Формирование акустического облика магистрального самолета в среде параметрических систем геометрического моделирования

УДК 629.7.01.533.6

ФОРМИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ОБЛИКА МАГИСТРАЛЬНОГО САМОЛЕТА В СРЕДЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

А.Б. Аведьян, Б.С. Павленко

Рассмотрена проблема авиационного шума. Разработана методика автоматизированного анализа компоновки самолета из условия удовлетворения требованиям по шуму на местности. Методика реализована в Системе экспресс-анализа акустического облика магистрального самолета, интегрированной в среду системы геометрического моделирования. Выполнены проектные исследования для различных вариантов компоновки самолета, подтверждающие точность методики.

Экспресс-анализ, акустика, шум на местности, магистральный самолет, компоновка, автоматизация.

Снижение шума окружающей среды является задачей планетарного масштаба, поскольку вредному воздействию шума ежедневно подвергаются сотни миллионов людей. Затраты развитых стран на решение этой задачи составляют до от 0.2% до 2% внутреннего валового продукта. Авиационный шум вносит существенный вклад в общую экологическую картину, что приводит к ужесточению требований международного законодательства и обостряет конкурентную борьбу на рынке авиапроизводителей. Особые требования применяются к новым магистральным самолетам, ввод которых в эксплуатацию запланирован на ближайшие годы, поскольку они уже сейчас должны соответствовать будущим, более жестким требованиям по шуму на местности [1]. Таким образом, задача формирования акустического облика магистрального самолета, соответствующего требованиям по шуму на местности, на ранних этапах проектирования становится особенно актуальной.

Оценить акустические характеристики будущего самолета на этапе предварительного проектирования, ввиду отсутствия физического прототипа, возможно с помощью методов математического моделирования. В работе [2] проведен анализ методов и вариантов их реализации в программных продуктах, применяемых при решении задач внешней акустики. Анализ показывает практическую сложность использования существующих программных продуктов для определения шума самолета с заданной точностью при обязательном условии рассмотрения множества альтернативных конструктивно-компоновочных решений, влияющих на акустический облик будущего самолета. Наряду с этим, выявлена принципиальная возможность использования систем геометрического моделирования

271

(СГМ), имеющих функционал объемного (3D) параметрического моделирования, в качестве пре-процессора для последующего анализа зависимости акустических характеристик самолета от формы его внешних обводов. Это стало предпосылкой для разработки Системы экспресс-анализа акустического облика магистрального самолета (СЭА АОМС), интегрированной в среду параметрической СГМ.

В рамках работы [2] была выполнена программная реализация СЭА АОМС в среде СГМ SolidWorks, которая получила название AcousticWorks. Разработанная система включает в себя 6 модулей, связанных единым адресным пространством и предназначенных для расчета распространения звуковых волн, и 2 внешних специализированных приложения, решающих задачи вычисления эффективных уровней воспринимаемого шума EPNL и оптимизации компоновки самолета. Функциональная схема СЭА АОМС приведена на рис. 1.

На основании методики расчета эффективных уровней воспринимаемого шума [3] разработано специализированное приложение СЭА АОМС, предназначенное для вычисления уровней EPNL по результатам серии акустических расчетов. Программный продукт выполнен в виде отдельного независимо исполняемого файла, что позволяет выполнять расчеты на компьютерах, не оснащенных лицензией на СГМ. Расчет EPNL выполняется для ряда характерных положений самолета на траектории на основании результатов анализа СЭА АОМС.

Другое специализированное приложение СЭА АОМС, предназначенное для оптимизации акустической компоновки самолета, разработано на основе методики, изложенной в работе [4]. Данное приложение позволяет методом последовательных приближений выявить вклад отдельных источников шума в общую акустическую картину, создаваемую самолетом на поверхности земли, проанализировать альтернативные варианты схемных решений, позволяющих минимизировать уровни шума данных источников и выдать рекомендации проектировщику. Программный продукт выполнен в виде отдельной динамической библиотеки, которая работает в интегрированном режиме с СЭА АОМС и СГМ. Для решения задач оптимизации акустической компоновки самолета программный продукт использует двунаправленную связь с электронными таблицами Microsoft Excel для хранения данных, выполнения вычислений, построения графиков и диаграмм, управления параметрической моделью самолета в СГМ.

