесса автоматизированного проектирования и производства лопаток в гетерогенной среде:

ИСАПР лопаток

сапр сапр|сапр сапр ЛВ|ПЧ|БЖ|УК сапр! кл|

! ! !

! ; !

j ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛИ о

s н

ьг о О Q. С

частично в ИСАПР лопаток, частично -в CAD/CAE/CAM системе. Связь между этими системами осуществляется через формирование пространственных моделей (IIM). После проектирования ЛВ, БЖ, ПЧ, УК происходит построение моделей соответствующих ФЭ. Модель лопатки формируется по рнс т результатам работы САПР КЛ. Как отражено на схеме, ПМ объекта может использоваться в различных аспектах. Во-первых, её наличие упрощает построение конечно-элементной модели для прочностного и газодинамического анализа методом конечных элементов в CAE системах (ANSYS и др.). Возникающая необ-

ходимость изменения структуры или параметров проектируемых ФЭ отражена на схеме стрелкой обратной связи через процедуру принятия решения/У. Во-вторых, модель лопатки участвует в компьютерной сборке изделия, в результате чего также может возникнуть необходимость корректировки конструкции лопатки (/2). В-трстьих, модель лопатки в составе двигателя может использоваться при трёхмерном анализе рабочих процессов ГТД, например, средствами созданного в ЦИАМ им. П. И. Баранова «Компьютерного испытательного стенда» (/3). В-четвёртых, модель лопатки передаётся в системы технологической подготовки производства.

Неформализованным моментом в приведённой схеме и поэтому сдерживающим реализацию полностью автоматизированного процесса создания лопатки является построение геометрических моделей. На этом основании сформулированы задачи проведения исследования.

Во второй главе излагается предлагаемое решение задачи автоматизированного построения МЛТ.

В рамках проведённого анализа инструментария С А О/С А К/С А М систем выделены три типа твёрдотельных (солидных) объектов: базовые (канонические и базирующиеся на контурах), комплексные (базирующиеся на поверхностях), контекстуальные (базирующиеся на солидах).

В качестве операций синтеза используются теоретико-множественные операции объединения, пересечения, вычитания примитивов. На примере хвостовика лопатки типа «Ласточкин хвост» приведены примеры операций пересечения (рис. 3, а - до, б - после операции пересечения) и вычитания (рис. 3, в - до, г - после операции вычитания).

Рис. 3.

В соответствии с работами Рвачёва В. Л., Соллогуба А. В., Горшкова С. П. процесс синтеза объектов из заданных объёмных элементов можно однозначно описать конструктивным графом (КГ). В терминальных вершинах КГ (рис. 4). указывают примитивы, из которых строят объект, а в нетерминальных - операции синтеза. Рёбра графа задают порядок

>

Рис.4

выполнения операций и участвующие в них операнды.

Конструкция лопатки представляется в виде совокупности объёмных элементов. Эта операция осуществляется на основе «мысленного» многоуровневого расчленения лопатки на более простые составные части до тех пор, пока не будут получены элементы, дальнейшее членение которых не требуется с точки зрения задачи построения твердых тел. Такие элементы названы структурными.

Введено понятие характеризующего или собственного контура, заданным движением которого образуется данный твёрдотельный объект. В случае невозможности построения структурного элемента с использованием единственного собственного контура необходимо использовать два характеризующих контура, расположенных в пересекающихся плоскостях. Каждый контур образует свой со-лид, названный промежуточным, а результат их пересечения (модель данного элемента) окончательным солидом (см. рис. 3, а и б). Введены отрицательные элементы, которые при вхождении в объект вычитаются из него. Если они являются принадлежностью полки, замковой части хвостовика либо бандажной полки (выборки или облегчения), то они относятся к элементам второго уровня (см. рис. 3, в и г). Для общности введены дополнения — элементы второго уровня, которые объединяются с какой-либо основной частью модели объекта.

У неохлаждаемых лопаток сплошное перо представляет собой элемент объёма, не имеющий структуры. Модель пера лопатки создаётся с использованием

1ехнологии построения поверхностей. Для описания поверхности пера (рис. 5) обычно применяют математическую модель, состоящую из 4-х дважды дифференцируемых сплайн - функций: Ус — 8с(х,т) -поверхность спинки; = - поверх-

ность корыта; У/ = Я^.х.г) - поверхность входной кромки; = $2(х,1) - поверхность выходной кромки. Рис. 5.

Такое описание универсально и годится для построения геометрической модели поверхности пера любой лопатки. Сплошная модель получается преобразованием замкнутого объёма в твёрдое тело.

На основе изложенного предлагается метод системно - структурного анализа лопаток турбомашин. Он включает в себя следующие этапы.

1. Декомпозиция объекта на структурные элементы в виде двух пересекающихся базовых примитивов, опнеанных характеризующими контурами.

2. Назначение списка параметров и способа движения для каждого контура.

3. Выделение элементов второго уровня - выборок и дополнений.

4. Определение для каждого структурного элемента способа вхождения в модель и последовательность операций и участвующих в них элементов, отображаемую конструктивным графом.

Формальное описание структуры объектов.

В результате проведения анализа установлены структурные элементы МЛТ: бандажная полка представляет собой единый элемент; хвостовик разделяется на замковую часть, ножку, полку; ответная часть диска состоит из фрагмента диска и паза для вставки замковой части хвостовика. Элементы могут иметь выборки и дополнения. Автором создан банк структурных элементов лопаток и ФЭ. Для описания элемента при включении в базовый набор определяется тип его группы: является ли он бандажной полкой, замковой частью и т.д. Также задаются номер в группе, способ вхождения в объект, наименование, количество промежуточных солидов, операции над ними, их имена, ориентация рабочей плоскости характеризующих контуров, способ их движения, параметры, список размеров. Создаётся

пиктограмма с его изображением. Эта информация заносится в банк, после чего элемент считается описанным и может участвовать в генерации модели.

Описание формы каждой конкретной лопатки или ФЭ заключается в указании типов его структурных элементов, записанных в регулярной форме, названной кодом структуры объекта. Так, лопатка на рис. 1, «, состоит из пера и хвостовика, имеющего замковую часть второго типа, ножку второго типа, полку третьего тина с выборкой первого типа, т.е. КСО = (Е)(32)(Н2)(ПЗ (- 1)).

Математическая модель прог)есса построения МЛТ

Задачу построения МЛТ п среде некоторой САО/САЕ/САМ системы предложено рассматривать в виде иерархической трёхуровневой структуры.

Верхний уровень — построение модели объекта из структурных элементов.

Полное множество элементов МЛТ ОПИСаННЫХ ТИПОВ!? — Л"/...../,

где - структурный элемент «перо», .<>,■ - все остальные структурные элементы МЛТ описанных типов. Задача заключаются в том, чтобы сформировать из элементов множества Б" подмножество Бщ, такое, чтобы совокупность элементов подмножества образовала в целом модель лопатки или ФЭ. = X,...,

где ¡„ер - элемент «перо», я' - структурные элементы заданного объекта, К - количество структурных элементов заданного объекта, исключая перо.

Введены множества Е = 5 = 5" I Е, т.е. £ = ..., .., ач/. Множе-

ство 5 состоит из элементов, однородных с точки зрения их построения. Для решения поставленной задачи рассмотрено отношение на множестве 5 «принадлежать к одному типу». Введена сопряжённая с этим отношением некоторая система множеств ¿'на множестве которая является нетривиальным его разбиением. Поскольку разбиение ¿^сопряжено с отношением «быть одного типа» на множестве 5, то ^состоит из следующих классов: Аг, Р, В, /•'/), 2Х>, /'/), О, О]. Здесь Z, ¿V, Р, В, ГО, ZЛ, 1'й, О, О - подмножества замковых частей, ножек, полок хвостовиков, бандажных полок, фрагментов ответной части диска, пазов замковой и периферийной части диска, облегчений (выборок), дополнений соответственно.

