فهم الهندسة الفضائية الجوية

وتشكل شركة Siemens NX حلاً شاملاً لهندسة المنتجات يدمج قدرات كل من مركز التنمية الزراعية، ولجنة إدارة المواد الكيميائية، ولجنة العلوم والتكنولوجيا في منصة واحدة، وبالنسبة لهندسة الفضاء الجوي، تقدم شركة NX وحدات متخصصة تعالج متطلبات الطلب في تصميم عنصر الطائرات والمركبات الفضائية، وهذه الوحدات ليست أدوات عامة بل بيئات مبنية الغرض تدمج تدفقات العمل الخاصة بالصناعة، والأطر التنظيمية، والقيود المفروضة على التصنيع مباشرة في عملية التصميم.

تتطلب صناعة الفضاء الجوي مكونات تستوفي معايير الأداء القصوى مع التقليل إلى أدنى حد من الوزن، وتحقيق أقصى قدر من السلامة الهيكلية، والتقيد بمعايير التصديق الصارمة، وتوفر نماذج الفضاء الجوي التي تستخدم شركة NX بيئات مخصصة للعمل مع الهندسة المعقدة، والمواد المتقدمة، والتحليل المتعدد التخصصات، ويمكن للمهندسين الانتقال من التصميم المفاهيمي من خلال الهندسة المفصلة إلى الإعداد الصناعي دون ترك بيئة الاكس، والحد من أخطاء ترجمة البيانات، وتسريع دورات التنمية.

الطرائق المتخصصة الرئيسية للتصميم الفضائي الجوي

وحدة التعظيم الأمثل للأعاصير

ويمكِّن نموذج التدرج الأمثل في مادة NX المهندسين من توليد تصميمات هيكلية خفيفة الوزن تحافظ على خصائص القوة والحساسية المطلوبة، ويطبق النموذج خوارزميات الترميز على أساس الرياضي إلى حيز تصميمي محدد، ويزيل المواد التي لا تحتاج إليها من الناحية الهيكلية، وهذه القدرة حاسمة بالنسبة لتطبيقات الفضاء الجوي حيث تترجم كل غرام من جرام خفض الوزن مباشرة إلى وفورات الوقود، أو زيادة القدرة على تحميلها، أو النطاق الممتد.

فعلى سبيل المثال، عند تصميم هيكل بين معقوفتين أو مركب، يمكن للمهندس أن يحدد شروط الحمولة، والمواقع المقيدة، والقيود المفروضة على التصنيع، ويمرع مذيبات الطبقات من خلال آلاف التغييرات في التصميم لإنتاج قياسات عضوية، تكون في كثير من الأحيان شبيهة بالهيكل المركب لا تستخدم إلا في الحالات التي تنقل فيها الحمولات، ويمكن تصدير التصميم الناتج مباشرة لأغراض التصنيع المضاف أو استخدامه كمرجع لأساليب التصنيع التقليدية.

النموذج السطحي المتقدم

وتحتاج أسطح الأيرودينامية إلى مستوى دقيق من الدقة لا يمكن أن تُوصله أدوات نموذج سطحية عامة، ونموذج نكس السطحي المتقدم يوفر أدوات متخصصة لخلق أسطح من الدرجة ألف، وأسطح المزلاجات، والشكلات الحرة المعقدة التي تُستخدم في المناطق الخارجية للطائرات، وأسطح الأجنحة، والنيكس، والمعارض.

وتشمل الوحدة أدوات لتحليل سطح الأرض، تتيح للمهندسين تقييم الملامح المكشوفة، وخطوط التأمل، وخرائط الانحراف في الوقت الحقيقي، وعندما يصمم جناح الطائرات، مثلا، يمكن للمهندس أن يحدد سطحا شبه قياسي يطابق أهداف معامل التكتل الهوائي، ثم يصقل السطح محليا لاستيعاب الغطاسات الهيكلية، والأضلاع، أو نقاط الارتباط دون كسر الشكل الهرميومائي العام.

تصميم المواد المركبة

وتشكل المواد المركبة جزءا كبيرا من هياكل الطائرات الحديثة، وتقدم شركة NX وحدة تصميم مركب مكرس يدعم تدفق العمل بأكمله من تعريف البلاي ومحاكاة التصميم إلى إعداد النمط المسطح ووثائق التصنيع، ويمكن للمهندسين أن يحددوا المنافذ المركبة ذات الأصع المتعددة، وكل منها له زوايا محددة، وخواص مادية، وقيم سميكة.

