Основы проектирования РН Куренков

15. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

Разработка проектного облика ракеты-носителя в системе твердотельного моделирования является лишь одним из этапов в цепи автоматизации проектных и конструкторских работ. На основе этого проектного облика в дальнейшем разрабатывается конструкция всех составных частей ракеты. Твердотельные модели используются в качестве основы для построения конечно-элементных моделей и проведения расчетов на прочность, аэродинамических расчетов, расчетов тепловых потоков и т.д. Эти же модели используются для технологической подготовки производства, а также для решения многих других вопросов, возникающих в процессе жизненного цикла сложных технических изделий.

15.1. Информационная поддержка жизненного цикла изделий

Сведения о CALS -технологии

В настоящее время проектирование, создание и эксплуатация наукоемких промышленных изделий (ракет-носителей, космических аппаратов и др.) немыслимы без так называемых CALS -технологий.

Термин CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support —

непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) означает совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях. Русскоязычный аналог понятия CALS — Информационная поддержка жизненного цикла изделий (ИПИ).

CALS-технологии состоят из нескольких основных методов, реализованных в соответствующих автоматизированных системах, которые укрупнённо соответствуют трем группам:

- CAD – (Computer Aided Design) - компьютерные системы авто-

матизированного проектирования;

321

-САМ – (Computer Aided Manufacturing) - системы автоматизи-

рованной подготовки производства;

-САЕ – (Computer Aided Engineering) - системы инженерных расчетов и т.п.

Иногда CALS-технологии называют CAD/CAM/CAE - технологиями.

Среди наиболее распространенных систем информационной поддержки жизненного цикла изделий, получивших мировое признание, следует отметить следующие системы: Pro/Engineer, Unigraphics,

CATIA и др.

Сведения о PDM–системах

Одной из ключевых составных частей CALS-технологий являет-

ся технология PDM (Product Data Management). PDM-технология -

это технология управления всеми данными об изделии и информационными процессами жизненного цикла изделия. PDM-технология является основой при построении единого информационного пространства для всех участников жизненного цикла изделия.

Наибольший выигрыш от использования PDM-системы лежит в двух областях:

-сокращение времени выхода изделия на рынок;

-повышение качества изделия.

Для реализации PDM-технологии существуют специализированные программные средства, называемые PDM-системами. PDMсистемы, т.е. системы управления данными об изделии, представляют собой новое поколение компьютерных средств для управления всеми связанными с изделием данными и информационными процессами ЖЦ.

Среди задач PDM-системы можно выделить две основные:

-PDM-система как средство интеграции данных на протяжении всего жизненного цикла изделия;

-PDM-система как рабочая среда пользователя.

Данные об изделии включают:

-состав и структуру изделия, геометрические данные, чертежи;

-планы проектирования, планы производства, спецификации, нормативные документы, программы для станков с ЧПУ, результаты анализа, корреспонденцию, данные о партиях изделия и отдельных

322

экземплярах изделия и др.

Основной задачей PDM-системы как рабочей среды сотрудника предприятия является обеспечение доступа сотрудника к нужной ему информации в нужное время в нужной форме.

Это означает, что сотрудник предприятия в процессе своей работы должен постоянно находиться в PDM-системе, а система, в свою очередь, обеспечивать все потребности сотрудника, начиная от просмотра спецификации узла и кончая изменением твердотельной модели детали или утверждением измененной детали начальником.

Рабочая среда сотрудника содержит следующие функции PDMсистемы:

-управление хранением данных и документов;

-управление процессами;

-управление структурой и составом изделия;

-классификация;

-календарное планирование и др.

PDM-система обеспечивает поиск: по значениям свойств (с заданными идентификаторами или характеристиками), по хранящимся в системе документам, по расположению геометрических объектов твердотельной модели изделия.

При управлении доступом к данным в хранилище PDM-система должна осуществлять авторизацию этого доступа. Помимо процедур

идентификации и аутентификации пользователя, входящего в сис-

тему, существует два направления авторизации доступа: по правам пользователей и по статусу данных.

Среди функций управления процессами можно выделить три основные группы:

-управление работой (эти функции касаются того, что происходит с данными, когда кто-либо над ними работает);

-управление потоком работ (эти функции управляют передачей данных между людьми);

-протоколирование работы (эти функции отслеживают все события и действия, которые происходят при выполнении первых двух групп функций в течение всей истории проекта).

Управление структурой и составом изделия возможно потому, что PDM-система хранит информацию о входящих в состав изделия компонентах, конфигурациях изделия, а также предоставляет воз-

323

можность редактирования состава изделия (обычно с применением графического интерфейса, моделирующего конструкторский граф).

