Инновации 10 января 2023

Русский цифровой двойник авиадвигателя

В России разрабатываются материалы для обучения специалистов авиадвигателестроительной отрасли на основе отечественных систем проектирования, инженерных расчетов и анализа
Русский цифровой двойник авиадвигателя
ЦИАМ и РГАТУ имени П.А. Соловьева разработают учебный демонстратор «цифрового двойника» с использованием отечественного ПО
ascon.ru

Четырехстороннее соглашение о сотрудничестве заключили Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт им. Н. Е. Жуковского»), разработчики программного обеспечения компания — национальный чемпион АСКОН и НТЦ АПМ, а также Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева (РГАТУ).

В планах — подготовить учебные материалы и специализированные курсы на основе созданного в ЦИАМ демонстратора цифрового двойника (ЦД) в облике малоразмерного газотурбинного двигателя. В этих материалах и курсах будет максимально использоваться отечественное инженерное программное обеспечение (CAD/CAE-системы), чтобы технологическая независимость отрасли закладывалась еще на этапе подготовки кадров. CAD — Computer Aided Design (система автоматизированного проектирования, САПР), CAE — Computer-Aided Engineering.

«Несколько лет назад компания АСКОН совместно с коллегами по консорциуму “РазвИТие” приняла стратегическое решение идти по пути создания программного PLM-комплекса тяжелого класса. В наших продуктах появилась функциональность, необходимая для проектирования газотурбинных двигателей, и она начинает активно внедряться как на производстве, так и в образовании. Этот пример импортоопережения поможет отрасли стать технологически независимой», — рассказал «Стимулу» директор по маркетингу решений CAD/AEC АСКОН Дмитрий Гинда.


ГИНДА.jpg
Директор по маркетингу решений CAD/AEC компании АСКОН Дмитрий Гинда
Пресс-служба компании АСКОН

Разработкой демонстратора в ЦИАМ занимается отдел цифрового сопровождения жизненного цикла ГТД, который был создан в 2019 году с целью исследования и развития технологии цифровых двойников авиационных двигателей. Разработанный демонстратор ЦД базируется на малоразмерном газотурбинном двигателе упрощенной конструкции. Такой подход позволяет в достаточно короткие сроки проводить исследования в области цифровых двойников, анализировать их новые возможности, уменьшать трудоемкость работ. Все CAD- и CAE-модели, используемые внутри демонстратора, полностью параметризованы. Автоматизированы процессы их модификации, анализа и взаимодействия между собой, формализована и структурирована логика проектирования двигателя, лежащего в основе демонстратора ЦД.

Упрощенная конструкция, сформированный набор полностью параметризованных моделей и расчетных цепочек, а также структурированная логика проектирования предоставляют хорошие тестовые примеры для оценки возможностей отечественных CAD- и CAE-систем, их дальнейшей доработки и улучшения. Разработки в рамках сотрудничества будут выполнены в РГАТУ и ЦИАМ и доступны для тиражирования в российских вузах и центрах повышения квалификации.

Есть слона по частям

«Возможность использования отечественного программного обеспечения в демонстраторе закладывалась изначально, — рассказал “Стимулу” генеральный директор ЦИАМ Андрей Козлов. — Но, несмотря на упрощенные подходы и конструкцию, лежащую в основе демонстратора ЦД, его создание с учетом требования полной автоматизации все равно достаточно трудоемкая и сложная задача, требующая привлечения высококлассных специалистов. Поэтому мы решили сначала сделать некоторый рабочий прототип на базе обширного опыта ЦИАМ. Работа заняла два года и до сих пор продолжается. Но где-то в середине мая 2022-го у нас появилось некоторое законченное и прошедшее тестирование решение, которое можно было начать реализовывать частями в отечественных программных комплексах. В это же время в Рыбинске прошел Восьмой Международный технологический форум “Инновации. Технологии. Производство”, где наши сотрудники познакомились с разработчиками отечественного ПО из компании АСКОН, рассказали им о демонстраторе ЦД, который создается в ЦИАМ, предложили начать сотрудничество, и они с радостью приняли наше предложение».

magnifier.png Упрощенная конструкция, сформированный набор полностью параметризованных моделей и расчетных цепочек, а также структурированная логика проектирования предоставляют хорошие тестовые примеры для оценки возможностей отечественных CAD- и CAE-систем

Как отметил в беседе со «Стимулом» проректор по науке и цифровой трансформации РГАТУ Александр Сутягин, в университете еще несколько лет назад тоже задумывались над тем, чтобы выполнить разработку ГТД на базе отечественного программного обеспечения. Однако для выполнения этой задачи в полной мере у вуза тогда не было необходимых лицензий на отечественный софт. Поэтому в РГАТУ сразу же согласились, когда коллеги из ЦИАМ и АСКОН предложили разработать специализированные курсы на базе учебного демонстратора цифрового двойника с использованием отечественного ПО, такого как APM FEM, APM WinMachine, Kompas Flow, FlowVision, «Компас-3D», «Лоцман: PLM», тем более что это входит в планы стратегии развития университета до 2030 года.

