автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна

005535853

На правах рукописи

ГОРБУНОВ Александр Алексеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРЫЛА ВОЗДУШНОГО СУДНА

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Оренбург 2013

005535853

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Припадчев Алексей Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий

кафедрой «Конструкция и проектирование летательных аппаратов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» Комаров Валерий Андреевич

кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» Сенюшкин Николай Сергеевич

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет» (УлГТУ)

Защита состоится «15» ноября 2013 года в «10.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.06, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, ауд. 6205

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан «11» октября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

¿¿¿¿-/У'

В.Н. Шерстобитова

Ь ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Дополнительные аэродинамические поверхности (ДАП) крыла-аэродинамические поверхности на концах крыльев воздушного судна (ВС), служащие для увеличения его аэродинамической эффективности.

Дополнительные .аэродинамические поверхности препятствуют перетеканию потока воздуха и выравнивают давление на верхней и нижней плоскостях крыла, ослабляя мощный концевой вихрь за счет разделения его на несколько вихрей меньшей интенсивности^

Применение ДАП позволяет снизить индуктивное сопротивление ВС, увеличить эффективное удлинение крыла и подъемную силу на его конце, улучшить курсовую .устойчивость. ВС,/ снизить удельный расход топлива, уменьшить длину разбега и пробега.при взлете и посадке ВС.

В настоящее, время известно множество конструкций ДАП крыла различных типов, устанавливаемых на магистральные ВС, различающихся геометрическими и аэродинамическими характеристиками.

Проектирование ДАП крыла связано с учетом множества аэродинамических, энергетических, конструктивно-геометрических, технологических и режимных характеристик, что требует применения современных средств вычислительной техники для синтеза и принятия необходимого проектного решения.

Выбор оптимального проектного решения ДАП по критерию аэродинамической эффективности для определенного типа ВС целесообразно проводить с использованием средств САПР, позволяющих проводить комплексные многовариантные, итерационные расчеты.

Разработка САПР, основанная на формализованном описании проектных процедур и использрвании современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа, позволит сократить сроки разработки и ввода в эксплуатацию ДАПкрыла;: :! : ■ .

Исследования проводились в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по финансируемым темам: «Разработка и - конструирование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла летательного' аппарата нового поколения», соглашение № 14.132.21.1585 от 01.10.2012; «Разработка и конструирование облика летательного аппарата нового поколения», соглашение № 14.В37.21.0409 от 06.08.2012.

Степень разработанности темы. Для улучшения аэродинамической эффективности магистральных ВС в настоящее время применяются различные способы совершенствования их аэродинамики. Наибольшее распространение среди них получили ДАП, устанавливаемые на концевой части крыла ВС. Но, несмотря на многолетний опыт, основанный на эмпирическом подходе, отсутствует методика и инструмент их автоматизированного проектирования в открытых научных материалах. В этой связи разработка научных основ и метода автоматизированного проектирования ДАП крыла магистрального ВС является приоритетной задачей.

Цель работы - совершенствование процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна на основе разработки и

использования современных методов моделирования и инженерного анализа.

Задачи исследования:

1) расчет экономического эффекта от установки на магистральное ВС ДАП крыла;

2) анализ характерных особенностей ДАП крыла, обеспечивающих повышение аэродинамической эффективности магистрального ВС;

3) разработка метода автоматизированного проектирования ДАП крыла, основанного на формализованном описании проектных процедур и использовании современных методов моделирования и инженерного анализа;

4) применение разработанного метода для проектирования новой конструкции ДАП крыла;

5) верификация формализованного аппарата и разработанных программных модулей путем сравнения результатов имитационного моделирования с данными физического моделирования, разработанных конструкций ДАП в аэродинамической трубе.

Объект исследования - процесс проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла магистрального воздушного судна.

Предмет исследования - автоматизация процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур процесса проектирования.

Методическое обеспечение исследования. Использованы современные подходы в области автоматизированного проектирования ВС, отраслевые обзорно-аналитические материалы, принцип системного анализа, численный метод, методы математического моделирования, математической логики, технологии объектно-ориентированного программирования, методы экспериментального исследования.

Научной новизной обладают:

- классификация конструкций ДАП крыла для магистральных ВС, построенная на основе аэродинамических и конструктивно-геометрических характеристик ДАП;

-математическая модель, учитывающая конструктивно-геометрические характеристики ДАП, а также массовые, прочностные, режимные, энергетические, аэродинамические и технологические характеристики ВС и позволяющая осуществить выбор проектных характеристик ДАП по критерию аэродинамической эффективности ВС;

- закономерности влияния конструктивно-геометрических характеристик, спроектированных конструкций ДАП крыла на аэродинамическую эффективность ВС, выявленные в результате имитационного и физического моделирования;

-метод автоматизированного проектирования ДАП крыла ВС, представленный последовательностью и содержанием этапов использования разработанных компьютерных процедур и современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа.

