Введение
Современный авиационный двигатель – это сложный технический объект. Он выделяется среди других механизмов и машин сложностью организации рабочего процесса, применяемыми техническими решениями, термодинамическим совершенством, а также уникальными показателями удельной массы и объема. В настоящее время в двигателестроении развернуты работы по совершенствованию методологии проектирования, изготовления и испытаний, доводки и эксплуатации авиационных двигателей и энергетических установок,
Применение систем автоматизированного проектирования повышает эффективности труда инженеров за счет: сокращения трудоёмкости проектирования и планирования; сокращения сроков проектирования; снижения влияния человеческого фактора на результат; сокращения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию; повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования.
Обзор банков данных
К современному авиационному двигателю, к технологии его изготовления и ко всей машиностроительной отрасли предъявляются достаточно жёсткие требования, в связи с необходимостью обслуживания создаваемых АСУТП, созданием автоматизированных систем научных исследований, ввиду желательности наиболее эффективного использования больших объемов фактической информации (накопленной в результате лабораторных и промышленных экспериментов, а также во время изготовления изделий на машиностроительных предприятиях). То есть возникает необходимость создания автоматизированного банка данных (АБД).
Как правило, каждый сотрудник, каждый отдел машиностроительного предприятия, различных НИИ и ОКБ собирает и систематизирует получаемую информацию, формируя тем самым базы данных, в свою очередь совокупность баз данных формирует банки данных. Практически на любом предприятии существуют собственные банки данных, в которые входят все методики расчетов, используемые на предприятии, ранее выпущенные чертежи деталей, типовые технологии, нормализованные детали, применяемые материалы, заготовки, параметры имеющихся станков и данные по ранее созданным изделиям.
Возникает необходимость применения систем автоматизированного проектирования: например, АБД по материалам, применяемым на предприятии, которые позволяют сократить время на выбор материала для разрабатываемой детали (узла, изделия).
Первые автоматизированные банки данных (АБД) появились в США, Японии, ФРГ, Франции на рубеже 70-х годов. Например, «Банк данных по свойствам сталей – VDEh» (Verein Deutscher Eisenhüttenleute - Институт материаловедения, Дюссельдорф, ФРГ), который помогает пользователям в выборе марок сталей для особых условий эксплуатации, поставляет данные о свойствах сталей с учетом различных факторов влияния [1]. Банк данных содержит в себе информацию о химическом составе материала, диаграммы состояния, физические свойства сталей (плотность, модуль упругости, коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и др.), механические свойства (предел упругости при растяжении, сжатии и др.).
Как правило, в существующих банках данных сосредотачиваются многоаспектные информации о свойствах и параметрах материалов, они позволяют оперативно и надежно прорабатывать и получать достаточно полный объем сведений об исследуемом объекте. В общем виде схема АБД приведена на рисунке 1 [2].
Рис. 1. Структура АБД
Наиболее известным на сегодняшний день банком данных материалов является система «Атлас сталей мира» (Atlas of World Steels), появившаяся на рынке в 1992 году. Ее разработчик Eagle Software Corporation (США). Вначале это была версия для DOS, в настоящее время продается ее Windows-версия. На сегодняшний день эта программа является одной из наиболее распространенных программ в мире. Широкая реклама в специализированной прессе и значительные финансовые возможности разработчиков позволили достичь такого эффекта.
Программа «Атлас сталей мира» содержит достаточно полную базу данных, в которую включена информация о химическом составе и некоторых свойствах сталей. В программе реализовано два типа поиска: по известной марке стали и по известному химическому составу. К ее недостаткам можно отнести устаревшие сведения о марках сталей, неточности по сталям других стран, неудобный поиск ввиду примитивного интерфейса программы [3].
В России функционирует довольно много банков по материалам. Среди них наиболее распространен банк данных «Winsteel» (пример интерфейса приведен на рисунке 2), разработанный фирмой КванторСфот с участием государственного научного центра "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (ГНЦ ЦНИИТМАШ). В системе содержатся такие сведения о материалах как: наименование марки, состав, стандарты, область применения, аналоги, различные примечания [4].
Во Всероссийском научно-исследовательском центре по материалам и веществам (ВНИЦ МВ) есть несколько банков данных. Одна из них – «Новые материалы», в нее занесены данные обо всех материалах, созданных в СССР и СНГ с 1983 года. Информация включает в себя данные о технических характеристиках, физических и потребительских свойствах, назначении, технологии, отечественных и зарубежных аналогах, разработчиках и изготовителях материала.
Описанные банки данных являются электронными хранилищами привычных бумажных носителей, таких как, например [2], [5], и содержат в себе обширную информацию, включающую в себя все области применения материалов.
Существуют также отраслевые, узкоспециализированные базы данных, так в ЦНИИЧермет есть банк по сталям металлургии и тяжелого машиностроения, в НИИХимМАШ – по материалам, применяемым в химической промышленности, в ВИАМ – по авиационным материалам.