Сущность методики заключается в декомпозиции излучаемого шума на инвариантную и геометрическую составляющие, что позволяет решить задачу выбора рациональных схемных решений и достичь заданного уровня акустического совершенства самолета.

8оШ’^гкз

Асои5Ыс№огк5

AcousticWorks

Единый графический интерфейс пользователя

В\Ш! Г& ?

Модуль интеграции с САБ

Предметные базы данных

Модуль ввода данных

Расчетный модуль

Комплексная расчетная модель «Самолет - земная

поверхность»

Модуль генерации отчетов

Модуль визуализации результатов

V

Модуль оптимизации акустической компоновки

самолета ^

Отчеты

Модуль расчета ЕРЫЬ

Рис. 1. Функциональная схема СЭА АОМС на платформе

СГМ SolidWorks

и

Суммарный уровень шума самолета Ц представляется в виде суперпозиции уровней шума Ц основных источников шума двигателей и аэродинамических источников:

Ц = £Ц,

2 = 0

где п - количество источников обусловленных конкретными вариантами компоновки силовой установки и схемными решениями.

В свою очередь, уровень шума каждого 1-го источника может быть разложен на инвариантную и геометрическую составляющие:

Т __!Ынв * \Ткомп

Ц =Ц +А2 ,

где Цнв - инвариантная составляющая (уровень шума 1-го источника, измеренный в стендовых условиях и не зависящий от компоновки на самолете); АЦомп - геометрическая составляющая (приращение уровня шума 1-го источника в зависимости от компоновки на самолете).

Путем подстановки выражения (2) в выражение (1) получается зависимость суммарного уровня шума от инвариантных и геометрических составляющих:

п

Ц = £

2=0

Таким образом, переводя абсолютные значения величин в относительные и исходя из ограничений по шуму на местности, можно записать неравенство, которое должно выполняться для каждой из контрольных точек:

П

' Т инв , X Л т комп ^ 1

Ц + £ Ац2 < 1,

2=0 2=0

Зависимость (4) проиллюстрирована на рис. 2, на котором приведены примеры возможных распределений относительных значений инвариантных и геометрических составляющих уровней шума до и после проведения оптимизации компоновки.

Применение методики оптимизации акустической компоновки самолета в среде параметрической СГМ обеспечивает реальную практическую возможность осуществления автоматизированного поиска рациональных конструктивно-компоновочных решений и определения геометрического облика проектируемого самолета с требуемым уровнем акустич С целью подтверждения адекватности расчетной модели, точности алгоритмов и корректности принятых допущений, была проведена верификация результатов расчета СЭА АОМС. Для этого было выполнено сравнение результатов расчета компоновки реального самолета с экспериментальными данными, полученными при летных акустических испытаниях.

274

В качестве самолета-прототипа был выбран Ту-154Б с двигателями НК-8-2У, по шумовым характеристикам которого накоплена большая экспериментальная база. Расчет проводился для 9 характерных положений самолета на траектории. Суммарная погрешность вычислений СЭА АОМС для трех контрольных точек составила 0,94 ЕРКдБ (менее 1% от экспериментальных данных).

Рис. 2. Распределение относительных значений инвариантных и геометрических составляющих уровней шума: а - до оптимизации; б - после оптимизации

В работе [5] были выполнены проектные исследования акустической компоновки гипотетического самолета. При прочих фиксированных проектных параметрах исследовались четыре варианта компоновки двигателей: а) 4 двигателя под крылом, б) 2 двигателя под крылом, в) 2 двигателя над крылом и г) 3 двигателя в хвостовой части (рис. 3).

Рис. 3. Результаты проектных исследований

Результаты проведенных исследований подтвердили возможность эффективного применения СЭА АОМС для решения задачи формирования

275

акустического облика магистрального самолета в среде параметрических СГМ на ранних этапах проектирования. СЭА АОМС может стать основой для создания набора современных инструментов проектировщика-исследователя, упрощающих процесс выработки технических рекомендаций при проектировании новых магистральных самолетов.

