ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС по дисциплине: «Системы автоматизированного проектирования АД

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС по дисциплине: "Системы автоматизированного проектирования АД и ЭУ (САПР АД и ЭУ)"

Введение: Понятие, структура и задачи дисциплины Основные этапы проектирования ГТД

1. Понятие САПР АД и ЭУ САПР АД и ЭУ – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с подразделениями или коллективом специалистов (пользователем системы), выполняющий автоматизированное проектирование ГТД.

2. Структура САПР АД и ЭУ

3. Задачи и функции САПР АД и ЭУ Выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных этапах проектирования ГТД и его деталей и узлов

3. Задачи и функции САПР АД и ЭУ Сокращение продолжительности создания нового ГТД - проектирование - определение оптимальной конструкции - подготовка производства - испытания - сертификация и ввод в серию

3. Задачи и функции САПР АД и ЭУ Повышение показателей качества АД и ЭУ - надежность Динамические Статические Тепловые Гармонические Нестационарные Задачи

3. Задачи и функции САПР АД и ЭУ Повышение показателей качества АД и ЭУ - КПД и эмиссия ВВ

3. Задачи и функции САПР АД и ЭУ Повышение показателей качества АД и ЭУ - Шум

3. Задачи и функции САПР АД и ЭУ Накопление полученного опыта и знаний - решение старых задач на новом уровне - учет ранее неизвестных проблем

4. Этапы проектирования ГТД ЖЦИ – цикл, который проходит изделие в течение своей жизни Этапы ЖЦИ (для авиационного двигателя) : 0. Исследование рынка и определение требований Формирование технического задания (ТЗ) Техническое предложение (ТП) - параметры АД (тяга, расход топлива, габариты и т.д.) - сроки изготовления - экономическая выгода - стоимость и т.д.

2. Эскизный проект Компоновка 3. Технический проект Рабочая конструкторская документация на основе компоновки 4. Подготовка производства Технологическая оснастка, выбор инструмента, программы для станков с ЧПУ 5. Производство Изготовление деталей, сборка, испытание 6. Продажа 4. Этапы проектирования ГТД

7. Эксплуатация Руководство по эксплуатации 8. Ремонт Обслуживание, сервис 9. Утилизация 4. Этапы проектирования ГТД

Тема 1:Основы методологии САПР АД и ЭУ Основные принципы построения САПР АД и ЭУ Современный подход к процессу проектиро-вания АД и ЭУ Формализация процесса конструирования и технологического обеспечения

1. Принципы построения САПР АД и ЭУ Интегрированная информационная среда (ИИС) - распределенное хранилище данных, существующее в сетевой компьютерной системе, охватывающей все службы и подразделения предприятия, связанные с процессами ЖЦИ Параллельный инжиниринг = параллельное проектирование Инструментарий САПР - программное обеспечение, для создания и поддержки систем CAD/CAM/CAE, PDM, PLM, MRP/ERP, LSA/LSAR, WF. Аппаратное обеспечение САПР - рабочие станции, сетевая компьютерная система и т.д.

2. Современный подход к процессу проектирования АД и ЭУ КСАСД - Комплексная Система Автоматизированного Создания Двигателей - с нач. 80-х, СССР CALS - Computer aided Acquisition and Logistic Support (компьютеризированная поддержка поставок и логистики, то есть систем поставок) – сер.80-х,США CALS - Continuous Acquisition and Lifecycle Support (непрерывная поддержка поставок и жизненного цикла), с 1993 г. ИПИ - Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий – аналог CALS

3. Формализация процесса конструирования Автоматизация Проектирования отдельных элементов Процесса проектирования KBE (Knowledge Based on Engineering) – знания основывающиеся на инженерной технике (практике) Мастер-процесс – последовательность шагов проектирования

3. Формализация процесса конструирования Выгоды от внедрения системы проектирования на основе баз знаний и мастер-процессов: стандартизация процессов проектирования изделий; быстрое нахождение наилучших решений проектирования изделий; накопление, распространение и стандартизация знаний, которые раньше находились в головах конструкторов; гарантированное качество конечного изделия, основанное на стандартах предприятия; уменьшение затрат на проектирования новых изделий; защита от потерь знаний на предприятии.

