Автоматизированное проектирование деталей крыла

Рефераты по авиации и космонавтике » Автоматизированное проектирование деталей крыла

ВВЕДЕНИЕ


На всех этапах создания новых изделий – от проектирования до изготовления приходится решать разнообразные геометрические задачи. В одних областях эти задачи играют подчиненную роль в других – функциональные качества изделия решающим образом зависят от внешних форм отдельных узлов и взаимной их компоновки. Особенно важны задачи формообразования в проектировании аэро- и гидродинамических обводов агрегатов летательных аппаратов рабочих колес направляющих и отводящих каналов турбин. Здесь ни одна из существенных физических и технологических задач не может быть решена в отрыве разработки формы.

От формы изделия зависит его эстетическое восприятие которое может меняться под воздействием различных факторов. Прагматическая и эстетическая компоненты входят в геометрию различных изделий в неодинаковых пропорциях. Иногда они достигают полного единства например в совершенных обводах современного воздушного лайнера или сверхзвукового истребителя а иногда отдельные детали конструкций могут не обладать эстетическим воздействием но выполнять важные функции.

Создание геометрических форм продолжается и на этапе подготовки производства когда проектируется и изготовляется различная технологическая оснастка включающая материальные носители геометрической информации: шаблоны эталоны стапели…

Потребности современной техники необычайно расширили диапазон используемых геометрических форм. В последние десятилетия распространены задачи связанные с автоматической реализацией самого процесса формообразования на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Наиболее трудоемкой из этих задач является расчет траектории обработки сложной поверхности с учетом требуемой точности геометрии режущего инструмента и кинематических особенностей станка.

Уже несколько лет с развитием вычислительной техники появилась возможность решать инженерно-геометрические задачи путем численного моделирования. В памяти компьютера создаются на цифровой основе геометрические объекты и геометрические отношения адекватные реальным а решение сводиться к численному оперированию с информационными или как принято говорить математическими моделями.

Особенностью современного этапа развития техники является качественно новый подход к проектированию и разработке новых видов изделий базирующийся на принципе оптимизации параметров изделия на этапе предварительного проектирования. Глубокий и всесторонний анализ решений принимаемых на стадии проектирования позволяет существенно снизить сроки и затраты на проведение испытаний доводку и внедрение изделия в серийное производство. Сокращение сроков разработки новых образцов и ускорение научно-технического прогресса невозможны без самого широкого внедрения вычислительной техники в процесс проектирования.


1Развитие автоматизации технологической подготовки производства и ее современное состояние


Одним из основных способов использования вычислительной техники является применение совершенных систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе все более мощных ЭВМ периферийной техники и широко развитого математического и программного обеспечения.

В нашей стране эти системы впервые появились в начале 60-х годов. Первый период характеризовался созданием систем автоматизирующих традиционно сложившиеся методы и приемы в проектировании и на производстве. Например в авиастроении в первую очередь автоматизация коснулась весьма трудоемких но легко формализуемых плазовых работ. Другим направлением стало применение вычислительной техники и устройств машинной графики для изготовления технической документации. Из нетрадиционных работ этого периода важное место заняла автоматизация расчета управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Подобные системы с одной стороны автоматизировали лишь отдельные звенья производственного цикла а с другой - как правило были приспособлены к условиям конкретного производства. Это сужало область применения разработок и ограничивало возможности кооперации в их развитии.

В начале 70-х годов стала очевидной необходимость создания интегрированных систем обеспечивающих автоматизацию проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) в едином цикле. При создании таких систем подразумеваются определенные изменения технологии в направлении стандартизации технической информации и усовершенствования производственных процессов за счет применения ЭВМ и оборудования с ЧПУ.

На уровне плазовых работ автоматизация реализуемая в CAD/CAM/CAE1–системах на сегодняшний день достигла уровня при котором детали и узлы не просто увязываются в единую конструкцию а по существу заново проектируются (т.е. восстанавливаются математические модели в памяти компьютера) в САПР по имеющимся опытным чертежам. Затем уже созданные электронные модели служат основой для создания технологической оснастки и для составления программ обработки для оборудования с ЧПУ.

В данной работе рассматриваются вопросы автоматизации ТПП с использованием CAD/CAM-систем (ниже приведено описание используемых систем) на примере подготовки производства деталей и узлов крыла; особый акцент поставлен на верхнюю панель крыла представляющую собой типовой элемент конструкций выполняемых из композиционных материалов.


