Введение к работе
Актуальность проблемы. Главным, определяющим фактором повышения технического совершенства летательных аппаратов является высокий уровень авиационной науки. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в течение последних 25-30 лет получили широкое распространение математические методы на основе применения вычислительной техники как важнейший фактор научного продвижения.
Развитие математических моделей и программного обеспечения, прикладного и системного, потребовали усилий большого числа специалистов по всем направлениям авиационной науки: аэродинамики, аэроупругости, прочности, долговечности, надёжности, механики полета и системного математического обеспечения.
До недавнего времени в практике исследований и проектирования самолётов постановки задач и методология расчётов не приводили к существенным погрешностям, связанным с разделением уравнений, описывающих проблемы аэродинамики и прочности. Другими словами, те или иные математические модели аэродинамики, статической прочности и разработанные с их включением программы применялись на практике, как бы сопутствуя одна другой, связь которых состояла лишь в том, что результаты аэродинамических расчётов использовались как базовая информация для определения нагрузок на конструкцию с последующим расчетом её напряжённо-деформированного состояния. Исключениями являлись проблемы, при решении которых задача ставилась совмещённо в исходной постановке, например, в расчётах на флаттер, реверс органов управления, бафтинг и т.п.
В процессе развития авиации с ростом скоростей, нагрузок, грузоподъёмности, систем активного управления конструкцией, нетрадиционных маневров и т.д. - решение совмещённых, многоднсциплинарпых задач стало насущной необходимостью. Наряду с этим проблемы технического совершенства летательных аппаратов стали значительно острее, для решения которых также необходимо построение комплексных многодисциплинарных расчётных научно-исследовательских и проектных работ.
Следовательно, создание и развитие прикладного и системного математического обеспечения для многодисциплинарного комплексного расчёта и автоматизированного проектирования летательного аппарата является актуальной проблемой.
Цели разработок, осуществлённых, опубликованных и представленных в диссертации
-
Создание отраслевого программного обеспечения - Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ (ОФАП) по всем основным направлениям авиационных научных и предпроектных исследований летательных аппаратов, являющегося, наряду с традиционным своим назначением, базовой программной средой для построения комплексных многодисциплинарных расчётов и автоматизированного проектирования.
-
В проведении комплексных расчётов и автоматизированного проектирования изделий машиностроения существует своего рода триада:
' сложный объект ~\
3.
исследователей
компьютерная платформа
J
методы и
системы
взаимодеиствия
Из совокупности этих трёх факторов и необходимости оптимального синтеза сложного объекта следует необходимость разработки методов и систем взаимодействия, включающих основные направления:
создание вычислительной системы взаимодействия с организацией в режиме прямого доступа в ЭВМ для специалистов различных авиационных направлений такого взаимодействия с использованием компьютерных технологий, которое позволяет значительно интенсифицировать решение задач оптимального синтеза проекта;
построение итерационных методов взаимодействия физически параллельных алгоритмов аэродинамики и прочности как этапа развития комплексных расчетов на ЭВМ традиционной архитектуры, т.е. многопроцессорных компьютерах с малым числом процессоров, и создания программной инструментальной системы распараллеливания прикладных программ для параллельной обработки на такого класса ЭВМ;
обоснование для отраслевого Научного Центра авиационных исследований - ЦАГИ принципов построения распределённой интерактивной вычислительной системы с объединением RISC-процессорных рабочих станций в сеть открытой архитектуры в качестве компьютерной платформы, на современном этапе в наибольшей степени соответствующей решению комплексных проблем многодисциплинарного расчёта и предпроектных исследований посредством методов взаимодействия.
3. Создание специализированного макроязыка описания и модификации геометрической
числовой модели самолёта - макроязыка, позволяющего осуществлять прямое
воздействие (посредством лаконичного формирования задания) на внешние обводы
летательного аппарата, тем самым значительно повысить эффективность
исследовательских и проектировочных расчётов по аэродинамике, прочности и комплексные расчёты.
-
Разработки метода гладких локальных модификаций внешних обводов агрегатов летательного аппарата, посредством которого обеспечивается модификация поверхности без влияния на остальную часть агрегата.
