Наскрізний паралельний цикл проектування та підготовки виробництва корпусних деталей безпілотних літальних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

УДК 629.735 : 658.512.4

НАСКРІЗНИЙ ПАРАЛЕЛЬНИЙ ЦИКЛ ПРОЕКТУВАННЯ

ТА ПІДГОТОВКИ ВИРОБНИЦТВА КОРПУСНИХ ДЕТАЛЕЙ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Спеціальність 05.07.02 - проектування,

виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Cмаль Станіслав Миколайович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України та Державній акціонерній холдинговій компанії «Артем» Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кривцов Володимир Станіславович,

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, завідувач кафедри технології виробництва літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Божко Валерій Павлович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М. Є. Жуковського “Харківський

авіаційний інститут”, м. Харків,

завідувач кафедри;

доктор технічних наук, професор

Кривов Георгій Олексійович,

«Український науково-дослідний інститут авіаційної технології», м. Київ, директор інституту.

Захист відбудеться « 21 » травня 2010 р. o 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий « 12 » квітня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Необхідність випуску конкурентної продукції із забезпеченням стислих строків розробок і модернізацій, одержання й виконання експортних замовлень, все це приводить до постановки на виробництво все нових і нових виробів. Як результат за останні три десятиліття в машинобудуванні строки виготовлення виробів скоротилися більше ніж в 5 разів. Прискорений випуск сучасної продукції став можливим завдяки застосуванню інтегрованих комп'ютерних технологій на всіх етапах розроблення виробу. Їх максимальне й ефективне використання дозволяє підприємству забезпечувати конкурентоспроможність своїх виробів. Створення складної техніки на сучасному рівні розвитку виробництва також неможливе без інтегрованих технологій, об'єднання яких в єдину інформаційну структуру підприємства є першочерговим завданням якраз при підготовці виробництва.

Узагальнення існуючої інформації дає підставу констатувати, що забезпечення зниження строків підготовки виробництва виробу із застосуванням інформаційних технологій є загальною актуальною науково-технічною проблемою сучасного виробництва.

Актуальність теми. Виробництво будь-якої продукції неможливе без його технічної підготовки, основними складовими якої є конструкторська й технологічна. Створення складної техніки, до якої ставляться спеціальні вимоги щодо забезпечення високої якості й функціональних властивостей, потребує значного часу для виконання проектних робіт і технологічної підготовки виробництва. Трудомісткість технологічної підготовки на сьогоднішній день може перевищувати 60% від загальної та різко зростає з виробництвом такої наукоємної продукції, як авіаційно-космічна техніка. Спільна робота великої кількості виконавців над складною технікою потребує численних погоджених дій, що неминуче пов'язано з появою «помилок». Витрати на усунення «помилок» проектування й технологічної підготовки, які виявляються у виробництві або на іншому етапі життєвого циклу, на кілька порядків вище, ніж у випадку їхнього усунення на стадії конструкторсько-технологічної підготовки. Для скорочення кількості «помилок» і строків підготовки використовують різні інтегровані CAD/CAE/CAM системи, які при автоматизації робіт проектування вирішують тільки локальні завдання. Однак найбільш істотного скорочення строків конструкторсько-технологічної підготовки можна досягти при переході до наскрізного паралельного циклу проектування й підготовки виробництва. Реалізація цього методу базується на об'єднанні виконання проектних, конструкторських робіт, інженерного аналізу (досліджень) та технологічної підготовки в єдиному інформаційному просторі і розглядається як взаємозв'язаний загальний процес із використанням інтегрованих систем. Наукових розробок, безпосередньо присвячених наскрізному паралельному методу конструкторсько-технологічної підготовки виробництва (КТПВ), занадто мало, а існуючих окремих досліджень у цій області недостатньо.

Таким чином, розроблення моделей і методик інтеграції складових КТПВ з урахуванням технологічних особливостей виготовлення корпусних деталей безпілотних літальних апаратів (БПЛА) при застосуванні наскрізного паралельного циклу виконання конструкторсько-технологічних робіт у єдиному інформаційному просторі є актуальним науково-практичним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до державної науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за держбюджетною темою: Д/Р 0106U001045 «Методологічні основи проектування сучасних технологічних процесів виготовлення деталей і вузлів літальних апаратів»;

Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана з такими керівними документами, як постанова Кабінету Міністрів України від 12.05.2007 р. № 731-4 «Технічне переоснащення та реконструкція діючих виробництв для забезпечення серійного виробництва спеціальних безпілотних літальних апаратів». Результати роботи використовують також для прискорення виконання державних контрактів № П-06/07 і № П-07/07.

Мета і завдання дослідження. Метою даного дослідження є скорочення строків конструкторсько-технологічної підготовки виробництва безпілотних літальних апаратів при використанні методу наскрізного паралельного виконання робіт у єдиному інформаційному просторі. Для досягнення мети було поставлено основні задачі, вирішення яких дозволило отримати скорочення строків.

1. Провести аналіз послідовного й наскрізного паралельного циклу проектування й підготовки виробництва стосовно до виробів і корпусних деталей БПЛА.

2. Розробити методи системного моделювання часових і ресурсних характеристик процесів конструкторсько-технологічної підготовки виробництва з урахуванням особливостей проектування технології виготовлення корпусних деталей БПЛА.

3. Створити інтегровані математичні моделі основних технологічних операцій виготовлення корпусних деталей для дослідження, проектування й підготовки виробництва.

4. Виконати експериментальну апробацію результатів досліджень і сформулювати рекомендації із впровадження їх у промислове виробництво для реалізації наскрізного паралельного циклу при конструкторсько-технологічній підготовці виготовлення корпусних деталей БПЛА.

Об'єкт дослідження - конструкторсько-технологічна підготовка виробництва корпусних деталей і виробу БПЛА.

