Главные обновления многодисциплинарной линейки Ansys и их роль в решении важных отраслевых задач обсудили эксперты в рамках ежегодного Форума Ansys 2021, организованного «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», элитным партнером Ansys. В течение двух дней прозвучало более 20 докладов, посвященных основным промышленным трендам и технологиям — от композитных материалов и аддитивного производства до методов создания Цифровых двойников, анализа надежности и функциональной безопасности электронных устройств.
Композиты и управление данными о материалах
Сегодня в промышленности, начиная с аэрокосмической отрасли и заканчивая здравоохранением, все большее применение находят композиционные материалы. Одна из ключевых задач, которую они позволяют решить, — снижение веса готового изделия. Это особенно важно, например, в автомобилестроении, поскольку уменьшение массы автомобиля на 10% позволяет сэкономить 7% топлива, а следовательно, снизить количество выбросов.
Эксперт «КАДФЕМ СиАйЭс» продемонстрировал решение Ansys Composites PrepPost, которое применяется для моделирования изделий из композиционных материалов. С его помощью можно создавать сложные конструкции, используя подход «Модель как на производстве», а также оценить потенциальные механизмы разрушения, включая развитие повреждений, расслоение и образование трещин.
Среди компаний, которые применяют композиционные материалы, — KTM Technologies, создающая гоночные автомобили и мотоциклы. Она разработала первый в мире серийный автомобиль с несущим кузовом, который одновременно является внешней обшивкой и состоит из 300 предварительно вырезанных слоев углеродного композита. Ansys Composite PrePost позволил упростить быструю настройку сложных композитных моделей и провести тщательный анализ разрушения. В результате при проектировании конструкции монокока KTM XBow его вес был снижен на 20% (рис. 1).
Рис. 1. Анализ разрушения в Ansys Composite PrepPost
Еще одной важной темой Форума стало управление данными о материалах. Эксперты «КАДФЕМ СиАйЭс» уверены: корректная работа с материалами является важным этапом цифровой трансформации. Кроме того, это позволит решить ряд проблем — например, сократить финансовые затраты на повторные испытания, а также правильно выбрать материалы с точки зрения экологии. Для этого Ansys предлагает систему Granta MI. Она позволяет проводить анализ свойств материалов, выполнять интеграцию с CAE, назначать материалы в CAD/PLM и оценивать экологические риски, тем самым повышая качество изделий и снижая затраты времени и стоимость.
На конференции эксперт продемонстрировал улучшенные возможности Granta MI (среди них: новые материалы, атрибуты и свойства, включая цену, ссылки на источники и стандарты и многое другое), а также представил RUSATOMMATERIAL — собственную базу данных материалов «КАДФЕМ СиАйЭС»,
содержащую информацию об отечественных материалах, применяемых в атомной промышленности. Она разработана для применения в системе Ansys GRANTA MI Enterprise. Такой подход позволит обеспечить единую прослеживаемую среду обмена данными о материалах, а также избежать ошибок ввода данных и усилить контроль за применяемыми материалами.
Сегодня система Granta MI используется такими компаниями, как Honeywell, GE Aviation, Jaguar, Philips, Samsung, и многими другими. Кроме того, она применяется в компании RollsRoyce при производстве авиационных двигателей. Специалисты смогли повысить эффективность использования материалов и избежать повторных испытаний, а также обеспечить повторное применение данных. Это позволило сэкономить около 704 млн руб. в год.
Демократизация расчетов и управление инженерными данными
В рамках Форума эксперты также обсудили возможности демократизации расчетов, позволяющие организовать централизованное управление рабочими процессами. В результате время, которое инженер тратит на них, может сократиться до 45%. Кроме того, это дает возможность уменьшить время разработки и стоимость изделий. Решением, позволяющим достичь таких результатов, является Ansys OptiSLang. Оно обеспечивает интеграцию, построение и автоматизацию рабочих процессов, а также может использоваться для вариационного анализа и робастной оптимизации (рис. 2).
Рис. 2. Возможности Ansys OptiSLang
Такой подход применяет международная компания AcmeCorp, ключевым продуктом которой является дронквадрокоптер. Изначально он проектировался полностью вручную с помощью различных инструментов, однако компании было необходимо ускорить совершенствование продукта и сократить сроки выхода на рынок. В результате демократизации расчетов удалось улучшить командную работу, а также автоматизировать типовые процессы моделирования.
Ansys optiSLang интегрируется с Ansys Minerva — платформой для организации взаимодействия на предприятии, разработанной на базе PLMрешения ARAS Innovator. Ansys Minerva позволяет развернуть IТинфраструктуру в масштабах предприятия и предоставляет систему управления бизнеспроцессами и данными, а также возможность управления высокопроизводительными вычислениями и связь с PLMсистемами. В частности, Ansys Minerva поддерживает технологию «цифровая нить» (digital thread), которая позволяет связать данные конструирования, численного моделирования, натурных испытаний, анализа производственных процессов и программного кода в системных моделях и телеметрии реального процесса эксплуатации для анализа причин отказов.
