Опыт применения компьютерных технологий при проектировании легкого многоцелевого вертолета Ми-60 МАИ
Двумерные математические модели вертолета
Пространственная твердотельная математическая модель вертолета
Формирование внешних обводов вертолета
Методика построения обводов и подготовки чертежей для изготовления макета
Обводы хвостовой части фюзеляжа
Обводы кабана автомата перекоса
Трехмерная виртуальная модель главного редуктора
Основные технические требования к вертолету Ми-60 МАИ
С 1995 года на кафедре проектирования вертолетов МАИ при участии специалистов АО «Московский вертолетный завод им. М.Л.Миля» и поддержке АО «РостВЕРТОЛ» разрабатывается легкий многоцелевой вертолет Ми-60 МАИ (рис. 1). Руководитель работы — профессор, д.т.н., академик РАН М.Н.Тищенко.
Назначение вертолета — перевозка пассажиров или эквивалентного по массе груза как внутри кабины, так и на внешней подвеске при эксплуатации в географических, климатических и инфраструктурных условиях России.
Области применения — первоначальное обучение летчиков; патрулирование линий электропередач, газо- и нефтепроводов; экологический мониторинг; сельскохозяйственные работы; проведение кино- и фотосъемки, теле- и радиорепортажей; спортивные соревнования.
По мнению руководства Федерации вертолетного спорта Российского оборонно-спортивного технического общества, двухместный двухдвигательный вертолет является оптимальным для первоначальной подготовки летчиков в условиях аэроклубов.
Весь комплекс проектно-конструкторской документации по проекту вертолета Ми-60 МАИ создавался с использованием современных компьютерных CAD/CAM/CAE-систем автоматизированного конструирования (САКР).
Двумерные математические модели вертолета
На первых этапах проектирования вертолета применялись различные версии программного продукта AutoCAD, который предоставляет пользователю эффективные способы работы с чертежами любого уровня сложности. Использование специальных способов организации графического файла и различные варианты управления графическими примитивами, в том числе объединение примитивов в блоки и операции с ними, размещение элементов чертежа в отдельных виртуальных слоях и связанная с этим возможность изменения их свойств, позволили оперативно проанализировать большое количество вариантов компоновочных схем вертолета. Исследовано применение в его конструкции:
- одно- и двухдвигательных силовых установок на базе двигателей фирм Rotax, Teledyne, Lycoming, LOM, PZL и ВАЗ;
- силовых элементов фюзеляжа, выполненных в виде кессона, L-образной хвостовой балки и пространственной фермы;
- систем управления вертолетом с винтовыми и реечными исполнительными механизмами.
Прорабатывались варианты:
- установки двигателей на моторных рамах, закрепленных консольно на усиленном шпангоуте носовой части, или их подвески под хвостовой балкой на ферме;
- расположения приводного вала рулевого винта сверху, снизу и в полости хвостовой балки;
- различного расположения двигателей внутри фюзеляжа, определяемые характеристиками ременной передачи, требованиями к обслуживанию и унификации силовой установки.
На рис. 2 показан один из вариантов плоской компоновки вертолета, выполненный в системе AutoCAD 14. В общей сложности за период с 1997-го по 1998 год было создано более 20 файлов различных вариантов компоновочных схем, учитывающих текущие изменения, вносимые в конструкцию вертолета. Создание каждого из них занимало от одного до шести часов рабочего времени.
Ввиду отсутствия опыта практического взаимодействия отдельных исполнителей, использующих аппаратно пакеты программ, многие аспекты применения САКР выявились уже в ходе выполнения работ. В результате анализа проблем, возникавших в процессе формирования компоновочных схем вертолета, были сформулированы рекомендации по оптимизации деятельности конструкторов, работающих в аппаратно-разобщенных САКР.
Пространственная твердотельная математическая модель вертолета
В процессе дальнейшей проработки конструкции вертолета возникла необходимость в переходе к более совершенным методам конструирования, нежели двумерное черчение. Поэтому в 1998 году было принято решение дальнейшие работы по проекту выполнять в режиме твердотельного моделирования с использованием пакетов MicroStation и AutoCAD 14. На рис. 3 показаны различные варианты расположения членов экипажа в кабине вертолета, выполненные в системе MicroStation. В соответствии с пожеланиями заказчика для дальнейшей проработки был выбран трехместный вариант вертолета с поперечным расположением второго пассажира.
Создание пространственной твердотельной модели компоновки вертолета в целом стало технически возможным после появления САКР среднего уровня, предназначенных для работы на персональных компьютерах. Для выполнения проекта была использована система параметрического твердотельного моделирования Autodesk Mechanical Desktop (MDT), созданная фирмой Autodesk на базе пакета AutoCAD.