-
Создание мониторной системы, для:
эффективного управления программными модулями-солверами и блоками данных в процессе многодисциплинарного и многоуровневого расчёта и автоматизированного проектирования летательного аппарата;
автоматического синтеза рабочей программы из модулей посредством макроязыка спецификации проблемы;
обеспечения всех необходимых для проведения комплексного расчёта режимов взаимодействия исследователя с ЭВМ: пакетного, диалога, рестарта, загрузки и редактирования результатов на основе единой мониторной системы;
сведения до минимума конфликтных ситуаций в распределении ресурсов ЭВМ в процессе выполнения расчётов с использованием больших тематических программ и обработки данных большого объёма.
6. Внедрение перечисленных разработанных методов, системного программного
обеспечения в ряд практических комплексных расчётов, а именно: в расчёт упругого
крыла большого удлинения с организацией взаимодействия параллельных макропроцессов
по аэродинамике и прочности, в расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта с
использованием распределённой интерактивной вычислительной системы, в комплексный
расчёт прототипа ВКС «Буран» с использованием мониторной системы и в работы по
геометрическому моделированию компоновок практически создаваемых самолётов
гражданского назначения.
Научная новизна результатов, полученных и представленных в диссертации, состоит в следующем.
1. Впервые предложены, разработаны и практически реализованы принципы и методы взаимодействия путём создания вычислительной системы взаимодействия
для решения комплексных многодисциплинарньгх задач формирования оптимального
проекта (1973 год, Ученые записки ЦАГИ, том IV, №2) Взаимодействие тематических программ в ЭВМ и одновременное взаимодействие специалистов - лидеров в своих областях, имеющих прямой доступ в ЭВМ с терминалов, позволило построить высокоэффективную программно-техническую платформу для интегрированного расчётного анализа и проектирования объекта. В последующие годы эти принципы взаимодействия были, в основной своей части, распространены на системы автоматизированного проектирования (САПР).
Принципы взаимодействия специалистов с использованием информационных технологий, по разработке и реализации которых Россия (ЦАГИ) имеет научный приоритет (1973 год), в настоящее время в нашей стране и за рубежом получили распространение на базе распределённых вычислительных систем, для определения которых используются такие термины как: Distributed Interactive System, Distributed Computing Environment, корпоративное информационное взаимодействие и т.п.
В настоящее время эти принципы и методы взаимодействия получили для своего развития современную компьютерную платформу в виде корпоративных распределённых интерактивных вычислительных систем, в которых взаимодействие организуется с использованием рабочих RISC-процессорных станций, объединенных в систему сетевой открытой архитектуры, и посредством которых специалисты по тематическим направлениям осуществляют решение общей для них проблемы.
Автором с группой специалистов в качестве первого отечественного эксперимента реализован комплексный расчёт прототипа сверхзвукового пассажирского самолёта посредством организации взаимодействия в распределённой интерактивной вычислительной системе ЦАГИ.
Таким образом, разработанные и реализованные принципы взаимодействия на основе простейшей компьютерной платформы, представленные в главе I, 1.1., стали началом нового научного направления развития информационных технологий в многодисциплинарньгх исследованиях сложного объекта и автоматизированном проектировании.
2. Геометрические обводы летательного аппарата, как это известно, являются
исходной информацией для аэродинамических расчётов внешнего обтекания и, вместе с тем,
исходной информацией для наполнения конструктивными элементами внутри компоновки,
поэтому геометрическое моделирование аппарата в проведении комплексных расчётов является
важнейшим направлением исследований. В связи с этим в 1974 году (Ученые записки ЦАГИ,
том V, №6) впервые в практике исследовательских и проектировочных расчётов был
разработан специализированный макроязык описания и модификации геометрической
числовой модели самолёта, позволивший значительно интенсифицировать аэродинамические
и комплексные расчёты посредством быстрого изменения в режиме диалога геометрической
модели самолёта и переложить на компьютер большой объём работ по модификации.
-
Предложен новый метод гладких локальных модификаций поверхностей, названный методом линий уровня, базирующийся на использовании В-сплайнов и который по сравнению с известным методом Безье (характеристического многогранника) обладает рядом преимуществ в геометрическом моделировании и модификации обводов агрегатов летательного аппарата.
