Группа компаний ATK Aerospace
Aerospace & Defense Simcenter 3D NX Simcenter Nastran NX for Design Teamcenter Simcenter
Группа компаний ATK Aerospace

Интегрированное проектирование и инженерные расчеты помогают НАСА в создании ракетоносителя нового поколения

г. Бригэм, United States

Кинематический и КЭ-анализ в Simcenter 3D, а также использование Teamcenter для управления интегрированным процессом помогло инженерам убедиться в том, что сопло большего размера не ударится о стартовый комплекс при пуске.

Aerospace & Defense Simcenter 3D NX Simcenter Nastran NX for Design Teamcenter Simcenter

Интегрированное проектирование и инженерные расчеты помогают НАСА в создании ракетоносителя нового поколения

г. Бригэм, United States

Кинематический и КЭ-анализ в Simcenter 3D, а также использование Teamcenter для управления интегрированным процессом помогло инженерам убедиться в том, что сопло большего размера не ударится о стартовый комплекс при пуске.

quotation marks Нас и компанию Siemens связывает многолетнее партнерство. Рамеш Кришнан, Главный инженер отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace
ЗАДАЧИ
  • Модернизация стартовой платформы с целью создания требуемого свободного пространства и повышения прочности для установки новой ракеты с более крупным соплом
ФОРМУЛА УСПЕХА
  • Интеграция проектирования и инженерного анализа
  • (динамика твердых тел и конечно-элементные анализы) в системе NX
  • Конвертация данных не требуется
  • Управление данными и процессами инженерных расчетов в системе Teamcenter
РЕЗУЛЬТАТЫ
  • Более быстрое создание расчетных моделей
  • Полная уверенность в точности расчетных моделей; сокращение сроков проверки
  • Усиление роли расчетов в процессе проектирования
  • Меньший объем повторных расчетов

Группа компаний ATK Aerospace

Группа компаний ATK Aerospace – основной мировой производитель твердотопливных ракетных двигателей и ведущий поставщик комплектующих для военных и гражданских самолетов.

http://www.atk.com

quotation marks Мы отмечаем существенное сокращение затрат и рост производительности благодаря тщательно продуманному стратегическому решению о стандартизации CAE-систем. Натан Кристенсен, Старший руководитель отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace Многие системы конечно-элементного анализа плохо справляются с расчетом сборок, а в NX таких проблем нет. Рамеш Кришнан, Главный инженер отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace Особенно хотелось бы отметить тот факт, что можно вносить изменения в модель и передавать их в среду конечно-элементного анализа. Рамеш Кришнан, Главный инженер отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace
quotation marks Нас и компанию Siemens связывает многолетнее партнерство. Рамеш Кришнан, Главный инженер отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace

Пример внедрения: Группа компаний ATK Aerospace

Самая мощная ракета в мире

Группа компаний ATK Aerospace – основной мировой производитель твердотопливных ракетных двигателей и ведущий поставщик комплектующих для военных и гражданских самолетов. Кроме того, компания специализируется на изготовлении малых спутников и микроспутников, узлов и подсистем космических аппаратов, легких орбитальных объектов и солнечных панелей, дешевых и быстрореализуемых решений по выводу полезной нагрузки в космос, а также осветительных ракет и ложных целей, материалов для энергетики и смежных отраслей. Группа компаний обладает обширным опытом по поддержке беспилотных и пилотируемых полетов.

Один из текущих проектов группы ATK – ракетоноситель Space Launch System (SLS), являющийся преемником космических шаттлов. В документах НАСА проект SLS описывается как «крупнейшая и обладающая наибольшими возможностями ракета, предназначенная для нового поколения пилотируемых полетов за пределы околоземной орбиты». SLS станет первой в НАСА ракетой такого класса с того момента, как носитель Saturn V доставил американских астронавтов на Луну свыше 40 лет назад. Однако ракета SLS сможет вывести человека еще дальше в космос, в том числе и в экспедиции на Марс. Первый запуск намечен на 2017 год.

Компания ATK разрабатывает твердотопливные ускорители ракеты SLS – два двигателя по обеим сторонам главной ступени, дающие дополнительную тягу в течение первых двух минут полета. В первых полетах носителя SLS будут применяться модифицированные ускорители от космического челнока, также спроектированные в компании ATK. Однако компания ATK создает и новые ускорители с увеличенной тягой, которые будут применяться в последующих полетах с большей полезной нагрузкой.

