Время — деньги

Группа компаний «ПЛМ Урал», официальный партнер ANSYS, Inc. в России и на территории СНГ, представляет вашему вниманию перевод статьи Тодда Макдевитта (Todd McDevitt), опубликованной в ANSYS ADVANTAGE Volume IX | Issue 3 | 2015, в которой рассказывается о том, как и насколько решения ANSYS могут сократить время, требуемое на разработку изделия. Все вопросы относительно статьи и программного обеспечения вы можете задать на сайте www.cae-expert.ru и www.cae-club.ru. Перевод выполнен Сергеем Хрулевым, техническим специалистом компании «ПЛМ Урал».

Тодд Макдевитт

Старая поговорка «время — деньги» как нельзя лучше подходит для описания процесса разработки.  Своевременный выпуск продукта является ключом к успеху на рынке и увеличению своей доли в нем. Для ускорения производства лидеры отрасли используют технологии моделирования, сокращая длительность каждого этапа разработки и улучшая качество своего продукта, создавая множество возможностей для инноваций.

Несмотря на то что успех продукта на рынке зависит от множества факторов, ключевым из них является время. Независимо от того, являетесь ли вы новатором, завоевывающим новый рынок, или просто активным производителем, старающимся учесть все пожелания клиентов, вам одинаково важно выпустить свой продукт в тот благоприятный период, когда потребители наиболее восприимчивы. Пятьдесят лет назад в компании Caterpillar, Inc. решили перепроектировать свой продукт — гусеничный трактор D9, чтобы он соответствовал появившейся в то время общемировой тенденции к росту числа масштабных строительных и горнодобывающих проектов. После почти десяти лет разработки и испытаний компания представила гусеничный трактор D10. Используемое инновационное решение — поднятое ведущее гусеничное колесо — гарантировало лидирующие позиции на рынке по крайней мере на еще одно десятилетие, пока конкуренты не потратили время и не представили свои аналоги [1]. Сегодня технологические преимущества недолго остаются уникальными. В наш век постоянных инноваций компании больше не могут ни тратить десятилетия на разработку продукта, ни надеяться на удерживание лидирующих позиций рынка в течение неограниченного времени. Сравните, например, историю трактора D10 с текущей гонкой среди производителей лидирующей на рынке гибридной строительной техники. Компания Komatsu продемонстрировала их первый гибридный экскаватор в 2011 году. Всего в течение трех лет по крайней мере четыре мировых конкурента выпустили их собственное аналогичное гибридное оборудование [2]. Гонка за доминирование на рынке гибридной строительной техники только начинается.

Nebia создала душевую головку, принцип работы которой основан на распылении воды. Моделирование в ANSYS помогло реализовать этот проект, одновременно и экономящий воду, и улучшающий эффективность душа

Соучредитель и генеральный директор компании Nebia Филипп Уинтер (Philip Winter) отметил: «Близкие к идеалу изделия предыдущего поколения имеют небольшой резерв для дальнейшего улучшения (10­20%). Единственный способ оптимизации таких изделий, критически важный для завоевания рынка, — это численное моделирование с высокой точностью результатов и высокой скоростью проведения расчетов.  Мы начали внедрять моделирование с продуктами ANSYS, и то, что мы прежде делали в течение девяти месяцев, теперь занимает от четырех до пяти недель».

С помощью моделирования в ANSYS разработчик телефонных антенн Vortis смог создать проект антенны телефона за одну десятую часть времени и цены, которые потребовались бы для стандартного метода испытаний физических прототипов

