АНАЛИЗ МЕТОДОВ СГЛАЖИВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОФИЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА САМОЛЕТА

УДК 629.7.025.73

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-17-18

АНАЛИЗ МЕТОДОВ СГЛАЖИВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОФИЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА САМОЛЕТА

А.П. Ерохин, Ю.И. Денискин

Разработка изделий авиационной техники с использованием систем автоматизации проектирования требует выполнения полного электронного описания изделия. Авторами проведен анализ использования систем автоматизации проектирования на различных стадиях жизненного цикла изделий авиационной техники. Выявлено влияние качества электронной геометрической модели поверхности планера на выполнение значительной части работ по исследованию, проектированию, производству, эксплуатации и модификации изделий. Установлена необходимость сглаживания кривых, использующихся в качестве каркаса поверхностей планера. В статье проведен анализ методов сглаживания, выявлены их недостатки с точки зрения удовлетворения требованиям, предъявляемым к качеству поверхностей. Определены требования к разработке метода автоматизированного сглаживания кривых каркаса поверхностей самолета.

Ключевые слова: аэродинамический профиль, сглаживание, поверхность, электронная геометрическая модель, жизненный цикл.

Широкое использование систем автоматизации проектирования позволило перейти безбумажным технологиям проектирования летательных аппаратов. ГОСТ Р 58849-2020 предусматривает выполнение в ходе проектных работ полного электронного описания разрабатываемых изделий авиационной техники (АТ) [1].

При современном уровне технических средств автоматизации производства и компьютерных технологий первоисточником геометрической информации о формах и размерах изделия служит его полная твердотельная электронная геометрическая модель. В соответствии с ГОСТ 2.052-2015 электронными геометрическими моделями изделия являются электронные модели деталей (ЭМД) и электронные модели сборочных единиц (ЭМСЕ) [2]. В свою очередь электронная геометрическая модель изделия состоит из атрибутов модели и собственно геометрической модели: конструктивной твердотельной, поверхностной или каркасной.

Первоисточником геометрической информации для разработки твердотельных электронных моделей деталей (ЭМД) и электронных моделей сборочных единиц (ЭМСЕ) конструкции летательного аппарата служит электронная геометрическая модель поверхности планера (рис. 1), в совокупности с электронной геометрической моделью его конструктивно-силовой схемы (КСС). ЭМ КСС (рис. 2) представляет собой реальную разбивку осей шпангоутов, нервюр, стрингеров и других силовых элементов планера.

1 Автоматизация проектно-конструкторских работ на различных стадиях жизненного цикла летательного аппарата

ГОСТ Р 58849-2020 определяет следующие стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия авиационной техники:

Стадия 0. Исследования в обеспечение создания образца АТ.

Стадия 1. Проектирование.

Стадия 2. Подготовка и освоение производства.

Стадия 3. Испытания и сертификация.

Стадия 4. Серийное производство.

Стадия 5. Эксплуатация.

Стадия 6. Модификация образца АТ. Стадия 7. Утилизация.

Рис. 1. ЭГМ поверхности планера самолета

На этих стадиях выполняются следующие работы с использованием автоматизированных систем проектирования и расчетов.

На стадии 0 «Исследования в обеспечение создания образца АТ» выполняются научно-исследовательские работы (НИР) по определению характеристик разрабатываемого изделия.

Стадия 1 «Проектирование» включает несколько этапов:

1. Этап разработки технического предложения, в ходе которого выполняются следующие работы:

- разрабатываются различные варианты аэродинамической компоновки изделия;

- разрабатываются предварительный электронный макет изделия для оценки компоновочных решений;

- выполняются предварительные расчеты массово-инерционных, летно-технических (ЛТХ) и взлетно-посадочных характеристик (ВПХ), характеристик устойчивости и управляемости.

2. Этап разработки эскизного проекта (ЭП), на котором выполняются следующие работы:

- разрабатывается уточненная аэродинамическая компоновка изделия;

- разрабатывается уточненный электронный макет изделия для оценки компоновочных решений;

- выполняются уточненные расчеты массово-инерционных, летно-технических (ЛТХ) и взлетно-посадочных характеристик (ВПХ), характеристик устойчивости и управляемости;

- определяются нагрузки и строится конечно-элементная модель для проектировочных прочностных расчетов конструкции изделия.

3. Этап разработки технического проекта (ТП), в ходе которого:

- разрабатывается электронный макет изделия;

- разрабатываются натурные модели изделия и проводятся их испытания в аэродинамических трубах;

- выполняются прочностные испытаний конструктивно-подобных образцов агрегатов и отдельных деталей изделия.

4. Этап разработки рабочей конструкторской документации (РКД), на котором:

- разрабатывается РКД в виде ЭМД и ЭМСЕ агрегатов планера и систем изделия;

- на основе разработанных ЭМД выполняются подетальные поверочные прочностные расчеты.

По окончании данного этапа комплект РКД передается головному изготовителю изделия для изготовления опытного образца.

Для гражданской АТ ГОСТ Р 58849 допускает параллельное выполнение работ на стадиях 2 и 3, «Подготовка и освоение производства» и «Испытания и сертификация». Выполняемые работы можно условно объединить в следующие этапы.

Этап «Изготовление опытного образца АТ и проведение предварительных испытаний», в ходе которого выполняется изготовление опытного образца, проведение стендовых испытаний, проведение предварительных (ПИ), заводских (ЗИ) и летно-конструкторских (ЛКИ) испытаний для определения его соответствия требованиям ТЗ. В ходе данного этапа выполняются следующие работы:

на основе ЭМД разрабатываются управляющие программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) для изготовления деталей;

разрабатываются ЭМД и ЭМСЕ оснастки для сборки агрегатов планера изделия;

на основе ЭМСЕ разрабатываются технологические процессы сборки агрегатов;

корректируется по результатам изготовления опытных образцов и результатам проведения ПИ РКД с присвоением литеры «О»;

разрабатывается комплект эксплуатационной документации (ЭД).

Этап «Сертификационные и квалификационные испытания».

Этап «Утверждение РКД для организации серийного производства», на котором:

корректируется по результатам испытаний РКД и ЭД;

проверяется, согласовывается и утверждается РКД на опытный образец АТ с присвоением литеры «О1,» в соответствии с действующей НТД для организации серийного производства;

проверяется и утверждается ЭД;

корректируются технологическая документация на основании РКД литеры

«О1».

Серийное производство изделия на стадии 4 осуществляется по утвержденной РКД и ТД.

На стадии 5 «Эксплуатация» возможно выявление недостатков АТ, вызывающих необходимость выполнения изменений конструкции, что, в свою очередь, требует соответствующих доработок КД на изделие.

Стадия 6. Модификация образца АТ.

В случае необходимости значительных изменений конструкции, связанных с модификацией серийно выпускаемого образца АТ, принимают решение о повторном проведении комплекса ОКР, начиная с этапа ЭП.

Рассмотрим особенности использования ЭГМ поверхности планера при выполнении работ с использованием автоматизированных систем на вышеописанных стадиях ЖЦ.

На стадии 0 «Исследования в обеспечение создания образца АТ» ЭГМ поверхности используется для аэродинамических расчетов и определения летно-технических характеристик.

На всех этапах стадии 1 «Проектирование» ЭГМ поверхности используется для создания и увязки ЭМД, ЭМСЕ агрегатов планера и размещаемых в них систем и оборудования, а также выполнения на их основе прочностных расчетов.

На стадии 2 «Подготовка и освоение производства» ЭГМ поверхности используется для подготовки производства изделия, в частности, для разработки ЭМ сборочной оснастки. Также на этой стадии разработанные на основе ЭГМ поверхности ЭМД и ЭМСЕ используются для выполнения иллюстративных материалов к эксплуатационной и ремонтной документации.

