Компьютерное моделирование в авиакосмической промышленности
Покупка
Новинка
Тематика:
Воздушный транспорт
Издательство:
ДМК Пресс
Под ред.:
Аббасов Ифтихар Балакиши
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 300
Дополнительно
Вид издания:
Практическое пособие
Уровень образования:
Дополнительное образование
ISBN: 978-5-97060-675-9
Артикул: 833986.01.99
Эта книга посвящена уникальным разработкам в области компьютерного моделирования авиакосмической техники. В книге описаны оригинальные концептуальные модели самолетов-амфибий, экранопланов, судов на подводных крыльях, начиная от идеи до полного воплощения. Разработанные модели представлены с дизайном пассажирских салонов и фактически готовы к внедрению в авиастроительной промышленности. Оригинальность концепций основывается на биологических прототипах, они эргономичны, многофункциональны и красивы. Представлены аэродинамические компоновки перспективных конвертируемых летательных аппаратов вертикального и укороченного взлета-посадки, сухопутного и корабельного базирования. Описана разработка оригинальной модели беспилотного летательного аппарата, воплощенного в материале, представлены результаты натурных экспериментов. Рассмотрена технология моделирования авиакосмических тренажеров на базе среды виртуальной реальности с устройствами технического зрения. Книга предназначена для исследователей и разработчиков в области авиакосмической промышленности, для авиаконструкторов и студентов-машиностроителей.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 004: Информационные технологии. Вычислительная техника...
- 658: Организация производства. Экономика предприятий. Организация и техника торговли
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 24.03.04: Авиастроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Компьютерное моделирование в авиакосмической промышленности Москва, 2020 Под редакцией И. Б. Аббасова
УДК658.512.2:004.92 ББК30.18с515 А13 А13Компьютерноемоделированиевавиакосмическойпромышленности/подред.И.Б.Аббасова.–М.:ДМКПресс,2020. –300 с.:ил. ISBN978-5-97060-675-9 Этакнигапосвященауникальнымразработкамвобластикомпьютерногомоделированияавиакосмическойтехники.Вкнигеописаныоригинальныеконцептуальныемоделисамолетов-амфибий,экранопланов,судовнаподводныхкрыльях,начинаяотидеидополноговоплощения.Разработанныемоделипредставленысдизайномпассажирскихсалоновифактическиготовыквнедрениювавиастроительнойпромышленности.Оригинальностьконцепцийосновываетсянабиологическихпрототипах,ониэргономичны,многофункциональныикрасивы.Представленыаэродинамическиекомпоновкиперспективныхконвертируемыхлетательныхаппаратоввертикальногоиукороченноговзлета-посадки,сухопутногоикорабельногобазирования.Описанаразработкаоригинальноймоделибеспилотноголетательногоаппарата,воплощенногов материале,представленырезультатынатурныхэкспериментов.Рассмотренатехнологиямоделированияавиакосмическихтренажеровнабазесредывиртуальнойреальностисустройствамитехническогозрения. Книгапредназначенадляисследователейиразработчиковвобластиавиакосмическойпромышленности,дляавиаконструкторовистудентов-машиностроителей. УДК658.512.2:004.92 ББК30.18с515 Всеправазащищены.Любаячастьэтойкнигинеможетбытьвоспроизведенав какойбытонибылоформеи какимибытонибылосредствамибезписьменногоразрешениявладельцевавторскихправ. ©Коллективавторов,2020ISBN 978-5-97060-675-9 ©Оформление,издание,ДМКПресс,2020
Содержание Предисловие................................................................................... 8 Глава 1. Компьютерное моделирование в авиастроении............................................................................. 10 Аббасов И. Б. 1.1.Моделированиелетательногоаппарата.................................. 11 1.2.Моделированиеракеты............................................................ 12 1.3.Моделированиеобтекаемыхповерхностей............................ 13 1.4.Моделированиесамолета-амфибииБе-200............................ 16 1.5.Концептуальнаямодельсамолета«Chiroptera»...................... 20 1.6.Концептуальныйдизайнавтомобиля«Lotos»........................ 27 Списоклитературы.......................................................................... 32 Глава 2. Концептуальное моделирование самолетов-амфибий.................................................................... 