Тема 2:Непрерывная информационная поддержка жизненного цикла ГТД Идеология CALS Структура ИПИ, как эквивалента CALS Интегрированная информационная среда (ИИС)

1. Идеология CALS CALS — это совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла (ЖЦ) продукции на всех его стадиях CALS : 1. Основана на ИИС и международных стандартах; Обеспечивает единообразие способов управления процессами ЖЦИ и взаимодействия его участников; Стандарты CALS: Основа - стандарт Министерства обороны США MIL–STD–1840 Automated Interchange of Technical Information. Для обмена к-т. документацией - ISO10303 или STEP

1. Идеология CALS PDM (Product Data Management) CALS (Continuous Acquisition Logistic Support) PLM (Product Lifecycle Management) Процесс обеспечения эксплуатации Процесс проектирования изделия

2. Структура ИПИ

ИПИ 2. Структура ИПИ Основные принципы 1. безбумажный обмен данными (Paperless data interchange) с использованием ЭЦП; 2. анализ и реинжиниринг бизнес–процессов (Business–processes analysis and re‑engineering); 3. параллельный инжиниринг (Concurrent Engineering); 4. системная организация постпроизводственных процессов ЖЦИ — интегрированная логистическая поддержка (Integrated Logistic Support). Базовые технологии 1. управление проектом (Project Management); 2. управление конфигурацией изделия (Configuration Management); 3. управление ИИС (Information Management); 4. управление качеством (Quality Management); 5. управление потоками работ (Workflow Management); 6. управление изменениями производственных и организационных структур (Change Management).

2. Структура ИПИ Преимущества применения ИПИ (CALS) технологий: 1. сокращение затрат и трудоемкости процессов технической подготовки и освоения производства новых изделий; 2. сокращение календарных сроков вывода новых конкурентоспособных изделий на рынок; 3. сокращение доли брака и затрат, связанных с внесением изменений в конструкцию; 4. увеличение объемов продаж изделий, снабженных электронной технической документацией (в частности, эксплуатационной), в соответствии с требованиями международных стандартов; 5. сокращение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонты изделий («затрат на владение»), которые для сложной наукоемкой продукции подчас равны или превышают затраты на ее закупку.

ИИС (Интегрированная информационная среда) – ядро ИПИ 3. ИИС Главный принцип ИПИ: Информация, однажды возникшая на каком-либо этапе ЖЦИ, сохраняется в информационной среде и становится доступной всем участникам этого или других этапов ЖЦИ в соответствии с имеющимися у них правами пользования этой информацией. Преимущества ИИС: Информация не дублируется Нет несанкционированных изменений

Тема 3: Принципы интерактивного проектирования Информационные модели АД и ЭУ, узлов, агрегатов и элементов АД и ЭУ Параллельное проектирование PDM-системы

1. Информационные модели САПР АД и ЭУ Математическая модель Информационная модель САПР базируется на математических моделях (ММ) ММ – совокупность констант и соотношений, связывающих входную и выходную информацию x1, x2, x3 … y1, y2, y3 …

1. Информационные модели САПР АД и ЭУ Требования: Универсальность (полнота отображения свойств некоторого множества объектов) Адекватность (отображение свойств с заданной погрешностью) Экономичность (затраты вычислительных ресурсов, объемы информации)

1. Информационные модели САПР АД и ЭУ Классификация ММ 1. По режиму установившиеся неустановившиеся 2. По числу режимов однорежимные многорежимные 3. По виду входных параметров детерминированные стохастические

1. Информационные модели САПР АД и ЭУ Термодинамика Газодинамика Геометрия - т/д расчет ГТД - выбор ограничивающих параметров - г/д расчет ГТД (1D, 2D, 3D) - профилирование - определение компоновочных, ограничительных и габаритных размеров - геом. моделирование и т.д.

