автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы и математическое обеспечение для многодисциплинарных расчётов и автоматизированного проектирования летательных аппаратов

С .V- ./

х1 .0

п

Министерство общего и профессионального ослабевания ^^р ^^ Российской Федерации

Московский Фпзнко-Техническнн институт (государственный университет)

Для служебного пользования

Экз. № На правах рукописи

УДК 681.3.066.001.63;

681.3.523.8.

Буньков Николай Георгиевич

Методы н математическое обеспечение для миогодисциплинарных расчётов и автоматизированного проектирования летательных аппаратов

Специальность: 05.13.16-применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена в Центральном Аэрогидродинамическом институте им. проф. Н.Е. Жуковского

Официальные оппоненты: Академик РАН,

доктор физико-математических наук, профессор П.С. Краснощеков •

Член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор A.C. Холодов

доктор физико-математических наук, профессор C.B. Клименко

Ведущая организация:

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша Российской Академии Наук

/

Защита состоится «_» hof-1998 г. в

часов

на заседании диссертационного совета Д 063.91.01 при Московском Физико-Техническом институте по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московская область, Институтский переулок, 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Физико-Технического института

Автореферат разослан

1998 г.

т

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

В.А. Волков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Главным, определяющим фактором повышения технического совершенства летательных аппаратов является высокий уровень авиационной науки. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в течение последних 25-30 лет получили широкое распространение математические методы на основе применения вычислительной техники как важнейший фактор научного продвижения.

Развитие математических моделей и программного обеспечения, прикладного и системного, потребовали усилий большого числа специалистов по всем направлениям авиационной наукн: аэродинамики, аэроупругости, прочности, долговечности, надёжности, механики полета и системного математического обеспечения.

До недавнего времени в практике исследований и проектирования самолётов постановки задач и методология расчётов не приводили к существенным погрешностям, связанным с разделением уравнений, описывающих проблемы аэродинамики и прочности. Другими словами, те или иные математические модели аэродинамики, статической прочности и разработанные с их включением программы применялись на практике, как бы сопутствуя одна другой, связь которых состояла лишь в том, что результаты аэродинамических расчётов использовались как базовая информация для определения нагрузок на конструкцию с последующим расчётом её напряжённо-деформированного состояния. Исключениями являлись проблемы, при решении которых задача ставилась совмещённо в исходной постановке, например, в расчётах на флаттер, реверс органов управления, бафтинг и т.п.

В процессе развития авиации с ростом скоростей, нагрузок, грузоподъёмности, систем активного управления конструкцией, нетрадиционных маневров и т.д. - решение совмещённых, многоднсциплинарпых задач стало насущной необходимостью. Наряду с этим проблемы технического совершенства летательных аппаратов стали значительно острее, для решения которых также необходимо построение комплексных многодисциплинарных расчётных научно-исследовательских и проектных работ.

Следовательно, создание и развитие прикладного и системного математического обеспечения для многодисциплинарного комплексного расчёта и автоматизированного проектирования летательного аппарата является актуальной проблемой.

Цели разработок, осуществлённых, опубликованных и представленных в диссертации

1. Создание отраслевого программного обеспечения - Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ (ОФАП) по всем основным направлениям авиационных научных и предпроектных исследований летательных аппаратов, являющегося, наряду с традиционным своим назначением, базовой программной средой для построения комплексных многоднсциплинарпых расчётов и автоматизированного проектирования.

2. В проведении комплексных расчётов и автоматизированного проектирования изделий машиностроения существует своего рода триада:

сложный объект

3.

исследователей

компьютерная платформа

методы и

>

системы

взаимодеиствия

У

Из совокупности этих трёх факторов и необходимости оптимального синтеза сложного объекта следует необходимость разработки методов и систем взаимодействия, включающих основные направления:

- создание вычислительной системы взаимодействия с организацией в режиме прямого доступа в ЭВМ для специалистов различных авиационных направлений такого взаимодействия с использованием компьютерных технологий, которое позволяет значительно интенсифицировать решение задач оптимального синтеза проекта;

- построение итерационных методов взаимодействия физически параллельных алгоритмов аэродинамики и прочности как этапа развития комплексных расчётов на ЭВМ традиционной архитектуры, т.е. многопроцессорных компьютерах с малым числом процессоров, и создания программной инструментальной системы распараллеливания прикладных программ для параллельной обработки на такого класса ЭВМ;

- обоснование для отраслевого Научного Центра авиационных исследований - ЦАГИ принципов построения распределённой интерактивной вычислительной системы с объединением МБС-процессорных рабочих станций в сеть открытой архитектуры в качестве компьютерной платформы, на современном этапе в наибольшей степени соответствующей решению комплексных проблем многодисциплинарного расчёта и предпроекгных исследований посредством методов взаимодействия.

3. Создание специализированного макроязыка описания и модификации геометрической числовой модели самолёта - макроязыка, позволяющего осуществлять прямое воздействие (посредством лаконичного формирования задания) на внешние обводы летательного аппарата, тем самым значительно повысить эффективность исследовательских и проектировочных расчётов по аэродинамике, прочности и комплексные расчёты.

4. Разработки метода гладких локальных модификаций внешних обводов а1регатов летательного аппарата, посредством которого обеспечивается модификация поверхности без влияния на остальную часть агрегата.

5. Создание моннторной системы, для:

- эффективного управления программными модулями-солверами и блоками данных в процессе многодисциплинарного и многоуровневого расчёта и автоматизированного проектирования летательного аппарата;

- автоматического синтеза рабочей программы из модулей посредством макроязыка спецификации проблемы;

- обеспечения всех необходимых для проведения комплексного расчёта режимов взаимодействия исследователя с ЭВМ: пакетного, диалога, рестарта, загрузки и редактирования результатов на основе единой мониторной системы;

- сведения до минимума конфликтных ситуаций в распределении ресурсов ЭВМ в процессе выполнения расчётов с использованием больших тематических программ и обработки данных большого объёма.

6. Внедрение перечисленных разработанных методов, системного программного обеспечения в ряд практических комплексных расчётов, а именно: в расчёт упругого крыла большого удлинения с организацией взаимодействия параллельных макропроцессов по аэродинамике и прочности, в расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта с использованием распределённой интерактивной вычислительной системы, в комплексный расчёт прототипа ВКС «Буран» с использованием мониторной системы и в работы по геометрическому моделированию компоновок практически создаваемых самолётов гражданского назначения.

Научная новизна результатов, полученных и представленных в диссертации, состоит в следующем.

1. Впервые предложены, разработаны и практически реализованы принципы и методы взаимодействия путём создания вычислительной системы взаимодействия

для решения комплексных многодисциплинарных задач формирования оптимального проекта (1973 год, Ученые записки ЦАГИ, том IV, №2)

Взаимодействие тематических программ в ЭВМ и одновременное взаимодействие специалистов - лидеров в своих областях, имеющих прямой доступ в ЭВМ с терминалов, позволило построить высокоэффективную программно-техническую платформу для интегрированного расчётного анализа и проектирования объекта. В последующие годы эти принципы взаимодействия были, в основной своей части, распространены на системы автоматизированного проектирования (САПР).

Принципы взаимодействия специалистов с использованием информационных технологий, по разработке и реализации которых Россия (ЦАГИ) имеет научный приоритет (1973 год), в настоящее время в нашей стране и за рубежом получили распространение на базе распределённых вычислительных систем, для определения которых используются такие термины как: Distributed Interactive System, Distributed Computing Environment, корпоративное информационное взаимодействие и т.п.

В настоящее время эти принципы н методы взаимодействия получили для своего развития современную компьютерную платформу в виде корпоративных распределённых интерактивных вычислительных систем, в которых взаимодействие организуется с использованием рабочих RISC-процессорных станций, объединенных в систему сетевой открытой архитектуры, и посредством которых специалисты по тематическим направлениям осуществляют решение общей для них проблемы.

Автором с группой специалистов в качестве первого отечественного эксперимента реализован комплексный расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта посредством организации взаимодействия в распределённой интерактивной вычислительной системе ЦАГИ.

Таким образом, разработанные и реализованные принципы взаимодействия на основе простейшей компьютерной платформы, представленные в главе I, § 1.1., стали началом нового научного направления развития информационных технологий в многодисциплинарных исследованиях сложного объекта и автоматизированном проектировании.

2. Геометрические обводы летательного аппарата, как это известно, являются исходной информацией для аэродинамических расчётов внешнего обтекания и, вместе с тем, исходной информацией для наполнения конструктивными элементами внутри компоновки, поэтому геометрическое моделирование аппарата в проведении комплексных расчётов является важнейшим направлением исследований. В связи с этим в 1974 году (Ученые записки ЦАГИ, том V, №6) впервые в практике исследовательских и проектировочных расчётов был разработан специализированный макроязык описания и модификации геометрической числовой модели самолёта, позволивший значительно интенсифицировать аэродинамические и комплексные расчёты посредством быстрого изменения в режиме диалога геометрической модели самолёта и переложить на компьютер большой объём работ по модификации.

3. Предложен новый метод гладких локальных модификаций поверхностей, названный методом линий уровня, базирующийся на использовании В-сплайнов и который по сравнению с известным методом Безье (характеристического многогранника) обладает рядом преимуществ в геометрическом моделировании и модификации обводов агрегатов летательного аппарата.

4. Разработана новая система управления программными модулями и блоками данных с её ядром - мониторной системой, обеспечивающей наилучшее соответствие многоуровневому процессу комплексного расчёта и автоматизированного проектирования. Созданная мониторная система, дала возможность организовать динамичную гибкую

структуру управления с автоматическим синтезом рабочей программы из прикладных модулей. Множество функциональных модулей в системе является полностью открытым для расширения.

Системные функции в мониторной системе отделены от прикладного программного обеспечения, т.е. доступ к ресурсам ЭВМ осуществляется только посредством мониторной системы, поэтому сведены до минимума конфликтные ситуации в распределении ресурсов, что является важным преимуществом при использовании в комплексном расчёте больших программ и массивов данных большого объёма.

Посредством применения входного языка - директивной спецификации проблемы -осуществлено совмещение управления функциональными модулями и управления блоками данных, в которых обеспечена работа с файлами переменной длины.

При совокупности отличительных, значительно повышающих эффективность комплексного расчёта, преимуществ мониторной системы по сравнению с ранее существовавшими методами управления программами, созданная система обладает достаточно высоким уровнем новизны.

Практическая ценность. Научные результаты, являющиеся достижениями исследований, проведенных в течение ряда лет под руководством и при непосредственном участии автора, внедрены в практические разработки математического обеспечения НИР и ОКР для многих изделий авиационной промышленности. Автор, являясь Главным конструктором по математическому обеспечению комплексных расчётов и САПР в авиационной промышленности, осуществлял руководство и непосредственно разрабатывал представленные в диссертации разделы математического обеспечения комплексного расчёта летательного аппарата. Данное направление научных исследований и прикладных разработок позволило в основных НИИ создать действующие компьютерные платформы для научно-исследовательских и предпроектных работ и, в то же время, создать 1-ые очереди САПР в самолётостроительных ОКБ. Автоматизированные системы НИИ и ОКБ принимались в эксплуатацию отраслевыми комиссиями, участником или заместителем руководителя которых являлся автор. Полученные новые научные и практические результаты имеют общетеоретическое и методологическое значение не только для авиапромышленности, но и для других отраслей машиностроения.

