Что является драйвером концепции передового цифрового умного проектирования

Обновлено: 08.07.2024

Раскрытие всей мощи цифровизации и обновление технологии цифрового двойника в мире судостроения было давней мечтой. Эволюция цифровизации в судостроении длится от первых 3D-моделей, созданных более 35 лет назад, до современной реальности с использованием интернет-вещей (loT) и инструментов больших данных, но этот процесс только набирает свои обороты. Основная цель развития этих технологий является единое решение, которое принесёт пользу всем участникам, работающих с судном на всём его жизненном цикле: от эскизного проекта до обслуживания оборудования на судне, его модернизации или утилизации.

Большое количество концепций и предложений на рынке затрудняет понимание того, где находятся границы цифровизации . Идёте ли Вы в ногу со временем внедрив современный САПР или купив очки дополненной реальности и снабдив планшетом каждого человека на строительной площадке?

Чтобы ответить на этот вопрос и подобрать для себя идеальное решение стоит посмотреть на происхождение и различие между цифровой моделью, цифровым прототипом и цифровым двойником.

Цифровая модель

САПР традиционно используется для создания цифровой модели, представления концептуальной идеи, детального проектирования судна в цифровой среде, а также для создания производственной и конструкторской документации. Это идеальный способ для оценки вариантов проектирования, выполнения расчётов затрат и возможностей эксплуатации без необходимости делать это с физическим объектом.

Смоделировав оборудование, строительные элементы и трубопроводные системы, проверив 3D-макет на готовность к монтажу, оценив затраты до начала работ в цехах и на строительных площадках - в этом процессе информация течет от цифровой модели к физическому объекту в одном направлении.

Цифровая модель может быть упрощенным представлением или детализированной моделью 1 к 1, содержащей значительное количество метаданных. Обычно назначение такой модели определяет используемые инструменты и уровень детализации. Для проектирования диаграмм P&I или расчетов и оценки устойчивости достаточно даже 2D-представления, поскольку на данном этапе проекта детали 3D-объектов не важны. В этих случаях назначение цифровой модели определяет уровень точности. Как правило, для САПР-моделей это означает упрощенную 3D-модель эскизного проекта, которая в дальнейшем используется для рабочего проектирования и выпуска производственной документации.

Цифровой прототип

Цифровой прототип (или же цифровая тень) объекта имеет весьма специфическое применение. Данная концепция используется уже с готовыми объектами, например с применением данных лазерного сканирования (прим. CADMATIC Laser Scan modeler) для модернизации или реконструкции объекта.

В этом случае поток информации идёт от физического объекта к его цифровому представлению. Поскольку физические объекты содержат большое количество деталей, часто цифровой прототип нуждается в упрощении. Классическим примером может служить труба с изоляцией. В данном случае человеческое участие будет необходимым для распознавания правильного контура объекта для цифровой 3D-модели. Кроме того, метаданные обычно скрыты. Основываясь только на физической форме объектов, невозможно определить идентификаторы объектов или соответствующие инструкции по установке.

Цифровой двойник

Цифровой двойник разрабатывается на основе цифровой модели или цифрового прототипа. Простой сценарий – когда цифровая модель создаётся на базовой стадии проектирования, далее развивается в рабочем проектировании и используется для предоставления необходимой информации для строительства, что в итоге поддерживает и облегчает производственные процессы физического объекта, такого как судно.

Как только проект будет построен и завершен, цифровая модель может быть отброшена или может быть использована в дальнейшем для управления активами в качестве цифрового двойника. Это позволяет, во-первых, мониторить состояние объекта в режиме реального времени при помощи специальных датчиков-трекинг системы. Во-вторых, на таком двойнике можно моделировать различные производственные ситуации, чтобы проверить, как поведет себя оборудование в тех или иных условиях, и в-третьих, проводить обучение или переподготовку персонала. Диапазон вариантов использования этой технологии значительно варьируется от проектов технического обслуживания и модернизации до конкретных случаев моделирования сценариев чрезвычайных ситуаций или обучения персонала.