1. Информационные модели САПР АД и ЭУ Приблизительный порядок повышения уровня сложности ММ Выбор схемы и одномерный расчет параметров газа по сечениям Г/д расчет с учетом отборов и геометрии Одномерный г/д расчет узлов, прочностная оценка Двумерный г/д расчет узлов по 7-9-ти сечениям Трехмерный г/д расчет Трехмерный г/д расчет с учетом пограничных слоев Моделирование и окончательные расчеты на прочность (1D, 2D, 3D)

2. Параллельное проектирование Управляющая структура – совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия УСИ АД проточная часть силовая схема система подвесок зоны тех. обслуживания компоновки узлов общая компоновка

УСИ позволяет: в короткие сроки полу-чать ГМ деталей и уз-лов и проводить необ-ходимые расчеты па-раллельно с другими вариантами 2. получать типовые ре-шения конструкций; 3. проводить контроли-руемые изменения в изделии; 4. быстро оценивать варианты 2. Параллельное проектирование

Личная рабочая структура – совокупность конструкторских документов на конкретную деталь (ГМ, чертеж, спецификация), сформированных на основании данных УСИ. 2. Параллельное проектирование

ЭМИ – общая сборка изделия, открытая для конструкторов и позволяющая моделировать часть деталей в контексте сборки ("сверху-вниз"), а также выявлять и устранять возможные несостыковки деталей и узлов, при проектировании "снизу-вверх" 2. Параллельное проектирование

Состав изделия (в рамках PDM системы) — набор электронных документов конкретного изделия: - карточка ДСЕ (детали или сборочной единицы) с набором необходимых атрибутов; - файлы геометрических моделей ДСЕ в CAD/CAM системах; - файлы с необходимыми расчетами в CAE системах; - файлы электронных оригиналов чертежей; - текстовые файлы (отчеты, инструкции и т.д.); - спецификации; - любые иные электронные документы или ссылки на места хранения бумажных документов. 3. PDM - системы P D M (Product Data Management) – система управления данными об изделии

3. PDM - системы Основные функции PDM–систем: 1. Управление структурой (составом) изделия - Configuration Management; 2. Управление данными САПР (интерфейсы к CAD/CAM системам); 3. Управление базами данных стандартных изделий; 4. Управление бизнес–процессами (согласование и утверждение конструкторских документов); 5. Управление изменениями - Change Management 6. Управление качеством - Quality Management

3. PDM - системы Реальные PDM системы: Team Center Engineering (EDS) - Unigraphics Metaphase (EDS) Windchill (PTC) - Pro/Engineer PartY Plus (Лоция–Софт) Search (Intermech) - CAD Mech (на базе AutoCAD)

Тема 4: Проектирование оптимальных систем и конструкций АД и ЭУ Понятие оптимальной системы и оптимальной конструкции Процесс оптимизации. Критерии оптимизации Формальный и неформальный подход к процессу оптимизации. Методы оптимизации систем и конструкций АД и ЭУ.

1. Понятие оптимизации Оптимизация – процесс выбора наилучшего варианта из возможных ВУ К КС Т С Оптимизация системы ГТД Оптимизация конструкции ∑ оптимальные конструкции ≠ оптимальная система

1. Понятие оптимизации Типовые требования предъявляемые к ГТД: - обеспечение заданных эксплуатационных свойств - минимальный расход топлива - минимальное воздействие на окружающую среду - максимум коммерческой нагрузки - минимум стоимости ЖЦ - высокий уровень надежности - технологичность, материалоемкость

1. Понятие оптимизации Пример конструктивной оптимизации Задача: Оптимизировать геометрию полки, варьируя геометрией ее элементов по заданному правилу. Цель: Обеспечить уровень напряжений в теле полки не более предельно допустимых.

1. Процесс оптимизации Параметры прогнозируемые оптимизируемые изменяются в узком диапазоне (кпд, коэф. потерь и т.д.) изменяются в широком диапазоне (степень двухконтурности, πк и т.д.) Процесс оптимизации – процесс выбора наилучших оптимизируемых параметров. Оптимизация ГТД – многовекторная специфическая задача (множество критериев оптимизации (7-15 и >) и 1-3 независимых параметра (πк , Тг )).

