 Любовь Лаврищева, к.ф.-м.н., генеральный директор ООО «ЛС-Технологии» |
 Николай Староверов, к.т.н., технический директор ООО «ЛС-Технологии» |
Статья посвящена опыту применения технологии параметрической 3D-оптимизации в авиастроении на базе флагманских продуктов компании ЛС-Технологии — программного комплекса Flypoint Parametrica и программной платформы LS-TECH Framework.
Компания ООО «ЛС-Технологии» является разработчиком полностью российской технологии трехмерной параметрической оптимизации объектов сложной криволинейной формы, например, таких, как внешние обводы самолетов со всеми элементами планера, лопасти воздушных, гребных и вертолетных винтов, внутренние тракты воздухозаборников и многих других моделей. Сегодня разработки LS-TECH успешно применяются на ведущих предприятиях России и помогают техническим специалистам получать оптимальные формы изделий, снижая при этом трудоемкость и повышая эффективность.
В данной статье мы рассмотрим разработку и внедрение технологии трехмерной параметрической оптимизации внешних обводов сверхзвукового пассажирского самолета (СПС) на базе наших программных продуктов — Flypoint Parametrica и LS-TECH Framework — в рамках сотрудничества с Московским авиационным институтом (МАИ).
Проблемы параметризации в САПР и пути их решения
Сегодня трехмерная аэродинамическая оптимизация элементов планера и полной компоновки самолета является важной, актуальной, но и весьма непростой задачей в авиационной отрасли. Одним из главных вопросов при подходе к оптимизации сложных криволинейных поверхностей, таких как крылья самолета, мотогондолы, хвостовое оперение и форма фюзеляжа, становится параметризация этих объектов. В настоящее время получение цифровой параметрической модели самолета сопряжено с большими трудностями. Системы автоматизированного проектирования (САПР) не позволяют создать единую криволинейную поверхность сложных объектов таким образом, чтобы в режиме реального времени можно было легко менять их форму в широком диапазоне параметров. Кроме того, проблемой является большое число параметров в исходном математическом описании самолета. К примеру, только на авиационное крыло приходится более ста точек, воздействовать на которые напрямую через оптимизатор не представляется возможным, во-первых, из-за их большого количества, а во-вторых, из-за осцилляций, которые неизбежно возникнут на криволинейных поверхностях.
На рис. 1 показана геометрия гражданского самолета, созданная в одной из популярных САПР. Как видно из рисунка, система создает модель, состоящую из набора поверхностей, и для того, чтобы модель превратилась в твердотельную, необходимо, чтобы все эти поверхности были сшиты между собой. Однако даже попытка внести самые незначительные изменения в форму внешних обводов приводит к тому, что между поверхностями образуются многочисленные зазоры и геометрия теряет свою «твердотельность». Такая модель не может быть передана в решатель, пока не пройдет процедуру трудоемкого «лечения», выполненного инженером вручную. Получается, что такая модель не готова к изменению ее формы в любом диапазоне параметров, а следовательно, к дальнейшей параметрической 3D-оптимизации.
Рис. 1. Пример геометрии самолета, созданной в одной из популярных САПР
Отсутствие возможностей эффективной параметризации элементов планера в САПР и многолетние исследования в области проблем параметризации привели к созданию программного продукта Flypoint Parametrica, базирующегося на собственном геометрическом ядре, которое на фундаментальном уровне обеспечивает свободу при выборе управляемых параметров модели и дает инженерам полный контроль над формой изделия. В Flypoint Parametrica модель состоит из единой поверхности, а все примыкания — гладкие и согласованные. Кроме того, благодаря алгоритмам эффективного использования деформационных кривых, Flypoint Parametrica минимизирует количество управляемых параметров без необходимости упрощения исходного математического описания и позволяет деформировать модель в самом широком диапазоне параметров и, что важно, — делать это в реальном времени (рис. 2 и 3).
