На Форуме Ansys 2021 обсудили ключевые тренды и технологии промышленности

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.