-
Разработана новая система управления программными модулями и блоками данных с её ядром - мониторной системой, обеспечивающей наилучшее соответствие многоуровневому процессу комплексного расчёта и автоматизированного проектирования. Созданная мониторная система, дала возможность организовать динамичную гибкую
структуру управления с автоматическим синтезом рабочей программы из прикладных модулей. Множество функциональных модулей в системе является полностью открытым для расширения.
Системные функции в мониторной системе отделены от прикладного программного обеспечения, т.е. доступ к ресурсам ЭВМ осуществляется только посредством мониторной системы, поэтому сведены до минимума конфликтные ситуации в распределении ресурсов, что является важным преимуществом при использовании в комплексном расчёте больших программ и массивов данных большого объёма.
Посредством применения входного языка - директивной спецификации проблемы -осуществлено совмещение управления функциональными модулями и управления блоками данных, в которых обеспечена работа с файлами переменной длины.
При совокупности отличительных, значительно повышающих эффективность комплексного расчёта, преимуществ мониторной системы по сравнению с ранее существовавшими методами управления программами, созданная система обладает достаточно высоким уровнем новизны.
Практическая ценность. Научные результаты, являющиеся достижениями исследований, проведенных в течение ряда лет под руководством и при непосредственном участии автора, внедрены в практические разработки математического обеспечения НИР и ОКР для многих изделий авиационной промышленности. Автор, являясь Главным конструктором по математическому обеспечению комплексных расчётов и САПР в авиационной промышленности, осуществлял руководство и непосредственно разрабатывал представленные в диссертации разделы математического обеспечения комплексного расчёта летательного аппарата. Данное направление научных исследований и прикладных разработок позволило в основных НИИ создать действующие компьютерные платформы для научно-исследовательских и предпроектных работ и, в то же время, создать 1-ые очереди САПР в самолётостроительных ОКБ. Автоматизированные системы НИИ и ОКБ принимались в эксплуатацию отраслевыми комиссиями, участником или заместителем руководителя которых являлся автор. Полученные новые научные и практические результаты имеют общетеоретическое и методологическое значение не только для авиапромышленности, но и для других отраслей машиностроения.
С 1975 года в период становления и развития отечественных разработок по автоматизированному проектированию автор имел весьма полезные для дела научные обсуждения и, в ряде случаев, совместно выработанные технические и научно-организационные предложения с учёными страны, вложившими своим участием значительный вклад в создание систем комплексных расчётов и автоматизированного проектирования объектов отраслей машиностроения; это, в первую очередь, учёные: А. А. Дородницын, Г. П. Свищёв, С. М. Белоцерковский, Г. И. Марчук, О. М. Белоцерковский, П. С. Краснощёков, Н. Н. Яненко, Л. М. Шкадов, О.С. Самойлович, А.Д. Смирнов, О.Л. Смирнов.
Апробация результатов работ осуществлялась на многочисленных Всесоюзных, Российских и Отраслевых конференциях, семинарах ЦАГИ, МАИ, ЦИАМ, ЦНИИМАШ, ВЦ РАН, ИАП РАН, ИПМ РАН, ИСП РАН и в виде докладов на межотраслевых совещаниях в ГКНТ, МРП и других в период с 1972 по 1995 год.
Публикации основных результатов диссертации представлены в статьях и изданиях, список которых приведен в конце диссертации и автореферата.
По структуре диссертация состоит из общей характеристики работы, введения, 3-х глав с включением параграфов, основных результатов и списка опубликованных работ по теме диссертации.
Введение. СОЗДАНИЕ ОТРАСЛЕВОГО ФОНДА АЛГОРИТМОВ II ПРОГРАММ (ОФАП) КАК БАЗОВОЙ СРЕДЫ ПРИКЛАДНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫХ РАСЧЁТОВ II АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Общепринятое в стране в конце 70-х и в 80-е годы построение отраслевых прикладных программных средств с ориентацией на структуру ОФАП позволило выработать принципы и на практике решить научные, методологические и организационные проблемы по созданию необходимой программной базовой среды для проведения в НИИ и ОКБ исследовательских и проектных расчётов летательных аппаратов.