По некоторым подсчётам, цифровые двойники позволяют производственным и эксплуатирующим компаниям сэкономить от 5% до 20% капитальных затрат. Остаётся вопрос: что при такой инвестиционной привлекательности останавливает отрасль от цифрового бума?

В промышленных проектах различным группам заинтересованных сторон требуются различные области сосредоточения информации. То, что является существенным и критичным для проектировщиков, не имеет отношения к техническому обслуживанию или другим функциям. Поэтому на сегодняшний день главной задачей является не техническое внедрение цифровых двойников, а создание концепции применения и достижение согласованности работы всех проектных групп пользователей. В таких условиях для поставщиков программного обеспечения возникает задача в совместной разработке концепции работы цифрового двойника и поддержке своего клиента от первого пилотного проекта до получения первых ощутимых результатов. Именно по такой модели сотрудничества CADMATIC улучшает бизнес своих клиентов уже больше тридцати лет.

CADMATIC eShare – ключевой шаг к цифровизации!

С наступлением третьего десятилетия передовые компании отрасли осознают, что концепция и технология цифрового двойника уже является не просто трендом, а требованием рынка для устойчивого развития и роста их компаний. Флагманский продукт CADMATIC eShare меняет подход проектных и судостроительных компаний к использованию инженерных, производственных и эксплуатационных данных. Мощный инструмент eShare гарантирует оперативное принятие безошибочных решений. Выведите свои проекты на новый уровень обеспечив доступ к актуальной информации всех участников проекта по всему миру.

Использование цифровых технологий позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на подготовку производства при создании новой техники, проведение испытаний, дает значительный выигрыш при дальнейшей модернизации самолетов. Цифровое проектирование в России стало применяться сравнительно недавно, а первыми полностью «безбумажными» изделиями стали истребители Су-35, Су-57 и гражданский лайнер SSJ-100. Сегодня конструкторы Объединенной авиастроительной корпорации (ОАК) работают в «цифре» над десятками проектов по созданию новых и модернизации действующих моделей самолетов. О том, какие преимущества дает «цифра» − в нашей статье.

Конец эпохи кульмана

Создание гражданской и военной авиатехники сегодня является одним из самых сложных и высокозатратных технических процессов. Предприятия авиастроительной отрасли становятся пионерами в применение новейших цифровых технологий, которые с одной стороны позволяют сэкономить средства, время и повысить качество продукции, а с другой − меняют лицо самой индустрии.

Еще совсем недавно все участники процесса проектирования самолета были вынуждены погружаться в бумажную работу. Между конструкторами и исполнителями происходил непрерывный обмен документами различного толка. Однако эта статичная информация не позволяла увидеть все нюансы работы тех или иных узлов и агрегатов будущего самолета в различных условиях и во взаимодействии друг с другом. То, что было зафиксировано на бумаге даже в строгом соответствии со всеми нормами, не всегда соответствовало действительности, вернее, действительность оказывалась сложнее и непредсказуемее. Возникали дополнительные риски, и выявленные позже проблемы приходилось решать уже на следующих этапах, что выливалось «в копеечку» и переносы сроков.

Фото: Антон Тушин

Переход от бумажной документации к цифровой помогает изменить эту ситуацию. Такой метод называется модельно-ориентированным и предполагает обмен математическими моделями для всех участников процесса на всех стадиях проектирования самолета.

Математическое описание всех элементов самолета предоставляет большие возможности для проработки различных вариантов решений, дополнительного анализа и в итоге – для принятия более взвешенных и обоснованных решений. Без перевода процесса проектирования в цифровое пространство невозможно представить работу в территориально-распределенной среде, которая сейчас повсеместно практикуется в авиастроительной отрасли.