Предмет дослідження - в теорії: методи й моделі конструкторсько-технологічної підготовки виробництва деталей і БПЛА при наскрізному паралельному циклі виконання робіт; в експериментах: технологічні параметри процесів виготовлення типових корпусних деталей.

Методи дослідження - у теоретичних дослідженнях використовувалися математичні методи: системного аналізу й теоретико-множинного підходу до опису структури, теорії графів і сітьового планування для опису й розрахунків показників КТПВ виробу, а також теорії стохастичних графів для оцінювання часу підготовки виробництва складних корпусних деталей; в експериментальних дослідженнях застосовувався метод скінченних елементів з використанням комп'ютерного моделювання й інтегрованих систем; перевірка моделей здійснювалася шляхом виготовлення деталей на промисловому обладнанні (механічний прес, давильно-розкатний верстат СРГ-1, багатокоординатний обробний центр); деформований стан деталей досліджено методами макро- і мікроструктурної металографії.

Наукова новизна одержаних результатів. Найістотнішими елементами нау-кової новизни є такі результати. Уперше:

- розроблено комплекс методів ресурсного аналізу процесів конструкторської й технологічної підготовки виробництва з використанням структурних і логіко-алгоритмічних моделей, які на відміну від існуючих відображують специфіку інтеграції робіт при наскрізному паралельному циклі розроблення;

- запропоновано та реалізовано об'єднану конструкторсько-технологічну мо-дель розрахунку очікуваних строків завершення підготовки виробництва, що дозволило оцінити час скорочення у разі застосування наскрізного паралельного методу для корпусних деталей з урахуванням особливостей проектування технології;

- розроблено математичні моделі технологічних операцій та процесів ротаційного обтиснення й формування рифтів для тривимірного моделювання, які на відміну від існуючих дозволяють виконувати повнорозмірне моделювання при реалізації наскрізного паралельного циклу КТПВ з оціненням технологічних параметрів і визначенням оптимальних форм інструменту та заготовки.

Одержали подальший розвиток:

- метод моделювання стохастичних графів для розрахунків часу проведення конструкторсько-технологічної підготовки виробництва складних корпусних деталей БПЛА;

- метод імітаційного моделювання об'ємного штампування деталей, що дозволяє прогнозувати виникнення дефектів під час проектування деталей з тонкостінними горизонтальними елементами.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну значущість дисертаційної роботи складають такі основні наукові та технічні розробки:

- інженерні методики розрахунку й моделювання, що дозволяють визначити строки проведення конструкторсько-технологічної підготовки виробництва з урахуванням можливості реалізації наскрізного паралельного циклу робіт;

- методики побудови сітьових моделей процесів підготовки виробництва й мінімізації кількості фахівців для виконання конструкторсько-технологічних робіт при паралельному циклі;

- новий технологічний процес виготовлення деталей типу «стакан», впроваджений на підставі досліджень операцій ротаційного обтиснення й формування, а також пристрій для здійснення формування рифтів;

- конструктивні рішення для штампів і технологічні рекомендації з об'ємного

штампування деталей з тонкостінними горизонтальними елементами, які дозволи-ли зменшити брак;

- технічні й конструктивні рішення для спеціального пристрою з механічної обробки корпусних деталей з однієї установки, основані на результатах три вимір-ного моделювання процесу свердлення отворів в алюмінієвих сплавах з урахуван-ням технологічних параметрів.

Результати досліджень упроваджено в Державній акціонерній холдинговій компанії «Артем» (акт впровадження від 10.03.2009 р.) і передано на впровад-ження в ДП «ДержККБ «Луч»» (акт впровадження від 11.09.2009 р.). Математичні моделі використовуються в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» (акт впровадження від 17.09.2008 р.). Окремі результати впроваджено в Державному підприємстві Жулянський машинобудівний завод «Візар» (акт впровадження від 20.05.2009 р.).

Особистий внесок здобувача. Формулювання теми, мети та постановка завдань, а також обговорення наукових результатів виконано разом з науковим керівником. Iдеї теоретичних розробок, математичного та комп'ютерного моделювання і експериментальних досліджень належать особисто автору. У статтях, написаних у співавторстві, автору належить таке:

[1] - постановка та вибір напрямку теоретичних досліджень, підготовка даних і розроблення циклів створення виробу, обговорення системних моделей;

[6] - постановка завдань моделювання, аналіз результатів і формулювання висновків і практичних рекомендацій;

[7] - постановка задачі, розроблення схеми та моделі процесу.

Розроблення схем пристрою формування рифтів та експериментальна апроба-ція здійснювалися спільно зі співробітниками компанії «Артем», прізвища яких наведено у списку публікацій. За результатами досліджень автором особисто вико-нано роботи з обґрунтування та постачання найсучаснішого обладнання для впровадження елементів наскрізного паралельного циклу виготовлення деталей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, розділи і результати роботи докладалися автором на Міжнародних науково-технічних конференціях «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2007, 2008, 2009» (м. Харків, 2007 - 2009 рр.), «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки» (м. Харків, 2008, 2009 рр.), 13-му Міжнародному конгресі двигунобудування (Крим, 2008 р.), 18-й Міжнародній конференції «Нові технології в машинобудуванні» (Крим, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Досягнення та перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском у металургії та машинобудуванні» (м. Краматорськ, 21 - 24 квітня 2009 р.), наукових семінарах кафедри технології виробництва літальних апаратів Національного аерокосмічного університету «ХАІ» (м. Харків, 2007 - 2009 рр.)