С 1975 года в период становления и развития отечественных разработок по автоматизированному проектированию автор имел весьма полезные для дела научные обсуждения и, в ряде случаев, совместно выработанные технические и научно-организационные предложения с учёными страны, вложившими своим участием значительный вклад в создание систем комплексных расчётов и автоматизированного проектирования объектов отраслей машиностроения; это, в первую очередь, учёные: А. А. Дородницын, Г. П. Свищёв, С. М. Белоцерковский, Г. И. Марчук, О. М. Белоцерковский, П. С. Краснощёков, Н. Н. Яненко, Л. М. Шкадов, О.С. Самойлович, А.Д. Смирнов, О.Л. Смирнов.

Апробация результатов работ осуществлялась на многочисленных Всесоюзных, Российских и Отраслевых конференциях, семинарах ЦАГИ, МАИ, ЦИАМ, ЦНИИМАШ, ВЦ РАН, ИАП РАН, ИПМ РАН, ИСП РАН и в виде докладов на межотраслевых совещаниях в ГКНТ, МРП и других в период с 1972 по 1995 год.

Публикации основных результатов диссертации представлены в статьях и изданиях, список которых приведен в конце диссертации и автореферата.

По структуре диссертация состоит из общей характеристики работы, введения, 3-х глав с включением параграфов, основных результатов и списка опубликованных работ по теме диссертации.

Введение. СОЗДАНИЕ ОТРАСЛЕВОГО ФОНДА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ (ОФАП) КАК БАЗОВОЙ СРЕДЫ ПРИКЛАДНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫХ РАСЧЁТОВ II АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Общепринятое в стране в конце 70-х и в 80-е годы построение отраслевых прикладных программных средств с ориентацией на структуру ОФАП позволило выработать принципы и на практике решить научные, методологические и организационные проблемы по созданию необходимой программной базовой среды для проведения в НИИ и ОКБ исследовательских и проектных расчётов летательных аппаратов.

Содержание принципов построения отраслевого прикладного программного обеспечения, разработанных в те годы, состояло и состоит в настоящее время в следующем. 1. Во-первых, были разработаны принципы классификации программ для авиационного отраслевого раздела ОФАП « Летательные аппараты».

Классификация построена в соответствии с тематическими разделами аэромеханики и уровнями математических моделей.

Опыт определил целесообразность и полезность формальной идентификации каждой программы не только посредством УДК, но и путем определения ключевых слов, имен, математических моделей, вычислительных методов и классов летательных аппаратов, параметрический расчёт которых она обеспечивает.

На фиг. В.1 представлена весьма упрощенная (в демонстрационных целях) структура математических моделей, вложенных в классифицируемые в соответствии с ней прикладные программы. Практически применяемая классификация программ, созданных и сертифицированных по разделу ОФАП «Летательные аппараты» в количестве более 460 за 15 лет (до 1993 года), естественно является более детальной, включающей также идентификацию программ для решения двух- и трехмерных проблем и параметров сплошной среды.

Наряду с этим классификатор был использован в разработке так называемого плана-прогноза по созданию новых программных средств, необходимых для покрытия «белых пятен» в математическом обеспечении исследовательских и проектировочных расчётов летательной техники нового поколения. План-прогноз был разработан на основе прикладных научных целей, выдвинутых учеными ЦАГИ и конструкторами ОКБ в процессе организованного автором экспертного анализа в 1985 году.

2. Особенностью, как показал многолетний опыт применения вычислительных средств в отраслевом институте и авиационной промышленности, является сравнительно более сильная взаимосвязь методологии компьютерных расчётов с постоянно проводимыми экспериментальными исследованиями. В связи с этим, достоинством многих программ, созданных в отраслевом институте, является сравнительно хорошая согласованность полученных с их помощью результатов с данными эксперимента.

В связи с этой особенностью при создании математической прикладной программной среды соблюдался принцип структурной общности представления результатов расчётов и результатов экспериментальных исследований, принцип единого макроформата данных.

Следует отметить, что принцип единого макроформата данных распространяется и на данные натурного (лётного) эксперимента. На той же фиг. В.1 схематично представлена структура потоков данных: результатов расчётов, полученных с использованием некоторой математической модели, трубного и стендового эксперимента и лётного эксперимента.

Математические модели и общий макроформат данных

ТЕМАТИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ АЭРОМЕХАНИКИ

Аэродинамика летательного аппарата Аэродинамика силовых установок Статическая и динамическая аэроупр у гость Общая прочность Местная прочность, ресурс Механика полета по траектории и около центра масс

Полуэминрические методы на основе эксперимента и данных по прототипам. Полуэмпирнческие методы на основе эксперимента н данных по прототипам х-к саповых установок и их элементов Балочные схемы Л А. с крылом большого удлинения. Пласти нио- балочные силовые схемы планера и агрегатов Л. А. Прочность, устойчивость, выносливость конструкционных элементов при простом нагружении Уравнения траекторного управления с предварительными законами управления Управляемость самолета около центра масс (нелинейные уравнения, статика).

Линейные уравнения и уравнения в потенциалах (панельный метод, МДВ, уравнения Кармана для трансзвукового обтекания ИТ Л Потенциальные течения в каналах к соплах, элементы двигателя в условиях неравномерных лоле^ давления и температур- Пл а стн н н о-б алоч н ые схемы Л А. с крылом малого и большого удлинения Схемы подкрепленных оболочек агрегатов и планера Л А. Выносливость конструкционных элементов на основе двухстадийной теории усталостной прочности развития трещин. Уравнения траекторного управления с предварительным учетом информац. системы и предварительным учетом давления около центра масс Устойчивость движения с линейной системой управления (моделирование, частотные методы).

Невязкие нелинейные уравнения (Эйлера), точный расчет погранслоя. Невязкие нелинейные уравнения (Эйлера), для расчета полей и а входе в воздухозаборник и внутренних течений. Пласти н н о-балоч н ы е схемы Л.А., учет САУ. П ростра нственные конечно-элементные схемы планера Л.А. и его агрегатов. Линейный МКЭ. Прочность, устойчивость и выносливость конструкционных элементов при сложном нагружении. Траекторные уравнения с моделью информационной системы. Устойчивость и управляемость с нелинейной системой управления н нелинейными аэродинамическими характеристиками.

Нелинейные уравнения с учетом вязкости (уравнения Навье-Стокса с осреднением по Рейнольдсу и др. приближения). Нелинейные уравнения с учетом вязкости и физико-химических процессов в элементах силовых установок. Пространственные конечно-элементные схемы Л А., учет нелинейной САУ. стати ко-динамический расчет. Пространственные конечно-элементные схемы нелинейный МКЭ. Местная прочность, устойчивость, выносливость и развитие трещин в ко нстр. элементах, нелинейный МКЭ. Траекторные уравнения, информацион. систем и нелинейные аэродинамические характеристики без учета упругости Полный расчет упругого самолета с нелинейными характеристиками и нелинейной САУ.

Летный эксперимент

База данных проекта

с общим форматом данных: расчета, стенд, эксперимента, натур, эксперимента

фиг. В.1.

3. Следующий принцип, который не столько вырабатывался, сколько соблюдался в создании Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ - это принцип модульного структурирования программных средств и их формальная структурная классификация.

С началом организации и развития ОФАП автором с группой ведущих специалистов авиационной отрасли были разработаны и опубликованы «Методические Указания к описанию программ, включаемых в фонд программ авиационной промышленности» (1978 г.), и затем они были выпущены в свет в расширенном варианте (1985 г.). Этими изданиями в авиационной промышленности были введены рекомендации по обеспечению единого представления описания программ и содержания документации к различным видам программных разработок.

Методические указания к описанию программ, включаемых в фонд программ авиационной промышленности, методические разработки и организация информации о программах были в значительной своей части в последующие годы использованы как положительный результат и в других отраслях машиностроения и позволили интенсифицировать работы по автоматизированному проектированию не только летательных аппаратов, но и других объектов машиностроения.

4. Четвертый, реализованный принцип построения - это ориентация отраслевого программного обеспечения на многодисциплинарный комплексный расчёт и автоматизированное проектирование летательного аппарата.

Практическая необходимость решения комплексных многодисциплинарных задач, объединяющих расчёты по аэродинамике, динамике полёта, аэроупругости, прочности, ресурсу и т.д., стимулировала создание не только базового программного обеспечения по отдельным направлениям, но и методологию интеграции направлений и разработку необходимой программной системной поддержки.

Тенденция интеграции тематических направлений определила тенденцию к интеграции прикладного программного обеспечения и вложенных в него математических моделей. Это, в свою очередь, потребовало разработок системного математического обеспечения, которое необходимо в качестве инструментальной системы для «стыковки» программных модулей или программных частей и для организации вычислительного процесса в реализации интегрированного комплексного многодисциплинарного расчёта летательного аппарата.

Многолетний опыт сотрудничества НИИ и ОКБ по созданию новых проектов летательных аппаратов показал, что расчётные прикладные исследования, в том числе комплексные расчёты, и автоматизированное проектирование не только методически тесно связаны, но и, более того, методически объединены.

Таким образом, разработка и реализация принципов создания ОФАП, в том числе классификации программ по аэромеханике летательного аппарата, методологии их документирования и сертификации, общего макроформата данных расчётов и эксперимента, информационного обеспечения ОФАП, и создание функционально достаточно полного ОФАП позволили получить следующие научные и практические результаты:

- создать базовую прикладную программную среду для комплексного расчёта и автоматизированного проектирования летательных аппаратов практически всех классов;

- включить в ОФАП сертифицированные программы с эффективными вычислительными методами, математическими моделями и алгоритмами, использующими последние достижения в этих областях и в организации вычислительного процесса; это позволило на ограниченном по мощности вычислительном оборудовании получить максимально возможные результаты, обеспечивающие сокращение сроков и техническое совершенство отечественных проектов летательных аппаратов.

В формировании ОФАП авиационной отрасли, эффективно применяемого при создании летательных аппаратов нового поколения, были использованы, наряду с достижениями НИИ и ОКБ отрасли, и достижения в области механики и вычислительной математики ВЦ РАН, ИАП РАН, ИПМ РАН, ВВИА, МАИ и других научных школ и организаций.

Важным фактором, определяющим успех комплексного расчёта и автоматизированного проектирования, является наличие методов эффективного проведения многопараметрических исследований и методов формирования оптимального проекта. В главе I представлены разработки методов взаимодействия в решении комплексных проблем аэромеханики и, в частности, впервые предложенная и созданная вычислительная система взаимодействия, явившаяся в своё время началом нового направления использования методов взаимодействия: от взаимодействия на базе простейших ЭВМ с прямым доступом до взаимодействия на платформах - распределённых вычислительных системах.

