Компьютерный инжиниринг: CAE-расчёты вместо натурных испытаний

В промышленности, где цена ошибки исчисляется часами простоя дорогостоящего оборудования, репутационными потерями и, конечно, руб­лями, старый тезис «доверяй, но проверяй» остаётся актуальным. Аудит инженерных гипотез перестал быть уделом дорогостоящих стендов и натурных испытаний. На смену эмпирическим методам пришёл компьютерный инжиниринг — дисциплина, позволяющая заглянуть в будущее изделия ещё до того, как первый кусок металла ляжет на станок.

Что стоит за этим переходом от чертёжной доски к цифровой модели? И, главное, как получить обоснованное инженерное решение, которому можно доверять?

От чертежа к цифровой модели: зачем нужен инженерный анализ

Долгие годы основой проектирования был чертёж. Точный, выверенный, с допусками и посадками. Но он отвечает на вопрос, «что и как выглядит», однако почти ничего не говорит о том, «как оно будет работать под нагрузкой, в тепле или на излом». Цифровая геометрия — это лишь скелет будущего изделия. Чтобы он оброс «мышцами» и начал жить, необходим конструкторский анализ.

«Инженерные расчёты всегда проводились с единственной целью — проверить гипотезы до того, как изделие или процесс будут реализованы на практике. И именно эта цель порождает возможности для любого бизнеса: экономию времени при проектировании и доводке, сокращение средств на испытания за счёт существенного сокращения их количества, повышение технических характеристик изделий, снижение веса с сохранением надёжности», — поясняет генеральный директор ООО «ПЛМ Урал» (входит в группу компаний «ПЛМ Урал»), канд. техн. наук Владимир Жураховский.

Экономика вопроса здесь играет первостепенную роль. По словам г-на Жураховского, исправление ошибки на этапе проектирования стоит, условно, 10 000 руб­лей, но, если огрех выявили на опытном образце, коррекция обойдётся уже в несколько миллионов руб­лей. А если изъян обнаружили на этапе производства, стоимость может возрасти до миллионов долларов.

Пока российские предприятия находятся в точке перехода, отказываясь от разрозненных проверок в пользу системного инжиниринга. Если раньше конструкторы создавали деталь, а расчётная группа «в конце» проверяла её на прочность, то теперь этот процесс становится цикличным и взаимосвязанным: часто повторяемым и параллельным. Это явление получило название «проектирование, движимое расчётом» (simulation-­driven design).

Эксперты сходятся во мнении, что нас ждёт глубокая интеграция. Инженеры больше не хотят тратить время на ручную подготовку данных и рутинные проверки. По словам Владимира Жураховского, сегодня бизнес интересуют принципиально иные задачи. Как перейти от разрозненных расчётов отдельных деталей и узлов к комплексным мультифизичным вычислениям характеристик всего изделия? Как использовать практики архитектурного проектирования и имитационного моделирования, чтобы выявлять ошибки в конструкции ещё на этапе концептуального проекта? Как создавать цифровые двой­ники?

В этом контексте роль инженера меняется: из «калькулятора», перебирающего формулы, он превращается в исследователя, управляющего виртуальными испытаниями.

Экономика CAE: сравнение с натурными испытаниями

Самым красноречивым доказательством силы компьютерного инжиниринга служит его сравнение с натурными испытаниями. В тяжёлом машиностроении, авиастроении и металлургии стоимость физического прототипа часто сопоставима с бюджетом небольшого предприятия. Именно здесь разрыв между «цифрой» и «металлом» ощущается наиболее остро.

Владимир Жураховский приводит пример из практики АО «ОДК-Сатурн» при работе над двигателем ПД‑8. Финансовая сторона лучше всяких слов описывает преимущество подхода.

«Стоимость натурного эксперимента — оценочно 1,1 млрд руб­лей. Длительность, включая производство опытных образцов, монтаж и подготовку к испытаниям, — около года. То же самое в компьютерном моделировании: 8 миллионов руб­лей и 2 месяца. К тому же в „цифре»” удалось оптимизировать конструкцию двигателя и повысить его характеристики», — говорит руководитель ООО «ПЛМ Урал».

