Модельно-ориентированный этап проектирования в авиации

Модельно-ориентированный подход становится основой цифрового проектирования в отечественном авиастроении

Общие сведения

В последние десятилетия научно-технический прогресс позволил достичь новых рубежей в создании самолетов: улучшились летно-технические характеристики, повысилась экономичность и экологичность аппаратов, улучшились их эксплуатационные характеристики. Это привело к снижению стоимости эксплуатации и повышению комфортабельности воздушных судов. Однако сама авиационная техника становится сложнее, а количество исполнителей работ, поставщиков оборудования, постоянно увеличивается. У современных самолетов насчитывается порядка 30-40 систем, у каждой из которых может быть свой поставщик, а тот, в свою очередь, может иметь 5-15 своих поставщиков – все зависит от сложности системы.

Однако головной фирме, занятой интеграцией систем, необходимо не только убедиться в реальности ранее заявленных поставщиками характеристик, но и подтвердить саму возможность интеграции всех их в рамках разрабатываемого аппарата. Актуальными также остаются вопросы о выборе поставщиков и определении исходных данных и требований для разработки систем на ранних стадиях проектирования.

До последнего времени в авиастроении применяется документоориентированный подход к проектированию, основанный на обмене документами, содержащими статичные данные. Технические требования к деталям, узлам, агрегатам и системам были записаны на бумажных носителях в виде цифр, таблиц, графиков. Исполнитель в ответ на эти технические требования предъявлял документы, в которых приводил характеристики его изделий. «Однако документы не позволяют отслеживать весь спектр параметров работы поставляемых изделий в различных условиях, а также их изменения при взаимодействии с другими узлами, агрегатами и системами, – говорит эксперт в области модельно-ориентированного подхода, кандидат технических наук Александр Георгиев. – Это создает дополнительные риски для интегратора, связанные с тем, что проблемы выявляются на более поздних стадиях – на этапе комплексирования, когда смена поставщика затруднительна или невозможна и требуется дополнительное время на доработку и проведение дополнительных испытаний».

Чем вызвано развития инновационного проектирования? 

Подробнее: Цифровое проектирование: как создаются «безбумажные» самолеты

Требования к ускорению процесса выхода изделий на рынок и сокращению финансовых и материальных ресурсов на организацию натурных работ ужесточаются из года в год. Нередко случается, что только после разработки полного комплекта рабочих чертежей и изготовления натурного образца становятся очевидными конструкторские ошибки или несоответствия изделия техническому заданию. Это означает, что производители несут финансовые и временные потери, с опозданием выводят продукт на рынок, рискуют доверием партнеров и инвесторов. Эти причины во многом обуславливают необходимость использовать моделирование в качестве многофункционального источника необходимой разработчикам информации.

Определения и понятия 

Верификация и валидация используются для проверки того факта, что система, программа или аппаратное устройство в действительности обладает ожидаемыми свойствами. Эти два понятия (V&V) хоть и схожи по звучанию и постоянно используются вместе, означают существенно разные типы проверок.
Напомним:

• Верификация* – это процесс оценки того, насколько система (программа, устройство) по итогам некоторого
  этапа ее разработки соответствует условиям, заданным в начале этапа.
  *Заметим, что верификация конфигурации и верификация программного обеспечения — не взаимозаменяемые меры.
  Если проверка программного кода гарантирует ожидаемое поведение программных компонентов, то проверка
  конфигурации обеспечивает выполнение политики безопасности при работе этих компонентов
• Валидация – процесс оценки того, насколько система (программа, устройство) соответствует требованиям по ее назначению.

«Семь раз отмерь»

Изменить ситуацию помогает подход к проектированию, основанный на обмене математическими моделями между всеми участниками разработки с самых ранних стадий, начиная с научно-исследовательских работ и продолжаясь на всех стадиях опытно-конструкторских работ.

