Принципы построения и структура подсистемы автоматизированного формирования облика самолета (АФОС)

Процесс формирования облика самолета, как отмечалось выше, включает процедуры выбора его схемы, определения основных проектных (конструктивных) параметров, компоновки и центровки, а также документирование результатов проектирования в требуемом объеме.

Сложность реализации этого процесса, с точки зрения автоматизации, определяется двумя факторами:

- во-первых, этот процесс имеет многоаспектный междисциплинарный характер, требующий учета факторов аэродинамики и динамики полета, прочности и аэроупругости, характеристик силовой установки, бортового оборудования и снаряжения, весового совершенства и эффективности, производственной и эксплуатационной технологичности, надежности и живучести и т.д.

Реализация этого процесса предполагает участие в нем специалистов различных технических дисциплин и высококвалифицированного руководителя проекта, опыт, эрудиция и авторитет которого позволят объединить работу всего коллектива в направлении достижения цели кратчайшим путем и с наибольшим эффектом при минимуме затрат;

- во-вторых, это процесс, в котором переплетены расчетные, графические и эвристические процедуры, которые в ряде случаев должны быть дополнены физическим (полунатурным или натурным) моделированием.

Эти факторы диктуют следующий ряд специфических требований к подсистеме АФОС, которая должна быть:

- системой коллективного пользования, имеющей иерархическую структуру. Это позволит, опираясь на единую информационную базу, вести параллельную работу над проектом специалистам различного профиля под управлением руководителя проекта;

- интерактивной (диалоговой), обеспечивающей органичное сочетание в процессе формирования облика самолета формальных и неформальных процедур. При этом требуется разветвленный диалог, учитывающий, по возможности, все многообразие встречающихся на практике вариантов развития процесса проектирования в рамках коллективной работы, а также многообразие вариантов исходных данных и ограничений на проектирование;

- информационной базой данных, в которой накапливается и систематизируется прошлый опыт о проектировании самолетов определенного типа, а также текущая информация о проекте. Для обеспечения возможности общения с базой данных через систему управления (СУБД) специалисту, не владеющему навыками прикладного программирования, в подсистеме необходима диалоговая информационная система, а также диалоговый монитор, реализующий различные варианты развития сценариев проектирования.

Кроме того, подсистема АФОС не может плодотворно функционировать без средств интерактивной машинной графики, обеспечивающей ввод, обработку и вывод графической информации, преобразование цифровой информации в графическую, решение пространственных задач увязки компонуемых элементов, визуализацию результатов формирования облика, а также обеспечение геометрической информацией всех пользователей подсистемы и других подсистем интегрированной САПР.

Визуализация обеспечивает наиболее эффективный способ восприятия и переработки информации, поскольку более 50% нейронов человеческого мозга связаны со зрением. Способность человека оперировать с информацией в виде зрительных образов намного превосходит его возможность воспринимать числовые данные или информацию, представленную в виде текстов или логических связей. Таким образом, визуализация — это и способ решения инженерных проблем, и язык общения инженеров. Она обеспечивает объединение формальных подходов науки с интуитивными подходами искусства.

Традиционные способы решения проблем визуализации с помощью чертежей, графиков, схем отличаются большими затратами на преобразование числовой информации в графическую и дают плоское изображение, ограничивающее возможность визуализации реальных пространственных объектов, а следовательно, обуславливают необходимость в дополнительной информации для принятия решений (натурное и полунатурное моделирование, связанное также с большими затратами времени и средств).

Подлинное решение проблем визуализации, революционизирующее технологию решения проектных задач, стало возможным на базе современных достижений компьютерной графики. Появляется возможность с высокой степенью разрешения воспроизводить изображения, перемещать их и преобразовывать, выводить на экран дисплея и на бумагу уже имеющиеся изображения, полученные традиционным способом. Широкая цветовая гамма изображений, возможности мультипликации расширяют арсенал средств решения инженерных проблем.

Типовая структурно-функциональная схема подсистемы АФОС представлена на рис. 2.3.7. Основными ее структурными элементами являются: программно-технический комплект, диалоговый монитор и прикладное программное обеспечение. В перспективе в структуру АФОС включается экспертная система.

Прикладное программное обеспечение состоит из функциональных блоков, каждый из которых представляет набор модулей простой и сложной структуры, решающий отдельные задачи процесса проектирования, а также ряда агрегатных блоков.

Функциональные блоки можно разделить на группы: 1) формирования облика самолета; 2) расчетные; 3) оценочные; 4) агрегатные.

1. Блоки формирования облика самолета предназначены: для согласования весовых, аэродинамических характеристик самолета и характеристик силовой установки; для определения основных размерных параметров самолета; для взаимной пространственной увязки основных компонентов самолета; для формирования информации для отображения результатов проектирования, а также информации, необходимой для работы расчетных и оценочных блоков.

К этой группе отнесены следующие блоки: определения размерных параметров самолета (БОР), геометрии (БГ) и компоновки (БК).

В БОРе осуществляется решение систем уравнений, связывающих основные параметры с заданными ЛТХ, а также решение уравнения весового баланса самолета. В результате работы блока определяются важнейшие относительные проектные параметры самолета: удельная нагрузка на крыло P_o, стартовая тяговооруженность Р₀ и основные размерные параметры самолета — взлетная масса m_o, суммарная стартовая сила тяги силовой установки Pq и площадь крыла S.

В БГ осуществляются все необходимые расчеты, связанные с определением геометрических параметров самолета и его компонентов (линейные размеры, площади, объемы). В нем формируется информация, необходимая для решения задач компоновки самолета, аэродинамических расчетов, расчетов масс, устойчивости и управляемости самолета. По данным этого блока, а также блока компоновки с использованием общесистемных средств геометрического моделирования осуществляется отображение результатов проектирования.