35 Аббасов И. Б., Орехов В. В. 2.1.Историягидроавиации............................................................. 37 2.1.1.Изисториимировойгражданскойавиации................... 37 2.1.2.Эрагидропланов................................................................ 39 2.1.3.Гидроавиацияв России...................................................... 43 2.1.4.ЛетающиелодкиГ.М.Бериева......................................... 43 2.2.Компьютерноемоделированиесамолета-амфибииБе-200.... 51 2.2.1.Основныехарактеристики................................................ 51 2.2.2.Методмоделирования....................................................... 52 2.2.3.Этапымоделирования....................................................... 53 2.2.4.Визуализациятрехмерноймодели................................... 58 2.3.Компьютерноемоделированиеинтерьерасалонасамолета-амфибииБе-200.............................................................. 59 2.3.1.Изисториипассажирскихсамолетов............................... 59 2.3.2.Вариантыкомпоновкисалона.......................................... 61 2.3.3.Моделированиесалонасамолета...................................... 64
Содержание 2.3.4.Визуализациясалонасамолета......................................... 67 2.3.5.Заключение......................................................................... 69 2.4.Компьютерноемоделированиесамолета-амфибииБе-103.... 70 2.4.1.Основныехарактеристики................................................ 70 2.4.2.Этапымоделирования....................................................... 71 2.4.3.Визуализациятрехмерноймодели................................... 79 2.5.Концептуальнаямодельсамолета-амфибии«Чибис»(Lapwing)........................................................................................... 82 2.5.1.Введение............................................................................. 82 2.5.2.Разработкаконцепции...................................................... 83 2.5.3.Трехмерноемоделированиесамолета-амфибии............ 90 2.5.4.Тонированиеи визуализация........................................... 94 2.6.Компьютерноемоделированиеинтерьерасалонасамолета-амфибии«Чибис»............................................................ 96 2.6.1.Введение............................................................................. 96 2.6.2.Концепциясамолета-амфибии«Чибис».......................... 97 2.6.3.Концепциикомпоновки.................................................... 99 2.6.4.Разработкапассажирскогокресла...................................101 2.6.5.Моделированиеинтерьерасалона...................................103 2.6.6.Присвоениематериалови визуализациясцены............104 2.6.7.Удобствои комфортсалона..............................................107 2.6.8.Заключение........................................................................108 2.7.Концептуальнаямодельи дизайнинтерьераэкраноплана«Водомерка»(WaterStrider).....................................108 2.7.1.Введение............................................................................108 2.7.2.Обзорэкранопланов.........................................................110 2.7.3.Обзорпубликаций.............................................................115 2.7.4.Концепцияэкраноплана«WaterStrider»..........................117 2.7.5.Компоновкаконцепцииэкраноплана.............................120 2.7.6.Этапымоделирования.....................................................122 2.7.7.Тонированиеи визуализациямодели.............................126 2.7.8.Разработкаинтерьераи пассажирскогокресла..............127 2.7.9.Созданиематериалови визуализацияинтерьера..........128 2.7.10.Заключение......................................................................133 2.8.Дизайнмногофункциональногосуднана подводныхкрыльях«Афалина».......................................................................134 2.8.1.Введение............................................................................134 2.8.2.Обзорисследований.........................................................135 2.8.3.Разработкаконцепции.....................................................138 2.8.4.Моделированиесудна.......................................................141 2.8.5.Тонированиеи визуализациямодели.............................144