Виртуальная интегрированная модель

Для чего разрабатывают виртуальную интегрированную модель самолета? Ответ очевиден: чтобы получить возможность проанализировать работу систем самолета при выполнении полетного задания и, при необходимости, оптимизировать ее. Simcenter Amesim позволяет смоделировать полный полетный цикл самолета: подготовку к вылету, выполнение полетного задания и посадку с учетом взаимодействия всех систем самолета. При этом можно моделировать как внешние условия, так и полетные задания.

Источник: Работа в среде Simcenter Amesim

Simcenter Amesim — интегрированная программная платформа компьютерного моделирования работы многодисциплинарных мехатронных систем. Simcenter Amesim обеспечивает анализ и оптимизацию функциональных характеристик разрабатываемых изделий с использованием их достоверных расчетных моделей. Изделие при этом рассматривается как комплекс систем, собранных вместе для обеспечения требуемой функциональности. Системы могут быть как общеинженерными, так и индустриально специализированными. Преимущество данного решения — поддержка использования большего числа методик проектирования самолета, уже имеющихся на предприятии. Одновременно с этим функционально в нем заложена возможность применять современные мировые практики. За счет высокого качества верифицированных 1D-моделей Simcenter Amesim в ряде случаев результаты моделирования расходятся с результатами реальных испытаний не более чем на 1%.

Виртуально интегрированный самолет.

Такой подход к проектированию называется модельно-ориентированным. Он использует безбумажный обмен технической информацией между всеми участниками разработки. «Этот подход позволяет, начиная с ранних стадий разработки авиационной техники, проработать множество вариантов, в том числе проанализировать выполняемость и полноту требований, и создать базис для принятия обоснованных технических решений что, по сути, соответствует народной мудрости “семь раз отмерь – один раз отрежь”», – говорит Александр Георгиев.

Модельно-ориентированный подход основан на обмене математическими моделями, отражающими динамику физических процессов моделируемого объекта. Это следующий этап развития математического моделирования, который стал возможным благодаря высокой производительности современной вычислительной техники и развитию инженерного программного обеспечения.

Такой подход к проектированию становится инструментом для анализа выполняемости и полноты требований к авиационной технике и принятия обоснованных технических решений, начиная с ранних стадий разработки.

• «Применение модельно-ориентированного подхода позволяет выявлять нестыковки систем и агрегатов на ранних стадиях проектирования, помогает находить оптимальные конструкторские решения, что способствует уменьшению количества изменений, вносимых в конструкторскую документацию в ходе доведения конструкции до совершенства. Проведение “виртуальных испытаний” с использованием математических моделей дает возможность сократить количество стендовых, наземных и летных испытаний. Все это в совокупности значительно сокращает время и затраты на разработку авиационной техники, позволяет вывести новое изделие на потребительский рынок раньше, чем при “классическом” проектировании, без использования модельно-ориентированного подхода», – Юрий Логвин, заместитель директора КБ Инженерного центра по управлению проектными данными корпорации «Иркут».
• «Модельно-ориентированный подход позволяет на самых первых этапах проектирования проверить реализуемость требований при разработке авиационной техники, увидеть взаимодействие систем и провести анализ совместной работы до реализации систем в железе, проконтролировать процесс разработки системы путем периодического встраивания в комплексную математическую модель самолета присланных разработчиками моделей своих систем, – поясняет заместитель начальника отдела методологии проектирования и обучения Инженерного центра корпорации “Иркут” Владимир Олейников. – На дальнейших стадиях проектирования можно создавать имитаторы систем, используемые в полунатурных стендах. Применение такого подхода дает возможность автоматизировать процесс проверки алгоритмов систем на всем множестве возможных отказов, в том числе двойных и тройных. На этапе сертификации воздушного судна результаты моделирования могут стать доказательной базой выполнения требований авиационных правил».

Подробнее: 3D-макет самолета поколения 4++ Су-35. Фото: ОАК

В теории и на практике

Корпорация «Иркут» начала применять решение Simcenter Amesim компании Siemens Digital Industries Software (ранее LMS Imagine.Lab Amesim) для 1D-моделирования систем при разработке самолета МС-21 в 2010 году. К этому времени уже завершался этап эскизного проектирования, но при этом еще не существовало ни испытательных стендов, ни опытного образца авиалайнера.