От цифровизации к цифровой трансформации

Генеральный конструктор ОАК Сергей Коротков в статье для журнала «АвиаСоюз» предлагает различать цифровизацию авиастроения и цифровую трансформацию. Цифровые методы начали применяться в отрасли с конца 1950-х годов, с появлением первых ЭВМ. По сути, цифровизация – это решение уже существовавших ранее задач методами автоматизации. А цифровая трансформация – примета нашего времени, более глобальное изменение, характеризующееся появлением новых задач и новых технологий.

Стенд прототипирования кабины самолета МС-21. Фото: ОАК

Так, перевод проектной документации из бумажного вида в цифровой можно рассматривать в русле цифровизации. А примером цифровой трансформации можно назвать применение в авиастроении «интернета вещей», технологий предиктивной аналитики, виртуальной реальности. Уже сегодня применяются технологии, которые позволяют не искать поломку в самолете – машина сама сообщает о неисправностях во всех деталях. Это направление активно развивается. Следующий этап – широкое внедрение возможности показать в виртуальной реальности проблемный узел и подсказать технику, как устранить отказ.

Однако, как показывает практика, цифровизацию от цифровой трансформации может отделять всего один шаг. Например, созданный на этапе проектирования цифровой прототип самолета в процессе дальнейшей работы превращается в полноценный цифровой двойник машины, а это уже совершенно новая технология и новые возможности. Налицо все признаки цифровой трансформации.

Цифровой доппельгангер

Создание цифровой версии самолета на самых ранних этапах его разработки – это мировой тренд, которому с 1990-х годов следуют крупнейшие авиапроизводители, такие как Airbus и Boeing. Россия этот путь проходит с небольшим запозданием, но такая позиция позволяет нашим авиаконструкторам пользоваться наработками западных коллег и учитывать их опыт.

Цифровой прототип самолета, выполненный с соблюдением всех требований, является не просто набором сведений о машине, переведенным в электронный формат. Он становится важным инструментом взаимодействия и конкурентной борьбы. Прототип сокращает расходы на этапах проектирования и производства. Работа с ним может значительно уменьшить количество тестирований на стендах и летных испытаний, которые обычно «съедают» большую долю ресурсов.

3D-макет самолета поколения 4++ Су-35. Фото: ОАК

Критическим моментом в цифровом проектировании самолетов является его единообразие и целостность. В создании самолета задействованы большие ресурсы, участвуют различные подразделения и подрядчики, часто распределенные по территории страны. Важно, чтобы все участники процесса использовали одно программное обеспечение, иначе могут возникать дорогостоящие казусы. Подобный прецедент имел место при строительстве самолета Airbus A380, когда французские и немецкие инженеры воспользовались разными версиями программы для проектирования. Проблема обернулась миллиардными потерями и двумя годами задержки выпуска авиалайнера.

В концепции «цифрового двойника» виртуальная модель не отбрасывается после создания изделия, а используется в связке со своим физическим двойником на протяжении всего жизненного цикла: на этапах тестирования, доработки, эксплуатации и утилизации. То есть цифровой прототип превращается в цифрового двойника.

3D-чертеж элементов современного самолета. Фото: ОАК

На этапе проектирования цифровая копия позволяет быстро находить и исправлять ошибки в геометрии деталей, а в ходе эксплуатации виртуальная графическая среда помогает оперативно выявлять риски потенциальных неисправностей и аварий, а также сокращать затраты на обслуживание. Что бы ни приключилось с любой из систем самолета, все это заранее отразит цифровой двойник.

Нужно отметить, что использование цифровых двойников в мире только разворачивается, и здесь отечественные авиапроизводители вполне могут опередить зарубежных коллег.

Цифровая среда для новых самолетов

На предприятиях ОАК еще в 1990-е годы применялся метод создания 3D-моделей самолетов. Однако именно в последнее десятилетие цифровые технологии не просто упростили и ускорили работу российских авиастроителей, но и в корне меняют многие процессы в создании авиатехники.

