автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования дозвуковых грузо-пассажирских самолетов

На правах рукописи УДК 629.735.33.01

ПУХОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОЗВУКОВЫХ ГРУЗО-ПАССАЖИРСКИХ

САМОЛЕТОВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (отрасль - авиационная и ракетно-космическая техника)

Автореферат диссертации на соискание ученой < доктора технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в ОАО «Туполев»

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор Куприков М.Ю.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Буньков Николай Георгиевич Доктор технических наук, Судов Евгений Владимирович Доктор технических наук, профессор Цырков Александр Владимирович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский ццкр автоматизированных систем конструирования» (НИЦ АСК) 125ЧИР, Москва, Ленинградский проспект 37 кор. 12

Защита состоится 15 марта 2006г в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.125.13 Московского авиационного института (государственного технического университета) (МАИ) по адресу Волоколамское ш., дом 4, Москва, А-80, ГСП-3 125993, тел. 158-51-35

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Автореферат диссертации разослан «02» февраля 2006г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Общая характеристика работы

Повышение эффективности проектных работ тесно связано с внедрением информационных технологий (ИПИ-технологий) [14], обеспечивающих интегрированную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия (ЖЦИ). В последние годы российские предприятия - экспортеры наукоемкой продукции столкнулись с требованиями потенциальных покупателей по обеспечению информационной поддержки на стадиях проектирования, производства, эксплуатации и технического обслуживания самолетов. Поэтому необходимо в кратчайшие сроки освоить эти новые •миологии и предложить покупателям соответствующие 1ЯИ:урентоспособные решения. В противном случае международные рынки сбыта наукоемкой продукции могут быть безвозвратно потеряны. Рост сложности изделий авиационно-космической техники, имеющих длительный ЖЦИ, приводит к многократному увеличению объема информации, используемой в ходе проектирования, изготовления, эксплуатации и обслуживания. Обработка и использование такого объема информации немыслимы без применения ИПИ-технологий и объединения отдельных автоматизированных систем проектирования (САПР) в единую интегрированную систему информационной поддержки и управления ЖЦИ, позволяющую оптимизировать все процессы, сокращать затраты, повышать качество изделий и их конкурентоспособность[23]. Технологии САПР в России сегодня развиваются на основе использования зарубежной программно-аппаратной поддержки. Это требует от разработчиков отечественных САПР владения не только «своими» технологиями и стандартами, но и уверенное знание «чужих». Кроме того, в многообразии решаемых с помощью САПР задач, необходимо найти общие закономерности и принципы, так как все они решают в основном частные

«блемы, и их применение не распространяется так же широко, как ользование систем геометрического моделирования или стандартных прикладных пакетов.

Актуальность создания научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов (ГПС) заключается в том, что сегодня за рубежом используется ряд промышленно используемых САПР, а в России — стране, где это направление было основано - нет ни одной. Это положение необходимо срочно исправлять, так как рост авиационных грузопассажирских перевозок

- з -

и в России и за рубежом стабильно растет с темпами в среднем 5,1% в год, и потребность в создании новых самолетов (18387ед) и модернизации существующих (5889ед) в период до 2020 года обусловливает предстоящий масштаб проектных работ (см. рис. 1)

перевозки, биллион количество ВС

10,000 паекм 600,000 тоннкм СчС uns Ш история -Щ пронюз ¿V gl до событий 11.09,01 -¿¡т}-

7,500 400,000 средний рос 1980-2020 5,1% jf^^^ ^

5,000 200,000 1563 2 - 1 —MSBä.

2,500 1 1™ДПП - ~~ -!..........................I „ утилизация _i___i_1_____

-1-i-1-1-1-1-1___

С 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Рис 1 Динамика роста мировых авиационных перевозок и парка грузопассажирских самолетов

Цель работы - создание научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования включающего методики, модели процесса и объектов проектирования обеспечивающего снижение временных и материальных затрат, повышение качества процесса проектирования грузопассажирских самолетов, их конкурентоспособности в течение всего жизненного цикла. Задачи исследования:

1. Разработать принципы и модели процесса автоматизированного проектирования на основе существующих бизнес-процессов и требований ИПИ-технологий.

2. Разработать научные основы и формальные модели САПР, необходимые для достижения поставленной цели. Л

3. Формализовать процедуры аэродинамических, прочностных и массово-инерционных расчетов в единой информационной среде.

4. Выработать требования к интегрированной логистической поддержке ГПС в течение всего жизненного цикла изделия.

5. Реализовать полученные методы в комплексе автоматизированного проектирования ГПС.

Предметом исследования является методология автоматизации проектирования ГПС в объеме этапа Технического предложения в соответствии с Авиационными правилами Часть 25 (АП-25). Объектом исследования является процесс автоматизированного проектирования ГПС.

Методы исследования. В работе использованы методы:

1. Системного подхода;

2. Структурно-параметрических и эвристических разрешений противоречий путем экспертных оценок, сформированных на базе опыта проектно-конструкторских работ.

3. Статистического анализа параметров серийных образцов авиационной техники, основанного на современных информационных технологиях И обработке мультиформатных потоков данных.

Вь^^ление рациональных конструктивно-компоновочных решений [1-8] осуществляется методами структурно-параметрического синтеза, а их оценка методами моделирования. В качестве объектов синтеза рассматриваются грузопассажирские самолеты, подлежащие сертификации по АП-25. Для оценки конструктивно-компоновочных решений используются методы математического программирования. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования ГПС. Предложен новый подход к формированию облика самолета, обеспечивающий повышение конкурентоспособности и сокращение сроков его проектирования на основе принципов и технологий ИПИ. В работе получены следующие новые результаты:

1. Определены, формализованы и количественно представлены новые связи между конструктивно-компоновочными параметрами и характеристиками самолета в процессе автоматизированного синтеза его облика при выполнении требований Технического задания и норм АП-25;

2. Выявлены, систематизированы и формализованы модели процесса автоматизированного синтеза конструктивно-компоновочных решений

ЗЯгыявлены и отражены в соответствующих моделях связи между конструктивно-компоновочными параметрами и характеристиками самолета с эксплуатационно-технологичными (логистическими) параметрами ГПС.

4. Сформулированы и решены актуальные оптимизационные проектно-компоновочные задачи для ГПС средней размерности, в том числе выбор рационального количества двигателей и размещение их на самолете,

выбор оптимального поперечного сечения фюзеляжа для семейства ГПС и определение их эффективности. 5. Предложен метод оценки конкурентоспособности ГПС и ее изменение

в течение всего жизненного цикла изделия. Практическое значение диссертационной работы заключается в том что на базе разработанных методик, процедур и моделей создан комплекс автоматизированного проектирования «ЦАПЛЯ» [24, 25], который используется в НИИ и ОКБ авиационной промышленности, обеспечивая при этом существенное (до 25-30%) повышение качества проектных решений (за счет обеспечения быстродействия итерационного процесса), сокращение трудоемкости проектирования в 2-4 раза и формирование информационного базиса для логистической поддержки в течение всего жизненного цикла изделия.

Разработанный программный комплекс может быть использован в проектных организациях, авиакомпаниях, аналитических центрах и учебное пособие [19, 26] при подготовке специалистов по проектированию самолетов в авиационных учебных заведениях. Для этого созданы описания, методические пособия и лабораторные работы, которые внедрены в учебный процесс на кафедре «Автоматизированного проектирования ЛА» РГТУ-МАТИ.

Внедрение результатов работы осуществлено в ОАО «Туполев», РГТУ-МАТИ им .К.Э.Циолковского, ООО «Волга-Днепр-Москва», РСК МИГ, ООО «Автомеханика», НТЦ «Современные сети и системы», НИЦ АСК, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций и в организациях:

Год Организация Событие

1999 ФГУП ЦАГИ Конференция по обсуждению научных направлений развития компоновок ГПС нетрадиционных схем

1999 МАИ Конференция по системе автоматизированного проектирования ФОДПС А

2000 ФГУП ЦАГИ Научный доклад «Компоновка ГПС ИТ криогенном топливе»

2001 Проблемный совет №6А по CALS технологиям при Росавиакосмосе «Новые информационные технологии ОАО «Туполев». Информационное, программное и аппаратное обеспечение».

2001 ФГУП СибНИА Юбилейная научно-техническая конференция

2002 ЦАГИ «Экспериментальное определение аэродинамических характеристик криоплана Ту-136»

2002 ООО «Автомеханика» Доклад по результатам применения упрощенных моделей для расчета сложного динамического нагружения.

2003 НТЦ «Современные системы и сети» Семинар по проблемам автоматизации проектирования пассажирских самолетов

2003 ФГУП ЦАГИ 10е отд. Совещание по проблемам создания программных комплексов «ЦАПЛЯ» и «АРДИС»

2004 РГТУ МАТИ Гагаринские чтения

2004 «ОКБ Сухого» Научный доклад

2004 BDC "Boeing" Проведение круглого стола

Гбликации. Полученные в диссертации научные результаты

представлены в 50 научных трудах, опубликованы в 27-и работах, в том числе в 2 монографиях, 5 научных статьях, 8 описаниях авторских свидетельств на изобретения и патенты, одном учебно-методическом пособии и в 12 тезисах докладов на научно-технических конференциях, конгрессах, форумах, семинарах и симпозиумах всероссийского и международного уровня. 11 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Различные аспекты материалов, вошедших в диссертацию, отражены более чем в 30 научно-технических отчетах. Личный вклад соискателя. Все основные научные положения от формирования идеи, постановки задачи исследования, разработки моделей до проведения исследований и структурно-параметрического анализа компоновочных признаков, разработаны лично автором. Также соискатель лично формировал всю идеологию построения САПР «ЦАПЛЯ», программировал и отлаживал исходные версии программ, осуществлял подбор наиболее эффективных алгоритмов решения, разрабатывал схемы параметризации основных компоновочных задач, вошедших в состав

«стемы автоматизированного формирования облика самолета. звитие основных научных положений диссертации. Научная значимость разработанного соискателем метода подтверждается использованием его основных научных положений другими исследователями в различных областях проектирования авиационной техники. Так, в работах:

• аспиранта А.П.Будылина

разработан метод формирования трехмерных моделей ГПС по слабо параметризованным «плоским» сечениям и видам объекта

проектирования.

• аспирантки Н.В.Рудковой разработан метод автоматизированного расчета экономических характеристик проекта ГПС

•аспирантки Ю.В.Бобровой разработан метод и программа автоматизированного выбора конструктивно-схемных решений шасси ГПС, обеспечивающих безопасное разрушение, при взрыве шины пневматика

• К.т.н. О.А.Ховруновой выявлены особенности формирования облика самолета из условий оптимальной компоновки двигателей при «жестких» ограничений по шуму на местности

• К.т.н. А.А.Байкова выявлены особенности формирования облика самолета на криогенном топливе А

использованы основные положения диссертационной работы.

Основное содержание работы

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Основная часть диссертации изложена на 248 стр., содержит 87 рисунков и 17 таблиц.

Во введении обоснована актуальность работы, изложены основные направления и цель исследований. Показано, что перед разработчиками авиатехники стоят большие наукоемкие задачи по обеспечению всевозрастающих потребностей авиаперевозок (см. рис.1). Решение этих задач требует более интенсивного внедрения новых информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделия и, прежде всего, на стадии проектирования. Совершенствование средств автоматизированного проектирования летательных аппаратов позволяет не только качественно изменить подходы к выбору основных параметров самолета на начальных стадиях проекта, но и более достоверно сравнивать проекты между собой и прорабатывать стратегии модернизации или модификаций существующих проектов [23]. Последнее может быть не менее важно, так как сроки эксплуатации ГПС сегодня исчисляются десятками лет, и существует задача проектного сопровождения самолета в течение длительного срока с учетом изменений требований авиационных правил, технологий управления модификациями и удовлетворения пожеланий Заказчика. Модификация существующего решения может быть более привлекательной, чем новый проект, так как технический риск пугает

инвестора больше, чем незначительная потеря качества продукта при модернизации старых машин.

