Интегрированная система для разработки изделий из полимерных композиционных материалов на основе методологии PLM

УДК 678.01.53: 681.3.06 Дата подачи статьи: 06.03.2014

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОЛОГИИ PLM

Е.И. Яблочников, к.т.н., доцент; А.С. Восоркин, аспирант

В статье рассматриваются актуальные вопросы автоматизации бизнес-процессов проектирования изделий из полимерных композиционных материалов. Отмечается необходимость создания единого информационного пространства для совместной работы специалистов разного профиля: конструкторов, технологов, материаловедов. Предложена структурная схема интегрированной системы, реализующей функции информационной поддержки специалистов и управления процессами проектирования и проектными данными. Подход к построению системы основан на методологии PLM (информационная поддержка и управление жизненным циклом изделия). Ключевое значение при реализации функций системы имеет применение систем виртуального моделирования и инженерного анализа (CAE-систем) различных классов (моделирование новых материалов, технологий, конструкций изделий). Дана характеристика основных свойств интегрированной системы: информационное обеспечение и объектно-ориентированная модель БД, интерфейс пользователей, интеграция с внешними системами, возможность настройки и масштабирования, обеспечение защищенного доступа к данным, использование процедур, повышающих уровень автоматизации. Описан новый бизнес-процесс решения рассматриваемых задач, эффективность которого определяется возможностью коллективного анализа и утверждения промежуточных результатов, меньшей степенью итеративности, использованием специализированных систем компьютерного моделирования. Развитие интегрированной системы связывается с разработкой БЗ, содержащей правила выбора материалов и конструкторско-технологических исполнений изделий.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, интегрированная система, управление жизненным циклом изделия, система виртуального моделирования, система инженерного анализа, информационная система, БЗ, бизнес-процесс.

INTEGRATED SYSTEM FOR DEVELOPMENT OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL PRODUCTS

BASED ON PLM METHODOLOGY

Yablochnikov EL., Ph.D. (Engineering), Associate Professor; Vosorkin AS., Postgraduate Student (The National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics,

Kronverkskiy Av. 49, St. Petersburg, 197101, Russian Federation, eugeny@beepitron.com, asvosorkin@gmail.com);

TsupikovA V., Leading Engineer

Received 06.03.2014

Abstract. The article considers topical issues of business-process automation for polymer composite materials products design. It observes the necessity to create an integrated information environment for different profile specialists team-work: designers, production engineers, materials engineers. The authors offer a block diagram of the integrated system that represents the functions of data support for specialists and control of the design process and project data. The approach to building the system is based on the PLM methodology (data support and product lifecycle management). The key point is using virtual simulation systems and computer-aided engineering systems (CAE-systems) of different classes (simulation of new materials, technologies, product designs).

The article provides the main properties characteristics of the integrated system. They include data support and object-oriented database model, user interface, external systems integration, configure and scale ability, secure data access, procedures that increase the automation level. The paper describes a new business-process of solving tasks under consideration. Its effectiveness is determined by the possibility of collective analysis and intermediate result approval, smaller iteration degree, using special-purpose computer modeling systems. The integrated system development is connected with knowledge base development. And the knowledge base contains the rules for the materials selection and design-technology constructions of products.

Keywords: polymer composite materials, integrated system, product lifecycle management, knowledge base, virtual simulation system, computer-aided engineering system, information system, business-process.

Применение новых материалов на основе композиций различных составляющих имеет огромный потенциал для создания изделий с новыми свойствами и характеристиками. Несмотря на большое внимание к данной научно-технической

области, реальное продвижение полимерных композиционных материалов (ПКМ) и технологий их изготовления у отечественных разработчиков идет медленно. Задача является сложной и междисциплинарной, объединяющей различные об-

ласти знании: материаловедение, конструирование, технологию производства. Автоматизация бизнес-процессов и обеспечение информационной поддержки специалистов, принимающих решения, могут значительно улучшить ситуацию в использовании данных технологий [1].

Традиционный подход отечественных предприятий к проектированию изделий из ПКМ, если формализовать его в виде бизнес-процесса, будет выглядеть так, как показано на рисунке 1. В связи

Анализ требований к изделию

Выбор КТИ изделия

Проработка и анализ выбранных КТИ изделия

Испытания образцов материала

Подготовка серийного производства

5

Рис. 1. Бизнес-процесс проектирования и подготовки производства изделий из ПКМ

Fig. 1. A business-process for design and production-support work for polymer composite materials products

