Author: Самарин А.В. Голубев И.С.
Tags: авиация и космонавтика летательные аппараты ракетная техника космическая техника воздушный транспорт авиация и воздушные соединения воздушные линии и аэропорты инженерия авиация конструирование авиационное оборудование учебник для вузов издательство машиностроение
ISBN: 5-217-01041-х
Year: 1991
Text
для вузов
п.с.
А.В. Сахарин
Пргж--'ЗВАНИЕ
КОЕ7Г.. -АЦИЙ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ДЛЯ ВУЗОВ
И.С. Голубев
А.В. Самарин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
КОНСТРУКЦИЙ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
Допущено Государственным комитетом СССР по
народному образованию в качестве учебника для
студентов высших технических учебных заведений
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1991
ББК 39.52-02я73
Г62
УДК 629.73.001.66(075.8)
Рецензенты: кафедр3 "Конструкция и проектирование лета-
тельных аппаратов” Казанской авиационного института и кафедра
’’Прочность элементов Летате/<ьных аппаратов из композиционных ма-
териалов" Московского авиаиИ0™0110 техноло™ческого института
Голубев И.С., Самарин А.0’
Г62 Проектирование КонструкИ^ летательных аппаратов: Учебник для
студентов втузов. — Дд . ^а^шностроение, 1991. — 512 с.: ил. 229.
ISBN 5-217-01041-х
Изложены прннцИпы проектирования конструкций автоматических
летательных аппарат^ вопр00- выбо₽а " оптимизации параметров
конструкций. Пока»Цц объективная необходимость автоматизации
проектно-конструкторсиМх раб^' области первоочередной автомати-
зации н пути ее • Большое внимание уделено физическим
моделям работы снлпма, цсНструиинй. неформальным н приближенным
методам их проектмр._______При атом задачи синтеза тесно увязаны
с задачами анализ*, yЧитЫ*л,otш”в, П»евоваиия прочности. жесткости.
технологии производства и 9кслЛгатации летательных аппаратов.
2705140400-401 пе
Г ' 038(00-91 ' 96-90
ББК 39.52-02я73
ISBN 5-217-01041-Х
© И.С. Голубев. А.В. Самарии,
1991
ПРЕДИСЛОВИЕ
Конструкторская подготовка студентов - одно из наиболее трудных
направлении в инженерном образовании. Это связано с тем, что в облас-
ти создания летательных аппаратов (ЛА) быстро развиваются новые тен-
денции и направления, пришедшие на смену традиционным подходам к ме-
тодам проектирования и производства, которые в настоящее время оказа-
лись во многом исчерпанными и начали тормозить дальнейшее повышение
технического уровня авиационной техники.
Новые возможности в этом смысле открываются на основе более
глубокого использования результатов научно-технического прогресса и
внедрения в инженерную практику систем автоматизированного проекти-
рования и конструирования.
При рассмотрении процесса проектирования особо выделены две взаи-
мосвязанные группы задач: аналитическое проектирование и конструиро-
вание. Аналитическое проектирование имеет целью обоснование и выбор
технического решения. Конструирование - это заключительный этап про-
ектирования, включающий в себя конструктивно-технологическую прора-
ботку конструктивной схемы, выбранной на предыдущем этапе, и выпуск
рабочих чертежей. Задачи конструирования в учебнике изложены с пози-
ций требований и возможностей машинной графики. Особое внимание уде-
ляется организации диалога конструктор - ЭВМ. Одновременно показыва-
ется и роль неформального аспекта при проектировании конструкций.
В соответствии с программой курса учебник включает в себя три раз-
дела: методологию проектирования, инженерные методы проектирования и
пути обеспечения надежности конструкций. Первый раздел отражает ос-
новные концепции, на которых базируется современная теория проектиро-
вания конструкций. Во втором разделе изложены практические рекоменда-
ции по конструированию основных агрегатов планера ЛА и двигательной
установки. При этом основное внимание уделяется физическим моделям,
разъяснению смысловых положений с учетом того, что применение строгих
математических моделей - это особый этап проектирования конструкций,
содержание которого с точки зрения обучения конструированию менее ин-
формативно. Третий раздел содержит вопросы обеспечения надежности
конструкций при проектировании и экспериментальной отработке.
3
Методы решения задач проектирования, как известно, принципиально
отличаются от методов решения задач математики, механики и других
точных наук. Опыт показывает, что усвоение сути системного подхода,
учет неопределенности условий функционирования, разноречивости требо-
ваний к конструкциям происходят легче на конкретных примерах. Поэтому
в учебнике им уделяется значительное внимание. Взаимная увязка общего
и частного, иллюстрации концептуальных положений конкретными приме-
рами и одновременно выявление общих закономерностей на основе рас-
смотрения частных методик и рецептур является общеметодическим
приемом, широко используемым в настоящем учебнике.
Курс "Проектирование конструкций ЛА" является завершающим в цикле
конструкторской подготовки студентов. Он базируется на предшествующих
общеинженерных дисциплинах (материаловедение, сопротивление материа-
лов, детали машин и др.), а также специальных дисциплинах (основы
устройства ЛА, прочность ЛА, аэродинамика). Знание основ этих дисцип-
лин совершенно необходимо при изучении настоящего курса.
Предисловие, гл.1, 2, 3, 4, 9 и §§ 5.1...5.4, 7.5 и 7.6, написаны
И.С.Голубевым; гл.6, 8 и §§ 5.5, 5.6, 7.1...7.4 написаны А.В.Сама-
риным.
Авторы выражают благодарность д-ру техн.наук Б.М.Авхимовичу и
канд.техн.наук В.В.Андрееву, И.А.Егорову, Р.Е.Либерзону, И.К.Туркину
за помощь, оказанную при подготовке рукописи книги, и коллективам
кафедр "Прочность элементов ЛА из композиционных материалов" МАТИ,
"Конструкция и проектирование ЛА" КАИ и их руководителям чл.-корр.
АН СССР, д-ру техн.наук, проф. В.В.Васильеву и д-ру техн.наук, проф.
В.Г.Шатаеву за большую работу по рецензированию рукописи и ряд
конструктивных замечаний и методических советов, которые были учтены
при окончательной доработке рукописи.
Авторы признательны Машиностроительному конструкторскому бюро
"Радуга", выступившему спонсором данного издания.
Раздел I. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Глава!. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КОНСТРУКЦИЯМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
§1.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ЛА
И ЗАДАЧИ. РЕШАЕМЫЕ НА КАЖДОМ ЭТАПЕ
Создание летательного аппарата - это сложный, многогранный про-
цесс, в котором участвуют многие коллективы промышленных предприятий,
конструкторских бюро и научных организаций. Центральное место в этом
процессе занимает этап проектирования.
Трудно сказать, когда зародилась наука о проектировании техничес-
ких систем. Любая машина, любое техническое средство проходят стадию
проектирования: рассматриваются альтернативные варианты, выбирается
решение, разрабатывается проект конструкции. Практическое проектиро-
вание и, надо полагать, основы теории своими истоками уходят в глуби-
ну человеческой истории. В течение очень продолжительного периода
процесс проектирования технических систем не требовал особых научных
методов - люди обходились опытом, традиционными навыками, интуицией.
С течением времени по мере накопления опыта появились статистические
обобщения в виде совокупности рецептур - рекомендации и руководства
по проектированию, которые в дальнейшем стали базироваться не только
на опыте, но и на теории. В настоящее время проектирование ЛА - это
научная дисциплина. Ее цель - создание проекта ЛА, обеспечивающего
выполнение заданных требований. Теоретическим фундаментом этой
дисциплины является системный анализ.
В соответствии с ГОСТом проектирование - это процесс составления
описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не сущес-
твующего объекта, на основе задания на проектирование. Такое описание
включает в себя:
конструкторскую документацию в виде схем, чертежей, методик, алго-
ритмов и программ, отражающих функционирование объекта, выбор и опти-
мизацию его параметров и характеристик;
технологическую документацию - описание и расчет технологических
процессов, технологические карты и другие документы, определяющие (и
описывающие) процесс производства создаваемого объекта;
5
эксплуатационную документацию в виде инструкции и методических
указании по эксплуатации проектируемого объекта.
Важность решаемых задач и высокая капиталоемкость ЛА требуют
всесторонней апробации принимаемых решений, что достигается благодаря
системному подходу к разработке проектов. Практическая реализация
системного подхода состоит в проработке проекта ЛА как минимум на
трех уровнях (рис.1.1): на уровне комплексов ЛА, собственно ЛА и
подсистем ЛА.
Проектирование комплексов для ЛА является стадией ’’внешнего” про-
ектирования. Здесь главное - получение исходных количественных данных
для формирования технических требований к вновь создаваемым ЛА. Зги
данные получают на основе всестороннего исследования целесообразных
сфер и способов применения комплексов, возможностей научно-
технической и технологической реализации и затрат на создание парка
ЛА и обеспечивающих его наземных средств. Центральное место на на-
чальной стадии занимает определение рационального уровня целевой от-
дачи ЛА, т.е. его эффективности. Для этого разрабатывают и исследуют:
возможные варианты условий применения ЛА и соответствующие им
функционально-структурные облики комплекса;
математические модели эффективности комплекса и его элементов,
требования к показателям эффективности по стадиям отработки комплекса
и ЛА, предварительную количественную оценку показателей эффективности;
Проектирование конструкций ЛА
Общее проектирование ЛА
Проектирование комплексов и контроль Эффективности
Разработка ТЗ
и технических
предложений
Проектирование
Испытании
и ввод
в эксплуатацию
Рис. 1.1. Основные этапы создания ЛА
6
оптимальные по критерию эффективность - стоимость варианты облика
комплекса.
Все эти работы ведутся совместно и параллельно заказчиком и разра-
ботчиком - опытным конструкторским бюро (ОКБ). Основным результатом
исследований являются в основном согласованные обеими сторонами так-
тико-технические требования (ТТТ) к новому ЛА.
После этого начинается собственно проектирование ЛА на отраслевом
уровне (в ОКБ). Одновременно продолжаются исследование комплекса
заказчиком, проведение сравнительного анализа различных способов
обеспечения эффективности с учетом реально принимаемых технических
решении, уточнение показателей эффективности по результатам макети-
рования ЛА и экспериментальной отработки элементов комплекса и т.д.
В ОКБ начальная стадия проектных изысканий состоит в разработке
технических предложений. Здесь прорабатываются возможные принципы
реализации поставленной цели, условия применения, изготовления,
монтажа и эксплуатации ЛА. При этом широко используются информация о
достижениях научно-технического прогресса и обобщенные статистические
данные по изделиям-прототипам. Выявляются возможные принципиальные
схемы, общие виды, компоновки и летно-технические характеристики ЛА.
Стадия технических предложений - особо ответственный период.
Ошибка в выборе схемы и облика ЛА не может быть исправлена на
последующих этапах. Поэтому просматриваются по возможности все
практически реальные варианты, число которых может достигать
нескольких сот. Изыскания ведутся, как правило, с помощью систем
автоматизированного проектирования (САПР) на базе широкого исполь-
зования вычислительной техники. Результатом изысканий являются
несколько рациональных вариантов ЛА. Обликовые, летно-технические и
эксплуатационные характеристики этих вариантов в качестве аванпроекта
представляются на рассмотрение компетентных органов для принятия
решения о целесообразности дальнейшей разработки проекта.
Следующим этапом является эскизное проектирование ЛА. На этом
этапе уточняются полученные ранее параметры и характеристики, прово-
дятся широкие теоретические и экспериментальные исследования функцио-
нирования ЛА. Разрабатываются имитационные модели ЛА и его систем. На
базе вычислительной техники с использованием отдельных натурных
блоков бортовых систем моделируются условия применения, исследуются
характеристики устойчивости и управляемости. В аэродинамических
трубах продувается ряд моделей и на основе полученных данных
уточняются аэродинамическая схема и аэродинамические характеристики.
Выбираются и реализуются в конструкторско-технологической документа-
7
ции основные способы обеспечения эффективности ЛА за счет как
конструктивно-технологических и схемных решений, так и выбора
оптимальных способов организации эксплуатации и применения комплекса.
Параллельно с решением вопросов общего проектирования ЛА ведется
разработка конструкций планера и двигательной установки, т.е.
проектирование собственно конструкций ЛА (см. рис.1.1.). Для основных
агрегатов ЛА разрабатывается комплект рабочих чертежей. На
специальных стендах отрабатываются элементы двигательной установки и
отдельные новые элементы конструкций планера и его систем.
Формально завершающим этапом проектирования являются рабочее про-
ектирование и подготовка производства. Он повторяет все стадии эскиз-
ного проектирования, но характеризуется более детальной проработкой.
Основные изыскания на этом этапе связаны с экспериментальной провер-
кой практически всех нововведений. Здесь уточняется и выпускается вся
техническая документация, необходимая для изготовления ЛА.
Фактически завершающим этапом проектирования является стадия
опытного производства и испытаний ЛА. Очень важно выявить и устранить
все дефекты именно на этой стадии, чтобы исключить доработку ЛА в
период эксплуатации. Главное при этом - подтвердить выполнение
установленных в технических требованиях заказчика характеристик
эффективности. По данным опытного производства и испытаний вносятся
изменения в проект, дорабатываются рабочие чертежи и технология
изготовления ЛА. По результатам этого этапа принимается решение о
запуске ЛА в серийное производство и передаче его в эксплуатацию.
Процесс проектирования, как правило, протекает в условиях жестких
ограничений по срокам. В то же время принятые решения определяют
функциональное совершенство ЛА на весь период его существования и
обычно являются необратимыми. Широкий фронт работ, взаимодействие
различных организаций, большой объем используемой информации в
условиях сжатых сроков приводят к необходимости:
а) параллельного выполнения работ по формированию облика летатель-
ного аппарата и по разработке конструкций агрегатов планера, хотя
исходные данные для проектирования конструкций отработаны не
полностью; это обеспечивает расширение фронта работ и сокращение
сроков проектно-конструкторских проработок;
б) широкого использования накопленного опыта путем внедрения в
новые конструкции унифицированных модулей, положительно себя
проявивших на других изделиях;
в) параллельного выполнения проектных и экспериментальных работ и
проведения параметрического анализа, что позволяет, с одной стороны,
8
расширить область возможных решении, а с другой - обеспечить
надежность проектируемых изделий.
Проектирование современных ЛА представляет собой многогранный,
непрерывно усложняющийся процесс. Широкое использование возможностей
автоматизированного проектирования здесь сочетается с творческой
деятельностью высококвалифицированных специалистов, их опытом,
инициативой, талантом конструкторов. Формализованные математические
процедуры и экспертные оценки проверяются и дополняются с помощью
экспериментов.
Всесторонний анализ всего процесса проектирования летательного
аппарата выходит за рамки курса "Проектирование конструкций ЛА".
Отметим лишь наиболее характерные особенности, относящиеся непосред-
ственно к стадии конструкторских разработок.
§ 1.2. ОСОБЕННОСТИ ЭТАПА
КОНСТРУКТОРСКИХ РАЗРАБОТОК
Проектирование конструкций - важнейший этап создания любого
технического средства, будь то летательный аппарат, наземное транс-
портное средство, станок с программным управлением или какое-либо
технологическое устройство. В общем случае этот этап включает в себя
решение нескольких различных по своему типу задач. Перечислим
основные из них.
1. Поиск технических идей, решений и физических принципов дейст-
вия. На основе исследований достижений научно-технического прогресса
задачи такого рода позволяют выявить множество допустимых реализаций
конструкции (опорных вариантов), из которых затем выбирают наилучшее
решение.
2. Выбор рационального технического решения при заданном
физическом принципе действия. Техническим решением называют конструк-
тивное описание функциональной структуры проектируемого объекта,
включающее информацию о функциональных элементах (блоки, узлы,
детали), их взаимном расположении и взаимосвязи, особенностях
конструктивного исполнения, геометрической форме, конструкционных
материалах и других существенных признаках, в том числе и о
соотношениях значений параметров. Технические решения являются как бы
материализацией выбранной технической идеи и, как следует из
определения, могут отличаться формой функциональных элементов и
материалом, из которых они изготовлены, числом элементов, способом их
соединения и другими признаками.
9
3. Определение оптимальных значений параметров выбранного техни-
ческого решения. К параметрам обычно относят размеры элементов,
расстояние между ними, массу, температуру, частоту колебаний,
напряжение, характеристики надежности и ряд других показателей. Выбор
оптимальных значений параметров - наиболее разработанный класс задач,
что объясняется тем, что эти задачи лучше других формализуются и на
сегодня имеют довольно хорошее математическое обеспечение в виде
методов линейного, нелинейного, динамического, стохастического
программирования, а также различных методов дискретной оптимизации.
4. Конструирование и выпуск технической документации и рабочих
чертежей. В настоящее время этот этап проектирования конструкций,
особенно выпуск рабочих чертежей, является одним из самых трудоемких.
Здесь преобладают неформализованные методы работы, пока еще мало
автоматизации, но вместе с тем довольно много трудоемких рутинных
работ, что ставит автоматизацию графических работ в число
первоочередных.
5. Планирование и проведение натурного эксперимента и обработка
его результатов. Главная цель этих исследований состоит в подтверж-
дении работоспособности конструкции и расчетных показателей
эффективности. Очень важно, чтобы простота и убедительность
экспериментальной проверки сочетались с малой трудоемкостью и
экономичностью. Разнообразные условия функционирования проектируемой
системы целесообразно имитировать в лабораториях на специальных
стендах и здесь же проводить всестороннюю проверку конструкций. Такой
подход позволяет обеспечить более высокий уровень надежности
создаваемой системы и существенно сокращает объем и стоимость
полнонатурных экспериментальных исследований на заключительном этапе.
Здесь мы привели теоретический перечень задач. В реальных условиях
могут быть отклонения и изменения в этом перечне. Они зависят от
проектируемого объекта, традиций конструкторского бюро, квалификации
коллектива конструкторов, тематического научно-технического задела и
других факторов. ЛА - особо динамичные системы. Их проектирование
связано с целым рядом специфических особенностей, учет которых
является важным условием повышения качества проектов. Рассмотрим эти
особенности.
Первая особенность - необходимость сочетания формального и
неформального подходов при проектировании. В настоящее время заметно
усиление внимания к математической стороне процесса проектирования.
Особенно бурное развитие формальных методов проектирования началось
после 50-х годов, когда на основе теорий эффективности, игр и
10
массового обслуживания появилась синтетическая дисциплина
исследование операции, которая затем постепенно переросла в системный
анализ.
Системный анализ - это техническая дисциплина, развивающая методы
проектирования сложных технических и народнохозяйственных систем,
организационных структур и т.д. Системный анализ как дальнейшее
развитие теории исследования операций включает в себя последнюю со
всем арсеналом средств, развитых в ее рамках. Поскольку любой анализ
сложных систем невозможен без использования ЭВМ, то, когда говорят о
методах системного анализа, имеют обычно в виду процедуры, основанные
на использовании ЭВМ.
Современная теория проектирования технических систем имеет
обширный инструментарий, включающий в себя развитой математический
аппарат и современные вычислительные системы. И все же какие бы
успехи не делала теория проектирования с помощью этих новейших
современных методов, опирающихся на формализованное описание
ситуаций, все еще остаются необходимыми, а подчас играют решающую
роль, традиционные приемы анализа, использующие опыт и интуицию,
способность человека к ассоциациям и многое другое, что лежит вне
математики и пока еще не присуще искусственному интеллекту.
Создание новых конструкций - это прежде всего акт творческий, и он
никогда не может быть до конца формализован. Иногда говорят, что этот
акт творчества в значительной степени может быть заменен специально
организованной системой обработки статистического материала.
Статистическая обработка параметров существующих (или возможных)
конструкций, конечно, очень важна, и ее ни в коем случае не следует
недооценивать. Но ее недостаточно в принципе. Использование только
одного статистического материала позволяет создать конструкцию, лишь
имеющую аналоги в отдельных технических решениях, т.е. подобную (или
близкую) уже существующим. Оригинальные конструкции, базирующиеся на
качественно новых технических решениях, конструкции завтрашнего дня
всегда требуют нетрафаретного мышления, смелости и таланта; их нельзя
получить на основе статистики.
Возникает вопрос, какова же роль системного анализа, т.е. формаль-
ных процедур, чем и как они могут быть полезны конструктору? Ответ на
этот вопрос можно сформулировать так. Основная задача научного анали-
за - выделить реальные альтернативы из множества мысленно допустимых,
сформировать принципы их отбора. Проблема математического моделирова-
ния состоит в описании этих принципов отбора в терминах тех перемен-
ных, которые согласно взглядам исследователя наиболее полно характе-
11
ризуют изучаемый предмет. Принципы отбора сужают множество допустимых
вариантов, отбрасывая те, которые не могут быть реализованы.
Вторая особенность - неопределенность будущих целей и условий
функционирования ЛА и его подсистем. Эта особенность связана с
большим промежутком времени, проходящим с начала проектирования ЛА до
его применения. За это время возможно существенное изменение условий
применения, а также места и значимости проектируемого ЛА в более
общей системе, составной частью которой он является.
Неопределенность обусловлена также особенностями параметров самой
проектируемой системы (ЛА, двигательной установки, конструкции
планера и др.). Например, для системы, разработанной в сжатые сроки
при ограниченном гарантийном сроке эксплуатации (случай модернизации
существующей системы), степень неопределенности будет существенно
ниже, чем для вновь разрабатываемой системы. Чем эффективнее
разрабатываемая система, тем более существенную реакцию на ее
появление можно ожидать, что, в свою очередь, также приводит к
возрастанию степени неопределенности.
Применение систем происходит, как правило, в условиях противодейс-
твия, которое направлено на уменьшение эффективности системы. Хотя
противодействие связано с неопределенными ситуациями, его учет должен
отражаться конкретно в виде некоторой совокупности таких свойств сис-
темы, которые перекрывают широкий спектр неопределенных ситуаций.
Неопределенность - это объективная реальность, с которой нельзя не
считаться. Широко распространенные оптимизационные расчеты, основы-
вающиеся на детерминированном, однозначном характере исходных данных
и условий функционирования, все в большей мере приходят в противо-
речие с реальной действительностью, поскольку те условия, для которых
данное решение оптимально, в жизни, как правило, не реализуются.
Можно, конечно, усовершенствовать существующие оптимизационные модели
и включить неопределенные факторы в число оптимизируемых параметров,
расширив их общее число. Однако подобный подход, как показывают
исследования и опыт, не оправдывает себя из-за чрезмерного усложнения
и неизбежного загрубления расчетных моделей. Более конструктивным
оказывается путь расширения неформального анализа при проектировании.
Неформальные процедуры в первую очередь связывают с прогнозирова-
нием сценариев будущих условий функционирования системы. Сценарии
строятся на базе определенных концепций - гипотез развития систем
высшего уровня. Ориентируясь на эти гипотезы, можно выявить совокуп-
ность характеристик внешних условий, целей и факторов, оказывающих
наиболее существенное влияние на облик проектируемой системы. Для
12
каждого из неопределенных факторов дается оценка его наиболее вероят-
ного значения, а также указывается возможный диапазон неопределеннос-
ти - минимальное и максимально возможные значения. Сценарии функцио-
нирования описывают возможное, а не наиболее вероятное будущее. Их
назначение - выявление ситуаций, таящих в себе угрозу для существую-
щих тенденций развития парка систем, или благоприятных возможностей
для их полного развития. Результатом анализа сценариев функционирова-
ния являются количественная оценка влияния совокупности неопределен-
ных факторов на парк систем в целом и конкретная рабочая гипотеза,
закладываемая в процесс проектирования данной системы.
Учет фактора неопределенности выдвинул в число наиважнейших требо-
ваний к системам - адаптивность, т.е. способность системы приспосаб-
ливаться к изменяющимся и неопределенным условиям функционирования.
Формы проявления адаптивности могут быть весьма разнообразны: это и
исключение экстремальных нагрузок на конструкцию, и автоматическая
коррекция работы двигательной установки, и адаптация к условиям
эксплуатации и т.д., но цель одна - снизить или исключить вредное
влияние неопределенных факторов и противодействия функционированию
системы.
Третья особенность - необходимость исследования большого числа
вариантов проектируемого элемента. Проектирование - это творческий
процесс, при котором варианты генерируются для поиска лучших
технических решений. Как правило, улучшение одного параметра за счет
перераспределения ограниченных ресурсов приводит к ухудшению других,
поэтому необходимо постоянное сопоставление вариантов. Чем больше
вариантов анализируется, тем качественнее исследование и больше
уверенность в достижении поставленной цели. По этой причине выбор и
рассмотрение альтернативных вариантов - суть наиглавнейшая задача
процесса проектирования. Ошибка в исходных позициях не может быть
потом исправлена ни совершенством расчетных моделей, ни эксперимен-
том, ни использованием станков с программным управлением.
Вместе с тем очевидно, что чем шире исследуемая область возможных
решений, тем больше трудоемкость проектных работ. Детальная прора-
ботка каждого варианта требует большого объема сложных работ. Как
правило, детально проработано может быть лишь ограниченное число
вариантов. Чтобы это ограниченное множество было представительным,
нужно, с одной стороны, строить его на основе просмотра большого
числа вариантов с помощью упрощенных методик, доступных широкому
кругу специалистов. Это следует выполнять на ранних стадиях
проектирования. С другой стороны, результаты исследований по детально
13
проработанным вариантам должны позволять делать суждения не только о
конкретном варианте, но и о некоторой области возможных решении. С
этой целью для детальной проработки могут быть заданы опорные
варианты элемента, выявленные на ранних стадиях проектирования. Под
опорным вариантом в данном случае понимается такой вариант
проектируемого элемента, который детально проработан в конструктивном
плане и является типовым для ряда других возможных вариантов.
Для построения дополнительных вариантов на базе опорного требуется
параметрически трансформируемая модель агрегатов, комплектующих про-
ектируемый элемент. Такие модели позволяют генерировать дополнитель-
ное множество вариантов в окрестностях опорного для выбора из них ра-
ционального варианта. Для формирования исходного множества вариантов
необходимо:
на основе анализа результатов научно-технического прогресса уста-
новить границы области допустимых решений;
выявить для конструкторской проработки необходимое число опорных
вариантов;
на основе параметрического анализа сформировать дополнительные
варианты в области допустимых решений;
после определения рационального варианта провести корректирующую
детальную конструкторскую проработку исходного опорного варианта.
В число особо важных принципов формирования альтернативных вариан-
тов следует выделить унификацию систем и их элементов. Под унифика-
цией понимается такое приведение к единообразию систем, их подсистем
и модулей, которое придает им универсальные свойства с точки зрения
их назначения, функционирования, эксплуатации и обеспечения. Универ-
сальные свойства, в свою очередь, при наличии ограниченного набора
унифицированных конструктивно-функциональных модулей позволяют на их
базе собирать в требуемой номенклатуре системы многоцелевого назначе-
ния с добавлением (или даже без добавления) некоторого ограниченного
числа оригинальных (индивидуальных) элементов.
. Широкое использование принципов унификации позволяет сократить
объем конструкторских работ в процессе проектирования, сроки создания
нового оборудования, снизить стоимость освоения новых изделий, повы-
сить уровень механизации и автоматизации производственных процессов.
Четвертая особенность этапа проектирования конструкций - итератив-
ность процесса. Имеется в виду не математический метод проектирова-
ния, а смысловое содержание самого процесса. Эго связано с непрерыв-
ным накоплением информации в ходе проектирования, получением резуль-
татов более тонкого анализа и эксперимента, выявлением несоответствий
14
и рассогласований. Подобная ситуация существует постоянно, но это не
значит, что процесс проектирования тоже должен находиться в условиях
непрерывно изменяющихся исходных данных и постоянной переделки выпол-
ненной работы. Чтобы не было безответственности и неразберихи при
проектировании систем, в качестве обязательной процедуры предусматри-
вается корректировка результатов и документации в определенные сроки
по заранее согласованным технологиям. Объем и организация подобных
процедур регламентируются специальными планами координации проектно-
конструкторских и научно-исследовательских работ с учетом результатов
работ, проводимых всеми участниками.
Вместе с тем нужно подчеркнуть, что технология итерационного про-
ектирования пока еще несовершенна, особенно в части увязки процесса
проектирования с результатами летных испытаний. Когда полностью отра-
ботана вся документация и по ней изготовлена технологическая и час-
тично эксплуатационная оснастка, объективно трудно вводить какие бы
то ни было изменения. Помимо экономических причин это объясняется еще
и тем, что изменение почти любой характеристики системы влечет за со-
бой бесчисленное число корректировок. Если все их не произвести, то
возникнут новые рассогласования. Предполагается, что в перспективе
комплексная корректировка системы по результатам испытаний будет
возложена на систему автоматизированного проектирования. Разработка
соответствующей методологии является одной из важных задач теории
проектирования.
§ 1.3. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД -
ОБЩЕМЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Принцип системности, суть главная методологическая основа исследо-
ваний в любой области знаний. Рассматривается ли машина, живой
организм, общество или какая-либо его часть - все они представляют
собой системы. "Вся доступная нам природа, - писал Ф.Энгельс, -
образует... некую совокупную связь тел, причем мы понимаем здесь под
словом "те|ю" все материальные реальности, начиная от звезды и кончая
атомом..."
Разработка методологии системного подхода к исследованию объектов
различной природы как больших систем является задачей философской
науки. В задачах прикладного характера принцип системности используют
Маркс К., Энгельс Ф. Соч. , 2-е изд., т. 20. С. 392.
15
как отправную методологическую базу и на этой основе вырабатывают
конкретные методы анализа и синтеза. Главной особенностью и положи-
тельной стороной практической реализации системного подхода является
то, что решение частных задач выбирается в интересах более общих за-
дач; в соответствии с этим его сущность состоит в выявлении всех ос-
новных взаимосвязей между переменными факторами и в установлении их
влияния на поведение всей системы как единого целого. Системный под-
ход предполагает, что взаимосвязь и взаимодействие элементов придают
новые свойства исследуемому объекту, которые не присуши его отдельным
элементам или их совокупности без системного объединения.
В практике проектирования системный подход применялся всегда.
Однако сейчас его роль особенно существенна. Эго объясняется, с одной
стороны, резким усложнением технических конструкций, устройств,
технологий, для которых увязка взаимодействия отдельных элементов во
многом определяет функциональное совершенство изделия в целом. А с
другой стороны, причин^ новой роли системного подхода - возможность
практической реализации. В век ЭВМ эти возможности, как известно,
исключительно большие. Отсюда, как следствие, стремление к изучению
явлений во всей их полноте, в связи с другими явлениями.
Основными логическими элементами системного подхода при
проектировании ЛА и их конструкций являются, во-первых, объект
проектирования, трактуемый как большая система, во-вторых, цели и
задачи, которые нужно решать при проектировании и, в-третьих,
математическая модель процесса функционирования проектируемого
объекта. Рассмотрим эти логические элементы.
Объект проектирования - большая система. Понятие "большая система"
возникло как выражение системного подхода к постановке и решению за-
дач проектирования и управления объектов большого масштаба. Впослед-
ствии это понятие стали применять более широко. В наших исследованиях
под системой будем понимать совокупность элементов, находящихся в оп-
ределенных отношениях друг с другом в интересах достижения поставлен-
ной цели. Несмотря на разную природу технических систем, они обладают
множеством общих характерных свойств. Такими свойствами являются:
определенная целостность как единство системы, т.е. наличие общей
цели, общего назначения, что, в свою очередь, позволяет количественно
оценивать систему с помощью единого показателя - критерия эффектив-
ности;
высокая размерность системы по числу частей и выполняемых функций,
обусловленная наличием сложных переплетающихся материальных,
энергетических и информационных связей между элементами;
16
неопределенность условий функционирования, стохастический харак-
тер возмущений, наличие противодействия, состязательных и конкурирую-
щих сторон;
сложная иерархическая структура организации системы, наличие
управляемых и управляющих подсистем, способность к самоорганизации и
адаптации;
слабая структуризация решаемых системой задач и высокая степень
неопределенности информации, необходимой для принятия решений;
принципиальная невозможность полного и точного математического
описания закона развития и функционирования системы.
Система может функционировать нормально лишь в случае
органического взаимодействия всех ее элементов, несмотря на то, что
каждый из них играет самостоятельную роль в реализации целей системы.
Каждый элемент представляет некоторую обособленную часть системы,
причем структурообразующую ее часть, поскольку все элементы находятся
в определенной иерархической зависимости. Из этого вытекает
возможность членения системы на подсистемы и элементы или, как
говорят, декомпозиции системы. Смысл этой процедуры в том, что
сложная проблема (труднообозримая, неформализуемая) расчленяется на
ряд более простых. Человек способен проанализировать ситуацию лишь
тогда, когда требуется учесть относительно небольшое число
обстоятельств или взаимных связей. При этом следует иметь в виду, что
декомпозиция системы сугубо неформальная процедура, зависящая как от
природы системы, так и от квалификации исследователя.
В основе расчленения должен быть четкий принцип, ориентированный
на получение конечного результата. Большие подсистемы должны
объединять более мелкие, которые необходимы для объяснения поведения
системы в целом. Подсистемы должны быть увязаны с поведением всех
элементов системы и постоянно отражать взаимодействие элементов и их
связь с окружающей средой. Под окружающей средой при этом понимается
не только физическая внешняя среда, но и взаимодействующие с данной
системой другие системы, в том числе и высшего ранга.
Требует пояснения еще одно очень важное свойство систем -
адаптивность. Адаптивность следует рассматривать как главное
требование к системам, используемым в современной теории и практике
проектирования конструкций. Это связано со следующим.
Реальные системы (т.е. конструкции ЛА) по условиям применения
являются стохастическими системами с весьма большим уровнем
неопределенности. В процессе проектирования условия применения
системы предсказать практически невозможно. В лучшем случае речь
17
может идти о некотором диапазоне внешних условии. Если при этом
ориентироваться на экстремальные условия, которые могут встретиться
при функционировании, и по ним устанавливать расчетные случаи, то
конструкция неизбежно окажется нерациональной.
При традиционных методах анализа и нормативно заданных нагрузках
возможности уменьшения массы авиационных конструкции за счет совер-
шенствования силовых схем практически исчерпаны. Дальнейший прогресс
в этом направлении обеспечивается адаптацией летательных аппаратов к
внешним силовым и тепловым воздействиям через адаптивные системы уп-
равления, что позволяет исключить экстремальные условия нагружения,
приспособиться к реальным условиям, а в результате снизить потребную
массу конструкции и одновременно расширить зону применения. Сюда же
следует отнести задачи адаптивной увязки характеристик системы со
смежными системами, в частности, с системой эксплуатации.
Целевая проработка проектируемой системы. Определение целей явля-
ется основой разработки любой системы. Целевая проработка включает в
себя: ретроспективный анализ проблемы, исследование аналогичных дей-
ствующих систем, определение целей и задач проектируемой системы.
Отправной точкой этой стадии проектирования является целевая установ-
ка, обычно формулируемая в исходном техническом задании. Первичный
анализ проблемы имеет целью оценить достигнутый технический уровень
действующих аналогичных систем. Далее проводится перспективный ана-
лиз, связанный с изучением и оценкой степени достижения основной
цели. При этом реализация основной цели просматривается в нескольких
аспектах: научно-техническбм, производственном, эксплуатационном,
экономическом и организационном.
Научно-технические цели и соответствующие им задачи определяют
функциональное совершенство создаваемого изделия, являются основой
его качества. Эти цели отражают возможные технические и научные
нововведения, использование новых схем и принципов работы, новых
материалов и т.д. Производственные цели предопределяют разработку
таких конструкций, которые ориентированы на прогрессивные техно-
логические процессы, низкую трудоемкость изготовления, короткие сроки
освоения производства новых изделий. Эксплуатационные цели отсле-
живают возможные сценарии функционирования системы. Цели экономи-
ческого характера связаны в основном с ограничениями ресурсов. Они
ориентируют на достижение высоких конечных результатов при мини-
мальных затратах трудовых, материальных и финансовых ресурсов. Ор-
ганизационные цели устанавливают сроки проектных работ и органи-
зационную структуру, предусматривают прогрессивные формы организации
18
и стимулирования труда, повышение эффективности производства и ка-
чества работы.
По форме представления цели могут задаваться в виде количественных
и качественных показателей. Желательно, чтобы система целей
определялась минимальным числом показателей. Наглядным представлением
системы целей служит граф, или дерево целей.
Система целей может быть представлена также в виде таблицы, в
которой они группируются по определенным разделам. Следует подчерк-
нуть, что в разработке системы целей принципиальное значение имеет не
форма представления структуры, а содержательная сторона системати-
зации и упорядочения целей. Дело в том, что разбиение цели на поДцели
в общем случае не удается осуществить однозначным образом. Различные
разбиения могут использоваться в равной мере, если они обеспечивают
объективное и полное отображение целевой совокупности. Кроме того,
из-за отсутствия формализованных методов и процедур разбиением целей
занимаются проектировщики, что накладывает на целевую структуру
отпечаток индивидуального или группового подхода. Не менее сложна и
задача выражения целей в количественно измеримых показателях,
определения их предпочтительности и уровня значимости.
Моделирование проектируемой системы. Понятие "модель" допускает
много различных трактовок. В нашем изложении речь идет о математичес-
ких моделях, используемых в процессе проектирования. Моделирование
систем и условий их применения всегда играло важную роль при проекти-
ровании. Однако в последнее время в связи с необходимостью тонкого
анализа при создании новой техники и широкими возможностями современ-
ных ЭВМ эта роль стала, пожалуй, наиглавнейшей.
Усложнение конструкций, рост числа взаимосвязанных параметров и,
как следствие этого, расчленение при проектировании сложных систем на
более простые влекут за собой новую проблему - проблему согласования
характеристик отдельных частей системы, т.е. синтеза, который должен
давать возможность представлять конструкцию в целом, оценивать ее
разнообразные качества и соответствие исходным требованиям.
Реализация этих функций в значительной мере возлагается на
математические модели, что и придает им в современных условиях
исключительно важное значение. От качества моделей во многом зависит
судьба всего проекта системы.
Построение моделей - процедура неформальная, во многом определяе-
мая опытом, интуицией и талантом исследователя. Работая с одним и тем
же материалом, разные исследователи могут представлять его различным
образом, что отражает феноменологическую основу процесса моделирова-
19
ния. Основная задача (и трудность) моделирования - выделить реальные
ситуации из множества допустимых, сформулировать принципы их отбора,
описать эти принципы в тех терминах и переменных, которые наиболее
полно характеризуют проектируемый объект. Принципы отбора сужают мно-
жество допустимых решений, отбрасывая те, которые не могут быть реа-
лизованы. Чем* более совершенна модель, тем уже становится множество
реальных решений, тем точнее оказывается прогноз.
Моделирование объекта следует рассматривать не как метод расчета,
а как метод мышления, как средство формулирования понятий, целей,
возможностей. В соответствии с этим моделирование - суть звено при
переходе от содержательного к формальному описанию процесса
функционирования системы с учетом воздействия окружающей среды.
Широкий класс задач проектирования силовых конструкций ЛА связан с
линейными моделями вида
К5 = ф (1.1)
где К - функциональный оператор, отражающий жесткостные свойства
конструкции (конструкционный оператор); 5 - вектор, характеризующий
распределение материала в конструкции; q - вектор обобщенной
нагрузки, действующей на конструкцию.
Поскольку распределение материала выбирается в рамках определенных
конструктивно-силовых схем, а нагрузки ограничены условиями полета,
то искомый вектор 8 и обобщенная нагрузка q, очевидно, являются лишь
частью некоторых метрических пространств А и Q, удовлетворяющих в
общем случае уравнению (1.1), т.е.
бед, q G Q. (1.2)
Решение уравнения (1.1) сводится к обращению оператора К при
удовлетворении условий (1.2):
5 = к'ч. (1.3)
Приведенные математические соотношения представляют собой матема-
тическую схему, отражающую лишь структурную сторону задачи. На основе
этих схем разрабатываются рабочие модели. На практике используют два
вида моделей: приближенные и более точные. Первые ориентированы на
начальный этап проектирования, цель которого - установить лишь целе-
сообразность того или иного варианта. Эти модели отражают самые ос-
новные взаимосвязи параметров обычно при функционировании в экстре-
мальных условиях. Здесь широко используются статистические и экспери-
20
ментальные соотношения; аналитические зависимости, содержащие неболь-
шое число варьируемых параметров; приближенные решения, допускающие
безмашинную реализацию. Использование упрощенных методик позволяет
оценить большое число вариантов и отсеять заведомо худшие.
Вторая группа моделей применяется для уточнения параметров и
характеристик выбранных опорных вариантов. Для этой цели используются
по возможности наиболее точные математические модели. Решения, как
правило, выполняются с помощью ЭВМ. Здесь уместно обратить внимание
на одну особенность решений вида (1.3) применительно к задачам второй
группы. Дело в том, что задачи в форме (1.1)...(1.3) чаще всего
оказываются некорректно поставленными. Эго связано, в частности, с
тем, что обратный (интегральный в наших задачах) оператор К может и
не быть непрерывным (в метрике пространства Д), хотя дифференциальный
оператор К - вполне непрерывный. Тогда решение (1.3) может оказаться
неустойчивым. Подобного рода задачи являются предметом пристального
внимания математиков. Для эффективного решения неустойчивых задач к
настоящему времени созданы специальные методы регуляризации некор-
ректных задач, с которыми можно познакомиться в специальной
2
литературе .
§ 1.4. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
КОНСТРУКЦИИ ЛА
Известно, что каждый ЛА создается для решения конкретных задач. Но
их решение может быть осуществлено с различной степенью успешности: в
одних случаях используются последние достижения научно-технического
прогресса, тщательно отрабатывается каждое нововведение, в других -
базируются преимущественно на ранее достигнутых результатах. Разные
подходы к проектированию приведут к различным уровням совершенст-
ва ЛА.
Эти обстоятельства выдвигают на современном этапе одну из
важнейших проблем в области проектирования и производства ЛА -
создание таких объектов, которые не просто выполняют поставленную
задачу, а выполняют ее, достигая возможно больших результатов с
возможно меньшими затратами ресурсов. Разработка путей и методов
См. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач.
М. , Наука. 1979. 285 с.
21
решения проблемы создания ЛА, которые удовлетворяют указанному
требованию, предполагает комплексное рассмотрение вопросов проекти-
рования, технологии изготовления, обслуживания и применения ЛА с
учетом их роли в экономике народного хозяйства.
Характерной особенностью задач, возникающих при проектировании
конструкций ЛА, является противоречивость требований, подлежащих
реализации. Такие противоречия возникают, например, между требованием
минимальной массы и требованиями повышения живучести, выносливости,
надежности. Известно, что чем меньше излишней массы в конструкции,
тем она, как правило, дороже в изготовлении. Уменьшение излишней
массы позволяет повысить полезную нагрузку ЛА, но вместе с этим
возрастают производственные затраты на ЛА. Аналогичное положение
возникает и при повышении надежности и выносливости конструкции, так
как это достигается применением более дорогих технологических процес-
сов или более дорогих конструкционных материалов.
Стремление разобраться в противоречиях, обозреть проблему проекти-
рования в целом и выбрать нужные пути выдвигают на первый план задачу
комплексной оценки совершенства ЛА. С позиций системного подхода
такая комплексная оценка должна проводиться с точки зрения техни-
ческой новизны, во-первых, и прогрессивности по полезному действию,
во-вторых. Первой оценке соответствует технический уровень ЛА, вто-
рой - его эффективность. Эти два свойства ЛА самые общие, но одно-
временно наиболее информативные и потому наиважнейшие. Рассмотрим их.
Технический уровень ЛА. Понятие ’’технический уровень” относится к
наиболее общим свойствам ЛА, в числе которых на первом месте стоит
качество как форма проявления потребительной стоимости ЛА, т.е. спо-
собности ЛА удовлетворять определенные потребности людей. Технический
уровень ЛА - это характеристика новизны ЛА, использования последних
достижений научно-технического прогресса, которая придает ЛА новое
качество, позволяет улучшить функциональное совершенство или эконо-
мичность, или то и другое.
Специфической чертой технического уровня является его относи-
тельный характер. Эго означает, что для его оценки необходимо иметь
базу для сравнения. Обычно такой базой является реально достижимый
перспективный образец, обобщающий передовой научно-технический опыт
отечественных предприятий, лучших зарубежных фирм и обеспечивающий
его своевременное внедрение в практику.
Вышеизложенное дает основание определить технический уровень (ТУ)
как относительную характеристику качества ЛА, основанную на
сопоставлении значений показателей, характеризующих техническое
22
совершенство оцениваемого ЛА, с соответствующими базовыми значениями.
Новые прогрессивные свойства практически любых технических средств
справедливо связывают с научно-техническим прогрессом. Однако на пер-
вых порах новая техника чаще всего бывает экономически невыгодной из-
за недостаточной надежности» дорогой и трудоемкой доводки» неизбеж-
ность которой обусловлена самой новизной. При этом чем более передо-
выми в техническом отношении являются разрабатываемые и внедряемые
образны новой техники» тем значительнее становится накопление научных
и производственно-технических знании и опыта» которые необходимы для
перехода к следующим» более совершенным конструкциям летательных ап-
паратов и обслуживающих систем. Отсюда вытекает объективная потреб-
ность в неэкономической оценке технических систем на каких-то этапах
их жизненного цикла. Основным содержанием неэкономической оценки» ви-
димо» должно быть определение уровня научно-технического прогресса,
т.е. уровня новизны технической системы» что по своей природе отвеча-
ет смысловому содержанию оценки технического уровня.
Количественная оценка ТУ стимулирует применение наиболее перспек-
тивных конструкций, систем и методов эксплуатации и необходима при
прогнозировании облика перспективных систем. В ее основе лежит срав-
нение совокупности показателей ТУ рассматриваемого ЛА с соответству-
ющей совокупностью показателей базового образца (совокупностью базо-
вых значений показателей). Базовым образцом называется реально дости-
жимая совокупность значений показателей ТУ, принятых для сравнения.
Совокупность базовых значений показателей должна характеризовать оп-
тимальный ТУ ЛА на некоторый заданный период времени.
Исследование и оценка ТУ систем является первичной и наиболее
важной частью комплексной задачи - управления техническим уровнем,
которое, в свою очередь, является сердцевиной управления эффектив-
ностью. Поэтому не случайно то, что с понятием ТУ в последние годы мы
сталкиваемся все чаще и чаще. Будучи ранее объектом внимания лишь
специалистов, оно перешло на страницы важнейших директивных
документов. С ним тесно ассоциируются такие понятия, как "техническое
развитие”, "техническое перевооружение", "интенсификация производ-
ства” и др.
Управление ТУ должно производиться на всех стадиях жизненного
цикла ЛА. С методической точки зрения этот цикл целесообразно
расчленить на два этапа: первый - создание ЛА (этап проектирования
конструкции) и второй - эксплуатация. На первом этапе выявляются
основные рычаги научно-технического влияния, т.е. имеет место
непосредственное управление техническим уровнем. На втором этапе
23
проверяется соответствие достигнутого ТУ проектному, проводится
доработка ЛА и его сертификация. Оценка достигнутого ТУ используется
для определения направления дальнейшего совершенствования ЛА, а также
для уточнения временных и материальных затрат на его развитие.
Эффективность ЛА. В настоящее время термин ’’эффективность” - один
из самых распространенных. Исследованию эффективности технических
систем посвящена обширная литература, однако единого понимания сути
эффективности пока нет. Смысловое содержание эффективности определя-
ется как мера успешности человеческой деятельности, результаты кото-
рой весьма многообразны. Этим можно объяснить значительное разнооб-
разие встречающихся в литературе определений эффективности и аспектов
его рассмотрения.
В самом общем виде эффективность следует определять как категорию,
выражающую взаимосвязь ”цель-результат-затраты”. Причем эта взимо-
связь, как указывается в трудах классиков марксизма-ленинизма, состо-
ит в том, что общество должно ’’производить данный продукт с возможно
меньшими затратами сил и средств,... экономно расходовать свои ауты и
достигать производственной цели с наименьшей затратой средств” . В
данном определении - суть эффективности любой системы. В соответствии
с этим под эффективностью ЛА следует понимать его свойство обеспечи-
вать достижение необходимой конечнойцели при минимальных затратах
Подчеркнем одновременно, что эффективность как характеристика,
соизмеряющая цель, результат и затраты, пока не получила приемлемой
расчетной формы и потому, видимо, не нашла достаточно заметного внед-
рения. В теории и на практике в качестве самостоятельных направлений
развиваются две формы эффективности: техническая (боевая) - соизме-
ряющая цель и фактический результат, и экономическая - соизмеряющая
результат и затраты.
