Проектирование сложных элементов конструкции ГТД в САПР

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

Пермский национальный исследовательский политехнический  университет

Кафедра авиационных  двигателей

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По  курсу: Системы автоматизированного производства.

Тема: Проектирование сложных элементов конструкции ГТД в САПР.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 Выполнил: студент группы АД-08зу

                             Белоусов К.Б.

                                                           Проверил: ст.пр. Семёнова И.В.

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 2011

 

Содержание

1.Введение…………………………………………………………………….2

2.Создание полного электронного макета ГТД…………………………….5

3.Система управления проектными данными……………………………....5

          4.О некоторых проблемах компьютеризации процессов создания ГТД и   внедрения современных информационных технологий………………………… 6

          5.Методы и программы расчета и программы расчета на прочность элементов ГТД………………………………………………………………………7

6.Программный комплекс ГРАД…………………………………………….8

 

Список используемых сокращений

 

CAD-computer – aided design;

CAM-computer – aided manufacturing;

CAE-computer – aided engineering.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Автоматизация отдельных  процедур проектирования и технологической  подготовки производства, постоянное увеличение количества персональных компьютеров дают определенный эффект, однако не приводят к существенному сокращению цикла создания газотурбинных двигателей (ГТД), поскольку не вносят принципиальных качественных изменений в технологию проектирования и доводки производства ГТД. Для создания сложных образцов новой техники (таких как ГТД) необходимо использование самых современных мощных систем CAD/CAM/САЕ с трехмерным моделированием.

При проектировании ряда ответственных деталей и узлов (например, турбинных и компрессорных лопаток, роторов), определяющих конструкцию двигателя, его технико-экономические характеристики и цикл изготовления опытного образца, требуется автоматизация конструкторских работ на высоком программно-техническом уровне. Например, цикл создания охлаждаемой турбинной лопатки, включающий расчетно-исследовательские и проектно-конструкторские работы, подготовку производства (проектирование и изготовление пресс-форм, оснастки и т.п.) и само изготовление комплекта лопаток, составляет около 12 месяцев. А если учесть, что в процессе создания двигателя необходимо спроектировать и изготовить несколько вариантов лопаток до принятия окончательного конструктивного решения, то становится очевидной актуальность комплексной автоматизации на всех стадиях создания лопатки на базе единой трехмерной геометрической модели. Аналогичные примеры можно привести по другим деталям ГТД.

Для обеспечения доводочных работ необходимо в сжатые сроки  изготавливать опытные образцы  двигателей и их узлов. Времени на проектирование и изготовление оснастки и приспособлений, как правило, не хватает. Это определяет актуальность задачи изготовления сложных деталей на станках с ЧПУ и автоматизации процессов подготовки управляющих программ, что, в свою очередь, требует интеграции систем автоматизации конструкторских работ и технологической подготовки производства на базе единых трехмерных моделей деталей и узлов ГТД.

Одной из таких систем является программный пакет Unigraphics на базе графических рабочих станций Hewlett-Packard. Unigraphics представляет собой гибкую гибридную систему, сочетающую традиционные принципы геометрического моделирования с параметрическим проектированием, что открывает широкие возможности в автоматизации конструкторских работ.

Проектирование ГТД  требует проведения большого количества теплофизических, газодинамических и прочностных расчетов, для которых разработаны прикладные программы, входящие в подсистемы САПР. Языки программирования и трансляторы, входящие в Unigraphics, позволяют соединить эти программы с Unigraphics и использовать их при разработке геометрических моделей. Наличие в Unigraphics интерфейса к пакету ANSYS позволяет решать сложные проблемы инженерного анализа конструкций ГТД на основе единой геометрической модели, полученной в Unigraphics, что значительно повышает точность и достоверность результатов анализа, сокращает время решения задач.

Кроме того, в Unigraphics привлекает широкий набор программных модулей CAM, особенно пакет VERICUT для графического моделирования процессов металлообработки.

Модули сборки и контроля сборки, кинематики механизмов, черчения, в том числе получение чертежей на основе 3D-модели, значительно расширяют  круг пользователей-конструкторов.

Unigraphics успешно используется  для проектирования и подготовки  производства наиболее ответственных деталей ГТД.

