Специальные лекции для аэрокосмической промышленности
 

Специальные лекции для аэрокосмической промышленности

Специальные лекции рекомендуются в качестве дополнения к лекциям общего назначения

Виртуальная Разработка Изделий в авиационно-космической отрасли

(High Impact Virtual Product Development in Aerospace & Aircrafts) 60 мин.

Перед ведущими мировыми производителями авиационно-космической техники стоят задачи удовлетворения запросов потребителей по функциональности, безопасности и другим характеристикам изделий, жесткие ограничения времени разработки изделий, задачи сертификации, повышения надежности изделий, гарантийного обслуживания, преодоления технологических ограничений, а также задачи по организации международного сотрудничества филиалов или партнерских компаний. В условиях современной мировой кооперации при производстве сложных изделий каждый узел или система такого изделия, как самолет, может производиться самостоятельной компанией, расположенной в любой части земного шара: например, двигатели производятся в США, авионика – в южной Африке, а титановые элементы рулей высоты – в Азиатском регионе.

Инструментом эффективного решения этих и многих других задач являются технологии Виртуальной Разработки Изделий (VPD) корпорации MSC Software. В лекции рассмотрены основы Виртуальной Разработки Изделий: создание подробной виртуальной модели изделия, проведение виртуальных испытаний, объединение большого числа специалистов в общую международную рабочую среду, а также инструменты повышения функциональности, надежности и безопасности изделия на всех стадиях жизненного цикла.

Особое внимание уделено виртуальным испытаниям изделия, которые позволяют получить информацию о напряженно-деформированном состоянии деталей и узлов, кинематике механизмов, вибрациях, тепловом нагружении, и т.д., определить характеристики надежности и безопасности изделия, отработать параметры системы управления, сравнить результаты виртуального и натурного моделирования, привести расчетные модели в соответствие с реальным изделием, и многое другое. Также освещен учет случайных факторов, влияющих на результаты расчетных и экспериментальных исследований, технологические процессы и на функционирование готового изделия. Приводится пример весовой оптимизации композитной конструкции киля самолета, которую провела компания Alenia Aeronautica.

В лекции рассмотрены назначение, состав и основные характеристики программных систем MSC Software, реализующих VPD-технологии: Patran, Nastran, SimDesigner, SimManager. Описано внедрение систем Виртуальной Разработки Изделий, которое базируется на программном обеспечении и организованной инфраструктуре взаимодействия программных средств, решении прикладных задач виртуального моделирования, накоплении опыта создания виртуальных моделей, на интеграции приложений, автоматизации рутинных операций и организации эффективного обмена данными между специалистами, и, наконец, на применении программных систем VPD в масштабе всего предприятия.

В завершении приводятся примеры успешного использования программных систем MSC Software компаниями Lockheed Martin, Airbus, Bombardier Aerospace, и др.

Полнофункциональная Цифровая Модель Самолета - развитие технологий VPD

(Progress of the Functional Digital Aircraft) 30-60 мин.

Представлена Полнофункциональная Цифровая Модель Самолета, предназначенная для виртуального моделирования функционирования самолета на основе решения всего спектра инженерных задач, стоящих перед расчетными подразделениями. Цифровая Модель Самолета включает в себя модели подсистем самолета, таких как двигатели, органы управления, исполнительные устройства, шасси, системы управления, и т.д. Каждая подсистема состоит из большого набора деталей, механизмов.

Характерным примером подсистемы, моделирование которой рассматривается в лекции, является шасси самолета. Исходными данными для создания всех моделей узлов шасси и их соединений является геометрическая модель шасси, которую выдает конструкторское подразделение в формате одной из CAD-систем, например CATIA V5. На основе геометрической модели строится модель механизма шасси в Adams. В модель механизма закладываются упругие модели отдельных деталей, рассчитанные в MSC Nastran; к этой же модели подключается расчет воздействия исполнительных устройств, таких как гидравлические приводы, а также расчет воздействия системы управления на базе модели Easy5. Полученная комплексная модель используется для анализа функционирования шасси, оптимизации конструкции, а также для планирования экспериментов и анализа их результатов.