2Обзор САПР и их краткое описание


На всех этапах создания изделия происходит обработка в той или иной форме различной геометрической информации относящейся к этому изделию. При проектировании исходные данные об объекте преобразуются в геометрические образы его отдельных агрегатов и синтезируется образ самого изделия – математическая модель объекта. Предварительная оценка проектного решения и этап конструирования включают комплекс расчетов для выявления характеристик (прочностных гидродинамических и т.п.) изделия и его элементов. Источником информации на этом этапе а также при подготовке производства когда проектируется и изготавливается необходимая технологическая оснастка и наконец в процессе контроля изготовленных узлов и деталей является математическая модель объекта. Таким образом все расчеты выполняемые в процессе создания объекта базируются на геометрической информации об изделии которая как бы объединяет все этапы указанного процесса. Это обстоятельство находит свое отражение в автоматизированных системах проектирования и технологической подготовки производства. Основной компонентой этих систем является подсистема геометрического моделирования. Такие системы включают также подсистемы создания программ траекторий инструмента для оборудования с ЧПУ.

В настоящее время в нашей стране наиболее широкое распространение получили системы «Cimatron it» «Unigraphics» и «Астра».

«Астра» это автоматизированная система геометрических расчетов ее назначение – геометрическое обеспечение процессов автоматизированного проектирования и ТПП изделий имеющих сложные пространственные обводы. К ним непосредственно относятся объекты авиастроительной отрасли.

Система «Астра» универсальна т.е. ее можно адаптировать к различным предметным областям. В связи с этим программное обеспечение системы многоуровневое. Первый уровень – базовый – не зависит от конкретной области применения. Он включает системные блоки набор обслуживающих программ пакет стандартных модулей. Второй и третий уровни – проблемные – создаются в процессе адаптации системы к конкретной предметной области. Второй уровень объединяют программы наиболее общие для данной области. К ним относятся программные средства математического моделирования объектов этой области и программы реализующие операции над ними. Третий уровень обеспечивает решение задач предметной области в конкретных условиях конструкторского бюро или предприятия. Этот уровень наиболее подвержен изменению.

В настоящее время в авиационной промышленности система «Астра» не находит широкого применения и используется в основном для расчетов программ движения инструмента как постпроцессор для преобразований объемов информации для расчетов малок и т.п. Ее заменили более мощные и развитые системы автоматизированного проектирования и изготовления.

Следующую систему – систему «Unigraphics» - называют интерактивной системой автоматизации проектирования и изготовления. Подсистема CAD данного продукта предназначена для автоматизации проектных конструкторских и чертежных работ на современных промышленных предприятиях. Подсистема CAM обеспечивает автоматизированную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ на основе математической модели детали созданной в подсистеме CAD. В дальнейшем наряду с ЧПУ будет использоваться аббревиатура NC (Numerical Control) что дословно переводится как «числовое управление».

Система Unigraphics имеет модульную структуру. Каждый модуль выполняет определенные функции. Все функциональные модули вызываются из управляющего модуля который называется Unigraphics Gateway. Каждый пользователь Unigraphics обязательно должен иметь модуль Gateway тогда как все остальные модули являются необязательными и могут быть подобраны для удовлетворения индивидуальных потребностей производства.

Unigraphics - это трехмерная система которая позволяет идеально воспроизвести почти любую геометрическую форму оперируя числами с удвоенной точностью. Комбинируя эти формы можно спроектировать изделие выполнить инженерный анализ и выпустить чертежи. После завершения проектирования модуль Manufacturing позволит Вам указать геометрию детали задать технологические параметры (например диаметр инструмента) и автоматически сформировать траекторию движения инструмента в виде файла CLSF (Cutter Location Source File) что дословно переводится как «исходный файл положения инструмента». Позднее этот файл используется в качестве исходных данных для расчета управляющих программ.

Геометрическое моделирование в UNIGRAPHICS дает конструктору возможность быстро выполнить как концептуальный проект так и детальное проектирование. Используется подход основанный на типовых элементах формы типовых операциях эскизах дающий возможность создать и интерактивно редактировать сложную твердотельную модель. Твердотельное моделирование дает конструктору метод моделирования который интуитивно легче и понятнее чем традиционное проволочное и поверхностное моделирование.

Старые CAD системы использовали методы проектирования каркаса кривых и поверхностей. Такая модель могла редактироваться но полностью теряла информацию о взаимосвязи геометрических элементов участвовавших в построении твердого тела.