2. Критерии оптимизации Правило выбора критериев оптимизации: - при выборе оптимальных параметров необходимо, чтобы критерии, используемые в случае оптимизации его элементов являлись показателями качества соответствующих систем более высокого уровня Критерий – параметр оценивающий качество изделия

3. Формализация процесса оптимизации Формализованная задача нелинейной оптимизации: - вектор варьируемых (оптимизируемых) параметров - функция цели (критерий оптимизации) - область поиска, ограниченная ограничениями 1-го и 2-го рода Необходимо найти такое значение варьируемых параметров при котором обеспечивается минимальное значение функции цели в заданной области поиска

3. Формализация процесса оптимизации Математическое описание критериев оптимизации (функции цели) осуществляется: 1) Аналитическим методом (описание физического процесса) 2) Статистическим методом (например, получение статистических оценок массы) 3) Экспертным методом (экспертные оценки и коэф-ты) Выбор параметров ГТД зависит в основном от назначения ЛА

3. Формализация процесса оптимизации ограничения 1-го рода ограничения 2-го рода Пределы возможных изменений варьируемых параметров Функциональные ограничения габариты запасы прочности эмиссия, шум и т.д. области возм. вариантов и т.д.

4. Методы оптимизации Функция цели min функции цели Методы оптимизации заключаются в методах определения экстремумов функции цели

2) Безградиентный - метод сканирования (перебор вариантов) 4. Методы оптимизации Методы: 1) Градиентный - метод использующий производные "+" ● высокая точность "-" ● вычисление производных ● не пригоден для сложных задач "+" ● надежность "-" ● низкая экономичность "+" ● может решить сложную задачу оптимизации "-" ● низкая эффективность 3) Статистический - метод случайного поиска

Тема 5:Геометрическое моделирование в САПР АД и ЭУ Компьютерная графика и геометрическое моделирование Создание газодинамических поверхностей Моделирование сложных элементов конструкции ГТД

1. Компьютерная графика и геометрическое моделирование Компьютерная графика – совокупность методов и компьютерных средств для создания, обработки и представления (визуализации) графической информации Геометрическое моделирование – создание геометрических моделей и оперирование ими в процессе синтеза геометрии проектируемых изделий Геометрические модели – модели, отражающие геометрические свойства изделий

1. Компьютерная графика и геометрическое моделирование CATIA Пример использования CAD/CAM/CAE пакетов для создания компьютерной графики

1. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

1. Компьютерная графика и геометрическое моделирование Типы ГМ Каркасная Поверхностная Объемная Известны все линий, из которых состоит модель Определены все поверхности Имеются все сведения о принадлежности элементов к данной области

2. Создание газодинамических поверхностей Газодинамические поверхности = поверхности свободной формы 1. По сечениям Сплайн – 1. гладкая кривая свободной формы 2. кусочно-заданная функция Степень по U определяется сплайном Степень по V определяем при построении поверхности С ↑ степени сплайна ↑ кол-во осцилляций

2. Создание газодинамических поверхностей А. Сечения Б. Направляющие В. Поверхность 2. По сетке кривых

2. Создание газодинамических поверхностей 3. Протягивание сечения вдоль направляющей кривой А. Направляющая Б. Сечение В. Поверхность

2. Создание газодинамических поверхностей 4. Конические поверхности Коник – кривая 2-го порядка, образованная пересечением конуса плоскостью Коническая поверхность – это такая поверхность при рассечении которой имеем коник B A

2. Создание газодинамических поверхностей Команда Section Основные способы задания коника:

2. Создание газодинамических поверхностей Требования к поверхностям свободной формы 1. Min радиус в зависимости от обрабатывающего инструмента

2. Создание газодинамических поверхностей 2. Плавное изменение кривизны поверхности

3. Моделирование сложных элементов ГТД Моделирование лопаток ГТД 1. Моделирование проводим по частям Перо Ножка Полка

3. Моделирование сложных элементов ГТД 2. Моделирование пера лопатки А. Считывание точек для построения сечений Б. Построение сечений с помощью сплайнов

3. Моделирование сложных элементов ГТД В. Построение поверхностей пера Построение поверхностей 1 и 2 по сечениям Удлинение поверхностей Построение поверхностей 3 и 4 по: - сетке кривых - конической поверхностью Сшивка

3. Моделирование сложных элементов ГТД Г. Формирование тела пера Вариант №1 - придать толщину поверхностям лопатки - упростить тело до полного заполнения внутренней полости

