Технологии разработки и применения цифровых двойников (Digital Twin) изделия или продукции в приоритетных отраслях промышленности
Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).
Срок реализации: 2020-2025 гг.
Исполнитель: Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ ЦКИ)
Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты
В 2020 году
1. Двигателестроение.
разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам, конструкциям и агрегатам ГТД, а также основным физико-механическим и технологическим / производственным процессам в двигателестроении.
1.1.1 Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.
В рамках направления научных исследований разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам, конструкциям и агрегатам газотурбинного двигателя (ГТД), а также основным физико-механическим и технологическим / производственным процессам в двигателестроении.
Для повышения качества, принимаемых инженерных и управленческих решений, сокращения сроков и затрат на достижение оптимальных результатов цифрового двойника, были созданы методики моделирования и виртуальные испытательные стенды (ВИС), позволяющие моделировать различные технологические этапы производства деталей двигателя.
Разработаны виртуальные испытательные стенды для моделирования ряда производственных процессов: механической обработки материалов резанием, сварки, обработки металлов давлением, термообработки. Результаты моделирования производственных процессов представлены на рисунках 1.1-1.4.
Разработанные виртуальные стенды позволяют моделировать различные технологические этапы производства деталей двигателя, проводить валидацию результатов расчетов технологических процессов по экспериментальным данным, и учитывать индивидуальные особенности производства каждой детали. Кроме того, на основе получаемых результатов возможно проведение оценки эффективности применяемых маршрутов производства с точки зрения качества и стоимости получаемых изделий.
|
|
Рисунок 1.1 – Результаты моделирования процесса горячей штамповки на примере детали типа «Шестерня»
|
|
|
Рисунок 1.2 - Результаты моделирования процесса термической обработки на примере детали типа «Шестерня»
|
|
|
Рисунок 1.3 - Результаты моделирования механической обработки детали точением.
|
|
|
Рисунок 1.4 - Результаты моделирования процесса электродуговой сварки на пластине.
|
1.1.2 Сопоставление разработки моделей и полученных результатов по направлению двигателестроения с мировым уровнем.
В настоящее время работы, связанные с развитием концепции «цифровых двойников», ведутся по всему миру. Ведущие компании-производители ГТД, такие как Honeywell, GE, Siemens, а также производители ПО в лице Ansys, Altair, Dassault осуществляют разработку платформ создания и развития цифровых двойников. Основными направлениями в этих работах является технология мониторинга механизмов «в реальном времени» и предсказание их поведения при изменении параметров работы, или же планирование структуры производства. При этом практически не представлен спектр работ, связанный с созданием цифровых двойников технологии изготовления, которые бы учитывали историю производства ГТД.
В проведенных работах предпринята попытка создания подобного комплекса взаимосвязанных ВИС технологических этапов производства деталей, объединенных с помощью сквозного системного моделирования в технологические маршруты, и размещенных на базе единой цифровой платформы. Данная система проектирования позволяет дать наиболее точный прогноз параметров разрабатываемого двигателя, с учетом истории технологических операций, и отклонений от технологии, допущенных в процессе производства. Использование полученных результатов совместно с традиционными расчетными моделями позволяет имитировать эксплуатационные режимы основных узлов двигателей в самом широком диапазоне нагружений и конфигураций ГТД, часто недоступном или слишком дорогостоящем при натурных испытаниях.
1.2 Автомобилестроение.
Ожидаемый результат:
разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам и конструкциям автомобиля, таким как основание кузова, передняя и задняя подвески, а также основным физико-механическим и технологическим / производственным процессам в автомобилестроении: дуговая сварка, литье, последовательность сборки.
1.2.1 Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.
За средства софинансирования в отчетном период разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам и конструкциям автомобиля, таким как основание кузова, передняя и задняя подвески, а также основным физико-механическим и технологическим / производственным процессам в автомобилестроении: дуговая сварка, литье, последовательность сборки. Кроме того, начато выполнение следующих работ: формирование Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений – полная многоуровневая каскадируемая таблица требований на отдельные узлы, подсистемы и автомобиль в сборе, выполнение базовых виртуальных испытаний материалов, элементов конструкций и узлов автомобиля, разработка специализированных виртуальных стендов и виртуальных полигонов для испытаний отдельных узлов и автомобиля в целом.
Для повышения качества, принимаемых инженерных и управленческих решений, сокращения сроков и затрат на достижение оптимальных результатов цифрового двойника, были созданы расчетные модели и виртуальные испытательные стенды, позволяющие в короткие сроки производить пересчет модели при изменении ее конфигурации.
Разработаны виртуальные испытательные стенды (ВИС) для моделирования различных испытаний платформы на соответствие требованиям и целевым показателям. Пример результата расчетных проверок представлен на рисунке 1.5.
Разработанные виртуальные стенды позволяют моделировать различные испытания автомобиля на соответствие эксплуатационным требованиям, проводить валидацию результатов расчетов технологических процессов по экспериментальным данным, и учитывать индивидуальные особенности производства каждой детали автомобиля.