Более поздние параметрические системы ввели методы построения модели сохраняющие соотношения между элементами геометрии. Такая техника основана на явном введении геометрических ограничений и параметров используемых в процессе построения модели. Такой подход более разумен но может также натолкнуться на ограничения. Ограничения не допускают такие изменения конструкции которые не были заранее спланированы. Параметрическая техника основана на использовании эскизов и операций их вытягивания и не обладает полным набором методов конструирования и редактирования.

Модуль геометрического моделирования в UNIGRAPHICS реализует новый подход сочетающий традиционное и параметрическое моделирование. Это дает пользователю свободу в выборе методов построения в наилучшей степени отражающих его потребности. Иногда вполне достаточно каркасной модели и нет необходимости в более сложном твердом теле. Однако одновременно в системе присутствует богатый набор методов параметрического и традиционного твердотельного моделирования. Все вместе дает возможность быстро создать и легко управлять реалистичной твердо тельной моделью.

После того как модель построена она может быть отредактирована в технике управления параметрами даже если в ее построении и не использовались эскизы. Система способна наложить на модель автоматические ограничения однако такие ограничения работают как бы вторым планом и могут быть легко преодолены прямым редактированием модели. С помощью такого подхода удается избежать ситуации когда не пользователь управляет системой а она диктует ему свои условия. Этот недостаток присущ чисто параметрическим системам моделирования.

«Cimatron it» - еще одна система имеющая широкое распространение на территории России на предприятиях авиационной автомобильной промышленности энергетического машиностроения а также литейно-штамповочных производств различных областей.

«Cimatron it» - трехмерная графическая CAD/CAM-система позволяющая проводить любые геометрические построения: каркасные поверхностные твердотельные. Также система позволяет проводить инженерный анализ подготавливать техническую документацию и программы управления для 2 3 4 и 5-ти координатного оборудования с ЧПУ.

Система отличается удобным легко восприимчивым построенном на основе логических взаимосвязей между модулями и командами интерфейсом. Это сказывается на быстроте обучения работы в данной системе.

1 CAD – Computer-added Designer – автоматизированное проектирование;

CAM – Computer-added Manufacturing – автоматизированное изготовление;

CAE – Computer-added Engineering – автоматизированное конструирование (разработка).


3Описание конструкции крыла


Крыло трапециевидной формы в плане выполнено по двухлонжеронной схеме с силовой обшивкой и поперечным набором из 11 нервюр. В конструкцию крыла входит ниша основной стойки шасси фара элерон с сервокомпенсатором и закрылок.

Первый лонжерон крыла в сечении представляет собой двутавр проходящий через левую и правую консоли сквозь фюзеляж. Полки лонжерона – многослойные углеорганопластиковые панели склеиваемые под прямым углом с сэндвичевой плоской стенкой изготавливаемой из двух многослойных лицевых панелей швеллерного сечения между которыми – сотовый заполнитель – полимерсотопласт (ПСП) толщиной 8мм. Второй лонжерон имеет швеллерное сечение полученное соответствующей выклейкой слоев углеорганопластика. Он также проходит от концевой нервюры №9 правой консоли и сквозь фюзеляж до концевой нервюры левой консоли и одновременно служит задней стенкой крыла в районе элеронов (от нервюры №6 до нервюры №9).

Нервюры крыла механообрабатываемые и листовые детали состоящие из лобика (все нервюры крыла) средней части (все нервюры) и задней части (нервюры №1 2 2а 3 3а 4 и 5).

Лобовые кромки крыла (их две – от нервюры №1 до фары расположенной между нервюрами №4 и 5 и от фары до нервюры №9) стенка расположенная перед элероном и законцовка также многослойные конструкции из чередующихся слоев стеклоткани и углеродной ленты.

Верхняя и нижняя обшивки представлены сэндвичевыми панелями состоящими из внутренних и наружных обшивок окантовок и сотового заполнителя (ПСП толщиной 8мм). В верхней панели имеется два окна под заправочные горловины (топливные баки расположены в крыле между нервюрами №2 и 4 и между лобиком и первым лонжероном). В нижней панели имеется окно под нишу стойки шасси.

Зализы также представляют собой сэндвичевую конструкцию с сотовым заполнителем.

