Обратный звонок
Инженерный интеллект в цифровом мире: тенденции и тренды компьютерного инжиниринга на фоне вузовской науки
07.06.2017
Практика привлечения промышленными корпорациями ведущих университетов для совместных разработок является общемировой. Характерна она, пусть пока в меньшей степени, для российской экономики. Национальный исследовательский Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) в Челябинске можно назвать одним из флагманов этого процесса. Уже много лет он работает с крупными промпредприятиями по всей России, выполнив за это время десятки исследований и проектных разработок.
Достижение лидерства в аэрокосмической индустрии и транспортном машиностроении диктует необходимость сокращения материальных и временных затрат при проектировании новых высокотехнологичных изделий. Одним из наиболее эффективных способов снижения издержек при выводе нового изделия на рынок без потери качества является построение высокоточных цифровых моделей и проведение виртуальных испытаний. При таком подходе количество и стоимость натурных испытаний снижается в несколько раз. Эту задачу успешно решают инженеры центра компьютерного инжиниринга университета.
Центр компьютерного инжиниринга был открыт в рамках государственной программы по созданию сети инжиниринговых центров России и уделил развитию компетенций в области цифровых испытаний самое пристальное внимание. Работая совместно с ведущими предприятиями страны, центр стал одним из ключевых звеньев в распространении передовых технологий проектирования и разработки сложных технических систем.
Для решения задач цифровизации испытаний Центр компьютерного инжиниринга ЮУрГУ имеет все необходимое. Действует аппаратно-программный комплекс LMS, включающий современное оборудование и программное обеспечение от Siemens PLM Software: измерительную систему LMS SCADASTM с датчиками, систему управления виброиспытаниями LMS Test.LabTM, а также системы LMSTM Test.Xpress, LMS Virtual.LabTM и LMS Imagine.Lab AmesimTM. Применяются вибростенды фирмы LDS, обеспечивающие проведение виброиспытаний в лабораторных условиях, а также портативные модальные вибровозбудители для выездных испытаний.
Инструментарий комплекса LMS от Siemens PLM software в полной мере позволяет решить задачу экономии при проектировании за счет реализации концепции виртуальных испытаний. Для этого в LMS заложено уникальное сочетание междисциплинарного 3-D моделирования технических систем с возможностью многосторонней экспериментальной верификации.
Для того, чтобы потенциал оборудования был использован в полной мере, инженеры-конструкторы прошли качественную подготовку. В рамках комплексного обучения они трижды стажировались на родине LMS, в г. Левен (Бельгия), а также совместно с LMS первыми в России реализовали методику виртуальных виброиспытаний в рамках проекта «Виртуальный шейкер». Этот проект был ориентирован на симуляцию испытаний изделия на вибростенде при синусоидальном возбуждении с разверткой по частоте.
В основе методики виртуальных виброиспытаний лежат передовые технологии компании Siemens PLM Software, аналогов которым в России нет. Инженерам объединить модальную «копию» вибростенда, представляющую из себя, по сути, набор экспериментально найденных частотных передаточных функций, конечно-элементную модель изделия, электромеханическую схему вибростенда и модель контроллера, управляющего виброиспытаниями. При этом каждая из подсистем дополнительно верифицирована результатами натурных испытаний. Все это повысило достоверность расчетных моделей для предсказания виброотклика при проведении натурных испытаний. А высокая достоверность, в свою очередь, позволила свести к минимуму объем натурных испытаний уникальных конструкций аэрокосмической отрасли и, тем самым, значительно сократила полную стоимость цикла разработки.
Конструкторы центра компьютерного инжиниринга ЮУрГУ понимают, что освоение методик расчетов и эксперимента при вибрационном нагружении не позволяет полностью раскрыть инженерный потенциал комплекса LMS. Его инструментарий полноценно реализует и другие виды виртуальных испытаний. Для наземных транспортных средств – это движение по дорожному покрытию или пересеченной местности, оценка ресурса несущей части, плавности хода, отработка алгоритмов систем активной безопасности (ABS, ESC) и т.д. В случае летательных аппаратов – процессы взлета и приземления, функционирование силовых установок (ГТД, ЖРД), авионики и др.
