Экраноплан перепроектировали в цифре

Единственный в мире экраноплан-госпиталь строили в Нижнем Новгороде в начале 1990-х по проекту, разработанному в ЦКБ по судам на подводных крыльях им. Р. Е. Алексеева. Для создания цифровой 3D-модели «Спасателя» специалисты, основываясь на открытых данных, воспроизвели части корпуса уникальной машины, рассчитали аэро- и гидродинамику и выполнили анализ крыла на прочность, устойчивость и собственные колебания. Целью данной исследовательской работы было не точное 3D-моделирование, а проработка методики проектирования и решения мультифизических (FSI, англ. Fluid-Structure Interaction, взаимодействие жидкости и конструкции) расчетных задач в отечественном программном обеспечении. Результаты представили на Всероссийской научно-практической конференции «Скоростные суда (Наследие Ростислава Алексеева)».

ПСЭ «Спасатель» (проект 9037) сочетал в себе черты самолета и судна. Экраноплан разработали для проведения спасательных операций в открытом море. Он рассчитан на 150 пострадавших при работе в штатном режиме, но в чрезвычайной ситуации мог принять до 500 человек. На борту размещались медицинский блок, помещения для спасенных и спасательное оборудование. Сейчас недостроенная машина находится на территории нижегородского завода ОСК «Красное Сормово».

3D-моделирование элементов экраноплана производили с помощью модулей «Моделирование корпуса» и «Проектирование архитектуры судна» Цифровой платформы судостроения с учетом ее ключевого инструментального элемента — системы проектирования «Компас-3D» (АСКОН). Управление составом изделия осуществлялось системой управления инженерными данными и жизненным циклом изделия «Лоцман:PLM» (АСКОН). Междисциплинарные расчеты с одновременным решением задач гидродинамики и прочности конструкции выполнены в программных комплексах FlowVision (ООО «Тесис») и APM WinMachine (НТЦ АПМ).

«В этом проекте мы показали коллективную работу конструкторов и расчетчиков над 3D-моделью — полностью на отечественных ИТ-решениях. Впервые инженеры получают встроенные в российскую судостроительную 3D-САПР расчетные приложения. Программные продукты работают на едином математическом ядре C3D, что исключает потери или искажения данных при передаче между системами. Наша цель — обеспечить судостроительную отрасль России, а в перспективе и стран БРИКС надежными программными инструментами для решения задач на разных этапах жизненного цикла объектов морской техники и постепенно заменить иностранные судостроительные САПР», — отметил директор департамента развития отраслевых решений для судостроения АСКОН Александр Петров.

Как рассказал «Стимулу» ведущий инженер «Тесис» Владимир Шмелев, благодаря тесному сотрудничеству в рамках консорциума реализована глубокая интеграция между различным инженерным программным обеспечением. Бесшовная передача информации между программами в созданной цифровой модели экраноплана позволяет во время виртуальных испытаний учесть множество различных физических процессов, легко изменять конфигурацию изделия и повторять расчеты. Все это повышает точность и эффективность инженерного анализа и ускоряет работу конструктора.

На российском рынке сейчас нет отечественного решения, которое являлось бы полноценным аналогом Цифровой платформы судостроения и включало бы все доверенные отечественные компоненты PLM/CAD/CFD/FEA/1D/MDM на отечественном математическом ядре и с возможностью наследования данных из зарубежных судостроительных САПР в редактируемом виде. Похожими CAD/CFD-разработками занимается коллектив в Нижнем Новгороде, и продолжаются работы в рамках особо значимого проекта в ОСК по созданию «тяжелой» САПР.

Директор департамента развития отраслевых решений для судостроения компании «Аскон» Александр Петров

«Аскон»

Инструменты будущего для судна из прошлого

Это уже не первое судно, которое послужило объектом для тестирования модуля «Корпусные конструкции» Цифровой платформы судостроения АСКОН. Ее создатели выбирают разные виды морской техники, чтобы учесть большинство возможных особенностей проектирования. Первым тестовым примером был танкер-химовоз проекта 00216. Далее в рамках совместных работ с ПКБ «Петробалт» и Онежским судостроительно-судоремонтным заводом взяли в проработку проект самоходной самораскрывающейся шаланды проекта PBHB6 — ее перепроектировали в разных версиях платформы уже несколько раз с учетом появления новых функциональных возможностей.

И вот для участия в научной конференции ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева возникла идея смоделировать несколько элементов корпуса экраноплана.

«Совместно с коллегами по консорциуму “Развитие” мы представили, как работали бы создатели экраноплана, если бы у них была возможность использовать современные PLM/CAD/CAE-инструменты. Кроме того, мне лично нравятся экранопланы и то, что творил гений Ростислава Алексеева», — рассказал «Стимулу» Александр Петров.

А Сергей Чижиумов, главный специалист отдела тестирования и верификации НТЦ АПМ, говорит, что идея коллег построить 3D-модель «Спасателя» его сразу заинтересовала. Он вспомнил свои студенческие годы. «Тема экранопланов нас, студентов Комсомольского-на-Амуре политехнического института, привлекала еще в начале 80-х. С 1968 года в студенческом конструкторском бюро под руководством Владимира Ивановича Елина были созданы несколько малых экспериментальных аппаратов, один из которых удостоен первой премии на Всесоюзном конкурсе студенческих научных работ. В то время под влиянием идей Ростислава Евгеньевича Алексеева во многих СКБ Советского Союза увлекались экранопланами. К сожалению, в 70-х годах были введены запреты на испытания несертифицированных аппаратов, а возможности развития проектов в рамках СКБ были ограничены», — рассказывает специалист.