Значительную роль в ускорении расчётных исследований и, в этой части, автоматизированного проектирования имеет технология параллельной обработки. В связи с этим в течение ряда лет автором совместно с сотрудниками ЦАГИ и с учётом достижений отечественных и зарубежных учёных разработана инструментальная система распараллеливания программ и в режиме взаимодействия параллельных макропроцессов по аэродинамике и прочности решена комплексная задача статической аэроупругости, результаты решения которой представлены в главе 1.

Поскольку формирование геометрической модели летательного аппарата - это формирование исходной информации для всех последующих параметрических расчётов с необходимостью быстрых и с мальм объёмом вычислений вариаций параметров внешних обводов, осуществлена разработка весьма важной компоненты комплексного расчёта и САПР -макроязыка и поддерживающих его процедур построения и модификации геометрической числовой модели самолёта, Представленных в главе II. В этой же главе представлен новый метод линий уровня, осуществления гладких локальных модификаций поверхности на базе применения В-сплайн интерполяции, который позволил эффективно проводить локальные вариации поверхности в практике проектирования.

И, наконец, в главе III представлены результаты создания моинторной системы, обеспечивающей посредством Директивной Спецификации Проблемы управление модулями-солверами и блоками данных унифицированным образом в процессе комплексного расчёта и автоматизированного проектирования. Обеспечивается при этом, в отличие от других отечественных и зарубежных систем управления, наиболее гибкое управление открытого для расширения многодисциплинарного множества модулей и блоков данных без возникновения конфликтных ситуаций по вычислительным ресурсам при обработке больших программ и больших полей данных, которые, как правило, характерны для комплексного расчёта и автоматизированного проектирования летательного аппарата. Управление посредством разработанной и представленной в диссертации мониторной системы в то же время наилучшим образом соответствует структуре многоуровневого и с наличием циклов процесса проектирования.

Глава I. МЕТОДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫХ РАСЧЁТОВ В

АЭРОМЕХАНИКЕ

§ 1.1. Вычислительная система взаимодействия Впервые в 1973 году автором разработана вычислительная система взаимодействия, которая стала началом периода применения методов взаимодействия в решении многодисциплинарных комплексных проблем. В системе обеспечен прямой доступ в ЭВМ инженеров - исследователей, каждый из которых является специалистом в определённой тематической области аэромеханики и которые взаимодействуют в процессе решения общей для них многодисциплинарной задачи. При этом построены: вычислительный процесс, механизм взаимодействия программ и файлов, сценарий взаимодействия и правила принятия решений, которые в совокупности позволили группе специалистов осуществить оптимальный синтез проекта и сделать это на порядок быстрее по сравнению с традиционной технологией применения ЭВМ.

На фиг. 1.1 представлена структурная схема системы взаимодействия на примере вычислительного эксперимента по синтезу оптимальной лопасти винта самолёта.

Вычислительная система взаимодействия

П6 Модификация геометрии и вычисление градиента целевой функции

Ф! П1 Р1 Ф2

Расчёт на срывной флаттер П2 Расчет напряжений от косой обдувкн ПЗ Расчёт статических напряжений П4

П2

ПЗ

П4

БАНК ДАЪ^ЫХ^

Расчёт ресурса П5

Р2 ФЗ П5 РЗ

фиг. 1.1

В данной реализации многодисциплинарного расчёта участвовали трое специалистов с включением в расчёт трех взаимодействующих программ, обеспечивающих следующие разделы:

1. Частотный расчёт изгибных и крутильных колебаний (программа П1, ведущий специалист А1);

2. Расчёт упругости и статической прочности:

- на срывной флаттер (П2),

- напряжений от косой обдувки винта (ПЗ),

- статических напряжений (П4),

(программы П2, ПЗ и П4 - ведущий специалист А2);

3. Расчёт ресурса (программа П5, ведущий специалист АЗ).

Кроме того, в систему была включена специализированная доступная для всех участников комплексного расчёта программа модификации геометрии лопасти и вычисления градиента целевой функции (Пб).

При использовании принятого на практике метода эквивалентной лопасти эллиптического сечения с осями с и Ь для модификации геометрии с последующим пересчётом на реальные профили в процессе аэромеханических расчётов, задача синтеза оптимальной лопасти с максимальным ресурсом посредством системы взаимодействия формулировалась следующим образом.

Исходя из геометрии прототипа лопасти и его упруго-массовых характеристик, трое специалистов совместно должны определить такой вектор вариации толщины профиля Дс и его хорды ДЬ, который доставит максимальную величину расчётного ресурса лопасти винта при выполнении нелинейных ограничений.

Учитывая, что техническое оснащение требовало предельного сокращения размерности входной информации, модификация геометрической компоновки лопасти винта проводилась путем вариации толщины и хорды профиля в сечениях прототипа лопасти в базисе опорных компоновок, что позволило на порядок снизить размерность данных для модификации геометрии с пультов прямого доступа и переложить трудности модификации геометрии на компьютер.

Рабочее изменение хорды и толщины в а сечениях определяется как

Г р.

Х„=Хл.р, , • где РУ =

.М

является вектором с компонентами, которые задает специалист, а Хш - матрица опорных вариаций

хт= { х,,х2,...х„...х„

Каждый из специалистов может воздействовать на программу модификации геометрии путем выбора и ввода компонентов вектора: р,,(52,...,рт.

Для того, чтобы специалисты в своих областях расчёта винта могли полагаться не только на собственный опыт и интуицию, каждому из них предоставляется возможность

воспользоваться формализованной процедурой выбора , в том числе и для оценки частных экстрематьных задач.

В решении данной задачи расчёта лопасти использовался для этого на каждом шаге приближённый атгоритм метода градиента в пространстве опорных компоновок. При этом вектор вариаций определяется следующим образом:

х„=хт-К=ухт(хтгахт)-'д1)

где (х^Хга)' - обратная локальная матрица Грама, а Д1 - вектор с компонентами Д1; -приращениями какой-либо характеристики агрегата, принятой в качестве целевой функции модификации для ¡-той опорной вариации прототипа X,.

Выбор константы У позволяет специалисту регулировать длину шага и осуществлять поиск вдоль линии градиента до границы, определяемой ограничениями.

Окончательный выбор вектора РУ и, соответственно, вариации Ху по результатам одного сеанса проводится специалистами с учётом как указанного расчёта, так и собственного опыта.

В процессе реализованного вычислительного эксперимента были решены конкретные практические задачи: найдены компоновки лопасти с максимальным расчётным ресурсом. В частности, по отношению к первоначальному, находившемуся на предварительном практическом рассмотрении проекту лопасти, в системе взаимодействия удалось повысить расчётный ресурс более чем в 2,5 раза (с 1800 час до 4665 час) с соблюдением всех ограничений, определённых условиями аэроупругости, безопасности и технологии. На фиг. 1.2 представлены результаты нескольких сеансов взаимодействия и приближений к оптимальному варианту.

Приобретенный опыт применения системы взаимодействия для расчёта винта в последующие годы позволил с развитием возможностей компьютеров и графических устройств использовать выработанные на её основе принципы организации вычислительного процесса для многодисциплннарных расчётов и автоматизированного проектирования всего летательного аппарата.

В качестве выводов по результатам разработки системы взаимодействия следует отметить то, что использование этой системы позволило значительно, по сокращению календарного времени на порядок, интенсифицировать предпроектные и проектные исследования благодаря следующим факторам:

- сокращению перебора вариантов, т.к. в процессе совместного расчёта каждый специалист, пользуясь оценкой предварительных результатов со стороны смежных специалистов, сразу отбрасывает заведомо неприемлемые решения, не расходуя при этом на них время и ресурсы;

- прямому контакту и совместному анализу вариантов специалистами в режиме реального времени в процессе компьютерного формирования оптимального проекта.

Достигается также значительный результат в повышении технического совершенства проектируемого изделия, т.к. работа в системе доступна основному составу профессионалов-аэромехаников высокого уровня и согласованное разделение функций между специалистами разного профиля позволяет решать единую для них комплексную задачу в форме последовательно-параллельного расчёта.

Следует отметить, что применение методов взаимодействия и вычислительных систем взаимодействия позволило и позволяет решать сложные задачи проектирования, которые не поддаются полной форматизации в процессе поиска оптимального проекта, а, следовательно, и полной автоматизации посредством компьютерных систем.

Пример - результат расчёта оптнмалыюй лопасти в вычислительной системе взаимодействия

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 п=50

номер сечения

Условный № сеанса взаимодействия Прототип № 1 №3 №6 №8 № 10

РЕСУРС [ час.] 1823 2843 3564 4120 4523 4665

Поскольку поиск оптимального проекта сложного изделия - это, как известно, задача многокритериальная с большим числом ограничений, методы и системы взаимодействия позволяют сузить многопараметрическую область нахождения оптимального проекта.

Безусловно, в области прикладной математики, механики и информатики, относящейся к проблемам оптимизации сложных проектов, за последние два десятилетия создан, опубликован и получил применение в промышленности ряд методов, позволяющих решить многие частные и многокритериальные задачи оптимизации проекта; это, прежде всего, фундаментальные достижения Краснощёкова П.С., Нестеренко Г.С., Половинкина А.И., Евтушенко Ю.Е. и других учёных.

Создание, публикация по разработке и применению первой системы взаимодействия, осуществленные в 1973 году («Ученые записки ЦАГИ», том IV, № 2,1973 г. [6]), являются приоритетными в области применения методов взаимодействия для оптимального синтеза сложного изделия машиностроения. Опыт применения системы взаимодействия в реализации комплексного расчёта воздушного винта самолёта был получен на ЭВМ второго поколения (БЭСМ-6), оснащённой несколькими терминалами прямого доступа, но тем не менее он явился началом распространения введенных принципов и методов взаимодействия на создаваемые и развивающиеся САПР.

В последующем методы взаимодействия стали базироваться на современных компьютерных платформах, таких как: многопроцессорные main-frame ЭВМ с высокоэффективными графическими терминалами и распределённые интерактивные вычислительные системы сетевой архитектуры с объединением RISC-процессорных рабочих станций.

§ 1.2. Макрораспараллеливание и взаимодействие параллельных ветвей комплексного расчёта. Разработаны методы взаимодействия, являющиеся частью технологии макрораспараллеливания, в которой осуществляется естественное структурирование проблемы комплексного расчёта на «физически» параллельные ветви (аэродинамики, статической прочности, динамической прочности, механики полёта по траектории и вокруг центра масс и т.д.) с построением различного вида их взаимодействия для получения интегрированного, другими словами, совмещённого решения по проекту в целом.

В этом параграфе представлены результаты разработки необходимых для комплексного расчёта компонентов технологии параллельного программирования и обработки с ориентацией, в основном, на технические платформы, включающие многопроцессорные mainframe ЭВМ и ЭВМ кластерной архитектуры.

В мировой библиографии по параллельным вычислениям насчитывается в настоящее время несколько тысяч работ; уровень достижений и проблемы настолько общеизвестны, что проводить их анализ, по-видимому, нет необходимости.

В данной работе представлены результаты в области параллельных вычислений, реализованные на практике в течение ряда лет для решения конкретных задач аэродинамики, прочности и объединённых комплексных задач.

