Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

CHOICE OF PARAMETERS AND SEARCH OF RATIONAL SOLUTIONS AT EARLY PHASE AND STAGES OF DESIGNING A MAIN AIRCRAFT

Gorbunov A.A. 1 Pripadchev A.D. 1 Kondrov Ya.V. 1 Magdin A.G. 1
1 Orenburg State University
In the presented article, a methodology for determining the exact values of the studied parameters at the early stages and design stages of a main aircraft is proposed. The traditional aircraft design process involves decomposition into structural elements and functional units, which allows us to solve small-dimensional problems for a non-existent object in the early stages of design. The design of the aircraft and its components must be carried out in the context of an integrated multi-parameter approach and the application of synergetic methods implemented through software. Synergetic methods in the context of the work are understood as the combination of aerodynamic phenomena and the results of numerical simulations, characteristics of rigidity and strength of a structure with facing parameters, etc. for the sun and its elements. And under the machined understood – the ability to explore and establish links between the parameters to reduce the dimension and generate a new version of the design alternatives. Creation of application software that implements a multi-parameter approach and uniqueness of the solution at the stages of preliminary and preliminary design, will improve the design process of aircraft, and the presented methodology will allow for communication with the validation basis (reference solutions).
aircraft
the choice of parameters
the search of rational solutions
design stages
the project alternative

Согласно классической методике на этапе предварительного проектирования ВС используются весовые формулы. В основе таких формул, как правило, используются упрощенные математические модели, основанные на описании физических объектов и процессов с учетом статистических параметров области существования проектируемого или подлежащего оптимизации ВС [1, 2].

При таком подходе необходимо анализировать большое число статистических данных, выделяя при этом доверительную область величин параметров. Выявить наиболее значимые параметры неавтоматизированным способом практичекски невозможно. Для проведения анализа рационально разработать прикладное ПО, позволяющеее анализировать данные в заданных ограничениях и формировать на их основе, с учетом выбранных критериев эффективности, новые проектные альтернативы.

Также необхлодимо обеспечить ПО возможностью параллельного учета как новых технических решений, так и результаты НИР и ОКР. Результат работы такого ПО – сужение области возможных решений в заданных ограничениях, на основе которой возможно сформировать облик ВС и его элементов в первом приближении в виде эскиза (рис. 1) [3].

Представление ВС виде взаимосвязанных элементов различной степени сложности и детализации на подсистемы, агрегаты, функциональные блоки, конструктивные элементы и детали обеспечивает выявление связей и определение структуры процесса проектирования. В основе принципа выделения в структуре ВС различных элементов лежит принцип декомпозиции, позволяющий выявить отдельные уровни связанности геометрических параметров элемента с его физическими свойствами [4, 5]. На рис. 2 представлены стадии и этапы проектирования, на которых возможно осуществить выбор оптимального вектора проектных решений, формализовать новые технические решения и провести валидацию полученных проектных альтернатив.

Для установления новых зависимостей между проектными переменными и методиками проектирования необходимо применять синергетические методы, позволяющие осуществлять анализ и синтез данных на некоторой модели, базирующейся на статистической информации и результатах НИР и ОКР. Резюмируя вышесказанное, для совместного проектирования элементов ВС необходимы:

– многопараметрический подход к анализу и синтезу варианта проектного решения;

– модель, объединяющая различные методики и методы проектирования;

– формализованный процесс, позволяющий реализовывать единственность решения для отдельных элементов ВС на этапах предварительного и эскизного проектирований;

– система автоматизированного проектирования, позволяющая реализовывать процесс автоматизированного синтеза проектных и конструкторских параметров в единой информационной среде.

gorbun1.tif

Рис. 1. Блочно-иерархическая структура синтеза элементов магистрального ВС

Цель исследования: разработка научно-методического обеспечения, включающего методики, модели, прогнозирование, совершенствующее принципы проектирования магистрального ВС, обеспечивающие повышение точности и снижение временных затрат на ранних стадиях и этапах проектирования.