Вариант №2 3. Моделирование сложных элементов ГТД - создать блок вокруг поверхностей пера лопатки - обрезать блок поверхностями пера

3. Моделирование сложных элементов ГТД 3. Моделирование полки и ножки Проводится стандартными процедурами (эскизы, базовые тела, булевские операции, фичерсы и т.д.) 4. Создание лопатки Сборка частей лопатки Линкование геометрических тел полки, пера, ножки Обрезка пера Скругления

Тема 6: Подготовка производства сложных деталей ГТД Прессформы для отливок Программы для станков с ЧПУ

1. Прессформы для отливок Исходные данные ГМ детали Чертеж детали ГМ отливки или чертеж Расчет усадок Позиции разъемов прессформы

1. Прессформы для отливок "-" 1. Дорого 2. Невозможно выполнить некоторые радиусы

2. Программы для станков с ЧПУ Модуль UG/Обработка Б) Управляющая программа для станка с ЧПУ А) Визуализация и контроль зарезов

2. Программы для станков с ЧПУ

Тема 7: Проектирование обвязки ГТД Объект проектирования Методы проектирования трубопроводов Изготовление трубопроводов

1. Объект проектирования Наружная обвязка Внутренняя обвязка

1. Объект проектирования Трубопроводы ГТД предназначены для соединения между собой узлов, агрегатов и датчиков двигателя, а также систем двигателя и самолета. Трубопроводы обеспечивают транспортировку жидкостей и газов или передачу импульсов давления. Современный ГТД содержит более 400 трубопроводов с суммарной длиной труб около 300 м. Трубопровод состоит из трубы и деталей соединительной арматуры. Трубы изготавливаются из бесшовных холоднокатаных или холоднотянутых заготовок труб путем гибки различными методами.

1. Объект проектирования Проектирование трубопровода осуществляется в UG на электронном макете изделия с помощью специального модуля UG/Routing.

2. Методы проектирования Прямая задача Проектирование трубопроводных коммуникаций на ЭМИ Электронная модель трубопровода Проверка трубопровода на возможность гиба Материал 12H18N10T Толщина стенки TSk = 1.000 Радиус гиба RG = 90.0000 Диаметр трубы DT = 18.0000 Количество точек основной траектории NT = 7 Количество точек штуцеров NO = 0 Количество точек крепления NK = 5 Точки основной траектории T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 X -26.028 133.490 -185.054 -278.708 -200.562 -377.531 -697.041 Y 17.338 -278.898 -304.343 -380.035 -510.214 -524.350 -131.218 Z 38.026 409.141 574.918 709.081 839.260 931.358 707.518 Точки крепления Крепл1 Крепл2 Крепл3 Крепл4 Крепл5 XK 41.861 -49.700 -485.823 -554.929 -624.035 YK -108.736 -293.531 -391.104 -306.075 -221.046 ZK 195.968 504.477 855.491 807.078 758.664 Файл геометрии трубопровода Формирование управляющей программы для станка Автоматизированный выпуск чертежа

2. Методы проектирования Обратная задача Измерение трубопровода Построение модели измеренного трубопровода в системе UG Сравнение с эталонной моделью Выдача рекомендаций по исправлению трубопровода и по корректировке управляющей программы Ввод модели измеренного трубопровода в электронный макет изделия

2. Методы проектирования наружный диаметр – 6…150 мм толщина стенки – 0,5…2,5 мм Создание ГМ трубопровода 1. Прокладывание траектории трубы, выбор основных размеров

2. Методы проектирования 2. Проектирование соединений, креплений, компенсаторов 3. Проведение гидравлического расчета, оценка прочности, определение собственных частот колебаний

2. Методы проектирования 4. Создание конструкторской документации

3. Изготовление трубопроводов

3. Изготовление трубопроводов Для гибки труб применяются трубогибочные станки с ЧПУ: ТГСП-24У, ТГСП-25 и ТГСП-40А В качестве измерительно-программирующей системы применяется комплекс ИПК-1С

3. Изготовление трубопроводов

3. Изготовление трубопроводов   Конструктивные ограничения Корректность ГМ Возможность гибки