Математическое моделирование как ключ к успеху
Уже четыре самолета МС‑21–300 участвуют в программе летных испытаний. Этому событию предшествовала многолетняя серьезная работа: часы обсуждений, дни совершенствования и оптимизации, месяцы исследовательских изысканий. Значительное место в процессе разработки и комплексирования заняло применение современных методов 1D‑моделирования, которые служат достойной альтернативой летному эксперименту. С помощью 1D‑моделирования в программной среде Simcenter Amesim инженерам корпорации «Иркут» удалось сократить сроки разработки систем самолета МС‑21 и объем натурных испытаний.
Требования к ускорению процесса выхода изделий на рынок и сокращению финансовых и материальных ресурсов на организацию натурных работ ужесточаются из года в год. Нередко случается, что только после разработки полного комплекта рабочих чертежей и изготовления натурного образца становятся очевидными конструкторские ошибки или несоответствия изделия техническому заданию.
Это означает, что производители несут финансовые и временные потери, с опозданием выводят продукт на рынок, рискуют доверием партнеров и инвесторов. Эти причины во многом обуславливают необходимость использовать моделирование в качестве многофункционального источника необходимой разработчикам информации. Речь идет о получении данных для формирования аналитических отчетов, проверки сходимости параметров функционирования систем в одних и тех же условиях, развития инновационного проектирования и многого другого.
В теории
Корпорация «Иркут» начала применять решение Simcenter Amesim компании Siemens Digital Industries Software (ранее LMS Imagine.Lab Amesim) для 1D-моделирования систем при разработке самолета МС-21 в 2010 году. К этому времени уже завершался этап эскизного проектирования, но при этом еще не существовало ни испытательных стендов, ни опытного образца авиалайнера.
Сложные и комплексные вопросы обеспечения работоспособности и увязки систем на борту современного летательного аппарата традиционно решаются на этапе технического проектирования, а доводка и отладка систем производятся на этапе стендовых и летных испытаний.
При разработке систем на этапе проектирования необходимо было определить облик систем и основные параметры, принять ряд рациональных конструкторских решений, исследовать физические процессы, происходящие в системах — гидравлические, газодинамические, тепловые, механические, электрические и другие.
Более того, нужно было провести анализ поведения комплексного взаимодействия систем до установки на борту самолета, изучить влияние внешних воздействующих факторов на работу систем и отработать функционирование отдельных систем. Вместе с этим важно было учитывать особенности их оптимизации, а, следовательно, требовался многоцелевой технологический инструмент. На этапе стендовых, наземных и летных испытаний перед специалистами были поставлены такие задачи, как выбор оптимальных параметров и режимов реальных испытаний, формирование программы испытаний и минимизация рисков выхода оборудования из строя при проведении реальных испытаний.
На практике
Для решения этих и других задач руководство корпорации «Иркут» приняло решение использовать продукт Simcenter Amesim. Фокус был направлен на комплексирование систем на агрегатном уровне физического взаимодействия с использованием уже апробированных инструментов проектирования на базе технологий распределения энергии по системам — энергобаланса систем.
Разработав многодисциплинарные 1D-модели самолетных систем и агрегатов, специалисты Инженерного центра им. А. С. Яковлева корпорации «Иркут» смогли провести анализ взаимодействия самолетных систем на уровне физических процессов. Анализ осуществлялся на этапе технического и в начале этапа рабочего проектирования. «Simcenter Amesim позволяет легко разрабатывать модели систем либо из стандартных библиотечных элементов, либо путем создания своих собственных, — рассказывает Сергей Гусаркин, инженер- конструктор отдела инженерных расчетов корпорации “Иркут”. — Затем выполняется анализ поведения системы. Стандартные библиотеки Simcenter Amesim, которые проверены на практике и регулярно обновляются, позволяют нашим инженерам разрабатывать самолетные системы, а не создавать библиотеки агрегатов».
Проектирование в 1D
1D-модели были созданы при проектировании таких систем, как система уборки и выпуска шасси (СУВШ), топливная система (ТС), гидравлическая система (ГС), комплексная система кондиционирования воздуха (КСКВ), противообледенительная система (ПОС) и система электроснабжения (СЭС). Все модели перечисленных систем верифицировались, а, по мере получения данных, валидировались по результатам стендовых испытаний. Как рассказали в «Иркуте», по мере освоения все большего числа инженерных дисциплин, в корпорации для разработки нескольких самолетных систем был создан отдел инженерных расчетов.