Подмножество всех хвостовиков определяется как декартово произведение Н\> = г* х Н*х Р* где 7.* = г х О х П, Н*Ч1 X О х Э,Р* = Р х О х О -

множества замковых частей, ножек, полок хвостовиков соответственно. Подмножество всех бандажных полок определяется как ВР=В хГ) хО, подмножество всех ответных частей диска - как ОД = /"¿> Л" Р7 х РР, подмножество всех лопаток - как Ь = Ну X ВР X

Средний уровень иерархии - построение структурных элементов МЛТ.

Каждый структурный элемент множества Я является результатом пересечения двух промежуточных солидов 5,- = .V п л , где $ , 5 21 - промежуточные со-лиды / - ого структурного элемента. В некоторых частных случаях 5 '/ или 5 может быть универсальным множеством Е в геометрическом смысле, но не оба сразу. Таким образом, 5 является совокупностью пересекающихся пар множеств. 5 = '/ п 5 21 '2 г\ $ 225 п 5 2,-5 'н 5 2м /. Каждый элемент ж А, описывается четвёркой (СК, РП, К, Д).

СК - система координат, задаётся цепочкой преобразований относительно базовой СК. Операции преобразования: Моу(х, у, г) - перемещение начата СК в заданную точку, где х, у, г - координаты начала новой СК относительно старой, ¡{о^АХуЛп) - поворот СК вокруг заданной оси на определённый угол, где Ах - ось поворота, Ап - угол поворота. Цепочка может быть пустой.

РП - рабочая плоскость текущей СК: ХУ, Х2 или У7,.

К - определяющий контур. К = / }, /' = 1,1\'К, причём I, = <х, у, г>, где х, >• - координаты опорной точки контура, л - радиус в этой точке.

Д- движение контура, задаётся типом (прямолинейное по вектору для построения призмы или по окружности для тела вращения) и параметрами.

Нижний уровень иерархии — построение плоских контуров.

Контуры строятся из элементов двух множеств О и й.О - множество отрезков, параметры которых - четвёрка чисел (хн,уц, хк,ук), где хц,у,, - координаты начала отрезка, х^, у к - координаты конца отрезка. О - множество дуг. Геометрические параметры дуг - пятёрка чисел (хИ, ун, ап, хк, у к), где Хц, уц - координаты начальной точки дуги, лА, ук - координаты её конечной точки, ап - угол раствора дуги, причём знак (+ или -) определяет направление дуги.

В третьей главе описываются разработанные языковые и алгоритмические средства автоматизированного формирования МЛТ. Языковое обеспечение автоматизированного формирования МЛТ состоит из языков описания объектов (ЯОО) и описания элементов (ЯОЭ). На ЯОЭ происходит описание элементов при занесении их в базу. Элемент задаётся словами десяти типов, соответствующих параметрам его описания. Информация об элементе вводится в базу отдельными полями, и процесс трансляции распадается на множество процедур.

Алгоритмы трансляции различных высказываний сведены к трём типам, описаны в виде ориентированных графов и приведены на рис. 6. Первый тип используется для анализа параметров, описывающих тип группы, способ вхождения в модель, операцию над

промежуточными солидами, способ движения характеризующего контура. С помощью алгоритмов трансляции второго типа проверяются номер элемента в группе, количество промежуточных солидов, имя элемента и имя образующего контура. Синтаксический анализ параметра «ориентация рабочей плоскости» осуществляется алгоритмом третьего типа.

ЯОО - это входной проблемно-ориентированный язык, служащий для структурирования данных о лопатке и функциональных элементах и ввода их в систему. Задание облика объекта происходит с помощью пиктограмм. Просматривая пиктограммы с изображениями различных типов структурных элементов, пользователь выбирает типы, соответствующие описываемому объекту. Для описания ЯОО написана А-грамматика.

Создание моделей лопаток турбомашин в САПР Г1М выполняется по схеме, представленной на рис. 7.

Рис. 7

Преобразования одного вида информации в другой происходят с помощью транслятора, функционального преобразователя (ФП) и интерпретатора.

Для преобразования вида входных данных, соответствующего человеческому восприятию, к внутрисистемному, служит разработанный автором транслятор. Он формирует КСО и заполняет системные таблицы 1 (СТ1) на основе данных, которые поступают на вход подсистемы. Процесс трансляции совмещён с процессом описания структуры лопатки. СТ1 хранят КСО и размеры для построения структурных элементов. Транслятор состоит из лексического, синтаксического анализаторов (прЬверяется правильность слов и предложений) и семантического (заполнение системных таблиц). На рис. 8 представлена в качестве примера диа-

грамма состояний конечного автомата для процедуры синтаксического анализа выражения «Хвостовик в целом».

Разработанный в диссертации ФГ1 представляет собой комплекс программ ira языке Delphi (CAD-независимая часть). Он преобразует выходную информацию транслятора в КГ описания объекта. Результат работы ФП помещаются в системные таблицы 2 (см. рис. 7) в виде автоматически созданных и готовых к исполнению программ на языке CAD системы, в которой предполагается строить модель.

Интерпретатор (CAD-зависимая часть) представляет собой комплекс автопрограмм, сформированных на этапе работы ФП. Здесь осуществляется построение контуров, по которым формируются промежуточные солиды. Над ними в соответствии с конструктивным графом осуществляются необходимые операции пересечения, вычитания, объединения. Результатом работы интерпретатора является трёхмерная модель лопатки или ФЭ, построенная в CAD системе.

Четвёртая глава посвящена разработке автоматизированной системы формирования простран-

. Входной интерфейс

ственных моделей. Разработанная информационная технология позволяет осуществить новый подход к решению задачи создания комплекса программ . для формирования геометрических моделей лопаток. Процесс построения модели (рис. 9) представляется как совокупность программ, вы-

Сценарий | Программы

обхода j построения

КГ контуров

CAD/CAE/CAM L Выходной интерфейс--'

Рис. 9

иолнение которых в CAD среде воссоздаёт облик объекта. Эти программы формируются автоматически, что свидетельствует о том, что фактически создана CASE-технология для построения геометрических моделей лопаток и ФЭ проточных частей турбомашин. Программный комплекс САП ПМ состоит из входного интерфейса, монитора с сопутствующими библиотеками, интерпретатора (выходного интерфейса). При создании САП ПМ использовались языки программирования PASCAL и DELPHI. Проведено тестирование системы и предложена методика работы с ней, ориентированная на пользователя и администратора системы.

В главе 5 представлены результаты практического применения и промышленного внедрения САП ПМ. Разработанная система включена в интегрированные САПР компрессорных и турбинных лопаток, внедрённые на промышленных предприятиях.

Сформированные с помощью системы модели использовались:

- для подготовки к проведению трёхмерных расчётов течения в лопаточных вендах турбомашин (рис. 10, а);

- при конечно-элементном анализе на прочность компрессорных лопаток изделия НК-126 (АО СНТК им. Н. Д. Кузнецова, г. Самара, рис. 10, б);

- при конструкторской проработке лопаток осевых компрессоров изделий НК-44 и НК-126 (рис. 11, я);

- при получении альтернативных проектов небандажированных рабочих лопаток турбины энергетической установки ГТЭ-25У (АО «Турбомоторный завод» г. Екатеринбурга, рис. 11, б) и бандажированных рабочих лопаток турбины изделия 29 (АО «Люлька-Сатурн», г. Москва., рис. 11, в).

1

Рис. 10

Эффективность использования системы проявилась в сокращении сроков создания моделей с 1-3 дней до 5-15 минут и повышении качества конструкций. Разработанный метод и созданное программное обеспечение были использованы для построения моделей не только деталей турбомашин, но и деталей общего машиностроения - шестерен (рис. 11, г).

а б в г

Рис. 11

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе предложенного подхода к формализованному представлению объектов моделирования проведена декомпозиция элементов осевых турбомашин. Показано, что использование характеризующих контуров структуршлх элементов позволяет воссоздать реальный облик различных моделируемых объектов.

2. Разработанное математическое описание процесса построения геометрических моделей является инвариантным к объектам моделирования. Это подтверждено созданием пространственных моделей как элементов осевых турбомашин, так и деталей общего машиностроения.

3. Благодаря созданным языковым средствам формального описания технических объектов стало возможным доступное и естественное представление облика моделируемого объекта, отражающее его конструктивную схему и параметры.