Практическая значимость работы определяется:

1) разработанной САПР ДАП крыла, основанной на совокупности полученных научных результатов и включающей в себя программные модули:

- эскизного проектирования ВС;

- расчета взлетной массы ВС с учетом ДАП крыла;

-расчета ДАП ВС;

- исследования и расчета аэродинамических характеристик ДАП крыла ВС;

- расчета индекса эффективности ВС с ДАП;

- расчета экономического эффекта от установки на ВС ДАП крыла;

2) методикой использования современных средств компьютерного моделирования CATIA и инженерного анализа SALOME;

3) методическим обеспечением разработанной САПР ДАП;

4) оригинальными конструкциями ДАП, разработанные с помощью САПР и защищенных двумя патентами РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты исследования магистральных ВС, оснащаемых ДАП крыла;

2) классификация ДАП крыла, позволившая сформировать рациональную область их аэродинамических и конструктивно-геометрических параметров в зависимости от типа магистрального ВС;

3) математическое, информационное, алгоритмическое и программное обеспечение разработанной САПР ДАП крыла ВС;

4) разработанные с применением разработанной САПР конструкции ДАП крыла, защищенные патентами РФ;

5) закономерности влияния конструктивно-геометрических характеристик ДАП на аэродинамическую эффективность ВС, выявленные в результате имитационного моделирования и физического моделирования в аэродинамической трубе.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ЗАО «КАПО ТУПОЛЕВ» (г. Казань), ФГУП «Оренбургские авиалинии» (г. Оренбург), ЗАО «МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ИННОВАЦИОННЫЙ ЦЕНТР КАИ ИНЖИНИРИНГ» (г.Казань), ОАО «Авиатехприемка» (г.Москва), научно-внедренческом центре международного исследовательского института (г. Москва).

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации докладывались автором на международных, всероссийских и межотраслевых научно-практических конференциях: тридцать восьмой и тридцать девятой международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2012, 2013 гг.); международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2012 г.); тринадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (Санкт-Петербург, 2012 г.); международной научно-практической конференции: «Современные материалы, техника и технологии в машиностроении» (Андижан, 2012 г.); международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Курган, 2012 г.); пятой всероссий-

ской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2011 г.); всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2012, 2013 гг.); десятой всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2012 г.); научной школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2012 г.); всероссийском межотраслевом молодежном научно-техническом форуме «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, 6 зарегистрированных в Роспатенте программных средств, 2 патента РФ на изобретения, 14 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Общий объем работы 238 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков, 7 таблиц и список использованных источников из 122 наименования, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, определены объект и предмет исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе экономически обоснована целесообразность применения ДАП крыла на ВС результаты представлены в таблице, проведено патентное исследование и выполнен анализ научных публикаций в предметной области.

Фундаментальные научные исследования, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на решение взаимосвязанных задач по повышению аэродинамической эффективности ВС решаются в ЦАГИ, ГосНИИ ГА, МАИ, NASA, Boeing Company, British Aerospace PLC, Airbus industries.

Среди ученых, работающих в данной области, известны такие, как Буряков A.A., Баркова И.А., Волошинов Д.В., Горбань В.П., Ещеева И.Р., Ермаков Е.С., Пухов A.A., Погорелов H.A., Уигкомб Р.Т., Фредерик УЛ.

Выявлены и систематизированы характеристики, по которым производится оценка технического уровня ДАП крыла. На основе выявленных характеристик разработана классификация, отражающая конструктивно-геометрические и аэродинамические характеристики ДАП крыла ВС (рис. 1а), выявлены наиболее часто используемые типы ДАП крыла на магистральных ВС (рис. 1в) и определен процент оснащенности ВС ДАП крыла (рис. 16).

Установлено, что тенденция развития в направлении разработки конструктивно-геометрических и аэродинамических характеристик ДАП крыла ВС имеет перспективный и актуальный характер, а их автоматизированное проектирование позволяет улучшить требуемые характеристики и разработать новые ДАП крыла.

№ п/п Статьи расходов Ед. изм. Сумма расходов по вариантам

Базовый Модернизированный

1 Стоимость планера ВС млрд.р. 3,600 3,610

2 Расходы на разработку планера ВС млрд.р. 7,505 7,537

3 Расходы на амортизацию планера и авиадвигателей млн.р. 282,40 289,30

4 Расходы на авиатопливо млн.р. 240,24 223,42

5 Обслуживание в аэропортах р./ч. 4410,6 4176,5

6 Уменьшение стоимости наземных расходов за счет установки ДАЛ крыла млн.р - 136,0

7 Себестоимость ВС млрд.р 18,065 17,96

Итого, эффект млрд.р / % 5,25 / 14,5%

Дополнительные аэродинамические поверхности крыла

Крылышко Прямое крылышко

Отклоненное крылышко Эллиптичесгас •

Шайба Патент »2481241

Уитжомба Патент №2481242

Вихре генератор ]

Гребневая ;

Мулии

С торцевой шайбой

С торцевой шайбой

Бяяжяемагистральвые Средиемагнстрадьные Далькемагнсгральныг ■ СДАЛ «Без ДАЛ

|70 6- 60

« '|0 Ё 30

111111

9,4 и,5 3 2

а в

а - классификация ДАП крыла; б - распределение ДАЛ крыла по типам; в - оснащенность ДАП крыла ВС различных типов.

