Технологии компьютерного инжиниринга в формировании основ цифрового производства

ТЕХНОЛОГИИ КОМПЬЮТЕРНОГО

ОСНОВ ИФРОВОГО

Сергей Поддубко,

генеральный директор Объединенного института машиностроения НАН Беларуси, кандидат технических наук

Алексей Шмелев,

директор Республиканского компьютерного центра машиностроительного профиля Объединенного института машиностроения НАН Беларуси, кандидат технических наук

УДК 658.7+658.78+517.272

Резюме. Работа посвящена обзору и демонстрации возможностей технологий компьютерного инжиниринга. Описаны тенденции развития наиболее популярных приложений программного обеспечения для проектирования и инженерного анализа. Показана особая значимость технологий компьютерного моделирования, отвечающих за стадии разработки новой продукции, приведены примеры их эффективного применения для решения промышленных задач. Ключевые слова: цифровое производство, компьютерный инжиниринг, компьютерное моделирование, виртуальные испытания, CAD, CAE, PLM.

Тема цифрового производства все чаще становится предметом обсуждения специалистов автомобильной отрасли как наиболее динамично развивающейся и применяющей современные технологии и подходы. Одни определяют его как ряд процессов, способных охватить весь производственный и жизненный цикл, начиная с самых ранних работ по разработке дизайна продукта с использованием виртуального моделирования, прототипирования и моделирования, включая автоматизацию производства и сборки, а также эксплуатации. Другие считают, что цифровое производство - это использование новых технологий, таких как анализ данных, облачные сервисы и Интернет вещей, с целью объединения виртуального и реального мира [1]. Отечественные работы описывают цифровое производство как концепцию технологической подготовки производства в единой виртуальной среде с помощью инструментов планирования, проверки и моделирования производственных процессов [2]. Ряд других источников цифровое производство рассматривают как:  результат воплощения стратегии управления жизненным циклом (Product Lifecycle Management, PLM) изделия, позволяющей в разы снижать время и стоимость разработки, а также вывода на рынок новых продуктов [3];

способ предоставить инженерам средства для планирования, разработки, численного моделирования и передачи технологических процессов, реализованные в виде комплекта программ для поддержки конструкторско-технологической подготовки производства [4];

интегрированную среду Р1_М-решений, направленных на моделирование производственных процессов, на основе возможностей трехмерной визуализации, аналитики и различных инструментов взаимодействия

с целью создания продукции и производственного процесса одновременно [5].

Обобщая все эти определения, можно сказать, что цифровое производство - это способ организации высокоэффективного производства на основе комплексного применения высоко-интегрированных компьютерных технологий автоматизации, моделирования и обработки информации на всех стадиях планирования, разработки, изготовления, обеспечения качества, эксплуатации вплоть до утилизации, то есть в течение всего жизненного цикла изделия. Его ключевой особенностью является обмен информацией между всеми стадиями процесса, организованный исключительно в цифровом виде, а основным преимуществом - минимизация материальных издержек и времени вывода на рынок новой, индивидуализированной (персона-ориентированной) продукции.

Процесс формирования цифрового производства можно представить двумя составными частями: глобальные технологии и перспективные направления его развития; и технологии, лежащие в основе его создания. Среди последних одну из ключевых ролей играют технологии компьютерного инжиниринга.

Современные основы цифрового производства

Исследования известной консалтинговой компании Маккинзи показывают, что порядка 80% стоимости продукта формируется на стадии его разработки [6]. В связи с чем ведущие производители вкладывают в НИОКР до 30% своей выручки [7].

Анализ процессов формирования цифрового производства в рамках инициативы Промышленность 4.0, созданной немецким правительством для ускорения формирования в Германии новой экономики, проведенный компанией «Делойт» показал, что именно технологии,

связанные с выполнением НИОКР, претерпят значительные изменения и внесут наибольший вклад в формирование производства будущего [8].

За разработку и выпуск продукции с использованием интегрированных решений систем автоматизации отвечают PLM-технологии управления жизненным циклом изделия. В рамках данной концепции основные функции выполнения НИОКР определены за CAD/CAE-системами. При этом CAD-система отвечает за конструирование и дизайн, а CAE - за расчеты и инженерный анализ. И если первая наиболее проработана, то вторая находится в фазе активного развития. Комплекс CAD/CAE, а также другие компьютерные средства и технологии называют технологиями компьютерного инжиниринга [7].