4. Разработанные апгоритмы синтеза пространственных моделей элементов турбомашин обеспечивают автоматическую генерацию процедур их построения, реализуя CASE - технологию.

5. На основе разработанных видов обеспечения впервые создана система автоматизированного построения пространственных моделей (САП ПМ), позволяющая пользователю расширять состав моделируемых объектов и применять разные CAD/CAE/CAM системы.

6. САП ПМ в составе интегрированных САПР лопаток использовалась при разработке новых и альтернативных проектов конструкций лопаток реальных изделий в АО СНТК им. Н. Д. Кузнецова, АО «А. Люлька - Сатурн», АО «Тур-бомоторный завод». Применение системы позволило сократить время создания моделей в 50-200 раз.

7. Результаты тестирования разработанной системы совместно с объектно-ориентированными САПР и CAD/CAE/CAM системами (CATIA, ACAD и др.) свидетельствуют о создании информационной связи между этими классами систем и образовании гетерогенной среды автоматизации технической подготовки производства изделий.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1 Акимов Н.К., Аронов Б.М., Дмитриева И.Б. и др. Автоматизация проектирования конструкций рабочих лопаток стационарных газовых турбин // Вестник СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», часть 2. - Самара, 1999.-С. 154- 159.

2 Алгоритмы и система автоматизированного проектирования заготовок компрессорных лопаток / Аронов Б.М., Бибиков В.В., Дмитриева И.Б., Иващенко В.И., Ковалькова И.Н. - Самара. - Депон. в ВИНИТИ от 19.12.96, №3712-В96.

3 Дмитриева И.Б. Автоматизация построения объёмных моделей лопаток турбо-машин // Тез. докл. международной н.-т. конф. «Проблемы и'перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе». - Самара, 1997. - С. 56-58.

4 Дмитриева И.Б. Метод автоматизированного построения объёмных моделей лопаток турбомашин в среде CAD/CAE/CAM систем // Тез. докл. Всероссийской н.-т. конф. «CAD/CAE/CAM системы в инновационных проектах».-Ижевск, 1998.-С. 30-31.

5 Дмитриева И.Б. Системно-структурный анализ лопаток турбомашин для построения моделей // Известия ВУЗов. Авиационная техника, 2000, № 1/ - С. 74 - 76.

6 Дмитриева И.Б. Язык описания формы лопаток турбомашин для автоматизированного построения их моделей // Тез. докл. Международной н.-т. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе». -Самара, 1997.

7 Дмитриева И.Б., Керженков А.Г. Разработка автоматизированной системы получения чертежей лопаток авиационных турбокомпрессоров // Тез. докл. конф.

«Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении». -СГАУ, Самара, 1995.-С. 62-63.

8 Дмитриева И.Б., Коватькова ИМ. Инструментальные средства для создания моделей чертежей в ОХР-формате //Тез. докл. Всероссийской н.-т. конф. «Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей машиностроения». - Уфа, 1995. - С. 12-13.

9 Камынин В.А., Дмитриева И.Б., Керженков А.Г. Автоматизация проектирования конструкций корпусов сжатия центробежных компрессоров. // Тез. международной н. - т. конф. «Проблемы и перспективы развития двнгателестроения в

10 Камынин В.А., Дмитриева И.Б., Чуйкин В.Н. Автоматизация ведения проектной документации на примере конструкторского отдела турбин ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова// Тез. международной н. - т. конф. «Проблемы и перспективы развития двнгателестроения в Поволжском регионе». — Самара, 1999.

11 Керженков А.Г., Дмитриева И.Б. Технология автоматизированного формирования рабочих чертежей лопаток // Актуальные проблемы производства. Технология, организация, управление. - СГАУ, Самара, 1997. - С. 82 - 88.

12 Метод и программные средства формирования поверхностей пера в САПР лопаток авиационных газовых турбин / Дмитриева И.Б., Головин А.Г., Аронов Б.М. -Самара. -Депон. от 22.05.96, № 1650-В96.

13 Система автоматизированного проектирования компрессорных лопаток (САПР ЛОПАТКА) / Свидетельство от официальной регистрации программ для ЭВМ № 990815 от 16 ноября 1999 г.

14 Система автоматизированного проектирования рабочих лопаток турбин (САПР РЛТ) / Свидетельство от официальной регистрации программ для ЭВМ № 990816 от 16 ноября 1999 г.

15 Учёт тенденций развития технологий компьютерного проектирования в планировании работ по созданию САПР штампового оснащения / Аронов Б.М., Бибиков В.В., Дмитриева И.Б., Иващенко В.И., Ковалькова И. Н. и др. // Проблемы и перспективы развития двнгателестроения в Поволжском регионе. - Самара, 1997.-С. 27-29.

Автоматизация формирования пространственных моделей элементов осевых турбомашин

Дмитриева И.Б. Подписано в печать 20.11.2000г. Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,$У Усл. Кр.-отг. с, 05. Уч.лзд.л. 1,0-Тираж 100 экз. Заказ 345. Отпечатано в НПО СГАУ .

Введение

Глава 1. Анализ опыта формирования моделей лопаток турбомашин.

Постановка задачи диссертации

1.1. Состав и описание объектов моделирования

1.2. Обзор современных средств проектирования объектов двигателестроения

1.2.1 Новые технологии и универсальные средства проектирования

1.2.2 Интеграция в САБ/САЕ/САМ системах;

1.2.3 Специализированные системы проектирования двигателей и их элементов

1.3. Определение и назначение пространственных моделей лопаток и ФЭ проточных частей турбомашин

1.4. Постановка задачи исследования

Глава 2. Описание предлагаемого метода геометрического моделирования лопаток и функциональных элементов

2.1. Базовые средства построения объектов в САО/САЕ/САМ системах

2.1.1. Типы солидных элементов

2.1.2. Операции над твёрдотельными примитивами

2.2. Системно-структурный анализ лопаток турбомашин

2.3. Формальное описание структуры объектов

2.4. Описание процесса построения геометрических моделей

2.4.1. Методика воссоздания моделей

2.4.2. Математическое описание процесса построения МЛТ

2.4.3. Информационное описание процесса формирования МЛТ

Глава 3. Языковые и алгоритмические средства автоматизированного формирования МЛТ

3.1. Входной язык описания структуры лопаток и ФЭ

3.1.1. Морфология ЯОО

3.1.2. Синтаксис ЯОО

3.1.3. Алгоритмы трансляции входного языка

3.2. Язык описания элементов (ЯОЭ)

3.2.1. Морфология ЯОЭ

3.2.2. Синтаксис ЯОЭ

3.2.3. Алгоритмы трансляции ЯОЭ

3.3. Функциональные преобразования КСО

Глава 4. Программные средства автоматизированного построения пространственных моделей элементов турбомашин

4.1. Структура программного комплекса

4.2. Системные данные

4.3. Связь САП ПМ с другими системами

4.4. Апробация системы

4.5. Методика работы с системой

Глава 5. Эксплуатация САПР ПМ в промышленных и учебных целях

5.1. Использование системы для анализа прочности

5.2. Использование системы при конструкторской проработке

5.3. Использование системы в технологической подготовке производства

Актуальность темы. Рыночные отношения, которые внедряются сейчас в нашей стране, предполагают повышенные требования к качеству изделий, поступающих в продажу, к достижению наилучшего соотношения «качество / стоимость». Следовательно, на этапах проектирования и производства обеспечение качества продукции должно сопровождаться существенным снижением материальных затрат и сокращением времени ввода изделия в эксплуатацию. В наиболее полной мере это относится к выпуску наукоёмкой и высокотехнологичной продукции, такой как турбомашины энергетического и транспортного назначения, особенно авиационных двигателей.

Удовлетворение столь высоких требований при проектировании и изготовлении деталей турбомашин возможно при условии использования новых информационных технологий, например, САБ/САЕ/САМ систем. Они позволяют создавать, сохранять и манипулировать моделями, изображающими промышленные объекты. Используя эти инструментальные средства, конструктор и технолог могут добиться снижения временных затрат, удешевлять производство, не ухудшая, а, зачастую, повышая качество изделий.