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 17 друкованих працях, у тому числі 7 статей у наукових журналах та збірниках наукових праць відповідно до переліку ВАК України (бюлетень № 4, 5, 1999 р.), 10 тез доповідей у збірках праць наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розді-лів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить 207 сторінок, у тому числі: 69 рисунків, з яких 9 на 8 окремих сторінках, 3 таблиць на 3 сторінках, списка використаних джерел зі 135 найменувань на 14 сторінках та 11 додатків на 33 аркушах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено сучасний стан проблеми і обґрунтовано актуальність теми теоретичних та експериментальних досліджень; сформульовано мету та завдання дослідження; показано зв'язок роботи з науковими програмами та постановами Кабінету Міністрів України; подано загальну характеристику, наукову новизну і практичну значущість роботи, результати апробації, публікації, структуру й обсяг дисертації.

У першому розділі виконано аналіз науково-технічних робіт, нормативних документів та інтегрованих систем в області інженерних досліджень і конструк-торсько-технологічного проектування при розробленні корпусних деталей і виробів БПЛА. Зроблено висновок про те, що в цей час організація робіт з підготовки виробництва здійснюється в традиційному послідовному циклі створення складної техніки. Широке використання систем автоматизованого проектування робіт (САПР) має локальний характер. Однак розвиток сучасних технологій автоматизації проектування надає можливості використовувати паралельний цикл розроблення, при якому технологічну підготовку деяких деталей і складальних одиниць виробу можна починати, не чекаючи завершення конструкторської підготовки в цілому всього виробу. З огляду на можливості інтегрованих систем вищого рівня з'являється унікальна структура організації наскрізного паралельного виконання робіт у єдиному інформаційному просторі великої кількості виконавців, що істотно знижує матеріальні витрати та скорочує строки підготовки.

Проаналізовано існуючі математичні методи системного аналізу й теоретико-множинного підходу до опису структури складного виробу, теорії графів і сітьового планування, які дозволяють формувати моделі процесів конструкторсько-технологічної підготовки виробництва. Різним питанням проблеми присвячено роботи вітчизняних і зарубіжних учених, таких, як В.Н. Бур-ков, В.І. Воропаєв, Г.К. Горанський, А.І. Левін, Є.В. Судов, В.Д. Цвєтков, Д. Філ-ліпс, А. Гарсіа-Діас та інші.

У процесі аналізу робіт з підготовки виробництва виробу БПЛА виявлено, що конструкторсько-технологічне проектування складних корпусних деталей, які виготовляють механічною обробкою (МО) різанням (рис. 1, поз. 4) і тиском (ОМТ)

(рис. 1, поз. 5), є найбільш трудомістким. Тому ці роботи значно впливають на строки завершення підготовки й при аналізі їм було приділено основну увагу. Здійснення наскрізного паралельного методу конструкторсько-техноло-гічного проектування корпусних деталей можливе тільки із застосуванням інтегрованих технологій за умови розроблення їхніх математичних моделей. Успішно питаннями математичного моде-лювання процесів виготовлення деталей займаються вчені І.С. Алієв, В.А. Голенков, В.Г. Капорович, Е.Б. Кондусова, В.В. Кудюров, А.А. Міленін, А.П. Пе-тров, Б.М. Поздєєв, П.Р. Родін, В.А. Титов, В.І. Трегубов, С.П. Яковлєв, Dg. Burke, D. Кuhn та інші.

Наявна інформація про позитивний досвід апробації у виробництві наскрізного паралельного циклу підготовки указує на його перспективність. Однак у світі налічується не більше 7% передових машинобудівних підприємств, які організують виробництво наскрізним паралельним методом. Це вказує на складність і багатофакторність існуючих проблем і актуальність вибраного напрямку дисертаційного дослідження.

Виконаний аналіз науково-технічної літератури й виробничих даних дозволив визначити основні шляхи вирішення проблемних питань інтеграції конструкторсь-кого й технологічного проектування при підготовці виробництва й сформулювати завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети.

Результати аналізу, які висвітлюються у першому розділі, опубліковано в роботах [1, 3, 5, 6].

У другому розділі наведено комплекс методів побудови логіко-алгоритмічних моделей та моделювання часових і ресурсних характеристик процесів підготовки виробництва БПЛА при послідовному й наскрізному паралельному циклі організації робіт. Системне подання процесу створення складної техніки відображає послідовність проходження виробу по видах робіт конструкторської підготовки виробництва (КПВ), технологічної підготовки виробництва (ТПВ) і безпосередньо виробництва. Моделі інтеграції КПВ і ТПВ дозволяють одержувати часові оцінки циклу організації робіт і потреби ресурсів у часі на основі системного об'єднання: структури виробу, топології структур робіт на основних етапах підготовки виробництва й методів моделювання. Аналіз результатів моделювання дозволяє вирішувати задачі мінімізації перерв і раціонального розподілу ресурсів. Для визначення умов об'єднання робіт КПВ і ТПВ було розглянуто основні задачі системи підготовки з використанням теоретико-множинного підходу.

Одним з основних етапів КПВ є розроблення схеми конструкторсько-технологічного членування виробу. З позиції теоретико-множинного підходу стру-ктура виробу подається як множина елементів об'єкта і їхніх взаємозв'язків :

(1)

де верхній індекс вузлової вершини визначає місце складальної одиниці в ієрархічній схемі членування виробу. Належність висячих вершин-деталей ki виробу до вузлових вершин різних ієрархічних рівнів описується булевою матрицею

(2)

де ci(j) =1, якщо бінарне відношення ki, kj існує, і ci(j) = 0 - у протилежному випадку.

Склад виробу істотно впливає на структуру моделей КПВ. Кожну вершину структури виробу подано у вигляді роботи з проектування й моделювання певного елемента. У роботі сформульовано правила побудови сітьових моделей процесів КПВ при послідовному й паралельному циклах створення виробу.

