3 - 2019

Сокращение сроков выхода изделий на рынок

Airbus Helicopters применяет решения Simcenter Amesim и Simcenter Engineering для проектирования отдельных деталей и целых систем, а также численного моделирования в реальном времени.

В 1993 году NHIndustries — совместное предприятие Airbus, Leonardo Helicopters и Fokker Aerostructures — начало работы по проектированию тяжелого военного вертолета NH90. Тринадцать лет спустя вертолет был введен в эксплуатацию. Сегодня конкуренция настолько обострилась, что у вертолетостроителей, как правило, есть не более четырех лет на разработку самых сложных моделей.

Технический прогресс значительно ускорился. В результате производителям приходится принимать правильные решения относительно все более сложных систем. Разработчикам необходимо проверять взаимодействие систем на более ранних этапах, применяя в ходе проектирования совместную работу над моделями.

Помимо этого, вертолетостроители должны предлагать заказчикам и надежные тренажеры для подготовки пилотов. Причем чаще всего летные тренажеры требуется поставлять заранее, еще до выпуска первого вертолета. Комплексный пилотажный тренажер (КПТ) уровня D — это современный высокий стандарт моделирования аэродинамики и систем летательных аппаратов. На такое оборудование спрос постоянно растет, в частности — на тренажеры нового среднеразмерного двухдвигательного вертолета Airbus Helicopters H160.

Инвестиции в численное моделирование

Airbus Helicopters (входит в группу компаний Airbus) — ведущий европейский полностью интегрированный производитель авиационной техники, получивший известность благодаря экономичным, безопасным и комфортабельным вертолетам с отличными летными характеристиками — таким, как модель H160.

Для удержания ведущих позиций на рынке компания инвестировала в системы для проведения виртуальных испытаний, решающих множество задач в ходе подготовки производства. Среди них — быстрое прототипирование, численное моделирование на обычных компьютерах, моделирование в реальном времени с включением пилота в контур управления, разработка испытательных стендов и учебных материалов. Подход Airbus Helicopters к численному моделированию предполагает, что, по возможности, для каждой детали и узла в ходе цикла проектирования создается уникальная модель. Чтобы распространить такой подход с виртуальных моделей на моделирование реальных систем, компания Airbus Helicopters нуждалась в инструменте, стабильно дающем предсказуемые результаты и позволяющем удобно интегрировать расчетные модели с реальным оборудованием. И компания нашла подходящее решение — Simcenter Amesim от Siemens PLM Software.

Снижение затрат на создание опытных образцов гидросистем

С 2007 года Airbus Helicopters применяет Simcenter Amesim для моделирования гидравлических систем и систем кондиционирования воздуха. В 2009 году компания расширила использование Simcenter Amesim, распространив его на моделирование термогидравлических узлов и целых систем.

До внедрения Simcenter Amesim специалисты отдела гидравлики и авионики компании Airbus Helicopters могли получить только квазистатическое представление гидросистемы. Большинство параметров определялось только на этапе испытаний опытных образцов. Более того, модели гидравлики были несовместимы со средой комбинированного численного моделирования. Чтобы рассчитывать поведение гидравлики в реальном времени, компания Airbus Helicopters ранее создала еще одну модель на основании технических характеристик, разработанных специалистом по гидравлике для поставщика. Однако такие расчеты не позволяли прогнозировать поведение конструкций и требовали участия инженеров­гидравликов. Внедрение Simcenter Amesim позволило конструкторам гидросистем перейти из области квазистатических в область динамических расчетов. Теперь они не только моделируют гидросистемы и их узлы, например насосы, гидроцилиндры и емкости, но и при помощи этой же модели получают информацию о поведении системы при ее взаимодействии с тепловыми, механическими и электрическими системами.