وتُعزى هذه الوحدة تلقائيا إلى عمليات التسرب والتحولات الأساسية ومواقع الترميز، وهي تولد أنماطا مسطحة تستأثر بتشوه المواد أثناء الاستهلاك، وتخفض النفايات، وتتأكد من أن الجزء المعالج يطابق قياسات الهندسة المقصودة، وبالنسبة للهياكل الكبيرة مثل براميل التبريد أو الجروح، يمكن للوحدة المركبة أن تدير مئات من القطع الفردية ذات المتطلبات المتجهة المعقدة، كما يولد كتباً أخرى، وعمليات لازر.

المحاكاة والتحليل المتكاملان

وتدمج شركة نكس التحليلات المحددة للعناصر مباشرة في بيئة التصميم، مما يتيح للمهندسين إجراء تحليلات هيكلية وحرارية ودينامية دون تصدير الهندسة إلى أدوات منفصلة، وتشمل نماذج الفضاء الجوي قدرات التجهيز الأولي التي تُخصص خصيصا للهياكل ذات الجدران العالية، وأفرقة متفاوتة، وغير ذلك من التشكيلات المشتركة للفضاء الجوي.

ويمكن للمهندسين أن يحددوا حمولات تمثل ظروف الطيران، أو آثار الهبوط، أو دورات الضغط مباشرة على الهندسة المأخوذة من مركز الدراسات الاستقصائية، ويتعامل المذيب مع السلوكيات الخفية وغير الخطية، وظروف الاتصال، والتشوهات الكبيرة، وتُصور النتائج في إطار برنامج NX، وتظهر مواسير الإجهاد، وخرائط التشريد، وعوامل السلامة، ولأغراض التصديق، يمكن أن تُنتج وحدة المحاكاة تقارير مفصلة عن النتائج التي توثق ظروف الحمل، والممتلكات المادية، والتحليل.

التصنيع

أما التصميم من أجل الفضاء الجوي فهو غير كامل دون النظر في كيفية تصنيع هذا العنصر، حيث يدمج نظام NX قدرات حركة الطيران المدني التي تدعم عمليات التصنيع ذات المقياس الخامس، والتحوّل، والتصنيع الإضافي، وتشمل نماذج الفضاء الجوي مسارات متخصصة في استخدام الأدوات اللازمة لأجهزة قياس الأرض المعقدة مثل البطاطس، والزبابات، والأضلاع الهيكلية التي تتسم بتسامح شديد.

وفيما يتعلق بالصناعة المضافة، توفر شركة نكس أدوات للتحضيرات توجه الأجزاء وتولد هياكل الدعم، وتحفز عملية البناء على تحديد التشويه الحراري أو التدخل في شفرة الترميز، ويمكن للمهندسين أن يحسنوا مسارات الأدوات إلى أدنى حد ممكن للتقليل من وقت الذقن إلى أدنى حد مع الحفاظ على متطلبات الانتهاء السطحي، ويضمن النهج المتكامل أن تعكس برامج التصنيع تغيرات تلقائيا، مما يقلل من خطر إنتاج أجزاء لا تضاهي التصميم الحالي.

تبسيط تدفق العمل في مجال التصميم

الميزة الحقيقية لوحدات (إنكس) المتخصصة هي دمجهم، مهندس يمكنه أن يبدأ تصميماً باستخدام التدرج الأمثل، ويصقل الهندسة مع النماذج السطحية المتقدمة، ويعرف الخيوط المركبة، ويدير التحليل الهيكلي، ويُعد بيانات التصنيع في نفس بيئة البرامجيات، وهذا يلغي الحاجة إلى تحويل الملفات، ويخفض من رأس إدارة البيانات، ويضمن أن يعمل كل تخصص من نفس النموذج الموثوق.

وتتيح أدوات التشغيل الآلي لتدفق العمل للمهندسين إمكانية التقاط مهام التصميم المتكررة كنموذج قابل لإعادة الاستخدام، مثلا، يمكن أن تكون عملية التصميم الموحدة بين قوسين آلية لقبول بارامترات جديدة للمدخلات مثل حجم الحمولة، ومواقع الحجز، واختيار المواد، ثم تولد تلقائيا قياسا جغرافيا متقنا، وتحليلا للجري، وتنشئ برنامجا للتصنيع، وهذه القدرة قيمة خاصة بالنسبة للشركات الفضائية الجوية التي تنتج أسرا ذات مكونات مماثلة لبرامج الطائرات المختلفة.

كما يدعم برنامج " نكس " تدفقات العمل الهندسية المتزامنة حيث يعمل مهندسون هيكليون وحراريون ومصنعون على نفس النموذج في آن واحد، ويتتبع النظام التغيرات ويخطر أعضاء الفريق عندما يؤثر تعديل على مجال مسؤوليتهم، مما يقلل الوقت الذي ينفق على استعراضات التصميم وإدارة التغيير، ويعجل بالجدول الإنمائي العام.

