Автоматизированная система акустического расчета тонкостенных пластин летательного аппарата с модулем решения обратной задачи

Размещено на http://allbest.ru

10

УДК 629.7.01.533.6

Автоматизированная система акустического расчета тонкостенных пластин летательного аппарата с модулем решения обратной задачи

А.В. Ордин, А.В. Рипецкий

В процессе жизненного цикла авиационной техники эксплуатирующим организациям необходимо проводить замеры акустического поля на конструкциях самолета. Для этого на самолет в контрольных точках устанавливаются микрофоны, к ним подводится инфраструктура и внутрь кабины или отсека для пассажиров устанавливается чувствительная записывающая аппаратура [1]. Процесс замера уровней акустического поля науко- и трудоемкий, со множеством усложняющих факторов:

1. Микрофоны для замеров акустического поля (в отличие от тензодатчиков, которые устанавливаются в цеху) устанавливаются непосредственно перед испытаниями. Зачастую в условиях нехватки времени [2].

2. Записывающая аппаратура требует высокой квалификации оператора, осуществляющего контроль на борту замеров акустического поля [3].

3. Микрофоны требовательны к качеству технологии установки на летательный аппарат.

Это приводит к большому числу повторных замеров, вылетов, а следовательно, к затрате временных и денежных ресурсов [4].

Однако на самолете всегда есть тензодатчики. И для виброиспытаний тензодатчики устанавливаются в цехах [5].

Актуальна задача оценки уровня акустического поля, действующего на тонкостенную пластину, через напряжения в пластине, измеряемые тензодатчиками.

Проведенные исследования программных комплексов, решающих задачи акустики, показали, что задача оценки уровня акустического поля по напряжениям в пластине не решена.

Внедрение автоматизированной системы акустического расчета тонкостенных пластин летательного аппарата (АСАРТП ЛА) в производственный цикл обеспечит существенное снижение затрат времени и средств за счет использования средств машинной графики и современных методов математического моделирования, позволит эксплуатантам предсказывать уровни акустического давления на конструкции, принимать решения о размещении микрофонов для акустических замеров на планере летательного аппарата.

Разработанные методы проведения акустических расчетов и критерии обоснования выбора топологии размещения микрофонов для акустических замеров, основывающиеся на данных тензодатчиков, математические модели объектов, сред и материалов, а также алгоритмы, процедуры и целевые функции использованы в созданной АСАРТП ЛА.

Программный комплекс является современным инструментом проектировщика-исследователя и предназначен для выработки технических рекомендаций по размещению микрофонов для замеров акустических полей и экспресс-оценки уровней акустического поля по данным тензодатчиков, что дает возможность определять уровень акустического поля, учитывая все источники шума.

Результаты работы могут быть использованы в НИИ и ОКБ, службами послепродажного обслуживания КБ авиационной промышленности, при проведении регламентных работ, разработке комплексных систем автоматизированного проектирования и подготовке специалистов по проектированию самолетов в авиационных учебных заведениях.

Исследование существующих программных комплексов показало отсутствие на рынке программных комплексов, решающих задачу определения акустического поля по напряжениям в тонкостенных панелях летательного аппарата.

Объектом исследования является акустическое поле на панелях летательного аппарата, создаваемое неуравновешенными силами вращающихся роторов, воздушных винтов двигателей, акустическими нагрузками от выхлопных струй реактивных двигателей и воздушных винтов, пульсации давления турбулентного пограничного слоя.

Предметом исследования является выявление зависимости между напряжениями в тонкостенной пластине и акустическим давлением на пластину, топология размещения микрофонов для замеров акустического поля. Декомпозиция задач, разработка моделей и алгоритмов САПР базируются на принципах системного подхода.

Рациональные конструктивно-компоновочные решения выявлены на основе моделирования с помощью формально-эвристических процедур. Математическая задача отыскания рациональных значений параметров поставлена как задача многокритериальной дискретной оптимизации.

Первые несколько собственных частот и среднеквадратическое значение напряжений обшивки однократно изогнутой панели могут быть найдены с использованием АСАРТП ЛА. Перечень инструкций для двух субпрограмм дан на языке программирования С#, что позволяет с легкостью интегрировать АСАРТП ЛА в современные средства CALS.

Главная программа требуется для считывания вводимых данных и вывода на печать значений собственных частот и среднеквадратического напряжения обшивки. Инструкции для этой программы не даны как требуемые инструкции, зависящие от конкретно используемого компьютера. Требования для главной программы даны в форме блок-схемы.

Детали субпрограмм приведены ниже.

Главная программа должна включать в себя простой оператор (COMMON statement), который написан в частотной субпрограмме и субпрограме по вычислению напряжений.

Если запустить программу с подходящей главной программой для считывания необходимых данных и вывода частот и напряжений, затраченное время составит меньше одной секунды.