Например, РСК «МиГ» использует «безбумажные» чертежи и трехмерные технологии, которые позволяют существенно сократить срок создания нового самолета. А «Сухой» создает цифровые двойники своих машин, облегчающие прогноз поведения техники в небе еще до начала испытаний. Работа с подрядчиками по всей стране проходит дистанционно в режиме «онлайн» с использованием общих проектных платформ. «Туполев» и «Ильюшин» тоже строят самолеты в «цифре».

Комната виртуального проектирования КБ Туполева. Фото: ОАК

Одним из лидеров по внедрению цифровых технологий в самолетостроении является «Иркут», где «цифрой» охвачены практически все уровни и рабочие процессы. Перевод «железа» в математические модели позволил сократить разработку авиалайнера МС-21 на месяцы, а то и на годы.

Использование цифровых платформ при создании техники позволяет объединить всех участников процесса: конструкторов и технологов, производственные предприятия, КБ и НИИ, а также эксплуатантов техники. Они аккумулируют информацию о самолете в единую базу знаний, которая обновляется на протяжении всего жизненного цикла изделия.

Модельно-ориентированный подход и новые цифровые технологий при проектировании авиационной техники применяют не только предприятия ОАК, но и российские вертолетные КБ. Новое поколение легендарной «восьмерки» − многоцелевой вертолет Ми-171А2 – сейчас находится в процессе перевода в «цифру». Сотрудники «Вертолетов России» создают валидированную комплексную компьютерную модель машины. Следующие претенденты на оцифровку – вертолеты Ка-226 и «Ансат».

Во вторник, 28 ноября, архитекторы, строители и проектировщики из разных стран мира обсудили современные тенденции отрасли на форуме «День инноваций в архитектуре и строительстве».

Эксперты уверяют: мы живем в разгар четвертой научно-технической революции. Экономические и социальные парадигмы формирования городской среды сегодня уходят в прошлое.

Бурные изменения эксперты сулят и строительной отрасли: проектировать и возводить объекты по тем же принципам, что и во второй половине прошлого века, — это даже не топтание на месте, а шаг назад. Представители компаний, предоставляющих и реализующих «умные» решения в строительстве и архитектуре, встретились на площадке международного форума.

Сохранять и уважать

Современный мегаполис бросает архитекторам и строителям множество вызовов. Один из самых важных — социальный.

— Общественные пространства действительно должны быть общими, — считает президент крупнейшего парижского архитектурного бюро Этьен Трико. — Самыми уязвимыми зонами города становятся те, где для граждан не обеспечивается мобильность.

Во Франции такие городские зоны называются черными дырами мобильности.

Власти крупных городов мира с высокой плотностью населения следуют концепции создания «универсального» пешехода: он передвигается на разных видах транспорта — трамвае, автобусе, метро, электричке, велосипеде и самокате.

Не менее важный вызов — культурный. Всемирно известный архитектор из НьюЙорка Хани Рашид представил на форуме проект музея «Эрмитаж-Москва», который расположится на месте бывшего завода ЗИЛ. Проект концептуального здания сохранил в себе архитектурные традиции конструктивизма.

— Мы хотели построить новое, современное здание в историческом контексте, — пояснил Хани Рашид.

Третий вызов мегаполиса XXI века — экологический.

— Город — это живой организм, который страдает от несбалансированного производства, — пояснил Этьен Трико.

По его мнению, градостроители должны научиться создавать общественные пространства, не нанося ущерба природному капиталу.

Экономия сил и времени

В рамках форума прошло вручение ежегодной премии Awards. Гран-при получила немецкая строительная компания, работающая по всему миру. Одно из направлений ее деятельности — возведение модульных домов.

Суть технологии в том, чтобы производить отдельные модули на заводе, привозить их на строительную площадку и конструировать из них дом.

— Модули можно добавлять к уже существующим домам, причем к тем, которые были построены в 60–70-е годы прошлого века. В Германии есть такой опыт, — отметил руководитель проекта модульного строительства компании Отто Ордельт.