Освобождение процесса проектирования от цикличности

Современное производство продукта требует инженерной и технологической эффективности — от первых идей и до итогового воплощения и производства. В самом центре этой цепочки находится процесс разработки продукта. Десятки лет производители сосредотачивают свое внимание на оптимизации процесса разработки, что позволяет сократить время производства, при этом качество продуктов по­прежнему удовлетворяет высоким ожиданиям клиентов.  Эти компании уже давно признали, что разработка методом проб и ошибок, построение физического прототипа, испытания, перепроектирование и последующее создание нового прототипа являются дорогостоящими и трудоемкими препятствиями. Дело не только в том, что физические макеты дорого производить — их реальные испытания позволяют обнаружить лишь отдельные проблемы вместо выявления глобальных недочетов всего проекта. Лидирующие компании по всему миру взяли на вооружение виртуальное прототипирование, чтобы преодолеть материальные ограничения и снизить зависимость от физических испытаний. Они используют компьютерный инженерный анализ (CAE) для создания виртуальных моделей, которые справляются с испытаниями изделий в реальных условиях эксплуатации более эффективно как по затрачиваемому времени, так и по стоимости создания физического прототипа. Цифровые модели также позволяют инженерам анализировать конструктивные элементы продукта как связанную систему вместо рассматривания отдельных изолированных друг от друга решений. При этом продукты стали «умнее» и сложнее. Мехатронные системы под контролем программного обеспечения довольно часто используются для расширения возможностей, улучшения безопасности и снижения уровня потребления энергии. Испытания системы управления, механической и электрической систем сложны как никогда прежде. В настоящее время производителям необходимо знать, как различные компоненты в сложных системах взаимодействуют друг с другом, задолго до того, как они смогут построить и испытать физические прототипы. Volvo — одна из компаний, которая приняла этот вызов. Благодаря внедрению CAE, а также других инструментов, там сократили сроки создания изделия до 30 месяцев с 42 исходных [3]. Но, как и их конкуренты, сотрудники  компании знают, что на этой победе борьба не заканчивается. Цель Volvo — к 2020 году сократить сроки до 20 месяцев. Для достижения этого результата они должны пересмотреть и уменьшить время каждой фазы процесса разработки.

Технология преобразования тепловой энергии океана (OTEC) основана на использовании градиента температуры в тропических морях между поверхностью (около 25 °C) и более глубокими слоями воды (около 5 °C примерно на глубине 1000 м). Компания DCNS занимается разработкой плавучей OTEC­электростанции на острове Мартиника с мощностью до 16 МВт в рамках проекта NEMO (New Energy for Martinique and Overseas) по европейскому гранту, полученному в июле 2014 года. С целью облегчения и ускорения процесса разработки конденсаторов для этой электростанции команда исследователей DCNS использует программное обеспечение ANSYS.

Типичной целью при проектировании конденсатора является достижение максимального теплообмена для снижения размера трубного пучка, что, в свою очередь, снижает размер и стоимость всего конденсатора. Конструкторы обычно выполняют эскизный проект конденсаторов с помощью аналитических методов. Недостаток этого подхода заключается в том, что аналитические методы не учитывают геометрию конденсатора и не способны определять локальные значения характерных величин в теплообменнике. Следовательно, жизненно важный элемент конденсатора — компоновка трубного пучка — не может быть оптимизирован. Более того, физические испытания обычно проводят на прототипах в лабораторном масштабе, а применительно к истинному масштабу полученные в лаборатории гидродинамические характеристики часто страдают неточностью.

В течение последних лет DCNS добилась значительного улучшения процесса проектирования, применяя продукты ANSYS CFD для поиска и устранения проблем, а также исследования новых конструктивных решений. Чтобы перенести компьютерные расчеты на более ранние этапы проектирования, компания DCNS расширила число рабочих мест ПО ANSYS, оснастив им не только своих инженеров­исследователей, но и проектировщиков и конструкторов. При этом широкомасштабному применению CAE препятствовали существенные временные затраты, часто необходимые для итерационного решения сложных задач большой размерности. Данную проблему преодолели с помощью технологии высокопроизводительных вычислений (HPC).

Известно, что растущая сложность и размеры расчетных моделей могут загрузить на часы или дни даже очень хорошо оснащенный персональный компьютер. Инженеры нуждаются в решениях, которые помогут им быстро справляться с моделями еще большей размерности и не терять при этом в точности. ANSYS HPC дает возможность создавать большие модели, обеспечивающие точные результаты и глубокое понимание работы проектируемого изделия. Инженеры могут не только проводить расчеты больших моделей быстрее, но и реализовывать большее количество расчетов в единицу времени, используя различные параметры проекта для исследования большего количества различных вариантов.

Используя консолидированную платформу, компании смогут сократить время разработки

Компания Daikin Industries Ltd обратилась к решениям ANSYS в области механики для анализа влияния эффектов старения и неблагоприятных условий на долговечность прокладок их батареи. Благодаря этому им удалось в сжатые сроки изучить большое число вариантов проектируемой конструкции и разработать новую, более надежную изоляцию.

По мере того как рынок прокладок из фторполимеров в автомобильной промышленности растет, потребность в расчетах и улучшении работы уплотнений становится важной задачей для инженеров из Daikin. Продукты ANSYS не только помогли им проанализировать производительность прокладок, выполненных из их материала — компаунда NEOFLONTM PFA, они помогли разработать новый проект прокладки. Принято, что прокладки используются с углом наклона в 0°, то есть без всякого наклона, а толщина поперечного сечения является неизменной. Из­за ограничения времени на создание и испытания физических прототипов влияние угла наклона не было исследовано в достаточной степени. Ограниченный объем физических испытаний, в свою очередь, означает, что инженеры для усовершенствования своих проектов вынуждены полагаться на метод проб и ошибок. В компании Daikin решили использовать компьютерное моделирование для лучшего понимания эффектов, связанных с длительностью работы и положительным влиянием изменения формы и угла на эффективность и ожидаемую продолжительность жизни прокладок.