Трудно установить, кто и когда впервые ввел термин ”эффектив-
ность”; из анализа известных авторам источников очевидно, что пробле-
ма оценки эффективности существует с незапамятных времен, однако ши-
рокое развитие теория эффективности получила срвнительно недавно.
Первым известным трудом по теории боевой эффективности является
работа русского артиллериста В.Н.Шкларевича ”О средствах к установле-
нию правильного взгляда на свойства огнестрельного оружия” (1871 г.),
в которой сформулированы основные положения и общие принципы оценки
боевой эффективности вооружения. Под эффективностью оружия В.Н.Шкла-
Маркс К., Энгельс Ф. Соч., 2-е изд., т.26, ч.П. С. 608.
24
ревич предложил понимать "способность этого оружия к достижению
известного тактического результата". Этим трудом было положено начало
развитию теории эффективности вооружения и военной техники, которая
благодаря трудам русских и советских ученых превратилась в теорию
эффективности сложных технических систем. Становлению и развитию этой
теории посвящены многочисленные труды Е.С.Вентцель, Ю. В. Чуева,
Н.П.Бусленко, А.А.Червоного, А.В.Ильичева и ряда других советских
ученых.
В области экономической эффективности ЛА широко известны исследо-
вания Д.Л.Томашевича, А.В.Гличева, С.А.Саркисяна, С.М.Егера и др. В
качестве обобщенного показателя экономической эффективности чаще
всего используют соотношение
Э = Y/U (1.4)
либо
Э - Щ (1.5)
где У - целевая отдача ЛА; У - суммарная целевая отдача всего парка
ЛА данного типа; U, U - затраты на изготовление и поддержание
работоспособности в период эксплуатации одного ЛА и всего парка ЛА
данного типа соответственно.
Итак, ЛА характеризуется двумя колмплексными показателями: эффек-
тивностью и техническим уровнем. Эффективность отражает результатив-
ность ЛА и является показателем функционального совершенства. По
значению этого показателя можно сравнивать и выбирать ЛА. Однако при
всей своей представительности эффективность не дает информации о тех
свойствах ЛА, которые позволили получить заданную результативность.
Эту сторону отражает техническое совершенство ЛА, степень внедрения
результатов научно-технического прогресса, определяемые техническим
уровнем ЛА.
Чтобы новое поколение ЛА было совершеннее существующего, необходи-
мо обеспечить более высокий технический уровень новых образцов. Это
условие необходимое. Оно станет и достаточным, если при этом повысит-
ся и эффективность. Обеспечение взаимосвязи "технический уровень -
эффективность" - это главный вопрос проектирования и конструирова-
ния ЛА.
При заданных ресурсах (затратах) функциональное совершенство ЛА
определяется исключительно его техническими свойствами, прогрессив-
25
вании ЛА техническому уровню
Рнс. 1.2. Зависимость эффективность
— технический уровень
ностью нововведений, т.е. техничес-
ким уровнем. При этом каждому уров-
ню технического совершенства ЛА со-
ответствует определенное функцио-
нальное (целевое) совершенство. Если
ресурсы не заданы, то при проектиро-
вало ставить в соответствие не только
функциональное совершенство, но и потребные затраты, иначе говоря,
вполне определенные значения экономической и технической (боевой)
эффективностей.
Экспертный анализ показывает, что характер зависимостей между тех-
ническим уровнем и показателями эффективности достаточно правдоподоб-
но отражают кривые, приведенные на рис. 1.2. Действительно, опыт убеж-
дает в том, что использование нововведений значительно повышает
эффективность ЛА (как и других систем) лишь при сравнительно низких
абсолютных показателях эффективности. Удельная стоимость таких но-
вовведений, как правило, оказывается невысокой. По мере приближения к
предельным значениям эффективности характер зависимости ’’технический
уровень - эффективность” меняется: каждая следующая единица целевой
отдачи ЛА требует значительно больших усилий и затрат. Следовательно,
отношение "целевая отдача - затраты” (Y/U) имеет максимум, а соответ-
ствующий ему технический уровень ЛА очевидно можно трактовать как
наивыгоднейший (оптимальный).
Приведенный анализ указывает на то, что объективно существует наи-
выгоднейшее соотношение "технический уровень - эффективность”, при
котором возможности научно-технического прогресса реализуются наилуч-
шим образом. Главная цель проектирования ЛА и состоит в нахождении
такого соотношения. Первая задача на этом пути заключается в том,
чтобы научиться количественно оценивать эффективность и технический
уровень.
§ 1.5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТИВНОСТИ
И ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛА. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Измерительный механизм комплексной характеристики (эффективности,
технического уровня и др.) - это совокупность показателей, их матема-
тических моделей и методов измерения, обеспечивающих количественное
26
определение исследуемой комплексной характеристики. Наиболее общие
требования к измерительному механизму состоят в том, чтобы оценки
эффективности и технического уровня ЛА по своей сути были комплекс-
ными и системными. Системный подход ориентирует на анализ каждой
проблемы во всей ее полноте, во всех ее взаимосвязях. Он требует уче-
та органического единства технических, экономических, организационных
и других аспектов при поисках эффективного решения проблемы.
Как показывает опыт, формирование показателей может быть проведено
по различным основаниям. Главное в том, чтобы совокупность показате-
лей была полной и в то же время не содержала дублирующих показателей.
Система показателей эффективности (технического уровня) ЛА представ-
ляется образно в виде пирамиды, в основании которой находятся показа-
тели самого нижнего уровня (образующие» единичные показатели), кото-
рые отражают характеристики и возможности конструкционного материала,
деталей, соединений. Вершиной пирамиды является обобщенный показа-
тель. Между основанием и вершиной такой пирамиды может быть несколько
уровней комплексных показателей, характеризующих подсистемы ЛА.
Заполняющая пирамиду совокупность показателей должна иметь строгую
иерархическую структуру, соответствующую структуре исследуемой комп-
лексной характеристики. Только в этом случае может быть осуществлена
последовательная свертка единичных показателей в комплексные и обоб-
щенный, а также декомпозиция обобщенного показателя на составляющие
вплоть до единичных показателей. Другие требования состоят в том,
чтобы эти показатели:
имели количественное выражение, лучше всего в виде относительных
величин;
отражали качественные сдвиги, характеризующие развитие ЛА, борто-
вых систем и способов применения ЛА;
обеспечивали оценку эффективности и технического уровня ЛА с уче-
том влияния систем высшего и низшего уровней;
обеспечивали решение практических задач проектирования и конструи-
рования;
имели физический смысл и были статистически устойчивыми.
Система показателей само по себе еще не является полной характе-
ристикой измерительного механизма. Необходима взаимоувязка показате-
лей с помощью математических моделей. Наилучшие модели - это те, ко-
торые отражают физическую функциональную зависимость между показате-
лями. Подобным образом может описываться, например, зависимость массы
ЛА от уровней технического совершенства агрегатов планера и двига-
тельной установки, которые, в свою очередь, являются функциями
27
проектных параметров. Физические соотношения могут быть дополнены
экспериментальными или основанными на статистике связями. Чаще,
однако, из-за различной физической основы функциональные связи между
показателями отсутствуют. Тогда можно рекомендовать формально-
математический подход к описанию взаимосвязи показателей, при котором
моделируемый показатель представляется в виде некоторой средней
взвешенной величины.
В теории и практике исследования эффективности и технического
уровня ЛА наиболее широко используются следующие модели средних взве-
шенных показателей:
модель объединения эффектов
п
W = 2 а. ш.; (1.6)
м ' '
модель пересечения эффектов
п
W = П ».; (1.7)
/-1 '
модель комбинации эффектов
Л1 Л2
W = П w' 2 a. иГ, (1.8)
/-1 1 /-1 1 '
где W обобщенный показатель; w. - комплексный (единичный) показа-
тель; w'. - доминирующий комплексный (единичный) показатель; юГ -
недоминируюший комплексный показатель; - весовом коэффициент; л,
л^, л^ - число показателей.
Весовые коэффициенты определяются путем обработки статистических
данных или экспертными методами. В том случае, когда экспертами
проводится только ранжирование показателей w. в порядке убывания их
важности, высовые коэффициенты могут быть получены по формуле
а. = е'//л/2 е1/П , (1.9)
' /-1
где / - порядковый номер показателя w в ранговом ряду, определенном
экспертами.
28
Заслуживает внимания еще одна сторона измерительного механизма.
Речь идет о взаимосвязи показателей и критериев эффективности. В
литературе термины "критерий§ ** и "показатель** нередко используются как
синонимы. Однако такое отождествление далеко не во всех случаях
допустимо. Показатель» как следует из изложенного выше, характеризует
с количественной стороны какое-либо свойство объекта или процесса.
Назначение критерия несколько иное.
Критерий - это признак, на основе которого производится оценка,
определение или классификация чего-либо. Это есть мера, с помощью ко-
торой может быть вынесено суждение об относительной выгодности дан-
ного варианта системы. Критерий является интегральным признаком, воп-
лощающим в себе все наиболее существенные стороны эффективности. Он
выражает главные взаимосвязи факторов, определяющих эффективность, и
является основным признаком, отражающим главную цель, которую решает
рассматриваемая техническая система.
В процессе проектирования ЛА и его агрегатов обычно принимается во
внимание целый ряд целей (например, минимум затрат, минимум массы,
максимум целевой отдачи и т.д.). В таких ситуациях критериев оказыва-
ется много, однако и в этих случаях объективно существует принци-
пиальная возможность построения обобщенного, интегрального критерия
эффективности, соответствующего главной цели функционирования ЛА.
§ 1.6. ИЗМЕРИТЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛА
В качестве измерителей (показателей) технического уровня ЛА следо-
вало бы принимать характеристики нововведений. Эта была бы прямая
оценка технической новизны изделий. В отдельных случаях такой подход
используется на практике, однако чаще степень новизны оценивается
косвенно: через характеристики конструктивного совершенства изделия,
его эксплуатационные качества и технологичность.
Если какая-то характеристика ЛА по своей природе является обобщаю-
щей, то по ее уровню, как правило, и оценивают техническое совершен-
ство. Исключительно представительной характеристикой технического
уровня любого летательного аппарата является масса конструкции. Это
вполне понятно, так как вся конструкция суть вынужденный добавок к
полезному транспортируемому грузу. Массу конструкции ЛА условно можно
представить состоящей из трех частей. Первая часть массы конструкции
обеспечивает выполнение целевого назначения ЛА, это необходимая
масса.
Вторая часть массы обусловлена технологическими и экономическими
29
соображениями. Например, какая-то деталь ЛА делается прочнее, чем это
требуется для обеспечения безопасности и надежности полета, так как
для ее изготовления применен материал стандартной толщины, или какой-
то элемент конструкции выполняется постоянного сечения, чтобы избе-
жать трудоемкой обработки по длине для получения необходимого по
прочности переменного сечения, или делаются разъемы, которые не будут
использоваться в эксплуатации, но введение которых упрощает и удешев-
ляет технологический процесс. Эта часть массы является технологичес-
ким ’’довеском”, она может быть увеличена или уменьшена при соответст-
вующем упрощении или усложнении конструкции.
Наконец, третью часть массы составляют дискретные конструктивные
элементы, а также косынки, накладки, крепежные детали и т.д. Это кон-
структивный ”довесок”, который так же, как и технологический, не
является необходимым для работы конструкции. Вторая и третья части
массы составляют излишнюю массу. Доля излишней массы характеризует
массовое (весовое) совершенство ЛА, уровень отработки его конструк-
ции. Массовое совершенство ЛА во много раз выше, чем изделий в обыч-
ном машиностроении, хотя характер нагружения и другие условия для ЛА
значительно менее выгодные.
Нужно вместе с тем отчетливо представлять, что при всей представи-
тельности отдельных характеристик или параметров ЛА оценка техничес-
кого уровня по одному признаку всегда будет лишь приближенной. Осно-
вываясь на анализе основных функций и состояний, присущих ЛА на раз-
личных стадиях жизненного цикла, правомерно предположить, что комп-
лексная оценка технического уровня должна базироваться на анализе
конструктивного, эксплуатационного и производственно-технологического
совершенства ЛА.
Конструктивное совершенство - одна из самых представительных обоб-
щенных характеристик ЛА, включающая в себя: массовое, аэродинамичес-
кое, энергетическое и экологическое совершенство. Этим понятием опре-
деляют совокупность свойств и характеристик, присущих непосредственно
ЛА и мало зависящих от технологии производства и условий эксплуатации.
Производственно-технологическое совершенство (иначе - технологич-
ность) характеризует такие свойства конструкции, которые обеспечивают
достижение наиболее высоких производственных показателей: малой тру-
доемкости, простоты обработки, коротких сроков освоения производства
изделия, высокой степени автоматизации и механизации производственных
процессов.
Эксплуатационное совершенство отражает приспособленность ЛА к про-
цессу эксплуатации. К числу основных факторов, определяющих уровень
30
эксплуатационного совершенства ЛА, относят эксплуатационную техноло-
гичность и транспортабельность.
В соответствии с изложенным интегральная характеристика техничес-
кого уровня ЛА будет функцией указанных трех факторов:
(1.10)
(к) тта (п/т)
где w - показатель конструктивного совершенства ЛА; -
ТУ ТУ
(э)
показатель производственно-технологического совершенства; -
ТУ
показатель эксплуатационного совершенства.
Каждый из этих показателей в свою очередь определяется рядом пока-
зателей более низкого уровня. Интегральная оценка (1.10) технического
уровня ЛА производится с помощью комплексного, дифференциального или
смешанного метода. Комплексный метод оценки ТУ основан на применении
обобщенного показателя. При использовании дифференциального метода о
ТУ системы судят непосредственно по единичным показателям ТУ. Смешан-
ный метод оценки ТУ основан на совместном применении единичных и
комплексных показателей.
Комплексный метод оценки ТУ с использованием главного показателя,
отражающего функциональное совершенство системы. Во всех случаях,
когда имеется необходимая информация, определяют главный показатель и
устанавливают его функциональную зависимость от исходных показателей.
Функциональные соотношения могут быть дополнены экспериментальными
или основанными на статистике связями. Все эти зависимости необхо-
димы потому, что только по одному главному параметру функционального
совершенства нельзя судить о ТУ системы. Нужно сравниваемые системы
(исследуемую и базовую) поставить в сопоставимые условия, что дости-
гается путем уравнивания показателей обеих систем, определяющих функ-
циональное совершенство. Далее рассчитывается приведенный обобщающий
показатель, сопоставляя который с базовой характеристикой, и судят о
ТУ системы. Для примера, следуя В. И. Протопопову, проведем анализ ТУ
транспортного самолета .
Сравним два самолета, один из которых будем называть базовым
(индекс "б.с"), другой - рассматриваемым. Пусть в начале сравнения у
См. сб. 'Вопросы обеспечения технического уровня самолетов граж
Дакской авиации'. М.: МИИ ГА, 1984. С. 341.
31
обоих самолетов были одинаковые летные характеристики, взлетные мас-
сы, коммерческие нагрузки и, следовательно, одинаковые технические
уровни. Пусть далее у рассматриваемого самолета за счет более высо-
кого уровня аэродинамического совершенства, совершенства двигательной
установки, конструкции планера повысилась коммерческая нагрузка при
неизменных летно-технических характеристиках (ЛТХ). Тогда, если оце-
нивать ТУ по главному показателю функционального совершенства, техни-
ческий уровень рассматриваемого самолета будет определяться характе-
ристикой
V = Д /д . (1.11)
ТУ ком ком
б.с
где ^ком = Шком^Ш0 отн^ительная масса коммерческой нагрузки, mQ -
начальная масса ЛА.
Как правило, ситуация бывает более сложная: за счет технических
нововведений улучшаются ЛТХ, а коммерческая нагрузка может и не
изменяться. Однако и в этом случае улучшение ЛТХ условно может быть
оценено приращением коммерческой нагрузки на величину Am . При этом
вместо истинного значения т = т при оценке ТУ следует
ком ком^ J
б.с
учитывать приведенную коммерческую нагрузку
т = т + Ат , (1.12)
ком ком
б.с
а летные характеристики рассматриваемого и базового самолетов считать
одинаковыми. Технический уровень рассматриваемого самолета в соответ-
ствии с (1.11) и (1.12) будет определяться выражением
JV = 1 * = 1 * 0.13)
ТУ ком ком
б.с б.с
Заметим, что при такой трактовке величина Ад является функцией
только удельных параметров, определяющих уровень развития науки и
техники. В общем случае следует предусмотреть возможность использова-
ния полученного в результате улучшения удельных параметров приведен-
ного приращения относительной массы коммерческой нагрузки Ат не
только для улучшения летных характеристик, но и для увеличения реаль-
ного значения относительной массы коммерческой нагрузки Дком» т.е.
32
изменения и Я1ком« Однако, поскольку первопричиной изменения д
являются изменения удельных параметров, постольку, несмотря на воз-
можные изменения и тком> в первом приближении можно считать, что
величина Дт является функцией только удельных параметров X. и расчет
^ТУ сводигся к определению зависимости Дт = f(X^.
Если предположить, что удельные параметры X. независимы, то вели-
чину Дт можно определить как полный дифференциал относительной массы
коммерческой нагрузки:
Эд Эд.
= * йф (114>
Здесь
Д = 1-Ед=1-д-д - д -д -д , (1.15)
КОМ у/ т д.у см об к
где д , д , д , д . д - относительные массы топлива, двигатель-
т д.у си об к
ной установки, снаряжения, оборудования и конструкции соответственно.
В первом приближении
с L
д = : Д ~ k Д = ~— + Ь;
т KV д.у 7 О к р0
д = const; д = const; (1.16)
сн об
х1 = {Суд’ К’ * а' Ь' ₽0}>
где с - упетмт часовой расход топлива; L - дальность полета; К. -
аэродинамическое качество; V - скорость полета; д0 - тяговооружен-
ность самолета на земле; - удельная нагрузка на крыло; k^, 7, а,
Ь - статистические коэффициенты.
2 - 880
33
Эд
г-2—Дс
ос уд
УД
Дс
УД
с
ул
= д
ЭДт к _ ЬК_
ьк ** ’ дт к :
Эд
ду
Эу
Ду = д
А.У
А? Ч . ДЬ ф
(1.17)
Эд . Эд Дрл
к л а_____Дд к ж а г0
т---ал = — -----: z----ар = — — -------.
Эй ₽л а 0 Рл Рл
г0 г0 г0 О
Если пренебречь влиянием /лит на относительные массы д., то
r г 0 ком /
Эд Эд Эд Эд
КОМ _ КОМ _ КОМ______КОМ _ . /1 1С
Эд. Эд " Эд ’ Эд ’ “ L и,1й
/ т к ДУ
Подставив выражения (1.14), (1.17) и (1.18) в исходную зависимость
(1.13), после преобразовании получим искомую связь характеристики
технического уровня самолета с удельными параметрами, определяющими
уровень развития науки и техники,
Комплексный метод оценки ТУ с использованием среднего взвешенного
показатели. Средние взвешенные показатели при комплексном методе
оценки ТУ применяют в тех случаях, когда затруднительно определение
главного показателя и установление его функциональной зависимости от
исходных показателей ТУ. Конкретные соотношения между единичными и
комплексными показателями в этом случае выбирают в соответствии с
моделями (1.6)...(1.9).
Дифференциальный метод оценки ТУ. Дифференциальным называется
метод, основанный на использовании единичных показателей технического
34
уровня w.. При этом определяют, достигнут ли уровень базового изделия
в целом, по каким показателям он достигнут, какие показатели наиболее
сильно отстают от базовых.
Единичные показатели ТУ при дифференциальном методе рассчитывают
по формуле
х/4
если необходимо иметь
х. >
/
(1.20)
если необходимо иметь
z 6
х/< хг
где х. - значение /-го единичного показателя ТУ оцениваемого изделия;
б « *
х, - соответствующий базовый показатель.
При использовании дифференциального метода оценки ТУ принимаются
следующие решения:
ТУ оцениваемого технического средства соответствует современным
требованиям, если все относительные значения единичных показателей ТУ
больше или равны единице;
ТУ оцениваемого технического средства не соответствует современным
требованиям, если все относительные значения показателей ТУ меньше
единицы.
В случаях, когда часть относительных значений показателей ТУ боль-
ше или равна единице, а часть меньше единицы* следует применять комп-
лексный или смешанный метод оценки.
Смешанный метод оценки ТУ основан на совместном применении единич-
ных и комплексных показателей. Его применяют в случаях:
когда совокупность единичных показателей ТУ является достаточно
обширной и анализ значений каждого показателя дифференциальным мето-
дом не позволяет получить обобщающих выводов;
когда комплексный (главный) показатель функционального совершен-
ства в комплексном методе недостаточно полно учитывает все существен-
ные свойства изделия и не позволяет получить выводы относительно не-
которых определенных групп свойств.
Применение смешанного метода оценки состоит в следующем. Вначале
часть единичных показателей объединяют в группы и для каждой группы
определяют соответствующий комплексный (групповой) показатель. От-
дельные, как правило, важные показатели допускается не объединять в
35
группы, а применять их при дальнейшем анализе наряду с групповыми.
Затем на основе полученной совокупности комплексных (групповых) пока-
зателей оценивается ТУ изделия дифференциальным методом.
§ 1.7. ЦЕЛЕВАЯ ОТДАЧА ЛА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
По своей сути целевая отдача - это характеристика результативности
выполнения той задачи, ради которой создан ЛА. Многообразие целевых
задач, различные условия применения ЛА практически исключают возмож-
ность использования единого измерителя для оценки целевой отдачи
(следовательно, и эффективности) ЛА различных типов. На практике для
беспилотных ЛА и военных самолетов целевая эффективность понимается
как боевая эффективность, т.е. результативность боевого применения,
для гражданских самолетов - как производительность полетов. Причем то
и другое называют эффективностью ЛА, хотя более правильно было бы
трактовать указанные величины не как эффективность, а как эффект (ре-
зультат действия).
Есть еще одна особенность показателей целевой отдачи. Она обуслов-
лена тем, что успешный полет является случайным событием, так как
предсказать его с полной достоверностью не представляется возможным.
Однако, когда общее число полетов в данных условиях достаточно вели-
ко, т.е. когда использование ЛА как транспортного средства является
массовым, решаемые им задачи и условия применения достаточно одноооб-
разны и типичны для каждого ЛА, случайные события имеют вполне опре-
деленные закономерности, изучаемые в теории вероятностей.
Пользуясь методами теории вероятностей, можно исследовать самые
различные стороны целевой отдачи ЛА; проверять при проектировании,
насколько гармонично увязаны между собой боевые качества и проектные
параметры ЛА; определять, в каких условиях, против каких целей и
каким образом целесообразно использовать данный ЛА; наконец, сравни-
вать между собой боевые качества различных ЛА, способных решать ана-
логичные задачи.
При решении подобных задач будем исходить из того, что, во-первых,
из-за большого разнообразия решаемых целевых задач практически невоз-
можно иметь универсальную систему показателей. В каждом конкретном
случае должен быть выбран свой, наиболее целесообразный показатель
(измеритель) целевой отдачи, в наибольшей мере отвечающий характеру
данной задачи. Во-вторых, следует учитывать, что не все обстоятель-
ства,. влияющие на ведение военных действий, поддаются математическому
анализу. Отсюда следует, что численным значениям принятых показателей
36
нельзя приписывать абсолютный смысл. Эти значения пригодны только для
сравнительной оценки различных вариантов ЛА или различных способов их
применения. Рассмотрим наиболее представительные типовые задачи, ре-
шаемые ЛА, и соответствующие им трактовки целевой отдачи.
Случай 1. Рассматривается ЛА или комплекс ЛА, целью функционирова-
ния которых является достижение некоторого вполне конкретного резуль-
тата при некоторых строго установленных ресурсах. Желаемый результат
(например, поражение какого-то военного объекта, сбитие самолета, вы-
вод из строя корабля, подбитие танка и т.п.) моежт быть достигнут при
расходе выделенных ресурсов, а может быть и не достигнут в зависимос-
ти от того, в каком сочетании будет действовать множество случайных
факторов. Успешность операции оценивается по схеме "да-нет” ("все или
ничего"); промежуточные результаты являются несущественными. При та-
кой постановке задачи конечный результат функционирования ЛА (целевая
отдача) выражается случайным событием
А = (У > Y ), (1.21)
н
где У - возможный случайный (в общем случае) результат функциониро-
вания системы; У^ - необходимый результат для выполнения поставленной
задачи.
Поскольку цель функционирования ЛА достигается при наступлении
события А, то показателем целевой отдачи ЛА в рассматриваемом случае
очевидно является вероятность наступления этого события
Р(А) = Вер {У > У }, (1.22)
где ВЕР - оператор вероятности.
Если Р(А) = 1, то с достоверностью можно утверждать, что цель
функционирования будет достигнута. При Р(А) = 0 определенно цель не
может быть достигнута. Наконец, при 0 < Р(А) < 1 о возможности дости-
жения цели можно говорить лишь с некоторой вероятностью. Если, напри-
мер Р(А) = 0,8, то это означает, что среди множества случайных факто-
ров, влияющих на возможность достижения цели, 80 % таких, которые
благоприятствуют наступлению целевого события, и 20 % факторов, дей-
ствующих в противоположном направлении.
Конкретные формы зависимости (1.22) определяются, как было сказано
выше, конкретными задачами и условиями применения ЛА. Методики полу-
чения этих зависимостей излагаются в курсах "Теория вероятностей" и
’Исследование операций". Общий подход состоит в следующем.
37
Весь процесс функционирования ЛА расчленяют на отдельные фазы. Ти-
повыми фазами обычно считают: - дежурство или ожидание: А? - под-
готовка к применению и полет; А - воздействие внешней среды (проги-
О
водействие); А* - поражение заданной цели. Событие А, означающее, что
ЛА успешно функционирует, состоит в совместном проявлении указанных
независимых событий А, и согласно законам теории вероятностей являет-
ся произведением событий А
А = АААА. (1.23)
1^04
Искомая вероятность события А определяется на основании теоремы
умножения вероятностей:
Р(А) = Р(А )Р(А )Р(Д )Р(Л ). (1.24)
1 z 3 4
Введем обозначения:
Р(А) = Р; Р(А) = *; Р(А) = Р ;
I г 2 над
Р(А) = Р ; Р(А ) = Р , (1.25)
3 ну 4 усл
где k? - коэффициент боеготовности ЛА, иначе, вероятность того, что в
момент поступления заявки на применение ЛА находится в установленной
готовности; - характеристика надежности ЛА, т.е. вероятность
безотказной работы всех систем и агрегатов ЛА на протяжении всего
полета (или цикла функционирования); Р - вероятность неуязвимости
ЛА от средств противодействия противника; Р - условная вероятность
поражения цели.
Тогда формула (1.24) может быть записана в следующем виде:
Р = kP Р Р . (1.26)
г над ну усл
Вероятности k, Р , Р , Р являются основными показателями
г над ну усл
целевой отдачи зенитных управляемых ракет, ЛА класса ’’воздух-воздух”,
противокорабельных и противотанковых ракет и некоторых других типов
38
дд. Наиболее распространенные расчетные модели для этих показателей
приводятся в следующем параграфе.
Случай 2. Рассматривается ЛА или совокупность ЛА. целью функциони-
рования которых является получение максимально возможного среднего
результата, например максимального ущерба при действии по целям, за-
нимающим большую площадь, или многочисленным целям. Ресурс считается
заданным. При этом конечный результат очевидно будет представлять со-
бой случайную величину. В случае применения обычных ЛА цель не обяза-
тельно выводится из строя, поэтому термин "поражение цели" здесь
теряет смысл.
Смысл и основной показатель целевой отдачи ЛА для рассматриваемого
случая очевидно будут иными. В данном случае необходимо суммировать
частные результаты, что, как известно, отвечает сути математического
ожидания случайного результата. Напомним, что математическое ожидание
М[У] случайной величины Y равно сумме парных произведений всех воз-
можных значений случайной величины и соответствующих им вероят-
ностей
п
M[Y] = 2 уР (1.27)
I-1
где л - число частных значений случайной величины.
При обстреле группы одиночных целей или групповой цели частным
значением случайной величины у^ является число t сбитых целей, а ве-
роятности появления этих частных значений случайной величины - ве-
роятности поражения цели Р^. Число частных значений случайной величи-
ны л равно числу обстрелянных целей N^. Следовательно, в общем случае
математическое ожидание числа уничтоженных целей можно определить по
формуле
N
п
М[У] = Z и» (1.28)
i-1
Рассматриваемый случай функционирования ЛА характерен не только
Для ракет, в равной степени он относится и к самолетам. Их целевую
отдачу представляют как математическое ожидание работы, выполняемой
за единицу времени или полет. Эта характеристика называется произво-
дительностью самолета. Для гражданских самолетов, в частности, она
Рассчитывается по формуле
39
М[Г] = TG V , (1.29)
ком р '
где М[У] - производительность самолета в сутки (месяц, год), т*км; Т
- налет часов в ту же расчетную единицу времени; - коммерческая
нагрузка самолета, т; V - рейсовая скорость, км/ч.
Случай 3. Рассматривается ЛА или совокупность ЛА, целью функциони-
рования которых является обязательное получение некоторого заданного
конечного результата, независимо от того, сколько потребуется израс-
ходовать ресурсов. При этом конечный результат функционирования будет
представлять собой достоверное событие, а расход ресурсов для выпол-
нения задачи в общем случае будет случайной величиной U.
Подобного рода задачи характерны для многих типов ЛА как военного,
так и гражданского назначения. В качестве основного показателя целе-
вой отдачи таких ЛА естественно принять математическое ожидание рас-
хода ресурсов
m
M[U] = Z uJ>(u.). (1.30)
1
где и. - возможное значение расхода ресурсов на выполнение задачи при
Z-м цикле функционирования системы; Р(и^ - вероятность получения
значения и..
i
Рассмотренные три случая являются наиболее типичными. Опыт показы-
вает, что реальные задачи или совпадают с ними, или занимают промежу-
точное положение по отношению к рассмотренным случаям, не неся прин-
ципиально новых постановок. Эти три случая являются как бы вершинами
некоторого "треугольника эффективности", внутри которого находятся
все другие встречающиеся в практике исследования эффективности
случаи.
Таким образом, можно утверждать, что три показателя Р(А), М[У] и
М[1/] позволяют производить достаточно полную оценку целевой отдачи ЛА
в интересах решения широкого круга задач. Показатель Р(А) характери-
зует целевую боеспособность (надежность) ЛА, М[У] - целевую
производительность и М[1/] - целевую экономичность. В соответствии с
этим в самом общем случае модель обобщенного показателя целевой
отдачи ЛА W может быть представлена как система перечисленных трех
комплексных показателей:
40
w = {Р(Л), М[Г], (1.31)
На основе этой общей модели формируют индивидуальные (частные)
ноказатели для различных типов ЛА. (Эти показатели изучаются в смеж-
ных курсах по общему проектированию ЛА и их комплексов.) Для автома-
тических ЛА показатель целевой отдачи обычно отождествляется с пока-
зателем целевой надежности, важнейшей составляющей которого, как
следует из (1.26), является показатель надежности ЛА.
$ 1.8. НАДЕЖНОСТЬ ЛА И ЕГО СИСТЕМ
Основными показателями надежности ЛА являются: вероятность безот-
казной работы P(f); вероятность отказа Q(f); плотность распределения
вероятности отказов /(/); интенсивность отказов Х(/); среднее время
безотказной работы Т .
ср
Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что за
определенное время функционирования системы в заданных условиях
эксплуатации отказ не произойдет:
Р(0 = Вер {Г > /}, (1.32)
т.е. Pit) представляет вероятность того, что случайное время
безотказной работы Т больше заданного времени функционирования t.
Вероятность отказа Q(t) - это событие, противоположное Р(/), т.е.
Q(t) = Вер {Г < /}. (1.33)
Сумма вероятностей безотказной работы и появления отказа как про-
тивоположных событий равна единице, т.е.
Р(0 * Q«) = 1. (1.34)
Определение Р(/) и Q(f) производится на основе обработки информа-
ции об отказах и неисправностях технических систем. Во всех отраслях,
эксплуатирующих сложные технические системы, существует единая для
всех предприятий система сбора, учета и обработки информации об отка-
зах и неисправностях техники. Первичным документом информации для
анализа надежности является карточка учета неисправностей установлен-
ной формы. Карточки заполняют на основании технической документации,
гДе приводятся первоначальные записи об отказах и неисправностях.
Оформленные карточки пересылаются в организации, которые занимаются
проведением статистической обработки и анализом, а также подготовкой
Рекомендаций по повышению надежности.
41
Обозначим через W) число безотказно работающих в течение времени
t однотипных технических устройств, n(t) - число отказавших за это
время устройств, а через N° - число однотипных технических устройств,
поступивших в эксплуатацию,
N = W) * n(t). (1.35)
о
Тогда статистическая вероятность безотказной работы
= N(t)/N . (1.36)
О
С ростом N° эта функция сходится к P(t) и имеют место приближенные
равенства
Р*(П = Р«) (1.37)
И
Q*(0 = n(t)/N • Q«). (1.38)
О
Надежность элементов не всегда удобно характеризовать вероятностью
безотказной работы, так как для малых периодов времени работы элемен-
тов значения P(t) будут близкими к единице. Поэтому наряду с вероят-
ностью P(t) в качестве характеристики надежности используется плот-
ность распределения вероятности отказов /(/).
Статистическая плотность распределения вероятности отказов f* (/)
есть отношение числа отказов Дл^ однотипных технических устройств в
единицу времени, взятых для данного отрезка времени ДЛ, к числу
технических устройств N , поступивших на эксплуатацию, т.е.
♦ Дя(
h - лГдЬ • <L39)
о i
Если перейти от дискретного спектра плотности распределения ве-
роятности отказов к непрерывному распределению, т.е. принять Д/ -> О,
то
ДО = дг • (L40)
42
Следующая характеристика надежности - интенсивность отказов Х(/).
Она определяется числом отказов Дл^ в единицу времени, отнесенным не
ко всему числу технических устройств, первоначально взятых под наблю-
дение, а к числу исправно действующих в данный момент технических
устройств Nrf т.е.
х- = ±<_
При Д/. -*0 из выражения (1.41) получим
Х(П = N'(t}
dnlt)
di
Подставляя сюда выражения (1.40) и (1.36). имеем
(1.41)
(1.42)
(1.43)
XU) =
Ш)
Pit) •
По смыслу интенсивность отказов является условной вероятностью
того, что элемент, проработавший безотказно до момента t, откажет в
последующую единицу времени. Исходя из того, в теории надежности ха-
рактеристику Х(() иногда называют опасностью отказа.
Приведенные характеристики надежности связаны между собой функцио-
нальной зависимостью. Действительно, из уравнений (1.34), (1.38).
(1.40) и (1.43) имеем
МЛ - - рЬг «•">
Проинтегрировав это уравнение, получим
P(t) = exp
г t
- J Х«)Л
(1.45)
В соответствии с (1.47) и (1.49) имеем
fit) - Х(/)ехр
г t
- J \(t)dt
о
(1.46)
43
Еще одной важной характеристикой надежности является среднее в[
безотказной работы, представляющее собой математическое ожид;
времени безотказной работы. В общем случае
оо оо
Г = f Pit)dt = [ exp
ср J J
0 0
r t
- J Х(/)Л
0
(1.47)
Опыт эксплуатации и результаты исследований показывают, что в те-
чение периода нормальной эксплуатации (т.е. после отработки системы),
когда влияние законов распределения весьма незначительно, можно без
большой для практики погрешности считать, что интенсивность отказов
технических устройств от времени не зависит и практически является
постоянной величиной, т.е.
Х(/) = X = const. (1.48)
При этом вероятность безотказной работы описывается экспонен-
циальным законом
Pit) = exp (- X/). (1.49)
Существенно упрощаются и другие показатели надежности:
fit) = \it)Pit) = Хехр (- Xt); (1.50)
ОО оо
Т = f Pit) = f exp (-Х/) dt = 1A. (1.51)
ср J J
о о
Учитывая выражения (1.51), зависимость (1.49) можно представить в
виде
Pit) = exp (- tfT ).
ср
Если t < Т , то
ср
Pit) = 1 -tfT = 1 - X/;
ср
Q(0 = tfT = X/.
ср
(1.52)
(1.53)
44
Погрешность при таком упрощении не превышает 0.5//Т .
q>
Надежность силовой конструкции ЛА. Изложенные выше показатели
надежности в своей основе ориентированы на математические (формаль-
ные) методы расчета. При использовании этих методов принимают, что
изменение надежности подчиняется некоторым статистическим закономер-
ностям, которые определяются лишь экспериментально. При этом нельзя
выяснить причины отказов и непосредственно определить возможности их
устранения. Подобным образом оценивают надежности ЛА в целом, элект-
ромеханических агрегатов, пиротехнических устройств, деталей машин и
механизмов, работоспособность которых лимитируется изнашиваемостью
частей и др.
В последние годы актуальной стала задача количественной оценки на-
дежности силовых конструкций. Эго связано с тем, что по мере накопле-
ния опыта проектирования и повышения культуры конструирования при
расчете конструкции на прочность стало возможным уменьшение коэффи-
циента безопасности до 1,35 и даже 1,25. Следствием уменьшения коэф-
фициента безопасности является снижение не только массы силовой
конструкции, но и надежности. Так, если при коэффициенте безопасности
f = 1,5 надежность конструкции представляет чисто теоретический инте-
рес: настолько она велика по сравнению с надежностью других частей ЛА
(системы управления, двигательной установки и т.д.), то при коэффи-
циенте безопасности 1,25 надежность конструкции становится соизмери-
мой с надежностью остальных частей ЛА.
.Для оценки надежности силовых конструкций в большинстве случаев
наиболее подходящи не формальные математические методы, а методы,
учитывающие физические причины отказов. При этом надежность конструк-
ции, по существу, понимают как вероятностную прочность. Показателем
надежности при таком подходе является вероятность превышения несущей
способности конструкции над действующими нагрузками. И несущая спо-
собность конструкции, и действующие нагрузки рассматриваются как слу-
чайные величины.
В общем случае под несущей способностью конструкции понимается
случайная характеристика
R(f) = a (OS, (1.54)
доп
гДе а (О - допускаемое напряжение в конструкции; S - функция
доп
геометрических параметров.
Случайный характер несущей способности конструкции обусловлен не-
45
однородностью структуры и прочностных характеристик конструкционных
материалов, допусками при изготовлении конструкции, влиянием фактора^
времени. При длительном хранении ЛА ухудшаются механические характер
ристики материалов, вследствие коррозии изменяются геометрически^
размеры силовых элементов, при действии повторно-статических нагрузок
возникает опасность усталостного разрушения. При длительном аэродина-
мическом и лучистом нагреве наблюдается ползучесть материала.
Характер внешней нагрузки N(t) определяется взаимодействием ЛА с
окружающей средой. В условиях полета основное влияние на конструкцию
оказывает воздушный поток, случайный характер течения которого связан
с турбулентностью атмосферы и обтекания, аэроупругостью, а также с
работой системы управления. Важную роль играет аэродинамический и лу-
чистый нагрев конструкции. В ряде случаев весьма существенной оказы-
вается нагрузка при транспортировке ЛА, которая также носит случайный
характер.
Показатель надежности конструкции с позиции вероятностной проч-
ности
Vh = Вер {R(t) > W)}.
(1.55)
На этапе проектирования допустимо рассматривать не весь случайный
процесс (за все время полета ЛА), а лишь сечение случайного процесса
в расчетных случаях нагружения, определяемых при расчете на проч-
ность. Для этих условий, предположив, что распределения случайных ве-
личин RhN подчиняются нормальному закону, показатель надежности си-
ловой конструкции может быть рассчитан по известной формуле А.Р. Ржа-
ницына
W = 1/2 * Ф(у),
н
(1.56)
где Ф(?) - функция Лапласа; 7 - характеристика безопасности.
M(R) -M(N)
M(R), M(N) - математические ожидания R и N; а„, - средние
квадратические отклонения этих же величин.
Более общий метод расчета надежности, основанный на теории мно-
жеств, создан В. В. Болотиным. Согласно этому методу вводятся некото-
рое пространство качества системы, область допустимых состояний сис-
46
темы и траектория изменения качества системы по времени. Выход этой
траектории из области допустимых состояний трактуется как отказ сис-
темы. Характеристикой надежности является вероятность невыброса слу-
чайного поля или процесса за заданный уровень.
§ 1.9. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ ЛА
Выше было показано, что новые свойства технических систем получают
благодаря научно-техническому прогрессу. При заданных ресурсах (за-
тратах) эффективность ЛА и их комплексов определяется исключительно
прогрессивностью нововведений, т.е. техническим уровнем. Это значит,
что основное требование к ЛА и его конструкции состоит в том, чтобы
при проектировании и производстве ЛА обеспечить максимально высокий
технический уровень. Это требование, в свою очередь, как следует из
(1.10), представляет собой совокупность требований конструктивного,
производственно-технологического и эксплуатационного совершенств.
Требования конструктивного совершенства. Эти требования охватывают
наиболее широкий круг проблем, важнейшие из которых: массовое, аэро-
динамическое, энергетическое и экологическое совершенства.
Массовое (весовое) совершенство отражает уровень конструктивно-
прочностной проработки системы. Чем меньше масса при реализации за-
данных характеристик целевого назначения, тем более технически совер-
шенен и экономически эффективен ЛА. Поэтому снижение массы конструк-
ции является наиглавнейшей задачей конструктора. Массовое совершенст-
во характеризуется относительной массой конструкции, представляющей
собой отношение массы конструкции ЛА (или отдельного элемента) к
полной (начальной) массе изделия.
Аэродинамическое совершенство ЛА - это интегральная характеристика
аэродинамического сопротивления, подъемной силы, аэродинамического
качества, скорости и дальности полета. Аэродинамика оказывает непо-
средственное влияние на все характеристики ЛА: чем выше аэродинами-
ческое качество, тем при прочих равных условиях требуется меньшая тя-
га двигателей, меньший запас топлива для полета на заданное расстоя-
ние, тем, следовательно, меньше масса всего ЛА. Все это ставит аэро-
динамическое совершенство в число наиважнейших составляющих техничес-
кого уровня ЛА.
К показателям аэродинамического совершенства относятся коэффи-
циенты лобового сопротивления и подъемной силы и аэродинамическое
качество. Поскольку аэродинамическое совершенство оказывает непосред-
ственное влияние на энергозатраты, необходимые для выполнения полета,
47
то они (или величины, им пропорциональные) могут выступать в качестве
обобщенного показателя. В частности, для летательных аппаратов
большой дальности, как следует из формулы Бреге. ।
L = ^-ih j i . (1.58) |
уд T I
при заданных энергетических ресурсах дальность полета тем больше, чем
больше произведение XV. которое, следовательно, может быть принято в
качестве показателя аэродинамического совершенства. В формуле (1.58)
обозначено: К - аэродинамическое качество; V - скорость полета; -
удельный часовой расход топлива; - относительный запас топлива.
Энергетическое совершенство ЛА связывают с расходом топлива. В
свою очередь, расход топлива определяется, с одной стороны, уровнем
потребных энергозатрат, обусловленных траекторией движения ЛА и его
аэродинамическим совершенством, и с другой - совершенством двигатель-
ной установки, включая характеристики топлива, массовые (весовые) ха-
рактеристики конструкции двигателя, его термодинамические качества.
Конкретные показатели определяются типом двигательной установки.
Однако во всех случаях в числе показателей технического уровня должны
фигурировать удельная тяга или удельный расход топлива и относитель-
ная масса конструкции двигательной установки.
Экологическое совершенство ЛА отражает его влияние на окружающую
среду. Защита окружающей среды в наше время становится межгосударст-
венной проблемой, обостряющейся с развитием техники. Новые виды энер-
гетики, использование космического пространства становятся предметом
международных соглашений и ограничений. Экологические показатели осо-
бенно важны для пилотируемых летательных аппаратов.
Требования производственно-технологического совершенства. Термином
"производственно-технологическое совершенство" определяют такие
свойства конструкции, при помощи которых в процессе производства ЛА
можно достигнуть наиболее высоких производственных показателей. Повы-
шению технологичности способствуют: расчленение конструкции на агре-
гаты. отсеки и панели; простота конструкции; минимальное число дета-
лей; простые конфигурации деталей, допускающие применение высокопро-
изводительных процессов; правильный выбор конструкционных материалов
с учетом их технологических свойств; минимальный расход материалов.
Поясним эти требования.
Современный уровень и масштабы производства ЛА требуют комплекс-
48
ного решения вопросов проектирования конструкции, разработки техноло-
гии и организации производства. Одним из важнейших результатов такого
комплексного подхода является широкое применение принципов расчлене-
ния конструкции на отдельные сборочные единицы. Тщательно продуманная
система разъемных и неразъемных соединений дает возможность повысить
производительность труда при производстве ЛА и его ремонте. Это
достигается за счет узкой специализации рабочих и особенно за счет
создания лучших условий труда на каждой из операций (так, например, в
зависимости от позы, которую вынужден принимать рабочий, производи-
тельность его труда может изменяться в два-три раза). Расчленение
конструкции позволяет организовать узкую специализацию производства,
создать специализированные цехи и заводы и на этой основе значи-
тельно сократить производственный цикл за счет параллельного изготов-
ления отдельных частей ЛА. Большие преимущества в эксплуатации дает
модульность конструкции, позволяющая значительно уменьшить простои и
сократить трудоемкость при техническом обслуживании и ремонте. Пре-
имущества модульности сказываются также на числе потребных типоразме-
ров ЛА, а следовательно, и на интегральных экономических характерис-
тиках системы.
Простота конструкции, пожалуй, самая комплексная характеристика
технологичности. Создать простую конструкцию всегда труднее, чем
сложную, но зато такая конструкция всегда значительно лучше осваива-
ется производством. Упрощение конструкции достигается за счет целого
ряда факторов: важное значение имеют простая конфигурация деталей,
использование стандартных и нормализованных деталей, применение мини-
мальных числа типоразмеров и номенклатуры материалов и полуфабрика-
тов. Большие возможности упрощения конструкции открывает также
использование ранее освоенных в производстве и апробированных в
эксплуатации узлов и деталей. Простота и технологичность конструкций
существенно зависят от метода получения заготовок.
Значительное влияние на технологические свойства ЛА оказывает при-
меняемый материал. Механические и физические свойства материала
должны обеспечивать минимальную массу конструкции, допускать примене-
ние высокопроизводительных технологических процессов. Материалы
должны быть коррозионно-стойкими, иметь низкую стоимость и недефицит-
ное сырье. С точки зрения технологии производства и эксплуатации
очень важно, чтобы конструкционный материал не имел склонности к
образованию трещин и хорошо обрабатывался. Эти качества материала тем
лучше, чем выше его пластичность, которая свидетельствует о способ-
ности материала поглощать энергию при деформировании и потому являет-
49
ся важнейшей характеристикой работоспособности, а следовательно, |1
ресурса конструкции. I
Производственно-технологическое совершенство ЛА зависит также и от
общего технического уровня производства - степени освоения передовых
методов обработки материалов, состояния станочного парка, уровня
автоматизации и механизации производственных процессов и т.п. Техно-
логичность конструкции ЛА проявляется на этапе его создания черфз
трудоемкость и себестоимость производства. На последующих стадиях
жизненного цикла ЛА технологичность конструкции ЛА влияет на его
эффективность через такие эксплуатационные факторы, как удобство
контроля состояния, обслуживания и ремонта, надежность и долговеч-
ность и т.п.
Интегральная оценка производственно-технологического совершенства
ЛА на сегодняшний день является нерешенной задачей. На практике
применяются следующие показатели: время освоения производства нового
ЛА; удельная трудоемкость производства, представляющая отношение
суммарных затрат времени на изготовление ЛА к массе пустого ЛА;
степень преемственности конструкции, представляющая отношение числа
деталей, использованных в предыдущих модификациях, к общему числу
деталей; степень расчленения конструкции, характеризуемая максималь-
ными габаритными размерами неразъемного агрегата (панели); удельная
материалоемкость, равная отношению массы готовой конструкции к
суммарной массе заготовок.