Існуючі на цей час системи автоматизованого проектування й моделювання дозволяють одержувати конструкторські рішення високого рівня готовності частини складальних одиниць нижніх рівнів і деталей. Під високим рівнем готовності конструкторських рішень розуміють рішення, за яких зміни конструкторських параметрів складальних одиниць і деталей нижніх рівнів практично виключено. Тобто високий рівень готовності дозволяє виконувати комплекси робіт з ТПВ для цих елементів, не чекаючи закінчення робіт з КПВ для виробу в цілому. Виконання цієї умови дозволяє говорити про можливість організації паралельного циклу КПВ і ТПВ. Для опису множини робіт використано орієнтовані графи, а саме, сітьові моделі з роботами на дугах.

Нехай множина W - комплекс робіт, виконання яких потрібне для реалізації робіт з КПВ і ТПВ. Тоді, якщо множина V буде представляти комплекс подій, які виникають під час створення виробу, то сітьова модель буде задаватися орієнтованим графом G = (V,W), у якому елементи множини V - вершини, а елементи множини W - дуги, які з'єднують вершини. Кожній дузі можна поставити в однозначну відповідність пари вершин (vsi, vfi) - події початку й завершення роботи wi. Роботи з КПВ поділяють на дві складові частини: роботи із проектуван-ня та моделювання й роботи з

робочого проектування Wep виробу (рис. 2):

. (3)

Кожний елемент конструкції генерує необхідність проведення комплексу робіт з його ТПВ. Вся сукупність робіт з ТПВ виробу утворює багаторівневу структуру. Виходячи з цього загальна задача ТПВ виробу позначається як

, (4)

та містить велику кількіcть робіт, основними з яких є:

- забезпечення технологічності конструкції деталей, складальних одиниць і ви-робу у цілому;

- вибір типового або розро-блення оригінального тех-нологічного процесу для їхнього виготовлення;

- організація й керування процесом ТПВ, де L - кількість організаційних робіт.

Кількість робіт з ТПВ залежить від кількості технологічних процесів виготовлення кожної структурної складової виробу. На тривалість ТПВ істотно впливає логіка розроблення робочих технологічних процесів, які в загальному випадку не завжди можуть виконуватися строго паралельно. На рис. 3 подано сітьову модель робіт з ТПВ структурної одиниці виробу складної техніки wtpl, до якої входять такі роботи: - перевірка структурної одиниці виробу на технологічність, - рoзцехівка; ,,, - розроблення технологічних процесів 1 - 4; - розроблення керуючих програм; - розроблення оснащен-ня; - нормування трудомісткості; - нормування витрат матеріалів; - - роботи з організації й керування ТПВ елементів виробу.

Цикл створення зразка техніки складається з великої кількості робіт, які виконуються різними фахівцями із використанням способів автоматизованого проектування. Цей складний процес має бути чітко скоординованим і ув'язаним у часі. В основі визначення часових параметрів сітьової моделі лежить поняття повного шляху, що поєднує початкову й кінцеву вершини. При об'єднанні сітьових моделей КПВ і ТПВ такий шлях подано як . Подія завершує роботи з проектування, а також є початком робіт з ТПВ при послідовному циклі. Для паралельного циклу проектування структура взаємозв'язку робіт КПВ і ТПВ має такі особливості: не чекаючи події , починають роботи з перевірки на технологічність і розроблення технологічних процесів для деталей нижнього рівня структури виробу паралельно з роботами з робочого проектування складальних одиниць верхнього рівня. Паралельний цикл дозволяє організувати роботи з конструкторської й технологічної підготовки виробництва одночасно, що й приводить до скорочення часу на створення складної техніки () за рахунок можливості початку робіт з ТПВ по окремих складальних одиницях (для яких конструктором гарантується високий рівень готовності) до закінчення КПВ з виробу в цілому (рис. 3).

У роботі подано принцип об'єднання робіт з КПВ і ТПВ для складних виробів і корпусних деталей. Якщо прийняти до уваги зазначене вище, то час на створення складної техніки розраховується за формулою

, (5)

де позначено такі тривалості: - виконання окремої роботи ; - повного шляху ; - критичного шляху сітьової моделі.

Скорочення строків виконання робіт з КТПВ виробу можливе за рахунок: скорочення тривалості виконуваних робіт у разі застосування сучасних технологій проектування й моделювання в єдиному інформаційному просторі; скорочення загальної кількості робіт шляхом мінімізації кількості ітерацій на повторне проектування; зміни логіки взаємозв'язку робіт і скорочення термінів очікування виконання.

Вибрано метод моделювання кількості фахівців, необхідних у процесі реалізації КПВ і ТПВ для послідовного й паралельного циклів. Сформовано вхідні дані для раціонального розподілу ресурсів методом «вирівнювання». Для цього виконується таке: закріплення ресурсів (фахівців) за окремими роботами; розрахунок їхньої потреби в часі; усунення пікових значень ресурсів за рахунок зміни строків виконання робіт, що лежать не на критичному шляху (за рахунок використання вільних резервів). У такий спосіб відбувається мінімізація ресурсів для виконання робіт із КТПВ і вирівнювання їхнього завантаження у часі. При цьому зменшення кількості ресурсів не приводить до збільшення тривалості циклу робіт з КТПВ.

Проектування складних корпусних деталей має особливості, які полягають у динамічному характері циклу підготовки виробництва й великої кількості факторів, що впливають на результати робіт. Процесу проектування таких деталей приділяється особлива увага, оскільки несвоєчасне виконання робіт з КТПВ істотно впливає на тривалість розроблення виробу в цілому.

Фактична тривалість робіт рідко збігається з розрахунковою через необхідність повторення ряду робіт для одержання заданих параметрів необхідного рівня якості. Ці процеси мають імовірнісний характер, тому для моделювання КТПВ корпусних деталей вибрано методи теорії стохастичних графів. Як імовірність повернення до попередніх робіт запропоновано відношення кількості доробок, що виникають у разі проектування деталей аналогічного виду, до кількості робіт, виконаних для нових деталей.

