Взаимодействие прикладного информационного обеспечения при формировании геометрического облика магистрального самолета

При современных все ускоряющихся темпах научно-технического прогресса динамика проектирования является одной из важнейших его характеристик, а сокращение сроков, стоимости и повышение качества проектирования становится одним из главных требований. Одним из решений этой проблемы является использование в проектно-конструкторских работах адекватных современным требованиям систем автоматизированного проектирования.

Последние десятилетия характеризуются появлением на мировом рынке систем автоматизированного проектирования (САПР), решающих широкий спектр задач геометрического моделирования, инженерного анализа, технологической подготовки производства и электронного документооборота, которые получили широкое распространение в аэрокосмической промышленности, более того, часть из них и создавалась в крупнейших аэрокосмических корпорациях.

В западной литературе термин САПР (Computer Aided Design, CAD) появился в конце 50-х годов прошлого века. При этом CAD-система рассматривалась только как система геометрического моделирования (СГМ).

Эволюция CAD-систем привела к появлению четырех наиболее значимых классов прикладных систем, соответствующих понятию САПР в Российской классификации [7]:

— CAD (Computer Aided Design) — система автоматизации проектных (чертежных) работ;

— CAE (Computer Aided Engineering) — система автоматизации инженерных работ;

— САМ (Computer Aided Manufacturing) — системы автоматизированной подготовки производства;

— PDM (Product Data Management) — системы управления инженерными данными и производственной информацией.

Технологии CAD/CAM/CAE/PDM-систем заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта [115]. Для автоматизации проектных работ наиболее значимыми являются CAD/CAE-системы.

Рис. В.1. Жизненный цикл продукта По опубликованным данным использование САПР позволяет в 2−3 раза сократить время проектирования и доводки летательных аппаратов (ЛА), в 3−5 раз — время подготовки их производства. При этом затраты на разработку сокращаются на 50−80% [51].

CAD/CAM/CAE-системы — универсальны, направлены на решение широкого круга задач. Но при всем многообразии их функциональных возможностей для геометрического моделирования и «электронизации» инженерной документации им не хватает специализированного инструментария, который бы направлял конструктора путем предложения ему проектных альтернатив при решении той или иной прикладной задачи.

Анализ.

Концептуализация проекта.

Анализ и оптимизация проекта.

Оценка проекта.

Аналитическая модель.

Проектная документация.

Разработка.

Планирование выпуска.

Планирование процессов.

Контроль качества.

Отгрузка.

Выпуск.

Упаковка.

Проектирование и приобретение новых инструментов.

Заказ материалов.

Программирование ЧПУ, ЧПУ типа CNC и ЧПУ типа DNC.

Необходимость разработки.

Технические требования для разработки.

Маркетинг.

Анализ осуществимости и сбор сведений для разработки.

Процесс разработки.

Синтез.

Процесс производства.

Первичные операции процесса разработки, такие как Определение необходимости разработки, Формулирование технических требований, Анализ осуществимости и сбор сведений для разработки, а также Концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза (рис. В.1). Его результатом является концептуальный проект предполагаемого продукта. В этой части цикла, занимающей 5−10% от суммарных затрат труда на разработку продукта, принимается до 70−80% решений по проекту, определяется функциональность продукта, делаются основные финансовые вложения, необходимые для реализации идеи продукта [74].

Большая часть информации, порождаемой и обрабатываемой в рамках подпроцесса синтеза, является качественной, а, следовательно, неудобной для компьютерной обработки и преимущественно осуществляются конструктором вручную. Применение существующих CAD/CAE-систем на этом этапе весьма ограничено, так как их использование предполагает детальную проработку и построение модели в рамках уже принятого решения. Однако и на этом этапе разработчик может и должен использовать компьютер, например, при помощи баз данных собирать важную для анализа осуществимости информацию, а также пользоваться специализированными системами, позволяющими направленно решать определенные специфичные проблемы, проводить параллельную проработку ряда альтернативных вариантов, обеспечивая эффективность создания концептуальных проектов.

Готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется — это уже подпроцесс анализа. Прежде всего вырабатывается аналитическая модель, поскольку анализируется именно модель, а не сам проект. Очевидным является тот факт, что качество результатов, которые могут быть получены в результате анализа, непосредственно связано с качеством выбранной модели, которым оно ограничивается. На этапе анализа широко используются различные CAD/CAE-системы.

-—(Выбор

ОпределениеЛч. материала размеров у —г^.

Метод сборки.

Концептуальный v проект >

Чертеж детали.

Расчет толщины.

Модель изделия.

S. ' Я М i.

Размещение. деталей .

Моделирование.

Автоматическая распилка .

Работа ^ с материалом.

Автоматическая сборка .

Зажимы и крепления.

САМ.

Рис. В.2. Взаимодействие CAD, САМ и CAE систем.

Данное диссертационное исследование направлено на поиск путей, методов и средств автоматизации этапа концептуального проектирования авиационной техники на основе использования передовых информационных технологий.

Наиболее сложным и востребованным объектом авиационной техники являются магистральные самолеты. Потребности внутреннего рынка России определила Федеральная программа развития авиации.

В настоящее время большинство авиакомпаний различных стран эксплуатируют самолеты, созданные в 1970;е и 1980;е годы. Два популярных в мире авиалайнера Boeing 737 и 747 были созданы в 1967 и 1969 годах соответственно. Самые популярные легкие самолеты Cessna 172 и Piper Cherokee еще более старые. Более того, самым старым из находящихся в эксплуатации, остается почтенный Douglas DC-3, которому сейчас более 65 лет [87].

Пассажирский самолет содержит порядка 106−108 деталей, для сравнения, автомобиль — около 10 тысяч. Продолжительность разработки нового самолета (до первого полета опытного образца) выросла с 3−4 лет в 60-е годы прошлого века до 8−10 лет в 80-е годы и продолжает расти по мере усложнения конструкций. Как следствие, увеличиваются ресурсы человеческого труда и машинного времени, необходимого на разработку конструкции, постоянно растет число специалистов, участвующих в разработках. По зарубежным данным, трудозатраты в человеко-часах на разработку 1 кг массы конструкции самолета возросцел — Н 4CJI ~~ ч ли с 4−5 —: — в начале пятидесятых годов до 25−30 —: — в семидесятые и кг кг продолжают расти.

Сложность и повышение требований к характеристикам современной авиационной техники вызывает увеличение расходов на проектирование самолетов. Причем, планируемые и истинные величины стоимости и времени проектирования и изготовления, как правило, существенно отличаются. Это объясняется ограниченными способностями человека обрабатывать огромные потоки информации, принимать решения в условиях большой неопределенности, вызванной невозможностью достаточно глубокой проработки всех вопросов, связанных с проектированием сложных объектов на различных этапах его разработки. Кроме этого, при проектировании новых моделей самолетов происходит существенное смещение акцентов по сравнению с концепциями, которые закладывались в существующие модели самолетов. Принцип «делай то, что позволяет современный научно-технический уровень» заменяется принципом «делай то, что нужно сделать».

В настоящее время неизвестны алгоритмы прямого синтеза сложных технических объектов. Их проектирование осуществляется многократным повторением анализа различных вариантов проектных альтернатив. Особенность проектирования самолета — максимальное количество концептуальных решений на самых ранних этапах проектирования в условиях максимальной неопределенности. От качества этих решений в огромной мере зависит возможность последующей реализации проекта самолета с желаемыми характеристиками в заданные сроки.

Стала очевидной настоятельная потребность поиска путей и средств повышения производительности труда конструктора при одновременном увеличении качества проектных работ, сокращения сроков проектирования и снижения материальных затрат. Приведенные выше причины привели к необходимости разработки научно-методического обеспечения создания прикладного информационного обеспечения для автоматизации задач этапа концептуального проектирования и разработки на их основе автоматизированной системы компоновки и формирования облика фюзеляжа магистрального самолета, с возможностью передачи результатов моделирования для дальнейшего анализа в существующие СГМ.