В частности, в системе Unigraphics были спроектированы охлаждаемые  рабочие лопатки и сопловые аппараты для четырех новых газотурбинных  двигателей ГТД 10, ГТД 15000, ГТД 25000, ГТД 110, лопатки и центробежное колесо компрессора, газосборник, газоотвод и другие сложные детали, а также разработаны программы для станков с ЧПУ для их изготовления.

Были произведены также  компьютерная макетная сборка и прокладка  трубопроводов ГТД 10, выполнены эскизные компоновки электростанций ГТГ-6, ГТГ-25; проверена на моделях заполняемость форм для литья рабочей лопатки и соплового аппарата двигателей ГТД 25000 и ГТД 110.

Для совершенствования  подготовки производства и существенного  повышения качества изготовления наиболее ответственных деталей ГТД в ближайшее время будут интегрированы в единую систему следующие компоненты: проектирование (Unigraphics, КОМПАС), подготовка производства (Unigraphics, программы для станков с ЧПУ), производство (станки с ЧПУ, контрольно-измерительная машина).

 

 

2.Создание полного электронного макета ГТД

Электронный макет представляет собой совокупность взаимосвязанных трехмерных моделей деталей, узлов и систем двигателя и создается на базе систем автоматизированного проектирования: CAD/CAM/CAE-системы высокого уровня Unigraphics, системы среднего уровня SolidWorks и конструкторской системы КОМПАС.

Эффективная работа по формированию и использованию электронного макета изделия возможна в том случае, если данные по этому макету хранятся в единой базе данных (БД) разрабатываемого проекта и все взаимодействия по проекту осуществляются через эту БД. При этом данные, получаемые на основании электронного макета ГТД, являются единственным источником информации для всех автоматизированных систем предприятия.

3.Система управления проектными данными

В настоящее время  ведущие зарубежные фирмы, в том  числе близкие к нам по ГТД General Electrics, Pratt & Whitney, внедрили PDM-систему  управления проектными данными iMAN (Information Manager), которая работает совместно  с Unigraphics.

iMAN позволяет создать  единую информационную модель  проекта в условиях параллельного  процесса ведения разработки, а  также на протяжении всего  жизненного цикла изделия формировать  и сохранять в базе данных  всю информацию о нем.

В информационную модель проекта легко интегрируются данные систем автоматизированного проектирования, электронных таблиц, текстовых процессоров, а также любая относящаяся к проекту информация, например: фотореалистические изображения, аудио- и видеоинформация, данные для автоматизированной технологической подготовки производства, включающие информацию для операционных технологических процессов, нормирования, снабжения, учета, и т.п.

iMAN обеспечивает:

• ассоциативную связь между набором данных и элементами структуры проектируемого объекта;
• автоматическое отслеживание всех изменений, которые вносятся в процессе проектирования;
• получение информации о проектируемом объекте непосредственно в процессе проектирования;
• создание полных сборочных спецификаций;
• визуальное редактирование иерархической модели изделия;
• определение процедур реализации объекта и электронных подписей, которые поддерживают механизм временного согласования работ над проектом и контроля их выполнения;
• автоматическое создание протокола процесса проектирования;
• управление проектом с большим количеством модификаций изделия.

4.О некоторых проблемах компьютеризации процессов создания ГТД и внедрения современных информационных технологий

За более чем 20-летний период эксплуатации САПР ГТД получила широкое развитие: от автоматизации расчетов на базе ЕС ЭВМ до автоматизации проектирования и конструирования с использованием графической системы КОМПАС, систем высокого уровня Unigraphics и среднего — SolidWorks на базе современных персональных компьютеров и графических станций.

Разработка и внедрение  систем автоматизации сопровождались преодолением известных трудностей, к которым относятся:

• нестабильное финансирование;
• психологические барьеры у отдельных руководителей и исполнителей;
• отсутствие у конструкторов опыта работы с ЭВМ;
• недостаточный уровень мощности вычислительной техники.

И лишь в последние  годы с появлением мощных ПК (и соответственно — оснащением предприятия современной  вычислительной техникой), развитием  операционных систем, прикладного программного обеспечения (систем КОМПАС, SolidWorks, Unigraphics), повышением компьютерной грамотности персонала были созданы условия для качественно нового этапа дальнейшей компьютеризации процессов создания ГТД.