Требования эксплуатационного совершенства. Под эксплуатационным
совершенством понимают совокупность свойств ЛА, характеризующих его
приспособленность к эксплуатации. К числу основных требований, опре-
деляющих уровень эксплуатационного совершенства ЛА, относят эксплуа-
тационную технологичность и транспортабельность.
Эксплуатационная технологичность характеризует приспособленность
конструкции и бортовых систем к прогрессивным, высокоэкономичным ме-
тодам технического обслуживания и ремонта. Решающее влияние на
эксплуатационную технологичность оказывают контролепригодность,
доступность, легкосъемность, взаимозаменяемость и унификация систем и
агрегатов.
Контролепригодность - это приспособленность ЛА к проведению конт-
роля параметров и характеристик различными средствами и методами.
Данные контроля, характеризующие состояние конструкции и бортовых
систем, являются основой для управления процессом эксплуатации. Важ-
нейшая задача контроля заключается в диагностировании состояния ЛА,
его систем, агрегатов и деталей. Трудоемкость ее решения зависит от
50
уровня автоматизации контроля, которая позволяет значительно расши-
рить область контроля при одновременном сокращении времени его прове-
дения. Развитие автоматизации идет как по линии создания специализи-
рованных подвижных наземных измерительных установок, так и по линии
расширения и совершенствования систем встроенного контроля. Контроле-
пригодность оказывает решающее влияние на внедрение в практику новых,
более эффективных методов технического обслуживания и ремонта.
Очень важно, чтобы конструкции узлов крепления оборудования обес-
печивали легкосъемность, т.е. возможность замены блоков оборудования
с минимальными затратами труда и времени. Важную роль играет взаимо-
заменяемость комплектующих изделии и деталей. Она способствует сокра-
щению затрат труда, материалов и простоев ЛА при техническом обслужи-
вании и ремонте. От этого фактора зависит успешное проведение агре-
гатно-узлового ремонта, а также обслуживания по состоянию.
Еще одним важным фактором, определяющим эксплуатационную техноло-
гичность летательных аппаратов, является унификация элементов и от-
дельных узлов. Унифицированными считаются:
составные части изделия, выпускаемые по стандартам данного пред-
приятия, если они используются хотя бы в двух различных изделиях,
изготовляемых этим предприятием;
составные части изделия, не изготовляемые на данном предприятии, а
получаемые им в готовом виде в порядке кооперирования;
заимствованные составные части изделия, ранее спроектированные для
конкретного изделия и примененные в двух или более других изделиях.
При выполнении требований унификации эксплуатация ЛА различного
типа будет иметь много общего, что упрощает и удешевляет эксплуата-
цию, способствует повышению ее качества, сокращает потребную конт-
рольно-проверочную аппаратуру, уменьшает номенклатуру запасных
частей.
На практике эксплуатационная технологичность оценивается рядом
обобщенных показателей, основные из которых: затраты времени на
техническое обслуживание и ремонт; трудоемкость технического обслужи-
вания и ремонта; номенклатура и стоимость потребных запасных частей;
уровень унификации. Затраты времени на техническое обслуживание и
ремонт зависят от характера отказов и их интенсивности и определяются
в соответствии с моделью функционирования ЛА. При этом определяющим
фактором является модульность конструкции; показателем трудоемкости -
затраты живого труда на каждую регламентную форму обслуживания.
Номенклатура и стоимость запасных частей зависят от потребного уровня
технической готовности ЛА и ресурса комплектующих изделий. Наконец,
51
показатели унификации характеризуются
филированных и оригинальных составных стандартных’ У™"
Транспортабельность характеризует г?стеи ® ЛА’
тированию, т.е. к перемещению в про'^пособленность ЛА к .
целевым использованием, а также к по^™6’ ** «хфовождающемус
операциям, связанным с транспортирован?*0^^ и
К подготовительным операциям относк 1
B=IW тару, довивание.
разборка изделия, защита от воздействкМе™3аиия* П0?>УЗК.’ частачная
и т.п. Заключительными операц™'’ У^Р03 и зибРации* крепление
транспортного средства, распаковывание, НаПрИМвР’ Р^У3*®
Как правило, транспортные операции ^^орка и т.п.
цесса функционирования ЛА. При угоц',вля,отся час™° "Р0"
группами измерителей: показателями <k*“ 0UfiHKa "Р0"3®0®"™ ДВУМЯ
временными и стоимостными затратами совершенства и
выполнение подгоговигельно-заключигелы? Л^портарование изделия и
зателей рассматривается обычно относите* Р^’ Вторая ГруППа
рования, одной перевозки, доставки и t.i>ho единицы "У™ 1Ранспорти-
Г л а в а 2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ Qp„„,
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕККг^
КОНСТРУКЦИЙ ЛА ИРОВАНИЯ
§2.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗМ
ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РАБОг1ЛИИ
Автоматизированное проектирование ГС\~_
тавления описания еще несуществующей)^ 0ПРеделяет как пРоцесс сос"
преобразования описаний объекта и (или?6*9™* К<ГТ“ ОТДелЬНЫе
ния или алгоритма процесса, а также пр^ алгоРи™а ФУ^«Шюнирова-
ных языках осуществляются с взаимодей^ДсгавлениЯ °™C^X Р^'
Автоматизация проектирования в начу6** человека и ЭВМ.
необходимостью. Эго направление в про< СЧИГаеГСЯ неоспоРимои
пективное практически во всех ивдустрта ТиРовании признается как пере-
тих сложные образцы новой техники. rWn>H0 развиП“ СфаНа*’ аВДаЮ'
тающего внимания к автоматизации "Р^ непРеРывно ВО^'
видимо, связана с все усложняющейся н>ектио-конс^укгорских работ,
циалисгов. в ведущих отраслях промышл^^6*10®^- П° 0ЦеНКЗМ
число различных классов технических ^юсти:
через каждые 10 лег; в ^Днем
52
сложность изделии по числу деталей и узлов возрастает в два раза
через 15 лет;
объем научно-технической информации, используемой в конструк-
торских разработках, удваивается через 8 лет;
время создания новых изделий уменьшается в два раза примерно через
25 лет, одновременно сокращается время морального старения изделий.
В итоге объем проектно-конструкторских работ в последнее время
возрастает примерно в 10 раз через каждые 10 лет. Значит, если техно-
логия проектирования не будет изменяться, то необходимы такие же тем-
пы увеличения числа специалистов, что нереально. Необходима интенси-
фикация и значительное повышение производительности конструкторского
труда. Проектирование, пожалуй, единственная область деятельности че-
ловека, в которой с момента ее возникновения и до наших дней достиг-
нуты самые минимальные результаты в повышении производительности тру-
да. Так, в технически развитых странах производительность труда в
производстве с 1900 по 1960 год выросла в среднем на 1000 %, а в кон-
струировании - лишь на 20 %. Магистральный путь интенсификации
проектно-конструкторских работ - их автоматизация.
Усложнение проектируемых конструкций затрудняет целостное обозре-
ние и должную увязку входящих подсистем, поэтому на повестку дня вы-
двигается проблема изменения технологии проектирования конструкций,
особенно в части обработки информации, представления ее в таком виде,
который освобождает конструктора от рутинных, нетворческих работ и
тем самым предоставляет дополнительные возможности для научно-
технического творчества. В этом одна из важных функций автоматизации
проектных работ.
Еще одним следствием усложнения конструкций является, как извест-
но, расчленение при проектировании сложных систем на более простые,
что влечет за собой новую проблему - проблему согласования характе-
ристик отдельных частей системы, т.е. синтеза, который должен давать
возможность представлять конструкцию в целом, оценивать ее разнооб-
разные качества и соответствие исходным требованиям. Решение этой за-
дачи, практически невозможное без ЭВМ, на сегодня является также важ-
нейшей функцией автоматизации проектных работ.
Автоматизированное проектирование конструкций - это качественно
новый уровень проектирования, позволяющий:
повысить производительность конструкторского труда и облегчить
сам труд за счет исключения ручных рутинных работ и благодаря расши-
рению возможностей проявления творческого потенциала конструктора;
повысить качество проектов благодаря внедрению более совершенных
53
методологии и технологии проектирования, что возможно лишь в условиях
автоматизации процесса проектирования;
снизить стоимость разработки проекта вследствие уменьшения кон*
цептуальных ошибок, свойственных начальному периоду проектирования.
Тенденции развития вычислительной техники и средств машинной гра-
фики позволяют рассчитывать на то, что в недалеком будущем потреб-
ность в освоении конструктором тонкостей программирования в основ-
ном отпадет. Программы станут проще, более широко будет использо-
ваться естественный язык диалога с машиной; существенно упростятся
программы логических операций и т.д.
В этих условиях особо значимыми становятся методология проекти-
рования, обобщение процессов конструирования, выявление необходимых
при автоматизации возможностей упорядочения процессов. Причем это от-
носится не только к информационно-справочной базе, но и к расчетным
режимам, математическим моделям, принципам выбора вариантов и т.д.
Изложение этих вопросов с акцентом на новые задачи для конструкторов
в условиях автоматизированного проектирования и является основным со-
держанием настоящей главы.
Термин "автоматизированное" проектирование (а не автоматическое)
подчеркивает тот факт, что в процессе проектирования ведущая роль
остается за конструктором. Автоматизация относится к работе с банками
данных, включая хранение, оперативную коррекцию и выдачу данных в
нужных форматах, документирование данных и др.
Учитывая то, что в процессе проектирования основное время затрачи-
вается именно на получение данных, их переработку, обмен информацией,
нельзя не согласиться с тем, что автоматизация всех видов работы с
данными имеет решающее значение для повышения производительности тру-
да проектировщика и, в частности, позволяет избежать тех больших вре-
менных затрат и ошибок, которыми сопровождается сегодня обмен инфор-
мацией между подразделениями и исполнителями. В связи с этим уместно
отметить еще то, что преимущества автоматизированной работы с данными
проявляются, очевидно, тем отчетливее, чем больше объем и сложнее
структура обрабатываемой информации, чем больше информационных связей
между пользователями и чем шире круг этих пользователей.
Вернемся к функциям проектировщика. Его роль, как указано выше,
ведущая. Все неформальные процедуры, когда требуется интуиция и опыт,
когда нужно принимать решения в условиях неопределенности, возлагают-
ся на человека. Это общий принцип. Чтобы его реализовать, современные
автоматизированные системы строятся на основе диалога человек - ЭВМ.
Режим диалога с ЭВМ (так называемый интерактивный режим) в целом
54
ряде случаев открывает качественно новые возможности для решения не-
формализуемых проектных задач и существенно повышает производитель-
ность труда инженера. С помощью пульта управления проектировщик может
вводить исходную информацию, корректировать параметры, геометрические
размеры, менять последовательность вычислений, повторять циклы расче-
тов и т.д. При этом в целях контроля вся информация как цифровая, так
и графическая может отображаться на экранах дисплеев. При проектиро-
вании объектов со сложной геометрией на экране можно получать прост-
ранственное изображение всей конструкции, ее различные сечения, от-
дельные виды и т.д. Режим диалога удобен и тем, что пользователь не
обязан знать языки программирования, так как вся информация на экране
дисплея отображается на языке, близком к естественному.
Здесь необходимо сделать одно замечание. Может сложиться такое
представление: через какое-то время появятся ЭВМ следующего поколе-
ния, имеющие быстродействие, измеряемое десятками миллионов операций
в секунду, расширятся возможности терминальных устройств, будет соз-
дано мощное общеинженерное математическое обеспечение, и все проблемы
будут решены. Это - глубокое заблуждение.
Конечно, без хороших вычислительных машин не будет хороших систем
автоматизированного проектирования. В еще большей степени это отно-
сится к системам математического обеспечения. Но в конечном счете все
это лишь технические устройства - инструмент. Надо еще уметь им поль-
зоваться. Чем сложнее инструмент, тем труднее им пользоваться, тем
выше должна быть научная и инженерная культура пользователя.
Задача не только в том, чтобы уметь использовать современный инст-
рументарий, но и в том, чтобы его совершенствовать, лучше приспосаб-
ливать к инженерным задачам. В первую очередь это относится к про-
граммам диалога. Их совершенствование возможно лишь на основе объеди-
нения усилий математиков и конструкторов. Причем потребное содержание
диалога может сформулировать лишь конструктор. Разработка содержа-
тельной части диалога, т.е. специальной системы правил и алгоритмов,
отражающих процедуры выявления, оптимизации и изображения технических
решений, - это одна из важнейших функциональных обязанностей инжене-
ра-конструктора.
Основная трудность конструкторского диалога связана с очень боль-
шой размерностью задач, описывающих функционирование конструкции.
Расчеты на прочность и аэроупругую устойчивость силовых конструкций
ЛА занимают часы процессорного времени даже на ЭВМ с быстродействием
в миллионы операций в секунду. Если выбирать параметры конструкции ЛА
с учетом воздействия спектра тепловых и силовых нагрузок, то стано-
55
вится ясно, что даже для перспективных ЭВМ проблема организации диа-
лога конструктор - ЭВМ не может быть решена с помощью прикладного
обеспечения, основанного на поверочных методах расчета конструкций. В
то же время использование быстродействующих, но упрощенных моделей и
методов для организации диалога с ЭВМ может оказаться недопустимым с
точки зрения несоответствия между потребной точностью расчета и
грубостью упрощенных моделей и методов.
Проблема организации конструкторского диалога должна решаться с
помощью ’’быстродействующих** процедур с простым и понятным конструкто-
ру способом постановки вопроса и понятной ему формой ответа. Создание
таких процедур - новое направление прикладных разработок. Некоторые
из них излагаются в следующей главе.
§ 2.2. ОБЛАСТИ ПЕРВООЧЕРЕДНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Первый вопрос на пути практической автоматизации процесса проекти-
рования - какие проектно-конструкторские работы следует автоматизиро-
вать в первую очередь. Единого мнения по этому вопросу не существует.
На наш взгляд, наиболее обстоятельный анализ направлений автоматиза-
ции приведен в [2]. Рассмотрим эти направления, ориентируясь на сле-
дующую стадийность процесса проектирования: составление технического
задания, разработка технических предложений, эскизное проектирование,
рабочее проектирование и подготовка производства.
Результаты экспертных исследований по оценке важности автоматиза-
ции различных стадий проектирования приведены в табл. 2.1. Важность
автоматизации оценивалась баллами: 3 - автоматизация важна; 2 - авто-
матизация желательна; 1 - безразлична.
Приведенные данные позволяют отметить, что эксперты выразили
мнение о желательности первоочередной автоматизации стадий формирова-
ния технических предложений и эскизного проектирования при одновре-
менной автоматизации всех прочих стадий проектно-конструкторских работ.
Таблица 2.1
Шифр Содержание работ Балл
С1 Составление технического задания 2,200
С2 Разработка технических предложений 3,000
СЗ Эскизное проектирование 2,933
С4 Рабочее проектирование 2,800
С5 Подготовка производства 2,933
56
Оценка эффективности автоматизации проектирования на различных
стадиях конструкторских разработок проводилась по следующим
источникам:
И1 - использование достижении науки и техники (патенты, изобретения
и т.д.);
И2- автоматизированный синтез новых технических решений;
ИЗ- многовариантные оптимизационные расчеты, в результате которых
достигаются взаимно согласованные решения по отдельным частям
изделия;
И4- применение более точных расчетных моделей и учет большого числа
факторов и расчетных случаев при анализе и сравнении вариантов;
И5 - ускорение процесса получения и тиражирования документации и
ускорение отработки всевозможных изменений в процессе разработ-
ки и создания изделий;
И6 - сокращение числа ошибок в проектно-технологической докумен-
тации.
Распределение средних значений оценок приведено в табл. 2.2., где
диапазон оценок 2,501...3,0, отмеченный (*♦), отражает значительное
влияние; диапазон 2,001...2,5 - положительное влияние (+) и диапазон
1,501...2,0 - малое влияние (0).
Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии таких
источников эффективности, как использование достижений науки и техни-
ки, автоматизированный синтез новых технических решений и достижение
взаимно согласованных решений по отдельным частям изделия (источники
И1, И2, ИЗ) на начальных стадиях проектных работ.
Этот вывод согласуется с данными, полученными Институтом киберне-
тики АН УССР при анализе экономической эффективности различных стадий
процесса проектирования в машиностроении, согласно которым неустра-
Таблица 2.2
Источники эффективности С1 С2 СЗ С4 С5
И1
И2
ИЗ
И4
И5
И6
57
ненная ошибка на стадии исследований стоимостью всего 1 руб. оборачи-*
вается десятью рублями потерь на этапе конструирования, сотней - при
изготовлении опытного образца, тысячей - в процессе эксплуатации.
Применение более точных расчетных моделей и учет большого числа
факторов и расчетных случаев при анализе и сравнении вариантов
(источник И4) оказывает значительное влияние на стадии эскизного
проектирования. На заключительных этапах, связанных с процессом раз-
работки конструктивно-технологической документации, наибольший эффект
ожидается от использования средств машинной графики в интерактивном
режиме (источники И5, И6). Существенное влияние на трудоемкость тех-
нологической подготовки производства оказывает ранняя технологическая
проработка изделий и обеспечение технологичности конструкций на всех
стадиях проектирования и особенно на начальных.
Общий вывод из приведенного анализа состоит в том, что автоматизи-
рованное проектирование должно охватывать не только заключительные
этапы, но и поисковые работы, поскольку без ЭВМ обозреть и как-то
оценить большое число возможных идей и технических новшеств практи-
чески невозможно.
Как показывает опыт, наиболее рациональным методом, позволяющим
автоматизировать поисковое конструирование, является морфологический
подход. Морфологический подход - это разновидность системного анали-
за, представляющая собой метод логической организации идей и приемов
(в основном эвристических), позволяющий добиться комплексного обзора
всех возможных вариантов решения рассматриваемой задачи. В основе ме-
тода - упорядочение идей (вариантов) на базе логического мышления и
опыта.
Основными этапами морфологического подхода являются: строгое опре-
деление области автоматизации; точная и четкая формулировка цели (за-
дачи); изучение факторов и параметров, определяющих объект проектиро-
вания, и установление основ для сравнения; определение свойств каждо-
го параметра и количественное выражение основы сравнения (построение
"морфологического ящика" свойств); определение функциональной ценнос-
ти всех допустимых решений; построение параметрического ряда ва-
риантов.
§ 2.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРА САПР
Общая характернстжа САП*. В современных условиях автоматизиро-
ванное проектирование выполняется с помощью специальных систем авто- ’
матизированного проектирования. Согласно ГОСТ САПР представляет собой '
58
организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств
автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями
проектной организации, и выполняющую автоматизированное проектирова-
ние. Главной особенностью САПР является взаимосвязь конструктор -
ЭВМ, позволяющая осуществлять процесс проектирования с оптимальным
распределением функцией между человеком и ЭВМ и с максимальной авто-
матизацией всех проектных процедур.
Функция САПР состоит в том, чтобы обеспечить переход от использо-
вания ЭВМ лишь в качестве вычислителя (большого арифмометра) к
использованию в качестве рабочего органа, т.е. исполнителя специально
к тому приспособленной технологии проектирования. В соответствии с
этим на САПР возлагается:
автоматизированное накопление, хранение, оперативная коррекция и
выдача данных, используемых в процессе проектирования;
автоматизированное использование информации в машинном представле-
нии, полученной на некоторой стадии проектирования, и других стадиях
без ручной обработки;
автоматизированный выпуск технической и чертежной документации;
планирование и проведение натурного эксперимента и обработка его
результатов;
автоматизированное управление ходом разработки и др.
Облик системы автоматизированного проектирования определяется со-
держанием решаемых задач. Основными звеньями САПР являются подсисте-
мы, организованные в многоуровневую структуру. Каждая подсистема
обеспечивает получение законченных проектных решений и соответствую-
щих проектных документов.
Структура САПР, как правило, отражает многоэтапностъ проек-
тирования как принцип перехода от грубых моделей при решении широкого
круга принципиальных вопросов облика будущей конструкции к более
точным на тех стадиях, когда уточняются (оптимизируются) проектные
параметры. Такая иерархия обеспечивает возможность на каждом этапе
получать решение соответствующей задачи, не загромождая его обилием
несущественных для данной фазы деталей.
Принципиальным для САПР является наличие обратных связей, отражаю-
щих итеративный характер процесса проектирования, а также обеспечение
совместимости подсистем и сохранение открытой структуры системы в це-
лом. Это позволяет реализовать развитие САПР без коренной перестройки
путем наращивания подсистем (на всех уровнях) и за счет влючения всей
системы в более сложную систему.
Начало работ по созданию САПР относят к середине шестидесятых го-
59
дов. Именно к этому времени был накоплен определенный опыт использо-
вания вычислительной техники для решения инженерных задач и получили
необходимое развитие средства вычислительной техники. По первоначаль-
ным замыслам предполагалось, что САПР ЛА должны строиться по объек-
товому признаку и объединять все этапы проектно-конструкторских ра-
бот, важнейшими из которых, как указано в гл. 1, являются:
исследование эффективности и проектирование комплексов;
общее проектирование ЛА;
проектирование конструкций ЛА;
технологическая подготовка производства.
Опыт создания САПР ЛА подкорректировал первоначальные замыслы.
Более целесообразным оказалось создание САПР, ориентированных по ви-
дам проектно-конструкторских работ, когда каждому этапу проектирова-
ния соответствует своя САПР. В настоящее время задачи исследования
эффективности и проектирования комплексов решаются с помощью автома-
тизированных систем научных исследований (АСНИ); задачи общего проек-
тирования ЛА - с помощью так называемых обликовых САПР ЛА; вопросы
проектирования конструкций возлагаются на автоматизированные системы
конструирования (АСК); технологическая подготовка производства - на
автоматизированные системы технологической подготовки производства
(АСТПП). В перспективе же все эти четыре системы должны работать как
единая интегрированная САПР на единой информационной основе.
Как любую сложную систему, САПР можно представить в виде совокуп-
ности отдельных частей - компонентов САПР, каждый из которых предназ-
начен для выполнения определенных функций и обладает определенной са-
мостоятельностью. Такими компонентами являются методическое, информа-
ционное, техническое, программное, математическое, лингвистическое и
организационное обеспечения.
Методическое обеспечение САПР - наиболее важная с точки зрения
проектировщика составляющая. Это методология и методики проек-
тирования, ориентированные на автоматизированный процесс. Накопленный
опыт в области проектирования пока что еще недостаточно приспособлен
к автоматизации. Дело не только в том, что при автоматизированном
проектировании видоизменяется метод работы с информацией. Видоизме-
няется технологический процесс проектирования, и это главное.
Информационное обеспечение включает в себя совокупность сведений,
необходимых для автоматизированного проектирования. Компонентами
информационного обеспечения являются также регламенты, которые опре-
деляют набор правил и стандартов, описывающих порядок выполнения ра-
60
бот, принципы взаимодействия элементов системы, правила хранения и
обработки информации и др.
Техническое обеспечение САПР - это ЭВМ, терминальные пункты с
устройствами ввода-вывода графической и текстовой информации, аппара-
тура связи и передачи данных, средства для организации банков данных.
Совокупность устройств технического обеспечения образует комплекс
технических средств САПР.
Программное обеспечение САПР включает в себя документы с текстами
программ на одном из алгоритмических языков, программы на машинных
носителях и инструкции по эксплуатации отдельных программ и программ-
ных комплексов.
Математическое обеспечение включает в себя модели, методы и прие-
мы, реализующие прикладные проектные и поверочные расчеты, процедуры
поиска и оптимизации проектных параметров, а также воспроизведение
графического изображения.
Лингвистическое обеспечение САПР представляет собой совокупность
используемых терминов и языков программирования.
Организационное обеспечение САПР - это организационно-правовая
подсистема, включающая в себя инструкции, положения, регламенты, при-
казы, квалификационные требования и другие документы, предписывающие
функциональные обязанности и распределение ответственности исполните-
лей на всех этапах создания, эксплуатации и развития САПР.
Ниже приводится более подробная характеристика основных компонен-
тов САПР.
Комплекс техммеских средств САПР. Состав и структура комплекса
технических средств в значительной степени зависят от специфики кон-
кретной САПР. Такие факторы, как объем и характер информации, перера-
батываемой системой, способ взаимодействия пользователя с системой,
время реакции на запросы при диалоге ЭВМ - оператор, характер решае-
мых задач и форма представления конечного результата, а также многое
другое существенно влияют на состав и характеристики технических
средств.
Обычно технический комплекс САПР имеет двухуровневую структуру.
Верхний уровень системы - это процессорная часть, т.е. основные вы-
числительные ресурсы. Эти функции в современных САПР выполняют боль-
шие универсальные ЭВМ. Нижний уровень образуют периферийные устройст-
ва, с помощью которых обеспечивается ввод-вывод информации и органи-
зация диалога пользователя с ЭВМ. Основным техническим средством это-
го уровня являются алфавитно-цифровые и графические дисплеи.
Связь ЭВМ с периферийными устройствами осуществляется через конст-
61
руктивно обособленные устройства обмена, называемые каналами. Сущест-
вуют два типа таких каналов: селекторный и мультиплексный. Каждый из
них работает по специальным программам, предварительно введенным в
основную память машины. Селекторный канал предназначен для обслужива-
ния быстродействующих внешних устройств таких, как устройства управ-
ления накопителями на магнитной ленте, магнитном барабане и магнитном
диске. Мультиплексный канал обслуживает устройства ввода-вывода
информации, работающие с относительно малой скоростью передачи
данных.
Большинство периферийных устройств (управления памятью, перфокар-
точные, перфоленточные, печатающие, подготовки данных и др.) входит в
основной комплекс ЕС ЭВМ. Исключение составляют технические средства
машинной графики. В связи с этим при создании САПР на базе универ-
сальных ЭВМ необходимо доукомплектование их графическими устройства-
ми, описание которых приводится в следующем параграфе.
Технический комплекс крупных интегральных САПР рационально строить
в виде трехуровневой системы, в которой между указанными выше уровня-
ми вводится промежуточный вычислительный ресурс в виде мини- или мик-
ро-ЭВМ. Такая ЭВМ, размещаемая непосредственно на рабочем месте
проектировщика (а не в вычислительном центре), позволяет уменьшить
объемы информации, передаваемые по каналам связи с большой ЭВМ, и тем
самым организовать дистанционную работу терминалов по низкоскоростным
дешевым каналам связи. Наличие двух типов ЭВМ позволяет экономно рас-
ходовать вычислительные ресурсы. При этом центральная ЭВМ выполняет
преимущественно программы, требующие больших вычислительных мощнос-
тей, а запросы от средств диалога воспринимаются и обрабатываются
мини-ЭВМ.
При невозможности доступа к центральной ЭВМ терминальная станция,
в составе которой имеется мини-ЭВМ, способна продолжить решение задач
в автономном режиме с сохранением результатов работы и последующей их
пересылкой в большую машину. По этому же принципу работают широко
распространенные автономные диалоговые вычислительные подсистемы J
автоматизированные рабочие места (АРМ) проектировщиков.
В авиационной и ракетной технике широко применяют различные моди-;
фикацци АРМ-М (место проектировщика в машиностроении). АРМ-М - это,
по существу, автономная терминальная станция (нижний уровень техни-
ческого комплекса САПР), ориентированная на разработку несложных
конструкции с возможностью ввода графической и алфавитно-цифровой
информации, ее редактирования, оперативного отображения и выпуска до-
кументации на машинных носителях.
62
Ядром АРМ является мини-ЭВМ, связанная общей шиной с периферийным
оборудованием, а иногда - и с большой ЭВМ. Периферийное оборудование
включает в себя до четырех терминалов подготовки и ввода графических
данных и один или два графопостроителя.
Информационное обеспечение САПР. Под информационным обеспечением
САПР понимается совокупность всех сведений, необходимых для автомати-
зированного проектирования. Основная масса этих сведений существует
сейчас в виде отчетов, архивов, чертежей, схем, справочников и других
подобных документов, форма которых рассчитана на восприятие человеком
и совершенно не приспособлена для работы в автоматизированном режиме.
По статистике конструктор в среднем треть своего времени затрачивает
на работу в библиотеке, техническом архиве, группе информации или
других аналогичных подразделениях [2].
Автоматизированное информационное обеспечение имеет целью, во-
первых, значительно расширить предлагаемый объем информации и, во-
вторых, облегчить конструктору доступ к этой информации и тем самым
сократить время работы с информацией и повысить качество информацион-
ного обслуживания. В память современных ЭВМ могут быть введены все
справочные материалы по профилю создаваемого объекта, стандартные ме-
тоды расчета, типовые проектные решения, чертежи прототипов и целый
ряд других источников.
Информационное обеспечение проектирования, записанное на внешних
носителях в виде файлов, образует базу данных САПР. База данных пред-
ставляет собой информационную модель объектов проектирования. Чем она
полнее и достовернее, тем выше качество проектирования. Создание по-
добной базы при наличии соответствующих технических и программных
средств положительно сказывается на сроках проектирования, исключает
дублирование однотипных конструкторских разработок, способствует
внедрению унификации в проектно-конструкторские работы.
В соответствии с ГОСТ база данных САПР состоит из оперативной,
условно-постоянной и постоянной информации. Оперативная информация
содержит сведения об условиях решения данной задачи проектирования.
Ее подготавливают для каждого конкретного процесса автоматизированно-
го проектирования; в памяти системы не хранят.
Условно-постоянная информация является частью сведений, хранимых в
памяти системы. Это различные справочные данные, текстовые и графи-
ческие описания стандартных и унифицированных деталей и узлов и т.д.
Изменения и дополнения условно-постоянной информации входят в функции
системы, но не влияют на функциональные возможности САПР.
Постоянная информация является частью сведений, хранимых в памяти
63
машины в течение длительного времени (например, сведения о машинных
программах автоматизированного проектирования). Изменение и дополне-
ние постоянной информации не входят в функции системы.
Следует заметить, что хотя современные операционные системы вклю-
чают специальные программные комплексы для формирования баз данных,
автоматизация информационного обеспечения остается одной из наиболее
трудных задач создания САПР. В настоящее время отчетливо просматрива-
ются две концепции организации информационного обеспечения.
Первая концепция характеризуется индивидуальной для каждой САПР
формой хранения и использования данных, когда едва ли не каждой зада-
че соответствует своя подпрограмма. Это позволяет учесть специфику
задачи и технических устройств, структуру данных и др. Кроме записи
информации в архив и организации доступа к ней подпрограмма может вы-
полнять различные служебные функции такие, как печать каталога архи-
ва, дублирование его с одного носителя на другой, охрана от несанк-
ционированного доступа и т.п. Недостатком этой формы является жесткая
привязка к конкретной САПР, что затрудняет, а подчас и исключает
вовсе обмен данными между задачами, особенно при изменении структуры
данных.
Вторая концепция автоматизации информационного обеспечения, отли-
чающаяся централизованной формой хранения и использования данных,
свободна от указанных недостатков. Однако универсальные программные
комплексы формирования баз данных весьма сложны в эксплуатации (осо-
бенно для пользователей - непрограммистов), связаны с перерасходом
памяти и часто неполностью удовлетворяют потребностям проектировщиков.
Одним из основных свойств базы данных является независимость дан-
ных и использующих их прикладных программ друг от друга в том смысле,
что изменение одних не приводит к изменению других. Указанное качест-
во базы данных позволяет систематически расширять информационное
обеспечение, упрощает корректировку как прикладных программ, так и
исходных данных, что очень заманчиво, но трудно реализуемо. В настоя-
щее время не существует баз данных с полной независимостью данных от
программных систем. Именно это обстоятельство является основным тор-
мозом на пути создания интегрированных САПР, объединяющих АСНИ, обли-5
ковые САПР, АСК и АСГ11П.
Разработка баз данных является одной из важнейших задач создания
САПР, решение которой связано не только с формальными, но и нефор-*
мальными аспектами. Неформальная сторона задачи состоит прежде всего!
в задании физической и логической структур базы данных. Логическая
структура отражает основные массивы (файлы) данных и их взаимосвязь
64
(файловый состав), соподчинение отдельных данных и формы выражения
этих соподчинений. Очень часто соподчинение данных выражают в реля-
ционной форме, т.е. в виде двумерной таблицы данных. Возможны также
иерархическая, сетевая и смешенная структуры данных.
Физическая структура базы данных определяет ее организацию в
памяти ЭВМ и на машинных носителях. От выбора той или иной физической
и логической структур зависят экономия памяти, избыточность данных,
время ответа на запрос, восстановление данных и др.
Программное обеспечение САПР. Компонентами программного обеспече-
ния (ПО) являются документы с текстами программ на исходном языке
программирования, эксплуатационные документы, обеспечивающие функцио-
нирование САПР, и программы на машинных носителях. Программное обес-
печение - наиболее важная подсистема САПР. Именно программное обеспе-
чение определяет технический уровень и возможности автоматизированной
системы. Во многом программное обеспечение определяет также и стои-
мость САПР. Причем наблюдается тенденция постоянного увеличения объе-
ма и стоимости программного обеспечения при снижении стоимости техни-
ческого комплекса. Программное обеспечение САПР принято делить на два
больших класса: прикладное и системное (рис.2.1).
Прикладное ПО САПР является программной реализацией математических
моделей объектов проектирования и алгоритмов решения проектных задач.
Прикладные программы отражают сугубо технические проблемно-
ориентированные задачи. В процессе проектирования конструкций ЛА та-
Рис. 2.1. Структура ПО САПР
3 - 880
65
кими задачами являются: определение силовой схемы, выбор закона рас-
пределения материала по сечениям, проверка статической и динамической
прочности, расчет режимов аэротермоупругости и др.
Существует два способа организации прикладного ПО: библиотека го-
товых программ и библиотека прикладных модулей. Под готовой програм-
мой понимается заранее разработанная и отлаженная программа для реше-
ния конкретной задачи или группы однородных задач. Примером готовой
программы может служить программа выбора проектных параметров ЛА
определенного класса. В других типах САПР используются готовые про-
граммы проектирования внешних обводов ЛА, расчета внешних нагрузок с
учетом деформированного состояния конструкции, автоматизации техноло-
гической подготовки производства и др. Готовые программы хранятся на
магнитных дисках в виде библиотек загрузочных модулей подобно тому,
как хранятся книги в библиотеке.
Такой способ организации, удобный для отдельного пользователя, ре-
шающего ту или иную задачу, нельзя признать удачным с точки зрения
системного подхода. Во-первых, потому что всякая библиотека слишком
избыточна и это ведет к нерациональному использованию памяти ЭВМ. Во-
вторых, потому что при такой организации можно решать только отрабо-
танные задачи и всякая новая постановка задачи требует разработки но-
вой программы.
Организация прикладного ПО в виде библиотеки прикладных модулей
имеет целью придать программному обеспечению многоцелевой характер.
Модуль прикладного ПО - это упорядоченное множество операторов, имею-
щее уникальное имя; обычно это функционально завершенная часть общей
программы. Расчленение общей программы на отдельные заранее заготов-
ленные блоки позволяет упростить работу конструктора-непрограммиста
при программировании сложных вычислительных процедур, сосредоточить
его усилия на прямых проектировочных вопросах.
Отказ от традиционного способа программирования и замена его сбор-
кой программ сложной структуры из заранее заготовленных элементов
придает гибкость процессу автоматизированного проектирования. При
этом способе из ограниченного числа модулей можно сформировать мно-
жество законченных программ, суммарный объем которых будет значитель-
но превосходить объем бибилиотеки модулей.
Системное ПО САПР - это программные средства, выполняющие функции
посредника между пользователем и техническим комплексом (см.
рис.2.1). В числе этих функций синтез сложных вычислительных про-
цедур, организация режима диалога, управление базами данных, органи-
зация воспроизведения изображения и др. Системное ПО имеет инвариант-
66
ный характер, его структур^ практически не зависит от содержания ре-
шаемых прикладных задач.
Системное ПО дает возможность участвовать в разработке сложных вы-
числительных процедур широким массам конструкторов и проектировщиков,
слабо владеющих тонкостями программирования. Одновременно с этим при-
менение системного ПО существенно экономит вычислительные ресурсы
благодаря более компактному представлению рабочих программ. Рассмот-
рим основные компоненты системного ПО САПР.
Средства синтеза программ сложной структуры можно рассматривать
как надстройку над операционной системой в виде комплекса специализи-
рованных программ. (В некоторых САПР эта надстройка может отсутство-
вать; функции синтеза программ тогда возлагаются на операционную
систему.) Ядром специализированного комплекса является управляющая
программа, называемая монитором, находящаяся постоянно в оперативной
памяти ЭВМ.
Управляющая программа реализует диалог пользователя с ЭВМ по
принципу "меню", когда пользователю предлагается выбрать один из
перечисленных на экране дисплея вариантов действий. Содержание этих
вариантов отражает последовательность операций по созданию закон-
ченного программного продукта, в числе которых: формулировка задачи,
планирование структуры программы, генерация программы, компиляция и
редактирование связей.
Средства обеспечения режима диалога - это тоже мониторная система.
По существу, диалоговые мониторы являются программами-интерфейсами,
позволяющими конструкторам и проектировщикам на доступном им языке
обмениваться информацией с прикладными программами при решении
широкого круга технических задач.
В результате прямого контакта пользователя с вычислительной систе-
мой, как указывалось выше, существенно расширяются возможности авто-
матизированного проектирования. Конструктор с помощью терминала в
процессе решения задачи (т.е. в реальном масштабе времени) может
изменять массивы исходных данных, корректировать последовательность
вычислительных операций, обращаться к различным прикладным программам
и т.д. В соответствии с этими задачами основными функциями диалогово-
го монитора являются:
ввод исходных данных и их корректировка;
вывод результатов расчета и справочных данных на экран дисплея;
обмен информацией между пользователем, базами данных и прикладными
программами;
запись информации в базы данных;
67
выполнение ряда сервисных программ таких, как вывод на экран пра-
вил работы с монитором, содержания библиотек и архивов, диагностичес-
ких и информационных сообщений.
Средства управления базами данных (СУБД) представляют собой про-
граммный комплекс, реализующий функции создания базы данных, ее
обновления, хранения, защиты и выборки данных. Совокупность базы дан-
ных и СУБД называют банком данных.
Основу СУБД составляют специальные языки описания структуры данных
и управления базой данных. Управление с помощью этих языков
реализуется в виде набора макрокоманд или операторов вызова. Сами
операторы могут рассматриваться как расширение одного из тради-
ционных языков программирования (КОБОЛ, ФОРТРАН, ПЛ/1) либо как
самостоятельный язык. Последнее используется чаще.
В настоящее время существует значительное число СУБД, которые мо-
гут быть использованы в САПР. Выбор того или иного СУБД должен учиты-
вать соответстивие между характером решаемых задач и набором средств,
представляемых СУБД. Пока такое соответствие не всегда соблюдается,
поэтому создаются проблемно-ориентированные системы. Однако общая
тенденция состоит в том, чтобы СУБД были универсальной системой,
приемлемой для самых разнообразных САПР.
Средства машинной графики - это совокупность программ, описывающих
представление и преобразование графической информации с помощью
вычислительной техники. В числе основных задач машинной графики:
построение модели и генерация изображения;
преобразование модели и изображения;
идентификация объекта и извлечение информации.
Здесь под моделью понимается абстрактное описание геометрии объек-
та, которое может быть понято ЭВМ и преобразовано в соответствующее
изображение на картинной поверхности. Тип и форма представления моде-
ли являются основой программного обеспечения, главным фактором, опре-
деляющим эффективность системы в целом, т.е. ее функциональные воз-
можности, сложность алгоритмов и быстродействие.
К настоящему времени разработано довольно много типов моделей.
Среди них:
аналитические модели, использующие аналитические зависимости, в
частности кривые второго порядка или семейства развертывающихся
поверхностей;
каркасные модели, в основе которых два семейства пространственных
линий, параллельных координатным плоскостям, или совокупность точек
пересечения этих линий;
68
"проволочные” модели в виде каркаса из линии, соединяющих по
некоторому закону точки поверхностей;
модели, аппроксимирующие поверхности многогранниками;
модели, аппроксимирующие поверхности базовыми элементами форм
(ломаная, эллипс, цилиндр, тор и т.п.);
векторные и тензорные модели, использующие представление форм
объектов в виде систем векторных или тензорных уравнений (матриц ко-
эффициентов).
Однозначно определить лучший тип моделей не представляется возмож-
ным, так как реализация системы на основе сложной модели требует зна-
чительных трудозатрат и высокого быстродействия используемой ЭВМ, что
может не оправдать цели создания такой системы.
Важной характеристикой интерактивной графической системы является
форма организации диалога. Современные системы имеют не только не-
сколько форм диалога, но и возможность их комбинации и адаптации к
конкретному пользователю с учетом роста его квалификации по мере на-
копления опыта общения с системой. Наиболее удобной формой для начи-
нающего пользователя является диалог типа "меню”.
"Меню” может быть реализовано с помощью карт, наложенных на план-
шет с изображенными командами (проектными операциями) и графическими
элементами. Выбор осуществляется указанием электронным пером условно-
го символа или команды.
Более эффективной формой диалога для подготовленного пользователя
является диалог на командном входном языке или на языке символов.
Командный входной язык представляет собой набор команд, определяющих
требуемые действия системы, а также соответствующие информационные и
диагностические сообщения системы. Язык символов аналогичен командно-
му, но более эффективен, поскольку пользователю вместо набора синтак-
сически правильных команд, набираемых с помощью алфавитно-цифрового
дисплея, достаточно ”нарисовать” на графическом планшете условный
символ, что вызовет выполнение системой соответствующей операции. Еще
более эффективным средством является речевой ввод команд. Для связи
прикладных программ с графическими устройствами практически для каж-
дого из них разработаны пакеты графических программ, выполняющие пре-
образование команд с языка высокого уровня в приказы данного
устройства.
На практике системное ПО САПР часто представляют в виде па-
кетов программ, которые можно определить как комплекс взаимо-
связанных программных средств для решения группы задач, относящихся к
некоторой предметной области. В общем случае пакет программ состоит
69
из трех компонентов: тела пакета, системы управления и входного
языка.
Тело пакета отражает содержание задачи данной предметной области и
представляет собой библиотеку программных модулей и архива. Система
управления включает системные средства, предназначенные главным обра-
зом для сборки сложных программ из модулей, организации диалога и вы-
полнения сервисных программ. Входной язык служит средством первичного
описания алгоритма. Обычно это проблемно-ориентированный язык, опери-
рующий содержательными понятиями предметной области.
Примером пакета, в котором имеются все перечисленные компоненты,
может служить пакет машинной графики (обычно называемый системой ма-
шинной графики). Общая характеристика одного из таких пакетов приво-
дится ниже в п.2.4.3.
§ 2.4. ОСОБЕННОСТИ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ КОНСТРУИРОВАНИЯ
2.4.1. Функциональная структура АСК
Автоматизация конструирования наиболее трудная проектно-конструк-
торская задача. На сегодняшний день здесь успехи более скромные, чем
в области САПР по определению облика и основных параметров ЛА.
Объясняется это тем, что эвристические приемы конструктора трудно
формализовать. Многие из них еще недоступны машине, но это не значит,
что автоматизация конструирования малореальна. Современная вычис-
лительная техника и ее программное обеспечение уже позволяют реали-
зовать сложнейшие логико-смысловые задачи, обеспечивают наглядно-
образную форму оперирования с информацией, близкую к той, которой
пользуются конструкторы в обычных условиях.
Однако единой точки зрения, какой должна быть система автоматизи-
рованного конструирования, пока нет. Это связано с тем, что еще долж-
ным образом не отработан (формализованно) в обобщенном виде процесс
конструирования, который должен быть в основе автоматизированной сис-
темы. Добавим к этому то, что конструкторов не удовлетворяют графи-
ческие возможности технических и программных средств существующих
АРМ-М; беден арсенал изобразительных средств, не хватает наглядности,
трудно сочетаются задачи аналитического проектирования с непосредст-
венной конструкторской проработкой.
Обобщенный процесс конструирования и соответствующая ему автомати-
зированная система должны отражать характер и содержание деятельности
70
конструктора, содействовать интуитивным процессам с помощью наглядно-
образной формы представления процесса, т.е. достаточно быстрой визуа-
лизации деталей при диалоге с ЭВМ, использованию привычных понятий и
операций и т.д. При этом очень важно обеспечить сочетание аналитичес-
ких (расчетных) методов с эвристическими, т.е. формальных и нефор-
мальных приемов. Модель процесса проектирования конструкций нельзя
представлять в виде системы уравнений механики, описывающих напряжен-
но-деформированное состояние, и ограничений на несущую способность
конструкции. Характерные черты процесса конструирования может отра-
жать лишь информационно-семантическая модель, сочетающая информацион-
ное обеспечение (справочные данные, требования ЕСКД, технологические
ограничения и др.), аналитические методы и логику принятия решений
(преимущественно из области эвристики) в условиях неполной инфор-
мации.
Некоторое время назад АСК создавались в основном для автоматиза-
ции чертежно-графических работ. При использовании таких систем повы-
шение производительности и качества труда конструкторов достигалось
за счет автоматизации многократно повторяющихся нетворческих (рутин-
ных) операций, трудоемкость которых составляет иногда 60...80 % тру-
доемкости всего процесса конструирования. Поэтому не случайно то, что
в ряде литературных источников автоматизация конструирования отож-
дествляется с автоматизированным воспроизведением изображения средст-
вами машинной графики.
В настоящее время функции АСК более широкие (рис.2.2). Автоматиза-
ция чертежно-графических работ дополняется автоматизацией определения
проектных параметров конструкции, т.е. охватывается практически весь
комплекс проектно-конструкторских задач. При этом основными функциями
АСК являются аналитическое проектирование и конструирование.
Аналитическое проектирование имеет целью обоснование и выбор тех-
нического решения. В соответствии с этими задачами основными функция-
ми аналитического проектирования являются:
формализованное описание функциональной структуры проектируемого
объекта, включающее информацию о
комплектующих элементах, особен-
ностях их конструктивного испол-
нения, характеристиках материала
н других существенных признаках:
автоматизированное формирова-
ние. 2.2. Основные функции АСК
Разработка концепции
71
ние опорных вариантов конструкции, отражающих возможности научно-тех-
нического прогресса;
выбор технического решения и оптимизация проектных параметров
конструкции.
Конструирование включает в себя конструктивно-технологическую про-
работку схемного решения, полученного в результате аналитического
проектирования. Здесь преобладают трудноформализуемые методы работы,
что обусловлено самой природой требований производственной и эксплуа-
тационной технологичности, реализуемой на этом этапе. Результатом
процесса конструирования является изготовление комплекта рабочих чер-
тежей.
В перспективе можно ожидать, что АСК объединится с подсистемой
технологической подготовки производства. При этом существенно изме-
нятся носители конструкторско-технологической документации: за счет
широкого использования информации на магнитных лентах уменьшится по-
требное число чертежей, а сам процесс технологической подготовки
будет составлять неотъемлемую часть конструирования ЛА.
2.4.2. Технические средства машинной графики
Технические средства машинной графики объединяют две группы
устройств - общесистемные и специальные. Общесистемные устрой-
ства обслуживают АСК в целом. Эго - центральный процессор, опе-
ративное и внешнее запоминающие устройства, интерфейс связи внешних
устройств с машиной. Краткая характеристика этих устройств приведена
в § 2.3.
Специальные устройства - это графическая рабочая станция, включаю-
щая один или несколько графических дисплеев (ГД), алфавитно-цифровой
дисплей (АИД) и устройства ввода и вывода информации (джойстик, гра-
фический планшет, световое перо, устройства снятия твердых копий с
экрана ГД и др.). Структура графической станции и перечень возможных
устройств ввода-вывода ин^юрмации показаны на рис.2.3. Станция назва-
на гипотетической, так как в конкретной станции обычно используются
лишь некоторые из перечисленных устройств (не дублирующие друг
друга).
Устройства ввода информации. Основным устройством ввода информации
является алфавитно-цифровой дисплей, состоящей из электронно-лучевой
трубки и клавиатуры, напоминающей клавиатуру пишущей машинки, но с
большим числом символов. С помощью клавиатуры пользователь может на-
бирать необходимую информацию и вводить ее в память ЭВМ. Он может
72
также корректировать выведенную на экран информацию и отсылать ее ли-
бо на устройство печати, либо снова в ЭВМ.
