Русский цифровой двойник авиадвигателя

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.

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».

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».

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».

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.

«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.

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.

«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».

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».