Опыт разработки и внедрения компонентов информационной поддержки проектирования, доводки и эксплуатации ГТД и ГТУ

определено РКБМ (теперь НПО САТУРН). В итоге в 1989 году в ЛНПО ТРУД (теперь Завод имени В.Я.Климова, С.Петрбург) была продемонстрирована в действии Интегрированная САПР-Д «АСПАД-88». Это была первая отечественная разработка CAD/CAM/CAE/PDM-системы для авиамоторного ОКБ, обеспечивавшей режим параллельного проектирования за счет единой базы данных (БД) ОКБ, разграничения доступа к ней разных специалистов, БД прототипов, БД нормативных материалов, БД инструментов и т.д. В качестве CAD/CAM-сис-темы в ней использовалась разработанная в УАИ на кафедре НГиЧ система «Альфа». Отдельные подсистемы были организованы по объектному принципу (подсистемы «Двигатель», «Компрессор», «Камера сгорания», «Коробка приводов агрегатов», ….), а модули в них – по процедурному принципу («Завязка», «Выбор размерности», «Стоимость жизненного цикла», «Расчет ВСХ»,….). Особенно высокой оценки (в РКБМ) удостоилась система «Альфа», которую использовали для ЭХО при изготовлении лопаток ГТД и других элементов.

Именно в этот период обнаружилось, что необходимо реализовать возможность структурного синтеза на всех этапах и уровнях проектирования авиационного двигателя. Поэтому, ознакомившись с многочисленными работами, выполненными под руководством Тунакова А.П. и Ахмедзянова А.М., первый из авторов предложил реализовать в САПР-Д объектный подход, заложив в решатель (процессор) системы метод идентификации как универсальный метод решения всех возможных проектно-доводочных и эксплуатационных задач. Кроме того, с учетом опыта создания комплекса ГРАД, была предложена технология моделирования, которая потом, под руководством Ахмедзянова А.М. и с использованием опыта создания системы «Альфа»

была реализована в виде системы моделирования ГТД «ПАРАД» (для персональных компьютеров). Далее было выделено ядро этой технологии и реализована открытая технология имитационного моделирования (ИМ) сложных технических объектов САМСТО. На этой основе было предложено развитие популярной в настоящее время концепции CALS – Информационной поддержки жизненного цикла авиационных двигателей, включая ИЛП (информационную поддержку эксплуатации двигателей).

Проводимые в УГАТУ научные исследования в рамках лаборатории Систем автоматизированного проектирования двигателей (НИЛ САПР-Д кафедры АД) послужили базой для развертывания подготовки специалистов по специальностям 130200 - «Авиационные двигатели и энергетические установки», 130300 - «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей», а также бакалавров и магистров по направлению 551000 «Авиа- ракетостроение». В лабораториях сегодня выполняется широкий спектр научных и научно-методических исследований, направленных на повышение эффективности учебного процесса, поиск новых путей образовательной деятельности, на решение перспективных задач авиадвигателестроения.

Одним из ведущих научных направлений в УГАТУ в настоящее время является разработка новых информационных технологий (в рамках концепции CALS) и их внедрение в процесс проектирования и доводки авиационных двигателей. Это направление развивается как научная школа «Математическое моделирование, автоматизированное проектирование и информационная поддержка жизненного цикла авиационных двигателей».

Основателем и руководителем этой школы был доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки БАССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат Государственной премии РБ в области науки и техники, заведующий кафедрой АД с 1983 по февраль 2001 г. (до даты своей безвременной кончины) Ахмедзянов Альберт Мухаметович.