Несмотря на то что модули легкие, выдержать надстроенные этажи сможет только кирпичный дом, для панельных вариант не годится. Технология позволяет экономить время, трудовые ресурсы и средства, затрачиваемые на строительство.

Информационное проектирование (BIM) получает все большее распространение в архитектуре и строительстве и оказывает неоценимую помощь при разработке проекта здания. Оно позволяет связать все цифровые параметры будущей постройки и трехмерную модель в единую систему, изменение одного параметра влечет за собой изменения всего проекта.

— Исключительная роль Москвы в работе по внедрению BIM уже сделала столицу пилотным регионом внедрения, — рассказал заммэра Москвы по вопросам градостроительной политики и строительства Марат Хуснуллин.

Согласно плану, столичные объекты будут проектироваться с применением BIM-технологий начиная с 2019 года.

Андрей Валуй, заместитель руководителя Департамента градостроительной политики Москвы:

— Создать комфортную городскую среду нового качества, реализовать подход полицентрического развития города, обеспечить строительство энергоэффективных домов поможет программа реновации жилого фонда. В конкурсе на создание проектов планировок новых кварталов приняли участие около 100 международных компаний, это тоже своего рода инновация в части открытости, готовности прислушиваться к международным экспертам. Мы создаем городскую среду как минимум на сто лет вперед. В рамках совместной работы Департамент информационных технологий Москвы готовит предложения по внедрению технологий «умного» города.

Топ-5 новых подходов к формированию городской среды:

— Использование технологий информационного моделирования при проектировании.

— Развитие городских видов общественного транспорта для максимальной мобильности.

— Создание доступных общественных пространств для удобной коммуникации.

— Экологичное строительство, возведение домов из «чистых» материалов.

— Создание «умных» дома, квартала и города с применением информтехнологий

В эпоху IV промышленной революции («Индустрии 4.0») лидирующие мировые позиции заняли те высокотехнологичные предприятия, которые осуществили цифровую трансформацию производства, чем обеспечили достижение принципиально нового уровня разрабатываемой и производимой продукции.

Ключевую роль в этом процессе играет применение передовых производственных технологий, и в первую очередь – цифрового проектирования и моделирования, которые позволяют промышленным компаниям – лидерам рынка в кратчайшие сроки разрабатывать и создавать глобально конкурентоспособную (best-in-class) продукцию нового поколения в любых отраслях.

Уже не первый год российское руководство обозначает необходимость значимого рывка, прорыва страны в самых различных сферах, и не в последнюю очередь – в области науки, подготовки высококвалифицированных кадров, внедрения передовых производственных технологий, развития уникальных компетенций мирового уровня.

Государство применяет целый ряд мер поддержки технологического развития отечественных производств, среди которых можно назвать, в частности, государственные программы, которые имеют статус стратегических: Стратегия научно-технологического развития РФ (СНТР), программа «Цифровая экономика Российской Федерации», Национальная технологическая инициатива (НТИ).

В 2018 году в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого (СПбПУ) образован Центр компетенций НТИ «Новые производственные технологии», ставший инфраструктурной основой взаимодействия научных, образовательных и промышленных организаций в целях обеспечения глобальной конкурентоспособности отечественных компаний-лидеров на рынках НТИ и в высокотехнологичных отраслях промышленности. Центр НТИ СПбПУ собрал крупнейший консорциум лидеров промышленности, науки и образования, который по состоянию на июль 2020 года насчитывает 74 участника и более 25 компаний-партнеров. Среди них – крупнейшие российские корпорации: «Ростех», «Росатом», ОДК, ОАК, ОСК; «национальные чемпионы» и лидеры инноваций.

В числе ключевых компетенций Центра НТИ СПбПУ – новая парадигма цифрового проектирования и моделирования глобально конкурентоспособной продукции на основе цифровых двойников объектов, процессов и систем.

