Современные тенденции развития инженерного анализа изделий с деталями из композиционных материалов на примере принципов работы Anatoleflex

Оригинальная статья / Original article УДК 621.757

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-11 -56-62

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА ИЗДЕЛИЙ С ДЕТАЛЯМИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ANATOLEFLEX

© Д.С. Леонович1, Д.А. Журавлёв2, Ю.И. Карлина3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ: Цель - рассмотреть современные тенденции развития инженерного анализа нежестких элементов на примере принципов работы ANATOLEFLEX со сборками, в состав которых входят компоненты из композиционных материалов. Собираемость сборок из нежестких компонентов требует моделирование комплексных статистических задач на разных уровнях сборки для автоматизации контроля и регулирования зазоров. В ходе обзора выявлены преимущества применения платформы ANATOLEFLEX, которая способствует принятию во внимание последовательности сборки типовых соединений, свойств композиционных или иных типов материалов, тип производственного процесса и контактного моделирования, используемого для построения полной и реалистичной модели сборки. На практике результаты применения данного решения можно наблюдать в авиационных сборках Airbus с использованием анализа результатов симуляции. Установлено, что применение реалистичной симуляции моделей сборок, таких как анализ симуляции допусков или расчет карты зазоров для процесса регулировки прокладками, в значительной мере делает возможной автоматизацию проектирования сборки с компонентами из композиционных материалов.

Ключевые слова: машиностроение, самолетостроение, композиционный материал, собираемость, инженерный анализ, анализ допусков

Информация о статье: Дата поступления 15 мая 2018 г.; дата принятия к печати 30 октября 2018 г.; дата онлайн-размещения 30 ноября 2018 г.

Для цитирования: Леонович Д.С., Журавлёв Д.А., Карлина Ю.И. Современные тенденции развития инженерного анализа изделий с деталями из композиционных материалов на примере принципов работы ANATOLEFLEX. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018;22(11 ):56-62. DOI: 10.21285/18143520-2018-11-56-62.

MODERN DEVELOPMENT TENDENCIES IN ENGINEERING ANALYSIS OF PRODUCTS WITH COMPOSITE MATERIAL PARTS ON EXAMPLE OF ANATOLEFLEX OPERATING PRINCIPLES

Dmitriy S. Leonovich, Diomid A. Zhuravlev, Yulia I. Karlina

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation

ABSTRACT: The purpose of the article is to consider the current development trends in the engineering analysis of nonrigid elements on the example of the operating principles of ANATOLEFLEX with assemblies containing the components made of composite materials. The assemblage of assemblies from non-rigid components requires the simulation of complex statistical tasks at different levels of assembly to automate the control and monitoring of gaps. The performed review

1

Леонович Дмитрий Сергеевич, аспирант, e-mail: dmitriy.leonovich@mail.ru Dmitriy S. Leonovich, Postgraduate student, e-mail: dmitriy.leonovich@mail.ru

2Журавлёв Диомид Алексеевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии машиностроения, e-mail: dio@istu.irk.ru

Diomid A. Zhuravlev, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Technology of Mechanical

Engineering, e-mail: dio@istu.irk.ru

3Карлина Юлия Игоревна, аспирант, e-mail: asup@irzirk.ru

Yulia I. Karlina, Postgraduate student, e-mail: asup@irzirk.ru

has allowed to reveal the advantages of the ANATOLEFLEX platform, which allows to take into account the assemblage sequence of typical assemblies, the properties of composite or other types of materials, the type of production process and contact modeling used to build a complete and realistic assembly model. The application results of this solution are represented by the Airbus aircraft assemblies, which employ the analysis of simulation results. It has been found out that the use of the realistic simulation of assembly models such as the analysis of tolerance simulation or calculation of the gap map for shimming up gap process adjustment to a large extent enables automation of the design of the assembly with composite material components.

Keywords: mechanical engineering, aircraft engineering, composite material, assemblage, engineering analysis, tolerance analysis

Information about the article: Received May 15, 2018; accepted for publication October 30, 2018; available online November 30, 2018.

For citation: Leonovich D.S., Zhuravlev D.A., Karlina Yu.I. Modern development tendencies in engineering analysis of products with composite material parts on example of ANATOLEFLEX operating principles. Vestnik Irkutskogo gosudar-stvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018;22(11):pp. 56-62. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-11-56-62.

