Проектирование и конструирование

Под проектированием газотурбинного двигателя (или энергетической установки) понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможность промышленного изготовления новой установки (двигателя), отвечающего заданным требованиям, и позволяет осуществить его надежную эксплуатацию в заданных условиях.

Проектирование– сложный творческий процесс, являющийся неотъ- емлемой составной частью инженерной деятель- ности, он не сводится к разработке чертежей, а рассматривается как начальный этап создания но- вого изделия.

Разработка нового объекта осуществляется не только путем проекти- рования, но и путем конструирования. Проектирование и конструирование являются взаимосвязанными процессами, дополняющими друг друга. Про- ектирование принято рассматривать как процесс построения общей схемы установки, двигателя, их узлов и систем, а конструирование– как более детальную проработку этой схемы с учетом технологии изготовления.

Конструкционная форма объекта уточняется применением методов проектирования – произведением расчетов параметров, прочностных рас- четов, оптимизации и др.

Применительно к объектам газотурбинной техники конструкция– это устройство, взаимное расположение частей и элементов установки (двигателя), определяющееся его назначением. Конструкция предусматри- вает способ соединения, взаимодействие частей, а также материал, из ко-

торого должны быть изготовлены отдельные части (элементы).

В свою очередь проектирование возможно только при предваритель-

но принятых вариантах конструкционного исполнения. Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обос-

нованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений.

Результатом проектирования является проект разрабаты-

ваемой установки (двигателя).

В результате конструирования создается конкретная, од-

нозначная конструкция изделия.

В процессе конструирования выполняется:

− формирование технических требования к изделию и его частям,

− создание моделей, изображений, видов изделия,

− расчет комплекса размеров с допускаемыми отклонениями,

− формирование требований к поверхностям,

− создание технической документации.

Конструирование опирается на результаты проектирования и уточ- няет все инженерные решения, принятые при проектировании. Создавае- мая в процессе конструирования техническая документация должна обес- печить перенос всей конструкторской информации на изготавливаемый двигатель и его рациональную эксплуатацию.

Цель проектирования и конструирования– разработка нового изделия, которое не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры и па- раметры (в виде прототипа).

Проектирование и конструирование – виды интеллектуальной дея- тельности, при которой у разработчика формируется конкретный образ, техническое решение, которое подвергается мысленным изменениям, эф- фект внесения которых всесторонне оценивается, оптимизируется и впо- следствии принимает окончательный, технически обоснованный вид.

В технической литературе часто используется термин «разработка». По сути – это более широкое понятие, чем проектирование и конструиро- вание. В разработку входят не только два эти вида инженерного творчест- ва, но и ведение научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.

Разработка проекта ГТД (ГТУ) требует интеграции знаний в области физики, математики, газовой динамики, управления в технических систе- мах, технологии и материаловедения, конструирования и инженерной гра- фики, и других прикладных и фундаментальных наук.

Этапы проектирования

Сложный процесс инженерного проектирования может быть пред- ставлен в виде логически связанной структуры, включающей в себя этапы и методы проектирования.

В начале проектирования должна быть концептуально, осознана и сформулирована общественная или техническая потребность в новом объ-

екте и желаемом его отличии от прежнего (если таковой имеется). Чтобы количественно сопоставить варианты проекта, необходимо перевести кон- цептуальные требования к объекту проектирования в количественную

форму оценки по различным критериям.

Техническое задание (ТЗ)является первичным, основополагающим документом, которым руководствуются приступая к разработке нового из- делия. ТЗ отражает технические, технико-экономические характеристики будущего изделия, определяет основные характеристики конструкции и принципы работы. Требования ТЗ основываются на современных дости- жениях науки и техники, на выполнении научно-исследовательских и экс- периментальных работах.

Техническое предложение – начальный этап проектирования. Основ- ная задача этого этапа – проверка совместимости требований ТЗ с возмож- ностями реализации технических решений. Техническое предложение со- держит анализ возможных вариантов технических решений и обоснование предлагаемого варианта решения.

Эскизный проект – конструкторская проработка оптимального вари- анта изделия до уровня принципиальных конструкторских решений, даю- щих общее представление об устройстве и принципах работы изделия. В эскизном проекте закладываются основы применения типовых, стандарти- зованных и унифицированных составных частей разработки, формируются требования к специальным комплектующим.