Необходимость эффективного проведения комплексных авиационных расчётов на многопроцессорных машинах (с малым числом процессоров) потребовала решения не только проблем макрораспараллеливания и взаимодействия, но и реализации технологии распараллеливания на уровне структур программных текстов и создания инструментальной автоматизированной системы препарирования программ на параллельные процессы.

В связи с этим, в середине 80-х годов в ЦАГИ создана диалоговая автоматизированная система распараллеливания [30], т.к. опыт использования параллельных вычислений на задачах механики сплошной среды показал, что чисто автоматическое распараллеливание восстанавливает (или сохраняет) только часть исходного совокупного параллелизма.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ АЭРОМЕХАНИКИ

Распределение давления

В инструментальную автоматизированную систему распараллеливания включены известные современные методы распараллеливания, определяющие независимость групп операторов языка путём анализа использования данных.

Преобразование последовательного алгоритма к виду, допускающему параллельные вычисления, в частности, к ярусно-параллельной форме, осуществляется путем анализа линейной независимости пар векторов /,. О,., идентифицирующих наборы входных и выходных данных. Обработка оператора с номером } (рО возможна параллельно с оператором 1, если

является естественным выражением линейной независимости пар векторов.

С использованием параллельных программ по аэродинамике и прочности проведён ряд практических. расчётов статической аэроупругости крыльев большого удлинения для пассажирских самолётов нового поколения [11, 14, 20, 24, 28, 33]. Применение технологии параллельной обработки позволило не только реализовать в более сжатые сроки расчёты по новым самолётам, но и получить методологический опыт и понимание алгоритмической структуры проблем механики сплошной среды на задачах большой размерности по аэродинамике и прочности. В качестве примера итерационного взаимодействия расчёта аэродинамики и расчёта напряжённо-деформированного состояния на фиг. 1.3. демонстрируется макрораспараллеливание и взаимодействие параллельных ветвей комплексного расчёта упругого крыла большого удлинения пассажирского самолёта. Итерационный процесс решения задачи статической аэроупругости крыла при определённых условиях является сходящимся.

§ 1.3. Взаимодействие в среде распределённой интерактивной вычислительной системы Дальнейшее развитие методов взаимодействия в процессе осуществления многодисциплинарного комплексного расчёта получило и получает в настоящее время на платформах распределённых вычислительных систем сетевой открытой архитектуры, с объединением тематически ориентированных ШЗС-процессорных рабочих станций, организацией корпоративных параллельных вычислений и обменом тематическими файлами в решении общей для специалистов задачи комплексного расчёта и САПР летательного аппарата.

Примером подобной компьютерной платформы, создание которой осуществляется под научным руководством автора [34], является распределённая вычислительная интерактивная система ЦАГИ (см. фиг.1.4), в которой объединены в локальную сеть 12 ККС-процессорных рабочих станций, территориально установленных в научно-исследовательских отделениях.

В настоящее время в среде распределённой интерактивной вычислительной системы ЦАГИ осуществляются на экспериментачьном уровне комплексные расчёты в режиме взаимодействия с участием специалистов по направлению аэродинамики, прочности, аэроупругости и формированию геометрической модели летательного аппарата.

В качестве примера в диссертации представлен комплексный расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта. В расчёт вошли четыре крупных блока программ, функционирование которых на ЯКС-процессорных рабочих станциях, расположенных в территориально отдалённых научно-исследовательских отделениях (зданиях), обеспечивают специалисты различных направлений исследования проекта летательного аппарата.

Распределенная интерактивная вычислительная система для многодисциплинарного комплексного расчета JIA

Это программные блоки:

- формирования облика и построения внешних геометрических обводов самолёта;

- аэродинамического расчёта полной компоновки самолёта на основе уравнений Эйлера;

- расчёта воздухозаборников и аэродинамического расчёта, совмещённого с анатизом и согласованием с силовой установкой (уравнения Эйлера);

- пересчёта распределения давления, полученного в узлах аэродинамической расчётной сетки, в нагрузки в точках конструкции для применения метода конечного элемента и расчёта напряжённо-деформированного состояния конструкции.

На фиг. 1.5 схематично демонстрируется взаимодействие перечисленных программных блоков на платформе распределённой вычислительной системы. В результате этого взаимодействия специалисты, ответственные за разработки по этим направлениям, получили согласованное предварительное проектное решение по геометрическим обводам самолёта, полным аэродинамическим характеристикам и напряжённо-деформированному состоянию конструкции.

Взаимодействие в реализации этого примера осуществлялось посредством сетевой файловой системы (NFS).

Следует отметить также достоинство, присущее методам взаимодействия на распределённых вычислительных платформах и состоящее в следующем. Конкретный тематический файл создаётся и сопровождается ведущим по данному направлению специалистом - профессионалом высокой квалификации, т.е. действует правило одного ответственного; пользователями файла являются все взаимодействующие участники группы, т.е. действует правило, по которому доступ на считывание (без права модификации) является множественным. Это, в свою очередь, практически исключает ошибки, являющиеся следствием несогласованности в процессе решения многими участниками общей задачи.

В целом, опыт проведения многодисциплинарных расчётов посредством методов взаимодействия на распределённой интерактивной вычислительной системе сетевой архитектуры показал высокую их эффективность для комплексных расчётов летательного аппарата.

По результатам разработок, опубликованных н представленных в главе 1, можно сделать следующие выводы.

1. Принципы формирования оптимального проекта посредством системы взаимодействия впервые реализованы в 1973 году на универсальной ЭВМ (БЭСМ-б), оснащённой простейшими терминалами прямого доступа. Это явилось началом нового научного направления и приоритетной разработкой в методологии создания комплексного проекта путём информационного корпоративного взаимодействия специалистов, ответственных за различные направления исследования проекта.

За рубежом эти подходы и работы начаты значительно позже.

2. В настоящее время в ЦАГИ, в ряде других организаций, в зарубежных научных и проектировочных центрах развитие этого направления комплексных исследований и формирования проекта идёт путём создания компьютерных платформ р аспределённых интерактивных вычислительных систем сетевой архитектуры и на их базе методологии взаимодействия специалистов, формирующих общий проект сложного объекта.

Реатизован многодисциплинарный расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта на базе интерактивной вычислительной системы (фиг 1.5).

Пример комплексного расчёта прототипа СПС в распределённой интерактивной вычислительной системе

^ Аэродинамика : распределение давления

Формирование облика, внешние обводы

В целом, опыт создания в ЦАГИ такой системы и осуществление на её платформе взаимодействия специалистов показал высокую эффективность методов взаимодействия и такого рода систем для проведения многодисциплинарных комплексных расчётов и автоматизированного проектирования летательных аппаратов.

3. Решено ряд проблем развития технологии параллельной обработки для задач механики сплошной среды:

- создана автоматизированная диалоговая инструментальная система распараллеливания программ, которая на практике показала свою высокую эффективность, и разработаны парачлельные версии ряда практически используемых в авиационных исследованиях программ;

- получены практический результат и опыт решения одной нз фундаментальных проблем авиационных исследований - проблемы аэроупругости на примере расчёта наиболее важного агрегата самолёта - упругого крыла большого удлинения с оптимизацией его конструкции, осуществлённого в режиме итерационного взаимодействия физически параллельных макропроцессов.

Таким образом, для комплексного расчёта и автоматизированного проектирования методы взаимодействия, впервые реализованные на ЭВМ второго поколения, получили своё развитие на основе использования технологии макрораспараллеливания и организации итерационного взаимодействия тематических направлений на многопроцессорных ЭВМ с общей памятью и, наконец, в настоящее время методы взаимодействия разрабатываются и реализуются на современных компьютерных платформах - распределённых вычислительных системах сетевой открытой архитектуры.

Глава II. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

§2.1. Макроязык описания и модификации геометрической числовой модели самолёта. Геометрическая модель является базовой информацией практически для всех тематических направлений комплексного расчёта летательного аппарата. В практике для представления внешних геометрических форм самолёта используется термин «геометрические обводы», которые покрываются сеткой определённой структуры, необходимой для того или иного метода аэродинамического расчёта, а «внутри» самолёта обводы служат внешней границей для наполнения конструктивно-силовой схемой его агрегатов и самолёта в целом.

Для исследований и выбора аэродинамической компоновки необходимо иметь не только построенное первоначальное числовое представление обводов, но и математический инструмент для модификации этих обводов в процессе расчётов путём лаконичного способа заданий на модификацию.

В работах, опубликованных в 1974 - 85 годах [7, 12, 22, 24, 25], представлены результаты создания и успешного применения математического языкового аппарата, который позволил с пульта прямого доступа ЭВМ оперативно модифицировать геометрическую числовую модель самолёта. При этом вместо традиционного изменения набора точек, узлов, сечений, требующего каждый раз при модификации ввода большого объёма информации, проводятся изменения обводов самолёта, его агрегата, получение сечений и расчёта других геометрических характеристик посредством лаконичных директив воздействия на геометрическую модель. Это позволило исследователю или конструктору варьировать параметры внешней формы самолёта, вводя в компьютер минимальную по объёму информацию и перекладывая на компьютер все основные сложные процедуры модификации.

В данной работе рассматривается диалоговый алгоритмический макроязык описания и модификации геометрической числовой модели внешних обводов самолёта, датее сокращённо

именуемый макроязыком ОМС, который реализуется путём интерпретации через подпрограммы.

Макроязык ОМС содержит восемь классов воздействия на геометрическую модель: «Построение», «Модификация», «Сдвиг», «Ротация», «Вывод на экран», «Вывод на графопостроитель», «Определение», «Редуцирование геометрии». При этом реализованы следующие принципы построения макроязыка:

- орфографическая структура и семантика макроязыка должны соответствовать установившейся практике агрегирования, принятым определениям геометрических параметров самолёта и должны быть несложными и удобными для инженеров-аэромехаников и конструкторов;

- «быстродействие» транслирующих блоков процедур должно быть достаточным для организации режима диалога и оперативного вывода на дисплей геометрического результата воздействия на числовую модель;

- макроязык должен поддерживаться открытой для расширения совокупностью процедур воздействия и допускать различные способы геометрического восполнения поверхностей.

Семантика слов макроязыка формируется на основе семантики его слогов. Семантика слогов строится в соответствии с принятыми принципам» агрегирования летательного аппарата и обозначениями основных геометрических характеристик агрегатов н их элементов. Правило построения слогов таково: каждая буква слога соответствует начальной букве русского слова, поясняющего его смысловое значение. Например, в слове «MAKUS» слог <М> означает «Модификация», слог <АК> - «Агрегат типа Крыло», слог <US> - «Угол Стреловидности», следовательно, значением данного слова является <модификация угла стреловидности агрегата типа крыло>.

Структурная целостность макроязыка ОМС основывается на единой семантике и морфологии всех его слов, что позволяет добиться семантической однозначности слов, доводя унификацию до уровня формальных параметров процедур, и значительно облегчает как процесс обучения работе с макроязыком, так и его непосредственное использование.