с тем, что на первоначальном этапе работ необходимо выполнить многокритериальный поиск и анализ возможных вариантов конструкторско-технологического исполнения (КТИ) изделия, эксперты в большинстве случаев упрощают эту задачу за счет использования личного опыта. При таком подходе есть высокая вероятность принятия неоптимального решения, что на последующих этапах может привести к кардинальному пересмотру исполнения композитного изделия и соответственно к возврату на начальные стадии проектирования. В целом для данной области характерна длительная итерационная проработка предлагаемых решений. Таким образом, можно отметить следующие основные недостатки рассмотренного выше и часто применяемого на практике подхода к проектированию изделий из ПКМ: высокий риск возникновения ошибок на ранних стадиях; увеличение сроков проектирования за счет анализа большего, чем необходимо, числа вариантов; увеличение стоимости проектирования, так как цена ошибки, допущенной на ранних этапах выполнения проекта, очень высока. К тому же указанные недостатки усиливаются из-за того, что на предприятиях, работающих в данной области, нет интегрированной автоматизированной среды, позволяющей объединить участников рассмотренного бизнес-процесса и предоставить им информационную базу, на которую они могли бы опираться при принятии тех или иных решений, а также использовать ее для накопления новых знаний [2].

Таким образом, четко прослеживается заинтересованность предприятий в обеспечении качественно нового уровня организации работ. Требуются создание или привлечение новых инструментов проектирования и управления, использование интеллектуальных средств поиска конструкторских и технологических решений, экспертных систем, систем управления бизнес-логикой, гибкого механизма управления требованиями [3], которые в совокупности позволили бы отслеживать весь процесс от постановки задачи до получения соответствующих результатов.

Существенного улучшения качества проектирования и организации работ можно добиться при использовании автоматизированной интегрированной системы поддержки принятия решений при проектировании изделий из композиционных материалов (ИС ПКМ). Структурная схема ИС ПКМ, отражающая основные компоненты и внутренние связи, представлена на рисунке 2. Очевидно, что при построении системы используется подход, основанный на создании единого информационного пространства с возможностью удаленного доступа для поддержания совместного процесса проектирования изделий из ПКМ.

В связи с необходимостью полной информационной поддержки процессов проектирования и из-

Информационная система поддержки принятия решений при проектировании изделий из композиционных материалов

Подсистема удаленного доступа

Подсистема управления <-> проектами

Экспертная система

CAD/CAE

CRM/SCM MS Office

Рис. 2. Структурная схема ИС ПКМ Fig. 2. Block diagram of integrated system ofpolymer composite materials products

готовления изделий из ПКМ, а также обеспечения информационной интеграции с другими задачами, решаемыми на предприятии, в частности, с задачами конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП), построение ИС ПКМ выполняется на основе методологии PLM (Product Lifecycle Management). В качестве платформы выбрана PLM-система Enovia (http://www. 3ds.com), обладающая большим набором инструментальных средств для создания единого информационного пространства в распределенной среде разработчиков. Основываясь на функционале системы Enovia, при создании прототипа ИС ПКМ решались следующие задачи.

• Создание информационной БД, позволяющей актуализировать, структурировать и управлять информацией, используемой в процессе проектирования изделий из ПКМ. Созданная объектно-ориентированная БД включает различные классификаторы, например классификатор ПКМ и классификатор технологий изготовления ПКМ. Разработана уникальная специализированная модель данных, учитывающая ключевые параметры

ПКМ, по которым может осуществляться быстрый интеллектуальный поиск, а также позволяющая хранить результаты проектирования и испытаний (компьютерные модели материалов, диаграммы, массивы параметров). Таким образом, создано единое информационное обеспечение для коллективной работы специалистов.

• Обеспечение защищенного доступа пользователей к системе, позволяющего получить необходимую информацию в зависимости от прав доступа. К системе может быть организован удаленный доступ через Интернет, при этом на рабочем компьютере пользователю необходим только веб-браузер. Права доступа к системе и к конкретным классам объектов распределяются на основе организационной структуры предприятия (компании, отделы, группы, роли и т.д.).

• Создание интуитивно понятного, простого и дружественного пользовательского интерфейса, позволяющего быстро приступать к выполнению требуемых

задач, пополнять БД новой информацией, обеспечивая при этом процесс накопления знаний. Реализованы способы динамичного изменения интерфейса в зависимости от прав доступа, что позволяет пользователю в большей степени сосредоточиться на выполнении конкретных задач.

• Возможность интеграции с CAD/CAE-сис-темами, офисными пакетами, ЕRP-системой и другими автоматизированными системами предприятия и создания интеграций с программными продуктами, для которых нет готового решения, за счет использования промежуточной подсистемы информационной интеграции. В качестве базовых CAE-систем, поддерживающих процесс проектирования изделий из ПКМ, использовались такие известные системы, как Moldex3D (http://www. moldex3d.com) и Digimat (http://www.e-xstream. com). Более подробная информация об использовании CAE-систем приведена в работах [4, 5]. Это позволило централизовать хранение итоговых и промежуточных данных, получаемых из специализированных систем, а также актуализировать их, используя методологию ведения версий.