Приведем лишь несколько примеров разработок центра с использованием технологий LMS. В прошлом году центр завершил разработку методики проектирования и проведения виртуальных испытаний интеллектуальной системы распределения мощности в трансмиссии грузового автомобиля КАМАЗ. Созданные в LMS Imagine.Lab AmesimTM. динамические модели шасси и трансмиссии колесного транспортного средства для ПАО «КАМАЗ» были верифицированы натурными испытаниями по 15 параметрам работы в составе грузового автомобиля. Для сбора данных натурных измерений была использована измерительная система LMS SCADASTM с датчиками и соответствующее ПО LMSTM Test.Xpress. Были отработаны подходы к интеграции комплекса LMS с пакетом MATLAB Simulink, в котором была смоделирована система управления распределением мощности, изучены методы разработки цифрового испытательного полигона.
Освоение инструментария LMS продолжается и в настоящее время. Инженеры центра продолжают развивать свои компетенции как в направлении наземных транспортных систем, так и в направлении летательных аппаратови, в частности, газотрубинных двигателей с предприятиями ОАК.
По убеждению конструкторов центра, максимальный эффект достигается только в том случае, когда их знания объединяются со знаниями специалистов предприятий в рамках единой сквозной разработки.
К примеру, в настоящее время инженеры центра совместно с конструкторами КАМАЗа успешно создают методику цифрового сквозного проектирования ведущих мостов грузовых автомобилей и автобусов. Ведущие мосты, как известно, являются ключевым элементом, отвечающим за передачу крутящего момента на ведущие колеса, а также восприятие основной доли динамических нагрузок от движения автомобиля по дорожному покрытию. Они представляют собой сложную систему с силовым приводом (шестерни, валы, подшипники), несущей частью (картер), датчиками контроля технического состояния и систем активной безопасности, а также приводами системы распределения мощности (блокировки дифференциалов) и систем активной безопасности.
Возможности LMS по созданию цифровых 1-D моделей междисциплинарных систем используются в такой разработке для синтеза мехатронной системы моста, а также для получения величины динамических нагрузок в силовом приводе. Нагрузки рассчитываются в процессе симуляции переходных динамических процессов, возникающих при эксплуатации автомобиля – трогания с места, переключения передач, заноса и т.д. Измерительная система LMS SCADASTM с датчиками используется при проведении натурных и полунатурных испытаний опытных образцов мостов.
С точки зрения авиационной отрасли описанные наработки могут быть легко переложены на задачи моделирования посадки и взлета летательных аппаратов, симуляции данных процессов на пилотажных стендах за счет технологии совместного моделирования с использованием мультифизической модели шасси, взаимодействующей с динамической моделью самолёта и его системой управления.
В области аэрокосмонавтики центр компьютерного инжиниринга совместно с ключевым партнером – инженерным предприятием ООО «Адванс-Инжиниринг», решает задачу создания цифрового макета ракетного двигателя. Разработка призвана реализовать современные расчётные технологии на этапе проектирования с последующим сокращением работ на этапе натурных испытаний. Специфика задачи такова, что макет должен обеспечивать, с одной стороны, увязку основных параметров работы с учётом проектных требований – тяги, удельного импульса, высотности, компонентов топлива, а с другой стороны, учитывать все особенности работы двигателя, влияющие на его характеристики – эффективность смешения компонентов в смесительной головке, особенности теплоотдачи в рубашке охлаждения и др.
Решение такой задачи возможно путем использования упрощённых расчётных методик, увязанных в единую рабочую схему и дополненных трехмерным моделированием особенностей, не учтенных в одномерной постановке. Таким образом, макет, увязанный по основным параметрам в рамках схемы, определяет входные данные для замыкания дополнительными трехмерными расчётами. Данная схема двигателя будет реализована в LMS Imagine.Lab AmesimTM, а в части трехмерных расчётов с использованием ANSYS CFX, FloEFD или аналогичного программного обеспечения.