1.2.2 Сопоставление разработки моделей и полученных результатов по направлению двигателестроения с мировым уровнем
На данный момент работы, связанные с развитием концепции «цифровых двойников» электромобилей а также платформ, ведутся по всему миру. Ведущие компании-производители электромобилей, такие как Tesla, VAG, Arrival, а также производители ПО в лице Ansys, Altair, Dassault осуществляют разработку платформ создания и развития цифровых двойников. Основными направлениями в этих работах является предсказание поведения автомобилей при различных эксплуатационных сценариях, оптимизация конструкции за счет детального предсказания и планирование структуры производства. При этом не ведутся работы, связанные с созданием цифровых двойников унифицированных платформ, которые учитывали бы матрицу целевых показателей на платформы в отдельности с учетом требований на унифицированные электромобили.
В проведенных работах предпринята попытка создания подобного комплекса взаимосвязанных ВИС унифицированной платформы, включающий в себя матрицу требований на платформу в отдельности и электромобиль в сборе. Данная система проектирования позволяет достичь наиболее сбалансированных показателей конструкции платформы и электромобилей, построенных на ее базе за счет связи между матрицами требований на платформу и электромобили.
Рисунок 1.5 – Результаты испытания случая эксплуатационных нагрузок – «разгон». Поля распределения напряжений
1.3 Ссылки на статьи, публикации, мероприятия и РИД, представленные в соответствующих приложениях к отчёту о реализации программы создания и развития центра.
- Второй Международном форум «Новые производственные технологии» (02.12.2020, СПбПУ, г. Санкт-Петербург), https://npt-forum.ru/
Автомобилестроение: сформирована Матрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений – полная многоуровневая каскадируемая таблица требований на отдельные узлы, подсистемы и автомобиль в сборе, разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам и конструкциям автомобиля, а также основным физико-механическим и технологическим / производственным процессам в автомобилестроении (например, штамповка, роботизированная точечная сварка, последовательность сборки и т.д.), выполнены базовые виртуальные испытания материалов, элементов конструкций и узлов автомобиля, разработаны специализированные виртуальные стенды и виртуальные полигоны для испытаний отдельных узлов и автомобиля в целом. Пополнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, мультидисциплинарных математических моделей, их верификация и валидация с целью разработки полуавтоматизированных методов и методик разработки кузова, навесных компонентов, шасси с учетом технологических, производственных и компоновочных ограничений.
Двигателестроение: сформирована Матрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений на отдельные узлы, подсистемы и агрегаты газотурбинных двигателей (ГТД), выполнены базовые виртуальные испытания материалов, элементов конструкций и узлов ГТД, разработаны специализированные виртуальные стенды и виртуальные полигоны для испытаний узлов, конструкций и агрегатов ГТД. Дополнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений на отдельные узлы, подсистемы и агрегаты газотурбинных двигателей (ГТД), разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам, конструкциям и агрегатам ГТД.
Разработаны 1) методики математического моделирования технологических процессов термической обработки заготовок и процессов сварки 2) методики моделирования контрольных испытаний 3) методики математического моделирования производственных процессов, доработанные на основании валидации.
Разработаны и апробированы методики моделирования производственных процессов изготовления заготовок с применением аддитивных технологий, литейных технологий, технологий обработки металлов давлением.
Вертолётостроение: разработаны мультидисциплинарные математические модели для несущей системы вертолёта, обеспечивающие получение промежуточных результатов виртуальной продувки винта вертолёта с использованием суперкомпьютерных технологий. Разработаны мультидисциплинарные математические модели для несущей системы вертолёта, обеспечивающие получение финальных результатов виртуальной продувки винта вертолёта с использованием суперкомпьютерных технологий.
Железнодорожное машиностроение: обеспечено получение промежуточных результатов по формированию Матрицы требований / целевых показателей и ограничений для экипажной части локомотива. Для этого разработаны мультидисциплинарные математические модели: 1) для анализа прочности под действием статической нагрузки и 2) динамической нагрузки, 3) для оценки циклической (усталостной) прочности. Дополнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ограничений, с учетом FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) – анализа видов и последствий потенциальных отказов для экипажной части локомотива с учётом реальных режимов эксплуатации. Для этого доработаны мультидисциплинарные математические модели: 1) для анализа прочности под действием статической нагрузки и 2) динамической нагрузки, 3) для оценки циклической (усталостной) прочности.
Автомобилестроение: дополнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, разработка новых мультидисциплинарных математических моделей, их верификация и валидация с целью разработки новой методики разработки автомобиля с оптимальным стилевым решением, учитывающим внешнюю аэродинамику на основе многокритериальной и мультидисциплинарной оптимизации и суперкомпьютерных технологий, с учётом систем электроники, двигателей, выхлопных систем, системы воздуховодов.
Двигателестроение: дополнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений на отдельные узлы, подсистемы и агрегаты газотурбинных двигателей (ГТД); разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам, конструкциям и агрегатам ГТД. Разработаны методики автоматизированной обработки результатов получения Smart Big Data на уровне 1 Tb / сутки. Разработка интегрированных и взаимоувязанных на цифровой платформе CML-Bench™ виртуальных испытательных стендов.
