Без сопромата очень опасен

В последнее время инженерно-техническая общественность России активно обсуждает две темы: проблемы инженерного образования и его наполнения и проблемы современного инжиниринга.

В «Стимуле» эти проблемы уже затрагивались в интервью ректора Сколковского института науки и технологий академика РАН Александра Кулешова , вызвавшем большой резонанс, в интервью генерального директора компании «Миландр» Михаила Павлюка , в статье вице-президента НИУ ВШЭ Игоря Агамирзяна  и в интервью генерального директора компании «Топ Системы» Сергея Кураксина .

Алексей Боровков — специалист, который сочетает работу в обеих этих сферах. Он проректор по перспективным проектам Санкт-Петербургского политехнического университета, научный руководитель Института передовых производственных технологий и руководитель Центра компьютерного инжиниринга (CompMechLab), который вошел в список национальных чемпионов — компаний, которые отмечены Минэкономразвития как лидеры среди быстроразвивающихся высокотехнологических компаний.

Центр компьютерного инжиниринга — исполнитель многих разработок в интересах грандов мирового машиностроения (ABB, Airbus, Audi, Boeing, BMW, Daimler, General Electric, General Motors, LG Electronics, Schlumberger, Volkswagen, China Nuclear Power Corporation и др), а также многих российских корпораций и компаний («Ростех», «Росатом», «Газпром», Объединенные авиастроительная корпорация, Объединенная двигателестроительная корпорация, Объединенная судостроительная корпорация, Объединенная ракетно-космическая корпорация, «Силовые машины», КамАЗ, АвтоВАЗ и многих других.

Алексей Иванович соруководитель рабочей группы по разработке и реализации «дорожной карты» TechNet Национальной технологической инициативы, в которой основное значение отводится формированию «фабрик будущего».

Мы встретились с Алексеем Ивановичем, чтобы обсудить обе эти темы: инженерное образование и развитие инжиниринга. В результате наша беседа фактически распалась на две самостоятельные части. Одна посвящена образованию, другая — инжинирингу. Сегодня мы публикуем первую часть, вторую представим вниманию читателей через несколько дней.

— Какую роль в современном инженерном образовании играют традиционные инженерные дисциплины, скажем, сопромат? Есть точка зрения, что современному инженеру все заменяет компьютер.

— Конечно, есть разделы в разных дисциплинах, которые, скорее, представляют сейчас интерес как часть общего образования, общей инженерной культуры. Может быть, представляют интерес с позиций истории науки и техники. Например, в 1950–1980-е годы было очень популярно операционное («символическое») исчисление, позволяющее в простейших практических случаях решать достаточно сложные математические задачи. Нам его на легендарном физмехе питерского Политеха преподавали чуть ли ни целый семестр. Это был период развития науки с общим увлечением строгими аналитическими методами решения задач на основе простых математических моделей. Сейчас операционное исчисление практически не применяется. То есть можно утверждать, что некоторые разделы математики со временем теряют свою актуальность для инженеров, более актуальными и востребованными становятся другие направления.

С другой стороны, есть базовые дисциплины, такие как сопротивление материалов (популярный термин — сопромат) или теоретическая механика, которые являются неотъемлемым фундаментальным элементом хорошего инженерного образования. Конечно, можно все описать сложными уравнениями в частных производных в рамках таких научных областей, как теория упругости, механика деформируемого твердого тела, механика сплошной среды, уйти в чистую математику (сингулярные интегральные уравнения и так далее), но тогда есть большой риск, что инженер не будет понимать, что же скрывается за этими уравнениями, не будет понимать сложное поведение механических конструкций, которые нас окружают и которые мы используем ежеминутно в своей жизни, зачастую не отдавая себе в этом отчет. Отмечу, что, употребляя термин «конструкция», мы говорим обо всем широком спектре реальных объектов: машины, установки, приборы, сооружения, технические системы и прочее.

Возвращаясь к сопромату, можно утверждать, что он позволяет нам понимать, как ведет себя материал в тех или иных типичных ситуациях нагружения. Подчеркну, сопромат — это элемент культуры инженера, если это выкинуть, то как он вообще узнает о том, что есть различные типы нагружения, простейшие типы напряженного состояния, например, растяжение и сжатие (растянутые и сжатые волокна), поперечный или продольный сдвиг, кручение, изгиб, сложный изгиб? Простейшие примеры из сопромата это очень хорошо иллюстрируют. Конечно, сопромат — это значительное упрощение, но во многих науках мы очень многое начинаем понимать, изучая простые примеры, цепочку специально подобранных примеров.

— Наверное, речь идет не только о сопромате?

