Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408![]()
Внедрение компонентов CALS-технологии в авиадвигателестроении: проблемы и перспективы
#3 Март 2005 УДК 629.7.03 (0.75.8)
Кривошеев И.А. Внедрение компонентов CALS-технологии в авиадвигателестроении: проблемы и перспективы
Рассматриваются проблемы разработки и внедрения компонентов CALS-технологии. Приводится опыт подготовки и переподготовки кадров, разработки специализированных приложений. Описаны результаты работ по созданию компонентов компьютерной среды, обеспечивающей системную автоматизированную разработку двигателей (ракетных, авиационных) с использованием CAD/CAM/CAE/PDM-систем, при котором структура и содержание многоуровневой и многоаспектной модели ДЛА (дерево проекта) на основе объектного подхода динамически формируется в процессе оптимального проектирования, изготовления и доводки. Приведены результаты использования средств сетевого имитационного моделирования и системы поддержки принятия проектных решений на этапе функционального проектирования ГТД, идентификации моделей по результатам испытаний, на этапе конструкторского проектирования. Описана разработанная структура компьютерной среды авиамоторного ОКБ и завода, методы ее создания и внедрения. Введение Президент АССАД В.М.Чуйко на научно-технической конференции в Самаре, посвященной памяти Н.Д.Кузнецова озвучил важную мысль: «В современном мире выработка на одного работающего в авиа-ракетостроениии в 10 раз выше, чем в автомобилестроении, в котором она выше в 10 раз, чем в производстве бытовой техники. Поэтому даже если мы научимся делать лучшие в мире телевизоры, стиральные машины и пылесосы, то россияне все равно будут жить в 100 раз хуже, чем граждане США». Это убедительный довод как для руководителя предприятия, так и для студента (не говоря о политических деятелях), почему Россию активно пытаются выдавить из рынка авиационной и космической продукции. Фактически это продолжение той линии, когда после Второй Мировой войны США сделали все, чтобы в Европе газотурбинное двигателестроение не развивалось. Одно из проявлений этой тенденции заключается в том, что конгресс запрещает передавать за пределы США программы термогазодинамического моделирования ГТД (типа GECAT, JGTS или Java Simulyator), хотя аналогичными разработками (ГРАД[7], DVIG[11]) с немецкими коллегами (авторами системы Gasturb) мы обмениваемся без ограничений. Казалось бы, времена КОКОМ прошли, но специализированные версии для авиации CAD/CAM/CAE/PDM/ERP-систем, большая часть которых разрабатывается фирмами США (EDS, SDRC, PTC, SAP, MSC и др.) в Россию также не продаются. Если оставить в стороне политические аспекты борьбы за рынки, с которых мы так легко ушли или позволили себя вытеснить, то основными проблемами наших авиастроительных предприятий является: · качество производимой продукции; · обеспечение интегрированной логистической поддержки продукции, направленной на повышение качества сервисного обслуживания и снижение эксплуатационных расходов; · организация непрерывного и эффективного маркетинга и динамика реагирования на изменение рыночной ситуации в части изменения объемов производства и изменения видов производимой продукции. Автором в [21] проведено моделирование динамических процессов в сегментах рынка с использованием методов ТАУ(теории автоматического управления). Показано, что циклограмма кривой прибыли зависит от динамических характеристик производственного предприятия – способности изменять номенклатуру и объемы производимой продукции (по отношению к динамическим характеристикам спроса, сферы реализации, конкурентов и поставщиков ресурсов). С учетом этого одним из перспективных средств повышения конкурентоспособности отечественных авиадвигателестроительных предприятий является внедрение CALS-технологии на основе реинжиниринга и анализа эффективности бизнес процессов предприятия. В основе внедрения CALS – технологий лежит комплексное применение на всех этапах жизненного цикла продукции информационных систем, покрывающих два основных функциональных направления: 1) инженерное 2) управленческое и экономическое. Системообразующая и интегрирующая роль в информационном пространстве предприятия принадлежит двум типам информационных систем – ERP и PDM. ERP – системы объединяют подсистемы, обеспечивающие управленческую и экономическую функциональность (управление материальными потоками, управление финансовыми потоками, учет затрат, ведение бухгалтерского учета и др.) PDM – системы обеспечивают интеграцию инженерного программного обеспечения (CAD/CAM/CAE) в рамках единого информационного пространства предприятия. Одно из распространенных заблуждений, с которым мы
сталкивались ранее (в 1985- В настоящее время на промышленных предприятиях при проведении анализа рентабельности внедрения CALS – технологий, редко принимается во внимание полезный эффект повышения конкурентоспособности предприятия за счет улучшения динамических характеристик производства. Основной причиной этому является отсутствие четких методик определения полезного эффекта (обеспечение гибкого изменения объемов и номенклатуры производимой продукции в зависимости от конъектуры рынка, обеспечение быстрого освоения новых видов продукции, на которую существует устойчивый спрос в текущий момент) от внедрения интегрированных информационных систем на предприятии. При этом руководители мало используют новые свойства производства для динамического управления с учетом данных непрерывного, эффективного маркетинга. Кроме плохого понимания эффективности реинжиниринга и внедрения Hitech (высоких технологий) часто встречается неправильное представление о проблемах, связанных с внедрением CALS. Был период, когда основной проблемой считалось приобретение вычислительной техники и современного технологического оборудования, затем поняли, что сложнее приобрести, освоить современные универсальные software компоненты CALS, разработать на их основе собственные приложения, выполнить их интеграцию с компонентами собственной разработки. Теперь обострилась более сложная проблема подготовки и переподготовки соответствующих кадров и обозначилась еще более сложная проблема их удержания на производстве (за счет соответствующей оплаты и условий труда, интересной работы, перспектив карьерного роста). В решении 2-й и 3-й из перечисленных проблем предприятиям могут оказать существенную помощь вузы.