Сегодня все осознают необходимость внедрения современных информационных технологий. Мы должны создавать ГТД, конкурентоспособные не только на российском, но и на мировом рынке. Сейчас

устанавливаются деловые  связи с рядом зарубежных фирм. Мы не имеем права отставать от них как по технико-экономическим  характеристикам, так и по срокам создания новых ГТД.

5. Методы и программы расчета и программы расчета на прочность элементов ГТД

Разработка методики конечноэлементного моделирования конструкций авиационных двигателей, стационарных и космических силовых установок :

• Разработка современных моделей ресурса элементов двигателей
• Создание специализированных комплексов МКЭ для систем проектирования элементов двигателей
• Интеграция современных средств САПР и АСК
• РОТОР - автоматизированная система расчета НДС деталей и узлов ГТД методом конечного элемента
• КОРВЕТ - сквозная специализированная система автоматизированного проектирования лопаток компрессоров
• ЦИКЛ - программный комплекс математического моделирования кинетики НДС в зонах концентрации напряжений

 

Современная методика проектирования предполагает глубокую интеграцию систем геометрического моделирования и конечно-элементного анализа для адекватного описания геометрических форм и условий работы критических деталей и узлов авиационной техники. Эта методика полностью реализована в отделе. Все используемые программные комплексы имеют возможности экспорта-импорта любой геометрической информации, что позволяет резко сократить затраты и время на создание математических моделей. Наша стратегия: "От чертежа - к геометрической модели, от геометрической модели к моделированию рабочего состояния деталей и узлов в условиях наиболее приближенных к реальным, на основании анализа оптимизация конструкторских решений возврат к чертежу".

       

На всех этапах проектирования расчетные модули, конечноэлементные  модели, программы связаны информационно  с помощью стандартных средств представления геометрической информации. Это позволяет обеспечить информационное единство чертежей, расчетных схем, объемных геометрических моделей от уровня концептуального проектирования до окончательного формирования рабочих чертежей деталей и их твердотельных геометрических моделей.

      

 

6.Программный комплекс ГРАД

ПК «газодинамические расчеты авиационных двигателей и энергетических установок» (ГРАД) является одной из подсистем САПР (системы автоматизированного проектирования) газотурбинных двигателей (ГТД). ПК обеспечивает выполнение большинства термогазодинамических расчетов, связанных с проточной частью газотурбинных, комбинированных двигателей и установок и двигателей с изменяемым рабочим процессом. Обеспечивает выполнение расчетов на всех этапах жизненного цикла, включая проектирование, испытания, доводку, серийное производство и эксплуатацию двигателя.

ПК ГРАД включает модуль универсальной математической модели ГТД (ММ), т.е. модели настраиваемой на двигатели и установки различных схем или на расчет их узлов, а также комплекс модулей задач, обеспечивающих выполнение требуемых расчетов.

В принципе он обеспечивает для любого газотурбинного двигателя или установки решение следующих задач:

Дроссельные характеристики. Этот модуль предназначен для расчета любых дроссельных или нагрузочных характеристик при любых внешних условиях, на различных высотах и скоростях полета, если это авиационный двигатель. Для каждой расчетной точки задается режим работы двигателя, высота и число Маха полета в этой точке. Используются параметры стандартной атмосферы. Число точек расчета не ограничено.

Высотно-скоростные характеристики. Этот модуль предназначен для расчета высотно-скоростных характеристик на любых режимах работы двигателя с уменьшенным объемом ввода исходных данных. Для расчета задаются максимальное, минимальное числа Маха и шаг по нему, максимальное, минимальное значения высот полета и шаг между точками по высоте, а также все расчетные режимы. Задается программа управления, которая может включать несколько законов.

Климатические характеристики. Этот модуль предназначен для расчета дроссельных или нагрузочных характеристик при изменении внешних условий, т.е. температуры и давления наружного воздуха. Они должны быть заданы. Задается также число Маха полета и программа управления. Может быть задан шаг изменения по температуре и давлению, а также пределы их изменения.

Аппроксимация характеристик. Этот модуль имеет вспомогательное назначение для аппроксимации характеристик любого из узлов. Предусмотрены различные алгоритмы аппроксимации и варианты представления исходных данных для нее. Наиболее сложной является аппроксимация или табулирование характеристик компрессора из-за наличия вертикальных веток и помпажной кривой. Для нее был разработан отдельный вариант модуля, в котором производится замена переменных. После нее характеристики компрессора получаются очень пологими, поэтому после табулирования данные выбираются из таблиц с минимальными погрешностями.

Характеристики  с одномерной оптимизацией. Этот модуль предназначен для расчета дроссельной характеристики двигателя с автоматическим подбором значения одного из параметров, обеспечивающего минимальное или максимальное значение заданной функции цели (критерия оптимизации). Например, может быть рассчитана максимальная мощность на выводном валу силовой турбины при различных значениях частот вращения турбокомпрессора или может быть рассчитана высота полета, на которой расход топлива будет минимальным.

Характеристики  в нечетких числах. Этот модуль предназначен для расчета разброса параметров дроссельной характеристики (откликов), вызванного одновременным разбросом нескольких входных параметров двигателя (факторов). Это могут быть внешние условия или погрешности геометрических размеров. Для них задаются пределы изменения в процентах от номинального значения. Используется алгоритм полного факторного эксперимента.

Стохастические  характеристики. Этот модуль тоже предназначен для расчета разброса параметров дроссельной характеристики, но задаются не пределы изменения факторов, а параметры их закона распределения. В результате расчета для откликов тоже получаются параметры законов их распределения. Обычно используются равномерный, нормальный (закон Гаусса) или нормальный усеченный законы.

Динамические  характеристики. Этот модуль предназначен для расчета переходных процессов. Он обеспечивает расчет всех параметров по времени при переходе двигателя с одного заданного режима на другой. Режимы работы двигателя и законы управления могут быть любыми.

Коэффициенты  влияния. В этом модуле производится линеаризация зависимостей, и рассчитываются таблицы, каждый элемент которых показывает на сколько процентов изменится отклик при изменении фактора на один процент. В качестве факторов может быть использован любой параметр, входящий в исходные данные, а в качестве откликов любой параметр из рабочего массива результатов.

Формирование  облика ГТД. Математическая модель, описанная выше, обеспечивает только поверочный расчет ГТД, поэтому все основные размеры его и характеристики должны быть заданы. Это очень удобно при доводке или модернизации, т.е. наиболее массовых расчетах в промышленности, но не применимо при закладке нового ГТД, когда требуемые данные просто не откуда взять. В этом случае необходимо начинать с формирования облика ГТД. Вместо характеристик узлов задаются постоянные значения параметров. Обычно бывают заданными тяга двигателя (или мощность, если это турбовальный двигатель) и максимальная температура газа перед турбиной. В этом случае организуется невязка по тяге (или по мощности на выводном валу), а варьируется расход воздуха через двигатель. Такое формирование облика является простейшим и применяется в основном при предварительном выборе вариантов проточной части и в студенческих проектах. В более сложных случаях, когда возможно изготовление спроектированного двигателя и необходимо получение наилучших параметров, рекомендуется использовать модуль многомерной оптимизации.

Многомерная оптимизация. Этот модуль предназначен для поиска оптимального варианта проточной части двигателя. Его использование начинается с выбора функции цели (критерия оптимизации), по которой можно судить о степени совершенства двигателя. Разработаны подробные рекомендации по ее выбору для разных типов летательных аппаратов и наземных транспортных средств. Составляется перечень параметров, которые могут изменяться в процессе поиска. Они определяют размерность задачи.. Задаются ограничения первого и второго рода, которые определяют область поиска. Для поиска используется специально разработанный алгоритм, но могут применяться и любые другие алгоритмы, описанные в литературе. В любом случае на каждом шаге поиска производится обращение к математической модели. Лучшие результаты были получены в процессе доводки проточной части, когда большинство размеров уже нельзя изменять, и поэтому снижается размерность задачи, а точность математической модели уже можно повысить за счет идентификации.

Диагностика. Этот модуль предназначен для диагностирования проточной части ГТД по термогазодинамическим параметрам в процессе эксплуатации. Алгоритм базируется на разработанной библиотеке возможных дефектов. В случае отличия измеренных параметров от эталонных перебираются все дефекты, имеющиеся в библиотеке для данного двигателя или данного экземпляра, и среди них выявляется наиболее вероятный дефект. Он обеспечивает минимальное значение суммы квадратов невязок между параметрами исследуемого и эталонного двигателя. В процессе поиска варьируется и величина исследуемого дефекта.