Итогом всей педагогической и научной деятельности профессора Ахмедзянова А.М. и руководимого им коллектива за много годы можно назвать фундаментальный учебник «Проектирование авиационных ГТД», изданный в 2000 г. [1], высоко оцененный генеральными конструкторами, директорами заводов, ведущими учеными ЦИАМ и авиационных вузов России, Украины и за рубежом. Основными коллегами и учениками Ахмедзянова А.М. по научной школе можно назвать д.т.н., проф. Х.С.Гумерова, д.т.н. И.А. Кривошеева, к.т.н. Д.Г.Кожинова, к.т.н., доц. В.Ф.Харитонова, д.т.н., доц. И.М.Го-рюнова, д.т.н. доц. Ахмедзянова Д.А. (защитившие докторские диссертации уже после его смерти) и других.сотрудников НИЛ САПР-Д. По данному направлению силами сотрудников НИЛ САПР-Д – преподавателей, докторантов, аспирантов, студентов – ведется работа по развитию компьютерной технологии проектирования, конструирования авиадвигателей и их узлов [1-14]. Развитие новой методологии разработки и эксплуатации двигателей летательных аппаратов в рамках выполнения этих исследований основано на инструментах решения задач по разработке НТЗ для создания ГТД V и VI поколений, на использовании CALS (CAD/ CAM/CAE/PDM)-технологии, имитационного моделирования и систем поддержки принятия решений (СППР).

В основе новой методологии – разработанные в НИЛ САПР-Д средства:

• .    Результаты проведения системного анализа (SADT, RUP) и построенные модели процесса разработки и эксплуатации двигателей летательных аппаратов (ракетных, авиационных), учитывающие все возрастающие требования к перспективным ЛА (а также средства проведения такого анализа и развития созданных моделей);

• .    концепция системного проектирования и эксплуатации ДЛА , с динамическим формированием многоуровневой многоаспектной модели двигателя и его окружения (технологического и т.п.), с передачей границ области поиска решения и критериев оптимизации в нижележащие уровни, с определением вероятности выигрыша отдельных структурных вариантов ;

• .    сформированные алгоритмы выполнения обобщенных проектно-доводочных процедур и их реализация в виде универсальной управляющей программы – решателя (процессора) , обрабатывающего многоуровневую многоаспектную модель двигателя (дерево проекта);

• .    установленная последовательность и разработанная система поддержки принятия проектных решений (СППР) при формировании модели ДЛА в виде дерева проекта;

• .    разработанный метод формирования, развития и использования математических моделей структурных элементов и их библиотек на разных стадиях создания ДЛА. ;

• .    разработанные методы и средства «параллельной работы специалистов» при разработке и эксплуатации ДЛА;

• .    разработанная технология накопления, систематизации и использования (в виде БЗ) опыта разработки и эксплуатации двигателей летательных аппаратов ( ракетных, авиационных );

  

  Область

  Е

  Рис. 1. Условная схема разработанной открытой технологии моделирования и автоматизированного проектирования сложных систем и процессов

  
  

  Предметная

  
  
  

  Система моделирования

  
  
  

  МетаСАПР/Framework САМСТО

  
  
  
  
  
  
  
  

Новая методология базируется на разработанных компонентов CALS и ИЛП-технологий для двигателестроения, наземного использования ГТУ. В их числе разработанная открытая технология моделирования и автоматизированного проектирования сложных систем и процессов САМСТО (рис. 1).

Для реализации новой методологии разработаны методы и средства математического моделирования газотурбинных двигателей и энергетических установок имеют целью повышение эффективности и качества создаваемых газотурбинных двигателей и тепловых энергетических установок на основе разработки новых методов и средств их математического моделирования с использованием информационных технологий. В новой методологии используются разработанные системы имитационного моделирования (СИМ) двигателей и установок, их узлов и систем, экологических и экономических систем (рис. 2)

В рамках отработки новой методологии используется газодинамическое моделирование компрессоров, турбин и камер сгорания ГТД на основе имитационного моделирования и CAE-систем, моделирование переходных процессов в КС ГТД. Так, например, авторы участвуют в выполнении расчетов и проектировании камер сгорания с большим ресурсом (более 25000 часов