На фиг. 2.1 представлены, в качестве примеров, структуры процедур класса «Построение» и класса «Модификация».

Класс «Построение» введен для формирования первоначальной геометрической числовой модели на основе исходных данных большой размерности. Эти процедуры применяются один раз, после чего геометрическая модель постоянно содержится в качестве базового файла..

Процедура «Построение Крыла» формируется следующей директивой-заголовком: PROCEDURE РК (N, M, KS, LS; NS, ALFU, RK, VP), где N - число базовых сечений, задаваемых координатами носка сечений (NS), длинами хорды сечений (LS), углами крутки сечений (KS ), координатами точек контура профиля (число точек M), RK и ALFU установочные радиус-вектор и установочный угол крыла, VP - поперечное V. Для восполнения сечений по размаху крыла используется сплайн-аппроксимация на базе параметрических сглаживающих сплайнов.

Важно при этом отметить, что процедура построения крыла допускает включение любых других способов восполнения поверхности и сечений и вариантов задания исходных данных. Комплекс разработанных в данной работе программ построения двухпараметрических сглаживающих сплайнов, опубликованный в статье [26], использован не только в данном разделе, но и в других задачах автоматизированного проектирования.

МАКРОЯЗЫК ОПИСАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ЧИСЛОВОЙ МОДЕЛИ

САМОЛЕТА.

Модификации геометрии в режиме диалога

PROCEDURE РК (N, M, KS, LS, NS, ALFU, RK, VP,) - построение крыла PROCEDURE MKR (LKN) — модификация крыла, размах PROCEDURE MKUS (H1N) — модификация крыла, угол стреловидности

PROCEDURE RA (EX, W, NA) - ротация агрегата W (с NA точками) вокруг оси X на угол Е (рад.)

Известно, что двухпараметрический сглаживающий сплайн S минимизирует функционал:

с= У,<Уг <-<Ум =<1и

Pij и ра положительные весовые коэффициенты сглаживания, задаваемые с точностью до постоянного общего множителя.

При помощи коэффициентов сглаживания ptj и р0 можно построить сплайны, удовлетворяющие качественно различному представлению поверхности агрегата, как это бывает необходимо в практике восполнения поверхности агрегата летательного аппарата. Так, при относительном увеличении весового коэффициента ри по сравнению с остальными коэффициентами поверхность S пройдёт ближе к этой точке (kl), что позволяет при восполнении отметить важность прохождения ближе к этой точке и в её окрестности повысить точность аппроксимации. Относительное же увеличение ра позволяет проектировщику построить поверхность более плоской.

Класс «Модификация» предназначен для варьирования геометрических параметров самолёта и его агрегатов.

Например, процедура модификации крыла в части его размаха формируется на пульте

так:

PROCEDURE MKR (LKN), которая модифицирует крыло с исходным размахом в крыло с размахом LKN. Аналогично, например, задается директива автоматизированного изменения угла стреловидности: PROCEDURE MKUS (HIN).

Созданы также процедуры, позволяющие модифицировать следующие параметры крыла: сужение, относительную толщину, крутку, глубину выреза задней кромки, линию максимальных относительных толщин. Процедуры модификации агрегатов типа крыло: вертикальное и горизонтальное оперение, пилоны и т.д. подобны процедурам модификации крыла.

В заключение необходимо отметить следующее: затраты процессорного времени для модификации геометрической модели самолёта по отношению к затратам времени для первоначального построения модели незначительны. Это позволило построить эффективный диалог при разработке аэродинамической компоновки ряда самолётов.

Следует отметить, что проблемно-ориентированные языки высокого уровня типа макроязыка ОМС позволяют проектировщику, не являющемуся обязательно программистом-профессионалом, эффективно работать над проблемой с использованием ЭВМ; другими словами, подобные алгоритмические языки «приближают» ЭВМ к проектировщику и расширяют применение методов автоматизированного проектирования.

§2.2. Гладкие локальные модификации внешних обводов летательного аппарата.

Наряду с разработкой и внедрением макроязыка описания и модификации геометрической числовой модели самолёта, одной из актуальных задач геометрического моделирования является разработка методов и программного обеспечения для выполнения гладких локальных модификаций поверхности. Зона локальной модификации задаётся произвольным односвязным контуром, лежащим на поверхности, и изменение формы осуществляется только внутри этой зоны, т.е. не влияет на форму поверхности вне области её определения.

ztj - значения аппроксимируемой функции z на сетке:

а = xt < х2 <... < xN = b

■ц

В отраслях машиностроения при использовании геометрического моделирования наибольшее распространение получил метод формирования и модификации поверхностей, предложенный Безье, состоящий в задании характеристического многогранника и его аппроксимации. Управление формой поверхности в методе Безье, как известно, осуществляется варьированием положений вершин многогранника.

При использовании метода Безье для построения и управления формой локальных модификаций внешних обводов летательного аппарата возникает ряд трудностей, особенно при работе с поверхностями знакопеременной кривизны, основная из которых состоит в том, что в режиме графического диалога в процессе проектных работ с поверхностями большой и/или знакопеременной кривизны, имеющими мелкоячеистые параметрические сетки, практически невозможно управлять формой путём перемещения большого числа вершин характеристического многогранника.

В связи с этим, для интерактивного управления формой локальных модификаций поверхностей предложен новый метод, получивший название «метод линий уровня» [22]. Метод состоит в том, что на поверхности агрегата или его параметрической сетке задаётся система замкнутых вложенных линий уровня и их распределение по нормали к поверхности. Форма и взаимное расположение линий уровня полностью определяют форму локальной модификации поверхности. Предложенный и реализованный метод линий уровня обладает свойством «дружественного» для пользователя графического интерфейса, поскольку в нём осуществляется декомпозиция задания трёхмерной локальной модификации на последовательность задания двухмерной системы вложенных линий уровня и одномерного распределения линий уровня по высоте. Пользователю предоставляется широкий набор средств задания различных по форме и расположению линий уровня, когда каждая линия уровня может иметь форму эллипса, прямоугольника, произвольной кривой либо кривой, гомотетичной предыдущей линии уровня. Процесс модификации ведётся в режиме графического диалога.

Алгоритмическое и программное обеспечение метода включает восполнение дискретной геометрической числовой модели внешних обводов агрегата в базисе бикубических В-сплайнов, которые обеспечивают локальность модификаций формы поверхности агрегата. Для интерполяции каждой параметрической поверхности Э необходимо вычислить

коэффициенты соответствующих бикубических В-сплайнов:

Б(и,у) = X («)"*>). где (2.2.1)

/=0 у=0

5,. и 2?* кубические В-сплайны.

Введя систему сплайн-функций:

/.(у)= ^Ь,-В',(у), (2.2.2)

JBQ

можно сплайн $(и,у) представить в виде:

лт^-и

8(ц,у)= £/,(у)-В» (2.2.3)

1=0

Решая задачу сплайн-интерполяции для представления (2.2.3), затем для представления

(2.2.2) при всех значениях параметра V, задача двумерной сплайн-интерполяции (2.2.1) разлагается на совокупность (ОТБ+ЫЗА+Д) одномерных задач сплайн-интерполяции (2.2.2) и

(2.2.3), которые, как известно, сводятся к решению систем алгебраических уравнений с трёхдиагональными матрицами методом прогонки.

Главный итог нового метода линий уровня состоит в том, что после выполнения локальной модификации вся остальная часть геометрической модели агрегата остаётся неизменной и сохраняется гладкость С(2'2) всей поверхности.

Поскольку модифицируемый сегмент, как правило, представляет собой относительно малую часть всей поверхности агрегата, то применение метода локальной модификации с выполнением условий гладкости позволяет сократить время модификации внешних обводов агрегата на порядок и более, что является существенным для построения эффективного диалога в процессе геометрического моделирования синтезируемого объекта.

По результатам исследований и разработок, представленных в Главе И, можно сделать выводы:

1. Структурное построение н алгоритмический уровень макроязыка соответствуют практике агрегирования летательных аппаратов весьма обширного класса, а для самолётов с крылом большого удлинения являются оптимальными.

2. Совокупность процедур макроязыка является полной для эффективного построения и воздействия на геометрическую числовую модель в проектировании аэродинамической компоновки и, следовательно, для эффективного проведения комплексного расчёта.

3. Опыт, накопленный в процессе разработки и внедрения макроязыка ОМС, показал правильность общих принципов, заложенных при разработке его структуры, семантики и морфологии, что позволяет рекомендовать их для разработки аналогичных проблемно-ориентированных языков высокого уровня.

4. Предложенный и реализованный на практике новый метод линий уровня для осуществления гладких локальных модификаций поверхностей агрегатов позволил, наряду с использованием макроязыка воздействия на геометрическую модель, практически обеспечить полный инструментальный набор для геометрического моделирования объектов в процессе комплексного расчёта и автоматизированного проектирования.

5. Таким образом, создание и применение макроязыка ОМС и метода линий уровня для гладких локальных модификаций поверхности летательного аппарата позволили осуществить многовариантные расчёты и выбор наилучших проектов ряда важных изделий авиационной промышленности. Наряду с этим, представленные разработки являются значительным продвижением в методологии геометрического моделирования сложных объектов и решении научных проблем автоматизированного проектирования.

Глава III. МОНИТОРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫХ РАСЧЁТОВ И САПР

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В этой главе рассмотрены принципы построения и реализация разработанной мониторной системы для управления модульным пакетом программ и данными для

многодисциплинарных расчётов летательного аппарата, в том числе в системе автоматизированного проектирования.

Анализ методов управления, разработанных отечественными и зарубежными организациями, показал их недостаточность для автоматизированного проектирования, что определило необходимость разработки нового метода управления и на его основе мониторной системы, представляемой в диссертации.

§3.1. Анализ методов управления программами и данными. Разработки методов управления, осуществлённые в нашей стране и за рубежом, можно разделить на три группы, построенные на основе:

- языков программирования типа ФОРТРАН;

- макрокоманд супервизора;

- языков управления заданиями.

Главный критерий выбора метода управления - это наилучшее соответствие многоуровневому процессу комплексного расчёта и проектирования: от определения облика аппарата до интегрированного расчёта на уровне рабочего проектирования. При этом необходимо использовать достаточно сложные методы аэродинамики и прочности (соответственно и программы), оперирующие на трёхмерных полях большой размерности с обменом между программами массивами переменной длины.

Сопоставление методов управления перечисленных трёх групп показало, что каждый из них имеет достоинства и недостатки, но любой из этих методов не обеспечивает всех требуемых условий управления в решении задачи многодициплинарного расчёта и САПР.

Метод управления на основе языков программирования с использованием таких средств как CALL и COMMON, учитывая простоту и возможность реализации в одной программной единице нескольких тематических аспектов комплексного расчёта, был распространён на начальных этапах создания сравнительно небольших программных многодисциплинарных средств САПР, т.к. позволял достаточно быстро создавать комплексы небольшой группой разработчиков. Тем не менее, недостаточное соответствие программного средства процессу проектирования обусловлено следующими причинами: «жестким» управлением программами на заранее предусмотренном информационном графе, очень высокой «чувствительностью» системы к модификации и быстрым логическим насыщением: на этом пути образуется своего рода логический предел в расширении программного средства. Влияние перечисленных недостатков этого метода управления программами тем больше, чем крупнее создаваемое программное средство. Следовательно, этот метод ограничен и его целесообразно применять только для небольших комплексных программных средств.