Введение

В современной авиационной индустрии большое внимание уделяется производственным процессам с целью повышения объемов производства. Это приводит к повышению эффективности менеджмента нелинейности в производственной цепочке и робастности сборочных процессов. Новые композиционные авиационные структуры с использованием материалов из волокон, применяемые на последних Airbus A350 XWB, отечественных МС-21 и Сухой SSJ 100 [1-4], требуют дополнительных технических решений по встроенному уровню контроля в процессе сборки.

Композитные компоненты или сборки с деталями из композиционных материалов можно рассматривать как гибкие и маложесткие ввиду больших габаритных размеров и небольшой толщины. Поэтому в большинстве случаев сборочные процессы осуществляются с применением больших и жестких приспособлений, в которые закрепляют каждый компонент в заданном месте и положении в определенных точках, что подразумевает геометрическое ограничение и фиксацию необходимых плоскостей для позиционирования гибкого компонента [5].

Проблема заключается не только в том, что структуры из полимер-углеродного волокна требуют возврата к парадигме ручной сборки множества мелких компо-

нентов, но и в том, что использование композитов привносит уникальные проблемы, связанные с их геометрическими отклонениями, переходящими от одного уровня сборки к другому, и требующие введения множества дополнительных шагов в сборочный цикл для их компенсации.

Помимо проблемы вариации диаметров самих волокон, в полимерных композитах от одного компонента к другому так же может варьироваться и объем смолы. Это приводит к накоплению погрешностей при сборке. Сборочные единицы должны быть собраны и разобраны несколько раз для измерения и регулировки зазоров, что так же увеличивает потери времени - это особенно критично при увеличении темпов производства.

В целом применение композиционных материалов в авиационной промышленности обусловлено рядом преимуществ: они увеличивают прочность деталей, снижают вес, а также позволяют уменьшить количество компонентов: в самолетных двигателях композиты уменьшают вес, что, как следствие, ведет к экономии топлива. Так, например, вес композитов составляет менее 20% аналогичных деталей из алюминиевых сплавов, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они, естественно, не подвержены

коррозии.

За последнее десятилетие композиционные материалы совершили значительный прорыв в эффективности их применения в коммерческом машиностроении, но отошли на шаг назад в области производственных затрат. Успех обусловлен тенденцией перехода от клепки листового метала к механической обработке пакетов из разнородных материалов, а недостаток -увеличением количества неучтенных операций, вроде дополнительного контроля и регулирования зазоров подкладками в сборках.

Одним из ведущих проектов в области развития статистического моделирования композитных структур на данный день является европейский проект LOCOMACHS (аббревиатура от англ. Low Cost Manufacturing of Composite Parts and Hybride Structures), основные результаты которого отражены в [6]. Данный проект функционирует при поддержке таких гигантов промышле-ности, как Airbus Group, SAAB, Dassault Aviation, IAI и др [7].

Для выполнения сборочных работ с маложесткими композиционными деталями существенным является наличие модели, учитывающей реальное поведение сборки. Для осуществления симуляции выбирается моделирование конечных элементов. Очевидно, что пользователи систем назначения допусков не всегда обладают достаточными навыками для осуществления механической симуляции, поэтому аранжировка проблем сборочного процесса в механическую модель достаточно проблематична.

Учитывая вышесказанное, был основан ряд новых платформ программного обеспечения, специализирующихся на реалистичной симуляции сборок, которая смогла бы учитывать воздействие геометрических вариаций и механических свойств каждого из компонентов для достижения заданного качества конкретной сборки. К

таким программам можно отнести: Anatole и Anatoleflex от Airbus Group, основанное на CATIA б [В], RD&T от RD&T Technology AB [9], 3DCS FEA Compliant modeller от DCS и TAA от Dassault Systems [10], развивающаяся отечественная платформа GePARD [11].

Для предотвращения влияния геометрических особенностей композитного компонента на геометрическом качестве сборки, Airbus Group проводятся исследовательские работы в сотрудничестве ENS Cachan в течение уже более 20 лет [12]. В течение первого десятилетия исследования были сфокусированы на сборке маложестких компонентов [13]. За предшествующее десятилетие были собраны данные по введению учета гибкости компонентов и дефектов их форм. Деятельность способствовала определению методов и средств для решения различных классов индустриальных проблем, таких как наилучшая гибкость для обеспечения посадки, анализ допусков, синтез допусков, шаблон гибкого компонента, выбор оптимальной последовательности сборки или предварительный расчет для регулирования прокладками [14-16].

