Введение
Известный термин «Цифровой двойник» обычно ассоциируется с виртуальной копией физического объекта (изделия, процесса или его части) и, что важно, подключенной к нему. Цифровые двойники обычно используются для анализа, мониторинга и оптимизации производительности физических активов. В идеальном мире каждый эксплуатируемый физический актив должен иметь связанный с ним собственный Цифровой двойник.
Цифровые двойники эксплуатации (ЦД-Э) могут быть созданы с нуля после производства физического актива или преобразованы из цифрового двойника разработки (ЦД-Р), который использовался для моделирования и тестирования характеристик актива на этапе проектирования. ЦД-Р позволяют инженерам и конструкторам выявить потенциальные проблемы и оптимизировать конструкцию до начала создания физического прототипа или производства серийных образцов. В этом смысле цифровые двойники также имеют свой «жизненный цикл» (рис. 1).
Рис. 1. Этапы жизненных циклов цифрового двойника и физического актива
ЦД-Р может быть создан на основе CAD/CAE-моделей и других проектных данных. Он может включать широкий спектр расчетных моделей для анализа напряжений и усталости, моделирования гидро- и газодинамики, теплового анализа и т.д. Моделируя поведение и характеристики объекта в виртуальной среде, инженеры могут проверить различные варианты конфигурации и определить оптимальную конструкцию, отвечающую требуемым критериям эффективности. Это позволяет сократить время и затраты, связанные с созданием физических прототипов и испытаниями.
Такой подход широко используется в турбомашиностроении и аэрокосмической промышленности, например, при разработке авиационных двигателей. Авиационные двигатели очень сложны по своей конструкции и протекающим в них физическим процессам, поэтому над моделированием различных частей двигателя обычно работают несколько групп специалистов. Кроме того, процесс проектирования носит итерационный характер, поэтому одни и те же расчеты необходимо повторять снова и снова с небольшими корректировками исходных данных. Возможное распределение обязанностей показано на рис. 2.
Рис. 2. Распределение обязанностей при разработке авиационных двигателей
Как уже говорилось, в процессе проектирования используется широкий спектр расчетов и инженерного анализа. Разные команды проводят различные, но тесно взаимосвязанные исследования, в связи с чем возникает проблема передачи данных. Инженеры не только отвечают за само моделирование, но и должны заботиться о формате обмена данных между отделами.
В этой статье мы покажем, как pSeven Enterprise позволяет формализовать и автоматизировать расчеты отдельных частей двигателя в каждом из задействованных отделов, а затем увязать зависимости между их моделями в единую расчетную схему всего двигателя.
 ПАО «ОДК-Сатурн» — двигателестроительная компания, специализирующаяся на разработке, производстве, послепродажном обслуживании газотурбинных двигателей (ГТД) для авиации, энергогенерирующих и газоперекачивающих установок, судов, морских и приморских промышленных объектов. ПАО «ОДК-Сатурн» входит в состав АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК). www.uec-saturn.ru |
Расчетная схема для узловой части двигателя
Для автоматизации расчетов узловой части любого двигателя может быть создана специальная расчетная схема в отечественном программном комплексе pSeven Enterprise. Например, на рис. 3 показана расчетная схема для проведения газодинамических расчетов (CFD) компрессора.
Рис. 3. Расчетная схема для узловой части двигателя
Расчетная схема начинается с блока «CFX Pre session», который подготавливает новую сессию для препроцессинга на основе шаблона с обновленными значениями граничных условий. В режиме редактирования (рис. 4) пользователь может открыть блок и загрузить шаблон текстового файла с данными для Ansys «CFX Pre». Блок автоматически считывает все выражения и функции. В режиме выполнения блок на основе шаблона (загруженного пользователем в режиме редактирования) формирует новый входной файл с данными для Ansys «CFX Pre», используя данные, поступающие на входные порты блока.
Рис. 4. Блок «CFX Pre session»
После этого блок «CFX Pre» запускает сессию препроцессинга и формирует входной файл для решателя, который запускается блоком «CFX Solver», а сеанс постобработки — блоком «CFX Post».
Для чтения и вывода результатов используется блок «CSV diagrams». В режиме редактирования (рис. 5) пользователь может открыть блок и загрузить шаблон CSV-файла, полученного из Ansys «CFX Post». Блок автоматически формирует список выходных портов блока, соответствующих данным из CSV-файла.
Рис. 5. Блок «CSV diagrams»
В режиме запуска блок считывает данные из CSV-файла, сформированного в ходе расчета, и записывает их в выходные порты блока.
Построение расчетной схемы было облегчено за счет использования специальных блоков (рис. 6). Эти блоки, обеспечивающие бесшовную связь с инженерными приложениями (например, с Ansys CFX), могут быть разработаны для любого типа программного обеспечения, поддерживающего пакетное выполнение (batch execution).
Рис. 6. Список блоков, задействованных в расчетной схеме
Каждый отдел, отвечающий за определенную часть авиационного двигателя, может собирать такие расчетные схемы.
Единая расчетная схема для увязывания нескольких моделей
При моделировании газовоздушного тракта авиационного двигателя в целом граничные условия на входе в конкретную расчетную модель узла задаются, исходя из результатов расчета предыдущего. Возможный вариант передачи данных для схемы турбореактивного двигателя (ТРД) представлен на рис. 7.
Рис. 7. Передача данных при моделировании авиационного двигателя
В pSeven Enterprise можно собрать соответствующую единую расчетную схему (рис. 8). В расчетной схеме используется специальный тип блоков — «Workflow reference». Они являются ссылкой на актуальные версии существующих расчетных схем, например блок «Compressor» ссылается на расчетную схему из рис. 3. Этот тип блока позволяет различным отделам и сотруднику, ответственному за ведение единой расчетной схемы, работать одновременно и поддерживать ее в актуальном состоянии.
Рис. 8. Единая расчетная схема для моделирования авиационного двигателя
Заключение
В описываемом подходе Цифровой двойник разработки (ЦД-Р) представляет собой единую расчетную схему, которая ссылается на дочерние расчетные схемы, созданные и поддерживаемые различными отделами предприятия. Ссылки на дочерние схемы позволяют предприятию гибко формировать единую расчетную схему, обеспечивая при этом возможность редактирования и независимого запуска дочерних схем, а также их повторного использования при помощи ссылки в последующих проектах.
Реализация проекта в виде нескольких взаимосвязанных расчетных схем обеспечивает сохранение знаний и опыта, формализацию практик и методов проектирования, а также повторное использование имеющихся моделей и расчетов. Каждая отдельная расчетная схема может создаваться и поддерживаться отдельной командой специалистов, а все расчетные схемы вместе образуют целостный многодисциплинарный расчет.
Внедрение pSeven Enterprise позволяет значительно ускорить инженерные процессы и снизить вероятность ошибок, особенно при работе над сложными, многодисциплинарными задачами.