Очень часто для ввода информации применяется световое перо (от
англ, lightpen). Световое перо воспринимает высвечиваемые символы или
графические элементы на экране дисплея благодаря наличию в нем свето-
диода или фототранзистора в качестве чувствительного элемента. С по-
мощью светового пера могут быть реализованы две функции в интерактив-
ном режиме человек - машина: указание и следящее перекрестье. Функция
указание может быть использована, например, для выбора на экране
дисплея элемента изображения или цифры, или указания, куда поместить
эти элементы. Функция следящего перекрестья служит для обозначения
концов отрезков прямой, центров окружностей, а также для черчения и
рисования.
Следующую группу устройств для ввода информации составляют пози-
ционно-детектирующие устройства такие, как специальные потенциометры,
реализующие движение перекрестья раздельно по осям X и У, координат-
ные ручки (типа джойстик), следящий шар и устройства типа "мышь”.
Каждое из устройств - координатная ручка, "мышь” и шар - производит
вращение двух потенциометров (X и У), напряжения которых аналого-
цифровыми преобразователями преобразуются в цифровые (по форме) сиг-
налы, позволяющие перемещать перекрестье в необходимом направлении.
Основное достоинство этих устройств - высокое быстродействие.
Графическая станция
Алфавитно-цифровой дисплей
Световое перо
Позиционно-детектирующие
устройства
Планшет
Сколка (диджитайзер)
Векторный
Растровый
Гоафопостроитель
Устройства снятия
твердых копий
Устройства изготовления
микрофильмов
Рис. 2.3. Структурная схема гипотетической графической станции
73
Одним из главных вспомогательных устройств графической рабочей
станции является графический планшет, часто называемый таблетом (от
англ, tablet). Планшет представляет собой электрический прибор с
плоской сенсорной поверхностью, прикосновение к которой специальной
указкой позволяет получить сигнал (природа его может быть электричес-
кая или акустическая), преобразуемый в перемещение точки в определен-
ное положение в прямоугольной системе координат планшета, отмеченное
перекрестьем на экране дисплея в какой-либо условной (машинной) пря-
моугольной системе координат. Число чувствительных точек, образован-
ных сеткой из взаимно перпендикулярных горизонтальных и вертикальных
линий, зависит от функционального назначения планшета и может быть
весьма большим (например, 1024x1024 = 1048576). Размеры планшета - от
20x14 см до 1x1 м.
Наиболее эффективное использование планшета имеет место при графи-
ческом диалоге между человеком-оператором и ЭВМ. Для организации та-
кого диалога на планшет накладывается расчлененная на квадраты карта,
в каждом квадрате которой нарисованы базовые (многократно повторяю-
щиеся) элементы конструкции и другие символы, соответствующие той или
иной прикладной области знаний (например, основные требования ЕСКД).
а также написаны различные команды управления процессом синтеза изоб-
ражений. При наличии соответствующих программ в системе, указывая на
изображенные команды и символы, можно эффективно вести процесс проек-
тирования по блочной схеме, оперируя не только простейшими графичес-
кими изображениями (прямая, дуга и т.д.), но и конструктивными
модулями.
Примерно подобные же функции может выполнять диджитайзер (от англ,
digitizer - оиифровыватель). Диджитайзер, иначе сколка, представляет,
по существу, такое же устройство, как планшет, но только большего
размера, например такого, так чертежная доска типа "кульман”. Диджи-
тайзеры предназначены для введения в память ЭВМ практически любой
графической информации (чертежей, графиков, блок-схем и т.п.). Для
введения графической информации в ЭВМ оператор, закрепив лист с
изображением на рабочей плоскости устройства, устанавливает начало
координат и требуемые признаки с помощью функциональной клавиатуры, а
затем, подводя визир или световое перо к нужной точке изображения,
нажимает на кнопку или педаль ввода. При этом координаты визира счи-
тываются и фиксируются на машинном носителе. В результате многократ-
ного повторения описанной операции формируется последовательность
координат и признаков, отражающих исходное изображение, которые в
дальнейшем могут быть обработаны специальной прикладной программой.
74
Графические дисплеи. Графический дисплей - это устройство
преобразования графической информации. С его помощью осуществляются
формирование, отображение и редактирование графической, а также
алфавитно-цифровой информации на экране электронно-лучевой трубки
(ЭЛТ). Графические дисплеи являются основным терминальным устройством
АСК. Именно они позволяют организовывать в АСК оперативное
графическое взаимодействие человека-оператора с остальной частью
системы.
Графический дисплей состоит из процессора, устройства отображения
и индикатора. Процессор предназначен для ввода-вывода информации, а
также для синхронизации работы дисплея в течение вычислительного
процесса. Устройство отображения обеспечивает работу алфавитно-циф-
ровой клавиатуры, светового пера и других управляющих устройств. Блок
индикации служит для отображения на экране графической и
алфавитно-цифровой информации в соответствии с законом изменения
сигналов, поступающих с устройства отображения.
Одной из важнейших характеристик графических дисплеев является
способ формирования изображения на экране ЭЛТ. В отечественных
дисплеях чаще всего применяется векторный генератор символов. В таких
дисплеях луч описывает траекторию (определяемую программой пользо-
вателя), представляющую собой ломаную, полученную в результате
линейной интерполяции кривых, составляющих изображение. Так как след
луча на экране ЭЛТ быстро исчезает, то требуется организация
повторных движений луча по той же траектории с достаточной частотой,
т.е. обеспечение регенерации изображения.
Регенерация изображения может быть реализована либо повторным
выполнением части программы пользователя, определяющей параметры
изображения, либо организацией зацикленной программы движения луча,
сохраняемой в специальной памяти регенерации дисплея. В первом случае
на регенерацию тратятся ресурсы главной ЭВМ, с которой связан
векторный дисплей; во втором случае регенерация вдет автономно от
главной ЭВМ, но для этого требуется специальная память, объем которой
ограничивает допустимую сложность выводимого изображения. Более
широкое распространение получил второй путь, несмотря на усложнение
оборудования.
Процесс отображения информации в дисплее происходит следующим
образом. От центральной ЭВМ на процессор графического дисплея
выводится массив, представляющий собой программу, состоящую из
графических команд, обеспечивающих вычерчивание изображения, и команд
управления. Графические команды позволяют управлять электронным лучом
75
и засвечивать на экране точки, векторы и символы. Команды управления
предназначены для организации прерывания процесса считывания
информации из памяти, передачи управления по указанному в команде
адресу, установления режима отображения. В частности, в режиме
указания на экране ЭЛТ отображается маркер (точка). Координаты
последнего задаются с клавиатуры или с планшета, и с его помощью
выделяется элемент изображения, подвергающийся преобразованиям
(сдвигам, поворотам, перемещению, стиранию и др.).
Устройства вьвода информации. Основным устройством для получения
выходных документов в графической форме является автоматический
цифровой графопостроитель (ГП). Графопостроители делятся на
планшетные, рулонные и барабанные.
Планшетные ГП имеют плоскую рабочую поверхность, на которую
накладывается любая по качеству бумага нужного формата, фиксируемая
либо электростатическим напряжением, либо с помощью вакуума.
Относительно бумаги движется пишущий элемент. Каретка, на которой
имеются один или несколько цветных пишущих элементов, движется по оси
Y вдоль направляющей, которая сама перемещается вдоль стола по оси X.
Одновременное движение пишущего элемента по осям X и Y позволяет
вычерчивать различные кривые. Движение по оси Z используется для
прерывания записи. Планшетные ГП - наиболее распространенные. В
качестве пишущих элементов в ГП используются самые различные устрой-
ства: баллоны шариковых ручек, стеклянные колбы с тушью, игольчатые
перья, фломастеры обыкновенного и шарикового типов и т.д. Широко
применяются цветные пишущие элементы. В некоторых типах ГП таких
элементов может быть довольно много (до 10). Скорость черчения лежит
в пределах от 5... 10 см/с до 1 м/с, погрешность - 0,1...0,01 мм.
В рулонных графопостроителях специально изготовленной рабочей
поверхности черчения нет. Ею является рулон бумаги (движение по
координате У). Каретка с пишущими элементами, имеющими одну степень
свободы (движение по координате Z), движется вдоль рулона (по
координате X). Специально перфорированная бумага (белая или "милли-
метровка") может иметь ширину от 0,4 до 1,2 м. Рулонные
графопостроители, в отличие от планшетных, компактны, недороги,
обеспечивают удовлетворительную точность при изготовлении небольших
чертежей и разнообразных графиков. Поэтому основная область их
применения - обработка графической информации при массовых расчетах
на ЭВМ.
Барабанные графопостроители сочетают в себе достоинства ГП план-
шетного и рулонного типов. Рабочая поверхность черчения - барабан, на
76
который наматывается лист бумаги размером один-два формата АО. В
«таких ГП достигаются высокие скорости черчения (до 1 м/с) и высокая
«точность (погрешность около 0.01 мм).
Графопостроители могут работать непосредственно под управлением
ЭВМ и рядом с ней (режим on line). Однако такой режим не очень
удобен, так как ГП - "медленное" устройство, занимающее канал ЭВМ.
Поэтому довольно часто черчение осуществляется через специальную
стоику управления с магнитофоном, на которую ставится пленка с
накопленными магнитофонными записями графической информации (режим
off line). Иногда ГП связывают с ЭВМ дистащюнно на значительном
расстоянии (режим телесвязи).
Малогабаритные выходные изображения получают с помощью устройств
снятия твердых копий. Твердой называется копия изображения с экрана
ГД, полученная на обычной бумаге, фотопленке, цветном пластике типа
астролон и т.п. Физические принципы работы этих устройств, положенные
в основу получения изображения, бывают различными. Изображения могут
микрофильмироваться с помощью специального прибора. Микрофильмы
изготавливаются с целью хранения большого объема чертежей в компакт-
ном виде.
В последнее время получили распространение устройства черно-белой
и цветной растровой печати небольшого формата. Их целесообразно
использовать тогда, когда необходимо получить твердую копию
пространственного тонового изображения какого-либо объекта, например
детали сложной конфигурации, механизма, летательного аппарата и т.д.
2.4.3. Система интерактивной машинной графики
Система машинной графики (СМГ) - это пакет взаимосвязанных
программ, предназначенный для решения задач синтеза геометрического
изображения объекта. В настоящее время создано большое число
разнообразных по устройству систем интерактивной машинной графики. Их
применяют для проектирования конструкций ЛА, электрических, оптичес-
ких, радиотехнических приборов, в строительстве и т.д. Такие системы
необходимо рассматривать как универсальный инструмент инженера-проек-
тировщика, которым он должен уметь пользоваться для реализации своих
замыслов при проектировании той или иной конструкции. Ниже дано
краткое описание получившей большое распространение СМГ ANVIL-4000. С
Другими СМГ читатель может познакомиться в [16].
Общая характеристика СМГ. Система ANVIL-4000 работает на 32-раз-
Рядных супермини-ЭВМ, имеющих быстродействие 1...2 млн оп./с.
77
оперативную память 1...2М байт, внешнюю память 132...1000М байт,
рабочие станции, включающие несколько ГД различных типов ц
вспомогательные устройства, описанные в п.2.4.2. Прикладное
программное обеспечение написано на языке Fortran, однако
пользователь этого может и не знать, так как общается с системой на
естественных входных языках.
СМГ ANVIL-4000, а также созданная на базе ее первых версий СМГ
CDM-300 предназначены для проведения проектно-конструкторских работ,
основанных на программах развитой интерактивной машинной графики,
общеинженерных расчетов, изготовления проектной документации и там,
где это возможно, для прямого управления ЭВМ станками с ЧПУ.
Имеющаяся в СМГ программа позволяет создавать описательную модель
объекта проектирования, включая геометрические, технологические и
производственные данные и спецификации.
Для унификации представления информации в СМГ введено понятие
"объект”. Объект характеризуется некоторой совокупностью данных,
позволяющих выделить его из ряда других объектов. Всего в СМГ
присутствуют 84 типа объектов. Программы для графического изображения
манипулируют графическими функциями и их выходными параметрами. При
изображении объекта используются такие характеристики, как цвет,
толщина линии, тип линии, яркость и т.п.
СМГ позволяет наряду с автоматическим построением любой
стандартной проекции выбрать произвольное направление проецирования,
предоставляет пользователю возможность выбрать число и перечень
проекций (включая и изометрию), с которыми он будет работать
одновременно. Это достигается за счет того, что все геометрические
объекты в СМГ представляются в трехмерном пространстве, которое
условно называют модельным или мировым пространством. Имеется
возможность в любой момент времени выполнить операцию ”окно”, которая
наряду с изменением глубины позволяет расположить экран дисплея
произвольным образом в модельном пространстве и отобразить затем это
пространство на экран в любом масштабе.
Наиболее часто употребимые функции такие, как операция ’’окно”,
"растяжение” изображения в произвольном направлении и целый ряд
других, могут быть осуществлены в любой момент времени независимо от
режима работы системы. Указанные процедуры выполняются с помощью
функциональных ключей. Функциональный ключ - это определенная клавиша
на клавиатуре ГД, нажатие которой приводит к немедленному выполнению
соответствующей операции.
Объекты, воспроизводимые СМГ, наряду с геометрической информацией,
78
описывающей их форму и положение в пространстве, могут содержать
дополнительную информацию, представляющую пользователю системы новые
возможности, которых у него не было при обычной работе за кульманом.
В качестве дополнительной информации могут выступать цвет объекта
(что особенно удобно при проектировании пространственных объектов),
тип и толщина линий, информация о том, "погашен” данный объект или
нет (удаление объекта), номер уровня (слоя), перечень объектов,
использованных при построении данного объекта.
Функция ”погашен/не погашен” позволяет временно удалить с экрана
дисплея объекты, указанные пользователем, которые он в данный момент
изменять не будет и которые не нужны для определения облика других
объектов. Это упрощает изображение и облегчает его восприятие: не от-
влекается внимание на второстепенные в данный момент детали изображе-
ния. (Такой возможности у конструктора при работе за кульманом нет.)
Другим не менее важным удобством в работе СМГ является то, что
объекты могут быть "приписаны” к определенному иерархическому уровню.
Всего в системе может быть 1024 уровня. Использование номера уровня в
сочетании с функцией "погашен/не погашен” позволяет из одних и тех
же объектов компоновать различные виды конструкторских документов.
СМГ представляет пользователю возможность выбирать способ синтеза
геометрии объекта, позволяющий ему работать в том стиле, к которому
он привык при работе за кульманом, т.е. СМГ не навязывает
конструктору какой-либо определенной последовательности выполнения
проектных операций.
Структурно ядро СМГ включает в себя следующие пять комплексов
(подсистем):
монитор (управляющая программа);
система управления базами данных;
система взаимодействия с пользователем;
система взаимодействия с устройствами (драйверы);
система преобразования объектов.
Монитор управляет работой СМГ и состоит из головной программы
управления и специальной программы, осуществляющей передачу управ-
ления по адресу, указанному системой.
СУБД обеспечивает обмен информацией между СМГ и базой данных и
предоставляет пользователю специальный режим (при наличии
соответствующей привилегии) - режим администратора базы данных. В
этом режиме возможно выполнение операций, связанных с сопровождением
базы данных, а также получение информации о наличии свободного места
и другой дополнительной информации.
79
Взаимодействие СМГ с пользователем осуществляется с помощью
специального диалогового языка, включающего в себя: информационные
сообщения и сообщения состояния, вопросы, инструкции, "меню”
(альтернативные возможности), редактируемые таблицы, пояснения,
индикаторы (маркеры), предупреждающие сообщения и сообщения об
ошибках.
Информационные сообщения и сообщения состояния информируют
пользователя системы о том, в каком режиме работы он находится и чем
система загружена в данный момент.
Вопросы - это специальные сообщения системы в вопросительной
форме, на которые пользователь должен ответить: "да” или "нет".
Инструкции - сообщения системы в повелительном наклонении,
содержащие указание о действиях, которые пользователь должен
выполнить в данный момент.
"Меню" - перечень возможных в данный момент действий, из которых
пользователь должен выбрать одно и указать его номер.
Редактируемая таблица - перечень числовых данных, которые
пользователь системы может менять. Каждому числу, как правило,
предшествует краткое смысловое описание в терминах, принятых в
системе.
Пояснения - сообщения системы, разъясняющие пользователю возможные
действия, которые он должен или может предпринять в данный момент
времени.
Индикаторы (маркеры) - специальные знаки, которыми система
помечает выбираемые в режиме селекции объекты. В некоторых ГД вместо
маркеров выбранные объекты отмечаются мерцанием.
Предупреждения - сообщения системы, появляющиеся каждый раз, когда
результаты ее дальнейшей работы могут привести к некорректным дейст-
виям. После выдачи на экран предупреждения о возможной ошибке система
прекращает выполнение операции и после нажатия на соответствующую
клавишу на клавиатуре ГД возвращается в состояние, в котором она на-
ходилась до начала выполнения операции, приведшей к ошибке.
СМГ ANVIL-4000 предоставляет пользователю возможность осуществлять
следующие преобразования над объектами: афинные преобразования;
операцию "окно"; "растяжение" изображения в произвольном направлении;
выравнивание объектов; удаление невидимых линий; объединение
объектов; изменение признаков объектов.
База данных состоит из шести подразделов, включающих в себя файлы
с различной организацией:
библиотеки фрагментов;
80
библиотеки типовых изображении;
библиотеки UTF;
нейтрального дисплейного файла;
рабочей области;
’’стираемой” области.
Последние три подраздела являются вспомогательными и заводятся си-
стемой автоматически на время сеанса работы с пользователем. Резуль-
таты работы хранятся в трех первых подразделах. Помимо этого пользо-
вателю СМГ предоставляется возможность котирования в базу данных ин-
формации, находящейся во внешних по отношению к системе файлах.
Библиотека фрагментов - самая большая по объему часть базы данных
40 %). Здесь хранятся синтезированные пользователем изображения и
дополнительная информация, представляющие собой конкретное конструк-
тивное решение разрабатываемого агрегата конструкции.
Библиотека типовых изображений (~ 5 %) содержит встречающиеся в
различных конструкциях типовые изображения.
Библиотека UTF (~ 5 %) содержит различные типы функциональных
файлов, например созданные пользователем таблицы символов (чертежные
шрифты), заготовки графиков, перечень переменных и т.п.
Рабочая область (~ 20 %) - это область, отводимая пользователю для
работы, где хранятся данные той части проекта, над которой ведется
работа в текущий момент. Если пользователь пожелает сохранить
созданные данные, они из рабочей области котируются в библиотеку
фрагментов.
’’Стираемые” области (~ 20 %) используются для операций уплотнения
библиотек фрагментов, типовых изображений и UTF, а также для штрихов-
ки плоских областей, подготовки данных для станков с ЧПУ и вычисления
геометрических и массовых характеристик.
Нейтральный дисплейный файл (дисплейный буфер) содержит
графические приказы и данные для вывода информации на экран ГД
(используется в основном для дисплеев на запоминающих трубках).
Программное обеспечение. Основой программного обеспечения синтеза
геометрии являются следующие объекты (примитивы).
1. Точки, прямые линии и отрезки, окружности и дуги. Синтез гео-
метрии этих объектов возможен в любом режиме работы СМГ с помощью
специальных функциональных ключей. Для каждого из этих объектов СМГ
предлагает большой выбор способов их задания.
81
2. ’’Строки”. Эта функция предоставляет пользователю удобный режц^
работы, особенно полезный, когда на существующем изображении необхо
димо что-либо дорисовать. Создаваемые с использованием этой функции
объекты обладают тем свойством, что конец одного объекта является
началом другого.
3. Кривые. СМГ предоставляет пользователю большой спектр выбора
всевозможных двух- и трехмерных кривых: сплайнов, конических сечений,
линий пересечения поверхностей, очерковых линий, многоугольников,
эквидистант и составных кривых.
4. Поверхности. СМГ обеспечивает возможности по синтезу следующих
поверхностей: плоскостей, поверхностей вращения, линейчатых поверх-
ностей, поверхностей, ’’натянутых” на семейство кривых, сопряжений
поверхностей, сплайнов, цилиндрических поверхностей, конических
поверхностей, тороидальных поверхностей, проекций одной поверхности.
СМГ представляет пользователю возможность генерировать векторы
различными способами и осуществлять над ними такие операции, как
сложение, умножение и т.п. Программное обеспечение оформления
чертежей позволяет создавать полностью завершенные рабочие чертежи в
соответствии со стандартами ANSI (Американский национальный институт
стандартов), BSI (Британский институт стандартов), JIS (Японский
институт стандартов), а также с любыми другими стандартами, которые
пользователь введет в систему.
Большинство информации, присутствующей на рабочем чертеже,
характеризуется тем, что ее параметры постоянно меняются в процессе
работы. Оперативное изменение таких параметров, как размер шрифта,
автоматическое вычисление размерной величины или задание ее
пользователем, выравнивание размерных линий, выбор типа и размеров
стрелок, чертежного масштаба, характера штриховки, необходимой
таблицы чертежного шрифта обеспечивается системой.
При оформлении чертежей СМГ ANVIL-4000 предоставляет пользователю
целый ряд дополнительных возможностей таких, как:
местное увеличение масштаба;
нанесение на чертеж технических требований и другой текстовой
информации;
изменение чертежных масштабов;
задание положения секущих плоскостей;
нанесение знаков обработки поверхности;
создание выносных элементов;
нанесение знаков предельного отклонения формы и непараллельных
поверхностей и др.
82
Программное обеспечение анализа и расчетов позволяет автоматически
выполнять расчеты, связанные с вычислением геометрических характе-
ристик объектов, а также производить анализ плоских сплайнов. Для
кривых СМГ обеспечивает вычисление их длины и производной в любой
точке. Для плоских областей, ограниченных замкнутым контуром, система
вычисляет периметр этого контура, площадь, центр масс.
Иллюстрация возможностей СМГ. В качестве примера приведем
формирование графического изображения отсека корпуса с помощью СМГ
ANVIL-4000. Предполагается, что проектирование конструкции проведено,
необходимые расчеты выполнены, конструкция ясна. Требуется выполнить
чертеж отсека.
Для сокращения числа рисунков графически не иллюстрируются многие
проектные операции (в виде последовательности команд), которые
пришлось использовать в примере. Последовательность этапов синтеза
изображения, вообще говоря, произвольна. В данном примере приводится
Рис. 2,4. Этапы формирования
главного вида
83
один из возможных вариантов этой последовательности. Формирование
изображения заняло меньше одного рабочего дня.
Процесс реализован следующим образом. Вначале проводятся осевые
линии, затем операторами входного языка "отрезок" и "дуга" задается
верхняя половина изображения проекции мест стыка с крылом. Применение
операции "зеркальное отражение" относительно горизонтальной оси
симметрии позволяет не создавать специально нижнюю половину
изображения. Узлы стыковки отсеков были изображены вначале в одном
экземпляре, а затем с помощью операций "копирование", "зеркальное
отражение" и "перенос" расположены в нужных местах (рис.2.4,а, б).
Так как формирование стыкового узла отсека с использованием операции
сопряжения дугой двух перпендикулярных отрезков в небольшом масштабе
затруднительно, то использовалась операция "окно", позволяющая
рабочую часть изображения задать в увеличенном конструктором
масштабе.
Операция штриховки стенок корпуса отсека в разрезе осуществлялась
путем укзания на чертеже перемещаемым курсором всех замкнутых
Рис. 2.6. Этапы формирования се-
чения В—В
84
контуров (рис.2.4л). При сложном контуре эта операция выполняется
для верхней, так и для нижней части изображения, так как при
зеркальном отображении направление штриховки изменяется на противопо-
ложное.
Описание этапов синтеза сечений приведено в порядке возрастания их
сложности. Процесс последовательного формирования сечения Б-Б
представлен на рис. 2.5. Сначала были сформированы однотипные
фрагменты сечения (рис.2.5,а, б, в), которые затем скопированы путем
поворота относительно центра окружности (рис.2.5,г). Как видно из
рис.2.5,б, формирование фрагмента реализуется операцией сопряжения
двух дуг. Выбор шага штриховки (рис.2.5,б) имеет свою особенность:
при малом шаге изображение выглядит неэстетично, при большом появля-
ются незаштрихованные области.
Формирование сечения В-В (рис.2.6) практически не отличается от
синтеза сечения Б-Б.
Процесс формирования сечения А-А (рис.2.7) несколько отличается от
Рнс. 2.8. Крыльевой отсек корпуса ЛА
85
двух предыдущих, так как верхняя и нижняя части не являются зеркаль
ным отображением друг друга. Вначале (см. рис.2.7,а) изображается
левая верхняя четверть сечения, синтезируемая из отрезков. Здесь
крестики - положения курсора на экране ГД, помечающие начальные и
конечные точки отрезков. На втором этапе производится автоматическое
удаление перекрестий, а затем строится зеркальное отображение
относительно вертикали. На третьем этапе осуществляется отображение
верхней части относительно горизонтали (см. рис.2.7,в), и это
рационально, так как фрагменты верхней и нижней частей сечения
одинаковы. Следующий этап формирования сечения состоит из сопряжений
отрезков дугами. При этом конструктор при необходимости визуально
подбирает радиусы сопрягающих дуг. Этот этап разбивается на две части
- для верхней и нижней половин отдельно. На последнем этапе
представлена завершающая операция: штриховка контура левой верхней
четверти сечения. В остальных четвертях она выполняется аналогично.
Окончательный облик отсека изображен на рис.2.8.
2.4.4. Перспективы развития АСК
Выше было показано, что основные трудности создания АСК связаны с
неформальными аспектами процесса проектирования конструкций, эвристи-
ческими способностями человека, наличием элемента неопределенности
при проектировании. Прогнозируется, что в системах следующих поколе-
ний эти проблемы должны быть решены. По мнению зарубежных специа-
листов, в перспективе АСК будут способны воспринимать множество фор-
мальных и эвристических профессиональных знаний от конструкторов, а
затем на основе накопленных знаний с использованием принципов искус-
ственного интеллекта решать проектировочные задачи, получать выводы и
принимать решения, приближающиеся по своей точности и эффективности к
решениям, которые под силу только человеку-специалисту высокого
класса.
Прогнозируется, что новое поколение автоматизированных систем
проектирования и конструирования станет поколением экспертных систем,
которые возьмут на себя многие интеллектуальные проблемы и задачи,
решение которых традиционно считается привилегией человека. Подобного
рода системы можно рассматривать как метод записи и демонстрации
человеческой компетенции, позволяющий осуществить рациональное пове-
дение в специфических обстоятельствах. Экспертные системы являются
попыткой ввести в ЭВМ жизненный опыт человека. Взяв на себя некоторые
функции принятия решений, ЭВМ уменьшает нагрузку на проектировщика.
86
По сравнению с существующими АСК перспективные системы представ-
ляются более гибкими и предназначаются для решения задач с элементами
неопределенности, неоднозначности и неточности. Такие системы
способны сначала определить наиболее важные аспекты решаемой
проблемы, а затем выделить на их решение основную часть
вычислительных ресурсов.
Основной эффект экспертных систем состоит в:
использовании большого объема знаний, который человеческий интел-
лект не способен реализовать в силу физиологической ограниченности;
повышении систематичности работы со знаниями, выявлении новых
результатов и направлений использования;
увеличении скорости и точности вычислений.
Принципиально новые автоматизированные системы с использованием
искусственного интеллекта могут быть реализованы за счет увеличения
ресурсов ЭВМ, совершенствования операционных систем и математического
обеспечения. В настоящее время зарубежные АСК в основном реализуются
на мини- и микроЭВМ. Наибольшей популярностью пользуются мини-ЭВМ
VAX-11/780/750 фирмы DEC и персональные компьютеры семейства IBM PC.
Перспективные разработки ориентированы на ЭВМ пятого поколения.
Отличительной особенностью машин этого поколения, как следует из
зарубежных публикаций , является наличие трех главных компонентов:
базы знаний системы;
системы логических выводов;
интеллектуального интерфейса системы.
База знаний - это совокупность правил, позволяющая синтезировать
разнообразные конкретные предложения и концептуальные выводы, харак-
теризующие предметную область. В традиционных автоматизированных
системах база знаний как бы "встроена" в алгоритм процесса
проектирования, т.е. является частью инструкций, которые ЭВМ
использует для выполнения предложенных ей процедур. При этом порядок,
в котором выполняются процедуры, заранее фиксирован программистом,
правила (знания) здесь внедрены как управления.
В экспертных системах на основе машин пятого поколения база знаний
отделена от механизма получения логических выводов. Механизм логики
здесь самостоятельная подсистема; он отвечает лишь за управление: за
Fuchi К., Revisiting Original Phioeophy of the Fifth Generation
Computer Systems Project. - Proceedings of the ICFGCS-84, Japan.
Tokyo. Nov. 1984. P. 1-3.
87
порядок, в котором рассматриваются правила, за принятие решении 0
порядке переходов и направлении движения в процессе доказательства
какого-либо факта и т.д. При этом база знаний оказывается ’’раскрепо-
щенной”, что позволяет наиболее полно использовать ее потенциальные
возможности, в том числе и в эвристическом плане.
Отличительной особенностью логических систем является ориентация
на символьные процедуры, внедрение механизма данных абстрактного
типа. Предполагается, что это будет достигнуто прежде всего за счет
существенного усложнения аппаратных средств. На уровне аппаратных
средств вместо использования процедур традиционных языков будут
применяться логические программные языки для получения логических
выводов (например, методом проб и ошибок). При этом будет
использоваться параллельная обработка данных.
Внешний интерфейс систем будет упрощаться. Он будет становиться
более интеллектуальным, более удобным для проектировщиков. Взаимодей-
ствие пользователей с ЭВМ предполагается в основном на естественном
языке. Обработка информации будет выполняться с помощью систем, обла-
дающих функциями проблемного решателя очень высокого уровня. Ведутся
исследования по развитию методов и средств хранения графических дан-
ных, более эффективных, чем память ЭВМ. С этой целью изучается приме-
нение специальных видеодисков, управляемых ЭВМ.
Одной из объявленных возможностей компьютеров пятого поколения
является ориентация их аппаратных средства на обработку языков типа
PROLOG, которые будут их ’’машинным кодом”. Языки высокого уровня
позволят использовать большое количество запасенного знания из очень
больших баз данных, чтобы помочь в выполнении заданий типа понимания
речи.
Обзор зарубежной печати показывает, что в настоящее время все без
исключения основные исследовательские программы выделяют искусст-
венный интеллект и экспертные системы как ключевые темы. Эго свиде-
тельствует о том, что в ближайшее время следует ожидать новых важных
научных и практических результатов в этих бурно развивающихся
областях.
88
г л а в a 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
§ 3.1. ОСНОВНЫЕ СЛАГАЕМЫЕ
ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
По определению одного из творцов кибернетики Клода Шеннона, все
задачи, которые людям приходится решать в своей повседневной
деятельности, можно разделить на два класса: точные и неточные. К
точным относятся задачи, в которых существует точная постановка, т.е.
известна функция цели, набор определяющих параметров и связи между
ними; известен математический аппарат решения и ожидаемые результаты.
В неточных задачах целевые функции многозначны, функциональные связи
содержат элемент неопределенности; для них не существует надежного
математического аппарата решений и весьма приблизительно известны
ожидаемые результаты.
Конструкторские задачи, как правило, относятся к классу неточных
задач. Их нельзя полностью формализовать и возложить на ЭВМ. Лишь че-
ловек с его эвристическими способностями может принимать решения в
условиях неполной исходной информации. (Эго, заметим, одна из пре-
град, стоящая на пути широкой автоматизации проектно-конструкторских
работ.) Но человеческий мозг плохо приспособлен для запоминания и вы-
полнения большого объема вычислений. Компенсировать эти недостатки
призваны, как известно, ЭВМ, но они не ’’умеют” решать неточные зада-
чи. Идеальной формой взаимодействия человек - ЭВМ является такая, при
которой недостатки сторон взаимно компенсируются. Чтобы организовать
подобное взаимодействие, необходимо наличие гибко спланированного ди-
алогового режима работы, при котором человек может на любом этапе
вмешиваться в процедуры выдачи информации, вычислений и принятия ре-
шений. Одновременно с этим необходимо хорошо организованное информа-
ционное обеспечение, построенное на количественной основе.
Для организации диалога необходимо иметь специальные прикладное
математическое и программное обеспечения, состоящие из систем
процедур с относительно простой формой постановки вопроса и анализа
ответа, которая дает возможность конструктору с помощью ’’быстродейст-
вующих” приемов обработки информации получать ответ о рациональности
своих предложений и принимать решение. В этом заключается главное
требование ко всем средствам, реализующим диалог конструктор - ЭВМ, и
особенно к прикладному математическому обеспечению. В основе ’’быстро-
89
действующих** приемов лежит технология проектирования конструкций,
отражающая совокупность выполняемых конструктором процедур. Описание
этих процедур полезно во всех случаях (особенно в учебных целях) и
совершенно необходимо в условиях автоматизированного проектирования,
поскольку на ЭВМ можно возложить лишь количественный анализ и
упорядочение информационных массивов, а цели 1^сследования, варианты
конструкций, приемы (методы) анализа остаются за человеком.
Современная теория проектирования конструкций объединяет обе
стороны процесса проектирования: формальную и неформальную. Концеп-
туальной основой этой теории является информационная технология
проектирования, которую можно определить как прикладную отрасль
науки, изучающую общие закономерности технологии на базе информатики.
Применительно к проектированию конструкций ЛА технология - это
совокупность процедур (операций) процесса проектирования. Хотя эти
процедуры весьма индивидуальны для каждого конструктора и для каждого
объекта проектирования, определенная типизация и упорядочение их
совершенно необходимы. Без этого невозможна автоматизация проектиро-
вания. Наиболее общая декомпозиция процесса проектирования, как
указано выше, предусматривает следующие обобщенные процедуры:
1) выбор физического принципа действия и наиболее общих
характеристик конструкции (выбор опорных вариантов);
2) выбор технического решения и оптимизация проектных параметров
конструкции;
3) конструирование и выпуск технической документации.
Информационная сторона технологии проектирования (информатика) -
это совокупость всех сведений, необходимых для проектирования, и
вопросов, связанных с их передачей, обработкой и хранением. С
некоторой долей условности процесс проектирования можно представить
как процесс переработки информации. Эго предопределяет особую
важность требований к информационному обеспечению проектных работ.
Содержательная часть работы с информацией на каждой техно-
логической операции проектирования определяется системой функцио-
нальных связей, которая объединяет математические модели, методы
расчета и процедуры принятия решений. Таких связей, как известно,
бесчисленное множество. Искусство конструктора заключается в умении
ориентироваться в этом море расчетных методик, в умении ранжировать
их по степени важности.
Более того, конструктор современных ЛА должен не только хорошо
разбираться в существующих расчетных методах, но и уметь в случае не-
обходимости создавать новые математические модели и расчетные методы.
90
Кроме знания предмета конструирования он должен хорошо разбираться в
зычислительной технике, в тонкостях методов механики и математики,
хорошо знать технологию производства, быть эрудированным в вопросах
оценки экономической эффективности - словом, он должен быть, по выра-
жению академика В.М. Глушкова, "кибернетическим полиглотом".
С общих позиций функциональные связи и соответствующие им
математические модели, применяемые при проектировании конструкций ЛА,
условно можно разбить на два вида. К связям первого вида относят:
связи и модели, получаемые при помощи уравнений механики
деформируемых сред, условий статической и динамической прочности,
жесткости, статической и динамической устойчивости и условий
отстройки от заданного спектра собственных частот конструкции;
конструктивно-технологические связи и модели, а также связи и мо-
дели, определяемые условиями применения и технической эксплуатации ЛА
Для получения связей и моделей первого вида необходимо иметь
полную информацию о поведении конструкции при заданном спектре
внешних воздействий. Эта информация заключается в выявлении уровня
концентрации статических и динамических напряжений, определении
статических и динамических критических нагрузок при потере устойчи-
вости, исследовании спектра собственных частот. После определения
этих факторов уравнения связи получаются из задаваемых в виде
нестрогих неравенств условий прочности, жесткости, устойчивости и их
условий отстройки от заданного спектра частот.
Для каждой из перечисленных проблем известно большое число
математических моделей и расчетных методов.* Использовать все
известные данные при проектировании конструкций, по-видимому, не
удастся никогда. Да это и не нужно. Обычно разбивают все многообразие
связей на группы определяющих связей и вспомогательных.
Под определяющими связями будем понимать сравнительно узкий круг
соотношений, получаемых на основе простых расчетных схем и позволяю-
щих достаточно быстро определять основные параметры конструкции. Так,
например, к определяющим связям для корпуса ЛА можно отнести:
1) условие прочности, составленное для статических напряжений,
рассчитанных по балочной теории (корпус ЛА заменяется балкой
постоянной или переменной жесткости) или по любому из вариантов
теории оболочек;
2) условие статической устойчивости, составленное с учетом
статических напряжений, действующих в конструкции, и критических
напряжений потери устойчивости, рассчитанных по тому или иному
варианту теории устойчивости оболочек;
91
3) условия, накладываемые на определяющие параметры конструкции с
использованием конструктивно-технологических и эксплуатационных
ограничений. Сюда относятся ограничения, накладываемые на минимальную
толщину обечайки; ограничение на число болтов фланцевого стыка
(8... 16), выбираемое из условий удобства эксплуатации (стыковка,
расстыковка отсеков, обеспечение соосности, герметичности); ограни-
чения, накладываемые на форму поперечного сечения шпангоутов и стрин-
геров, определяемые существующим сортаментом типовых сечений и т.д.
Вспомогательные связи в основном служат для проверки выбранных
определяющих параметров. В отдельных случаях их используют и при
оптимизации опорного варианта. К наиболее часто применяемым
вспомогательным связям можно отнести ограничения, накладываемые на
спектр собственных частот (спектр собственных частот должен
максимально отличаться от заданного множества частот); ограничения,
накладываемые на картину динамического напряженно-деформированного
состояния (НДС) (так, например, при компоновке носового отсека для
правильного расположения датчиков скорости и ускорения конструктору
важно знать расположение узлов и пучностей стоячих волн); ограничения
на уровень температурных напряжений, вносящих существенный вклад в
общую картину напряженного состояния конструкции и т.д.
Одним из компонентов искусства конструктора является умение
формировать совокупность определяющих и вспомогательных связей.
Причем эти совокупности не есть нечто застывшее. Конструктор должен
уметь при необходимости переводить те или иные связи из одной
категории в другую или совсем исключать их и оценивать при этом
возможные последствия.
Несколько подробнее рассмотрим связи и модели второго вида,
поскольку именно они являются основным слагаемым аналитического
проектирования конструкций. Связи (модели) второго вида - это
математические и логические модели, позволяющие выбирать
(рассчитывать) параметры конструкции, удовлетворяющие связям первого
вида. В инженерной практике связям (моделям) второго вида
соответствуют два типа задач (моделей): прямые и обратные.
В прямых задачах физические и геометрические параметры конструкции
и внешнее воздействие задаются на основе конструкторской интуиции или
статистических данных, а отыскивается НДС. Далее в соответствии с
требованиями прочности, жесткости или какими-либо другими коррек-
тируется распределение материала и отыскивается новое НДС. Алгоритм
целенаправленного выбора конструктивных параметров в соответствии с
тем или иным комплексом требований в таких задачах отсутствует.
92
Строго рассуждая, прямые задачи нельзя считать проектировочными,
поскольку их решение не дает ответа о степени совершенства проекта,
оценить которую можно лишь на основе сравнения выполненного проекта с
оптимальным.
Оптимальные конструкции находят в результате решения обратных
задач, т.е. таких, в которых параметры конструкции определяются в
соответствии с тем или иным заданным критерием выбора, математически
представленным в виде критериальной функции или функционала. Внешние
нагрузки при этом могут быть функциями искомых параметров
конструкции.
Обратные задачи (иначе их называют задачами оптимального
проектирования) характеризуются большим разнообразием постановок. Это
объясняется тем, что и уравнения, определяющие нагружение и деформи-
рование конструкции, и требования, предъявляемые к механическим
характеристикам, существенно различаются при рассмотрении различных
типов конструкции (балок, стержней, пластин, оболочек), реологических
свойств (упругости, пластичности, ползучести), внешних воздействий
(поверхностных и объемных сил, статических и динамических нагрузок,
консервативных нагрузок и сил, зависящих от поведения самой
конструкции, тепловых воздействий), видов переменных оптимизации
(формы конструкции, распределения физических свойств по конструкции),
предположений о степени полноты информации, об условиях работы
конструкции. Точность модели и исходных данных также влияет на
постановку задачи.
Накопленный к настоящему времени значительный опыт в постановке и
решении прикладных задач оптимизации относится главным образом к
исследованию относительно простых конструкций. В более сложных слу-
чаях характерным пока остается такой подход, когда на основе дополни-
тельных допущений, при том не всегда строгих, задача существенно
упрощается и сводится к ряду слабо взаимосвязанных задач проектирова-
ния отдельных агрегатов, использующих упрощенные расчетные модели и
неполный набор ограничений. В то же время современные достижения в
исследовании НДС сложных конструкций, развитии математических методов
оптимизации и прогресс в области вычислительной техники и математи-
ческого обеспечения ЭВМ создают предпосылки для решения проблемы оп-
тимизации на качественно новом уровне в рамках системы автоматизиро-
ванного проектирования с рассмотрения сложной конструкции как единой
системы с необходимой степенью детализации, с учетом всего комплекса
основных требований к ней.
Цель многих исследований по оптимальному проектированию состоит в
93
том, чтобы выявить наиболее эффективный из способов оптимизации.
Обычно при оптимальном проектировании конструкции имеется широкий
выбор конструктивных параметров, варьированием которых можно влиять
на критерий качества. Например, уменьшение массы конструкции может
быть достигнуто в результате рационального распределения толщин,
управления анизотропией материалов, армирования, создания предвари-
тельного напряженного состояния и т.д. Важно знать, какие способы
оптимизации или их комбинация приводят к большему выигрышу по
функционалу. Даже в тех случаях, когда по причинам большой стоимости
или трудностей технологического характера возможности создания
оптимальных конструкций ограничены, исследование оптимальных проектов
имеет важное значение, так как позволяет теоретически оценить
качество традиционных неоптимальных конструкций.
Так, конструкции минимальной массы, получающиеся в результате
решения задач оптимального проектирования, не всегда приемлемы в
технологическом отношении. В некоторых случаях выигрыш массы опти-
мальной конструкции столь незначителен по сравнению с обычно
употребляемыми конструкциями, что изготавливать ее нет смысла. Однако
возможность получения оптимального решения чрезвычайно важна. Оно
представляет собой эталон, с помощью которого проектировщик
сравнивает работоспособные варианты конструкции и выбирает лучший,
наиболее близкий к оптимальному. Кроме того, оптимальное решение
указывает пути совершенствования конструкции и в том случае, когда
оптимальный проект сложен в изготовлении, но имеется возможность
спроектировать технологичную конструкцию несколько большей массы, чем
оптимальная.
Задачи оптимального проектирования решают аналитическими и
численными методами. Среди аналитических методов наибольшее значение
имеют методы дифференциального и вариационного исчислений, а также
принцип максимума. Иногда эти методы сочетаются с вычислительными
процедурами. Для оптимального проектирования реальных конструкции
применимы в основном численные методы. За аналитическими методами
следует сохранить, пожалуй, лишь роль поставщика эталонов для
проверки точности численных методов. В числе последних наибольшее
значение имеют методы математического программирования, так как в
большинстве случаев задача поиска оптимального проекта может быть
сведена к задаче математического программирования, заключающейся в
определении экстремального значения целевой функции при заданных
ограничениях на проектные параметры. Условия связи и ограничения в
таких задачах - функциональные модели первого вида, т.е. уравнения
94
строительной механики, условия прочности, жесткости, аэроупругости,
^ежности и др.
Отличительная особенность задач проектирования состоит в том, что
по своей природе многоуровневые. Даже в условиях узкой
спецнализаиии проектных задач в конструкторских бюро (см. § 1.1) при
проектировании конструкции необходима как минимум двухуровневая
проработка. Первый уровень - решение схемной (структурной) задачи по
выбору конструктивно-силовой схемы, второй - оптимизация параметров
выбранной схемы. В целом же задача оптимального проектирования
конструкций представляется в виде задачи структурно-параметрической
оптимизации.
В настоящее время существует несколько подходов к проведению
структурно-параметрической оптимизации авиационных конструкции.
Наиболее общий подход предполагает декомпозицию структурно-парамет-
рической задачи на три задачи [4]: 1) синтез оптимальной
конструктивно-силовой схемы; 2) оптимизация конструкции в пределах
выбранной силовой схемы при заданных допустимых напряжениях; 3)
оптимизация элементов конструкции.
Первая задача - завязка силовой схемы, определение общего облика
конструкции. Это исключительно ответственная задача, поскольку
реализованную в чертежах недостаточно проработанную схему очень
трудно исправить и довести до уровня рациональной. Подобная задача
достаточно сложна вследствие трудности математического описания
конструкции, поэтому ее решают при введении ряда не всегда
обоснованных допущений относительно поведения конструкции.
Две следующие задачи решаются применительно к выбранной силовой
схеме. При оптимизации, как правило, задается класс допустимых
конструкций путем варьирования некоторых параметров уже вполне
определенного скелета конструкции с заданным типом элементов,
составляющих эту конструкцию, поэтому число варьируемых параметров
несколько меньше и решение таких задач относительно проще с
математической точки зрения. Задачу оптимизации параметров самих
элементов конструкции в связи со спецификой описания поведения
элементов конструкции и для значительного уменьшения числа
неизвестных, определяющих конструкцию, выделяют как самостоятельную.
Другим возможным подходом к решению задач структурно-параметри-
ческой оптимизации авиационных конструкций является использование
интерактивных процедур идентификации. Существенная особенность
Удобных процедур заключается в разделении задачи структурно-парамет-
Рнческой оптимизации конструкции на два самостоятельных этапа: 1)
95
получение методами математического программирования эталонного
решения, которое представляет собой оптимальный закон распределения
массово-инерщюнных и жесткостных характеристик в конструкции
минимальной массы, отвечающей требованиям прочности и жесткости, и 2)
сравнение * альтернативных вариантов конструкции с эталоном с помощью
процедуры идентификации. При этом трудоемким, т.е. требующим
существенных затрат машинного времени, является первый этап, так как
условия связи в этом случае представляют собой сложные систем*
уравнений, описывающих поведение конструкции в статике и динамике.
Существенное достоинство рассматриваемого подхода заключается в
том, что для рассматриваемого класса конструкций эталонное решение
получают только один раз, поэтому принципиально не имеет особою
значения затраченное при этом машинное время, так как возможен
пакетный режим работы с ЭВМ. Последнее обстоятельство делает
возможным получение оптимальных законов распределения массово-инер-
ционных и жесткостных характеристик в конструкции минимальной массы
при выполнении целого ряда эксплуатационных ограничений и, в первую
очередь, таких, как статическая прочность, статическая и динамическая
устойчивость конструкции. Возможность рассмотрения широкого спектра
эксплуатационных ограничений значительно повышает информационную
ценность эталонного решения.
Другим не менее важным достоинством данного подхода является то
обстоятельство, что второй этап не требует (в отличие от первого
этапа) больших затрат машинного времени, так как при оптимизации
параметров конструкции в качестве ограничений выступают алгеб-
раические неравенства, а функциональные связи отсутствуют. Поэтому
при оптимизации параметров имеется возможность организовать интераЮ*
тивный режим работы конструктора с ЭВМ, и следовательно, становятся
возможными проведение сравнения большого числа альтернативна
вариантов конструкции с эталоном и выбор наиболее рациональных.
Таким образом, рассматриваемый подход к решению задач
структурно-параметрической оптимизации с помощью интерактивным
процедур идентификации позволяет оценивать совершенство проектируемы!
конструкций (так как имеется эталон) и просматривать широкий спектр
альтернативных вариантов с целью выбора наиболее рационального^
Одновременно заметим, что при любом методе реализации структурно-паН
раметрическая оптимизация позволяет получать более совершенны!
конструкции, чем при традиционном проектировании, основанном на ceprt
прямых расчетов на прочность. Однако точность решения обратных задач*
как правило, ниже, чем прямых. Поэтому спроектированную с помошьЫ
96
методов структурно-параметрической оптимизации конструкцию необходимо
подвергнуть дополнительному тщательному и всестороннему анализу с
помощью поверочных расчетов на прочность методом конечных элементов
или экспериментальным путем.