Цель данной работы - представить современные тенденции развития инженерного анализа с целью автоматизации производства на примере принципов работы платформы Anatoleflex со сборками, в состав которых входят компоненты из композиционных материалов. Применения платформы ANATOLEFLEX от гиганта авиационной промышленности Airbus способствует принятию во внимание всех последовательностей сборки типовых соединений компонентов, свойств композиционных или иных типов материалов, различных типов производственного процесса и контактного моделирования, используемого для построения полной и реалистичной модели сборки.

Программное обеспечение ANATOLE и его принцип работы

Упомянутое выше программное обеспечение ANATOLE является модулем CATIA V5, предназначенное для компьютерно-ориентированного назначения допусков, для анализирования технических условий и технических требований сборки для карты изделия. В данной программе рассматривается худший из возможных случаев и статистическое решение, основанное на симуляции жесткого тела. На его основе был разработан отдельный модуль для гибкой сборки - ANATOLEFLEX, для преобразования FEM симуляций без использования требуемых CAE-экспертиз и для возможности получения реалистичных отклонений на моделях компонентов.

Оба модуля для анализа вариаций жесткого тела используют описание модели сборки на основе геометрического макета компонентов, в котором выделяются следующие уровни: перечень рассматриваемых компонентов, перечень точек соединения поверхностей, перечень технических условий (требований) на геометрическое или физическое состояние, процесс сборки, определяющий необходимую последовательность шагов для выполнения полной сборки, задаются все компоненты и зажимные приспособления, которые повлияют на геометрический размер окончательного изделия [17].

При работе с модулем необходимо выполнять наложение общих связей между зависимыми компонентами:

1) точки соединения сопрягаемых деталей, которые непосредственно позиционируют компонент. Каждая точка крепления должна иметь свои кинематические особенности с зависимыми степенями свободы;

2) контактирующие точки закрепления, которые могут рассматривать как заклепочные соединения, описываются приложением силы;

3) контакт поверхностей. Выбранные поверхности определяют полость с условиями одностороннего контакта в точке сопряжения.

Так как для выполнения анализа от-

клонений маложесткости необходимо перейти от вышеупомянутой модели, основанной на геометрических данных, к модели FEA (конечно-элементного анализа), построенной в зависимости от разбитой сетки для анализа, то именно модуль ANATOLEFLEX предлагает исходя из существующего проекта в ANATOLE автоматическое создание структуры гибкой модели нежесткой для анализа отклонений маложестких деталей с помощью FEA.

Специализированный модуль ANATOLEFLEX имеет целью создание модели геометрических отклонений, взяв за основу заданные допуска и заданный технологический процесс. Целью данного модуля является рассмотреть совокупную модель как случайную геометрию каждой деталесбо-рочной единицы для создания репрезентативной геометрической вариации (отклонений). Предлагаемая методология основывается на вероятностном методе: применимо к заданной геометрии выполняется разбивка сетки со случайными отклонениями в пределах назначенных допусков.

Конкретизируя вышесказанное, в платформе ANATOLEFLEX можно идентифицировать ряд функций: прогнозирование зазоров и их регулирования прокладками в цехе по результатам замеров деталей; комбинирование допусков с вероятностным распределением в сборке (в зависимости от исполнения); рассмотрение допусков с целью определения характеристик зависимых от распределения сил тяжести; анализ процесса сборки с целью поиска наиболее робастной последовательности; процесс выполнения измерений в сборке с использованием наиболее подходящей гибкой оснастки; анализ допусков для оценки пределов технических условий и исследование поверхностей стыка.

Главной инновацией этого симуля-тора отклонений является количественное обеспечение геометрической дисперсии, используя непараметричный стохастический (вероятностный) метод. Дисперсия не описывается через вероятностное распределение некоторых макроскопических

уравнений деталей, а рассматривается через полное поле 3Д (трехмерных) отклонений, генерируемых случайным полем. С математической точки зрения предлагается смоделировать это случайное поле используя корреляционные функции Бокса и Дженкинса [18]. Эту методологию можно разделить на 3 шага:

1. Преобразование данных с использованием нелинейных преобразований, известных как преобразования Бокс-Кокса, для получения квази-Гауссового предельного распределения с постоянным расхождением случайного поля.

