PávaDzsihád

Hosszú évek során összegyűlt tervezői, gyártói és üzemeltetési tapasztalatok birtokában mondtak igent 2008 augusztusában egy merőben új, egyaránt nagy teljesítményű, terhelhetőségű és manőverező képességű repülőgép kifejlesztésére.

 

A legmagasabb színvonalú szinkronmodellezési CAE (Computer Aided Engineering, számítógéppel segített mérnöki tevékenység) technológiát megvalósító Solid Edge ST alkalmazása nagymértékben hozzájárult ahhoz, hogy a Corvus Aircraft Kft. hét hónap alatt kifejlesztette és legyártotta a versenyrepülés legújabb modelljét, a Corvus Racer 540 típust, amelyen előzetes tervek szerint Magyarország legkiválóbb pilótája, Besenyei Péter repül majd a Red Bull Air Race versenysorozat keretében. A fejlesztés egyes lépéseiben részt vettek a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Repülőgépek és Hajók, Polimertechnika, Anyagtechnológia Hegesztési Osztály és Gépszerkezettani Intézet tanszékei, valamint a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Repülő Műszaki Intézete.

 

 

 

 

 

 

A gép szilárdsági és földi bevizsgálása már megtörtént, jelenleg a repülési tesztek folynak. Ez a folyamat mindig izgalmas várakozással tölti el a tesztelőcsapat tagjait. A repülőgép szerkezeti állapotát egy speciálisan erre a célra kifejlesztett terhelésrögzítő berendezéssel ellenőrzik. Az eszköz alkalmazásával olyan visszajelzést kapnak, hogy a tervezés során numerikus és végeselemes (Solid Edge ST-Femap) kalkulációval számított terhelési adatok hogyan aránylanak a valós életben tapasztalt értékekhez.

Optimális CAD rendszer megtalálása

A Corvus Aircraft által készített első repülőgép a 2005-ben bemutatott Corvus Corone Mk I típus volt. E modell fejlesztése leginkább hagyományos tervezési és gyártási eszközökkel valósult meg, közel 40 ezer munkaórába, négy évbe telt, míg a repülőgép a levegőbe emelkedhetett. A típus kifejlesztése során szembesültek azzal a ténnyel, hogy a 2D-alapú rendszerek felett eljárt az idő, ezért 2004 év végén átváltottak az első 3D-s CAD alkalmazásra. A fejlesztő akkori igényei között szerepelt a parametrikus modellezés, a könnyű kezelhetőség lehetősége. Rövidesen Európában, majd később világviszonylatban is komoly érdeklődés mutatkozott a gépük iránt. A felgyorsult piaci verseny, a vásárlók igényei és az addig szerzett tapasztalatok tették szükségessé az alap repülőgéptípus áttervezését, és az UL (Ultra Light Aircraft, ultrakönnyű repülőgép, maximális felszállótömeg 472,5 kg), LSA (Light Sport Aircraft, könnyű sportrepülőgép, maximális felszállótömeg 600 kg) és VLA (Very Light Aircraft, könnyű repülőgép, maximális felszállótömeg 750 kg) repülőgéposztályokban történő megfeleltetését. A 2006 elején elindított sorozatgyártás és az ezzel párhuzamosan történő további típusfejlesztés CAE tevékenységre épül, amelynek része a CAD/FEA/CAM szimultán tervezés. Az eltelt évek alatt több tervezőrendszert is bevezetettek az egyes fejlesztési projektek keretén belül, speciális repülőipari szoftverek alkalmazásával együtt.

 

 

Az optimális CAD rendszer megkeresésében a vállalakozás saját felhasználói tapasztalataira épített. A Corvus Racer 540 fejlesztési munkálatainak megkezdéséig bizonyossá vált, hogy a vezető CAD rendszerek tervezési eszközeiben és lehetőségeiben közel azonos lehetőségek rejlenek. A hangsúly nem a szoftver funkcionalitási eszközgazdagságán és az abba integrált minél több extraalkalmazás sokaságán múlik, hanem a rendszer üzembiztos működésén. Az fogalmazódott meg a fejlesztőkben, hogy egy CAD rendszer attól jó, hogy a nagyobb összeállításokat kiválóan tudja kezelni, alkalmas hibrid tervezésre (azaz a tervezés olyan szakaszára, amikor már egy szerelési, összeállítási környezetben hoznak létre új alkatrészt, nem pedig önálló elemként modellezik), használata során nem áll fenn gyakori lefagyás, felépítési struktúrája átlátható, kezelése pedig könnyen megtanulható.

