Некоторые возможности применения универсальной системы трехмерного моделирования CATIA Версии 5 в авиадвигателестроении

Василий Критский

Развитие конструкции высоконагруженных газотурбинных двигателей для современных боевых самолетов, а также их модификаций для стационарных газоперекачивающих и энергетических установок сопровождается постоянным ростом требований, предъявляемых к современным летательным аппаратам и к экологически чистым, экономичным и надежным приводам газоперекачивающих агрегатов и электрогенераторов.

Снижение удельной массы двигателя и удельного расхода топлива диктует разработчикам современных авиационных двигателей свои правила, требующие создания высоконагруженных элементов, выполненных на уровне передовых технологий и с использованием современных материалов.

В настоящее время проектирование современного авиадвигателя (или созданной по авиационным технологиям стационарной газотурбинной установки) – это в первую очередь решение конструкторских задач по разработке надежных и технологичных основных узлов изделия: компрессоров, основных и форсажных камер сгорания, турбин, выходных устройств и редукторов. Конструирование этих элементов связано:

• с множеством итерационных процессов при оптимизации конструкции;
• созданием сложных поверхностей точных деталей, их анализом и изменением геометрии;
• конструированием деталей, получаемых методами точного литья, а также с проектированием литейной оснастки и пресс-форм;
• созданием деталей, получаемых методами холодной или горячей штамповки;
• созданием сложных сборок, анализом собираемости;
• моделированием и анализом кинематики сложных сборок.

Для решения указанных задач в конструкторском бюро АО «А.Люлька-Сатурн» (в настоящее время — НТЦ им. А.Люльки АО «НПО “Сатурн”») с 1997 года проводились работы с применением современных программно-технических средств, позволивших выполнять проектирование с высокой точностью, сократить время проектного цикла, использовать меньшие человеческие ресурсы. Остановимся подробнее на возможностях используемой системы автоматизированного проектирования CATIA и рассмотрим их с позиции пользователя – инженера-конструктора, разработчика какого-либо из приведенных выше узлов, принимая во внимание современное состояние этой системы, которое автору удалось оценить в процессе сотрудничества с московской компанией ГЕТНЕТ.

1. САПР CATIA Версии 5, которая в отличие от Версии 4 реализует свои возможности не только на UNIX-станциях, но и на различных вариантах популярной платформы Windows, обеспечивает полное определение процесса моделирования твердых тел, требуемое для использования моделей в любых необходимых приложениях, например для подготовки обработки изделия на станках с ЧПУ или для анализа методом конечных элементов. Пользователь может моделировать новые детали или вносить изменения в конструкцию деталей и узлов непосредственно в сборке. При этом конструктор, конечно, может дополнять свой проект новыми, но заранее определенными деталями. Эти функции необходимы при создании электронного макета изделия, что существенно сокращает время, требуемое для окончательной увязки узлов и агрегатов и для обвязки изделия (рис. 1 — сборка компрессора, редуктора и воздушного винта на экране CATIA Версии 5).
2. САПР CATIA V5 позволяет конструктору вводить параметрические данные в создаваемую модель, определяя соотношения между различными элементами и параметрами. Важно, что указанные соотношения могут динамически изменяться в зависимости от формулируемых условий. Это возможно с использованием инструментов работы с базой знаний, арсенал которых включает формулировку правил взаимосвязи параметров, проверку накладываемых условий проектирования и создание скриптов для автоматической реализации функций проектирования. А выбирая геометрию и другие данные из библиотеки стандартных элементов, можно использовать ранее созданные разработки. Эти функции необходимы при проектировании — например, компонентов роторов двигателя — в тех случаях, когда по каким-либо причинам конструктор меняет геометрию составляющих деталей, компоновку и т.п. После внесения изменений выполняется повторный оценочный расчет на прочность (очень удобный и доступный, не требующий от конструктора знания тонкостей метода конечных элементов), и программа автоматически модифицирует всю конфигурацию корректируемой детали или сборочного узла и всех ассоциативно связанных элементов, при этом можно использовать и оптимизацию по выбранным параметрам (рис. 2).
3. САПР CATIA V5 позволяет конструктору быстро создавать, анализировать и изменять сложные трехмерные поверхности. Эти функции необходимы при проектировании лопаток компрессоров и турбин, в том числе лопаток со сложными каналами охлаждения во внутренних полостях. Программа помогает выявить ошибки и неточности расчета координат сечений создаваемой модели. Получая немедленный ответ на запрос о характеристиках кривых или поверхностей в процессе внесения изменений, проектировщик может принимать быстрые и обоснованные решения по проекту. Используя заданный закон изменения угла касательной к точкам профиля сечения лопатки, система позволяет «выгладить» поверхность пера лопатки в соответствии с заданными координатами. В то же время еще на этапе конструкторской проработки возможно проанализировать перспективы изготовления разъемных форм модели лопатки и модели керамического (вытравливаемого) стержня внутренней полости лопатки. Для эффективной оценки качества модели система предлагает ряд средств анализа, включая анализ плоских сечений и анализ сглаженных линий (рис. 3 — модель лопатки ТВД с циклонно-вихревой конструкцией внутренней полости охлаждения, рис. 4 — модель стержня внутренней полости лопатки ТВД).
4. САПР CATIA V5 позволяет конструктору быстро анализировать напряженно-деформированное состояние, возникающее в деталях, получаемых различными способами, в том числе в листовых деталях и сборочных узлах из них (рис. 5 — распределение напряжений в корпусной крышке под действием внутреннего давления, фрагмент автоматически генерируемого отчета в CATIA V5, видно разбиение детали на конечные элементы).

В заключение следует заметить, что применяемые сегодня разработчиками авиадвигателей системы CATIA, Pro/Engineer и Unigrafics (все они в той или иной степени использовались в проектах конструкторского бюро НТЦ им. А.Люльки АО «НПО “Сатурн”») являются удобным, точным и надежным, но в то же время достаточно сложным инструментом проектирования, который требует серьезной подготовки персонала, а значит, существенных затрат времени и средств на обучение. Указанные средства разработки дают возможность сократить время проектного цикла, сэкономить сроки и затраты на подготовку производства, значительно сокращая время на конструирование и изготовление сложной оснастки (штампов, литейных форм и т.п.), что остается важнейшим аргументом в пользу современных САПР. Использование систем трехмерного моделирования позволяет также упростить переход от идеи разработчика, выраженной в объемной форме, к плоским чертежам.

Что касается рассмотренной здесь системы CATIA, то успехи внедрения Версии 4 известными зарубежными компаниями Snecma, Pratt & Whitney (Canada) и многими другими, а также информация о переходе названных компаний на Версию 5 подталкивает к использованию CATIA Версии 5 и российских конструкторов авиадвигателей. 

«САПР и графика» 10'2001