Основная функция САПР - автоматизация процесса синтеза и оптимизации объектов и их составляющих частей на основе применения математических и эмпирических моделей, автоматизированных алгоритмов расчетных методик и средств вычислительной техники. На начальных стадиях проектирования, занимающих всего 5-10% от суммарных затрат труда на создание проекта, принимается до 70-80% решений (см. рис.2), обеспечивающих в дальнейшем его эффективную эксплуатацию.

График Парето для жизненного цикла изделия

Проектирование Конструирование Производство

Эксплуатация Прочее Сумма

Рис. 2 Распределение «ответственности» принятия решений по этапам жизненного цикла изделия

Таким образом, существует противоречие между необходимостью рассмотрения большого количества схемных решений и жесткими временными рамками проекта. Приемлемым разрешением данного противоречия является создание комплексной автоматизированной системы, позволяющей синтезировать облик ГПС по заданным параметрам. Л^Ьэму использование САПР именно на ранних этапах проектирования и получение с ее помощью прогрессивных технических решений может существенно улучшить качество проекта, его конкурентоспособность. Внедрение ИПИ-технологий (см. рис.3) начинается с этапа проектирования изделия, его информатизации. Задачи ИПИ-технологий при разработке ГПС, - это задачи создания интегрированной системы управления проектами, интегрированной системы проектирования изделия, информатизация подготовки производства, поддержки эксплуатации и

создание единой корпоративной системы управления конфигурацией изделия с участием основных партнеров по программе Разработки.

НИР ОКР ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВО ИСПЫТАНИЯ СЕРТИФИКАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ

Конструирований1 Подготовка производства \ САГУСАМ

^Г""* Л сае ) зооЛоо

Т У п 1 ¿\

Экгплуэт ш

ОЮННЛЯ докум« Г1ЦГШ (ТОВ) 20

V"

>»НЫ|

Управление пн&евернымн данными (Р1Ш) ТОО

Управление документооборотом 800

Система управления ресурсами предприятия (МКРПЕКР) 500 Управление поставщиками Управление заказчиками

Рис 3 Облик ИПИ -технологий авиастроительной корпорации

В первой главе проведен анализ состояния проблемы и развития методологии автоматизированного проектирования, изложены основные принципы предварительного проектирования ГПС с учетом новых требований Авиационных правил. В отечественном авиастроении САПР успешно развиваются с конца семидесятых годов прошлого века. Особо выдающиеся успехи были достигнуты в ЦАГИ, МАИ, ВВА и ОКБ

A.Н.Туполева, В.М.Мясищева, О.К.Антонова, А.СЛковлева, С.В.Ильюшина, А.И.Микояна, П.О.Сухого, Г.М.Бериева. Одной из первых крупных отечественных разработок в этой области была работа, проведенная в 10-м отделении ЦАГИ им.Н.Е.Жуковского под руководством Л.М.Шкадова. В МАИ им.С.Орджоникидзе под руководством С.М.Егера и при участии Н.К.Лисейцева

B.В.Мальчевского был выполнен ряд работ, посвященных разработт^ компоновочных программ, основанных на принципе "линейного размещения" функциональных элементов, а в последствии на ряде типов самолетов они были развиты в программы по синтезу схемы ЛА. Следует отметить созданную под руководством О.С.Самойловича программу автоматизированного формирования облика самолета. В конце 90-х в МАИ под руководством профессора Куприкова М.Ю. совместно с АНТК им.А.Н.Туполева и ЦАГИ им.Н.Е.Жуковского была проведена работа по

- Ю-

созданию системы Формирования облика дозвукового транспортного самолета ФОДТС (МАИ). Эти работы у нас в стране активно проводились в конце девяностых годов прошлого века. Это был начальный этап, характеризующийся тем, что отдельные программы, моделирующие те или иные аспекты проектирования самолета, не были связаны друг с другом. К тому же большие затраты времени на подготовку исходных данных, невозможность вмешиваться в проводимые машиной расчеты, сложность обработки и анализа полученной информации существенно снижали эффективность использования компьютеров. С начала 90-х развитие САПР в авиастроении России практически остановлено и на настоящий момент нет комплексной САПР, готовой для промышленного использования. Зарубежные авиационные разработчики активно демонстрируют технологии трехмерного моделирования. Но что касается методологии автоматизации именно проектных работ, то своими САПР они никогда не

■гуют и особо их не рекламируют. Сегодня при самом широком развитии перации производства авиационной техники и нарастающих информационных потоках свои «know-how» каждый разработчик бережно хранит и эксплуатирует в первую очередь сам. Для эффективной автоматизации проектирования самолетов необходимо развитие теоретических основ и совершенствование методологии проектирования. Под этим понимается совокупность принципов и методов, а также математический аппарат, с помощью которого решаются проектно-конструкторские задачи.

Достоинством упорядоченных процессов оптимизации (см. рис.4) является то, что они потенциально более эффективны в отыскании оптимума, особенно при большой размерности проектной задачи по сравнению с решениями отдельных, не связанных между собой задач. Они применимы для решения широкого класса задач, включая такие, в которых человеческая интуиция не дает быстрого решения. Более того, они минимизируют влияние человеческих предубеждений. Основное препятствие к применению этих процессов заключается в том, что они требуют строгого количественного определения области исследований, ее

«рмализации. Это снижает роль опыта и интуиции проектировщика, а Ьке часто связано с искажениями реальной проблемы, отход от поставленной задачи.

Стратегия управления

МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ

-у

Область существования проекта

Показатель эффективности проекта

Единое информационное пространство

Рис 4 Общая схема алгоритма решения проектных задач

При данных процедурах построить модель системы - это значит построить тезаурус системы, дать ее количественное описание с помощью функционала, связывающего параметры (аргументы) и характеристики (функции) системы. При этом в иерархических системах понятия «параметр» и «характеристика» имеют относительный характер (см. рис. 5), поскольку параметры верхнего уровня при переходе к низшему уровню превращаются в характеристики. Например, такие параметры, как грузоподъемность самолета, дальность полета, запас топлива на борту определяемые при исследовании перспективной транспортной системы на этапе формирования облика ГПС являются характеристиками объекта. Но в функционале модели системы они присутствуют в относительном и абсолютном виде как параметры, поэтому процесс становится итерационным и требует создания модели стратегии управления, которая^ определяет как быстродействие решения, так и выработку наиболй^Р оптимальной конфигурации Решения. Стратегия управления при этом становится не только частью модели системы, но и отдельной задачей решаемой с помощью тех же способов оптимизации, что и основная задача поиска оптимального функционала системы.

■ш

Техническое задание

Мкн (Ыпас), 1.рас, Укр, класс аэр.

Мвзл, Мт, Мпс, Экр, Ро

ро, Ро

«Завязка» самолета . Компоновка самолета

Аэродинамические и энергетические параметры Ккр, Ср, Мт

Летно-технические характеристики

•Ш1

Ш

-ш-

Экономически« характеристики

-щ

Эксплуатационные характеристики

•Аэродинамика •Прочность •Весовой контроль

щ

Функции геометрических параметров <

Планер Силовая установка

01

Дополнительные факторы_

Фюзеляж

Крыло Оперение

Шасси

Авиационные правила, стандарты и руководства

Поддержка ЖЦИ

Рис. 5 Взаимодействие параметров и характеристик в процессе формирования облика ГПС

При проектировании ГПС (см. рис.5) изначально известны (заданы в ТЗ) конечные характеристики объекта (поз.1). Ставится «прямая» задача проектирования, т.е. определение проектных параметров (поз.8, 7, 6, 5), удовлетворяющих конечным процедурам (поз.4, 3, 2) и их связей для выполнения целей проектирования - удовлетворение с заданной точностью требований ТЗ и формирование информационного базиса поддержки ЖЦИ. Совокупность связей определяет математическую модель системы. Удовлетворить требования ТЗ можно различными альтернативными техническими решениями. Для их сравнения применяется функционал, позволяющий для альтернативных вариантов самолета при одном ТЗ шчислить значение принятого критерия эффективности. В обцфм случае ГПС критериями эффективности служат показатели конкурентоспособности (см. рис.6), степень соответствия заданному Техническому заданию и закладываемая стратегия поддержки изделия в течение всего жизненного цикла. Все это в совокупности делает изделие конкурентоспособным продуктом. При этом, естественно, что создание продукта происходит в реальных промышленно-экономических условиях, предполагающих обязательное (до 25-30%) внедрение новых

конструктивно-технологических решений, которые обусловливают

наличие технического риска.

А

У

Требования ТЗ | Новые решения

Единое информационное пространство

Г

|Техническии риск

Показатели , конкурентоспособности;-

Степень

соответствия ТЗ::

Поддержка в течение ЖЦИ

Ограничения X Рис 6 Общая постановка задачи автоматизации проектирования ГПС

Задача оптимального проектирования сводится, как правило, к выбору или созданию самолета, наилучшего в смысле выбранного показателя эффективности из числа допустимых решений:

Ду»*)=тах Ду»*)-

х е X

У=соШ ^ ^

Задача оптимального проектирования (1.1) является достаточно общей. Конкретное же содержание определяется характером исследуемого проектного функционала, в котором описываются все элементы модели

ГПС: исходные данные У , оптимизируемый элемент X, модель проверки условия х е X и модель показателей эффективности /(у,х), Каждый элемент рассмотренной задачи проектирования имеет конкретное содержание, которое определяется характером предъявляемы]^ к самолету требований. Большинство задач проектирования ГПС можй^Р^ свести к параметрической задаче:

/(у,х,хуМ*))= тах/ (у,х,х и(ф.

(1.2)

В (1.2) для фиксированного значения у и известного режима эксплуатации

параметры самолета. Число параметров, характеризующих облик самолета, исчисляется несколькими десятками. Большинство из них являются зависимыми и относятся к различным уровням иерархии в структуре самолета. Эти факторы затрудняют построение математической модели самолета и проведение оптимизации. Множество допустимых параметров

Ху включает в себя те сочетания проектных параметров, которые

соответствуют физически реализуемым и удовлетворяющим ТЗ самолетам. Чтобы автоматизировать оговоренные выше решения по проекту на этапе разработки технического предложения, нужна комплексная модель самолета, отличающаяся гораздо большей степенью детализации и гшлнотой учета факторов. Ее основное назначение - получение однозначной ^Р^юрмации о следствиях реализации тех или иных проектно-конструкторских решений при достижении поставленных целей проектирования, а также оценка эффективности этих решений. В основе модели самолета лежат классические методы весового и аэродинамического расчета, прочностных расчетов, расчетов устойчивости и управляемости, определения высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателя и др. Эти методы усложняются на различных этапах разработки проекта, и в соответствии с блочным принципом моделирования при разработке модели объединяются в общий проектный алгоритм.

из условия максимума определяются рациональные

#

I" ■ . . .. .. -тншм»»*

Рис ба Модель мастер-геометрии ГПС, переданная в среду твердотельного моделирования САООЭ5

Одной из важнейших является геометрическая модель(мастер геометрия). С ее помощью формируется зримый образ проектируемого объекта, и тем, что для самолета внешние формы и размеры во многом определяют его летные свойства, и тем, что эта модель является интерфейсом между проектом и его конкретной реализацией. Эта модель (см. рис.ба) описывает отношения между параметрами самолета и характеристиками его формы и размеров. С ее помощью определяют обводы, площади, объемы, поперечные сечения самолета и его агрегатов. Данные этой модели используют для весовых, аэродинамических и прочностных расчетов, компоновки самолета, графического отображения результатов проектирования, а также разработки технологической оснастки и программ для станков с числовым программным управлением. Весовая модель обеспечивав^ расчет массы самолета и ее составляющих в соответствии с весовой сводкой, степень детализации которой определяется этапом разработки проекта. В ее основу положены связи между геометрией самолета, действующими на него нагрузками, особенностями конструктивно-силовой схемы, величиной целевой нагрузки, составом и размещением оборудования и снаряжения, с одной стороны, и массой самолета и его составляющих, с другой.

Аэродинамическая модель служит для прогнозирования аэродинамических характеристик самолета в полетной и взлетно-посадочной конфигурациях. В основе этой модели - связи между параметрами формы и размеров самолета (характерные площади, омываемая поверхность и т.д.), а также режимы полета и виды действующих на самолет сил и моментов (их величиной и законами изменения) во всем эксплуатационном диапазоне скоростей и высот.