В настоящее время разработчиками АТ ведутся исследования, направленные на разработку на основе электронной геометрической модели изделия АТ его цифрового двойника (ЦД). В соответствии с ГОСТ Р 57700.37-2021 [3] ЦД представляет собой систему из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием. Цифровой моделью изделия АТ называется система математических и компьютерных моделей, описывающая структуру, функциональность и поведение изделия на различных стадиях его ЖЦ. Применение ЦД позволит в перспективе заменить часть натурных испытаний изделий АТ виртуальными. Таким образом, в обозримом будущем на стадии ЖЦ №3 «Испытания и сертификация» для проведения виртуальных испытаний будет использоваться ЦД изделия, выполненный также на основе ЭГМ поверхности планера.

В случае выявления на стадии 5 «Эксплуатация» недостатков АТ, требующих внесения изменений в конструкцию, дорабатываемые ЭМД и ЭМСЕ также выполняются на основе ЭГМ поверхности планера.

При наличии в ЖЦ изделия АТ стадии 6 «Модификация образца АТ» в ходе которой выполняются значительные изменения конструкции, требующие повторного проведения ОКР, начиная с ЭП, повторно выполняются работы стадий 1, 2 и 3. Использование ЭГМ поверхности на данных стадиях ЖЦИ рассмотрено выше.

2. Качество ЭГМ поверхностей планера ЛА. Таким образом, прямо или опосредованно ЭГМ поверхности планера используются на большей части стадий жизненного цикла изделий авиационной техники. В связи с этим к ее качеству предъявляются весьма строгие требования, в частности:

высокая точность выполнения (линейная - 0,001 мм; угловая - 0,01°); отсутствие складок и самопересечений поверхности; целостностность геометрических данных; отсутствие незаданных перегибов;

возможность построения эквидистантных поверхностей на расстояниях, достаточных для конструирования ЭМД, выходящих на теоретический контур изделия.

Помимо перечисленных требований, предъявляемых к ЭГМ поверхности с точки зрения её использования для выполнения построений в САО-системе, к ней предъявляются требования сохранения расчетных аэродинамических характеристик агрегата и изделия в целом. Эти требования геометрически выражаются в непрерывности второй производной кривых каркаса поверхности и в плавности графиков их кривизны.

Как отмечено выше, качество ЭГМ поверхности напрямую влияет на возможность разработки ЭМД, выходящих на внешние обводы изделия. При выполнении таких ЭМД используются эквидистантные смещения ЭГМ поверхностей внешних обводов на требуемое расстояние. На рис. 2 и 3 показаны ЭГМ поверхности и ЭМ КСС оперения самолета и разработанная на их основе ЭМД стрингера.

На рис. 4 показаны поверхности, полученные эквидистантным смещением поверхности оперения, использованные при построении ЭМД стрингера.

При недостаточном качестве ЭГМ поверхности внешних обводов выполнить ее эквидистантное смещение средствами стандартной САО-системы невозможно. Это, в свою очередь, делает невозможным корректное построение соответствующих ЭМД. Так, на рис. 5 показана поверхность, кривые каркаса которой имеют нарушения плавности графиков кривизны и незаданные точки перегиба.

На рис. 6 показано, что САО-система выдает ошибку при попытке построить эквидистантное смещение данной поверхности (на рисунке области ошибок выделены красным цветом).

Для недопущения подобных ошибок построения поверхностей, требуется выполнение сглаживания кривых каркаса поверхностей.

Кривая концевого сечения рассмотренной поверхности представляет собой верхнюю половину симметричного аэродинамического профиля. Кривая имеет несколько нерегламентированных точек перегиба, показанных на рис. 7.

