Место инструментов симуляции в жизненном цикле создания и обслуживания изделий и работе предприятий
При создании сложных технических объектов, таких как самолеты, автомобили, высотные здания нестандартного вида, нефтеперерабатывающие заводы и другие, на всех этапах проектирования зачастую внедряются нестандартные новые решения. В этом случае проверки на прочность, комфорт и качество изделия выполняются расчетными инструментами, которые в производственной части применяются для оптимизации технических процессов.
Яркий пример – аддитивные технологии, так называемая 3D-печать, позволяющая с помощью средств моделирования полностью воссоздать производственный процесс в виртуальной среде. Мы виртуально выстраиваем деталь, которую планируется напечатать, и определяем потенциальные дефекты и искажения, которые могут проявиться в процессе печати. Коррекция потенциальных несовершенств в цифровом формате позволяет с первого раза получить деталь требуемых параметров и качества. Таким образом, мы минимизируем затраты – материал на изготовление детали, рабочее время технолога и станка – и быстрее получаем готовый продукт. В этом основная цель инструментов моделирования – сокращение времени и стоимости разработки, уменьшение количества натурных испытаний, обеспечение безопасности и высокого качества изделий.
Всеобщее моделирование
В целом можно заключить, что место инструментов симуляции, иными словами имитационного моделирования, в жизненном цикле разработки – между конструкторской и проектной деятельностью и технологической частью. Необходимость в таких инструментах возникает уже после разработки структурной части, но еще до отправки спроектированных изделий в производство или на монтаж – именно тогда нужно провести верификацию данных конструкторских решений, чтобы соблюсти условия прочности, безопасности, долговечности и др.
Средства имитационного моделирования в настоящее время используются во всех научных направлениях: обеспечение прочности (прочность, усталость, трещиностойкость), гидро- и аэродинамика (воздушные, жидкостные потоки); в сферах, связанных с электромагнитными явлениями, задачами теплопередачи и др. Требования относительно качества конечного продукта, а вместе с ними и сложность инженерных задач неуклонно растут во всех сферах: например, автомобили, которые выпускались 20–30 лет назад и выпускаются сегодня, с технологической точки зрения отличаются довольно существенно. То же самое в строительстве сложных технических объектов, таких как высотные здания оригинального дизайна в сейсмоопасной зоне. Такое здание должно полностью соответствовать ряду критериев безопасности, в частности, должна быть решена сложная задача прогрессивного разрушения.
Принципы работы остались аналогичными, но необходимость внедрения новых деталей, таких как турбированные двигатели, потребовала инновационного подхода. Таким решением стали расчетные инструменты, позволяющие с высокой точностью проектировать продукты высокого качества, которые будут работать на заданном уровне, с заданным качеством, в заданный срок.
При использовании методов имитационного моделирования важно провести качественную верификацию построенных моделей. В настоящее время она осуществляется путем конечных натурных испытаний. Разумеется, цель использования расчетных инструментов в том, чтобы уменьшить количество таких испытаний до нуля, но, к сожалению, она пока не достигнута. Точность расчетов за последние годы значительно возросла, удалось сократить количество испытаний, и в некоторых областях расчетные результаты принимают в качестве сертификационного материала, однако далеко не повсеместно.
В будущем, с появлением усовершенствованного расчетного программного обеспечения возможно проектирование без прототипирования (zero-prototipe): когда мы проектируем изделие, рассчитываем параметры, проводим виртуальные испытания и они становятся сертификационной частью.
Основное назначение инструментов симуляции в том, чтобы руководство предприятия могло использовать результаты расчетов при принятии решений. Такие инструменты помогают проверять, подтверждать и обеспечивать заявленные свойства продукта, выпускать максимально сложные и качественные товары по высочайшим стандартам, достигать экономической эффективности производства, максимально сокращать сроки проектирования и количество натурных испытаний. Значимость инструментов симуляции в инфраструктуре управления современным производством растет из года в года по мере повышения требований к качеству продукции и сложности технических объектов.
Классификация решений
Существует несколько классификаций. Первая – по научным направлениям: это структурный анализ (прочность, усталость, трещиностойкость), гидрогазодинамика (все, что касается исследования потоков, газовых или жидкостных), электромагнетизм, многотельное моделирование (multibody simulation).
Вторая классификация основана на моделировании процессов на макро- и микроуровне. На микроуровне имитируется поведение материала вплоть до молекулярной ступени. На макроуровне изучается характер детали, моделируется поведение сборок с несколькими деталями, соединенными между собой.
