Более трех лет ООО «ТЕСИС» и Нижегородский авиастроительный завод «Сокол» сотрудничают в области поставки, эксплуатации и модификации программ для механического анализа конструкций. Среди результатов этой деятельности — прочностные расчеты российско-итальянского учебно-тренировочного самолета Як-130, которые ОКБ НАЗ «Сокол» в нынешних тяжелых условиях выполнило на уровне международных стандартов. Об опыте, результатах и перспективах применения современных расчетных технологий рассказывает начальник бригады прочности Евгений Федорович Новак.

Опыт внедрения и эсплуатации программных комплексов для прочностных расчетов на Нижегородском авиастроительном заводе «Сокол»

Евгений Новак

Вначале немного истории. Нижегородский авиастроительный завод «Сокол» был крупнейшим в СССР серийным предприятием, выпускавшим истребители. На заводе имеется свое ОКБ, которому поручались задачи модернизации серийно выпускаемых изделий. Яркий пример работы нашего КБ — истребитель МиГ-21, почти 30 лет производившийся заводом в различных модификациях.

Для расчета статической прочности основных изделий, выпускавшихся на заводе «Сокол», «прочнисты» завода широко применяли метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе FRONT. Разработанный инженерами Киевского машиностроительного завода им. О.К.Антонова, этот комплекс находился в эксплуатации с 1975 года и вначале базировался на ЕС ЭВМ, а затем на ПК. Полученные с помощью FRONT результаты расчетов хорошо согласовывались с данными статических испытаний на прочность, проводившихся в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ): различие между расчетными и экспериментальными уровнями напряжений и перемещений составляло от 5 до 10%. Наконец, FRONT позволял задавать распределенную нагрузку на простые и сложные поверхности конечноэлементной (КЭ) модели — до сих пор подобной возможности в отечественных, равно как и в зарубежных МКЭ-комплексах мы не встречали.

Вместе с тем, комплекс FRONT имел ряд существенных недостатков. Среди них основным было ограничение на размеры конечноэлементной модели (около 6000 узлов, 9000 элементов). Позднее к этому добавилось отсутствие технической поддержки и развития системы.

В нашем КБ также имелись собственные программы для прочностного расчета авиационных конструкций, очень эффективные для своего времени (некоторые из них даже отмечены медалями ВДНХ СССР). Их общим недостатком была относительно узкая область применения.

Ограничения комплекса FRONT, отсутствие универсальности у других расчетных программ, сокращение численности работающих, переход конструкторских бригад от работы с кульманами на CAD-системы, а также выход предприятия на международный рынок поставили нас перед необходимостью замены программного обеспечения для прочностных расчетов.

Исходя из практического опыта бригады прочнистов мы определили, что для расчета самолета на общую прочность потребуется как минимум пять автоматизированных рабочих мест, оснащенных расчетными программами (решателями) и пре/постпроцессорами. Типовой вариант, основанный на UNIX-станциях, оказался неприемлемым из-за нехватки выделенных средств. Поэтому было решено применять для расчетов персональные компьютеры (ПК) с операционной системой Windows NT.

Перед началом поиска программного обеспечения были определены следующие стартовые условия и цели:

1. На предприятии начала применяться система Unigraphics (UG).
2. Требовалось приобрести математическое обеспечение, не имеющее программных ограничений.
3. В связи с выходом продукции предприятия на международный рынок программное обеспечение должно иметь международное признание.
4. Компьютерные расчеты на прочность должны вестись только на ПК как более дешевом по сравнению с рабочими станциями средстве, что позволит приобрести большее количество рабочих мест при том же объеме финансирования.
5. Приобретаемый пакет программ должен быть недорогим и «уметь» решать такие задачи, как расчет общей прочности самолета; расчет устойчивости агрегатов конструкции; оптимизация конструкции.
6. Приобретаемый пакет программ должен иметь полный набор средств для выполнения основной работы бригады прочнистов (выдача заключения по прочности конструкции), избавив от необходимости разрабатывать специальные программы для расчетов.

После длительных (в течение года) поисков и оценок различного программного обеспечения появились первые результаты. В частности, мы начали сотрудничать с фирмой ТЕСИС (о деятельности фирмы ТЕСИС уже подробно сообщалось на страницах журнала «САПР и графика»).

Для решения наших проблем специалистами фирмы ТЕСИС были предложены:

• система инженерного анализа NASTRAN фирмы UAI;
• пре/постпроцессоры FEMAP и HyperMesh.

В итоге было сформировано пять рабочих мест. На них установили три пре/постпроцессора (два FEMAP и один HyperMesh) и комплекс UAI/NASTRAN в двух комплектациях: базовой и полной. Базовый комплект UAI/NASTRAN позволяет выполнять только расчеты линейных задач статики, собственных форм колебаний и устойчивости. Полный позволяет решать широкий круг динамических задач, проблемы взаимодействия конструкции со средой, нелинейные задачи, а также выполнять расчеты методом подконструкций, о котором будет рассказано ниже.