Ниже излагаются содержание основных этапов проектирования
конструкции ЛА и характеристики используемых математических моделей.
§ 3.2. ВЫБОР ОПОРНЫХ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ
Задача этого этапа проектирования состоит в том, чтобы сформиро-
вать множество альтернативных вариантов, отражающих возможности
научно-технического прогресса, и затем выбрать из этого множества
один или несколько опорных вариантов. Последние, как указано в гл. 1,
должны в основном удовлетворять поставленным целям и быть основой для
дальнейшей проработки. Варианты проектируемой конструкции - это
область возможных решений, в которой ищется оптимальное решение. Чем
больше вариантов содержит эта область, тем выше вероятность
обоснованного решения. Важно, чтобы все значимые и в принципе
применимые к рассматриваемой задаче достижения научно-технического
прогресса были просмотрены и представлены в виде некоторой
совокупности конструктивных вариантов.
Процесс генерации вариантов существенно неформальный. Именно здесь
проявляются творчество конструктора, его талант, умение обобщить
предыдущий опыт. При этом нужно учитывать, что с течением времени, по
мере развития техники, конструкторское и особенно технологические
решения претерпевают своеобразную "переоценку”: невозможное вчера
сегодня становится наиболее рациональным. Это не значит, что все
варианты должны строиться исключительно на последних достижениях
науки и техники. Должно быть разумное сочетание новейшего и
положительно себя зарекомендовавшего.
Варианты конструкций, использующие нововведения, должны
подвергаться особо тщательному анализу. Очень полезно при этом
исследовать потенциальные возможности внедряемого нововведения. Если
Достигнутый уровень близок к теоретическому, то вряд ли можно ожидать
при внедрении значительных результатов, особенно если учесть, что
всякое новшество встречает активное противодействие со стороны
отживающего.
Многообразие конструкций ЛА и его систем не позволяет провести
Конкретный анализ целесообразных нововведений в рамках настоящего
Учебника. Особо подчеркнем лишь то, что новую технику нельзя
4 - 880 97
создавать по прототипам путем обработки статистических данных. Новая
техника - это обязательно акт творчества с использованием ново-
введений.
Наиболее добротная информация о новинках - патенты и авторские
свидетельства. Они и должны анализироваться в первую очередь.
Подразделения патентной информации должны не только обеспечивать
конструкторов необходимыми сведениями о новых технических решениях,
найденных изобретателями у нас и за рубежом, но и прогнозировать
изобретательскую деятельность на 10... 15 лет вперед, подсказывая
конструкторам, в каких направлениях следует искать новые решения,
куда движется конструкторская мысль, а где поиски бесперспективны.
Целесообразно, чтобы область возможных решений представляла собой
упорядоченную структуру, ибо только в таком случае можно применять
интерактивный режим работы конструктора с ЭВМ. При этом автомати-
зированное формирование вариантов выполняют в несколько стадий.
Первая стадия имеет целью формально описать множество материальных
реализаций элементов, отражающее возможности научно-технического
прогресса. Особо подчеркнем, здесь речь идет об элементах, т.е. о
составных частях альтернативных вариантов. Такими элементами могут
быть, например, узлы, из которых собираются агрегаты конструкции
планера (панели из композиционных материалов, подкрепленные панели,
штампованные перекрестные балки, фермы и т.д.). Необходимо, чтобы
конструктивная реализация элемента была совершенно ясной и
параметрически определенной.
Поскольку конструкций элементов может быть довольно много, а
базирующихся на них альтернативных вариантов неизбежно еще больше, то
возникает проблема - как, используя множество материально реализуемых
элементов, описать всю возможную совокупность альтернативных
вариантов. Основная трудность всех этих процедур связана с тем, что
генерация вариантов требует от проектировщика умения анализировать и
прогнозировать широкий круг сложных задач, в том числе и таких, с
которыми он встречается впервые. Может оказаться, что компетенции
проектировщика недостаточно для того, чтобы представить варианты
реализации той или иной исходной цели. Человек способен проанализи-
ровать ситуацию лишь тогда, когда требуется учесть относительно
небольшое число обстоятельств (взаимных связей). Поэтому, если
решение сложной задачи вызывает серьезные затруднения, задачу надо
расчленить на ряд более простых.
Принцип расчленения, т.е. декомпозиции системы, при формировании
вариантов конструкции является основополагающим. Следует, однако,
98
иметь в виду, что общепринятых рекомендаций о способах разделения
проблемы нет. В задачах проектирования конструкций декомпозиция
системы наиболее удобно описывается с использованием иерархической
древесной структуры. Иерархическая схема определяет взаимное
отношение элементов (подсистем), является основой и необходимым
инструментом для описания логической структуры базы данных, позволяет
организовать интерактивный режим работы проектировщика с ЭВМ.
Обобщая, можно сказать так: на основе иерархической схемы
декомпозиции системы осуществляется формализация всего процесса
проектирования.
Возможная иерархическая схема декомпозиции показана на рис.3.1.
Проектируемую конструкию ЛА целесообразно представлять четырьмя
иерархическими уровнями.
1-й уровень занимает конструктивно-компоновочная схема аппарата,
представляемая совокупностью параметров, характеризующих структуру,
геометрию аппарата* аэродинамическую схему, компоновку оборудования,
внешние нагрузки, функциональное совершенство и т.д.
2-й уровень отражает основные концепции, которые должны быть
просмотрены при проектировании и которым могут соответствовать
различные варианты конструктивной реализации ЛА в целом. Например,
могут быть заданы к проработке с последующим сравнением модульная и
7-J уровень
2-й уровень
3-й уровень
Ь-й уровень
Рис. 3.1. Возможная иерархическая схема декомпозиции системы
неразъемная (ампульная) модификации конструкции корпуса ЛА.
Подсистемы следующего уровня для рассматриваемых модификаций,
очевидно, будут существенно различными.
3-й уровень составляют подсистемы, образованные, как правило,
функциональному признаку. Для конструкций ЛА - это отсеки корпуса
(фюзеляжа), крыло, двигательная установка и т.д. В отдельные
подсистемы могут быть выделены связанные с конструкцией системы
оборудования. В числе основных характеристик, рассматриваемых на этом
уровне, должны быть: материал силовых и несиловых элементов, тип
конструкции и способ соединения элементов.
4-й уровень составляют узлы и модули подсистем, отражающие
возможные конструкции панелей, сечения силовых элементов, особенности
технологии и т.д.
На второй стадии проводится упорядочение массива вариантов. Ориен-
тируясь на использование ЭВМ, эту процедуру выполняют с помощью спе-
циальных морфологических таблиц, в которые по определенным правилам
заносится информация о всех известных и возможных реализациях
элементов или подсистем, т.е. данные предыдущей стадии. В качестве
примера ниже приводится форма такой таблицы для 3-го уровня.
Таблица 3.1
Подсистемы Варианты реализации подсистем
1 2 3 4 5 п
Носовой отсек 1111 1 Рулевой отсек 1 1 1 Приборный отсек 1111 1 Крыло 111 1 и т.д.
В таблице помещают все подсистемы и информацию о вариантах их
технической реализации. Цифра ”Г в строке говорит о том, что вариант
реализуем. Для носового отсека, например, могут рассматриваться
радиопрозрачные обтекатели, выполненные из различных материалов; для
рулевого отсека варианты могут отличаться типом конструкции
(монолитная, наборная, из композиционных материалов) и т.д. Если
число возможных комбинаций вариантов подсистем оказывается достаточно:,
обозримым, то желательно в табл. 3.1 для каждого варианта системы''
100
предусматривать лишь совместимые (реализуемые) комбинации подсистем.
Эго требование можно и не выполнять, но тогда число вариантов,
подлежащих анализу, значительно увеличивается.
Пронумеровав далее подсистемы в принятой последовательности их
просмотра и присвоив порядковые номера разным подсистемам одного
назначения, получим двумерный численный массив, который отражает все
множество возможных вариантов. Аналогичным образом формируются
Таблица 3.2
Крылье-
вой от- -----------
сек кор-
пуса --------------
101
массивы информации на 4-м уровне. Результаты также оформляются в виде
морфологических таблиц, число которых равно числу подсистем.
Далее следует третья стадия анализа альтернативных вариантов -
отсеивание . несовместимых и явно нерациональных вариантов (по-
скольку общее число вариантов может оказаться астрономически
большим). Здесь опять вступает в силу неформальный анализ. Стра-
тегия обзора, распознавание приемлемых вариантов, анализ множества
решений возлагаются на проектировщика. Чтобы отсеять несовместимые
варианты, составляется так называемая матрица совместимости в виде
табл. 3.2.
Цифрой ”Г в таблице отмечают реализуемые варианты. По идее эта
матрица должна отражать все иерархические уровни, но тогда ее
размерность может оказаться весьма значительной. Основываясь на
опыте, проектировщик может неформально проанализировать верхние
иерархические уровни и оставить в матрице лишь часть вариантов,
относящихся к 3-му и 4-му уровням. Явно нерациональные варианты при
этом рассматриваются как несовместимые.
Итогом третьей стадии является перечень возможных вариантов с
описанием самых общих характекристик. Далее возникает ряд вопросов:
как определить облик и параметры каждого варианта, следует ли
детально прорабатывать конструкцию каждого варианта, допустимо ли
применение различных критериев при локальной оптимизации параметров и
т.д. Все эти вопросы являются содержанием следующей (четвертой)
стадии решения задачи о выборе опорных вариантов.
Выбор опорных вариантов производится на основе количественного
анализа. Отличительной особенностью проектирования конструкций
является иерархическая схема проектирования. Даже при неизмен-
ной (заданной) конструктивно-компоновочной схеме системы ее кон-
струкция прорабатывается на двух уровнях: нижний уровень образует
задача выбора параметров и характеристик вариантов конструкции, а
верхний - сравнение вариантов. Причем исследования на нижнем уровне в
связи с большим числом допустимых вариантов, как правило, проводятся
в два приближения. Вначале варианты рассчитываются и оцениваются с
помощью упрощенных методик, и только после существенного ограничения
числа вариантов детально прорабатываются оставшиеся (опорные) ва-
рианты.
Использование упрощенных методик удобно тем, что позволяет оце-
нить большое число вариантов и отсеять заведомо худшие. Жела-
тельно, чтобы такой анализ проводился с позиций единого критерия
или единой системы критериев, что обеспечивает сопоставимость условий
102
при сравнении вариантов. Однако это требование не всегда реально и к
тому же оно ограничивает эвристические способности конструктора,
которые на этом этапе играют исключительно важную роль. О
неформальной стороне пректирования здесь еще раз говорится потому,
что для новых сложных технических систем далеко не всякая задача
анализа системы, и тем более ее проектирования, может быть аккуратно
поставлена математически. Качество проекта новой системы во многом
зависит от того, насколько удачно конструктор сумел вписать в
неформальную по существу процедуру создания проекта формальные
математические методы.
Аналитическое определение проектных параметров конструкции, как
указано в § 3.1, базируется на моделях двух видов. Первый вид - это
модели, яьляющкся аналттоским описанием расчетных схем конструкций
и отражающие функциональные связи между проектными параметрами.
Определяющее влияние на эти связи оказывают напряженно-деформирован-
ное состояние и устойчивость конструкции. Второй вид моделей - модели
математического программирования, предназначаемые для интегральной
количественной оценки вариантов конструкций. Приведем общую харак-
теристику тех и других моделей.
К наиболее часто встречающимся моделям первого вида следует
отнести модели, описывающие следующие расчетные схемы конструкций:
1. Прямолинейные балки и стержни, работающие на изгиб, растяжение
и продольно-поперечный изгиб. Эти схемы пригодны для анализа
напряженно-деформированного состояния корпуса ЛА и стрингеров в
подкрепленных отсеках.
2. Круговые кольца, работающие на изгиб и кручение в своей
плоскости и в направлении прямой, перпендикулярной соприкасающейся
плоскости. Эти схемы хорошо моделируют НДС стыковых и нормальных
шпангоутов и даже иногда целых отсеков (для расчетных случаев,
связанных с высокоинтенсивными ударными нагружениями).
3. Подкрепленные и неподкрепленные плоские пластины. Эти схемы
можно применять при определении НДС криволинейных панелей,
опирающихся на продольно-поперечный набор, а также обечаек отсеков
для расчетных случаев, в которых обечайка отсека воспринимает нагруз-
ку, лежащую в плоскости, перпендикулярной срединной поверхности.
4. Подкрепленная и неподкрепленная цилиндрические оболочки,
напряженно-деформированное состояние которых можно определять исходя
из уравнений теории оболочек (безмоментная, полубезмоментная оболочка
с недеформируемым поперечным контуром, моментная). Модели этих схем
являются наиболее сложными для решения. При надлежащем выборе
103
граничных условий и нужного варианта теории оболочек они хорошо
описывают НДС конструкций.
В моделях второго вида - математического программирования - суть
задачи состоит в отыскании экстремума функции fix) на некотором
множестве С, т.е.
fix) — extr, (3.1)
х е G
где fix) - целевая функция, ах- вектор, описывающий параметры
конструкции.
Условие х € G означает принадлежность вектора х некоторому
ограниченному замкнутому множеству G, которое в общем случае может
иметь сколь угодно сложную природу, определяемую структурой модели.
Обычно это условие представляют в виде одного или нескольких
уравнений связи (например, уравнений существования, условий
равновесия и т.д.) типа
£.(х) = 0; i = ГТ (3.2)
и ряда ограничений типа неравенств
fly < gfM <b-, j = ГТ (3.3)
отражающих ресурсные требования, ограничения по нагрузкам,
температурам, напряжениям и пр.
Если целевая функция, условия связи и ограничения линейны, а
переменные управления х неотрицательны, то задача (3.1)...(3.3) реша-
ется с помощью хорошо разработанных методов линейного программи-
рования.
Наиболее трудный вопрос на рассматриваемой стадии проектирования
состоит в выборе критерия оптимальности и формировании целевой
функции. Во многих случаях объективно трудно сформулировать одну
единственную четко определяемую цель функционирования. В подобных
ситуациях критериев оказывается много, и чтобы привести задачу к
стандартной форме, необходимо привлечь дополнительные гипотезы
(иногда даже не вытекающие из постановки задачи). Некоторые из таких
подходов излагаются ниже [23].
Введение комплексного критерия. Этот способ, вероятно, самый
простой и поэтому довольно распространенный. Целесообразные модели
104
свертки частных критериев - пересечения эффектов, объединения
эффектов и комбинации эффектов - нами рассмотрены в гл. 1 (см.
(1.10)...(1.12)).
В некоторых случаях совокупность частных критериев на основе
экспертного анализа заменяется одним основным критерием, а для
остальных критериев также экспертным путем назначаются допустимые
границы и тем самым они переводятся в ограничения.
Использование нормативных показателей. Ранее было показано, что
исследование эффективности технических систем в качестве исходной
базы и одновременно в качестве результата предполагает наличие норма-
тивов - контрольных показателей. Пусть такие нормативы Ц, .............
f . Требуется выбрать вектор х (параметры конструкции), обеспечи-
п
вающий максимальные значения функциям Щх), f^(x)........... f^(x) одно-
временно.
В подобных задачах целевую функцию удобно представлять в виде
fjx)
F(x) = min —-— (3.4)
и искать вектор х, который обеспечивает максимальное значение Fix).
Условие Fix) —» шах, максимизируя значение наихудшего из
относительных локальных критериев if.ix)/f^), означает выбор такой
системы конструктивных параметров х, которая обеспечивает приближение
к единице каждого отношения f^(x)/f., что и требуется по условию
задачи.
Весьма важным качеством критерия в форме (3.4) является то, что в
случае линейных функций f^x) задача максимизации Fix) сводится к
задаче линейного программирования. Эго легко показать, используя
овую переменную
fAx)
Н = min -£-—. (3.5)
1 h
105
Очевидно, что должны быть введены ограничения
f/x) > Hf*. i = 1, п.
(3.6)
с учетом которых приходим к следующей задаче линейного программиро-
вания: определить максимум по х скаляра Н, удовлетворяющего
ограничениям (3.6).
Введение меры близости в пространстве локальных критериев.
Стремление свести задачу к одному критерию вполне закономерно,
поскольку в этом случае можно рассчитывать на простое решение. В
связи с этим множеству целей, а следовательно, и критериев на
практике пытаются удовлетворять дифференциально, т.е. по отдельности.
Если такие решения известны, т.е. найдены л оптимальных векторов
х^. то совокупность соответствующих им критериев определит в
пространстве критериев некоторую точку, которую можно рассматривать в
качестве абсолютного экстремума. Поскольку оптимальные векторы х^*
неизбежно различны, то, очевидно, не существует такого х, который
позволил бы достичь точки абсолютного экстремума.
Положительная величина
р = Jx [f .(х) - ]2 , (3.7)
i
представляющая собой евклидово расстояние от точки (fix), f^(x).......
f (х)) до точки (/"1ах, f™*........ f™*) в пространстве критериев,
fl 1 2 fl
может рассматриваться как мера близости решений f.(x) и Эта
мера может быть принята в качестве обобщающего критерия, минимизация
которого дает конструктору определенную полезную информацию:
показывает, насколько рассматриваемое решение отстоит от абсолютного
максимума.
Принцип Парето. В предыдущих случаях задача с многими критериями
тем или иным способом сводилась к однокритериальной задаче. Но к
анализу многокритериальных задач можно подойти и с других позиций:
попытаться сократить множество исходных вариантов, т.е. исключить из
неформального анализа те варианты решений, которые заведомо будут
плохи. Один из таких путей предложен итальянским экономистом В. Паре-
то в 1904 г.
106
рис. 3.2. Иллюстрация множества
Парето
Принцип Парето состоит в том,
что выбирать в качестве решения
следует лишь вектор х, который
принадлежит множеству Парето, ха-
рактеризующемуся тем, что в нем
исключены заведомо нелучшие решения. Смысл этого множества поясним на
примере. Пусть цели исследуемой системы характеризуются двумя одно-
значными функциями
f^x) -► шах;
f2(x) -► max.
(3.8)
Тогда каждому допустимому значению вектора х на плоскости Ц,
соответствует одна точка, и равенства
f\ = Z1(X>: f2 = f2M (39>
параметрически задают некоторую кривую abed в этой плоскости
(рис.3.2). Множество Парето образуют участки аа' и cd. Участок Ьс не
принадлежит этому множеству, поскольку любая точка $ хуже точки с,
для которой обе целевые функции и и имеют большие значения.
Следовательно, варианты, соответствующие участку Ьс, должны быть
сразу исключены из рассмотрения. Участок а" Ь не принадлежит множеству
Парето на том основании, что для каждой его точки е найдется точка,
принадлежащая участку cd, в которой значения обеих функций (Ц и f%)
больше, чем в точке е.
Принцип Парето не выделяет единственного решения, он только сужает
множество альтернатив. Окончательный выбор решения является задачей
следующего этапа. Пока речь идет о формировании опорных вариантов.
Приближенное построение множества Парето относится к числу очень
важных и одновременно довольно трудных задач аналитического проекти-
рования. Наиболее простой метод построения такого множества - это
метод огибающей. Его суть в следующем.
Пусть исследуемая задача характеризуется двумя целевыми функциями
и Оптимальное решение соответствует условию
107
fAx) —► max;
1 х е G
х
fAx) —► max.
2 xeG
X
Каждой точке x € G*
(3.10)
соотношения (3.9) ставят в соответствие
некоторую точку f 6 Gj в плоскости критериев f(. f?. Другими словами,
можно сказать так: критериальные функции (3.9) отображают множество
G на множество G.
х f
(рис.3.3), называемое множеством достижимости, или
множеством предельных значений. Заметим, что множество Парето
представляет собой лишь часть границы множества достижимости. На
рис. 3.3 множеством Парето будет огибающая АСВ.
Приближенное построение огибающей (множества Парето) сводится к
последовательному решению ряда задач математического программиро-
вания. Вначале, ориентируясь на экспертные данные и опыт проектиро-
вания, задают предполагаемые значения критериев и
fl=Ci: f2=C2- (311)
Далее решают две оптимизационные задачи:
f,(x) —► max, f = с л (3.12)
’ x€G 2 2
х
L(x) —> max. ft = c.. (3.13)
2 xeG 1 1
x
Решение этих задач (точки а и b на рис.3.4) дает простейшую
аппроксимацию множества Парето в виде прямой, соединяющей точки а и
Рис. 3.3. Исследуемые по Парето множества
Рис. 3.4. Схема приближенного построения огибающей (множества Парето)
108
b. Для уточнения аппроксимации следует задать принадлежащие области
достижимости
‘t «•“>
и решить еще две задачи:
Е(х) —► max, L = с а (3.15)
’ ХбС 2 4
х
Цх) —► max, f=c,. (3.16)
2 x€G 1 3
х
Получим еще две точки - с и d. Проведя через точки а, с, d, Ь ломаную
линию (рис.3.4), получим следующее приближение для огибающей.
Процедура уточнения аппроксимации может быть продолжена, однако и два
приближения дают достаточную информацию для рассматриваемого этапа
проектирования. Описанный способ можно распространить и на случай
большего числа критериев.
Изложенные выше методы относятся к первому этапу аналитического
проектирования, когда основная роль принадлежит неформальному
анализу. Здесь очень важно найти разумное сочетание количественных
(математических) и неформальных процедур. Количественный анализ в
основном должен быть ориентирован на линейные зависимости. Нецеле-
сообразно увлечение "строгими” методами решений. Особенно тщательным
должен быть подход к постановке и решению оптимизационных задач.
Нельзя забывать об итерационное™ процесса проектирования. Если сразу
использовать сложную целевую функцию и реальную систему ограничений,
то задача может потребовать больших затрат машинного времени. А так
как в процессе выбора параметров задачу отыскания экстремумов
приходится проводить многократно, то трудоемкость решения строгой
задачи может оказаться решающим фактором всего исследования.
Поэтому имеет смысл, как уже отмечалось, вначале строить
упрощенную модель и решать некоторую другую, близкую задачу
*>(х) —► max, (3.17)
х € G
В которой учитывается лишь часть условий связи и ограничений
(например, лишь требования статической прочности). Достоинством такой
задачи является незначительная трудоемкость решения и возможность
простого диалога конструктора с ЭВМ.
109
§ 3.3. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ
3.3.1. Содержание работ
Настоящий (второй) этап аналитического проектирования конструкций
относится к ограниченному множеству проектных вариантов. Здесь
анализируются опорные варианты. Их расчет проводится уже на основе
использования более строгих методов, учитывающих требования не только
прочности, но и жесткости, массы, технологии производства и т.д. Суть
проектировочной задачи при этом сводится к выбору одной из структур
конструкции, найденной на предыдущем этапе, и оптимизации параметров
структуры. С точки зрения математики такие задачи можно определить
как задачи структурно-параметрической оптимизации.
Особенность этих задач состоит в том, что при структурных вариа-
циях изменяются число и характер переменных. В результате полная
формализация задачи оказывается невозможной, что создает серьезные
препятствия на пути использования методов математического программи-
рования и автоматизации процесса. В этих условиях наиболее перспек-
тивной является интерактивная процедура проектирования, в которой
формализуемая часть задачи решается на ЭВМ автоматически, а неформа-
лизуемая выполняется конструктором в диалоге с ЭВМ. Один из возможных
способов построения диалога конструктор - ЭВМ для решения задачи
структурно-параметрической оптимизации будет рассмотрен ниже.
Вначале, однако, требует уточнения само понятие "структура конст-
рукции". Чаще всего под структурой конструкции понимают конструктив-
но-силовую схему (КСС). Такое представление сложилось в самом начале
становления теории проектирования, когда об автоматизации проектиро-
вания и современных расчетных методах даже и не мечтали. Бесспорно
то, что КСС - самая простая структурная модель конструкции, но далеко
не полная. Она не отражает важнейшего качества конструкции - ее тех-
нологичности. Объединение обоих признаков, т.е. силовой схемы и тех-
нологических свойств, образует более информативную структуру конст-
рукции - конструктивно-технологическое решение (КТР). Такого рода
структура максимально приближена к конечному результату. КТР отражает
материал, форму, расположение и способ образования элементов констру-
кции (с учетом требований стандартизации и унификации), а также хара-
ктер соединений и связей между элементами. Основными параметрами КТР
помимо параметров, определяющих расположение элементов в пространст-
ве, являются геометрические характеристики сечений силовых элементов
и их сортамент.
НО
Существующие методы проектирования конструкций ЛА обычно основаны
на поиске КСС с последующим преобразованием ее в КТР. Смысл такой
технологии проектирования состоит в следующем. Вначале отыскивают
оптимальное распределение силового материала в конструкции, например
на основе принципа равнопрочности или из условия минимума массы
конструкции с учетом ограничений на жесткость. Далее, используя
траектории главных напряжений оптимального варианта, или каким-то
другим способом формируют варианты КСС. На заключительной стадии
(конструирования) КСС трансформируется в КТР.
Существенный недостаток такой технологии проектирования заключает-
ся в том, что дополнительная масса, реализующая переход от КОС к КТР,
составляет до 40 % от массы КТР. При этом несомненно изменяются мас-
совые, жесткостные и инерционные свойства конструкции. Устранение
этого рассогласования с помощью поверочных расчетов означает переход
на метод "заплат”, т.е. отказ от строгого обоснования КТР.
На наш взгляд, условия эксплуатации современных ЛА. требующие
применения быстроразъемных соединений, складывающихся несущих
поверхностей, модульных унифицированных конструкций, а также
вычислительные возможности конструкторских бюро ставят под сомнение
целесообразность поиска "силовой массы” и ориентацию преимущественно
на КСС. Основным объектом аналитического проектирования и его
автоматизации должны быть КТР.
Однако при этом следует учитывать и то, что ориентация на КТР
наряду с плюсами влечет за собой и минусы. Главный минус - расширение
размерности задачи. Для обоснованного выбора рационального КТР
необходимо анализировать широкий спектр вариантов и их параметров,
что требует базы данных КТР большой мощности. Как следствие, возни-
кает целый ряд проблем технического, математического и программного
обеспечений автоматизации. Камнем преткновения в обсуждаемой проблеме
является большая размерность вектора конструктивных параметров (в
пределах 103...105).
Под множеством конструктивных параметров понимают совокупность
геометрических параметров КТР, с помощью которой однозначно
определяются топология проектируемого объекта, а также производные от
нее - жесткостные, массово-инерционные, технологические и эксплуата-
ционные характеристики. Роль конструктивных параметров не будет
преувеличена, если утверждать, что все составляющие технического
уровня конструкции ЛА (см. гл. 1) определяются в конечном счете
совокупностью конструктивных параметров.
111
Проблема размерности и неформализуемость многих из факторов,
влияющих на выбор конструктивных параметров, приводят к тому, что
задача оптимизации КТР не решается обычными методами математического
программирования. Причем этот вывод имеет отношение и к декомпози-
ционным структурам. Требуется понижение размерности задачи. Наиболее
перспективным видится путь использования специальных приемов струк-
турно-параметрической оптимизации, позволяющих учитываемые
(оптимизируемые) конструктивные параметры группировать для отдельных
стадий проектирования. Ниже излагается методика выбора КТР в соответ-
ствии с указанным подходом.
Суть задачи, как указано выше, состоит в выборе рационального
технического решения и определении совокупности оптимальных конструк-
тивных параметров этого решения. Внешние нагрузки, температурный
режим, геометрические формы и компоновочная схема проектируемого
объекта считаются заданными. Задача решается в несколько стадий.
Рассмотрим их.
3.3.2. Формирование эталонного ретене
Под эталонным понимается решение, в котором воплощено оптимальное
с точки зрения минимума массы распределение жесткостных и
массово-инерционных характеристик по сечениям при условии обеспечения
работоспособности конструкции и согласованности ее параметров с
параметрами системы управления. Эталонное решение не учитывает техно-
логические ограничения и, следовательно, не содержит добавочной
массы.
Такое решение, хотя непосредственно и не позволяет выбрать КТР.
однако имеет высокую информационную ценность, поскольку отражает с
позиций общих требований оптимальные механические свойства конструк-
ции. В числе этих требований, во-первых, традиционные для конструкций
ЛА эксплуатационные ограничения, обеспечивающие работоспособность
упругой механической системы в аэродинамическом потоке (статическая
прочность, аэроупругая устойчивость). А во-вторых, группа требований,
вытекающая из ограничений, связанных, в частности, с влиянием
упругости на работу системы управления (что проявляется через
частоты, формы колебаний и перемещения).
Эталонное решение получают с помощью методов математического
программирования. Соответствующие процедуры могут быть полностью
формализованы и автоматизированы. Однако для сложных конструкций
ограничиться единой математической моделью, как правило, не удается.
112
рис. 3.5. Силовые факторы ани-
зотропной цилиндрической обо-
лочки
M*Z *“ ^zz
Mzz-Mzi
Требуется построение определенной иерархии моделей, адекватных
реальной конструкции в отношении тех или иных ее наиболее важных
свойств. Опыт показывает, что первую группу требований целесообразно
учитывать в проектировочном плане, а вторую - в поверочном. При этом
задача нахождения эталонного решения расчленяется на две самостоя-
тельные задачи.
Первая задача состоит в определении оптимального закона распреде-
ления материала в конструкции по критерию минимума массы при условии
выполнения эксплуатационных ограничений. При решении этой задачи ана-
лизируемые конструкции предполагаются неограниченно упругими, нагруз-
ки считаются заданными; в качестве эксплуатационных ограничений при-
нимаются статическая прочность и отсутствие общей потери устойчивости.
Напряженно-деформированное состояние тонкостенных авиационных
конструкций, как правило, описывают с помощью безмоментной (или
полубезмоментной) теории оболочек, погалая, что деформации конструк-
ций полностью описываются деформациями их срединных поверхностей. Для
большинства конструкций ЛА используются сравнительно простые
геометрические формы. Эго, прежде всего, цилиндрические оболочки (для
корпусов) и пластины переменной толщины (для крыльев и рулей).
Расчетные зависимости для таких конструкций получают из анализа НДС
анизотропной цилиндрической оболочки переменной толщины (рис.3.5) на
основании гипотезы Кирхгоффа - Лява и допущений тех}у<ческой терии
оболочек. Исходные уравнения для этого случая следующие :
См., например, С.А. Амбарцумян. Общая теория анизотропных оболо-
чек. М.: Наука. 1974. 448 с.
ИЗ
уравнение совместимости деформаций
Э2е
dz
Э € by
—1-------♦ J-v = 0-
a 2 dxdz R Xx
dx
(3.18)
уравнения равновесия
а2м
____X
Эх2
а2м
___X
dz2
д*М
+ о xz
dxdz
z
* N
х
Я2ш
О w
dx
z
Я2ш
О w
—
bz
xz
о w
dxdz '
(3.19)
<*z
dM
xz
dx
ЬМ
__z
bz
«ж
ЬМ
__х_
Ьх
dM
xz
dz
Компоненты
перемещений:
деформации, как
известно.
связаны
компонентами
е
х
= ах :
е
z
ao w_
s dz * R :
yxz
Ьи
= bz
bv
bx :
Хх
а2»
О W
7'
a2»
XZ ~ a 2 ’
dz
а2»
(3.20)
*xz ~ dxdz ‘
Соотношения упругости имеют вид
Я
= Be ♦ В,ле ♦ В, -у - N- ;
11 х 12 z 16 xz Тх
N
z
- B,<e ♦ B„e ♦ B y - NT ;
12 X 22 Z 26 XZ Tz
XZ
= В,е ♦ Be ♦ В«л7 - NT :
16 х 26 z 66 xz Txz
М = .X * D * * 2D y - AL ;
х 11Ах \zz 16Axz IX
(3.21)
Мг ‘ “А ‘ ‘ 2DKX« - "к
м
xz
= D,_y * Ц._Х * 2D__y
16АХ 26AZ 66aXZ
114
Здесь = J E^dy и Оц = J E.^f2dy ~ соответственно жесткости
A h
растяжения - сжатия и изгибные жесткости; N^.. = J и ^77 =
Г л
= I af^y ~ термические усилия и моменты соответственно.
Л
Решив соотношения упругости относительно компонентов деформаций,
найдем
е = b AN ♦ NT) ♦ b AN ♦ NT) ♦ b(N ♦ NT );
x lx Tx 2 x Fz 3 xx Txx
€ = b(N * NT) * bAN * AL.) + bAN ♦ NT );
X 2 X Tx 4 X Tx 5 XX Txx
7 = bAN * NT) ♦ bAN ♦ NT) * bAN * NT ).
'xx 3 x Tx 5 x Tx 5 xx Txx
где
= aK. I = 1....6;
a =B В -В2; a = B В - В В ;
1 22 66 26 2 16 26 12 66
a = В В -В В ; а = В В -В2;
3 12 26 22 16 4 11 66 16’
а = В В — В В ; а = В В — В2 ;
6 12 16 11 26 6 11 22 12
(3.22)
(3.23)
к ~__________!_________
ill 12 2 16 3
С учетом зависимостей (3.20) выражения для моментов (3.21) можно
представить в следующем виде:
М
х
^2
п о w _ aw __ aw
+ р + 2D х——
11.2 12 , 2 16 ЭхЭх
Эх дх
115
м = -
z
(3.24)
D £sL.D ^S-.2D Й-
12 , 2 22 . 2 26 bxbz
. Эх dz
= - К. 7T • °2. ~T • “e. LL
I Эх 3z
Введем функцию усилий >р(Х, Z), тогда
N = * N*. N* = - [ Xdx ;
x bz2 X X J
N = N* = - f Zdz;
z . 2 z z J
dx
N
xz bxbz
(3.25)
Здесь X и Z - распределенная внешняя нагрузка, отнесенная к
единице площади.
Используя соотношения (3.22) и (3.24). получим систему двух
разрешающих уравнений относительно функции усилий и прогиба W:
уравнение совместности деформаций
-2b ^--2b -^- =
5 bx3bz 3 bxbz3
b2
[ a2 a2
b -V ♦ ba -V - b .
1*2 2.2 3 bxbz
L bz bx
b Л_ь Л-] [л^д, 1 _
2.2 4.2 5 bxbz I Z Tz J
I bz bx
[a2 a2 a2 1 a2»
Л О Л О Л в Л7
°3 л2 * % .2 % bxbz NTxz R . 2 :
L dZ oX dX
(3.26)
116
уравнение равновесия
D <LSL + о <L“L + 2(D ♦ 2D )
11-4 22-4 '12 66
Эх Эх
Э а>
. 2. 2
Эх Эх
* 4D
16
_3j®_
> 3-
Эх Эх
♦ 4Олв
26
- - 3
ЭхЭх
э2м_ э2м_ э2м_
lx Тх _ _ Тхх
- 2 - 2 ЭхЭх
Эх Эх
,2
♦ N
х
Эх2
4-^
Эх
Э2ю>
Эх2
.2
♦ N
х
Эх2
л2
♦ 2
ЭхЭх
л2«,
d w
ЭхЭх
Э2и>
Эх2
(3.27)
R
(для
при
= D = D
16 1
Приведенные выше соотношения
лочки) значительно упрощаются
мндрической оболочке (В,- = Влв
16 26
^изотропной пластине (R = оо).
Граничные условия на стыковых шпангоутах модели удобно
дставлять в усилиях (рис.3.6). Стыковые шпангоуты нагружаются
дольными и поперечными силами и изгибающими и крутящими моментами,
ходящими с отброшенных носовой
востовой частей корпуса ЛА. В
дем случае определение этих
лий является задачей многокра-
анизотропной цилиндрической
। переходе к ортотропной-
= AL = АС = 0) или
26 Txz 7xz
3.6. Граничные условия
шях
117
тно статически неопределимой. На практике обычно вводят упрощающее
предположение, в соответствии с которым значения и характер распреде-
ления этих усилий находятся по балочной теории. Тогда граничные усло-
вия для стыкового шпангоута модели (края анизотропной цилиндрической
оболочки, который определяется координатной линией х = xQ = const)
имеют вид
N = N; N + 5-М = N ; Q ♦ = Q; М = М. (3.28)
х xz R xz х dz х '
где N. N , Q, М - усилия и момент, приложенные к рассматриваемому
краю. Некоторые из них могут быть равны нулю. Так, для свободного
края оболочки граничные условия имеют вид
dM
N =0; N * тгМ = 0; Q + = 0: М =0. (3.29)
х xz R xz х dz х
Следует учитывать тот факт, что в случае замкнутой оболочки
граничные условия по замкнутым координатным линиям (z = const)
заменяются условиями периодичности. Периодичность обеспечивает одно-
значность перемещений и деформаций в любой точке рассматриваемой
замкнутой линии координат.
Для получения решения необходимо зафиксировать хотя бы одну точку
оболочки в перемещениях по осям Ох, Оу, Oz и повороте в двух
плоскостях (см. рис.3.6). Соответствующие граничные условия имеют вид
и. = 0; W . = 0; V . = 0; = 0; = 0. (3.30)
A A A dx dz
Итак, задача по определению НДС анизотропной оболочки переменной
толщины описана. Ее решение, как известно, может быть достигнуто
одним из приближенных аналитических или численных методов.
При решении задачи расчетная модель упругой системы представляется
в виде сеточной области с N узлами. Расписывая с помощью уравнений
конечных разностей уравнения совместности деформаций и уравнения
равновесия для каждого из внутренних узлов сеточной области, а для
контурных узлов - соответствующее граничное условие либо условие
периодичности, получают систему алгебраических уравнений порядка п =
= 2xtf
118
C11X1 * C12X2
.. + C, X
1Л Л
рё
:21X1
* ♦ ••• * x = P-,
22 2 2Л Л 2
(3.31)
которая в матричном виде может быть представлена следующим образом:
[С](х) = (Р). (3.32)
где [С] - матрица коэффициентов; (х) - вектор неизвестных; (Р) -
вектор правых частей уравнений.
Чтобы ненулевые элементы матрицы коэффициентов полученной системы
алгебраических уравнений располагались около главной диагонали, для
нечетных узлов записываем уравнения совместности деформаций, а для
четных - уравнения равновесия. Тогда
х. в i - 1, 3..........л - 1;
i i
(3.33)
х^ = w^, i = 2, 4......л.
По найденным деформациям определяются эквивалентные напряжения
в узлах сеточной области и сравниваются с разрушающими
Для обеспечения статической прочности отсека необходимо, чтобы
эквивалентные напряжения во всех узлах сеточной области не превышали
Допустимые (о . < а ).
экы разр
Далее следует удовлетворить требованиям аэроупругой устойчивости
конструкции. Эту задачу можно решать несколькими способами. Наиболее
общие подходы состоят в применении динамического и статического
критериев.
Согласно динамическому критерию исследование устойчивости состоит
в исследовании движения системы, вызываемого некоторыми малыми возму-
щениями начального равновесного состояния. Если малые возмущения
вызывают динамические перемещения (колебания) системы, лежащие в
определенных пределах, то начальное состояние является устойчивым.
Точнее, при наличии устойчивости всегда можно подобрать такие
119
начальные возмущения, чтобы при последующем движении сист^цц
перемещения ее точек не вышли за некоторые, наперед заданные границы.
Критерием потери устойчивости при этом является обращение в нуль
частоты собственных колебаний.
Статический критерий потерю устойчивости связывает с состоянием
системы, когда наряду с начальным состоянием равновесия возникают
новые равновесные формы. При этом определение минимальной критической
нагрузки сводится к нахождению точки разветвления (бифуркации)
равновесных форм.
Рассматриваемую задачу целесообразно решать динамическим методом,
поскольку статический подход применим лишь к консервативным системам.
Кроме того, при использовании метода конечных разностей динамический
метод удобно сочетается с задачей определения НДС, что придает
стройность математической модели задачи в целом.
Уравнения малых колебаний рассматриваемой упругой системы получают
из уравнений равновесия (3.27) заменой статической нормальной
нагрузки q на динамическую и инерционную. В соответствии с линейным
приближением поршневой теории аэродинамическое давление имеет вид
КрН [ Эш + v Эю)
^дин а„ I dt дх J’
(3.34)
где - давление невозмущенного потока газа; - скорость звука в
невозмущенном потоке; V - скорость невозмущенного потока; к = -
показатель политропы.
Инерционная нагрузка
(3.35)
где р - плотность материала; h - толщина оболочки.
Используя выражения для нагрузок (3.34) и (3.35)
вместо статического прогиба в уравнение равновесия
прогиб
— St
u»(x, z, t) - w(x, z)e ,
и подставляя
динамический
(3.36)
где S - комплексные частоты, получим уравнения малых колебаний
4““
_ ди» г. д W Л._ Л_. . д и»
D х-=- + р + 2(D + 2D ) — +
11 * 4 22 * 4 12 6б' . 2. 2
дх dz дх dz
120
+ 4D
16 зх3аг
4Dne
26
а а>
3x3 х3
rc— „ 3w ]
---- ♦ V т—
I Эх J
*2
+ N
~ 2 Z
2— 2 2—
Э w + 2 Э Э w
~ 2 * 1 ЪхЪг ЪхЪг
(3.37)
Заметим, что функция усилий определяется при совместном решении
уравнений равновесия, неразрывности деформаций и граничных условий в
статической задаче. Поэтому она содержит информацию о термонапряжен-
ном состоянии упругой системы в статическом равновесии, устойчивость
которого исследуется.
Уравнение малых колебаний (3.37) рассматривают для всей сеточной
области через конечные разности и получают систему линейных
однородных алгебраических уравнений порядка N (N - число узлов
сеточной области), т.е. в два раза меньшего порядка, чем система
уравнений в статике
(с — \ )w * с w *...*с w =0;
11 11 12 2 1Л Л *
- XJttL * ... * сл w = 0;
21 1 22 2 2 2л л /о
с ♦ с ♦ ... ♦ (с - X )w = 0,
л1 1 л2 2 лл л л
где
А. = - pftS2 - кр^/а^. (3.39)
су - коэффициенты матрицы жесткости (»„ / = 1, л).
В матричной форме данная система уравнений имеет вид
[С - XE](w) = 0. (3.40)
121
Для практического решения системы уравнении (3.40) пренебрегают
аэродинамическим демпфированием. Тогда нетрудно показать, что иссле-
дуемая система уравнений преобразуется к виду
[D - \E](w) = 0,
(3.41)
где D = С - динамическая матрица; М - диагональная матрица масс,
элементами которой являются рД; X = - 1/S2 - параметр, определяющий
S. = -
спектр собственных значений динамической матрицы;
комплексные частоты; w - формы колебаний.
Из равенства нулю характеристического определителя системы
уравнений (3.41) методом парабол определяются значения комплексных
частот колебаний. По знакам и значениям действительных и мнимых
частей комплексных частот определяются состояние конструкции
(устойчива или нет) и характер этого состояния (статический или
динамический). Если действительные части всего спектра частот
отрицательны (Re(S) < 0), то конструкция устойчива. На практике
ограничиваются исследованием нескольких низших тонов колебаний.
На основе приведенных выше зависимостей математическая
формулировка рассматриваемой (первой) задачи о нахождении
оптимального распределения конструкционного материала {S}^ в узлах
сеточной области при ограничениях на статическую прочность и
устойчивость сводится к следующему. На множестве {6}, отвечающем
условию упругого равновесия в статике
[С](х) = (Р) (3.42)
и динамике
[D - ХЕ]М = 0 (3.43)
и удовлетворяющем условиям прочности
о . < а
жв1 разр
и устойчивости
Re(S) < 0,
(3.44)
(3.45)
122
(4<и. «ля kowpoto масса ««оружши
N
М = Z pSF (3.46)
/- 1
принимает наименьшее значение.
Здесь р. - плотность конструкционного материала; й. - приведенная
толщина оболочки в i-м узле (для однослойной оболочки 5 = й, для
разнесенной обшивки 6 - это удвоенная толщина несущего слоя); F. -
площадь поверхности оболочки вокруг /-го узла.
Сформулированная задача является типичной задачей нелинейного про-
граммирования и решается соответствующими методами, например методом
случайного поиска. Однако получаемое решение еще нельзя считать эта-
лонным. поскольку в рассматривемой задаче не учтен ряд требований,
связанных с деформацией ЛА как единой упругой системы. На аэроупругую
устойчивость несущих поверхностей существенное влияние оказывают уп-
ругие деформации корпуса. Следовательно, массово-инерционные и жест-
костные параметры корпуса и несущих поверхностей должны быть взаимно
согласованы и выбраны таким образом, чтобы предотвратить возникнове-
ние корпусных форм флаттера. Определенные ограничения на характер де-
формации корпуса накладывает система управления. Исследование всех
этих вопросов является содержанием следующей (второй) задачи по уточ-
нению эталонного распределения материала в конструкции.
Вторая задача - это задача согласования массово-инерционных и
жесткостных характеристик всех агрегатов ЛА. Как указывалось выше,
такую задачу целесообразно решать в поверочном плане из-за
громоздкости математического описания поведения ЛА как единой упругой
системы. Опыт показывает, что для рассматриваемых целей вполне
приемлема схематизация корпуса ЛА балкой, а крыла пластиной. Тогда
трехмерная задача аэроупругости вырождается в двухмерную, что заметно
облегчает поиск решения. Для этого случая обобщенные уравнения дви-
жения свободного от связей упругоколеблющегося ЛА имеют вид1
M^s НГ& Оу S. г • (3.47)
См. , например, Фершинг Г. Основы аэроупругости / Пер. с нем. М. :
Машиностроение, 1984. 600 с.
123
(3.48)
(3.49)
Qj = j j Др(х, г)Ф^(х, z)dxdz, (3.50)
F
где M$, Gj, Qj - обобщенные масса, жесткость и сила, соответствующие
S-й форме колебаний; mix, z) - удельная масса единицы площади
проекции поверхности ЛА на плоскость xz\ Ьр(х, z) - нестационарное
аэродинамическое давление; Ф^(х, z) и - собственные функции и
собственные частоты ЛА соответственно; - обобщенное
демпфирование; q? и q$ - обобщенные координаты, соответствующие S-й и
г-н формам колебаний.
Очевидно, что система уравнений (3.47) может быть решена лишь
приближенно: бесконечное число степеней свободы практически учесть
невозможно. Наиболее простым методом аппроксимации системы является
так называемый метод заданных форм. Его суть в том, что в качестве
собственных функций аэроупругих колебаний принимаются сравнительно
просто определяемые формы собственных колебаний ЛА в пустоте и без
учета конструкционного демпфирования. Причем в большинстве случаев
для описания аэроупругих явлений бывает достаточно относительно
небольшого числа низших форм собственных колебаний.
При использовании метода заданных форм в предположении справедли-
вости поршневой аэродинамической теории (что оправдано в диапазоне
1,5 < М < 3,5) система уравнений (3.47) приводится к следующему
матричному виду:
[M](i') ♦ [H](q) ♦ [D](g) * [G](q) ♦ [В](</) = 0. (3.51)
где [М] и [G] - матрицы масс и жесткости конструкции; [Я] - матрица
конструкционного демпфирования; [В] и [D] - аэродинамические матрицы
жесткости и демпфирования; iq) - вектор обобщенных координат.
При решении настоящей системы уравнений определенные трудности
связаны с нахождением параметров конструкционного демпфирования,
124
достоверные значения которых можно получить лишь экспериментальным
путем. В задачах проектирования конструкционное демпфирование можно
представлять как вязкое трение. В этом случае элементы матрицы (Н]
можно определять как
vl ------
h.t = i. i = 1. я,
ij 'Ц
(3.52)
где и - логарифмический декремент и частота /-го тона колебаний
конструкции; <7^ - элементы матрицы жесткости конструкции.
Логарифмические декременты колебаний берутся из статистики или
принимаются равными нормативному значению (v ~ 0,05) и уточняются
затем экспериментальными методами.
Эквивалентная (3.51) система уравнений первого порядка имеет вид
В = [Л](В),
где
(3.53)
- M'l(G * В)
о
(3.54)
Подставляя частное решение
В = и<&
(3.55)
в исходное уравнение (3.53), получают алгебраическое матричное
однородное уравнение
SU = AU. (3.56)
собственные значения S которого - комплексные частоты,
(3.57)
•Sy = Ду + Ьу / = 1. я,
где Ду - коэффициенты затухания; - частоты колебаний.