Учитывая особую значимость и трудоемкость стадии НИОКР, приведем сложившиеся на сегодня компоненты CAE-системы, отвечающей за исследовательскую часть. К ее базовым элементам в традиционном машиностроении относят следующие технологии и средства:

FEA (Final Element Analysis - конечно-элементный анализ; КЭ анализ) - расчеты и исследования в области механики деформируемого твердого тела, теплообмена, газо- и гидродинамики, электродинамики;

CFD (Computational Fluid Dynamics - вычислительная гидродинамика) - расчеты и исследования в области газо- и гидродинамики;

MBD (MultiBody Dynamics - динамика многокомпонентных систем) - решение задач механики многокомпонентных систем;

SE (Systems Engineering - разработка систем) - моделирование, исследование и оптимизация различного рода систем (алгоритмов и законов управления ими) от простейших до многоуровневых, сочетающих компоненты из различных физических областей, включая системы управления.

Все они развиваются и интегрируются между собой, дополняются системами подготовки исходных данных, анализа результатов и т.п. В качестве примера можно назвать следующие направления:

расчеты показателей напряженно-деформированного состояния;

оценка работоспособности по критериям усталости, износа, устойчивости и т.п.; гидрогазодинамика;

многокритериальная, параметрическая, топологическая оптимизация;

математические вычисления, анализ и обработка сигналов;

а

1_ 261

CAD CAM CAE Другое

Прочностные расчеты Тепловые расчеты Вычислительная гидродинамика

Акустические расчеты

Высококачественные электромагнитные расчеты

Низкочастотные расчеты

А - типы используемых программ Б - типы расчетов (САЕ), по доле опрошенных организаций, %

Рис. 1.

Данные по применению инженерного программного обеспечения российскими предприятиями [7]

моделирование быстропротекающих динамических процессов (краш-тесты);

акустика и виброакустика;

оценка надежности систем;

электронные библиотеки материалов и др.

Свое дальнейшее развитие получили технологии и средства, предназначенные для решения узкоспециализированных задач: моделирование конкретных технологических процессов, таких как сварка, штамповка, литье и т.п., работы определенных агрегатов и систем - двигателя внутреннего сгорания, трансмиссии и пр.

Результат интеграции СЛБ/СЛЕ-систем мы видим, с одной стороны, в наличии у крупных СЛБ-систем встроенных СЛЕ-модулей, с другой - у тяжелых СЛЕ-систем - встроенных СЛБ-модулей. В последнее время происходит еще более сложная интеграция тяжелых СЛБ/СЛЕ-систем.

По данным аналитической компании «Симдата», технологии компьютерного моделирования - одни из наиболее быстро растущих компонент РЬМ [9]. При этом продолжается формирование комплексных РЬМ-решений, в том числе в области инженерного анализа. Подтверждением данного факта служит заключение, сделанное «Симдата», о том, что в кратко-и среднесрочной перспективе ни один поставщик программного обеспечения РЬМ не будет в состоянии обеспечить все необходимые для предприятия функциональные инновационные

возможности [10]. Таким образом, разработчики платформ моделирования должны иметь открытую стратегию партнерства с имеющимися на рынке сторонними компонентами PLM-систем: средствами инженерных расчетов и моделирования. Об их высокой распространенности и значимости свидетельствуют также данные опроса российских компаний [7]. Потребление программных средств группы CAD/CAE составляет 57% от общего объема респондентов (рис. 1). При этом расчеты по исследованию прочности, тепловых процессов и гидрогазодинамики являются основным типом решаемых инженерных задач. На их долю приходится 76%.

Особый интерес вызывает оценка эффективности применения программного обеспечения компьютерного инжиниринга. Данные исследований указывают на возможность сокращения цикла разработки от 14 до 30%, стоимости - на 11-23%, времени внедрения инженерных решений -на 9-18% [7]. Во-первых, это свидетельствует о том, что даже средний уровень владения технологиями позволяет существенно оптимизировать производственные процессы. Во-вторых, очевидна возможность двукратного превышения средних показателей при наличии высококвалифицированных специалистов, что, безусловно, должно отразиться на программах подготовки инженерных кадров предприятий, а также учитываться руководителями исследовательских подразделений при их подборе.

Технологии

компьютерного инжиниринга Объединенного института машиностроения НАН Беларуси

Функции по разработке, развитию и прикладному применению технологий и методов компьютерного инжиниринга в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси возложены на Республиканский компьютерный центр машиностроительного профиля (РКЦМП). В 2015 г. на его базе создан кластер, обеспечивающий взаимодействие и передачу технологий научно-техническим центрам предприятий. Основная его функция - совершенствование процесса разработки и участие (включая передачу передового опыта на предприятия) в создании инновационной, конкурентоспособной и импортозамещающей машиностроительной продукции широкого назначения. Центр

решает эту задачу, используя комплексные компьютерные технологии по принципу «одного окна» - начиная от промышленного дизайна, расчетов, компьютерного моделирования, проектирования, экспериментальных исследований и заканчивая сопровождением производства разрабатываемого объекта - от мобильной машины, подъемно-транспортного оборудования в целом до их компонентов, запасных частей и комплектующих.

Приведем некоторые наиболее значимые примеры применения компьютерных технологий при решении прикладных машиностроительных задач, выполненных в центре.

По направлению промышленного дизайна и конструирования специалисты РКЦМП взаимодействуют с минским предприятием «Белкоммунмаш». Ими выполнена модернизация троллейбуса третьего поколения, создан дизайн экстерьера и интерьера рабочего места водителя трамвая 843-й модели. Продолжением сотрудничества стала работа над трамваем 853-й модели, которая выполнялась с участием швейцарской компании «Штадлер». Специалистами центра были предложены уникальные решения по эргономике, дизайну интерьера рабочего места водителя и экстерьеру трамвая, а также комплекс решений по безопасности. Все разработки велись с применением средств компьютерного моделирования.

При проработке эргономики и дизайна, выборе комплектующих (приборов, индикаторов, элементов управления и пр.) решались и конструкторские задачи по увязке и креплению панелей на каркасе, за проектирование которого отвечали швейцарские партнеры Их успешному завершению способствовало выполнение работ исключительно в цифровом формате, что позволяло оперативно обмениваться информацией, анализировать различные варианты и выбирать из них наиболее эффективные и технологичные.

Результатом сотрудничества стали подготовленные трехмерные компьютерные модели всех панелей интерьера и экстерьера, полный перечень материалов, комплектующих и кодов цветов по таблице RAL. Все это позволило в короткие сроки изготовить необходимые конструктивные элементы

и представить в мае 2014 г. первый опытный образец трамвая (рис. 2).

Уже в 2015 г. трамвай проходил различные сертификационные и эксплуатационные испытания в Российской Федерации, а летом прошлого года компания «Штадлер-Минск» выиграла тендер на поставку 23 транспортных средств в Санкт-Петербург [11].

Среди задач, стоящих перед автотранспортниками,- повышение эффективности магистральных перевозок. Наиболее целесообразным считается повышение длины автотранспортного средства, что позволяет увеличить его грузоподъемность до 45% [12]. В ЕС набирает популярность «Европейская модульная система» (EMS), согласно которой максимальная длина автопоезда может составлять 25,25 м при допустимой сегодня 18,75 м (в СНГ- 20 м). Суть в комбинировании существующих базовых модулей, таких как тягачи, полуприцепы, прицепы с центральными осями и подкатные тележки. Применение удлиненных автопоездов в Швеции, Финляндии и Нидерландах позволило снизить расход топлива и вредных выбросов на 15%, эксплуатационные расходы на 23% и сократить количество поездок на 32% [13]. Вместе с тем обозначился новый уровень проблем - обеспечение безопасности, маневренности, устойчивости и управляемости.

Сотрудники РКЦМП совместно со специалистами Минского автомобильного завода изучают возможность удлинения отечественных автопоездов до максимальной величины - 25,25 м.

Рис. 2. Первый натурный образец трамвая «Метелица»

А - не удовлетворяет; В - удовлетворяет нормативным требованиям

Рис. 3. Виртуальные испытания автопоезда длиной 25,25 м по оценке соответствия нормативным требованиям

С целью оценки влияния различных конструктивных параметров систем на кинематические и динамические характеристики автопоезда и последующего обоснования их значений разработана его компьютерная динамическая модель. В ней реализовано детальное описание таких важных систем, как рулевое управление, подвески, а также взаимо-

По заказу гомельской компании «САНТЭКС» специалистами РКЦМП разработаны устройства остановки колесного транспорта (УОКТ). Речь идет о дорожных блокираторах, предназначенных для предотвращения несанкционированного доступа транспорта на охраняемые объекты. В результате проделанной работы сотрудниками центра было предложено новое, не имеющее аналогов решение (рис. 4). На данную конструкцию получены охранные документы - патент на изобретение и три (один российский и два белорусских) - на промышленный образец.