Модель силовой установки делает возможным расчет высотно-скоростных и расходных характеристик двигателей. Она основана на связях между геометрическими и газодинамическими параметрами двигателей разного типа и их тягой и расходом топлива на различных режимах полета. Весовая, аэродинамическая модели и модель силовой установки обеспечивают расчет силовых факторов, действующих на самолет. Это позволяет решать важные при проектировании самолета задачи по

tpдeлeнию общих показателей маневренности самолета, траекторий ета, взлетно-посадочных характеристик, а также характеристик его устойчивости и управляемости. Эти задачи решаются с помощью динамической модели. Она описывает сложный комплекс связей между названными выше характеристиками и силовыми факторами.

Рис 66. Динамически подобная модель для определения напряженно-деформируемого состояния.

При формировании облика ГПС важную роль играют модели компоновки и центровки. Они обеспечивают взаимную пространственную увязку основных компонентов самолета с учетом удовлетворения

противоречивых требований аэродинамики, прочности, устойчивости и управляемости, эксплуатационной и производственной технологичности и др. (см. рис.66). Следует отметить, что задача компоновки ГПС, особенно внутренняя, пока формализована в малой степени, и поэтому ее решение требует активного участия проектировщика. Для оценки вариантов проектно-конструкторских решений применяются различные показатели технико-экономического совершенства. Для их расчета используются модели эффективности (см. рис.17). Они позволяют рассчитывать показатели эффективности (весовой, топливной, экономической) самолета (или его отдельных подсистем) в зависимости от его параметров. Так, экономические модели транспортного самолета отражают связи между транспортной производительностью самолета, определяемой уровнем его технического совершенства, и затратами на проектирование, изготовление и эксплуатацию самолета.

Проведенный статистический анализ имеющегося парка ГПС показал, что одной из основных движущих функций, формирующих облик самолета, является величина массы конструкции планера (см. рис.7), что объясняется:

1) высокой чувствительностью ЛТХ к массе самолета;

2) долей массы конструкции в общей массе самолета;

3) чувствительностью массы самолета к изменению других факторов, определяющих облик самолета.

Для всего спектра летно-технических характеристик ГПС, применения различных балансировочных схем с помощью расчетных моделей выявлены диапазоны относительных весов отдельных агрегатов и всего планера в целом.

Рис 7 Изменение относительной массы конструкции в зависимости от аэродинамической схемы

Масса конструкции самолета в целом и масса отдельных агрегатов и систем, на начальных этапах проектирования относятся к числу трудно определяемых параметров. Эффективным самолет может быть лишь при гармоничном сочетании всех параметров и характеристик, соответствующих общему техническому уровню и реальной потребности с учетом научно обоснованных прогнозов развития. Для оценки этого соответствия созданы модели структуры взлетной массы и модели преемственности конструкции для модификаций (см. рис.8). Выбор вариантов компоновочных схем для последующей разработки на практике оказывается весьма затруднительным. Это связано с тем, что число «эффективных» компоновочных схем может быть достаточно большим. Если для дальнейшей разработки проекта принимается исходное число «эффективных» компоновочных схем, то на последующих уровнях проектирования происходит лавинообразное увеличение мпиантов компоновочных схем самолета, сохраняющих значения ЛТХ и ^Вуальных параметров первого уровня.

■ Мтоплиеа

□ Мкоммерции

□ Мпропорц-ная Я Мдискретнвя

□ Мнеэависимая

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

~г-.:; "Г I -!оМпропорц-ная ¡■Мдас кратная ¡а Независимая

Бпижнемагистрапьные Среднемагистральные Магистральные

гО

А

/

Структур« цены

Рис. 8 Изменение соотношения в структуре взлетной массы и цене магистральных ГПС.

Таким образом, возникает проблема отсева вариантов компоновочнйЯ схем при переходе с одного уровня иерархии на другой. Если значение вектора концепции не было определено на этапе внешнего проектирования, относительная значимость частных критериев устанавливается по результатам экспертизы, проводимой на основе графа качества. Если в результате экспертизы будет установлено, что относительная значимость частных критериев одинакова, то целесообразно принимать к дальнейшей разработке схемы самолета, имеющие минимальные значения весовых коэффициентов или схемы, имеющие минимальное значение то-. Последнее решение является для конструктора наиболее оправданным и логичным, тем более что оно является количественно обоснованным.

При разработке новых ГПС иногда возникает ситуация, когда требования внешнего проектирования не согласуются с возможностями внутреннего проектирования. Выражается это в том, что они либо завышены и поэтому невыполнимы, либо занижены и не используют всех возможностей технологии. В связи с этим необходим еще один этап проектирования, который назовем этапом формирования облика самолета. Формирована^ облика самолета - это задача определения значений его основнш^ конструктивных параметров, обеспечивающих достижение поставленных целей. Под основными конструктивными параметрами понимают такой их минимальный перечень, который в совокупности однозначно определяет форму, размеры и взлетную массу самолета. На этом этапе требования внешнего проектирования должны быть корректно согласованы с возможностями внутреннего. Это означает, что должна быть решена задача отбраковки заведомо плохих вариантов самолета и образования

множества допустимых вариантов, среди которых надо найти варианты, обеспечивающие достижение целей, сформулированных на этапе внешнего проектирования в техническом задании. Поэтому необходимо использовать математические модели принятия решений, чтобы образовать достаточно узкое множество допустимых вариантов и не потерять при этом эффективные варианты объекта проектирования. Целью проектирования является не просто определение облика самолета, удовлетворяющего предъявленным требованиям, а формирование оптимального облика. Такой облик всегда является результатом компромиссного решения частных задач проектирования. При решении частных задач и при выполнении отдельных частей весового расчета основным методом прогнозирования является экстраполяция тенденций, закономерность которых устанавливается путем статистического анализа в равных условиях. Анализ всегда базируется на обработке статистических материалов с непременным учетом основных

Ярномерностей и правил соответствия. Другой особенностью методов овых анализов является необходимость введения понятия коэффициента роста взлетной массы, который позволяет связывать массу дополнительного компонента или начальные (локальные) изменения массы, объема, сопротивления с конечным (общим) изменением взлетной массы. Создание силовой конструкции любой технической системы предполагает проведение работ по формированию силовой схемы конструкции и получение количественных соотношений по затратам материала в рамках выбранной силовой схемы или получение распределения материала для проектируемой конструкции. Формализация процесса выбора вариантов силовой конструкции носит субъективный характер. Эффективность принятого решения во многом определялась квалификацией специалиста, проводящего исследования. Поэтому создан метод с более высоким уровнем формализации проектировочного процесса. Частная задача проектирования ГПС заключается в создании конструкции минимальной массы, не разрушающейся под воздействием внешних сил, поэтому важно формализовать определение предельной несущей способности силовой конструкции. Основной характеристикой несущей способности

«струкции являются действующие в ее элементах напряжения, »еделение значений напряжений и сравнение с допускаемыми напряжениями материала позволяет оценить поведение конструкции и сделать прогноз относительно несущей способности в случае возникновения нелинейных форм деформированного состояния. В силу этих причин при проектировании силовых конструкций основным объектом исследований служат три фактора: сама физическая система, физическая модель проектируемой или модифицируемой системы и математическая модель проектируемой системы. Использование самой

физической системы для целей проектирования наиболее целесообразно лишь при ограниченных модификациях уже существующей силовой конструкции. В процессе эксплуатации самолетов возникают объективные причины проведения таких модификаций. Доработка элементов силовой конструкции при подобных модификациях носит локальный характер, и принятие решений о внедрении соответствующей модификации конструкции самолета может быть осуществлено на основании испытаний в лаборатории или после проведения исследований в воздухе. В ряде случаев для этих целей более целесообразно использовать физические модели, которые достаточно строго могут отображать свойства исследуемой системы. С помощью математических моделей через совокупность абстрактных параметров и понятий удается достаточно строго отображать свойства исследуемой физической системы. В нашем случае такой системой является силовая конструкция самолета. Среди различных математических моделей, используемых^^ процессе проектирования силовой конструкции самолета, центральн«^^ место занимает модель, отображающая упругое взаимодействие отдельных агрегатов и элементов конструкции. Основой формирования такой модели служат законы механики твердого деформируемого тела, являющиеся предметом изучения математической и прикладной теории упругости. Применение законов и способов решения задач механики позволяет оценить уровень деформаций и напряжений в любой области исследуемой конструкции. Знание компонентов напряженно-деформированного состояния дает возможность определить тип материала для изготовления элементов конструкции и осуществлять процесс проектирования и конструирования отдельных агрегатов и деталей [15, 17].

Во второй главе изложены основные принципы построения САПР и конкретная их реализация с описанием основных функций и приемов эффективной работы. Целевое автоматизированное проектно-логистическое ядро («ЦАПЛЯ») представлено в виде интеллектуальной оболочки базы данных, объединяющей как известные способы и методи1^и проектирования летательных аппаратов, их корреляционные связи параметрические модели, так и уникальные методики, построенные на наработанном статистическом материале и практике проектирования в ЦКБ им.А.Н.Туполева при научно-технической поддержке ЦАГИ им.Н.Е.Жуковского, ЦИАМ им .П.И.Баранова, СибНИА

им.С.А.Чаплыгина, МАИ, МАТИ им.К.Э.Циолковского. Комплекс «ЦАПЛЯ» предназначен для проведения проектировочных инженерных расчетов проекта, поверочных инженерных расчетов,

параметризации базовых проектных параметров, подготовки общих видов ГПС, электронных графиков, схем и таблиц, подготовки сертификационного базиса проекта, экономического и статистического анализа проекта, маркетинговой оценки Технического задания. Возможности Комплекса «ЦАПЛЯ» позволяют использовать его как инструмент для научных исследований, инструмент для проектирования, экспертную систему, систему качества ведения проекта и анализа принятых решений, учебное пособие для студентов самолетостроительных специальностей, электронный каталог проектов (справочник), базу знаний (хранилище методик, ноу-хау, технологий проектирования, результатов экспериментов и практики эксплуатации (см. рис.9)).

ГРАФИЧЕСКАЯ (электронные чертежи и модели)

Общий вид Сечения Профилировка Компоновка

2. ЦИФРОВАЯ Летные характеристики Массы и центровки Прочность и Ресурсы Стоимости Высотно-скоростные

Уровень достоверности (источник): Отбытая печать (JANE)

3. ВЕРБАЛЬНАЯ ^^ Технологии производства Регламенты Программа выпуска

3. Внутренние данные

Инте 1че*л \ лльная обоитч I ■ * пр 1м 1.и>чи 11 про1рт(ч I'

Рис. 9 Области информационной и методической поддержки САПР.

Создание единой информационной среды для САПР предусматривает выполнение ряда базовых принципов, основные из которых: вертикальность, корректность и наращиваемость. Эти три условия обусловливают возможность дальнейшей интеграции и развития системы. В модели процессов включены три вида информации графическая (векторная

•вастровая), цифровая (электронные таблицы) и вербальная (описания), я информация структурирована по уровням достоверности (в зависимости от источника и вида данных), открытости и доступа. Для организации удобной работы пользователя создается общая управляющая программа в виде интеллектуальной оболочки, осуществляющей интерфейс и интерактивный мониторинг работы системы.

Модель процесса проектирования, реализованная в комплексе «ЦАПЛЯ» включает три иерархических уровня расчетов, последовательно связанных

между собой и связанных с моделями методик расчетов и базой данных

Рис. 9а Объектно-ориентированная модель процесса проектирования и оптимизации САПР «ЦАПЛЯ». Общий вид изделия это достаточно широко используемое понятие, которое в авиастроении носит специфический характер в силу мультидисциплинарности данных, которые он в себе несет. Как и в весовом проектировании в процессе формирования общего вида заложено естественное противоречие, связанное с тем, что невозможно выполнить расчеты характеристик второго приближения, не имея общего вида, и нельзя начертить общий вид, не проведя эти расчеты. При создании САПР на многих авиационных фирмах формат общего изменился в первую очередь. Это произошло во многом потому, чч^ оптимизация основных параметров проекта требовала непрерывного обновления общего вида, и его формат и параметризация были необходимы для ликвидации рутинных операций, связанных с перманентным уточнением обводов и размеров. Параметризация (см. рис.10) ранее осуществлялась, как правило, от «бумажных» прототипов без ориентации на дальнейшее создание твердотельных моделей или моделей внешних поверхностей. Качество чертежей при этом значительно

возрастало, но основные преимущества электронного чертежа реализованы не были, так как не было связи «плоского» чертежа с ЗО моделями (см. рис.22). Далее, при развитии систем геометрического моделирования общий вид превратился в результат отображения объемной компоновки самолета по первоначальным эскизам и наброскам. При такой организации проектирования достаточно трудно управлять целевой функцией объекта, так как процессы происходят в разных информационных пространствах, и требуется длительная процедура согласования (поиск невязки) того, что «имеем» с тем, «что надо». При этом параметризация общего вида происходит автоматически, так как он генерируется самой системой по созданным моделям и решается, фактически, прямая задача проектирования.