Содержание 5 2.8.6.Заключение........................................................................147 2.9.Дизайнавтономногомобильногоробототехническогокомплекса........................................................................................148 2.9.1.Введение............................................................................148 2.9.2.Обзорпубликаций.............................................................148 2.9.3.Обзораналогов..................................................................149 2.9.4.Конструкцияробота..........................................................150 2.9.5.Концепциямоделирования.............................................152 2.9.6.Этапымоделирования......................................................153 2.9.7.Созданиеи присвоениематериалов................................155 2.9.8.Установкаосвещенияи визуализация............................157 2.9.9.Заключение........................................................................158 Списоклитературы.........................................................................159 Глава 3. Развитие многовинтовых схем конвертопланов с криогенными и гибридными силовыми установками.............................................................167 Дуров Д. С. 3.1.Введение...................................................................................168 3.2.Гидроконвертоплан –новыевозможностисовременнойавиации....................................................................168 3.3.Особенностиуправлениясамолетомвертикальноговзлетаи посадкинапереходномрежимеи режимевисения.....174 3.4.Проблемыустойчивостии управляемостигидроконвертопланас тандемнорасположеннымивинтамив поворотныхкольцевыхканалах..................................179 3.5.Криогенныетурбоэлектрическиесамолеты –хорошеерешениедлягибридныхавиакомплексовкороткоговзлетаи посадки.........................................................................................182 3.6.Заключение...............................................................................189 Списоклитературы.........................................................................190 Глава 4. Концептуальный дизайн многофункционального самолета-амфибии.......................193 Орехов В. В. 4.1.Введение,историческиеэтапы...............................................193 4.2.Концепция................................................................................199 4.3.Трехмерноемоделирование....................................................203 4.4.Применениематериалов,визуализация................................205
Содержание 4.5.Заключение...............................................................................210 Списоклитературы.........................................................................210 Глава 5. Математическая модель беспилотного летательного аппарата с эллиптическим крылом..............212 Синютин С. А., Горбунов А. А., Горбунова Е. Б. 5.1.Введение...................................................................................213 5.2.Постановказадачи...................................................................214 5.3.Методика..................................................................................214 5.4.Аппаратнаяреализация..........................................................216 5.5.Программнаячастьисследований..........................................217 5.6.Исследованияповедениябеспилотноголетательногоаппаратас эллиптическимкрылом..............................................220 5.7.ЭкспериментальныеисследованияповеденияБПЛА............222 5.8.Обработкаи анализданных,полученных в ходелетныхиспытаний.......................................................................................224 5.9.ФормированиематематическоймоделиБПЛАс эллиптическимкрылом...............................................................228 5.10.МатематическаямодельБПЛАв аналитическомвиде.......229 5.11.Получениематематическоймоделиметодом«черногоящика».............................................................................................230 5.12.Математическаямодельнаосновелинейнойрегрессии....233 5.13.Математическаямодельна основе многослойногоперсептрона....................................................................................236 5.14.