Технологии проектирования и производства изделий
Особое внимание на Форуме было уделено проектированию изделий. Эксперты представили новые возможности Ansys для всего цикла аддитивного производства — от создания начальной конструкции и топологической оптимизации до моделирования процесса печати и анализа микроструктуры. Такой подход позволяет учесть все аспекты и сложности, возникающие при аддитивном производстве, а также исключить метод проб и ошибок.
Так, Ansys Spaceclaim дает возможность моделировать сложные геометрические детали, а также подготовить изделие к печати. А с помощью Ansys Discovery можно всего за несколько минут выполнить топологическую оптимизацию в режиме реального времени. Этот метод позволяет определить оптимальное распределение материала в изделии, а также улучшить его характеристики, уменьшить вес и расход для аддитивного производства. Эксперт «КАДФЕМ СиАйЭс» продемонстрировал его возможности на примере проекта оптимизации вилки механизма переключения передач, состоящей из алюминиевого сплава и изготовленной методом литья. После проведения расчетов на режимы нагружения и получения напряженнодеформированного состояния изделия в Ansys Discovery были заданы необходимые условия. В результате массу изделия удалось уменьшить на 84%, не превышая пределы прочности, при этом время расчета составило около 3 мин. В целом, применение моделирования в Ansys Discovery при 3Dпроектировании изделий позволяет снизить время разработки в 9 раз и повысить производительность на 1020% за счет снижения затрат на обслуживание (рис. 3).
Рис. 3. Процесс проектирования в Ansys Discovery
Кроме того, для моделирования и оптимизации технологических процессов в отраслях промышленности все чаще применяется инструмент Ansys LSDYNA, который используется в таких компаниях, как Ford, GM, Toyota, Honda, BMW. Он поддерживает стратегию «Один код для решения сложных задач» и позволяет проводить тепловые и прочностные расчеты, расчеты гидрогазодинамики и электромагнетизма, а также обеспечивает работу с композитными материалами, химией и сыпучими средами. Так, Ansys LSDYNA дает возможность моделировать процессы работы с:
- листовым металлом;
- формоизменением объемных изделий;
- сваркой, лазерной резкой, наплавкой и аддитивными технологиями;
- соединительными и разделительными операциями, например прошивкой и установкой заклепок.
Беспилотный транспорт и разработка оптики
Сегодня в транспортной отрасли существует четыре глобальных направления: автономный транспорт (ADAS и автономные технологии), электрификация (гибридный и электрический транспорт), интеллектуальное подключение (управление электроникой и ПО), аддитивное производство. Ключевыми задачами при разработке беспилотного наземного и воздушного транспорта являются повышение безопасности, правильная разработка датчиков, а также обеспечение надежности электроники и кибербезопасности.
Эксперт «КАДФЕМ СиАйЭс» продемонстрировал ряд решений Ansys для комплексной работы над беспилотным транспортом. Помимо встраиваемого ПО Ansys SCADE, охватывающего различные задачи — от оценки соответствия проекта требованиям безопасности до проектирования человекомашинного интерфейса (HMI), существуют решения линейки Ansys VRXPERIENCE. Так, VRXPERIENCE Driving Simulator powered by SCANeR представляет собой комплексную масштабируемую платформу для виртуальных испытаний, включающую разные возможности — от управления виртуальным транспортом до анализа результатов виртуальных тестов. Ее уже активно используют и в России — например, в МАДИ при разработке виртуального полигона для тестирования сценариев беспилотных автомобилей.
Для разработки автомобильной светотехники используется Ansys SPEOS — от упрощенного проектирования и валидации оптических систем до продвинутых моделей человеческого зрения и возможности работы с необработанным сигналом. Кроме того, с его помощью можно моделировать лидары, создавая паттерны сканирования и вращения, анализировать принятый сигнал и тестировать визуальную эргономику, например в HMI. В новой версии Ansys 2021 R1 появились инструменты для работы с человеческим зрением — например, Human Eye регулирует диаметр зрачка, позволяет учитывать особенности поля зрения человека и просматривать результаты в специальном приложении для обработки результатов Human Virtual Lab. Другой инструмент — VR Immersive — создает скайбокс с центром в точке наблюдения и позволяет просматривать результаты в приложении Virtual Reality Lab в формате 360°, обеспечивая еще более точные данные об эргономике (рис. 4).
Рис. 4. Ansys SPEOS
Электрификация наземного транспорта и безопасность электроники
В последнее время на рынке появился большой выбор тяговых электродвигателей. Причем эксперты
«КАДФЕМ СиАйЭС» утверждают, что моделирование оказывает огромное влияние на создание электроники, позволяя на 75% уменьшить время на разработку, а также сократить материальные затраты, на 20% снизив количество прототипов. Важными аспектами работы с электроникой являются ее надежность и промышленная безопасность. Ansys предлагает решение Ansys Sherlock для анализа конструкции устройства. Оно интегрируется с Ansys Workbench, позволяя упростить и ускорить моделирование механических и тепловых характеристик, а также надежности электронных систем. Среди прочих обновлений в новой версии стал доступен API, что позволяет автоматизировать процессы и стандартизировать методы, изучать влияние вариантов конструкции и событий на прогнозирование вероятности отказа и другие показатели.
Среди компаний, применяющих сегодня Ansys Sherlock, — Danfoss Drives A/S, которой требовалось сократить время вывода на рынок привода переменного тока. Ansys Sherlock использовался для автоматического анализа и прогнозирования усталости припоя паянного соединения печатной платы, а также импорта модели сборки печатной платы в Ansys Mechanical для выполнения расчета устройства в целом. С помощью Ansys Sherlock удалось за более короткие сроки увеличить количество расчетов и виртуальных испытаний, ускорить выход нового привода на рынок и повысить общую надежность устройства (рис. 5).
Рис. 5. Деформация привода, рассчитанная в Ansys Mechanical
Для анализа функциональной безопасности применяется инструмент Ansys medini analyze, позволяющий решать целый ряд задач — от обеспечения безопасности и надежности системы до снижения затрат на встраиваемое ПО. Ansys Medini analyze позволяет сократить сроки и затраты на соответствие стандартам в области надежности и безопасности до 50%, а также обеспечить целостность информации. Кроме того, с его помощью можно проводить анализ слабых мест системы (System Weakness Analysis, SWA), оценивая риски и анализируя компоненты изделия на ограничения и соответствующие активирующие факторы. Ansys medini analyze востребован среди автопроизводителей — например, DAIMLER с его помощью разрабатывает концепции функциональной безопасности, Audi использует его при проектировании двигателей, а в ZF TRW это решение применяют на всех этапах — от концепции до разработки аппаратного и программного обеспечения.
Цифровые двойники в промышленности
По прогнозам, к 2025 году 1,65 млрд производственных активов будут иметь системы мониторинга технического состояния. К таким системам, в частности, относятся Цифровые двойники. В рамках Форума эксперты «КАДФЕМ СиАйЭс»
представили несколько наиболее востребованных вариантов применения технологии. Например, Цифровой двойник теплообменного аппарата позволяет прогнозировать отложения для планирования технического обслуживания, предупреждать о нарушении режимов работы на основе контроля изменения тепловой эффективности оборудования и определять причины ее изменения. Эти возможности, в том числе, могут оказать влияние на экономические аспекты — по оценкам, потери изза загрязнения теплообменных поверхностей могут составлять 0,25% ВВП западных стран.
Среди другого востребованного для создания Цифровых двойников оборудования эксперт назвал котлоагрегаты, электростанции, воздушные компрессоры, системы подачи сжатого воздуха, трубопроводы и пульпопроводы, участки измельчения и электродвигатели. Цифровые двойники также могут применяться для планирования и контроля работы поточнотранспортных систем, позволяя устранять причины их сбоев и обеспечивая логистику транспортировки материалов.
Главным инструментом для создания Цифровых двойников реальных физических объектов является Ansys Twin Builder. С его помощью информация от установленных на оборудование датчиков передается в математическую модель для оценки влияния реальных условий эксплуатации на изменение параметров оборудования. Это обеспечивает глубокое понимание предыдущих условий и режимов работы оборудования, возможность точной оценки его технического состояния в настоящем и будущем.
Эксперт «КАДФЕМ СиАйЭс» подробно описал три этапа создания Цифрового двойника в Ansys Twin Builder:
- Системное моделирование, или создание точного Цифрового двойника, учитывающего физику процессов.
- Валидация и оптимизация системы.
- Создание Цифрового двойника с IIoTплатформами и подключение к работающему оборудованию.
Сегодня Ansys Twin Builder применяется в Volkswagen Motorsport для разработки Цифрового двойника тяговой аккумуляторной батареи электромобиля. Другой пример — компания Phoenix Contact, создавшая Цифровой двойник для предотвращения отказов реле. Цифровой двойник на основе математической модели определял износ в зависимости от реальных условий и режимов работы. В результате в компании стали использовать усовершенствованные реле, работа которых контролируется Цифровым двойником. Это позволяет экономить десятки тысяч долларов в час за счет исключения внеплановых простоев оборудования.
В рамках Форума эксперты также обсудили особенности проектирования электрических машин и аккумуляторных батарей с помощью Ansys MotorCAD, возможности Ansys для AV/ADAS и 5Gсетей, продвинутые методы расчета течений в турбомашинах, а также новые возможности программных продуктов Particleworks, Rocky DEM и Flownex SE.
Также были затронуты темы, касающиеся современных возможностей гидродинамики. Эксперты продемонстрировали инновационные подходы к моделированию многофазных течений, включая усовершенствованную версию модели GENTOP в Ansys Fluent, а также улучшения в области моделирования многофазности явным VOFметодом. Эксперты также обсудили новейшие технологии сеточных генераторов в Ansys (Mosaic и Overset) и возможности Ansys LSDYNA для быстропротекающих процессов в аэрокосмической отрасли.
