Практическое применение EDS Unigraphics в авиастроении

Более 50 лет ОАО "Авиадвигатель" занимается проектированием и изготовлением опытных образцов авиационных двигателей. На двигателях разработки ОАО "Авиадвигатель" в СССР, а теперь в странах СНГ осуществляется 40% всех авиаперевозок. ТУ-134, ТУ-154М, ИЛ-62М, ИЛ-76, МиГ-31, ТУ-204, ИЛ-96-300 и ИЛ-76МФ - вот перечень самолетов, летающих на двигателях этого предприятия. В последние годы здесь проектируют и изготовляют газоперекачивающие агрегаты и энергетические газотурбинные установки. Широкий спектр проектных работ, сложность конструкции, сжатость сроков выполнения заказов, усиление конкурентной борьбы на рынке заставляют проводить работы на самом современном техническом уровне. Поэтому сегодня конструирование, анализ, технологическая подготовка производства осуществляется с использованием так называемых "тяжелых САПР", выбор и организация работы которых проходят в рамках единой концепции развития средств проектирования и технологической подготовки производства, способных решать поставленные перед фирмой задачи.

При разработке концепции автоматизации прежде всего были подвергнуты ревизии методы и средства проектирования, существовавшие на предприятии. На тот период это были программы газодинамического, теплового и прочностного анализа собственной разработки, системы от других ведущих научных институтов страны, а также пакеты Anvil, AutoCAD и "Компас".

В новой концепции основной упор был сделан на добавление к уже существующему программному обеспечению средств трехмерного проектирования и анализа, способных работать в распределенной компьютерной сети и удовлетворяющих основным принципам параллельного проектирования. Связующим звеном, стержнем всей системы проектирования должна была стать интегрированная CAD/CAM-система, которой, после тщательного анализа, стал пакет EDS Unigraphics (UG). На этот выбор повлияло соответствие UG следующим, с нашей точки зрения, важным критериям:

• гибридный моделлер;
• развитые средства проектирования поверхностей и твердых тел;
• хорошие средства параметризации;
• полнофункциональные и надежно работающие модули CAM;
• работа на большинстве компьютерных платформ;
• разумная ценовая политика и хорошо организованная поддержка и обучение в России;
• надежные средства обмена данными с системами CAE.

В соответствии с принятой концепцией на предприятии развернута и в течение нескольких лет успешно функционирует компьютерная сеть, в которую входят две сотни ПК, рабочие станции Silicon Graphics, почтовый сервер, сетевые серверы управления производством и бухгалтерским учетом, сервер управляющих программ для станков с ЧПУ.

После освоения системы, проведения серии абсолютно необходимых организационных мероприятий, написания ряда связующих программ была создана программно-аппаратная среда, отвечающая целям концепции. В этой среде UG является той осью, на которую опираются другие средства проектирования. Многие из этих средств по своей стоимости в несколько раз дороже UG, но их работа без использования функциональности CAD/CAM неэффективна. Сейчас с UG двунаправленной связью соединен пакет ANSYS, в котором проводятся тепловой и прочностной анализ наиболее ответственных деталей. С использованием аппарата user function в среде UG написан препроцессор, подготовки объемной сеточной модели для программы расчета течения в камере сгорания. Проведена опытная эксплуатация аппарата передачи данных из UG в пакет расчета трехмерных газодинамических течений. Отработан механизм взаимодействия UG с пакетом анализа заливки металла в пресс-форму.

Для иллюстрации возможностей созданной интегрированной среды приведем несколько примеров и рассмотрим некоторые аспекты использования UG для задач, решаемых в двигателестроении.

Подготовка специалистов и реорганизация

Подготовка специалистов для работы в UG осуществлялась поэтапно. Первоначально обучение было проведено для специалистов отдела САПР, а затем, используя их как "учителей", была организована более широкая, постоянно действующая подготовка кадров на предприятии. Такой подход оправдал себя на практике. Он позволил определенному составу в короткий срок выйти на уровень реальной полноценной работы в UG. В основном эти люди разрабатывают различные прикладные инструментальные средства, выполняют срочные работы повышенной сложности для нужд конструкторских и технологических подразделений и обучают специалистов других отделов. На сегодняшний день с САПР UG на предприятии постоянно работает 30 человек. На рабочих станциях работа организована по двухсменному расписанию. Ввиду дефицита "машинного времени" в расписание включаются только наиболее приоритетные работы. Организована работа в ночное время и в выходные дни.

Конструирование и технологическая подготовка производства

Практическая эксплуатация системы началась с вопросов, касающихся технологической подготовки производства, а именно:

• проектирование наиболее сложных элементов литейной оснастки для неохлаждаемых турбинных лопаток;
• генерация необходимых постпроцессоров для станков с ЧПУ (с применением модуля GPM);
• создание на языках Си и GRIP необходимых сервисных приложений;
• разработка управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ.

При выполнении подобного рода работ формировались группы параллельного проектирования, где в одну команду объединялись все специалисты, участие которых необходимо для проектирования и изготовления конкретной детали. Например, при изготовлении оснастки для турбинных лопаток в такую группу входили: конструктор по детали, специалист по литью, конструктор по оснастке, технолог, расчетчик программ для станков с ЧПУ.

Одновременная работа всех привлеченных специалистов, ежедневное обсуждение вносимых изменений в геометрические модели детали и оснастки позволили конструировать высокотехнологичные детали, исключили практику "перебрасывания документации через забор", что в итоге обеспечило значительное сокращение сроков проектирования и технологической подготовки производства и повысило качество изготовления.

Возможности модуля CAM UG обеспечили обработку поверхностей с высокой чистотой, однако при этом увеличилось количество кадров перфоленты, поэтому большинство станков было дооборудовано компьютерным обеспечением и подключено к вычислительной сети предприятия.

Постепенно область применения системы расширилась. Так был освоен процесс построения геометрической модели неохлаждаемых и охлаждаемых турбинных лопаток: отработаны методы построения замка, замкового соединения, полок и пера. Пример электронной модели охлаждаемой турбинной лопатки, полностью сконструированной в UG, представлен на рисунке 1.

Применение UG в совокупности с другими организационными и техническими мероприятиями позволило сократить срок технологической подготовки производства для турбинных лопаток в среднем в 3 раза, при этом удалось повысить качество изготавливаемой литейной оснастки, избавиться от большей части ручного труда по доводке пресс-форм, перевести все трудоемкие операции на программные станки с ЧПУ, гарантировать повторяемость форм в дополнительных комплектах оснастки, уйти от необходимости изготавливать шаблоны для контроля литейной оснастки и используемых для ее изготовления электродов. К сведению, изготовление одного шаблона занимает 3-4 человеко-смены, а их для указанной выше оснастки требуется около 40 штук.

Инструмент познается в работе

Стало уже правилом начинать технологическую подготовку производства новых турбинных лопаток, не дожидаясь утверждения чертежа на деталь, а опираясь на построенную в UG модель. Чертежи на вкладыши пресс-форм выпускаются параллельно с построением геометрических моделей вкладышей, которые нередко передаются в бюро подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ еще до того, как разработают и утвердят окончательный вариант соответствующих чертежей на оснастку. Качественно новые возможности в технологической подготовке производства, предоставляемые UG, поставили перед производством задачи адекватного повышения точности изготовления и увеличение производительности. Для реализации этих возможностей были приобретены современные высокопроизводительные электропрошивочные, электроискровые и фрезерные станки.

Параллельно шла работа над другим важным и не менее сложным направлением - проектирование и изготовление вентиляторных и компрессорных лопаток. Вентиляторная лопатка - это тонкостенная конструкция, состоящая из большого набора криволинейных поверхностей, которые должны очень гладко сопрягаться друг с другом и иметь плавное изменение второй производной. В местах сопряжения пера лопатки с полкой замка и с антивибрационной полкой приходится решать весьма нетривиальные задачи сопряжения по определенному закону поверхностей. В отличие от других деталей двигателя процесс проектирования вентиляторных лопаток предъявляет самые высокие требования к CAD-системе.

Сначала этой задачей мы занимались в Anvil, а затем в UG. В Anvil большинство операций сопряжения поверхностей решалось методом создания каркаса кривых с требуемым радиусом и последующим построением поверхностей. В различных реализациях UG версии 10-я часть операций обеспечивалась командой BLEND, часть - командой FILLET, но в наиболее трудных местах по-прежнему приходилось строить сеточную поверхность. Начиная с версии 10.5 достаточно надежно стали работать "клифованные" сопряжения, и во всех версиях UG очень хорошо проявляли себя функции языка GRIP и библиотека user function для обеспечения интерфейса с программами на языках Си и Фортран. Вообще говоря, программирование в UG широко применялось для автоматизации построения профильной части компрессорных и турбинных лопаток на основе непосредственного доступа к аэродинамической базе данных.

С появлением версии 11 технология построения лопаток значительно изменилась. Для построения поверхностей передних и задних кромок и обеспечения их плавного сопряжения с пером лопатки стали использоваться новые эффективные функции из раздела "поверхностное моделирование". Практически все операции сопряжения поверхностей с заданным радиусом сопряжения выполняются функцией BLEND. При этом хорошо обрабатываются ситуации, когда радиус не может полностью разместиться на сопрягаемых поверхностях традиционным образом. Отличительной особенностью этой версии UG стали операции твердотельного и поверхностного моделирования. В целом при переходе к версии 11, время построения геометрической твердотельной модели вентиляторной лопатки сократилось с трех недель до полутора.