НастройкаПИД-регулятора...................................................237 5.15.Эмулированиеполетав целяхпервичной проверкикачестварегулятора.......................................................................239 5.16.Заключение.............................................................................244 Списоклитературы.........................................................................245 Глава 6. Технология геометрического моделирования динамических объектов и процессов виртуальной среды для авиационно-космического тренажеростроения....................................................................247 Ли В. Г. 6.1.Введение...................................................................................248 6.2.Методыприкладнойгеометриив решениизадачимитационногомоделированияв SVR.........................................254
Содержание 7 Оптимальнаядискретизациякривыхлиний...........................254 Интегральнаямоделькривой....................................................259 Методикаоценкиинформативностидискретныхкаркасовкривых.........................................................................260 Оптимальнаядискретизациянаосновеинтегральной моделикривой............................................................................262 6.3.Целии задачивнекорабельнойдеятельностикосмонавта–оператораRTSнаISSв открытомкосмосе,технологиякомпьютерногоимитационногомоделированияв средевиртуальнойреальности...................................................267 Задачивнекорабельнойдеятельностикосмонавта-оператора...............................................................267 Технологииметодическойи программно-аппаратнойреализациитренажакосмонавта-оператора...........................270 Динамическаявиртуальнаямодельманипулятора.................275 Программныетехнологииформированиядинамическихмоделейсредствамиредактора-моделера................................279 6.4.Экспериментальныеисследованияфункциональнойполнотыграфическогои программногообеспеченияTMS........281 Информационнаяи функциональнаямощностьвизуализатораTMS.....................................................................281 Примертренажатиповойштатноймиссиипо установкесолнечнойбатареи.....................................................................286 Технологияотработкинештатныхситуаций...........................288 ЭкспериментальныйпоискбезопаснойтраекториидвиженияERA.............................................................................293 6.5.Заключение...............................................................................296 Списоклитературы.........................................................................297
Предисловие Всовременноммиретруднопредставитьжизньчеловекабезделовыхпоездокилипутешествий.Частодляэтихцелейиспользуютсясамолеты,чтонасуженеудивляет.Красотаокружающеготемносинегонебаи проплывающихвнизуоблаковврядликого-томожетоставитьравнодушнымнавысотедесятитысячкилометров.Заокномиллюминаторапогоданесильноизменчивая,внизув этовремяможетбытьгроза,дождьилиснег.Авиацияпривлекаетнетольковысокойскоростьюи быстротойперелетов,онаиспользуетсявомногихобластяхповседневнойжизни.Благодарявысокойманевренностии многофункциональностионаприменятсядлягражданскихи военныхцелей,дляспасательныхработ,притушениилесныхпожаров.Именнодляэтихцелейнаиболееэффективнымиявляютсясамолеты-амфибии,онинезаменимытакжедляпоисково-спасательныхоперацийнаморе.Вомногихприбрежныхстранахбереговаягидроавиацияоченьважна,в островныхгосударствахонапростонезаменима.Поэтомувопросыпроектированиягидроавиации,самолетов-амфибийостаютсяактуальными.Перваяглаваданнойкнигипосвященаприменениюкомпьютерногомоделированияв самолетостроении.Описанпроцесспроектированияконцептуальноновогосамолетанаосновебионическихформ.Такжерассмотренконцептуальныйдизайнновогоавтомобиля«Lotos»,присозданииконцепциидизайнакузоваавтомобилябылаиспользованабионическаяформалепестковлотоса.Длянаглядностипредставленысценывизуализациитонированныхтрехмерныхмоделеймоделируемыхобъектов. Вовторойглавепредставленотрехмерноемоделированиекаксуществующихсамолетов-амфибийБе-200,Бе-103,таки концептов70-летнему юбилею кафедры инженерной графики и компьютерного дизайна посвящается
