Ученые Южно-Уральского государственного университета первыми в России разработали методику виртуальных виброиспытаний, используя решения LMS

Решения Siemens PLM Software позволили ученым научно-образовательного центра «Экспериментальная механика» заложить фундамент для формирования инновационного подхода к моделированию и испытаниям сложной техники и ответственных изделий.

Формирование научно­образовательного центра «Экспериментальная механика»

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» (ЮУрГУ) входит в число крупнейших учебных заведений России, а также в десятку лучших классических вузов согласно рейтингу Министерства образования и науки РФ. В 2010 году ЮУрГУ была присвоена категория «Национальный исследовательский университет», что открыло вузу доступ к государственному финансированию исследовательских программ в интересах производства инновационной техники и других сложных и ответственных изделий для аэрокосмической и автомобильной промышленности. В ЮУрГУ создана уникальная научно­исследовательская база, сосредоточенная в научно­образовательных центрах (НОЦ).

Научно­образовательный центр «Экспериментальная механика» был создан приказом ректора в 2012 году. Его основная роль состоит в том, чтобы сопровождать совместные проекты вуза и промышленных предприятий, выполняемые в рамках федеральных целевых программ и соответствующих постановлений Правительства РФ в части испытаний и расчетов динамики и прочности разрабатываемых изделий и элементов конструкций. Свою главную задачу сотрудники центра «Экспериментальная механика» видят в предоставлении предприятиям квалифицированной экспериментальной поддержки при разработке сложных изделий.

Развитие возможностей ЮУрГУ

Приобретение продвинутых решений LMS было продиктовано желанием развивать вуз, получить современное передовое оборудование и новые технологии.

«Когда речь заходит об испытании ответственных изделий, где требуется высокая квалификация и тонкие настройки, возможности, заложенные в LMS, переоценить трудно», — заявляет Павел Тараненко, директор НОЦ «Экспериментальная механика» ЮУрГУ.

Для решения задач конечно­элементного анализа кафедры ЮУрГУ применяют разные CAE­системы. «Нас очень заинтересовали уникальные возможности комплекса LMS™ от Siemens PLM Software для междисциплинарного 3D­моделирования и виртуальных испытаний, — отмечает Павел Тараненко. — Я имею в виду сочетание возможностей для расчетов и эксперимента в решениях LMS, которых нет у конкурентов».

«При выборе оборудования и ПО университет исходил из потенциальной возможности сотрудничества с рядом предприятий авиационной и космической отраслей, которые могли бы для решения своих задач применять комплекс LMS. Основная идея его использования заключалась в том, чтобы центр «Экспериментальная механика» мог решать ряд задач, связанных с наземными частотными испытаниями летательных аппаратов и, в частности, в интересах расположенного в Миассе государственного ракетного центра имени академика В.П. Макеева», — рассказывает Павел Тараненко.

После того как университет определился с комплектацией, было получено экспертное заключение научно­технического совета ЮУрГУ и сформирована аукционная документация. Поставщик оборудования и ПО назначался на конкурсной основе. Победителем конкурса стало ООО «Новатест», с которым у ЮУрГУ уже имелся опыт успешного и взаимовыгодного сотрудничества. Поставленный аппаратно­программный комплекс включал следующее оборудование и ПО от Siemens PLM Software: четыре вибростенда, измерительная система LMS SCADAS™ с датчиками, модальные вибровозбудители, система управления виброиспытаниями LMS Test.Lab™, а также системы LMS Test.Xpress™, LMS Virtual.Lab™ и LMS Imagine.Lab Amesim™. «На тот момент я лишь в общих чертах представлял себе возможности этого комплекса, — отмечает Павел Тараненко. — С течением времени мое представление о нем постепенно расширилось. Сегодня для меня это уже не просто комплекс, который соединяет расчеты и эксперимент, — это новый подход к организации работы по проектированию изделий».

Методика виртуальных виброиспытаний

В НОЦ «Экспериментальная механика» хорошо понимали, что, закупив дорогостоящий аппаратно­программный комплекс, нужно в полной мере овладеть методикой работы с ним. Поэтому ЮУрГУ приобрел не только передовое оборудование и программное обеспечение, но и предусмотрел возможность получения в необходимом объеме знаний и опыта работы ученых LMS. С целью обучения сотрудники НОЦ «Экспериментальная механика» трижды командировались в г.Левен (Бельгия), на родину LMS. Эти поездки позволили им получить опыт применения технологий LMS в аэрокосмической отрасли. В результате обучения, а также совместной с LMS работы в проекте «Виртуальный шейкер» был освоен модальный анализ, модули пакета LMS Test.Lab, реализующие виброиспытания при синусоидальном, случайном и ударном воздействии, освоены базовые функции LMS Virtual.Lab. Но главное — в центре «Экспериментальная механика» ученые ЮУрГУ первыми в России разработали методику виртуальных виброиспытаний сложнейших уникальных изделий.

В основе методики лежат передовые технологии компании Siemens PLM Software, аналогов которым в России нет. Появление этой методики символизирует зарождение абсолютно нового для страны инновационного подхода к моделированию и испытаниям. «Наша методика предназначена для проведения виброиспытаний ответственных и очень дорогостоящих конструкций, физические испытания которых стоят дорого, поскольку чрезвычайно дорого обходится поломка испытуемого изделия, — поясняет Павел Тараненко. — Взять, например, спутник. Перед непосредственным выводом на орбиту спутник должен пройти квалификационные испытания на вибростенде. При этом исключена вероятность его поломки, так как это уникальное изделие, существующее в единственном экземпляре».

Уникальность проделанной в НОЦ «Экспериментальная механика» работы заключается в том, что его команда ученых и специалистов первой в России отработала методику виртуальных виброиспытаний. Близость результатов натурного эксперимента (то есть испытания изделия на вибростенде при синусоидальном возбуждении с разверткой по частоте) и эксперимента виртуального (то есть виброиспытаний трехмерной модели «изделие — вибростенд — система управления») подтвердила правильность этой модели. В расчетной модели удалось объединить модальную модель вибростенда (представляющую собой, по существу, набор экспериментально найденных частотных передаточных функций), конечно­элементную модель изделия, электромеханическую схему вибростенда и модель контроллера, управляющего виброиспытаниями. При этом каждая из подсистем была еще и верифицирована результатами натурных испытаний. Все это в итоге существенно повышает достоверность построения расчетных моделей для предсказания виброотклика при проведении натурных испытаний.

«Благодаря тому что эксперимент проводился совместно, на базе вуза и на нашем оборудовании, мы освоили технологию модального анализа и получили практический опыт по экспериментальному определению собственных частот и форм конструкций, — говорит Павел Тараненко. — Ведь обучение лишь тогда оказывается эффективным, когда есть реальная задача, которую необходимо решить».

При проведении виртуальных виброиспытаний университету удалось избежать основных проблем, с которыми можно столкнуться при проведении физических виброиспытаний. В числе таких проблем, например, случайный фактор — это когда вдруг по каким­то причинам виброиспытания пошли не так, как планировалось, что привело к недопустимым виброускорениям и поломке изделия.

Еще один пример — это когда при установке на реальный вибростенд таких изделий, которые по массе сравнимы с массой стенда, мы получаем новую связанную систему «изделие — вибростенд», динамические характеристики которой неизвестны, а значит, при реальных виброиспытаниях она может повести себя непредсказуемо. Итак, мы исключили возможность возникновения проблем, вызываемых человеческим фактором, то есть ошибок, которые при виброиспытаниях может допустить оператор, управляющий вибростендом.

Перспективы на будущее

Предприятиям, заинтересованным в применении данной методики, необходимо понимать, что работа в рамках предлагаемого подхода предстоит сложная и кропотливая. «Я вижу эту работу только как совместную, — объясняет Павел Тараненко, — когда наши знания объединятся с предметными знаниями специалистов предприятий, участвующих в разработке изделия».

Эффективность технологий Siemens PLM Software и наработанной методики их применения подтверждается результатами коммерческих проектов ЮУрГУ, выполняемых совместно с такими предприятиями, как АО «Уралтрансмаш», АО СКБ «Турбина» и ПАО «КАМАЗ». В частности, сегодня ученые университета уже работают над освоением и развитием методики создания динамических моделей автомобиля и его подсистем на ранних стадиях проектирования, что связано с реализацией совместного проекта с ПАО «КАМАЗ».

Наличие комплекса решений LMS позволяет Южно­Уральскому государственному университету обеспечить выполнение высокотехнологичных проектов для российской промышленности на высоком инженерном и научном уровне, а также выстроить в вузе условную пирамиду творчества и научного поиска «студенты — аспиранты — кандидаты и доктора наук».

«Я абсолютно уверен в том, что мы сможем расширить взаимовыгодное сотрудничество с предприятиями в отношении виртуальных испытаний и натурных экспериментов, которые способен проводить центр “Экспериментальная механика”», — заявляет Павел Тараненко. 

САПР и графика 5`2016