ГТД

ДВС

Энергоустановки

КС ГТД

Экологические

РкД

S

Рис. 2. Разработанные системы имитационного моделирования (СИМ) двигателей и установок, их узлов и систем, экологических и экономических систем

Газодинамическое моделирование камер сгорания ГТД на основе имитационного моделирования и CAE

-0,05

37,5

-0,1

-0,2

-0,25

-0,3

-0,35

-0,45

-0,5

-0,55

32,5

27,5

22,5

12,5

-0,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

3D CAD/CAE-моделирование фронтового устройства КС с осевым завихрителем

3D CAD/CAE-моделирование фронтового устройства форсажной камеры ТРДДФ_см

Рис. 3. Примеры разработанных средств газодинамического моделирования камер сгорания ГТД на основе сочетания ИМ и CAE

до первого капитального ремонта) и низким уровнем выбросов COX и NOX (менее 10 ppm) для ГТД нового поколения (рис. 3).

В новой методологии используются разработанные в в НИЛ САПР-Д методики автоматизации (на основе сочетания SCADA и СИМ) контроля и диагностики состояния, автоматизации испытаний ГТД (рис. 4). В частности, мето- ды и средства отладки автоматики включения-выключения форсажа при испытаниях ТРДДФ (НИР для УМПО)

Разработаны также средства для системы менеджмента качества, КОИН, бюро диагностики состояния ГТД и ГТУ в эксплуатации (пара-метическая диагностика, контроль параметров). Сюда входит методика параметрической диагно-

Разработка методики автоматизации отладки автоматики включения-выключения форсажа при испытаниях ТРДДФ (НИР для УМПО)

Рис. 4. Пример используемой в новой методологии технологии идентификации характеристик

Идентифик ация характеристик двигателей и их СЭ по результата м испытаний

узлов ГТД по результатам испытаний и контроля в эксплуатации, автоматизации отладки автоматики включения-выключения форсажа при испытаниях ТРДДФ (НИР для УМПО)

Изменение параметров и характеристик в процессе эксплуатации прощенной характеристики первой ступени КВД ГТП АЛ31-СТ с учетом загрязнения лопатки

0,4

0,3

лопатки

0,2

0,1

-0,1

-0,2

агрязненные лоп

-0,3

-0,4

Наложенные - исходный и загрязненный профиль

рабочей

(периферий^

КВД

। ие)

0,9

,9

0,

0,

ые

0,7

,7

,5

0,5

0,

0,

0,3

,3

,1

0,

0,1

-0,1

0,

0,

0,

0,

0,

0,

-0,

-0,

-0,

-0,

-0,

,4

,3

,2

,1

,1

,2

,3

,4

,5

-0,3

-0,5

Сравнение изоэнтропических напоров и КПД загрязненных и незагрязненных лопаток

Рис. 5. Разработанный метод анализа деформации характеристик элементов ГТД по мере накопления дефектов (характеристика первой ступени КВД ГТП АЛ31-СТ с учетом загрязнения лопатки), соответствующие «уставки» в пространстве параметров «образмеривания» характеристик узлов)

стики по результатам идентификации, анализа деформации характеристик двигателей и их СЭ (по результатам испытаний и контроля), методы, алгоритмы и средства автоматизации параметрической диагностики состояния ГТД по термогазодинамическим параметрам (рис. 4, 5).