Комплексные программы, реализованные на одном загрузочном модуле, были созданы в нескольких САПР отечественных организаций машиностроения (ряд ОКБ авиационной промышленности) и в зарубежных системах, например, TRANSYN (центр им. Эймса, NASA), С ADD (McDonnell Douglas), HYSYN ( General Dynamics).

Метод управления на основе макрокоманд супервизора с использованием таких макрокоманд, как LINK, LOAD, ATTACH, GETMAIN, FREEMAIN и др., позволяет осуществлять вызов функциональных загрузочных модулей. Особенность этого метода управления состоит в том, что при его использовании структура программного комплекса является динамической. В этой структуре существует не один загрузочный модуль (простой или оверлейный), а совокупность загрузочных модулей, что позволяет построить обмен через динамически запрашиваемую память и отказаться от «жесткой» логики расчёта и проектирования.

Примерами систем на основе этого метода управления являются системы: CPDS (Boeing); система САПР, созданная в своё время в МАИ.

Тем не менее, применение этого метода не решает в полной мере проблемы управления данными, и наряду с этим проектировщик (не профессиональный программист) должен знать функциональные детали операционной системы ЭВМ.

Метод на основе языков управления заданиями также использует динамическую структуру для множества прикладных программ, представляемых в виде совокупности готовых

к выполнению загрузочных модулей. При этом можно построить их выполнение, описав в терминах языка управления заданиями в виде шагов задания с обменом данных между шагами заданий через файлы внешней памяти. Примерами систем, использующих средства языка управления заданиями, являются системы: IDEAS (Grumman), ODIN(IJeinp им. Лэнгли, NASA).

В целом анализ и опыт применения средств операционной системы, т.е. макрокоманд супервизора и языка управления заданиями показал, что этих средств недостаточно при создании и использовании математического обеспечения для комплексных расчётов и САПР летательных аппаратов и других сложных изделий машиностроения.

Необходимо построение нового метода управления программами и данными, обобщающего наилучшие механизмы управления предыдущих разработок. Критерий построения - это наилучшее соответствие задачам многодисциплинарного расчёта и САПР сложных изделий, следствием чего является необходимость обеспечения различных уровней расчёта и проработки проекта: от предварительного его облика до рабочего проектирования; при этом осуществляется решение большого числа смежных и комплексных задач с необходимостью реализации весьма гибкой логической структуры взаимодействия составляющих программных модулей.

§ 3.2. Принципы построения, функции мониторной системы и язык директивной спецификации проблемы В основу построения системного и прикладного математического обеспечения комплексного расчёта, в том числе его главного компонента - мониторной системы, были положены следующие принципы:

- обеспечение возможности гибкой настройки множества функциональных модулей-солверов на различные комплексные исследовательские и проектировочные проблемы посредством языка директивной спецификации проблемы;

- автоматический синтез рабочей программы по заданной спецификации проектировочной проблемы;

- возможность простой модификации открытого множества прикладных функциональных модулей: добавления, удаления, редактирования при появлении новых усовершенствованных модулей;

- ориентация в использовании системы на инженера-исследователя и проектировщика, не обязательно являющихся программистами;

- обеспечение диалогового и пакетного режима, поэтапного решения и рестартов на основе одной мониторной системы;

- обеспечение обмена между модулями унифицированными по формату блоками данных, состоящими из записей переменной длины, и с организацией специального динамического пула памяти;

- простая и гибкая адаптация мониторной системы к различным конфигурациям ЭВМ и версиям операционных систем.

Задание на выполнение формируется посредством языка директивной спецификации проблемы. Спецификация . задается как последовательность имен функциональных модулей, сочетающаяся с операторами управления, позволяющими формировать языковую директиву любой структуры по управлению. Язык ДСП включает в себя также операторы работы с блоками данных и параметрами.

Операторы языка ДСП классифицированы аналогично операторам языков высокого уровня и распределяются по следующим группам:

- директивы оформления текста спецификации, фиксирующие её начало, конец и метки;

- директива включения функционального модуля:

MODNAME INPI, ... , INPK / OUTI, OUTL / PI..... PM, в которой после имени

перечисляются входные, выходные блоки данных и параметры;

- директивы управления: построения циклов, в том числе вложенных, условного и безусловного перехода;

- директивы, обеспечивающие работу с блоками данных, записи и запроса блоков из банка данных, модификации блоков данных;

- директивы определения параметров и операций с ними;

- директивы ввода-вывода и редактирования данных, размещаемых на многотомных проблемных файлах.

Спецификация проблемы, как способ лаконичного задания на выполнение, ориентирована на профессиональные навыки исследователя и проектировщика, являясь проблемно-ориентированным языком высокого уровня.

Цикл перебора типовых маневров по траектории

LABEL LI GNERS

Цикл отработки компоновки ЛА на отсутствие реверса и дивергенции

EXPCOR BALANS AHR NG DEFO R NDS

REPT L 1, NC2

LABEL L2

REVDIV COND L3, 1 VAR PM UPR MAS AER VL ARS URS OAER MG AER PR

LABEL L3 REPT L2, NC 1

Модули расчета

упруго-массовых

характеристик,

аэродинамических

коэффициентов

влияния и

производных

Модули расчета балансировки,

нагрузок, деформации и HDC

фиг.3.1

В качестве примера приведем директивную спецификацию проблемы «Расчёт аэродинамических характеристик и напряжённо-деформированного состояния упругого самолёта при установившемся манёвре» (фиг. З.1.).

Спецификация структурирована с одновременным использованием правила проектирования «сверху-вниз», по которому применение вложенных структур позволяет осуществлять поэтапную детализацию проблемы. Кроме того, это даёт возможность:

- представить проблему от постановки в традиционных терминах проектируемого изделия через спецификацию проблемы до программной реализации по единым структурным правилам, обеспечивая этим проблемную ориентацию системы на исследователя или проектировщика;

- создать обозримые, читабельные спецификации с меньшей их структурной сложностью, обеспечив при этом согласованность вложенных структур с принятой в системе

технологией использования макродиректив - групп директив, представляющих собой тематическую «связку» совместно используемых модулей;

- легко локализовать область модификации ДСП, не проводя анализа всей программы;

В системе обеспечивается работа с часто используемыми поименованными группами директив, получивших в системе название жестких форматов ДСП и помещаемых в библиотеку каталогизированных процедур. Для их вызова в языке ДСП есть специальная директива SOL PROB1.

§ 3.3. Состав мониторнои системы и организация вычислительного процесса

Множество функциональных модулей в системе представлено совокупностью загрузочных модулей, получивших название функциональных звеньев, каждое из которых включает в себя несколько функциональных модулей. Вся система препарирована и всегда готова к использованию в загрузочном виде.

В состав мониторнои системы входит главный монитор, функциями которого являются: поиск на файле хранения звеньев необходимого загрузочного звена, загрузка его и передача управления монитору этого звена.

Каждое звено, имея оверлейную структуру, состоит из корневого сегмента и ряда оверлейных сегментов. В корневой сегмент входят: монитор звена, планировщик ресурсов, компилятор ДСП, интерпретатор управляющих входов, программы по работе с блоками данных.

Множество функциональных модулей, сформированное для выполнения некоторого класса проблем, идентифицировано в системе специальным списком свойств модулей, в котором каждый функционатьный модуль представлен своим именем, входными, рабочими и выходными блоками данных и параметрами.

Принципиальная укрупнённая структура мониторной системы представлена на фиг.3.2. Режим пакетной обработки осуществляется в такой последовательности:

- передача управления главному монитору;

- вызов главным монитором в оперативную память подготовительного звена и передача управления монитору этого звена;

- выполнение операций по подготовке системы к работе под заданную спецификацию проблемы или одну директиву;

- компиляция директивной спецификации проблемы и инициализация таблицы управления последовательностью выполнения;

- считывание начала таблицы интерпретации выполнения и определение (по таблице расположения функциональных модулей по звеньям) того загрузочного звена, в котором находится первый для выполнения функциональный модуль. Этот загрузочный модуль-звено вызывается с файла хранения звеньев в оперативную память, и управление передается монитору этого звена.

Монитор загрузочного звена вызывает функциональный модуль на выполнение; если модуль состоит из главной программы и подпрограммы, то управление передаётся главной программе и выполнение продолжается стандартным образом.

По завершении работы первого функционатьного модуля монитор звена считывает в таблице интерпретации выполнения имя следующего функционального модуля и по таблице расположения функциональных модулей по звеньям определяет, находится ли модуль в данном звене и, если находится, то просто вызывает его, а если нет, монитор определяет, в каком загрузочном звене находится модуль, и имя этого звена передаёт главному монитору.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА МОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ

ВХОДНОЙ ЯЗЫК САПР

Процесс осуществляется до завершения последовательности, указанной в директивной спецификации проблемы.

Организация режима диалога отличается от организации пакетной обработки с этапа передачи управления монитору подготовительного звена.

Монитор подготовительного звена вызывает компилятор ДСП, который компилирует одну или несколько директив, набранных на терминале и завершенных директивой START (в отличие от END), и затем инициализирует вход в таблице интерпретации выполнения. Монитор определяет загрузочное звено, в котором расположен необходимый функциональный модуль. Главный монитор загружает звено и передает управление его монитору; монитор считывает в таблице интерпретации вход и вызывает модуль на выполнение. Диалог продолжается до момента ввода пользователем директивы END.

Особенностью данной мониторной системы является также то, что обработка прерываний осуществляется ею, а не средствами стандартной ОС, так как стратегия обработки прерываний подчинена одной цели: не дать заданию окончиться аварийно.

Фрагменты этого метода управления диалогом есть в таких системах, как CAPS (British Aircraft) и IPAD (NASA), созданной с учётом опыта расчётной системы NASTRAN.

В системе допустимы четыре типа рестартов: простой, псевдомодифицированный, модифицированный и переключатель жесткого формата SOL.

Простой рестарт используется тогда, когда пользователь повторно инициализирует проблему или её часть без изменения каких-либо данных.

Псевдомодифицированный рестарт используется при запросе дополнительной выходной информации, в результате чего повторяется выполнение не всех функциональных модулей, а только тех, которые генерируют дополнительные данные.

Модифицированный рестарт - это повторный запуск с изменением исходных данных. В системе есть механизм, позволяющий определять, какие выводные блоки данных прямо или косвенно связаны с изменёнными исходными данными и какие функциональные модули нужно выполнить выборочно для получения новых выходных блоков.

Рестарт-переключатель жесткого формата используется в ситуации, когда два или несколько жестких форматов имеют общую корневую часть. Повторная инициализация корневой части, выполненная через одну ветвь, позволяет доставить новые блоки данных другим ветвям, т.е. фактически получить новые значения блоков данных на выходе других жёстких форматов.

При работе в режиме диалога пользователь организует рестарт с помощью директивы REPT («повторить») с указанием метки повторного входа.