دعم الامتثال والتصديق

يجب أن تمتثل مكونات الفضاء الجوي للمعايير التنظيمية الصارمة مثل تلك التي حددتها إدارة الطيران الاتحادية، ووكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي، أو المواصفات العسكرية، ووحدات الفضاء الجوي التابعة لوكالة نكس تتضمن سمات تدعم عمليات التحقق والاعتماد.

ويمكن للمهندسين أن يتتبعوا قرارات التصميم إلى ما هو مطلوب، وأن يرفقوا شهادات مادية إلى عناصر محددة، وأن يولدوا تقارير تثبت الامتثال للمعايير المنطبقة، ويدعم النظام إدارة التشكيلات، ويكفل حماية التصميمات المعتمدة من التغييرات غير المأذون بها، وعندما يتم تعديل التصميم، يحدد النظام تلقائيا التحليلات المتأثرة، وبرامج التصنيع، والوثائق، مما يتيح إعادة التدقيق بكفاءة.

وتتيح قدرات التحليل المادي داخل الـ (ن.إكس) للمهندسين محاكاة السلوك المادي تحت ظروف الإرهاق والزحف والتعرّض البيئي، وهذه البيانات أساسية لإثبات أن العنصر سيفي بمتطلبات حياته في الخدمة، ويمكن للنظام أيضا أن يُمثل آثار عمليات التصنيع مثل المعالجة الحرارية، أو اللحام، أو المعالجة المركبة على الممتلكات المادية، بما يكفل أن يكون للجزء المصنّع نفس خصائص الأداء التي يُصمم لها الجزء المصمم.

التطبيقات العملية عبر نظم الطائرات

عناصر الحاسوب الجوي والهيكل الأساسي

وقد استخدمت مادة الاكس على نطاق واسع لتصميم هياكل للإطار الجوي الأولي والثانوي بما في ذلك أطر التعبئة، والأضلاع، والسلاسل، والرؤوس السائبة، وتمكن وحدة التدرج من تقليل وزن هذه المكونات مع الحفاظ على السلامة الهيكلية، وتساعد النماذج السطحية المتقدمة على إحداث تحولات سلسة بين العناصر الهيكلية والجلد الهوائي.

وفيما يتعلق بتصميمات التعبئة، تستخدم الوحدة المركبة لتحديد مواضع الجلد، وحصر مقطع النوافذ، وأطر الأبواب، ونقاط الضبط، وتتحقق وحدة المحاكاة من أن الهيكل يمكن أن يتحمل دورات الضغط، والحمولات الهوائية، وظروف الهبوط الطارئة، ويمكن للمهندسين أيضا تصميم لوحات متفاوتة ذات ملامح مائلة تماما أو موزعة على شكل أزمان متين.

نظم الإشهار

وتستلزم عناصر تصميم نظم الدفع مثل شفرات المعجبين، والأقراص المضغطة، والشاحنات التربينية، والغطاءات إدارة درجات الحرارة القصوى، والسرعة التناوبية العالية، وأجهزة التبريد المعقدة، وتوفر شركة نكس أدوات متخصصة لوضع صور مصفوفة تستند إلى مسارات التدفق الهوائي، وتعريف أنماط حفرة التبريد التي لها متطلبات محددة للمواقع والزاوية، وتحفيز ظروف التشغيل الحرارية.

وتتيح بيئة المحاكاة المتكاملة للمهندسين إمكانية التفاعل بين هيكل السيول والتنبؤ بمدى تأثير الانكماشات الصارخة على الأداء الهوائي، وتدعم عملية التصنيع خمسة أضعاف من أشكال الطاقة الهوائية المعقدة، وأجهزة التدفئة الفوقية اللاسلكية من أجل حفر الحفر المبردة، ومن أجل التصنيع المضاف، يمكن أن تحقق نكس الوجهة المثلى لمكونات التربين من أجل تقليل متطلبات هيكل الدعم إلى أدنى حد وضمان أن تكون قنوات التبريد الداخلي.

لاند غلاف الطائرات والنظم الميكانيكية

وتتطلب نظم معدات الهبوط إدارة حمولات عالية الأثر، وأجهزة خام معقدة، وقيود التعبئة الصارمة، وتمكن المهندسين من وضع نموذج لجمعية معدات الهبوط بأكملها، بما في ذلك هدايا الصدمات، والصلات العائمة، والمصابيح، والعجلات، وجمعيات المكابح، كما تسمح أدوات محاكاة الحركة للمهندسين بالتحقق من أن المعدات تتراجع وتمتد بشكل صحيح، وتخليص الهيكل المحيط، وتغلق في كل من خلالها.