Для реализации новой методологии разрабо- тан ряд систем имитационного моделирования и CAD/CAE-приложений для конструкторско-технологического проектирования двигателей и энергоустановок (рис. 6, 7). В процессе отработки новой методологии по заказу УМПО выполнено CAD/CAE-моделирование проточной части ГВТ КВОУ ГПА-16РМ на КС «Москово» для

Разработанные в НИЛ САПР-Д CAD/CAM/CAE-приложения (на основе UG, Ansys и КОМПАС) для конструкторско-технологического проектирования внешней обвязки ГТД

Разработка систем имитационного моделирования и CAD/CAE-приложений для конструкторско-технологического проектирования двигателей и энергоустановок

Рис. 6. Разработанные СИМ и CAD/CAM/CAE-приложения для проектирования ГТД и конструирования внешней обвязки

CAD-приложение для автоматизированного формирования эскизной компоновки

Рис. 7. Разработанные CAD/CAM/CAE-приложения для конструкторско-технологического проектирования композиционной лопатки компрессора (вентилятора) ГТД и для интерактивного формирования общей компоновки ГТД

приложение для разработки композиционной лопатки

_{Нормы прочности}      Размерылистов,        Характеристики станкови

анализа и разработки мер ликвидации причин возникновения неравномерности и пульсаций потока воздуха на входе в двигатель АЛ-31СТ (в связи с дефектом «обрыв рабочей лопатки 2-й ступени КНД). Для реализации новой методологии разработаны CAD/CAM/CAE-приложения (на основе UG, Ansys и КОМПАС) для конструк- ки, CAD/CAM/CAE/PDM-приложение для параллельного проектирования ГТД (в среде UG, Ansys и SmarTeam).CAD-приложение для автоматизированного формирования эскизной компоновки авиационного ГТД (рис. 7).

В рамках новой методологии разработаны средства и компоненты ИЛП – интерактивные торско-технологического проектирования внеш ней обвязки ГТД (рис. 6), CAD/CAM/CAE-при ложение для разработки композиционной лопат электронные технические руководства по эксплуатации (ИЭТР) по АЛ-31СТ (рис. 8).

В новой методологии реализуются основные

Рис. 8. Разработанная технология создания компонентов ИЛП – поддержки эксплуатации ГТД, ИЛП-приложения для информационной поддержки эксплуатации ГТД (фрагмент ИЭТР для обслуживающего персонала КС)

процессы в реализации ИЛП АД и ГТУ (рис. 8):

. логистический анализ (ЛА) АД и ГТУ (Logistic Support Analysis), проводимый на всех стадиях ЖЦ;

. планирование процессов технического обслуживания и ремонта (ТОиР) АД и ГТУ (Maintenance and Repair Planning), проводимое на стадии проектирования и уточняемое в процессе производства и эксплуатации АД и ГТУ;

. интегрированное планирование процедур поддержки материально-технического обеспечения (МТО) процессов эксплуатации, обслуживания и ремонта АД и ГТУ (Integrated Supply Support Procedures Planning), проводимое на стадии проектирования и уточняемое в процессе их производства и эксплуатации;

. обеспечение персонала электронной эксплуатационной документацией (ЭЭД) и электронной ремонтной документацией (ЭРД) на АД и ГТУ (Electronic Maintenance Documentation, Electronic Repair Documentation), проводимое на стадии проектирования и реализуемое в процессе производства конкретных экземпляров (партий) АД и ГТУ.

В процессе отработки новой методологии решались е задачи в области ИЛП по заказам УМПО и НПП «Мотор», согласованным с НТЦ им.А.Люльки и ОАО «Газпром». В рамках проекта разработана технология создания ИЭТР (на примере АЛ31СТ и ГПА-16РМ)

Разработанная инструментальная среда функционально разделена на две части:

• .    Среда создания и редактирования ИЭТР;

• .    Среда электронной системы отображения (ЭСО);

Основной формой представления данных, хранящихся в БД ИЭТР (рис. 9) является древовидная структура информационных элементов, гипертекст, анимационные схемы систем, электронные чертежи (с автоматизированными сносками), фото и видео фрагменты.

Предусмотрены связи другими компонентами ИЛП (ИДИС, диагностика, электронный каталог,…).