 

Az általánosan alkalmazott szoftverek közül a Solid Edge V20 teljes mértékben eleget tett a tervezői igényeknek. Ennél a rendszernél tapasztalták az üzembiztos működést, a gyors algoritmusokat és a rugalmasságot. A tanulás folyamatát nagymértékben elősegítette, hogy a kezelő- és a súgófelület is – a „magyarított” CAD rendszerek között kiemelkedő minőségben – magyar nyelven állt rendelkezésre. A megújult Solid Edge verzió, az ST pedig olyan lehetőséget nyújt, amely lehetővé tette, hogy egy teljesen új repülőgéptípust közel hét hónap alatt kifejlesszenek és legyártsanak. A 20-as verziónál felsorolt előnyökön túl a rendszer legnagyobb pozitívuma, hogy modelltörténettől független, így az importált alkatrészek terveit is könnyen módosítani lehet. Az ST használatával nincs tervezői korlát az alkatrész módosítása során, nem problematikus a változtatás, és nem szükséges a már meglévő vagy régebbi elemek újratervezése összeállítási szinten sem. A Corvus Aircrafthoz hasonló közepes méretű vállalkozás számára a Solid Edge ST kielégítő, mert gyors, rugalmas, produktív a nagy összeállítások során, folyamatalapú alkalmazásokat támogat, páratlan együttműködési képességeket mutat az importált geometriák kezelése során, és ami a legfontosabb, üzembiztos.

A szinkronmodellezés előnyei

A repülőgép tervezésének kezdetekor a Solid Edge ST és az abban megtalálható szinkronmodellezési technológia nagyon új volt, ezért bizonyos elemek a Solid Edge V20-szal és az ST hagyományos modellezési eszközeivel készültek el. Az új alapokra fektetett modellezési elv alkalmazási előnyeinek átlátásával világossá vált a nem vázlatalapú modellépítés egyik legfőbb előnye, hogy az importált (más CAD rendszerből beolvasott) elemek is igen könnyedén módosíthatók és formálhatók Solid Edge tervezői munkakörnyezetben. Azt tapasztalták, hogy a szinkronmodellezési eszközzel létrehozott alkatrészek tervezési és felépítési ideje akár 50-60 százalékkal csökken egy hagyományos vázlatalapú CAD rendszerrel szemben. E technológia alkalmazásával elegendő a modell felépítése során méretek nélküli vázlatból generált bázis-alaksajátosság, majd erre építve a bővített és további gyártási alaksajátosságok létrehozása. A geometriailag felépített, de alakilag és a funkcionalitás szempontjából félkész alkatrész a méret- és felületkényszerekkel gyorsan készre alakítható, majd ezt követően már vázlat nélküli felületként módosítható. A kiinduló vázlatok olyannyira szükségtelenek, hogy azok a modelltörténetben nem is szerepelnek.

A tervezés során még sok mindent nem lát át a konstruktőr. A szerkezet funkcionalitásának ellenőrzésére akkor kerülhet sor, amikor egy szerelési környezetben a részösszeállítást globálisan vizsgálhatjuk. A tervezői tapasztalatok szerint legtöbbször a legegyszerűbb alkatrészek módosítása okozza a legtöbb fejtörést, mert azok vannak a legnagyobb kihatással minden elemre. Az oldalsó ábrán látható darab a repülőgépszárny kilépő éle mentén elhelyezett csűrőlap egyik – teljesen készre mart – bekötési csomópontja. A csűrőlap funkciója, hogy a repülőgépet a hossztengelye mentén forgásba vigye, ezzel valósíthatók meg a fordulók, és a műrepülés alkalmával az összetett figurák során is alapvető szerepet tölt be. A bekötési csomópont tervezésekor annak végleges pozíciója, alakja, a felfogatófuratok elhelyezése, a csatlakozófurat mérete és helyzete még nem volt ismert. Csak a szárnyszerkezet és a csűrőlap szerkezeti felépítését követően – amelynek alapja az áramlástani vizsgálatokból megismert erők szilárdsági méretezésben való alkalmazása és a számításokból adódó feszültségek megismerése volt – tudták a végleges modellt elkészíteni. Érdekességként megemlítjük, hogy mikor a repülőgép v=335 km/h sebességgel repül, és 12g túlterheléssel hajt végre egy manővert, a csűrőlapon mintegy 6300 N (640 kg) légerő lép fel. Szilárdsági vizsgálatok során változhat a darab vastagsága, a furat- és az általános befoglalóméretek. A kinetikai mozgásszimulációk során vált láthatóvá, hogy a csűrőlap kitérítési szöge megfelelő, és a mozgás során nincsen interferenciában más elemekkel. Miután minden megfelelő volt, el tudták készíteni az előtervezett bekötést, és a szinkronmodellezési technológia rugalmas eszközeivel gyorsan és hatékonyan lehetett változtatni az alak- és gyártási sajátosságokat.