Классификация – это функция PDM-системы, с помощью которой можно значительно упростить поиск изделий, отвечающих определенным характеристикам, например документы, чертежи, трехмерные модели, технические публикации и др.

Календарное планирование – это функция PDM-системы, с помощью которой осуществляется автоматизированное разбиение всего проекта на совокупность задач и предоставляется возможность задания взаимосвязей между различными задачами, распределения имеющихся ресурсов по задачам, а также отслеживания хода выполнения отдельных задач и проекта в целом и выявления аномалий.

Системы твердотельного моделирования

Существуют системы твердотельного моделирования, встроенные в большие интегрированные системы Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA и др. Они дорогостоящи, требуют для своей работы мощных компьютеров. Для проведения твердотельного моделирования можно использовать и специальные системы (относящиеся к CAD - системам), разработанные как самостоятельные продукты для твердотельного моделирования, например, SolidWorks, Компас и др.

С методической точки зрения не столь важно, какую систему изучать, лишь бы она была общепризнанной. Принципы твердотельного моделирования у многих систем схожи. Освоив одну систему, можно относительно быстро перейти на другую.

15.2. Особенности разработки твердотельных моделей ракеты

Твердотельное моделирование ракеты и ее составных частей предполагает наличие навыков работы в соответствующей системе. Однако, имея соответствующие навыки в моделировании общетехнических систем, не всегда удается грамотно построить модели отсеков ракет-носителей. Так, в ракете присутствуют тонкостенные подкрепленные и неподкрепленные оболочки вращения, которые требуют особых подходов при разработке твердотельных моделей. При этом следует учитывать функциональные особенности этих отсеков,

324

в частности наличие систем крепления и разделения составных частей ракеты. Обязательно должны быть предусмотрены технологические членения отсеков ракетных блоков и учтены технологические вопросы изготовления элементов и их сборки.

Общие методические рекомендации

Допускается на первых этапах строить упрощенные отсеки и узлы, которые будут детализироваться на более поздних этапах проектирования.

1. Прежде чем приступить к твердотельному моделированию, рекомендуется сначала вспомнить конструктивные схемы соответствующих отсеков, посмотрев, например, учебное пособие [33].

2. Желательно освоить какую-либо систему твердотельного моделирования по встроенным учебным пособиям, а также ознакомиться с материалами источника [59], где описаны методы построения твердотельных моделей ракет-носителей.

3. Рекомендуется для моделирования каждого отсека ракетыносителя составлять план действий. При составлении плана следует использовать альтернативные возможности систем твердотельного моделирования, касающиеся последовательности построения твердотельной модели какой-либо сборки:

-создаётся каркас изделия, в который затем вставляются подсборки (нисходящее проектирование);

-создаются модели всех деталей, а затем производится их сборка путем сопряжения отдельных деталей (восходящее проектирование);

-создаются модели некоторых основных деталей, а затем производится построение моделей остальных деталей в сборке (комбинация методов восходящего и нисходящего проектирования).

4. Процесс освоения технологии твердотельного моделирования различных отсеков РН рекомендуется начать с освоения методик построения простых (упрощенных) моделей отсеков ракеты, а затем модернизировать эти модели, учитывая ошибки, которые неизбежно возникают на начальных стадиях освоения методики создания твердотельных моделей тонкостенных конструкций с учетом особенностей конструкции отдельных узлов и сочленений.

5. Необходимо предусматривать возможность сопряжения (в дальнейшем) разработанных отсеков с другими отсеками РН.

325

6. При моделировании необходимо использовать форму и размеры составных частей РН в соответствии с компоновочной схемой.

7. Желательно предусмотреть возможность быстрого изменения габаритов отсеков РН путем связывания отдельных размеров (параметризация твердотельных моделей РН).

Пример изменения габаритов цилиндрической обечайки с помощью параметрического моделирования иллюстрируется рис. 15.1.

Рис. 15.1. Варианты изменения габаритов твердотельной модели цилиндрической обечайки

При построении моделей отдельных деталей, представляющих собой тела вращения, можно использовать несколько путей.

1.Строится сечение тела вращения, а затем производится построение этого тела путем вращения его сечения.

2.Строится цилиндрическое тело, а затем из него вырезается «лишний» материал.

3.Строится цилиндрическое тело с высотой, равной толщине будущей оболочки, а затем плоская грань цилиндра преобразуется в часть сферы.

4.Строятся плоские листовые детали (заготовки), а затем используется операция «сгиба» с различными радиусами.