Определение конструктивных параметров устройства и материалов, обеспечивающих требуемые прочностные характеристики, выполнялось на основе комплексного моделирования различных нагрузочных режимов и вариантов испол-

1 - неподвижный пандус,

2 - подъемная платформа,

3 - подвижный пандус,

4 - основание с крюками

Рис. 4.

Дорожный

блокиратор,

разработанный

РКЦМП

действие шины с опорной поверхностью, в совокупности отвечающих за поведение автомобиля на дороге.

При проектировании автопоезда осуществлен подбор параметров рулевого управления прицепной тележки, обеспечивающих вписывание состава в регламентируемый коридор с нормируемыми значениями внутреннего и внешнего радиуса, равными 5,3 и 12,5 м соответственно. На рис. 3 приведены результаты моделирования, полученные при виртуальных испытаниях маневренности автопоезда.

Проведенные экспериментальные исследования опытного образца автопоезда подтвердили результаты виртуальных испытаний.

нения УОКТ. Наиболее трудоемкой частью исследования стало проведение виртуальных испытаний устройства, цель которых заключалась в воспроизведении столкновения транспортного средства с блокиратором. Моделировалось разрушение систем автомобиля и определялись наиболее нагруженные элементы конструкции с оценкой степени их повреждения.

На начальной стадии в качестве компьютерных моделей испытуемых транспортных средств использовались готовые модели автомобилей, разработанные американскими учеными [14, 15]. На рис. 5 приведены результаты моделирования столкновения легкового автомобиля массой 900 кг, движущегося на скорости 90 км/ч, и пикапа массой 2 т, на скорости 60 км/ч.

Особый интерес для поиска решений по усилению конструкции представляли результаты анализа столкновения с устройством капотного

Рис. 5.

Фрагменты результатов моделирования столкновения автомобилей сУОКТ разработки РКЦМП

А-столкновение

тягача массой 20 т, движущегося со скоростью 60 км/ч. На рис. 6 приведены фрагменты результатов моделирования для первоначального и усиленного вариантов УОКТ.

В ходе расчетов были установлены особенности процесса столкновения различных автомобилей с создаваемым УОКТ, определены его наиболее нагруженные зоны, что позволило внести существенные изменения в его конструкцию.

Вторая стадия работ состояла из разработки и согласования с заказчиком программы-методики проведения натурных испытаний. Были выбраны автомобиль КАМАЗ-5511, груз, место и условия испытаний. Для уточнения особенностей взаимодействия данного транспортного средства с УОКТ была создана упрощенная расчетная модель (рис. 7). По результатам моделирования в конструкцию блокиратора были внесены определенные изменения. После подтверждения обеспечения требуемых свойств комплект чертежей был передан заказчику для изготовления в металле первого образца изделия. Натурный эксперимент по оценке заложенных характеристик прошел на российском автополигоне Государственного научного центра Российской Федерации «НАМИ» (г. Дмитров) и полностью повторил результаты виртуальных тестов.

По итогам исследований были также развиты научные основы моделирования быстро-протекающих динамических процессов пластического деформирования и разрушения металлических несущих конструкций.

Специалисты РКЦМП отслеживают изменения в области новых методов и средств компьютерного моделирования, занимаются освоением наиболее перспективных и эффективных технологий. Так, в тесном взаимодействии с сотрудниками НТЦ УГК «БЕЛАЗ» ведется разработка расчетной методики минимизации веса несущих конструкций карьерных самосвалов на основе средств и методов топологической оптимизации. В качестве объекта исследований была взята конструкция балки передней оси карьерного самосвала. Согласно методике, на основе компоновочных данных либо других ограничений определяются внешние границы области, для которой проводится поиск оптимального распределения материала. В ней задаются зоны приложения граничных условий, кинематические ограничения, контактные пары, а также зоны приложения нагрузок для всех рассматриваемых режимов (рис. 8).

Рис. 7. Сопоставление результатов виртуального и натурного экспериментов |

по столкновению автомобиля-самосвала с УОКТ 5

Рис. 8.