Цифровой двойник (Digital Twin) – это система взаимосвязанных высокоадекватных цифровых моделей изделия, технологических, производственных и эксплуатационных процессов, параметрами которых можно управлять полностью в виртуальной среде. Результаты десятков (сотен, тысяч) виртуальных испытаний должны совпасть с результатами итоговых натурных, физических испытаний с точностью до ±5%. Таким образом, технология позволяет избавить производителя от необходимости проводить продолжительные и дорогостоящие натурные испытания в ходе реализации проекта, быстро перепроектировать изделия под те или иные требования, минимизировать число расчетных ошибок (в том числе, связанных с человеческим фактором), дает возможность увеличивать процент локализации и, как следствие, снимать зависимость российских производителей от зарубежных заказов (импортозамещение) при соблюдении высочайших требований к технологическим, пользовательским (эксплуатационным) и прочим показателям.

Технология цифровых двойников охватывает весь жизненный цикл продукта: от этапа проектирования, включая НИР и ОКР, производства – и до этапа послепродажного обслуживания и утилизации. Цифровой двойник «обучаем» в процессе эксплуатации, он становится «умнее» – этот процесс сопровождается пополнением базы данных, базы решений, базы знаний.

Основу цифрового двойника составляет гиперматрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, которая формируется в ходе системного подхода (Model-Based Systems Engineering, MBSE). Для проектирования, производства и эксплуатации сложного технического объекта формируются сотни требований, которые затем каскадируются и декомпозируются на тысячи, десятки тысяч целевых показателей, конфликтующих между собой на всех уровнях.

В качестве ресурсных ограничений выступают временные ограничения («проектирование и производство в заданные сроки»), финансовые ограничения (проектирование и производство/строительство на «заданную стоимость»), технологические, производственные, эксплуатационные, экологические, логистические и многие другие. Пример такой гиперматрицы показан на рис. 1.

Рис. 1. Гиперматрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений высокотехнологичного проекта (Центр НТИ СПбПУ)

Применение этого нового инструментария позволяет оперативно вносить и анализировать большие объемы изменений на ранних этапах проектирования (рис. 2), что критически необходимо в ОПК, ведь чем позднее обнаруживается ошибка, тем дороже это обходится разработчику.

Рис. 2. Перенесение изменений на этап проектирования в рамках новой парадигмы проектирования и моделирования на основе цифровых двойников

В качестве примера можно привести выводы из статьи заместителя Председателя Правительства Российской Федерации по вопросам оборонно-промышленного комплекса Юрия Ивановича Борисова «Особый задел» («Военно-промышленный курьер», №9 (673), 2017): «Примеры ОКР (программ приобретения), открытых с неподготовленным НТЗ: открытые ОКР по разработке высокотехнологичных образцов ВВСТ с незрелым научно-техническим заделом приводят к увеличению (по сравнению с начальной оценкой) сроков их создания в среднем в 1,9 раза, к повышению стоимости разработки в среднем на 40%, повышению стоимости финальных образцов в среднем на 20%» (рис. 3).

Рис. 3. Примеры ОКР (программ приобретения), открытых с неподготовленным НТЗ (по статье Ю.И. Борисова «Особый задел» («Военно-промышленный курьер», №9 (673), 2017)

К настоящему времени ведущие мировые научные и производственные организации активно применяют такую производственную и бизнес-модель, в которой конкурентный «центр тяжести» в различных разработках смещен именно на этап проектирования.

Еще в 2013 году в документе военно-воздушных сил США «Global Horizons. United States Air Force Global Science and Technology Vision» («Глобальные горизонты. Глобальное научно-технологическое видение ВВС США») цифровые двойники были названы «фактором, радикально меняющим существующее положение дел» (Game Changers)[1].

Рост особой актуальности Digital Twins был отмечен аналитическим агентством Gartner (Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies) в 2017 году.

