Моделирование в задаче автоматизированного проектирования сложных конструктивно-силовых схем
Введение
Как известно, проектирование конструктивно-силовых схем (КСС) представляет собой задачу структурно-параметрического синтеза, включающую синтез схемного решения и определение оптимальных параметров элементов схемы, а также является неотъемлемой частью общего процесса компоновки самолета. Ее решение должно быть получено уже на ранних этапах, до начала крупномасштабной разработки конструкции, поскольку именно на этой стадии принимается большинство конструктивно-технологических решений. До сих поиск схемного решения нередко проводится эвристическими методами на основе субъективных мнений и опыта. Если при этом используются только упрощенные расчетные модели, то точность и достоверность проводимых в обоснование расчетов является невысокой.
Произошедшие в последнее время усложнение конструктивно-силовых схем самолетов и рост требований рынка к качеству проектирования привели к необходимости применения для решения этой задачи метода конечных элементов (МКЭ). Этот метод позволяет корректно моделировать работу сложных конструкций, автоматизировать элементы синтеза схемного решения, но в силу высокой трудоемкости и большой продолжительности подготовительно-заключительного цикла использовался широко лишь на более поздних стадиях проектирования [1].
Для формирования конструктивно-силовых схем высокой геометрической и топологической сложности в ОАО «ОКБ Сухого» создан специализированный программный комплекс, позволяющий широко использовать МКЭ благодаря автоматизации его базовых технологических процессов [2].
Принцип построения программного комплекса
Программный комплекс представляет собой автоматизированную технологическую оболочку для решения задачи проектирования КСС, оснащенную набором программных средств разносторонней оптимизации параметров проектируемой конструкции. Такая организация позволяет пользователю легко оперировать необходимым набором оптимизационных алгоритмов, которые привлекаются к решению с использованием одних и тех же базовых подходов к моделированию конструкции, единых алгоритмов прочностных расчетов, единых подходов к обработке потоков входной и выходной информации.
Под автоматизированной технологической оболочкой понимается двухкомпонентная система, включающая:
- средства описания объектов (моделирующие средства) — структуры данных, позволяющие описывать объект проектирования таким образом, чтобы при этом реализовывалась максимальная возможность для автоматизации процесса решения задачи и снижения его трудоемкости;
- исполнительные средства — алгоритмы и программные модули, реализующие процедуры формирования и анализа КСС.
Ключевым компонентом моделирующих средств комплекса являются средства для описания структурного образа конструкции, определяющего внутренний состав объекта проектирования и способы соединения различных структурных звеньев (звеньев конструкции) между собой в единое целое. Являясь по сути своего рода каталогом звеньев конструкции, он определяет структуру остальных разделов моделирующих средств. Организация этого компонента позволяет в процессе проектирования:
- использовать любую требуемую степень детальности описания структуры объекта в соответствии с глубиной его проработки в процессе проектирования;
- оперативно отслеживать состояние структуры объекта.
С его помощью структура моделируемого объекта может быть построена на тех же уровнях иерархии, на которых базируется и структура реальной конструкции: детали, узлы, отсеки и агрегаты (рис. 1). Ее конфигурация для каждого конкретного объекта проектирования формируется индивидуально и может определяться как принципом конструктивно-технологического членения конструкции, так и другими соображениями. В зависимости от технологических потребностей процесса формирования КСС моделирующие средства позволяют наряду с перечисленными возможностями производить формирование «надструктурных» образований — вариантов конструкции и ее фрагментов. Таким образом, в целом организация структуры носит сетевой характер, сочетая в себе признаки как иерархической подчиненности, так и функционального участия ее звеньев в различных вариантах конструкции. В целом она обеспечивает проведение всех необходимых мероприятий по проектированию объектов, включая действия по осуществлению структурных изменений, формированию разного рода выборок по оперируемым зонам в целях выполнения процедур оптимизации параметров конструкции, а также обеспечения процесса обработки результатов.
Рис. 1. Схема построения иерархической структуры объектов проектирования
Моделирование в базовых элементах формирования КСС
Базовыми элементами формирования КСС являются процессы, связанные с выполнением многочисленных расчетов линейного напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций, такие как построение расчетных конечно-элементных моделей (КЭМ), непосредственно расчеты и обработка результатов. Поскольку в настоящее время в обиходе имеются готовые надежные средства, реализующие процедуру расчета, основными объектами автоматизации при разработке программного комплекса стали процессы построения расчетных КЭМ и обработки результатов расчета. Как известно, в методе конечных элементов исследуемая конструкция моделируется системой конечных элементов, соединенных между собой в определенных точках — узлах модели, в которых выполняется условие совместности деформаций.
Исходными для построения КЭМ являются данные, которые по отношению к процессу формирования КСС можно разделить на две группы. Первая группа — внешние данные — включает те данные, которые формируются вне процесса формирования КСС средствами сопредельных с ним процессов, в частности аэродинамической и объемно-весовой компоновки. Поскольку для решения этих задач используются различные автоматизированные средства, то их результаты, как правило, представляются в виде файлов данных (исходные модели). Эти данные включают описание внешних обводов, внутренних каналов самолета, а также информацию, составляющую основу конструктивно-компоновочной схемы (ККС), — разного рода схемы с привязкой основных агрегатов, функциональных блоков, отсеков и т.д.
Ко второй группе — внутренние данные — относятся те данные, которые определяются непосредственно в процессе формирования КСС. Это могут быть различные параметры, задающие конфигурацию и положение основных силовых элементов, а также информация, локально переопределяющая внешние данные.
Рис. 2. Схема построения расчетных конечно-элементных моделей
Для формирования конечно-элементных моделей реализован способ на основе применения промежуточной технологической модели конструкции — конструктивно-силовой модели (КСМ) — рис. 2. Идея привлечения промежуточной модели заключается в том, что ее вид выбран таким образом, чтобы при одних и тех же исходных данных были соблюдены следующие условия:
- трудоемкость процесса ее построения была бы существенно меньше, чем трудоемкость процесса построения КЭМ;
- переход от промежуточной модели к конечно-элементной мог быть автоматизирован;
- обеспечивалась бы достаточная идентичность процесса ее автоматизированного построения реальному процессу формирования КСС и при этом достигалась бы достаточная адекватность моделирования проектируемой конструкции.
КСМ полностью соответствует этим требованиям. По структуре и форме представления данных она максимально приближена к реальному описанию конструктивно-силовой схемы. Здесь разработчик КСС оперирует конструкторскими категориями создаваемого объекта (лонжерон, панель, шпангоут и т.п.) вместо менее удобных ему специфических категорий метода конечных элементов (узлы, элементы, подконструкции и т.п.). Благодаря тому что в предложенном способе построения КЭМ оба технологических перехода между различными моделями автоматизированы, резко снижено общее требуемое количество задаваемых вручную параметров, тем самым обеспечивается качественно более низкий уровень трудоемкости и сроков построения КЭМ.
Моделирующие средства конструктивно-силовой модели (КСМ)
Промежуточная модель конструкции (КСМ) создается в процессе формирования КСС как средство отображения ее текущего состояния и остается в памяти ЭВМ, претерпевая возможные изменения в ходе этого процесса. Она создается для каждого исследуемого варианта в момент его образования и сопровождает его в течение всего цикла формирования и использования, вплоть до удаления в случае отбраковки.
В составе КСМ в полном объеме представлена информация, отражающая силовую увязку конструкции. Чтобы обеспечить информационную достаточность, ее моделирующие средства определены так, как показано на рис. 3. Содержание и возможности структурного компонента определены функциональными возможностями моделирующих средств для описания структурного образа объектов проектирования. Геометрический компонент предназначен для моделирования информации о расположении, геометрической конфигурации элементов конструкции и их пространственных ограничениях для последующей трансформации ее в категории КЭМ. Ограничения могут носить характер определенных звеньев конструкции. Благодаря наличию структуры модели информация геометрического характера может задаваться как для каждого звена конструкции в отдельности, так и для группы звеньев. Таким образом может быть задана геометрия всех основных силовых элементов конструктивно-силовой схемы (панелей, нервюр, лонжеронов, шпангоутов и т.д.). Конструктивно-типовой компонент создан специально для задания исходных данных внутри мелких сборок на основе типовых конструктивно-топологических решений. В процессе их задания создается внутренняя структура сборки и формируются геометрические данные структурных звеньев — деталей. В настоящее время реализовано несколько типовых решений, охватывающих наиболее распространенные виды конструкций и удовлетворяющих большинство потребностей пользователей. В целом состав и объем информационных массивов КСМ полностью охватывают потребности процесса формирования КСС в обеспечении необходимого уровня точности и подробности конечно-элементного моделирования.
Рис. 3. Моделирующие средства КСМ
В процессе проектирования КСС пользователь может создавать требуемое количество расчетных конечно-элементных моделей и проводить все необходимые действия по оптимизации параметров не только в различных вариантах конструкции в целом, но и в отдельных их фрагментах. По окончании всех вычислительных процедур он может визуализировать результаты расчетов любых звеньев конструкции или произвольно заданных групп звеньев, естественным образом отсекая лишнюю информацию (рис. 4).
Рис. 4. Визуализация компонентов напряженно-деформированного состояния конструкции
Заключение
Поскольку принятая система моделирования объектов универсальна и не зависит от конфигурации проектируемой конструкции, все методики по формированию конструктивно-силовых схем, положенные в основу программного комплекса, могут быть использованы при проектировании самолетов различных классов и размеров.
Литература
- CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукции) в авиастроении / Науч. ред. А.Г. Братухин. М.: Изд. МАИ, 2002. 676 с.
- Пеньков Е.А. Автоматизация формирования сложных конструктивно-силовых схем //Общероссийский научно-технический журнал «Полет». 2007. № 1. С. 40-48.