В лекции показана возможность комплексного подхода к определению нагрузок на самолет. В систему нагрузок, входящую в Цифровую Модель Самолета, входят аэродинамические, динамические, в т.ч. от двигателей, оборудования и систем, ударные нагрузки, нагрузки, возникающие при наземной эксплуатации самолета и при его хранении. Также учитываются тепловые нагрузки и действие избыточного давления.

На Цифровой Модели Самолета проводится весь комплекс расчетов статики, динамики, в т.ч. механики органов управления, шасси и исполнительных устройств, аэроупругости, флаттера, колебаний, динамики аварийной посадки, а также акустики, долговечности, теплопередачи, летно-технических характеристик, и т.д. Цифровая Модель Самолета позволяет до создания реального прототипа с высокой точностью и в кратчайшие сроки определить облик, конструктивные параметры и характеристики всех элементов проектируемого самолета. С помощью такой модели проводится полный цикл виртуальных испытаний самолета в различных режимах функционирования, таких как полет, взлет и посадка, пробег по взлетно-посадочной полосе, и т.д. Виртуальные испытания могут быть проведены для самолета во всех вариантах конструктивного исполнения, что в обычной практике натурных испытаний осуществить сложно. Виртуальные испытания Цифровой Модели Самолета с последующей оптимизацией деталей, узлов, агрегатов и конструкции самолета в целом позволяют перейти к этапу опытного производства с заведомо работоспособным оптимизированным проектом конструкции.

В лекции демонстрируются практические примеры применения рассмотренных технологий компанией Boeing при разработке самолета Boeing 7E7, а также примеры применения VPD-технологий в компаниях Lockheed Martin и Bombardier.

Многодисциплинарное моделирование исполнительных устройств системы управления полетом

(Multi-Disciplinary Modeling and Simulation of Flight Control Actuation Systems) 30-60 мин.

Исполнительные устройства самолета функционируют в условиях одновременного влияния большого числа факторов нагружения: механических, динамических, аэроупругих, а также электро- и гидроприводов, системы управления, и т.д. Моделирование исполнительных устройств средствами Виртуальной Разработки Изделий включает в себя анализ функционирования конструктивных элементов, механизмов, приводов, системы управления, а также моделирование динамических, в т.ч. аэроупругих, нагрузок в полете и при наземной эксплуатации самолета.

Ведущие предприятия-разработчики авиационной техники стремятся снизить технический риск и стоимость создания изделий, а также повысить физическую точность моделирования путем внедрения многодисциплинарного анализа в процесс разработки изделия. В лекции описаны методы проведения многодисциплинарного анализа исполнительных устройств при помощи программных систем MSC Nastran, Patran, Adams, FlightLoads, Easy5.

В качестве примера в лекции рассматривается моделирование закрылка. Его виртуальная динамическая модель строится из модели закрылка и его привода, построенной в Adams, и модели системы управления, построенной в Easy5. Аэродинамические нагрузки, действующие на систему в процессе перемещения закрылка, могут быть получены из расчета аэроупругости в FlightLoads. На базе этой комплексной модели проводится оптимизация конструкции закрылка, после чего твердотельные детали закрылка заменяются упругими звеньями, сгенерированными в MSC Nastran. Проводится анализ динамических нагрузок, действующих на закрылок, с учетом их упругих свойств.

В лекции демонстрируется процесс разработки комплексной модели закрылка с интеграцией программных систем корпорации MSC Software. Также приводятся примеры применения рассмотренных технологий фирмами Bombardier и Gulfstream Aerospace.

Возможности MSC Nastran по расчету роторной динамики на примере создания перспективного турбовинтового двигателя

(Rotor dynamics) 60 - 90 мин.

С целью разработки нового турбовинтового двигателя для перспективного европейского военно-транспортного самолета Airbus A400M создано совместное предприятие Europrop International. В него вошли компании: Rolls-Royce, Snecma, MTU и ITP. В процессе разработки двигателя эти компании планируют широко использовать возможности расчета роторной динамики в системе MSC Nastran. MSC Nastran выбран как промышленный стандарт для расчетов в области роторной динамики и как общий VPD-инструментарий с открытым форматом входного файла.