«По нашим оценкам, благодаря использованию Simcenter Amesim при проектировании гидросистем мы сократили сроки оптимизации втрое, а затраты на опытные образцы — вчетверо, — рассказывает Тибо Марже (Thibaut Marger), бывший специалист по расчетам и моделированию отдела гидросистем и авионики Airbus Helicopters Research and Development. — Первый изготовленный нами опытный образец был предназначен для тонкой настройки модели в Simcenter Amesim. Оптимизация системы выполнялась виртуально. В итоге характеристики нового опытного образца оказались очень близки к оптимальным».

Целью пилотного проекта была оценка нового подхода к численному моделированию при разработке вертолета Н160, 
чтобы вдвое сократить сроки испытаний топливных систем новых моделей вертолетов

Целью пилотного проекта была оценка нового подхода к численному моделированию при разработке вертолета Н160,
чтобы вдвое сократить сроки испытаний топливных систем новых моделей вертолетов

Великолепная поддержка

Siemens PLM Software помог Airbus Helicopters найти решение для проведения численного моделирования в реальном времени с возможностью системоориентированного проектирования, разработки испытательных стендов и комплексных пилотажных тренажеров.

На основании богатого опыта разработки методик расчетов поставщик технических и консультационных услуг Simcenter Engineering and Consulting предоставил компании Airbus Helicopters превосходную поддержку при решении задачи преобразования созданных в Simcenter Amesim моделей гидросистем в модели, способные выполнять расчеты в реальном времени. Затем на основании этих моделей Airbus Helicopters создал уникальную платформу численного моделирования в реальном времени, предназначенную для разработки вертолета H175.

Сначала в Simcenter Engineering and Consulting проанализировали, сколько процессорного времени требуется на расчет имевшихся моделей гидросистем, и помогли Airbus Helicopters оптимизировать их с учетом потенциальных отказов, например поломки гидронасоса, утечки масла в гидроцилиндре или непреднамеренного включения резервного насоса. Затем при помощи уникальной модели были проанализированы термодинамические характеристики системы в большом числе сценариев. Наконец, модель была упрощена так, чтобы оставить только явления, которые возможно рассчитать в реальном времени при помощи решателя с фиксированным шагом по частоте.

Благодаря Simcenter Amesim компания Airbus Helicopters смогла подробно проанализировать работу гидропривода в переходном режиме

Благодаря Simcenter Amesim компания Airbus Helicopters смогла подробно проанализировать работу гидропривода в переходном режиме

Проект удалось успешно реализовать с применением ряда стандартных библиотек, функций и инструментов Simcenter Amesim. Среди них — библиотеки Simcenter Amesim Hydraulics, Simcenter Amesim Hydraulic Component Design, Simcenter Amesim Signal, Control и Simcenter Amesim Mechanical; функции по работе с суперэлементами, показатель активности, средства линейного анализа и анализатор характеристик.

Сокращение длительности летных испытаний наполовину

После успешного внедрения Simcenter Amesim в качестве инструмента проектирования и контроля гидросистем компания решила запустить экспериментальный проект с тем, чтобы распространить новый подход к численному моделированию на задачи проектирования топливных систем. Комплексирование топливной системы вертолета H160 в основном контролировалось в ходе интенсивных стендовых и летных испытаний. Хотя вертолет H160 должен был вот­вот поступить в эксплуатацию, целью пилотного проекта стала оценка нового подхода к численному моделированию будущих моделей вертолетов, а также сокращение сроков испытаний топливных систем наполовину.

Более того, оставался и резерв для оптимизации процессов проектирования. На ранних этапах, помимо физической модели, которую создавали специалисты по топливным системам, специалистами по комплексированию была создана модель для расчетов в реальном времени. Она позволила получить необходимые исходные данные по макроскопическим характеристикам топливной системы, а также других узлов вертолета. Без непрерывной совместной работы двух групп было бы невозможно эффективно решать сложные инженерные задачи, среди которых — выбор типоразмеров трубопроводов и запорной арматуры, проектирование топливных баков сложной формы, анализ процесса перекачки топлива, зависящего от пространственного положения и ускорений вертолета, анализ физических характеристик рабочей жидкости при различных внешних условиях (например, температуре и давлении).

