Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0118

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0118
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет"
Название доклада
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
Докладчик
Соловейчик Юрий Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является 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 и предоставление научно-исследовательским организациям, занимающихся разработкой и конструированием авиакосмической техники новых поколений, новых и эффективных методов и средств конечноэлементного моделирования, а также создание импортозамещающего программного обеспечения, предназначенного для решения задач проектирования авиакосмической техники.
Актуальность и новизна исследования
Критически важными задачами, связанными с выполнением исследований и разработок в направлении совершенствования отечественной авиакосмической техники, являются задачи прочности и тепловой прочности. Решение таких задач сопряжено с необходимостью использования наукоемкого, но при этом ориентированного на промышленное использование программного обеспечения, реализующего высокоточные и вместе с тем вычислительно эффективные методы многомерного численного моделирования процессов нагружения при больших механических и немеханических воздействиях. Широко известные конечноэлементные пакеты, такие как ANSYS, Nastran и др., являются продуктами зарубежного производства, что делает уязвимыми наши передовые предприятия, использующие для выполнения важнейших конструкторских работ наукоемкие программные продукты только зарубежных производителей.

Поэтому актуальным является создание импортозамещающего программного обеспечения для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях, обладающего, как минимум, аналогичными потребительскими свойствами, но при этом лучше учитывающего потребности наших ведущих предприятий при разработке техники новых поколений и превосходящего зарубежные пакеты в своих отдельных возможностях, но важных именно для наших конкретных предприятий, занимающихся проектированием авиакосмической техники.
Описание исследования

Разработанный экспериментальный образец программного обеспечения (ЭО ПО) состоит из двух основных составляющих: графического интерфейса, реализующего функции препроцессора и постпроцессора, и вычислительной части, реализующей функции моделирования процесса нагружения тела при различных воздействиях.

Графический интерфейс наряду с возможностями задания произвольных конструкций предоставляет возможности быстрого и удобного задания специфических конструкций. К таким конструкциям относятся, например, обтекатели летальных аппаратов. Это позволяет сократить трудозатраты пользователя при работе с программным комплексом и в тоже время улучшить качество получаемых численных решений.

При задании конструкций произвольного типа используется принцип каркасных сеток, для которых разработаны быстрые алгоритмы построения оптимизированных нерегулярных сеток с возможностью локальных сгущений в подобластях концентраторов напряжений. Это позволяет резко повысить точность численных решений без существенного увеличения вычислительных затрат.

Вычислительная часть построена на использовании метода конечных элементов. В состав комплекса для дискретизации расчетных областей включены возможности использования сеток с призматическими элементами различных порядков, в том числе с криволинейными границами. В качестве базисных используются функции, построенные по иерархическому принципу. Использование именно таких функций позволило реализовать возможность локального повышения порядка элементов (что является отличительной особенностью ЭО ПО), и это, в свою очередь, позволило без существенного увеличения вычислительных затрат повысить точность получаемых решений в областях концентрации напряжений.

В разработанном ЭО ПО предусмотрена возможность моделирования процессов в конструкциях, состоящих из композиционных материалов в виде многослойных ламинатов. При этом отличительной особенностью является возможность непосредственного включения в расчетную область всех слоев ламината с учетом направления их армирования и, возможно, различных свойств. Кроме того, предусмотрена возможность моделирования не только для конструкций с плоскими поверхностями, но и для конструкций с цилиндрическими и даже с коническими поверхностями, стенки которых выполнены из композиционного материала. При этом в одной конструкции возможно наличие различных способов укладки слоев композиционного материала.

Вычислительные схемы реализованы таким образом, что расчет в сложных конструкциях из композитов осуществляется «напрямую» без использования гомогенизации. Это особенно важно при моделировании термоупругих состояний и позволяет детально (по слоям ламината) изучать распределения напряжений вдоль и поперек армирующих волокон.