В настоящее время характерен обусловленный денационализацией промышленности и снижением государственных заказов спад промышленного производства. Он повлёк за собой стремительный отток людей с предприятий. Особенно это касается проектных организаций авиационной промышленности и двигателестроения. С уходом опытных специалистов теряется накопленный опыт, увеличиваются сроки проектирования, снижается качество проектов. Одним из способов приостановления процесса рассеивания знаний является создание объектно-ориентированных САПР, аккумулирующих в себе навыки, приёмы, традиции проектирования на предприятии. Так как качество компрессоров и турбин должно повышаться, а сроки создания - сокращаться, очевидна необходимость широкого использования автоматизированного проектирования основных деталей ротора и статора, особенно лопаток, как наиболее сложных, ответственных и массовых деталей.

Практика фрагментарного использования вычислительной техники для решения задач проектирования и изготовления осевых газотурбинных установок не ведёт к необходимому повышению эффективности инженерного труда, сокращению сроков создания и повышению качества объектов. Поэтому возникла необходимость создания интегрированных САПР (ИСАПР), позволяющих при малых затратах времени получать оптимальные решения по структуре и параметрам основных специальных объектов ГТУ (лопаток, дисков, рабочих колёс), формировать и корректировать конструкции [1 - 5]. Однако имеющийся опыт использования ИСАПР лопаток свидетельствует о необходимости разработки в их среде новых информационных средств, чтобы придать таким системам большую гибкость и высокий уровень сервиса. Необходимо обеспечить возможность передачи современными программно-техническими средствами решения об объектах непосредственно в системы анализа, использующие расчётные модели высокого уровня, и в производство.

Среди множества задач, решаемых действующими САПР лопаток авиационных турбомашин, важнейшей и пока нерешённой является задача автоматизированного представления лопаток в виде геометрической пространственной модели. Необходимость такого представления возникает на разных этапах технической подготовки производства лопаток:

- в процессе проектирования - при газодинамическом и прочностном анализе функциональных элементов (ФЭ) рабочих колёс (лопаточных венцов, устройств крепления, бандажей) на расчётных моделях высокого уровня;

- в процессе конструирования - для проверки правильности размещения элементов лопатки относительно друг друга;

- на стадии доводки - при изменении конструкции;

- на стадии изготовления - при проектировании формообразующей оснастки и подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ;

- при контроле - для анализа погрешностей изготовления лопаток.

Отечественные и зарубежные САБ/САЕ/САМ системы позволяют формировать модели исключительно в интерактивном режиме [6-8]. Такое построение не исключает субъективных ошибок, трудоёмко, достаточно продолжительно во времени (например, около одного-трёх дней занимает построение модели одной лопатки). Всё это делает невозможным итерационное построение и использование моделей на промежуточных этапах проектирования, тогда как автоматическое построение модели позволило бы передавать данные об объекте в системы прочностного и газодинамического анализа в реальном времени проектирования, значительно сократило бы сроки формирования модели окончательного варианта конструкции.

Таким образом, при автоматизации технической подготовки производства авиационных двигателей и энергетических установок различного назначения актуальной является задача автоматического построения в среде САВ/САЕ/САМ системы моделей как функциональных элементов проточной части, так и лопаток в целом, спроектированных с помощью ИСАПР. Для решения этой задачи необходимо разработать метод и средства автоматизированного формирования пространственных моделей объектов.

Целью исследований является повышение качества и сокращение продолжительности проектирования элементов осевых турбомашин за счёт автоматизации построения их моделей в процессе компьютерного макетирования.

Автор защищает следующие научные положения.

1. Новый подход к формализованному представлению облика объектов, обеспечивающий автоматизацию построения ПМ объектов.

2. Математическое описание процесса построения геометрических моделей, инвариантное к объектам моделирования.

3. Универсальные языковые средства формального представления объектов, исходя из их конструктивных схем и параметров.

4. Алгоритмы синтеза геометрических моделей объектов посредством автоматической генерации процедур их построения.

5. Структура автоматизированной системы, обеспечивающая эволюциони-руемость состава моделируемых объектов и инвариантность к САБ/САЕ/САМ системам.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений.

Результаты работы транслятора записываются на внешний носитель, откуда будут считаны при работе монитора.

Рис. 4.1. Структура программного комплекса САПР ПМ

Монитор представляет собой ядро системы, состоящее из двух программных блоков: генерации конструктивного графа и синтеза описаний контуров. Генерация контуров и КГ заключается в автоматическом создании программ, выполнение которых в заданной инструментальной среде повлечёт построение указанных контуров и конструктивного графа по конкретным размерам и коду структуры объекта. Примеры автопрограмм приведены в приложении 2.

Первый блок предназначен для генерации программы, описывающей конструктивный граф построения модели по КСО. При работе он использует библиотеку модулей, которые эмулируют команды CAD системы, необходимые для выполнения операций, расположенных в нетерминальных вершинах графа (см. раздел 2.1.2). Результат работы блока записывается в файл.

Второй блок предназначен для создания программ, описывающих контуры промежуточных солидов. При работе блока используются блок непосредственного синтеза программ, описывающих контуры, и библиотеки двумерной, трёхмерной графики и программ расчёта опорных точек контуров (см. раздел 2.4). Эти библиотеки открыты для пополнения, чем обеспечивается эволюционируемость программного обеспечения. Синтезированные программы построения контуров всех промежуточных солидов записываются в файлы.

В среде CAD системы происходит интерпретация полученных результатов: запускается программа воссоздания конструктивного графа. Это программа по мере обхода вершин КГ вызывает соответствующие программы построения контуров и выполняет над ними и над построенными на их основе промежуточными солидами предписанные действия. В результате работы интерпретатора формируется трёхмерная модель объекта.

Автоматическое построение моделей лопаток и функциональных элементов позволяет работать в режиме «посмотрел - изменил» с быстрым изменением текстов программ и получением новых результатов, т.е. обеспечивает реактивность системы.

Достоверность результатов обеспечивается тестированием новых программ при добавлении структурных элементов или расширении библиотек.

При написании программного обеспечения использовались системы программирования DELPHI и PASCAL. Общий объём программного комплекса около 5 Мбайт.

4.2. Системные данные

На структурной схеме программного комплекса (см. рис. 4.1) изображены потоки системных данных. В процессе работы комплекса данные формируются или преобразовываются, записываются на внешний носитель и передаются от блока к блоку. К ним относятся, во-первых, выходные данные транслятора: созданный по описанию пользователя код структуры объекта (таблица КСО) и размеры объекта. Эти данные структурированы и записаны в таблицы Т1, Т2, ., TN, где N - общее количество промежуточных солидов всех структурных элементов объекта. Каждая таблица располагается в отдельном файле, имя которого генерируется автоматически специальным образом.

Вторая порция системных данных - это данные, сформированные в результате работы монитора системы. Они представляют собой набор программ, написанных на языке CAD системы. Большинство CAD систем используют языки Си и Фортран, AutoCAD - ещё и AutoLISP. Некоторые системы (например, CATIA) в дополнение имеют собственные BASIC - подобные языки. Передаваемые данные состоят из программы описания конструктивного графа и программ построения собственных контуров всех промежуточных солидов структурных элементов Kl, К2, ., KN. Конструктивный граф описан, если сгенерирована программа, в которой запрограммированы действия по построению промежуточных солидов на основе движения характеризующих контуров (т.е. описаны элементы терминальных вершин графа) и действия над промежуточными солидами (нетерминальные вершины графа). Каждая программа хранится в отдельном файле.

Все файлы в первом и во втором случае записываются в специальный архив, который фактически является буфером обмена информации между блоками системы и очищается всякий раз при описании нового объекта.

Программы монитора также используют условно-постоянную информацию об элементах, описанных и включенных в базу. В приложении 3 приведён фрагмент базы данных, в котором присутствуют элементы компрессорных лопаток с хвостовиком типа «кольцевой паз» (перо, замковая часть, полка хвостовика, выборка)

Для ведения базы элементов написаны специальные программы, с помощью которых осуществляются процедуры добавления, удаления, корректировки элементов базы. На рис. 4.2 показаны созданные формы, посредством которых осуществляется ввод элементов. В разделе 3.3 приведены параметры, необходимые для описания элемента при занесении его в базу.