Содержание принципов построения отраслевого прикладного программного обеспечения, разработанных в те годы, состояло и состоит в настоящее время в следующем.
1. Во-первых, были разработаны принципы классификации программ для авиационного отраслевого раздела ОФАП « Летательные аппараты».
Классификация построена в соответствии с тематическими разделами аэромеханики и уровнями математических моделей.
Опыт определил целесообразность и полезность формальной идентификации каждой программы не только посредством УДК, но и путем определения ключевых слов, имен, математических моделей, вычислительных методов и классов летательных аппаратов, параметрический расчёт которых она обеспечивает.
На фиг. В.1 представлена весьма упрощенная (в демонстрационных целях) структура математических моделей, вложенных в классифицируемые в соответствии с ней прикладные программы. Практически применяемая классификация программ, созданных и сертифицированных по разделу ОФАП «Летательные аппараты» в количестве более 460 за 15 лет (до 1993 года), естественно является более детальной, включающей также идентификацию программ для решения двух- и трехмерных проблем и параметров сплошной среды.
Наряду с этим классификатор был использован в разработке так называемого плана-прогноза по созданию новых программных средств, необходимых для покрытия «белых пятен» в математическом обеспечении исследовательских и проектировочных расчётов летательной техники нового поколеній. План-прогноз был разработан на основе прикладных научных целей, выдвинутых учеными ЦАГИ и конструкторами ОКБ в процессе организованного автором экспертного анализа в 1985 году.
2. Особенностью, как показал многолетний опыт применения вычислительных средств в отраслевом институте и авиационной промышленности, является сравнительно более сильная взаимосвязь методологии компьютерных расчётов с постоянно проводимыми экспериментальными исследованиями. В связи с этим, достоинством многих программ, созданных в отраслевом институте, является сравнительно хорошая согласованность полученных с их помощью результатов с данными эксперимента.
В связи с этой особенностью при создании математической прикладной программной среды соблюдался принцип структурной общности представления результатов расчётов и результатов экспериментальных исследований, принцип единого макроформата данных.
Следует отметить, что принцип единого макроформата данных распространяется и на данные натурного (лётного) эксперимента. На той же фиг. В.1 схематично представлена структура потоков данных: результатов расчётов, полученных с использованием некоторой математической модели, трубного и стендового эксперимента и лётного эксперимента.
Математические модели и общий макроформат данных
Летнын эксперимент
База данных проекта
с общим форматом
данных:
расчета,
стенд, эксперимента,
натур, эксперимента
фиг. В.1.
3. Следующий принцип, который не столько вырабатывался, сколько соблюдался в
создании Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ - это принцип модульного
структурирования программных средств и их формальная структурная классификация.
С началом организации и развития ОФАП автором с группой ведущих специалистов авиационной отрасли были разработаны и опубликованы «Методические Указания к описанию программ, включаемых в фонд программ авиационной промышленности» (1978 г.), и затем они были выпущены в свет в расширенном варианте (1985 г.). Этими изданиями в авиационной промышленности были введены рекомендации по обеспечению единого представления описания программ и содержания документации к различным видам программных разработок.
Методические указания к описанию программ, включаемых в фонд программ авиационной промышленности, методические разработки и организация информации о программах были в значительной своей части в последующие годы использованы как положительный результат и в других отраслях машиностроения и позволили интенсифицировать работы по автоматизированному проектированию не только летательных аппаратов, но и других объектов машиностроения.
4. Четвертый, реализованный принцип построения - это ориентация отраслевого
программного обеспечения на многодисциплинарный комплексный расчёт и
автоматизированное проектирование летательного аппарата.
Практическая необходимость решения комплексных многодисциплинарных задач, объединяющих расчёты по аэродинамике, динамике полёта, аэроупругости, прочности, ресурсу и т.д., стимулировала создание не только базового программного обеспечения по отдельным направлениям, но и методологию интеграции направлений и разработку необходимой программной системной поддержки.
