Проектирование авиационных агрегатов является инженерной задачей, при выполнении которой разработчик встречается с целым рядом вопросов, решение которых требует использования комплексных знаний и системных подходов.
Задачи, решаемые в процессе разработки изделия, как правило, многокритериальные. Помимо выполнения технических требований, к которым относятся требования по обеспечению минимальной массы, заданного ресурса, надежности и др., созданное изделие должно быть технологичным в исполнении и удовлетворять ряду экономических требований. Значительная часть требований противоречивы и конкурентоспособное изделие возможно получить только найдя наиболее оптимальные компромиссные решения. Разработка агрегатов в условиях конкуренции не только накладывает значительные ограничения на сроки и стоимость разработки, изготовления и испытаний, она требует уделить особое внимание экономической эффективности изделия на всех этапах его жизненного цикла. Одна из наиболее актуальных проблем создания конкурентоспособных агрегатов заключается в реализации механизмов контроля себестоимости изделия на этапе его разработки.
Конструкторские решения, принимаемые на этапе проектирования агрегата, имеют гораздо более общий характер, чем кажется при первоначальном рассмотрении, и существенно влияют на экономическую эффективность самолета в целом, и поэтому, при разработке продукта важно выбрать решения, позволяющие наиболее оптимально реализовать в конструкции все разнообразные требования.
На настоящее время в отечественном агрегатостроении накоплен огромный опыт по оптимизации изделий с технической стороны в рамках освоенных технологий. Применение имитационного моделирования при проектировании позволяет существенно сократить сроки и бюджет разработки [1]. Современные программные средства инженерного анализа позволяют оптимально решать задачи силовой передачи, формирования оптимальной геометрии силовых элементов и весовой оптимизации изделия в целом. Однако, зачастую, данная оптимизация выполняется в отрыве от экономического анализа конструкции, который в свою очередь имеет место только после полного формирования облика изделия.
Для обеспечения возможности управления экономическими параметрами изделия на стадии его формирования необходимо применять комплексные методики оценки вариантов конструкции, которые включают:
1. Функционально- стоимостную оценку, выполняемую на этапе анализа основных требований к агрегату для возможности формирования связи между техническими и экономическими параметрами разрабатываемой конструкции.
2. Стоимостной анализ применения конструкционных материалов, проводимый на этапе выбора основных конструкционных материалов, необходимо выполнять с учетом рассмотрением всех возможных комбинаций полученных параметров конструкции и ее себестоимости.
3. Проработку директивной технологии изготовления сборки с применением комплексной системы оценок различных вариантов конструкции, проводимой на этапе разработки компоновочной схемы агрегата, и позволяющую выявить влияние каждого из принятых решений на эффективность и конкурентоспособность конструкции с учетом требуемых значений себестоимости.
4. Оценку различных способов изготовления деталей и узлов в зависимости от программы выпуска, с учетом обеспечения требуемых показателей надежности, ресурса и др., проводимой на этапе преобразования производственно-технологических требований в функции, обеспечивающих их реализацию.
1. Анализ требований к агрегату и функционально- стоимостная оценка изделия
Требования к авиационным агрегатам и системам вытекают из совокупности свойств, которыми должен обладать разрабатываемый самолет. Комплекс требований играет роль директивных установок, которые должны быть выполнены в процессе проектирования изделия.
С учетом взаимосвязи требований изменение степени выполнения каждого из них в отдельности сказывается на качествах самолета в целом. Поэтому на этапе анализа требований должна быть решена одна из наиболее важных задач — найти наилучшее компромиссное решение, определить наивыгоднейшую степень удовлетворения в проектируемом агрегате каждого из требований с учетом перспектив развития технологии самолетостроения и уровня эксплуатационного обслуживания, а также с учетом предполагаемых конкретных условий производства. Несмотря на то, что требования подразделяются на функциональные, эксплуатационные, производственно-технологические и экономические, их анализ должен проводиться только в совокупности.
Наибольшую сложность при проведении функционального анализа вызывают требования, имеющие качественное выражение, например, требовании по минимизации количества мест, требующих смазки в эксплуатации, сокращению применения специнструмента при эксплуатации и обеспечения удобства доступа при обслуживании. Для оценки подобных требований используется экспертный подход, который может являться причиной некорректного функционального анализа. Для уменьшения вероятности ошибочных выводов при проведении функционального анализа, каждое из требований, имеющих качественное выражение, необходимо преобразовать в количественное для возможности применения математических инструментов при анализе.
Для возможности оценки влияния достижения каждого из предъявленных к конструкции требований на стоимость его реализации их необходимо свести в таблицу, где каждому требованию будет соответствовать обеспечивающая его функция. Проведенный анализ функций с применением попарного сравнения их значимости, позволяет выявить наиболее важные наиболее значимые функции. После сопоставления значимости функции и стоимости их реализации возможно не только выявить функции, достижение которых наиболее затратно, но и увидеть технико-экономический баланс разрабатываемого изделия.
2. Выбор основных конструкционных материалов и их стоимостной анализ
Для изготовления силовой конструкции авиационных агрегатов используются ограниченное количество материалов, одобренных ВИАМ, однако, это не упрощает процесс выбора того или иного материала для ее элементов. При выборе материала зачастую происходит перекос в сторону удовлетворения, к примеру, производственно-технологических требований, без проведения экономического сравнения различных вариантов. Исключить данный перекос и наиболее оптимально назначить материал для элементов конструкции позволяет проведение стоимостного анализа применяемых материалов.