4.3. Связь САП ПМ с другими системами

Разработанная САП ПМ функционирует как автономно, так и совместно с другими системами. Схема такого взаимодействия приведена на рис. 4.3. Как видно из рисунка, входными данными для САП ПМ является описание моделируемого объекта, выходными - его виртуальная модель. Примером такого взаимодействия работа автоматизированной системы построения моделей в составе ИСАПР лопаток.

При автономной работе все запрашиваемые данные о размерах объекта, модель которого надо построить, задаются пользователем в интерактивном режиме во время работы транслятора. Пользователь задаёт код структуры объекта и размеры его элементов, работая с окнами ввода данных. Количество вводимых параметров велико. Так, применительно к лопаткам их количество может превышать шестьсот: более ста параметров по хвостовику и бан

Рис. 4.3. Схема связей САПР ПМ с другими системами дажной полке и около пятисот - координаты пера в спроектированных сечениях по спинке и корыту. Несмотря на это, пользователь, несомненно, получает большой выигрыш по сравнению с интерактивным построением модели, так как весь набор данных должен быть введён лишь первый раз, а при дальнейшей работе надо изменять только некоторые размеры в соответствии с полученными результатами проверок. Становится доступной по времени «игра параметрами», в результате которой возможно достижение более обоснованной конструкции объекта проектирования.

Эффективность использования САП ПМ значительно возрастает при эксплуатации системы в составе интегрированной САПР лопаток турбомашин. При этом пользователю необходимо ввести только код структуры объекта. Реальные размеры определяются в подсистемах проектирования элементов лопаток. Общее количество вводимых параметров при этом уменьшается в 30 раз и составляет 20-30 параметров.

Структурная схема комплекса проектирования рабочих лопаток турбин (ИСАПР PJIT), разработанного в отраслевой научно - исследовательской лаборатории № 18 СГАУ, в состав которой в качестве подсистемы входит САП ПМ, приведена на рис. 4.4.

Данные о проектируемом объекте формируются в подсистемах проектирования лопаточных венцов (САПР JIB), проточных частей (САПР ПЧ), бандажей (БЖ), устройств крепления (САПР УК). В подсистеме формирования конструкции САПР KJ1 проводится проверка полноты множества размеров конструкции и, если необходимо, недостающие размеры пополняются штатными значениями. По желанию пользователя происходит (или не происходит) пересчёт размеров от горячего состояния к холодному. Все данные об объекте записываются в системные файлы.

Более ранние версии ИСАПР РЛТ были ориентированы на выпуск конструкторской документации в виде чертежей. В состав интегрированной системы вошла подсистема разработки рабочего чертежа САПР РЧ. Выходная информация САПР KJI формировалась в соответствии с разработанным интерфейсом «выходные данные САПР KJI - входные данные САПР РЧ».

Включение САП ПМ в ИСАПР лопаток посредством разработки дополнительного интерфейса привело к созданию смешанной среды документирования: двумерной графики (построение чертежа) и трёхмерного моделирования (построение модели). Такая организация системы исключает ассоциативные связи модели и чертежа.

Для повышения эффективности и качества разрабатываемой продукции необходимо переходить от работы в смешанной среде двумерной графики и трёхмерного моделирования к использованию объёмных моделей в качестве основных объектов документирования [92]. Поэтому новые версии ИСАПР РЛТ и других интегрированных систем, разрабатываемых в ОНИЛ-18, оснащены внутренним интерфейсом «выходные данные САПР КЛ - входные данные САП ПМ».

Для построения пространственных моделей ФЭ проточных частей тур-бомашин разработаны специальные интерфейсы «выходные данные подсистем проектирования ФЭ (лопаточных венцов, устройств крепления, бандажей) - входные данные САП ПМ».

Система построения пространственных моделей организована таким образом, чтобы построение МЛТ осуществлялось в различных CAD/CAE/CAM системах. Как показано на рис. 4.1, связь САП ПМ с инструментальной средой осуществляется через настройку, задание конкретной CAD системы.

Использование разработанной в диссертации CASE технологии позволяет осуществить такой подход к построению геометрических ПМ, при котором облик модели на начальных этапах формируется абстрактно, безотносительно среды построения моделей. Привязка к конкретной среде осуществляется только на этапе автоматической генерации программ построения контуров и элементов модели. При выполнении этих программ в среде

САБ/САЕ/САМ системы и происходит «материализация» виртуальной модели (см. рис. 4.3).

Можно получить набор таких программ для одной САБ/САЕ/САМ системы, а затем перенастроить интерфейс и получить набор программ, описывающих эту же лопатку, для другой инструментальной среды. Модели объектов, полученные таким образом, будут идентичны и всегда корректны, так как каждая будет построена собственными средствами САБ/САЕ/САМ системы. Таким образом, выявляется дополнительная функция САП ПМ -обмен моделями объектов между различными САБ/САЕ/САМ системами.

4.4. Апробация системы

В разработанной системе тип моделируемых объектов определяется составом базы элементов. В базу были записаны элементы компрессорных (см. рис. 1.5) и турбинных (см. рис. 1.6) лопаток.

Апробация системы выполнялась при построении моделей функциональных элементов лопаточного венца (рис. 4.5) и устройства крепления: хвостовика лопатки и ответной части диска (рис. 4.6), а также компрессорных и турбинных лопаток и их элементов.

Была осуществлена проверка работоспособности созданного программного обеспечения при построении моделей других объектов. Так, в базу были занесены элементы деталей общего машиностроения - шестерён. В результате были построены модели шестерён с различными параметрами (рис. 4.7).

Разработанный программный комплекс в составе интегрированных САПР компрессорных (САПР «ЛОПАТКА») и турбинных (ИСАПР РЛТ) лопаток прошёл государственную регистрацию Российским агентством по патентам и товарным знакам. Получены регистрационные свидетельства № 990815 и № 990816 (приложение 4).

Рис. 4.5. Модель лопаточного венца

Рис. 4.7. Модель шестерни.

4.5. Методика работы с системой

На основании рассмотренной выше структуры программного комплек-САП ПМ предлагается последовательность действий для пользователя. Загрузка системы. На экран выдаётся панель с основными функциями системы (рис. 4.8).

Настройка на САВ/САЕ/САМ систему. После нажатия соответствующей кнопки загружается панель (рис. 4.9). Осуществляется настройка на САЕ)/САЕ/САМ систему путём указания её имени из списка. Описание объекта. Пользователь просматривает слайды с изображением элементов, находящихся в базе, и указывает те, которые должны быть включены в моделируемый объект. Таким образом формируется КСО (рис. 4.10). Тут же задаются или корректируются значения параметров элементов объекта.

Запуск системы на выполнение. В результате выполнения этого пункта происходит формирование автопрограмм - создание виртуальной модели объекта.

Запуск назначенной в п.З САО/САЕ/САМ системы.

Выполнение пакета автопрограмм в среде С АО/С АЕ/САМ системы (рис. 4.11). В результате формируется ПМ и визуализируется на экране (рис. 4.12)

Сохранение модели для дальнейшего использования на этапах технической подготовки производства.

Изменение модели. Осуществляется либо в среде САЭ/САЕ/САМ системы, либо в САП ПМ. Для этого повторяются действия, начиная с п.2. Изменению подлежат лишь корректируемые параметры, остальные данные сохраняются неизменными.

Пополнение базы данных. Когда изменения модели связаны с использованием структурных элементов, не присутствующих в базе САП ПМ,

Рис. 4.9. Панель для настройки САО/САЕ/САМ системы

Рис. 4.12. Визуализация модели лопатки в процессе построения

Глава 5. Использование САП ПМ в промышленных и учебных целях

Разработанная система включена в интегрированные САПР компрессорных и турбинных лопаток, внедрённые на промышленных предприятиях. Созданные с помощью системы модели использовались при конечно-элементном анализе хвостовиков лопаток на прочность, при конструкторской проработке лопаток, при разработке оснащения заготовительного производства. С помощью системы были построены модели компрессорных рабочих лопаток изделий НК-44 и НК-126, создаваемых в СНТК им. Кузнецова, турбинных рабочих лопаток изделия 29 (АО «Люлька-Сатурн»), небандажиро-ванных рабочих лопаток турбин энергетической установки ГТЭ-25У, выпускаемой на турбомоторном заводе г. Екатеринбурга. Копия акта внедрения приведена в приложении

В целях обучения приемам автоматизированного проектирования и принятия решения система применялась в учебном процессе Самарского государственного аэрокосмического университета и при повышении квалификации специалистов промышленных предприятий.