Рис. 2. О Flypoint Parametrica
Рис. 3. Параметрическая модель гражданского самолета в Flypoint Parametrica
А теперь рассмотрим более подробно параметризацию в Flypoint Parametrica на примере крыла сверхзвукового пассажирского самолета (СПС).
Создание трехмерной параметрической модели крыла СПС в Flypoint Parametrica
В качестве исходных данных была использована геометрическая модель СПС, представленная на рис. 4. Затем из полной компоновки самолета было выделено крыло и импортировано в Flypoint Parametrica для создания его трехмерной параметрической модели путем обратного проектирования. Отметим, что модели в Flypoint Parametrica создаются на собственном XML-подобном языке моделирования FLYP, который позволяет точно задать все исходные математические характеристики геометрии, а в дальнейшем с легкостью управлять геометрией, изменяя параметры в исходном текстовом FLYP-описании или интерактивно в интерфейсе программы.
Рис. 4. Исходная геометрическая модель СПС и выделенное из компоновки крыло
В результате мы получили параметрическую 3D-модель крыла СПС, полностью подготовленную для дальнейшей интеграции в оптимизационный процесс. Благодаря гибкой параметризации, которую можно настроить согласно требованиям пользователей и целей оптимизации, мы можем управлять как каждым конкретным сечением, так и всей формой крыла по его размаху. Таким образом, пользователи Flypoint Parametrica получают полную свободу при выборе управляемых параметров модели (рис. 5).
Рис. 5. Параметрическая модель крыла СПС в Flypoint Parametrica
Для удобства управления группой параметров в интерактивном режиме в графический интерфейс пользователя (GUI) дополнительно вынесен блок управления параметрами. Путем изменения этих параметров в GUI или во FLYP-описании модели можно в режиме реального времени изменять геометрию крыла как в ручном, так и в автоматизированном оптимизационном процессе. Модель крыла СПС до изменений представлена на рис. 6, а результаты модификации геометрии при выборочном изменении параметров — на рис. 7.
Рис. 6. Внешний вид исходной модели до изменения параметров
Рис. 7. Результат изменения параметров углов стреловидности, установки сечений, длин хорд и углов поперечного V-сегмента крыла СПС
Численное моделирование обтекания сверхзвукового пассажирского самолета
После подготовки параметрической 3D-модели в Flypoint Parametrica было проведено численное моделирование обтекания компоновки СПС на крейсерском режиме полета. Технология трехмерной параметрической оптимизации от LS-TECH является универсальной и может быть интегрирована с любым решателем и оптимизатором — как коммерческим, так и собственной разработки. В данном случае расчет выполнен в стационарной постановке с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, замкнутых моделью турбулентности k-ω SST Ментера. Крейсерский режим полета соответствовал числу Маха, равному 1,8, и высоте 15 км. На этом этапе из рассмотрения исключалась двигательная установка с воздухозаборниками, интегрированными в фюзеляж, и задача решалась в симметричной постановке (рис. 8). Впоследствии специалисты МАИ проводили уже полную оптимизацию всех элементов планера, используя данную технологию.
Рис. 8. Компоновка СПС и расчетный домен
Постановка задачи оптимизации формы крыла СПС
В рамках внедрения командой LS-TECH разработанной под ключ для Заказчика технологии требовалось отработать оптимизационный процесс, настроив подключение всех необходимых программных продуктов и обеспечив полную автоматизацию расчетного процесса внутри каждой оптимизационной итерации. Для проверки работоспособности технологии была решена задача максимизации коэффициента аэродинамического качества K компоновки сверхзвукового пассажирского самолета на крейсерском режиме полета за счет нахождения оптимальной формы крыла. Для достижения наилучшего результата в качестве оптимизационных были выбраны параметры, отвечающие за относительное удлинение и стреловидность крыла по передней кромке. Параметр относительного удлинения крыла напрямую влияет на аэродинамические характеристики крыла, в первую очередь на подъемную силу, в то время как параметр стреловидности крыла позволяет существенно влиять на показатели аэродинамического сопротивления.