Для предохранения от разлахмачивания торцы многослойных деталей обрабатываются шпатлевкой ЭП-0020. Крепление сопрягающихся деталей между собой осуществляется их склеиванием и усилением клеевых швов заклепочными швами и в отдельных местах соединениями типа «болт – гайка» или «болт – анкерная гайка». Каркас собирается на клее ВК-27 и заклепочными швами гермозона (зона топливных баков) обрабатывается кистевым герметиком … Обшивки и лобовики крыла ставятся на каркас на клее ВК-27. В гермозоне конструкция изнутри также покрывается кистевым герметиком.

В консолях крыла расположено по два топливных бака. Стенками первого топливного бака служат нервюры №2 и №3 лобик и первый лонжерон. Стенками второго бака – нервюры №3 и №4 также лобик и лонжерон №1. Все заклепочные швы и болтовые соединения покрываются одним – двумя слоями кистевого герметика.

Крепление крыла к фюзеляжу осуществлено при помощи двух силовых кронштейнов расположенных на лонжеронах и при помощи силовой стенки расположенной между первой и второй нервюрами; также крепление осуществляется через зализы.

4Плазово-шаблонный метод производства


Конструктивными особенностями деталей летательных аппаратов является их большие габариты малая жесткость сложность геометрических обводов. Начиная с этапа предварительного проектирования проблема оптимизации основных параметров изделия особенно в самолетостроении неразрывно связана с решением задач проектирования поверхностей сложных форм. При этом к поверхностям предъявляются различные требования. Основными требованиями к внешним поверхностям летательного аппарата являются: -

  • обеспечение требуемого порядка гладкости поверхности и заданных локальных дифференциально-геометрических характеристик (аэродинамические и технологические требования);

  • обеспечение необходимых объемов ограниченных поверхностью изделия и размеров (площадей) поперечных сечений (компоновочные и конструктивные требования).

Проектирование этих поверхностей представляет немалые трудности т.к. приходиться решать целый ряд оптимизационных задач по увязке зачастую взаимопротиворечащих требований аэродинамики размещения оборудования конструкции и технологии.

Вследствие перечисленных выше особенностей в самолетостроении применяют специальные методы и средства проектирования поверхностей и обеспечения взаимозаменяемости агрегатов отсеков панелей узлов и деталей. При этом к технологическим особенностям относят точное воспроизведение геометрических форм и размеров деталей и обеспечение взаимозаменяемости (взаимозаменяемость – свойство деталей панелей узлов и т.п. одного и того же типоразмера заменять друг друга с сохранением функциональных качеств) при сборке и ремонтных работах.

В первые три десятилетия развития авиации проектирование поверхностей осуществлялось целиком графическими способами с применением так называемой плазовой увязки обводов. В этом случае теоретические чертежи заменялись каркасом сечений во взаимно перпендикулярных плоскостях вычерченным в натуральную величину на металлических панелях – плазах и затем методом последовательных приближений обводы сечений уточнялись таким образом чтобы координаты точек в узлах пересечений ортогональных семейств каркаса совпадали с заданной точностью. При этом рабочие чертежи деталей заменялись плоскими рабочими и контрольными шаблонами и технологическая оснастка и детали изготовлялись по шаблонам и контролировались ими. Такой метод получил название плазово-шаблонного. Описанный выше способ проектирования и увязки поверхностей применялся для увязки теоретических обводов изделия при этом создавались теоретические плазы. Конструктивные плазы составлялись базируясь на теоретические и содержали уже не только информацию наружных поверхностей изделия но и информацию о формах и размерах всех деталей агрегата также конструктивные плазы служили источниками для изготовления рабочих и контрольных шаблонов.

Возросшие требования к точности воспроизведения обводов и производительности труда привели к возникновению графоаналитических методов и аналитических методов описания обводов летательных аппаратов. Наибольшее распространение получил метод кривых второго порядка. Простота геометрических построений и аналитического описания кривых обеспечила этому методу широкое внедрение. Применение графоаналитического метода задания внешних обводов оказало влияние на характер технологических процессов изготовления плазово-шаблонной оснастки. Во-первых этот метод позволил отказаться от теоретических плазов путем изготовления шаблонов непосредственно по данным теоретического чертежа. Во-вторых благодаря этому методу открываются широкие возможности для автоматизации и механизации технологических процессов изготовления как оснастки так и самих деталей по данным теоретического чертежа т.к. автоматические станки позволяют обрабатывать контуры по координатам точек или уравнениям сечений.

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7