5.1. Использование системы для анализа прочности

Приведены реальные примеры проектирования, в которых используется технология построения конечно-элементной модели по геометрической (см. раздел 1.2.2).

Пример 1. Проектирование типичной лопатки компрессора с удлинительной ножкой и замковой частью типа «ласточкин хвост», которая вставлялась в кольцевой паз диска.

Кольцевые пазы в дисках для соединения с лопатками применяются в большинстве современных роторов компрессоров со сварным соединением дисков. На рис. 5.1 показана конечно-элементная модель такой лопатки. Для решения типичной задачи по лопаткам компрессора, а именно отстройки лопаток при колебаниях от резонанса с опасной гармоникой, лопатка моделировалась следующим образом:

- перо моделировалось тонкими оболочечными 4-х узловыми оболочечны-ми элементами;

- трактовая полка, удлинительная ножка и замок «ласточкин хвост» моделировались 8-ми узловыми объёмными элементами;

- совместность деформаций в местах соединения оболочечных и объёмных элементов моделировалась уравнениями, связывающими перемещения и углы поворота (6 степеней свободы) в узлах оболочки с перемещениями (3 степени свободы) в узлах объёмных элементов, находящихся в окрестностях узлов оболочки;

- закрепление лопаток моделировалось запрещением перемещений по всем направлениям для узлов, находящихся на поверхностях контакта с диском.

Для построения резонансной диаграммы расчёт собственных частот колебаний консольной лопатки проводился для нескольких значений частот вращения ротора в эксплуатационном диапазоне частот вращения двигателя с учётом изменения температуры лопатки и поля центробежных сил. Резонансная диаграмма, построенная по этим результатам расчёта, показана на рис. 5.2. Пунктиром показано изменение собственной частоты колебаний по основному тону для лопатки с размером ИМ удлинительной ножки 12 мм. Видно, что лопатка имеет некоторую отстройку от резонанса со 2-ой гармоникой. Но с учётом разброса частот колебаний лопаток 10 %, который всегда имеет место в производстве (а расчёт проводился по номинальным размерам), этой отстройки недостаточно. Чтобы не пришлось в дальнейшем в производстве браковать лопатки, размер 1ЛЧ был увеличен с 12 мм до 15 мм. Изменение собственной частоты колебаний по основному тону лопатки с увеличенным размером 1Ж показан сплошной линией. Таким образом, за счёт изменения модели лопатки, а именно размера удлинительной ножки, удалось для данной лопатки обеспечить необходимую отстройку при колебаниях по основному тону от 2-ой гармоники в эксплуатационном диапазоне частот вращения двигателя.

Пример 2. Проектирование «блиска» компрессора, т.е. рабочего колеса компрессора, у которого лопатки изготавливаются заодно с диском, для высокооборотного двигателя. Лопатки блиска имеют очень маленькие удлинения, хорды лопаток больше их длины.

Лопатка моделировалась объёмными 8-ми узловыми элементами. Число элементов по максимальной толщине профиля - 4. Лопатка была жёстко закреплена по корневому сечению. Расчёт статической прочности лопатки первого варианта профилирования показан на рис. 5.3 - 5.4. На рис. 5.3 показаны главные максимальные напряжения, а на рис. 5.4 - эквивалентные напряжения по Мизесу со стороны спинки и со стороны корыта. Причём напряжения показаны на лопатке в деформированном состоянии. Видно, что напряжения очень велики для компрессорных лопаток: СТ} = 72 кГ / мм , Сэкв = 84 кГ / мм2 . Такой уровень статических напряжений не обеспечивает допустимым по нормам запасов длительной прочности и малоцикловой усталости. Видны места расположения максимальных напряжений. Видна деформация лопатки.

По результатам данного расчёта лопатка была перепрофилирована. Иллюстрация расчёта статической прочности лопатки второго варианта профилирования показана на рис. 5.5 - 5.6. Это также по спинке и корыту главные максимальные и эквивалентные напряжения на лопатке в деформированном состоянии. Видно, что уровень статических напряжений снизился до значе

2 2 ний: О-! = 44 кГ / мм , Сэкв = 43 кГ / мм .

Далее было спроектировано рабочее колесо с такими лопатками, для которого был проведён весь комплекс необходимых статических и динамических прочностных расчётов.

Рис. 5.3. Максимальные напряжения по спинке и корыту

Рис. 5.5. Максимальные напряжения со стороны спинки и со стороны корыта после перепрофилирования

5.2. Использование системы при конструкторской проработке

Разработанная САП ПМ использовалась при анализе и конструкторской проработке компрессорных и турбинных лопаток изделий разного назначения и габаритов: от небольших установок, диаметр которых не превышает 0,7 м, и предназначенных для магистральных газопроводов (НК-126 АО СНТК имени Н.Д.Кузнецова, г. Самара) до полноразмерных авиационных двигателей (НК-44) и газотурбинных установок (ГТУ-25 ОАО «Турбомотор-ный завод», г. Екатеринбург).

Пример 1. При создании конструкций лопаток с Т-образным хвостовиком 11-ти ступенчатого компрессора изделия НК-126 с помощью системы выполнялись построения как отдельных контуров элементов лопаток, так и полноразмерных пространственных моделей (рис. 5.7). В ходе газодинамической доводки проекта изделия было спроектировано (в рамках комплексной САПР «Лопатка») и построено около 50 вариантов конструктивных схем устройств крепления и их моделей на различные исходные данные. Полученные модели лопаток использовались для оценки прочности по МКЭ, для визуальной отработки размещения пера на полке хвостовика и корректировки соотношения размеров элементов хвостовиков, в частности, полки и замковой части, для создания компьютерной модели компоновки всего компрессора.

Основной целью проектирования конструкций УК лопаток компрессора изделия НК-126 являлась минимизация количества типоразмеров хвостовиков лопаток при выполнении требований статической и динамической (отстройка от резонансов, см. выше) прочности. В результате конструкторами предприятия приняты три типоразмера хвостовиков для всех 11 -ти ступеней (рис. 5.8).

Пример 2. Для полноразмерного двигателя НК-44 также по результатам проектирования в САПР «Лопатка» осуществлялось с помощью САП ПМ построение плоских контуров элементов лопаток и пространственных моделей лопаток для 7-ми ступеней (с 7 по 13) компрессора высокого давления.

Плоские контуры использовались при создании и выпуске рабочих чертежей лопаток (рис. 5.9) автоматизированным способом. Пространственные модели позволили проверить размещаемость втулочного сечения пера лопатки и переходной части от пера к хвостовику на полке хвостовика. В результате такой проверки было обнаружено (рис. 5.10) и устранено нависание входной кромки пера над полкой хвостовика у лопаток 7 и 8 ступеней.

Пример 3. Аналогичные работы проведены для ОАО «Турбомоторный завод». На рис. 5.11 представлена пространственная модель турбинной неох-лаждаемой лопатки, полученная для ГТУ-25.

5.3. Использование системы в технологической подготовке производства

Пример 1. Геометрическая модель турбинной лопатки получена в Cima-tron'e (рис. 5.12), доработана до модели отливки, используя универсальные средства (технология доработки описана в 1.2.2). Затем на основе ГМ получена модель в формате .stl . Фрагмент файла приведён в приложении 6. На производственном участке фирмы 3D Sysem (г. Минск) получены полимерные модели методом стереолитографии (рис. 5.13). Затем, используя технологию Quick Cast, была получена оснастка для изготовления опытной партии лопаток.

Пример 2. Геометрическая модель лопатки (рис. 5.14) была доработана с целью получения модели отливки (рис. 5.15), по которой была получена ГМ технологической оснастки: полуформы отливок (процедура описана в 1.2.2). Последняя была использована технологом для формирования технологического процесса обработки на станках с ЧПУ. Фрагмент программы приведён в приложении 7. На рис. 5.16 приведены полуформы, полученные в результате обработки на станке с ЧПУ и последующей слесарной доводки.