В качестве конструктивных ограничений были заданы ограничения на изменение наплывной части крыла, а в качестве аэродинамических ограничений контролировалось значение подъемной силы крыла FY, оптимальное значение которого не должно быть меньше исходного.
Процедура оптимизации
Технология оптимизации состоит из трех основных компонентов:
- Трехмерная параметрическая модель, устойчиво работающая с криволинейной геометрией в широком диапазоне параметров.
- Автоматизированный процесс численного моделирования, позволяющий оценить аэродинамические характеристики модели.
- Алгоритм поиска экстремума целевой функции.
Рассмотрим более подробно работу технологии от LS-TECH, которая схематично изображена на рис. 9.
Рис. 9. Схематичное изображение технологии оптимизации
На первом этапе строится трехмерная параметрическая модель крыла в Flypoint Parametrica, которая полностью соответствует исходному крылу, но при этом имеет минимальное число управляемых параметров благодаря уникальной концепции влияния на ее форму путем изменения положения специальных хот-точек и узлов деформационных кривых. Далее 3D-модель передается в расчетный пакет, где происходит стыковка с фюзеляжем и другими элементами компоновки и проводится расчет обтекания модели. По результатам расчета найденные аэродинамические характеристики отправляются в оптимизатор, который на основе полученных данных осуществляет поиск экстремума целевой функции. По завершении работы оптимизатора новые значения параметров передаются в Flypoint Parametrica, где модель крыла СПС перестраивается в режиме реального времени, в результате чего оптимизационный цикл замыкается. А управляет всем процессом оптимизации программная платформа LS-TECH Framework, предназначенная для организации и автоматизированной настройки расчетных оптимизационных процессов. Благодаря LS-TECH Framework все процедуры оптимизации, включая работу с параметрической геометрией, построение расчетной сетки, настройку решателя и предварительный анализ результатов, полностью автоматизированы и не требуют от специалистов экспертных знаний в оптимизации и численном моделировании для первичной настройки процесса. Кроме того, в LS-TECH Framework есть опции интеграции любых программных продуктов для расчетов и оптимизации — как коммерческих, так и собственной разработки (так называемые in-house или low-fidelity коды) — рис. 10. Компания ООО «ЛС-Технологии» является разработчиком LS-TECH Framework, а сам программный комплекс входит в Реестр российского программного обеспечения (реестровая запись № 19941).
Рис. 10. Возможности LS-TECH Framework
Результаты
В результате оптимизации удалось повысить коэффициент аэродинамического качества компоновки самолета на 4,7%, при сохранении заданных конструктивных и аэродинамических ограничений. Сравнение геометрии крыльев, выполненное наложением оптимизированного варианта (показано голубым цветом) на исходное крыло (зеленое), показано на рис. 11. Совмещение геометрии оптимизированного крыла с фюзеляжем — на рис. 12.
Рис. 11. Сравнение геометрии исходного (зеленое) и оптимизированного (голубое) крыльев (вид сверху и вид спереди)
Рис.12. Совмещение геометрии оптимизированного крыла с фюзеляжем (исходное крыло показано серо-голубым цветом)
Заключение
В результате совместной работы в ФГБОУ ВО «МАИ» была успешно внедрена и апробирована инновационная технология трехмерной параметрической оптимизации внешних обводов сверхзвукового пассажирского самолета на базе программы Flypoint Parametrica. Технология показала свою высокую эффективность при создании параметрических 3D-моделей элементов планера и предоставила пользователям полную свободу при управлении формой геометрии в режиме реального времени, а платформа LS-TECH Framework обеспечила полную автоматизацию оптимизационного процесса.
Источники:
- Официальный сайт компании ООО «ЛС-Технологии».
- Ссылка: https://ls-technologies.ru.
- YouTube-канал ООО «ЛС-Технологии».
- Ссылка: https://www.youtube.com/@ls-technologies.
- Лаврищева Л.С. Численное моделирование объектов морской техники и разработка технологии оптимизации формы гребного винта: диссертация кандидата физико-математических наук. Ссылка: https://disser.spbu.ru/files/2018/disser_lavrisheva.pdf