Рисунок 1 - Сводные результаты патентного исследования и анализа научных

публикаций

Сделаны выводы о том, что: 1) необходимо проектирование новых конструкций ДАП крыла по конструктивно-геометрическим и аэродинамическим характеристикам, обеспечивающим рациональные показатели эффективности магистральных ВС; 2) для проектирования новых конструкций ДАП крыла необходима разработка САПР, позволяющая проводить комплексные многовариантные расчеты с учетом аэродинамических, энергетических, конструктивно-геометрических, технологических и режимных характеристик.

Во втором разделе разработана математическая модель, учитывающая влияние конструктивно-геометрических, режимных, энергетических, аэродинамических, массовых и прочностных характеристик (рис. 2) на экономическую эффективность ВС с ДАП крыла

Рисунок 2 - Состав параметров, учитываемых в математической модели

Структура математической модели включает целевую функцию, ограничения, переменные и показатель эффективности.

Целевая функция - это суммарные расходы на все рейсы всех маршрутов, при сохранении (увеличении) показателя дохода:

V V (!)

2 = 1, ¿ХлГ'э -Я1Ш1, ,=1 7=1

где Су - производственные расходы на /-ом маршруте у'-ого типа; 13 - индекс эффективности.

В качестве ограничений выступают конструктивно-геометрические СвО, режимные характеристики Ы), массовые и прочностные МБ, энергетические ЕБ и аэ-

родинамические характеристики АО (рис. 2):

Ограничения

V- Н Т

Кр);с]; 1ф!; > ; ^-ф/; Лч/; А*в.ч/; Д,^; Ае^; ЯД4Р; 7 Д4т/; сд-ш;

и-к г

^аэ.'^мах'^хг С чад > Удв] > •

Переменными служат технологические характеристики:

Щ-

Переменные•

при''

(3)

Индекс эффективности ВС, представляющий собой линейную функцию шести групп характеристик:

/э = ЛО + СОО + МО + ЕО + ТО + АО ,

(4)

где

соп^к^-Т^+к^-Тф+к^

¿ф + к вес! ' Лф + ^ееЫ ' ^нч + ^веЫ ' ' ДАП + ' ^ ДОЯ + ' ^ДОП ^

ЕО = ■ Стс + к^, ■ т + ■ + квеЫ ■ О;

АО = ■ ка э_ +

ТО = к„с1 а^ + к„а

К .„„ + кеес1 ■ с Х1;

Ц+кт1 г>

Геометрическая интерпретация решения задачи выбора оптимальных параметров ДАП крыла по критерию аэродинамической эффективности представлена на рис. 3.

, 6 Л 5

О

| 4

ч о

3

ч /3

/ / / / /

'■2лП

--->1

О

200

400 600

Скорость ВС К км/ч

-ШгапЛ12481242;— — Крылышко; — — ИМбг: ,

800

1000

-Патент №2481241;

Рисунок 3 - Зависимость расхода топлива от скорости ВС

В третьем разделе разработана общая последовательность автоматизированного проектирования ДАП крыла магистрального ВС (рис. 4), этапы выполнения которой представлены программными модулями аналитических расчетов, разработанными с использованием предложенной математической модели и методиками сквозного применения системы трехмерного и имитационного моделирования.

С

Начало

Эскизного проектирования магистрального ВС

1

Расчет взлетной массы магистрального ВС с учетом ДАП крыла

1

Расчета ДАП крыла магистрального ВС

1

Построение трехмерной модели

1

Исследование и расчет аэродинамических характеристик ДАЛ крыла магистрального ВС

НЕТ ^--- Принятие решения**"^^.

Расчет индекса эффективности магистрального ВС с ДАП крыла

1

Расчет экономического эффекта от установки на магистральное ВС ДАП крыла

Вывод результатов расчета

h

- основные параметры ВС в первом приближении.

- стартовая тяговооруженность и энерговооруженность.

- основные параметры во втором приближении.

- определение нагрузок ва основные части ВС.

- расчет взлетной массы ВС.

- расчет относительной массы ДАП рыла ВС

- расчет относительной массы фюзеляжа ВС.

- расчет относительной массы оперения ВС.

- расчет относительной массы шасси ВС.

- расчет относительной массы силовой установки ВС.

-С —С

—с

- расчет геометрических параметров ДАП крыла ВС.

- расчет аэродинамических коэффициентов сопротивления ДАП крыла ВС.

система автоматизированного проектирования САПА.

- исследование и расчет аэродинамических характеристик ДАП крыла ВС, н базе CAE решателя OPEN FOAM.

- расчет индекса эффективности ВС с ДАП »рыла.

- расчет экономического эффекта от установки на ВС ДАП крыла.