Расчетная модель для поиска оптимального решения с заданными нагрузочными режимами

Рис. 9. Результаты топологической оптимизации для конструкции балки передней оси карьерного самосвала

А-картина распределения

растягивающих напряжений; В- компьютерная геометрическая

модель балки с поворотными кулаками

Рис. 10. Конструкция балки передней оси карьерного самосвала, полученная в итоге конструкторско-технологической проработки результатов топологической оптимизации

Результаты топологической оптимизации для действия двух нагрузочных режимов, а также приложения только вертикальной нагрузки приведены на рис. 9.

Полученная в итоге топологической оптимизации геометрия несущей конструкции позволила обозначить альтернативные направления ее совершенствования для снижения материалоемкости при обеспечении функциональных требований. Анализ расчетных исследований показал, что при заданных нагрузочных режимах и граничных условиях возможно снижение веса конструкции до 20%. Полученная информация стала основой для дальнейшей конструкторско-технологиче-ской проработки изделия с учетом имеющихся

производственных возможностей по ее изготовлению. Представленный на рис. 10 вариант конструкции проработан с точки зрения как технологии изготовления, так и обеспечения работоспособности по критериям усталости для наиболее нагруженных элементов.

С учетом наиболее значимых глобальных направлений формирования цифрового производства отечественной промышленности уже сегодня необходимы эффективные планы и мероприятия по реализации и внедрению передовых информационных технологий. Их формирование невозможно без наличия на промпредприятиях действующих базовых средств и подходов для работы и управления цифровой информацией о разрабатываемом продукте, процессах его изготовления, эксплуатации, то есть без функционирующей PLM-системы. Примеры их применения на стадии НИОКР в Республиканском компьютерном центре машиностроительного профиля Объединенного института машиностроения полностью подтверждают их практическую значимость и эффективность. СЗ

Авторы выражают благодарность ООО «Лаборатория «Вычислительная механика» (Санкт-Петербург, Россия) за предоставленную тестовую версию программного обеспечения топологической оптимизации

SolidThinking Inspire.

[5 See: http://innosfera.by/2017/01/Computer_Engineering

Литература

1. Beyond the Hype - Additive Manufacturing and 3D Printing Worldwide, A Summary of Terry Wholers' Thoughts // http://www.totallyintegratedautomation.com/2015/08/digital-manufacturing.

2. Голдовский А. Цифровое производство - ключ к успеху // Автоматизация проектирования. 2009. №4. С. 54-56.

Промышленность в «цифре» // Открытые системы. //http://www.osp.ru/news/ articles/2013/15/13035026.

3.

4. Баекер М. Цифровые технологии улучшают принципы бережливого производства // САПР и графика. 2012. №7. С. 42-43.

5. Digital Manufacturing (DM) // IDEAL PLM// http://www.ideal.fi/en/products/manufacturing-process-management/.

6. The Power of Going Digital: Q&A With Siemens' Raj Batra // https://www.mapi.net/blog/2016/04/ power-going-digital-qa-siemens-raj-batra.

7. Высокотехнологичный компьютерный инжиниринг: обзор рынков и технологий.- СПб., 2014.

8. Industrie 4.0 Challenges and solutions for the digital transformation and use of exponential technologies // http://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/ch/Documents/ manufacturing/ch-en-manufacturing-industry-4-0-24102014.pdf.

9. Simulation & Analysis Governance. A Strategy to Advance the Value of S& // http://www.cimdata. com/en/news/item/1165-simulation-analysis-governance.

10. ANSYS17.0: An Innovation Platform to Achieve Simulation-Driven Product Development //: http://www.cimdata.com/en/news/item/5585-ansys-17-0-an-innovation-platform-to-achieve-simulation-driven-product-development-commentary.

11. «Штадлер Минск» поставит в Санкт-Петербург 23 трамвайных вагона // http://www.belta. by/newscompany/view/shtadler-minsk-postavit-v-sankt-peterburg-23-tramvajnyh-vagona-207379-2016/.

12. EMS Informal Platform Group // http://www.modularsystem.eu/en/ european_modular_system.htm.

13. Akerman I. European Modular System for Road Freight Transport - Experiences and Possibilities // Report. 2007. N2. Stochholm: TFK.- TransportForsk.

14. FEM Models for Semitrailer Trucks // http://thyme.ornl.gov/FHWA/TractorTrailer/index. cgi?model=1&navv=0.

15. National Crash Analysis Center. NCAC Finite Element Model Archive // http://www.ncac.gwu.edu/ vml/models.html.