При решении обратной проектной задачи — от расчетов к чертежу, от чертежа к модели, от модели к расчету - необходим формализованный

«ход к формированию общего вида. Таких схем можно разработать жество, тем не менее, достаточно проблематично решить параметризацию общего вида в общем случае, т.е. для любого схемного решения и с учетом всех возможных вариантов компоновки. Это диалектический процесс, в котором количество переходит в качество скачкообразно после накопления значительного количества опыта, то есть проектов, которые «прошли» через систему. Верификация моделей ГПС (см. рис.9б) осуществлялась на каждом этапе создания моделей с помощью имеющихся данных по самолетам-прототипам и самолетам-аналогам.

Высокая точность моделей (до 2,5% по весовым, 1,8% по аэродинамическим, 0,9% по геометрическим, 2,7% по экономическим) была достигнута благодаря применению современных средств математического моделирования и объектно-ориентированного

программирования. Достоверность

моделей процессов и методик подтверждена многократным

тестированием и апробацией результатов работы в НИИ и КБ.

Рис. 96 Верификация моделей формирования облика ГПС по параметру максимальной взлетной массы.

Крыло

Оперение

Фюзеляж

Кабина

Хвост

Двигатель

Шасси

Рис. 10 Параметризация чертежа общего вида в комплексе «ЦАПЛЯ»

Проектирование крыла или оперения начинается прежде всего с расчетс^^ формы поверхности в плане. Существует несколько разных способов описания формы крыла в плане, их комбинации и производные. Более того, известная путаница при сравнении отечественных и зарубежных самолетов начинается с разных стандартов по определению характерной (расчетной) площади крыла. Во избежание эскалации дальнейшей путаницы в САПР «ЦАПЛЯ» предложен универсальный способ описания плановой проекции несущих поверхностей (см. рис.11).

Лы;таточно известную и актуальную для любого проекта задачу расчета тЩюдинамических характеристик по заданной компоновке часто необходимо решать от «обратного» или с частичными ограничениями. Например, если необходимо в крейсерском полете при минимальных потерях на балансировку обеспечить уровень аэродинамического качества Ккр = Су/С:с = 17,5... 18,0, то начальные условия для аэродинамического расчета можно определить, используя модель поляры «как надо» (рис.13). Суть метода заключается в том, что, определяя в обратной последовательности значения минимального сопротивления, отвала поляры,

максимального Су и др модель поляры «настраивается» таким образом, что бы при дальнейшем проектировании, например, несущих поверхностей и стабилизатора, иметь строгие рекомендации по выбору их основных параметров.

Рис.12. Оптимизация поляры компоновки с поиощью модели поляры «как надо» При таком подходе можно избежать потерь, связанных с тем, что даже при высоких аэродинамических характеристиках планера в эксплуатации их не удается реализовать, так как значение Су полетного не сбалансировано с динамикой полетной массы и существенно отличается от Су, при котором

достигается максимум

(}'мах

Рис.13. Схема «ключевых» точек модели поляры «как надо»

аэродинамического качества (рис.12).

Массово-инерционная модель (см. рис.14) является результатом объемно-

весовой компоновн^^

планера и систем^ детального весового расчета с учетом реальных размеров и нагрузок на силовую часть планера и отработки всевозможных вариантов и ограничений загрузки

самолета в эксплуатации.

Формат модели для удобства работы и восприятия близок к хорошо известной форме центровочной ведомости самолета.

_Х7

хз

Х2

XI

Прлджтмо ялрйЛтл цлнмрмп

XII

_ц У/ Цвкшр—Ы 0.23 СЛХ

^ /^ЯуЫшмы мДм» щптроюя

Рис. 14 Основные элементы массово-инерционной модели ГПС

«кггровка ГПС расчитывается отностельно заданной средней родинамической хорды (САХ) и осуществляется с использованием упрощенной модели, состоящей из материальных точек конечной массы, размещенных в самолетной системе координат. Результаты расчета центровок для всех возможных состояний самолета сводятся в диаграмму весов и центровок для определения ограничений по допустимому диапазону предельно передних и предельно задних центровок в эксплуатации. Параметризация — процесс оценки с помощью физических и эмпирических моделей влияния изменения отдельных параметров друг на друга и на основные характеристики для поиска их оптимальной комбинации по определенным критериям. В равной степени влияет качество как используемых моделей, так и статистических данных. Особую роль играет выбор критерия оптимальности и установка «весовых» коэффициентов в эмпирических моделях. В данной работе для поиска локальных оптимумов предлагается использование многопараметрических моделей компоновки путем исследований шаговых изменений отдельных параметров при фиксированной матрице компоновочных решений (см. рис.15).

50 т Выбор оптимальной

илощядя крылп

120 -

Оптимальная

стреловидность крыла

140

120

■10

20

65 В5

Оптнмальняя средняя тол тип я крыли

»Мкр

80

50

Оптимально? уатнненлс крыла г-Мкр •Мт "Кмах •Э

120

ео

ео

7 9 11 13 15 Оптимальное удлинение фтеляжа

11 13 15 17

100

20

300 500 700 5 10 15

Рис. 15 Пример графической информации по параметрическим исследованиям регионального ГПС

Для оценки и сравнения вариантов компоновки двигателей на самолете, создаются параметрические модели каждого типа этих вариантов. Статистические данные по основным вариантам размещения двигателей на крыле или в хвостовой части фюзеляжа являются начальной базой для выбора оптимальных параметров компоновки двигателя Проекта в зависимости от назначения и размерности самолета. Параметризация вариантов навески двигателей (см. Рис. 16) в совокупности с данными по реальным компоновкам позволяют получать первые приближения компоновок достаточно близкие к оптимальным, так как статистические данные соответствуют тщательным отработкам в аэродинамически^ трубах, наземных стендах и в эксплуатации. Это существенно повыша1^Р качество работ и сокращает (до 15-17%) время отработки параметров навески двигателей на компоновке.

Туполев 204-120

Рис. 16 Схема формализации навески двигателя под (над) крылом

Расчет прямых эксплуатационных расходов по Методике Европейской авиационной ассоциации самолетостроителей.

100 п

ПЭР 90-120-местных самолётов на внутренних линиях

Ту-334-ЮОмлн. $16,67 Як-42Д млн, $10,4 ЯК-42Д-90 млн. $10,4 Воапд 717-200(1) млн. $33,0 Воапд 717-200(2) млн. $33,0 А318-100(1) млн. $36,0 92&ЕТмлн. $23,5

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Дальность полёта, км

Рис. 17 Пример оформления графика себестоимости перевозок в комплексе «ЦАПЛЯ»

Основные летно-технические характеристики проекта и их соответствие данным ТЗ, прежде всего, представляются в виде интегральной зависимости технической дальности полета от массы коммерческой (целевой или платной) нагрузки. Расчет этой зависимости связан с определением (или заданием) максимальной взлетной массы, массы пустого снаряженного самолета, максимальной массы топлива, массы топлива для рейса, массы аварийного навигационного запаса (АНЗ), массы коммерческой нагрузки, удельного расхода топлива на крейсерском режиме с учетом всех отборов, аэродинамического качества на крейсерском режиме и параметров крейсерского полета - скорости и высоты.

. ! [>,гП1к "и.н ["К К.1 |Ыщ,Н1Н:1 к" ЯЕВД

<?аЙЛ- ШШШШ ]

ь

600005000040000 -

зоооо • гоооо-10000-о

Ан-70

24000 -2000016000120008000 -4000 -

А.

2000 4000 6000 0000 10000 12000 км

2000

4000

6000

«

Заданное (рейсовое) количество топлива 35000 кг

Дальность полета с »манным количеством топлива 10355,2646 км Время полета с заданным количеством топлива 12,6021 чесов

Мо- 130000

Мсн * 60000

Мцн» 20000

<#■ 153,278

Мт.тах - 35000

Мт.анз ■ 2498.43

Мкр- 0.8

Укр- 849,801

Узп" 23^5

Нкр- 11000

вкр» 200

Ккр» 18

С„та» . ^вел 2.93038

0,47031

'-'пос £3588«

Ро" 575

Сг. 0.41

Потр. знач. для 1 двигателя

взлет крейс.

Ыдв1 3550,65 5708,19

С учетом отказа 1 двггэтеля:

Ыдвотк 6037,8 (лс]

ТЯ-21«

^ ^......

Рис. 17а Сравнение ЛТХ среднемагистральных ГПС в САПР «ЦАПЛЯ»

Особенности диаграммы «нагрузка-дальность» заключаются в том, что в зависимости от задачи, которую необходимо отработать, по одним и тем же алгоритмам можно решать и прямую, и обратную задачу проектирования. При этом достаточно полно можно исследовать проблемные «участки» проекта и более четко сформулировать область

существования проекта и его конкурентоспособность в сравнении с аналогами (рис. 17а и рис.23)

В новых условиях экономической конкуренции между авиаперевозчиками и освоения новых рынков авиаперевозок разработчики ГПС должны предлагать проекты, ориентированные . на перспективные направления научно-технического развития [21]. Сегодня обостряются топливно-энергетические аспекты на транспорте, и ведется активный поиск новых (дешевых) энергоносителей. В авиации таким носителем может стать газовое топливо (водород, метан). Следующий аспект, связанный с расширением сети авиаперевозок, базируется на регионах со слабо развитой инфраструктурой. Существует реальная проблема нехватки современных аэродромов в районах Севера и Сибири. Решение может иметь различные варианты, начиная с постройки новых ВПП и заканчивая созданием низкоскоростных тяжелых ГПС, имеющих грунтовое базирование. И,

Жнец, укрепляющаяся кооперация (международная) производителей ционной техники позволяет оптимизировать отдельные проекты по уже готовым частям (агрегатам), наиболее удачно реализованные у конкретных участников кооперации, и формировать из них (принцип LEGO) оптимальный проект (см. рис.18). Все вышеперечисленное диктует поиск новых схемных решений и возможностей их глубоко анализа в САПР.

Среда:

Новые требования Новы« технологии Новая география Новая экономика Новые потребители

N-

Дешевое топливо

Сжиженный природный газ

Расширение рынка

Крупногабаритные груты

Кооперация ресурсов

Научно-технический задел, незавершенна

Рис. 18 Причины необходимости поиска новых схемных решений ГПС

САПР «ЦАПЛЯ» создавалась на базе методологии формирования области а^кествования самолета в пространстве основных проектных параметров rqra помощи языка программирования Borland DELPHI v.5.0, реализованном на Object Pascal. Комплекс работает под операционными системами WINDOWS 9Х, NT, 2000, ХР. САПР имеет модульную структуру, что позволяет модифицировать модули независимо от всей системы. База данных, кроме предоставления большого количества справочной информации, является основой определения средних, либо максимальных, значений критериев и параметров, необходимых для расчета.