Рис. 5.10. Иллюстрация нависания входной кромки пера над полкой хвостовика

12. Модель турбинной лопатки

Рис.

Рис. 5.13. Турбинная лопатка из полимерного материала

135

Рис. 5.14. Модель турбинной лопатки

Рис. 5.15. Модель заготовки турбинной лопатки

Рис. 5.16. Полуформы отливок турбинной лопатки

137

Приведённые примеры подтверждают применимость и работоспособность системы на разных этапах технической подготовки производства.

Эффективность использования системы проявилась в сокращении сроков создания моделей с 1-3 дней до 15-25 минут, повышении качества созданных конструкций и проектной документации. 1 ния структуры объектов, составленные математическое описание, языки, алгоритмы и программы построения трёхмерных геометрических моделей, реализованные применительно к лопаткам и функциональным элементам проточных частей турбомашин, составили содержание автоматизированного построения пространственных моделей элементов осевых турбомашин.

Впервые процесс построения геометрических моделей представлен как генерация совокупности программ и их выполнение в среде CAD/CAE/CAM систем, в результате чего воссоздаётся облик моделируемого объекта. Эти программы формируются автоматически, что свидетельствует о фактическом создании CASE - технологии в области геометрического моделирования

1. На основе предложенного подхода к формализованному представлению объектов моделирования проведена декомпозиция элементов осевых турбомашин. Показано, что использование характеризующих контуров структурных элементов позволяет воссоздать реальный облик различных

2. Разработанное математическое описание процесса построения геометрических моделей является инвариантным к объектам моделирования. Это подтверждено созданием пространственных моделей как элементов осе

3. Благодаря созданным языковым средствам формального описания технических объектов стало возможным доступное и естественное представление облика моделируемого объекта, отражающее его конструктивную

139

4. Разработанные алгоритмы синтеза пространственных моделей элементов турбомашин обеспечивают автоматическую генерацию процедур их построения, реализуя CASE - технологию.

5. На основе разработанных видов обеспечения впервые создана система автоматизированного построения пространственных моделей (САП ПМ), позволяющая пользователю расширять состав моделируемых объектов и применять разные CAD/CAE/CAM системы.

6. САП ПМ в составе интегрированных САПР лопаток использовалась при разработке новых и альтернативных проектов конструкций лопаток реальных изделий в АО СНТК им. Н. Д. Кузнецова, АО «А. Люлька - Сатурн», АО «Турбомоторный завод». Применение системы позволило сократить время создания моделей в 50-200 раз.

7. Результаты тестирования разработанной системы совместно с объектно-ориентированными САПР и CAD/CAE/CAM системами (CATIA, ACAD и др.) свидетельствуют о создании информационной связи между этими классами систем и образовании гетерогенной среды автоматизации технической подготовки производства изделий.

140

1. Автоматизация проектирования лопаток авиационных турбомашин (методология, алгоритмы, системы) / Б.М.Аронов, В.А. Камынин и др.; Под ред. Б.М.Аронова-М.: Машиностроение, 1994. 240с.

2. Аронов Б.М. Автоматизация конструирования лопаток авиационных турбомашин. М.: Машиностроение, 1987. - 168с.

3. Керженков А.Г. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Куйбышев, КуАИ, 1980.

4. Камынин В.А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Куйбышев, КуАИ, 1984.

5. Бибиков В.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Куйбышев, КуАИ, 1990.

6. Шпур Г, Краузе Ф.Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988.

7. Зильбербург Л.И.,Марьяновский С.М. и др. С1та1:гоп11 -компьютер-ное проектирование и производство-СПб: КПЦ «Мир», 1998.-166 е.; ил.

8. Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства; Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 528 е., ил.

9. Аронов Б.М. О технологии автоматизированного проектирования конструкций деталей машин // Управляющие системы и машины. 1985. №1. С. 29-35.10. . Аронов Б.М. Об определении термина «конструкция» в технике. №364983, деп. ВИНИТИ 70с.

10. Аронов Б.М. Категории анализа машин и некоторые особенности их существования. №6004-82, деп. ВИНИТИ. - 63с.

11. Аронов Б.М., Камынин В.А. Метод проектирования узла крепления лопаток в кольцевом пазе диска компрессорного колеса // Известия вузов. Авиационная техника, 1980, № 1, с. 9 16.

12. Дмитров A.B. Андриенко С.Н. Средства компьютеризированной поддержки STEP-ориентированной CALS технологии проектирования производственных систем.//М.: Машиностроение, Информационные техно-логии.-1996.- №3, с.2-7.

13. Дмитров В.И., Норенков И.П., Павлов В.В. К проекту Федеральной Программы "Развитие CALS-технологий в России", Информационные технологии № 4 1998, с.2-12. -М.: Машиностроение.

14. Ахмедзянов A.M., Кривошеев И.А., Христолюбов B.JL. Технология накопления, систематизации и использования знаний в авиадвигателестрое-нии. // Известия вузов. Авиационная техника, №4, 1997. с.84 - 89.

15. Кривошеев И.А., Жернаков C.B. Использование сетевых методов представления математических моделей в САПР двигателей // Информационные технологии, N5, 1999. М.Машиностроение, с. 17-26.

16. Кривошеев И.А., Каганов A.M., Яруллин Т.Р. Использование SADT и CAD/CAM- технологии при автоматизации разработки авиационных ГТД Информационные технологии, № 5, 1998. - М.: Машиностроение, с. 2-8.

17. Шильников П., Овсянников М. Система электронной документации CALS реальное воплощение виртуального мира // САПР и графика, №8, 1997.-С. 89-92.

18. Сало В. В., Везиров В. Н. И др. Актуальность разработки и реализации CALS технологий в отечественной промышленности // Проблемы ппродвижения продукции и технологий на внешний рынок, спец. выпуск, 1997.-С. 3-6.

19. Логистика / Под ред. проф. Б.А. Аникина. М: ИНФРА-М, 1999, 326с.

20. Овсянников М., Шильников П. «Глава семьи информационных CALS -стандартов ISO 10303 STEP» // САПР и графика ,№11, 1997,- с.77-82.

21. Дмитров В.И., Норенков И.П. STEP- и CALS-технологии. // Информационные технологии, №5, 1998 -М.Машиностроение, с. 38-43.

22. Дмитров Ю.М., Макаренков А.Н. Аналитический обзор международных стандартов STEP, PLIB, MANDATE. // Информационные технологии,1421, 1996. M.: Машиностроение.

23. Лимин С., Рухмаков A. PDM системы. Организация электронного архива // САПР и графика, №3, 1999. с. 69 - 71.

24. Дубова Н. Системы управления производственной информацией // Открытые системы, № 3(17), 1996. М.: Открытые системы, с. 63-68.

25. Дубова Н., Островская И. Словарь терминов по PDM. // Открытые системы, №3, 1997. с. 62-67.

26. Тунаков А.П. Кризис САПР и пути выхода из него // Известия вузов. Авиационная техника, №3,1998.- С. 85-91.

27. Савченко M. CATIA система проектирования и изготовления // Компьютерра, №28, 1996.-С. 15-20.

28. Мурованная Е., Ершов Г. и др. Pro/ENGINEER черты лидера // Компьютерра, N27, 1996.-С. 13-17.

29. Руководство пользователя системы Cimatron. Вее Pitron Ltd., version 7.0, С-Петербург, 1995.

30. Рыбаков А.В. Обзор существующих CAD/CAE/CAM-систем для решения задач компьютерной подготовки производства // Информационные технологии, N3, 1997,- С.2-9.

31. Костромин К. SolidEdge Intergraph система твердотельного моделирования // Открытые системы, №2, 1997. - С. 33-36.

32. Жук Д.М. CAD/CAE/CAM-системы высокого уровня для машиностроения // Информационные технологии, №0, 1995. С. 22-27.

33. Жук Д.М. Современныесистемы автоматизации проектирования // Компьютерра, № 27, 1996. С. 10-12.