Центр компьютерного инжиниринга ЮУрГУ нацелен на расширение предложений инжиниринговых услуг на всех стадиях жизненного цикла изделий. В настоящий момент инженеры завершают подготовку к открытию учебного центра SIEMENS, на базе которого будет проходить переподготовка и обучение конструкторов на оборудовании и программном обеспеченими Siemens PLM Software. Открытие учебного центра SIEMENS состоится в Челябинске, в Южно-Уральском государственном университете 20 сентября.
Центр компьютерного инжиниринга был открыт в рамках государственной программы по созданию сети инжиниринговых центров России и уделил развитию компетенций в области цифровых испытаний самое пристальное внимание. Работая совместно с ведущими предприятиями страны, центр стал одним из ключевых звеньев в распространении передовых технологий проектирования и разработки сложных технических систем.
Для решения задач цифровизации испытаний Центр компьютерного инжиниринга ЮУрГУ имеет все необходимое. Действует аппаратно-программный комплекс LMS, включающий современное оборудование и программное обеспечение от Siemens PLM Software: измерительную систему LMS SCADASTM с датчиками, систему управления виброиспытаниями LMS Test.LabTM, а также системы LMSTM Test.Xpress, LMS Virtual.LabTM и LMS Imagine.Lab AmesimTM. Применяются вибростенды фирмы LDS, обеспечивающие проведение виброиспытаний в лабораторных условиях, а также портативные модальные вибровозбудители для выездных испытаний.
Инструментарий комплекса LMS от Siemens PLM software в полной мере позволяет решить задачу экономии при проектировании за счет реализации концепции виртуальных испытаний. Для этого в LMS заложено уникальное сочетание междисциплинарного 3-D моделирования технических систем с возможностью многосторонней экспериментальной верификации.
Для того, чтобы потенциал оборудования был использован в полной мере, инженеры-конструкторы прошли качественную подготовку. В рамках комплексного обучения они трижды стажировались на родине LMS, в г. Левен (Бельгия), а также совместно с LMS первыми в России реализовали методику виртуальных виброиспытаний в рамках проекта «Виртуальный шейкер». Этот проект был ориентирован на симуляцию испытаний изделия на вибростенде при синусоидальном возбуждении с разверткой по частоте.
В основе методики виртуальных виброиспытаний лежат передовые технологии компании Siemens PLM Software, аналогов которым в России нет. Инженерам объединить модальную «копию» вибростенда, представляющую из себя, по сути, набор экспериментально найденных частотных передаточных функций, конечно-элементную модель изделия, электромеханическую схему вибростенда и модель контроллера, управляющего виброиспытаниями. При этом каждая из подсистем дополнительно верифицирована результатами натурных испытаний. Все это повысило достоверность расчетных моделей для предсказания виброотклика при проведении натурных испытаний. А высокая достоверность, в свою очередь, позволила свести к минимуму объем натурных испытаний уникальных конструкций аэрокосмической отрасли и, тем самым, значительно сократила полную стоимость цикла разработки.
Конструкторы центра компьютерного инжиниринга ЮУрГУ понимают, что освоение методик расчетов и эксперимента при вибрационном нагружении не позволяет полностью раскрыть инженерный потенциал комплекса LMS. Его инструментарий полноценно реализует и другие виды виртуальных испытаний. Для наземных транспортных средств – это движение по дорожному покрытию или пересеченной местности, оценка ресурса несущей части, плавности хода, отработка алгоритмов систем активной безопасности (ABS, ESC) и т.д. В случае летательных аппаратов – процессы взлета и приземления, функционирование силовых установок (ГТД, ЖРД), авионики и др.