В новой методологии предусмотрено использование при физическом моделировании испытательных стендов и измерительной аппаратуры. При этом отработка проведена в рамках выполнения проекта поведена на следующем оборудовании:

• -    Аэродинамическая труба АЭРОЛАБ с АСНИ замеров течения в решетках,

насадками для продувок решеток и моделями самолетов, крыльев, профилей

• -    Мобильный стенд испытаний ТРД с препарированным двигателем со сменными соплами, с топливным баком (на базе чешского ТРД для БП ЛА TJ-100S), со стойкой компьютеризированной SCADA-сиcтемы автоматизации

управления, контроля и обработки результатов измерений (на основе LabView)

• -    Мобильный учебно-научный испытательный стенд MiniLab с препарированным ТРД, с топливным баком (на базе RS-30 TurboJET США), с компьютеризированной SCADA-система управления, контроля и обработки результатов измерений (на основе LabView)

• -    Стенд для демонстрации и испытания компрессора воздушного средненапорного с электроприводом (ОРТ203А - модель 0575С – Воро-

  ИВК испытательного стенда

  

  Рис. 9. Разработанные SCADA-приложения для автоматизации испытаний, управления, контроля и диагностики в эксплуатации ГТД

  (пример на основе программно-аппаратных средств National Instruments)

  
  

неж – АО “ОРТ”) со SCADA измерений и контроля (рис. 9)

Отработка новой методологии в НИЛ САПР-Д проведена при выполнении ряда НИОКР (по созданию ИЭТР для УМПО, по определению и изучению характеристик лопаточных машин и других элементов ГТД, по параметрической диагностике и по автоматизации отладки ГТД - для авиастроения и других областей, при выполнении проектов по грантам РФФИ, по ФЦП- федеральным целевым программам) в режиме виртуального учебно-научного комплекса (совместно со специалистами НПП Мотор, КБ Молния, УМПО, с кафедрами АД, АСУ , АТиТ, ТМ, МиТЛП, ТК). При этом отработана методология участия студентов, аспирантов, специалистов и выполнение НИР в рамках распределенной сети кафедр и предприятий с горизонтальными связями.

В результате коллективом опубликован ряд монографий (изд. Машиностроение) и учебных пособий (с грифом Минвуза), ряд разработанных в НИЛ САПР-Д компонентов для реализации новой методологии компоненты новой технологии разработки и эксплуатации ГТД, официально зарегистрированы в Роспатенте.

Научное, учебное и опытно-промышленное использование результатов математического, компьютерного и экспериментального исследований и методик в моторных ОКБ (ФГУП «Завод имени В.Я.Климова», АО «Люлька-Сатурн», АО «Рыбинские моторы», ФГУП «НПП «Мотор», ФРЦ-КБ им. академика В.П.Макеева), на серийных моторных заводах (ММПО «Салют», УМПО), в Институте механики УНЦ РАН (по проекту «Разработка высокоэффективных технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии» в рамках ФЦКП «Интеграция») и в вузах (УГА-ТУ, СГАУ) привело к существенному ресурсосбережению , экономии времени и повышению эффективности подготовки специалистов и разрабатываемых двигателей, энергетических и технологических установок на их основе, что подтверждено актами.

Вооруженный сформированной концепцией автоматизации и организации системной разработки двигателей и энергоустановок, имея ряд собственных программных средств (САМСТО, DVIG, KOMPRESSOR, KAMERA, STUPENY, NURBINA, OSS, …) и лицензии на CAD/CAM Cimaron, PDM и Workflow SmarTeam (предос-тавлнные фирмой Би-Питрон), CONCEPT Nrec, доступ к продуктам фирм MSC (NASTRAN), ANSYS CFX, FloVison, EDS (Unigraphics, TeamCenter), SCADA (NI LabViw) научный коллектив активно работает над реализацией этой концепции и внедрением ее в промышленности и в учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научная школа, созданная в УГАТУ (УАИ) Ахмедзяновым А.М. успешно развивается в рамках НИЛ САПР-Д. За прошедший период получены существенные научные и научно- технические результаты. Разработаны компоненты компьютерной технологии, обеспечивающей системную (в рамках надсистемы – ЛА, другого транспортного средства, энергетической или технологической установки) автоматизированную разработку и эксплуатацию двигателей (ракетных, авиационных) и энергоустановок с использованием CAD/CAM/CAE/PDM-систем, при котором структура и содержание многоуровневой и многоаспектной имитационной модели изделия (дерево проекта) на основе объектного подхода динамически формируется при поддержке СППР в процессе оптимального проектирования, изготовления и доводки. Внедрение полученных результатов в промышленности показало эффективность выбранного научным коллективом направления, поволило определить перспективы развития этих работ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