Запропоновано алгоритм моделювання часу виконання комплексу робіт зі створення корпусних деталей. Результатом дослідження стохастичної моделі є діаграми розподілу Ткр для послідовного й паралельного циклів організації робіт, необхідних для визначення найбільш імовірного часу виконання робіт з КПВ і ТПВ для окремих деталей.

Основні результати розділу опубліковано в роботах [1, 2, 4].

У третьому розділі розроблено об'єднані моделі проектування й конструктор-сько-технологічної підготовки виробництва корпусних деталей (стакан, бобишка та корпус), які дозволяють здійснювати паралельне вирішення технологічних завдань і розрахунків часу закінчення КТПВ. Реалізація наскрізного паралельного методу конструкторсько-технологічної підготовки при автоматизованому проектуванні потребувала створення математичних моделей як окремих технологічних операцій, так і всього процесу підготовки. Оскільки корпусні деталі мають складну конструкцію елементів, індивідуальний технологічний процес виготовлення й потребують експериментального відпрацьовування, то зменшити час на підготовку можна тільки за допомогою методів моделювання.

Розроблення моделі КТПВ деталі типу «стакан» здійснено за методикою, отриманою в теоретичному другому розділі, а виконані розрахунки визначили час, який затрачується на підготовку. На рис. 4 а, б наведено результати, де по осях позначено: T - час виконання комплексу робіт; N - кількість побудованих моделей. Отримано щільність розподілу часу виконання робіт F1(T) і F2(T) при послідов-ному й наскрізному паралельному циклах відповідно. Для наочності на рисунку наведено гістограми часу виконання робіт при послідовному N1 і наскрізному паралельному N2 циклах КТПВ. Розрахунками підтверджено, що тривалість робіт з КТПВ у разі паралельного їх виконання скорочується у 1,5 - 1,7 раза. Крім того, роботи і у наскрізному циклі виконуються паралельно, а це також зменшує загальну тривалість виконання комплексу робіт.

Моделювання КТПВ деталей типу «стакан» обумовило розроблення математичних моделей технологічних операцій ротаційного обтиснення й ротацій-ного формування рифтів (див. рис. 4, а, б, роботи ,), які є найбільш складними й трудомісткими. Математична модель ротаційного обтиснення й формування рифтів базується на основних законах теорії пластичності з урахуванням нелінійності між напруженнями й деформаціями в пластичній області, а також необхідних допущеннях.

Використовуючи варіаційні принципи теорії пластичності й пружності загальне рівняння в нашому випадку набуває вигляду

, (6)

де - матриця мас; - вектор вузлових прискорень; - матриця жорстко-сті; - вектор невідомих вузлових переміщень; - вектор вузлових зусиль.

В остаточному підсумку математичну модель подано системою лінійних алгебричних рівнянь, вирішення яких виконувалося з використанням числових методів (МСЕ). При розробленні математичної 3D-моделі для деталей типу «ста-кан» було вирішено як загальні, так і специфічні завдання моделювання (рис. 5, а, б, де Vx , VZ, щ - швидкість руху інструменту і заготовки):

1) обґрунтування методу розрахунку - вибрано прямий ітераційний метод, при якому швидкість у вузлах використовується для визначення нового положення вузлів на наступному кроці розрахунку;

2) виконання розрахун-ків оптимального кроку рахунку за часом виходячи з такої умови: максимальні переміщення будь-якого вузла моделі не мають перевищувати 1/3 довжини грані елемента в межах часового кроку;

3) вибір критерію збіжності числового рішення за швидкостями деформацій і зусиллями;

4) обґрунтування кінема-тики руху інструменту й парaметрів розрахунку зале-жно від відносних геометри-чних розмірів деталей і особливостей обтиснення й формування, що дозволило

використовувати принцип зворотного обертання руху;

5) подання моделі деформування заготовки, яка розглядалася як пластичне тіло з властивостями матеріалу, що описується законом:

, (7)

де - напруження;- стала матеріалу; , - деформація і її швидкість; - стала; n, m - степеневі коефіцієнти.

Розрахунок виконували з використанням початкових технологічних параметрів: колова швидкість обертання роликів і подачі були аналогічні виробничим. Моделювання процесів здійснювалося з використанням спеціалізованих інтегрованих САЕ-систем і паралельним аналізом силових параметрів і характеристик локальних НДС за розробленим алгоритмом.

Аналіз моделювання процесу обтиснення дозволив оцінити зусилля, що виникають на роликах (рис. 6, а), максимальні значення яких для сталі не перевищують 25 кН. Відзначено нерівномірність навантаження на ролики, що має циклічний характер відносно осередненої кривої. Якщо на початковій стадії обтиснення найбільше навантаження має перший ролик, то після переміщення по ходу понад 3…4% найбільш навантаженим виявляється третій ролик, а перший зазнає на 17...20% менше навантажень. Досліджено вплив кута установки осі роликів відносно осі обертання заготовки Х на зусилля Рх. Отримано зменшення на 15...23% зусилля Рх, що діє на ролики при кутах їх розвороту на три-чотири градуси. За результатами моделювання ротаційного формування рифтів отримано залежність максимальних еквівалентних напруженнь і зусилля від часу (рис. 6, б). Вони виникають у той момент часу, коли в першому рифті від дна стакана спостерігаються максимальні пластичні деформації й руйнування, що було підтвер-джено при моделюванні. Геометричні розміри й форма елементів перерізу першого рифта, у зоні якого руйнування відбуваються раніше, ніж в інших, є визначальними.

Отримані при моделюванні параметри операцій обтиснення й формування були взяті як оптимальні в процесі проектування технології виготовлення й оснащення деталі типу «стакан». Паралельне моделювання операцій і всього процесу КТПВ дозволило скоротити строки КТПВ деталей типу «стакан» більш ніж в 1,5 раза порівняно з послідовним методом і експериментальним відпрацьовуванням технології обтиснення й формування.