- зз -

В результате работы комплекса получается массив данных, позволяющий приступить к синтезу облика проектируемого самолета и определению его основных характеристик (весовых, диапазонов центровки, характеристик устойчивости и управляемости, летно-технических, и т.д.). Эти данные служат для построения компоновочной схемы самолета, общего вида самолета, схемы кабины экипажа, взлетно-посадочной схемы, конструктивно-силовой схемы, теоретической схемы агрегатов самолета. Эти и другие задачи, соответствующие этапу «Техническое предложение», могут быть решены как в комплексе, так и автономно, что позволяет

1 1)11 ы

] Пфм*' ЯКЯЯ!4'" "ТО),

\

\ \

V \

.. .»л .. «Й* .. иС ... ИИ . щ «И. 'яса. . я

аио_«в_«да

!СИ»

«а»

¡«ж

л

тая

1Ь*> "«С

ь*- >«.»» »»♦ ч

ЫЭЖ

Рис. 19 Дерево экранных меню САПР «ЦАПЛЯ»

В САПР «ЦАПЛЯ» существует возможность экспертного анализа совершенства ГПС по общепринятым критериям относительной массы конструкции/топлива/полезной нагрузки, стартовой тяговооруженности, удельной нагрузке на крыло. Экспертный анализ осуществляется на базе верифицированных моделей ГПС для удобства имеющих одноименные с самолетами-прототипами обозначения. Например, результаты сравнения характеристик весовых моделей 100 местных ближнемагистральных ГПС (см. рис.20) показывают значительные колебания (до 20%) составляющих взлетной массы, что ограничивает использование статистических моделей для самолетов этой размерности.

В2В .1ЕТ Е1и 100-200 Ту-334-100

в Тягоеооруженность ■ Удельная нагрузка □ 1-Мпс/Мо £

Ту-Ш6 Вал-иВ-100 Р-1П0 Яг-42,1 В 717 МП А-318 &?а ЛтТ 1Г10 ^ГЮ Т/-ЗМ-.100 8

Рис.20 Анализ характеристик группы (выборки) моделей ближнемагистральных ГПС Интегрированная информационная поддержка изделия является

Жриантной по отношению к виду продукции, предприятию-товителю, отрасли промышленности и т.д. Она осуществляется по принципам управленческих технологий и технологий управления данными, реализуемых в единой информационной среде, объединяющих информационные процессы всех участников жизненного цикла изделия, на основе международных стандартов, регламентирующих модели данных и соглашения о способах обмена этими данными [14]. Исходя из этой модели, предложена процедура оценки конкурентоспособности вновь создаваемого или модернизируемого изделия. Эта процедура состоит в обоснованном

назначении требований к будущему изделию. Для ГПС величины компонентов вектора требуемых параметров следует назначать исходя из состояния мирового рынка грузопассажирских самолетов, и соображений стратегического развития конкретной рыночной ниши и отрасли машиностроения способной ее наполнить [27].

В современной экономической науке конкурентоспособность принято оценивать соотношением «цена/качество». Конкурентоспособной признается продукция, для которой величина затрат на единицу полезного эффекта наименьшая. Конкурентоспособность продукции (изделия) достигается при более высоком по сравнению с изделиями - аналогами (в определенном сегменте рынка) соотношении показателей качества и затрат на приобретение и потребление (эксплуатацию, обслуживание) изделия. Показателем конкурентоспособности является численное выражение конкурентоспособности КС = Р (СЖЦ, К). При этом качество продукции есть степень соответствия характеристик продукций требованиям потребителя (усредненным требованиям сегмента рынка)^ показателем качества будет численное выражение качества. Затраты на приобретение и потребление изделия включается в стоимости жизненного цикла, это приведенные к расчетному году затраты, включающие долю цены изделия, стоимость его транспортировки и монтажа, затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонты и утилизацию СЖЦ -Си+Ссоэ+Сэксп+Суч+СТОиР+Сут.

Модель оценки конкурентоспособности ГПС включает выбор критериев оценки технического совершенства проекта (соответствие техническому уровню, весовая эффективность, прямые эксплуатационные расходы, топливная эффективность) определяющие качество изделия и экономические показатели (стоимость 1кг конструкции) (см. рис.21) Весовая эффективность

В третьей главе приведены исследования с помощью САПР «ЦАПЛЯ» по ряду частных задач проектирования. Одной из первоочередных задач, которые должны быть решены на самом начальном этапе проектирования пассажирского самолета, является выбор поперечного сечения фюзеляжа. И первый вопрос при решении этой задачи - какое размещение кресел в ряду надо принять для рассматриваемого проекта пассажирского самолета. Часто на выбор влияют соображения унификации с ранее разработанным самолетом или желание в дальнейшем иметь возможность увеличения количества пассажиров на борту самолета за счет удлинения фюзеляжа. Например, самолет ERJ 145 получил свое поперечное сечение (2+1) от ЕМВ-120, несмотря на то, что такое размещение пассажиров для пятидесятиместного самолета является предельным. Выбранное поперечное сечение дало возможность фирме EMBRAER почти мгновенно разработать модификации самолета с меньшим числом пассажиров (ERJ 135 и ERJ 145).

ÂHe позволило ей быстро выйти на рынок 70-90-местных региональных олетов, где была первой Bombardier. Компоновка поперечного сечения фюзеляжа жестко определяет комфорт пассажиров, характеризующийся тем, сколько приходиться на одного пассажира объема полок, пространства под креслами или багажников, а так же, определяет возможности конвертации самолетов по классам и модификации в грузовые версии. Проведенные исследования проблемных вопросов компоновки ГПС показали, что для семейства региональных ГПС, проектируемых для перевозки от 60 до 100 пассажиров оптимальным является поперечное сечение «3+2». Компоновка «3+2» обеспечивает возможность создания модификаций с увеличенным числом пассажиров за счет дальнейшего увеличения длины фюзеляжа (см. рис.23).

Рис. 22 Мастер-геометрия носовой части фюзеляжа

Рис. 23 Пример поиска оптимальной компоновки пассажирских кресел в однопроходных ГПС ^^ Проблема выбора числа двигателей тесно связана с определенЯг тяговооруженности самолета (см. рис.24), выбор которой производится в совокупности с определением удельной нагрузки на крыло, т.е. является результатом решения общей задачи проектирования. Потребная тяга двигателей на ГПС определяется условиями возможностью продолжения взлета при отказе одного двигателя на критической скорости взлета, либо длиной разбега при взлете, т.е. заданным классом аэродрома, либо достижением максимальной эффективности самолета в крейсерском полете. При выборе числа двигателей рассматриваются также условия обеспечения энергией самолетных систем в случае отказа одного из двигателей. До принятия норм летной годности проектные параметры самолета, его взлетные характеристики определялись при условии, что за расчетную взлетную тягу принималась полная взлетная тяга всех двигателей, установленных на данном самолете. При этом условии отказ одного двигателя при взлете рассматривался как дополнительный расчетный случай, накладывающий ограничения на взлетный вес самолета при эксплуатации. При таком подходе сложилось мнение о недостаточной безопасности самолетов с двумя двигателя, так как потери взлетной тя для данной схемы значительны. По современной метод* проектирования, принятой во всем мире, за расчетную взлетную тягу принимается взлетная тяга с учетом отказа одного двигателя на взлете, и взлетный вес самолета определяется с учетом этого условия. В связи с этим в АП-25 введен ряд обязательных критериев летной годности, относящихся к взлетным скоростям, дистанциям, характеристикам набора высоты, соответствие которым необходимо доказывать с имитацией отказа двигателя.

ИЛИ ЯШ 111111 Рис. 24 Модели ГПС с разным числом двигателей.

Требуется обеспечить безопасный прерванный взлет в случае отказа двигателя на скорости, меньшей скорости принятия решения V). Конструкция самолета должна обеспечить приемлемый уровень безопасности даже при 50% потери суммарной тяги после отказа одного из двух двигателей. Если принять вероятность отказа на час полета за Р, тогда вероятность безотказной работы составит 1-Р. Так как величина Р крайне мала по сравнению с 1 (ее порядок от 0,5*10'3 доЮ"4), то для самолетов с двумя, тремя и четырьмя двигателями можно принять:

Таблица 1.1

количество двигателей на самолете Вероятность отказа двигателей (на час полета)

одного двух трех

2 2Р Р2 -

3 ЗР ЗР2 РЗ

4 4Р 6Р2 4РЗ

где Р- вероятность отказа двигателя

Для заданного периода времени для четырехдвигательного самолета вероятность отказа одного двигателя в два раза, а двух двигателей в шесть раз больше, чем для самолета с двумя двигателями. Хотя отказ двигателя не приводит к катастрофическим последствиям, отказ обоих двигателей для двухдвигательной схемы самолета создаст критическую ситуацию. Завершенный взлет при отказе одного из двигателей определяется нормированный величиной градиента скорости при наборе высоты У/У2 на высоте 10,5м (над границей ВПП), который является критерием степени безопасности, необходимой для пригодности самолета к полетам. В общем случае при выбранных значениях суммарной тяги двигателей и площади крыла предельный взлет лимитируется величиной этого градиента. В то же время пригодность самолета к эксплуатации с определенного класса аэродрома определяется такой взлетно-посадочной характеристикой самолета, как длина ВПП (при максимальном весе самолета). Следовательно, низкий класс аэродрома может привести ^^ ограничению взлетного веса и не использованию его максимальн«^^ производительности. Величина градиента У/У2 должна быть не ниже установленной международными нормами для самолетов с 2; 3 и 4 двигателями 2,5; 2,7 и 3, соответственно.

Зависимость взлетного аэродинамического Зависимость себестоимости перевозок от качества оттяговоаруженноста числа двигателей и дальности полета

Влияние газа перед турбиной

С, $/ткм

ВЗЛЕТ ВОЗМОЖЕН

Влияние степени двухконтурности

у

0.3

^ Два двигателя

Три двигателя Четьре двигателя

Рс/<Эо

Два двигателя

Четыре двигателя

Цкм

зт

6000

ш

Два двигателя: Ро/йо =2,38(1/К+0,024) Тридеигалкля: Ро/Оо=1,77(]/К+0,027) Четыре двигателя: Ро/Оо=1,59(1/К+0,030)

Рис. 25 Зависимости параметров модели с разным числом двигателей. Весовая отдача планера с уменьшением количества двигателей снижается вследствие возрастания относительного веса силовой установки и уменьшения веса топлива, поэтому четырехдвигательная схема предпочтительнее по сравнению с двухдвигательной, но увеличение числа

двигателей увеличивает эксплуатационные расходы и повышает расходы на поддержание летной годности (см. рис.25).

Рис. 27 Компоновка семейства ГПС

Высокая тяговооруженность, характерная для двухдвигательных самолетов, обеспечивает возможность значительного уменьшения режима работы двигателей сразу после взлета, что снижает шум в районе аэропорта,

обеспечивает более быстрый набор высоты и меньшие потери в расходе топлива на этом режиме (см. рис.25). При взлете может потребоваться реализация избыточной тяги двигателей для осуществления нормального взлета и ухода от земли. К таким обстоятельствам относятся метеоусловия, технические обстоятельства, человеческий фактор. Избыток тяги максимальный у двухдвигательной схемы (см. рис.25). В исследованной области заданных вариантов ГПС компоновка двигателей под крылом имеет более высокие (на 3,88%) весовые характеристики и формальные эксплуатационные показатели, чем схема размещения двигателей на фюзеляже (см. рис.28). Проведенный анализ конкурентоспособности группы ГПС выявил противоречивость начальных требований Заказчика в части расстановки приоритетов и уровня ожидаемой эффективности. Достигнутый научно-технический уровень не позволяет реализовать эти требования без введения существенных

F (Mo, Мпс)=/(Мкр, Мф, Мсу, Mon, Мш, Кмах, Ккр) F(R, W=f(Zi,Hi)

Рис. 28 Анализ вариантов размещения двигателей на ближнемагистральном ГПС

В Выводах отмечены основные результаты исследований. Предложен комплексный подход к автоматизации проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов с учетом требований Авиационных правил в объеме этапа Технического предложения. Сущностью решения являетм^ методология организации информационной среды и проектн^Р алгоритмов для решения «прямой» и «обратной» задачи определения внешней конфигурации и размерности самолета в результате его внутреннего структурного синтеза, с возможностью ее параметрической оптимизации.

10000 8000 6000 4000 2000

1000 2000 3000 4000 5000 6000 Дальность полета с расчетным количеством топливе

3310,23268 км Время полета с расчетным количеством топлива

4,41184 часов Реальная взлетная масса 45500 кг

Мо- 45500

Мсн« 25820

Мцн « 10000

Мт.рейс. - 9S80

Мт.тах - 12800

Мт.ана • 1719.18

Мкр« 0.78

Укр- 828.55S

Vsn- 228,268

Нкр - 11000

Skp» 84,05

Ккр » 14.9

r тах ^ езл " 2.75888

СУкр " 0,49094

г тах ^ пос " 3,27255

Ро- 541.344

D- 0.63

Nnac » 98

Погр. гнач, для 1 двигателя

взлет крейс.