Согласитесь, трудно найти аргумент весомее, чем десятикратная разница в стоимости и шестикратная — в скорости, да ещё с бонусом в виде оптимизации характеристик.

«К нам обратилась компания с задачей разработать тележку длиной 8 м для перевозки рамы трактора. Требовалось, чтобы прогиб под нагрузкой не превышал 1 см. Такую задачу решить без инженерных расчётов невозможно. Использование компьютерных вычислений по МКЭ позволило смоделировать различные нагрузочные схемы, оптимизировать конструкцию и выпустить опытный образец, который с первого раза успешно прошёл все испытания», — приводит другой практический пример генеральный директор ООО «Инжиниринговая компания „Комплекс КАД»» Дмитрий Калеев.

Подобная точность в первый раз — это и есть главный результат внедрения CAE-систем (Computer-­Aided Engineering, автоматизированная инженерия). Предприятие перестаёт плодить лишние прототипы и начинает уверенно смотреть в будущее.

Типичные ошибки и риски при внедрении расчётов

Несмотря на очевидные преимущества, переход к цифровым методам сопряжён с трудностями. Часто проблема лежит не в математике, а в организации процессов. Специалисты говорят о «трении» на стыке CAD (Computer-­Aided Design, система для проектирования и создания технических чертежей) и CAE, когда геометрия из конструкторской программы неправильно или неполноценно экспортируется в расчётную среду. Кроме того, существует и психологическое сопротивление. Но основная проблема для инженеров — это работа с имеющимся наследием.

«Сегодня к нам чаще обращаются с задачами, нацеленными на модернизацию существующих производств: замену оборудования в существующих габаритах, интеграцию нового оборудования в действующие технологические схемы. Многие горнодобывающие и металлургические предприятия работают на базе, введённой в эксплуатацию десятки лет назад. Смещение интереса к компьютерным технологиям всегда было связано, конечно же, с экономикой проектов. Стоимость ошибки в промышленности крайне высока», — рассуждает директор по стратегическим проектам АО «БМХ РУС» Алексей Данилкин.

Где же тонкие места, на которых можно «споткнуться»? Эксперты выделяют несколько этапов. Это и неверная постановка граничных условий, и некорректное упрощение 3Д-модели при подготовке сетки конечных элементов.

«Ошибки чаще всего возникают на этапе постановки задачи и задания граничных условий. Например, неправильный выбор нагрузок или некорректно заданные физико-­механические свой­ства материалов. Такие ошибки приводят к получению недостоверных результатов, что чревато либо необоснованным перерасходом материалов, либо, что хуже, разрушением изделия под нагрузкой», — предостерегает Дмитрий Калеев.

Чтобы минимизировать риски, Владимир Жураховский советует применять двой­ную верификацию, то есть использовать несколько CAE-систем для решения одной и той же задачи и сверять результаты. Если они совпадут, вероятность ошибки моделирования минимальна. Также эксперт рекомендует автоматизировать проверенные на практике расчётные методики.

Цифровой двой­ник: панацея или дорогая игрушка?

Говоря о компьютерном инжиниринге, нельзя обойти тему цифровых двой­ников (Digital Twin). Этот термин в моде, его можно услышать от каждого второго маркетолога в промышленности. Однако практики смотрят на это понятие трезво.

Это не просто красивая трёхмерная модель. Это живая, постоянно обновляемая по данным с датчиков виртуальная копия, находящаяся в двухсторонней связи с физическим объектом.

И здесь мнения разделяются. С одной стороны, это мощный инструмент для сложных систем. С другой — инвестиции в него должны быть экономически оправданы.

«Цифровой двой­ник эффективен только тогда, когда встроен в процессы проектирования. Практика показывает, что внедрение компьютерных копий требует значительных финансовых вложений, а до стадии полноценной рабочей реализации доходят единицы предприятий. В текущих экономических условиях, при высокой налоговой нагрузке, инвестиции в цифровые двой­ники далеко не всегда обоснованы. Они целесообразны пока лишь для сложных, критически важных и дорогих систем (авиации, турбиностроения, крупной энергетики)», — считает Дмитрий Калеев.