Розроблення моделі КТПВ деталі типу «бобишка» виконано за допомогою сіток з поверненнями, які були застосовані для деталі типу «стакан». Здійснено 3D-моделювання об'ємного штампування деталей з тонкими горизонтальними елементами, за результатами якого вирішено технологічне завдання оптимізації параметрів штампування й гравюри штампа. На підставі аналізу напружено-деформованого стану виявлено зону, де з'являються максимальні напруження, у якій відбувається різка вибірка металу штампа та утворення наросту на деталі. Як результат, виникає необхідність у додаткових операціях. Розрахунками підтверджено, що для деталей типу «бобишка» з використанням комп'ютерного моделювання операції штампування відбувається скорочення строку КТПВ на 70...80% порівняно з експериментальним відпрацьовуванням у разі послідовного циклу виконання робіт.

Розроблення моделі КТПВ деталі типу «корпус» мало особливості, які випливали з технології механічної обробки різанням. При проектуванні операцій, наприклад свердлення отворів, потрібні повернення до почату кожної операції для вибору оптимальних параметрів. Тому моделювання КТПВ виконано із використанням стохастичних графів з поверненнями і моделями технологічної операції (рис. 7, а, б).

Під час конструкторсько-технологічного проектування деталей типу «корпус» треба було виконати моделювання операції свердлення з метою вирішення технологічного завдання аналізу параметрів процесу за умовами НДС і проекту-вання конструкції пристрою. Тому виконано тривимірне моделювання процесу механічного свердлення отворів в алюмінієвих сплавах корпусних деталей. Узагальнені результати моделювання свердлення подано номограмою для алюмінієвого сплаву В95 при свердленні зі швидкістю 1,67 м/с і різними подачами Sz, що мають такі позначення: 1 - 0,05; 2 - 0,25; 3 - 0,35; 4 - 0,5 мм/об (рис. 8). Вона дозволяє на етапі конструкторсько-технологічного проектування технологічних процесів і пристроїв оцінити локальний НДС залежно від технологічних параметрів. Проаналізовано вплив подачі й швидкості свердлення на зусилля (рис. 9, а, б). Визначено характер впливу величини подачі на ефективні напруження (рис. 9, в).

Зі збільшенням подачі свердла зусилля й напруження стискання збільшуються. Однак при подачах Sz в інтервалі від 0,25 до 0,35 мм/об спостерігається незначне зменшення зусилля, а напруження стискання й розтягання майже не змінюються. Вплив швидкості різання на зусилля виявився незначним - до 3,33 м/с (рис. 9, б), а потім спостерігалося його різке зростання до максимуму близько 5,0 м/с з подальшим зменшенням до початкових значень.

Розроблена модель конструкторсько-технологічної підготовки виробництва деталі «корпус» дозволила одержати оцінку часу її закінчення. Результати розра-хунків показали, що при наскрізному паралельному проектуванні середній час виконання робіт у півтора й більше разів менше, ніж при послідовному.

Отримані наукові результати в повному обсязі опубліковано в роботах [3 - 7].

У четвертому розділі наведено результати експериментальної апробації й впровадження досліджень з моделювання КТПВ складних корпусних деталей і всього виробу у разі реалізації наскрізного паралельного циклу.

Шляхом дослідження макро- і мікрошліфів корпусних деталей, а також вимірів мікротвердості зони свердлення на зразках натурного експерименту здійснено порівняння НДС з результатами числового моделювання. Якість макроструктури рифтів деталей типу «стакан», виготовлених за рекомендаціями моделювання, має дрібну волокнисту структуру й відповідає технічним умовам.

Енергодисперсійним мікроаналізом визначено зміну структурних складових у зоні свердлення отворів в алюмінієвому багатофазному сплаві В95. Визначено якісну й кількісну характеристики зони загального впливу при свердленні отворів. Порівняння результатів моделювання свердлення отворів з експериментальними дослідженнями показало їхній добрий збіг.

Виконана промислова апробація ротаційного обтиснення на давильно-розкатному верстаті СРГ-1 зі швидкістю обертання заготовки й оправки в інтервалі N = 6,67...7,17 об/с, поздовжньою подачею роликів Vx = 0,2...0,5 мм/об підтвердила відповідність якості деталей технічним вимогам.

Впровадження результатів теоретичних досліджень здійснено в ДАХК «Артем» для нових виробів БПЛА. У роботі подано опис організації робіт з КТПВ наскрізним паралельним методом за розробленою схемою з використанням інтегрованої системи Pro/ENGINEER та ін.

Розрахунок часових та ресурсних показників підготовки виробництва здійснювався для двох варіантів організації - послідовного й паралель-ного із застосуванням процедури згладжування.

У розділі викладено результати розрахунку у вигляді діаграм потреби в конструкторах і технологах для цих циклів. Загальна тривалість підготовки виробництва виробу при впровадженні паралельного циклу організації робіт зменшилася на 22%.

Впровадження наскрізного паралельного циклу у випадку КТПВ тільки складних корпусних деталей БПЛА дозволило одержати такі показники для конкретного виробу «К»:

- зменшення часу виконання проектних робіт на 57%;

- скорочення часу на зміни, узгодження й оформлення документації на 83%;

- скорочення на 27% кількості робіт, пов'язаних з повторним проектуванням;

- зниження собівартості виготовлення складних корпусних деталей на 30%.

Після одержання результатів 3D-моделювання об'ємного штампування плоских деталей з тонкими горизонтальними елементами типу «бобишка» видано рекомендації з модернізації штампів шляхом уведення додаткової центрувальної канавки. Це дозволило знизити величину браку на 17%.

Спроектовано й застосовується в промисловому виробництві пристрій для механічної обробки отворів і фрезерування поверхонь деталі «корпус» з однієї установки в обробному центрі SHAUBLIN (рис. 10, б). Цей пристрій дозволив забезпечити необхідну точність одержання отворів і поверхонь у межах п'яти мікрон. У додатках до роботи наведено акти впровадження розробок для розглянутих класів деталей.

