Конструирование двигателя всегда начинается с компоновки, которая чаще всего представляется продольным разрезом двигателя. Известны случаи выполнения трехмерных компоновок, но они сравнительно редки.
Техническим заданием для компоновки является схематический чертеж двигателя, полученный при выборе его оптимальных параметров. При автоматизированном проектировании компоновка сначала прорабатывается начерно на одной из систем компьютерной графики. Затем производится ее декомпозиция и распределение узлов по отделам. Готовые технические задания для отделов помещаются в банк изделия, а оттуда по локальной сети поступают в соответствующие отделы.
Использование современных технологий при конструировании авиационных двигателей возможно в следующих вариантах:
1. Имеющиеся на предприятии чертежи и другая конструкторская и технологическая информация переводится в электронный вид путем сканирования, векторизации, разбиения на слои и блоки, позволяющие выделять из общих видов сборочные чертежи узлов, рабочие чертежи деталей и т.д. Такого рода электронный атлас используется как база для разработки новых двигателей.
2. Пространственные модели деталей и узлов и двигателя в целом формируются на основе параметризованных заготовок, накапливаемых в базе конструкторской информации предприятия (в банке знаний).
3. Конструкция создается вновь (концептуальное проектирование) на основе предлагаемой ниже методологии.
Новые возможности позволяют предложить метод последовательной проработки конструкции параллельно с функциональным проектированием двигателя, путем упорядоченного поэтапного учета требований к конструкции (обеспечения кинематики, возможности сборки-разборки, минимизации массовых характеристик и обеспечения прочности, организация уплотнений и т.д.). По своей сути он представляет собой виртуальную технологию изготовления модели двигателя из легкообрабатываемого материала, технологию сборки и поэтапной модификации этой модели. В основе метода, лежит механизм ссылок, имеющийся в развитых CAD/CAM системах. Благодаря этому можно создавать упрощенные твердотельные модели, затем путем ссылок формировать для них ответную часть (типа матрицы в пресс-форме).
На следующем шаге элементы более детальной модели вписываются в геометрическое пространство этой ответной части предыдущей модели.
На отдельных этапах удобнее применять не замещение упрощенного элемента конструкции набором более детальных, а его модификацию, добавления к нему детальных элементов (например, к упрощенной модели диска добавляются элементы проставок с лабиринтными уплотнениями или, наоборот, вырезаются пазы для замков лопаток). Таким образом, конструирование превращается в виртуальную технологию изготовления.
Эту работу можно организовать примерно следующим образом. На первом этапе из системы термогазодинамического моделирования (см. рис. 7.1) для любого узла получаем его твердотельную геометрическую заготовку в CAD/CAM/CAE-системе (рис. 7.2).
Модель «завязки двигателя».
Рис. 7.1. Модель термогазодинамических процессов в двигателе.
Рис. 7.2. Формирование трехмерных элементов, моделирующих элементы ГТД на начальном этапе конструирования.
Она отражает только термогазодинамику, закон профилирования и кинематику, т.е. возможность вращения роторов и центрирования вала, а также возможность соединения валов.
Обеспечивается возможность интерактивной коррекции формы деталей (3d, твердотельных) и вписывания (подстановки - замещения упрощенных элементов более детальными) параметризованных деталей в указанные диаметральные и длинновые размеры (или профилированную область). Т.е. на одном этапе контуры, например, проточной части двигателя - это пространственная модель, а на следующем этапе детализации это ответная часть (стенки канала, куда должны быть вписаны элементы более детальной модели). Для этого используется имеющийся в CAD/САМ механизм ссылок (который обычно применяется при формировании моделей оснастки пресс-форм и т.д.).
Рис. 7.3. Сборка трехмерных моделей узлов в модель ГТД на начальном этапе конструирования.
Геометрическая стыковка узлов производится программно или интерактивно, для чего заготовки параметризируются по диаметральным и длинновым параметрам (Di, di, Li) и закону профилирования (D=const, d=const, Dcp=const,.... закон отклонения %,...). При этом учитываются типы узлов.
В итоге собирается заготовка двигателя (см. рис. 7.3), например, ТРД, т.е. здесь система эскизного конструирования (например типа RASCAD, но уже теперь трехмерная) может использоваться как интерфейс CAD/CAM-системы с системой термогазодинамического моделирования (например, типа DVTG ) через БД в среде параллельного проектирования типа PDM.
Далее идет более детальный расчет узлов - например, компрессора в системе моделирования KOMPR и турбины в системе TUR (или PARLOP) с выбором высот лопаток, хорд, углов установки, отсюда появляется ширина венцов и осевые зазоры, выбирается тип конструкции ротора (барабанная, дисковая...). Это позволяет (программно или интерактивно) уточнить длину и форму проточной части. Например, рядом с заготовкой компрессора расположить заготовки ступеней и рабочих колес из RASCADa-TUR или RASCADa-KOMPR. В этих заготовках каждый лопаточный венец и диск упрощенно представлен диском.
Это позволяет нарезать ротор и проточную часть компрессора в заготовке предыдущего уровня на элементы - рабочие колеса и входные или направляющие аппараты, с учетом осевых зазоров.
Такое представление уже отражает особенность лопаточных машин – наличие неподвижных и вращающихся лопаточных решеток. Далее необходимо убедиться в возможности сборки. Для этого между дисками рабочих колес вставляются заготовки проставок, передний и задний диски (цапфы) закрепляются на валу, передний конец вала вместо просто углубления помещается во внутреннее кольцо подшипника, как показано на рис 7.4
Рис. 7.4. Модель конструкции компрессора после введения в рассмотрение ряда аспектов (обеспечение кинематики, возможности сборки-разборки, газодинамической разгрузки осевых сил).
Дальнейшая детализация связана с обеспечением работоспособности - лабиринтные уплотнения между кольцами направляющих аппаратов и проставками ротора, расчет напряжений (с помощью САЕ—систем) в дисках и удаление лишнего материала. Для такого расчета дисков нужны нагрузки от лопаточного венца и поэтому следует переход к модели конструкции пятого уровня. Здесь в лопаточных венцах, которые ранее моделировались, как сплошные кольца (диски), вырезаются межлопаточные каналы (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Формирование модели лопаточного венца
Это уже позволяет в первом приближении произвести расчет дисков - их ступицы, полотно, обод и т.п. и удалить лишний металл. В свою очередь, выделенный межлопаточный канал позволяет моделировать и анализировать газодинамические характеристики лопаточных машин (рис. 7.6).
Далее вновь возникает вопрос обеспечения возможности сборки — уже лопаток с диском и наружного корпуса компрессора (разделение его на кольца с фланцами или две части с продольным разрезом). Для сборки лопаток с диском и неподвижных лопаток с внутренними и наружными кольцами выделяются устройства крепления (замки) и пазы для них (рис. 7.7).
Рис. 7.6. Модель «виртуального канала»
Рис. 7.7. Трехмерная модель лопатки компрессора в CAD-системе
С учетом таких изменений формируется геометрическая модель шестого уровня (рис. 7.8). При этом лишний материал дисков (колец и т.п.) дополнительно обнаруживается и удаляется после трехмерных расчетов в САЕ - системе (рис. 7.9).
Рис. 7.8. Трехмерная модель компрессора.
Рис. 6.9. Анализ НДС диска компрессора в САЕ-системе (Ansys).
Дальнейшие преобразования такого же рода позволяют прийти к итоговой конструкции (рис. 7.10).
Утвержденная компоновка по локальной сети через банк изделия поступает к деталировщикам, т.е. к инженерам-конструкторам, которые специализируются на выпуске чертежей деталей.