Тенденция интеграции тематических направлений определила тенденцию к интеграции прикладного программного обеспечения и вложенных в него математических моделей. Это, в свою очередь, потребовало разработок системного математического обеспечения, которое необходимо в качестве инструментальной системы для «стыковки» программных модулей или программных частей и для организации вычислительного процесса в реализации интегрированного комплексного многодисциплинарного расчёта летательного аппарата.
Многолетний опыт сотрудничества НИИ и ОКБ по созданию новых проектов летательных аппаратов показал, что расчётные прикладные исследования, в том числе комплексные расчёты, и автоматизированное проектирование не только методически тесно связаны, но и, более того, методически объединены.
Таким образом, разработка и реализация принципов создания ОФАП, в том числе классификации программ по аэромеханике летательного аппарата, методологии их документирования и сертификации, общего макроформата данных расчётов и эксперимента, информационного обеспечения ОФАП, и создание функционально достаточно полного ОФАП позволили получить следующие научные и практические результаты:
создать базовую прикладную программную среду для комплексного расчёта и автоматизированного проектирования летательных аппаратов практически всех классов;
включить в ОФАП сертифицированные программы с эффективными вычислительными методами, математическими моделями и алгоритмами, использующими последние достижения в этих областях и в организации вычислительного процесса; это позволило на ограниченном по мощности вычислительном оборудовании получить максимально возможные результаты, обеспечивающие сокращение сроков и техническое совершенство отечественных проектов летательных аппаратов.
В формировании ОФАП авиационной отрасли, эффективно применяемого при создании летательных аппаратов нового поколения, были использованы, наряду с достижениями НИИ и ОКБ отрасли, и достижения в области механики и вычислительной математики ВЦ РАН, ИАП РАН, ИПМ РАН, ВВИА, МАИ и других научных школ и организаций.
Важным фактором, определяющим успех комплексного расчёта и автоматизированного проектирования, является наличие методов эффективного проведения многопараметрических исследований и методов формирования оптимального проекта. В главе I представлены разработки методов взаимодействия в решении комплексных проблем аэромеханики и, в частности, впервые предложенная и созданная вычислительная система взаимодействия, явившаяся в своё время началом нового направления использования методов взаимодействия: от взаимодействия на базе простейших ЭВМ с прямым доступом до взаимодействия на платформах - распределённых вычислительных системах.
Значительную роль в ускорении расчётных исследований и, в этой части, автоматизированного проектирования имеет технология параллельной обработки. В связи с этим в течение ряда лет автором совместно с сотрудниками ЦАГИ и с учётом достижений отечественных и зарубежных учёных разработана инструментальная система распараллеливания программ и в режиме взаимодействия параллельных макропроцессов по аэродинамике и прочности решена комплексная задача статической аэроупругости, результаты решения которой представлены в главе 1.
Поскольку формирование геометрической модели летательного аппарата - это формирование исходной информации для всех последующих параметрических расчётов с необходимостью быстрых и с малым объёмом вычислений вариаций параметров внешних обводов, осуществлена разработка весьма важной компоненты комплексного расчёта и САПР -макроязыка и поддерживающих его процедур построения и модификации геометрической числовой модели самолёта, Представленных в главе II. В этой же главе представлен новый метод линий уровня, осуществления гладких локальных модификации поверхности на базе применения В-сплайн интерполяции, который позволил эффективно проводить локальные вариации поверхности в практике проектирования.
И, наконец, в главе III представлены результаты создания моинторной системы, обеспечивающей посредством Директивной Спецификации Проблемы управление модулями-солверами и блоками данных унифицированным образом в процессе комплексного расчёта и автоматизированного проектирования. Обеспечивается при этом, в отличие от других отечественных и зарубежных систем управления, наиболее гибкое управление открытого для расширения многодисциплинарного множества модулей и блоков данных без возникновения конфликтных ситуаций по вычислительным ресурсам при обработке больших программ и больших полей данных, которые, как правило, характерны для комплексного расчёта и автоматизированного проектирования летательного аппарата. Управление посредством разработанной и представленной в диссертации мониторной системы в то же время наилучшим образом соответствует структуре многоуровневого и с наличием циклов процесса проектирования.