Лекция раскрывает возможности анализа роторной динамики в MSC Nastran, к которым относятся: расчет критических скоростей, переходных процессов во временной области, частотного отклика, чувствительности и статистических характеристик роторов. MSC Nastran позволяет проводить расчеты возбуждения, динамики роторов при наличии дисбаланса, расчет частоты прецессии, а также критических скоростей вращения роторов. При этом возможно приложение внешних нагрузок, возникающих при маневрах носителя; также возможно моделирование влияния отрыва лопатки и других видов дисбаланса.

В лекции рассмотрены параметры PARAM,GYROAVG,x, PARAM,WR3,y, PARAM,WR4,z и карты ввода данных ROTORG, RGYRO, RSPINR, RSPINT, UNBALNC, используемые во входном файле MSC Nastran при моделировании роторной динамики, их применение показано на примерах. Демонстрируется соответствие результатов решения задач в MSC Nastran и результатов, полученных другими, традиционными методами.

Примеры входных файлов для различных задач роторной динамики позволят в кратчайшие сроки применить приведенные в лекции материалы на практике.

Виртуальное моделирование аэрокосмических конструкций для расчета долговечности

(Virtual Test for Aerospace Durability) 60 - 90 мин.

Рассматривается анализ долговечности конструкций, подверженных динамическому нагружению, с использованием VPD-технологий корпорации MSC Software. Лидирующая роль и высокое качество программных систем MSC Software в области расчета долговечности обусловлены техническим уровнем продуктов, высокой степенью их интеграции в процесс разработки, а также непрерывным процессом международного сотрудничества по повышению функциональности и удобства работы с системами.

При анализе долговечности изделий актуально комплексное использование широкого набора систем MSC (Fatigue, MSC Nastran, Adams, Marc, Patran). Процесс обеспечения заданного ресурса изделия включает в себя создание виртуальной модели изделия, формирование виртуальных нагрузок и проведение виртуальных испытаний на их основе. С учетом свойств материалов и технологий изготовления изделия проводится расчет долговечности изделия.

Основным продуктом корпорации MSC Software для расчета долговечности является Fatigue. В лекции показаны важные преимущества этой интегрированной в Patran системы: возможность расчета нескольких видов усталостного разрушения, использование динамических характеристик нагружения, а также учет и возможность анализа неопределенностей различных видов. К рассматриваемым неопределенностям относятся неопределенности нагружения, в т.ч. внешних нагрузок при эксплуатации, вибраций и акустического давления, разбросы, обусловленные системой управления ЛА, неопределенности свойств материалов, геометрического представления натурного изделия при построении конечно-элементной модели, и другие. Показано использование для расчета долговечности внешней нагрузки во временной и частотной областях.

Рассмотрены варианты поставки Fatigue как встроенного или самостоятельного приложения. Приводится ряд примеров успешного использования Fatigue компаниями Boeing, Goodrich и другими.

Виртуальное моделирование изделий из композиционных материалов

(Simulation of Composite Structures) 60 - 90 мин.

При разработке и производстве авиационной и космической техники все большее применение находят композиционные материалы. Расчет конструкций из композитов связан с использованием дополнительной информации, описывающей их свойства. Лекция посвящена инструментам Виртуальной Разработки Изделий корпорации MSC Software, при помощи которых производится расчет конструкций из композиционных материалов на различных стадиях разработки.

В лекции рассматриваются системы корпорации MSC Software, результаты расчетов в которых, совместно с критериями работоспособности изделия, его предварительной конфигурацией в виде геометрической модели, заданным типом материала и планируемыми условиями эксплуатации позволяют разработчику определить глобальные и локальные зоны использования композитов, особые зоны расположения отверстий, закреплений, ребер; форму деталей из композиционных материалов, количество и ориентацию слоев, наличие и расположение вставок; перечень слоев с полным описанием свойств, порядок следования слоев, расположение швов, детальные послойные выкройки, и другие конструктивные и технологические особенности деталей из композитов. При подготовке расчетной модели на основании определенных ранее зон и слоев композитных деталей формируются свойства конечно-элементной модели. Последующие расчеты с использованием рассматриваемых в лекции систем позволяют определить параметры прочности, жесткости деталей, динамические и ударные характеристики, провести расчеты процессов теплопередачи, вулканизации, смятия, разрушения слоев, накопления повреждений, долговечности, обеспечить подготовку экспериментальных работ, коррекцию расчетных моделей по результатам экспериментов для обеспечения соответствия их результатов, а также, при необходимости, коррекцию расчетных моделей для отслеживания модификаций изделия.

Лекция содержит описание возможностей программных систем для моделирования композитов, возможностей этих систем по вводу данных, проведению расчетов различных видов, визуализации результатов счета, связи с CAD-системами, и т.д. Приводятся примеры решения задач оптимизации и разрушения; моделирования технологических процессов формования и вулканизации резин, расслаивания композитов, и других технологий авиационной промышленности.

MSC SimManager. Управление данными виртуального моделирования

35 - 60 мин.

Представлено современное состояние на PLM-рынке, краткий анализ предпосылок и тенденций его развития.

В связи с растущими объемами информации, связанной с выполнением работ в области CAD/CAM и особенно CAE, выдвигаются требования: простота и прозрачность доступа соответствующих специалистов к данным об изделии, уверенное и непрерывное управление гигантскими объемами обрабатываемой и хранимой информации об изделии.

В лекции обозначены основные потребности предприятий внедряющих PLM-технологии:

  • организация повторяемости, стандартизации процессов моделирования;
  • постоянный структурированный доступ ко всем данным моделирования в рамках всего предприятия;
  • полная интеграция между существующими системами и дисциплинами, ликвидация т.н. "островов", т.е. проблем взаимодействия ПО различных поставщиков и секторов проектирования – CAD/CAM/CAE;
  • систематизация и сравнение результатов физического и численного моделирования.

SDM (Simulation Data Management – управление данными моделирования изделия) – систематизированный подход и инфраструктура управления процессами и всеми данными (входными и выходными), относящимися к моделированию в процессе виртуальной разработки изделия. SDM-подход нацелен в первую очередь на решение инженерных задач в связи с гигантскими объемами информации по результатам расчетов, множеством версий и вариантов конструкции, расчетных случаев, с необходимостью их хранения, обработки и модификации. Причем объемы этой информации существенно больше используемых инженерами-конструкторами в PDM-системах.

Представлена схема взаимодействия SDM и PDM в рамках комплексного моделирования разрабатываемой системы. Компанией MSC Software разработана SDM-система – SimManager, которая существенно расширяет возможности VPD-технологий посредством Web-технологий и баз данных на уровне как отдельного рабочего места, так и предприятия в целом.

Представлен пример CAE-портала в среде SimManager для авиационной отрасли, с основными этапами моделирования: препроцессинг, расчет, постпроцессинг, обработка и выдача результатов в виде автоматически сгенерированных отчетов.

В лекции даются ссылки на некоторые уже реализованные и работающие проекты с использованием SimManager в Европе – таких компаний в автомобильной отрасли, как BMW, Audi, VW, TI Automotive.

В аэрокосмической отрасли использование MSC SimManager представлено европейским проектом VIVACE – Virtual Improvement through a Virtual Aeronautical Colaborative Enterprise – международная, объединенная среда проектирования, ориентированная на авиационную и ГТД отрасли промышленности, со связанными, объединенными процессами, моделями и методами. В рамках проекта VIVACE планируется добиться 5%-го снижения стоимости проектирования новых самолетов в комбинации с 30%-ым сокращением сроков проектирования и 50%-ым сокращением стоимости разработки новых или модернизируемых ГТД. Таких результатов планируется добиться за счет пересмотра и оптимизации существующих процессов проектирования.

Суперэлементы – инструмент анализа и оптимизации авиационных и ракетно-космических конструкций в рамках крупных проектов

35 - 60 мин.