Идентификация. Этот модуль предназначен для повышения точности математических моделей, а также в целях диагностики конкретных ГТУ. Он может использоваться, когда уже имеются результаты измерений параметров двигателя или его отдельных узлов при эксплуатации или испытаниях. Работа алгоритма начинается с того, что по математической модели рассчитываются значения тех же самых параметров, которые были измерены, и на тех же самых режимах. Расхождения между рассчитанными и измеренными значениями параметров образуют массив невязок. Взвешенная сумма их квадратов минимизируется за счет изменения значений наименее достоверных параметров математической модели. Алгоритм минимизации эвристический. Получающаяся в результате идентификации апостериорная модель имеет большую точность, чем исходная априорная. Ее можно успешно использовать при выполнении любых расчетов с использованием перечисленных выше модулей задач. Этот модуль получил наиболее широкое распространение, так как он оказался очень эффективным при доводке и модернизации двигателей.

Расчет параметров газовой  турбины. Он производится по математической модели третьего уровня сложности, которая  описывает рабочий процесс в  проточной части турбины, геометрические размеры которой заданы. Все параметры считаются осредненными по сечению, и все формулы записываются для среднего диаметра (средней линии тока). Пространственность потока может учитываться только поправками. Этот модуль вводится в объем поставки только по специальному соглашению. В базовой поставке используются модели второго уровня сложности.

Расчет параметров осевого  компрессора. Он производится по математической модели третьего уровня сложности, которая  описывает рабочий процесс в  проточной части компрессора, геометрические размеры которого заданы. Все параметры считаются осредненными по сечению, и все формулы записываются для среднего диаметра (средней линии тока). Этот модуль вводится в объем поставки только по специальному соглашению.

Расчет проточной части осевого компрессора. Он производится по математической модели четвертого уровня сложности, которая описывает рабочий процесс в проточной части компрессора, геометрические размеры которого заданы на нескольких радиусах. Все параметры считаются на этих радиусах. Этот модуль вводится в объем поставки только по специальному соглашению.

Оптимизация собственных  моделей. Этот модуль предназначен для  поиска оптимального варианта любых  математических моделей, не входящих в  программный комплекс ГРАД, поэтому  он всегда поставляется отдельно. Он может использоваться, когда у заказчика имеется своя адекватная математическая модель. Оптимизация начинается с выбора функции цели (критерия оптимизации), по которой можно судить о степени совершенства изделия. Данный модуль был популярен в прошлые годы, но в настоящее время на рынке появилось большое число пакетов оптимизации, некоторые из которых являются более быстрыми.

Идентификация собственных  моделей. Этот модуль предназначен для  повышения точности любых математических моделей, не входящих в программный комплекс ГРАД, поэтому он всегда поставляется отдельно. Он может использоваться, когда у заказчика имеется своя математическая модель и уже имеются результаты испытаний изделия, которое описывает данная модель.

ПК ГРАД пригоден для любых газотурбинных и комбинированных двигателей, а также газотурбинных установок энергетических, транспортных и обеспечивающих перекачку газа (ГПА), т.к. входящая в него математическая модель (ММ) формируется автоматически из следующих полностью автономных модулей узлов:

• компрессор осевой или центробежный;
• турбина осевая или центростремительная;
• камера сгорания ГТД основная;
• камера сгорания ГТД форсажная;
• камера смешения;
• входное устройство;
• выходное устройство;
• переходный канал;
• разделитель потоков;
• теплообменник-регенератор;
• теплообменник-охладитель;
• теплообменник, заменяющий камеру сгорания;
• двухпозиционный клапан (переключающее устройство);
• воздушный винт (самолетный и вертолетный);
• соосные воздушные винты с дифференциальным редуктором;
• редуктор;
• агрегаты (для имитации генераторов, стартер - генераторов, различных устройств внешней нагрузки и т.п.);
• эжектор;
• оперативный модуль (реализует вычисление любых формул специально разработанным кодированием в потоке входной информации);
• фортран - модуль (позволяет включать алгоритмы пользователя на алгоритмическом языке Фортран в ММ. При этом требуется трансляция этого модуля и новое создание исполняемого модуля ММ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемые источники

1. www.sapr.ru
2. www.sonbi.ru
3. www.edu.ru