Предисловие 9 «Чибис»,экраноплана«Водомерка»,суднанаподводныхкрыльях«Афалина».Описанпроцесспроектированияпассажирскихсалоновлетательныхсудов.Вовторойглаверассмотренокомпьютерноемоделированиеавтономноймобильнойроботизированнойсистемы«Краб».Выбранвизуализатори установленыисточникисвета,приведеныитоговыесценыреалистичнойвизуализации. Втретьейглаверассмотреныразличныевидыаэродинамическихкомпоновоки возможныеобластиприменениясовременныхи перспективныхконвертируемыхлетательныхаппаратоввертикальногои укороченноговзлета-посадки,каксухопутного,таки корабельногобазирования.Представленыконцепциии требованияк конвертируемымскоростнымлетательнымаппаратамс криогенными,гибриднымидизель-электрическимии турбовинтовымисиловымиустановками. Вчетвертойглавепредставленаконцептуальнаямодельмногофункциональногосамолета-амфибии.Приведеныкраткиетехническиехарактеристики,визуальныйряди историческиеаспектысозданиясамолета.Прототипомконцепциисамолета-амфибиисталConsolidatedPBY-5ACatalina,модификациясамолета-амфибии1950-хгг.Кромеприменениядляпутешествийи активногоотдыха,этотсамолетможетприменятьсявомногихдругихутилитарныхцелях. Впятойглаверассматриваютсяособенностиформированияматематическоймоделибеспилотноголетательногоаппаратас эллиптическимкрылом.С цельюсозданияматематическоймоделиуправленияобъектабылсозданряднатурныхмоделейбеспилотногоаппарата.Приведенырезультатылетныхиспытаний масштабныхмоделейаппарата,выделеныхарактерныеособенностиуправления. Вшестойглаверассматриваетсятехнологияпланированияи реа лизациигеометрическогообеспечениятренажерно-моделирующихкомпьютерныхкомплексов,функционирующихнабазесредывиртуальнойреальности.Приводятсяосновныеэлементырациональнойдискретизациисложныхтехническихобъектов,описываемыхкривымилиниямии поверхностями.Описанапрограммнаяархитектуратренажерно-моделирующегокомплексас каналамивизуализациивиртуальнойсредыи техническогозрения.Редактор И.Б.Аббасов
Глава 1 Компьютерное моделирование в авиастроении Аббасов Ифтихар Балакишиевич Южный федеральный университет, Инженерно-технологическая академия, кафедра инженерной графики и компьютерного дизайна, Таганрог, Россия, iftikhar_abbasov@mail.ru Аннотация Перваяглавапосвященаприменениюкомпьютерногомоделированияв самолетостроении.Описанпроцесспроектированияконцептуальноновогосамолетанаосновебионическихформ.Представленыпоисковыевизуально-графическиерешенияразрабатываемоймодели.Поэскизнымпроектампроведенотрехмерноемоделированиеконструктивныхчастейсамолета.ДлямоделированиятрехмерныхповерхностейиспользуетсяметодКунса.Рассмотренытакжевопросытвердотельногомоделированиякосмическойракетыметодомлофтингаи самолета-амфибииБе-200.Такжерассмотренконцептуальныйдизайнновогоавтомобиля«Lotos».Присозданииконцепциидизайнакузоваавтомобиляиспользованабионическаяформалепестковлотоса.Прототипыобводовкузоваавтомобиляразработаныв видеэскизныхпроектов.Длятрехмерногомоделированияконструктивныхчастейавтомобиляпримененметодполигональноговыдавливания.Представленатрехмернаякомпьютернаямодельразработаннойконцепции
Моделирование летательного аппарата 11 автомобиля.Длянаглядностиданысценывизуализациитонированныхтрехмерныхмоделеймоделируемыхобъектов. Ключевыеслова:концептуальнаямодель;полетрукокрылых;поверхностьКунса;трехмернаямодельсамолета;автомобиль;бионика;природныеформы;кузовавтомобиля;полигональноевыдавливание;тонирование;визуализация. 1.1. Моделирование летательного аппарата Длямоделированиялетательногоаппарата[Аббасов,СПб.,2004]используетсяграфическаясистематрехмерногомоделированияMechanicalDesktop.В этойсистемеможноосуществлятьмоделированиекактехническихобъектов,таки элементовинтерьераилиландшафта.Длясозданиятрехмерныхмоделейприменяютсятиповыекоманды_extrude_(выдавливание),_revolve_(вращение),_sweep_(изгиб)и _loft_(лофтинг).Самойпростойи очевиднойиз3D-командявляетсякоманда_extrude_.Длясозданиятрехмерноготелаэскизпрофилявыдавливаетсяпотретьейосинарасстояние,равноезаданнойтолщинетела.Профильможетвыдавливатьсяв любомизнаправленийилив двухнаправленияхсразу(такназываемоевыдавливаниеотсреднейплоскости).Превращениеэскизав трехмернуюмодельосуществляетсяпосленаложениянанегонекоторыхограничений.Процессналоженияограниченийвключаетв себясозданиепрофиляилиналожениеразмерныхограничений. Созданиемоделисостоитизнесколькихэтапов:напервомэтапеопределяемпоследовательностьсозданияконструктивныхчастейи соответствующиедляэтогометоды;навторомэтапепроводимобщуюсборкуи доработкуаппаратав целом;натретьемэтапедлясозданияреалистичноймоделиосуществляемтонированиеи окончательнуювизуализациюмоделилетательногоаппарата. Напервомэтапемысоздадимкрылолетательногоаппаратав видеповерхностикосогоклина.Дляэтоговычерчиваемнарабочихплоскостяхпрофиликрыла,а созданиесамогокрылаосуществляемметодомлофтинга(методомопорныхсечений).В графическойсистеметрехмерногомоделированияMechanicalDesktopметодлофтингаосуществляетсяс помощьюкоманды_loft_.Сначаласоздаемдверабочиеплоскостии нанихстроимпрофиликрыла,затемпереводимкаждуюфигурув профиль,т. е.накладываем
