Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка программно-технических решений в области промышленного программного обеспечения для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях для решения задач проектирования авиакосмической техники

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
термоупругость, криволинейные конечные элементы, элементы высоких порядков, спектральные конечные элементы, автоматическая генерация сеток, гибридные сетки, программный комплекс, численный деформационный анализ, нелинейный анализ напряженно-деформированных состояний, композиционные материалы, упруго-пластическое деформирование, тонкостенные конструкции

Цель проекта:
Разработка программно-технических решений в области промышленного программного обеспечения для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях. Предоставление научно-исследовательским организациям, занимающимся разработкой и конструированием техники новых поколений, новых и эффективных методов и средств конечноэлементного моделирования, а также создание импортозамещающего программного обеспечения, предназначенного для решения задач проектирования авиакосмической техники.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Математические модели (связанные задачи), описывающие процесс нагружения тела при больших механических и немеханических воздействиях, прикладываемых одновременно или последовательно, учитывающие образование и развитие концентраторов напряжений (повреждений), сопровождающиеся перераспределением конечных деформаций.
2. Алгоритм решения связанных задач прочности в рамках указанных моделей.
3. Алгоритм автоматического перестроения геометрии тела и расчетной сетки на основе технологии NURBS при последовательном образовании и развитии концентраторов напряжений в теле.
4.Программно-технические решения для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях в виде экспериментального образца программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы для различных типов элементов высокого порядка методом спектральных элементов и методом конечных элементов на основе технологий высокопроизводительных вычислений.
5 Рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики с учетом технологических возможностей̆ индустриального партнера, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
6. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: Разработка программного комплекса для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях для решения задач проектирования авиакосмической техники.
Разрабатываемый ЭО ПО будет состоять из двух основных составляющих: графического интерфейса, реализующего функции препроцессора и постпроцессора, и вычислительной части, реализующей функции моделирования процесса нагружения тела при различных воздействиях.
Отличительной особенностью разрабатываемого ЭО ПО будет включение в него возможностей (присущих специализированным пакетам), позволяющих осуществлять ввод геометрии на уровне расширяемой библиотеки макрообъектов (некоторых стандартных элементов конструкции, параметризованных в терминах предметной области).
Таким образом, препроцессор разрабатываемого ЭО ПО будет сочетать в себе возможности универсальных пакетов конечноэлементного моделирования и специализированных, что, с одной стороны, позволит предоставить достаточно широкие возможности расчета различных конструкций, а с другой, дает возможность существенно снизить трудозатраты пользователей, занимающихся проектированием определенного типа конструкций.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
На основе полученных в ходе выполнения проекта результатов будет разработан экспериментальный образец программного обеспечения, который будет служить прототипом для создания высокоэффективного программного обеспечения, позволяющего не только осуществить импортозамещение господствующих на отечественном рынке западных программных продуктов (ANSYS, NASTRAN, ABAQUS и др.), но и предоставить новые специальные возможности для работы отечественных конструкторов современной авиационной и космической техники.