Опыт подготовки и переподготовки кадров для предприятий авиадвигателестроения в процессе разработки и внедрения компонентов CALS
В НИЛ САПР-Д кафедры АД УГАТУ накоплен опыт подготовки
и переподготовки кадров в области CALS для ФГУП «НПП Мотор», УМПО и других предприятий. В
частности, выполнен хоздоговор с ФГУП НПП «Мотор» «Отработка методов
решения
проектно-конструкторских задач по тематике НПП «Мотор» на основе
современных CAD/CAM/CAE систем и оказание методической
помощи в освоении современных CAD/CAM/CAE систем» (2001- Для службы послепродажного сервисного обслуживания УМПО в НИЛ САПР-Д ведется разработка компонентов ИЛП (интегрированной логистической поддержки) эксплуатации ГТД. В частности, разрабатывается ИЭТР по ГПА16РМ на базе двигателя АЛ31СТ. В рамках этой работы для УМПО проводится целевая подготовка дипломников, магистрантов и аспирантов. В числе подготовленных в НИЛ САПР-Д специалистов по CALS заместитель руководителя отдела развития информационных технологий (ОРИТ) УМПО, руководитель КБ объемного моделирования ОГК, сотрудники этих подразделений, сотрудники отдела АСУТП и других подразделений.
Состояние вопроса разработки компонентов CALS для авиадвигателестроения в России и за рубежом
За рубежом (США, Объединенная Европа) этому вопросу уделяется большое внимание.
Выделяется по 200-150 млн. $, в работе участвуют солидные фирмы и университеты.
В числе таких программ Федеральная программа США NPSS, рассчитанная на период
1990 – • Последовательные версии распределенной многоуровневой модели двигателя (NPSS v.1, NPSS v.2, NPSS v.3) • Программно-аппаратные комплексы на базе программ APNASA, ADPAC и NCC расчета течения в тракте двигателя в 3D постановке В объединенной Европе развернуты программы VERTIGO, ECP, VIVACE. В них участвуют 20 фирм, из них 3 двигателестроительных, 1 самолетостроительная, 17 фирм – разработчиков программного обеспечения, а также университеты. Бюджет 150 млн. $л., головные фирмы Rolls-Royce, SNECMA, AIRBUS. Объявленная цель упомянутых программ: создание промышленного программного продукта - среды разработки и поддержки авиационного ГТД на всех стадиях жизненного цикла, обеспечивающего повышения конкурентоспособности создаваемых двигателей В России (в ЦИАМе) регулярно проводятся отраслевые совещания по автоматизации проектирования ГТД, на эти совещания автора приглашают, как специалиста. При этом обсуждаются мастер-процессы конструирования деталей ГТД, разноуровневые поузловые модели, распределенная многоуровневая междисциплинарная модель двигателя и двухуровневая структура системы проектирования. Однако вопрос о средствах объединения этих компонент в единую технологию остается открытым. В настоящее время в мире различными фирмами разрабатывается много различных систем и технологий (CAD/CAM/CAE/PDM/ERP/SCADA/…). Для их применения в рамках единого информационного пространства развивается инициатива CALS (Сontinuous Аcqusition and Life Cycle Support)«… cтратегия последовательного преобразования существующего процесса в единый компьютеризированный и информационно-интегрированный процесс управления жизненным циклом систем военного назначения»(NATO CALS Handbook-2000), направленная на выработку стандартов для согласования информационного обмена ([3,5]). В частности для этого развивается стандарт STEP, но все это не решает проблему создания информационной технологии для системной автоматизированной разработки двигателей летательных аппаратов (ДЛА) согласованно с моделью летательных аппаратов (ЛА) и другими системами в его составе.