Для адекватного сокращения времени разработки технологических процессов был применен принцип типизации конструкции, созданы типовые чертежи лопаток вентилятора, компрессора и неохлаждаемой турбины. При этом был использован метод построения лопаток из типовых элементов. Такой подход позволяет, с одной стороны, заранее создать необходимый набор скетчей и программ для параметризации элементов детали и ее оснастки, разработать ассоциативно связанные чертежи, а с другой - ускорить формирование маршрутных карт на базе типовой технологии, ускорить расчет межоперационных размеров и проектирование оснастки второго порядка.

Подготовка производства

Использование модулей CAM UG позволило повысить качество и увеличить количество разрабатаваемых УП, применяемых для обработки самых разных деталей. Следует особо отметить, что возросло не просто количество разрабатываемых УП в единицу времени, а стало возможным перевести на станки с ЧПУ обработку начисто почти всех поверхностей обрабатываемых деталей.

Технология механической обработки компрессорных лопаток претерпела значительные изменения. Раньше поверхности пера обрабатывались на станках с ЧПУ с припуском 1,5-2 мм, а профильные поверхности бандажных полок обрабатывались как цилиндрические поверхности с большим припуском. Доводочные работы занимали много времени и требовали большого напряжения и высочайшей квалификации от исполнителей. Теперь все поверхности пера и полок даже для тонкостенной компрессорной лопатки обрабатываются с припуском 0,2-0,3 мм. Время расчета такой УП для вкладыша размером 200х150 мм, содержащего 15-20 поверхностей, составляет 7-8 минут на станции SGI Indy. Время подготовки такой операции в UG составляет 20-30 минут. Для сравнения, время расчета УП, предназначенной для обработки пера компрессорной лопатки, в системе Anvil 5000 на VAX-11/780 и в UG на WS Indy составляют 2 часа и 5 минут, соответственно.

Внимательно следят за нашими успехами соседи и партнеры - ОАО "Пермские моторы", совместно с ними были построены геометрические модели матриц и пуансона ковочного и калибровочного штампа для одной из компрессорных лопаток.

Проектирование сложных деталей

Система UG имеет неплохие возможности для проектирования и изготовления деталей любого уровня сложности. Так, с помощью модуля Surface Layout с первого рза были выполнены работы по развертке дефлекторов для сопловых лопаток. Раньше эта процедура носила итерационный характер и занимала у нескольких специалистов массу времени, требовала много ручного труда, теперь ее может выполнить один человек за день-два.

Наиболее сложными, с точки зрения механической обработки, являются детали, которые можно изготовить только на 4-5 координатных станках. Для нас такими деталями были разделительный корпус для двигателя ПС-90А, крыльчатка центробежного компрессора, моноколесо. Применяемый в UG генератор постпроцессоров - GPM - позволил достаточно быстро сгенерировать 4-5 координатных постпроцессоров для станков с различной кинематической схемой. На рисунке 2 изображена крыльчатка для центробежного компрессора.

Сильной стороной модуля CAM UG является то, что он позволяет использовать достаточно сложный профильный инструмент. На нашем предприятии с его помощью успешно применяются для 3-х координатной обработки дисковые, а для 5-ти координатной - конические фрезы. При этом обеспечивается полный контроль на зарезы.

Макетирование

Другое исключительно важное, с нашей точки зрения, направление - создание в среде UG твердотельных электронных макетов авиационных двигателей, газоперекачивающих и энергетических газотурбинных установок. С помощью электронных макетов мы решаем следующие задачи.

1) Размещение на двигателе агрегатов, трассировка трубопроводных и электрических коммуникаций между ними, контроль за удобством доступа к агрегатам и лючкам осмотра обслуживающего персонала. Пример такого электронного макета показан на рисунке 3, здесь приведен вариант компоновки узлов газотурбинной установки.

2) Привязка двигателя к объекту: к газокомпрессорным станциям, электростанциям, мотогондоле самолета. Пример привязки двигателя к электростанции показан на рисунке 4.

3) Разработка управляющих программ для трубогибочного станка.

4) Подготовка аксонометрических проекций для инструкций по сборке и эксплуатации.

До использования электронного макетирования трассировкой коммуникаций конструкторы занимались на натурном макете, а он появлялся, только когда все узлы уже были спроектированы и изготовлены, и внесение каких-то изменений было крайне болезненным делом. Сейчас проектирование обвязки в UG идет параллельно с проектированием узлов двигателя и уже не является сдерживающим фактором. Кроме того, очевидна экономия средств на создание натурного макета. Часть электронного макета, предназначенного для отработки обвязки, показана на рисунке 5.