Метод суперэлементов – один из важных инструментов инженерного анализа, широко применяемый в аэрокосмической отрасли. Он используется для решения задач большой размерности, в т.ч. с повторяющимися компонентами, глобально-локального анализа, проведения вариантных расчетов, а также для обеспечения взаимодействия между предприятиями с сохранением конфиденциальности составных частей системы.

В лекции рассматриваются теоретические основы метода суперэлементов, реализованного в системе MSC Nastran, представление суперэлементов при помощи карт ввода данных MATRIXDB, DMIGDB, DMIGOP2, DMIGPCH, применения к суперэлементам метода динамического редуцирования Крейга-Бамптона, и т.д.

Приводится пример применения метода суперэлементов для анализа типовой конструкции ракетной отрасли. Демонстрируются результаты практического использования метода суперэлементов для снижения размерности задачи и ускорения счета путем кластерных вычислений.

Решения задач аэроупругости FlightLoads

50 - 120 мин.

При расчетно-экспериментальной отработке летательных аппаратов особое внимание уделяется предотвращению таких явлений как флаттер, дивергенция, бафтинг и др. Для анализа взаимодействия упругих тел с потоком окружающей среды проводятся расчеты аэроупругости (гидроупругости). Лекция посвящена VPD-инструментам корпорации MSC Software, предназначенным для прикладного инженерного анализа аэроупругости: FlightLoads, MSC Nastran и Patran.

Слушателям излагаются основные уравнения динамики конструкций с учетом аэрогидродинамических эффектов, определения флаттера, дивергенции, бафтинга и описание причин, вызывающих эти явления, кратко описываются методы решения динамических задач данного типа.

В лекции раскрываются этапы построения аэроупругой математической модели ЛА на базе геометрической CAD-модели, массово-инерционных характеристик, с учетом результатов натурных или виртуальных испытаний на жесткость, газодинамических расчетов обтекания и продувок в аэродинамической трубе. Математическая модель состоит из аэродинамической модели и упруго-массовой модели конструкции. На ее основе определяются характеристики статической аэроупругости, проводятся расчеты упругих динамических характеристик, аэроупругой динамической устойчивости ЛА, в т.ч. при одновременной работе системы автоматического управления, извлекаются данные для исследований статически- и динамически подобных моделей в аэродинамической трубе, и т.д. Проводится уточнение результатов расчета по данным натурных испытаний.

Рассматриваются этапы разработки расчетной модели в Patran, типовые составляющие модели ЛА, такие как крылья, заднее оперение, элероны, закрылки, рули направления и высоты, и т.д. Также приводятся используемые расчетные методы, допущения, последовательности решения в MSC Nastran и получаемые результаты с примерами и иллюстрациями.

Приводятся методы расчета флаттера и получаемые результаты в текстовом и графическом виде, возможности расчета переходных процессов в аэроупругой системе, оптимизации по статической аэроупругости и флаттеру, и т.д.

В качестве примера рассматривается расчет балансировки ЛА.

Fatigue. Углубленный анализ усталостной долговечности конструкций

50 - 90 мин.

Анализ усталостной долговечности конструкций – важная составляющая создания оптимальной конструкции изделия. Темой лекции является применение системы Fatigue для исследования усталостного разрушения конструкций.

Использование технологий VPD для анализа долговечности проводится в несколько этапов: создается виртуальный прототип изделия; в качестве исходных данных вводятся замеренные эксплуатационные нагрузки, усталостные свойства материалов и расчетная история нагружений. После проведения расчетной оценки долговечности в Fatigue при необходимости производится изменение конструкции виртуального прототипа и проводится перерасчет. Параллельно работе с виртуальной моделью проводится необходимый объем форсированных натурных и компонентных испытаний, на основании которых оценивается фактическое время функционирования изделия.

В лекции раскрываются основы расчета многоцикловой (S-N) и малоцикловой (E-N) усталости в Fatigue, многоосного анализа долговечности, анализа в частотной области, расчета сварных точек и швов, вращающихся конструкций, а также анализа роста трещин в Fatigue и Marc.