Включение процессов инженерного анализа в PLM-среду

Компания АTK уже почти десять лет применяет технологии по управлению жизненным циклом изделия (PLM), разработанные компанией Siemens PLM Software. К ним относятся система автоматизированного проектирования NX™ и система управления процессами и данными об изделии Teamcenter®. «Нас и компанию Siemens связывает многолетнее партнерство, – рассказывает Рамеш Кришнан (Ramesh Krishnan), главный инженер отдела технологических процессов и инструментов компании ATK. – Это сотрудничество началось благодаря дальновидной позиции руководства, которое осознавало всю пользу интегрированной системы».

Последние годы группа компаний работала над углублением интеграции инженерных расчетов в процесс проектирования. «Мы столкнулись с задачей применения процессов инженерного анализа [CAE] на ранних этапах разработки изделия, чтобы конструкция создавалась на основе результатов расчетов, – поясняет Натан Кристенсен (Nathan Christensen), старший руководитель отдела технологических процессов и инструментов компании ATK. – Это очень сложное дело, с учетом специфики нашей работы и высокой сложности применяемых инструментов». Работа по проектированию сопла нового ускорителя в рамках программы SLS – отличный пример того, как эту задачу удалось успешно решить.

«Чтобы повысить характеристики наших двигателей, размер сопла требовалось бы существенно увеличить, – поясняет Кришнан. – При этом в ходе подъема ракеты такое увеличенное сопло может столкнуться со множеством элементов пускового сооружения».

На заднем конце ускорителя имеется коническая секция. Пусковые крепления захватывают эту секцию и удерживают ракету на стартовом столе. Компания ATK впервые в своей практике разрабатывает убираемые крепления, которые при пуске будут отводиться, чтобы не произошло столкновения с соплом.

Инженеры компании ATK в системе NX создали модель задней части ускорителя, включая коническую секцию и механизм отвода креплений. Затем представленная в цифровом виде геометрия применялась для выполнения двух видов расчетов: кинематического и конечно-элементного (КЭ).

Убираемые крепления и ураганный ветер

Компания ATK применила модуль NX Motion с целью моделирования кинематики движений убираемых креплений при пуске ракеты. «Мы задали график изменения скорости ракеты в электронной таблице Excel и затем подключили эту таблицу в качестве источника данных о скорости моделируемого объекта, – рассказывает Кришнан. – Мы использовали зависимость тяги двигателей от времени, что оказалось правильным выбором. По расчетам, ракета запускалась с требуемым ускорением».

«Работавший над этой задачей инженер ранее не имел дела с модулем NX Motion, но он быстро разобрался в нем и уже через несколько дней получил готовую модель», – отмечает Кришнан. Созданная им численная модель учитывала даже четырехдюймовый болт, которым фиксируются пусковые крепления. Данный болт разрушается при пуске, так как на нем установлена специальная хрупкая гайка. При помощи анализа кинематики компания ATK быстро создала проектное решение, в котором крепления отводились нужным образом. «Основной целью было применить модуль NX Motion для создания временной последовательности пуска ракеты и обратного движения креплений. Нам удалось это сделать», – отмечает он.

Затем инженеры провели расчеты методом конечных элементов. В компании ATK имелся широкий выбор конечно-элементных препроцессоров и решателей. В рамках инициативы по углублению интеграции инженерных расчетов и конструирования компания ATK работает над унификацией применяемых CAE-систем. Решения NX CAE и NX Nastran® стали стандартными приложениями, которые используются совместно с другими приложениями при решении задач, не поддерживаемых системой NX. «Таким образом, каждый инженер работает в системах, выбранных в качестве стандарта предприятия, а не в той, которая ему больше нравится, – поясняет Кристенсен. – Это приводит к снижению затрат – нам не приходится заниматься поддержкой различных решений со сходной функциональностью, и это облегчает обмен результатами расчетов между исполнителями».

На основе конструкторской модели задней части твердотопливного ускорителя компания ATK создала конечно-элементную модель в системе NX CAE. «Многие системы конечно-элементного анализа плохо справляются с расчетом сборок, а в NX таких проблем нет», – отмечает Кришнан. По его мнению, главное преимущество решения NX CAE заключается в том, что вносимые в сборку изменения передаются в конечно-элементную модель. «Особенно хотелось бы отметить, что можно вносить изменения в модель и передавать их в среду конечно – элементного анализа, – говорит Кришнан. – Такая передача выполняется безошибочно. Конечно-элементная сетка при этом автоматически перестраивается, и это очень удобно. Кроме того, сохраняется ассоциативность.