Еще одной особенностью ЭО ПО является то, что в него включены специальные способы расчета и учета аэродинамического теплового потока. Это является очень важной составляющей при решении связанных задач рассматриваемой предметной области – проектирования авиакосмической техники. Для этого был разработан алгоритм расчета теплового потока при произвольном угле атаки, позволяющий без потери адекватности получаемых решений заменить при моделировании аэродинамического нагрева очень ресурсоемкое газодинамическое моделирование.

Способ моделирования нелинейных (в том числе упругопластичных) процессов при нагружении тела, реализованный в ЭО ПО, основан на поэтапном изменении конечноэлементной сетки с перемещением ее узлов в соответствии с найденными на текущем шаге смещениями и сохранением ее структуры. Это позволяет успешно и эффективно моделировать любые процессы последовательных нагружений.

Процедуры выдачи значений напряжений по конечноэлементному решению реализованы на основе согласованного результанта. Это позволяет во многих случаях получать решение с необходимой точностью без применения затратных элементов высоких порядков.

Помимо стандартных методик тестирования апробация ЭО ПО проводилась 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.

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта разработаны математические модели для расчета процесса нагружения тела, включая построение вариационных постановок и конечноэлементных аппроксимаций; разработаны и реализованы в виде экспериментального образца программного обеспечения (ЭО ПО) алгоритмы решения связанных задач прочности с возможностью учета излучения, геометрической и физической нелинейности, автоматического построения оптимизированных расчетных сеток, уменьшения погрешности численных решений с применением различных технологий; проведены экспериментальные исследования ЭО ПО, результаты которых подтвердили его работоспособность и ожидаемые технические характеристики.

Новыми являются технологические решения в части: решения трехмерных связанных задач прочности, позволяющие моделировать термоупругое состояние 3D конструкций с коническими и цилиндрическими поверхностями, изготовленных с использованием композитов, без использования гомогенизации; вычислительно эффективных алгоритмов расчета аэродинамического теплового потока для сложных режимов полета гиперзвуковых летательных аппаратов; алгоритмов автоматического построения оптимизированных расчетных сеток.

Разработанные и экспериментально подтвержденные программно-технические решения делают разработанный ЭО ПО не только конкурентоспособным по сравнению с ведущими мировыми аналогами в части точности результатов численного моделирования и вычислительной эффективности, но и предоставляют гораздо более удобные возможности его использования для решения задач проектирования и отработки прочности перспективных летательных аппаратов авиакосмической отрасли. Подтверждением этому служат: результаты теоретических и экспериментальных исследований, в ходе которых 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; сравнение результатов моделирования термоупругого состояния обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов, проведенное с использованием разработанного ЭО ПО, с экспериментальными и расчетными данными зарубежных исследователей, которое показало преимущество разработанных для решения этого класса задач подходов в части скорости получаемых численных решений; предложенный метод моделирования трехмерных конструкций с цилиндрическими и коническими поверхностями, выполненных из композитных материалов, с возможностями задания управляемого поворота осей анизотропии и автоматического построения оптимизированной расчетной сетки в сравнении с моделированием на основе процедур гомогенизации и учета анизотропии только в конструкциях с плоскими поверхностями, чем ограничиваются исследователи в большинстве научных публикаций, в том числе в высокорейтинговых зарубежных журналах.

Примеры расчетов термоупругого состояния, выполненные и визуализированные с использованием разработанного ЭО ПО, для обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов из композитного материала и из различных металлов представлены на рисунках 1 и 2. На рисунке 3 представлено сравнение расчетных данных, полученных с использованием разработанного ЭО ПО и с использованием пакета ANSYS, с экспериментальными данными, опубликованными для керамического обтекателя гиперзвукового летательного аппарата.

Практическая значимость исследования
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 ПНИ 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 СибНИА 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 обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов из композиционных материалов при неосесимметричном аэродинамическом нагреве и нагрузках типового полета, расчет напряженно-деформированных состояний панелей и отсеков фюзеляжа сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов при эксплуатационных нагрузках и аэродинамическом нагреве и др.

Внедрение в практику разработанных программно-технических решений позволит частично 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.