История создания cad/cam/cae систем

Проектирование такого сложного технического объекта, каким является газотурбинный двигатель, всегда осуществлялось с максимальной по возможности автоматизацией всех аспектов проектирования. Исторически процесс проектирования всегда сопровождался параллельным созданием различных систем автоматизированного проектирования. Первые этапы автоматизации можно соразмерить с малой механизацией в производстве, так как они по уровню могли быть только прообразом сегодняшних информационных технологий.

Первые попытки применения ЭВМ для проектирования летательных аппаратов за рубежом были предприняты еще в пятидесятых годах. Однако из-за несовершенства технических средств программного обеспечения существенных результатов в то время достичь не удалось. Возрождение интереса к разработке и использованию комплексных систем автоматизированного проектирования наметилось при появлении ЭВМ второго поколения и развитых устройств ввода-вывода графической информации. В процессе создания систем автоматизированного проектирования авиационных ГТД просматриваются три основных этапа.

На первом этапе, охватывающем шестидесятые годы, ЭВМ использовались главным образом в качестве больших арифмометров для решения отдельных трудоемких задач по расчету параметров и характеристик. Во второй половине 60-х годов, в связи с появлением ЭВМ третьего поколения, снабженных операционными системами (обеспечивающими работу ЭВМ не только в режиме пакетной обработки, но и в режиме разделения времени) и обширными периферийными устройствами, включающими в себя средства ввода-вывода графической информации (графопостроители, координатографы, дисплеи и т. д.) появилась возможность дальнейшего развития систем.

На этом этапе основная задача при разработке каждой из САПР заключалась скорее в максимальном использовании и адаптации имевшегося у каждой фирмы пакета прикладных программ инженерных расчетов, чем в создании системы, обладающей динамичным банком данных (БД) и гибкой операционной системой управления процессом взаимодействия отдельных модулей (составляющих программ). Реализация возможности работы человека в режиме диалога с ЭВМ позволила вплотную приступить к комплексной автоматизации процесса проектирования, т. е. к разработке развитых САПР.

На втором этапе произошел переход от автоматизации решения отдельных задач к автоматизации достаточно крупных проектных процедур, в ряде случаев - этапов проектирования в целом. Получили значительное развитие такие направления, как автоматизация чертежно-графических работ, различных информационных процедур (хранения, поиска и обработки информации), управления ходом проектирования.

В процессе эксплуатации подобные системы показали хорошие возможности в смысле сокращения сроков проектирования и повышения качества объектов проектирования. Успех стимулировал дальнейшее развитие процесса автоматизации проектирования и способствовал появлению в нем новых тенденций. которые характеризуют переход к.

Отличительными чертами третьего этапа создания САПР являются:

- переход к автоматизации всего процесса проектирования в целом;

- обеспечение взаимосвязи между САПР и другими автоматизированными системами, ведущими расчеты, разработку, изготовление и т.д.;

- обеспечение возможности адаптации системы к объекту проектирования и развития ее в процессе эксплуатации;

- широкое использование диалоговых режимов работы, процедур коллективного проектирования;

- развитие новой методологии проектирования, ориентированной на сквозном применении средств автоматизации в рамках интегрированных CAD/CAM/CAE систем.

Разработка и внедрение САПР - это сложный процесс, при котором приходится решать как технические, так и организационные (в некотором смысле - даже социальные) проблемы. Как должна производиться разработка САПР - специально созданными подразделениями или необходимые для САПР блоки должны разрабатываться в рамках существующей организации? Какое подразделение фирмы должно взять на себя обязанности руководителя процессом создания САПР? На каком уровне административного руководства начинается разработка комплексных программ и каково вообще отношение администрации к созданию и использованию САПР? Как должен быть организован процесс принятия решений при внедрении САПР (т. е. какую часть этапа принятия решений можно автоматизировать, а какие решения должен принимать человек)? Ответить на все эти вопросы весьма не просто.

К настоящему времени САПР авиационных ГТД широко разрабатываются и используются как у нас в стране, так и за рубежом. Имеющиеся САПР летательных аппаратов и двигателей описаны в большом количестве работ. В качестве примера здесь можно привести сведения о системе IPAD. Система имеет открытую для расширения модульную структуру, содержит программы оптимизации, банк данных, управляющую программу. Имеется возможность вмешательства в процесс автоматизированного проектирования на любой его стадии. По предварительным оценкам система IPAD должна на 25% уменьшить стоимость и вдвое - время проектирования самолета. IPAD автоматизирует все этапы проектирования - от формирования технического задания до рабочего проектирования.

Представляет интерес система автоматизированного проектирования LPWT(система автоматизированного проектирования двигателя, учитывающая взаимосвязи ресурса, характеристик и массы). Система предназначена для решения задач II и III этапов программы LUCJD (программа проектирования двигателей с учетом обеспечения ресурса в реальных условиях эксплуатации). В этой системе анализируется четыре элемента двухвального ТРДДФ со смешением потоков: первая ступень многоступенчатого вентилятора, первая и предпоследняя ступени компрессора, одноступенчатая турбина высокого давления, турбина низкого давления, которая имеет одну или две ступени. В результате оптимизации в системе LPWT определяются параметры процесса и размер двигателя. Оптимизируются десять конструктивных параметров различных узлов двигателя: число ступеней, окружные скорости и др. Последующая оптимизация системы самолет - двигатель включает определение удельной загрузки на крыло, тяговооруженности самолета и параметров двигателя - степени двухконтурности, степени повышения давления, температуры газа перед турбиной к взлетному ее значению. В системе LPWT возможен выбор 5 - 6 конструктивных решений замковых соединений и дисков. Параметры замкового соединения определяют условия для проектирования диска. Размеры диска определяются из условия минимальной массы при выполнении требований по ресурсу в заданных условиях эксплуатации. Критерием оптимизации является полная взлетная масса самолета. В результате оптимизации массы самолета определяются оптимальные параметры двигателя и его узлов. Целью программы ВВС США LUCJD является разработка и демонстрация методологии проектирования двигателей, сбалансированных по показателям назначения и ресурса. Эта методология будет применена при проектировании перспективных двигателей. В настоящее время ряд результатов программы LUCJD используется фирмой Пратт-Уитни.

Эффективность использования САПР при проектировании и изготовлении просматривается на таких примерах. Широкофюзеляжный транспортный самолет "Боинг-747" был создан за 3 года (вместо обычных 7 - 10 лет) благодаря широкому использованию САПР летательного аппарата и машинно-ориентированных методов проектирования, а также сетевых методов планирования и управления, автоматизации и механизации проектно-конструкторских, технологических и других видов работ. Фирма "Локхид" с помощью САПР сократила время эскизного проектирования самолета в 10 раз, а фирма Дайнамикс сократила длительность конструирования самолета в 4 раза. Например, применение системы AESOP на фирме "Боинг" позволило сократить сроки проектирования и отработки конструкции самолетов в 6 раз. Выпуск чертежей при этом осуществляется чертежными автоматами, управляемыми от ЭВМ.

Фирма "Мак-Доннел-Дуглас" на этапе выбора концепции истребителя исследовала с помощью ЭВМ около 500 вариантов, содержащих 8000 альтернатив. Система отсеяла 90% комбинаций и отобрала наиболее приемлемые решения для дальнейшей проработки. Таким образом, уже на начальном этапе использования автоматизации процесса проектирования имеется очевидный эффект.