Публикации
Разработка беспилотного летательного аппарата
Согласно недавним исследованиям, в 2014 году около 50% сотрудников крупных аэрокосмических компаний достигнет возраста, дающего им право на уход в отставку. Данная отрасль промышленности, доля ВВП которой составляет более 5% от общего ВВП США (совокупной рыночной стоимости готовых изделий и услуг в стране) столкнулась также с проблемой массовой «утечки мозгов» (эмиграции научных сотрудников), которая истощает ресурсы рабочей силы и приводит к критическому падению общего уровня квалификации.
Кроме того, растущий дефицит квалифицированной рабочей силы в высокотехнологичном производстве и высокая текучка кадров – как правило, 45% молодых специалистов не задерживается у одного работодателя более пяти лет – являются серьёзной угрозой для работодателей. Компания Боинг – одна из тех, кто столкнулся с серьёзной нехваткой рабочей силы. В среднем, более 170 000 её сотрудников старше 48 лет. Попытки исправить ситуацию путём набора новых сотрудников из выпускников ВУЗов затрудняются тем, что сегодня в рамках учебных университетских курсов отсутствует общая междисциплинарная подготовка студентов.
Боинг инвестировал миллионы долларов в программы STEM для подготовки и набора более квалифицированных инженеров. Совсем недавно компания приняла участие в организации программы AerosPACE (Aerospace Partners for the Advancement of Collaborative Engineering - Партнёрство в аэрокосмической отрасли по развитию совместного инженерного образования), которая представляет собой сотрудничество университетов и компаний аэрокосмической отрасли для основательного обучения студентов междисциплинарному инженерному проектированию и коллаборативной инженерии.
Для рабочего процесса, начиная с импорта медицинских снимков (DICOM) и заканчивая3D-визуализацией гемодинамического риска...
Проект по оптимизации формы корпуса СПГ-танкеров для снижения объема загрязняющих выбросов и экономии значительного количества потребляемого топлива для судоходных компаний ...
Программа AerosPACE объединила крупнейшие организации аэрокосмической промышленности, множество университетов и правительство с целью выделить основные квалификационные требования и расширить необходимые профессиональные навыки инженеров аэрокосмической отрасли будущего поколения, создав им среду, схожую с реальной рабочей обстановкой в этой области. Цель программы - не только устранение дефицита квалификации, но и обеспечение базового проекта по разработке и строительству летательных аппаратов, объединяющего всех инженеров, получивших различную теоретическую подготовку, и обучающего важным навыкам межличностного общения, таким, как работа в команде, эффективное объединение усилий и планирование рабочего времени. Проект AerosPACE привлёк к обучению студентов экспертов академии и высшее руководство Боинга, что обеспечивает полноценную и тщательную подготовку в соответствии с высшими университетскими стандартами.
В основе программы AerosPACE лежат четыре фундаментальных элемента: вовлеченность главных игроков аэрокосмической индустрии, междисциплинарный подход, использование передовых технологий производства и сотрудничество социальных сетей и обучающих аналитиков. Эти четыре элемента обеспечивают комплексный подход для устранения пробела «знаю-делаю» и увеличения вовлеченности и участия студентов в научных и технологических событиях, а также развитие компетентности и переход в рабочий персонал STEM (рис.1).
ВУникальным и многообещающим аспектом программы AerosPACE является тот факт, что Боинг обязуется предоставлять своих консультантов каждой команде. Например, на каждую команду даётся один консультант по CAD, CFD и FEA, обеспечивающий студентам возможность задавать узкоспециализированные вопросы и посещать лекции и лаборатории. Также у каждой команды имеется консультант Боинга по общим вопросам (помимо преподавательского состава у каждой команды). По возможности, консультанты Боинга посещают еженедельные собрания команд, участвуют в обсуждениях на курсах CorpU, отвечают и наставляют студентов по различным вопросам.
Хотя основная цель программы AerosPACE – обучать студентов более узконаправленным на индустрию навыкам, она также даёт возможность провести исследование эффективности различных способов организации команд (например, ситуативный в противовес иерархическому, «на основе старшинства» в противовес «на основе интеллектуальных способностей»).
Рисунок 1: Структура программы AerosPACE
Вначале команды изучили исходные условия как руководство к процессу разработки БЛА (см. рисунок 3). Это помогло командам определить достижимые требования к конструкции, такие как скорость при взлёте, полёте и посадке, потолок полёта, вертикальная скорость набора высоты и радиус разворота. Используя эту информацию, команды создали пространственный график, чтобы разместить предварительные значения нагрузки на крыло и удельную мощность, как показано на рисунке 4.