Опыт разработки и внедрения компонентов CALS для предприятий авиадвигателестроения
Проводимые в НИЛ САПР-Д УГАТУ работы по комплексной автоматизации процессов проектирования, доводки и эксплуатации двигателей и энергоустановок, привели к формированию собственной концепции организации системной автоматизированной разработки и эксплуатации сложных изделий. Такие работы были начаты в рамках отраслевой программы САПР авиационных двигателей (рис.1) и выполняются уже на протяжении 20 лет по заказам авиамоторных ОКБ и заводов. Цель выполняемых работ: совершенствование методологии проектирования и доводки двигателей летательных аппаратов на основе использования CALS-технологии, имитационных моделей и систем поддержки принятия решений. Работы ведутся по следующим направлениям: • проведение системного анализа и построение моделей процесса проектирования и доводки двигателей летательных аппаратов (ракетных, авиационных), учитывающих все возрастающие требования к перспективным ЛА (рис.2); • разработка концепции системного проектирования и доводки ДЛА, с динамическим формированием многоуровневой многоаспектной модели двигателя и его окружения (конструкторского, технологического, эксплуатационного и т.д.), с передачей границ области поиска решения и критериев оптимизации в нижележащие уровни, с определением вероятности выигрыша отдельных структурных вариантов (рис.4); • формирование алгоритмов выполнения обобщенных проектно-доводочных процедур и их реализация в виде универсального алгоритма – решателя (процессора), обрабатывающего многоуровневую многоаспектную модель двигателя (дерево проекта); • установление последовательности и разработка системы поддержки принятия проектных решений (СППР) при формировании модели ДЛА в виде дерева проекта; • разработка метода формирования, развития и использования математических моделей структурных элементов и их библиотек на разных стадиях создания ДЛА.; • разработка методов организации параллельной работы специалистов при проектировании и доводке ДЛА (рис.7); • разработка технологии накопления, систематизации и использования опыта проектирования и доводки двигателей летательных аппаратов (ракетных, авиационных); В
настоящее время полученные результаты внедряются в промышленности в виде трех
взаимосвязанных программно-методических комплексов. Первый (рис.4-5)
представляет средства для имитационного сетевого моделирования ГТД,
комбинированных, поршневых и ракетных двигателей, энергоустановок,
компрессоров, камер сгорания, моделирования ГТД совместно с элементами
автоматики, моделирования нестационарных режимов и переходных процессов. Эти
результаты выгодно отличаются наличием специально созданной универсальной
«оболочки» МетаСАПР (Framework)
САМСТО. Последняя включает пре- и постпроцессор, решатель, библиотеку
алгоритмов численных методов и средства для настройки на предметную область
- описания характерных информационных потоков (связей), создания
библиотек структурных элементов (СЭ) и т.д. На этой основе разработана
новая технология автоматизации системного проектирования и доводки двигателей с
использованием многоуровневого многоаспектного сетевого имитационного
моделирования (рис.4). При этом формализован процесс упорядоченного
непрерывного наращивания и развития моделей за счет последовательного
добавления (суперпозиции) учета новых факторов в процессе проектирования и
доводки изделия. Изучение процесса проектирования авиационных двигателей
позволило выявить общие закономерности в виде последовательности принятия
решений при выборе структурных вариантов по каждому элементу в дереве проекта
изделия. На этой основе сформирован алгоритм и система поддержки принятия
решений (СППР), учитывающая как общие закономерности, опыт создания изделий
данного класса, так и конкретные проектно-доводочные ситуации, непрерывно
возникающие и разрешаемые при разработке конкретного изделия. Кроме того,
выявленная логика в последовательности принятия проектных решений лежит в
основе организации иерархических библиотек фрагментов моделей СЭ, из
которых формируются сетевые модели конкретных изделий данного класса.
Предложенный способ организации внутриуровневых и межуровневых связей СЭ в
дереве проекта позволил свести сетевую модель к ОНГ (однонаправленному графу),
упростить алгоритм решателя, унифицировать внутреннюю структуру моделей СЭ
(создать универсальный шаблон), выделив 8 универсальных блоков. Традиционно
используемые в проектировании понятия «проектировочный» и «поверочный
расчет»,
логика выделения входных и выходных параметров при составлении модели СЭ,
логика получения и использования характеристик СЭ в рамках этой
технологии приобрели новый смысл и обоснование. Второй
программно-методический комплекс (рис.6.7) представляет средства управления
данными изделия, компьютерной поддержки конструкторско-технологического
проектирования, инженерного анализа.