— Точно так же инженер должен понимать физику процессов, происходящих в конструкциях. Недостаточно знать уравнения математической физики, описывающие физические явления с помощью математических моделей; как правило, это уравнения в частных производных — например, для решения задач нестационарной нелинейной теплопроводности, теории упругости, гидродинамики или электромагнитных явлений, электромагнитного взаимодействия. Все коэффициенты, присутствующие в этих уравнениях, получаются экспериментальным путем и имеют определенный физический смысл. И очень полезно научиться получать численные решения тех задач, которые имеют аналитическое решение. Решая задачи численно для разных простейших ситуаций, разделяя сложные нестационарные нелинейные явления на составляющие, мы фактически формируем интуицию инженера; более того, на численном решении простых задач, имеющих аналитическое решение, можно отработать фундаментальные вычислительные навыки, например эффекты практической сходимости численных результатов к точному аналитическому решению. Затем, постепенно усложняя модель, ты начинаешь понимать или даже чувствовать физический смысл каждого нового вводимого элемента, например коэффициента Пуассона или, в теории упругости, применимость и ограниченность принципа Сен-Венана, которым мы обычно пользуемся при аналитическом решении простых задач. Главное, ты начинаешь чувствовать и понимать, как это все работает.

Анализ фермы. Метод узлов. Фермы используются для поддержки крыш, укрепления мостов или поддержки башенных опор. Основной вопрос: зачем анализировать ферму? Если вы хотите спроектировать элементы фермы и ее узлы правильно, то должны четко знать, какую нагрузку несет каждый элемент фермы при определенной нагрузке 

 Этим глубоким пониманием российские инженеры как раз и отличаются от индусов, например, которые зачастую не знают этих наук. Они научились быстро строить сложные геометрические модели, но эти модели они рассматривают как геометрические объекты, состоящие из простейших «кирпичиков» (треугольники, четырехугольники, кубики, тетраэдры, призмы) — конечных элементов, имеющих, как правило, криволинейные рёбра, поверхности. А мы понимаем, что, например, при численном решении динамических задач есть условие Куранта, выполнение которого необходимо для получения устойчивого численного решения системы дифференциальных уравнений в частных производных. Более того, мы понимаем, что для получения корректного решения шаги «по времени» и «по пространству» взаимосвязаны. Об этом, кстати, забывают или попросту не знают многие экономисты.

Короче говоря, для решения сложных реальных задач, в которых скрывается много физических явлений и процессов, нужно хорошо понимать эти явления и процессы, нужно понимать и уметь «строить» корректные математические модели, начиная с простого и переходя к сложному, а эти знания, умения, навыки приобретаются и отрабатываются исключительно при изучении базовых дисциплин, таких как сопротивление материалов, теоретическая механика, математическая физика.

Далее, конечно, важно понимать, что для кого-то сопромат — это вершина, вспомним: «Сдал сопромат — можешь жениться», — а для кого-то, точнее для инженеров, которые обеспечивают нам комфортные условия существования в настоящем или уже сейчас формируют будущее, это лишь первая, простейшая ступенька в понимании сложных явлений и процессов, формирующая общую инженерную культуру, если хотите, мировоззрение, мироощущение… Название дисциплины «сопротивление материалов» — это, скорее всего, дань уважения истории, конечно, сегодня сопромат — это «механика материалов и конструкций». Да, простейших моделей материалов и элементов конструкций, но это фундамент устойчивого развития в области высокотехнологичной промышленности.

— Те, кто говорит, что сопромат не нужен, считают, что все то, о чем вы рассказываете, уже заложено в программе…

— Конечно, сейчас есть современные программные системы компьютерного инжиниринга (Computer-Aided Engineering, CAE), которые позволяют достаточно быстро и правильно решать самые сложные задачи. Но если использовать их без глубокого знания и понимания основ, то возникает риск, что ты превращаешься в человека, который ловко стучит по клавишам компьютера, запускает программу, и дальше свято верит в ту картинку, тот результат, который выдала программа, но, с одной стороны, не способен оценить адекватность и точность полученного численного решения, а с другой — не в состоянии поставить реальную задачу, как правило сложную задачу, не понимая всех тонкостей, о которых мы говорили ранее.

К чему приводят ошибки проектировщиков... 