При проектировании ГТДи ГТУ различных типов на этапе эскизного проектирования выполняют в самом общем виде следующий объем работ:

1) выбор принципиальной схемы установки, отвечающей предъяв-

ляемым к данной установке технико-экономическим требованиям, изло-

женным в техническом задании на проектирование;

2) выбор параметров рабочего тела в цикле, позволяющих удовле-

творить технико-экономические требования к проектируемому изделию. В первую очередь выбираются температура рабочего тела перед турбиной и общая степень повышения давления в цикле;

3) разработка технических требований к узлам (компрессорам, тур-

бинам, камерам сгорания, теплообменным аппаратам), выбор типа и кон-

струкции основных узлов ГТД. Технические требования должны обеспе-

чивать получение проектных показателей (КПД, удельной мощности и др.) и должны учитывать современный уровень и тенденции развития конст- рукций и технологии узлов ГТД и их деталей.

Технический проект выполняют на основе согласованного и утвер- жденного эскизного проекта, а в тех случаях, когда последний не разраба- тывается, - на основе согласованного и утвержденного технического зада- ния (утвержденного технического предложения). Технический проект должен полностью определять проектируемую конструкцию и содержать окончательный технико-экономический расчет. Технический проект со- держит технические решения и данные, достаточные для полного пред- ставления об устройстве и принципах работы двигателя. В техническом проекте должны быть решены все вопросы, обеспечивающие высокий тех- нический уровень нового изделия как в процессе изготовления, сборки, испытания, так и в процессе эксплуатации. Все расчеты технического про- екта выполняются в окончательном виде, не требующем проверки или уточнения на этапе разработки рабочей документации.

Разработка рабочей документации составляет заключительный этап проектирования, задачей которого является полная детализация про- ектных решений, обеспечивающая возможность осуществления всех про- изводственных операций, связанных с реализацией этих решений и созда- нием двигателя. Рабочая конструкторская документация разрабатывается для изготовления опытного образца и дальнейшего производства двигате- ля. На этом этапе выполняются не принципиальные конструкторские раз- работки (они окончательно разработаны на проектных этапах), а конст- рукторско-технологические разработки оригинальных деталей.

На этапе разработки рабочей конструкторской документации заверша-

ется отработка конструкции на технологичность, обеспечиваются показа-

тели качества, технико-экономические показатели и др.

Разработка конструкторской документации непосредственно связана с технической подготовкой производства.

На всех этапах проектирования и конструирования инженер- разработчик даже при создании новых, ранее не существовавших устано- вок использует накопленный опыт предшествующих разработок аналогич- ных объектов. Такой опыт представляется ему в виде технической доку- ментации, созданной при разработке объектов, в виде результатов их экс- плуатации, опубликованных в различных литературных источниках, в виде патентно-информационных материалов.

Структура САПР

Обобщенная структура автоматизированных информационных систем

ПРОЕКТИРУЮЩИЕ ПОДСИСТЕМЫ– непосредственно выполняют проектные процедуры:

− подсистемы геометрического моделирования объектов (ГМ);

− подсистемы машинной графики (МГ) для визуализации геометриче-

ских моделей;

− подсистемы изготовления конструкторской документации;

− подсистемы кинематического анализа;

− подсистемы схемотехнического анализа, трассировки …

ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ ПОДСИСТЕМЫ– обеспечивают функциониро- вание проектирующих под- систем (системная среда или оболочка САПР).

− подсистемы управления проектными данными;

− подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения

CASE – Computer Aided Software Engineering;

− обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий

САПР …

Структурирование САПР по разным категориям обуславливает по-

явление ВИДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР.

Виды обеспечения САПР

1. Математическое обеспечение – формульные модели, полученные на основе анализа закономерностей предметной области

1.1. Методы.

1.2. Алгоритмы.

1.3. Математические модели.

2. Лингвистическое обеспечение – языки описания и обмена данными.

Разрабатывается на основе математического обеспечения и включает:

2.1. Языки разработки систем (чаще всего это языки программирования и языки инструментальных средств).

2.2. Языки проектирования, предназначенные для записи моделей пред- метной области, формирование исходных данных, диагностики про- цессов проектирования и представления результатов проектирования.

3. Информационное обеспечение – состоит из баз данных и СУБД, назы-

ваемых информационным фондом САПР. Включает:

3.1. Данные представленные в традиционной форме (бумажные носите-

ли).

3.2. Данные в электронной форме.

Информационная модель отражает информационные взаимосвязи элементов АСТПП, возникающие в процессе выполнения ее функций. Информационные модели представляют с помощью языков спецификаций информационных моде-

лей. Наиболее часто используют универсальный информационный язык моделей данных «сущность – связь». На основании информационных моделей определя- ют требования к информационной базе АСТПП (по объему хранимой информа- ции, форме ее ввода и вывода) и способам ее обработки.