Таким образом, мониторная система обеспечивает полный спектр режимов взаимодействия проектировщика и обрабатываемой проблемы в соответствии с её директивной спецификацией, предоставляя ему возможность воспользоваться весьма гибким механизмом управления в процессе проектировочного расчёта.

§ 3.4. Обмен информацией между модулями и наполнение системы прикладными программами. Функциональные модули, входящие в систему, являются независимыми программными единицами, поэтому обмен информацией между ними организован посредством унифицированных по структуре блоков данных.

Единая структура блоков данных обмена имеет следующий вид:

ИМЯ ТРАЙЛЕР ЗАПИСЬ 1 ЗАПИСЬ 2

БЛОКА

Имена блоков формируются при создании функционального модуля, в описании свойств которого даются имена всем входным и выходным блокам данных. Имя блока данных в системе является уникальным.

Длина записи является переменной. Для записи, хранения и чтения этих блоков данных образован пул динамической памяти (фиг. 3.2), объединяющий в единую структуру по типу двухсвязных списков оперативную память, память на дисках и лентах.

Функциональный модуль делает запрос на размещение блоков данных в пуле и планировщик ресурсов осуществляет распределение памяти пула.

В ситуации, когда пул полностью исчерпан, планировщик ресурсов проводит операции по "чистке" пула: выключает блоки данных, которые уже не нужны в дальнейшем, и освободившуюся память распределяет под другие блоки данных; если таких блоков нет, анализирует блоки данных по их следующему времени использования и блоки с наибольшим временем переписываются в объединённый системный файл.

В процессе планирования ресурсов используются системные таблицы управления последовательностью выполнения и таблица размещения блоков данных в пуле динамической памяти.

Такая организация существенно упрощает работу планировщика ресурсов, экономит пространство динамического пула, т.е., в конечном счёте, ускоряет процесс выполнения.

Важным свойством разработанной моииторной системы является то, что система допускает включение любого числа прикладных модулей без ограничений, т.е. система является открытой для расширения.

Новый прикладной функциональный модуль либо может быть подключён к уже имеющемуся загрузочному звену, либо для него или нескольких новых модулей создаётся новое звено.

Очевидно, что как первоначальное формирование загрузочных звеньев, так и включение в них новых функциональных модулей целесообразно проводить в соответствии с тематической направленностью и взаимосвязью компонентов комплексного расчёта. Как правило, звено компонуется из модулей, наиболее часто используемых в одном тематическом направлении.

Прикладная программная среда представляет собой множество модулей в загрузочном виде. Входные и выходные данные модуля, включаемого в программную среду мониторной системы, оформляются посредством специальных операторов ввода-вывода для выполнения механизма обмена информацией посредством блоков данных - это единственная модификация, которую необходимо проводить для включения имеющегося модуля в систему. Вновь разрабатываемые тексты модуля необходимо составлять сразу с использованием этих специатьных операторов.

В настоящее время в программную систему, функционирующую под управлением мониторной системы, включены несколько модульных пакетов программ по аэродинамике, прочности и другим дисциплинам, каждый из которых представляет собой несколько десятков модулей-солверов.

§ 3.5. Пример внедрения мониторной системы для комплексного расчёта прототипа воздушно-космического самолёта «Буран». В период разработки и доведения мониторной системы до рабочего уровня было реачизовано несколько комплексных расчётов различного объёма. В качестве примера, в диссертации демонстрируется управление посредством мониторной системы и схема взаимодействия модулей в осуществлении многодисциплинарного комплексного расчёта летательного аппарата класса ВКС «Буран» (фиг. 3.3). Математические модели, вложенные в программные модули аэродинамики, построены на основе полных нелинейных уравнений Эйлера, в модулях по прочности используется метод конечного элемента.

Пример применения мониторной системы для комплексного расчёта прототипа ВКС «Буран»

Создание самой мониторной системы, разработки по включению перечисленных программ по аэродинамике и прочности в среду под управлением мониторной системы для расчёта прототипа ВКС «Буран», разработки интерфейс-процессоров проводились под научным руководством и при непосредственном участии диссертанта. Конкретные результаты расчёта аэродинамических характеристик и напряжённо-деформированного состояния прототипа ВКС «Буран» в работе не комментируются, так как они не являются предметом, представляемым для рассмотрения в диссертации.

Применение мониторной системы в проведении подобных сложных комплексных расчётов, показало высокую эффективность мониторной системы, так как многократные и многовариантные расчёты проекта под её управлением требуют значительно меньших затрат труда и времени.

Это эквивалентно тому, что в определённые календарные сроки применение мониторной системы позволяет проводить существенно больший спектр повариантных расчётных исследований проекта и, тем самым, в большей мере приблизить совокупность его параметров и характеристик к оптимальным.

Выводы по разработкам, представленным в главе III.

1. Результаты использования мониторной системы во всех режимах, ею эбеспечиваемых, - пакетном, диалога, рестарта, загрузки и модификации исходных данных и эедактирования результатов решения проблем - показали высокую эффективность системы

з работе с модульными пакетами и массивами данных комплексного расчёта и 1втоматизированного проектирования летательного аппарата.

2. Организация прикладной программной среды по такому типу, когда множество функциональных модулей-солверов размещается в нескольких (не в одном) загрузочных ¡веньях, обеспечивает гибкость их вызова и поэтому такое построение наиболее эффективно в лроцессе решения проблемы комплексного расчёта.

3. Достоинства данной мониторной системы определены принципами её построения, зассмотренными в разделе § 3.2. Дополнительно необходимо отметить следующие её греимущества, это:

- минимальный объём работ по программированию при необходимости модифицировать >ткрытый для расширения состав прикладных функциональных модулей;

сведение до минимума конфликтных ситуаций в распределении ресурсов ЭВМ в

ipouecce выполнения расчётов с использованием больших тематических программ и обработки инных большого объёма;

- представление информации обмена в виде блоков данных унифицированного формата и щнотипность работы с модулями и блоками данных посредством языка директивной :пецификации проблемы;

- простая адаптация мониторной системы к различным конфигурациям ЭВМ и

1ерсиям операционной системы;

- сохранение перспективы использования основных принципов построения и iexaini3MOB управления прикладными модулями и блоками данных в компьютерах шследующих поколений.

4. Применение мониторной системы для комплексного расчёта летательного аппарата ложной интегральной компоновки, каким является прототип воздушно-космического самолёта :Буран», показало правильность заложенных в создание мониторной системы принципов, фактическое наличие вышеперечисленных преимуществ и её высокую эффективность в юлом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны научные основы создания и эффективного функционирования Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ, обеспечивающего исследовательские и проектировочные расчёты летательных аппаратов нового поколения, при этом:

- создана классификация математических моделей по совокупности разделов по различным дисциплинам аэромеханики самолёта и определены принципы идентификации программных средств с вложением этих моделей;

- осуществлены методические разработки по документированию программных средств в целях сертификации и распространения; подготовлена и издана серия «Информационных сборников прикладных программ по аэромеханике самолёта» с распространением по авиационной и всем другим отраслям машиностроения;

- выработаны принципы, внедрены рабочие правила и разработаны программные постпроцессоры, обеспечивающие общее и единое макроформатирование данных расчёта и эксперимента;

- и, как итоговый результат цикла работ по ОФАП, создана базовая среда прикладного математического обеспечения для многодисциплинарных комплексных расчётов и автоматизированного проектирования летательных аппаратов.

2. Разработана вычислительная система взаимодействия, в которой обеспечено взаимодействие специалистов различных специальностей в процессе решения общей для них комплексной многодисциплинарной задачи. При этом построены: «сценарий» взаимодействия, вычислительный процесс, правила принятия решений, которые в совокупности позволили группе специалистов осуществить оптимальный синтез проекта и сделать это на порядок быстрее по сравнению с традиционной технологией применения компьютеров.

Создание первой системы взаимодействия, осуществленное автором в 1973 году («Учёные записки ЦАГИ», том IV , № 2, 1973 г.), является научным приоритетом в области применения вычислительной техники для оптимального синтеза сложного изделия машиностроения и началом нового научного направления в развитии информационных технологий: методологии создания комплексного проекта посредством информационного взаимодействия специалистов на основе компьютерных платформ.

Принципы и технология взаимодействия получили дальнейшее развитие в настоящее время в осуществлении многодисциплинарных расчётов специалистами по тематическим направлениям аэромеханики на платформах распределённых интерактивных вычислительных систем сетевой открытой архитектуры с корпоративным дистанционным объединением ШБС-процессорных рабочих станций. Примером такой системы является распределённая вычислительная система ЦАГИ, создаваемая под научным руководством и при участии автора.

Опыт использования методов взаимодействия в проведении многодисциплинарных расчётов на распределённой интерактивной вычислительной системе, в частности, успешный комплексный расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта, показал высокую эффективность методов взаимодействия и распределённых вычислительных систем.

3. Создана диалоговая инструментальная система для препарирования прикладных программ на параллельные процессы, которая на практике показала свою высокую эффективность. В работе приведены результаты решения задачи совмещённого расчёта по аэродинамике и прочности упругого крыла самолёта, успех решения которой в значительной своей части определился построением итерационного взаимодействия параллельных макропроцессов: аэродинамического расчёта и расчёта на прочность конструкции.

4. В связи с тем, что геометрическая модель самолёта является исходной информацией для всех тематических направлений комплексного расчёта, создан математический

шструмент построения и модификации геометрической числовой модели посредством аконичного способа заданий на модификацию - алгоритмического макроязыка описания и юдификации геометрической модели самолёта.

Разработанный макроязык позволил варьировать практически все требующие юдификаций в процессе аэромеханического расчёта параметры внешней формы самолёта, водя в компьютер минимальную по объёму информацию и перекладывая на него все основные ложные процедуры модификации.

Предложен новый метод построения гладких локальных модификаций поверхностей • метод линий уровня, который в совокупности с использованием базиса В-сплайнов беспечивает локальную модификацию с отсутствием влияния на остачьную часть поверхности грегата.

Создание и применение макроязыка построения геометрической модели летательного ппарата в значительной части определило успех в осуществлении многовариантных расчётов ри проектировании ряда важных самолётов. Наряду с этим, разработка макроязыка явилась [родвнженнем в развитии методов геометрического моделирования сложных объектов ■ашиностроения и решении научных проблем автоматизированного проектирования.

5. Создана мониторная система, обеспечивающая эффективное управление >ункциональными прикладными программами и данными в процессе решения шогодисциплннарной проблемы комплексного расчёта и автоматизированного [роектирования летательного аппарата.

Посредством языка Директивной Спецификации Проблемы, являющегося нструментальным средством задания входной информации для решения проблемы, юниторная система как надстройка над стандартной ОС обеспечивает:

- автоматический синтез рабочей программы с гибкой настройкой логической структуры взаимодействия функциональных модулей-солверов и блоков данных в процессе многократного многовариантного комплексного расчёта;

- все режимы функционирования, необходимые для эффективной организации проектировочного комплексного расчёта, именно режимы: пакетной обработки, диалога, различных видов рестарта, загрузки и модификации исходных данных и редактирования результатов выполнения;

- обмен между модулями унифицированными по формату блоками данных с организацией специального динамического пула памяти, объединяющего все виды памяти, в том числе и память на магнитных дисках и лентах, - что было и остаётся актуальным для обработки очень больших объёмов расчётной и проектировочной информации.

