Под методологией проектирования понимается совокупность знаний в широкой области инженерных дисциплин, а так же математический аппарат, с помощью которого решается проектно - конструкторские работы.
Методология проектирования включает в себя следующие аспекты:
· методические,
· организационные,
· техническое обеспечение.
Методологическое обеспечение – это совокупность методик расчёта и теоретических описания предметной области.
Для ГТД оно состоит из большего количества методик термогазодинамических, прочностных расчётов как двигателя в целом, так и их элементов. КБ располагают огромным запасом таких методик и постоянно их, совершенствуют, увеличивая как их число, так и глубину описания процесса. Следует отметить, что методики отражают специфику проектируемых двигателей и они не всегда применимы к другим двигателям. Методология проектирования постоянно совершенствуется в соответствии накопленным опытом производства и эксплуатации ГТД, повышения и расширения требований к объекту проектирования.
Историю развития методологии проектирования можно разделить на три этапа:
Первый этап начинается с первых отечественных разработок ГТД в 30-е г. и заканчивается с окончанием Великой Отечественной войны. Этот этап характеризуется недостаточностью методического и технического обеспечения. Именно это время являлось становлением методологии проектирования. На этом этапе широко использовался накопленный опыт по созданию авиационных поршневых двигателей и ГТУ.
В качестве примера созданных на первом этапе разработок можно привести следующие:
1936г. - проект ТВД с Nе=1150 л.с., авторы Уваров и Востриков.
1940 г. - технический проект РД-1 с Р=500 кГ, автор А.М. Люлька.
Начало 2-го этапаразвития методологии проектирования приходится на конец 40х и начало 50х г. г., когда появились 1-ые отечественные серийные ГТД РД-10 и РД-20 (МиГ-9, ИЛ-28).
В ЦИАМе и ОКБ проводятся исследования основных узлов ГТД, уточняются расчеты характеристик компрессоров и турбин появляются сначало проекты, а затем и двигатали РД-45, РД-500, АЛ-3, АМ-3.
Бурное развитие реактивных двигаталей, расширение диапазона эксплуатации как по скорости полета, так и по области применения, потребовала совершенствования математических моделей агрегатов, в том числе воздухозаборника и сопла.
До 60х г.г. математичекие модели были простыми из-за ограниченной возможности выполнения сложных расчетов. Сложные явления разделялись на более простые, а некоторые, как напремер вязкость, не рассматривались.
В результате исследования сложных явлений производились с помощью физического эксперимента, т.е. требовали больших затрат труда и материальных средств.
Третий этап развития методологии проектирования связан в основном с революционным изменением в организационном и техническом обеспечении, т.е. с широким внедрением ЭВМ и численных методов. Это качественно повлияло на методоческое обеспечение, так как появилась возможность учета влияния большого числа факторов и оптимизации самих расчетов.
Серьезные изменения произошли в организационном обеспечении. Возрастающая сложность решаемых проблем, ужесточение требований по надежности и ресурсу, стоимости разработки, потребовали специальных организационных мероприятий, чтобы обеспечить успешную разработку нового изделия в установленное время. Одно из таких мероприятий – накопление опережающего научно-технического и конструкторского задела.
Для методического обеспечения на 3-м этапе характерно «насыщение», которое появляется как по горизонтали, т.е. увеличение числа методик не дает существенного уточнения результатов, так и по вертикали, т.е. усложнение моделей 2D, 3D течения также не дает существенного уточнения результатов.
История ГТД относительно коротка, ей всего 5 десятилетий. За это время во всем мире создано не более 100 базовых ГТД, а их различных модификаций - несколько сотен. В процессе проектирования ГТД используются накопленные за последние годы знания в области фундаментальных и прикладных наук, но наука о проектировании ГТД не является простой суммой накопленных знаний. Специфика методов и приемов проектирования позволила сформироваться теории проектирования ГТД со своими исходными позициями, законами и теориями.