Вертолётостроение: разработаны мультидисциплинарные математические модели для несущей системы вертолёта и методика обеспечения сходимости численных результатов в задаче продувки винта вертолета при оптимизации количества степеней свободы и вычислительных ресурсов для получения финальных результатов виртуальной продувки винта вертолёта с использованием суперкомпьютерных технологий.
Железнодорожное машиностроение: разработаны виртуальные испытательные стенды для локомотивов на примере экипажной части. Разработаны мультидисциплинарные математические модели: 1) для анализа прочности под действием статической нагрузки и 2) динамической нагрузки, 3) для оценки циклической (усталостной) прочности, произведено дальнейшее наполнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ограничений, с учетом FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) – анализа видов и последствий потенциальных отказов для экипажной части локомотива с учётом реальных режимов эксплуатации.
Автомобилестроение: уточненная методика проектирования и оптимизации автомобиля и его компонентов на основе дополненной Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, разработка новых мультидисциплинарных математических моделей, их верификация и валидация с целью разработки новой методики разработки автомобиля с оптимальным стилевым решением, учитывающим внешнюю аэродинамику на основе многокритериальной и мультидисциплинарной оптимизации и суперкомпьютерных технологий, с учётом систем электроники, двигателей, выхлопных систем, системы воздуховодов.
Двигателестроение: дополнение и уточнение Матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений на отдельные узлы, подсистемы и агрегаты газотурбинных двигателей (ГТД); разработаны математические модели высокого уровня адекватности реальным узлам, конструкциям и агрегатам ГТД; разработаны 1) методика учета вариативности производственных процессов изготовления деталей и сборочных единиц (ДСЕ) двигателя 2 методика оценки экономической эффективности производственных процессов изготовления ДСЕ двигателя. Цифровой двойник ДСЕ со значениями контрольных границ его характеристик.
Вертолётостроение: Сравнительный анализ, верификация и валидация традиционных и общепринятых инженерных и аналитических методов продувки винта при помощи результатов виртуальных испытаний продувки винта вертолета основе применения суперкомпьютерных технологий.
Железнодорожное машиностроение: интеграция виртуальных испытательных стендов (ВИС) на цифровой платформе CML-Bench™. Разработана концепция автоматизации методов и технологий оптимизации конструкций железнодорожного машиностроения с учетом Матрицы требований / целевых показателей и ограничений. Разработана концепция внедрения учета требований FMEA и LCC в Матрицу требований / целевых показателей и ограничений.
Автомобилестроение: Интеграция на цифровой платформе CML-Bench™ программных модулей (РИД) и настройка системы управления беспилотного вождения автомобиля в общую методику проектирования автомобилей.
Двигателестроение: Интеграция на цифровой платформе CML-Bench™ программных модулей (РИД) автоматизированной методики учета вариативности технологических процессов производства. и программных модулей (РИД) автоматизированной методики оценки экономической эффективности производственных процессов изготовления ДСЕ двигателя.
Вертолётостроение: Разработка и интеграция на цифровой платформе CML-Bench™ виртуального испытательного полигона виртуальной продувки профиля лопасти вертолета для различных зон турбулентности в конусе винта.
Железнодорожное машиностроение: разработка на цифровой платформе CML-Bench™ виртуальных испытательных стендов (ВИС) и комплексирование (объединение части ВИС) в виртуальный испытательный полигон для применения и внедрения в практику проектирования и модернизации конструкций железнодорожной техники.
Автомобилестроение: Разработка на базе цифровой платформе CML-Bench™ методологии концептуального проектирования и создания новых вариантов архитектурных решений основных несущих элементов или узлов в сборе для автомобилей нового поколения с учетом общих мировых тенденций в области автомобилестроения и специфики регионов применения.
Двигателестроение: Разработка и интеграция на цифровой платформе CML-Bench™ полной каскадируемой на уровни Матрицы требований для производственных процессов изготовления ДСЕ двигателя, оптимизированных технологий изготовления ДСЕ двигателя и протоколов испытаний образцов ДСЕ двигателя, изготовленных с применением оптимизированных технологий (формирование базы знаний и базы “лучших практик”).
Вертолётостроение: Разработка и интеграция на цифровой платформе CML-Bench™ аналитического метода продувки винта нового поколения с использованием шаблонных продувок профиля лопасти для различных зон турбулентности по азимуту, образующихся в конусе винта.
Железнодорожное машиностроение: интеграция в Матрицу требований / целевых показателей и ограничений требований в области FMEA и LCC для железнодорожного машиностроения. Интеграция Матрицы требований / целевых показателей и ограничений как универсального шаблона (на примере экипажной части локомотива) в цифровую платформу CML-Bench™ (платформа разработки цифровых двойников). Для этого: разработка и интеграция с цифровой платформой CML-Bench™ 1) методики разработки железнодорожной техники на базе цифровых двойников и 2) шаблона