34. Бормалев С., Черных С. Практическое применение EDS Unigraphics в авиастроении // Открытые системы, №2, 1997. С. 43-46. Энгельке У. Д. Как интегрировать САПР и АСТПП / М.: Машиностроение. - 1990.-320 с.

35. Cimatron. Finite Element Modeling/ Cimatron Ltd. 1990.

36. Безбородов Вадим, Крючков Андрей САПР: процесс или ритуал // САПРи графика, № 9, 1999. С. 15 - 19.

37. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для вузов / Под ред. профессора А. М. Ахмедзянова. М.: Машиностроение, 2000.-454 с.

38. Ахмедзянов А. М., Тунаков А. П., Кожиннов Д. Г, Сагитов Н. Ш. О месте функциональных приложений ГРАД, ПАРАД, DVIG, САМСТО в CAE -технологии // Известия вузов. Авиационная техника. Казань, №2, 2000. -С. 71-73.

39. Система автоматизированного проектирования компрессорных лопаток (САПР ЛОПАТКА) / Свидетельство от официальной регистрации программ для ЭВМ № 990815 от 16 ноября 1999 г.

40. Система автоматизированного проектирования рабочих лопаток турбин (САПР РЛТ) / Свидетельство от официальной регистрации программ для ЭВМ № 990816 от 16 ноября 1999 г.

41. Акимов Н.К., Аронов Б.М., Дмитриева И.Б. и др. Автоматизация проектирования конструкций рабочих лопаток стационарных газовых турбин // Вестник СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», часть 2. Самара, 1999. - С. 154 - 159.144

42. Алгоритмы и система автоматизированного проектирования заготовок компрессорных лопаток / Аронов Б.М., Бибиков В.В., Дмитриева И.Б., Иващенко В.И., Ковалькова И.Н. Самара. - Депон. в ВИНИТИ от 19.12.96, №3712-В96.

43. Камынин В.А., Дмитриева И.Б., Керженков А.Г. Автоматизация проектирования конструкций корпусов сжатия центробежных компрессоров. // Тез. международной н.-т. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе». Самара, 1999.

44. Неуймин Я. Г. Модели в науке и технике. История, теория, практика / Ленинград: Наука, Ленинградское отделение, 1984. 192 с.

45. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б.- М: Машиностроение, 1979. 702 с.

46. Краснощёков П.С., Флёров Ю.А. Методология проектирования систем автоматизированного проектирования сложных технических объектов // Тематический сб. научных трудов «Современный анализ в технике». М., МАИ, 1992.-С. 10-21.

47. Романычева Э.Т., Сидорова Т.М и др. AutoCAD 14. Русская и англоязычная версии. М: 1998,511 с.

48. Автокад версии 11. Справочное руководство. Autodesk Ltd. - 1991.

49. CATIA Part Design. User's Guide. 1995. - 102 p.

50. Основы 3D и твёрдые тела. CATIA, версия 4. Copyright Dassault Systems. - 1994

51. Cimatron. Твёрдотельное моделирование (Solidtron). Bee Pitron Ltd, 1996.- 98 c.

52. Рвачёв В. Л., Шевченко А. H. Проблемно-ориентированные языки и системы для инженерных расчётов. Киев: Техшка. - 1988. - 197 с.

53. Рвачёв В. Л. Теоия R-функций и некоторые её приложения. Киев. -Наукова думка. - 1982.

54. Соллогуб А. В., Валынин А. Г. Система трёхмерного геометрического моделирования пространственных тел с использованием характеристических и R-функций // Программирование, №3, 1991. С. 86 - 96.

55. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении / Ю. М. Соломенцев, В. Г. Митрофанов, А. Ф. Прохоров и др.: Под общ. ред. Ю. М. Соломенцева, В. Г. Митрофанова. М.: Машиностроение, 1986.-256 с.

56. Цветков В. Д. Основные положения системно структурного анализа технологических процессов и сложных объектов // В сб. Вычислительная техника и машиностроение. - Минск, 1971, сентябрь. - С. 38-49.

57. Горанский Г. К., Бендерева Э. И. Технологическое проектирование в комплексных автоматизированных системах подготовки производства. Москва. -Машиностроение. - 1981. - 456 с.

58. Метод и программные средства формирования поверхностей пера в САПР лопаток авиационных газовых турбин / Дмитриева И.Б., Головин А.Г., Аронов Б.М. Самара. - Депон. от 22.05.96, № 1650 - В96.

59. Сериков П. В., Тихонов Г. Ю. Метод стуктурно-параметрической оптимизации полочных бандажей рабочих колёс турбин / СГАУ, Самара. Депон. в ВИНИТИ от 12.05.98, № 1426-В98, 43 с.

60. Дмитриева И.Б. Автоматизация построения объёмных моделей лопаток турбомашин // Тез. докл. международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе». Самара, 1997. - С. 56-58.

61. Дмитриева И.Б. Метод автоматизированного построения объёмных моделей лопаток турбомашин в среде CAD/CAM систем // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «CAD/CAE/CAM системы в инновационных проектах». Ижевск, 1998. - С. 30-31.

62. Дмитриева И.Б. Системно-структурный анализ лопаток турбомашин для построения моделей // Известия вузов. Авиационная техника, № 2, 2000. -С. 74-76.

63. Дмитриева И.Б. Язык описания формы лопаток турбомашин для автоматизированного построения их моделей // Тез. докл. международной н.-т. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе». Самара, 1997.

64. Керженков А.Г., Дмитриева И.Б. Технология автоматизированного формирования рабочих чертежей лопаток // Актуальные проблемы производства. Технология, организация, управление. СГАУ, Самара, 1997.1. С. 82- 88.

65. Дмитриева И.Б., Ковалькова И.Н. Инструментальные средства для создания моделей чертежей в DXF-формате // Тез. докл. Всероссийской н.-т. конф. «Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей машиностроения». Уфа, 1995.-С. 12-13.

66. Шиханович Ю.А. Введение в современную математику / М.: Наука. -1965.-376 с.

67. Глушков В. М., Цейтлин Г. Е., Ющенко Е. JI. Алгебра. Языки. Программирование / Киев: Наукова думка. 1978. - 320 с.147

68. Норенков И. П. Принципы построения и структуры САПР / М.- 1986.

69. Фёдоров Б. С., Гуляев Н. Б. Проектирование программного обеспечения САПР / М.: «Высшая школа». 1990. - 160 с.

70. ГОСТ 14.417-81 ЕСТПП. Проектирование автоматизированное. Входной язык для технологического проектирования. М.: Издательство стандартов, 1983.- 162 с.

71. Кузнецов О. П., Адельсон-Вельский Г. М. Дискретная математика для инженера/ М.: Энергоиздат, 1988. -480 с.

72. Штернберг JL Ф. Теория формальных грамматик. Учебное пособие / КуАИ, Куйбышев, 1979. 71 с.

73. Ковалькова И. Н. Интегрирование автоматизированного проектирования и инженерного анализа в САПР технологической подготовки производства компрессорных лопаток // Вестник СГАУ. Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Самара, 2000. - С. 10-18.

74. Петров A.B., Чёрненький В.М. Проблемы и принципы создания САПР / М.: Высшая школа. 1990. - 144 с.

75. Аджиев В. Объектная ориентация: философия и футурология // Открытые системы, № 6, 1996.

76. Вирт Н. Долой «жирные» программы // Открытые системы, № 6, 1996. -С. 27-31.

77. Волков Д., Гавердовский А. и др. Заметки о российском программировании // Открытые системы, № 3, 1997. С. 78 - 80.

78. Бобровский С. Искусство бюрократии // PC Week/RE. Компьютерная неделя №3(127) от 27.01.98, №4(128) от 3.2.1998.

79. Пешо К. Никлаус Вирт о культуре разработки ПО. // Открытые системы, № 1, 1998, С. 41-44.

80. Ян Д., Анисимович К. и др. ABBYY: организационно-технологические аспекты разработки ПО // Открытые системы, № 1, 1998.-С. 55-58.

81. Аджиев В. MS: корпоративная культура разработки ПО // Открытые системы, № 1, 1998.-С. 45-51.149