Осенью 1996 года в ОКБ завода совместно с ОКБ им. А.С.Яковлева полным ходом шли работы по созданию конструкторской документации на учебно-тренировочный самолет Як-130. После установки программного обеспечения и вводного обучения бригада прочнистов продолжила работу над самолетом. Хотя к тому моменту у нас уже имелся большой задел по расчетам на комплексе FRONT, ввиду его явных недостатков мы приняли решение полностью отказаться от его применения на Як-130. При этом часть наиболее отлаженных исходных данных — в частности модель хвостовой части фюзеляжа — нам удалось преобразовать из формата FRONT в FEMAP.

По переданной из ОКБ им. А.С.Яковлева модели теоретических обводов фюзеляжа (рис. 1) конструкторами отдела планера на рабочих станциях в системе Unigraphics была создана конструктивно-силовая схема (КСС) самолета. В нее вошли теоретические обводы, осевые линии силовых продольных элементов (лонжеронов и стрингеров), а также стенки силовых элементов, представленные поверхностями. Посредством IGЕS-формата геометрическая модель КСС переносилась на ПК для генерации сетки конечных элементов в пре/постпроцессоре HyperMesh. Генерация проводилась в автоматическом режиме с корректировкой в некоторых зонах, так как автоматически созданная сетка оказывалась приемлемой не всегда. Например, в носовой части фюзеляжа, имеющей очень сложные поверхности и сопряжения, оказалось проще вводить элементы «вручную», на основе геометрических обводов.

Затем был проведен расчет хвостовой части, модель которой была импортирована из комплекса FRONT. При обработке этой отработанной расчетной модели решатель UAI/NASTRAN выдал сообщение диагностики о том, что в одном из пластинчатых элементов имеются совпадающие узлы. Этот факт еще больше расположил нас к новой системе и вызвал уважение к ней, поскольку FRONT выполнял диагностику моделей, надо признать, слабовато. Первые же расчеты дали нам картины напряженно-деформированного состояния (НДС), качественно и количественно достоверные.

Конечноэлементная модель планера самолета Як-130 для расчета статической прочности (рис. 2 и 3) была создана пятью ведущими инженерами-конструкторами бригады прочности за полгода. Нельзя не отметить, что эта работа выполнялась на новом программном обеспечении, освоение которого велось параллельно.

Параметры КЭ-модели планера:

• количество узлов — 31 000;
• количество элементов — 67 600;
• число неизвестных — 180 000.

Конечно, сейчас модель дорабатывается: определяются неточности, вносятся коррективы по результатам детальных расчетов. Однако факт остается фактом: таких коротких сроков получения первых результатов расчетов на общую прочность на нашем предприятии еще не было.

В работе были использованы следующие средства (напомним, что наш рассказ относится к 1996 — середине 1997 годам):

• аппаратные — пять ПК (четыре Pentium 100 МГц ОЗУ 32 Мбайт; один Pentium 166 МГц, ОЗУ 64 Мбайт, НЖМД 2 Гбайт);
• программные — пре/постпроцессоры HyperMesh и FEMAP, расчетный комплекс UAI/NASTRAN.

В настоящее время с помощью программы UAI/NASTRAN проводится расчет статической прочности по следующим агрегатам: носовая и хвостовая части самолета, средняя часть фюзеляжа с обеими консолями. Быстродействие современных расчетных комплексов наглядно иллюстрируется следующим примером. Проводился расчет носовой части фюзеляжа (рис. 4), модель которого включает в себя 7645 узлов, 14 625 элементов и 45 000 неизвестных. Требовалось рассмотреть 24 случая нагружения, каждый из которых представляет собой определенную комбинацию сосредоточенных и распределенных сил и моментов. Так вот: на ПК Pentium Pro 200 МГц, ОЗУ 128 Мбайт UAI/NASTRAN обсчитывает такую модель на все случаи нагружения всего за 22 минуты!

Сейчас мы ведем подготовку данных для расчета нагрузок на весь самолет в целом. При этом используется ПК Pentium Pro-200 с ОЗУ 128 Мбайт. Расчет будет вестись с использованием метода подконструкций. Этот метод, реализованный, в частности, в UAI/NASTRAN и отечественном Diana, позволяет рассчитывать сложную конструкцию в виде комбинации составляющих ее агрегатов. При этом КЭ-модели каждого агрегата (подконструкции) могут быть построены независимо друг от друга, а результаты общего расчета всей конструкции могут быть выведены отдельно для каждой подконструкции. Хотелось бы отметить и простоту сопряжения подконструкций, реализованную в UAI/NASTRAN.

Для самолета Як-130 выбраны подконструкции в следующем составе:

1. Межлонжеронная часть крыла (левая и правая).
2. Элерон (левый и правый).
3. Закрылок (левый и правый).
4. Концевая секция носка (левая и правая).
5. Корневая секция носка (левая и правая).
6. Цельноповоротное горизонтальное оперение (левая и правая консоли).
7. Киль.
8. Руль направления.
9. Фюзеляж.