В БК производится пространственная увязка положения крыла, фюзеляжа, горизонтального и вертикального оперения, двигателей, грузов, стоек шасси из условия обеспечения требований компоновки. Эта задача сводится к решению системы уравнений компоновки, с помощью которых определяются взаимные координаты основных компоновочных групп самолета.

Входами в блок являются данные по геометрии, массам, моментам инерции и аэродинамике агрегатов, из которых компонуется самолет.

2. Расчетными блоками являются блоки аэродинамики (БА), весовых расчетов (БВ), силовой установки (БСУ) и продольной устойчивости и управляемости (БРУУС). Назначение этих блоков — определение вектора внешних сил и моментов, действующих на самолет на всех режимах полета.

В БА производятся расчеты аэродинамических характеристик самолета и его частей при выбранной конфигурации и размерах для двух конфигураций самолета: взлетно-посадочной и полетной. Блок обеспечивает информацией решение задач компоновки самолета, потребных тяг, летно-технических и взлетно-посадочных характеристик, а также характеристик продольной устойчивости и управляемости.

БВ предназначен для расчетов, связанных с определением взлетной массы самолета и его составляющих. Он состоит из отдельных модулей, дающих возможность в зависимости от качества и количества исходной информации, определяемого уровнем проработки проекта, получать относительные и абсолютные массы отдельных составляющих самолета.

В БСУ осуществляются все необходимые расчеты, связанные с определением массы и габаритных размеров двигателя, воздухозаборников, мотогондол, а также высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателя. Эти параметры вычисляются по определяемым в БОР потребной силы тяги двигателя Pq и задаваемым (варьируемым) газодинамическим параметрам ( ). Информация, получаемая на выходе из этого блока, используется для согласования параметров планера и силовой установки при формировании облика, а также для расчета взлетно-посадочных и летных характеристик самолета.

БРУУС предназначен для определения показателей устойчивости и управляемости самолета выбранной конфигурации с заданным набором параметров:
- моментных характеристик самолета, приведенных к его центру масс;
- статических показателей устойчивости и управляемости самолета и характеристик балансировочного режима в горизонтальном полете при маневре с постоянной перегрузкой;
- характеристик динамической устойчивости и управляемости в коротком периоде, реакции на дачу руля и ветровое возмущение.

3. Оценочная группа включает блоки расчета взлетно-посадочных и летных характеристик (БЛХ) и оценки целевой функции (БЦФ). БЛХ определяет взлетно-посадочные (ВПХ) и летные (ЛХ) характеристики самолета:

- посадочную скорость и дистанцию, длину участка пробега, скорость отрыва, длину разбега, взлетную дистанцию и угол наклона траектории в случае нормального взлета, безопасную скорость высоты, сбалансированную длину ВПП и др.;

- летно-технические характеристики на участках набора высоты, крейсерского полета и снижения. Входами в блок являются массивы данных, получаемых в БСУ, БА, а также переменные, получаемые в блоках аэродинамики и весовых расчетов.

В БЦФ осуществляется экономическая оценка проектируемого самолета по критерию приведенной себестоимости перевозки (тонно-километра) и рассчитывается топливная эффективность самолета. Эти критерии используются в качестве целевой функции при работе комплекса в режиме оптимизации.

Для реализации режима “оптимизация” в состав общесистемных средств включена отобранная на основе анализа применимости к характеру задач процесса формирования облика самолета группа алгоритмов поиска экстремума нелинейных многопараметрических функций с ограничениями.

Они включают три типа алгоритмов, основанных на непосредственном учете ограничений (методы возможных направлений, проективного градиента, аппроксимирующего линейного программирования) и три типа алгоритмов, основанных на преобразовании задачи с ограничениями к задаче без ограничений и решении ее методами безусловной оптимизации нулевого порядка (методы покоординатного спуска, конфигураций, деформируемого многогранника).

4. Группа агрегатных блоков включает модели структурных элементов самолета. Их использование облегчает решение задач компоновки самолета, а также разработку его модификации на основе проекта базового самолета. Банк данных системы выполняет функции хранения, обработки и выдачи архивно-справочных данных, а также текущую информацию о проекте.

Диалоговый монитор обеспечивает удобство работы с системой, представляя пользователю следующие возможности: просмотр и корректировку входной информации; помещение откорректированных данных в архив с целью их использования при последующих обращениях к системе; проведение единичных и параметрических расчетов характеристик самолета с представлением результатов вычислений в виде списков значений, таблиц и графиков; полное или частичное протоколирование диалога; выборку из базы данных необходимой информации и помещение ее в соответствующие разделы исходных данных; например, при проектировании самолета под готовый двигатель его характеристики определяются из базы данных.

Диалоговый монитор имеет средства, страхующие пользователя от некорректного ввода информации. В основе работы монитора использован принцип меню, при котором работа системы заключается в выборе одной альтернативы из нескольких предлагаемых.

Управляющая программа осуществляет общее управление программным комплексом, т.е. вызов модулей в нужном порядке, обмен данными между ними, организацию итерационных циклов, выдачу информации на заданное устройство вывода.

Для расширения возможностей подсистемы некоторые блоки могут работать в автономном режиме под управлением собственных управляющих программ, например, расчета аэродинамических и летных характеристик самолета с заданными параметрами, технико-экономических характеристик и др. Эго обеспечивает возможность параллельной работы над проектом специалистов различного профиля.

Рис. 2.3.8. Компьютерное представление внешнего вида самолета

Включение в структуру АФОС экспертной системы позволяет использовать для решения нетривиальных проблем процесса проектирования самолета обобщенный в виде эвристик опыт квалифицированных проектировщиков.

Компьютерное представление внешнего вида самолета показано на рис. 2.3.8.