Автореферат (Автоматизация проектирования процесса намотки авиационных конструкций на основе применения локально-аппроксимационных сплайнов)

На правах рукописиМирошниченко Павел ВладимировичАВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАМОТКИАВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯЛОКАЛЬНО-АППРОКСИМАЦИОННЫХ СПЛАЙНОВСпециальность 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования(авиационная и ракетно-космическая техника)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2014Работа выполнена в федеральном государственном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)».Научный руководитель:Денискин Юрий Иванович,д.т.н.,профессор,профессор кафедры «Инженерная графика»Московского авиационного института(национального исследовательскогоуниверситета)Официальные оппоненты:д.т.н.,профессор,зав.кафедрой экономической информатикиФБГОУ ВПО «Уфимский государственныйавиационный университет»Мартынов Виталий Владимирович;к.т.н,руководитель департамента ИТ решений ООО«ДжиИ Хелскэа» (GE Healthcare / GeneralElectric)Аведьян Артем БогосовичВедущая организация:ФГБОУ ВПО «МАТИ – РГТУ им.К.Э.Циолковского», 121552, г.Москва,ул.Оршанская, д.3Защита диссертации состоится 29 декабря 2014 г.

в 10:00 ч. на заседаниидиссертационного совета Д212.125.13 ФГБОУ ВПО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)»,по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)».Отзывы на автореферат направлять по адресу 125993, Москва, А-80, ГСП3, Волоколамское шоссе, д.

4.Автореферат разослан «___» октября 2014 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.13,к.т.н., профессор2Л.В. МаркинОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.Интенсивное развитие и создание новых поколений авиационнойтехники определяют задачи разработки новых конструкционныхматериалов,обеспечивающихоптимальныефизико-механическиехарактеристики авиационных конструкций, с применением современныхтехнологий. Наиболее перспективными являются конструкционныекомпозиционные материалы (ККМ) на основе углеродных, борных,стеклянных, органических и других видов волокон и нитей. Некоторыефизико-механическиесвойстваККМзначительнопревосходятаналогичные свойства металлических материалов. Например, удельнаяпрочность ККМ в 4-5 раз превышает удельную прочность стали,алюминиевых и титановых сплавов.

Композиционные материалы приэтом обладают низкой теплопроводностью, высокой термостойкостью,хорошимитехнологическими,электроизоляционными,антикоррозийными свойствами и сравнительно малым удельным весом.Важнейшим преимуществом технологии изготовления авиационных идругих конструкций из ККМ является возможность получать монолитныеконструкции без швов и скреплений, что позволяет достаточно простовоспроизводить теоретические контуры внешних обводов летательногоаппарата при сохранении его аэродинамических свойств.Использование ККМ в авиастроении напрямую связано с созданиемсовременных эффективных технологий изготовления авиационныхконструкций с комплексом наперед заданных характеристик при условииобеспечения высокого уровня автоматизации.

В настоящее время приизготовлении авиационных конструкций из ККМ применяется один изсамых популярных и эффективных методов – намотка непрерывныминитями/волокнами на поверхность технологической оправки. Длясовершенствования и оптимизации технологического процесса намоткитребуется разработка программно-аппаратного обеспечения намоточныхстанков с числовым программным управлением (ЧПУ) на основеприменениямаксимальнополныхматематическихмоделей,описывающих процесс укладки ленты на поверхность оправки с учетомцелого ряда условий и ограничений.

Одним из таких обязательныхусловий является содержание в модели геометрических данных о заданииповерхности технологической оправки и кривой намотки. Все вышеперечисленное определяет актуальность выполненного диссертационногоисследования.3Целью диссертационной работы является разработка научнометодического и программного обеспечения для автоматизациипроектирования процесса намотки конструкций из композиционныхматериалов на основе применения локально-аппроксимационныхсплайнов. Научно-методическое обеспечение должно включать: моделипроцесса намотки, учитывающие реальную структуру ленты иединообразиеформированиякриволинейнойповерхноститехнологической оправки, а также методику определения оптимальнойтраектории движения нитераскладывающего механизма намоточногостанка с ЧПУ.Для достижения поставленной цели требуется решение следующихтеоретических и прикладных задач:• разработать геометрические модели процесса укладки ленты насложную криволинейную поверхность технологической оправки сучетом универсальности их применения;• разработать методики математического описания моделей процессаукладки ленты на сложную криволинейную технологическуюповерхностьоправкинаосновеприменениялокальноаппроксимационных сплайнов;• разработать алгоритмы получения явных приближенных формуллокально-аппроксимационных сплайнов для расчета параметровпроцесса намотки;• разработатьметодики построения оптимальной траектории движениянитераскладывающего механизма намоточного станка с ЧПУ дляувеличения производительности процесса намотки;• выполнить программную реализацию разработанного научнометодического обеспечения автоматизации проектирования процессанамотки в виде программного обеспечения.Объектом диссертационного исследования является теорияавтоматизации проектирования процессов намотки и выкладкиконструкций из волокнистых композиционных материалов.Предметомдиссертационногоисследованияявляетсяматематический аппарат для автоматизации проектирования процессанамотки сложных конструкций из волокнистых композиционныхматериалов.Методы исследования.Поставленные в работе теоретические задачи решаются методамидифференциальной и вычислительной геометрий с привлечениемматематического анализа, дифференциальных уравнений, линейнойалгебры, теории упругости и некоторых других областей математики.

