chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2017-18-3-482-499cheb-373Research ArticleСтатьиArticleТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ ДЛЯ ПРОЧНОСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛАTENDENCIES IN DEVELOPMENT OF COMPUTATIONAL MECHANICS FOR STRENGTH DESIGN OF AIRCRAFT STRUCTURESЧернышевС. Л.ChernyshevS. L.

доктор физико-математических наук, профессор, академик Российской академии  наук, генеральный директор ФГУП «ЦАГИ»

doctor of physics and mathematics sciences, professor,  academician of Russian Academy of Sciences, general director of TsAGI

info@tsagi.ruЗиченковМ. Ч.ZichenkovM. Ch.

кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ФГУП  «ЦАГИ» — начальник комплекса прочности ЛА

candidate of technical sciences, associate professor deputy  general director of TsAGI, head of aircraft strength department

zichenkov@tsagi.ruИшмуратовФ. З.IshmuratovF. Z.

доктор технических наук, начальник отдела ФГУП «ЦАГИ»

doctor of technical sciences, head of division

stataer@tsagi.ruЧедрикВ. В.ChedrikV. V.

кандидат технических наук, доцент, начальник отдела ФГУП «ЦАГИ

candidate of technical sciences, assistant professor, head of division

chedrik@tsagi.ruЦентральный аэрогидродинамический институт имени Н. Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic Institute named after N.E. ZhukovskyRussian FederationЦентральный аэрогидродинамический институт имени Н. Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic Institute named after N. E. ZhukovskyRussian Federation201709012018183482499Copyright © Чернышев С.Л., Зиченков М.Ч., Ишмуратов Ф.З., Чедрик В.В., 20172017Чернышев С.Л., Зиченков М.Ч., Ишмуратов Ф.З., Чедрик В.В.Chernyshev S.L., Zichenkov M.C., Ishmuratov F.Z., Chedrik V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/373

Разработка новых подходов, методов и алгоритмов решения задач вычислительной  механики для обеспечения прочностного проектирования летательных аппаратов (ЛА)  является весьма актуальной проблемой. Её актуальность обусловлена необходимостью  существенного увеличения объема и оперативности расчетных исследований, гарантии  достоверности результатов расчётов перспективных силовых конструкций различных ЛА из  металлических и композиционных материалов. Разрабатываемые методы целесообразно  реализовать в виде отечественных специализированных тиражируемых отраслевых решений на базе имеющегося отчуждаемого от разработчика программного обеспечения как  импортозамещающего программного продукта. Это позволит уже на предварительной стадии проектирования учитывать важные требования по обеспечению аэроупругости, статической и усталостной прочности. На заключительной сертификационной стадии создания ЛА,  робастные расчётные методы позволят уменьшить объём необходимых доказательных  испытаний в соответствии с современной концепцией “certification by calculation”. В статье  сформулированы требования к созданию новой технологии, направленной на интеграцию имеющихся отечественных программных средств и внедрение новых методов расчёта  прочностных, усталостных и аэроупругих характеристик. Они включают методы моделирования и анализа, разрабатываемые в российских и зарубежных исследовательских организациях и университетах. Обсуждается создание промышленного «отчуждаемого от  разработчика» специализированного тиражируемого отраслевого решения в рамках  «мягкого импортозамещения» на основе имеющихся программных средств ЦАГИ и пакета  CAE-Fidesys. Продемонстрирован новый подход к решению связанной задачи  взаимодействия упругой конструкции с потоком воздуха. На примере численного расчёта среднемагистрального пассажирского самолёта показано существенное влияние вязкости  потока на аэроупругие характеристики конструкции. Важной тенденцией развития методов  проектирования является применение многодисциплинарного подхода в исследованиях по  синтезу и оптимизации конструктивно-силовых схем ЛА. Он проиллюстрирован на примере  проектирования крыла перспективного вертолёта, а также в задаче поиска оптимальной формы концевой части крыла большого удлинения с учётом ограничений по прочности, устойчивости и аэроупругости

Development of novel approaches, methods and algorithms for solution of the computational mechanics problems for providing  structural design of aircraft is an actual problem. Its solution allows  to significantly increase bulk and efficiency of numerical  investigations and to guarantee a high confidence of numerical  results for advanced load-bearing structures of different aircraft  made of metallic and composite materials. It is supposed that the  developing methods will be implemented in the specialized replicable industry solutions on the basis of available software alienated from  the developer as import substitution software. It gives feasibility to  take into account important aeroelasticity, strength and fatigue  requirements already in the preliminary design stage. At the final certification stage of the aircraft development the robust  computational methods will reduce the amount of necessary evidentiary tests in accordance with the modern concept of  "certification by calculation". In the paper the requirements are  formulated for development of new technology which is directed on  integrating the available software tools and implementation of new  methods for analysis of strength, fatigue and aeroelastic  characteristics. They include the simulation and analysis methods  that are under development in Russian and foreign research companies and universities. Development of the specialized  replicable industry solution in the framework of “soft import substitution” based on the program tools available in TsAGI and the  CAE-Fidesys software package. New approach to solution of the  coupled problem of interaction of flexible structure with airflow is  demonstrated. Substantial influence of airflow viscosity on aeroelastic characteristics of structure is shown on the example of  numerical analysis of middle-range passenger airplane. The important tendency in development of design methods is application of multidisciplinary approach in investigations on synthesis and  optimization of aircraft structural layouts. It has been illustrated on  the example of wing design of advanced helicopter and on the problem of searching optimal shape of tip part of high-aspect ratio  wing with taking into account strength, buckling and aeroelasticity constraints.

вычислительная механикаконструкцияпрочностьаэроупругостьпроектированиесамолётпрограммные комплексыспециализированое тиражируемое отраслевое решениеcomputational mechanicsstructurestrengthaeroelasticitydesignairplanesoftware systemsspecialized replicable industry solutionReferencesЧернышев С.Л., Ланшин А.И., Ножницкий Ю.А. Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года и на дальнейшую перспективу. // Техника воздушного флота. 2012. № 4. С. 45-49.Chernyshev S.L., Lanshin A.I., Nozhnitsky Yu.A. 2012, Foresight of development of aviation science and technologies until 2030 and beyond. Tekhnika vozdushnogo flota. No 4. pp. 45-49.Гудилин А.В., Евсеев Д.Д., Ишмуратов Ф.З., Липин Е.К., Маркин В.Н., Мосунов В.А., Пантелеев И.М., Сотников С.В., Теняева В.Е., Тимонин А.С., Чедрик В.В. Комплекс программ аэропрочностного проектирования самолета «АРГОН» // Ученые записки ЦАГИ. 1991. Т. XXII. № 5. С. 89-101.Gudilin A.V., Yevseev D.D., Ishmuratov F.Z., Lipin Ye.K., Markin V.N., Mosunov V.A., Panteleev I.M., Sotnikov S.V., Tenyaeva V.Ye., Timonin A.S., Chedrik V.V. 1991. Software system for aero/strength design of aircraft ARGON Uchenyye zapiski TsAGI. vol. XXII. no 5. pp. 89-101.Рябов А.А., Величко С.В., Волков А.Ю., Володина Н.А., Дьянов Д.Ю., Корсакова Е.И., Косарим С.С., Куделькин В.Г., Авдеев П.А., Артамонов М.В., Борляев В.В. Параллельный пакет программ ЛЭГАК-ДК для расчета задач гидрогазодинамики и прочности на неструктурированных сетках в лагранжево-эйлеровых переменных // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), С. 2472–2473.Ryabov A.A., Velichko S.V., Volkov A.Yu., Volodina N.A., Dyanov D.Yu., Korsakova Ye.I., Kosarim S.S., Kudelkin V.G., Avdeev P.A., Artamonov M.V., Borlyaev V.V. 2011, Parallel software package LEGAK-DK for analysis of fluid dynamics and strength problems on unstructured meshes in Lagrange-Euler variables Vestnik Nizhegorodskogo universiteta imeni N.I. Lobachevskogo no. 4 (5), pp. 2472–2473.Морозов Е.М., Левин В.А., Вершинин А.В. Прочностной анализ. Фидесис в руках инженера. М.: URRS, 2015 — 400 с., https://cae-fidesys.com.Morozov Ye.M., Levin V.A., Vershinin A.V. 2015, Strength analysis. Fidesys in engineer’s hands. M.: URRS, 400 p., https://cae-fidesys.comЧернышев С.Л. Новый этап применения композиционных материалов в авиастроении. // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2013. № 1. С. 3-10.Chernyshev S.L. 2013, New stage of application of composite materials in aircraft production. Problemy mashinostroyeniya i avtomatizatsii No 1. pp. 3-10.Нелинейная вычислительная механика прочности в 5 томах (под ред. В.А. Левина). Том 2. Левин В.А. , Вершинин А.В. Численные методы. Реализация на высокопроизводительных вычислительных системах. М.: Физматлит, 2015 – 543с.Levin V.A., Vershinin A.V. 2015, Nonlinear computational mechanics of strength in 5 volumes (edited by V.A. Levin). Vol. 2. Numerical methods. Implementation on high-speed computational systems. M.: Fizmatlit, – 543 p.Левин В.А., Морозов Е.М. Нелокальные критерии для определения зоны предразрушения при описании роста дефекта при конечных деформациях // Доклады РАН. 2007. Т. 415. № 1. С. 52-54.Levin V.A., Morozov Ye.M. 2007, Non-local criteria for determination of prefailure zone at description of defect growth at finite deformations Doklady RAN. vol. 415. no 1. pp. 52-54.Нелинейная вычислительная механика прочности (предисловие академика Г.И. Марчука). Том 1. Левин В.А. Модели и методы. Образование и развитие дефектов. Под ред. В.А. Левина. М.: Физматлит, 2014. – 452 с.Levin V.A. 2014, Nonlinear computational mechanics of strength (preface by Academician G.I. Marchuk). Vol. 1. Models and methods. Formation and propagation of defects. Edited by V.A. Levin. M.: Fizmatlit, 452 p.Левин В.А. О концентрации напряжений вблизи отверстия, образованного в предварительно напряженном теле из вязкоупругого материала // Доклады АН СССР. 1988. Т.299. № 5. С. 1079-1082.Levin V.A. 1988. On stress concentration around hole arisen in preliminary stressed body made of viscoelastic material Doklady AN USSR. vol. 299. no 5. pp. 1079-1082.