Материалы и методы исследования

В связи с тем, что одним из факторов инновационного развития является переход к технологиям проектирования на основе применения средств вычислительной техники и большого объема математического моделирования, в том числе и имитационного моделирования, процесс проектирования магистрального ВС и его элементов на этапах предварительного и эскизного проектирований необходимо вести в контексте комплексного многопараметрического подхода к варианту проектной альтернативы и применением синергетических методов с машинной обработкой, т.е. ПО.

Под синергетическими методами в контексте работы понимается объединение аэродинамических явлений и результатов численных моделирований, характеристик жесткости и прочности конструкции с обликовыми параметрами, и т.д. для ВС и его элементов.

Предлагаемый подход позволит:

1. Реализовывать единственность решения для отдельных элементов ВС, на этапах предварительного и эскизного проектирований.

2. Осуществлять многопараметрический подход к анализу и синтезу варианта проектного решения.

Формализовать многопараметрический подход к анализу и выбору состава проектно-конструкторских параметров возможно путем представления магистрального ВС в целом и его составных элементов в частности в виде набора формальных моделей (статистической, имитационной, аэродинамической и т.д.). Объединяющим фактором для совокупности моделей является набор параметров в заданной области существования и заданными ограничениями, а сочетание параметров позволяет получать проектное решение с заданным набором характеристик.

Математический аппарат процесса предварительного и эскизного проектирования для составных элементов ВС формируется на основе концептуальной модели в соответствии с блочно-иерархической структурой синтеза элементов магистрального ВС (рис. 1). На рис. 3 представленна структурная схема концептуальной модели выбора проектных альтернатив ВС [3].

gorbun2.tif

Рис. 2. Укрупненный процесс проектирования ВС

gorbun3.tif

Рис. 3. Структура концептуальной модели

gorbun4.tif

Рис. 4. Структура построчного файла «sled»

Рассмотрим определение точных значений исследуемых параметров для элементов магистрального воздушного судна в программе «Многомерный анализ параметров магистральных ВС с построением регрессионных моделей». Исходными данными будут:

– построчный файл, построчная структура которого представлена на рис. 4;

– ограничениями по параметрам исследования будут максимальные значения параметров в столбиках матрицы исследования в файле, например, для первого столбика, соответствующего наблюдаемому параметру «Удлинение крыла, λ» минимальное значение параметра равно 5,91, а максимальное 11,37, для параметра «Скорость полета, M» минимальное значение параметра равно 0,75, а максимальное 0,89 и т.д.

Для проведения прогноза необходимо в файле задать требуемые значения для базовых параметров (табл. 1) в пределах заданных ограничений. Задавать базовые параметры возможно по всем строчкам наблюдения одновременно или по одной из строк матрицы исследования.

В случае если базовые параметры заданы вне диапазона ограничений, это приведет к снижению точности прогноза или вовсе неправильному результату счета, так как полиномиальная модель построена в диапазоне ограничений. Расширить область ограничений возможно внесением в исходную матрицу файла большее количество строчек наблюдения.

В табл. 2 представлены сгруппированные прогнозируемые значения параметров для первой строчки наблюдения исходной матрицы (рис. 3). Проведенный прогноз по шести базовым параметрам позволил с высокой степенью точности определить значения параметров, средняя ошибка прогноза составила 4,72 %.

Таблица 1

Базовые параметры выборки среднемагистральных ВС

Номер

Название параметра

Значение

1

Удлинение крыла, λ

9,7

2

Сужение крыла, η

4,73

4

Относительная толщина профиля крыла, gorb01.wmf

0,23

6

Площадь крыла, занятая фюзеляжем, Sк.п.ф.

25,94

14

Скорость полета, M

0,8

18

Аэродинамическое качество, К

21,99

 

Таблица 2

Прогнозируемые значения первой строчки наблюдения исходной матрицы

Обозначение параметра

Исходное значение параметров

Прогнозируемое значение параметра

1

2

3

1. Удлинение крыла, λ

9,43

9,7

2. Сужение крыла, η

4,73

4,72

3. Угол стреловидности, χ

25,01

26,6564

4. Относительная толщина профиля крыла, gorb02.wmf

0,23

0,23

5. Площадь крыла, Sк

122,64

128,9297

6. Площадь крыла, занятая фюзеляжем, Sк.п.ф.