При формировании пространственной компоновочной модели вертолета были смоделированы основные элементы и агрегаты, входящие в его конструкцию: ферма, главный редуктор с элементами несущей системы, двигатели, элементы системы охлаждения, шасси, хвостовая балка и др. При этом использовались выполненные ранее плоские модели агрегатов вертолета, которые были модифицированы до уровня образующих и преобразованы в 3D-модели. Моделирование основных агрегатов с высокой степенью детализации позволило обеспечить контроль взаимного расположения других элементов и систем вертолета.
На рис. 4 представлена компьютерная 3D-модель двигателя М-332А Lom Praha. В модели воспроизведены устройства, характеризующие двигатель как элемент конструктивно-компоновочной структуры вертолета (внешние обводы блока цилиндров с узлами крепления, выпускной коллектор, устройство турбонаддува, устройства контроля и управления рабочим процессом двигателя и др.). На рис. 5 показана компьютерная модель основного конструктивно-силового элемента фюзеляжа вертолета — пространственной фермы совместно с двигателями, элементами системы охлаждения и главным редуктором. Контроль взаимного расположения элементов фермы с другими агрегатами осуществлялся путем стыковки их математических моделей. Пространственная модель фермы фюзеляжа явилась основой для ее последующего анализа на статическую и динамическую прочность, выполненного в системе ANSYS.
При объединении моделей отдельных агрегатов в группы, составляющие компоновочную модель вертолета, они были модифицированы для приведения в соответствие свойств графических файлов и устранения необоснованной сложности сводного файла компоновки. Модификация заключалась в выполнении следующих операций:
- выбор базирующих элементов для увязки составляющих сложной модели;
- удаление элементов модели, не имеющих значения в конфигурации компоновочной модели;
- разложение модели на слои в соответствии с системой, принятой в компоновочной модели;
- объединение элементов модели в блоки.
В результате объединения отдельных элементов в компоновочную модель была получена пространственная твердотельная компоновка вертолета, показанная на рис. 6. Эта модель дала возможность увязать все основные агрегаты и системы, входящие в компоновку вертолета, и обеспечить отсутствие пересечений между ними.
В дальнейшем, по мере насыщения компоновки вертолета новыми элементами и углубленной конструкторской проработки включенных элементов, модель будет иметь большую степень детализации, а ее составные части будут подвергнуты массово-прочностному и кинематическому анализу с точки зрения оптимизации изделия по критериям равнопрочности, жесткости, минимизации массы, технологичности.
Формирование внешних обводов вертолета
Сформированная пространственная твердотельная математическая модель компоновки вертолета стала основой для построения теоретических обводов его поверхности. С учетом схемы конструктивно-технологического членения вертолета, обводы фюзеляжа, хвостовой балки и оперения строились отдельно друг от друга.
Методика построения обводов и подготовки чертежей для изготовления макета
Теоретический контур фюзеляжа первоначально был сформирован из трех гладко сопряженных между собой поверхностей носовой, центральной и хвостовой частей. Каждая поверхность была получена путем генерации ортогональной сетки U- и V-образующих, охватывающих элементы пространственной компоновки, с последующим натяжением на них гладкой поверхности. Этот теоретический контур фюзеляжа был принят за базовый (рис. 7). На его основе были построены обводы отдельных составляющих фюзеляжа, входящих в конструктивно-технологическое членение вертолета (рис. 8): кабины, переднего и бокового остекления, дверей, боковых, верхней и нижней панелей, хвостового обтекателя.
На основе сформированных теоретических пространственных обводов основных участков поверхности был автоматизирован процесс получения рабочих чертежей для изготовления конструктивных элементов полноразмерного технического макета вертолета или технологической оснастки. Технологическая схема изготовления элементов каркаса макета вертолета заключалась в следующем.
На основе базового теоретического контура проводилась подготовка рабочих чертежей продольных и поперечных сечений поверхности в масштабе 1:1. Теоретические обводы формировались в истинных размерах в пространстве модели графической среды MDT с помощью модуля AutoSurf, который позволяет проводить моделирование поверхности с применением технологии NURBS (неоднородных рациональных В-сплайнов) и решает задачу получения качественной и точно смоделированной гладкой поверхности произвольной формы. Затем путем рассечения обводов плоскостями с заданным шагом были получены контуры рабочих сечений в продольных и поперечных плоскостях (рис. 9). Далее в пространстве листа графической среды MDT формировались плоские рабочие чертежи необходимых контуров, которые выдавались на широкоформатный плоттер HP DesignJet 450C.
