В работе рассмотрена возможность повышения эффективности процесса проведения расчетов конструкций стоек шасси летательных аппаратов за счет создания единого расчетного процесса, в том числе с привлечением коммерческих CAE-программ. Проведен сравнительный анализ трудоемкостей, затрачиваемых на ряд отдельно взятых расчетов при имеющемся и предлагаемом подходах. Сделаны выводы о целесообразности применения единого расчетного процесса.
Ключевые слова: единая расчётная модель, механические расчёты стоек шасси, автоматизация процессов проектирования
Введение
Проектирование опор шасси летательных аппаратов подразумевает проведение серии расчетов различного рода, уровня сложности и детальности (например, расчет амортизации, расчет на устойчивость против колебаний типа «шимми», расчет на статическую прочность, на усталостную долговечность и пр.). Растущие требования к стойкам шасси приводят к усложнению как конструкции, так и расчетных моделей и процедуры проектирования в целом. Как следствие, повышаются требования к компетенциям (и/или к количеству) конструкторов и инженеров, а также возникает необходимость отслеживания параметров при передаче их из одних расчетов к другим, т. е., необходимость управления интерфейсами. Сжатые сроки, выделенные на проектирование новых изделий, подразумевают оперативную работу с заказчиком в части управления требованиями и последующего согласования конструкторской документации. Оперативное управление требованиями напрямую связано с оперативным прогнозом и последующей расчетной оценкой параметров конструкции (с применением общепонятных расчетных моделей) при изменении требований, заложенных в техническом задании (ТЗ).
Обе обозначенные проблемы предлагается решить за счет отладки процесса управления интерфейсами между отдельными видами расчетов. Его осуществление подразумевает модификацию (в т. ч. и глубокую) применяемых методов проведения расчетов стоек шасси на стадии проектирования. Важную роль в поиске новых решений играют быстро развивающиеся вычислительные мощности, доступные все более широкому кругу предприятий. Таким образом, настроить интерфейсы представляется возможным как за счет проведения серии расчетов в одной программной среде, так и за счет организации обмена данными между программами в заранее оговоренных форматах через сервер.
Описание процесса “Как есть”
При рассмотрении текущей процедуры проведения расчетов стоек шасси летательных аппаратов можно заметить, что все они производятся с помощью ЭВМ с использованием либо специальных расчетных программных продуктов (CAE-программы) либо с помощью «локальных» авторских программ, ориентированных на выполнение конкретной задачи. В зависимости от целей, каждый расчет по-своему организует настройку расчетной модели. Таким образом, независимо друг от друга формируется множество расчетных моделей.
Из сходства некоторых этапов подготовки расчетной модели в разных расчетах (например, и в статическом, и в усталостном анализе производится расчет напряженно-деформированного состояния конструкции) следует, что при независимом формировании расчетных моделей часть конструкторской работы дублируется. При этом, нельзя быть уверенным, что общие для смежных расчетов свойства модели задаются одинаковым образом. Также затрудняется возможность проверки корректности всего спектра созданных таким образом моделей, что снижает совокупную надежность проводимых работ.
В текущей конфигурации расчетного процесса передача данных между расчетами заключается в их извлечении из утвержденной отчетности. Необходимость такого подхода продиктована соображениями прозрачности предоставления исходных данных и подтверждения их надежности. При этом, в условиях громоздких цепочек согласования при последовательной передаче данных между отчетами единый процесс затягивается во времени в несколько раз. Также бюрократизированность утверждения расчетного процесса может приводить к тому, что на момент утверждения расчета данные становятся неактуальными.
Описание процесса “Как должно быть”
В целях настройки интерфейсов с минимальным ручным вмешательством в процесс передачи данных между расчетами необходимо выведение отчетности в нередактируемом формате (бумажные носители, pdf-файлы) из потока файлов, участвующих в передаче данных в существующем расчетном процессе (пример показан на рисунке 1).
При этом, сохраняется проблема неподтвержденности надежности и актуальности передаваемых данных с формальной точки зрения. В данном случае оперирование неутвержденными, но автоматически передаваемыми данными из завершенного расчета далее по потоку может быть дозволено введением соответствующих договоренностей и/или распоряжений внутри конструкторского бюро.