2. Функция тренда (систематическая деформация) задается по методу наименьших квадратов и убирается из переработанных данных.

3. Отцентрованные данные исполь-

зуются для установления разложения Ка-рунена-Лоова результирующего постоянного случайного поля Гаусса [19]. Это разложение близко к основному функциональному компонентному анализу, но отличается по факту нестандартного геометрического распределения точек на графике, принимаемых во внимание при разложении с целью получить вероятностную модель с независимой разбивкой сетки.

Результирующая вероятностная модель для описания вышеупомянутого случая на языке математики, выступающая в виде связанного математического алгоритма, внедренного в Open-turn library [20] и используемого в симуляторе отклонений ANATOLEFLEX, приведена в источнике [21].

Заключение

Целями подобных ДМДТОЬЕПЕХ проектов является стремление разработать наиболее точные методы проектирования и производства для комплексных композиционных структур и полностью интегрировать геометрические отклонения и управление допусками в системы автоматизированного проектирования.

Описанные выше результаты разработки платформы специализированного программного обеспечения реалистичной симуляции нежестких сборок ДМДТОЬЕ-

FLEX являются важным шагом к решению многих проблем автоматизации производства, так как возможность выстраивать симуляцию допусков в проектировочном программном обеспечении и прогнозировать допуска имеет огромное значение: силовое замыкание компонентов для исключения зазоров при сборке непременно ведет к увеличению внутренних напряжений. Данная платформа уже имеет случаи практического внедрения в производство [1, 8].

Библиографический список

1. Results [Электронный ресурс] // LOCOMACHS. URL: http://www.locomachs.eu/page/results.php

2 A350 XWB Family [Электронный ресурс]. URL: http://www.airbus.com/aircraft/passenger-aircraft/a350xwb-family.html

3. МС-21 [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%A1-21

4. Сухой Суперджет 100 [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Sukhoi_Superjet_100

5. Royer M, Anselmetti B. 3D Manufacturing tolerancing with analysis line method taking into account joining operations during manufacturing process. Annals of the

CIRP 43. 2016. p. 88-93.

6. Results catalogue: LOCOMACHS [Электронный ресурс]. URL: http://www.locomachs.eu/page/results-catalogue.php

7. Partners [Электронный ресурс] // LOCOMACHS: URL: http://www.locomachs.eu/page/partners.php

8. European Project Tackles Composites Assembly Hurdle To Production Ramp-up [Электронный ресурс]. URL: http://aviationweek.com/technology/european-project-tackles-composites-assembly-hurdle-production-ramp

9. RD&T technology [Электронный ресурс]. URL: http://www.rdnt.se/tool.html

10. Dimensional Control System [Электронный

ресурс]. URL: https://www.3dcs.com

11. Журавлев Д.А., Шабалин А.В. Методика пространственного размерного анализа в системе ГеПАРД // Вестник ИрГТУ. 2015. № 8. С. 58-65.

12. SIEMENS. Aerospace and defense. Airbus Group Innovations [Электронный ресурс]. URL: https://www.plm.automation.siemens.com/pub/case-studies/40538?resourceId=40538

13. Mathieu L, Marguet B. Integrated Design Method to Improve Producibility based on Product Key Characteristics and Assembly Sequences // Annals of the CIRP. 2001. 50 (1). P. 85-88.

14. Lacroix C., Mathieu L., Thiebaut F., Douilly M., Fal-garone H. Numerical process based on measuring data for gap prediction of an assembly. 13th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing, Hangzhou, China. 2014. Procedia CIRP 2015. P. 97-102.

15. Mounaud M, Thiebaut F, Bourdet P, Falgarone H, Chevassus N. Assembly sequence influence on geometric deviations propagation of compliant parts // International Journal of Production Research. 2011.

Vol. 14. P. 1021-1043

16. Lartigue C, Thiebaut F, Bourdet P, Anwer N. Dimensional metrology of flexible parts: Identification of geometrical deviations from optical measurements // World scientific publishing. 2006. P. 196-203.

17. Cozzens R. Catia V5 Workbook. Releases 8&9 -Utah University: 2016. 476 p.

18. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов: прогноз и управление / Под ред. В.Ф. Писаренко. М.: Мир, 1974. 406 с.

19. Le Maitre OP, Knio OM. Spectral Methods for Uncertainty Quantification. Springer Science+Business Media B.V., 2010. 536 p.

20. OpenTURNS consortium [Электронный ресурс]. URL: http://www.openturns.org

21. Falgaronea H., Thiebautb F., Coloos J., Mathieu L. Variation simulation during assembly of non-rigid components. Realistic assembly simulation with AN-ATOLEFLEX software. 14th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing. Procedia CIRP 43. 2016. P. 202-207.

References

I. Results: LOCOMACHS. Available at: http://www.locomachs.eu/page/results.php

2 A350 XWB Family. Available at: http://www.airbus.com/aircraft/passenger-aircraft/a350xwb-family.html

3. MC-21 Available at:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%A1-21

4. Sukhoy Superdzhet 100 [Sukhoi Superjet 100]. Available at:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Sukhoi_Superjet_100

5. Royer M, Anselmetti B. 3D Manufacturing tolerancing with analysis line method taking into account joining operations during manufacturing process. Annals of the CIRP 43. 2016. pp. 88-93.

6. Results catalogue: LOCOMACHS. Available at: http://www.locomachs.eu/page/results-catalogue.php

7. Partners: LOCOMACHS. Available at: http://www.locomachs.eu/page/partners.php (accessed 17 October 2018).

8. European Project Tackles Composites Assembly Hurdle To Production Ramp-up. Available at: http://aviationweek.com/technology/european-project-tackles-composites-assembly-hurdle-production-ramp

9. RD&T technology. Available at: http://www.rdnt.se/tool.html

10. Dimensional Control System. Available at: https://www.3dcs.com/

II. Zhuravlev D.A., Shabalin A.V. Metodika pros-

transtvenogo razmernogo analizaa v sisteme GePARD [Methods of spatial dimensional analysis in GePARD system]. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2015. no. 8. p. 58-65.

12. SIEMENS. Aerospace and defense. Airbus Group Innovations. Available at:

https://www.plm.automation.siemens.com/pub/case-

studies/40538?resourceId=40538

13. Mathieu L, Marguet B. Integrated Design Method to Improve Producibility based on Product Key Characteristics and Assembly Sequences. Annals of the CIRP. 2001. 50 (1). p. 85-88

14. Lacroix C, Mathieu L, Thiebaut F, Douilly M, Falga-rone H. Numerical process based on measuring data for gap prediction of an assembly. 13th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing, Hangzhou, China. 2014. Procedia CIRP 2015. p. 97-102.

15. Mounaud M, Thiebaut F, Bourdet P, Falgarone H, Chevassus N. Assembly sequence influence on geometric deviations propagation of compliant parts. International Journal of Production Research. vol. 14. 2011. p. 1021-1043

16. Lartigue C, Thiebaut F, Bourdet P, Anwer N. Dimensional metrology of flexible parts: Identification of geometrical deviations from optical measurements. World scientific publishing. 2006. p. 196-203.

17. Cozzens R. Catia V5 Workbook. Releases 8&9 -Utah University: 2016. 476 p.

18. Box G, Jenkins G. Analiz vremennih ryadov: prognoz i upravlenie [Time series analysis: Forecasting and control] under edition of V.F. Pisarenko. Moscow: Mir, 1974, 406 p.

19. Le Maitre OP, Knio OM. Spectral Methods for Uncertainty Quantification. ISBN 978-90-481-3519-6.:

Springer Science+Business Media B.V., 2010. 536 p.

20. OpenTURNS consortium. Available at: http://www.openturns.org

21. Falgaronea H., Thiebautb F., Coloos J., Mathieu L. Variation simulation during assembly of non-rigid com-

Критерии авторства

Леонович Д.С., Журавлёв Д.А., Карлина Ю.И. провели обзор современных тенденций развития инженерного анализа изделий с деталями из композиционных материалов на примере принципов работы ДЫДТОЬЕРЬЕХ и заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ponents. Realistic assembly simulation with AN-ATOLEFLEX software. 14th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing. Procedia CIRP 43. 2016. p. 202-207.

Authorship criteria

Leonovich D.S., Zhuravlev D.A., Karlina Yu.I. reviewed the modern development trends of engineering analysis of products with parts made of composite materials on the example of the operation principles of AN-ATOLEFLEX workbench and claim equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.