- расчет стоимости планера н авиадвигателей.

- расчет срока окупаемости и коэффициента эффективности капвложений ВС с ДАП крыла.

Конец

Рисунок 4 - Общая последовательность автоматизированного проектирования ДАП

крыла ВС

Общий смысл разработанной последовательности проектирования состоит в следующем. Вначале по математической модели и ее геометрической интерпретации (рис. 3) выбирается совокупность характеристик ДАП крыла, соответствующих максимальной аэродинамической эффективности ВС с ДАП. Затем в среде CATIA проектируется 3D модель ДАП крыла (рис. 5а, б) с рассчитанными параметрами (в трех программных модулях аналитических расчетов). Далее 3D модель ДАП крыла через обменный формат Step передается в среду SALOME, в которой осуществляется имитационное моделирование, (рис.5 в) направленное на решение задачи

вычислительной аэро- и гидродинамики, для изучения движения текучей среды вокруг ДАП крыла.

| I* »* *< # Т

■ ---— • х jjl г:»а

stce1»

05»: ■

U »togntate

г мши

2 1

а

а - 20-модель ДАП с выбранными параметрами; б - ЗО-модель ДАП в среде CATIA; в - скорости распределения текучей среды по поверхности ДАП в среде SALOME.

Рисунок 5 - Пример сквозного применения компьютерных систем трехмерного и имитационного моделирования при проектировании ДАП

В четвертом разделе проведено имитационное моделирование по изучению движения текучей среды вокруг ДАП крыла, что позволило описать течение текучей среды, а также определить аэродинамические характеристики исследуемых ДАП крыла.

Компьютерный анализ проведен в системе SALOME на базе CAE решателя Open FOAM. Для работы в системе разработан алгоритм автоматизации исследований, реализованный в виде программного модуля на языке С++. Примеры полученных результатов представлены на рис. 6.

а - распределение температуры и кинематической скорости по поверхности ДАЛ; б - параметры течения текучей среды вокруг ДАП крыла.

Рисунок 6 - Примеры представления результатов вычислительных экспериментов в системе SALOME

Проведенные вычислительные эксперименты позволили определить изменение числа Re, температуры и кинематической скорости, выявить закономерности обтекания вокруг ДАП. Результаты представлены как в графическом, так и в автоматически сгенерированном программном коде.

В результате последовательного выполнения проектных операций с использованием разработанной САПР, спроектированы оригинальные конструкции ДАП крыла, защищенные патентами РФ.

Изготовлены аэродинамические модели спроектированных конструкций ДАП, соответствующие требованиям, предъявляемым к аэродинамическим моделям при продувках в аэродинамической трубе.

В пятом разделе выполнено физическое моделирование изготовленных с требуемыми параметрами физических моделей ДАП крыла в аэродинамической

г

трубе АДТ Т-3 (рис. 7) и проведена верификация программных модулей разработанной САПР ДАП.

Во время продувок варьировались два параметра - угол атаки и скорость набегающего потока. По результатам продувок выявлены закономерности, отражающие характеристики разработанных моделей ДАП.

а - измерительное и управляющее оборудование АДТ Т-3; б - модель ДАП крыла в аэродинамической трубе. Рисунок 7 - Измерительное и управляющее оборудование АДТ Т-3 и аэродинамическая модель ДАП

По полученным результатам имитационного и физического моделирования проведена верификация формализованного аппарата и разработанных программных модулей (рис. 8).

У^ол усгямомнлололнкггльныха-фоаимамичкик помрхиос1ейа:

--Патент .V« 2481242;--Патент Х» 2481241;

---Имитационное моделироваше для патента Л» 2481242;

— —Имитационное моделирование для патента Л» 2481241.

Рисунок 8 - Сравнение результатов имитационного и физического моделирования

Установлено, что расхождение результатов составило 4,5 и 6,5 % соответственно для имитационных моделей и разработанных аэродинамических моде-

лей, что соответствует погрешностям в инженерных расчетах.

Анализ аэродинамических характеристик ДАП крыла, полученных во время физического и имитационного моделирования, и характеристик, существующих ДАП, привел к выводу: разработанные ДАП крыла с использованием САПР конкурентоспособны и обладают высоким коэффициентом аэродинамической эффективности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

Решена научно-техническая задача, имеющая существенное значение для автоматизации проектирования ДАП крыла за счет выбора рациональных, расчетно-обоснованных аэродинамических характеристик ДАП для конкретного типа ВС, на основе разработанного метода автоматизированного проектирования.

По итогам решения этой задачи сделаны следующие выводы:

1. Установлено, что использование ДАП крыла на магистральном ВС позволяет получить экономический эффект в сумме 5,25 млрд.р. в процессе пассажирских перевозок за один год эксплуатации ВС.

2. Предложенная классификация ДАП крыла на основе их аэродинамических и конструктивно-геометрических характеристик позволила выявить новые возможные варианты конструкций, наиболее полно соответствующие условиям эксплуатации магистральных ВС в процессе пассажирских перевозок.