Насколько серьезна востребованность компетенций в области цифрового проектирования и моделирования в промышленно развитых странах сегодня, может продемонстрировать принятие в 2018 году Соединенными Штатами Америки «Стратегии цифрового инжиниринга» в реализации Стратегии национальной обороны США. В документе, в частности, говорится: «Чтобы… обеспечить технологическое превосходство США, Министерство обороны США осуществляет трансформацию сложившейся инженерной деятельности в «цифровой инжиниринг» путем включения технологических инноваций в интегрированный подход на основе цифрового моделирования… Цифровой инжиниринг должен обеспечить смену парадигмы и переход от традиционного подхода «проектирование – производство – испытания» (traditional design-build-test methodology) к подходу «моделирование – инженерные расчеты – производство» (model-analyze-build methodology). Использование нового подхода обеспечит апробирование принятых решений, создание прототипов и проведение испытаний изделий в виртуальной среде, прежде чем они будут поставлены на вооружение… Переход к цифровому инжинирингу позволит при создании новой техники перенести риски в цифровую среду и ускорит процесс поступления образцов ВВСТ в войска… Цели, определенные в Стратегии, представляют собой план Министерства обороны США по расширению возможностей в области инжиниринга, который способствует защите США и их национальных интересов»[2].

В Указе Президента Российской Федерации от 21.07.2020 г. №474 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года» одной из целей обозначена цифровая трансформация. Одной из основных задач этого процесса становится переход к цифровой промышленности, основа которой – цифровое проектирование и моделирование. Сегодня как никогда технологическое лидерство означает не просто экономическое благополучие, оно гарантирует саму возможность развития страны и сохранения ее суверенитета.

Специалисты Центра НТИ СПбПУ (ключевого подразделения – Инжинирингового центра CompMechLab® СПбПУ) выполнили сотни уникальных проектов из самых разных отраслей (автомобилестроение, двигателестроение, атомное и нефтегазовое энергомашиностроение, авиастроение и ракетно-космическая отрасль, железнодорожный транспорт, судостроение и кораблестроение, металлургия) с применением цифрового проектирования и моделирования, технологии разработки цифровых двойников. В числе прочих выполнялись проекты и в интересах ОПК. Приведем примеры некоторых из них:

Рис.4.1. Моделирование динамических процессов, возникающих при посадке истребителя на палубу авианосца

Рис.4.2. Моделирование разрыва троса аэрофинишера

Целью проекта было создание цифрового двойника аэрофинишера. В рамках проекта эта технология была применена впервые в отрасли.

Разработанный цифровой двойник конструкции позволяет рассчитывать динамические характеристики как тормозного устройства (палубного аэрофинишера), так и самолета; определять чувствительность всей системы к изменению конструкционных и эксплуатационных параметров; рассчитывать нагрузки, действующие на пилота истребителя; осуществлять многопараметрическую комплексную оптимизацию характеристик тормозного устройства.

На протяжении нескольких лет разработанные модели позволяют обслуживать производимые конструкции, оптимизировать их в соответствии с изменяющимися требованиями заказчика.

Разработка комплексной модели виртуальных испытаний с целью проектирования перспективного спортивного пистолета калибра 5,6 мм (рис. 5):

Математическая модель пистолета

Опытный образец пистолета

Результаты натурных испытаний на баллистическом станке и с участием профессиональных спортсменов показали, что разработанный опытный образец по показателю кучности превосходит аналоги. По результатам испытаний специалисты разработали также кинематическую модель руки спортсмена с учетом податливости суставов при выстреле. Модель была валидирована данными, полученными по итогам высокоскоростной съемки. Проведена оптимизация балансировки пистолета для снижения отдачи и минимизации увода ствола от траектории стрельбы. В рамках проекта было разработано несколько виртуальных испытательных стендов: «Спортсмен – оружие»; «Кинематика»; «Эксплуатационные характеристики» (испытания на прочность, жесткость, долговечность, трещиностойкость и др.), позволившие разработчикам спроектировать действительно конкурентоспособный продукт.