Отримані у цьому розділі науково-технічні результати опубліковано в роботах [1, 3, 6].

ВИСНОВКИ

Основним науковим результатом роботи є комплекс методів і моделей інтеграції складових конструкторсько-технологічної підготовки виробни-цтва й розроблення технологічних процесів виготовлення корпусних деталей БПЛА на основі наскрізного паралельного циклу виконання робіт, сучасних технологій проектування в єдиному інформаційному просторі, що забезпечило скорочення строків освоєння виробів. Відповідно до сформулюваних завдань отримано такі наукові й технічні результати:

1. Запропоновано метод наскрізного паралельного циклу організації робіт в єдиному інформаційному просторі з випереджальним початком по елементах БПЛА, які мають високу ступінь готовності. На підставі виконаного аналізу науково-технічних робіт і нормативних документів щодо КТПВ виробу складної наукоємної техніки показано, що навіть із застосуванням сучасних інформаційних технологій проектування, дослідження і планування підготовки можливості скорочення строку на освоєння нових виробів типу БПЛА у разі послідовного циклу практично вичерпано. Істотного скорочення строків виводу виробів на ринок можна досягти при впровадженні запропонованого в роботі наскрізного паралельного циклу.

2. Розроблено методики системного моделювання часових і ресурсних характеристик процесів КТПВ БПЛА при наскрізному паралельному циклі організації робіт у єдиному інформаційному просторі. Запропонований підхід ґрунтується на спільному застосуванні розроблених методів формалізованого опису процесів КТПВ, які враховують особливості паралельного циклу організації робіт і методів сітьового планування для розрахунку часових і ресурсних характеристик.

3. Одержав подальшого розвитку метод моделювання стохастичних графів шляхом його використання для розрахунку часових витрат на проведення КТПВ наукоємних корпусних деталей БПЛА, процеси підготовки виробництва яких мають імовірнісний та ітеративний характери й істотно впливають на тривалість циклу підготовки виробу в цілому. Для зменшення строків і «помилок» проектування технологічних процесів запропоновано застосовувати комплексне математичне моделювання з використанням інтегрованих CAD/CAE/CAM-систем.

4. Розроблено математичні моделі підготовки виробництва для основних корпусних деталей, які поєднують моделі сітьового планування у вигляді стохастичних графів і моделі для моделювання технологічних операцій на основі теорії графів. У разі проектування деталей і технологічного оснащення із застосуванням зазначених моделей отримано експериментальні дані, необхідні для прогнозування кількості повернень і обґрунтованого розрахунку часових і ресурсних характеристик підготовки виробництва корпусних деталей БПЛА.

5. Із застосуванням інтегрованих систем розроблено параметричні моделі процесів виготовлення основних корпусних деталей БПЛА (ротаційного обтиснення й формування рифтів, об'ємного штампування деталей з тонкими горизонтальними елементами й механічним свердленням) для аналізу характе-ристик і проектування оснащення. Розроблені на основі даних моделей техноло-гічні процеси й спеціальні пристрої утворення рифтів, а також пристрої для механі-чної обробки з однієї установки впроваджено у виробництво в ДАХК «Артем».

6. Розроблена концепція наскрізного паралельного циклу виконання робіт з КТПВ й інженерні методики моделювання процесів планування й моделювання технологічних процесів упроваджено на ДАХК «Артем» при проектуванні й виро-бництві БПЛА, що дозволило скоротити тривалість циклу підготовки на 22...25% порівняно з послідовним циклом, який використовувався раніше, та досягти поставленої мети дослідження

 СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дружинін Є.А. Системні моделі інтеграції проектування, технологічної підготовки та виробництва у разі застосування наскрізного паралельного циклу створення виробу / Є.А. Дружинін, С.М. Смаль // Системи озброєння і військова техніка: наук. журнал. - Х.: Харк. ун-т Повітряних Сил ім. І. Кожедуба, 2007. - № 4 (12). - С. 75 - 79.

2. Смаль С.М. Моделювання процесів проектування та технологічної підготовки виробництва машинобудівельного підприємства/ С.М. Смаль // Систе-ми управління, навігації та зв'язку. - К.: Центр. наук.-досл. ін-т навігації і управ-ління, 2008.- Вип. 1 (5). - С. 104 -108.

3. Смаль С.Н. Применение компьютерного моделирования для анализа объёмной штамповки деталей с тонкими элементами и сокращения сроков подготовки их производства / С.Н. Смаль // Вопросы проектирования и произ-водства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2008. - Вып. 4 (55). - С. 88 - 97.

4. Смаль С.Н. Вероятностная модель процесса конструкторско-технологической разработки корпусной детали/ С.Н. Смаль //Авиационно-косми-ческая техника и технология: науч.-техн. журнал. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2008. - Вып. №10 (57). - С. 231-233.

5. Смаль С.Н. Математическое моделирование процесса ротационного обжатия полой цилиндрической заготовки/ С.Н. Смаль //Авиационно-космическая техника и технология: науч.-техн. журнал. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2009. - Вып. 1 (58). - С. 44 - 53.

6. Смаль С.М. Скорочення термінів впровадження у виробництво технологіч-них процесів виготовлення корпусних деталей керованої ракети / С.М. Смаль,

В.А. Вітюк, А.П. Монін // Системи озброєння і військова техніка: наук. журнал. - Х.: Харк. ун-т Повітряних Сил ім. І. Кожедуба, 2009. - №3 (19). - С. 120 -125.

7. Смаль С.Н. Разработка математической модели процесса образования рифтов на цилиндрической поверхности полой заготовки / С.Н. Смаль, В.Г. Дан-ченко // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. Краматорськ: Донбас. гос. машиностроит. Академія, 2009. - № 2 (21). - С. 52 - 60.