25,94

25,94

7. Площадь крыла под пилонами двигателя, Sк.п.д

2,81

3,3707

8. Размах крыла, l

34,01

36,9754

9. Корневая хорда крыла, b0

7,01

7,3501

10. Концевая хорда крыла, bк

1,48

1,554

11. Поперечный угол крыла при виде спереди, φ

5,33

5,8946

12. Взлетная масса, m0

68000

72464,0547

13. Крейсерская высота полета, H

12000

12381,0723

14. Скорость полета, M

0,78

0,8

15. Удельная нагрузка на крыло, p0

554

588,4413

16. Эффективное удлинение крыла, λэф

9,24

9,2432

17. Угол отвала поляры, А

0,034

0,0299

18. Аэродинамическое качество, К

21,99

21,99

 

Результаты исследования и их обсуждение

С применением разработанного прикладного ПО последовательно проведен прогноз на выборки среднемагистральных ВС. В первом варианте счета в качестве варьируемой величины выбираем параметр № 1 «Удлинение крыла, λ», изменяя величину параметра от исходного значения, представленного в табл. 2, в большую или меньшую сторону, табл. 3, получаем прогнозируемые значения для остальных 17 исследуемых параметров.

Таблица 3

Значения величин варьируемых параметров

Параметр

Значение

(1. Удлинение крыла, λ)

9

9,2

9,43

9,6

9,8

 

gorbun5.tif

Рис. 5. Прогнозируемые значения для параметра № 1 «λ»

gorbun6.tif

Рис. 6. Прогнозируемые значения для параметра № 2 «η»

Таблица 5

Значения величин варьируемых параметров

Параметр

Значение

(1. Удлинение крыла, λ)

9,2

9,4

9,43

9,6

9,8

(4. Относительная толщина профиля крыла, gorb04.wmf)

0,16

0,18

0,23

0,19

0,2

 

gorbun7.tif

Рис. 7. Прогнозируемые значения для параметра № 4 «gorb05.wmf»

Геометрическое решение оптимизационной задачи на прогнозируемых параметрах представлено в виде поверхности отклика (рис. 5).

Во втором варианте счета в качестве варьируемой величины выбираем параметр № 2 «Сужение крыла, η», изменяя величину параметра от исходного значения, в большую или меньшую сторону, табл. 4, получаем прогнозируемые значения для остальных 17 исследуемых параметров.

Таблица 4

Значения величин варьируемых параметров

Параметр

Значение

(2. Сужение крыла, η)

4,3

4,5

4,73

4,9

5,1

 

Геометрическое решение оптимизационной задачи на прогнозируемых параметрах представлено в виде поверхности отклика (рис. 6).

В третьем варианте счета в качестве варьируемой величины выбираем сочетание параметров № 1 «Удлинение крыла, λ» и № 4 «Относительная толщина профиля крыла, gorb03.wmf», изменяя величину параметров от исходного значения, табл. 5, получаем прогнозируемые значения для остальных 16 исследуемых параметров.

Геометрическое решение оптимизационной задачи на прогнозируемых параметрах представлено в виде поверхности отклика (рис. 7).

Заключение

Представлена методика определения точных значений исследуемых параметров с применением разработанного прикладного ПО на примере элементов магистрального ВС и решены оптимизационные задачи по определению рациональных параметров элементов при заданных критериях эффективности и ограничениях. Результаты приняты в АО Государственная корпорация «Ростех», «РТ-Техприемка».

Работа выполнена в рамках стипендии Президента РФ № СП-3606.2018.1 от 29.12.2017 г., для молодых ученых и аспирантов на выполнение научного исследования по теме «Методология автоматизированного синтеза проектных и конструкторских параметров транспортной техники нового поколения».