Величины Ду определяют устойчивость решения. Каждому значению
соответствует комплексный вектор перемещений - форма колебаний
125
конструкции в аэродинамическом потоке. Для устойчивости системы
требуется, чтобы все коэффициенты затухания были отрицательными:
Ду < 0, / = .1, л. (3.58)
При известном решении (3.55) нетрудно ввести любые ограничения на
перемещение корпуса (например, в связи с требованиями системы
управления):
иф. < и. (3.59)
Перемещение корпуса в точке I определяется через заданные формы Ф*. и
найденные обобщенные координаты
л
“*/ = д ФЛ. <3.в»
В случае невыполнения условий (3.58) или (3.59) следует вернуться
на уровень первой задачи и изменить массово-инерционные и жесткостные
характеристики конструкции путем введения дополнительных ограничений.
Далее вновь следует решить вторую задачу. Этот итерационный процесс
продолжается до тех пор, пока не будут выполнены требования по
устойчивости и удовлетворены ограничения на перемещения упругого
корпуса ЛА. Решение, удовлетворяющее требованиям обеих задач,
представляет собой эталонное распределение материала в конструкции.
3.3.3. Определение
оптимальных конструктивных параметров
Без учета ограничений конструктивного и технологического характера
эталонное решение следует рассматривать как гипотетическое, поскольку
его, как правило, нельзя реализовать. Однако и такое решение
представляет практический интерес, так как дает конструктору
информацию о нижних границах для массы и жесткости проектируемой
конструкции. Главная же роль гипотетического варианта состоит в том,
что он является отправной базой для нахождения реально-оптимального
конструктивно-технологического решения.
Переход от схемы-эталона к реальной конструкции представляет собой
формализованную процедуру нахождения закона распределения материала,
удовлетворяющего всем реальным конструктивным и технологическим
ограничениям, и одновременно максимально близкого к оптимальному.
126
Чтобы решить эту задачу, нужно, во-первых, четко определить понятие
близости двух вариантов решения и количественно оценить эту близость
и, во-вторых, разработать процедуру формализованного перехода от
параметров эталонного (эт) решения к параметрам реальных (реал)
конструктивных решений. Рассмотрим эти вопросы.
Наши исследования показывают, что при использовании для эталонного
и реального вариантов одних и тех же дифференциальных операторов на
одной и той же области определения в соответствии с методом конечных
разностей необходимым и достаточным условием совпадения НДС в статике
и динамике является равенство матриц жесткостей и динамических матриц
([DJ = [С] '(М]) сравниваемых вариантов, т.е. [С] = [С] и
эт реал
[D] = [D] .
эт реал
Из-за конструктивных и технологических ограничении на геометричес-
кие параметры силовых элементов конструкций невозможно добиться пол-
ного совпадения законов распределения масс и жесткостей рассматривае-
мых вариантов. Поэтому неизбежны различия в указанных матрицах. Как
следствие, возникает необходимость оценки рассогласования вариантов.
На первый взгляд кажется, что в качестве меры близости эталонного
и реально-оптимального вариантов следует принять некоторую
интегральную характеристику, отражающую близость соответствующих
элементов матриц. При этом в качестве количественной меры близости,
т.е. в качестве критерия идентификации, может быть принята величина
Практические расчеты с использованием критерия (3.61) показывают,
что близкие значения К не всегда соответствуют близким законам
распределения жесткостей и масс сравниваемых вариантов конструкций.
Оказывается, что идентификация вариантов с использованием критерия
(3.61) является неустойчивой процедурой формирования (восстановления)
матриц реальной конструкции по их эталонным значениям.
Используя теорию решения некорректно поставленных задач, В. В. Анд-
реев разработал устойчивую процедуру идентификации эталонного и
127
реального вариантов конструкции, представляющую собой задачу
условный экстремум с минимизацией рассогласования между матрица^
жесткости и динамическими матрицами сравниваемых вариантов. Предл^.
женная процедура некорректную задачу приводит к корректной постанов-
ке. Смысл процедуры состоит в следующем.
Если учесть однородность структур сравниваемых матриц, то в
качестве приближенного условия их равенства можно полагать почленное
равенство элементов главных диагоналей. При этом вместо соотношения
(3.61) целесообразно использовать функционал
Минимум функционала (3.62) реализует выполнение условий оптималь-
ного решения, накладываемых на законы распределения жесткостных и
массовых характеристик. Близость масс оптимального и реального
вариантов оценивается функционалом
__ЛГ-Л-ЛГ (3 63.
Мэт
минимум которого реализует дополнительное условие, накладываемое на
варьируемые параметры реального варианта, заключающееся в совпадении
масс сравниваемых вариантов.
С точки зрения теории решения некорректно поставленных задач
функционалы (3.62) и (3.63) представляют собой аналоги невязки и
стабилизирующего функционала соответственно. Соотношение между этими
функционалами выражает параметр регуляризации
а = f(*. П), (3.64)
определяемый численным экспериментом.
Критерий идентификации представляет собой сглаживающий функционал
Ф = Ф2 ♦ а£2. (3.65)
Практика применения этого критерия подтверждает устойчивость
решений и корректность процедуры идентификации в отношении эксплуата-
ционных ограничений аэроупругой устойчивости и статической прочности,
а также в отношении требования минимальной массы конструкции.
Собственно процедура идентификации состоит в сопоставлении эталона
128
и опорных вариантов. Варьируемыми параметрами при этом являются
конструктивные параметры, которые должны удовлетворять целому ряду
конструктивно-технологических ограничении. Задача идентификации
формулируется следующим образом: для каждого опорного варианта / (/ =
= 1, т) конструктивно-технологического решения определить вектор
параметров /?, удовлетворяющий условиям
г. . < г. < г. , r.e R, i = 1, /, (3.66)
I mm I l max l
для которого функционал (3.65) принимает наименьшее значение.
Решение этой задачи достигается методом случайного поиска. Однако
поскольку на данном этапе нет функциональных ограничений, а имеются
только геометрические, то решение требует незначительного машинного
времени, что позволяет организовать интерактивный процесс выбора кон-
структивно-технологического решения. Конструктор совместно с техноло-
гом для каждого опорного варианта, ориентируясь на приближенные реше-
ния, назначают интервалы изменения параметров (3.66). Далее в режиме
диалога с ЭВМ, в памяти которой сохраняются характеристики эталонного
решения, получают для каждого из альтернативных вариантов вектор па-
раметров Rt минимизирующий функционал (3.65). Причем режим диалога с
ЭВМ позволяет провести не только оценку выбранной конструктивно-
технологической концепции, но и выявить влияние отдельных параметров
силовой схемы и технологических ограничений на качество конструкции в
целом, что для конструктора не менее важно, чем интегральная оценка.
Итак, мы рассмотрели основное содержание аналитического проектиро-
вания конструкций. Главная его особенность - сочетание формальных
методов и неформальных процедур. Совокупность изложенных выше поэтап-
но решаемых формальных и неформальных задач суть методология
аналитического проектирования. В обобщенном виде эта методология
представлена на рис.3.7. Приведем краткие характеристики основных
стадий проектирования.
Первой стадией является формирование области возможных решений.
Главная задача этой стадии - обозреть достижения научно-технического
прогресса и представить эти достижения в виде некоторой совокупности
конструктивных вариантов. Целесообразно, чтобы область возможных
решений представляла собой упорядоченную структуру, ибо только в
этом случае можно применить интерактивный режим работы конструктора
с ЭВМ.
Множество вариантов, подлежащих анализу, может быть довольно
широким. Предварительный анализ этого множества и отсев заведомо
худших вариантов составляют содержание второй стадии проектирования.
5 - 880 129
Количественный анализ вариантов на этом уровне проводится» как
правило, на основе методов математического программирования. Причем
используются в основном упрощенные методики, позволяющие рассматри-
вать и оценивать большое число вариантов с малыми затратами времени.
Результатом исследований на этом этапе является отбор небольшого
числа опорных вариантов.
Далее проводятся тщательный анализ и оптимизация параметров
опорных вариантов с учетом широкого круга требований к изделию в
целом, что достигается на основе использования математических моде-
лей, достаточно полно отражающих реальные условия функционирования
ЛА. Как правило, такие модели относятся к числу оригинальных; их
разработка и совершенствование являются актуальнейшими задачами
теории проектирования систем.
Заключительным этапом аналитического проектирования является
процедура сравнения субоптимальных вариантов по методике, изложенной
Рис. 3.7. Схема процесса проектирования конструкций ЛА
130
в гл. 1. Варианты для сравнения могут быть подготовлены на разной
методической основе. В числе сравниваемых могут быть варианты, в
основе которых творческие нововведения, построенные по прототипу или
разработанные в соответствии с принципами аналитического проектирова-
ния и т.д. Поэтому главная задача - обеспечить сопоставимость вариан-
тов, т.е. четко определить критерий эффективности, который должен
отражать функциональное совершенство проектируемой конструкции. Далее
следует установить интегральный показатель технического уровня,
аналитически или графически расположить варианты на плоскости
эффективность - технический уровень и провести анализ с целью
принятия решения, т.е. выбора единственного варианта. Эта операция,
пожалуй, самая творческая. При выборе варианта конструктор нефор-
мально учитывает неопределенные ситуации, фактор времени, техноло-
гические и другие трудности, сопоставляет возможные потери и, только
обстоятельно взвесив все факторы, принимает решение.
Выбранный вариант конструктивно-технологического решения - это еще
не окончательная конструкция проектируемого изделия, а лишь тщательно
отработанная конструктивная схема. Далее требуется эту схему оконча-
тельно материализовать с учетом требований ГОСТов, производства,
эксплуатации и довести до рабочих чертежей. Эти операции составляют
содержание этапа конструирования, которым заканчивается разработка
проекта изделия. Рассмотрим основные задачи этого этапа.
$3.4. ЗАДАЧИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
3.4.1. Содержание этапа конструирования
На практике термин ’’конструирование” имеет две трактовки: широкую
и узкую. Широкая трактовка относится ко всей совокупности задач
проектирования конструкций. В нашем изложении используется узкая
трактовка. Под конструированием понимается этап проектирования, вклю-
чающий в себя конструктивно-технологическую проработку конструктив-
ной схемы, выбранной на предыдущем этапе, и выпуск рабочих чертежей.
Основное содержание этого этапа состоит в материализации схемного
решения, насыщении его информацией, отражающей требования функцио-
нального назначения, производственной и эксплуатационной технологич-
ности. Результатом процесса конструирования является изготовление
рабочей конструкторской документации или других носителей информации,
необходимых для изготовления деталей и сборки узлов, агрегатов и
всего ЛА в целом.
131
Конструирование по своей природе - это всегда некоторая
эвристическая процедура, требующая не только знаний, но и
изобретательства. Здесь решающим является способность человеческого
мозга синтезировать неформальные задачи, умение выявлять необходимые
смысловые (семантические) ориентиры, устанавливать их последователь-
ность и связь по неконкретно обозначенным признакам, которые уже
имели место в практике.
Поскольку для повышения производительности конструкторского труда
и качества проектов процесс конструирования целесообразно автоматизи-
ровать, то возникает задача формализованного описания этого процесса.
Это самое сложное. Творческий характер конструирования, наличие
неформальных процедур затрудняют формализацию; такой процесс
невозможно до конца описать с помощью системы алгебраических,
интегральных, дифференциальных или статистических уравнений и
неравенств, т.е. представить в виде информационно-цифровых моделей.
Здесь нужен иной подход. Основой должны быть не функциональные связи
между конструктивными параметрами (как это использовалось на
предыдущих этапах), а типовые базовые элементы конструкции и самого
процесса конструирования.
Конструктор мыслит категориями технологически исполнимых деталей
(узлов), каждую из которых он представляет в терминах восприятия
внешних воздействий и выбирает их форму, размеры и взаимное располо-
жение на основании расчетов или опытным путем (интуитивно) таким об-
разом, чтобы комплексно удовлетворить требованиям функционального на-
значения, производственной и эксплуатационной технологичности. Типо-
вые базовые элементы, очевидно, должны отражать указанную технологию,
использовать накопленный опыт, но так, чтобы не только закреплять
достигнутое, но и получать при проектировании новые качества.
Последнее требование чрезвычайно важное: без этого не будет
прогресса в технике. Однако надо учитывать и то, что не бывает
конструкций целиком из новых деталей и узлов. Статистика показывает,
что при создании новых технических устройств экономически оправдано
не более 20...25 % оригинальных деталей. Остальные детали и даже
многие узлы повторяют ранее реализованные конструкции. Это повторение
в процессе проектирования должно быть разумно организовано.
Представляется целесообразным в качестве типовых базовых элементов
использовать:
стандартизованные элементы конструкции;
многократно встречающиеся в различных изделиях стыковые узлы и
отдельные детали;
132
типовые технологические операции.
Применение типовых элементов существенно повышает производитель-
ность конструкторского труда, высвобождает время у конструкторов на
разработку принципиально новых решений, способствует повышению
качества проектов. Исключительно важной стороной унификации является
снижение многономенклатурности производства и, как следствие,
повышение его серийности, технического уровня и экономичности. К
сожалению, существующие экономические и другие методы оценки качества
проектов не очень чувствительны к уровню унификации и, видимо, потому
масштабы унификации пока недостаточны. Желает лучшего информационное
обеспечение по типовым элементам и организация их использования.
Можно ожидать, что автоматизация конструирования (в самой основе
которой модульность и упорядочение процессов) внедрит как обязатель-
ную операцию использование типовых базовых элементов. Это очень
реально. Важно, однако, и не переусердствовать в этом вопросе, не
создать заслон новому. Чтобы типизация не оказалась тормозом на пути
прогресса, необходимо, во-первых, существенно улучшить информационное
обеспечение по типовым базовым элементам и, во-вторых, отработать и
внедрить количественные оценки последствий унификации и типизации.
Целесообразно, чтобы специальные службы и предприятия Госстандарта и
других ведомств занимались не только разработкой типовых базовых
элементов, но и ввели их периодическую аттестацию.
Схема процесса конструирования с использованием типовых базовых
элементов показана на рис.3.8. Исходными данными для конструирования
являются: во-первых, результаты, полученные на более высоком уровне
проектирования конструкции (теоретическая схема, нагрузки,
конструктивно-силовая схема и др.); во-вторых, данные о типовых
базовых элементах. Конструкция разрабатывается итерационным путем в
несколько приближений.
Вначале в основном эвристически формируется конструктивная схема,
отражающая функциональное назначение проектируемого изделия. Далее
выявляются и анализируются самые разнообразные ограничения, обуслов-
ленные наличием прототипов, базовых конструктивных элементов,
производственной специфики, ГОСТов и т.д. Принимаются решения о
нерасчетных конструктивных и технологических параметрах, об
использовании ранее внедренных узлов и деталей, о технологии
изготовления и сборки изделия.
Затем следует вторая итерация - подетальное конструирование. На
этой стадии уточняются (интуитивно или расчетным путем) все до
единого конструктивные параметры, исключаются условность и схематич-
133
Формирование теоретичес-
кой схемы на основе дан-
ных предыдущего этапа
проектирования
Анализ типовых
вазовых элементов
Синтез конструктивной
схемы
(Задание нерасчетных
конструктивно - техноло-
гических параметров
Выбор стандартизованных
элементов и нормализован-
ных конструктивно - техно -
логических параметров
Подетальное
конструирование
о^—— Выбор заготовки и технологии изготовления——>
< > Конструирование силовых элементов---------<>
Трансформация типовых элементов
о-------(параметрическое конструирование) ---------°
< )-----Формирование базы расчетных данных----------< •
< -----Расчет на прочность силовых элементов —>
Выпуск рабочих
чертежей
Рис. 3.8. Схема процесса конструирования
ность. Здесь же проводится окончательное согласование принятых
решений со смежными службами.
Практически все эти же операции имеют место и при автоматизирован-
ном конструировании. Причем результат автоматизации находится в пря-
мой зависимости от уровня информационного обеспечения и организации
процесса конструирования. Очень важно предоставить в распоряжение
конструктора удобный файл модульных конструктивных примитивов,
стандартных изображений, типовых элементов. Необходимо, чтобы
процедуры конструирования силовых элементов могли сопровождаться
расчетами, реализуемыми в интерактивном режиме. Оперирование
модулями, блоками, узлами - это обязательное требование при автомати-
зации конкретных процессов, ибо только в этом случае можно
рассчитывать на повышение производительности конструкторского труда.
134
3.4.2. Общие принципы
авиационного конструирования
В конструкции ЛА широко используют тонкостенные оболочки различных
очертаний, подкрепленные силовым каркасом. Несмотря на многообразие
форм и размеров конструктивных элементов, среди них можно выделить,
как отмечено выше, типовые, т.е. повторяющиеся с несущественными
изменениями в различных узлах и частях конструкции. На них
распространяется ряд общих принципов и требований, выработанных
многолетней практикой проектирования, производства и эксплуатации ЛА.
Одним из основных принципов конструирования ЛА является
обеспечение минимальной массы элементов конструкции при необходимых
прочности и жесткости. От массы конструкции зависят стоимость самого
ЛА и стоимость его эксплуатации. Масса конструкции влияет и на
летно-тактические характеристики ЛА. Перетяжеление конструкции при
заданной стартовой массе ЛА вызывает уменьшение полезной нагрузки и,
следовательно, снижение его эффективности или возрастание стартовой
массы и, как следствие, стоимости при неизменной полезной нагрузке.
Наоборот, снижение массы конструкции возволяет уменьшить стоимость
аппарата и улучшить его летно-тактические данные.
Ниже рассматриваются некоторые принципы и положения конструи-
рования, позволяющие обеспечить минимум массы проектируемых изделий.
Принцип прямоточное™. В его основе заложена правильная
организация силового потока в конструкции. Нарушение этого принципа
сопровождается нежелательными деформациями изгиба, сдвига и кручения.
Приведем несколько примеров реализации этого принципа.
1. Передана сил по кратчайшему пути. Например, при конструировании
узлов крепления крыла к корпусу надо стремиться располагать моментный
(главный) узел 2 (рис.3.9) ближе к центру давления 3 (ац д = min),
cho обеспечивает наименьший изгибающий момент и минимум массы
силовых элементов, в том числе шпангоута / корпуса, к которому
крепится крыло.
Рис. 3.9. Расположение узла сты-
ковки крыла с корпусом, обеспечи-
вающее наименьшую массу
135
2. Исключение изгиба, сопровождающего растяжение (сжатие). При
передаче силы Р вдоль стержня АВ (рис.3.10,а) последний будет иметь
минимальную массу, так как нормальные напряжения а по сечению
распределены равномерно и его материал работает полностью.
Конструкция, показанная на рис.3.10,6, в этой же задаче имеет элемент
CD, работающий на изгиб, в котором с полной отдачей работают только
наиболее удаленные от оси стержня волокна, а остальные недогружены.
Стержень будет перетяжелен. Аналогичная картина имеет место и в
случае соединения двух элементов встык и внахлестку (рис.3.10,8, г).
Из принципа прямоточности следует, что материал детали, находящий-
ся вне основного силового потока, может быть удален как неработающий.
Из рис.3.11 видно, что стрингер не сразу, а постепенно, через срез
г
Возможные причины появления дополнительных изгибных напря
Рис. 3.10.
жений
Рис. 3.11. Рациональная конструкция стрингера:
а — неработающий материал стрингера; б - эпюра осевых нагрузок стрин-
гера
136
рис. 3.12. Пример замыкания сило-
вого контура
заклепок собирает с обшивки силу
Р . Заштрихованный участок стри-
стр
нгера не работает, и его следует
удалить.
3. Разновидностью принципа пря-
моточности является разгрузка кон-
струкции. Давление наддува топлив-
ных баков ЖРД, давление в камере
двигателя твердого топлива разгру-
жают их конструкции от действия
внешних сил и повышают критические
напряжения.
4. Замыкание силового контура,
когда в конструкцию вводятся спе-
циальные элементы, направляющие силы по кратчайшему пути. На примере
подкосной балки / (рис.3.12), установленной в крыльевом отсеке корпу-
са, показано, что от действия изгибающего момента А^3 бортовая нервю-
ра и лонжерон нагружаются меньшими усилиями. Изгибающий момент лонже-
рона 2 М нарастает лишь на участке до подкосной балки /, а дальше он
л
падает, обращаясь в нуль в шарнирном узле 3 (при отсутствии подкоса
в узле 3 будет максимальным). Подкосная балка нагружена сосредото-
ченной силой в узле 4. Благодаря меньшей длине балки (а^ < а^ ее из-
гибающий момент М будет меньше, чем у лонжерона, т.е. М < М
б бтах лтах
5. Принцип компактности, т.е. экономии поверхностей, объемов,
длин, числа конструктивных элементов. Он во многом определяется
опытом и эрудицией конструктора.
Прмщип пропорциональности предусматривает равномерное распреде-
ление силовых потоков и напряжений в конструкциях, что достигается
симметрией, плавными формами, отсутствием местных концентраторов
напряжений. Рассмотрим случаи применения этого принципа на часто
встречающихся в практике конструирования ЛА примерах.
1. Передача сосредоточенной силы в виде распределенной нагрузки.
Основная особенность тонкостенной неподкрепленной конструкции -
низкие местная изгибная жесткость и прочность. На рис.3.13 показано
137
действие на оболочку внешней силы Р, нормальной к поверхности оболоч-
ки, и силы Р', лежащей в срединной поверхности оболочки. Под действи-
ем этих сил может произойти прогиб или разрыв (смятие) (см. рис.
3.13,а) соответственно. Предотвратить разрушение можно путем включе-
ния в работу всего сечения оболочки. В случае действия нормальной си-
лы Р следует поставить диафрагму со стойкой или шпангоут, которые
по отношению к Р обладают большой жесткостью и передают на контур
оболочки силу Р в виде погонной нагрузки (см. рис.3.13,б).
Тангенциальную сосредоточенную силу Р' можно передать на оболочку
с помощью продольной балки (стрингера, лонжерона), опирающейся своими
концами на шпангоуты (см. рис.3.13,6), также в виде распределенной
силы q%.
2. Исключение концентраторов напряжений в конструкциях, имеющих
перепад жесткостей. Резкий перепад жесткостей является причиной
возникновения концентрации напряжений. На рис.3.14 показана
Рис. 3.13. Передача сосредоточенной силы на оболочку
Рис. 3.14. Распределение нормальных напряжений в обшивке и стрингерах
Рис. 3.15. Усиление большого выреза
в корпусе
138
стрингерная оболочка с различными толщинами обшивки. Тонкая обшивка
на нормальные напряжения от изгиба практически не работает, и общий
изгиб воспринимается в основном стрингерами. По мере увелечения
толщины обшивки концентрация напряжений уменьшается. Отношение
критических напряжений в обшивке к напряжениям в стрингере (а /а )
об стр
повышается. Еще два примера. Для установки блоков оборудования в
корпусе ЛА делают большие люки (вырезы). Зону выреза обязательно
усиливают. Например, вдоль люка ставят усиленные стрингеры или
лонжероны /, а по краям - шпангоуты 2 (рис.3.15). Если лонжерон сразу
закончить у края выреза, то из-за резкого перепада жесткостей в зоне
С возникнет концентрация напряжений. Во избежание этого лонжерон
следует протянуть еще на некоторое расстояние Д/, сводя его на нет
(см. пунктирные линии). Величину Д/ принимают приближенно равной
ширине выреза.
В обечайках "сухих” отсеков корпуса предусматривают люки, смотро-
вые окна и т.п. для доступа к аппаратуре во время осмотров,
проведения регламентных работ, подготовки ЛА к полету. Они также не
должны ослаблять сечение и быть причиной местной концентрации
напряжений. С этой целью делают местное усиление - окантовку
(рис.3.16). На рис.3.16,а показана окантовка люка в листовой обшивке,
а на рис. 3.16,6 - усиление люка литого или штампованного отсека. В
обоих вариантах люк выполняется герметичным.
3. Распространенной реализацией принципа пропорциональности
является равнопрочность. В строгом понимании она может быть реали-
зована в конструктивно простых деталях, когда они разрушаются одно-
временно по всем сечениям при достижении действующей нагрузкой
разрушающей величины или когда рабочие напряжения будут одинаковыми
во всех точках детали. В целях равнопрочности площади сечений про-
Рис. 3.16. Усиление вырезов в обечайке корпуса
139
дольного набора и толщина обшивки ЛА делаются переменными. Однако
реальные конструкции не являются равнопрочными в полном смысле.
Статические испытания показывают, что разрушение конструкций проис-
ходит не повсеместно, а в какой-то одной зоне. Тем не менее в каж-
дом конкретном случае, учитывая характеры нагружения и деформации, к
равнопрочности конструкции, путь даже с некоторыми отклонениями, надо
стремиться всегда. Равнопрочные рамы, шпангоуты, стрингеры и т.п.
могут быть легче конструкций с постоянными сечениями в 3...4 раза.
На рис.3.17 приведены простейшие примеры, иллюстрирующие реализа-
Рис. 3.17. Примеры равнопрочных конструкций:
а. б — консольные балки, работающие на поперечный
Р
dx = dmax
в
изгиб; в — полый
стержень, работающий на сжатие
Рис. 3.18. Рациональная схема расположения стыков нормального шпан-
гоута:
а — схема нагружения: б — эпюра и схема расположения стыков: в "
эпюра М шпангоута
140
цию равнопрочности соответствующим подбором конфигурации силового
элемента. Для более сложных конструкций равнопрочность может быть
обеспечена за счет проектирования на заниженные нагрузки (0,8...0,9
от расчетных) с последующей доработкой по результатам испытаний, а
также путем оптимизации распределения материала.
Различного рода концентраторы напряжений (вырезы, местные ослабле-
ния, стыковые узлы и т.д.) располагают с учетом требований равнопроч-
ности. Один из таких примеров показан на рис.3.18. При изгибе корпуса
на нормальный шпангоут действуют самоуравновешивающиеся сжимающие по-
гонные усилия (см. рис.3.18,б). Эти усилия изгибают шпангоут,
эпюра показана на рис.3.18,в. При необходимости изготовления
шпангоута из нескольких элементов его стыки следует располагать в
наименее нагруженных зонах, соответствующих минимальному ЛК
4. Важным проявлением принципа пропорциональности является требо-
вание равной устойчивости. В этом случае размеры сечения силового
элемента выбираются из условия равенства критических напряжений мест-
ной и общей потерь устойчивости: а = о . Для продольных эле-
кр. м кр. обш
ментов (стержней) - стрингеров, лонжеронов, ребер в монолитной конст-
рукции - общая потеря устойчивости соответствует искривлению оси
стержня без искажения формы поперечного сечения (рис.3.19,а). При
д
Рис. 3.19. Формы потери устойчивости:
а, в — общая потеря устойчивости: б. 2, д — местная потеря устойчи-
вости
141
(3.67)
о = с
Ф
этом критические напряжения стержня определяются по формуле Эйлера
п2Е
(Hi)2 ’
где с - коэффициент, учитывающий закрепление концов стержня
(шарнирное опирание - с = 1; при заделке с = 4; с учетом
поддерживающего влияния обшивки с = 2); Е - модуль упругости; I -
длина стержня между шпангоутами; i - радиус инерции сечения.
В случае местной потери устойчивости ось стержня остается прямоли-
нейной; искривляются отдельные элементы стержня, искажая поперечное
сечение (см. рис.3.19,6). При этом каждый элемент работает, как
сжатая пластина, закрепленная на соседних элементах и
Критические напряжения пластины находятся по формуле
= kE
К₽ (6/S)2
где коэффициент k, определяемый по справочникам,
отношения сторон а/Ь.
При работе на сжатие известные преимущества имеют
панели с заполнителем. При общей потере устойчивости таких
конструкций (рис.3.19,в) расстояние й между несущими слоями остается
неизменным. Уравнение для определения критических напряжений общей
потери устойчивости оболочки с учетом сдвига заполнителя имеет вид
Е(й ♦ 6) . Ей
О “ n 1 *
* R 2G R
3
по торцам.
(3.68)
зависит от
оболочки и
(3.69)
где /? - радиус оболочки; G^ - модуль сдвига заполнителя.
Местная потеря устойчивости может происходить без искривления
срединной поверхности оболочки (см. рис.3.19,6), но может быть
связана и с искривлением срединной поверхности (рис.3.19,г). Опасное
последствие местной потери устойчивости - отрыв несущего слоя от
заполнителя. Соответствующие критические напряжения приближенно
определяют по формуле
(3.70)
где k* - экспериментальный коэффициент; Е^ - модуль упругости
заполнителя.
142
Рис. 3.20. Распределе-
ние функций между сило-
выми элементами балки
Пршцип специали-
зации. Для выполнения
отдельных функции в
конструкции ЛА должны
использоваться специ-
альные, наиболее целе-
сообразные силовые элементы. Реализацию этого принципа можно показать
на примере двухпоясной балки (лонжерон корпуса, крыла), работающей на
изгиб и воспринимающей поперечную погонную нагрузку (рис.3.20). Здесь
каждый элемент наиболее полно выполняет свою функцию: пояса / балки
воспринимают изгибающий момент, стенка 3 - поперечную нагрузку, стой-
ки 2 - сжимающие усилия, увеличивая одновременно критические напряже-
ния сдвига стенки.
Разновидностью специализации является принцип местного качества,
когда в соответствии с местными условиями работы конструктор предус-
матривает ряд мер, улучшающих работоспособность конструкции без
увеличения массы и габаритов. На рис.2.31 показано несколько примеров
усиления отсеков корпуса, выполненных из стеклопластиков, в наиболее
нагруженных местах: на торце отсека устанавливается металлический
шпангоут, через который осуществляется соединение с соседними отсе-
ками (рис.3.21,о, в); армировка металлическими иглами включает в
имя: г — применение местных вкладышей
143
Рис. 3.22. Пример реализации принципа
многофункциональности
работу слои, расположенные по глубине
конструкции и увеличивает ее прочность
на срез (рис.3.21,6, в); для малонаг-
руженных соединении отсеков применяют-
ся местные металлические вкладыши с
резьбой (рис.3.21,г).
Принцип многофункциональности. Его
зации, но не отрицает,
идея противоположна принципу специали-
а дополняет этот принцип. Суть принципа -
стремление использовать одни и те же силовые элементы для передачи
разных нагрузок и выполнения нескольких разнородных функций. Это поз-
воляет уменьшить массу конструкции. Например, несущий топливный бак
ЛА, очевидно, является не только емкостью для жидкого компонента, но
и частью силовой конструкции корпуса, которая воспринимает все внеш-
ние силовые факторы, внутреннее давление и температурные напряжения.
Иногда рулевой отсек корпуса ЛА используется для установки камеры ЖРД
(рис.3.22). Здесь два шпангоута 1 и 2 и четыре продольных балки 3
полностью обеспечивают восприятие нагрузок как от рулей, так и от
двигателя. Подобных примеров эффективного совмещения функций в конст-
рукциях ЛА чрезвычайно много.
Прмщт оптимальности. Он заключается в обеспечении соответствия
размеров и форм силовых элементов конструкции величине и характеру
действующих на них нагрузок. Так, нормальные напряжения при
поперечном изгибе обратно пропорциональны моменту сопротивления
изгиба W. В этом случае наиболее целесообразным оказывается
двутавровое сечение силового элемента (см. рис.3.20). При восприятии
крутящего момента наилучшими являются замкнутые полые круглые сечения
возможно большего диаметра. Однако практические задачи авиационного
конструирования являются более сложными, когда конструктор должен
удовлетворить ряду противоречивых требований при действии широкого
спектра нагрузок и с учетом различного типа ограничений. В каждом
конкретном случае конструктор вынужден принимать компромиссное
решение. Эти задачи, как указано выше, наиболее полно решаются при
нахождении геометрических параметров агрегатов ЛА, отыскании
наивыгоднейшего закона распределения конструкционного материала в
силовых сечениях и выборе конструктивно-технологического решения.
144
Раздел! ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ
ГРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛА
Г л а в а 4. АНАЛИЗ УСЛОВИИ РАБОТЫ
КОНСТРУКЦИИ ЛА
§ 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛА
Эффективность ЛА зависит от того, насколько полно в процессе его
проектирования учтены многообразные условия функционирования. Очень
часто во главу угла ставятся требования прочности и технологии. При
этом считается, что требования прочности отражают стадию эксплуатации
ЛА, а требования технологии - стадию производства. Некоторое время
назад такой подход был правомочным, поскольку он учитывал лишь
главные факторы воздействия внешней среды. Однако по мере роста
скоростей и высот полета, по мере расширения диапазона применения ЛА
требования к ним, обусловленные внешней средой, существенно
изменяются.
Несколько абстрактная, но достаточно наглядная схема взаимо- дей-
ствия ЛА с окружающей средой показана на рис.4.1. ЛА на схеме изобра-
жен в виде системы взаимодействующих внутренних сил; окружающая среда
показана в виде разнообразных полей. Между ЛА и окружающими полями
постоянно происходит передача энергии, а иногда и массы. В
зависимости от того, где движется ЛА - в атмосфере или в космосе, в
зависимости от скорости полета, условий эксплуатации и ряда других
факторов различные поля по-разному взаимодействуют с ЛА. Для атмо-
сферных ЛА наиболее существенными являются: силовое взаимодействие
радиация
^Силы^
управления
полетом /
Влага,
пыль,
песок
Воздушная
Упру-
к гие
среда
опер-
ации
Тепловое
излучение
Тяга
двигателей
Космическая
радиация
биологические
(рок торы
Гравитационное поле
Рис. 4.1. Схема взаимодействия ЛА с окружающей средой
145
ЛА с окружающей средой; действие климатических и биологических
факторов; аэродинамический нагрев.
Все эти явления между собой связаны. Однако при проектировании
конструкций, чтобы исключить чрезмерное усложнение расчетных моделей,
влияние указанных выше факторов учитывается порознь. При этом общая
задача исследования поведения упругих конструкций, находящихся под
одновременным воздействием внешних нагрузок и аэродинамического
нагрева, расчленяется на две самостоятельные задачи: аэротермическую
и аэротермоупругую.
Аэротермическая задача включает в себя исследование теплообмена
между пограничным слоем и конструкцией и определение температурных
полей. Аэротермоупругая задача исследует взаимодействие аэродина-
мических, упругих и инерционных сил при заданном температурном режиме
конструкции.
Разделение основано на следующих допущениях. Во-первых, предпо-
лагается, что деформации конструкции не влияют на характеристики
теплообмена. Связь между аэротермической и аэротермоупругой задачами
проявляется в том, что нагрев влияет на внутренние напряжения, а
следовательно, на деформации конструкции, и на перераспределение
аэродинамических сил. Обратного же влияния нет.
Во-вторых, предполагается, что взаимодействие между процессом
теплопередачи и деформациями конструкции незначительно. Строго
говоря, определение температурного режима нельзя отделять от расчета
деформаций. Если внешнее механическое воздействие вызывает деформации
тела, то этот процесс сопровождается изменениями температуры. В
результате возрастают энтропия и та часть энергии, которая не может
быть возвращена в механической форме. Однако, как показывают расчеты,
количественные результаты термодинамического взаимодействия соизме-
римы с погрешностями исходных данных по температурному режиму
конструкции. В то же время отделение аэродинамической задачи упрощает
решение проблемы и позволяет довести его до инженерного состояния,
хотя и в этом случае каждая из выделенных задач остается весьма
сложной.
Очень важно при проектировании конструкций правильно выявить и
учесть разнообразные условия наземной эксплуатации. Здесь не только
факторы силового взаимодействия ЛА с окружающей средой. Их учет не
самая сложная задача. Труднее выявить многообразные климатические и
биологические факторы, которые могут проявиться при эксплуатации в
различных климатических зонах. Количественно оценить эти факторы
очень трудно, а иногда практически невозможно. Однако качественный
146
анализ соответствующих факторов и введение специальных мер защиты ЛА
от их вредного взаимодействия совершенно необходимы. Если этого не
предусмотреть, то возникают отказы, снижается эффективность ЛА,
появляются непредвиденные регламентные работы, возрастает трудоем-
кость технического обслуживания и т.д.
§ 4.2. НАГРУЗКИ. ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЛА
Нагрузки, которые испытывает ЛА при эксплуатации, могут быть
статическими и динамическими. Статическими нагрузками называются
такие, время приложения которых значительно больше времени периода
собственных колебаний основного тона конструкции ЛА. Быстроизменяю-
шиеся нагрузки, время приложения которых соизмеримо с периодом
колебаний основного тона конструкции, называют динамическими. Такие
нагрузки возникают, например, при пуске и отсечке двигателя, от
действия ветра, при транспортировке, при резком открытии или закрытии
топливных клапанов и в ряде других случаев.
При выборе опорных вариантов конструкция ЛА обычно считается абсо-
лютно жесткой. В действительности же его конструкция обладает упру-
гостью, и под действием изменяющихся во времени внешних нагрузок она
будет совершать упругие колебания. Эти колебания вызовут дополнитель-
ные динамические нагрузки на конструкцию аппарата. Их учет при проек-
тировании производится, как правило, на заключительном этапе в пове-
рочном плане при установлении допустимых режимов нагружения.
Дополнительные динамические нагрузки возникают не всегда. В
рационально спроектированной конструкции автоколебаний не будет, а
потому не будет и вызванных ими сил. Так как динамические нагрузки
зависят главным образом от соотношения частот изменения действующих
сил и собственных частот системы, то конструктор там, где это возмож-
но, должен так подбирать жесткости и распределять массы, чтобы эти
частоты были по возможности различными. (Это так называемая проблема
максимальной отстройки спектра собственных частот конструкции от
заданного спектра частот.)
При проектировании конструкции все силы, действующие на ЛА, делят
на две категории: поверхностные и массовые. Поверхностные силы, как
говорит их название, приложены к поверхности ЛА. Это аэродинамические
силы, тяга двигателей, силы реакции опор (при транспортировке ЛА),
силы взаимодействия отдельных частей аппарата. К массовым относятся
силы тяжести и инерционные. Они пропорционально массе распределены по
всему объему аппарата. Силы, действующие на агрегаты, расположенные
147
регрузка, представляющая собой
Рис. 4.2. Силы, действующие на ЛА
в полете
вне и внутри ЛА, делятся на те же
категории. При этом поверхностными
являются силы реакции, передающие-
ся на данный агрегат через узлы
его крепления к аппарату.
Наиважнейшей характеристикой
нагруженности ЛА является его пе-
отношение равнодействующей всех
поверхностных сил к силе тяжести. Поскольку эта характеристика
векторная, то обычно пользуются проекциями перегрузки л*, л^ и п? на
оси координат х, у, z или, как говорят, перегрузками в направлении
осей х, у, z. При этом перегрузкой в заданном направлении называют
отношение проекции всех поверхностных сил на это направление к силе
тяжести ЛА. В соответствии с этим определением, как следует из
рис.4.2, где показаны силы, действующие на ЛА при движении в
вертикальной плоскости, перегрузки в направлении осей скоростной
системы координат Ох у z будут
Pcosa - X У ♦ Psi па . ..
л л = —— --------; л = ——--------------, (4.1)
х mg у mg
где Р - тяга двигателя; a - угол атаки; m - масса ЛА; У и X -
подъемная сила и лобовое сопротивление ЛА.
В задачах проектирования конструкций силы и перегрузки
рассматривают в связанной системе координат Oxyz-.
Р -X У
л = ----; л = --.
х mg У mg
(4.2)
Из рассмотрения перегрузок л* и л^ как векторов, направления
которых совпадают с положительными направлениями осей х, у (см.
рис. 4.2), можно получить следующие формулы, связывающие перегрузки в
рассмотренных системах координат:
л = л cosa ♦ л sina;
х * ♦
X у
л = л cosa - л sina.
9 у х
(4.3)
148
В первом приближении
X* «X; У* = Y. (4.4)
При этом
л = п п = rt. (4.5)
х ♦ у ♦
х 9 у
С физической точки зредая перегрузка ЛА представляет собой
ускорение в данном направлении от действия поверхностных сил,
измеренное в долях g. В этом нетрудно убедиться, если учесть, что
равнодействующая поверхностных сил в соответствии с принципом
Даламбера равна и направлена противоположно равнодействующей массовых
сил. При движении ЛА в вертикальной плоскости (см. рис.4.2), из этого
принципа следует:
Pcosa - л - mgsind - Nx = 0;
# (4.6)
У ♦ Psina - Ny- mgcosO = О,
где N* = mj* и Ny = mjy - осевая и нормальная составляющие
инерционных сил; в - угол наклона траектории.
Разделив каждое из уравнений (4.6) на т, с учетом (4.1) получим
0» ф = L * ffosfc
У *
(4.7)
gn ф = jx ♦ gsinfl.
X
В приведенных уравнениях левые части представляют собой ускорения
в направлениях соответствующих осей от действия поверхностных сил, а
правые - ускорения от действия массовых сил.
Если учесть, что
'Л",-» <4-8’
то выражения (4.7), очевидно, можно рассматривать в качестве
уравнений связи между перегрузками и кинематическими параметрами
траектории:
149
I Л'
'. = г 5Г • “*
X *
Для маневренных ЛА прочность конструкции и соответственно
распределение материала определяются нормальными перегрузками. Если
траектория полета известна (задана), то, как следует из (4.9), можно
определить перегрузки, которые должен иметь ЛА при движении по данной
траектории. Эти перегрузки принято называть потребными. Наибольшие
значения перегрузок, развиваемых ЛА в состоянии балансировки,
определяются максимальными значениями углов отклонения органов
управления. Соответствующие перегрузки называют располагаемыми.
Сравнивая потребные перегрузки с располагаемыми, можно установить
возможность или невозможность полета ЛА по данной траектории. Чтобы
полет по заданной траектории был возможным, необходимо обеспечить
условие
п >п * Дл , (4.10)
расп потр зап
которое означает, что при полете в реальных условиях при наличии слу-
чайных возмущений необходимо располагать некоторым запасом пере-
грузок.
При проектировании конструкций необходимо учитывать и тот факт,
что перегрузки (4.9) соответствуют установившимся (балансировочным)
параметрам движения. В реальных условиях полета неизбежны возмущения
за счет неидеальной работы системы управления, эксцентриситета тяги,
турбулентности атмосферы и ряда других факторов. Эти возмущения
приводят к появлению дополнительной перегрузки - динамической
составляющей Дл^. Следовательно, максимальная перегрузка при
проектировании конструкций определяется как
п = п * Дл * Дл (4.11)
max потр зап дин
Наибольшее влияние на перегрузки обычно оказывает система
управления ЛА, поэтому перегрузку Дл часто отождествляют с
дин
забросом перегрузки при совершении маневра, требующего перекладки
рулей. Характер изменения перегрузки при таком маневре показан на
рис.4.3. Величина Дл зависит от аэродинамической схемы ЛА и
дин
150
Рис. 4.3. Характер изменения пе-
регрузки при маневре ЛА
характеристик системы управле-
ния. Чем медленнее будет изме-
няться угол отклонения органов
управления, тем меньше будет
значение заброса перегрузки при
маневре. Однако при этом реали-
зуемая траектория полета может оказаться неприемлемо отличной от пот-
ребной. Желательно, чтобы время неустановившегося движения по возмож-
ности было минимальным. Для частного случая, когда система управления
реализует практически мгновенную перекладку рулей, динамическая сос-
тавляющая нормальной перегрузки определяется по формуле
а z vct 0\ “Аг//?
Дл = (/г - п )е
удин у у
Здесь обозначено
I------Г Ya
/? = мВ - А ; 2А = рЦ В =
mv i
z
(4.12)
z
nN
.(4.13)
где nt, V - масса, массовый момент инерции и скорость ЛА
соответственно; У® и А4^ - производные подъемной силы и момента
тангажа по углу атаки а; - производная момента тангажа по угловой
скорости вращения ЛА cd.
В полете и при наземной эксплуатации на ЛА действует целый спектр
разнообразных нагрузок. При проектировании конструкций весь спектр
нагрузок должен быть проанализирован и выбраны расчетные условия
нагружения, соответствующие наиболее опасным комбинациям нагрузок и
аэродинамического нагрева. При существующем разнообразии ЛА и условий
их применения практически невозможно заранее выявить расчетные
условия нагружения, не привязываясь к конкретному ЛА.
Для маневренных ЛА чаще всего расчетные условия определяются
поперечными нагрузками и температурным режимом. Если снижением
механических характеристик материала с ростом температуры можно
пренебречь, то расчетные условия рассматриваются как расчетная точка
на траектории, в которой подъемная сила У максимальна:
151
(4.14)
r S (л G) ,
max ymax max
где G = я*ЛА1? - сила тяжести ЛА.
При сильном нагреве конструкции, когда снижением механических
свойств материала уже нельзя пренебречь, необходимо рассматривал)
возможные сочетания изменяющихся нагрузок и температуры. Расчетный
режим здесь может наступить при меньших нагрузках, так как запас
прочности конструкции будет уменьшаться пропорционально:
(а )т
, = Р-Р Т (4 |5)
где
(а )т
разр Т
- разрушающее напряжение в элементе конструкции при
температуре Г; (Р - расчетное напряжение в этом элементе.
Снижение запаса прочности в т? раз при постоянной нагрузке
равносильно соответствующему увеличению нагрузки (т.е. в I/17 раз) при
постоянном запасе прочности. Поэтому, если считать, что прочность
конструкции определяется пределом прочности материала и что
нагрев отражается только на изменении механических свойств, то можно
принять, что наиболее тяжелые условия нагружения будут тогда, когда
о
произведение п G --------- будет максимальным. При этом расчетный
1Дпах
режим, как это видно из рис.4.4, может наступить по времени т позже,
чем без учета нагрева.
Наконец, возможна еще и третья ситуация, когда работа материала в
конструкции характеризуется ин-
тенсивным ростом деформаций
ползучести. Помимо температуры
и внешних нагрузок здесь необ-
ходимо учитывать время пребыва-
ния конструкции в состоянии на-
гружения и нагрева. Выбор соот-
ветствующих расчетных условий и
Рис. 4.4. Расчетные условия на-
гружения конструкции при нор-
мальной температуре (/) и наг-
реве (2)
152
Таблица 4.1
режим А1-сплавы Ti-сплавы
20...150 °C 150...200 °C > 200 °C 20...300 °C
I ♦ ♦ П Ш Продолжение табл. 4.1
Режим Ti-сплавы Стали
300...450 °C > 450°С 20...350 °C 350...500°С > 500 °C
I
П
Ш
их количественный анализ представляют собой наиболее сложную задачу,
пока еще не имеющую надежных методов решения.
Ориентировочные диапазоны температур, соответствующие различным
расчетным условиям, для некоторых часто применяемых конструкционных
материалов приведены в табл. 4.1. I режим, указанный в таблице,
соответствует случаю, когда допустимо не учитывать влияние нагрева;
П режим учитывает лишь снижение при нагреве механических свойств
материала; Ш режим соответствует условиям, когда необходимо
учитывать ползучесть материала.
Приближенная оценка силового взаимодействия ЛА с окружающей средой
обычно проводится с учетом ограниченного числа факторов. В каждом
расчетном случае выделяются лишь основные нагрузки. В качестве приме-
ра на рис.4.5 показаны эпюры основшх учитываемых нагрузок, действую-
щих на корпус маневренного ЛА. В их числе аэродинамические силы, тяга
двигателя, силы, приходящие от крыла и оперения, и массовые силы от
закрепленных в корпусе грузов и собственной массы. Все эти нагрузки
могут быть как симметричными относительно вертикальной плоскости Оху,
так и несимметричными. В проектировочных расчетах, как правило, счи-
тают, что равнодействующая нагрузок лежит в плоскости симметрии ЛА.
Аэродинамические силы (силы давления и разрежения) при полете ЛА в
атмосфере с нулевыми углами атаки являются самоуравновешиваюшимися и
153
Рис. 4.5. Нагрузки, действующие на корпус ЛА
не приводят к образованию поперечных нагрузок q^. Но они влияют на
прочность и местную жесткость носового и хвостового отсеков, что не-
обходимо учитывать при проектировании.
При угле атаки, не равном нулю, давление распределяется по пери-
метру корпуса неравномерно; появляются поперечные нагрузки q * 0.
0
При малых углах атаки (а < 10 ) при М < 4 дополнительные нагрузки
154
возникают в основном в носовой части корпуса и определяются на основе
линейной аэродинамической теории по формуле
V2
У =са а^—F , (4.16)
корп укорп корп
а а ~
где с = с ; г - площадь миделевого сечения корпуса.
ДОорп 1/нос корп
Точка приложения этой силы (центр давления) находится на расстоя-
нии х от носка корпуса, которое определяется выражением
ц. д.корп
W
. нос
X = L Б-----------,
ц. д. корп нос г
корп
где L - длина носовой части корпуса (см. рис.4.5); W
нос нос
носовой части корпуса.