• 1.    Проектирование авиационных газотурбинных двигателей [под ред. А.М.Ахмедзянова]. М.:Машиност-роение, 2000. 454 с.

• 2.    Кривошеев И.А. Автоматизация проектирования двигателей на стадии ОКР. Часть I. Технология и средства функционального проектирования. М: Машиностроение, 2010. 274 с.

• 3.    Кривошеев И.А. Автоматизация проектирования двигателей на стадии ОКР. Часть II. Организация функционального и конструкторского проектирования. М: Машиностроение, 2010. 274 с.

• 4.    Кривошеев И.А. Общая структура автоматизированной разработки авиационных двигателей и энергоустановок с использованием МетаСАПР/ Framework, имитационного моделирования, CAD/ CAM/CAE/PDF и систем поддержки принятия решений. М: Машиностроение, 2009. 271 с.

• 5.    Кривошеев И.А. Формализация процесса проектирования и доводки двигателей с использованием CASE-технологии. М: Изд-во МАИ, 2008. 140 с.

• 6.    Кривошеев И.А., Иванова О.Н. Метод формирования и использования моделей ГТД на различных этапах проектирования, доводки и эксплуатации // Вестник УГАТУ. Уфа: УГАТУ, 2007. Т. 9 №1 (19), С. 8-21.

• 7.    Кривошеев И.А., Селиванов С.Г. Компьютерное моделирование в инновационном проектировании авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 2010. 330 с.

• 8.    Кривошееев И.А. Методология формирования и использования моделей на различных этапах жизненного цикла ГТД. Оренбург: Изд. ОГУ, 2007.

• 9.    Кривошеев И.А. Модели, методы и средства разви-

  тия и использования информационных ресурсов в области авиационных двигателей и энергоустановок // Вестник УГАТУ, 2006, №3.

• 10.    Кривошееев И.А., Иванова О.Н. Метод формирования и использования моделей ГТД на различных этапах проектирования, доводки и эксплуатации // Вестник УГАТУ. 2006. №8.

• 11.    Кривошеев И.А. Использование методов идентификации имитационных моделей на различных этапах жизненного цикла технических систем // Вестник УГАТУ. 2009. Т.13. №37.

• 12.    Кривошеев И.А., Зрелов В.А., Проданов М.Е, Сапожников А.Ю., Карпов А.В. Применение обоб-

  щенной силовой схемы авиационных ГТД в процессе проектирования // Вестник УГАТУ. 2010. Т.14. №38.

• 13.    Кривошеев И.А. Внедрение компонентов CALS-технологии в авиадвигателестроении: проблемы и перспективы // Электронный ж. «Инженерное образование» Общероссийского образовательного инженерного портала. 2005.

• 14.    Ахмедзянов Д.А., Горюнов И.М., Гумеров Х.С., Кривошеев И.А. и др. Математические модели авиационных двигателей произвольных схем (компьютерная среда DVIG): Учеб. пособие [под ред. Ахмедзянова А.М.]. Уфа: УГАТУ, 1998. 127 с.

THE DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF COMPONENTS FOR INFORMATION SUPPORT OF GAS TURBINE ENGINES/PLANTS DESIGN, DEVELOPMENT AND OPERATION