Введение к работе
Актуальность темы.
Дополнительные аэродинамические поверхности (ДАП) крыла - аэродинамические поверхности на концах крыльев воздушного судна (ВС), служащие для увеличения его аэродинамической эффективности.
Дополнительные аэродинамические поверхности препятствуют перетеканию потока воздуха и выравнивают давление на верхней и нижней плоскостях крыла, ослабляя мощный концевой вихрь за счет разделения его на несколько вихрей меньшей интенсивности.
Применение ДАП позволяет снизить индуктивное сопротивление ВС, увеличить эффективное удлинение крыла и подъемную силу на его конце, улучшить курсовую устойчивость ВС, снизить удельный расход топлива, уменьшить длину разбега и пробега при взлете и посадке ВС.
В настоящее время известно множество конструкций ДАП крыла различных типов, устанавливаемых на магистральные ВС, различающихся геометрическими и аэродинамическими характеристиками.
Проектирование ДАП крыла связано с учетом множества аэродинамических, энергетических, конструктивно-геометрических, технологических и режимных характеристик, что требует применения современных средств вычислительной техники для синтеза и принятия необходимого проектного решения.
Выбор оптимального проектного решения ДАП по критерию аэродинамической эффективности для определенного типа ВС целесообразно проводить с использованием средств САПР, позволяющих проводить комплексные многовариантные, итерационные расчеты.
Разработка САПР, основанная на формализованном описании проектных процедур и использовании современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа, позволит сократить сроки разработки и ввода в эксплуатацию ДАП крыла.
Исследования проводились в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по финансируемым темам: «Разработка и конструирование дополнительных аэродинамических поверхностей крыла летательного аппарата нового поколения», соглашение № 14.132.21.1585 от 01.10.2012; «Разработка и конструирование облика летательного аппарата нового поколения», соглашение № 14.В37.21.0409 от 06.08.2012.
Степень разработанности темы. Для улучшения аэродинамической эффективности магистральных ВС в настоящее время применяются различные способы совершенствования их аэродинамики. Наибольшее распространение среди них получили ДАП, устанавливаемые на концевой части крыла ВС. Но, несмотря на многолетний опыт, основанный на эмпирическом подходе, отсутствует методика и инструмент их автоматизированного проектирования в открытых научных материалах. В этой связи разработка научных основ и метода автоматизированного проектирования ДАП крыла магистрального ВС является приоритетной задачей.
Цель работы - совершенствование процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна на основе разработки и
использования современных методов моделирования и инженерного анализа. Задачи исследования:
-
расчет экономического эффекта от установки на магистральное ВС ДАП крыла;
-
анализ характерных особенностей ДАП крыла, обеспечивающих повышение аэродинамической эффективности магистрального ВС;
-
разработка метода автоматизированного проектирования ДАП крыла, основанного на формализованном описании проектных процедур и использовании современных методов моделирования и инженерного анализа;
-
применение разработанного метода для проектирования новой конструкции ДАП крыла;
-
верификация формализованного аппарата и разработанных программных модулей путем сравнения результатов имитационного моделирования с данными физического моделирования, разработанных конструкций ДАП в аэродинамической трубе.
Объект исследования - процесс проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла магистрального воздушного судна.
Предмет исследования - автоматизация процесса проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур процесса проектирования.
Методическое обеспечение исследования. Использованы современные подходы в области автоматизированного проектирования ВС, отраслевые обзорно-аналитические материалы, принцип системного анализа, численный метод, методы математического моделирования, математической логики, технологии объектно-ориентированного программирования, методы экспериментального исследования.
Научной новизной обладают:
классификация конструкций ДАП крыла для магистральных ВС, построенная на основе аэродинамических и конструктивно-геометрических характеристик ДАП;
математическая модель, учитывающая конструктивно-геометрические характеристики ДАП, а также массовые, прочностные, режимные, энергетические, аэродинамические и технологические характеристики ВС и позволяющая осуществить выбор проектных характеристик ДАП по критерию аэродинамической эффективности ВС;
закономерности влияния конструктивно-геометрических характеристик, спроектированных конструкций ДАП крыла на аэродинамическую эффективность ВС, выявленные в результате имитационного и физического моделирования;
метод автоматизированного проектирования ДАП крыла ВС, представленный последовательностью и содержанием этапов использования разработанных компьютерных процедур и современных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа.
Практическая значимость работы определяется:
1) разработанной САПР ДАП крыла, основанной на совокупности полученных
научных результатов и включающей в себя программные модули:
эскизного проектирования ВС;
расчета взлетной массы ВС с учетом ДАП крыла;
расчета ДАП ВС;
исследования и расчета аэродинамических характеристик ДАП крыла ВС;
расчета индекса эффективности ВС с ДАП;
расчета экономического эффекта от установки на ВС ДАП крыла;
-
методикой использования современных средств компьютерного моделирования CATIA и инженерного анализа SALOME;
-
методическим обеспечением разработанной САПР ДАП;
-
оригинальными конструкциями ДАП, разработанные с помощью САПР и защищенных двумя патентами РФ.
Положения, выносимые на защиту:
-
результаты исследования магистральных ВС, оснащаемых ДАП крыла;
-
классификация ДАП крыла, позволившая сформировать рациональную область их аэродинамических и конструктивно-геометрических параметров в зависимости от типа магистрального ВС;
-
математическое, информационное, алгоритмическое и программное обеспечение разработанной САПР ДАП крыла ВС;
-
разработанные с применением разработанной САПР конструкции ДАП крыла, защищенные патентами РФ;
-
закономерности влияния конструктивно-геометрических характеристик ДАП на аэродинамическую эффективность ВС, выявленные в результате имитационного моделирования и физического моделирования в аэродинамической трубе.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ЗАО «КАПО ТУПОЛЕВ» (г. Казань), ФГУП «Оренбургские авиалинии» (г. Оренбург), ЗАО «МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ИННОВАЦИОННЫЙ ЦЕНТР КАИ ИНЖИНИРИНГ» (г.Казань), ОАО «Авиатехприемка» (г. Москва), научно-внедренческом центре международного исследовательского института (г. Москва).
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертации докладывались автором на международных, всероссийских и межотраслевых научно-практических конференциях: тридцать восьмой и тридцать девятой международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2012, 2013 гг.); международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2012 г.); тринадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (Санкт-Петербург, 2012 г.); международной научно-практической конференции: «Современные материалы, техника и технологии в машиностроении» (Андижан, 2012 г.); международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Курган, 2012 г.); пятой всероссий-
ской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2011 г.); всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2012, 2013 гг.); десятой всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2012 г.); научной школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2012 г.); всероссийском межотраслевом молодежном научно-техническом форуме «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, 6 зарегистрированных в Роспатенте программных средств, 2 патента РФ на изобретения, 14 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Общий объем работы 238 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков, 7 таблиц и список использованных источников из 122 наименования, 5 приложений.
Похожие диссертации на Автоматизация проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна
