Экспериментальная авиация постоянно движется вперед, а эффективные инструменты структурного анализа становятся важнейшим фактором при разработке и испытаниях новых летательных аппаратов. Структурный анализ — ключ к пониманию, как конструкция самолета выдерживает различные нагрузки, возникающие в воздушном пространстве, и как добиться необходимой надежности для проведения летных испытаний и получения сертификации. В частности, анализ современных электрических самолетов, таких как Alia CX300, требует продвинутых подходов к моделированию, обработке данных и оптимизации расчетных процессов. Alia CX300 — это электрический самолет с неподвижным крылом и традиционным взлетом и посадкой. Он способен преодолевать до 336 морских миль на скорости 153 узла при этом заряжается менее чем за час.
Получение сертификата на такой инновационный летательный аппарат требует подтверждения его конструкционной прочности под воздействием предельных и максимальных нагрузок. Это важнейший этап в демонстрации летной годности — гарантировать, что конструкция выдержит адекватные усилия без повреждений или потери целостности. В основе структурного анализа лежит построение конечных элементных моделей (КЭМ), которые описывают разбиение сооружения самолета на миллионы маленьких элементов, узлов и материалов. Такой масштабный подход учитывает взаимодействия различных частей воздушного судна, например процесс распределения нагрузок по крылу с учетом влияния фюзеляжа. Но подобное масштабирование всегда сопряжено с высокой вычислительной сложностью, что непосредственно влияет на скорость и качество анализа.
Один из традиционных вызовов — необходимость балансировать полноту модели с временем расчёта. Включение всей модели самолета со всеми деталями, например, носовой части с огромным числом элементов, замедляет процесс анализа, превращая его в трудоемкий и длительный процесс. Вследствие этого инженеры практикуют методы упрощения — такие как создание 'суперэлементов', которые конденсируют сложные участки модели в более компактные представления, сохраняя при этом их структурные характеристики на границе интерфейса. Создание суперэлементов — процесс, при котором рассчитываются жесткостные матрицы и нагрузочные векторы на граничных узлах между двумя частями конструкции, например между крылом и фюзеляжем. Таким образом можно разделить анализ так, чтобы в последующем сосредоточиться только на крыле, используя компактное, но информативное представление остальной части самолета.
Однако, несмотря на относительную простоту теоретической концепции, реализация суперэлементов на практике сталкивается с многочисленными препятствиями, в особенности на уровне обработки файлов и управления данными конечных элементных моделей. КЭМ представляются в специализированных текстовых файлах, называемых run-deck файлами, с использованием стандартов, определенных программным обеспечением NASTRAN — отраслевым лидером систем структурного анализа. В таких файлах содержится огромное количество карт (cards), на которых описаны характеристики элементов, узлов, материалов, связей и условий нагрузки. Каждая карта имеет строгий формат, что требует точного и внимательного подхода к обработке. Большие модели содержат миллионы этих карт, разбросанных по нескольким файлам, что затрудняет создание удобных и надежных инструментов для автоматизации обработки.
Процесс выделения крыльев из общей модели самолета требует нескольких ключевых операций: идентификации карт, относящихся к крылу (остаточной структуре), и карт, описывающих остальную часть самолета (редуцированную структуру), обнаружения граничных узлов, общих для обеих частей, и создания двух моделей — одной с крылом, а другой с суперэлементом, представляющим остальную часть. Такое разделение требует не только точностей в классификации карт, но и тщательного сохранения структуры файлов, комментариев и форматирования, чтобы инженеры могли легко понимать и проверять полученные данные. В свою очередь, подобная предварительная обработка является очень трудоемкой и занимает до нескольких дней. Масштабность данных и их сложность повышают вероятность ошибок. Таким образом, актуальна задача автоматизации этого этапа с помощью программных средств, которые способны сохранить всю инженерную информацию и форматирование исходных run-deck файлов.
В процессе работы были изучены существующие решения, в частности библиотека pyNastran, написанная на Python. Она позволяет читать и интерпретировать множество типов карт, помогая лучше понять структуру конечных элементных моделей. Однако при записи измененных данных обратно в файлы pyNastran уничтожает оригинальное форматирование, комментарии и разбиение на отдельные файлы, что неприемлемо для инженерной работы, где важна целостность оригинала для дальнейших проверок. На базе этого опыта была создана собственная библиотека fem-deck-tool, ориентированная на сохранение всего контекста: оригинальных файлов, комментариев и позиции карт. Эта библиотека позволяет не просто читать и модифицировать данные, но и воспроизводить их в формате, практически идентичном исходному, что делает автоматизацию максимально прозрачной и безопасной.
Вместе с fem-deck-tool был разработан и dmig-tool — инструмент, автоматизирующий создание суперэлементов и управление огромным массивом данных, считая и применяя десятки тысяч операций по редактированию карт: комментирование, удаление, добавление и перемещение. Важной инновацией стало внедрение метода однопроходной обработки, позволяющей находить и применять все изменения за единый проход по массиву данных. Такой подход значительно сократил время вычислений и позволил обрабатывать многогигабайтные run-deck файлы без громоздких затрат ресурсов. Особым вызовом оказалось управление картами, которые могут существовать в нескольких экземплярах, разбросанных по разным файлам run-deck. Для них применялась централизованная система отслеживания, обеспечивающая согласованность всех изменений и предотвращающая потерю данных в ходе модификаций.
Для реализации возможности получения нескольких версий модели из одного состояния — например, отдельный wing-only и superelement модели — был разработан механизм undo, обеспечивающий точное и скорое откатывание изменений. Это позволило эффективно переключаться между состояниями и оперативно вести дальнейшие расчеты без повторного парсинга исходных файлов. Результатом стало сокращение вчерашней многодневной работы до выполнения в секунды. Это повысило качество анализа, минимизировало риск человеческих ошибок, обеспечило полное сохранение миссионно важных данных и добавило гибкости в разработку новых инструментов структурного анализа. Данная платформа уже дала заметный эффект: помимо dmig-tool, fem-deck-tool позволил ускорить расчет стабильности конструкции и внедрить новые методы симметричного анализа, значительно облегчая жизнь инженеров и аналитиков.