Актуальность проблемы и возможность ее решения на принципиально новом техническом уровне обусловили выбор темы исследования.

Методологической и теоретической основой исследования являются фундаментальные труды по проблемам проектирования конструкции, оборудования и эксплуатации самолетов, к которым относятся работы ведущих специалистов С. М. Егера [41, 49, 50], В. В. Мальчевского [71, 72, 73], О. С. Самойловича [89, 90], А. Н. Арепьева [2, 3, 4, 5, 6], В. А. Киселева [55, 56], М. Ю. Куприкова [60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67] и ряда других отечественных и зарубежных авторов [11, 12, 52, 93, 95, 96, 100, 113, 114], ученых ЦАГИ [102, 103] и других авиационных НИИ. В работах С. М. Егера и В. В. Мальчевского заложены теоретические основы автоматизированного проектирования самолетов. В работах В. В. Мальчевского предложен матрично-топологический метод синтеза схемы и компоновки самолета. В работах М. Ю. Куприкова приведено научно-методическое обеспечение автоматизации решения «обратной» задачи проектирования самолета при «жестких» ограничениях. Работы А. Н. Арепьева посвящены вопросам выбора параметров и вариантов компоновок фюзеляжей магистральных самолетов.

Математические методы моделирования, применяемые в авиастроении, развивались в работах В. А. Зубкова, В. А. Надолинного, В. А. Осипова, Н. Н. Рыжова [104], А. Д. Тузова [98], Н. Ф. Четверухина, П. В. Филлипова, В. И. Якунина [104] и их учеников, а также зарубежными учеными: Дж. Албергом, П. Бе-зье [107], К. Де Бором [110], П. Кастальжо, С. А. Кунсом [109], Р. А. Лаймингом, Э. Нильсоном, М. Праттом [83], Дж. Уолшом, Дж. Ферпосоном, А. Фоксом. При выполнении исследования использованы основополагающие работы по теории сплайн-функций и полиномов высоких степеней: В. А. Зубкова, В. А. Осипова, А. Д. Тузова, П. Безье, К. Де Боравопросам автоматизации графических работ и использования ЭВМ в начертательной геометрии: П. Безье, В. А. Надолинного, П. В. Филлипова, В. И. Якунинавопросам создания систем автоматизации проектирования: И. П. Норенкова [76, 77, 78], В. В. Липаева [69], А. И. Петренко [81], Б. Я. Советова [94], С. А. Яковлева [94]. Работами в области автоматизации компоновки салона магистрального самолета занимались как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них работы С. М. Егера, О.С. Самойлови-ча, В. В. Мальчевского, М. Ю. Куприкова, А. А. Пухова [85], Н. К. Лисейцева, X. Хаберланда [111, 112].

В работах В. В. Мальчевского предложена методика автоматизированной продольной компоновки пассажирской палубы.

В автоматизированной системе проектирования самолетов VisualCAPDA, разрабатываемой при участии профессора X. Хаберланда на UNIX-платформе, осуществляется попытка автоматизации всего цикла проектно-конструкторских работ.

Анализ работ убеждает в необходимости тесной интеграции наработок в области создания автоматизированных систем, математических методов моделирования, применяемых в авиастроении, проектирования конструкции, оборудования и эксплуатации самолетов, методик автоматизации компоновки магистрального самолета, автоматизированного формирования облика магистрального самолета с целью повышения качества принятия технических решений на ранних этапах проектирования и создания современных САПР.

Практическая ценность диссертационной работы.

Практическая ценность разработанного научно-методического обеспечения заключается в возможности построения на его основе инвариантного относительно различных СГМ прикладного программного обеспечения в рамках комплексной САПР. Разработанные методы и алгоритмы использованы соискателем при создании системы компоновки и формирования облика фюзеляжа магистрального самолета (СКиФОФ МС) и системы визуализации полей зазоров и напряжений, которые являются «инструментами» проектировщика-исследователя для формирования различных вариантов решений.