Частотная субпрограмма находит все собственные частоты, в которых не более 3 полуволн в любом направлении поперек панели. Панельные кромки предполагают шарнирно опертыми.

Частотные данные панели, вводимые для каждой панели, обоснованы оцениванием для переменных, записанных в табл. 1.

Таблица 1

Вводные переменные частотной субпрограммы АСАРТП ЛА

Для плоской панели вводится макет с отрицательным значением R. Частоты будут получены в Гц.

По возвращении к главной программе из частотной субпрограммы собственные частоты панели хранятся в массиве ARRAY F (табл. 2).

Таблица 2

Выводные переменные частотной субпрограммы АСАРТП ЛА

В табл. 2 m - количество полуволн поперек панели в направлении, параллельном стороне с длиной a, n - количество полуволн поперек панели в направлении, параллельном стороне с длиной b.

Субпрограмма для расчета напряжений находит среднеквадратическое напряжение лицевой панели в центре сэндвич-панели. Панельные кромки предполагаются шарнирно опертыми.

Данные по напряжениям для каждого случая обоснованы оцениванием переменных, записанных в табл. 3.

Таблица 3

Вводные переменные субпрограммы для расчета напряжений

В этой субпрограмме среднеквадратическое колебание давления эквивалентно L_ps(f). Единица измерения - Н/м². По возвращении к главной программе из субпрограммы для расчета напряжений среднеквадратическое значение напряжений на лицевой пластине хранится в массиве ARRA STR (табл. 4).

Используя переменные из табл. 1 и 2, инженер может направить программу на решение прямой (классической) задачи определения напряжений в панели по условиям акустического нагружения (рис. 1) и обратной задачи (рис. 2) определения уровня акустического поля по напряжениям в панелях летательного аппарата.

Таблица 4

Выводные переменные субпрограммы для расчета напряжений

Рис. 1. Блок-схема АСАРТП ЛА для задачи нахождения напряжений в панели по уровню акустического поля

Рис. 2. Блок-схема АСАРТП ЛА для задачи нахождения уровня акустического давления по напряжениям в панели

Интерфейс программы показан на рис. 3. Выходные данные в АСАРТП ЛА можно выводить в виде численных значений. графиков (рис. 4) и (при интеграции с комплексами САПР высокого и среднего уровня) акустических карт (рис. 5).

Рис. 3. Интерфейс программы АСАРТП ЛА

Рис. 4. Графики, построенные в АСАРТП ЛА

Рис. 5. Пример акустической карты, выполненной с помощью АСАРТП ЛА

акустический летательный микрофон самолёт

Результаты анализа, проведенного в программном комплексе АСАРТП ЛА, разработанном авторами статьи, подтверждены актом внедрения в подразделение «Хруничев-Телеком» ГКНПЦ им. М.В.Хруничева.

В заключение можно сделать следующие выводы:

1. До появления АСАРТП ЛА, разработанной авторами статьи, никем не была решена задача экспресс-определения уровня акустического поля по напряжениям в конструкциях, на которые действует акустическое поле.

2. Использование средств языка программирования С# позволило создать программный комплекс, отличающийся быстродействием и высокой степенью возможности интеграции с современными программными средствами.

3. Экспресс-анализ акустического поля по напряжениям на тонкостенной пластине сэндвич-панели позволяет с высокой степенью точности предсказать уровень акустического поля, что влечет за собой снижение издержек в процессе концептуального проектирования и регламентных замеров уровня акустических полей летательного аппарата.

Список литературы

1. Авиационная акустика / под ред. А.Г. Мунина, В. Е. Квитки. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.

2. Голдстейн, М. Е. Аэроакустика / М.Е. Голдстейн; пер. с англ. Р.К. Каравасова, Г.П. Караушева; под ред. А.Г. Мунина. - М.: Машиностроение, 1981.- 294 с.

3. Franken, P.A. Methods of flight vehicle noise prediction / Р.А. Franken. - 1958.

4. Plumblee, H.E. Near field analyses of aircraft propulsion systems with emphasis on prediction techniques for jets / Н.Е. Plumblee. - 1967.

5. Riley, M.P. Near field jet noise prediction techniques / М.Р. Riley; British Aircraft Corporation Ltd, Acoustics Laboratory Report A.R. 324.- 1971.

Аннотация

УДК 629.7.01.533.6

Автоматизированная система акустического расчета тонкостенных пластин летательного аппарата с модулем решения обратной задачи. А.В. Ордин, А.В. Рипецкий

Описан разработанный автоматизированный программный комплекс для расчета тонкостенных панелей летательного аппарата, позволяющий определять уровень напряжений в тонкостенных панелях летательного аппарата на этапе концептуального проектирования, уровень акустического поля во время эксплуатации летательного аппарата и создавать акустические карты летательного аппарата.

Ключевые слова: акустическое воздействие, летательный аппарат, система автоматизированного проектирования, акустическое поле, акустическая карта.

Размещено на Allbest.ru