Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Использование программного обеспечения с открытым исходным кодом при разработке систем автоматизированного проектирования РЛС

Полный текст:

Аннотация

Исследовано создание программного компонента, предназначенного для автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния конструкции радиолокатора. Представлена актуальность работы, приведена постановка задачи, методы ее решения и основные результаты разработки

Для цитирования:


Коновальчик А.П., Конопелькин М.Ю., Корчагова В.Н., Стрижак С.В., Крапошин М.В., Кудров М.А., Мартынов И.А. Использование программного обеспечения с открытым исходным кодом при разработке систем автоматизированного проектирования РЛС. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):92-101.

For citation:


Konovalchik A.P., Konopelkin M.Y., Korchagova V.N., Strizhak S.V., Kraposhin M.V., Kudrov M.A., Martynov I.A. Using open source software in development of computer-aided design systems for radar. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):92-101. (In Russ.)

Актуальность работы, обоснование выбора рабочих инструментов

Необходимость решения задачи автоматизи­рованного моделирования поля перемеще­ний конструкции радиолокационной станции (РЛС) в рамках систем автоматизированного проектирования (САПР) РЛС можно проде­монстрировать на следующем примере. Для исследования была взята РЛС «Небо-М». На основе фотографий из открытых источников была воспроизведена характерная модель конструкции (рис. 1, а), в качестве материалов были приняты сталь-40 и алюминиевый сплав. На основе данной модели проведены оценоч­ные расчеты, которые показали, что в случае действия ветровой нагрузки возникающая суммарная сила (621 кГс) способна привести к искажению конструкции, достаточно значи­мому, чтобы учитывать ее влияние на форми­рование диаграммы направленности антен­ны. На рис. 1, б представлены результаты рас­чета, который производился с помощью MSC. Nastran в линейном приближении, внутрен­ний решатель Nastran SOL101. Картина пере­мещений представлена в масштабе 1:10. Мак­симальные перемещения составляют 153 мм (~4 % от характерного размера модели).

 

Рис. 1. Перемещения элементов модели РЛС: а - конструкция антенны РЛС; б - масштабированное поле перемещений конструкции антенны РЛС

 

Широко известен тот факт, что для про­ведения численного моделирования обтекания тел сложной формы воздушным потоком долж­ны быть задействованы специалисты, которые хорошо разбираются в аэродинамике, числен­ных методах, теории турбулентности. Помимо этого, для проведения аэродинамического рас­чета, требуется навык построения качествен­ных расчетных сеток, использование которых не приведет к появлению больших численных ошибок при вычислениях. Для каждой гео­метрической модели строят свою расчетную сетку, исходя из чего для проведения очеред­ного аэродинамического расчета необходимо привлечение специалистов из данной области. Для моделирования НДС нужны знания в об­ласти механики деформируемого состояния, численных методов. Аналогично построению расчетных сеток для аэродинамического расчета, для моделирования НДС также требуется качественная расчетная сетка, для построе­ния которой необходим отдельный сотрудник, специализирующийся на численном модели­ровании НДС. Тем не менее, для того чтобы в имитационном моделировании учитывать влияние деформаций антенны на формирова­ние диаграммы направленности без привлече­ния специалистов из области механики сплош­ных сред для проведения очередного расчета, в САПР РЛС разрабатывается программное обе­спечение, способное решать сопряженную за­дачу аэродинамики, прочности и теплообмена в автоматическом режиме: от пользователя потре­буется лишь ввести исходные данные и задать граничные условия, а работа по построению расчетных сеток и передачи информации между решателями будет проведена в автоматическом режиме, без участия оператора. Таким образом, инженер-разработчик РЛС без глубоких знаний механики сплошных сред будет иметь возмож­ность провести расчет аэродинамики, теплоо­бмена, прочности конструкции РЛС и учесть связанные с внешними нагрузками перемеще­ния элементов конструкции при формировании диаграммы направленности антенны.

В качестве основных инструментов для разработки комплекса моделирования дефор­маций под влиянием внешних воздействий были выбраны программные пакеты с откры­тым исходным кодом: OpenFOAM (расчет аэро­динамики), CodeAster (расчет прочности и те­плообмена), Salome (графический интерфейс).

Выбор данных инструментов обуслов­лен целым рядом факторов. В первую очередь открытый исходный код позволяет проводить манипуляции с кодом, что дает возможность адаптировать различные компоненты, такие как решатели и сеткопостроители под кон­кретные нужды, интегрировать их с другим программным обеспечением и внедрять их в среду САПР РЛС. Помимо этого, наладить ав­томатический информационный обмен между различными коммерческими пакетами, напри­мер между Ansys CFX и MSC.Nastran, также гораздо более сложная задача, чем «залезть» в исходный код пакетов OpenFOAM и CodeAster и связать пакеты изнутри. Наконец, в случае выбора коммерческих пакетов для использо­вания САПР РЛС на рабочих станциях потре­бовалась бы покупка лицензий, в то время как пакеты с открытым исходным кодом лишены этого недостатка, при этом качество работы решателей не уступает коммерческим [1-3].