Рис. 2. ЭГМ поверхности и ЭМ КСС агрегата

Рис. 3. ЭМД стрингера, разработанная на основе ЭГМ поверхности

и ЭМ КСС агрегата

Рис. 5. Дефекты кривизны поверхности агрегата

21

Рис. 6. Ошибка САБ-системы при построении эквидистантного смещения поверхности с незаданными перегибами

поверхности агрегата

В CAD/CAM/CAE-системе NX © Siemens PLM Software имеется встроенный инструмент с функционалом сглаживания сплайновых кривых. Результат сглаживания кривой с помощью данного инструмента показан на рис. 8. Как видно из рисунка, сглаживание позволило получить достаточно плавный график кривизны, однако при этом устранены не все незаданные точки перегиба. В данном случае применение этого инструмента позволяет удовлетворить аэродинамическим требованиям к кривой каркаса поверхности, но не удовлетворяет требованиям к качеству ЭГМ поверхности с точки зрения построений по ней ЭМД.

Таким образом, актуальной задачей является разработка методики сглаживания кривых каркаса поверхностей внешних обводов ЛА, которая позволит удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к ЭГМ данных поверхностей.

3. Анализ известных методов сглаживания. В литературе описан ряд методов решения задачи сглаживания применительно к кривым каркаса поверхностей летательных аппаратов. Известен метод интерполяции со сглаживанием, основанный на использовании параметрических сплайнов, разработанный А. Д. Тузовым [4]. Особенностью метода является то, что в нем предложен четкий итерационный процесс сглаживания и доказано, что этот процесс является сходящимся. Преимуществом данного метода сглаживания является то, что в процессе сглаживания можно закрепить опреде-

22

ленные точки. Кроме того, сами кривые, полученные при этом способе, отвечают большинству требований авиационного производства, легко рассчитываются и принадлежат классу С2. Погрешность ^ задания 1-й точки обвода в данном методе определяется как половина величины отклонения зафиксированной во всех точках контура гибкой рейки в 1-й точке при ее освобождении.

Рис. 8. График кривизны аэродинамического профиля в концевом сечении поверхности агрегата после сглаживания встроенным инструментом САБ/САМ/САБ-системы

Известна методика автоматизированного проектирования оптимальных контуров, разработанная И. Р. Ешеевой, предназначенная для корректировки координат точек сечений сложных поверхностей летательных аппаратов, с целью получения оптимального контура сечения [5]. В качестве критериев оценки оптимальности контура используются значения функции кривизны и интеграла от функции кривизны. Методика предназначена для сглаживания поперечных кривых каркаса поверхностей фюзеляжей вертолетов, поэтому для сглаживаемой кривой проверяется только непрерывность первой производной интерполирующей обвод функции. Данная методика неприменима для сглаживания аэродинамических профилей, к которым предъявляются требования непрерывности как первой, так и второй производных функции, интерполирующей обвод.

В работе [6] для сглаживания предлагается использовать метод наименьших квадратов, адаптированный для сглаживания точечно заданных аэродинамических обводов. Аппроксимация профиля осуществляется с учетом условия точного прохождения обвода через две точки, например, начальную и конечную.

Авторами данной статьи проведен сравнительный анализ сглаживания обводов типа «аэродинамический профиль» методом наименьших квадратов и методом сглаживающих кубических сплайнов. Результаты анализа показали, что для сглаживания обводов типа «аэродинамический профиль» наиболее целесообразно применять метод сглаживающих кубических сплайнов ввиду более эффективного устранения нерегла-ментированных точек перегиба.

Метод сглаживания сетки из трех видов плоских сечений, описанный в работе [7], предназначен для сглаживания кривых каркаса поверхностей при увязке формы летательных аппаратов. Метод по существу является развитием процедуры сглаживания А. Д. Тузова [4] на случай сетки кривых в трехмерном пространстве.

Как показали проведенные исследования, в некоторых случаях применение сглаживания кубическими сплайнами не позволяет устранить имеющиеся неровности сплайна. В частности, показанная на рис. 5 кривая не сглаживается по методу А. Д. Ту-зова вследствие весьма малых (10"8..Л0"6 мм) значений погрешности задания ее точек.