При построении тонкостенных элементов иногда весьма эффективно использование опции «тонкостенный элемент».

Следует заметить, что идеология твердотельного моделирования предполагает разработку сначала твердотельной модели, а затем автоматизированное построение чертежей.

Рассмотрим подробнее методики разработки твердотельных моделей отсеков различных типов и других составных частей РН.

326

15.3. Разработка моделей отсеков ракетных блоков

15.3.1. Разработка моделей топливных баков

При составлении плана построения бака следует использовать следующие альтернативные варианты.

1.Сначала создаются модели шпангоутов, днищ, обечаек и др., а затем производится сборка деталей бака путем их сопряжения.

2.Сначала создаются модели шпангоутов. Они вставляются в сборку, затем производится построение днищ, обечаек и других деталей бака непосредственно в сборке.

3.Сначала создается модель обечайки, она вставляется в сборку, затем производится построение шпангоутов, днищ и других деталей бака непосредственно в сборке.

В качестве примера на рис. 15.2 представлены отдельные твердотельные модели составных частей бака: днища, шпангоуты и обечайка.

Рис. 15.2. Основные детали для сборки цилиндрического бака

Для сопряжения деталей бака рекомендуется использовать осевые линии осесимметричных моделей и их торцевые плоскости. Чтобы исключить осевое вращение моделей сборки, следует осуществить сопряжение соответствующих плоскостей деталей.

На рис. 15.3 представлены твердотельные модели баков с тоннельным трубопроводом. На рис. 15.3, а переднее днище и обечайка бака для наглядности показаны полупрозрачными. На рис. 15.3, б бак показан в разрезе.

327

Рис. 15.3. Твердотельные модели баков

Модель кольцевого бака строится из двух моделей цилиндрических оболочек (внешней и внутренней) и двух днищ, представляющих собой оболочки в виде половинок тора. Составные части кольцевого бака показаны на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Основные детали для сборки кольцевого бака

15.3.2. Разработка моделей сухих подкрепленных отсеков

Рекомендуется сначала выбрать конструктивную схему сухого отсека для реализации в системе твердотельного моделирования. При составлении плана построения сухого отсека рекомендуется использовать следующие варианты.

328

1.Создаются модели шпангоутов, стрингеров, обечайки и др., а затем производится сборка деталей сухого отсека путем сопряжения отдельных деталей.

2.Создаются модели шпангоутов, они вставляются в сборку, затем производится построение обечайки, стрингеров и других деталей бака непосредственно в сборке.

3.Создается модель обечайки, она вставляется в сборку, затем производится построение шпангоутов, стрингеров и других деталей бака непосредственно в сборке.

4.Построение сначала сборки обечайки со шпангоутами, а затем построение стрингеров, используя возможности системы твердотельного моделирования для построения ребер.

В качестве примера на рис. 15.5 представлены отдельные твердотельные модели составных частей сухого отсека: стрингера, шпангоута и обечайки.

Рис. 15.5. Основные детали для сборки сухого отсека

На рис. 15.6 представлены твердотельные модели сухих отсеков в сборке. Следует отметить, что методика построения шпангоутов и цилиндрической обечайки для сухих отсеков такая же, как и для баков (см. предыдущий пункт). Что же касается построения стрингеров, то на начальном этапе допускается упрощенное построение в виде уголка без подсечек. В этом случае при сборке модели стрингеров и шпангоутов могут пересекаться между собой.

329

Рис. 15.6. Твердотельные модели сухих отсеков

15.3.3. Разработка моделей ферменных конструкций

Для реализации моделей ферменных конструкций используются возможности системы твердотельного моделирования в части технологии построения трехмерных эскизов.

Прежде всего необходимо выбрать конструктивную схему ферменной конструкции для реализации и составить план построения модели. При составлении плана рекомендуется использовать следующие варианты.

1.Создаются модели опор, стержней и др., а затем производится их сборка путем сопряжения отдельных деталей.

2.Создаются модели опор и заготавливается трехмерный эскиз осевых линий ребер. Опоры вставляются в сборку (в места, определенные трехмерным эскизом), затем производится построение стержней и других деталей фермы непосредственно в сборке.

При построении эскизов на плоскостях, перпендикулярных наклонным стержням, использовать опции системы твердотельного моделирования, связанные с преобразованием плоскостей.

3.Создается трехмерный эскиз осевых линий ребер и модели стержней. Стержни вставляются в сборку (в места, определенные трехмерным эскизом), затем производится построение опор и других деталей фермы непосредственно в сборке.

На рис. 15.7 представлена твердотельная модель фермы, справа показаны увеличенные опоры фермы.

330