Компьютерное моделирование в авиастроении ограничения.Послевыборакоманды_loft_назапросуказываемпоследовательнопрофиликрыла.Второекрылосоздаемс помощьюзеркальногоотраженияпостроенногокрылаи располагаемихвдольбудущегофюзеляжа.Навторомэтапедлясозданияфюзеляжавыбираемопятьтотжеметодопорныхсечений.В данномслучаеопорныесечениямогутигратьрольнаправляющихшпангоутов.Результатпостроенияопорныхсеченийфюзеляжа(ихчетыре)с крыльямипредставленв видекаркасноймоделинарис. 1.1.Рис. 1.1 Трехмерная каркасная модель летательного аппарата Спомощьюкоманды_loft_строимповерхностьфюзеляжа,а длясозданиясоплареактивныхдвигателейиспользуемкоманду_extrude_методомвычитания.ЗатемдлясозданияреалистичныхсценРис. 1.2 Сцена визуализации летательного аппарата с орбиты Земли
Моделирование обтекаемых поверхностей 13 трехмерноймоделиприсваиваемтекстуры,источникисвета.Выбираемдалеефондлясценыв видефотографииЗемлис орбиты.Сценавизуализациипредставленанарис. 1.2.Следуетотметить,чтоданнуюсценуможносмоделироватьи в другихтрехмерныхсистемах,однакоэтаграфическаясистемапозволяетизготовитьконструкторскуюдокументациюобъекта.1.2. Моделирование ракеты Создадимтвердотельнуюмодельракетыметодомлофтинга[Аббасов,ДМК,2007]в графическойсистемеAutoCAD.Дляпримененияметодалофтинганеобходимосоздатьисходныйпутьлофтингаи сеченияв видеплоскихфигур.Навидесверхус помощьюдвумерныхпримитивовнеобходимопостроитьфигурысеченияракеты,навидеспередистроитсяосьвысотыракеты.Далеефигурысеченияперемещаютсянанеобходимыевысоты,какнарис. 1.3. Натрехмерномвидес помощьюкомандыSolid\Loft(Тело\Лофтинг)поочередновыбираютсяфигурысеченияповысоте,издиалоговогоокнаLoftSetting(Режимылофтинга)выбираетсяподходящийрежимсглаживания. Нарис. 1.4представленавизуализациятонированноймоделиракеты,созданнойметодомлофтинганафонеЗемли.1.3. Моделирование обтекаеМых поверхностей СпомощьюграфическойсистемыMechanicalDesktopможномоделироватьобъектыс поверхностями,имеющимиобтекаемуюформу.В качестветакихобъектовчащевсегоиспользуютсяихприродныеаналоги,и в нашемслучаебудетсмоделиро Рис. 1.3 Плоские фигуры для лофтинга
Компьютерное моделирование в авиастроении ванобтекаемыйподводныйобъектв видеската(такназываемый«черныйдьявол»)[Аббасов,СПб.,2003].Рис. 1.4 Визуализация тонированной твердотельной модели ракеты Длямоделированияповерхности«черногодьявола»использовалсяметодсозданияповерхностейс несколькимиобразующими(рис. 1.5).В трехмернойсистемеMechanicalDesktopс помощьюкоманды_edgesurf_можнопостроитьнеобычныеповерхности,задаваемыечетырьмяобразующимиобъектами.В качествеобразующихобъектовмогутвыступатьотрезки,дуги,сплайныи полилинии.Покоманде_edgesurf_создаетсямногоугольнаясеть –поверхностьКунса(Coons),т. е.поверхность,определяемаяпочетыремграням.Изображениескатав видеплоскогосплайнабыловписанов габаритныйпрямоугольник.Потомнаосновепрямоугольникабыласозданагабаритнаяпризма,призма,в своюочередь,быларазделенанаболеемелкиепризмы.В соответствиис изображениемската
Моделирование обтекаемых поверхностей 15 в этипризмыбыливписанытрехмерныесплайны.Телоскатабылоразделенонанесколькоучастков,а крыльяв основномбылипостроеныпоцелымтрехмернымсплайнам.В итогесоединениемразличныхфрагментовбылсозданцелостныйобъект. Рис. 1.5 Трехмерная каркасная модель «черного дьявола» Далеедлясозданияреалистичныхсцентрехмерноймоделибылприсвоенматериал,отрегулированыисточникисвета.В качествеосновыдляматериалаповерхностискатабылвыбранголубойхром.Учитываяконкретныеусловияокружающейсреды,былискорректированыосновнойцвет,тени,цветотражения,гладкостьповерхности,прозрачность.Дляотраженногоцветаи длянеровностиповерхностииспользоваласьдополнительнаякартатекстурыс отдельногоизображения.Послеприсвоенияматериалабылвыбранфонв видефотографииподводногопейзажа.Сценавизуализациипредставленанарис. 1.6.