 

 

 

 

A törzsrács tervezése – szimultán fejlesztés

A törzsrács funkciója többszörösen összetett, és szilárdsági szempontból a legkritikusabb elem. A csatlakozó csomópontokban ébrednek a koncentrált nyíróerők, példaként a szárny bekötési pontjában – kritikus terhelés esetén – F=61 000 N nyíróerő lép fel oldalanként. A rácshoz kapcsolódik minden elem: a szárny, a vezérsíkok, a futóművek, a motor, és ebben kerül elhelyezésre az üzemanyagrendszer, a műszerek, a mozgatórudazatok és a pilóta. A repülőgép fő szerkezeti elemének Solid Edge ST rendszerben készített CAD modellje az <5> ábrán látható. A modellezés a tartószerkezet alkalmazás segítségével történt.

 

 

 

 

 

 

 

 

A vázszerkezet alapja a 3D-s drótmodell. Ennek rajzolását követően – a létrehozott csőszelvények megadása után, illetve figyelve a csatlakozási csomópontok gyártási követelményeire – alakult ki a hegesztett váz. Az egyes csövek illesztése során tapasztalták a rendszer intelligens képességét, ami abban nyilvánul meg, hogy folyamatosan figyel a már meglévő és újonnan beépítésre kerülő elemek aktuális helyzetére. A rács gyártástechnológiája során először az alsó és felső keretet hegesztették össze, ezt követően a függőleges elemek bekötése következett, majd a kereszt és végül a diagonál merevítőelemek varratait alakították ki. A tartószerkezet tervezése is ebben a sorrendben történt, az egyes elemeket ennek megfelelően lépésről lépésre illesztették rá a 3D-s drótvázmodellre. A modellezés befejeztével a gyártáshoz vágási lista és darabjegyzék állt rendelkezésre, és valamennyi elemről az önálló alkatrészmodell. Az alkalmazott csövek anyagminőségét (25CrMo4) megadva már a fejlesztés legelején tudni lehetett a rács tömegét. A <7> ábrán látható az összetett alakú cső végkialakítása, amely a tervezett rácsból generált önálló alkatrész. Minden elemről készült ilyen modell, amely alapul szolgált, hogy a csőmaráshoz szükséges NC vezérlőprogramok elkészítése megtörténhessen CAM szoftveres munkakörnyezetben. Sok esetben annyira bonyolult csatlakozások adódtak, hogy azokat CAE alkalmazások nélkül csak hosszas munkafolyamatok során lehetett volna kialakítani.   

A rács tervezése úgynevezett párhuzamos vagy szaknyelven szimultán eljárással történt, a tervezéssel együtt a szilárdsági méretezés és ellenőrzés is folyamatban volt. A Solid Edge ST rugalmasságát kihasználva és a numerikus szilárdsági kalkulációkat alapul véve több rácselrendezést is készítettek. Ezeket külön-külön, egymástól független végeselem-analízises (FEA) alkalmazásokban vizsgálták. Az alkalmazott főrendszer a Femap volt.

 

 

Felületmodellezés és szerszámtervezés

A szimultán tervezés legnagyobb előnye, hogy egy létrehozott modell több mindenre is alkalmas, azon egyszerre több vizsgálat is elvégezhető. Felületmodellezéssel hozták létre az áramvonalazott elemeket. Ezt követően azokat áramlástani vizsgálatoknak vetették alá az optimális forma kialakításához. Az aerodinamikai elemzések a szilárdsági számításokhoz felhasználható nyomás- és erőeloszlásokat adtak.