Левин В. А. Многократное наложение больших деформаций в упругих и вязкоупругих телах (предисловие академика Л.И. Седова). — М.: Наука, Физматлит, 1999. — 223 с.Levin V.A. 1999. Multiple superposition of large deformations in elastic and viscoelastic bodies (preface by Academician L.I. Sedov). – M.: Nauka, Fizmatlit, – 223 p.Левин В.А. К построению модели развития дефекта при конечных деформациях. Нелокальные критерии // Прикл. матем. и мех. 2008. Т. 73, вып. 3.Levin V.A. 2008. On development of model of defect growth at finite deformations. Non-local criteria. Applied mathematics and mechanics. vol. 73, issue 3.Чернышев С.Л. Задачи механики в авиастроении // В сборнике: ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, сборник докладов. 2015. С. 4411-4428.Chernyshev S.L. 2015. Mechanics problems in aircraft production In proceedings: ХI Russian congress on fundamental problems of theoretical and applied mechanics. pp. 4411-4428.Kuzmina S., Karas O., Ishmuratov F., Zichenkov M., Chedrik V. Analysis of static and dynamic aeroelastic characteristics of airplane in transonic flow // В сборнике: 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences 2012, ICAS 2012. С. 2081-2090.Kuzmina S., Karas O., Ishmuratov F., Zichenkov M., Chedrik V. 2012 Analysis of static and dynamic aeroelastic characteristics of airplane in transonic flow Proceeding of 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences 2012, ICAS 2012. С. 2081-2090.Александрин Ю.С., Туктаров С.А., Чедрик В.В. Проектирование силовой конструкции крыла вертолёта на основе топологической и глобально-локальной оптимизации // Учёные записки ЦАГИ. 2017. Т. XLVIII, №1, С. 72-85Aleksandrin Yu.S., Tuktarov S.A., Chedrik V.V. 2017. Structural design of helicopter wing on the basis of topology and global-local optimization Uchenyye zapiski TsAGI. vol. XLVIII, no. 1, pp. 72-85Heeg J., Chwalowski P., Schuster D.M., Dalenbring M., Jirasek, A., Taylor P., Mavriplis D., Boucke A., Ballmann J., Smith M.; Overview and lessons learned from the aeroelastic prediction workshop, IFASD-2013-1A, International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, June 2013, Bristol, UK.Heeg J., Chwalowski P., Schuster D.M., Dalenbring M., Jirasek, A., Taylor P., Mavriplis D., Boucke A., Ballmann J., Smith M. 2013, Overview and lessons learned from the aeroelastic prediction workshop, IFASD-2013-1A, International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, June 2013, Bristol, UK.Heeg J., Wieseman C.D., Chwalowski, P.; Overview and data comparisons from the 2nd Aeroelastic Prediction Workshop, AIAA-2016-2721, AIAA Aviation Conference, June 2016, Washington, D.C.Heeg J., Wieseman C.D., Chwalowski, P. 2016, Overview and data comparisons from the 2nd Aeroelastic Prediction Workshop, AIAA-2016-2721, AIAA Aviation Conference, June 2016, Washington, D.C.Kuzmina S., Ishmuratov F., Karas O., Chizhov A. Dynamic response of an airplane elastic structure in transonic flow // В сборнике: 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS 2014 CD-ROM Proceedings. 2014.Kuzmina S., Ishmuratov F., Karas O., Chizhov A. 2014, Dynamic response of an airplane elastic structure in transonic flow В сборнике: 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS 2014 CD-ROM Proceedings. 2014.Евсеев Д.Д., Липин Е.К., Чедрик В.В. Редуцирование расчетных моделей в задачах прочности // Ученые записки ЦАГИ. 1991. Т. XXII. № 1. С. 61-71.Yevseev D.D., Lipin Ye.K., Chedrik V.V. 1991. Reducing numerical models in the problems of strength Uchenyye zapiski TsAGI. vol. XXII. no. 1. pp. 61-71.Balunov K.A., Chedrik V.V., Ishmuratov F.Z., Karkle P.G. Aeroelastic optimization of wing shape and structural parameters for different aircraft configurations. // В сборнике: International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, IFASD 2015. 16. 2015.Balunov K.A., Chedrik V.V., Ishmuratov F.Z., Karkle P.G. 2015. Aeroelastic optimization of wing shape and structural parameters for different aircraft configurations. Proceeding of International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, IFASD 16. 2015.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.