Список литературы

1. Котин В.Ф. Воздействие авиационного шума на человека в районе аэропорта (аэродрома). М: Прогресстех, «Аэропорты. Прогрессивные технологии», № 1, 2004.

2. Аведьян А.Б. Автоматизированная система экспресс-анализа акустического облика магистрального самолета: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 "Системы автоматизации проектирования". Москва: 2004. 236 с.

3. Мунин А.Г., Самохин В.Ф., Шипов Р.А. и др. Авиационная акустика. Ч. 1. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов: под ред. Мунина А.Г. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.

4. Аведьян А.Б., Куприков М.Ю. Методика компоновки силовой установки магистрального самолета с учетом ограничений по шуму на местности // Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского: тезисы докладов. М: Изд. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2000.

5. Аведьян А.Б., Бибиков С.Ю., Долгов О.С., Деришев Д.С., Колесников В.Л., Куприков М.Ю., Маркин Л.В., Пухов А.А., Рипецкий А.В., Соседко А. А. "Компоновка самолетов": Монография / под ред. М.Ю. Куприкова. Москва: МАИ, 2010.

Аведьян Артем Богосович, канд. техн. наук, эксперт САПР/PLM, aavedyan@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Павленко Богдан Сергеевич, студент, hogdan-skm a niail. ru, Россия, Москва, Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации

LONG-RANGE AIRCRAFT ACOUSTIC DESIGN VIA PARAMETRIC CAD

A.B. Avedyan, B.S. Pavlenko

Aircraft noise problem is explored. A new methodology _ for computer-aided analysis of long-range aircraft design is developed according to the environmental noise requirements. The express-analysis add-on solution _ for CAD is developed based on the methodology. Conceptual design studies for different aircraft configurations are performed to verify the accuracy of the methodology.

Key words: Analysis, acoustics, environmental noise, long-range aircraft, design, automation.

Аведьян Artem Богосович, cand. tehn. sciences, expert of the CAD/PLM, aavedyan a.mail. ru, Russia, Moscow, Moscow aviation Institute,

Pavlenko Bogdan Sergeyevich, student, hogdan-skm@,mail. ru, Russia, Moscow, Academy of national economy and state service under the President of the Russian Federation

УДК 681.3

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ВХОДНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МНОГОСВЯЗНОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Луэ Ху Дык, В.Ю. Волков

Описан метод определения степени влияния входных воздействий многосвязного объекта управления на его выходные параметры. Для этого использовались интеллектуальные технологии (нечеткий вывод), что позволило повысить эффективность функционирования системы управления многосвязным технологическим объектом.

Ключевые слова: многосвязный объект, степень влияния, интеллектуальный способ, нечеткая логика.

Реальные промышленные объекты управления (ОУ) обычно являются многосвязными, т.е. имеют несколько входов и несколько выходов. При управлении такими объектами изменение связанных между собой управляемых и управляющих величин в разных контурах управления вызывает изменение всех остальных, что, в свою очередь, усложняет задачу управления. В ряде случаев такие ОУ можно моделировать, пренебрегая второстепенными воздействиями, а также второстепенными управляемыми величинами. В результате такого обоснованного упрощения можно получить простую модель с двумя (управляющим и возмущающим), а в некоторых случаях и с одним воздействием, и с одной управляемой величиной. Это существенно упрощает как анализ объекта, так и разработку системы автоматизированного управления им [1]. Однако во многих случаях необходимо обеспечить управление несколькими управляемыми величинами объекта, его выходными величинами, путем воздействия на несколько его входов, т.е. изменения управляющих величин, кроме того следует учесть еще и влияние возмущений, поступающих в разные контуры управления. Особенность управления таким, достаточно сложным в описании объектом, состоит в том, что зачастую управляющее воздействие по одному входу приводит к изменению не одной, а сразу нескольких управляемых

277