Метод подконструкций, во-первых, позволяет проводить комплексный системный анализ самолета; во-вторых, он очень эффективен в случае совместных проектов, когда агрегаты одного изделия разрабатываются разными КБ. Например, при анализе какого-либо агрегата нет необходимости загружать модель всего самолета. Следует отметить также простоту создания полной модели при решении методом подконструкций: требуется лишь указать точки сопряжения агрегатов.

Помимо метода подконструкций свою эффективность показали также средства конструкционной оптимизации комплекса UAI/NASTRAN. Совместно со специалистами фирмы ТЕСИС такой расчет был проведен для силового шпангоута (КЭ-модель — рис. 5, расчетная схема с приложенными внешними нагрузками — рис. 6). КЭ-модель шпангоута была выделена из модели самолета; к ней прикладывались сосредоточенные нагрузки со стороны крыла и шасси, а также уравновешивающие реакции на контуре. Проводилась оптимизация уже готовой конструктивно-силовой схемы. Начальными условиями в КСС были минимальные площади поясов и толщины стенок, выбранные по условиям технологии. Ограничением являлось непревышение эквивалентных напряжений в 34 кг/мм², а критерием оптимизации — минимальный вес. Результаты оптимизации в точности совпали с тем решением, которое вывел инженер-расчетчик, самостоятельно подбирая площади и толщины в течение двух месяцев работы над шпангоутом. Здесь же весь расчет был проведен за пять итераций и занял всего полчаса (ПК — Pentium 166 МГц, ОЗУ 64 Мбайт).

Проводились также расчеты элементов конструкции на устойчивость. Действуя по принципу «доверяй, но проверяй», мы провели тестовый расчет критических напряжений сжатия и сдвига для плоской прямоугольной пластины (рис. 7, 8).

Результаты расчета в UAI/NASTRAN: σ_кр= 2,66 кг/мм²; τ_кр= 6,05 кг/мм².

Точное решение σ_кр= 2,59 кг/мм², τ_кр= 6,08 кг/мм².

Затем были рассчитаны критические напряжения сдвига для панели закрылка легкого самолета, которая представляет собой обшивку с выштампованными на ней ребрами жесткости (рис. 9). Полученный результат хорошо согласуется с результатами, полученными по нашей традиционной методике.

Перечисленное выше ПО стало широко применяться при расчетах сложных деталей конструкции. Сначала средствами пре/постпроцессоров создаются геометрические модели. Затем по этим моделям генерируется сетка конечных элементов — как в ручном, так и в автоматическом режимах. На рис. 10 показана КЭ-модель узла навески цельноповоротного горизонтального оперения (ЦПГО) на фюзеляже.

Наконец, созданная КЭ-модель самолета оказалась полезной для расчета масс конструкции, центров тяжести, массовых моментов инерции агрегатов и самолета в целом.

В связи с возросшими объемами и количеством задач были приобретены дополнительные рабочие места. В настоящее время в работе используются четыре пре/постпроцессора FEMAP и четыре — HyperMesh.

FEMAP версии 5.0, выпущенный в 1997 году, завоевал признание бригады прочнистов, обогнав по популярности HyperMesh. Начиная с этой версии (сегодня фирма ТЕСИС уже предлагает версию FEMAP 6.01), он полностью адаптирован в Windows, отличается простым и прозрачным интерфейсом, имеет самую мощную из всех препроцессоров поддержку графических форматов (IGES, Parasolid, ACIS и др.). Теперь на FEMAP работают все — от убеленных сединами ветеранов до молодых специалистов.

Таким образом, вышеназванные программы при небольших финансовых затратах позволили нам успешно решить поставленные задачи:

1. Приобретено программное обеспечение для расчетов на прочность, не имеющее программных ограничений.
2. В условиях выхода предприятия на международный рынок мы имеем программное обеспечение, признанное в мире. Встречи со специалистами фирмы AERMACCHI уже показали это.
3. При выполнении автоматизированных расчетов на прочность используются только ПК.

Опыт эксплуатации новых систем показал, что задачи расчета самолета в целом, которые ранее решались с применением рабочих станций с RISC-процессором, могут успешно решаться на ПК с Windows NT.

В процессе работы не возникало проблем, связанных с машинным временем, необходимостью оставления заданий для счета в ночь и т.п.

Можно со всей ответственностью заявить, что только при наличии вышеперечисленного программного обеспечения и аппаратных средств бригада прочности ОКБ Нижегородского авиастроительного завода «Сокол» оказалась способна оставшимся составом решать поставленные перед ней задачи. Учитывая накопленный при работе опыт, логично предположить, что выполнение следующей работы будет возможно за более короткие сроки.

«САПР и графика» 7'2000