• на этапе технического проектирования традиционно решаются сложные и комплексные вопросы обеспечения работоспособности и увязки систем на борту современного летательного аппарата,
• а доводка и отладка систем производятся на этапе стендовых и летных испытаний.

При разработке систем на этапе проектирования необходимо было определить облик систем и основные параметры, принять ряд рациональных конструкторских решений, исследовать физические процессы, происходящие в системах — гидравлические, газодинамические, тепловые, механические, электрические и другие.

Более того, нужно было провести анализ поведения комплексного взаимодействия систем до установки на борту самолета, изучить влияние внешних воздействующих факторов на работу систем и отработать функционирование отдельных систем. Вместе с этим важно было учитывать особенности их оптимизации, а, следовательно, требовался многоцелевой технологический инструмент. На этапе стендовых, наземных и летных испытаний перед специалистами были поставлены такие задачи, как выбор оптимальных параметров и режимов реальных испытаний, формирование программы испытаний и минимизация рисков выхода оборудования из строя при проведении реальных испытаний.

Для решения этих и других задач руководство корпорации «Иркут» приняло решение использовать продукт Simcenter Amesim. Фокус был направлен на комплексирование систем на агрегатном уровне физического взаимодействия с использованием уже апробированных инструментов проектирования на базе технологий распределения энергии по системам — энергобаланса систем.

Разработав многодисциплинарные 1D-модели самолетных систем и агрегатов, специалисты Инженерного центра им. А. С. Яковлева корпорации «Иркут» смогли провести анализ взаимодействия самолетных систем на уровне физических процессов. Анализ осуществлялся на этапе технического и в начале этапа рабочего проектирования. «Simcenter Amesim позволяет легко разрабатывать модели систем либо из стандартных библиотечных элементов, либо путем создания своих собственных, — рассказывает Сергей Гусаркин, инженер- конструктор отдела инженерных расчетов корпорации “Иркут”. — Затем выполняется анализ поведения системы. Стандартные библиотеки Simcenter Amesim, которые проверены на практике и регулярно обновляются, позволяют нашим инженерам разрабатывать самолетные системы, а не создавать библиотеки агрегатов».

Работа систем в комплексе  

Как известно, важнейшей задачей разработки самолетных систем является комплексирование систем. В корпорации задачи комплексирования с использованием Simcenter Amesim решались для следующих систем: ГС и СУВШ; ГС и комплексная система управления полетом (КСУ); ГС и СЭС; ТС, маршевая силовая установка и КСКВ; СУВШ, ГС и системой управления общесамолетным оборудованием. Отдельным направлением стала отладка алгоритмов управления в части системы управления общесамолетным оборудованием.

При комплексировании систем и агрегатов самолета МС-21 анализировалась работа и комплексное взаимодействие систем на борту самолета в нештатных режимах, оценивалось влияние внешних воздействующих факторов на работу и параметры систем во всем диапазоне, поведение систем в отказных и аварийных ситуациях. Помимо этого, проводилась разработка программ и методик испытаний систем, сравнительные и параметрические расчетные исследования, а именно анализ альтернативных вариантов конструктивных решений.

Мультифизические модели отсеков самолета.

Михаил Пыльнев, начальник отдела инженерных расчетов корпорации «Иркут», отмечает, что Simcenter Amesim позволяет выполнять ко-симуляционные расчеты, в которых некоторые смежные подсистемы представлены расчетными моделями, созданными в другом ПО. Например, была выполнена интеграция модели гидросистемы самолета, разработанной в Simcenter Amesim, с моделью КСУ, выполненной в Matlab/Simulink. В задачах комплексирования удалось выявить и проанализировать большое количество сложных эффектов, принять обоснованные решения по работе систем и их взаимовлиянию. Были сокращены сроки проектирования систем для модификации самолета МС-21. Более того, математическое моделирование в Simcenter Amesim является действенным инструментом контроля и управления работой с соисполнителями. Полученные результаты подтвердили правильность принятого решения по внедрению технологии 1D-моделирования на базе Simcenter Amesim для использования в процессе проектирования авиационной техники.