На первом этапе становлении теории и практики проектирования новый двигатель создавался практически на «пустом» месте, без каких-либо природных параметров.
Второй этап (50-70 г.г.) характеризуется широким использованием традиционных для всех видов техники приемов проектирования основных методах подобия и копирования, т.е. методов прототипов. За этот период создано большое количество как зарубежных, так и отечественных двигателей. Накопление опыта эксплуатации новых конструктивных узлов, научных знаний позволяло улучшать характеристики двигателя при сравнительно небольших затратах. Этот этап не смог ввести существенных сдвигов в области проектирования. Философия подражания – это научное планирование отставания.
Третий этап характеризуется бурным ростом использования методов оптимального проектирования толчком, которого послужило широкое внедрение ЭВМ и САПР.
История и современное состояние автоматизированного
проектировании авиационных двигателей
Проектирование такого сложного технического объекта, каким является газотурбинный двигатель, всегда осуществлялось с максимальной по возможности автоматизацией всех аспектов процесса. Исторически процесс проектирования всегда сопровождался параллельным созданием различных систем автоматизированного проектирования. Первые этапы автоматизации можно соразмерить с малой механизацией в производстве, так как они обеспечивали только кусочную автоматизацию, и по уровню могли быть только прообразом сегодняшних информационных технологий.
Первые попытки применения ЭВМ для проектирования летательных аппаратов за рубежом были предприняты еще в пятидесятых годах. Однако из-за несовершенства технических средств и программного обеспечения существенных результатов в то время достичь не удалось. Возрождение интереса к разработке и использованию комплексных систем автоматизированного проектирования наметилось при появлении ЭВМ второго поколения и развитых устройств для ввода-вывода графической информации. В процессе создания систем автоматизированного проектирования авиационных ГТД просматриваются три основных этапа.
На первом этапе, охватывающем шестидесятые годы, ЭВМ использовались главным образом в качестве больших арифмометров для решения отдельных трудоемких задач по расчету параметров и характеристик. Во второй половине 60-х годов появились ЭВМ третьего поколения, снабженные операционными системами, которые обеспечивали работу ЭВМ не только в режиме пакетной обработки, но и в режиме разделения времени. Появились достаточно совершенные периферийные устройства, которые включали в себя средства ввода-вывода графической информации (графопостроители, координатографы, дисплеи и т.д.). Поэтому появилась возможность дальнейшего развития систем.
На этом этапе основная задача при разработке каждой из САПР заключалась скорее в максимальном использовании и адаптации имевшегося у каждой фирмы пакета прикладных программ инженерных расчетов, чем в создании системы, обладающей динамичным банком данных (БД) и гибкой операционной системой управления процессом взаимодействия отдельных модулей (составляющих программ). Реализация возможности работы человека в режиме диалога с ЭВМ позволила вплотную приступить к комплексной автоматизации процесса проектирования, т. е. к разработке развитых САПР.
На втором этапе произошел переход от автоматизации решения отдельных задач к автоматизации достаточно крупных проектных процедур, в ряде случаев - этапов проектирования в целом. Получили значительное развитие такие направления, как автоматизация чертежно-графических работ, различных информационных процедур (хранения, поиска и обработки информации), управления ходом проектирования.
В процессе эксплуатации подобные системы показали хорошие возможности в смысле сокращения сроков проектирования и повышения качества объектов проектирования. Успех стимулировал дальнейшее развитие процесса автоматизации проектирования и способствовал появлению новых тенденций.
Отличительными чертами третьего этапа создания САПР являются:
- переход к автоматизации всего процесса проектирования в целом;
- обеспечение взаимосвязи между САПР и другими автоматизированными системами, обеспечивающими расчеты, разработку, изготовление и т.п.;
- обеспечение возможности адаптации системы к объекту проектирования и развития ее в процессе эксплуатации;
- широкое использование диалоговых режимов работы, процедур коллективного проектирования;
- развитие новой методологии проектирования, ориентированной на сквозном применении средств автоматизации в рамках интегрированных САD/САМ/САЕ - систем.