Рис.1
Архитектура разработанной (в период 1985- и внедренной в ряде ОКБ Интегрированной САПР-Д АСПАД
Третий программно-методический комплекс (рис.8.) представляет средства логистической поддержки производства и эксплуатации изделий, в том числе разработки ИЭТР. В целом описанный инструментарий развивается как оригинальный вариант опорной информационной технологии внедрения в промышленности средств компьютерной поддержки жизненного цикла сложных изделий (CALS/ILS). В частности, определенные успехи достигнуты в области разработки инструментария для создания интерактивных электронно-технических руководств (ИЭТР) и ИЭТР по конкретным изделиям (энергоустановке ГТУ105/95 и газоперекачивающему агрегату ГПА16РМ). Информация о разработках приведена в [6,12-20], доступна на сайте кафедры АД УГАТУ www.ad.ugatu.ac.ru. Контактный адрес: 450000 Уфа, К. Маркса 12, УГАТУ, кафедра авиационных двигателей, научному руководителю НИЛ САПР-Д Кривошееву Игорю Александровичу, тел/факс (3472)238888, e-mail: krivosh@mail.rb.ru или krivosh@sci.ugatu.ac.ru.
Взаимодействие с предприятиями в научной деятельности
Взаимодействие с предприятиями развивается в рамках хоздоговорных НИР и различных межведомственных и федеральных программ. О содержании совместных работ говорят темы докторских, кандидатских и магистерских диссертаций, выполняемых в НИЛ САПР-Д УГАТУ. Все они связаны с разработкой основных принципов и средств для организации системного автоматизированного проектирования, изготовления, доводки и эксплуатации авиационных двигателей (во взаимодействии с авиамоторными предприятиями, прежде всего с УМПО и НПП «Мотор»). В работе используется методология SADT реинжиниринга процесса проектирования, производства и эксплуатации ГТД. При этом строятся и детализируются формализованные модели (функциональные, информационные, динамические, структурные) «как есть» (по состоянию на момент анализа) и «как надо» (альтернативные, с использованием средств CALS) На рис.2 приведен верхний уровень функциональной модели (IDEF0) из серии взаимно вложенных диаграмм.
авиационного ГТД
Рис.3. Процессы, использующие информацию об изделии.
Рис 4. Условная схема разработанной в НИЛ САПР-Д открытой технологии моделирования и автоматизированного проектирования сложных систем и процессов
системы имитационного моделирования
для конструкторско-технологического проектирования лопаток, дисков и рабочих колес
(в среде UG и Ansys) и разработанной среды для параллельного проектирования ГТД (на основе PDM SmarTeam)
Рис.8 Разработанная технология создания и использования интерактивных электронных технических руководств ( на примере разработанного ИЭТР по ГТУ10/95)
Взаимодействие с УМПО в процессе внедрения PDM-технологий
Проводимая в НИЛ САПР-Д работа используется при взаимодействии УГАТУ и УМПО в вопросах внедрения PDM и ИЛП-систем. Основная задача – организация, ведение и хранение технической информации об изделиях, производственных и технологических процессах, обеспечение совместного использования информации в проектировании, КТПП, производстве и эксплуатации. При этом достигаются следующие цели: 1.Сокращение времени технологической подготовки производства за счет создания условий сквозного проектирования ТП и оснащения в электронном виде и оперативного доступа к технологической и конструкторской информации. 2. Обеспечение актуальности и сохранности технической информации. Исключение неоднозначности и дублирования информационных ресурсов. 3. Создание единого информационного пространства путем интеграции системы управления и планирования производства – «BAAN» и системы управления технической информацией – PDM (рис.10). 4. Разработка компонент ИЛП – ИЭТР, электронных каталогов и т.д. для поддержки производства и эксплуатации изделий (рис.9).
Рис.9 Окна ИЭТР по ГПА-16РМ, разработанному в НИЛ САПР-Д по заказу УМПО
Рис. 10.Организация информационного взаимодействия между инженерным и управленческим ПО на примере использования состава изделия в различных системах.