«Сейчас мы только в начале пути, — говорят в ЦИАМ. — Часть моделей уже передана, другие ждут своей очереди, так как из-за сложности задачи мы решили “есть слона по частям”. Каждую неделю у нас проводятся совместные совещания, на которых мы делимся результатами и обсуждаем возникшие проблемы».


КОЗЛОВ.jpg
Генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова Андрей Козлов
Пресс-служба ЦИАМ

Разработать цифровой двойник

Авиационный двигатель — один из самых сложных технических объектов, разработка полноценного цифрового двойника современного двигателя занимает несколько лет. Первые шаги к созданию ЦД — это структурирование огромной совокупности CAD- и CAE-моделей разного уровня сложности, формализация этих моделей и подходов, их группировка согласно логике проектирования и основным этапам жизненного цикла. Другим направлением является аналогичное структурирование и формализация совокупности требований и документов, регулирующих жизненный цикл изделия (ТЗ, нормы прочности, авиационные правила (АП-33) и так далее), и интеграция этих требований с расчетными моделями в рамках цифровой платформы. Это очень сложные и трудоемкие работы, которые необходимы для дальнейшего освоения технологии ЦД.

«ЦИАМ принимает активное участие в разработке ЦД для отечественных двигателей совместно с АО ОДК, — рассказывает Андрей Козлов. — И основная идея создания демонстратора ЦД — исследовать возможности, плюсы и минусы нового подхода к цифровизации, а также опережающее определение возможных эффективных и неэффективных направлений развития технологии ЦД. Для этого в качестве основы демонстратора ЦД выбран малоразмерный ТРД упрощенной конструкции. Такая тактика позволяет использовать уже хорошо изученные и общепринятые подходы к моделированию, а благодаря простоте конструкции — сосредоточиться на интегральных проблемах, таких, например, как автоматизированное сквозное проектирование с использованием технологий многодисциплинарной оптимизации (МДО) и ЦД».


СУТЯГИН.jpg
Проректор по науке и цифровой трансформации Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева Александр Сутягин
Предоставлено Александром Сутягиным

Как обеспечить прочность

В проект по созданию демонстратора цифрового двойника газотурбинного двигателя для обеспечения прочности его элементов привлекли специалистов НТЦ АПМ и разработанные в этой компании программные продукты APM FEM и APM WinMachine. Программное обеспечение НТЦ АПМ позволяет производить различные виды инженерных расчетов, востребованные в авиационном моторостроении. Важно отметить, что реализованы связки с программным обеспечением «Компас-3D» компании АСКОН, а также Flow Vision компании ТЕСИС. Это повышает степень автоматизации расчетных работ.

Элементы авиационного двигателя работают в непростых условиях, подвергаясь разного рода нагрузкам: изменению температуры (из-за неравномерного нагрева различных частей), воздействию центробежных сил, возникающих в лопатках и дисках при вращении роторов, аэродинамических сил и внутреннего давления в тракте двигателя, а также динамическим нагрузкам в виде колебаний валов и оболочек в определенных режимах работы. В таких сложных условиях необходимо гарантировать требуемые характеристики двигателя во всех режимах функционирования.

magnifier.png Авиационный двигатель — один из самых сложных технических объектов, разработка полноценного цифрового двойника современного двигателя занимает несколько лет

«Программные продукты под общей торговой маркой APM имеют широкий набор инструментов, которые позволяют выполнить расчеты динамики и прочности деталей машин и механизмов, конструкций, а также провести мультифизический анализ, когда напряженно-деформированное состояние объекта зависит от теплового нагружения и давления потоков газа или жидкости, — рассказал “Стимулу” заместитель генерального директора по развитию НТЦ АПМ Сергей Розинский. — Все это даст возможность моделировать комплексное действие нагрузок на двигатель и получать результаты в виде цветовых карт распределения напряжений, перемещений, температур и так далее, по которым делается вывод о рациональности выбранных конструктивных решений».