Задача такого исследования – использовать полученную информацию для создания автоматизированного инструмента организации эффективной команды разработчиков. Программа также ставила перед собой цель исследовать методы развития навыков персонала и основные характеристики, которые необходимо оценивать у кандидата в члены проектной команды, а также наилучшие методы оценки этих характеристик. Используя исследовательские методы, такие как эксперимент, наблюдение и оценка, для описания характеристик и квалификации членов команды, исследователи попытались вычислить, какие качества создадут хорошего кандидата для дистанционной работы на проектную команду.
ПРОЕКТ AerosPACE 2013-2014
Партнёрами программы AerosPACE 2013-2014 являются компания Боинг, университет Brigham Young University, авиационный университет Embry-Riddle Aeronautical University, институт технологий в шт. Джорджия и университет в Пардью. Команды студентов из различных университетов получили задание разработать, построить и испытать беспилотный летательный аппарат (БЛА) для наблюдения за сельскохозяйственными полями с целью повысить урожайность полей. БЛА должен соответствовать различным параметрам в соответствии с исходными условиями полёта (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Исходные условия для разрабатываемого БЛА
В программе приняло участие 34 студента из 4 университетов. Студенты были разделены на 3 команды, степень квалификации каждой команды была тщательно проверена на наличие необходимого набора навыков. Также, для каждой команды были назначены консультанты Боинга и преподаватели факультетов. Каждая команда должна была исследовать технические вопросы в аэродинамике, материалах, двигательной установке, производстве и анализе конструкции (например, наличие лонжерона, нервюр, шарниров и т.д.), системе управления ЛА, а также испытать сборку, исправить недостатки и составить отчёт.
В обучение студентов входили лекции и записанные занятия на WebEx, освещающие такие вопросы, как интегрированный продукт и процесс разработки, определение размеров в ограничивающих условиях и анализ в Excel, Open VSP, MotorCalc, Siemens NX CAD и междисциплинарном программном обеспечении CD-adapco STAR-CCM+.
К концу первого семестра (зима 2013) каждая из команд создала свою собственную модель и представила предварительные результаты консультативному совету Боинга. Поскольку необходимо освятить достаточно много информации, ниже мы приведём лишь краткое описание шагов разработки БЛА.
Рисунок 3. Схема исходных условий, созданная Командой 1
Рисунок 4. Пространственный график Команды 1 для разработки конструкции
На рисунок 5 показаны результаты расчётов веса и центра тяжести, выполненных одной из команд. Он показывает различные части конструкции, которые должны быть включены в летательный аппарат, их оценённый вес и результирующее расположение центра тяжести. Вес ЛА по конструкторским расчётам не должен был превышать 12 фунтов.
Рису нок 5. Результаты расчётов веса и центра тяжести Команды 2
Команда 3 использовала печать 3D для построения всего БЛА. На рисунке 6 показаны конструкции отдельных частей для печати, а также лонжероны из волокнистого углепластика со специальными внешними крепежами, позволяющими легко заменять повреждённые части.
Рисунок 6. Проектно-строительные чертежи Команды 3. Два горизонтальных лонжерона (красный цвет), скрепляющих и усиливающих основной корпус, и два лонжерона по всей длине крыльев обеспечивают высокую прочность испытательной модели
РАСЧЁТ CFD
Все команды достаточно хорошо проработали свои модели для запуска расчёта CFD в STAR-CCM+. Подготовка к CFD-расчёту проводилась ассистентом-аспирантом с использованием геометрии конструкции с плавным переходом от крыла к фюзеляжу, схожей с той, что разработали команды. Это делалось для выявления проблем, с которыми могут столкнуться студенты, и найти наиболее высокоэффективные решения с минимальными временными затратами.
Для концептуального проектирования беспилотника все команды имели геометрию CAD, созданную в OpenVSP, позволяющую командам более узко наметить цели и подробно ознакомиться с геометрии задачи. Геометрия обшивки крыла одной из команд использовалась для построения сетки. Геометрия OpenVSP была экспортирована в NX для создания гладкой CAD-модели на основе сплайнов. Опорные точки для сплайнов были получены путем рассечения исходной модели OpenVSP плоскостями. Использовать NX оказалось необходимо, т.к. панельный метод OpenVSP не позволил получить достаточно гладкую поверхность модели. Из NX твёрдое тело крыла было экспортировано в формат Parasolid, который распознаётся STAR-CCM+. Расчетная область представляла собой полусферу, которая включала только половину модели беспилотника, т.к. CAD-модель летательного аппарата симметрична, и такой подход позволил сократить вычислительные затраты. Когда расчётные данные коэффициентов подъёмной силы и сопротивления сравнили с данными испытаний в аэродинамической трубе, выполненными командой, результаты оказались удовлетворительными. На рисунке 7 показана общая сетка с 3 млн. ячеек, а на рисунке 8 – крупно показана сетка в зоне задней кромки крыла.
Рисунок 7. Усечение турбулентного следа на крыле БЛА
Рисунок 8. Расчетная сетка в зоне задней кромки крыла, построенная на дополнительно созданном интерфейсе
При использовании возможностей генератора сетки в STAR-CCM+ удалось измельчить поверхность передней и задней кромки крыла, волновую область, получить значения пристеночного Y+ меньше 1 и задать умеренную скорость роста толщины пристеночных призматических слоев для точной диссипации моментов. Поверхности крыла были выделены в отдельные границы передняя и задняя кромки, что позволило задать для них индивидуальные сеточные параметры: размеры ячеек, количество слоев в пристеночном призматическом слое, скорость роста призматических слоев и т.д. Модель сетки с усечёнными ячейками (Trimmed Mesh) имеет опцию «Trimmer Wake Refinement» для измельчения сетки с подветренной стороны БЛА (см. рисунок 7), которая изменяется параметрически с изменением угла атаки. Скорость роста призматических слоев была скорректирована для достижения удовлетворяющих значений y+.
Консультанты посоветовали командам различные методы для улучшения качества сетки, например, по форме расчетной области, измельчению передней и задней кромки крыла, а также измельчение волнового следа. Все студенты могли посещать обучающие вебинары CD-adapco по разработке и строительству летательных аппаратов.
Одна из команд вначале имела проблемы с призматическими слоями, заканчивающимися на задней кромке крыла. Для конечного решения использовался следующий прием. В расчетной области был создан дополнительный интерфейс – внутренняя граница, для которого с каждой стороны были заданы параметры призматического слоя ячеек. Использование этого приема позволило получить высококачественную расчетную сетку в зоне задней кромке крыла, как показано на рисунке 8. На рисунке 9 показаны контуры скорости и значения y+.
Рисунок 9. Значения пристеночного y+ и контуры скорости конечной конструкции БЛА
STAR-CCM+ предлагает двустороннюю связь между NX и STAR-CCM+, что позволяет быстро и эффективно передавать данные из одного кода в другой. Такая связка между продуктами существенной сокращает время для создания расчетной модели, ее обновления и оптимизации.
ПЛАНЫ НА БУДУЩЕЕ
Весенний семестр студенты начали с проектно-конструкторской работы, которая продолжается до сих пор – около 75% проектной работы уже завершено. Уже сейчас очевидно, что программа оказалась крайне полезной как студентов AerosPACE, так и для инженеров Боинг и других специалистов, участвующих в данной программе.
Компания Боинг, используя специальные опросники и тесты для членов команд, внимательно изучает пути усовершенствования пока ещё «молодой» программы. Было доказано, что общение выполняет наиболее важную функцию: чем больше коммуникации между членами команд, тем лучше они работают вместе и тем больше у студентов удовлетворённость от проекта. Организаторы AerosPACE также получили предложения по улучшению технологии и курса обучения, включая совместный доступ к файлам и лекциям, посещение лабораторий и обеспечение технической поддержки изучающим передовые инструменты проектирования, такие как Siemens NX и STAR-CCM+.
Навыки, полученные студентами в рамках проекта, помогут им в будущем вырасти высококвалифицированными специалистами в данной области. Сотрудничество Боинга с различными университетами для углубленного обучения оказалось результативным для всех сторон. В ближайшие годы организации планируют продолжать и расширять рамки такого сотрудничества.
CD-adapco выражает благодарность преподавательскому составу каждого института: Shigeo Hayashibara из Embry-Riddle Aeronautical University, Carl Johnson из Georgia Institute of Technology и John Sullivan из Purdue University. Также компания благодарит за сотрудничество консультантов Боинга под руководством Michael Wright.