3. Разработанная САПР ДАП крыла, представленная программными модулями аналитических расчетов инженерного анализа, средствами трехмерного моделирования CATIA и имитационного моделирования в среде SALOME, а также методиками их использования представляет собой новый инструментальный комплекс, предназначенный для автоматизированного проектирования ДАП крыла.

4. Использование разработанной САПР позволило спроектировать оригинальные конструкции ДАП крыла, защищенные двумя патентами РФ, существенно превосходящие характеристики ДАП - аналогов в области аэродинамической эффективности.

5. Верификация разработанной САПР путем сравнения результатов имитационного моделирования с результатами продувок физических моделей новых конструкций ДАП крыла в аэродинамической трубе показала расхождение результатов в пределах от 4,5 до 6,5 %.

Это свидетельствует о создании современного средства компьютерного моделирования и инженерного анализа, позволяющего:

а) проводить комплексные многовариантные, итерационные расчеты новых конструкций ДАП;

б) обеспечить высокое качество проектных решений;

в) сократить сроки разработки и ввода в эксплуатацию специализированных изделий авиационной техники.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из «Перечня...» ВАК:

1. Горбунов, А. А. Физическая модель дополнительных аэродинамических поверхностей крыла магистрального воздушного судна / А. А. Горбунов, А. Д. При-

падчев // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. - С. 1-7.

2. Горбунов, А. А. Применение метода линейного программирования при автоматизированном проектировании дополнительных аэродинамических поверхностей / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Программные продукты и системы. - 2012. - № 4. - С. 203 - 206.

3. Горбунов, А. А. Автоматизированное проектирование и исследование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна ГА. А. Горбунов // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 9. - С. 158 - 162.

Программы для ЭВМ:

4. Свидетельство № 2012616409 Российская Федерация. Программа для расчета дополнительных аэродинамических поверхностей воздушного судна : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение Оренбур. гос. ун-т.-№2012613966 ; заявл. 17.03.2012 ; зарегистр. 13.07.2012.-1 с.

5. Свидетельство №2012616878 Российская Федерация. Программа для эскизного проектирования воздушного судна : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение Оренбург.гос. ун-т. - № 2012614559 ; заявл. 05.06.2012 ; зарегистр. 01.08.2012.- 1 с.

6. Свидетельство № 2013613814 Российская Федерация. Программа для расчета индекса эффективности воздушного судна с дополнительными аэродинамическими поверхностями : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение Оренбург, гос. ун-т. - № 2013613814 ; заявл. 01.03.2013 ; зарегистр. 16.04.2013.-1 с.

7. Свидетельство № 2013613910 Российская Федерация. Программа для расчета экономического эффекта от установки на воздушное судно дополнительных аэродинамических поверхностей крыла : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение Оренбург.гос. ун-т. - № 2013613910 ; заявл. 01.03.2012 ; зарегистр. 18.04.2013.-1 с.

8. Свидетельство № 2013616240 Российская Федерация. Программа для исследования и расчета аэродинамических характеристик летательного аппарата: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А. В. Гордиенко, А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение Оренбург.гос. ун-т. - № 2013616240 ; заявл. 14.05.2013 ; зарегистр. 02.07.2013.-1 с.

9. Свидетельство № 2013616242 Российская Федерация. Программа для расчета массы воздушного судна с учетом дополнительных аэродинамических поверхностей крыла : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев, А. В. Гордиенко; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение Оренбург.гос. ун-т. -№ 2013616242 ; заявл. 14.05.2013 ; зарегистр. 02.07.2013,- 1 с.

Патенты на изобретения:

10. Патент RU № 2481242, МПК В64С 3/10. Законцовка крыла летательного ап-

парата / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев (РФ). - №2011148436. - Заявл. 28.11.2011. -Опубл. 10.05.2013, Бюл. № 13. - 4 с.

11. Патент RU № 2481241, МПК В64С 3/10. Законцовка крыла летательного аппарата / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев (РФ). - №2011148434. - Заявл. 28.11.2011. -Опубл. 10.05.2013, Бюл. № 13. - 7 с.

В прочих изданиях:

12. Горбунов, А. А. Повышение экономической эффективности воздушного судна путём внедрения дополнительных аэродинамических поверхностей в виде за-концовок крыла / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития. -М.: 2012. -№1 - С. 222-224.

13. Горбунов, А. А. Использование технологий САПР при проектировании сложных технических авиационных изделий / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Высокие технологии, экономика, промышленность: сборник статей тринадцатой международной научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во. Политехи, унта, 2012,-Т.1.-С. 50-52.

14. Горбунов, А. А. Разработка и проектирование дополнительных аэродинамических поверхностей воздушного судна нового поколения / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сборник докладов VII-й международной научной конференции. - Липецк: издательский центр «Гравис», 2012. - С. 44 - 45.

15. Горбунов, А. А. Дополнительные аэродинамические поверхности в виде за-концовок крыла для магистральных воздушных судов / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии: сборник материалов пятой всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ИП Осиночкин Я. В., 2011.-С. 176-179.

16. Горбунов, А. А. Направления развития рынка магистральных воздушных судов / А. А. Горбунов // Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии: сборник материалов пятой всероссийской научно-практической конференции. -Оренбург: ИП Осиночкин Я. В., 2011. - С. 174 - 176.

17. Горбунов, А. А. Процесс развития познавательного интереса будущих специалистов в области конструирования воздушных судов / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы всероссийской научно-методической конференции; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2012. -С. 76- 79.

18.Горбунов, A.A. Применение энергосберегающих технологий при автоматизированном проектировании воздушных судов / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Современные материалы, техника и технологии в машиностроении: сборник материалов международной научно-практической конференции. - Андижан: АндМИ, 2012. - С. 104 - 109.

19. Горбунов, А. А. Повышение экономической эффективности воздушного судна путём внедрения дополнительных аэродинамических поверхностей в виде законцовок крыла / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития. - М.: 2012. -№2. - С. 61 - 63.

20. Горбунов, А. А. Процесс развития познавательного интереса будущих специалистов на примере моделирования процесса проектирования дополнительных

аэродинамических поверхностей / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы всероссийской научно-методической конференции; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2013. - С. 129 - 134.

21. Горбунов, А. А. Физическое моделирование при автоматизированном проектировании дополнительных аэродинамических поверхностей / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Научная школа - семинар молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - С. 27 - 31.

22. Горбунов, А. А. К вопросу имитационного моделирования при изучении специальных дисциплин в современном образовательном процессе / А. А. Горбунов // Научные труды международной молодежной научной конференции в 9 томах: сборник статей XXXVIII Гагаринские чтения. - М. : МАТИ, 2012. - Т.7. - С. 123 - 124.

23. Горбунов, А. А. Проектирование дополнительных аэродинамических поверхностей с использованием технологий САПР / А. А. Горбунов // Молодёжь и будущее авиации и космонавтики: сборник материалов всероссийского межотраслевого молодежного научно-технического форума. - М. : МАИ, 2012. - С. 28.

24. Горбунов, А. А. К вопросу математического моделирования при выборе дополнительных аэродинамических поверхностей / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы X всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - С. 33 - 39.

25. Горбунов, А. А. Проектирование дополнительных аэродинамических поверхностей с применением технологий САПР / А. А. Горбунов, А. Д. Припадчев // Высокие технологии в машиностроении: материалы международной научно-технической конференции. - Курган: изд-во Курганского гос. ун-та, 2012. - С. 102 - 105.

26. Горбунов, А. А. Метод автоматизированного проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла / А. А. Горбунов, А. В. Уханов // Научные труды международной молодежной научной конференции в 9 томах: сборник статей XXXIX Гагаринские чтения. - М. : МАТИ 2013. - Т.2. - С. 156 - 158.

Отпечатано в типографии «ОренПечать» О.Г.Р.Н. 312565810300101 Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Усл. печ. л. 1.06 Тираж 150 экз. Заказ 104 г. Оренбург, ул. Советская, 27, офис 214

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ГОРБУНОВ Александр Алексеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРЫЛА ВОЗДУШНОГО

СУДНА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования

ю

(машиностроение)

Научный руководитель

доктор технических наук, додент

_ \

Припадчев Алексей Дмитриевич

Оренбург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................................................................................................................................................................6

1 Развитие систем автоматизированного проектирования

дополнительных аэродинамических поверхностей крыла........................11

1.1 Общие понятия и направления развития систем автоматизированного проектирования в рамках конкурентоспособного предприятия................................................11

1.2 Основные функции и классификация дополнительных

аэродинамических поверхностей крыла..............................................................................................................................16

1.3 Расчет экономической эффективности воздушного судна с дополнительными аэродинамическими поверхностями крыла........................................26

1.3.1 Определение экономического эффекта от установки на воздушное

судно дополнительных аэродинамических поверхностей....................................................26

1.3.2 Стоимость планера и авиадвигателей ВС..............................................................................29

1.3.3 Расходы на разработку планера и авиадвигателей ВС................................................31

1.3.4 Расходы на амортизацию планера и авиадвигателей ВС..........................................33

1.3.5 Расходы на авиатопливо........................................................................................................................37

1.3.6 Обслуживание в аэропортах................................................................................................................38

1.3.7 Срок окупаемости и коэффициент эффективности капвложений..................39

1.4 Анализ и обзор исследований дополнительных аэродинамических поверхностей воздушного судна......................................................................................................................................................41

1.5 Анализ характеристик, влияющих на дополнительные

аэродинамические поверхности воздушного судна........................................................................................45

1.6 Патентное исследование дополнительных аэродинамических поверхностей......................................................................................................................................................................................................................58

1.7 Выводы по главе..............................................................................................................................................................................................74

2 Математическая модель процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей для магистрального воздушного

судна........................................................................................................................ 76

2.1 Математическое моделирование процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей............................................ 76

2.2 Моделирование процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей для магистрального воздушного судна....... 80

2.2.1 Модель режимных характеристик воздушного судна с дополнительными аэродинамическими поверхностями..................................... 80

2.2.2 Модель конструктивно-геометрических характеристик........................... 82

2.2.3 Модель массовых и прочностных характеристик воздушного судна с дополнительными аэродинамическими поверхностями..................................... 90

2.2.4 Энергетическая модель воздушного судна................................................. 92

2.2.5 Технологические характеристики воздушного судна................................ 94

2.2.6 Модель аэродинамических характеристик воздушного судна.................. 97

2.3 Структура общей математической модели поведения системы, учитывающая закономерности влияния летно-технических характеристик и характеристик режимов эксплуатации на эффективность воздушного судна

с дополнительными аэродинамическими поверхностями.................................. 100

2.4 Проверка адекватности математической модели................................. 107

2.5 Выводы по главе............................................................................................... 109

3 Автоматизированное проектирование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла............................................ 111

3.1 Метод автоматизированного проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла............................................. 111

3.2 Программные модули компьютерного моделирования и инженерного анализа......................................................................................... 112

3.3 Выводы по главе........................................................................ 123

4 Имитационное моделирование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла магистрального воздушного 124 судна........................................................................................................................

4.1 Общие понятия и направления исследования в рамках автоматизированного проектирования..................................................................................................................................124

4.2 Оборудование и программы, применяемые при имитационном моделировании..............................................................................................................................................................................................................126

4.3 Результаты расчетно-экспериментального исследования........................................................128

4.3.1 Назначение проводимого исследования............................................................................................................128

4.3.2 Обработка экспериментальных данных............................................................................................................131

4.4 Выводы по главе..............................................................................................................................................................................................147

5 Физическое моделирование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла....................................................................................................................................................................................148

5.1 Описание лабораторной установки................................................................................................................................148

5.2 Экспериментальные исследования дополнительных аэродинамических поверхностей......................................................................................................................................................................................................................158

5.2.1 Требования, предъявляемые к моделям для продувок в аэродинамической трубе................................................................................................................................................................................158

5.2.2 Характеристика проводимого эксперимента, описание продуваемых моделей........................................................................................................................................................................................................................................159

5.2.3 Критерий для оценки полученных результатов исследования..................................164

5.2.4 Проведение визуализации обтекания потоком воздуха..........................................................165

5.3 Выводы по главе..............................................................................................................................................................................................178

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................................................................................179

Глоссарий..............................................................................................................................................................................................................................181

Список источников............................................................................................................................................................................................184

Приложения..................................................................................................................................................................198

Приложение А (обязательное). Исходные данные и результаты расчета наилучшей дополнительной аэродинамической поверхности воздушного

судна........................................................................................... 199

Приложение Б (обязательное). Расчётные данные по выбору наилучшего

типа дополнительной аэродинамической поверхности............................. 205

Приложение В (обязательное). Результат расчета.................................... 208

Приложение Г (обязательное). Аэродинамические характеристики,

полученные по результатам расчета..................................................... 218

Приложение Д (обязательное). Аэродинамические параметры

спроектированных моделей............................................................... 234

Приложение Е (обязательное). Аэродинамические характеристики

спроектированных моделей, полученные экспериментальным путем........... 237

Сопроводительные документы......................................................... 238

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Дополнительные аэродинамические поверхности (ДАП) крыла — аэродинамические поверхности на концах крыльев воздушного судна (ВС), служащие для увеличения его аэродинамической эффективности.

Дополнительные аэродинамические поверхности препятствуют перетеканию потока воздуха и выравнивают давление на верхней и нижней плоскостях крыла, ослабляя мощный концевой вихрь за счет разделения его на несколько вихрей меньшей интенсивности.

Применение ДАП позволяет снизить индуктивное сопротивление ВС, увеличить эффективное удлинение крыла и подъемную силу на его конце, улучшить курсовую устойчивость ВС, снизить удельный расход топлива, уменьшить длину разбега и пробега при взлете и посадке ВС.

В настоящее время известно множество конструкций ДАП крыла различных типов, устанавливаемых на магистральные ВС, различающихся геометрическими и аэродинамическими характеристиками.

Проектирование ДАП крыла связано с учетом множества аэродинамических, энергетических, конструктивно-геометрических,

технологических и режимных характеристик, что требует применения современных средств вычислительной техники для синтеза и принятия необходимого проектного решения.

Выбор оптимального проектного решения ДАП по критерию аэродинамической эффективности для определенного типа ВС целесообразно проводить с использованием средств САПР, позволяющих проводить комплексные многовариантные, итерационные расчеты.

Разработка САПР, основанная на формализованном описании проектных процедур и использовании современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа, позволит сократить сроки разработки и ввода в эксплуатацию ДАП крыла.

Исследования проводились в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по финансируемым темам: «Разработка и конструирование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла летательного аппарата нового поколения», соглашение № 14.132.21.1585 от 01.10.2012; «Разработка и конструирование облика летательного аппарата нового поколения», соглашение № 14.В37.21.0409 от 06.08.2012.

Степень разработанности темы. Для улучшения аэродинамической эффективности магистральных ВС в настоящее время применяются различные способы совершенствования их аэродинамики. Наибольшее распространение среди них получили ДАП, устанавливаемые на концевой части крыла ВС. Но, несмотря на многолетний опыт, основанный на эмпирическом подходе, отсутствует методика и инструмент их автоматизированного проектирования в открытых научных материалах. В этой связи разработка научных основ и метода автоматизированного проектирования ДАП крыла магистрального ВС является приоритетной задачей.

Целью диссертационного исследования является — совершенствование процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна на основе разработки и использования современных методов моделирования и инженерного анализа.

В связи с поставленной целью диссертации необходимо решить следующие задачи:

1) расчет экономического эффекта от установки на магистральное ВС ДАП крыла;

2) анализ характерных особенностей ДАП крыла, обеспечивающих повышение аэродинамической эффективности магистрального ВС;

3) разработка метода автоматизированного проектирования ДАП крыла, основанного на формализованном описании проектных процедур и использовании современных методов моделирования и инженерного анализа;

4) применение разработанного метода для проектирования новой

конструкции ДАП крыла;

5) верификация формализованного аппарата и разработанных программных модулей путем сравнения результатов имитационного моделирования с данными физического моделирования, разработанных конструкций ДАП в аэродинамической трубе.

Объект исследования — процесс проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла магистрального воздушного судна.

Предмет исследования — автоматизация процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур процесса проектирования.

Научной новизной обладают:

- классификация конструкций ДАП крыла для магистральных ВС, построенная на основе аэродинамических и конструктивно-геометрических характеристик ДАП;

- математическая модель, учитывающая конструктивно-геометрические характеристики ДАП, а также массовые, прочностные, режимные, энергетические, аэродинамические и технологические характеристики ВС и позволяющая осуществить выбор проектных характеристик ДАП по критерию аэродинамической эффективности ВС;

- закономерности влияния конструктивно-геометрических характеристик, спроектированных конструкций ДАП крыла на аэродинамическую эффективность ВС, выявленные в результате имитационного и физического моделирования;

- метод автоматизированного проектирования ДАП крыла ВС, представленный последовательностью и содержанием этапов использования разработанных компьютерных процедур и современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа.

Практическая значимость работы определяется:

1) разработанной САПР ДАП крыла, основанной на совокупности полученных научных результатов и включающей в себя программные модули:

- эскизного проектирования ВС;

- расчета взлетной массы ВС с учетом ДАП крыла;

- расчета ДАП ВС;

- исследования и расчета аэродинамических характеристик ДАП крыла ВС;

- расчета индекса эффективности ВС с ДАП;

- расчета экономического эффекта от установки на ВС ДАП крыла;

2) методикой использования современных средств компьютерного моделирования САПА и инженерного анализа SALOME;

3) методическим обеспечением разработанной САПР ДАП;

4) оригинальными конструкциями ДАП, разработанные с помощью САПР и защищенных двумя патентами РФ.

Методическое обеспечение исследования. Использованы современные подходы в области автоматизированного проектирования ВС, отраслевые обзорно-аналитические материалы, принцип системного анализа, численный метод, методы математического моделирования, математической логики, технологии объектно-ориентированного программирования, методы экспериментального исследования.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты исследования магистральных ВС, оснащаемых ДАП крыла;

2) классификация ДАП крыла, позволившая сформировать рациональную область их аэродинамических и конструктивно-геометрических параметров в зависимости от типа магистрального ВС;

3) математическое, информационное, алгоритмическое и программное обеспечение разработанной САПР ДАП крыла ВС;

4) разработанные с применением разработанной САПР конструкции ДАП крыла, защищенные патентами РФ;

5) закономерности влияния конструктивно-геометрических характеристик ДАП на аэродинамическую эффективность ВС, выявленные в результате имитационного моделирования и физического моделирования в аэродинамической трубе.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ЗАО «КАПО ТУПОЛЕВ» (г. Казань), ФГУП «Оренбургские авиалинии» (г. Оренбург), ЗАО «МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ИННОВАЦИОННЫЙ ЦЕНТР КАИ ИНЖИНИРИНГ» (г. Казань), ОАО «Авиатехприемка» (г. Москва), научно-внедренческом центре международного исследовательского института (г. Москва).

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались автором на международных, всероссийских и межотраслевых научно-практических конференциях: тридцать восьмой и тридцать девятой международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2012, 2013 гг.); международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2012 г.); тринадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (Санкт-Петербург, 2012 г.); международной научно-практической конференции: «Современные материалы, техника и технологии в машиностроении» (Андижан, 2012 г.); международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Курган, 2012 г.); пятой всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2011 г.); всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2012, 2013 гг.); десятой всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и пра