При больших углах атаки (а > 10 ) на корпус ЛА действует
тельная погонная аэродинамическая нагрузка
(4.17)
- объем
дополни-
Д<7
аэр
рУ2 2
1.2 ^-Da\
(4.18)
где D - диаметр корпуса в рассматриваемом сечении. При этом
предполагается, что несущая способность ЛА определяется в основном
центральной частью корпуса ЛА.
Аэродинамическое сопротивление корпуса при анализе его работоспо-
собности и массовых зависимостей в расчетах первого приближения не
учитывают из-за большой разницы моментов сопротивления изгибу в про-
дольном и поперечном направлениях.
Тяга двигателя обычно приложена к силовым элементам корпуса в кор-
мовой или средней его части в зависимости от расположения двигателя в
корпусе и направлена вдоль его оси. Точками приложения тяги считаются
узлы крепления двигателя к силовым элементам - шпангоутам, соединен-
ным с усиленными стрингерами.
На корпус приходят нагрузки от крыла и оперения - изибающий, кру-
тящий моменты и перерезывающая сила. Они определяются режимом полета
ЛА. Их распределение по корпусу зависит от конструктивно-сиЛовой схе-
мы соединения крыла и оперения с корпусом. Значения узловых нагрузок
находятся при прочностном расчете консолей крыла и оперения. Суммар-
ное воздействие крыла на корпус можно представить, как показано на
155
рис.4.5, действием поперечной силы Y - т вп ; осевой силы т gn -
кр кр® у кр® х
X ; моментов М и М . Здесь т - масса крыла.
кр X X кр
Массовые нагрузки считают распределенными по длине корпуса пример-
но пропорционально площади его поперечного сечения. Такое допущение
на начальной стадии проектирования предполагает, что массы располо-
женных в корпусе грузов распределены равномерно и также равномерно
выполнено соединение их с конструкцией корпуса. На рис.4.5 показаны
инерционные нагрузки при криволинейном полете. При этом погонная на-
грузка qm = qmX ♦ q^. Наличие двух нагрузок {qm{ и q^ обусловлено
двумя видами ускорений ЛА при криволинейном полете.
Нагрузка возникает от действия поперечной перегрузки л^,
одинаковой для всех масс конструкции:
„ *корпУ%
(4.19)
где ф - коэффициент распределения массы в. ЛА, определяемой по
формуле
2m
' =1--------—
корп
(4.20)
- масса грузов, расположенных вне корпуса (крылья, оперение,
двигатели, если они вне корпуса); - начальная масса ЛА; - длина
условного цилиндра, у которого диаметр и объем равны соответственно
диаметру и объему действительного корпуса.
Нагрузка q^ возникает при наличии углового ускорения t? летатель-
ного аппарата, появляющегося при действии маневренной нагрузки на
оперение ДУ^.
ДУ L
Ф = on on (4 21)
х
2
где - плечо оперения относительно центра масс ЛА; I* = пи* - нас-
156
рис. 4.6. Определение инерционной
н-фуэю.
совый момент инерции ЛА относи-
тельно оси z, - радиус инерции
ЛА относительно оси z, приближен-
но может быть принято i = 0,16 L
Z к
Максимальное значение нагрузки
г , изменяющейся в первом прибли-
/П2
жении по линейному закону (рис.4.6), как это следует из условия рав-
новесия ЛА, определяется выражением
ЗДУ
а _ ________оп
7И2тах
(4.22)
Определив нагрузки на корпус, можно построить эпюры перерезывающих
сил и изгибающих моментов по его длине, как показано на рис.4.5. Виды
эпюр Q и на участке крыла зависят от способа его крепления к
корпусу (на рис.4.5 крепление крыла к корпусу принято в одной точке).
При действии осевой перегрузки п* распределенная масса корпуса
(вместе с грузами), равная Чт^п » создает инерционные силы
п
ж. х
N = q . —х„
х ml п I
У
где х^ - расстояние от носка корпуса до рассматриваемого сечения.
Силы N* нарастают по линейному закону от носка до сечения, где
приложена тяга двигателя.
(4.23)
§ 4.3. КЛИМАТИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА ЛА
Климатическое и биологическое воздействие окружающей среды сущест-
венно зависит от географической зоны. Пои проектировании ЛА следует
принимать во внимание наличие четырех довольно различных климатичес-
ких зон: с умеренным, холодным, жарким (сухим) и тропическим (влаж-
ным) климатом. Типичные значения основных факторов, характеризующих
указанные зоны, приведены в табл. 4.2.
157
Тип Климатические
1Я Температура, о С Относительная влажность, %
пределы годовой ход суточный ход средняя макси- мальная
Умеренный ± 40 80 20 80 90
Холодный -70...>30 100 40 60 80
Жаркий -30...>50 80 40 40 80
(сухой)
Тропичес- 0...>40 40 10 20 100
кий (влаж-
ный)
Рассмотрим физические процессы, имеющие место при эксплуатации ЛА
в различных климатических зонах.
Действие солнечной радиации зависит от энергии фотонов и опреде-
ляется длиной световой волны. Длинноволновая составляющая солнечных
лучей (инфракрасные лучи) вызывает нагрев конструкции ЛА. Коротковол-
новая составляющая солнечных лучей (ультрафиолетовые лучи) является
очень энергичным катализатором реакций окисления, вызывающих разложе-
ние кислородсодержащих и хлорсодержащих материалов: полиэтилена, по-
листирола, полихлорвинила, фторопласта и других пластмасс. Фотохими-
ческое действие солнечной радиации на окрашенную поверхность приводит
к выцветанию, а переменное действие солнечного света и дождя - к так
называемому "мелению" окраски.
Солнечная радиация является также причиной образования озона из
кислорода воздуха. Озон разрушающе действует на резиновые изделия,
особенно на изготовленные из натуральных каучуков. Синтетические ре-
зины значительно устойчивее к действию коротковолновых солнечных лу-
чей. Стойкость некоторых пластмасс повышается при введении стабилизи-
рующих составляющих (например, газовой сажи). Ряд пластмасс, например
политетрафторэтилен, силиконовые пластмассы, а также дерево вообще не
чувствительны к действию солнечной радиации.
158
Таблица 4.2
факторы Биологические факторы
Поток солнеч- ной рад^цнн, кал/(см 'мин) Скорость ветра, м/с Прочие факторы
1.3 1.5 0,3...0,5 6.. .7 Иней, обледе- нение, туман Мошки и комары
1.6 3...4 Пыль, песчаные Пресмыкающиеся,
бури, соль в грызуны, насеко-
воздухе мые
1.4 — Грозы, роса. Плесень, грибы.
влага грызуны, насеко-
мые
В экстремальных условиях эксплуатации температура поверхности ЛА
может достигать 100 С и более. Это создает опасность ожогов, требует
специальных мер предосторожности. Могут появиться непланируемые рег-
ламентные работы. В зависимости от изменения температуры изменяются
диэлектрические свойства и сопротивление изоляции. Поэтому в процес-
се эксплуатации емкость некоторых типов конденсаторов под влиянием
изменения температуры от 20 до 80 С может меняться на 20...30 %.
Изменение температуры приводит к изменению электрических и магнитных
свойств металлов.
Повышение температуры вызывает ускоренное старение многих типов
пластмасс. Пропиточные материалы, масла и смазки теряют свою вяз-
кость, вытекают из уплотнений, стекают с защищаемых поверхностей, и в
конечном итоге происходит разгерметизация ЛА и разрушение элементов
ЛА под воздействием внешней среды. Трансформаторное масло при повыше-
нии температуры теряет свою инертность и начинает разрушать эмалевую
изоляцию проводов.
Низкая температура также снижает механическую прочность Материа-
лов, уменьшая их пластичность и повышая хрупкость. В изоляционных ма-
териалах появляются трещины. Смазки загустевают, что приводит к отка-
зам трущихся деталей. Заливочные материалы претерпевают усадку с
159
образованием воздушных мешков, что может привести к электрическим пе-
рекрытиям и пробоям.
Линейное изменение размеров деталей при изменении температуры при-
водит к изменению посадочных и установочных размеров и зазоров, может
привести к разрушению паяных и других соединений, к возникновению
значительных напряжений, вызывающих деформацию деталей, к отслоению и
расслоению покрытий и т.д.
Влага, постоянно содержащаяся в воздухе атмосферы, так же как и
высокая температура, существенно влияет на работоспособность ЛА. Она
вызывает коррозию металлов (особенно в морской атмосфере) и изменение
механических и электрических свойств диэлектриков. Последние увеличи-
вают свои линейные размеры, что приводит к изменению зазоров, поса-
дочных размеров и к короблению материалов. Из-за расширения воды при
замерзании образуются трещины и происходят разрывы изоляции.
Сочетание высокой температуры с высокой влажностью характерно для
приморских районов тропической и субтропической зон. Оно может при-
вести к резкой активизации процессов коррозии металлических поверх-
ностей, к растрескиванию, потере эластичности и отслаиванию от обшив-
ки лакокрасочных покрытий.
Сочетание низких температур воздуха с высокой влажностью также
крайне неблагоприятно влияет на состояние ЛА в процессе эксплуатации
и может вызывать снижение физико-механических характеристик уплотни-
тельных и изоляционных материалов, разрушение лакокрасочных покрытий,
обледенение и обмерзание электрических контактов, примерзание элект-
рических контактов и элементов кинематических пар.
Пыль и песок способствуют быстрому, износу движущихся частей. В
результате попадания пыли и песка на шарнирные соединения резко ухуд-
шается качество их смазки. На контактных поверхностях могут возник-
нуть задиры и, как следствие, возможно заклинивание кинематических
звеньев. Пыль вызывает интенсивное разрушение покрытий всех видов и,
адсорбируя влагу, способствует коррозии деталей. Шарикоподшипники
особенно чувствительны к воздействию пыли. Заклинивание шарикоподшип-
ников - основное следствие попадания в них пыли. Заклинивание поршней
и штоков силовых приводов нередко также является следствием попадания
пыли. Обладая высокрй гигроскопичностью, пыль и песок изменяют режим
работы аппаратуры и снижают поверхностное сопротивление изоляции, что
может привести к ее пробою.
В отдельных районах земного шара в почве содержится 12...35 % по
объему водорастворимых солей. Попадая на агрегаты ЛА, соли создают
тяжелые коррозионные условия. Влага, адсорбируемая из воздуха части-
160
нами соли, образует электролит, в котором процессы коррозии много-
кратно ускоряются. (Этот процесс протекает даже в пустынях, так как и
там ночью в результате больших перепадов температур, свойственных
континентальному климату, выпадает обильная роса и частицы соли раст-
воряются. ) Процесс коррозии в этих условиях протекает настолько
интенсивно, что даже в течение межрегламентного периода могут возник-
нуть большие очаги поражения. Разрушаются не только металлы и их по-
крытия, но и пластмассы. Вода, применяемая для технических нужд, в
отдельных местностях может содержать так много ионов хлора, кальция и
натрия, что становится агрессивной средой, вызывающей коррозию.
Существенное значение при эксплуатации имеют атмосферные осадки.
На ЛА отрицательно действуют все виды атмосферных осадков (дождь,
снег, морось, ледяной дождь, снежная крупа, град). Наиболее опасными
являются ливневые осадки и осадки, выпадающие в виде мелкодисперсного
снега, который обладает высокой проникающей способностью.
Особую роль при эксплуатации играет статическое электричество. ЛА
может приобретать значительный электрический заряд в результате тре-
ния об обшивку частиц песка, сухого снега и воздушного потока, трения
топлива о стенки трубопроводов и баков при заправке. Заряды в конст-
рукции движутся в сторону острых кромок, откуда стекают в атмосферу.
Если все детали ЛА хорошо соединены между собой, это явление не вызы-
вает осложнений. Однако в местах, где есть зазоры, не проводящие
электрические заряды, возникают коронные разряды и искрение, что
может привести к взрыву топливовоздушной смеси в баках ЛА с ЖРД или
ВРД, а также к самопроизвольному срабатыванию пиропатронов,
пирозапалов.
Плесени в процессе жизнедеятельности выделяют продукты обмена
веществ, которые содержат органические кислоты, вызывающие коррозию
металлов и разложение диэлектриков.
Из насекомых наиболее опасны для элементов ЛА термиты, широко рас-
пространенные в тропическом поясе (Австралия, Северная и Центральная
Африка и Южная и Центральная Америка). В СССР термиты живут на юго-
западе Украины, в Молдавии и на Кавказе. Красные муравьи, тараканы,
так же как и термиты, поедают детали из органических материалов.
Пауки обволакивают паутиной элементы конструкции, что приводит к
скоплению пыли и влаги. Грызуны съедают и разрушают изоляционные
материалы, могут повредить кабели. Так, крысы и белки скусывают
изоляцию, в том числе резиновую и хлорвиниловую.
161
6-880
§ 4.4. ВНЕШНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСЛОВИЯ
РАБОТЫ ЛА
Поверхность ЛА в полете находится в конвективном тепловом взаимо-
действии с пограничным слоем и в лучистом взаимодействии с окружающим
пространством. Конвективный тепловой поток при неразрушающейся по-
верхности ЛА определяется законом Ньютона
Va(r> ТчАТг{т) <4‘24)
где а(т, Г^) - коэффициент теплдоотдачи, зависящий от времени полета
т, температуры поверхности Ту в рассматриваемой точке, а также от
местных условий обтекания ЛА; 7^.(т) - температура восстановления.
Определение величины а в каждой точке и в каждый момент полета ЛА
составляет основное содержание внешней задачи аэродинамического на-
грева, которая из-за большой сложности и трудоемкости решается в пол-
ном объеме лишь при поверочных расчетах конструкции. На ранних этапах
проектирования конструкций нужны приближенные, более простые оценки.
Для этого используются экспериментальные результаты изучения особен-
ностей обтекания ЛА в разных его зонах. Так, установлено, что на
внешней границе пограничного слоя на удалении от скачков уплотнения
вдоль линии тока, равном примерно двум диаметрам корпуса, для атмо-
сферных ЛА можно полагать, что температура и число М мало отличаются
от соответствующих характеристик набегающего потока. При этом темпе-
ратура восстановления может быть описана следующими приближенными
зависимостями:
для ламинарного пограничного слоя -
Г = Т (1 * 0.17М2); (4.25)
Г оо оо
для турбулентного пограничного слоя -
Т = Т (1 ♦ 0.18М2). (4.26)
Г оо оо
Установлено также, что для рассматриваемых ЛА вдали от головного
обтекателя а слабо изменяется вдоль линии тока и почти не зависит от
температуры поверхности. Приближенно
162
(4.27)
где к - коэффициент, учитывающий изменения числа Прандтля и критерия
Стантона при изменении температуры поверхности; V - скорость полета;
Cj - коэффициент аэродинамического трения; Д = р/р^ - относительная
плотность воздуха (по MCA). В реальных диапазонах
поверхности и чисел Рейнольдса допустимо принимать к = 0,21
= 0,0025. С учетом этих данных, а также зависимости Д от
2
полета получаем (в Вт/(м 'град))
а = *„У10‘3,
п
температур
и =
высоты
(4.28)
где - коэффициент высоты полета, определяемый зависимостью
/7, км................ 0 10 20 30
“TLL£—г....... 2093 711,8 146,5 41,0
м * град
В промежутках между указанными значениями зависимость между Н и
можно принимать линейной.
Процесс распространения тепла в конструкции ЛА в общем случае
описывается уравнением теплопроводности
аг 1 г а_ аг + э_ аг +
Эт " pc I дх А Эх * ду К ду
• Ь Я . У». I- » . (4.29)
дх дх J рс
где Т - температура; х, у, х - пространственные координаты; т - вре-
мя; р, с, X - теплофизические характеристики материала - плотность,
удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности соответственно;
w - плотность распределенных источников тепла.
Для определения температуры конструкции уравнение (4.29) должно
быть дополнено граничными и начальными условиями. Рассмотрим эти
условия.
На внешней поверхности ЛА граничное условие определяется конвек-
тивным тепловым потоком, потоком излучения с поверхности и в случае
163
аблирующей поверхности - скоростью уноса материала. Для неаблирующей
поверхности с учетом допущения о независимости а от температуры по-
верхности справедливо условие
- х : - гг 1 - «4 « ЭД
где п - внутренняя нормаль к поверхности; W - индекс, означающий
принадлежность величины к наружной поверхности ЛА; е - коэффициент
излучения; а - постоянная Стефана - Больцмана.
На аблирующей поверхности может быть рассчитана температура абля-
ции и граничное условие на подвижной поверхности имеет вид
TW - Т^.М- <4-3|>
Между внутренними поверхностями силовой конструкции и бортовым
оборудованием осуществляются конвективный и лучистый теплообмены, ко-
торые наряду с собственным тепловыделением оборудования определяют
его температурный режим. Допустимые температуры для бортового обору-
дования обычно не превышают 100 С. Эго предопределяет требование
низкой интенсивности теплообмена внутри корпуса, что, в свою очередь,
приводит к слабому влиянию этого процесса на температурное поле сило-
вой конструкции. Поэтому на стадии разработки конструкции ее внутрен-
ние поверхности вполне допустимо полагать теплоизолированными.
Начальным условием для уравнения (4.29) является распределение
температуры в конструкции в начальный момент времени (при г = 0)
Г(х, у, 2, 0) = Г0(х, у, 2). (4.32)
При равномерном начальном распределении температуры в конструкции
Т0(х, у, 2) = TQ = const. (4.33)
Решение уравнения (4.29) в общем виде практически невозможно. Даже
для простых расчетных схем получение решения требует значительных
затрат машинного времени. При проектировании ЛА обычно пользуются
приближенными решениями. Наибольшее распространение получили так на*
зываемые сплошные и тонкостенные расчетные модели. Рассмотрим их.
Сплошную расчетную модель используют для расчета температурного
поля в тех частях конструкции, для которых можно пренебречь пере-
164
рис. 4.7. Сплошная расчетная модель
теканием тепла вдоль поверхности ЛА,
вследствие чего задача теплопроводно-
сти оказывается одномерной. Это может
быть обшивка корпуса с наружным и
(или) внутренним теплозащитными пок-
рытиями или многослойный головной об-
текатель вдали от подкрепляющих эле-
ментов и др.
При использовании сплошной модели рассматриваемая конструкция
заменяется системой дискретных теплоемкостей, разделенных термичес-
кими сопротивлениями. С этой целью каждый из конструктивных слоев
условно разделяется на несколько элементарных расчетных слоев. Для
неметаллических оболочек (изоляции) число расчетных слоев следует
брать не менее трех. Металлическую обшивку ввиду ее большого коэффи-
циента теплопроводности X можно считать за один слой. Предполагается,
что для каждого элементарного слоя температура постоянна, т.е. дей-
ствительный температурный профиль по толщине оболочки заменяется при-
ближенным ступенчатым.
Расчетная модель для оболочки корпуса, защищенной с обеих сторон
изоляцией, представлена на рис.4.7. Индексы на рисунке означают:
”внш” - внешний слой; ”внт” - внутренний слой; ”п” - покрытие; "об” -
обшивка.
Расчетная система уравнений для рассматриваемого случая представ-
ляет собой разностную аппроксимацию граничного условия (4.30) и урав-
нения теплового баланса для каждого расчетного слоя (контактными тер-
мическими сопротивлениями пренебрегают):
Х1 ^/2 * ’ а(т) 1ГА> TW 1 eW°TW‘
R dT
R2 ^2 I I
~'r, -
W 1.2 2.3
165
V-W”.
/h-1
dr .
/1—1
dr
1
ГЛ-2. Л-1
(r^
-T .
л-1
(4.34)
где R^ - радиус кривизны срединной поверхности i-го слоя; г -
термическое сопротивление между слоями i и k.
Для неграничных слоев вычисляется по формуле
ri.k~ 2ХАТ.) * 2Х,(Г.) :
II К К
для наружного граничного слоя "Г
*1
rw. 1 " «X (Г ) •
(4.35)
(4.36)
Множители в левой части уравнений (4.34) учитывают изменение
теплоемкости слоев за счет их кривизны. Как показали исследования,
такой учет иилиндричности модели приемлем по точности определения
температурного поля для Я/Я^ > 0,8, что для корпусов ЛА практически
всегда выполняется.
Для численного решения систему (4.34) нужно представить в разност-
ном виде по неявной разностной схеме, что обеспечивает абсолютную
устойчивость решения. Разностный аналог системы (4.34) с шагом интег-
рирования Дт имеет вид
Tk*\рЫ
\ w , ,, ' = «<»> [Г - Ту' ] - |4-37’
166
*1 г
—!—- Т^*1) -
4 иг '1 '
V.i w 1
1.2
(4.37)
*^5)
л-1
п-1 Л-1
Дг
’ . ' Л-2
л-2. л-1
1
Л-1. Л
Л
п п 1
Дг
• Л—1 Л *
Л-1.Л
где индексы k и fe+1 означают предшествующий и последующий моменты
времени соответственно.
Систему алгебраических уравнений (4.37) относительно неизвестных
путем приведения подобных членов можно представить в
температур
виде
А Т * 1 * D Т * 1
МГ1Г-1 vrw
* Vt 1 = FW'
А]**\ * ВТ^‘ * с/’’ = F.;
t t-i и I 1.1 I
(4.38)
i = 1. л,
где Ау = 0.
Полученная система уравнений имеет трехдиагональную матрицу
коэффициентов, поэтому для ее решения можно применить эффективный
167
метод прогонки, который сводится к следующему. Сначала вычисляются
вспомогательные величины - прогоночные коэффициенты и К:
Ci
Х‘ ° ’ В/ • V.-I
у _ ‘ i I i-l
(4.39)
Затем определяются искомые температуры
V - vti * Yi-
(4.40)
Причем коэффициенты (4.39) вычисляются, начиная с первого, а
температуры (4.40) - начиная с последнего слоя. В расчетной практике
первую процедуру называют прямым ходом, а вторую - обратным.
Если теплозащитное покрытие является аблирующим, то до момента
достижения на поверхности температуры абляции Т расчет
абл
нестационарного температурного поля ведется по приведенным выше
зависимостям. После достижения начинается унос массы. В случае
относительно небольшой толщины уносимой части покрытия (что обычно
имеет место для атмосферных ЛА) можно воспользоваться средне-
интегральной по времени толщиной уносимого слоя 5^ Значение
6 вычисляется по известным графикам 6 (т).
ун. ср ум
При расчете температуры найденное значение вычитается из
начальной толщины покрытия. Оставшаяся часть покрытия разбивается на
элементарные расчетные слои так же, как и в случае неаблирующего по-
крытия. Первые уравнения в системах (4.34), (4.37) и (4.38) становят-
ся ненужными, а во вторых уравнениях вместо подставляется
Интегрирование полученной таким образом системы ведется также методом
прогонки, но с начальным условием, соответствующим распределению тем-
пературы в конструкции в момент начала процесса уноса массы.
Рассмотрим далее вторую приближенную модель - тонкостенную. Эта
модель используется при расчете температурного поля в тонкостенных
конструкциях, подкрепленных сосредоточенными силовыми элементами. Для
подобных конструкций температурное поле зависит от характера процесса
168
Рис. 4.8. Тонкостенная расчетная
модель
перетекания тепла между оболочкой
и подкрепляющими элементами. Наи-
более существенно этот процесс
проявляется в нетеплозашищеннных
конструкциях. Типичным узлом конс-
трукции ЛА, работающим в таких ус-
ловиях, является панель обшивки, соединенная со шпангоутом или нервю-
рой (рис.4.8).
Как и в предыдущем случае, .конструкция разбивается на ряд расчет-
ных элементов таким образом, чтобы границы стыкующихся элементов сов-
падали. Все расчетные элементы считаются термически тонкими в направ-
лении меньшего измерения. Процессами теплообмена во внутреннем прост-
ранстве отсека пренебрегают.
С учетом указанных допущений система дифференциальных уравнений
теплового баланса для дискретной модели, состоящей в данном конкрет-
ном случае из семи дискретных теплоемкостей, разделенных термическими
сопротивлениями, записывается в виде
аг s
", -г, 1 - - ^7,г. - г2>:
dr
- • А-|Г, - Г2> - <-(Г2 - V
1.2 2.3
dT,
'з’^’з dT~ 'заз<г| - Гз1 -
-'з'Хз • А-,Г2 - Гз'- Г7<гз -
2.3 3.4
169
Wr> - r,l -
- '.X • ^7,Г3 - Г? - - r5> - - V
*5 ^5 54
* <441>
W 4,5
«7 *5
+ r {T7 ~ U " r (7\ - Г«):
f7,5 7 5 f5.6 5 6
dT_
I7<^)7 I7«7w[r7« - r7] -
6
- '7X • Гу<Г4 - Г7>;
«6 Л’. Ss
^'e^’e ST* 7^0-, - V
Множители Rj/Ryy в 4-м, 5-м и 7-м уравнениях здесь так же, как и в
(4.34), учитывают цилиндричность конструкции.
Вычисление термических сопротивлений ведется по формуле
i.j 2\. + 2Х. 5.
< / /
(4.42)
Для численного решения системы (4.41) ее так же, как и в предыду
щем случае, нужно представить в разностном виде по неявной схеме от-
170
носители» линейных слагаемых и получившуюся таким образом систему
алгебраических уравнении относительно неизвестных 7^*1 привести к
нормальному виду.
Матрица коэффициентов в данном случае получается неособенная. По-
этому для ее обращения непосредственно применить метод прогонки
нельзя. Чтобы это стало возможным, полученная система уравнений опре-
деленным образом должна ^бытъ преобразована и сведена к нескольким
трехдиагональным матрицам1. Можно, однако, применить и прямой путь
решения системы алгебраических уравнений. Для этого следует восполь-
зоваться любым из стандартных методов обращения неособенных матриц
(например, методом Гаусса), которые хотя и требуют большого объема
памяти ЭВМ, однако могут оказаться более приемлемыми, так как имеют
стандартное программное обеспечение.
Объединением рассмотренных выше расчетных моделей (сплошной и тон-
костенной) можно получить более сложную модель, например модель рас-
чета тонкостенной подкрепленной конструкции с теплозащитным покрытием
на поверхности. Процедура составления алгоритма для расчета темпера-
турного поля в такой конструкции в принципе не отличается от рассмот-
ренных. Главной особенностью объединенных моделей является значитель-
ный рост размерности задачи и соответственно потребных памяти и
быстродействия ЭВМ.
На ранних этапах проработки вариантов конструктивно-технологичес-
ких решений конструктор должен иметь возможность приближенно, но
быстро оценить тот или иной вариант по температурным режимам основных
конструктивных элементов. Особенно чувствительной к аэродинамическому
нагреву является обшивка ЛА с теплозащитным покрытием или без него.
Для этого конструктивного элемента наиболее простое приближенное ре-
шение можно получить непосредственно из уравнения теплового баланса,
если пренебречь теплоемкостью слоя покрытия и предположить, что об-
шивка термически тонкая (т.е. нет температурного градиента по ее тол-
щине), начальная температура ^0^) = 7^, абляция теплозащитного
покрытия отсутствует, а температура его поверхности в каждый момент
времени т близка к равновесной температуре ТЧт).
В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде
См. Яненко Н. Н. Методы дробных шагов решения многомерных задач
Математической физики. СО АН СССР. М.: Наука „ 1967.
171
ОТ х
1 • «•*»
где г^об = Q^r| * ~ термическое сопротивление между поверх-
п
ностью и обшивкой; 7Чт) - временная функция мгновенной равновесной
температуры, определяемая из уравнения
а(т)[Г (т) - Т ] - еаГ4 = 0. (4.44)
L г р J р
Уравнение (4.43) можно решать численно по явной разностной схеме
t 17*> - £ 1 • 14451
При постоянных условиях полета (а = const, Г. - const) уравнение
(4.43) имеет аналитическое решение
Г = Т ♦ (Г - 1 1 " ех₽ I " 7------------У-*' I • <4 46>
ов ° ₽ ° ( L г^об(рс8)об JJ
позволяющее получать ориентировочное значение температуры обшивки в
любой момент времени полета.
Г л а в а 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ
КОРПУСОВ ЛА
§ 5.1. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ
КОРПУСОВ ЛА
Корпус ЛА служит для размещения в нем оборудования, топлива, целе-
вого груза, определяемого назначением ЛА, и во многих случаях - для
расположения двигательной установки. В силовом отношении корпус явля-
ется базой - опорой для крепления крыла и органов управления. Он
представляет собой тонкостенную подкрепленную оболочку, нагруженную
распределенными и сосредоточенными силами.
Идеальной формой корпуса является тело вращения, геометрические
параметры которого зависят от числа Маха. Обычно корпус имеет цент-
172
ральную цилиндрическую часть, коническую, параболическую, оживальную
или сферическую носовую и коническую или оживальную кормовую части.
При гиперзвуковых скоростях полета (М > 5) корпус может иметь форму
конуса.
Важными безразмерными геометрическими параметрами корпуса (см.
рис.4.5) являются X = L ID - удлинение корпуса; X =
корп корп J нос
= L /D — удлинение носовой части корпуса; X = L ID - удлине-
нос корм корм
ние кормовой части корпуса; Пкорм = Did - сужение кормовой части
корпуса.
Обобщенной характеристикой корпуса является его конструктивная
схема, отражающая взаимное расположение основных силовых элементов
конструкции (обшивки, продольного и поперечного силового набора),
которые воспринимают нагрузки, действующие на корпус; их конструк-
тивное оформление; методы изготовления и соединения этйх элементов
между собой. По силовой схеме и конструкции корпус является наиболее
сложным агрегатом планера ЛА. Это объясняется разнородностью воспри-
нимаемых им нагрузок, особенностью размещения грузов и оборудования и
жесткими требованиями к использованию его объема.
Конструктивные схемы корпусов можно разделить на две группы: лон-
жеронные и моноблочные. В лонжеронных конструкциях (рис.5.1,а), сос-
тоящих из обшивки, мощных лонжеронов и слабого набора стрингеров и
шпангоутов, изгибающий момент и осевая сила воспринимаются преиму-
щественно продольными элементами, а обшивка работает на сдвиг от пе-
ререзывающей силы и крутящего момента.
Такие силовые схемы могут быть использованы в корпусах средних и
больших диаметров для приборных отсеков, отсеков для размещения целе-
вого груза. Они часто имеют различные вырезы и люки больших размеров
для подходов при монтажных и проверочных работах. Чтобы исключить
ослабление жесткости оболочки и уменьшить концентрацию напряжений в
зонах вырезов, люков, их окантовывают силовыми элементами в виде лон-
жеронов (силовых стрингеров), проходящих по всей длине корпуса (отсе-
ка). Для восприятия и передачи значительных сосредоточенных осевых
сил (например, от узлов подвески двигателя) лонжеронная схема являет-
ся наиболее целесообразной.
При больших скоростях полета возрастают потребные толщины обшивок.
Поэтому корпуса современных ЛА выполняют, как правило, по моноблочной
схеме, когда жесткая обшивка совместно с элементами каркаса воспри-
нимает все силовые факторы. В зависимости от степени подкрепления
173
обшивки стрингерами и шпангоутами различают корпуса стрингерной
(полумонококовой) и бесстрингерной (монококовой) конструкции. Рас-
смотрим особенности этих конструктивно-силовых схем.
Стрингерный корпус (рис.5.1,6, в) выполняется в виде тонкостенной
оболочки, подкрепленной стрингерами и шпангоутами. Изгибающий момент
и осевая сила воспринимаются в основном стрингерами. Обшивка, прида-
вая корпусу заданные обводы, воспринимает местные нагрузки, перерезы-
вающую силу, крутящий момент и частично осевые силы. По такой схеме
при помощи заклепочных, сварных, клеевых и клеесварных соединений мо-
гут быть выполнены хвостовые, приборные и баковые отсеки корпуса. В
последнее время в стрингерной конструкции корпуса широко применяют
монолитные прессованные или горячештампованные панели и оболочки,
когда обшивка выполняется заодно с силовым набором.
При работе стрингерного корпуса обшивка может потерять устойчи-
вость при сжатии осевой силой или изгибающим моментом. Однако это еще
не означает разрушения конструкции, ибо продолжают работать стринге-
ры. Разрушение наступит при потере прочности или устойчивости стрин-
герами.
Разновидностью стрингерной схемы являются вафельные конструкции
(рис.5.1,г), под которыми понимают конструктивно-ортотропные оболочки
с часто расположенным подкрепляющим набором, изготовленным заодно с
Рис. 5.1. Конструктивно-силовые схемы корпусов:
а ~ стрингерно-лонжеронная; б, в — стрингерная; г — вафельная; д
однослойный монокок; е — многослойный монокок
174
обшивкой. Такие оболочки обеспечивают снижение массы по сравнению с
гладкими в 1,5...2 раза; критическая нагрузка вафельной оболочки в
2,25...4 раза больше, чем равной ей по массе гладкой оболочки.
Вафельные конструкции могут быть изготовлены штамповкой, химичес-
ким травлением, механическим и электроимпульсным фрезерованием. От
способа и точности изготовления сильно зависит массовое совершенство
конструкции. Применение вафельных оболочек ограничивается технологи-
ческими возможностями и предельными механическими свойствами конст-
рукционного материала. При сравнительно малых нагрузках и небольших
габаритах оболочки расчетные размеры стенки и ребер, расстояние между
ребрами могут оказаться меньше некоторого технологического предела,
т.е. выполнение таких размеров практически невозможно. Поэтому они
находят применение в основном на ЛА с большим диаметром корпуса (топ-
ливные баки, переходные отсеки и др.).
Самые простые по конструкции - бесстрингерные корпуса из однород-
ного металлического или неметаллического материала. Они состоят лишь
из двух элементов: обшивки и шпангоутов (рис.5.1,д). Причем во многих
случаях шпангоуты используются только для стыковки отсеков корпуса, а
нормальные шпангоуты оказываются излишними. Все силовые факторы (по-
перечные силы, изгибающий и крутящий моменты) воспринимает обшивка,
т.е. на нее перекладываются функции стрингеров (лонжеронов). Обшивка
может быть изготовлена из листа, литьем вместе со шпангоутами или ме-
тодом прессования. В настоящее время находят применение отсеки корпу-
сов из различных неметаллических материалов. Их изготавливают намот-
кой или методом прессования в разъемных пресс-формах.
Основное применение такие конструкции находят на автоматических ЛА
малых калибров. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра D
критические напряжения оболочки = 0,6E5^/D уменьшаются. При
больших значениях D материал такой конструкции работает с невысокой
отдачей и ее масса растет. Поэтому при больших диаметрах переходят к
другой силовой схеме.
Более высокой несущей способностью (при той же массе) обладают
бесстрингерные конструкции с многослойной обшивкой (рис.5.1,е). Обыч-
но применяют трехслойные обшивки, состоящие из двух разнесенных тон-
ких несущих слоев из прочного материала (металла или пластика), сое-
диненных между собой сравнительно малопрочным, но легким заполните-
лем. В качестве заполнителя используются пенопласты и ребристые
конструкции - соты, гофры из пластиков, алюминиевой или стальной
фольги и др.
175
Достоинствами трехслойных конструкций являются их высокая жест-
кость, гладкая поверхность (следовательно, малое аэродинамическое
сопротивление), хорошие теплозащитные свойства, низкая масса. По
сравнению с наборными (каркасными) конструкциями выигрыш в массе мо-
жет достигать 15 и даже 20 %. Однако по надежности и технологичности
они пока еще уступают наборным конструкциям.
Особое место в конструкции корпуса занимают носовые антенные обте-
катели. Внешне - это очень простые конструкции, а по существу - наи-
более сложные, поскольку они должны удовлетворять весьма противоречи-
вым требованиям. Действительно, высокие скорости полета требуют, что-
бы обтекатели имели хорошую аэродинамическую форму, большое удлине-
ние, но такая форма не удовлетворяет требованиям, предъявляемым бор-
товыми радиолокационными станциями и тепловыми головками самонаведе-
ния. Также противоречивы требования прочности и радиопрозрачности,
технологии и прочности и т.д. К этому нужно добавить и то, что усло-
вия работы носовых обтекателей - самые экстремальные. В числе опасных
воздействий:
тепловой удар - аэродинамический нагрев с очень высоким градиентом
температуры по времени, следствием чего является возникновение темпе-
ратурных напряжений в конструкции, а также изменение электрических
свойств материала обтекателя;
эрозия обтекателя - постепенное разрушение внешней поверхности
вследствие плавления, сублимации и уноса материала стенки обтекателя
при значительном аэродинамическом нагреве, а также при полете сквозь
полосу осадков (даже с умеренными скоростями) вследствие воздействия
дождевых капель, снега или града;
электризация внешней поверхности обтекателя вследствие трения с
атмосферой, что нарушает нормальную работу бортовой радиолокационной
станции (из-за импульсных разрядов);
проникновение влаги во внутрь, обледенение обтекателя, что
приводит к ухудшению радиотехнических характеристик антенн.
В идеальном случае обтекатель не должен вносить искажений в поле
электромагнитной волны, излучаемое или принимаемое антенной. Но это
нереально, стенка обтекателя неизбежно вносит амплитудные и фазовые
искажения в параметры проходящих волн. Речь, следовательно, может
идти лишь о нахождении компромиссного решения при удовлетворении тре-
бований аэродинамики, теплофизики и прочности и обеспечении соответ-
ствующих физико-химических свойств конструкционных материалов и
радиотехнических характеристик. Именно по этой причине проектирование
и изготовление обтекателей, несмотря на кажущуюся простоту конструк-
176
тивно-силовой схемы, является более сложной задачей по сравнению с
проектированием и изготовлением других ’’сухих” отсеков корпуса ЛА.
Для эффективного прохождения электромагнитной энергии антенные
обтекатели изготавливаются из радиопрозрачных диэлектрических мате-
риалов с высокими прочностными характеристиками. Наибольшее примене-
ние в настоящее время получили стеклопластики, керамопластики и
керамические материалы. Каждый из этих материалов рационален для
конкретного класса ЛА. Достоинством стеклопластиков является высокая
механическая прочность; они эффективно работают при умеренных
скоростях полета при температурах до 300...350 °C. Приблизительно
одинаковые коэффициенты линейного расширения позволяют сравнительно
легко соединять стеклопластики с металлами. Недостатками стеклоплас-
тиков являются большой разброс, нестабильность и значительное сниже-
ние при нагреве физико-механических и диэлектрических характеристик.
Изготавливаются обтекатели из стеклопластиков следующими, методами:
автоклавным, прямого прессования, вакуумным, пропитки под давлением.
Керамопластиковые обтекатели обладают лучшей стойкостью к эрозии,
более высокой прочностью соединения с металлом: их температурный диа-
пазон эффективного применения также более широкий - до 700... 1000 °C.
Однако их электрические характеристики по своей стабильности намного
уступают керамическим материалам. Обтекатели из керамопластиков изго-
тавливаются методом литья под давлением с большой точностью, почти не
требующей механической обработки.
Для высокоскоростных ЛА в настоящее время широко внедряются обте-
катели из окисной керамики, ситаллов, нитридов бора и кремния. Эти
материалы обладают высокой термостойкостью и стабильностью диэлект-
рических характеристик при очень высоких температурах (ситаллы - до
1200... 1400 С, кварцевая керамика - до 3000 С), достаточной
устойчивостью к радиации, пылевой и дождевой эрозии. Достоинством
керамических и стеклокристаллических материалов является незначитель-
ное (близкое к нулю) влагопоглощение; такие обтекатели сохраняют свои
радиотехнические характеристики в любых погодных условиях без
применения влагозащитных покрытий. Но они имеют очень низкую пластич-
ность и ударную вязкость. Поэтому проектирование, изготовление и
эксплуатация антенных обтекателей из таких материалов сопряжены с
определенными трудностями.
Практически для всех обтекателей их конструктивное исполнение оп-
ределяют три основные зоны: радиопрозрачная (или инфракраснопрозрач-
ная) оболочка различной формы (коническая, параболическая, оживаль-
177
I
ная, полусферическая и др.); наконечник обтекателя и узел стыкрвки
оболочки со смежным отсеком корпуса. i
Радиопрозрачные оболочки выполняют однослойными или многослойными.
Однослойные оболочки проще по конструкции и технологичнее. Такие
оболочки подразделяются на тонкостенные, когда толщина стенки 5 зна-
чительно меньше длины волны в свободном пространстве (8 = (0,05...
0,1)XQ), и толстостенные с толщиной стенки, равной или кратной полу-
волне радиоизлучения. Преимуществами тонкостенных обтекателей являют-
ся слабое влияние 5 на радиотехнические характеристики, высокая ра-
диопрозрачность в широком диапазоне частот, малая чувствительность к
углу падения электромагнитной волны, недостатками - низкая механичес-
кая прочность и хрупкость. Если бортовая радиолокационная станция ра-
ботает в сантиметровом диапазоне с длинами волны порядка 3 см, то
требуемая толщина стенки обтекателя оказывается всего лишь
1,5...3 мм, что обычно не удовлетворяет требованиям прочности. В дли-
нноволновой части сантиметрового диапазона (XQ = 8... 10 см), когда
5 = 6...8 мм, такие оболочки могут успешно использоваться. Однако для
обтекателей с однослойной стенкой чаще всего применяются полуволновые
оболочки.
Многослойные оболочки, как правило, более легкие по сравнению с
однослойными. Их стенки выполняют из двух, трех и более слоев. Наибо-
лее простая двухслойная конструкция с несущим тонким наружным слоем и
поддерживающим толстым внутренним слоем из пористого материала типа
пеностекла. Внутренние слои выполняют две функции: обеспечивают проч-
ность и жесткость оболочки и улучшают (согласовывают) электрические
характеристики обтекателя.
Производство многослойных обтекателей - трудоемкая и сложная тех-
нологическая операция, так как необходимо формовать и подгонять друг
к другу сразу несколько оболочек сложной конфигурации, к тому же из
разнородных материалов. Надежное сочленение этих оболочек с сохране-
нием электрической однородности стенки не менее сложная техническая
задача.
Стремление повысить прочность и жесткость оболочки обтекателя
(особенно из керамических материалов) вызвало появление конструкций с
жестким металлическим каркасом, который воспринимает основную нагруз-
ку. При рациональном выборе формы ребер каркаса, их размеров и взаим-
ного расположения можно достаточно эффективно скомпенсировать их
влияние на характеристики поля проходящих через обтекатель радио-
волн. При полной замене диэлектрического обтекателя металлическим ра-
178
диопрозрачность обеспечивается системой специальным образом подобран-
ных излучающих щелей различной формы: прямоугольной, круглой, кресто-
образной и т.п. На рис.5.2 приведены примеры обтекателей со стенками,
усиленными металлическим каркасом (а, б), и обтекателя с цельнометал-
лической стенкой (в).
Наличие наконечника / из металла или другого прочного материала в
обтекателе связано с предохранением его от расслаивания и разрушения
набегающим потоком. Зачастую это связано и с технологическими труд-
ностями получения замкнутой остроконечной оболочки вращения, а иногда
и с необходимостью установки в носовой части корпуса приемника воз-
душного давления. Один из вариантов конструктивного оформления носка
показан на рис.5.3.
Передняя торцевая часть оболочки / с целью снижения в ней концент-
рации напряжений охватывается металлическим наконечником 3 через
упругую прокладку 4. С помощью конической втулки 2 создается поджи-
мающее усилие за счет затяжки гайки 6 и тарельчатых пружин или пру-
жинных шайб 5 тарировочным ключом. Применение отдельного носка там,
где оно не вызывается особыми требованиями, нежелательно. Его наличие
нарушает цельность оболочки обтекателя; на стыке с носком в оболочке
возникает концентрация напряжений от внешних аэродинамических на-
грузок.
Наиболее ответственным и опасным элементом обтекателя при восприя-
тии внешних силовых факторов является его оболочка, особенно из
хрупких материалов на основе керамики. Поэтому в конструкции обтека-
теля должны быть предусмотрены специальные меры, обеспечивающие его
нормальное функционирование при наземной эксплуатации и в полете. Это
относится прежде всего к соединениям керамических оболочек с металли-
ческими шпангоутами. При существенно различных коэффициентах темпера-
Рис. $.2. Конструктивные схемы армиро-
ванных обтекателей
/
Рис. 5.3. Конструкция носка
обтекателя
179
турного линейного расширения а будет иметь место значительная разница
в деформациях этих двух элементов, что может повлечь за собой возник-
новение температурных напряжений вплоть до разрушающих, если не пре-
дусмотреть специальные меры. В частности, очень эффективно применение
для шпангоутов специальных металлических сплавов с а, близким к а
керамики.
Нежелательны резкие перепады толщины керамической оболочки. Из-за
низкого коэффициента теплопроводности они приводят к градиенту темпе-
ратуры и, как следствие, температурным напряжениям и неоднородности
по радиопрозрачным свойствам. Надо стремиться к тому, чтобы темпера-
турное поле по образующей и по периметру обтекателя было по возмож-
ности примерно постоянным.
В конструкциях хрупких оболочек должны быть исключены концентрато-
ры напряжений, особенно в сильно нагруженных сечениях. Опасными кон-
центраторами напряжений являются болтовые и винтовые соединения лю-
бого типа. Для керамических оболочек такие соединения неприемлемы.
Концентрация напряжений в хрупкой оболочке значительно уменьшается,
если ее торец свободен от нагрузок. Тогда напряжения, обусловленные
действием края шпангоута, рассредотачиваются на более обширную зону.
Конструктивно свободный торец реализуется в виде напуска, т.е. про-
должения оболочки за торец шпангоута в сторону второго отсека
корпуса.
Возможная конструкция соединения хрупкой оболочки со стыковым
шпангоутом, реализующая указанные выше требования, показана на
рис.5.4. Оболочка / со стыковым шпангоутом 3 соединяется через проме-
жуточное кольцо 2, изготавливаемое из сплава с температурным коэффи-
циентом линейного расширения, близким к соответствующему коэффициенту
у хрупкого материала. Для снижения концентрации напряжений кольцо 2,
приклеенное к оболочке / эластичным клеем 8, имеет уменьшающуюся к
переднему краю толщину. Шпангоут 3 изолирован теплозащитным покры-
тием 4. Имеется напуск оболочки 1 над кольцом 2 перед шпангоутом 3,
т.е. применен принцип свободного торцевого сечения. Жесткое защемле-
/ Z J 4
Рис. 5.4. Конструкция узла стыковки обтекателя со смежным отсеком
180
Рис. 5.5.
J 4 s
в
Конструкции соединений сферических обтекателей со смежными
отсеками
ние оболочки по ее торцу в эоне шпангоута 3 исключено за счет зазора
и упругих шнуров 7. Герметизация стыка выполнена с помощью герме-
тика 6.
Примеры конструктивных решений по сочленению сферических обтекате-
лей, защищающих инфракрасные тепловые головки, со смежными отсеками
корпуса ЛА показаны на рис.5.5. На рис.5.5,а теплопрозрачный обтека-
тель / по своей цилиндрической поверхности посажен на клею 2 в корпус
3 из стеклопластика или керамического материала. Рис.5.5,б иллюстри-
рует обтекатель /, вмонтированный в металлическую конструкцию 3 при
помощи завальцовки. Герметизация соединения обеспечивается герметиком
2. На рис.5.5,я показано более сложное сочленение обтекателя / с кор-
пусом 5 из нематаллического материала. Промежуточное металлическое
кольцо 2 завальцовывается по обтекателю и в специальное углубление
корпуса. Пылевлагонепроницаемость обеспечивается герметиком 4 и
уплотнительной прокладкой 3.
§ 5.2. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
БЕССТРИНГЕРНЫХ КОРПУСОВ
5.2.1. Расчетная модель
Конструктивное оформление отсеков корпусов, как показано в преды-
дущем параграфе, отличается большим разнообразием. Расчетная модель
на этапе формирования опорных вариантов - это модель первого прибли-
жения, учитывающая главные, наиболее характерные особенности конст-
рукции. Для бесстрингерных конструкций отсеков корпуса этому требова-
нию соответствует расчетная схема в виде гладкой цилиндрической обо-
лочки, подкрепленной стыковыми шпангоутами фланцевого типа с точечны-
ми узлами стыковки (рис.5.6). Эта же расчетная схема может быть рас-
181
рузки стыковые шпангоуты изгибаются
Рис. 5.6. Расчетная модель
отсека корпуса
пространена на телескопичес-
кие стыки, а также применена
для приближенного анализа
стрингерных корпусов.
Основная расчетная нагруз-
ка - изгибающий момент и осе-
вая сила, причем изгибающий
момент обычно превалирует.
Под действием указанной наг-
и закручиваются. При этом в обе-
чайке отсека возникает плоское напряженное состояние, обусловленное
изгибом шпангоута, и напряженное состояние типа краевого эффекта,
обусловленное закручиванием шпангоута. Напряжения, обусловленные за-
кручиванием шпангоута, можно существенно уменьшить, применив в ка-
честве стыковых шпангоуты двутаврового поперечного сечения, имеющие
вертикальную стенку в виде гофрированной поверхности, описываемой
функцией полярной координаты, подобранной из условия минимума угла
закручивания сечения шпангоута.
Компоненты плоского напряженного состояния в обечайке зависят от
соотношения изгибной жесткости шпангоута и жесткости обшивки на рас-
тяжение-сжатие (а в случае применения в конструкции отсека обечайки
переменной толщины и от параметров, характеризующих закон изменения
толщины). Максимальные напряжения (концентрации напряжений) в стыко-
вом шпангоуте и в обечайке отсека будут возникать в окрестности наи-
более нагруженного болта. Эти напряжения зависят от жесткостных ха-
рактеристик стыка и силы Р ; на них практически не оказывают влия-
тах
ния силы, приложенные к остальным болтам. Поэтому для упрощения рас-
четов можно считать стыковой шпангоут загруженным периодической сис-
темой сосредоточенных сил Р , определяемых выражением
max
бМ и - <рл - tg</> л *
П нз 0 0 „ . 2 0
Р - ~П— Z-----------------—------2sm -— . (5.1)
max Dn 2tg^ - sin2^ 2
Здесь - угловая координата нейтральной линии сечения (см.
рис.5.6), определяемая из уравнения
182
W»o £ (“да .f„, - 1 ] • <S-2>
шп К 6 J
где h* - ширина кольца, по которому происходит контакт стыковых
шпангоутов соседних отсеков; D - диаметр окружности, на которой
расположены болты стыка; л - число болтов; Е&, - модули упругости
материалов болтов и шпангоутов соответственно; F - площадь сечения
б
болта.
Стыковые шпангоуты передают сосредоточенные силы на обечайку в ви-
де распределенной нагрузки. Рациональная конструкция отсека должна
быть такой, чтобы распределение напряжений в обечайке по окружности
было бы близко к равномерному. В коротких отсеках стрингеры как сред-
ство передачи продольных сосредоточенных сил малоэффективны. В таких
отсеках для уменьшения концентраций напряжений имеет смысл применять
стыковые шпангоуты с относительно большой жесткостью на изгиб в на-
правлении прямой, перпендикулярной к соприкасающейся плоскости шпан-
гоута. Следовательно, для обоснованного выбора конструктивных пара-
метров требуется выявить уровень концентрации напряжений в окрестнос-
ти наиболее нагруженного болта.
Чтобы получить достаточно простое и точное решение, приемлемое для
практического использования, следует выбрать математическую модель,
позволяющую определять концентрации напряжений в отсеке ЛА, подкреп-
ленном стыковыми шпангоутами. Для подобных целей приемлемы модели: 1)
плоского напряженного состояния пластины с подкрепленным краем, на-
груженным циклической системой сосредоточенных сил; 2) подкрепленной
торцевым шпангоутом цилиндрической оболочки с недеформируемым конту-
ром и 3) полубезмоментной и моментной цилиндрических оболочек.
Анализ числовых данных, проведенный для этих моделей, показывает,
что максимальные напряжения, вычисленные на основе различных вариан-
тов теорий оболочек, с погрешностью порядка 10 % совпадают с макси-
мальными напряжениями, вычисленными при помощи 1-й и 2-й моделей, во
всем практически важном диапазоне жесткостей шпангоута. Эта погреш-
ность обусловлена неучетом изгибных напряжений в обечайке отсека,
возникающих вследствие закручивания сечений шпангоута.
Таким образом, если пренебречь изгибными напряжениями в обечайке
(а их уровень, как указывалось выше, может быть значительно снижен
подбором» рационального сечения шпангоута), то при определении макси-
мальных напряжений в отсеках, нагруженных изгибающим моментом, допус-
183
тимо заменять реальный отсек идеализированной расчетной схемой, пред-
ставляющей собой плоскую пластину с подкрепленным краем, который на-
гружен циклической системой сил, равных максимальной растягивающей
силе, действующей на стыковой шпангоут.
Приведем постановку задачи и окончательные результаты для
выбранной модели.
Как известно, плоское напряженное состояние описывается:
а) бигармоническим уравнением относительно функции напряжений
= о, (5.3)
где
2
Л
а = —т"; °
‘ э? *
б)
а/ ’
соотношениями Коши,
.2
Э ф
т = - ;
ху bxby
(5.4)
связывающими деформации и перемещения,
- а« _ Эр _ ди Эр
ех ~ Эх ’ *у ~ ду ’ Уху ~ ду Эх ’ ' ' ’
где а, р - перемещения в направлениях осей х и у.
в) законом Гука, связывающим деформации и напряжения,
I I 11 • *,rw
ех = -'V 'у ‘ ^у--------Ё---- <5 И
Уравнение изгиба балки можно представить в виде
d4 р
Е I —Н12-------Г(х) ♦ q(x), (5.7)
шп шп
где Т(х) - функция внешней нагрузки; q(x) - реакция взаимодействия
балки и пластины.
Так как внешняя нагрузка Т(х) - периодическая с периодом, равным
шагу болтов, то естественно отыскивать решения этой системы в виде
рядов Фурье по координате х. Подставляя разложения всех искомых функ-
ций и внешней нагрузки в систему уравнений (5.3)...(5.7), получим
систему обыкновенных дифференциальных уравнений относительно коэффи-
циентов разложений, построение общего решения которой не представляет
особого труда.
Для определения произвольных констант интегрирования следует
184
воспользоваться граничными условиями и условиями "склейки” решений
по линии контакта пластины и балки. В системе координат, связанной с
балкой, можно записать:
при у = оо о(х, оо) = —--
У об
при у = 0 о (х, 0) = ; v = 1>0; и = 0,
об
(5.8)
(5.9)
где t - шаг болтов; 5 - толщина обечайки,
об
После выполнения всех необходимых преобразований окончательное ре-
шение можно представить в виде
а
х
о t8
X об
2Ц- (t
д* Е
л- 1
2я
-улу
3 ~ *
1 ♦ х«
in
совл у-ж; (5.10)
о
У
о /5
У об =
1 * Е
л- 1
Л ч 2тг
2 ♦ (1 ♦ д)л —у
i 3 е
1 ♦ хп
2тг
t V 2тг /г
совл —х\ (5.11)
т
ХУ
оо 1 - д - (1
Е
л- 1
д)л т~у -
з е
• ♦ Xя
2п
t У . 2п /с ,о.
siflfl -j—х, (5.12)
где
х = 4я3(3 - д)(1
* д)
Е I
шп шп
Е S ?
об об
(5.13)
т (8 *
_ xy об
Отсюда следует,
значений при у = 0;
что нормальные напряжения достигают максимальных
х = kt (k = 0. ± 1. ± 2 ...):
-max -max , o _ л
о , = о = 1 ♦ 2 Е ------------—.
у об , , 3
’ Л- * х”
(5.14)
185
Максимальные напряжения, действующие в балке, моделирующей работу
шпангоута, определяются по формуле
_ . оо
-max _ 1 Pl — П
^шп 2 W * 3
2я Л- 1 1 ♦ \П
(5.15)
Наличие рядов в выражениях (5.14), (5.15) создает вычислительные
трудности при параметрическом анализе результатов. Более удобные
зависимости можно получить на основе асимптотического представления
рядов в этих выражениях при помощи теоремы Коши о вычетах для вспомо-
гательных функций комплексного переменного
(5.16)
Применив эту теорему для правой полуплоскости комплексной перемен-
ной z, в которой сумма вычетов вспомогательных функций f^z) и f^(z)
оо
в полюсах z = k есть соответственно суммы членов рядов 2 ------—и
л-1 1 ♦ хп
оо
Я
S -------—, можно получить
п-1 1 * х"
max ..
а /3
-max об об 4 43 Я 1 2,44 /г-
%. р-------------—5—
*х *х
max.- .2 -
о *5 гт^ t 6 ____
-щах шп об М3 об Зг~^
’шл Р------------• (518)
где Е^, д, 5^ - модуль упругости, коэффициент Пуассона и толщина
обечайки соответственно; W - момент сопротивления сечения шпангоута.
5.2.2. Определеже конструктшшх параметров корпуса
Проектирование конструкций, как известно, является задачей ’’внут-
реннего" проектирования, когда общие геометрические параметры и ком-
поновочная схема ЛА уже определены. Искомые конструктивные параметры
для бесстрингерного корпуса на этом этапе представляют собой геомет-
рические и массовые характеристики стыковых шпангоутов и обечайки. В
186
качестве критерия для их определения целесообразно принимать массу
отсека
т = т ♦ т = 4irR(F р ♦ 5 Lp ), (5.19)
отс шп об шп шп об об
где т , т ~ - массы стыковых шпангоутов и обечайки соответственно;
шп об
R - радиус отсека корпуса; F^ ” площадь поперечного сечения
шпангоута; р^, р^ - плотности материалов шпангоута и обечайки
соответственно; L - половина длины отсека.
Оптимальные параметры конструкции отсека соответствуют минимуму
т при соблюдении условий прочности для обечайки отсека
отс
<ГХ < (5.20)
об об
и шпангоута
а™ < арвз₽ . (5.21)
ШП шп
а также условия устойчивости обечайки
а™х < о , (5.22)
об кр
где а - критическое напряжение.
Найдем сначала минимум суммарной массы отсека без учета ограниче-
ния по устойчивости. Для удобства дальнейшего изложения перейдем к
безразмерным величинам:
_ т ____ ________
т = —2—— = р F ♦ 8 L. (5.23)
4яЯ Р л
ОО
Здесь
Р = р /р F = F Н?-, 8 = 6 /R; L = L/R. (5.24)
шп об шп об
Подставляя в (5.20) выражение (5.17) с учетом (5.13) и переходя к
безразмерным величинам, получим условие прочности для обечайки
5 0,193 (5.25)
’ Е I
187
Здесь Р = Р /(а₽аз₽/?2) - безразмерная сила, приложенная к
max об
максимально нагруженному болту; Е = “ редукционный коэффи-
циент; / = - безразмерный момент инерции сечения шпангоута.
Сравнивая максимальные нормальные напряжения с разрушаемыми для
материала шпангоута, получаем условие прочности для шпангоута
.3
в > 1,56’10 3 Е
lo W
разр
(5.26)
где
= ораз₽/араз₽ ; W = W/R.
об
а
разр шп
Обозначив
W = I /h ; Л = Л /Я; 7 = F 7®; 7 = i/R, (5.27)
ШП ШП шп шп шп шп
где - строительная высота сечения шпангоута, a I - радиус
инерции поперечного сечения шпангоута, условия (5.25) и (5.26) можно
представить в виде
, -=3 >.0.5
б > 0,193 [ 7-7-I 7-; (5.28)
1 Е F J i
8 > 1,56’10 3
(5.29)
Рис. 5.7. Область допустимых по прочности
значений параметров F, S:
I — условие прочности обечайки; П — усло-
вие прочности шпангоута
188
Неравенства (5.28) и (5.29) на плоскости F, 5 определяют область
допустимых по прочности значений параметров F и 6 (область £2,
рис.5.7). Эта область ограничена кривыми
« = AF °’5; (5.30)
8 = BF '2, (5.31)
где - 3 - 3 -
р1.5 Р3Л3£
Л = 0,193 ! - В = 1,56-10 л , ш"—. (5.32)
В 0,5 V *т 4 3
Е i la
разр
Решив систему (5.30), (5.31), найдем координаты точки излома
границы области Я
(5.33)
(5.34)
В дальнейшем при определении минимальной массы отсека будем варьи-
ровать только параметры F и 6. Строительная высота сечения шпангоута
Лщп задается из конструктивно-технологических соображений; для типо-
вых отсеков каждого класса ЛА ее можно считать постоянной. Редукцион-
ные коэффициенты £ и а для применяемых конструкционных материалов
(алюминиевых и магниевых сплавов, стали, титана, бериллия) могут при-
нимать несколько дискретных значений. Для каждой пары конструкционных
материалов оптимизацию следует проводить отдельно. Значение радиуса
инерции сечения шпангоута i того же порядка, что и половина строи-
тельной высоты сечения шпангоута (для сечений, близких к двух-
поясному, они практически совпадают).
Так как критериальная функция т, определяемая выражением (5.23),
монотонно возрастает по переменным F и 8, то минимум функции т будет
достигаться при значениях F и 8, принадлежащих границе области Я.
I
Следовательно, для нахождения минимума функции т внутри области Я
189
Рис. 5.8. Определение условного
экстремума массы отсека
необходимо найти условные экст-
ремумы т при условиях (5.30) и
(5.31) и значение т в точке из-
лома границы области Q, а затем
из этих трех значений выбрать
наименьшее. _______
Значение функции m(F, 6) в
точке (F , 8 ) соответствует
равнопрочной конструкции, так
как в этой точке выполняются
условия прочности и для шпанго-
ута, и для обечайки. Подставив выражения (5.33) и (5.34) в (5.23),
получим формулу для безразмерной массы равнопрочной конструкции
= Р
рп
0,0402 ^-е-
а
разр
г ,2 Т -
h La
+ 0>965 _ Р*3Р
i h Е
ШП
(5.35)
Условные экстремумы функции т при условиях (5.30) и (5.31) можно
искать методом неопределенных множителей Лагранжа. При этом возможны
случаи, когда экстремум будет достигаться в точках кривых I и П,
лежащих ниже границы области Q (см. рис.5.7). В этих случаях условный
экстремум очевидно будет совпадать со значением функции т в точке
(F*, 8*).
Поскольку функция т в трехмерном пространстве т, 8, F представляет
собой плоскость, то отыскание условного экстремума удобно производить
следующим образом. Проведем в плоскости т семейство горизонталей
(рис.5.8). Уравнение проекции этого семейства на плоскость 8, F будет
иметь вид
р F * L 8 = С.
(5.36)
Пусть С - такое значение произвольного параметра С, при котором
соответствующая прямая этого семейства касается границы области Q. В
зависимости от значения отношения р/I касание может происходить в
190
трех точках: а) в точке А, лежащей на кривой I; б) в точке излома
границы В; в) в точке Д9 лежащей на кривой П.
Рассмотрим эти случаи.
Случай а соответствует условному экстремуму функции (5.33) при
условии 8 = AF °’5. Согласно методу неопределенных множителей
Лагранжа будем искать безусловный экстремум функции
Ф = рГ + 1в + Х(в-ЛГ ’°-5). (5.37)
Приравнивая нулю частные производные функции Ф по F, 8, X, получим
систему трех уравнений относительно неопределенного множителя X и
оптимальных параметров 5 , F
ОПТ опт
ЭФ - ХЛ = -1.5 л
— = Р * Т-Р = 0:
3F 2
^=1 + Х = 0;
95
(5.38)
- V 0 5 - о.
оЛ
Ее решение будет
X = - L;
F = 0.21Р
опт
-.2/3
_L_ g -1/3 .
I Р
(5.39)
6 = 0.421Р
ОПТ
1
7 2/3.1/3
I I*
Подставив (5.39) в (5.23). получим формулу для массы отсека,
определенной по критерию минимума массы при выполнении условия
прочности для обечайки
191
т = 0.631Р
опт
2
1/3
(5.40)
Интересно отметить, что для оптимального отсека отношение масс
стыкового шпангоута и обечайки
т pF
_ _2"т = 0,5, (5.41)
nt Li
об опт
что хорошо совпадает с результатом В.П. Соколова ^т1Ш/тоб = 0*44).
полученным для шпангоута двухпоясного сечения.
Случай 6t как было отмечено выше, соответствует равнопрочной кон-
струкции. Из рис.5.8 следует, что этот случаи будет реализовываться
тогда, когда значение тангенса угла наклона проекции горизонтали
плоскости т на плоскость 6, F будет заключено между значениями тан-
генсов углов наклона касательных к кривым I и П в точке В(Ъ , F ),
т.е.
а 3 -2 - а 3 -2
48,75 TV > ?"> 12 “Г- (5.42)
£ 2 Л 3 L Е2 h 3
ШП шп
Отсюда получаем ограничение, накладываемое на длину отсека L,
при которой параметры отсека следует выбирать по критерию равно-
прочное™
Р 2 - Л 3 _ р 2 - Л 3
0,02 < L < 0,083 ^-—£- . (5.43)
- 3 7 2 - 3 т 2
0 1 at
разр разр
Количественный анализ ограничений (5.43) показывает, что для
реальных соотношений параметров L, , /, £, р, проектировать
отсек по критерию равнопрочное™ стыкового шпангоута и обечайки не
следует. Равнопрочный отсек, как видно из (5.35) и (5.40), получается
192
перетяжеленным по сравнению с отсеком, параметры которого выбраны по
критерию минимума массы. Отношение масс этих отсеков определяется
выражением
т- ч2
г - Л - а
______ Ь Р шп , I разр
0,0637 ♦ 1,53 ------_
т а 2 i ft Е
= _________________________________________ /5 дл)
m /Т/ТЛ/З-/BJ/3 ’ '
опт (L/Z) (р/Е)
где т , т - массы равнопрочного и выбранного по критерию минимума
рп опт
массы отсеков соответственно.
Если материалы шпангоута и обечайки одинаковы, а поперечное
сечение шпангоута близко к двухпоясному (т.е. « /), то из (5.44)
получим
т
-E!L_
т
опт
0,637 . 1.53L//I
----- ом ШП 8 ‘-53
(L/ft )2/3
шп
.1/3
L
. Л
шп
(5.45)
Для реальных конструкций величина L меняется в пределах от 0,5 до
4, а Л - от 0,1 до 0,12, следовательно,
ШП
т /т = 1,6...3,4. (5.46)
рп опт
Случай в, соответствующий минимально возможной прочности шпангоу-
та, принципиально не отличается от рассмотренного случая б. Здесь
даже более высокий уровень концентрации напряжений в оболочке и, как
следствие, большая масса отсека.
Общий вывод состоит в том, что параметры конструкции отсека следу-
ет определять по критерию минимума массы, ориентируясь на минимальный
запас прочности оболочки. При этом напряжения в шпангоутах нужно сни-
жать, т.е. проектировать их перетяжеленными. Использование в конст-
рукции шпангоута высокопрочных материалов, как правило, нецелесо-
образно. Масса равнопрочной конструкции отсека, параметры которой
определяются из условия равенства максимальных и допускаемых напряже-
ний для шпангоутов и оболочки, получается завышенной в несколько раз
7 - 880 193
шп шп
Рис. 5.9. Зависимость коэффициента за-
паса прочности шпангоута от конструк-
ционных параметров отсека
по сравнению с массой отсека, парамет-
ры которого определяются по критерию
минимума массы.
Коэффициент запаса прочности для
шпангоута, как следует из (5.18) и
(5.39), определяется выражением
1/3
(5.47)
где
а
и = __ЕШ_____
ТГ2/3 —1/3
с р
(5.48)
Зависимость коэффициента 17 от приведенной длины отсека для
различных значений конструкционного параметра Н, связывающего геомет-
рические, прочностные и жесткостные характеристики шпангоута, приве-
дена на рис.5.9.
5.2.3. Учет потери устоЛчивоста
Как известно, тонкостенные оболочечные конструкции часто выходят
из строя не из-за нарушения условий прочности, а из-за потери устой-
чивости. Критические напряжения, т.е. напряжения, при которых цилинд-
рическая оболочка теряет устойчивость при осевом сжатии, определяются
по формуле
Е8 .
сж . об ...
а при действии изгибающего момента -
194
Е6 л
% = k2 IT-' <5 М>
где * = 0,24...0,35; k? = 0,3.
При совместном действии изгибающего момента и осевого сжатия усло-
вие потери устойчивости может быть записано в виде формулы П.Ф.
Папковича
сж из
+ ° деЯст = ,
СЖ из
а а
кр кр
Если принять = 0,3, то эта формула примет вид
а .
дейст
Е* А
=03
к
(5.52)
Здесь стдеЛст _ суммарные сжимающие напряжения от действия осевой
сжимающей силы N* и изгибающего момента М^. Их можно определить
приближенно по формуле
м
из
а =---------------
лейст nR28
об
N
х
2irRS
об
где
к = N R/M .
X из
(5.53)
Подставляя (5.52) и (5.53)
получим
в ограничение по устойчивости (5.22),
(5.54)
Ограничение (5.54) сужает область допустимых значении параметров
F и 6 (область Q). Как видно из рис.5.10, если 6 < б , то
уст опт
явление потери устойчивости в оптимальном отсеке отсутствует. Отсюда
с учетом (5.1) и (5.39) получаем условие применимости критерия (5.40)
195
4М -к
из
2М ♦ к
ИЗ
(5.55)
Здесь
М
из
м
из
Е R3
О б
Е
1,735 ——
об
—2
I
1/3
л 1/3
Е
а =
Р
Неравенство (5.55) выявляет две области, первая из которых
М > 0,25к (5.56)
из
соответствует применимости условия (5.54), а вторая
М > т—(4к ♦ а ♦ 124ак ♦ а ) (5.57)
из 16
соответствует условию (5.40) (при котором потерю устойчивости
учитывать не нужно).
График зависимости Л4^(к/а), определяемой выражением
М = — * 1 ♦ J 24 — * 1 1 , (5.58)
из а 16 I a a J
Рис. 5.10. Область допустимых
по прочности и устойчивости значений
параметров F, 5:
I — условие прочности обечайки; П — условие прочности шпангоута;
Ш — условие устойчивости обечайки
Рис. 5.11. Области применимости различных критериев оптимизации
196
приведен на рис.5.11. Эта кривая является границей области значений
нагрузок и N*t при которых результаты предыдущего параграфа
справедливы.
При отсутствии продольной силы (к = 0) получаем предельное значе-
ние изгибающего момента, до которого можно пользоваться формулами
(5.39), (5.40), (5.47):
М = а/8. (5.59)
из
В случае 6 > 6 т.е. при
уст ОПТ
М < т—(4к ♦ а + 1 24ак * а2 ), (5.60)
из 16
определяющим при проектировании отсека будет расчет на устойчивость.
При этом в качестве оптимальных параметров должны быть выбраны толщи-
на обечайки определяемая формулой (5.54), и площадь поперечного
сечения шпангоута F, определяемая из (5.29) с учетом (5.54), т.е.
— Р"3
F = 0,0358 =---------(5.61)
М (1 ♦ J-) ЕГ
из 2
В ряде случаев бывает достаточной приближенная оценка проектных
параметров, учитывающая тот факт, что в оптимальном по массе отсеке
шпангоут следует проектировать перетяжеленным. Поскольку такой шпан-
гоут будет иметь достаточно высокую изгибную жесткость, то правомерно
предположить, что усилия по высоте сечения отсека распределяются по
закону плоскости. Тогда вместо зависимостей (5.1) и (5.2) для опреде-
ления максимальной силы, приложенной к наиболее нагруженному болту
стыка, получим более простое соотношение
2М
Р = —(5.62)
лк
где л - число болтов фланцевого стыка.
Соответственно упростятся и результирующие зависимости. Подставляя
(5.62) в (5.61) и приводя к безразмерному виду, получим формулу для
определения площади поперечного сечения шпангоута, при которой масса
отсека будет минимальной при наличии ограничения по устойчивости
197
_ М2
об
(аР"Р)3
об
1
Зтгт
л Е i
(5.63)
Подставляя (5.54) и (5.63) в (5.23), получим формулу для массы
отсека, нагруженного изгибающим моментом и осевой силой,
т = 0,286
м 2
из
1 ♦ к/2
* 1.02М 0,5 f 1 ♦ Я°‘5Ь.
из I 2 J
(5.64)
§5.3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
АНТЕННЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
5.3.1. Выбор конструктивной схемы
На этапе разработки конструкции обтекателя внешняя геометрия ЛА
определена. Однако уточнение обводов и даже схемы ЛА вполне возможно,
если конструктивная проработка показывает целесообразность подобного
изменения. С учетом этой обратной связи проектирование конструкций
антеш|ых обтекателей можно представить как совокупность следующих
задач :
1) анализа условий эксплуатации антенны, выработки требований к
электродинамическим, прочностным и прочим параметрам обтекателя, вы-
бора его конструктивной схемы, наиболее полно отвечающей этим требо-
ваниям;
2) инженерного расчета основных конструктивных параметров обте-
кателя;
3) расчета влияния обтекателя на электродинамические характерис-
тики защищаемой антенны и проверки допустимости искажения радиотехни-
ческих свойств.
Замятии В. И., Ключников А. С. , Швец В. И. Антенные обтекатели:
конструктивно-радиотехнический расчет с учетом метеофакторов. Минск:
Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1980.
198
Центральный вопрос первой задачи - синтез конструктивной схемы
обтекателя, т.е. выбор рациональной формы обтекателя, материала стен-
ки, числа слоев стенки, их взаимного расположения; разработка конст-
рукции носка обтекателя и узла стыка с корпусом ЛА. Конструктивная
схема обычно выбирается на основе качественного анализа большого
числа факторов, в числе которых:
принцип целенаправленного формирования напряжений в конструкции
сообразно прочностным характеристикам материала, соответствие дефор-
маций всех элементов конструкции, минимальная концентрация напряжений;
тепловая однородность сопрягаемых элементов, минимальные темпера-
турные напряжения в оболочке;
постоянство радиотехнических свойств обтекателя в условиях нагрева
и при длительных эксплуатации и хранении.
Наиболее часто применяются обтекатели с монолитной стенкой, толщи-
на которой соответствует набегу фазы в полволны (полуволновая стен-
ка). Такие обтекатели наиболее просты и технологичны в производстве и
способны обеспечить выполнение требований по угловым ошибкам пеленга-
ции и радиопрозрачности в полосе частот порядка 1...3 % от средней
рабочей частоты РЛС, что удовлетворяет требованиям ряда бортовых
систем.
При прохождении электромагнитной волны через слой диэлектрика на
границе его раздела возникают отраженные и преломленные волны, обра-
зованные за счет многочисленных отражений от всех границ раздела
слоев. Для сред без потерь может существовать бесконечное число таких
парциальных волн с амплитудами, убывающими с ростом номера порядка
волны, и с фазами, определяющимися порядком волны, углом падения вол-
ны на стенку и электрической толщиной стенки или соответствующего
слоя. В конечном итоге все парциальные волны будут образовывать вол-
ну, прошедшую через слой диэлектрика, и волну, отраженную от него, а
полная энергия падающей волны разложится на две основные части: на
энергию волны, отраженной от слоя, и энергию волны, прошедшей через
слой.
При учете отражений от внутренних границ раздела диэлектриков,
получаются следующие соотношения между амплитудами падающей EQ,
прошедшей Е и отраженной Е волн:
пр от
Е = ER; (5.65)
от О
199
|*Г • in2 =
где Т и R - коэффициенты прохождения и отражения волны по амплитуде
соответственно.
Величины Т й R зависят от электрических параметров слоя, длины
волны, толщины слоя, угла падения волны на слой и выражаются фор-
мулами
1 - г2
Г = 1 г : (5.66)
J( 1 - Г2)2 ♦ 4r2sin2^
R = 2fsinv> , (5.67)
Г" 2~2 2,2
4(1 - Г ) ♦ 4Г sin V?
в которых г - коэффициент Френеля, определяемый через показатель
преломления л как
г = , (5.68)
а - электрическая толщина слоя диэлектрика,
V) = Je - sin2e . (5.69)
A
Показатели преломления электромагнитной волны п различаются для
параллельной и перпендикулярной поляризаций, и выражения для них
соответственно имеют вид
е — sin2®
le - sin20
Здесь е - диэлектрическая проницаемость слоя; 8 - его толщина; X -
длина волны бортовой РЛС; в - угол падения волны на слой.
Анализ выражений для Г и R показывает, что коэффициент отражения
от однородного слоя диэлектрика без потерь будет иметь нулевое значе-
200
ние, а коэффициент прохождения - максимальное значение при электри-
ческой толщине слоя = far (k - целое число), что соответствует гео-
метрической толщине слоя
6 = k —— Х , k = 0, 1.2....................................... (5.72)
2 Je - sin20
т.е. для осуществления наилучшего прохождения электромагнитной волны
через стенку обтекателя необходимо выбирать ее толщину кратной
целому числу полуволн в материале стенки (с учетом угла падения
волн).
При нормальном падении электромагнитной волны на слой (О = 0)
60 = JtV(2 ). (5.73)
Цель инженерного расчета конструктивных параметров обтекателя
заключается в выборе толщины оболочки и размеров конструктивных эле-
ментов обтекателя исходя из радиотехнических и прочностных требова-
ний. Решающий фактор при расчете толщины стенки обтекателя - обеспе-
чение ее достаточной механической прочности. Определив из прочностных
соображений необходимую толщину оболочки, производят проверку, удов-
летворяет ли она требованиям радиопрозрачности. Если условия макси-
мальной радиопрозрачности не выполняются, то производят коррекцию па-
раметров слоя диэлектрика (толщины и диэлектрической проницаемости).
В соответствии с изложенным толщина стенки однослойного обтекателя
должна удовлетворять условиям
М
о (6) = * ат < о ;
max W / разр
2М tga
Т (5) = < т ; (5.74)
max 2тгЯ5 Jg Р®зр
6 = k Х . k = 1. 2, ...
2 Je - sin20
где Л4^ и Q - изгибающий момент и перерезывающая сила соответственно
в опасном сечении оболочки; W - момент сопротивления опасного
201
сечения; - температурные напряжения от аэродинамического нагрева;
а, Л, 6 - угол наклона образующей обтекателя к его оси, радиус и
толщина оболочки соответственно в опасном сечении.
Выбор толщины 6 в соответствии с (5.74) состоит в выборе минималь-
ного k (k = 1, 2, ...), при котором максимальные действующие напряже-
ния в оболочке обтекателя о и т меньше или равны разрушающим
max max
напряжениям а и т для материала стенки. Если по условиям
разр разр 7
прочности оказывается, что толщина стенки обтекателя меньше 0,03 дли-
ны волны в материале, т.е.
8 < 0,03 Х , (5.75)
Je - sin%
то такой обтекатель (называемый тонкостенным) не требует согласования
толщины 6 с длиной волны. В большом диапазоне углов падения волны он
удовлетворяет требованиям радиопрозрачности.
Толщина и электрические параметры многослойного обтекателя подби-
раются таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное согласо-
вание стенки обтекателя с эквивалентным свободным пространством в за-
данной полосе частот. Наиболее эффективное согласование получается
для стенок с симметричной структурой. В качестве примера такой конст-
рукции может служить трехслойная стенка, имеющая плотные тонкие
поверхностные слои и менее плотный слой большой толщины между ними.
Пакет из соединенных вместе двух трехслойных стенок с общей плотной
внутренней прослойкой получил название пятислойной конструкции. Ана-
логично может быть составлена более сложная семислойная конструкция.
В зависимости от соотношения толщины плотных и менее плотных слоев
эти стенки подразделяются на конструкции с тонкими или толстыми внеш-
ними обшивками.
Для зашиты обтекателя от воздействия внешней среды предусматри-
вается нанесение на его поверхность антистатических покрытий, проти-
воэрозионных слоев, лакокрасочных, герметизирующих и биологически
стойких покрытий, а также установка молниезащитных устройств.
Наличие градиента температур по толщине стенки обтекателя вызывает
разброс диэлектрических параметров материала по толщине стенки.
Неравномерно нагретая стенка может быть представлена как много-
слойная, причем в зависимости от температуры каждый слой имеет свою
диэлектрическую проницаемость е и свои диэлектрические потери tg5.
202
Обтекатель всегда вносит в поле излучения антенны амплитудные и
фазовые искажения» которые приводят к снижению коэффициента направ-
ленного действия антенны» расширению главного лепестка диаграммы на-
правленности антенны и одновременно повышению уровня боковых лепест-
ков» потерям мощности излучения, смещению равносигнального направле-
ния и появлению пеленгационной ошибки. В результате снижается эффек-
тивность антенны.
Расчет диаграммы направленности антенны с учетом обтекателя прово-
дится с помощью так называемого метода вынесенного раскрыва, включаю-
щего в себя нахождение искаженных обтекателем амплитудных и фазовых
характеристик прошедшей волны и расчет по этим характеристикам диа-
граммы направленности в дальней зоне. В основе метода - интегрирова-
ние полей элементарных излучателей (с учетом коэффициентов прохожде-
ния волн) по амплитуде поля и вносимой стенкой обтекателя фазовой
задержке. Соответствующий расчет и оценку допустимости искажений»
вносимых обтекателем, проводят радиоинженеры.
5.3.2. Определение температурных напряжений
в оболочке обтекателя
Температурные напряжения оказывают существенное, а иногда решающее
влияние на работоспособность антенных обтекателей. Это объясняется
рядом причин:
антенные обтекатели подвергаются наиболее интенсивному неравномер-
ному нагреву;
из-за низкой теплопроводности материала в оболочке обтекателя
возникают наибольшие температурные градиенты;
хрупкость материала оболочки практически исключает компенсацию
температурных деформаций за счет пластических зон.
Определение температурных напряжений на стадии выбора параметров
опорных вариантов, как указывалось выше, целесообразно проводить с
помощью приближенных решений. При этом надо учитывать и то, что опре-
деление толщины обечайки обтекателя на основе зависимостей (5.74)
связано с необходимостью многократного расчета температурных на-
пряжений.
Приемлемое по точности упрощение расчетной модели для обтекателя
вдали от заделки достигается с помощью метода местных цилиндров, ког-
да в расчетном сечении обтекателя строится эквивалентный круглый ци-
линдр, геометрические характеристики которого соответствуют геометри-
ческим характеристикам обтекателя в данной точке (рис. 5.12). Распре-
203
деление температуры по толщине эквивалентного цилиндра такое же, как
у обтекателя в рассматриваемом сечении; в окружном и продольном на-
правлениях цилиндра температура считается постоянной. Оболочка обте-
кателя может быть многослойной с произвольным числом разнородных
слоев.
Для численного решения задачи о температурных напряжениях в
указанной постановке каждый из разнородных слоев конструкции условно
разделяется на несколько элементарных расчетных слоев со средними
радиусом R^ и температурой Т. (в зависимости от потребной точности
решения) таким образом, чтобы границы элементарных слоев совпадали с
границами конструктивных слоев. Уравнения равновесия для элементарных
слоев:
л
* -Л= °=
(5.76)
где л - число элементарных слоев; - кольцевое и меридиональ-
ное напряжения для /-го слоя; 5^ - толщина /-го элементарного слоя.
Условия совместности деформаций слоев в кольцевом и меридиональном
направлениях имеют вид
ею = *(/♦ 1 )0’
€<л 1
I = 1, п - 1 .
Рис. 5.12. Расчетная модель для малотеплопроводного обтекателя вдали
от соединения с корпусом ЛА:
1 — обтекатель; 2 — м&ивалентный цилиндр
(5.77)
204
Соотношения Гука в рассматриваемой задаче удобно представлять в
виде зависимости деформации - напряжения:
е№ ' • */<” “Л ] :
(5.78)
% % “ V» • EiM ali 1
где E^fi) и E^ip) - средние по толщине /-го элементарного слоя модули
упругости материала в окружном и меридиональном направлениях соответ-
ственно при температуре слоя - коэффициент линейного тем-
пературного расширения и коэффициент Пуассона /-го слоя.
С учетом этих соотношений условия совместности деформаций можно
записать в виде
Е^9) “Л 1 = Е(. [°(М)в -
ДМ°(М)у> * аМГМ 1 :
(5.79)
ф-1% - Д/Ъ * Е№ ] = -
- ДМ°(М)в + амгм Ь 1 = h "-1-
Решение системы (5.79) совместно с (5.76) позволяет найти
напряжения и а^. В частном случае для изотропного материала,
когда Е.(<р) = Е.(в) = £. и о.Л = о. = а., для двухслойного
I I I Ш Up I
обтекателя (л = 2) из (5.76) и (5.79)
а 6 * а 8 =0;
11 2 2 ’
. . (5.80)
£-[«,<1 - др . Е)в1Г, ] = £-[«2<1 - «2> . ЕЛТ2 ] .
где а й а - средние по слоям температурные напряжения.
1 Л
205
Решение этой системы
ffl " С2 в( ’
ff2
Е а Т - Е а Г
111 222
«2 £1
^-(1 _#i).^-(i-m2>
(5.81)
В случае "теплового удара** наружный прогретый слой оказывается
очень тонким. Если этот прогретый слой считать за расчетный элемен-
тарный слой толщиной $2 в конструктивно однослойном обтекателе, то в
(5.81) можно положить ® и Тогда выражение для
напряжения в поверхностном прогретом слое при "тепловом ударе" полу-
чает вид
а = - Е а Т —------ .
2 2 2 2 1 - д2
(5.82)
Можно показать, что температура поверхности обтекателя при ’’тепло-
вом ударе” обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности ма-
териала Л. Стойкость материала к термоудару определяется его пределом
прочности о*. С другой стороны, из (5.82) следует, что ”тепловая на-
грузка” пропорциональна произведению Еа. Таким образом, соотношение
защитных и разрушительных факторов характеризуется показателем
а X
Л = /— , (5.83)
СА
называемым коэффициентом термической стойкости материала. Чем больше
Л, тем большую температуру пограничного слоя (7^) может выдержать
материал обтекателя в условиях ”теплового удара”.
Другой чувствительной к температурным напряжениям зоной конструк-
ции обтекателя, как уже отмечалось, является соединение неметалличес-
кого (керамического) головного обтекателя с металлическим корпусом.
При решении задачи о теплонапряженном состоянии такого соединения
будем использовать уравнения для цилиндрической оболочки, эквивалент-
ной по геометрическим характеристикам реальному обтекателю в зоне
206
соединения со смежным отсеком. Такое допущение помимо упрощения реше-
ния полезно еще и тем, что дает возможность использовать его как для
головных обтекателей, так и для цилиндрических отсеков. Расчетная
модель соединения представлена на рис.5.13.
При математическом описании модели вначале рассматриваются отдель-
но периферийная часть оболочки толщиной 8 и поперечный элемент с
об
прилегающей частью оболочки. Найденные решения для каждой части затем
стыкуются. Температурное состояние периферийной части оболочки описы-
вается некоторой средней по толщине оболочки температурой Г^, кото-
рая считается постоянной как в окружном, так и в продольном направле-
ниях. Температурное состояние поперечного элемента описывается тремя
температурами: Т , Т и Г (см. рис.5.13,6), которые в конструкции
1 л 3
металлическая обшивка - подкрепляющий шпангоут являются средними тем-
пературами соответственно наружного пояса с прилегающей частью обо-
лочки, стенки и внутреннего пояса шпангоута. В случае стыка керами-
ческого обтекателя с корпусом эти температуры являются средними тем-
пературами соответственно прилегающей части оболочки, некоторого пе-
реходного элемента и стыкового шпангоута.
Уравнение, описывающее деформированное состояние оболочки в
окрестности сочленения при отсутствии внешних нагрузок, можно пред-
ставить в виде
= С. (5.84)
dx4
где w - радиальное перемещение; С - произвольная постоянная; 0 -
геометрическая характеристика конструкции, определяемая из условия
6
a S
Рис. 5.13. Расчетная модель теплонапряженного состояния подкрепленной
оболочки:
а — исходные конструкции; б — расчетная модель; 8 — расчлененная
расчетная модель с компенсирующими реакциями
207
4 , 12(1 - /)
об
(5.85),
Искомое напряженное состояние должно затухать при удалении от
стыка с корпусом (т.е. при х = оо), а при х = 0 удовлетворять условию
dw
= 0.
dx
(5.86)
Решение уравнения (5.84) с такими граничными условиями имеет вид
w = Ae^X{cos0x * sin/3x) - а Т R , (5.87)
об об об
где А - постоянная интегрирования.
Для определения А рассмотрим напряженное состояние зоны сочлене-
ния. На поперечный элемент корпуса, представляющий собой в соответст-
вии с принятой расчетной моделью трехслойное кольцо, действуют равно-
мерная поперечная нагрузка интенсивности q и собственные температур-
ные напряжения. Напряженное состояние кольца описывается уравнением
равновесия для окружных напряжений (осевые и радиальные напряжения
пренебрежимо малы)
Р = - qR*. (5.88)
об
Здесь Р - сумма всех сил, действующих в сечении трехслойного кольца.
Она определяется через напряжения в слоях:
3
Р = 2 ошЬ£., (5.89)
1-1
где о.д - среднее по толщине 6. кольцевое напряжение в Z-м слое,
а.=Е.(е.-аТ.), /=1.3. (5.90)
10 i i i i
Учитывая, что радиусы слоев отличаются незначительно, деформации
слоев е допустимо считать одинаковыми и выражать через прогиб оболоч-
ки в начале координат:
е = ш(0)/Я. (5.91)
об
208
Интенсивность поперечной нагрузки q, уравновешивающей кольцевые
напряжения а.„, .в зависимости от прогиба определяется как
ш
(5.92)
х-о
Подставив далее в исходное уравнение (5.88) выражения для входящих
в него величин из (5.87). (5.89)...(5.92), найдем
4fl3D * а<лТ<л В J ’
BR2 .
об
где
33 Е Х«3Х
В= Е 8/>£.; S = Е 8ab£T.; D =---------об °* .
М М 12(1 -д2)
(5.93)
(5.94)
При известной функции
продольном (о^) и окружном
прогибов ш(х) напряжения в оболочке в
(о J направлениях определяются по формулам
v
(5.95)
Е г г 'i J2 1 Е а Т
об I w Г - z I a GV I об об <
’«';—И «Т ‘ «7 *" 77 “Г7Г
1 - д L об об ах J
где
z = ± 0,55 .
об
Здесь знак плюс соответствует напряжениям на внешней поверхности
оболочки, а минус - на внутренней.
Окружные напряжения в кольцевых слоях поперечного элемента в
соответствии с (5.90) и (5.91) будут
г S — qRл ____________
’» = I-В-^-- “Л ] ''•3. <5.9в>
209
где
Я = - • (5.97)1
п* 00
об
§5.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТСЕКОВ КОРПУСОВ.
ПОДКРЕПЛЕННЫХ СИЛОВЫМ НАБОРОМ
5.4.1. Вафелыше отсеки корпусов
Применвемле конструкции. Вафельный отсек корпуса представляет со-
бой конструктивно-ортотропную оболочку с часто расположенным подкреп-
ляющим набором, изготовленным заодно со стенкой. Наибольшее примене-
ние находят три конструктивные разновидности вафельных отсеков
(рис.5.14): с продольно-кольцевым набором, у которых ширина и шаг
продольных и кольцевых ребер примерно одинаковы, т.е. а = Ь и с = $;
с перекрестным набором ребер, расположенных под углом 45 к образую-
щей; с перекрестно-кольцевым набором, у которых перекрестные ребра
расположены под углом 30 к образующей, а их ширина s = с.
Сечение стенки вафельной оболочки описывается четырьмя основными
параметрами: толщиной стенки 5, высотой ребра (вместе со стенкой) Л,
шагом ребер Ь и их шириной с. Расчетные зависимости обычно выражают
двумя безразмерными параметрами:
ф = Л/5; = 2тгс/6. (5.98)
Форма подкрепляющих элементов зависит от способа изготовления от-
сека. Распространенные конфигурации ребер показаны на рис.5.15,а. б;
Рис. 5.14. Схемы вафельного оребрения:
а — продольно-кольцевое; б — перекрестное; 8 — перекрестно-кольцевое
210
иногда применяются ребра таврового сечения (рис.5.15,в). Последние
при расчете приводятся к ребрам прямоугольного сечения по формуле
с = с(1 - &}3). (5.99)
ЭКВ
где
f = 2d/c; 17 = Л*/Л. (5.100)
Главное достоинство вафельных конструкций - их высокое совершен-
ство по массе. Количественно эта характеристика оценивается коэффи-
циентом k , показывающим, какую часть составляет масса вафельной обо-
ш
лочки от массы равноустойчивой гладкой оболочки:
k = 6 /д ,
т экв гл
(5.101)
где 6 - эквивалентная по массе толщина вафельной оболочки; 6 -
экв гл
толщина гладкой равноустойчивой оболочки.
Для оптимальной по массе оболочки с ребрами, показанными на
рис. 5.15, а, справедливо соотношение [22]
. k,J£ - 2 5) (5,102)
Для оболочки с прямоугольными ребрами аналогичная зависимость имеет
вид
, =. (5.1(B)
* с* -1,2
Зависимостям (5.102) и (5.103) соответствуют минимальные (наивы-
с
Рис. 5.15. Распространенные поперечные сечения ребер:
а — со скруглениями; б — прямоугольного сечения; в — таврового сечения
211
Рис. 5.16. Зависимость коэффициента
совершенства по массе вафельных обо-/
лочек от безразмерного параметра ф
годнейшие) значения коэффициента k ,
ш
показанные на рис.5.16. Анализ зави-
симости k (ф) позволяет сделать не-
ти
сколько важных практических выводов,
которые следует иметь в виду конструктору [22].
1. При ф < 3 вафельные оболочки не имеют ощутимых преимуществ по
массе по сравнению с гладкими.
2. Интенсивное снижение массы оболочки имеет место при увеличении
ф от 3 до 5. При ф - обеспечивается снижение массы приблизи-
тельно в 1,5 раза. С дальнейшим увеличением ф выигрыш в массе для
оболочек с прямоугольными ребрами будет менее заметным, а для оболо-
чек со скругленными ребрами его вообще нет. Поскольку трудоемкость и
стоимость изготовления конструкции с повышением ф возрастают, то на
практике применение вафельных оболочек с прямоугольными ребрами огра-
ничивается ф < 8, а для оболочек со скругленными ребрами - ф < 6.
3. Оболочки со скругленными ребрами (изготовленные химическим
травлением) проигрывают в массе оболочкам с прямоугольными ребрами
при ф = 5...6 в среднем около 10 %, а при ф = 8 - до 25 %. Оболочки с
ребрами таврового сечения дают уменьшение массы до 5 %. Их применение
целесообразно при большой высоте ребра и ф > 6.
4. При изменении <р в пределах 0,2...0,6 изменение массы оболочки
не превышает 6 %. Это дает основание выбирать в широком диапазоне и
более рационально использовать параметры подкрепления с учетом
конструктивных и технологических факторов.
Несущая способность цнлмццжчесхих отсеков. Исчерпание работоспо-
собности вафельных отсеков корпуса связывают с потерей прочности или
потерей устойчивости. Более характерным и распространенным является
случай потери устойчивости. Рассмотрим его.
Для вафельных конструкций наблюдается общая потеря устойчивости
(выпучивание стенки вместе с подкрепляющими ребрами) и местное выпу-
чивание стенки, ограниченной ребрами. Местная потеря устойчивости
ребер, имеющая существенное значение для наборных конструкций, ва-
фельным оболочкам обычно не свойственна. На конструкции вафельного
типа практически не влияют местные несовершенства формы, не превышаю-
щие половины толщины исходного листа.
212
Критическая сила общей потери устойчивости для цилиндрических обо*
лочек с продольно-кольцевым, перекрестным и перекрестно-кольцевым на-
борами определяется по формуле
Р = йгЛЕв2 [ 1 ♦ МФ - I)2 ]. (5.104)
кр J
где k и 0 - экспериментальные коэффициенты устойчивости.
Для оболочек со скругленными ребрами
I - 0,42 « 7-^--0,6S; <5.105)
47 347
для оболочек с прямоугольными ребрами
f - — • ----0.54- (5.106)
47 347
Коэффициент устойчивости k от формы ребер практически не зависит.
Наибольшее влияние на него оказывает отношение R/S . При R/S < 200
пр пр
и 2,5 < ф < 8, как показывает эксперимент,
k = 0,28...0,34, (5.107)
что примерно в два раза меньше теоретического значения.
Критическая сила местной потери устойчивости зависит от размеров
подкрепляющей клетки и ее ориентации по отношению к образующей
отсека. При а = Ь и с = s расчетная зависимость имеет вид
* м = йг*1£ —~—Н1 + (5108)
* (Ь - С - 2D
где экспериментальн