Чертежи продольных и поперечных рабочих сечений теоретических обводов частей фюзеляжа в масштабе 1:1 на твердом носителе (бумаге) передавались на макетный участок МВЗ им. М.Л.Миля. Там эти сечения переносились на тот или иной материал с помощью специальных инструментов. Следующим этапом изготовления являлась обработка детали под контур сечения. В случае необходимости применения достаточно толстой деревянной основы (например, для изготовления стыкового хвостового шпангоута) контуры сечения наносились на заготовку с двух сторон, что позволяло провести малковку торцевой поверхности.
Таким образом были изготовлены все детали каркаса корпуса макета вертолета, которые впоследствии были обшиты фанерой либо металлом. Полученная обшивка полностью соответствовала по конфигурации теоретической модели поверхности вертолета и обеспечивала необходимую точность изготовления без применения шаблонов.
Обводы фюзеляжа
На основе сечений базовой поверхности фюзеляжа были изготовлены шпангоуты, силовые элементы продольно-поперечного набора кабины (рис. 10) и панелей центральной части фюзеляжа, а также хвостовой стыковочный шпангоут (рис. 11). Отметим, что файлы чертежей стыковочного шпангоута, который изготавливался вместе с фермой, были переданы в г.Ростов-на-Дону по Интернету.
Несмотря на значительный объем графической информации, работа по подготовке чертежей обводов в системе MDT была выполнена одним человеком, что наглядно свидетельствует о преимуществах компьютерных методов конструирования.
Обводы хвостовой части фюзеляжа
Сложность моделирования поверхности хвостовой части фюзеляжа заключалась в необходимости обеспечить ее плавное сопряжение с конической хвостовой балкой и расположенным над ней гротом. Моделирование сопряжения было выполнено в системе MDT с помощью набора поверхностей, полученных либо посредством обтягивания, либо движением сплайновых образующих вдоль направляющих линий (рис. 12).
Аналогично строились чертежи продольных и поперечных сечений хвостовой части фюзеляжа, на основе которых была создана каркасная конструкция оснастки для изготовления обтекателя из металлического листа методом выколотки. Полученная таким образом поверхность обтекателя показана на рис. 13.
Обводы кабана автомата перекоса
С целью уменьшения лобового сопротивления вертолета из-за выступающего за пределы контура фюзеляжа автомата перекоса, последний был капотирован поверхностью удобообтекаемой формы, называемой кабаном. Верхняя часть кабана представляет собой плоское кольцо, а боковые обводы — поверхности двойной кривизны. Для обеспечения гладкой стыковки кабана с фюзеляжем его поверхность была образована путем протягивания продольной сплайновой образующей по двум криволинейным направляющим с последующим редактированием полученной поверхности.
Затем поверхность рассекалась продольными и поперечными плоскостями. Линии пересечения были использованы при выпуске рабочего чертежа оснастки для изготовления обтекателя кабана (рис. 14), которая получила название корзинки. Созданный по этой оснастке металлический обтекатель изображен на рис. 15.
Обводы остекления кабины
Наиболее сложным и трудоемким процессом при строительстве макета вертолета оказалось создание лобового остекления кабины. Это было обусловлено, с одной стороны, сложной геометрической формой обводов стекла, а с другой — отсутствием освоенных технологий их изготовления на вертолетостроительных предприятиях. На рис. 16 представлены теоретические обводы лобового остекления в контурах поверхности вертолета. Для улучшения обзора из кабины лобовые стекла (два верхних и два нижних) были спроектированы в виде поверхностей двойной кривизны переменного радиуса, и изготовить их оказалось возможным только с использованием технологического оборудования самолетостроительной фирмы «МАПО МИГ».
Принятая технология предусматривала создание специальных оправок, поверхность которых была бы идентичной теоретической поверхности остекления. На оправке остекление формуется из предварительно нагретого оргстекла толщиной 3-4 мм. На рис. 17 показан теоретический контур левой части оправки, полученный в системе AMDT: правая часть симметрична левой относительно продольной плоскости.
Оправки были изготовлены на универсальном пятикоординатном фрезерном станке с числовым программным управлением DGT 2000 итальянской фирмы MECOF по теоретическому контуру, переданному на предприятие в виде файлов в IGES-формате. По этим файлам в САПР CATIA были созданы рабочие математические модели поверхности оправок, чертежи заготовок для их изготовления и непосредственно программы для станка с ЧПУ. Выполненные на станке оправки (рис. 18) дорабатывались вручную (шпатлевка, ошкуривание, окраска). По готовой поверхности оправок были сделаны прижимные рамки и выполнена обтяжка сукном. Непосредственная формовка оргстекла, нагретого до температуры 120-140 °С, выполнялась вручную.