Вприкладной части работы при разработке программного обеспечения4применялисьметодытеориивычислений,обыкновенныхдифференциальных уравнений, теории матриц и современные методыпрограммирования.Научная новизна работы.Разработано научно-методическое обеспечение автоматизациипроектирования процесса намотки авиационных конструкций изкомпозиционных материалов на сложную технологическую поверхностьоправки на основе применения локально-аппроксимационных сплайнов:1.

Разработана методика математического описания модели укладкиленты на сложную криволинейную технологическую поверхностьоправки на основе применения локально-аппроксимационныхсплайнов;2. Разработан алгоритм получения явных приближенных формул длярасчета параметров процесса намотки;3. Разработанаметодикаавтоматизированногоформированияоптимальной траектории движения нитераскладывающего механизманамоточного станка;4. Разработан комплекс программных модулей, реализующих модельпроцесса укладки ленты.Полученные методики и алгоритмы позволяют программно реализоватьмодель процесса намотки на поверхности зависимых сечений скриволинейной образующей с учетом структуры ленты и накладываемыхограниченийпооптимальнойтраекториидвижениянитераскладывающего механизма станка.Положения, выносимые на защиту:1.

Методика математического описания модели укладки ленты насложную криволинейную технологическую поверхность оправки наоснове применения локально-аппроксимационных сплайнов;2. Алгоритм получения явных приближенных формул для расчетапараметров процесса намотки;3. Методикаавтоматизированногоформированияоптимальнойтраектории движения нитераскладывающего механизма намоточногостанка;4. Система автоматизации проектирования процесса намотки ипрограммирования намоточных станков на языке M(G)-кодов сучетом их реальных кинематических схем.Практическая значимость.На основе разработанного методического и алгоритмическогообеспечения автоматизации проектирования процесса намотки созданасистема проектирования и программирования намоточных станков сучетом их реальных кинематических схем. Системные средстваинженерного анализа разработанной системы позволяют визуализировать5ориентацию волокон в слоях тела намотки и рассчитыватьконструктивно-прочностные характеристики ленты.Использование разработанного программного комплекса припроектировании реальных конструкций из композиционных материаловпозволило:сократить сроки проектирования авиационных конструкций(секций отсеков фюзеляжа, лонжеронов) на 10-12% посравнению с ручным проектированием.снизить стоимость изготовленияна 6-8% за счет уменьшениязатрат на проектирование и оптимизацию технологическогопроцесса намотки по времени.Реализация и внедрение результатов.Результаты диссертации внедрены на предприятии ОАО «НИАТ», втакже учебный процесс Московского авиационного института(национального исследовательского университета), что подтверждаетсясоответствующими актами внедрения.

Получено свидетельство огосударственной регистрации программы для ЭВМ №2012615308«Программа WindingCAD для моделирования процесса намотки сложныхкриволинейныхконструкцийизволокнистыхкомпозиционныхматериалов, применяемых в авиационной и ракетно-космическойтехнике».Апробация работы.Разработанные в диссертации теоретические и прикладные основыавтоматизации проектирования процесса укладки ленты на сложнуюкриволинейную технологическую поверхность оправки на основеприменения локально-аппроксимационных сплайнов использовалось припроведении НИР по гранту №4.B37.21.0425 в рамках реализации ФЦП«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на2009 – 2013 гг.Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на9-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2010»(Москва, 16-18 ноября 2010 г.), на международной научно-практическойконференции «Современные проблемы и пути их решения в науке,транспорте, производстве и образовании 2010» (Одесса, 2010 г.), на «VIIIмеждународной конференции по неравновесным процессам в соплах иструях» (Алушта, 25-31 мая 2010 г.), на научно-методических семинарахкафедры «Инженерная графика» Московского авиационного института(национального исследовательского университета), 2010 – 2013 гг.Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 7научных работах, 3 из них – издания, рекомендованные ВАК РФ.6Структура и объем работы: диссертационная работа состоит извведения, четырех глав, заключения, списка использованных источников(125 наименований) и приложений.