Уже четыре самолета МС‑21–300 участвуют в программе летных испытаний. Этому событию предшествовала многолетняя серьезная работа: часы обсуждений, дни совершенствования и оптимизации, месяцы исследовательских изысканий. Значительное место в процессе разработки и комплексирования заняло применение современных методов 1D‑моделирования, которые служат достойной альтернативой летному эксперименту. С помощью 1D‑моделирования в программной среде Simcenter Amesim инженерам корпорации «Иркут» удалось сократить сроки разработки систем самолета МС‑21 и объем натурных испытаний.

Корпорация «Иркут» стала предприятием-пионером, начавшим широкомасштабное внедрение модельно-ориентированный подход в авиационной отраслило снизить трудозатраты.

«Модельно-ориентированный подход позволяет на самых первых этапах проектирования проверить реализуемость требований при разработке авиационной техники, увидеть взаимодействие систем и провести анализ совместной работы до реализации систем в железе, проконтролировать процесс разработки системы путем периодического встраивания в комплексную математическую модель самолета присланных разработчиками моделей своих систем, – поясняет заместитель начальника отдела методологии проектирования и обучения Инженерного центра корпорации “Иркут” Владимир Олейников. – На дальнейших стадиях проектирования можно создавать имитаторы систем, используемые в полунатурных стендах. Применение такого подхода дает возможность автоматизировать процесс проверки алгоритмов систем на всем множестве возможных отказов, в том числе двойных и тройных. На этапе сертификации воздушного судна результаты моделирования могут стать доказательной базой выполнения требований авиационных правил»[…]

Подробнее: Магия Simcenter Amesim

На протяжении последних пяти-семи лет на таких предприятиях как корпорация «Иркут», компании «Туполев» и «Ильюшин», Национальный центр вертолетостроения им. М. Л. Миля и Н. И. Камова (НЦВ «Миль и Камов») активно реализуется применение модельно-ориентированного подхода при проектировании систем авиационной техники. Специалисты из системных подразделений применяли этот подход совместно с имеющимися в КБ методологиями проектирования, что позволило получить весьма ценные результаты и сделать важные выводы для перспективного развития авиационной техники в целом.

Матмодели активно применяются на натурных стендах самолета МС-21, в том числе на стенде “железная птица” 

В текущее время «Иркут» активно применяет разработанные математические модели (матмодели), начиная с этапа проектирования до отработки систем на натурных стендах самолета МС-21, в том числе на стенде «железная птица». Это позволило сократить большую часть рутинной работы по подготовке и анализу результатов испытаний.

«Речь идет не о полной замене “железа” матмоделью, а о том, чтобы изготовленное или купленное “железо” отработало сразу, и не потребовалось повторных работ, – рассказывает главный инженер-конструктор Лаборатории киберфизических систем Сколковского института науки и технологии (Сколтех), кандидат технических наук Михаил Ситников. – Используя модели, нами разработана и подтверждена на испытаниях технологическая база для сокращения не менее чем в два раза времени ресурсных испытаний тормозных колес».

Математическая модель топливной системы и ее визуализация.

Не секрет, что воспроизведение отказов и аварийных ситуаций с использованием стендового оборудования, лабораторий и летных испытаний весьма дорого и, зачастую, опасно. Однако целый набор таких режимов необходимо выполнить, например, для сертификации воздушного судна. «Выключение сразу двух двигателей, отключение топливной системы, выход на запредельные режимы полета, – приводит примеры Владимир Олейников. – Все эти режимы нужно подтвердить. Есть, например, требование, чтобы при отрицательной перегрузке, когда оголяются заборные устройства в баках, топливный насос продолжал работать определенное время на имеющемся запасе топлива в магистралях. Мы провели моделирование и показали, что для нашего самолета это время даже больше, чем требуется принятыми нормами летной годности. Провести же такую демонстрацию на реальном самолете сложно, да и достаточно опасно»[…]