Кроме того, крайне важно было оценить правильность размещения датчиков уровня топлива, чтобы максимально точно измерять остаток топлива в баке (при разных полетных заданиях и в зависимости от пространственного положения вертолета). Еще одной задачей стало комплексирование топливной системы с авионикой, чтобы надежно информировать экипаж об оставшемся времени полета.

«Применяя имеющиеся в Simcenter Amesim возможности расчетов теплового, гидравлического, механического и топливного оборудования, мы смогли создать модель, способную точно прогнозировать поведение топливной системы, — отмечает Стефан Америо (Ste΄phane Amerio), инженер по численному моделированию компании Airbus Helicopters. — Проведение подобного анализа на натурном стенде было бы слишком дорогостоящим и опасным делом».

«Как инженер по летным испытаниям, я предоставляю конструкторам информацию для тонкой настройки расчетной модели и непрерывного улучшения всей нашей работы, — добавляет Николя Сертен (Nicolas Certain), инженер по летным испытаниям в компании Airbus Helicopters. — Численное моделирование не только помогает нам сократить длительность цикла испытаний, но и дает возможность сконцентрироваться на основных задачах достижения заданных летных характеристик».

«При помощи Simcenter Amesim специалисты по комплексированию систем создают легкие для понимания модели, используемые в рамках всего предприятия, — поясняет Франк Николя (Franck Nicolas), руководитель отдела численного моделирования и систем автоматизации компании Airbus Helicopters. — Уникальная модель настраивается в соответствии с целью нашего анализа. Мы можем применять ее при проектировании систем и оценке работы авионики, тренажеров и испытательных стендов».

Как подстроиться под нужды заказчика

Экспериментальный проект позволил компании Airbus Helicopters разработать модель для прогнозирования характеристик и проверить ее достоверность путем сравнения результатов расчетов и натурных испытаний.

«Новый подход применяется на этапе проектирования инновационных конструкций. Нам удалось сократить сроки проектирования топливной системы на целый год, а этап комплексирования — на девять месяцев, — рассказывает г­н Николя. — После трех месяцев совместной работы со специалистами из Simcenter Engineering and Consulting над разработкой пошаговой методики моделирования в реальном времени нам удалось убедить инженеров по топливным системам. В итоге было принято решение о распространении нового подхода на все модели топливных систем с поддержкой расчетов в реальном времени».

Благодаря этому проекту компания Airbus Helicopters выявила новые возможности по улучшению процессов численного моделирования. Поскольку в цикле проектирования одна и та же модель применяется повторно и уточняется, разработчики заинтересовались не только характеристиками «своей» системы, но и ее взаимодействием с другими системами.

Они оценивают поведение системы в различных условиях и режимах работы, а также прогнозируют нежелательные явления до того, как система будет установлена на вертолет.

«Возможность предвосхищать проблемы приводит к существенному сокращению расходов и снижению рисков, — отмечает Николя Дамиани (Nicolas Damiani), специалист по численному моделированию расчетного отдела инженерного подразделения компании. — Новый подход позволяет нам сократить сроки проектирования и выполнения заказов, а также снизить риски, обычно связанные с разработкой и комплексированием топливных систем».

Компания Airbus Helicopters изучает возможность распространения нового процесса и на другие системы. Интерес проявляют и другие подразделения концерна Airbus.

«Применение Simcenter Amesim стало частью нашей более обширной модели, а системоориентированное проектирование на основе расчетов помогает выявлять конструкторские ошибки на ранних этапах, — подчеркивает Паскаль Папье (Pascal Paper), руководитель по инструментам и методикам проектирования систем на основе моделей в компании Airbus Helicopters. — Проектирование систем на основе моделей — важнейшее условие, обеспечивающее контроль соблюдения требований, эффективное использование знаний и междисциплинарное сотрудничество различных подразделений концерна Airbus».