WEB-ресурс научно-практических конференций

МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ДЕКОМПОЗИЦИОННЫХ ЗАДАЧ СИНТЕЗА СТРУКТУРЫ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДПЛА ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ПРИРОДОРЕСУРСНОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Н.В. Зосимович

Решения, принимаемые на ранних стадиях проектирования дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА), не только предопределяют множество решений, которые могут быть приняты на последующих стадиях, но и сами в известной мере определяются ими [1]. Следовательно, выбор рациональной структуры силовых конструкций должен основываться как на многофакторном анализе, так и на обеспечении материализации этой структуры. С тем, чтобы структура силовых агрегатов могла быть материализована в виде конкретного конструкторско-технологического решения (КТР), необходимо выбирать структуру агрегатов, основываясь на заранее сформированных конструкционных модулей (КМ). Это сборочные единицы, полученные с учетом технологических и эксплуатационных требований к данному уровню структуры силовых конструкций, а также действующих в отрасли нормалей и сортаментов на конструктивные элементы, из которых они состоят. Конструктивные модули могут состоять в свою очередь из более простых КМ [2].

Совокупность КМ, разработанных под данный класс ДПЛА, должна быть сформирована заранее и постоянно пополняться за счет новых патентоспособных конструктивных решений. Множество КМ представляет собой элементарную базу конструирования (ЭБК). Еще одной особенностью, обусловленной иерархичностью задач проектно-конструкторских решений (ПКР), является сильная информационная связанность этапов проектирования, основанная на согласовании входной и выходной информации между отдельными этапами. Эта особенность не позволяет закончить проектирование за один цикл, и делает необходимым строительство итерационного процесса между этапами проектирования с учетом общей для всех этапов декомпозиции структуры силовых конструкций. Например, выбор конструкционного материала силовых агрегатов не может быть прерогативой одного из этапов ПКР. Поскольку его характеристики влияют на следующие параметры:

·              эффективность ДПЛА как технической системы (ТС), выполняющей определенные задачи мониторинга;

·              технологичность и конструктивное совершенство конструкции ДПЛА для оперативного природоресурсного и экологического мониторинга окружающей среды.

Следовательно, структурные признаки, в том числе и конструкционный материал, должны выбираться на основе анализа функциональных свойств и технологичности конструкции ДПЛА. Это возможно только при организации итерационной процедуры проектирования ДПЛА для оперативного природоресурсного и экологического мониторинга окружающей среды.

Организация внешних итерационных циклов на следующих этапах:

·              общее проектирование;

·              проектирование конструкций;

·              конструирование -

крайне неэффективна. Необходимо помимо внешних циклов организовать и внутренние циклы между смежными этапами, цель которых – понизить размерность задачи и обеспечить сходимость внешнего итерационного цикла.

Для сходимости внутренних циклов процесса проектирования конструкций необходимо обеспечить иерархическую согласованность (пересечение) уровней рассматриваемой декомпозиционной схемы. Для этого целесообразно использовать принятую в теории проектирования сложных технических систем процедуру структурно-параметрической оптимизации (СПО), с помощью которой оцениваются варианты структур по тем свойствам, которые сообщают объекту оптимальные сочетания параметров сравниваемых структур. Используем следующий способ локализации структуры на уровнях декомпозиционной схемы. Будем представлять структуру КТР на каждом уровне совокупности существенных признаков двух смежных уровней [2]:

В этом случае являются структурными признаками, а - параметрами структуры - го уровня декомпозиции. Таким образом, процедура выбора рационального КТР силовых агрегатов представляет собой многоуровневую СПО.

Существуют апробированные на практике рекомендации по построению декомпозиционных схем многоуровневой СО [4], которыми мы воспользуемся. Их суть в следующем:

1.     Многоуровневую задачу СО разделяют на несколько двухуровневых задач СО.

2.     Структурные переменные задаются так, чтобы с их помощью можно было описать множество возможных структур, которые могут задавать поставщики-специалисты и которые может реализовать математическое и программное обеспечение.

3.     Проверка ограничений (отсекающие заведомо недопустимые структуры) должна вводиться поэтапно в процессе построения структуры, а не после.

4.     Вся совокупность ограничений должна представлять иерархически согласованную систему по уровням проработки конструкции [2].

Построенная на этих принципах многоуровневая СПО (рис. 2) согласуется с декомпозицией структуры силовых конструкций (рис. 1).

Многоуровневая декомпозиционная схема необходима для понижения размерности задачи проектирования – она отражает конкретную степень детализации проектного решения. Каждый уровень представляет собой функционально законченную подзадачу с конкретным «физическим» содержанием. В последовательной декомпозиционной схеме информация, полученная в результате решения одной подзадачи, является исходной при решении последующей. В результате подзадачи оказываются строго упорядоченными, образуя «цепочку» подзадач. Подзадача каждого уровня в свою очередь декомпозирована на взаимосвязанные подзадачи, типовые для каждого уровня декомпозиции. Таковыми являются:

·              генерация множества;

·              сужение множества;

·              синтез структурных признаков соответствующего уровня.