На рис. 19 показаны стекла кабины макета вертолета, изготовленные по вышеописанной технологии. Опыт показал, что применение пространственной твердотельной математической модели поверхности в совокупности с различными пакетами программного обеспечения позволило значительно сократить трудоемкость и сроки работы над остеклением. Точность изготовления обводов стекла и элементов каркаса по линиям стыковки оказалась достаточной для свободного монтажа остекления в процессе сборки макета.
Трехмерная виртуальная модель главного редуктора
В последние годы фирмой Autodesk была разработана принципиально новая платформа для машиностроительного проектирования Autodesk Inventor, построенная по прогрессивной адаптивной технологии (New Innovative Adaptive Technology Design). В основе Inventor лежат интеллектуальные объекты, позволяющие инженеру проектировать естественно, в привычных для него последовательности и действиях. Inventor обладает высоким уровнем производительности, который достигается использованием уникальной графической подсистемы с сегментированной базой данных. В память компьютера загружаются только те данные, которые требуются для текущей операции. Это увеличивает скорость выполнения операций и позволяет при умеренных мощности компьютера и объеме оперативной памяти эффективно работать со сборками, содержащими более 10 тыс. компонентов, и создавать достаточно сложные и значительные по объему агрегаты и механизмы.
На рис. 20 приведена трехмерная твердотельная модель трансмиссии вертолета Ми-60 МАИ, выполненная в Inventor в виде двух сборок: главного и двух промежуточных редукторов, соединенных между собой валами. Главный редуктор имеет сложную кинематическую схему, включающую простые зубчатые цилиндрические и конические передачи, а также одну ступень планетарной передачи. Конструкция кинематических цепей, выделенная в отдельную сборку, представлена на рис. 21. Модель создавалась на компьютере с процессором Pentium II и оперативной памятью 128 Мбайт. Этого вполне хватило для моделирования объекта с числом деталей более 1000 единиц.
Одно из основных преимуществ Inventor заключается в использовании адаптивной технологии создания конструкции. Большинство CAD/CAM-систем позволяют изменять и обновлять трехмерную модель изделия, но требуют, чтобы конструктор создавал форму деталей перед принятием функционального решения (подбор параметров, положение, диапазон перемещений и др.). Обычно для реализации всех возможностей, заложенных в параметрическую модель, конструктор должен управлять множеством параметрических данных, уравнений и связей. Inventor предлагает более естественный способ проектирования — создать начальную концепцию перед построением твердотельной модели конструкции. Далее элементы конструкции помещаются в адаптивные сборки, в которых автоматически устанавливаются необходимые связи деталей путем определения их формы и положения в сборке вместо использования множества параметров и уравнений. Преимущества этого нового подхода особенно наглядно проявляются при создании новых изделий на этапе оптимизации конструкции, когда проектировщику приходится рассматривать множество вариантов конструктивных решений.
Вышеуказанные преимущества Inventor позволили существенно сократить время работы при создании моделей шестерней и прочих элементов трансмиссии. В частности, все цилиндрические шестерни редуктора являются производными одной исходной модели шестерни (рис. 22а), основные размеры которой были заданы в параметрическом виде. Варьируемыми параметрами были: число, модуль зубьев и ширина венца. Копия этой исходной модели с конкретными заданными параметрами стала исходной заготовкой для моделирования нужной шестерни. Путем доработки ее формы в соответствии с конструктивными и технологическими требованиями формировался окончательный вид каждой шестерни. В качестве примера на рис. 22б показана в окончательном виде одна из цилиндрических шестерен, а на рис. 22в — коническая шестерня.
Как показал опыт использования Inventor при проектировании главного редуктора, адаптивные сборки гибче и легче собираются, в результате сокращается цикл проектирования. Проектирование в Inventor становится понятным и доступным для большинства конструкторов. Меньше тратится времени на освоение самого программного продукта.
Несмотря на то что Inventor относят к программным продуктам среднего уровня, там содержится блок анализа кинематики моделируемого механизма. Он позволяет проверить в движении сопряжение деталей, оценивает вероятность конфликтов сопрягаемых движущихся деталей, что дает возможность легко устранить ошибки проекта и быстро сделать необходимые доработки. В частности, при проектировании главного редуктора было смоделировано и проверено вращение всех шестерен в единой кинематической связи.