На выбор материала влияет целый ряд требований к агрегату:
- функциональные, такие как необходимая прочность, жесткость, ресурс и надежность.
- производственно-технологические, например, параметры обрабатываемости и доступности.
- экономические, среди которых стоимость материала и обработки.
- эксплуатационные, определяемые условиями эксплуатации и хранения изделия.
Основные соображения по выбору материалов для изготовления различных силовых элементов конструкции агрегатов и систем принимаются на основе требований разработчика самолета, однако значительную долю веса конструкции составляют детали, сечения которых определяются не прочностью, а так называемыми конструктивными соображениями. Для подобных деталей необходимо применение материала, характеристики технологичности которого будут превалировать над прочностными.
С точки зрения обеспечения статической прочности и жесткости материал для элементов, работающих на различные виды деформации, следует подбирать по характеристикам удельной прочности.
При выборе материалов необходимо учитывать и их стойкость к внешним воздействующим факторам, статическую и длительную прочность при повышенных температурах, стойкость против различных видов коррозии, в том числе коррозии под напряжением и фреттинг-коррозии и др.
Наиболее оптимально провести назначение материалов для конструкции возможно только обладая комплексными показателями по таким параметрам как:
- стоимость снятия массовой единицы материала с заготовки,
- лимиты по объемам поставок материалов,
- стоимость материала и формы поставок,
- стоимостные показатели свариваемости, покрытия и др.,
- стоимость нанесения покрытия на единицу площади материала в зависимости от требуемых условий эксплуатации изделия,
- соотношение ресурсно-массовых показателей элементов конструкции, изготовленных из различных материалов,
- стоимостные показатели по обеспечению стойкости на истирание элементов кинематических узлов и др.
3. Компоновка агрегата и комплексная система оценок различных вариантов конструкции
Этап компоновки агрегата является одним из самых важных и трудоемких, в ходе данного этапа прорабатывается конструкция агрегата и намечается директивная технология изготовления и сборки.
В процессе конструирования агрегата по данным проектировочного расчета выбираются и увязываются между собой форма и размеры всех конструктивных элементов, способы их соединений, типы крепежных деталей и конструкция соединительных швов, окончательно устанавливается положение эксплуатационных и технологических разъемов и прорабатывается деление агрегата на подсборки.
Разработка конструкции ведется сначала на уровне эскизов и предварительных решений, затем, постепенно уточняясь, конструкция приобретает законченный вид.
На этапе предварительных решений по компоновке наиболее оптимально применять метод комплексных критериев, в основе которого лежит ранжирование критериев по степени важности. Для выбора оптимальных решений необходимо, чтобы критерии и их ранжирование по степени важности, по которым производится оценка вариантов компоновок, разрабатывались на основе функционального анализа, выполненного ранее.
Параллельно ведется разработка директивной технологии. Ее основное назначение — увязать принимаемые при проектировании конструкторские решения с предполагаемой рациональной технологией производства конструкции. Директивная технология может оказать существенное влияние на конструкцию агрегата ее разработка производится параллельно процессу проектирования.
В процессе разработки директивного технологического процесса агрегатной сборки решаются следующие вопросы:
- определяется состав элементов, поступающих на сборку, и степень их завершенности и производится разделение агрегата на подсборки;
- выбирается базы сборки;
- намечается основная последовательность сборки;
- разрабатываются способы обеспечения взаимозаменяемости собираемого агрегата по эксплуатационным и технологически разъемам;
- обеспечивается удобные подходы для выполнения сборочных и монтажных работ;
- предусматривается в конструкции возможности механизации и автоматизации сборочных работ.
При составлении директивного технологического процесса агрегатной сборки должна проводиться стоимостная оценка каждого из ее шагов, с учетом применения специнструмента и оснастки для каждого из вариантов компоновки агрегата.
4. Обеспечение производственно-технологических требований и экономические параметры агрегата
На этапе преобразования производственно-технологических требований в функции, обеспечивающих их реализацию необходимо применять методы, позволяющие проводить оценку различных способов изготовления деталей и узлов в зависимости от программы выпуска, с учетом обеспечения требуемых показателей надежности, ресурса и др.
Группа производственно- технологических требований определяет технологичность конструкции агрегата и включает в себя общие указания по материалам и технологии, выполнение которых обязательно при разработке.
На данном этапе определяется минимальные значения программы выпуска агрегата в зависимости от методов изготовления элементов конструкции.
Производственно-технологические требования ориентированы на самое широкое применение передовых технологических процессов, повышение уровня механизации и автоматизации производства, использование недорогих и недефицитных материалов, максимальную стандартизацию и унификацию элементов конструкций, материалов и полуфабрикатов с целью уменьшения трудоемкости изготовления агрегата, сокращения цикла сборки и сроков освоения производства. При этом следует учитывать влияние технологии производства агрегата на его функциональные свойства, особенно на ресурс и надежность в эксплуатации.
В завершении данного этапа должен быть не только сформирован перечень основных материалов и типовых технологических процессов, на основе которых происходит проектирование, но и выполнены комплексные экономические оценки по этапам директивной технологии сборки агрегата.
Проведение оценки по вышеуказанным направлениям при разработке изделия позволяет не только наиболее оптимально решить вопросы проектирования авиационных агрегатов и контроля экономических параметров разрабатываемой конструкции, но и обеспечить возможность накопления знаний для сокращения периода разработки конкурентоспособных изделий.
Литература:
1. Управление разработкой авиационной техники с использованием имитационного моделирования производственных процессов. Сборник статей Конференция «Системы управления авиастроительным предприятием», 16–17 октября 2014 года — М., 2014.