 Если ты эти задачи не решал, что называется, ручками, на пальцах, не писал эти формулы и не видел, что здесь у нас растягивающее напряжение, здесь — сжимающее напряжение, не знаешь, например, что, когда ты увеличиваешь нагрузку, то при превышении интенсивностью напряжений предела текучести материала образуются зоны пластических деформаций, более того, при дальнейшем увеличении нагрузки может сформироваться «пластический шарнир», который и изучают в сопромате, — если ты этого не знаешь, не чувствуешь, не изучал на простых примерах, то для тебя многие эффекты, возникающие в процессе решения сложных задач, могут оказаться неожиданными и необъяснимыми. Ты встретил эффект, который раньше ты не описывал с помощью формул, изучая базовые дисциплины, ты должен в этом быстро разобраться, но для этого у тебя не хватает базового, фундаментального физико-математического образования, ты пропускаешь этот момент, идешь за компьютер снова стучать по клавишам, получаешь — и пропускаешь без объяснения и изучения новый эффект, потом следующий… 

Естественно, не научившись быстро и правильно, с пониманием решать простые задачи, тебя просто нельзя пускать дальше решать сложные задачи, ты становишься просто опасен, опасен для общества, для окружающих. Почему? Да потому, что конструкции — это и стулья, на которых мы сидим, и автомобили, в которых мы ездим, и дома, в которых мы живем, и мосты, и поезда, и корабли, и подводные лодки, и самолеты, и ракетно-космическая техника, наконец.

— А для какого уровня инженерной пирамиды они нужны? Для инженеров всех уровней, то есть это базовая подготовка, или только для творцов?

— Подчеркну, не очень представляю любого инженера без сопромата, как и без математики, без физики. Более того, в этом случае я бы его даже не называл инженером. Скорее я его могу представить без глубоких знаний нелинейной механики деформируемого твердого тела, потому что большинству инженеров придется решать линейные задачи и задачи теории колебаний, которые, собственно, и рассматриваются в базовых дисциплинах — в сопромате и в теории колебаний.

Если мы говорим об инженерах по эксплуатации высокотехнологичного оборудования, такого как многофункциональные многокоординатные станки с числовым программным управлением, сочетающие на единой платформе наряду с традиционными видами обработки еще и аддитивные технологии, скажем лазерное выращивание металлических деталей, то, если выкинуть из их образования такие базовые дисциплины, как сопротивление материалов, математическая физика, теория колебаний и другие, то, скорее всего, в процессе работы из-за непонимания таким «инженером» происходящих физико-механических процессов могут возникать разного рода неожиданности. Если все эти «тонкости» откинуть, то это, конечно, не инженер, это оператор, который нажимает кнопки.

Повторю, сопромат вырабатывает, так же как математическая физика, теория колебаний, некие первичные, основные элементы интуиции. Это очень важно для инженера. Если он изучал базовые дисциплины, то можно быть уверенным, что он не сделает и не пропустит какую-то глупость. У него появляется уверенность, что он может взять ручку и, написав простейшие формулы, сделать оценку, а не сразу начнет городить сложные численные схемы, сложные программы, наконец, применять суперкомпьютеры. Чем больше инженер понимает, чувствует, как ведет себя конструкция, тем лучше он ее спроектирует и будет понимать, как она работает.

— Это еще и вопрос кругозора. Инженер Степан Тимошенко, эмигрировавший после революции…

— Я как раз представляю тот факультет, в основание которого заложены его идеи — физмех питерского Политеха. Вообще говоря, именно этот факультет, «система физмеха», послужил основой для создания московского Физтеха. Тимошенко Степан Прокофьевич учился вместе с Абрамом Федоровичем Иоффе до шестого класса. Один из них, Тимошенко, в 1918 году эмигрировал и фактически создал прикладную механику в США, другой, Иоффе, создал советскую школу физики. Отдыхая в 1911 году в Крыму, они написали первый учебный план выдающегося факультета, который должен был взять все самое лучшее с точки зрения наук из «мехматов и физфаков», но не потерять прикладную инженерную направленность. Этот факультет во многом легендарный. В итоге он был образован в 1919 году, первым заместителем декана был Петр Леонидович Капица, который закончил наш Политехнический институт. А в президиум физмеха входили физик Абрам Федорович Иоффе, кораблестроитель, механик, математик Алексей Николаевич Крылов, теплофизик Михаил Викторович Кирпичев — впоследствии все академики. Потом, спустя четверть века, Петр Капица, творчески переработав идеи, заложенные при создании физмеха, использовал их при создании физико-технического факультета МГУ, который через пять лет был преобразован в МФТИ в Долгопрудном.

Говоря о физмехе, достаточно вспомнить атомный проект, в результате которого была создана советская атомная бомба. Конечно, в работе над атомным проектом СССР участвовали сотни тысяч людей. Однако к 1953 году лишь пятеро из них были первыми в СССР удостоены званий трижды Героев Социалистического Труда и трижды лауреатов Сталинской премии первой степени: Игорь Васильевич Курчатов  — научный руководитель атомного проекта; Юлий Борисович Харитон — Главный конструктор атомного и термоядерного оружия; Кирилл Иванович Щёлкин  — первый заместитель Главного конструктора; Яков Борисович Зельдович  — начальник теоретического отдела; Николай Леонидович Духов — заместитель Главного конструктора. Так вот, все эти ученые и инженеры тесно связаны с физмехом и питерским Политехом, учились или работали в Политехе и Физико-техническом институте, их всех объединил академик Абрам Иоффе — один из создателей легендарного факультета. Я тоже закончил этот факультет.