С помощью информации, полученной из моделей в ANSYS, инженеры Daikin разработали запатентованную форму сечения, которую прежде даже не рассматривали. В итоге новая форма сечения в течение срока службы улучшила эксплуатационные характеристики уплотнения на 20%. Как результат — сокращение времени разработки с двух месяцев, требуемых для производства и испытаний прототипов, до половины рабочего дня.

Сокращение времени процесса

В то время как компании обычно используют инструменты моделирования для проверки проекта перед построением физического прототипа, ANSYS смотрит в будущее и инвестирует в технологии и решения для дальнейшего сокращения времени разработки. Сокращение времени процесса зиждется на трех основных стратегиях: ускорение на каждом цикле разработки, сокращение количества циклов и использование параллельных процессов — или одновременное решение нескольких инженерных задач.

Сокращение времени на каждом цикле

Быстрее — не всегда означает лучше, тем не менее, существуют пути для ускорения процесса разработки без риска для инноваций или возможных ошибок на поздних этапах проектирования. В большинстве компаний инженеры, конструкторы и расчетчики тратят значительное время на рутинные расчеты, повторяющиеся задачи и процедуры. Зачастую процессы выполнения этих расчетов в разных отделах сильно различаются, не документированы или не согласованы. С целью устранения этих проблем группы сотрудников, ответственные за моделирование, в рамках предприятия стремятся к кодификации передового опыта, чтобы иметь возможность автоматизировать рутинные расчеты, снизить процент ошибки и ввести более быстрые проектные решения. Для этого требуется консолидированная платформа, которая может быть развернута в масштабах предприятия и в которой программное обеспечение для расчетов и рабочих процессов интегрировано в открытую и адаптируемую архитектуру. ANSYS Workbench обеспечивает такую совместимость с лучшей в своем классе технологией решателей, наряду с мастерами и автоматизированными процессами. Инженеры могут проводить меньше времени на постановку и запуск расчета и сфокусироваться на обработке результатов и принятии проектных решений. Whirlpool Brazil усовершенствовала процесс проектирования с помощью ANSYS SpaceClaim Direct Modeler внутри ANSYS Workbench. Это позволило инженерам исследовать и проводить изменения в конструкции при существенном снижении времени цикла разработки.

Whirlpool Brazil активно использует моделирование при разработке газовых горелок для автономных печей, встроенных в духовки и варочные панели. Моделирование помогает инженерам снизить потребление топлива и время на приготовление пищи, а также сократить время на разработку благодаря прогнозированию характеристик предполагаемых конструкций горелок до сборки первого прототипа. Инженеры Whirlpool Brazil используют решения ANSYS для вычислительной гидрогазодинамики (CFD) для расчетов предполагаемых конструкций горелок на предмет стабильности огня, энергетической эффективности, температуры поверхности и минимизации выхода угарного газа. При этом им потребовался инструмент для подготовки моделей таким образом, чтобы можно было быстро изучить большое количество вариантов конструкции горелки и обоснованно выбрать наилучший.

Whirlpool решили эту проблему с помощью продукта ANSYS SpaceClaim Direct Modeler, который позволяет довольно легко чистить геометрию от ошибок и создавать замкнутые объемы, необходимые для CFD­расчетов. Вооружившись SpaceClaim, инженеры Whirlpool смогли напрямую редактировать любые особенности геометрии, не беспокоясь о параметрических ограничениях, и сокращать время, требуемое для подготовки геометрии предварительного проекта к расчету, до 90%. Возможность гораздо быстрее определять и рассчитывать новые варианты проекта позволила снизить общее время на разработку новой модели печи на 30­40%. Модель была готова к созданию сетки и дальнейшей постановке задачи всего за 4 часа.