Архитектура комплекса моделирования деформаций

Концепция архитектуры разрабатываемого комплекса моделирования деформаций под влиянием внешних воздействий отражает не­обходимость, с одной стороны, совместного решения разнородными вычислительными средствами задач теплообмена, аэродинамики и деформации конструкции под действием си­ловых и тепловых нагрузок, а с другой - обу­словливается задачей организации эффектив­ного взаимодействия оператора, программно­го комплекса и вычислительного кластера.

Логика функционирования комплекса подразумевает минимизацию вмешательства оператора (пользователя) в процедуру числен­ного моделирования при условии корректно­сти ввода исходных данных и граничных ус­ловий. Предполагается, что пользовательский ввод может осуществляться только при зада­нии трех групп исходных данных:

  • геометрия РЛС;
  • рельеф местности и метеоданные;
  • механические и теплофизические свой­ства конструкции.

Комплекс имеет двухуровневую модуль­ную архитектуру (рис. 2). На первом уровне реализуется взаимодействие комплекса с опе­ратором:

  • подготовка и коррекция входных дан­ных;
  • управление расчетом;
  • визуализация результатов.

 

Рис. 2. Архитектура комплекса моделирования дефор­маций САПР РЛС

 

На втором уровне комплекса реализова­но его вычислительное ядро, осуществляющее следующие блоки операций:

  • анализ входных и выходных данных;
  • генерация расчетных сеток конструк­ции и окружающего пространства;
  • численное моделирование аэродинами­ки воздушных потоков;
  • численное моделирование теплонапря­женного состояния РЛС.

Двухуровневая модульная организация комплекса позволяет, во первых, эффективно разделить процессы разработки и тестиро­вания компонентов комплекса, связанных с контролем пользовательского ввода, и компо­нентов, предназначенных для выполнения за­дач численного моделирования, а во-вторых, использовать компоненты независимо друг от друга, что дает возможность поддерживать их в актуальном состоянии в связи с выходом оче­редного релиза того или иного пакета.

В основе блоков вычислительного ядра комплекса использованы следующие библио­теки:

  • блок построения расчетной сетки РЛС: Python, SALOME, Netgen;
  • блок построения расчетной сет­ки воздушного пространства: Python, bash, OpenFOAM [4];
  • блок расчета теплообмена: Python, Code_Aster [5];
  • блок расчета аэродинамики: Python, OpenFOAM;
  • блок расчета деформаций: Python, Code_Aster.

Перечисленные программные продукты основаны на универсальных методах матема­тического моделирования (метод конечного объема и метод конечного элемента), которые позволяют моделировать конструкции произ­вольной формы [6]. Каждая из вышеперечислен­ных библиотек может применяться для широ­кого класса задач, обладает сложным и гибким синтаксисом входных и выходных данных.

Внутренняя логистика потока данных между компонентами комплекса моделирова­ния деформаций представлена на рис. 3. Дан­ные между компонентами передаются авто­матизировано: при переходе пользователя на следующий этап расчета введенные ранее дан­ные передаются в последующие компоненты.

 

Рис. 3. Схема потоков данных между компонентами комплекса

 

Часть из применяемых при разработке комплекса библиотек на данный момент ра­ботают устойчиво только под управлением Unix OS. Одним из требований технического задания на САПР РЛС была устойчивая рабо­та комплекса не только под Unix OS, но и под Windows OS. Эта задача была решена с помо­щью технологии виртуализации [7]. Схематич­но реализация данной технологии приведена на рис. 4.

 

Рис. 4. Реализация виртуальной машины для работы модуля расчета деформаций

 

Использование виртуальной машины снижает быстродействие ПО, однако потеря в производительности составляет не более 10 %, что в контексте требований кроссплатформенности компонентов, которые изначально этим свойством не обладают, выглядит при­емлемым.

Результаты разработки

На основе изложенной выше концепции была проведена работа по адаптации графической оболочки Salome под нужды «Концерна ВКО «Алмаз - Антей», автоматизации построения расчетных сеток, как конечно-объемной, так и конечно-элементной.

На рис. 5 представлена адаптированная графическая оболочка. Адаптация оболочки была выполнена посредством внедрения ин­струментария задания исходных данных, та­ких как геометрия модели, материалы модели, граничные условия для расчета аэродинамики, прочности, теплообмена, параметры расчет­ных сеток для управления точностью и вре­менем расчета. В нижней части панели рас­положена диаграмма, отображающая текущее состояние расчета, в частности отображается статус построения расчетных сеток, проведе­ния расчетов.

 

Рис. 5. Графическая оболочка на базе Salome

 

Особый интерес представляет меню за­дания условий для построения расчетных се­ток. В разрабатываемом комплексе параметры конечно-объемной сетки (рис. 6) включают в себя масштаб зоны над РЛС, который опи­сывает размер расчетной области по высоте в размерах РЛС, уровень разрешения сетки и максимальное количество ячеек. Опционально пользователь может ввести размер ячейки вблизи некоторого тела, например антенны или мачты антенны, что позволяет контроли­ровать разрешение отдельных элементов кон­струкции, особенно актуально использовать данную опцию в случае наличия мелких эле­ментов конструкции, около которых разумно сгустить сетку.