ويتحقق التحليل الهيكلي من أن المكونات يمكن أن تتحمل أعباء التأثير على الأرض، والشحنات الضريبية، وقوات التفاخر، ويمكن أن تؤدي وحدة التدرج إلى الحد الأمثل من وزن المكونات الهيكلية مثل حمالات السحب والهدمات الجانبية دون المساس بالقوة، أما بالنسبة للنظم الميكانيكية مثل محركات مراقبة الطيران، والنظم الهيدروليكية، ومعدات مناولة البضائع، فإن الاكس يوفر أدوات لنموذج بيئة السحب الكهربائية.

دراسة حالة: إعادة تصميم جمعية رقابية متنقلة

وقد كلف مورد في الفضاء الجوي من المستوى المتوسط بإعادة تصميم مجموعة من أضلاع الجناح من أجل برنامج إقليمي للطائرات، وقد صمم الشريط الأصلي باستخدام الأساليب التقليدية وزن 4.7 كيلوغرامات، وطلب العميل تخفيض الوزن مع الحفاظ على نفس القدرة على تحمل الحمل واستخدام نفس المواصفات المادية.

وبدأ الفريق الهندسي باستيراد الهندسة الموجودة إلى نكس وتطبيق نموذج الترميز على الطبقات العليا، وحدد مساحة التصميم على أنها الحجم داخل مظروف الأضلاع، والحمولات التطبيقية التي تمثل ضغطا جويا، وضغطا على الوقود، وردود فعل لمراكز الضبط، وحدد قيودا في مجال التصنيع تشمل الحد الأدنى من سميك الجدار، ومشاريع الزوايا اللازمة للقذف، وقد ركض الاستخدام الأمثل ليلا، وأنتج تصميما من خلاله مضيفة على طول المناطق المنخفضة.

ثم تحولت الهندسة العضوية الناتجة إلى نموذج متماثل متين باستخدام أدوات النموذج السطحي المتقدمة للـ (إنكس) وأضاف الفريق تفاصيل عن الارتفاع وثقوب الإضاءة وطرق معالجة الحواف لخلق تصميم قابل للصنع، وكان الوزن النهائي هو 3.2 كيلوغرامات، ونقصان بنسبة 32 في المائة عن التصميم الأصلي، وأكد التحليل الهيكلي أن مستويات الإجهاد لا تزال في حدود مسموح بها، وينحرف تحت الحمولة النهائية.

ثم استخدم الفريق الوحدة المركبة لتقييم ما إذا كان يمكن للنسخة المركبة من الشريط أن تحقق وفورات في الوزن، وقد رجح التصميم المركبة 2.1 كيلوغراما، ولكنه يتطلب مزيدا من أعمال التصديق وارتفاع تكاليف التصنيع، واختار العميل المضي في النسخة المعدنية للبرنامج الحالي مع الاحتفاظ بالتصميم المركب لطائرة مشتقة في المستقبل.

وقد استغرقت عملية التصميم بأكملها، من مرحلة أولى من التضاريس إلى مرحلة التصنيع النهائي، ستة أسابيع مقارنة بـ 12 أسبوعاً مطلوباً للتصميم الأصلي، وأزالت البيئة المتكاملة للشركة التأخيرات في ترجمة البيانات، وسمحت للمهندس الهيكلي بالتحقق مباشرة من التصميم ضد الهندسة المحتوية على نموذج للمؤسسة دون إعداد نموذج يدوي.

التكامل مع الإدارة القائمة على النتائج وإدارة البيانات

(إنكس) يعمل في مركز (الفريق) منصة إدارة دورة حياة منتج (سيمينز) يوفر شركات الفضاء الجوي ذات بيئة موحدة لإدارة البيانات، جميع ملفات التصميم، نتائج التحليل، برامج التصنيع، وثائق التصديق مخزنة في مستودع آمن خاضع لمراقبة النسخ، ويمكن للمهندسين الحصول على آخر نسخ معتمدة من المكونات، تعقب التغييرات في التصميم، وفهم تأثير التعديلات على برنامج الطائرات بأكمله.

وبالنسبة للبرامج الكبيرة في مجال الفضاء الجوي التي تشمل موردين متعددين وشركاء متعددين، يوفر مركز الأفرقة قدرات مأمونة لتبادل البيانات، ويعمل كل مورد في بيئة غير مكسورة خاصة به، ولكن بإمكانه الحصول على بيانات مشتركة من خلال وصلات بينية خاضعة للرقابة، مما يكفل أن تعمل جميع الأطراف من نفس خط الأساس للتصميم وأن يتم تنسيق التغييرات عبر سلسلة الإمدادات.