По мнению Владимира Жураховского, если у инструмента есть цель по SMART (Specific, Measurable, Achievable, Relevant, Time-bound — конкретная, измеримая, достижимая, значимая, ограниченная во времени), являющаяся продолжением базовых целей бизнеса, есть конкретные задачи, а ROI (Return on Investment, окупаемость) проекта по созданию цифрового двой­ника не уходит за горизонт 3‒5 лет, то он имеет право на существование.

Читайте также: «Производство будущего: от данных к цифровому двойнику«.

Импортозамещение ПО для инженерных расчётов

Повестка импортозамещения вносит свои коррективы. После ухода крупных западных вендоров перед российскими предприятиями остро встал вопрос, на каком ПО работать. И здесь оценки экспертов разнятся в зависимости от сегмента.
В области CAD (проектирования) и базовых расчётов ситуация достаточно благополучная.

«Если говорить о 3Д-моделировании и разработке чертежей, то лидером считается „Компас‑3D». Работа с 3Д-сканами и постобработка там реализованы неплохо. Поэтому иностранный Geomagic Design X уже начинает уходить на второй план. Для работы с ЧПУ-станками доступны сильные продукты, такие как SprutCAM», — отмечает Дмитрий Калеев.

Однако в области сложного инженерного анализа (CAE) разрыв пока сохраняется. Владимир Жураховский прямо заявляет, что отечественное ПО для такого метода прогнозирования на годы отстаёт от ведущих зарубежных систем. Поэтому в своей практике он предлагает для предприятий «гибридную тактику».

«Там, где отечественный софт уже решает задачи с необходимой точностью, внедряем его. В остальных областях, чтобы не разрушить процессы проектирования, мы предлагаем использовать имеющееся зарубежное ПО, обеспечивая его полную техническую поддержку. Это единственное разумное решение в данной ситуации», — уверен руководитель ООО «ПЛМ Урал».

По мнению Алексея Данилкина, промышленный инжиниринг — это весьма инерционная отрасль. Он говорит, что многие предприятия десятилетиями формировали свои инженерные процессы вокруг зарубежных решений и полный переход требует времени. Главный фактор — наличие не только ПО, но и инженерной школы, способной правильно интерпретировать результаты расчётов.

По мнению экспертов, в перспективе нас ожидает эволюция целых экосистем. Будущее — за соединением имитационных моделей с обработкой больших данных и прогнозной аналитикой.

«Один из наших заказчиков, просто применив гибкий алгоритм на базе имитационной модели, изыскал возможности сокращения издержек производственной линии на 42 миллиона руб­лей в год. Линия не дорабатывалась, оборудование не модернизировалось, просто за счёт применения алгоритма, рассчитанного гибридной системой», — приводит пример Владимир Жураховский.

Он также прогнозирует активное внедрение искусственного интеллекта, говоря, что симбиоз ИИ и традиционных средств автоматизации позволит превратить инженеров из «калькуляторов» в творцов. Если сейчас расчётчик может одновременно проверять четыре-пять гипотез, то с использованием ИИ ему будут доступны сотни вариантов, в том числе неочевидные пути улучшения, говорит эксперт.

Дмитрий Калеев также видит будущее в генеративном дизайне и облачных технологиях. По его прогнозам, программа сама предложит оптимальную форму детали на основе заданных ограничений по весу и нагрузкам, а облачные вычисления позволят проводить сложнейшие расчёты дистанционно, без привязки к серверной предприятия.

Инженерная мысль в России не стоит на месте. Переход от статичного чертежа к динамичной математической модели — вопрос экономической эффективности и технологической независимости. Компьютерный инжиниринг становится тем самым инструментом, который позволяет уверенно пройти путь от идеи до просчитанного и оптимизированного изделия «в металле». Главное, чтобы инженеры помнили о точности входных данных, верификации модели и трезвом экономическом расчёте.

Подготовил Артём Щетников. Фото: magnific.com.