Ядв1 216Е.66 13G4.42

С учетом откааа 1 авигаггеля:

пдв огк 5720,45 (кг)

Рис. 29 Анализ варианта ГПС с помощью блока «нагрузка-дальность» САПР «ЦАПЛЯ»

Выявлен, формализован и количественно определен облик комплекса САПР «ЦАПЛЯ», позволяющий по заданным Техническим требованиям осуществлять цикл проектных расчетов и оптимизацию схемы, как отдельных агрегатов, так и самолета в целом. Проведенный структурно-параметрический анализ вариантов формализации плановой проекции крыла (оперения) позволил создать универсальную схему параметризации несущих поверхностей практически любой конфигурации. Предложена методика автоматизации синтеза известных схемных решений по компоновке поперечного сечения фюзеляжа, компоновке грузопассажирского салона, носовой части фюзеляжа, навески двигателей на крыле и фюзеляже. Определены форматы основной графической

Шормации о характеристиках объекта проектирования в объеме нического предложения. Представлена методика расчета потребных аэродинамических характеристик (поляра «как надо») на этапе предварительного проектирования, позволяющая предметно проводить аэродинамическое проектирование в рамках выбранной концепции ГПС. Выявлен и определен состав проектных моделей процесса и схема их взаимодействия при решении «обратной», «прямой» задачи и параметризации основных параметров ГПС. Проведенный анализ показал, что предложенная методика автоматизации компоновки ГПС позволяет

повысить качество проектных решений за счет отработки существенно большего количества вариантов с минимальными затратами ресурсов и реально сократить сроки проектирования. Предложена структура статистической базы, которая позволяет проводить комплексные исследования существующих решений и получать экспертные оценки по техническим возможностям производственного и промышленного уровня. Предложенный подход и методы автоматизации структурно-параметрического синтеза облика самолета инвариантен по отношению к типу и размерности летательного аппарата и может быть реализован в прикладных методах при проектировании других технических объектов, имеющих сложную логистику и длительный жизненный цикл. Достоверность научных результатов и методик подтверждается многократной успешной реализацией разработанных на их базе прикладных программ на ряде предприятий авиационной промышленности и получением с их помощью новых техническ^ решений, признанных изобретениями и защищенных авторскими свидетельствами.

В Заключении даны общая характеристика работы, ее актуальность, цели и задачи исследования, предмет и объект исследования, описаны методы исследования, научная новизна и практическое значение работы, представлено внедрение результатов работы и ее апробация, приведено количество публикации и личный вклад соискателя, а также дано развитие основных научных положений диссертации.

В Приложении даны материалы о внедрении результатов работы и примеры данных проектов, проведенных в рамках исследования.

Таким образом в результате исследования достигнуто снижение временных и материальных затрат, повышение качества процесса проектирования грузопассажирских самолетов, их конкурентоспособность в течение всего жизненного цикла посредством научно-методического обеспечения включающего модели процесса, методик и объектов проектирования. Решены задачи разработки принципов и моделей процесса автоматизированного проектирования на основе реальные бизнес-процессов и требований ИПИ-технологий. Формализовав процедуры аэродинамических, прочностных и массово-инерционных расчетов в единой информационной среде. Выработаны требования к интегрированной логистической поддержке ГПС в течение всего жизненного цикла изделия. Полученные методы реализованы в комплексе автоматизированного проектирования ГПС «ЦАПЛЯ».

Выводы

1. Решена проблема создания и внедрения комплекса научных, методических, технологических и программно-технических решений в области автоматизированного проектирования ГПС способствующий повышению конкурентоспособности отечественной авиационной техники.

2. Выявленные связи между конструктивно-компоновочными параметрами, характеристиками самолета и эксплуатационно-технологичными (логистическими) параметрами ГПС, в процессе автоматизированного синтеза его облика при выполнении требований Технического задания и норм АП-25 позволили в 10 раз

^^ улучшить качество проектных решений и обеспечить 7-10% увеличение конкурентоспособности новых ГПС.

3. Предложенные средства автоматизации проектных работ позволяют в режиме реального времени осуществлять параллельное проектирование, мониторинг процесса, прогноз технического облика ГПС на любой стадии жизненного цикла и количественно определять показатели конкурентоспособности.

4. Выявлены и определены модели процесса проектирования и схема их взаимодействия при решении «обратной», «прямой» задач и параметризации основных параметров ГПС.

5. Структурно-параметрический анализ вариантов формализации общего вида, плановой проекции крыла (оперения) позволил создать универсальную схему параметризации ГПС любой конфигурации.

6. Методики автоматизации синтеза схемных решений по компоновке поперечного сечения фюзеляжа, компоновке грузопассажирского салона, носовой части фюзеляжа, навески двигателей на крыле и фюзеляже позволили выполнить многопараметрические исследования с экономией ресурсов в 10-15 раз.

(¡ф^. Методика расчета потребных аэродинамических характеристик (поляра «как надо») на этапе предварительного проектирования, позволяет проводить аэродинамическое проектирование в рамках выбранной концепции ГПС с снижением затрат на 10-12%.

8. Методика автоматизации компоновки ГПС обеспечивает возможность проработки существенно большего количества вариантов, что позволяет на 5-7% повысить качество проектных решений и на 25-30% сократить сроки проектирования. При этом в

режиме параллельного проектирования удается добиться оптимальной весовой отдачи конструкции.

9. Использование баз данных, содержащих статистические сведения при принятии компоновочных и схемных решений позволяет проводить комплексные исследования в процессе проектирования.

10. Анализ структуры максимальной взлетной массы ГПС позволил уточнить известные формулы расчетов стоимостных и ресурсных параметров проекта, а также формул весового расчета второго приближения.

11. Методы автоматизации структурно-параметрического синтеза облика самолета инвариантны по отношению к типу и размерности летательного аппарата и могут быть реализованы при проектировании других технических объектов, имеющих длительный жизненный цикл.

12. САПР «ЦАПЛЯ», разработанная в рамках работы, реш поставленную цель и задачи исследования, позволяет по заданн Техническим требованиям осуществлять цикл проектных расчетов и оптимизацию схемы ГПС.

Таким образом, в данной диссертационной работе разработано научно-методическое обеспечение включающее методики, алгоритмы и программные комплексы автоматизированного синтеза облика ГПС с учетом требований Авиационных правил в объеме этапа Технического предложения, которое вносит существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения качества, сокращения стоимости и сроков проектирования грузопассажирских самолетов и способствует ускорению научно-технического прогресса.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях;

1. Пухов A.A., С.Г.Джамгаров, Устройство управления закрылком самолета, Авторское свидетельство, СССР N1804039; 1989;

2. Пухов A.A., Устройство выдвижения закрылка самолета, Авторское свидетельство, СССР N1807650, 8с; 1990; ^

3. Пухов A.A., Устройство выдвижения закрылка самолета, АвторсшР свидетельство, СССР N1807651, 8с; 1990;

4. Пухов A.A., Устройство выдвижения закрылка самолета, Авторское свидетельство, СССР N1807652, 4с; 1990;

5. Пухов A.A., Антонов A.B. и др., «Самолет», патент №2148534; АНТК им.А.Н.Туполева; 1994;

6. Пухов A.A., Климов В.Т. и др., «Самолет», патент №2102279; ОАО "Туполев"; 1995;

7. Пухов A.A., Шенгардт A.C. и др., «Самолет», Патент №2099248, ОАО "Туполев", 1997,7с;

8. Пухов A.A., «Определение рациональных параметров кинематических схем механизмов закрылков среднемагистральных пассажирских самолетов», Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, МАИ 1997; 138с;

9. Пухов АА., Щелкунов О.; Криогенные технологии смогут избавить мир от глобальной нехватки авиатоплива, статья, Журнал "Авиарынок"; 27-29с; 1997

10.Пухов A.A., Андреев В.А., Бакланов B.C., Солозобов В.И., Чилингаров А.Р.; Новые авиационные технологии на службе экологии, Доклады экологического конгресса; Международный экологический конгресс; 2000;

11.Пухов A.A., Экологически чистый транспорт. Криоплан Ту-136; ^^ Тезисы докладов; Четвертая Всероссийская конференция; ф С.Петербург, 237-239с; 2000;

12.Пухов А А., Шевчук И.С., Шенгардт A.C. Криоплан Ту-136 (основные положения); Техническое предложение; ОАО "Туполев"; 111с; 2001

13.Пухов A.A., Шенгардт A.C., Ту-136: Проекту нужна поддержка; статья; Журнал "Гражданская авиация"; 15-17с; 2001

14.Пухов A.A., Братухин А.Г и др.; Информационные технологии в наукоемком машиностроении: Компьютерное обеспечение индустриального бизнеса, монография, под ред. А.Г.Братухина - К: Техника, 2001,728с;

15.Пухов А А., Васильев В.В., Всехвальнов В.К., Никитюк В. А. Композитная сетчатая геодезическая конструкция фюзеляжа пассажирского самолета, статья, Издательство «Машиностроение», общественный научно-технический журнал «Полет», 2001, 59с;

16.Пухов A.A., Богатиков CA., Вонс А.И. Развитие информационных технологий ОАО «Туполев»; статья, Издательство «Машиностроение», общественный научно-технический журнал «Полет», 2002, 23-27с;

^^7.Пухов A.A., Братухин А.Г и др.; CALS в авиастроении, монография, ЩЩ под ред. А.Г.Братухина - М: Издательство МАИ, 2002, 670с;

18.Пухов A.A., Власов И.А., Максимов В.Н., Всехвальнов В.К. Отсек силовой конструкции; Патент РФ RU №2190556; Российское агентство по патентам и товарным знакам; 5с; 2002

19.Пухов A.A., Шенгардт A.C., Кощеев А.Б.; Проект регионального грузопассажирского самолета; Тезисы докладов; Всероссийская конференция ЦАГИ, 136-138с; 2003

20.Пухов A.A., Волхонский А.Е., Лысухин В.И., Сластихин С.Н. Применение интерактивных средств формирования расчетных моделей и визуализации результатов при анализе прочности авиационных конструкций; Методические указания к лабораторным работам, МТЦ РГТУ-МАТИ, 46с, 2003;

21.Пухов A.A., Технологии создания «рабочих лошадок», статья, ISSN 1726-8516, журнал Аэрокосмическое обозрение, №5, 2005, 110-113с;

22.Пухов A.A., Промышленное проектирование криогенных самолетов, статья, национальный авиационный журнал Крылья Родины, №9, 2005, 6-Юс;

23.Пухов A.A., Автоматизация проектирования грузопассажирских самолетов, статья, издательство ВИМИ, журнал Информационные технологии проектирования и производства, выпуск №4, 2005, 37-53с;

24.Пухов A.A. Геометрическое моделирование в проектирован^ нового самолета, Сборник трудов кафедры Системна моделирование и Инженерная графика. ISBN 5-93443-831-Х. Под ред. А.В.Силуянова, М:РиК им.Русанова, 2005, 159-165с;

25.Пухов A.A., Никулочкин М.Ю., Байков A.A., Комплекс САПР «ЦАПЛЯ», Москва ОКБ «Сухого», ISBN5-9232-0019-8, Статьи и материалы третьей научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, 2005, 84-89с;

26.Пухов A.A. Целевая программа подготовки молодых специалистов по специальности «самолето- и вертолетостроение» для ОАО «Туполев» и опыт ее реализации», МАТИ-РГТУ, Труды конференции Социальное партнерство и проблемы подготовки молодых специалистов, 2005, 144-145с;

27.Пухов A.A. Как создаются удачные проекты, статья, ISSN-0869-59-46, журнал Технологии авиации и космоса, №3, 2005, 91-92с;

А.А.Пухов

Содержание.

Сокращения, обозначения и индексы.

1. Сокращения.

2. Обозначения.

3. Индексы.

Введение.

1. Анализ рынка.

2. Место САПР в авиационной промышленности.