С физмехом питерского Политеха и ЛФТИ связаны имена многих представителей научно-инженерной элиты, создавших школы и участвовавших в реализации важнейших технологических проектов страны

Источники: Wikipedia, ras.ru, spacegid.com, biblioatom.ru

— Я вспомнил о Тимошенко, потому что в своей книге он пишет, что русский инженер отличался от американского именно широтой кругозора и способностью решать любые задачи. Это очень помогло им в эмиграции.

— Да, это так, мы принадлежим к той научной школе, для которой такое фундаментальное образование — ключевой элемент.

К сожалению, в настоящее время проблема нашего высшего инженерного образования не в том, что у нас продолжают преподавать сопромат и другие традиционные инженерные дисциплины. Основная проблема современного российского инженерного образования в том, что на старших курсах магистратуры, где читают прикладные курсы, работают преподаватели, которые последние пять, а то и двадцать лет не работали с высокотехнологической промышленностью. Отсюда преподавание устаревших подходов, методов, технологий. Преподаватели зачастую не знают, не понимают, наконец, попросту не успевают за глобальными трендами, уровнем и темпами развития передовых технологий, в первую очередь технологий компьютерного инжиниринга, которые с каждым годом становятся все более наукоемкими и мультидисциплинарными, играют все более важную роль в процессе проектирования глобально конкурентоспособной продукции нового поколения, в том числе с применением аддитивных технологий, других передовых технологий и нового высокотехнологичного оборудования.

Часто мне задают вопрос, можно ли в рамках системы бакалавриата и магистратуры подготовить инженера. Можно. Для этого не надо пытаться в программу подготовки бакалавра запихать все инженерное образование, нужно понимать, что бакалавр и магистр — это две различные ступени образования. А у людей, которые почувствовали, что они никогда не будут инженерами, есть возможность сменить направление обучения. И это с точки зрения и обучающегося, и государства, хорошо, оно не тратит лишние деньги на обучение инженера, который никогда не будет работать инженером.

Тем более что, хотя в среднем каждый год в России выпускается около 250 тысяч инженеров, из них лишь примерно 50 тысяч работают по специальности. В первую очередь это связано с тем, что многие во время обучения просто почувствовали, что это не их дело.

Я бы вообще предложил рассматривать как более рациональную систему подготовки (2 + 2) + 2, когда есть возможность изменить направление подготовки уже в магистратуре, особенно с учетом реального состояния кафедр в университетах. И вообще, такая гибкая образовательная траектория была бы чрезвычайно полезна, по крайней мере для лучших, мотивированных и талантливых студентов, которые, возможно, ошиблись с первоначальным выбором направления подготовки или уже в процессе обучения разобрались с реальной ситуацией в университете, а не на основе рекламных буклетов. Это особенно важно для иногородних студентов.

Нужно понимать, что инженеры бывают трех уровней. Часто говорят, что мы потеряли среднее техническое образование, но за последние годы так усложнилось высокотехнологичное оборудование, что его обслуживание требует как минимум бакалаврского уровня образования. Я бы назвал тех, кто этим занят, инженерами по эксплуатации высокотехнологичного оборудования. И их требуется примерно 20–25 процентов всего инженерного корпуса.

Второй уровень этой пирамиды самый большой. Он составляет примерно 70 процентов всех инженеров — это традиционные инженеры-конструкторы, расчетчики, технологи, программисты, экономисты, наконец, маркетологи технических систем и так далее.

Третья часть корпуса инженеров, и я бы сказал, что ее выпуск — самая важная цель системы инженерного образования, — это от пяти, но не более десяти процентов общего количества инженеров. Это, как я его называю, инженерный спецназ, это инженеры, которые обладают компетенциями мирового уровня. Они должны иметь очень хорошую фундаментальную физико-математическую подготовку, очень хорошую техническую подготовку, включая подготовку по информационным и вычислительным технологиям. Это те, кто реально сможет создавать что-то действительно новое, особенно в условиях жесткой конкуренции, если иметь в виду глобальную конкуренцию на высокотехнологических рынках. Все остальные в какой-то мере исполнители, помощники — квалифицированные, но помощники. Как подготовить «инженерный спецназ»? Исключительно в процессе выполнения реальных проектов в магистратуре, проектов по заказам высокотехнологических компаний — это фактически подготовка магистров, а по сути инженеров, в процессе выполнения реальных НИОКР.