Созданная мониторная система обладает также перечисленными далее достоинствами:

- возможностью сравнительно простой модификации открытого для расширения множества прикладных функциональных модулей, т.е. минимизацией работ по системному программированию благодаря отделению системных функций от прикладного программного обеспечения; при этом весьма существенно, что при расширении прикладного программного обеспечения и объёма информации не возникает кризис в организации управления модулями и данными, как это , например, происходит при использовании обычных средств языков программирования и макрокоманд супервизора;

- сведением до минимума конфликтных ситуаций в распределении ресурсов ЭВМ, в особенности при выполнении расчётов посредством больших прикладных программ и при обработке массивов данных переменной длины и большой размерности;

- совмещением в одном входном языке директив работы с прикладными программами и блоками данных, обеспечивающим однотипность работы с ними;

В связи с тем, что мониторная система является «слабосвязанной» со стандартной ОС надстройкой, сохраняются перспективы использования многих разработанных принципов управления прикладными модулями и блоками данных в компьютерах следующих поколений, в том числе при использовании супер-ЭВМ различных архитектур.

Сопоставление методов управления программными средствами и информацией в системах автоматизированного проектирования, применяемых в крупных мировых научных и проектно-конструкторских центрах, показало, что разработанная мониторная система наилучшим образом соответствует успешному выполнению многодисциплинарных расчётов с использованием сложных математических моделей и с необходимостью обработки данных очень большой размерности.

Реализованный комплексный расчёт прототипа воздушно-космического самолёта "Буран" подтвердил преимущество созданной мониторной системы.

Созданная мониторная система отвечает также условию выполнения критерия наилучшего соответствия задачам многодисциплинарного комплексного расчёта и САПР сложных проектов, каким является летательный аппарат, т.к. посредством мониторной системы наилучшим образом обеспечивается разработка проекта: от предварительного его облика до расчётов, являющихся частью рабочего проектирования. Наряду с этим, реализованные принципы управления наилучшим образом соответствуют методам формирования оптимального проекта через многократные повариантные расчёты, другими словами, методам оптимального синтеза посредством решения задач анализа с механизмом многокритериального улучшения проекта при наличии достаточно большого числа ограничений.

6. Итоговым результатом научных разработок, представленных в диссертации, является создание принципов построения и основных компонентов математического обеспечения для многодисциплинарных комплексных расчётов и автоматизированного проектирования летательных аппаратов. Полученные результаты в течение ряда лет напрямую использовались в практике создания важнейших отечественных самолётов и являются значительным вкладом в развитие информационных технологий.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Буньков Н.Г. О структуре потока задач и некоторых особенностях вычислительных систем отраслевого НИИ. Труды Всесоюзной конференции по программированию, Киев, 1968.

2. Буньков Н.Г. Организация внедрения ЭВМ для тематических исследований и управления НИИ. Авиационная промышленность, Хв 5, 1970.

3. Буньков Н.Г., Бовин В.Г., Козуля И.И. Математическая имитационная модель вычислительной системы коллективного пользования для научных расчётов. Технические отчёты ЦАГИ, 1970.

4. Буньков Н.Г., Смирнов А.Д. О комплексном использовании вычислительной техники в НИИ и ОКБ (Единые информационно-вычислительные системы). Авиационная промышленность, № 4, 1972.

5. Буньков Н.Г., Козуля И.И., Бовин В.Г. Исследование функционирования и структурь вычислительной системы коллективного пользования для научных расчётов. Труды ЦАГИ вып. 1648, 1975.

6. Буньков Н.Г., Ильичев В.Д. О вычислительных системах взаимодействия дго комплексных расчётов в аэромеханике. Учёные записки ЦАГИ, том IV, № 2, 1973.

7. Буньков Н.Г., Новиков Ю.В. Макроязык описания и модификации геометрическо! цифровой модели самолёта. Учёные записки ЦАГИ, том V, № 6,1974.

8. Буньков Н.Г., Смирнов АД. Планирование обработки частично детерминированного тотока задач в смешанном режиме пакетной обработки и разделения времени. Вычислительный журнал Австралии, том 7, № 2, 1975. The Australian Computer Journal, Vol 7, No 2, July 1975.

9. Буньков Н.Г. и группа соавторов. Методические указания к описанию программ, включаемых в фонд программ авиационной промышленности. Издание ЦАГИ, 1978 ДСП

10. Буньков Н.Г., Свищёв Г.П„ Бюшгенс Г.С., Смирнов А.Д., Соколов Б.Н., Шкадов JI.M. Автоматизация проектирования в авиационной промышленности. Межотраслевой Научно-технический сборник «Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация проектирования», вып. I (4), М., 1978. ДСП

11. Буньков Н.Г., Захаров А.Г. Автоматизированная система проектирования крыльев большого удлинения при докритических числах М. Межотраслевой Научно-технический :борник «Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация проектирования», вып. I ;i6),M., 1979. ДСП

12. Буньков Н.Г., Новиков Ю.В., Чудненко Б.Н. Функционачьные возможности проблемно-эриентированного математического обеспечения описания и модификации геометрической шсловой модели внешних обводов самолёта. Межотраслевой Научно-технический сборник (Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация проектирования», вып. I, М., 1981.

13. Буньков Н.Г. Системное математическое обеспечение комплексных расчётов по оромеханике и автоматизированному проектированию. Технический отчет ЦАГИ, 1981.

14. Буньков Н.Г., Ильичев В.Д. Интегрированный комплексный аэромеханический расчёт упругого самолёта (ИКАРУС). Технический отчёт ЦАГИ, 1981.

15. Буньков Н.Г., Стрикан В.М. Мониторная система САПР. Межотраслевой Научно-технический сборник «Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация фоектирования», вып. 2, М., 1982. ДСП

16. Буньков Н.Г., Галкин С.И., Сермягин A.B. Информационное обеспечение системы (естной прочности планера самолёта. Труды конференции по ресурсу авиаконструкций, 1983.

17. Буньков Н.Г., Стрикан В.М. Обмен данными в мониторной системе САПР. Доклады Всесоюзного совещания - семинара « Теоретические и прикладные вопросы разработки, >недрения и эксплуатации систем автоматизированного проектирования РЭА». М., 1984.

18. Буньков Н.Г., Стрикан В.М. Методы управления программами и данными в системах 1втоматизированного проектирования, базирующихся на ЕС ЭВМ. Межотраслевой Научно-ехнический сборник «Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация [роектирования», вып. 2-3, М., 1984. ДСП

19. Буньков Н.Г. Принципы построения и реализация мониторной системы модульного юмплекса программ. Комплексы программ математической физики (материалы VIII 5сесоюзного семинара по КПМФ, 1984).

20. Буньков Н.Г., Агапов В.П., Ильичев В.Д., Стрелин A.B. Универсачьный адаптивный >азовый пакет МКЭ для комплексных расчётов конструкций. Комплексы программ 1атематической физики (материачы VIII Всесоюзного семинара по КПМФ, 1984).

21. Буньков Н.Г., составитель совместно с Сарминым Э.Н. Информационный сборник [рикладных программ по аэромеханике самолёта. Издание ЦАГИ. Вып. I, 1981. Вып. 11,1982. ¡ып. III, 1985. Вып. IV, 1987. Вып. V, 1988. Вып. VI,1989. Вып. VII, 1990. ДСП

22. Буньков Н.Г., Новиков Ю.В. Локальные модификации формы тел в задачах втоматизированного геометрического проектирования. Межотраслевой Научно-технический борник «Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация проектирования», вып. 2, Д., 1985. ДСП

23. Буньков Н.Г., Проворов JI.B. Об одной технологии автоматизированной разработки :рикладного математического обеспечения САПР. Межотраслевой Научно-технический

сборник «Техника, Экономика, Информация», серия «Автоматизация проектирования», вып.2, М, 1985. ДСП

24. Буньков Н,Г., Новиков Ю.В., Чудиенко Б.Н., Игнатьев С.Г. Структура и организация программного обеспечения автоматизированной системы аэродинамического расчёта крыла. Труды ЦАГИ, вып. 2277, 1985.

25. Буньков Н.Г., Новиков Ю.В., Чудиенко Б.Н. Диалоговый алгоритмический макроязык описания и модификации геометрической числовой модели внешних обводов самолёта. Структурный подход. Труды ЦАГИ, вып. 2277, 1985.

26. Буньков Н.Г. , Сармин Э.Н. Комплекс программ построения однопараметрических и двухпараметрических сглаживающих сплайнов для автоматизированного проектирования. Труды ЦАГИ, вып. 2277, 1985.

27. Буньков Н.Г., Сармин Э.Н., Павлова З.А. Методические указания к оформлению программных средств, включаемых в отраслевой фонд алгоритмов и программ. Издание ЦАГИ, ЛИИ,ЦГОС, М„ 1985. ДСП

28. Буньков Н.Г., Ильичев В.Д. Комплексный расчёт и автоматизация проектирования летательного аппарата. Труды ЦАГИ, вып. 2305,1986.

29. Буньков Н.Г., Стрикан В.М. Мониторная система для комплексных расчётов летательных аппаратов в системе автоматизированного проектирования. Труды ЦАГИ. Вып. 2305, 1986.

30. Буньков Н,Г,. Ечькин Ю.Г., Коношенко М.П., Смирнов А.Д., Телегин П.Н. Вопросы макрораспараллеливания. Труды Всесоюзной Конференции «Математические методы и ИБС обработки изображений», 1987.

31. Буньков Н.Г., Сармин Э.Н. Некоторые вопросы функционирования отраслевого фонда алгоритмов и программ. Труды II Отраслевой научно-технической конференции по автоматизированному проектированию летательных аппаратов, 1987.

32. Буньков Н.Г., Стрикан В.М. Мониторная система САПР. Труды II Отраслевой научно-технической конференции по автоматизированному проектированию летательных аппаратов, 1987.

33. Буньков Н.Г., Аровии A.A., Галкин СЛ., Седристый В.И., Сермягин A.B., Шевцов В Н., Камышанцев В.Ю., Нижегородов В В. Результаты опытной эксплуатации системы обеспечения местной прочности авиаконструкций, реализованной на основе использования современной системы управления базами данных. Труды II Отраслевой Конференции по САПР летательных аппаратов, 1987.

34. Буньков Н.Г. Результаты и проблемы компьютеризации ЦАГИ. Тезисы докладов по Международной конференции, посвященной 75-летию ЦАГИ «Методы и средства экспериментальных исследований в аэронавтике», 1993.

35. Буньков Н.Г., Стрикан В.М. Принципы построения и реализация программной среды в мониторной системе САПР. Труды ЦАГИ, вып.2524, 1994.

36. Буньков Н.Г. Проблемы компьютеризации в институте. Труды ЦАГИ, вып. 2524, 1994.