Устранение отдельных циклов

Сокращение времени, затрачиваемого на каждый цикл, очень важно, но достичь серьезных результатов можно, изначально используя лучшие решения для проекта и тем самым снижая общее количество циклов. Например, поставщику автомобилей может потребоваться получить максимально возможный коэффициент теплопередачи дисковых тормозов при соответствии критериям работоспособности, долговечности и шума. Поиск оптимальной конструкции, удовлетворяющей всем требованиям, включает в себя работу во многих инженерных дисциплинах. Множество компаний сегодня выполняют это с помощью отдельных проектных бригад, использующих несколько инструментов от различных вендоров, что, в свою очередь, создает проблемы в формате и передаче данных. Такой подход едва ли эффективен. Aberdeen Research Group провели исследование 550 компаний и выяснили, что одно согласование форматов данных нескольких платформ обходится в среднем в 3,6 часов на расчет, а некоторые из компаний сообщали о потере восьми часов — целого рабочего дня — на один расчет [4]. Эту проблему и призван решить ANSYS AIM — интегрированная среда моделирования для конструкторов и новейший продукт для проведения междисциплинарных расчетов. ANSYS AIM является продолжением концепции ANSYS Workbench, связывающей ключевые решатели ANSYS в разных областях физики. Для эффективного решения междисциплинарных задач и возможности принимать проектные решения на ранних стадиях проектирования конструкторы могут на всем предприятии использовать оба инструмента. Платформы ANSYS не только поддерживают многокритериальную оптимизацию, но также делают возможными анализ и оценку компромиссов в сложных ситуациях, требуя меньшее количество итераций за цикл.

Использование параллельного проектирования (над разработкой продуктов одновременно работают несколько бригад)
снижает количество циклов, а следовательно, сокращает время до выхода на рынок

Исследование Aberdeen Group, приведенное ниже, подчеркивает важность консолидированной платформы в рамках усилий по разработке продуктов. Так, по результатам исследования, 87% компаний, использующих консолидированную платформу, выпустили свою продукцию своевременно, в то время как среди компаний, использующих мультиплатформенный подход, такого результата сумели добиться только 70%. Кроме того, на 37% больше пользователей консолидированной платформы преуспели в сокращении времени, затраченного на разработку.

Производитель насосов Grundfos создал автоматизированный цикл проектирования, включающий в себя несколько продуктов ANSYS.  Путем оптимизации процессов в компании Grundfos сократили общее время проектирования и сэкономили 400 тыс. долл. при значительном улучшении гидравлического КПД их нового насоса.

Использование параллельного проектирования

Более традиционные программы для разработки используют линейную, последовательную модель проектирования и производства продуктов. В этом подходе конструкционные, тепловые, электрические требования, требования к системам управления и производству рассматриваются отдельно и одна команда расчетчиков не может начать работу, пока предыдущая не закончит. Параллельное проектирование (Concurrent engineering) — это метод, согласно которому несколько команд трудятся одновременно над одним изделием. Разработка продукта и планирование производства также проводятся параллельно. Принятие решений подразумевает участие нескольких команд и их вовлеченность в процесс. Общая платформа для моделирования и управления данными имеет жизненно важное значение для любого процесса параллельного проектирования. С этой целью мы предлагаем нашим клиентам программу ANSYS Engineering Knowledge Manager (EKM) на компьютере или в облаке, чтобы вся команда разработчиков могла работать с одними и теми же моделями, данными и результатами. ANSYS также инвестирует в инструменты Model­Based Systems Engineering (MBSE), которые позволяют системным инженерам, программистам и инженерам по оборудованию видеть общую функциональную или архитектурную модель продукта. Фундаментальный принцип MBSE заключается в том, что согласованный проект является живой и исполняемой моделью, а не статичным, основанным на тексте документом.  Модель обеспечивает полное понимание зависимостей, данных и интерфейсов между различными подсистемами таким образом, что команды инженеров могут эффективно работать в параллельном режиме.

В этой статье мы продемонстрировали, как клиенты ANSYS практически из любой отрасли успешно развивают и улучшают свои продукты, открывая для себя новые рынки. Чтобы быть готовыми к новым возможностям рынка, они используют продукты ANSYS для сокращения времени процесса разработки и более быстрого выхода на рынок. 

Список литературы

1. Orlemann E. Caterpillar Chronicle: History of the Greatest Earthmovers. MBI: St. Paul, MN, 2000: pp. 93­105.
2. Rhine S. MachineryZone. blog.machineryzone. com/2014/04/hitachi­hybrid/ (16/09/2015). Hitachi Enters the Hybrid Arena.
3. Money B. SAE International. articles.sae. org/13621 (16/09/2015).  Volvo’s Rapid Strategy Aims at 20­month Vehicle Development.
4. Paquin R., Prouty K.  Achieving Product Development Success through a Consolidated Simulation Platform; Aberdeen Group: 2015