Черчение

Ввиду недостаточного количества рабочих мест, оснащенных системой UG, на нашем предприятии оформление большинства чертежей для построенных моделей осуществляется в системе AutoCAD, связь с которой производится через файлы в формате DXF. Модуль Drafting UG используется для расположения на листе чертежа нужных видов детали (сборки), в том числе с сечениями и выносными элементами. Затем, с помощью интерфейса UGtoDXF, из UG выводится заготовка чертежа в формате DXF для дооформления в AutoCAD. Обратный интерфейс DXFtoUG используется для ввода какой-либо геометрической или чертежной информации в UG. Русификация передаваемых из AutoCAD в UG текстов решена на уровне запуска специально разработанных для этой цели программ.

Тем не менее было бы неверно сказать, что выпуск конструкторской документации в UG не ведется. Модуль Drafting вполне удобен для работы и хорошо себя зарекомендовал. Для турбинных лопаток сложнейшие чертежи выпускаются в UG, а для определенного типа компрессорных лопаток разработана целая система автоматизированного выпуска чертежей.

Инженерный анализ

Серьезным шагом в деятельности нашего КБ стала организация расчетных цепочек из различных пакетов, с применением UG на определенных этапах. С использованием системы UG и ее модуля GFEM Plus, предназначенного для проведения прочностных и тепловых расчетов, были выполнены работы по оптимизации типа и формы внутреннего канала лопатки входного направляющего аппарата компрессора, подобран необходимый расход обогревающего воздуха, спроектирована литейная оснастка для его изготовления. Модуль GFEM Plus был использован при параметрическом анализе конструкции хвостовиков лопаток турбин. Более детальная оценка конструкции производится в пакете ANSYS.

Интересные параметрические исследования с использованием модуля GFEM Plus были проведены при выборе способа крепления кольцевой камеры сгорания, испытывающей большие деформации под действием давления и тепловых нагрузок. Не менее интересная цепочка была организована из ряда газодинамических программ, систем UG и ANSYS для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) и характера обтекания лопатки вентилятора в полетных условиях. Для построения конечноэлементной модели была использована геометрическая модель, построенная в UG.

На рисунке 6 приведены результаты тестовых расчетов с использованием специального пакета анализа процесса заливки и кристаллизации металла в керамической форме. Модель из UG была передана в пакет анализа заливки с применением прямого интерфейса.

Открытость системы и создание своих приложений

UG - это открытая система, позволяющая пользователям разрабатывать свои собственные приложения. Поэтому, параллельно с обычной интерактивной работой в системе UG, шла наработка своих приложений-функций и подсистем. Эти приложения написаны либо на языке GRIP, либо на языке Си с использованием библиотек User Function. Эти программы позволили автоматизировать нудную, рутинную работу. Примером такой подсистемы является комплекс программ проектирования турбинных лопаток, объединенных под одной оболочкой. Данный комплекс позволяет ввести результаты расчета после аэродинамического профилирования турбинной лопатки; строить модель пера лопатки и отливки пера с учетом литейных приливов и масштабировать с разными усадочными коэффициентами по всем осям; строить модель вкладышей пресс-формы.

Примером более простого приложения может служить программа, осуществляющая интерполяцию значения газовых сил, заданных в узлах сетки лопаточного канала, в узлы конечноэлементной модели лопатки, лежащие на поверхности пера для расчетов в GFEM или ANSYS. Примером достаточно сложной программной системы, разработанной на базе UG, является препроцессор к задаче "Расчет течения двухфазной среды в камере сгорания", представляющий собой инструментарий для полуавтоматического или интерактивного построения регулярной конечноэлементной модели камеры сгорания.

Заключение

Таким образом, подводя итоги более чем трехлетнего опыта эксплуатации UG на нашем предприятии, можно сказать, что выбор базового CAD/CAM-пакета для системы автоматизированного проектирования и технологической подготовки был сделан правильный. UG показал себя как мощное средство моделирования поверхностей и твердых тел, удовлетворяющее потребностям ОАО "Авиадвигатель".

Модули CAM UG представляют собой законченную, полнофункциональную и удобную в работе систему. Модули сборки позволили решить проблему создания электронных макетов наших изделий. Unigraphics хорошо интегрируется с пакетами анализа. Интерфейсы IGES, DXF и Parasolid обеспечивают необходимое взаимодействие UG с другими системами проектирования и анализа.

Продолжительный опыт использования UG на нашем предприятии привел к необходимости разработки ряда нормативных документов, повышающих эффективность его применения. Так был выпущен стандарт предприятия, придающий юридический статус геометрическим, конечноэлементным и другим документам на магнитных носителях. Выпущен ряд приказов, обязывающих конструкторские и технологические службы при проектировании трудоемких деталей создавать и помещать в централизованную базу данных соответствующие геометрические модели.

Сегодня к работе в среде UG привлекаются уже не только конструкторы, но и специалисты по газодинамике, расчетчики, технологи и художники.