Рис. 1. Выведение нередактируемого формата отчетности из потока
Далее возникает вопрос технической реализации сквозного потока данных. В примере на рисунке 1 промежуточный файл предлагается в форматах, поддерживаемых Microsoft Excel, что не случайно, так как экспорт и импорт файлов в форматах xls, xlsx, csv и т. п. распространен как в коммерческих программных пакетах, так и в локально создаваемых на предприятиях расчетных программах, особенно когда речь идет о трансфере табличных данных. В отдельных случаях удобнее оказывается работа с текстовыми форматами типа txt, json, yaml. Характерной особенностью обращения к обособленным файлам является то, что таким образом обеспечивается совместимость закупаемых коммерческих пакетов и собственных программных продуктов.
В то же время упрощение процедуры передачи данных может быть достигнуто за счет проведения расчетов в одной расчетной среде [1]. В рамках данной работы метод был опробован для расчетов на статическую прочность, усталостную долговечность и частично для расчета уборки-выпуска. В целях демонстрации осуществимости подхода в качестве расчетной программы был выбран Ansys Workbench. Пробная реализация методики проведения расчетов с помощью единой информационной модели была проведена для хвостовой опоры шасси вертолета Ка-62. На рисунке 2 показана схема взаимосвязей между исходными данными в единой расчетной модели.
Рис. 2. Схема взаимосвязей между компонентами совокупности проводимых расчетов
Согласно рисунку 2 для всех трех разновидностей расчетов используется единая 3D-модель и общий блок, описывающий массовые, прочностные (упругие и пластические) и усталостные свойства материалов. Задание кинематических связей, настройка сетки конечных элементов и её верификация выполняется одновременно для статического и усталостного анализа, что исключает дублирование работ на данном этапе. Это приводит к выигрышу во временно́м эквиваленте по сравнению с двумя независимыми расчетами в Ansys Workbench.
Результаты сравнения затрачиваемых трудоемкостей на связку расчетов «статическая прочность + усталостный анализ» при подходах с независимыми моделями и с единой расчетной моделью имеют неоднозначный характер. Сравнение первых итераций проведения расчетов показало, что, несмотря на наличие стадий, проводимых единожды для обоих видов анализов, суммарная трудоемкость проведения расчетов в единой расчетной среде оказалась выше примерно на 80 процентов, чем трудоемкость процесса «как есть», состоящего из равных по величине блоков анализа расчетных сечений. При этом, степень предпочтительности того или иного подхода однозначно не ясна ввиду того, что значительная часть единого расчетного процесса приходится на машинное время. Также необходимо учитывать, что в случае изменений входных данных, влекущих за собой необходимость проведения следующей итерации расчетов, структура единого расчетного процесса претерпит смещение фокуса с подготовки расчетной модели на вычислительную составляющую. При этом, структура процесса «как есть» существенно не изменяется. Начиная со второй итерации, подход с применением единого расчетного процесса затрачивает меньшее суммарное машинное и человеческое время, нивелируя бо́льшую трудоемкость первой итерации через несколько последующих итераций.
Следует иметь в виду, что эффективность подхода определяется не только затрачиваемой трудоемкостью, но и прозрачностью процедуры расчета, полнотой анализа исследуемых деталей, а также гибкостью расчетной модели. Последнее оказывается важным в случае изменения исходных данных, так как оперативность реакции в подобной ситуации становится одной из важнейших характеристик качества расчетного процесса.
Выводы
‒ Проведен анализ существующего процесса проведения расчетных работ для стадии рабочего проектирования опор шасси и предложены подходы к его совершенствованию;
‒ Разработана единая расчетная модель в программном комплексе Ansys Workbench для серии расчетов, работоспособность которой была проверена на примере хвостовой опоры шасси вертолета Ка-62;
‒ На базе имеющейся статистики по затраченным трудоемкостям, а также на основании экспертных оценок проведен сравнительный анализ трудоемкостей, затрачиваемых на проведение процессов имеющегося и предлагаемого типов.
Можно заключить, что подход к расчетному проектированию опор шасси, основанный на управлении интерфейсами между отдельными расчетами с применением промежуточных файлов, а также с проведением серии расчетов в одной программной среде, является предпочтительным по ряду параметров и относительно несложным в технической реализации. Тем не менее, целесообразность его внедрения в процесс проектирования отдельно взятой системы зависит от ряда экономических показателей, специфики разрабатываемого изделия и механизма взаимодействия с заказчиком и прочими заинтересованными сторонами проекта.
Литература:
- Isad Saric “Implementation of CAD/CAM/CAE systems”, 2009.