2.1 Определение и задачи САПР.

2.2 Тезаурус САПР.

2.3 Облик САЬ8-технологий авиастроительной корпорации.

3. Анализ известных САПР.

3.1 Отечественные разработки.

3.2 Зарубежные разработки.

4. Постановка задачи исследования.

5. Принципы разработки и требования к САПР.

5.1 Техническое обеспечение САПР.

5.2 Разработка алгоритмов САПР.

5.3 САПР в логистической поддержке ГПС.

ЧАСТЬ I Методология построения САПР ГПС.

1. Особенности процесса проектирования.

1.1 Структура проектирования и конструирования ГПС.

1.2 Взаимосвязь характеристик и параметров.

1.3 Программа разработки ГПС.

1.4 Этапы жизненного цикла ГПС.

2. Формирование облика самолета в САПР.

2.1 Постановка задачи проектирования.

2.2 Модель объекта проектирования.

2.3 Формирование облика ГПС.

2.4 Модель оптимального проектирования.

2.5 Методы оптимизации проектных решений.

2.6 Иерархия проектных задач САПР.

3. Синтез компоновочной схемы ГПС.

3.1 Компоновка на этапе предварительного проектирования.

3.2 Аэродинамическая компоновка.

3.3 Методы автоматизации компоновки ГПС.

3.4 Модель компоновки фюзеляжа.

3.5 Компоновка пассажирской кабины ГПС.

4. Проектирование конструктивно-силовой схемы.

4.1 Оптимальное проектирование силовой конструкции.

4.2 Формирование конструктивной модели.

4.3 Процесс формирования моделей МКЭ.

4.4 Критерии оценки силовой конструкции.

4.5 Формально-эвристические методы.

5. Весовая культура проектирования ГПС.

5.1 Роль весового проектирования.

5.2 Техническая дисциплина «Весовое проектирование».

5.3 Тезаурус весового проектирования.

5.4 Прогноз размерности ГПС в первом приближении.

5.5 Иерархия расчетов взлетной массы самолета.

5.6 Частные задачи весового проектирования.

5.7 Концепция коэффициента роста массы.

5.8 Методы оптимального весового проектирования.

5.9 Организация системы весового контроля.

6. Оценка конкурентоспособности ГПС на этапе проектирования.

6.1 Тезаурус конкурентоспособности изделия.

6.2 Основные ИПИ-технологии и их взаимосвязи.

6.3 Математическая модель конкурентоспособности.

6.4 Прогнозирование конкурентоспособности.

7. Выводы по ЧАСТИ 1.

ЧАСТЬ II Практическая реализация основных принципов САПР.

1. Общее.

2. Реализация комплекса САПР.

3. Методология комплекса «ЦАПЛЯ».

3.1 Состав модулей комплекса.

3.2 Порядок расчетных алгоритмов комплекса.

3.3 Структура базы данных комплекса.

3.4 Базовые принципы комплекса.

4. Функции Комплекса «ЦАПЛЯ».

4.1 Модель общего вида самолета и 3D геометрии.

4.2 Анализ плановой проекции крыла (оперения).

4.3 Модель расчетной аэродинамики (поляра «как надо»).

4.4 Расчет диаграммы «Нагрузка-Дальность».

4.5 Компоновка носовой части, фонаря и кабины.

4.6 Диаграмма обзора из кабины пилотов.

4.7 Формирование обводов фюзеляжа.

4.8 Модель силовой установки.

4.9 Массово-инерционная модель.

4.10 Параметризция основных данных проекта.

4.11 Компоновка двигателя на крыле (фюзеляже).

4.12 Расчет диаграммы «Область полетов».

4.13 Расчет себестоимости перевозок.

5.Факторы развития ГПС нетрадиционных схем.

6. Описание системы «ЦАПЛЯ».

6.1 Общее.

6.2 Дерево меню САПР «ЦАПЛЯ».

7. Формирование БД ГПС на основе статистической информации.

8. Современные критерии оценки совершенства ЛА.

9. Выводы по ЧАСТИ II.

ЧАСТЬ III Исследования в САПР проблемных вопросов компоновки ГПС.

1. Оценка компоновки поперечного сечения фюзеляжа.

2. Оценка компоновки пассажирских салонов.

2.1 Основные характеристики компоновок.

2.2 Оценка прямых эксплуатационных расходов.

2.3 Расчет прямых эксплуатационных расходов.

3. Опртимизация числа двигателей для СУ ГПС.

3.1 Общее.

3.2 Влияние числа двигателей на тяговооруженность.

3.3 Отказ двигателя.

3.4 Потребная длина ВПП при взлете.

3.5 Влияние числа двигателей на экономичность JIA.

4. Оценка вариантов размещения двигателей на крыле и на фюзеляже.

4.1 Общее.

4.2 Схема самолета с двигателями под крылом.

4.3 Анализ схем конструкции.

5. Оценка конкурентоспособности группы ГПС.

6. Выводы по ЧАСТИ III.

Выводы.

Данная работа посвящена проблемам автоматизации проектирования грузопассажирских самолетов (ГПС) в современных условиях. Качественные изменения, связанные с широким внедрением информационных технологий, коснувшиеся наукоемкого машиностроения, неравномерно включаются в реинжиниринговые процессы. Наиболее значимые и ответственные этапы создания авиационной техники до сих пор остаются вне современных форм бизнеса. Это снижает качество конечного продукта, затрудняет его эксплуатацию и последующую модернизацию. Приведенные в этой работе методы и подходы по автоматизации этапов проектирования помогут в какой-то мере исправить это положение и ускорить развитие и внедрение отечественных систем автоматизированного проектирования (САПР) на всех стадиях жизненного цикла изделий.

Работа по данной теме была начата в 1998 году и представляла собой автоматизацию актуальных инженерных задач [40, 49, 52, 59]. Первым результатом был модуль для определения дальности полета и построения диаграммы «Нагрузка-Дальность», который был протестирован на многих примерах существующих самолетов и использовался при расчетах десятков новых проектов. Параллельно был разработан алгоритм расчета параметров крыла в плане, что обеспечило возможность оперативно получать результаты и модифицировать любые крылья, «подгонять» их параметры под требуемую конфигурацию. Была наработана обширная база по серийным ГПС отечественного и зарубежного производства. Далее была поставлена более серьезная задача - на основе научно-технического задела, накопленного В ЦКБ им.А.Н.Туполева [68], создать комплекс САПР для формирования облика самолета на этапе предварительного проектирования, позволяющий определять основные характеристики ГПС в объеме «Технического предложения» в соответствии с требованиями АП-25.

Эта работа была бы невозможна без творческого обобщения известных методов проектирования той их части, которая остается актуальной в современных условиях, и новых возможностей аппаратной и программной поддержки, которая стала широко доступна для всех уровней создателей авиационной техники.

Многолетний опыт работы автора в качестве инженера-конструктора в подразделении «Технические проекты» ЦКБ им.А.Н.Туполева под руководством Г.В.Махоткина и В.А.Максимова и его совместная работа с Главными конструкторами Джамгаровым С.Г., Селяковым JI.JL, Шенгардтом A.C., Воробьевым Ю.В., Пуховым A.JL, Климовым В.Т., Лановским Л.А., Андреевым В.А., Толмачевым В.И. и др. легли в основу методологии автоматизации проектирования, изложенной в данной работе.

Безусловный вклад в формирование базовых направлений автоматизации проектной базы внес ряд совместных работ автора с зарубежными фирмами (DASA, Airbas, Boeing, Alenia, BAe) [56, 60, 63], авиакомпанией «Волга-Днепр» и отраслевыми институтами ЦАГИ, СибНИА, НИАТ, ЦИАМ и др.

Реальной теоретической и информационной базой этой работы стало участие автора в заседаниях промышленного Совета по CALS-технологиям Росавиакосмоса (председатель А.Г.Братухин)[78].

Значительная часть материалов данной работы была использована автором в читаемых им курсах «Введение в специальность», «Проектирование и конструирование летательных аппаратов», «Технологии полного электронного определения изделия» на кафедре «Автоматизированного проектирования летательных аппаратов» РГТУ-МАТИ им.К.Э.Циолковского [84].

1. АНАЛИЗ РЫНКА

Актуальность работ по совершенствованию методологии проектирования можно убедительно показать по динамике развития авиационного рынка грузовых и пассажирских перевозок. Системный подход при исследовании рынка авиационных перевозок с учетом экономических факторов, определяющих спрос на перевозки, позволяет получить количественные оценки объемов перевозок пассажиров и грузов, динамику их роста и изменения в потребностях авиационного парка, необходимого для перевозок (рис 1.10). Каждый из сегментов авиационного рынка (пассажирские и грузовые, внутренние и международные, магистральные и региональные перевозки) характеризуется определенными особенностями и своими тенденциями развития. перевозки, биллион количество ВС

10,000 600,000 паекм тоннкм

43 СК история прогноз до событий 11.09.01

7,500

400,000 утилизация

-L 1 L

G 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Рис 1. 10 Динамика роста мировых авиационных перевозок и парка грузопассажирских самолетов (источник:Воет§ 2004)

Характер развития мирового рынка авиаперевозок в целом с достаточным постоянством соотносится с уровнем экономического развития и в общем случае описывается хорошо известной моделью 1С АО [2]:

Y = аХ1ьХ2с (1.1) где Y— выполненные пассажиро-километры; XI — валовой внутренний продукт (ВВП);

Х2 — доход от пассажирских перевозок на один пассажиро-километр; a, bue — статистические коэффициенты; Ъ и с отражают эластичность спроса.

Пропил рыма деловых сшолстов - процентная доля рыма (по количеству) в 2005-2009 гг. йиттзш m гч

Mitiwi 11*4

Рыжи деловых самолета« - процентная доля рынка (по стомиости) ■ 7005 7009 гг.

Прогноз рынка гражданских самолете процентная доля рынка (по котиеству) в 2005-2009 гг.

Ьг-Ылк 13 Г* i*1'««ni ¿л V«

С«пми 31.14

Общий o6v«K выпуска >а 5 л»т — 4460 самышоа

Sorter dur J "JFu

Общий объем выпуска ja 5 net — 5032 самолета

Рис 1.11 Прогнозы развития парка деловых самолетов и объемов рынка (источник: «Авиатранспортное обозрение» 2005)

Сценарии развития российского рынка в отношении наращивания объемов авиаперевозок и изменения их структуры (рис 1.11) в принципе не противоречат закономерностям этих процессов, наблюдаемым во всем мире, при условии, что оценка ВВП принимается по паритету покупательной способности. Это позволяет предположить, что дальнейшее укрепление экономики России обусловит развитие схожих с мировыми тенденциями на российском рынке авиаперевозок и, следовательно, возможность использования классического подхода к их прогнозированию. Для российского воздушного транспорта, который только начал выходить из продолжительного кризиса объем пассажирских перевозок впервые за 10 лет вырос на 20% в 2000-2005гг после продолжительного спада, который привел к сокращению пасса-жирооборота относительно уровня 1999г в 3 раза. В результате проведенных Гос-НИИГА расчетов получены следующие оценки объемов перевозок российских авиакомпаний на период до 2015 г:

• К 20 Юг объем пассажирских перевозок как минимум удвоится относительно уровня 1999г, а к 2013-2015гг достигнет уровня 1990г, составив в 2015г 150200 млрд.пкм.

• Рынок грузовых перевозок к 2015г должен возрасти в 3 раза. Ожидается сокращение чартерных перевозок и восстановление паритета между российскими и зарубежными операторами на основных направлениях экспортных грузопотоков. Произойдет постепенное увеличение доли внутреннего грузооборота и развитие участия российских авиакомпаний в перевозках грузов между третьими странами.

Следует отметить, что фактические темпы роста ВВП в 2000-2005гг опережали прогнозируемые на макроэкономическом уровне. Также необходимо учесть, что долговременный характер прогнозов авиационного рынка позволяет считать естественным их отличие от текущей динамики объемов перевозок до ожидаемой к 2007г стабилизации развития рынка. Однако реальное развитие событий на рынке перевозок даже повышает вероятность реализации полученных ранее долговременных прогнозных оценок в том случае, если современные целевые показатели развития экономики удастся реализовать.