Результаты работы могут быть использованы в НИИ и ОКБ авиационной промышленности при разработке комплексных систем автоматизированного проектирования, а также при подготовке специалистов в авиационных учебных заведениях.

Внедрение результатов.

Разработанные геометрические, математические и аналитические модели оборудования, процедуры компоновки, алгоритмы и программы, вошедшие в систему, внедрены на ЗАО «АвиаСТЭП», ООО «SolidWorks-Russia».

Основные теоретические положения и некоторые результаты исследования опубликованы автором в девяти научных статьях [17, 18, 23, 25, 29, 32, 36, 37, 38], а также содержатся в тезисах докладов [14, 15, 16, 19, 20, 21, 22, 24, 26, 27, 28, 30, 31, 33, 34, 35] на научно-технических конференциях всероссийского и международного значения.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов по работе, списка литературы (116 работ отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Общий объем диссертации — 208 страниц, включая 12 таблиц и 103 рисунка.

ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе получены следующие теоретические и прикладные результаты:

1. В рамках исследования выявлено, что сокращение сроков, стоимости и повышение качества проектирования может быть обеспечено путем использования комплексной САПР, включающей инвариантную систему автоматизированного формирования проектных гипотез и CAD/CAM/CAE-системы.

2. Проведенный анализ показывает необходимость и возможность автоматизации ФОС, что позволяет сократить время формирования проектных гипотез в 2−3 раза за счет построения формально-эвристических моделей и включения прикладного программного обеспечения в состав комплексной САПР.

3. Проведенный анализ инструментов, принципов и средств разработки систем автоматизированного проектирования показал что:

• построение системы «по спирали» позволяет организовать ее поэтапное внедрение в технологический процесс, сочетая эксплуатацию и наращивание функциональных возможностей системы;

• наиболее эффективным является хранение данных о проектных гипотезах в виде структурированного файла в соответствии с иерархией моделей (итоговый коэффициент оценки 61,5% от максимального уровня);

• сопоставление различных технологий унификации взаимодействия приложений позволило определить приоритеты их использования. По сочетанию факторов — независимость от версии, автоматическое взаимодействие, скорость построения трехмерных моделей и размер данных, которыми обмениваются приложения, — выбрана технология СОМ.

4. На основе научно-методического обеспечения была разработана концепция и выполнена программная реализация автоматизированной системы компоновки и формирования облика фюзеляжа магистрального самолета (СКиФОФ МС), предназначенной для проведения проектных исследований при формировании облика самолета, что позволяет в среднем в 7−8 раз сократить время, затрачиваемое на построение модели фюзеляжа в системе SolidWorks.

5. На основе научно-методического обеспечения была разработана концепция и выполнена программная реализация системы визуализации полей зазоров и напряжений, предназначенной для оптимизации расстояний между отверстиями временного крепежа в стыкуемых секциях фюзеляжа. Использование специальных методов и свойств множественной симметрии при взаимодействии с системой COSMOS/M позволяет сократить объем вычислений в 2−4 раза, рассматривая ситуацию только для одного отверстия и обобщая ее на случай N отверстий.

6. Программная реализация СКиФОФ МС доказывает реальные практические преимущества разработки прикладных программных комплексов по сравнению с традиционными решениями. Выработана модель унификации наборов процедур для инвариантного использования CAD/CAM/CAE-систем, реализована инвариантность взаимодействия относительно 2-х систем (Solid-Works и CATIA) и файлов VRML-формата, выявлены способы обеспечения инвариантности и для других систем.

7. Приведенные в работе математические доказательства, базирующиеся на результатах фундаментальных исследований в области авиации, геометрии и программирования, подтверждают адекватность выбранных методов и принятых допущений, составляющих основу расчетной модели фюзеляжа самолета. Верификация алгоритмов СКиФОФ МС показала, что система соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает получение достоверных результатов — средняя величина ошибки расчетов не превышает 5%.