Третья классификация – это отдельно стоящие и сопряженные расчеты, когда одновременно производится расчет, например, прочности и гидрогазодинамики. Яркая иллюстрация – аэроупругость, при которой структурные изменения конструкции влекут за собой изменение аэродинамических характеристик, а изменение аэродинамических характеристик, в свою очередь, меняет результаты структурного анализа.
Инструменты бренда SIMULIA нашей компании охватывают все классификации и научные направления. Dassault Systèmes помимо непосредственно расчетных инструментов предоставляет руководству предприятий возможность отслеживать связи между расчетами, конструкторскими разработками и технологическими решениями на базе платформы 3DEXPERIENCE. Благодаря платформе топ-менеджмент может принимать оптимальные решения на основе ряда полученных результатов.
Потребности
Расчетные инструменты будут эффективны для всех компаний – разработчиков негабаритной продукции, а также тех, кто предоставляет сервисное обслуживание, однако в России в этой сфере они пока редко используются. При этом даже у одного производителя инструментов моделирования есть целый набор продуктов, каждый из которых нацелен на решение комплексных и нестандартных задач в различных отраслях. Например, одно решение может быть создано для расчетов структурной прочности (усталости или трещиностойкости), другое – моделирует гидрогазодинамические процессы, третье – выполняет все виды расчетов для исследования электромагнитных явлений.
В частности, требования безопасности в аэрокосмическая отрасли крайне высоки, поэтому точность и надежность расчетов не должны ставиться под сомнение. Среди наших заказчиков есть и Boeing, и Airbus – крупнейшие производители самолетов, а также производители авиационных двигателей, относящихся к самым сложным объектам, разработанным человеком за всю историю.
Имитационное моделирование необходимо и в горнодобывающей отрасли. Геомеханические исследования очень сложны, и в мире не так много расчетных инструментов, которые на высоком уровне могут выполнять сложное моделирование за короткий срок. Есть решения, которые позволяют сократить моделирование и механический расчет нефтяного месторождения в несколько раз. Кроме того, решениями для имитационного моделирования пользуется множество заказчиков из шинной индустрии, судостроения, медицины.
Расчетные инструменты наиболее эффективны в проектировании сложных технических объектов: они позволяют уменьшить как сроки, так и стоимость проектирования. Для окупаемости любому производителю важно, чтобы в течение гарантийного срока ему не пришлось тратиться на обслуживание изготовленного продукта. Тем не менее следует понимать, что не всегда подобные решения окупаются напрямую. Например, коммерческий успех ABAQUS объясняется его сильным математическим аппаратом, позволяющим решать задачи, которые требовали бы совместного использования сразу нескольких интегрированных между собой инструментов.
Заключение
При рассмотрении тенденций развития инструментов для имитационного моделирования не стоит жестко разделять мировой и российский рынки: вероятно, в определенных сферах производства российские разработчики действительно отстают от зарубежных, но в целом следуют ведущим трендам. Основная тенденция сегодня как в России, так и за рубежом – совершенствование математического аппарата для повышения точности и качества результатов. Кроме того, прослеживается тренд на интеграцию различных расчетных инструментов в единые платформы и даже в один интерфейс. Также все чаще производители объединяют решения с системой PLM и расширяют функционал для выполнения мультифизических задач. Появляется множество возможностей для сопряженных расчетов, которые позволяют совместно выполнять структурный расчет и многотельное моделирование для получения более высокого результата.
В целом конкуренция на рынках производственных продуктов и программного обеспечения обостряется, все компании стараются нарастить количество клиентов. Российские производители пока проигрывают зарубежным по причине того, что не привыкли активно вкладываться в развитие расчетных инструментов и выделять средства на их поддержку. Тем временем такие инвестиции приняты у зарубежных компаний и крайне важны. Во-первых, эти средства окупаются за счет выпуска наиболее совершенного продукта. Во-вторых, позволяют производителям экономить на сервисном обслуживании: им не приходится выполнять гарантийные обязательства, соответственно они не задействуют персонал и производственные мощности, сокращая расходы. Благодаря этому компания обретает хорошую репутацию и доброе имя, что, в свою очередь, дает возможность выпускать более дорогие и сложные изделия, поскольку потребители уверены в качестве, удобстве и надежности товаров.
Некоторые российские разработчики постепенно наращивают арсенал расчетных инструментов и инвестируют в их поддержку, но конкурировать с зарубежными лидерами индустрии, разумеется, пока еще сложно. Например, некоторые решения нашей компании имеют историю развития и выполнения прикладных задач продолжительностью около 40 лет, и новым продуктам непросто нарастить аналогичный функционал, экспертизу и репутацию.