Оптимизация параметров блока оптико-механического (рис. 6):

Оптимизация воздушных потоков

В ходе проекта разработан цифровой двойник натурного образца устройства, описывающий динамические характеристики оригинала, проведена его валидация по результатам натурных испытаний. На основе цифрового двойника проведены ряд виртуальных испытаний динамических характеристик устройства, по результатам которых определен список отклонений характеристик от целевых показателей и проведена многовариантная оптимизация составных частей устройства.

На основе выполненных работ были предложены варианты доработки конструкции с целью повышения теплоотведения, разработана методика проведения оценки динамических характеристик и их оптимизации для аналогичных оптико-механических устройств, проведен курс обучения сотрудников заказчика, основанный на разработанной методике.

Результаты проекта позволят сократить сроки проектирования оптико-механических устройств, уменьшить количество производимых опытных образцов за счет перевода экспериментальной части работ в виртуальную среду до проведения сертификационных испытаний.

Моделирование поведения внутренних органов торса человека при обстреле поражающими элементами (рис. 7):

Моделирование удара цилиндрическим импактором в область грудной клетки

Результат цифрового моделирования: распределение поля напряжений внутри основных органов торса человека при ударе сферическим импактором в область грудной клетки

В ходе проекта на основе данных магнитно-резонансного обследования были созданы расчетные модели внутренних органов и костей, математические модели биологических материалов, разработан и реализован алгоритм обработки графиков давления и ускорения, проведено более 100 виртуальных испытаний, позволяющих сформировать критерии оценки тяжести травм внутренних органов при обстреле поражающими элементами. Разработана программа, позволяющая автоматизировать проведение соответствующих виртуальных испытаний и их оценку.

Результаты проекта позволят избежать проведения большого количества дорогостоящих, а иногда и невыполнимых натурных экспериментов – в особенности, когда речь идет о здоровье вовлеченного в испытания человека.

Снижениемассы многоцелевого двигателя ТВ7-117СТ-01 на основе технологии «цифровой двойник» (рис. 8)

Поле перемещений собственных форм колебаний роторов

Виртуальные испытания камеры сгорания и экспорт полей температуры и давления для расчетов прочности статора двигателя

Эта разработка стала во многом уникальной как для отрасли, так и для российской промышленности в целом. Проект – первый и пока единственный пример в отрасли комплексного подхода к полной формализации процесса проектирования газотурбинного двигателя (ГТД) с детальным описанием всех контролируемых параметров и целевых значений, интеграцией всех расчетных моделей, создаваемых при проектировании изделия. Кроме того, это первый для отечественного двигателестроения пример оптимизации ГТД на основе технологии цифрового двойника с оцифровкой многолетнего опыта предприятия, полученного в результате разработки двигателей: от базовых экспериментов и определения свойств материалов до описания физико-механических параметров эксплуатации изделия.

В ходе проекта разработаны виртуальные испытательные стенды и полигоны, интегрированные в CML-цифровой платформе CML-Bench™; создана база математических моделей материалов и методики виртуальных испытаний ГТД. Перепроектирована конструкция статорных деталей ГТД, обеспечивающая выполнение предъявленных требований, включая требования по ресурсу, удержанию лопатки при ее обрыве и др. Масса отдельных деталей снижена до 50%.

В данный момент Центр НТИ СПбПУ участвует в проекте «Платформа параллельного проектирования». Цель проекта – создание отечественной платформы функционирования центров параллельного проектирования и разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ для нужд организаций ОПК.

В числе решаемых задач проекта:

– создание, развитие и внедрение отраслевой отечественной платформы для разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ на основе решений инженерного анализа и математического моделирования в организациях ОПК;

– пилотное внедрение ЦПП ОПК в части разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ;

– тиражирование методологии ЦПП в организациях ОПК в части разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ;

– создание системы сертификации программного обеспечения для формирования и применения компьютерных моделей в процессе разработки цифровых двойников изделий ВВСТ.

Автор - Алексей Боровков, проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра НТИ СПбПУ

Читайте также: