Предпосылки
В текущий момент на промышленных предприятиях России наблюдается несколько основных тенденций. Первая – рост цифровизации по отдельным направлениям, подразделениям, технологиям. В частности, уже высоко цифровизованы работы по конструкторской подготовке производства, проведению расчетных обоснований и др. Однако передача данных между смежными отделами (подразделениями) часто проходит без применения систем хранения данных, задачи ставятся по служебным запискам, а результаты зачастую хранятся лишь на ПК исполнителя либо в виде текстового отчета. При всём при этом, набор используемого ПО для решения специализированных инженерных задач постоянно растет, как растет и объем данных (рис. 1).
Второй тенденцией рынка можно назвать существенный рост требований к выпускаемой продукции и срокам её выпуска. При такой постановке задачи локальной цифровизации становится недостаточно, и для выхода к новым производственным показателям предприятию необходима комплексная трансформация. Одним из ключевых аспектов данной трансформации является организация сквозных рабочих процессов для разных ролей пользователей, что обеспечит максимальную эффективность применения современных инженерных инструментов и подходов, позволит выйти на новые темпы разработки высокотехнологичных и конкурентных изделий.
Описание комплекса технологий “Цифрового КБ”
Компания Адванс Инжиниринг сформировала комплекс технологий “Цифрового КБ” для организации модельно-ориентированного подхода к проектированию. Особенностью комплекса является интеграция необходимых блоков технологий на основе единого информационного пространства, что позволит структурировать и хранить разнородные данные, создавать сквозные процессы, совокупность взаимосвязанных моделей, а также интегрироваться с существующим набором ПО предприятия.
В рамках этого подхода мы выделяем три основных блока технологий (рис. 2):
- Управление инженерными данными – включает в себя управление расчетными данными, требованиями и процессами.
- Проектирование – сюда, в частности, относится применение инструментов и методологий архитектурного проектирования, современных подходов к CAD-проектированию и оптимизации.
- Верификация и валидация – охватывает применение расчетных и натурных обоснований при проектировании. Это могут быть как предварительные 1D CAE-расчеты, так и уточняющие 3D CAE-расчеты, виртуальные и натурные испытания.
Внедрение данного комплекса технологий позволяет выстроить цикл разработки с максимальным применением на всех этапах электронных моделей изделия в соответствии с принципами модельно-ориентированного системного инжиниринга (Model Based System Engineering, MBSE).
Процесс внедрения можно разделить на две крупные последовательные стадии. Первая стадия представляет собой поэтапный процесс цифровой разработки конструкции “сверху вниз” через следующие этапы:
- формирование требований к изделию;
- построение архитектуры и состава систем изделия;
- построение детальной “виртуальной” конструкции, а затем её расчетная проверка (виртуальные испытания).
Вторая стадия представляет собой соответствующий поэтапный процесс сборки, натурных испытаний и проверки требований к изделию “снизу вверх”:
- изготовление и натурные испытания отдельных деталей;
- сборка и натурные испытания отдельных систем и узлов изделия;
- сборка и натурные испытания изделия в целом.
При этом каждый этап второй стадии процесса разработки изделия окончательно проверяет и подтверждает результаты соответствующих этапов первой стадии. Визуально такая взаимосвязь стадий и этапов разработки изображается на так называемой V-диаграмме (ви-диаграмме), напоминающей по форме букву английского алфавита “V” (рис. 3).
Благодаря проектированию и виртуальным испытаниям в едином пространстве “Цифрового КБ”, появляется возможность прослеживать уровни технологической готовности изделий и сокращать количество дорогостоящих опытных образцов и макетов. “Виртуальный полигон”, как ключевая технология комплекса, помогает анализировать различные сценарии эксплуатации изделия и сократить затраты времени и стоимость разработки на величину вплоть до 30%. Внедренные сквозные рабочие процессы позволяют иметь актуальную информацию о процессе разработки и оперативно решать проблемы, возникающие в процессе проектирования, что повышает качество проектируемого изделия (рис. 4).
Примеры применения
Исторически, потребность в применении и формировании описанного комплекса технологий была сформирована коллективом компании Адванс Инжиниринг и Инжинирингового центра цифровых технологий машиностроения УрФУ (ИЦЦТМ) в ходе выполнения ряда инженерных работ. На текущий момент успешно реализовано уже более 50 проектов в разных отраслях машиностроения, таких как авиационное и транспортное двигателестроение, проектирование летательных аппаратов и транспортных средств и др. (рис. 5).
Используя полученный практический опыт и обширную базу инженерных знаний, наши специалисты сформировали набор методик и подходов “Цифровое конструкторское бюро”, который позволяет проектировать сложные изделия наиболее эффективно. Созданные технологии и подходы уже прошли апробацию и нашли широкое применение в самых масштабных проектах ключевых отраслей промышленности (АО “ОДК”, АО “Вертолеты России”, ПАО “КАМАЗ” и др).
Заключение
Подводя итоги, следует отметить, что “Цифровое КБ” от Адванс Инжиниринг – это не только теоретический подход, позволяющий предприятиям выходить на качественно новые показатели выпуска продукции, но и набор отлаженных технологий, способных обеспечить эффективную работу существующей ИТ-инфраструктуры ОКБ предприятия, либо точно определить необходимые мероприятия по её развитию. Доказавшая свою эффективность система технологий объединяет имеющиеся на предприятии методики, процессы и программное обеспечение в единое “Цифровое КБ”. Все этапы разработки изделий становятся прозрачными и управляемыми, системными и точными, простыми и автоматизированными. За счет использования уже созданного на предприятиях задела в сфере ИТ-инфраструктуры и цифровых технологий, процесс трансформации в цифровое КБ становится быстрым и экономичным.
Благодаря ведению проектирования, расчетов и испытаний в едином цифровом пространстве, появляется возможность прослеживать уровни технологической готовности изделия, не создавая при этом дорогостоящих опытных образцов и макетов. Виртуальный полигон помогает анализировать различные сценарии эксплуатации изделия, достигая заданных рабочих характеристик реального объекта, что позволяет ускорить разработку изделий, а также снизить до минимального разумного уровня объем натурных испытаний.
Проект “Повышение топливной экономичности дизельного двигателя для грузовых автомобилей КАМАЗ-Р6 в рамках программы обеспечения ведущих мировых позиций”
Остановимся подробнее на выполненной совместно с ПАО “КАМАЗ” работе, в ходе которой нами были применены технологии и подходы “Цифрового КБ”, позволившие решить поставленные задачи в сжатые сроки: проект был полностью реализован в 2020 году.
Задачи проекта:
- Анализ систем двигателя Р6;
- Оптимизация одной из систем по критерию “трудоемкость – инженерный результат” (в качестве объекта была выбрана система газопровода).
Особенности проекта:
- Решение научно-технической задачи исследования газодинамических процессов в импульсной системе газопровода двигателя внутреннего сгорания;
- Применение междисциплинарного подхода и виртуальных испытаний.
Результаты:
- Проведен патентный поиск решений с целью выявления уровня техники и технологий в области систем импульсного наддува дизеля (объекты патентного поиска – выпускной коллектор, турбокомпрессор, трубопроводы). Результаты патентного поиска были учтены при разработке усовершенствованной геометрии выпускных коллекторов. При этом применялись методологии, необходимые для проведения бизнес-анализа и архитектурного проектирования, инструменты управления требованиями и построения междисциплинарных архитектур изделия.
- С помощью программного продукта Simcenter™ Amesim™ разработана термодинамическая мультидисциплинарная численная 1D-модель двигателя Р6, позволяющая оценивать влияние параметров систем двигателя и рассчитывать основные показатели работы. Сам процесс и исходные данные для построения модели были получены из PLM-системы Teamcenter®.
- Выполнена валидация разработанной 1D-модели. Максимальная погрешность расчетных значений основных параметров в сравнении с осреднёнными данными испытаний составила менее 4.9%.
- Разработана методика проектирования импульсного газопровода. Проведено трехмерное газодинамическое моделирование (виртуальные испытания по продувке) для сравнения гидравлического сопротивления в базовом и оптимизируемых вариантах коллектора, а также моделирование для разных вариантов топологической оптимизации с целью снижения гидравлического сопротивления.
- По результатам моделирования выполнены итоговые конструкторские работы для двух вариантов геометрии коллекторов – литого и сварного – с учетом технологии изготовления. Проведено итоговое сравнительное газодинамическое моделирование в 3D-постановке для сварного и базового вариантов. Дополнительные прочностные расчеты сварного коллектора в среде Simcenter 3D подтвердили его работоспособность при эксплуатации. Все процессы проведения расчетных обоснований и проработки конструкции сопровождались и выполнялись с использованием технологий “Цифрового КБ”, что позволило учитывать исходные требования, делать четкую постановку задач расчетным подразделениям и контролировать рабочий процесс.
- Изготовлены и испытаны опытные образцы итоговых оптимизированных вариантов литого и сварного коллекторов. Опытные образцы литого коллектора, как наиболее технологичного, прошли натурные испытания на стенде ПАО “КАМАЗ”. По результатам испытаний подтверждено достижение основной цели – снижение минимального удельного расхода топлива.
Эдуард Алимгулов, главный специалист по перспективным двигателям конструкторского отдела двигателей НТЦ КАМАЗ, и наш коллега Александр Шакиров, технический директор ИЦЦТМ УрФУ, рассказали подробнее про проект по повышению топливной эффективности дизельного двигателя КАМАЗ Р6 в рамках конференции "Цифровое предприятие с Siemens".