В частности, рассматриваются факторы, влияющие на рост трещин: эффект закрытия трещины (Crack Closure), предел возможности роста трещины, статические формы разрушения, эффект истории нагружения, возможных разовых перегрузок, условия окружающей среды.

Также описывается идеология решения усталостных задач, требования к истории нагружения и способы получения исходных данных о материалах, утилиты для преобразования исходных данных, и др.

Комплексный нелинейный анализ сборки и функционирования конструкций из резинотехнических материалов в Marc

30 - 60 мин.

Лекция является кратким обзором возможностей VPD-системы Marc по моделированию деталей из резинотехнических материалов (РТМ). Моделирование технологических процессов, анализ эксплуатационных характеристик деталей, моделирование режимов работы, оптимизация конструкций – неполный список задач моделирования РТМ, которые можно решить, используя Marc.

В лекции рассматриваются общие возможности Marc по решению инженерных задач. Отдельное внимание уделяется функциям, необходимым для анализа деталей из РТМ, в частности автоматическому адаптивному переразбиению конечно-элементной сетки. Переразбиение h-элементов может проводиться по таким критериям, как энергия деформации, контакт, эквивалентные напряжения и деформации, критерий Zienkiewicz-Zhu, градиент, а также по выделенным узлам.

В качестве характерного примера применения и расчета РТМ в лекции приведен сборный сайлент-блок. Рассмотрен процесс моделирования сборки сайлент-блока в осесимметричной и трехмерной постановках, а также нагружения сайлент-блока эксплуатационной нагрузкой. Показаны результаты расчета.

Дается информация об одном из эффективных методов многостадийного расчета конструкций – преобразовании осесимметричных задач в трехмерные. В заключении кратко описываются возможности Marc по выполнению параллельных вычислений.

Корпорация MSC Software и ее инструменты виртуального моделирования механизмов и систем авиационной техники

60 - 90 мин.

Частью пакета систем Виртуального Моделирования Изделий (VPD) корпорации MSC Software является система Adams, предназначенная для виртуального моделирования механических систем.

В первой части лекции слушатели знакомятся с корпорацией MSC Software, ее расположении, пользователях и доле рынка CAE-систем, а также о задачах, которые MSC Software решает по запросам ведущих мировых компаний - разработчиков авиационной техники.

Во второй части раскрывается понятие Полнофункциональной Цифровой Модели Самолета и ее создания.

Цифровая Модель Самолета включает в себя модели подсистем самолета, таких как двигатели, органы управления, исполнительные устройства, шасси, системы управления, навесное оборудование (вооружение) и т.д. Adams используется как интегрирующая среда; в модель Adams вносятся геометрия деталей и узлов, данные об упругих и инерционных свойствах ЛА, а также об аэродинамических нагрузках. Кроме этого, путем интеграции с другими VPD-системами MSC, имеется возможность внести в эту же модель пневмогидросистемы и системы управления. Построение Цифровой Модели Самолета существенно облегчено и ускорено применением многочисленных шаблонов, объединенных в библиотеку виртуальных прототипов. С помощью этих прототипов пользователь за минимальное время может создать модель колес, стоек шасси, тормозных систем, гидросистем и систем управления, элементов планера, и др.

После построения такой модели система Adams может быть использована для проведения виртуальных испытаний механических систем и узлов самолета с целью проверки работоспособности, выполнения требований по компоновке, определения статических и динамических нагрузок, получения напряженно-деформированного состояния деталей с учетом влияния упругих свойств деталей и узлов на функционирование всей системы, оптимизации конструкции и т.д.

Стандартные процедуры испытаний и эксплуатации самолета в целом, деталей и узлов в реальных условиях моделируют статическое нагружение, установку оборудования, руление, эффект шимми, проведение копровых испытаний, раскрытие и убирание шасси, равновесие, опрокидывание, торможение, взлет, катапультирование, посадку, полет и другие режимы.

В лекции приводятся примеры моделирования сил трения шины о поверхность, копровых испытаний, работы АБС. Рассматриваются возможности VPD-систем по обеспечению совместной работы соразработчиков над одним изделием, а также демонстрируются успешные проекты известных американских компаний Lockheed Martin, Goodrich, и EDO.