Основные научные и научно-технические результаты В настоящее время в НИЛ САПР-Д УГАТУ разработаны компоненты компьютерной среды, обеспечивающей системную (в рамках надсистемы – ЛА, другого транспортного средства, энергетической или технологической установки) автоматизированную разработку двигателей (ракетных, авиационных) с использованием CAD/CAM/CAE/PDM-систем, при котором структура и содержание многоуровневой и многоаспектной модели ДЛА (дерево проекта) на основе объектного подхода динамически формируется в процессе оптимального проектирования, изготовления и доводки. Исследования и практическая работа в этом направлении продолжаются. Во взаимодействии с НПП Мотор, УМПО и другими авиамоторными ОКБ и заводами отработана технология целевой подготовки и переподготовки кадров в области CALS в процессе решения задач, поставленных предприятиями. Результаты показывают высокую эффективность и важность проведения реинжиниринга и внедрения компонентов CALS-технологии на отечественных авиамоторных предприятиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Имитационное моделирование производственных систем / Под ред. А.А. Вавилова. – М.: Машиностроение; Берлин: Техника, 1983. – 416с. 2. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. – М.: Высш. шк., 2001. – 343 с. 3. А.Ф.Колчин, М.В.Овсянников, А.Ф.Стрекалов, С.В.Сумароков Управление жизненным циклом продукции.- М.:Анахарсис, 2002. – 304 с. 4. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. – М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 336 с. 5. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 320 с. 6. Кривошеев И.А., Яруллин Т.Р., Сапожников А.В. и др. Методы и средства для внедрения компонентов CALS-технологии в авиадвигателестроении. Приложение к журналу «Информационные технологии» N3/2004 –М: Новые технологии, Информационные технологии – 2004, 32 с. 7. Тунаков А.П., Голланд А.Б., Мац Э.В., Морозов С.А. и др. Программный комплекс ГРАД для расчета газотурбинных двигателей //Авиационная техника: Известия вузов. - Казань, 1985. - №1. - С.83 -85. 8. Чуян Р.К. Методы математического моделирования двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие для студентов авиадвигателестроительных специальностей вузов. – Москва: Машиностроение, 1988. – 288 с. 9. Неруш Ю.М. Логистика: Учебник для вузов. – М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 495 с. 10. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для вузов /Под ред. профессора А.М.Ахмедзянова. – М.: Машиностроение, 2000. – 454 с.; ил. 11. Ахмедзянов Д.А., Горюнов И.М., Кривошеев И.А. и др. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw. Учебное пособие.– Уфа: УГАТУ, 2003. – 162 с. 12. Кривошеев И.А., Ахмедзянов Д.А. Автоматизация системного проектирования авиационных двигателей: Уч.пособ. Уфа:УГАТУ. 2002. 61 с. 13. Кривошеев И.А. Автоматизация системного проектирования авиационных двигателей. - Автореферат докторской диссертации. Уфа, изд-во УГМИ, 2000. – 32 с. 14. Кривошеев И.А. САПР авиационных двигателей: состояние и перспективы // Информационные технологии. – М.: Машиностроение, 2000. №1. С. 8-15. 15. Кривошеев И.А. Создание информационного фонда для организации системного проектирования авиадвигателей // Вестник УГАТУ, 2002. № 1. С. 193-201. 16. Яруллин Т.Р., Ахмедзянов А.М. Электронные информационные архивы в структуре систем автоматизированного проектирования авиационных двигателей // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. № 1. С. 111-118. 17. Кривошеев И.А., Каганов А.М., Яруллин Т.Р. Использование SADT и CAD/CAM-технологий при разработке авиационных ГТД // Информационные технологии. М: Машиностроение, 1998. № 5. С. 2-8. 18. Кривошеев И.А., Сапожников А.Ю., Карпов А.В. Применение CAD-систем для автоматизации компоновки авиационных газотурбинных двигателей/ Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2002): тезисы межд.конф. М.: Институт проблем управления РАН. – 2002. С.73-74. 19. Кривошеев И.А., Карпов А.В., Козакевич С.С. Реинжиниринг подготовки специалистов по авиационным двигателям с использованием CALS-технологии // Доклады междун. НТК, посвящ. ген. констр. акад. Н.Д.Кузнецова. Самара: СГАУ. 2002. Ч.3. С. 67-74. 20. Кривошеев И.А., Воронков А.П., Карпов А.В. Использование CAD/CAM и PDM-технологии при проектировании и доводке авиационных ГТД// Материалы 1 Международной конференции и выставки «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. CAD/CAM/PDM-2001». - Москва: ИПУ РАН. – 2001, http://lab18.ipu.rssi.ru/labconf/aticle.asp?num 52 21. Кривошеев И.А., Ахмедзянов Д.А., Моделирование динамических процессов в сложных системах. Уфа, Изд-во УГАТУ, 2003 – 96 с.
Публикации с ключевыми словами: CALS, PDM, CAD, CAM, CAE Публикации со словами: CALS, PDM, CAD, CAM, CAE Смотри также: Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|