Отдел решает задачи по многим направлениям. Например, когда отделу механизации крыла потребовалось проанализировать случай повреждения лонжерона, ситуация была исследована при помощи имеющейся в Simcenter Amesim библиотеки планарной механики. Как результат, была получена информация, которая хорошо согласовывалась с данными, позднее предоставленными поставщиком. Еще одной решенной задачей стал тепловой расчет пилона крепления двигателя. На самолете МС-21 в пилоне, в непосредственной близости от двигателя, размещается большое количество гидравлических узлов. Нижняя часть пилона подвержена воздействию потока горячих газов из сопла, а его внешняя поверхность охлаждается воздухом из компрессора. Специалисты отдела при помощи Simcenter Amesim смогли успешно выполнить анализ распределения температуры внутри пилона.
Существенные детали
«Simcenter Amesim постоянно развивается, и работать с ним становится еще удобнее, — отмечает Марина Гришина, инженер отдела инженерных расчетов корпорации “Иркут”. — Последняя версия Amesim содержит новшества, благодаря которым комфортнее задавать параметры модели. Кроме того, реализована мгновенная визуализация результатов при изменении значений параметров. Казалось бы, такие улучшения не слишком важны с точки зрения процесса проектирования, но на самом деле они значительно облегчают моделирование и сокращают сроки анализа проектных данных. Мы легко получаем всю необходимую информацию и расширяем наш опыт благодаря учебным семинарам, на которых специалисты Siemens Digital Industries Software рассказывают об оптимальных приемах работы при моделировании систем».
Имитационное моделирование предоставило ясное представление поведения топливной системы во всех режимах полета, с учетом эволюции и перегрузок, как пояснили в инженерном центре. Результаты расчета модели были подтверждены стендовыми данными и позволили улучшить эксплуатационные показатели, уменьшить вес и количество покупных изделий системы.
Работа систем в комплексе
Как известно, важнейшей задачей разработки самолетных систем является комплексирование систем. В корпорации задачи комплексирования с использованием Simcenter Amesim решались для следующих систем: ГС и СУВШ; ГС и комплексная система управления полетом (КСУ); ГС и СЭС; ТС, маршевая силовая установка и КСКВ; СУВШ, ГС и системой управления общесамолетным оборудованием. Отдельным направлением стала отладка алгоритмов управления в части системы управления общесамолетным оборудованием.
При комплексировании систем и агрегатов самолета МС-21 анализировалась работа и комплексное взаимодействие систем на борту самолета в нештатных режимах, оценивалось влияние внешних воздействующих факторов на работу и параметры систем во всем диапазоне, поведение систем в отказных и аварийных ситуациях. Помимо этого, проводилась разработка программ и методик испытаний систем, сравнительные и параметрические расчетные исследования, а именно анализ альтернативных вариантов конструктивных решений.
Михаил Пыльнев, начальник отдела инженерных расчетов корпорации «Иркут», отмечает, что Simcenter Amesim позволяет выполнять ко-симуляционные расчеты, в которых некоторые смежные подсистемы представлены расчетными моделями, созданными в другом ПО. Например, была выполнена интеграция модели гидросистемы самолета, разработанной в Simcenter Amesim, с моделью КСУ, выполненной в Matlab/Simulink. В задачах комплексирования удалось выявить и проанализировать большое количество сложных эффектов, принять обоснованные решения по работе систем и их взаимовлиянию. Были сокращены сроки проектирования систем для модификации самолета МС-21. Более того, математическое моделирование в Simcenter Amesim является действенным инструментом контроля и управления работой с соисполнителями. Полученные результаты подтвердили правильность принятого решения по внедрению технологии 1D-моделирования на базе Simcenter Amesim для использования в процессе проектирования авиационной техники.
Виртуальная интегрированная модель
Для чего разрабатывают виртуальную интегрированную модель самолета? Ответ очевиден: чтобы получить возможность проанализировать работу систем самолета при выполнении полетного задания и, при необходимости, оптимизировать ее. Simcenter Amesim позволяет смоделировать полный полетный цикл самолета: подготовку к вылету, выполнение полетного задания и посадку с учетом взаимодействия всех систем самолета. При этом можно моделировать как внешние условия, так и полетные задания.
Другой важной задачей является комплексный анализ температурного баланса самолета. Традиционно за тепловое состояние систем на борту самолета отвечает отдел, выполняющий тепловые расчеты по запросам смежных подразделений. Расчеты выполняются выборочно, для характерных режимов работы систем. Такой подход не дает полной картины теплового состояния на протяжении всего полета самолета.
