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

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 %.

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.