لمزيد من المعلومات عن إدماج الإدارة المحلية في الفضاء الجوي، يمكنك مراجعة صفحة سيمنز في مجال الفضاء الجوي وصناعة الدفاع التي تفصل كيفية دعم الإدارة القائمة على النتائج للامتثال وإدارة التشكيل والتعاون المتعدد المواقع.

ويدعم النظام أيضا الامتثال التنظيمي عن طريق الحفاظ على مسارات مراجعة الحسابات لجميع قرارات التصميم، وعندما يتطلب عنصر ما إصدار الشهادات، يمكن للمهندس أن يولد مجموعة من تدابير الامتثال تشمل تاريخ التصميم، ونتائج التحليل، والتصديقات المادية، وسجلات التصنيع، وتخفض هذه الوثائق الآلية الوقت والجهد اللازمين لإصدار الشهادات مع تحسين الدقة.

For further reading on how topology optimization is applied in aerospace structural design, the Engineering.com guide to topology optimization in aerospace offers case studies and practical implementation advice.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمهندسين المهتمين بتدفقات عمل التصميم المركبة لهياكل الطائرات أن يتشاوروا مع المادة العالمية [الدولية] بشأن التصميم المركبة NX التي تغطي تعريفاً دقيقاً ومحاكاة وتكاملاً في التصنيع.

اعتبارات التدريب والتبني

يتطلب اعتماد وحدات الفضاء الجوي المتخصصة في (إنكس) الاستثمار في التدريب وتطوير العمليات، يحتاج المهندسون المطلعون على قدرات الـ (إنكس) العامة إلى تعلم سير العمل المحددة من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للأطباء، والتصميم المركب، والتحليل الخاص بالفضاء الجوي، ويوفر (سيمنز) برامج تدريبية قائمة على الدور تغطي الوحدات الفضائية الجوية، وتشمل عادة التدريبات العملية مع عناصر الفضاء الجوي في العالم الحقيقي.

وينبغي للشركات التي تنظر في اعتماد مشاريع تجريبية يمكن أن تثبت فيها النماذج المتخصصة قيمة ملموسة، مثل تخفيض الوزن أو تحسين الوقت في الدورة، ويسمح بدء العمل بعنصر صغير محدد تحديدا جيدا للفريق ببناء الثقة بالأدوات وتطوير أفضل الممارسات التي يمكن توسيع نطاقها لتشمل برامج أكبر، كما أن العديد من شركات الفضاء الجوي تنشئ أيضا مراكز امتياز داخلية يرشد فيها المستعملون ذوو الخبرة الآخرين ويحافظون على التعليمات الموحدة للعمل.

وينبغي للمنظمات أيضاً أن تقيِّم هياكلها الأساسية القائمة في مجال إدارة البيانات وتكنولوجيا المعلومات لضمان التوافق مع نظام NX ومركز التكوين، وتحتاج النظم إلى وصلة قوية بالشبكة، وتخزين كاف للملفات النموذجية الكبيرة، وحساب الموارد اللازمة لحجم العمل المحاكاة، وخيارات النشر القائمة على الكلاب متاحة للشركات التي تفضل تجنب الاستثمارات في البنية التحتية في إطار العمليات.

خاتمة

وحدات الـ (إنكس) المتخصصة لتصميم مكون الفضاء الجوي توفر للمهندسين بيئة شاملة لخلق الوزن الخفيف، والارتفاع في الأداء، والعناصر الموثوقة، وإدماج التدرج الأمثل للأطباء، والنمذجة السطحية المتقدمة، والتصميم المركب، والتقدير، والتحضير للصناعة في منصة واحدة، يزيلون حروف البيانات ويقللون من أوقات دورة التطوير، سواء كان تصميم هياكل للحواسيب، أو مكونات الدفع، أو نظم الأمان الميكانيكية

وتظهر الأمثلة على دراسة الحالة والتطبيق أن خفض الوزن القابل للقياس، وتحسين الأداء الهيكلي، وسرعة الوقت في السوق يمكن تحقيقه بالأدوات الصحيحة وسير العمل، وبما أن برامج الفضاء الجوي تواصل الدفع من أجل زيادة الكفاءة والاستدامة، فإن القدرات التي توفرها شركة نكس ستظل ضرورية للأفرقة الهندسية التي تحتاج إلى تقديم تصميمات مصدقة وجاهزة للإنتاج على جداول زمنية تزداد عدوانية.