 

Рис. 6. Настройки конечно-объемной сетки

 

Параметры конечно-элементной сетки (рис. 7) включают в себя характерный размер элементов и опциональное указание размеров элементов для отдельных тел, также для воз­можности разрешения мелких элементов кон­струкции РЛС.

 

Рис. 7. Параметры конечно-элементной сетки

 

Важно отметить, что для разрабатывае­мого комплекса моделирования деформаций реализованы средства контроля качества сеток для аэродинамического и прочностного расче­тов. Так, например, осуществляется контроль отношения линейных размеров ребер элемен­тов конечно-элементной сетки (не более 5), до­пустимый максимальный угол между ребрами в вершине составляет 20°. Для конечно-объем­ной сетки проверка качества включает опреде­ление относительного удлинения ячеек, неортогональности сетки, отношение минимальной и максимальной граней ячейки. В случае, если автоматически построенная сетка не удовлет­воряет требованиям качества, пользователю об этом сообщается и предлагается изменить на­стройки построения сетки, например настро­ить размер ячейки для какого-либо элемента конструкции РЛС.

Для сравнения, в коммерческих пакетах автоматические средства построения сеток более насыщены. Например, в Ansys для ко­нечно-объемной сетки имеется возможность настраивать размер пограничного слоя, зада­вая количество слоев и скорость роста ячеек от слоя к слою. Это, с одной стороны, предоставляет пользователю больше возможностей и, как следствие, позволяет получать более точные результаты, но с другой - требует более глубоких знаний из области вычислительных методов механики сплошных сред. Прини­мая во внимание тот факт, что разрабатывае­мый комплекс предназначен для инженеров, не специализирующихся на вычислительной аэродинамике и прочности, незначительный, как будет далее показано, проигрыш в точно­сти взамен на простоту в использовании при­емлем.

Также важно отметить, что в текущей версии комплекса существует возможность импорта геометрии из стандартных пакетов, предназначенных для проектирования кон­струкций (AutoCAD, SolidWorks, CATIA и т. д.), однако возможность импортировать, например, расчетную сетку отсутствует. На после­дующих этапах работы при необходимости, возможно разработать и средства импорта рас­четных сеток.

Для тестирования работоспособности комплекса моделирования деформаций, це­лостности передаваемых между компонентами данных, корректности и автоматизации цепоч­ки расчетов, была выбрана РЛС «Небо-М», на которой ранее вручную производились расче­ты с помощью коммерческих пакетов. На рис. 8 представлены рассчитанные в комплексе моде­лирования деформаций результаты. Сравнивая конечные результаты моделирования, в частно­сти поле перемещений, рассчитанное автома­тизировано с помощью комплекса моделиро­вания деформаций (рис. 8, в), с результатами, полученными с использованием коммерческо­го пакета (см. рис. 1, а), можно заключить, что разница составляет не более 7 %.

 

Рис. 8. Результаты моделирования обтекания РЛС «Небо-М»:

а - поле давлений на поверхности антенны; б - поле скоростей при обтекании РЛС «Небо-М» в сечении рас­четной области плоскостью Oxy; в - поле перемещений конструкции антенны

 

Заключение

В статье показаны результаты разработки программного компонента системы автома­тизированного проектирования радиолока­ционной техники, позволяющего автоматизировано моделировать обтекание конструкции РЛС воздушным потоком, термонапряженное состояние конструкции РЛС. Достигнута ос­новная цель разработки - предоставить инженеру-разработчику РЛС, не являющемуся специалистом в области механики сплошных сред, инструмент для проведения аэродина­мического и прочностного расчетов. Приведено краткое сравнение разработанного ком­плекса с коммерческими продуктами в части удобства настроек сеток и точности получа­емых результатов. Описано решение задачи поддержки кроссплатформенного разверты­вания ПО, функционирующего стабильно только под управлением ОС семейства Linux.

Об авторах

А. П. Коновальчик
АО «Концерн ВКО «Алмаз - Антей»
Россия


М. Ю. Конопелькин
АО «Концерн ВКО «Алмаз - Антей»
Россия


В. Н. Корчагова
Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт системного программирования им. В.П. Иванникова Российской академии наук
Россия


С. В. Стрижак
Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт системного программирования им. В.П. Иванникова Российской академии наук
Россия


М. В. Крапошин
Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт системного программирования им. В.П. Иванникова Российской академии наук
Россия


М. А. Кудров
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»
Россия


И. А. Мартынов
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»
Россия


Для цитирования:


Коновальчик А.П., Конопелькин М.Ю., Корчагова В.Н., Стрижак С.В., Крапошин М.В., Кудров М.А., Мартынов И.А. Использование программного обеспечения с открытым исходным кодом при разработке систем автоматизированного проектирования РЛС. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):92-101.

For citation:


Konovalchik A.P., Konopelkin M.Y., Korchagova V.N., Strizhak S.V., Kraposhin M.V., Kudrov M.A., Martynov I.A. Using open source software in development of computer-aided design systems for radar. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):92-101. (In Russ.)

Просмотров: 51


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)