Приведем лишь несколько примеров разработок центра с использованием технологий LMS. В прошлом году центр завершил разработку методики проектирования и проведения виртуальных испытаний интеллектуальной системы распределения мощности в трансмиссии грузового автомобиля КАМАЗ. Созданные в LMS Imagine.Lab AmesimTM. динамические модели шасси и трансмиссии колесного транспортного средства для ПАО «КАМАЗ» были верифицированы натурными испытаниями по 15 параметрам работы в составе грузового автомобиля. Для сбора данных натурных измерений была использована измерительная система LMS SCADASTM с датчиками и соответствующее ПО LMSTM Test.Xpress. Были отработаны подходы к интеграции комплекса LMS с пакетом MATLAB Simulink, в котором была смоделирована система управления распределением мощности, изучены методы разработки цифрового испытательного полигона.
Освоение инструментария LMS продолжается и в настоящее время. Инженеры центра продолжают развивать свои компетенции как в направлении наземных транспортных систем, так и в направлении летательных аппаратови, в частности, газотрубинных двигателей с предприятиями ОАК.
По убеждению конструкторов центра, максимальный эффект достигается только в том случае, когда их знания объединяются со знаниями специалистов предприятий в рамках единой сквозной разработки.
К примеру, в настоящее время инженеры центра совместно с конструкторами КАМАЗа успешно создают методику цифрового сквозного проектирования ведущих мостов грузовых автомобилей и автобусов. Ведущие мосты, как известно, являются ключевым элементом, отвечающим за передачу крутящего момента на ведущие колеса, а также восприятие основной доли динамических нагрузок от движения автомобиля по дорожному покрытию. Они представляют собой сложную систему с силовым приводом (шестерни, валы, подшипники), несущей частью (картер), датчиками контроля технического состояния и систем активной безопасности, а также приводами системы распределения мощности (блокировки дифференциалов) и систем активной безопасности.
Возможности LMS по созданию цифровых 1-D моделей междисциплинарных систем используются в такой разработке для синтеза мехатронной системы моста, а также для получения величины динамических нагрузок в силовом приводе. Нагрузки рассчитываются в процессе симуляции переходных динамических процессов, возникающих при эксплуатации автомобиля – трогания с места, переключения передач, заноса и т.д. Измерительная система LMS SCADASTM с датчиками используется при проведении натурных и полунатурных испытаний опытных образцов мостов.
С точки зрения авиационной отрасли описанные наработки могут быть легко переложены на задачи моделирования посадки и взлета летательных аппаратов, симуляции данных процессов на пилотажных стендах за счет технологии совместного моделирования с использованием мультифизической модели шасси, взаимодействующей с динамической моделью самолёта и его системой управления.
В области аэрокосмонавтики центр компьютерного инжиниринга совместно с ключевым партнером – инженерным предприятием ООО «Адванс-Инжиниринг», решает задачу создания цифрового макета ракетного двигателя. Разработка призвана реализовать современные расчётные технологии на этапе проектирования с последующим сокращением работ на этапе натурных испытаний. Специфика задачи такова, что макет должен обеспечивать, с одной стороны, увязку основных параметров работы с учётом проектных требований – тяги, удельного импульса, высотности, компонентов топлива, а с другой стороны, учитывать все особенности работы двигателя, влияющие на его характеристики – эффективность смешения компонентов в смесительной головке, особенности теплоотдачи в рубашке охлаждения и др.
Решение такой задачи возможно путем использования упрощённых расчётных методик, увязанных в единую рабочую схему и дополненных трехмерным моделированием особенностей, не учтенных в одномерной постановке. Таким образом, макет, увязанный по основным параметрам в рамках схемы, определяет входные данные для замыкания дополнительными трехмерными расчётами. Данная схема двигателя будет реализована в LMS Imagine.Lab AmesimTM, а в части трехмерных расчётов с использованием ANSYS CFX, FloEFD или аналогичного программного обеспечения.
Центр компьютерного инжиниринга ЮУрГУ нацелен на расширение предложений инжиниринговых услуг на всех стадиях жизненного цикла изделий. В настоящий момент инженеры завершают подготовку к открытию учебного центра SIEMENS, на базе которого будет проходить переподготовка и обучение конструкторов на оборудовании и программном обеспеченими Siemens PLM Software. Открытие учебного центра SIEMENS состоится в Челябинске, в Южно-Уральском государственном университете 20 сентября.