В предыдущих работах [8, 9, 10] описаны разработанные авторами методики устранения незаданных точек перегиба кривой. Данные методики показали свою эффективность для устранения перегибов рассмотренного обвода аэродинамического профиля. Как видно на рис. 9, после их применения обвод на всем протяжении стал выпуклым, однако на графике кривизны сохраняются существенные перепады.

поверхности агрегата после устранения незаданных точек перегиба

Таким образом, для удовлетворения всем требованиям, предъявляемым к электронным геометрическим моделям поверхностей внешних обводов летательного аппарата, требуется разработка методики сглаживания кривых их каркаса, позволяющей одновременно устранять нерегламентированные изменения знака кривизны и обеспечивать её плавное изменение.

Заключение. Обеспечение качества ЭГМ поверхности летательного аппарата при современных технологиях проектирования с использованием автоматизированных систем является основополагающим для разработки электронной КД на изделие. Вследствие этого качество ЭГМ поверхности прямо или опосредованно оказывает влияние на процессы практически всех стадий жизненного цикла изделий авиационной техники.

Требования, предъявляемые к качеству ЭГМ поверхностей, напрвлены, с одной стороны на обеспечение возможности построения с их использованием ЭМД планера изделия, а с другой стороны - на обеспечение расчетных аэродинамических характеристик.

Проведенный анализ показал отсутствие методов сглаживания применимых ко всем видам дефектов гладкости и обеспечивающих одновременное удовлетворение всех требований к кривым каркаса поверхностей самолетов. Таким образом, для снижения трудозатрат при удовлетворении требований к качеству ЭГМ поверхностей требуется разработка метода автоматизации сглаживания кривых, обеспечивающего как устранение незаданных точек перегиба, так и обеспечивающего плавность графиков их кривизны.

Список литературы

1. ГОСТ Р 58849-2020 Авиационная техника гражданского назначения. Порядок создания. Основные положения: национальный стандарт Российской Федерации: дата введения 24.04.2020 / Разработан Федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-исследовательский центр «Институт имени Н. Е. Жуковского» (ФГБУ «НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского»). Москва, 57 с.

24

2. ГОСТ 2.052-2015 Единая система конструкторской документации. Электронная модель изделия. Общие положения: межгосударственный стандарт: дата введения 24.04.2020 / Разработан Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации и сертификации в машиностроении (ВНИИНМАШ), Научно-исследовательским центром CALS-технологий «Прикладная логистика» (АНО НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика»). Москва, 16 с.

3. ГОСТ Р 57700.37-2021 Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения: дата введения 16.01.2021 / Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») совместно с Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого. Москва, 16 с.

4. Тузов А. Д. Сглаживание функций, заданных таблицами // Методы сплайн функций. Вычислительные системы. 1976 №68. С. 61-66.

5. Ешеева И. Р. Система автоматизации проектирования оптимальных контуров сложных поверхностей: дисс. ... канд. техн. наук. Улан-Удэ, 2006. 110 с.

6. Давыдов Ю. В., Злыгарев В. А. Геометрия крыла. Москва: Машиностроение,

1987.

7. Тузов А. Д., Давыдов Ю. В., Кил И. Г. Автоматизированное проектирование пространственной компоновки ЛА на базе ортогональных структур // Авиационная промышленность. 2009 №4. С. 8-11.

8. Егоров Э. В., Ерохин А. П. Сглаживание участка аэродинамического обвода, имеющего нерегламентированную вогнутость // Полет. 2014. №10. С. 54-60.

9. Денискин Ю. И., Ерохин А. П. Сглаживание участка аэродинамического обвода, имеющего нерегламентированную вогнутость, с ограничением отклонения от исходных координат обвода // Интернет-журнал «Науковедение». 2015. Т. 7. №2.

10. Deniskin Y., Yerokhin A., Artiukh V., Vershinin V., Pocebneva I. Simulation of an Aerodynamic Profile with Sections of ad hoc Concavity // E3S Web of Conferences. 2019. V. 110, 01074.