По его словам, уникальность проектов «Лунь» и «Спасатель» в том, что их развитие может обеспечить качественный переход в технологиях быстрой транспортировки грузов и оперативного выполнения самых разных функций по обеспечению развития огромной и малоосвоенной территории России и прилегающих акваторий. В отличие от самолетов увеличение грузоподъемности и габаритов экранопланов приводит к существенному росту их транспортной эффективности и безопасности.

Если сравнить грузовой самолет и экраноплан весом порядка 1000 тонн, то аэродинамическое качество экраноплана составит 30 против 18 у самолета, доля полезной нагрузки — 45% против 30%, расход топлива при этом меньше на 30%. Высота экрана увеличивается, а значит, растет возможность движения над препятствиями, мореходность, устойчивость движения и безопасность.

Ведущий инженер компании «ТЕСИС» Владимир Шмелев

«Аскон»

Старые фотографии, вдохновение и опыт

Как отмечают разработчики Цифровой платформы судостроения, на пути создания на ее основе 3D-модели «Спасателя» было множество сложностей и препятствий. И в первую очередь это полное отсутствие в открытом доступе документации на экраноплан. Пришлось «фантазировать» и проектировать, ориентируясь только на нагрузки и общие представления о конструкциях самолетов и судов с динамическими принципами поддержания, исходя из собственного опыта.

«Собирали картину буквально по частям. Помогли фотографии из книги ЦКБ по СПК, методические пособия Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, творческий порыв, долгий опыт использования ПО АСКОН и опыт коллег, которые раньше работали по этой теме», — рассказал Александр Петров.

Специалисты АСКОН, используя различные графические изображения экраноплана проекта «Спасатель», смогли с достаточной степенью детализации создать в «Компас-3D» его трехмерную модель, которая была использована на последующих стадиях моделирования.

«На основе переданной из “Компас-3D” трехмерной модели внешних обводов экраноплана сотрудники компании “Тесис” построили аэрогидродинамическую часть общей цифровой модели в FlowVision, — рассказывает Владимир Шмелев. — Опираясь на опыт сотрудников, участвовавших в проектировании и испытании натурных экранопланов, специалисты “Тесис” провели численное моделирование движения экраноплана в одном из наиболее сложных режимов, характерных только для данного вида транспортного средства, — взлет с использованием поддува от струй носовых двигателей, создающих динамическую воздушную подушку».

Полученные при моделировании движения экраноплана распределенные аэрогидродинамические силы и моменты из FlowVision были переданы в прочностную часть цифровой модели, созданную в APM WinMachine специалистами по прочности, и в ней определены основные параметры напряженно-деформированного состояния конструкции.

Как отмечает Сергей Чижиумов, в условиях ограничения по времени удалось выполнить анализ не всей модели, а лишь отдельных, наиболее интересных частей: крыла на основные нагрузки, днищевого перекрытия на удар о воду. Тем не менее на основе расчетов получены результаты, позволяющие уточнить конструкцию и размеры связей.

По словам Александра Петрова, в ходе работы над моделью «Спасателя» ярко проявились его уникальные особенности, объединяющие корабль и самолет. Днище оснащено реданами для легкого отрыва от воды, а обводы крыла и мотогондол имеют плавные скругления для идеальной аэродинамики.

«Особого внимания заслуживает силовая структура. Вместо классического авиакаркаса здесь применена “корабельная” навесная система набора. Корпус собран из прессованных алюминиевых панелей со встроенными ребрами жесткости. Именно это судостроительное решение позволяет конструкции надежно выдерживать колоссальные ударные нагрузки при скоростном движении по волне, что критически важно для безопасности аппарата», — отмечает специалист.

Главный специалист отдела тестирования и верификации НТЦ «АПМ» Сергей Чижиумов

«Аскон»

С необходимой атрибутивной информацией

Участники проекта по созданию 3D-модели экраноплана «Спасатель» уверены, что его успешное выполнение вновь подтверждает возможность моделирования различных корпусных конструкций с использованием специализированных инструментов «Компас-3D» в рамках Цифровой платформы судостроения, а также архитектурно-компоновочного модуля.

Текущий уровень инструментария позволяет создавать разнообразные элементы, в том числе судовую поверхность и структурные элементы (палубы, переборки и прочее), и, что особенно важно, с необходимой атрибутивной информацией (например, для переборки — непроницаемая/проницаемая). Это позволит на последующих этапах упростить проектирование для других специализаций и в перспективе организовать автоматизированную проверку в контролирующих органах посредством использования универсального международного формата ОСХ/ASF. Полученные 3D-модели достаточны для проведения FSI-анализа в расчетных системах от НТЦ АПМ и «Тесис».

В начале следующего года уже выйдет коммерческая версия Цифровой платформы судостроения. Состав модулей будет покрывать задачи корпусных подразделений проектно-конструкторских бюро. Специалисты смогут разрабатывать конструкции в режиме коллективной работы, на основе полученной цифровой модели готовить сечения для 2D-документации в соответствии с отраслевыми стандартами и передавать данные для формирования схем раскроя в едином контуре. Остальные специализации находятся в работе и будут выпущены позже.