Разработка и внедрение САПР - это сложный процесс, при котором приходится решать как технические, так и организационные (в некотором смысле - даже социальные) проблемы. Как должна производиться разработка САПР - специально созданными подразделениями или необходимые для САПР блоки должны разрабатываться в рамках существующей организации? Какое подразделение фирмы должно взять на себя обязанности руководителя процессом создания САПР? На каком уровне административного руководства начинается разработка комплексных программ, и каково вообще отношение администрации к созданию и использованию САПР? Как должен быть организован процесс принятия решений при внедрении САПР (т.е. какую часть этапа принятия решений можно автоматизировать, и какие решения должен принимать человек)? Ответить на все эти вопросы весьма не просто. К настоящему времени САПР авиационных ГТД широко разрабатываются и используются как у нас в стране, так и за рубежом.
В качестве примера можно привести сведения о системе IPAD. Система имеет открытую для расширения модульную структуру, содержит программы оптимизации, банк данных, управляющую программу. Имеется возможность вмешательства в процесс автоматизированного проектирования на любой его стадии. По предварительным оценкам система IPAD должна на 25% уменьшить стоимость и вдвое - время проектирования самолета.
IPAD автоматизирует все этапы проектирования - от формирования технического задания до рабочего проектирования.
Представляет интерес система автоматизированного проектирования LPWT (система автоматизированного проектирования двигателя, учитывающая взаимосвязи ресурса, характеристик и массы). Система предназначена для решения задач II и III этапов программы LUCJD (программа проектирования двигателей с учетом обеспечения ресурса в реальных условиях эксплуатации). В этой системе анализируется четыре элемента двухвального ТРДДФ со смешением потоков: первая ступень многоступенчатого вентилятора, первая и предпоследняя ступени компрессора, одноступенчатая турбина высокого давления, турбина низкого давления, которая имеет одну или две ступени. В результате оптимизации в системе LPWT определяются параметры процесса и размеры двигателя, Оптимизируются десять конструктивных параметров различных узлов двигателя: число ступеней, окружные скорости и др. Последующая оптимизация системы самолет - двигатель включает определение удельной загрузки на крыло, тяговооруженности самолета и параметров двигателя - степени двухконтурности, степени повышения давления, температуры газа перед турбиной (на взлетном режиме). В системе LPWT возможен выбор 5-6 конструктивных решений замковых соединений и дисков. Параметры замкового соединения определяют условия для проектирования диска. Размеры диска определяются из условия минимальной массы при выполнении требований по ресурсу в заданных условиях эксплуатации. Критерием оптимизации является полная взлетная масса самолета. В результате оптимизации массы самолета определяются оптимальные параметры двигателя и его узлов. Целью программы ВВС США LUCJD является разработка и демонстрация методологии проектирования двигателей, сбалансированных по показателям назначения и ресурса. Эта методология будет применена при проектировании перспективных двигателей. В настоящее время ряд результатов программы LUCJD используется фирмой Пратт-Уитни.
Эффективность использования САПР при проектировании и изготовлении просматривается на таких примерах. Широкофюзеляжный транспортный самолет "Боинг-747" был создан за 3 года (вместо обычных 7-10 лет) благодаря широкому использованию САПР летательного аппарата и машинно-ориентированных методов проектирования, а также сетевых методов планирования и управления, автоматизации и механизации проектно-конструкторских, технологических и других видов работ. Фирма "Локхид" с помощью САПР сократила время эскизного проектирования самолета в К) раз, а фирма "Дайна-микс" сократила длительность конструирования самолета в 4 раза. Например, применение системы AESOP на фирме "Боинг" позволило сократить сроки проектирования и отработки конструкции самолетов в 6 раз. Выпуск чертежей при этом осуществляется чертежными автоматами, управляемыми от ЭВМ.