Все наложенные в сборке связи сохраняются и в конечно-элементной модели. Поэтому вам не приходится проверять правильность расчетной кинематической модели».

Кроме того, компания ATK оценила удобство создания геометрии в системе NX CAE. «Нам понравилось то, что можно очень быстро моделировать болты в виде балочных и звездообразных элементов, – поясняет Кришнан. – Мы берем детали, которые фактически свободно плавают в пространстве, и накладываем на них связи при помощи инструмента, позволяющего выбрать все поверхности или ребра отверстия под болт. Затем балочные элементы создаются автоматически. Это экономит массу времени».

Компания ATK выполнила ряд КЭ-расчетов прочности пусковых креплений, но в основном метод КЭ применялся для расчета конической секции ускорителя, являющейся местом соединения ракеты со стартовым сооружением. Данная секция должна выдерживать вес всей ракеты (осевая нагрузка от пустой ракеты превышает 900 тонн, а от заправленной – почти 3200 тонн), а также ветровые нагрузки, в том числе и от ураганного ветра. Таким образом, расчетные нагрузки оказались огромными. «Мы еще никогда не сталкивались с такими колоссальными нагрузками на коническую секцию», – отмечает Кришнан.

Помимо экономии времени, еще более важным преимуществом реализованного в компании ATK интегрированного процесса проектирования и расчетов в системе стала полная уверенность в точности расчетной модели. «Мы были полностью уверены в том, что все выполняемые в NX построения точно передавались в модуль КЭ анализа и что мы рассчитывали именно актуальный вариант конструкции», – отмечает Кришнан. Благодаря этому компания ATK не теряла время на проверку моделей. «Кроме того, одна из проблем моделирования контактных взаимодействий в большой конечно-элементной сборке заключается в необходимости абсолютно точного совмещения деталей». При работе в NX детали в расчетной модели уже совмещены. Мы не тратим силы и время на создание сопряжений и размещение всех деталей. Они всегда находятся в правильном положении». Кроме того, данный процесс в целом уменьшает число возможных ошибок, так как не приходится передавать данные между различными системами.

Интеграция расчетов в процесс проектирования предполагает применение решения Teamcenter с целью управления задачами инженерного анализа. В хранилище данных Teamcenter записываются расчетные модели, отчеты и ссылки на структуру изделия. «Благодаря этому мы всегда рассчитываем нужные детали и варианты конструкций, а расчеты синхронизированы с вносимыми конструк-торскими изменениями, что сокращает необходимость в повторном анализе», – отмечает Кристенсен. Компания применяет Teamcenter для управления и процессами проектирования, и расчетными проектами. Решение Teamcenter для подготовки отчетов и аналитики отслеживает состояние проекта («по графику», «возможно отставание», «имеется отставание»), время выполнения и долю результатов, полученных с первого раза.

Кристенсен подводит итоги внедрения NX в качестве стандартного инструмента инженерного анализа и углубления интеграции между конструированием и расчетами: «Интеграция САЕ-решений на ранних этапах разработки изделия сокращает сроки проектирования, а также позволяет нам уделять основное внимание общей продолжительности конструкторской разработки, а не только продолжительности требуемых расчетов. Мы отмечаем существенное сокращение затрат и рост производительности благодаря тщательно продуманному стратегическому решению о стандартизации CAE-систем. Наконец, средства инженерного анализа наиболее эффективны, когда конструкторы применяют их на ранних этапах разработки».

Скрыть Еще
quotation marks Мы отмечаем существенное сокращение затрат и рост производительности благодаря тщательно продуманному стратегическому решению о стандартизации CAE-систем. Натан Кристенсен, Старший руководитель отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace Многие системы конечно-элементного анализа плохо справляются с расчетом сборок, а в NX таких проблем нет. Рамеш Кришнан, Главный инженер отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace Особенно хотелось бы отметить тот факт, что можно вносить изменения в модель и передавать их в среду конечно-элементного анализа. Рамеш Кришнан, Главный инженер отдела технологических процессов и инструментов Группа компаний ATK Aerospace