Рис. 1. Функциональные и конструктивные модули силовых агрегатов планера ДПЛА [3]

Если при решении первых двух подзадач используют структурные признаки своего уровня, то при синтезе происходит взаимоувязка (координация) структурных признаков смежных декомпозиционных уровней. Технология проектирования, основанная на поэтапной отбраковке вариантов, требует наличия большого множества альтернативных вариантов. Нет необходимости генерировать КТР с полной детализацией структуры всех возможных вариантов. Поскольку на различных этапах процесса проектирования структура объекта локализована совокупностью существенных для данного уровня параметров. Проблема размерности и неформализуемости всех факторов, влияющих на выбор существенных признаков (СП), приводит к тому, что подзадачи уровней не решаются методами математического программирования в построении глобальной оптимизации. Для организации процедур принятия решений в этих условиях требуется разработка системы имитационных моделей и интерактивных процедур взаимодействия с ними [4, 5, 6]. При этом необходимо учитывать как математическую специфику подзадач, так и их инженерное содержание.

Рис. 2. Схема построения многоуровневой СПО ДПЛА для оперативного природоресурсного и экологического мониторинга окружающей среды

Рассмотрим назначение подзадач различных уровней декомпозиционной схемы, аналогичных по «физическому» содержанию.

Генерация вариантов КТР декомпозирована по структурным признакам, такие же как и две последующие процедуры: сужение множества КТР и выбор рационального КТР. Процедуры генерации множества структурных признаков   на каждом уровне иерархии связаны между собой. Процедуры сужения множества СП заключаются в параметрической оптимизации и последующей отбраковке векторов СП при анализе их эффективности с помощью имитационных систем. Синтез СП на каждом уровне заканчивается выбором вектора СП своего уровня ( ) по результатам структурно-параметрической оптимизации. При этом, как было указано ранее, СП нижеследующего уровня выполняют роль варьируемых параметров, по оптимальному сочетанию которых оцениваются и выбираются СП данного уровня. С выбором вектора ( ) определяется соответствующее ему подмножество [2].

Процедуры сужения множества и синтеза СП реализуются имитационными системами (ИС) конкретного «физического» содержания. Под ИС понимается совокупность имитационных моделей и интерактивных процедур взаимодействия с этими моделями. Имитационные системы проблемно ориентированы на свой уровень детализации КТР. Они имитируют функционирование ДПЛА как технической системы, работоспособность конструкции планера, работоспособность силовых агрегатов, работоспособность конструктивных модулей.

Процедуры принятие решений с использованием имитационных систем требуют, как правило, разработки новых методов решения весьма разнородных экстремальных задач. Существует большое количество исследовательских программ расчета авиационных конструкций, но использовать их для построения имитационных моделей весьма сложно. Дело в том, что они не экономичны, плохо приспособлены к многократно повторяющемуся счету, не совсем корректно стыкуются с другими программами, не имеют унифицированной базы. Кроме вычислительных процедур (основа имитационных систем), прикладное программное обеспечение должно содержать формализуемую часть интерактивных процедур, позволяющих конструктору вести диалог с имитационными системами.

Содержательная часть диалога на этапе проектирования силовых конструкций заключается в экономном способе организации поиска наилучшего конструктивно-технологического решения с помощью специально разработанного для этих целей прикладного программного обеспечения, но не за счет огрубления расчетных моделей и неоправданного игнорирования всей сложности функционирования конструкций ДПЛА [4, 5, 6]. В этих условиях процедуры диалога с имитационными моделями надо строить на иной математической основе, отличной от той, которая применяется при решении прямых задач. По мнению автора, перспективным направлением в организации интерактивных процедур, является использование теории некорректно поставленных задач [7] в сочетании с аппаратом линейной алгебры.

Естественно предположить, что конкретная проблемная ориентация системы автоматизированного проектирования (САПР) ДПЛА для оперативного природоресурсного и экологического мониторинга окружающей среды в той или иной мере может видоизменить декомпозиционную схему по числу уровней и количеству подзадач. В любом случае для реализации предлагаемой концепции требуется высокий уровень технических средств, базового программно-информационного обеспечения, специального прикладного программного обеспечения. Это то дорогостоящее ресурсное обеспечение технического прогресса, без которого нельзя надеяться на успех в области автоматизации ПКР в авиастроении.

Литература

1.     Бирюк В.И., Липин Е.К., Фролов В.М. Методы проектирования рациональных конструкций ЛА. // Труды ЦАГИ, № 1776, 1976.

2.     Голубев И.С., Андреев В.В., Парафесь С.Г. Методы структурно-параметрической оптимизации силовых авиационных конструкций: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1991. – 68 с.

3.     Зосимович Н.В. Структурно-параметрическая оптимизация силовых конструкций дистанционно пилотируемых летательных аппаратов оперативного природоресурсного и экологического мониторинга окружающей среды.// Региональный вестник молодых ученых. М .: Academa , 2005.- №3.- с . 97-98.

4.     Зосимович Н.В., Гаранин И.В., Самохин В. M . Создание системы для выбора схемы и основных параметров энергосиловых установок в составе воздушно-космического самолета. – М.: Изд-во MA И.   T ема   №203-94-07, 1996. – 3 п /л.

5.     Зосимович НВ., Гаранин И.В., Самохин В. M . C оздание интерактивной компьютерной программы силовой схемы и основных параметров силовой установки аэрокосмического самолета. - М.: МАИ. T ема   №203-94-08, 1997. – 2,6 п /л.

6.     Моисеев Н.Н. Неформальные процедуры и автоматизация проектирования. – М.: Наука, 1979.

7.       Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. – М.: Наука, 1986.