Уточнение состава и структуры материала

• Обеспечение управления бизнес-процессами проектирования изделий из ПКМ посредством автоматизированного создания бизнес-процесса проекта, основанного на понимании связи между требованиями к изделию и стандартными схемами процессов, а также обеспечение совместного доступа к процессам для всех их участников [6, 7]. В системе реализованы и стандартные процессы: управление документооборотом, управление проектами, управление поставщиками, которые могут быть интегрированы с аналогичными существующими процессами предприятия. Помимо бизнес-процессов, автоматизированы и некоторые часто используемые функции, например создание программы и планов-графиков работ по проектам, получение спецификаций изделий, получение различных сводных отчетов, фильтрация доступных для выбора технологий производства в зависимости от указанных материалов и др.

• Обеспечение гибкости и открытости системы, позволяющих адаптировать и настроить ее под специфику конкретного предприятия. Это достигается за счет предоставления возможности внесения изменений в модель данных, бизнес-логику функций системы, пользовательский интерфейс. Система открыта и для включения новых или традиционных бизнес-процессов предприятия, отражение которых в системе необходимо для контроля их исполнения.

• Возможность горизонтального и вертикального масштабирования системы, обеспечивающего быструю и бесперебойную работу с системой большого количества одновременно подключенных пользователей. Это позволяет постоянно вовлекать в процесс все больше и больше участников жизненного цикла изделия, начиная от заказчиков, выставляющих требования к изделию, субподрядчиков, поставщиков и других специалистов и заканчивая техническим обслуживанием изделия, его ремонтом и утилизацией. Таким образом, в совокупности с открытостью, гибкостью системы и предоставлением множества стандартных решений можно масштабировать ИС ПКМ и расширять ее функционал до корпоративной информационной среды предприятия.

Использование ИС ПКМ дает возможность реализовать новый подход к проектированию ПКМ и изделий из них, принципиально отличный от того, что был рассмотрен ранее. Схема нового бизнес-процесса отражена на рисунке 3.

Получение заказа на

проектирование и производство изделия

Анализ требований к изделию

Выбор и экспертная оценка КТИ изделия

Предварительный анализ КТИ изделия

Испытания образцов материала

Детальный анализ КТИ изделия

Подготовка серийного производства

5

Рис. 3. Бизнес-процесс проектирования и подготовки производства изделий из ПКМ на основе использования ИС ПКМ

Fig. 3. A business-process for design and production-support work for polymer composite materials products based on integrated system of polymer composite materials products

Отметим следующие существенные характеристики нового подхода:

- на каждом этапе проекта проводится анализ полученных результатов на соответствие поставленным задачам, на основе которого принимается решение о переходе на следующий этап;

- итеративность проектирования реализована иначе, чем в ранее описанном бизнес-процессе, нет возвратов к самому началу проекта; это дает возможность сократить сроки реализации проекта;

- изменена методика работы; используется специализированная система компьютерного проектирования композиционных материалов; испытания образов ПКМ выполняются на более раннем этапе проекта, что позволяет получать более точные результаты численного моделирования [8];

- процесс стал более прозрачным и понятным; это упрощает управление сроками работ и более удобно как для участников проекта, так и для вышестоящих руководителей;

- все необходимые документы и данные прикреплены к процессу, что сокращает сроки передачи данных, исключает потерю и получение неактуальной информации;

- процесс ориентирован на полную (комплексную) автоматизацию проектирования и подготовки производства изделий из ПКМ.

Наибольшую эффективность и практическую полезность для предприятий-пользователей система поддержки принятия решений будет иметь при реализации в ее составе экспертной системы для поиска и выбора ПКМ и конструкторско-технологических исполнений изделия из ПКМ исходя из эксплуатационных и функциональных требований к изделию. Место экспертной системы в структуре ИС ПКМ показано на рисунке 2. БЗ экспертной системы должна включать правила проектирования и производства изделий из ПКМ. Наличие такой подсистемы дает возможность обучать ИС ПКМ принимать решения в автоматическом или автоматизированном режиме, схожие с решениями экспертов в данной предметной области [9].

Авторы видят большие перспективы в использовании информационной системы поддержки принятия решений при проектировании изделий из композиционных материалов. Рынок ПКМ в нашей стране продолжает расти, потенциальных пользователей год от года становится все больше. Такая система может быть адаптирована к специфике конкретного предприятия, что позволит более полно удовлетворять потребности заказчиков. Интеграция системы с отечественными БД ПКМ позволит расширить базовые возможности данного решения за счет доступа к большему спектру ПКМ, данным о поставщиках и производителях.

Литература

1. Зеленков Ю.А. Виртуальная среда проектирования // Открытые системы. 2010. № 7. С. 42-45.

2. Яблочников Е.И., Васильков С.Д., Фомина Ю.Н. Интегрированные технологии проектирования изделий из полимерных композиционных материалов // Науч.-технич. вестн. информ. технологий, механики и оптики. СПб: НИУ ИТМО, 2012. Т. 78. № 2. С. 109-113.

3. Крысенков Д. RFLP - современный подход к проектированию высокотехнологичных продуктов // CAD/CAM/CAE Observer. 2010. Т. 57. № 5. С. 29-32.

4. Maréchal E. SAMCEF/Digimat based Numerical simulation of short fibers reinforced thermoplastics in aircraft engine applications. Proc. of the 12th SAMTECH Conf., Liege, Belgium, 2011, November, pp. 2-23.

5. Яблочников Е.И., Брагинский В.А., Восоркин А.С. Применение систем виртуального моделирования при выборе и проектировании полимерных композиционных материалов // Изв. вузов: Приборостроение. СПб: НИУ ИТМО, 2012. Т. 55. № 7. С. 75-80.

6. MSC SimEnterprise - семейство программных продуктов для организации и управления виртуальным моделированием, анализом и оптимизацией разрабатываемых изделий в рамках предприятия. URL: http://www.mscsoftware.ru/products/ sime (дата обращения: 24.02.2014).

7. Simulation Lifecycle Management. URL: http://www.3ds. com/products-services/simulia/portfolio/simulation-lifecycle-management/ (дата обращения: 24.02.2014).

8. Crevel J., Berthet F., Lachaud F., Pastor M.-L. Experiment and Modelling of Injected Carbon-Fibre-Reinforced PEEK Damage Under Tensile Loading. ECCM15: 15th European Conf. on Composite Materials. Conf. Papers, 2012, 8 p.

9. Джарратано Дж., Райли Г. Экспертные системы: принципы разработки и программирование. 4-е изд.; [пер. с англ.]. Вильямс, 2007. 1152 с.

References

1. Zelenkov Yu.A. Virtual environment. Otkrytye sistemy [Open systems]. 2010, no. 7, pp. 42-45 (in Russ.).

2. Yablochnikov Ye.I., Vasilkov S.D., Fomina Yu.N. Integrated technologies for polymer composite materials products design. Nauchno-tehnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki [Scientific and Technical Journ. of Information Technologies, Mechanics and Optics]. St. Petersburg, NIU ITMO Publ., 2012, vol. 78 (2), pp. 109-113 (in Russ.).

3. Krysenkov D. RFLP, a modern approach to hi-tech products design. CAD/CAM/CAEObserver. 2010, vol. 57 (5), pp. 29-32 (in Russ.).

4. Maréchal E. SAMCEF/Digimat based Numerical simulation of short fibers reinforced thermoplastics in aircraft engine applications. Proc. of the 12th SAMTECH conf. Liege, Belgium, 2011, pp. 2-23.

5. Yablochnikov Ye.I., Braginskiy V.A., Vosorkin A.S. Application of virtual simulation systems when choosing and designing polymer composite materials products. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy "Priborostroenie" [Scientific and Technical Journal «Priborostroenie».]. St. Petersburg, Publ., 2012, vol. 55 (7), pp. 75-80 (in Russ.).

6. MSC SimEnterprise — semeystvo programmnykh produktov dlya organizatsii i upravleniya virtualnym modelirovaniem, analizom i optimizatsiey razrabatyvaemykh izdeliy v ramkakh predpriyatiya [MSC SimEnterprise. A software product family to organize and manage virtual simulation, analysis and optimization of developed products within the enterprise]. Available at: http://www.mscsoftware.ru/products/sime (accessed February 24, 2014).

7. Simulation Lifecycle Management. Available at: http://www.3ds.com/products-services/simulia/portfolio/simulation-lifecycle-management/ (accessed February 24, 2014).

8. Crevel J., Berthet F., Lachaud F., Pastor M.-L. Experiment and modelling of injected carbon-fibre-reinforced PEEK damage under tensile loading. Proc. of the ECCM15: 15th European Conf. on Composite Materials. Venice, Italy, 2012, 8 p.

9. Giarratano J., Riley G. Expert Systems: Principles and Programming. 4th Edition. Stamford, Course Technology Publ., 2004, 288 p. (Russ. ed.: Ptitsyn K., Williams Publ., 2007, 1152 p.).