Мировой грузопассажирский самолетный парк за двадцать лет должен удвоиться и к 2022 году составит порядка 34 тысяч единиц (рис 1.12). На его обновление и создание новых авиалайнеров за это время необходимо будет затратить порядка двух триллионов долларов (рис 1.13).

15,612

33,999

Мировой самолетный парк

2022

Рис. 1.12 Динамика самолетного парка по сегментам рынка авиаперевозок (источник: Boeing 2004) Рис- 113 Объемы капиталовложений в обновление парка грузопассажирских самолетов по сегментам рынка авиаперевозок. (источник: Boeing 2004)

Из вышесказанного следует, что перед разработчиками авиатехники стоят большие наукоемкие задачи по обеспечению всевозрастающих потребностей авиаперевозок. Решение этих задач потребует более интенсивного внедрения новых информационных технологий во все стадии жизненного цикла изделия и, прежде всего, в стадию проектирования. Усиление средств автоматизированного проектирования летательных аппаратов позволит не только качественно изменить подходы к выбору основных параметров самолета на начальных стадиях проекта, но и более достоверно сравнивать проекты между собой и прорабатывать стратегии модернизации или модификации существующих проектов. Последнее может быть не менее важно, так как сроки эксплуатации ГПС сегодня исчисляются десятками лет, и существует задача проектного сопровождения самолета в течение длительного срока с учетом изменений требований авиационных правил, технологий управления модификациями и удовлетворение пожеланий Заказчика. Привлекательность модификации сегодня может быть значительней, чем новый проект, так как технический риск пугает инвестора больше, чем незначительная потеря качества продукта при модификации старых машин.

выводы

В связи с интенсивным развитием грузовых и пассажирских перевозок и связанным с ним значительным увеличением парка ГПС пятого поколения возникает необходимость совершенствования облика летательных аппаратов с применением более эффективных процессов проектирования и конструирования на основе интегрированной САПР промышленного использования, способной осуществлять поддержку всего жизненного цикла изделия. Основные результаты исследований следующие:

1. Решена проблема создания и внедрения комплекса научных, методических, технологических и программно-технических решений в области автоматизированного проектирования ГПС способствующий повышению конкурентоспособности отечественной авиационной техники.

2. Выявленные связи между конструктивно-компоновочными параметрами, характеристиками самолета и эксплуатационно-технологичными (логистическими) параметрами ГПС, в процессе автоматизированного синтеза его облика при выполнении требований Технического задания и норм АП-25 позволили в 10 раз улучшить качество проектных решений и обеспечить 7-10% увеличение конкурентоспособности новых ГПС.

3. Предложенные средства автоматизации проектных работ позволяют в режиме реального времени осуществлять параллельное проектирование, мониторинг процесса, прогноз технического облика ГПС на любой стадии жизненного цикла и количественно определять показатели конкурентоспособности.

4. Выявлены и определены модели процесса проектирования и схема их взаимодействия при решении «обратной», «прямой» задач и параметризации основных параметров ГПС.

5. Структурно-параметрический анализ вариантов формализации общего вида, плановой проекции крыла (оперения) позволил создать универсальную схему параметризации ГПС любой конфигурации.

6. Методики автоматизации синтеза схемных решений по компоновке поперечного сечения фюзеляжа, компоновке грузопассажирского салона, носовой части фюзеляжа, навески двигателей на крыле и фюзеляже позволили выполнить многопараметрические исследования с экономией ресурсов в 10-15 раз.

7. Методика расчета потребных аэродинамических характеристик (поляра «как надо») на этапе предварительного проектирования, позволяет проводить аэродинамическое проектирование в рамках выбранной концепции ГПС с снижением затрат на 10-12%.

8. Методика автоматизации компоновки ГПС обеспечивает возможность проработки существенно большего количества вариантов, что позволяет на 5-7% повысить качество проектных решений и на 25-30% сократить сроки проектирования. При этом в режиме параллельного проектирования удается добиться оптимальной весовой отдачи конструкции.

9. Использование баз данных, содержащих статистические сведения при принятии компоновочных и схемных решений позволяет проводить комплексные исследования в процессе проектирования.

10.Анализ структуры максимальной взлетной массы ГПС позволил уточнить известные формулы расчетов стоимостных и ресурсных параметров проекта, а также формул весового расчета второго приближения.

11.Методы автоматизации структурно-параметрического синтеза облика самолета инвариантны по отношению к типу и размерности летательного аппарата и могут быть реализованы при проектировании других технических объектов, имеющих длительный жизненный цикл.

12.САПР «ЦАПЛЯ», разработанная в рамках работы, решает поставленную цель и задачи исследования, позволяет по заданным Техническим требованиям осуществлять цикл проектных расчетов и оптимизацию схемы ГПС.

Таким образом, в данной диссертационной работе разработано научно-методическое обеспечение включающее методики, алгоритмы и программные комплексы автоматизированного синтеза облика ГПС с учетом требований Авиационных правил в объеме этапа Технического предложения, которое вносит существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения качества, сокращения стоимости и сроков проектирования грузопассажирских самолетов и способствует ускорению научно-технического прогресса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общая характеристика диссертационной работы)

Трудно представить развитие наукоемкого машиностроения без широкого использования современных информационных технологий. Развитие этих технологий в России сегодня осуществляется на основе использования зарубежной программно-аппаратной поддержки. Это требует от разработчиков отечественных систем САПР владения не только «своими» технологиями и стандартами, но и уверенное знание «чужих». Кроме того, в многообразии решаемых с помощью САПР задач, трудно найти общие закономерности и принципы, так как все они решают в основном частные проблемы их применение не распространяются так же широко, как систем геометрического моделирования или стандартных прикладных пакетов.

Актуальность создания научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования дозвуковых грузопассажирских самолетов (ГПС) заключается в том, что сегодня за рубежом используется ряд промышленно используемых САПР, а в России - стране, где это направление было основано - нет ни одной. Это положение необходимо срочно исправлять, так как рост авиационных грузопассажирских перевозок и в России и за рубежом стабильно растет с темпами в среднем 5,1% в год, и потребность в создании новых самолетов (18387ед) и модернизации существующих (5889ед) в период до 2020 года обусловливает предстоящий масштаб проектных работ (см. рис. 1.10).

Цель работы - создание научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования включающего методики, модели процесса и объектов проектирования обеспечивающего снижение временных и материальных затрат, повышение качества процесса проектирования грузопассажирских самолетов, их конкурентоспособности в течение всего жизненного цикла.

Задачи исследования:

1. Разработать принципы и модели процесса автоматизированного проектирования на основе существующих бизнес-процессов и требований ИПИ-технологий.

2. Разработать научные основы и формальные модели САПР, необходимые для достижения поставленной цели.

3. Формализовать процедуры аэродинамических, прочностных и массово-инерционных расчетов в единой информационной среде.

4. Выработать требования к интегрированной логистической поддержке ГПС в течение всего жизненного цикла изделия.

5. Реализовать полученные методы в комплексе автоматизированного проектирования ГПС.

Предметом исследования является методология автоматизации проектирования ГПС в объеме этапа Технического предложения в соответствии с Авиационными правилами Часть 25 (АП-25). Объектом исследования является процесс автоматизированного проектирования ГПС.

Методы исследования. В работе использованы методы:

1. Системного подхода;

2. Структурно-параметрических и эвристических разрешений противоречий путем экспертных оценок, сформированных на базе опыта проектно-конструкторских работ.

3. Статистического анализа параметров серийных образцов авиационной техники, основанного на современных информационных технологиях и обработке мультиформатных потоков данных.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке научно-методического обеспечения автоматизированного проектирования ГПС. Предложен новый подход к формированию облика самолета, обеспечивающий повышение конкурентоспособности и сокращение сроков его проектирования на основе принципов и технологий ИЛИ. В работе получены следующие новые результаты:

1. Определены, формализованы и количественно представлены новые связи между конструктивно-компоновочными параметрами и характеристиками самолета в процессе автоматизированного синтеза его облика при выполнении требований Технического задания и норм АП-25;

2. Выявлены, систематизированы и формализованы модели процесса автоматизированного синтеза конструктивно-компоновочных решений ГПС;

3. Выявлены и отражены в соответствующих моделях связи между конструктивно-компоновочными параметрами и характеристиками самолета с эксплуатационно-технологичными (логистическими) параметрами ГПС.

4. Сформулированы и решены актуальные оптимизационные проектно-компоновочные задачи для ГПС средней размерности, в том числе выбор рационального количества двигателей и размещение их на самолете, выбор оптимального поперечного сечения фюзеляжа для семейства ГПС и определение их эффективности.

5. Предложен метод оценки конкурентоспособности ГПС и ее изменение в течение всего жизненного цикла изделия.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том что на базе разработанных методик, процедур и моделей создан комплекс автоматизированного проектирования «ЦАПЛЯ» [24, 25], который используется в НИИ и ОКБ авиационной промышленности, обеспечивая при этом существенное (до 25-30%) повышение качества проектных решений (за счет обеспечения быстродействия итерационного процесса), сокращение трудоемкости проектирования в 2-4 раза и формирование информационного базиса для логистической поддержки в течение всего жизненного цикла изделия.

Разработанный программный комплекс может быть использован в проектных организациях, авиакомпаниях, аналитических центрах и как учебное пособие [19, 26] при подготовке специалистов по проектированию самолетов в авиационных учебных заведениях. Для этого созданы описания, методические пособия и лабораторные работы, которые внедрены в учебный процесс на кафедре «Автоматизированного проектирования ЛА» РГТУ-МАТИ.

Внедрение результатов работы осуществлено в ОАО «Туполев», РГТУ-МАТИ им.К.Э.Циолковского, ООО «Волга-Днепр-Москва», РСК МИГ, ООО «Автомеханика», НТЦ «Современные сети и системы», НИЦ АСК, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций и в организациях.

Публикации. Полученные в диссертации научные результаты представлены в 50 научных трудах, опубликованы в 27-и работах, в том числе в 2 монографиях, 5 научных статьях, 8 описаниях авторских свидетельств на изобретения и патенты, одном учебно-методическом пособии ив 12 тезисах докладов на научно-технических конференциях, конгрессах, форумах, семинарах и симпозиумах всероссийского и международного уровня. 11 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Различные аспекты материалов, вошедших в диссертацию, отражены более чем в 30 научно-технических отчетах.

Личный вклад соискателя. Все основные научные положения от формирования идеи, постановки задачи исследования, разработки моделей до проведения исследований и структурно-параметрического анализа компоновочных признаков, разработаны лично автором. Также соискатель лично формировал всю идеологию построения САПР «ЦАПЛЯ», программировал и отлаживал исходные версии программ, осуществлял подбор наиболее эффективных алгоритмов решения, разрабатывал схемы параметризации основных компоновочных задач, вошедших в состав системы автоматизированного формирования облика самолета.

Развитие основных научных положений диссертации. Научная значимость разработанного соискателем метода подтверждается использованием его основных научных положений другими исследователями в различных областях проектирования авиационной техники. Так, в работах:

1. аспиранта А.П.Будылина (разработан метод формирования трехмерных моделей ГПС по слабо параметризованным «плоским» сечениям и видам объекта проектирования);

2. аспирантки Н.В.Рудковой (разработан метод автоматизированного расчета экономических характеристик проекта ГПС);

3. аспирантки Ю.В.Бобровой (разработан метод и программа автоматизированного выбора конструктивно-схемных решений шасси ГПС, обеспечивающих безопасное разрушение, при взрыве шины пневматика);

4. К.т.н. О.А.Ховруновой (выявлены особенности формирования облика самолета из условий оптимальной компоновки двигателей при «жестких» ограничений по шуму на местности);

5. К.т.н. А.А.Байкова (выявлены особенности формирования облика самолета на криогенном топливе) использованы основные положения диссертационной работы.

Таким образом, в данной диссертационной работе разработано и убедительно представлено научно-методическое обеспечение включающее методики, алгоритмы и программные комплексы автоматизированного синтеза облика ГПС с учетом требований Авиационных правил в объеме этапа Технического предложения, которое вносит существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения качества, сокращения стоимости и сроков проектирования грузопассажирских самолетов и способствует ускорению научно-технического прогресса.