По словам участников проекта, использование программных продуктов НТЦ АПМ играет важную роль при решении задач прочности в рамках цифрового двойника малоразмерного газотурбинного двигателя. Путем изменения геометрии параметризованных элементов в системе автоматизированного проектирования «Компас-3D» обучающиеся смогут получить представление о поведении конструкции при совокупном действии всех физических факторов, а также о влиянии полученных результатов на дальнейшую оптимизацию изучаемого объекта.


РОЗИНСКИЙ.jpg
Заместитель генерального директора по развитию НТЦ «АПМ» Сергей Розинский
НТЦ «АПМ»

Программы национального чемпиона

Идея применения демонстратора ЦД в области образования изначально рассматривалась при его создании, так как это позволяет включить в обучающие курсы интегральное представление о двигателе и технологии ЦД на простом и понятном примере, а также о месте и роли частных задач проектирования и моделирования в общей постановке проблемы разработки двигателя. Глубокое изучение всего спектра программ, применимых при разработке двигателя, займет больше времени, чем сам срок обучения студента. Параметризация и автоматизация дают студентам возможность сосредоточиться на одном программном комплексе, в котором происходит обучение. При этом остальные модели могут использоваться в качестве «черных ящиков». Другим направлением может стать изучение общей структуры документов, управляющих жизненным циклом изделия, способов их применения и связи с расчетными моделями. Ну и, конечно же, демонстратор ЦД ляжет в основу учебных курсов по автоматизации и оптимизации с использованием различных сред программирования или внутренних языков программирования, встроенных в программные комплексы.

magnifier.png Параметризация и автоматизация дают студентам возможность сосредоточиться на одном программном комплексе, в котором происходит обучение. При этом остальные модели могут использоваться в качестве «черных ящиков»

«Спектр возможностей внедрения в учебный процесс разработок, связанных с цифровым двойником, сейчас очень широк, поскольку цифровизация все больше проникает и в образовательный процесс, и в инженерное дело, — говорят в РГАТУ. — Мы считаем, что базовыми знаниями в области цифровых компетенций должны владеть специалисты всех направлений. Это означает, что разработки найдут применение в первую очередь в рамках направлений подготовки “Двигатели летательных аппаратов”, “Проектирование авиационных и ракетных двигателей”, “Техническая физика”, “Проектирование технологических машин и комплексов”, “Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств”».

Подходы и принципы, лежащие в основе разрабатываемого в ЦИАМ демонстратора ЦД в облике малоразмерного газотурбинного двигателя, будут использоваться в дополнительных профессиональных программах повышения квалификации, реализуемых в Учебном центре ЦИАМ для специалистов отраслевых предприятий в рамках направления «Численное моделирование, оптимизация, цифровое проектирование».


ЧЕРНЯДЬЕВА.jpg
Руководитель образовательной программы компании АСКОН Ольга Чернядьева
Пресс-служба компании АСКОН

Стоит отметить, что подготовкой специалистов в этой области занимаются не только учебные заведения и научные институты, большой вклад вносят и компании — разработчики ПО. Так, образовательная программа национального чемпиона АСКОН охватывает все этапы становления будущих инженеров — высшее и дополнительное образование, среднее профессиональное образование, школы, кванториумы, центры детского технического творчества. «Студенты и школьники, — рассказывает руководитель образовательной программы АСКОН Ольга Чернядьева, — получают бесплатные лицензии программного обеспечения для 3D-моделирования, создания чертежей, разработки технологических процессов. Ежегодно мы проводим конкурс “Цифровой инженер”, где ребята представляют свои творческие и учебные проекты, а преподаватели — методические наработки, уроки по применению программных продуктов в различных инженерных задачах. Сейчас как раз идет прием работ на конкурс. Кроме того, АСКОН участвует в организации инженерных классов, передает программное обеспечение для их оснащения. Недавно в Калининграде состоялось открытие космических классов, где мы выступили партнером. Поддерживаем чемпионаты профессионального мастерства всех уровней — от юниорских до корпоративных».

Темы: Инновации

Еще по теме:
06.02.2023
Российские ученые создают новые биосенсоры, которые будут измерять основной показатель качества воды — биохимическое пот...
01.02.2023
Российское правительство утвердило дорожную карту «Новое индустриальное программное обеспечение». Этот документ стал рез...
27.01.2023
Первокурсники НГТУ НЭТИ научили мобильные телефоны следить за сахаром в крови пользователя
25.01.2023
Созданный Ассоциацией национальных чемпионов Комитет по инновационной фармацевтике будет заниматься технологическим разв...
Наверх