Использование динамических моделей поведения дает возможность проанализировать тепловое состояние систем не только на выборочных режимах, но и на переходных. А, значит, можно более достоверно выявить дисбаланс по тепловой нагрузке на базе комплексной тепловой модели самолета. Отдельным вопросом является обеспечение организации распределенной разработки систем самолета множеством специалистов инженерного центра на множестве рабочих мест. Хранение и доступ к моделям и данным обеспечивается средой SysDM от Siemens Digital Industries Software. Эта среда стала единой интеграционной платформой для разнородных средств моделирования. С ее помощью можно хранить и отслеживать версионность математических моделей с разграничением прав доступа, осуществлять сборку комплексных математических моделей систем, отрабатывать технологию распределенного проектирования и контроля выполнения требований с соисполнителями и системными отделами «Иркута».
Для решения задач виртуального комплексирования систем на предприятии используется среда Simcenter System Synthesis, которая позволяет собрать комплексную модель самолета на базе моделей подсистем, разработанных в различных подразделениях инженерного центра, задать условия их работы и проанализировать результаты расчета. Как отмечают в «Иркуте», внедрение процесса комплексирования на базе Simcenter System Synthesis потребовало новых подходов к организации процесса и требований к хранению моделей и вида представления в базе данных для дальнейшего их использования в задачах комплексирования или других задачах проектирования систем.
Для этого потребовалось разработать собственную методику для применения данной технологии. Такой подход позволяет четко выстроить процесс проектирования систем самолета на каждом уровне, начиная от поставщиков оборудования и заканчивая анализом работы самолета в целом на всех режимах полета.
Стенды и испытания
В корпорации «Иркут» создан и применен полунатурный имитатор системы уборки- выпуска шасси (СУВШ), на котором протестирована работа соответствующего алгоритма управления. После того как было подтверждено, что алгоритм не приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования, виртуальное оборудование заменили реальным для отработки программы испытаний.
Для оптимизации работы алгоритма управления и последующей отработки режимов функционирования, имитатор стал мобильным инструментом тестирования его новых версий. На полунатурном стенде СУВШ были проведены испытания, после чего были выбраны оптимальные параметры и режимы для такого рода испытаний, а также минимизированы риски вывода оборудования из строя.
Более того, удалось определить причины отказа или несоответствия требованиям, такие, как например, ошибка конструкции или обрыв кабеля, и отработать программы управления. «Отладка алгоритмов систем управления осуществляется путем совместной работы моделей агрегатной части системы (объекта управления) и алгоритмов управления, — рассказывает Владимир Олейников, заместитель начальника отдела методологии проектирования и обучения корпорации “Иркут”. — Это дает возможность на ранних стадиях проектирования усовершенствовать ряд конструктивных решений и оптимизировать алгоритмы управления систем».
Меньше ошибок, больше решений
«Мы можем численно оценивать последствия изменений практически любого параметра самолетной системы, не затрачивая на это таких больших финансовых и человеческих ресурсов, какие требуются для проведения натурных испытаний, — отмечает Юрий Логвин, заместитель директора ОКБ им. А. С. Яковлева по управлению проектными данными корпорации “Иркут”. — Наша задача для развития данного подхода — иметь согласованную процедуру признания результатов численного моделирования сертификационными центрами».
По итогам проекта решение Simcenter Amesim получило высокую оценку в качестве стандарта при виртуальном моделировании систем самолета. Наиболее целесообразные из возможных проектных альтернатив систем были расчетно обоснованы. Была построена интегрированная математическая модель самолета с учетом взаимодействия с многочисленными внешними поставщиками систем и оборудования. Создан управляемый процесс разработки и управления расчетными моделями, архитектурой и исполнениями изделия. По ряду систем объемы стендовых испытаний были сокращены до 25%.
Simcenter Amesim — интегрированная программная платформа компьютерного моделирования работы многодисциплинарных мехатронных систем. Simcenter Amesim обеспечивает анализ и оптимизацию функциональных характеристик разрабатываемых изделий с использованием их достоверных расчетных моделей. Изделие при этом рассматривается как комплекс систем, собранных вместе для обеспечения требуемой функциональности. Системы могут быть как общеинженерными, так и индустриально специализированными. Преимущество данного решения — поддержка использования большего числа методик проектирования самолета, уже имеющихся на предприятии. Одновременно с этим функционально в нем заложена возможность применять современные мировые практики. За счет высокого качества верифицированных 1D-моделей Simcenter Amesim в ряде случаев результаты моделирования расходятся с результатами реальных испытаний не более чем на 1%.
Источник: корпоративный журнал ПАО "ОАК" "Горизонты"