8. Выработаны проектные рекомендации для использования разработанного научно-методического обеспечения при разработке программных модулей в рамках комплексной САПР.

Таким образом, в данной диссертационной работе разработано научно-методическое обеспечение САПР, включающее методики, алгоритмы и прикладные программные средства создания комплексной САПР на основе инвариантного прикладного программного обеспечения и CAD/CAM/CAE-систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При современных все ускоряющихся темпах научно-технического прогресса динамика проектирования является одной из важнейших его характеристик, а сокращение сроков, стоимости и повышение качества проектирования становится одним из главных требований. Сложность и повышение требований к характеристикам современной авиационной техники вступает в противоречие с ограниченными способностями человека обрабатывать огромные потоки информации, принимать решения в условиях большой неопределенности, вызванной невозможностью достаточно глубокой проработки всех вопросов, связанных с проектированием сложных объектов на различных этапах его разработки.

Одним из решений данной проблемы является использование в проектно-конструкторских работах систем автоматизированного проектирования. Проведенный анализ рынка САПР показал практическую неприменимость предлагаемых программных продуктов для решения проектных задач на этапе формирования облика самолета. Вместе с тем, анализ работ убеждает в необходимости тесной интеграции наработок в области создания автоматизированных систем, математических методов моделирования, применяемых в авиастроении, проектирования конструкции, оборудования и эксплуатации самолетов, методик автоматизации компоновки магистрального самолета, автоматизированного формирования облика магистрального самолета с целью повышения качества принятия технических решений на ранних этапах проектирования и создания современных САПР. Решение данной задачи требует разработки принципиально нового класса программных продуктов — средств формирования проектных гипотез по проекту, позволяющих инженеру-проектировщику сократить время формирования множества альтернативных компоновочных решений и оценить характеристики создаваемого самолета. Это обусловило выбор направления данного диссертационного исследования.

Для обеспечения заданных требований автоматизированная система должна обладать следующими качествами:

— высокой скоростью расчета и достоверности получаемых результатов,.

— быть интуитивно понятной и простой в использовании,.

— работать в автономном и комплексном режиме;

— иметь средства для взаимодействия с различными CAD/CAM/CAE-системами.

Научная новизна диссертации заключается в разработке научно-методического обеспечения создания комплексной САПР для формирования геометрического облика самолета на основе инвариантного прикладного программного обеспечения и современных CAD/CAM/CAE-систем, построенного на базе комплекса разработанных методов, моделей и алгоритмов унификации.

В ходе работы был проведен анализ различных инструментов, методов и средств построения САПР, апробирован метод декомпозиции САПР в соответствии с иерархической моделью проектируемого изделия, выявлены методы хранения данных и архитектура, обеспечивающие поэтапное наращиванию возможностей системы, а также технологии, обеспечивающие эффективную передачу данных во внешние CAD/CAM/CAE-системы.

Для использования в САПР была модифицирована стандартная методика расчета, построены программные классы, отвечающие за работу с параметрическими моделями оборудования, разработана комплексная расчетная модель и созданы автоматизированная система компоновки и формирования облика фюзеляжа магистрального самолета (СКиФОФ МС) и система визуализации полей зазоров и напряжений, работающие в составе комплексной САПР и обеспечивающие точное и оперативное решение проектных задач.

В ходе работы были получены следующие новые результаты:

— Разработано научно-методическое обеспечение по унификации методов моделирования в прикладном программном обеспечении;

— Разработано методическое и программное обеспечение инвариантного взаимодействия с различными внешними CAD/CAM/CAE-системами при автоматизации этапа концептуального проектирования изделия;

— Разработано методическое и программное обеспечение формирования обводов фюзеляжа магистрального самолета на основе внутренней компоновки;

— Выработаны проектные рекомендации по разработке прикладных модулей и осуществлению взаимодействия с внешними приложениями.