Среди новых технологических решений можно указать алгоритмы решения трехмерных связанных задач прочности, позволяющие моделировать термоупругое состояние конструкций, изготовленных с использованием композитов с различными типами материалов, количеством, ориентацией и последовательностью укладки слоев, без использования процедур гомогенизации, в условиях высоких, изменяющихся во времени, тепловых и механических воздействий. Разработанные алгоритмы применимы не только для плоских конструкций, но и для конструкций с коническими и цилиндрическими поверхностями, и позволяют детально изучать распределение напряжений вдоль и поперек армирующих волокон.
Новыми являются построенные на основе экспериментальных данных и данных газодинамического моделирования алгоритмы расчета аэродинамического теплового потока для произвольных режимов полета (с изменяющимся во времени числом Маха и углом атаки) гиперзвуковых летательных аппаратов. Эти алгоритмы являются неотъемлемой частью системы моделирования термоупругого состояния элементов конструкций гиперзвуковых летательных аппаратов и позволяют без потери адекватности получаемых решений заменить очень ресурсоемкое газодинамическое моделирование аэродинамического нагрева.
Новыми также являются алгоритмы автоматического построения оптимизированных расчетных сеток в конструкциях произвольного типа, а также алгоритмы перестроения геометрии тела и расчетной сетки; алгоритмы уменьшения погрешности численных решений с применением p-технологии, h-технологии и p-h-технологии.
Анализ адекватности результатов моделирования, получаемых при решении связанных (термомеханических) задач, проводился на примере решения задачи моделирования термоупругого состояния носовых обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов, изготовленных из различных материалов, в условиях различных, изменяющихся во времени, высоких тепловых и механических воздействий. Сравнение проводилось с экспериментальными и расчетными результатами, опубликованными в высокорейтинговых зарубежных журналах, например, International Journal of Thermal Sciences, а также в публикациях, в которых представлены результаты, полученные по программе испытаний гиперзвуковых летательных аппаратов HIFiRE.
Анализ точности получаемых численных решений в окрестности концентраторов напряжений в изотропных и ортотропных материалах проводился с использованием представленных в научной литературе аналитических решений.
Сравнение качества и вычислительной эффективности построения сеток проводилось для сеток, построенных с использованием конечноэлементного пакета ANSYS, одного из наиболее распространенных и часто используемого для решения рассматриваемых в данном проекте задач. В результате исследований были установлены существенные преимущества разработанных алгоритмов построения сеток по сравнению с генераторами сеток пакета ANSYS как по вычислительным затратам, так и по качеству получаемых сеток: необходимой мелкости ячеек сетки в окрестности концентраторов напряжений при ограничении общего количества узлов в сетке.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые программно-технические решения моделирования процессов нагружения тела при больших механических и немеханических воздействиях могут быть использованы для решения задач проектирования авиакосмической техники. Потребителями научно-технических результатов могут быть конструкторские бюро и НИИ, занимающиеся разработкой перспективной авиационной техники. Коммерциализация проекта возможна в виде продажи лицензий на программное обеспечение для решения сложных задач прочности, а также в виде проведения расчетов для сложных конструкций, в том числе из современных и перспективных композитных материалов.
Индустриальным партнером проекта является Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА), который является одной из крупнейших научно-исследовательских и испытательных баз авиационной и космической отраслей России на Востоке страны. Одним из основных направлений деятельности СибНИА является проектирование и отработка прочности перспективных летательных аппаратов авиакосмической отрасли. Существенное место в сфере интересов Индустриального партнера занимают научно-технологические задачи, которые могут быть решены с использованием разработанного в рамках проекта программного обеспечения. Это, например, трехмерные связанные задачи термоупругости, в том числе расчет термоупругого состояния обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов из композиционных материалов при неосесимметричном аэродинамическом нагреве, а также механических нагрузках типового полета; расчет напряженно-деформированных состояний панелей и отсеков фюзеляжа сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов при эксплуатационных нагрузках и аэродинамическом нагреве; расчет процесса упруго-пластического формования тонкостенных панелей.
Внедрение в практику разработанных программно-технических решений позволит в значительной мере отказаться от зарубежного программного обеспечения, сделать более удобной и производительной работу конструктора, улучшить качество математического моделирования при решении специализированных классов задач, связанных с проектированием авиакосмической техники.

Текущие результаты проекта:
К настоящему моменту разработаны математические модели для расчета процессов механического и теплового нагружения тела, включая построение вариационных постановок и конечноэлементных аппроксимаций. На их основе созданы алгоритмы решения связанных задач прочности с возможностью учета радиационного излучения тепла, геометрической и физической нелинейности; алгоритмы автоматического построения оптимизированных расчетных сеток в конструкциях произвольного типа и для специализированных конструкций.
Разработанные математические модели обеспечивают возможность моделирования напряженно-деформированного состояния элементов конструкции при наличии в них конечных деформаций с последующим приложением немеханических воздействий (температурных, радиационных), чье воздействие также приводит к возникновению в элементах конструкции дополнительных конечных деформаций, накладывающихся на уже имеющиеся; поддерживают определяющие соотношения, описывающие свойства изотропных и анизотропных материалов, что позволяет без использования процедур гомогенизации моделировать напряженно-деформированное (в том числе термоупругое) состояние трехмерных конструкций, изготовленных с использованием композитных материалов.
Алгоритмы решения связанных задач адаптированы для анализа термоупругого состояния при аэродинамическом нагреве носовых обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов, включая параметризацию геометрии конструкции, удобные средства управления подробностью сеток, а также алгоритм расчета теплового потока при произвольном угле атаки, позволяющий без потери адекватности получаемых решений заменить очень ресурсоемкое газодинамическое моделирование. Алгоритмы построения сеток позволяют при очень низких вычислительных затратах и трудозатратах пользователя получать оптимизированные сетки в конструкциях различного типа.
Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов и проведена их апробация на задачах моделирования термоупругого состояния обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов в условиях высоких изменяющихся во времени тепловых и механических воздействий.