A Solid Edge ST rendszerben egyszerűen készíthetők a már meg lévő felületekből szerszámok. Az osztógörbe és osztófelület, illetve a szétvágás parancsok alkalmazása rendkívül meggyorsítja a szerszámtervezés folyamatát, végül pedig a felületből egyszerűen rendelkezésre állt a vastagsággal rendelkező formatest. A rendszernek ezt a képességét használták ki a kompozitelemek formasablonjainak tervezésénél. A munkafázis e részében felvetődött, hogy negatív formaüreget készítsenek-e, amely a marási munkálatokat követően azonnal kész szerszámot eredményez, vagy pozitív ősmagokból alakítsák majd ki a szerszámokat. Néhány negatív próbasablon megmunkálását követően bebizonyosodott, hogy a tervezett CAD/CAM modell és a mart üreg közel 0,5-1 mm-es pontossággal követik egymást. Ebből adódóan minden szerkezeti elem negatív gyártósablonja készült el, kivéve a motorburkolatot, mert a tervezés korai szakaszában még nem volt információ a motor pontos típusáról. Két lehetséges hajtómű jöhetett számításba, amelyek mérete a boxer elrendezésből adódóan különböző, ettől pedig a motorburkolat mérete függött, amelyet így nem tudtak virtuálisan megtervezni. Ez később kézzel került kialakításra a pozitív magra építéssel, habból.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Szilárdsági bevizsgálás előkészítése

A fejlesztés során a legnagyobb kihívást a repülőgép egyes szerkezeti elemeinek szilárdsági bevizsgálása jelentette. Mivel nagy terhelhetőségű dinamikus műrepülőgép sárkányszerkezetét kellett megalkotni, már a normál megengedett (úgynevezett limit-) terhelések értékei is igen magasra adódtak. Az engedélyezett üzemeltetési terhelési többes +12g és -12g, a szilárdsági méretezési tartomány pedig az előírások értelmében átlagosan 1,5, bizonyos szerkezeti elemekre azonban 1,875 biztonsági tényezőkkel került kiszámításra.  Ebből adódóan a sárkány szerkezeti elemeknek 18g vagy 22,5g túlterhelési érték mellett is biztosítania kell a kívánt szilárdságot. Az aerodinamikai és repülésmechanikai számításokból ébredő légerőkkel végezték el a szilárdsági méretezést, és földi körülmények közötti szimulált működtetéssel kellett bevizsgálni a szerkezetet. A kalkulált értékeket több soron egymástól függetlenül ellenőrizték.

A szilárdsági bevizsgálás gondos megtervezéséhez szintén a Solid Edge ST tervezőrendszert használták. Egy már meglévő, egyedi statikus és fárasztókísérletekhez épített pneumatikus terhelőpad átalakítását kellett elvégezni. Az alapvető problémát az jelentette, hogy a működtetőhengerek terhelőerő-kifejtése nem volt elegendő ahhoz, hogy közvetlenül a profil 25-30 százaléka környékén a valós körülmények között fellépő légerőeloszlást szimulálhassák. A szerkezet átalakítása mellett döntöttek, és egy karáttétes rendszeren keresztül csatlakoztatták a terhelőelemeket. Az Solid Edge ST e tervezési szakaszban is bizonyította képességét, a nagy összeállítások alatt sem akadt, túlzottan nem növekedett a fájl mérete, és a számítások algoritmusai is megfelelő gyorsasággal lezajlottak. A terhelőpadot igyekeztek a legapróbb részletességig kidolgozni, így azokra rákerültek a hegesztési varratok, a bekötési csomópontok és a kötőelemek nagy része is.

A rendszer igazi próbatételére akkor került sor, amikor a terhelőpad-összeállításba a repülőgép modelljét kellett pozicionálni, és a hengerek mozgásanalízisét lefuttatni. Ekkor került kihasználásra a Solid Edge ST egyedülálló képessége: az elemek aktív-inaktív alkalmazása. Az inaktív állapotban levő alkatrészek csak megjelenítéshez szükséges információkat tartalmaztak a memóriában, még az aktív részek (jelen esetben hengerek és mozgatókarok) a fizikai tulajdonságokat is hordozták, így azokon a szimulációk elvégezhetők voltak.

 

 

 

 

A fenti ábrán látható összeállításba közel 3000 alkatrészt építettek be (ebből csak maga a motor közel 1000 darab), az egész összeállításfájl mérete 321 MB volt, de nem tapasztalták a rendszer bármiféle rendellenes működését. A nagyítás és forgatás parancsok alkalmazásakor is úgy viselkedett a Solid Edge ST, mintha egy önálló alkatrész tervezésén dolgoztak volna.

 

 

 

 

 

---

 

Farkas Csaba
(okl. gépészmérnök, Corvus Aircraft Kft. tervező- és szerkezeti mérnök, ZMNE RLI repülőműszaki tudományok PhD-hallgató)