Примером АБД более высокого уровня может служить банк данных по машиностроительным материалам, разработанный ГНЦ ЦНИИТМАШ, который содержит не только стандартные справочно-информационные разделы с общими сведениями о марках материалов, но и очень подробные данные по их технологическим свойствам, а, в случае возможности, и по эксплуатационным характеристикам. Кроме того расширен перечень включаемых в банк материалов как отечественных, так и зарубежных, что позволит решить одну из важнейших проблем, связанных с оперативным выявлением аналогов изучаемых марок и возможной их замены.
Рис. 2. Пример интерфейса программы WinSteel
Экспертные системы выбора материала
Следующим шагом в развитии электронных баз данных является создание различных экспертных систем, которые, основываясь на заложенных алгоритмах и требованиях к деталям, выбирают из АБД наилучшие для данных условий материалы, покрытия и другие виды подготовки поверхностей.
В ГНЦ ЦНИИТМАШ [2] создана экспертная система, на основе АБД, позволяющая пользователю, в диалоговой форме, получать рекомендации на основе фактов, которыми он располагает. Цель экспертной системы состоит в оказании помощи пользователям на основе применения знаний об изучаемой области, полученных от весьма широкого спектра источников (книг, научно-технической документации, мнения экспертов-специалистов).
Недостатком такой экспертной системы является ее диалоговая форма, которая не позволяет решить поставленную задачу комплексно: исходя из запрошенных условий, подбор материала будет осуществлен, но система не позволяет выдать комплекс мер, например, предложить не конкретный материал, а материал с нанесением покрытия, либо термообработкой.
Для успешного применения подобной экспертной системы в авиадвигателестроении (для автоматизации процесса проектирования, его ускорения, удешевления и повышения его качества) необходимо предоставлять экспертной системе как можно более полную информацию о конструкции проектируемых изделий, параметрах потока, нагрузках, действующие на её основные элементы и условиях их работы. Подобную информацию, ещё на стадии проектирования, можно получить при помощи различных систем имитационного термогазодинамического моделирования двигателя и его отдельных элементов.
В настоящее время наибольшее распространение получили такие системы моделирования работы авиационных двигателей, как GasTurb, ГРАД, DVIGwp, АСТРА и др. [6], позволяющие оценить параметры потока, геометрию проточной части двигателя. На основе этих параметров можно перейти к детальному расчету узлов двигателя (термогазодинамическому, прочностному) и выбору материалов деталей двигателя, что позволяет ещё на ранних стадиях проектирования оценивать такие важные интегральные параметры двигателя, как его масса, удельный вес и т.п.
Произвести подбор материала на основе параметров потока, действующих нагрузок, без участия (в диалоговой форме) пользователя – путь развития экспертных систем по выбору материала. Основываясь на параметрах, рассчитанных системой имитационного моделирования работы авиационных ГТД (например, DVIGwp), экспертная система должна предложить пользователю рекомендации по использованию тех или иных материалов, покрытий, способов обработки и подготовки поверхности.
Заключение
В настоящее время накоплены значительные базы данных (справочники, учебники, АБД) по материалам и их свойствам, как в нашей стране, так и за рубежом. При разработке конструкции узлов авиационного двигателя выбор материала осуществляется исходя из свойств материала в рабочих условиях эксплуатации. Деталь, изготовленная из выбранного материала, должна удовлетворять нормам прочности при заданных надежности и ресурсе.
Рассмотренные в данной статье банки данных позволяют существенно улучшить научно-информационное обеспечение предприятий и организаций машиностроения достоверными данными о свойствах материалов, оказание помощи специалистам по сравнению и выбору оптимальных для конкретного случая материалов. При этом существенно сокращаются затраты и время поиска данных, создаются условия для повышения качества проектируемых машин и оборудования, существенного снижения их металлоемкости. Экспертные системы – дальнейшее развитие АБД, которое позволяет ещё больше сократить сроки проектирования. Но, существующие сейчас в открытом доступе экспертные системы, обладают рядом недостатков, не позволяют использовать все возможности от совместного применения экспертных систем и баз данных.
Таким образом, необходима разработка экспертной системы, которая на основе параметров потока, нагрузок, конструкции отдельных узлов и условий их работы будет выдавать рекомендации к использованию тех или иных материалов, покрытий, возможных обработок поверхности. Применение подобной экспертной системы значительно сократит временные затраты при проектировании, а также трудоемкость проектирования.
- Литература:
Stahl [Электронный ресурс]/ 2005-2012, – Режим доступа: http://www.stahl-online.de, свободный.
Марочник сталей и сплавов/ М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др.; под общей ред. А.С. Зубченко – М.: Машиностроение, 2001. 672 с.
Metalinfo [Электронный ресурс]/ 1998-2005, – Режим доступа: http://metalinfo.com, свободный.
Информационные продукты ООО «МеталДата.Инфо» [Электронный ресурс]/ 2000-2012, – Режим доступа: http://www.metaldata.info, свободный.
Справочник по конструкционным материалам: Справочник/ Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 640 с.
Кишалов А.Е. Повышение эффективности процесса отладки форсажных режимов при испытаниях ТРДДФ: дис. канд. техн.наук. / А.Е. Кишалов; науч.рук. Д.А. Ахмедзянов. – Уфа: УГАТУ, 2010 . – 234 с.