4. Программное обеспечение.

4.1. Общесистемное программное обеспечение.

4.2. Инвариантные информационные, тестовые и графические системы различных систем управления, базы данных.

4.3. Программное обеспечение пользователей, включающее программно-

методические комплексы и программы пользователей.

5. Техническое обеспечение – необходимые аппаратные средства, пери-

ферийные устройства, телекоммуникации.

6. Методическое обеспечение – стандарты, нормативы и др. документы.

6.1. Документы, определяющие порядок создания, адаптации, развития подсистем, средств обеспечения и их компонентов.

6.2. Документы, определяющие правила эксплуатации основных подсис-

тем.

7. Организационное обеспечение – рациональное распределение труда.

7.1. Документы, по организации работы по созданию и эксплуатации подсистем.

7.2. Технико-экономические документы создания и эксплуатации объекта

Требования, предъявляемые к современным САПР

САПР– это человеко-машинная система,

• в которой ЭВМ хранит и обрабатывает информацию,

• а человек: анализирует и оценивает результаты обработки, принимает реше-

ния

− о дальнейшем пути проектирования,

− о применении тех или иных методик и моделей,

− о достаточности достигнутой точности,

− о повторении этапа проектирования с новыми значениями исход-

ных и управляемых величин,

− об учете ряда факторов или о пренебрежении ими и т.д.

Поэтому информационное обеспечение САПР должно позволять на любом этапе проектирования:

− легко и оперативно просматривать любые данные по проекту;

− корректировать эти данные;

− пополнять информационную базу дополнительными данными и т.д.

САПР– это открытая система, в которую могут добавляться новые компоненты программного, информационного и других видов обеспечения.

Желательно иметь такое построение САПР, при котором данные и обрабатываю-

щие их программы были бы независимыми, т.е. изменения в какой-либо прикладной программе не вызывали необходимость перестроения информационной базы САПР и наоборот. Однако полная независимость программ и данных практически недостижи- ма, поскольку значительно увеличивает время работы прикладной программы или время отклика системы на запрос.

САПР– система, базирующаяся на больших банках данных.

Необходимость обработки больших объектов взаимосвязанных (структурирован- ных) данных в автоматизированных системах разного назначения (АСУ, АСУТП, САПР) привела к появлению концепции банков данных – комплексов, включающих в себя:

− специальные структуры организации информации,

− алгоритмы,

− специальные языки,

− программные и технические средства.

Данная совокупность должна обеспечивать создание и эксплуатацию эффектив- ных систем накопления информации, поступающей от нескольких источников, ее об- новление, корректировку и использование в интересах ряда систем, а также прямую связь с пользователем для получения ответов на произвольные, в том числе незапла-

нированные, вопросы. Основными составляющими банка данных являются база (или

несколько баз) данных и система управления базами данных (СУБД).

В настоящее время разработаны и используются довольно многочисленные САПР ГТД, ГТУ и комбинированных установок. Каждая САПР состоит из ряда подсистем, взаимосвязанных и позволяющих получать конечные результаты на каждом этапе про- ектирования.

Принципы организации САПР

При создании и развитии САПР рекомендуется применять ряд принципов, которые обеспечивают высокую эффективность создаваемой САПР. К ним относятся:

− единство информационной модели проекта как организующего фактора на всех этапах процесса разработки изделия;

− принцип совместимости, который состоит в том, что языки, сим- волы, коды, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами, средствами обеспечения и компонентами САПР должны обеспечивать совместное функ- ционирование подсистем и сохранять открытую структуру системы в целом;

− принцип автономности подсистем, который означает ввод в дей- ствие и функционирование каждой подсистемы независимо от дру- гих подсистем.

− принцип системного единства, заключающийся в том, что на всех этапах создания, функционирования и развития САПР связи между подсистемами САПР должны обеспечивать целостность системы;

− принцип развития, который требует, чтобы САПР разрабатывалась и функционировала как развивающаяся система, в которой воз- можно пополнение, совершенствование и обновление подсистем и компонентов;

− адаптивность САПР, ориентация на передовые методы проекти-

рования;

− принцип стандартизации, который заключается в проведении унификации, типизации и стандартизации подсистем и компонен- тов, инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой спе- цифике, а также в установлении правил с целью упорядочения дея- тельности в области создания и развития САПР;

− проведение математического эксперимента с моделью проекти-

руемого объекта как основа принятия проектных решений;

и др.