Ерохин Александр Павлович, старший преподаватель, A-Erokhin@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),

Денискин Юрий Иванович, д-р техн. наук, профессор, YuriDeniskin@gmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт

ANALYSIS OF METHODS FOR SMOOTHING AIRFOILS TO ENSURE SURFACE QUALITY AT DIFFERENT STAGES OF THE AIRCRAFT LIFE CYCLE

A.P. Erokhin, Y.I. Deniskin

The development of aircraft products using computer-aided design systems requires a complete electronic description of the product. The authors analyzed the use of design automation systems at various stages of the life cycle of aircraft. The influence of the quality of the electronic geometric model of the surface of the airframe on the performance of a significant part of the research, design, production, operation and modification of products is revealed. The necessity of smoothing the curves used as a framework for these surfaces is established. The article analyzes the methods of smoothing, reveals their shortcomings in terms of meeting the requirements for the quality of surfaces. The requirements for the development of a method for the automated smoothing of aircraft surface frame curves are determined.

Key words: airfoil, smoothing, surface, electronic geometric model, life cycle.

25

Erokhin Alexander Pavlovich, senior lecturer, A-Erokhin@,yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Deniskin Yury Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, YuriDeniskin@,gmail.com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute

УДК 006.3/.8

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-26-27

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ КАК ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА В МАШИНОСТРОЕНИИ

О.И. Борискин, С.Н. Ларин, Г.А. Нуждин, М.Г. Нуждин

Обсуждены вопросы верификации продукции, поставляемой внешними поставщиками и входного контроля в машиностроении в соответствии с требованиями новых ГОСТ Р 52745-2021 и ГОСТ Р 54293-2020. Показана их согласованность с различными требованиями многих систем менеджмента, включая и систему управления охраной труда внутри предприятия машиностроения. Указаны связь и определенные преимущества компьютерного моделирования технологических процессов и операций в машиностроении.

Ключевые слова: входной контроль, верификация продукции, система обеспечения качества, технологические процессы машиностроения.

Требования к наличию функционирующей системы обеспечения качества в большинстве случаев прямо включены в договорные условия на продукцию машиностроения. Если же организация осуществляет, например, поставку комплектующих изделий, сырья и материалов, являющихся предметом поставок в рамках сопровождаемых сделок по государственному оборонному заказу, то ее система менеджмента качества (СМК) подлежит сертификации [1]. Обычно это целый ряд позиций в регламентированных требованиях к системе менеджмента качества поставщика. По установленным требованиям к СМК организация-поставщик должна планировать и управлять деятельностью на стадиях жизненного цикла (ЖЦ) продукции [2].

Реализация этих требований происходит в комплексе взаимодействующих систем: СМК, Государственной системы обеспечения единства измерений (ГОСТ Р 8.000), Единой системы программной документации (ГОСТ 19.001), Единой системы технологической документации (ГОСТ 3.1001), Единой системы конструкторской документации (ГОСТ 2.001), Системы разработки и постановки продукции на производство (ГОСТ Р 15.301), Комплексной системы контроля качества (ГОСТ Р 52745), и др.

В структуре ГОСТ Р ИСО 9001-2015 регламентированы средства обеспечения (п. 7, 8), в том числе, соответствия продукции, поставляемой внешними поставщиками (п. 8.4). Средства обеспечения соответствия продукции включают:

- оценку внешних поставщиков;

- верификацию продукции, поставляемой внешними поставщиками [2].

Согласно ГОСТ 52745-2021: «Верификация - подтверждение посредством

представления объективных свидетельств (п. 3.23) того, что установленные требования (п. 3.50) были выполнены» [3].

А по требованиям ГОСТ Р 58175-2018, п.9.2: «Потребитель должен установить процедуру верификации закупленной продукции».

Номенклатуру закупаемой продукции, подлежащей верификации, контролируемые параметры и свойства, вид контроля и его объем следует определять исходя из стабильности качества продукции поставщика, результативности СМК, важности параметров и оценки рисков поставщика.