За темою дисертації автором зроблено повідомлення на міжнародних конференціях та опубликовано 10 тез.

АНОТАЦІЯ

апарат безпілотний проектування

Смаль С.М. Наскрізний паралельний цикл проектування та підготовки виробництва корпусних деталей безпілотних літальних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністью 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2010.

Дисертаційна робота присвячена питанням розроблення методик, моделей інтеграції складових конструкторсько-технологічної підготовки виробництва та технологічних процесів виготовлення корпусних деталей безпілотних літальних апаратів на основі наскрізного паралельного циклу виконання робіт із застосуван-ням інтегрованих комп'ютерних технологій проектування. Процеси підготовки виробництва складних корпусних деталей мають імовірнісний та ітерактивний характери. Тому вони істотно впливають на тривалість циклу розроблення всього виробу, оцінку якого можна отримати за допомогою моделювання і розрахунків часових витрат із застосуванням стохастичних графів. Проектування складних деталей та оснащення для їхнього виготовлення здійснено з використанням спеціалізованих САЕ-систем. У роботі наведено математичні моделі для основних технологічних операцій формозмінення (ротаційне обтиснення й формування рифтів на циліндричних поверхнях порожнистих деталей) та результати їхнього числового моделювання МСЕ.

Розроблену концепцію наскрізного паралельного циклу виконання робіт з конструкторсько-технологічної підготовки впроваджено у виробництво, що дозволило скоротити тривалість циклу підготовки на 22...25% порівняно з послідовним циклом.

Ключові слова: наскрізний паралельний цикл, конструкторсько-технологічна підготовка, сітьова модель, стохастичний граф, корпусна деталь, ротаційне обтиснення, скорочення строків.

АННОТАЦИЯ

Смаль С.Н. Сквозной параллельный цикл проектирования и подготовки производства корпусных деталей беспилотных летательных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытание летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки методик, моделей интеграции составляющих конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП) и технологических процессов изготовления корпусных деталей беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на основе сквозного параллельного цикла выполнения работ с применением интегрированных компьютерных технологий проектирования. На основании проведенного анализа научно-технических работ и нормативных документов по подготовке производства изделий сложной наукоемкой техники показано, что даже с применением современных технологий проектирования, исследования и планирования, возможности сокращения времени на освоение новых изделий БПЛА при последовательном цикле практически исчерпаны. Существенного сокращения сроков ввода изделий на рынок можно добиться при внедрении предложенного в работе сквозного параллельного цикла.

Исследованы временные характеристики КТПП изделия с использованием математических методов системного анализа и теоретико-множественного подхода к описанию структуры изделия, а также теории графов и сетевого планирования. Разработаны методы системного моделирования временных и ресурсных характеристик процессов КТПП при сквозном параллельном цикле выполнения работ в едином информационном пространстве. Предложенный подход, который основывается на совместном применении формализованного описания процессов КТПП, учитывает особенности параллельного цикла организации работ, методов сетевого планирования для расчета временных и ресурсных характеристик.

Поскольку процессы подготовки производства сложных корпусных деталей БПЛА носят вероятностный и итерактивний характеры, то они существенно влияют на длительность цикла разработки всего изделия. Оценка цикла получена с помощью моделирования и расчетов временных затрат с применением стохастических графов. Разработаны интегрированные математические модели подготовки производства для основных корпусных деталей БПЛА, которые объединяют модели сетевого планирования в виде стохастических сетей и модели для моделирования технологических процессов на основе теории графов. Для уменьшения сроков и «ошибок» проектирования технологических процессов предложено применять комплексное математическое моделирование с использованием интегрированных CAD/CAE/CAM/PDS-систем «высшего уровня».

Проектирование сложных деталей и оснастки для их изготовления осуществлено с использованием специализированных CAE-систем. В работе приведены математические модели для трехмерного полноразмерного моделиро-вания основных технологических операций формоизменения - ротационное обжатие и формовка рифтов на цилиндрических поверхностях полых деталей. С применением интегрированных CAE-систем разработаны параметрические модели процессов изготовления объёмной штамповкой деталей с тонкими горизонтальны-ми элементами и механическим сверлением для анализа характеристик и проектирования оснастки. Приведены результаты численного моделирования МКЭ перечисленных технологических операций и рекомендуемые параметры процессов.

На основе созданных математических и параметрических моделей технологических операций и выполненного анализа получены результаты, которые позволили спроектировать и внедрить в производство специальные устройства для образования рифтов, а также механической обработки фрезерованием и сверлением с одной установки.

Разработанная концепция сквозного параллельного цикла выполнения работ по КТПП и инженерные методики моделирования процессов планирования и моделирования технологических процессов внедрены в производство, что позволило сократить длительность цикла подготовки на 22...25% по сравнению с последовательным циклом.

Ключевые слова: сквозной параллельный цикл, конструкторско-технологичес-кая подготовка, сетевая модель, стохастический граф, корпусная деталь, ротационное обжатие, сокращение сроков.

ABSTRACT

Smal S.M. The joint parallel cycle of designing and preparing the production of unmanned aircraft airframe parts. - Manuscript.

Thesis for competition of candidate's degree in speciality 05.07.02 - design, production and test of aircraft. - National Aerospace University named after N.Ye. Zhukovsky “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2010.

The thesis deals with the issues of developing the methods, models for integration of components of design - technological preparation of production and technological processes of manufacturing the unmanned aircraft airframe parts on a basis of the joint parallel cycle of carrying out work with application of CAD technology. The processes of preparing the production of airframe parts are of probabilistic and interactive natures. Therefore they have a significant effect on the duration of the whole item development cycle, which can be assessed with the help of modeling and calculation of time expenditures by using stochastic graphs. Complex components as well as their fabrication equipment were designed with the help of specialized CAE-systems.

...