Общие тенденции развития систем проектирования технически сложных изделий

Александр Никулин,
архитектор цифровых двойников ГК «ПЛМ Урал»

Данная статья отражает субъективный взгляд автора на развитие технологий и процедур компьютерного моделирования при проектировании технически сложных изделий. Автор не пытается с кем-то спорить и не считает, что содержание настоящей публикации является единственно верной позицией.

История технически сложных изделий, необходимости их улучшения и появления первых инженеров началась в тот момент, когда человек сообразил, что может перемещать значительный груз, регулярно подкладывая под него круглые предметы и заменив трение скольжения на трение качения. Значительно позже фраза «чем больше размер круглого предмета, положенного под груз, тем проще груз перемещать» превратилась в расчетную формулу, описывающую обратную пропорциональность между силой трения качения и радиусом тела качения.

Двигатель Ленуара

Первый двигатель внутреннего сгорания имел КПД в 3,3%, содержал менее тысячи деталей и искровую систему зажигания горючей смеси с ручным управлением.

Современный ДВС — это тысячи деталей сложной формы, выполненных с точностью в доли миллиметра, сотни тысяч строк кода, чувствительная электроника со временем реакции в тысячные доли секунды и КПД лучших образцов в 40%.

В кибернетике существует принцип, называемый «Закон необходимого разнообразия». Если перефразировать его кратко, то он прозвучит следующим образом: «Для эффективности управления разнообразие управляющего воздействия должно быть не ниже разнообразия управляемой системы». Если применить этот закон к приведенным выше примерам, то создание первых двигателей находилось под конт-ролем одного человеческого разума, а для управления процессом создания современных ДВС необходимо сформировать целый коллектив специалистов различной специализации и оснастить этот коллектив специализированными средствами компьютерного моделирования. Таким образом, если за сложность технических изделий принять количество людей, необходимых, чтобы в деталях объяснить принципы и правила работы технического устройства, то за полтора столетия сложность изделий выросла на два порядка. Разумеется, развитие технических систем вызывало необходимость в непрерывном совершенствовании подходов и парадигм проектирования — от набросков до чертежей и моделей-демонстраторов.

12-цилиндровый двигатель Mercedes M275

Практически до конца 60-х годов прошлого столетия главными инструментами инженера были логарифмическая линейка и особое чутье, которое позволяло создавать очередной шедевр инженерной мысли. Основным документом и результатом работы инженера являлся чертеж, создаваемый на основе жестких стандартов с применением примитивной расчетной базы, строящейся, как правило, на основных правилах дисциплины «сопротивление материалов» и полуэмпирических зависимостях. Результаты вычислений были побочным продуктом. Итогом работы технолога являлась бумажная двумерная документация, являющаяся логическим продолжением чертежа и так же стандартизованная и ограниченная в использовании. Это во многом определило ориентацию систем проектирования и установило основной сущностью и источником информации конструкторскую документацию. Исключительность чертежей как основы в ЖЦ и отсутствие развитых численных методов наложило существенные ограничения на процесс создания изделий: необходимость избыточных запасов прочности конструкции, заниженные требования к эффективности, ограничения при выборе материалов, проведение множества натурных экспериментов для подтверждения требований к конструкции и доводке и т.п.

Профессор Д.Б. Сполдинг

В рамках мировой конкуренции и с развитием спроса требования к изделиям ужесточались. Дальше, быстрее, мощнее, экономичнее, дешевле… Количество проверяемых гипотез увеличилось пропорционально изменению количеству требований.

Распространение коммерческих расчетных кодов начинается с 1960 года с компании CHAM Ltd профессора Д.Б. Сполдинга, а прочностные бестселлеры Ansys и Nastran получили распространение c 1970-х годов. В это же время проходит первая волна внедрения коммерческих расчетных систем, предоставивших инженерам инструмент, позволяющий кратно увеличить скорость проверки гипотез в основном по актуальным направлениям прочности, гидрогазодинамики и тепла. Появился класс инженеров, работа которых заключалась в том, чтобы меньше чертить, но больше считать. Однако прежняя парадигма, в которой основной информационной сущностью была конструкторская документация, продолжала жить. Как практически невозможна ситуация, когда инженер-конструктор посреди работы передает чертеж на доработку другому конструктору, также компьютерные модели создавались с момента постановки задачи до анализа результатов одним человеком. И чтобы выполнить расчет с известной долей достоверности, инженер по расчетам должен был обладать набором фундаментальных знаний не только по конструкции, но и по физике и численным методам. В условиях, когда результаты расчета всё еще воспринимались как побочный продукт, такой подход работал.

Повсеместное внедрение производственных систем с числовым программным управлением резко повысило точность изготовления, возможности технологии, потенциально достижимую сложность изделий. Повторно произошел качественный скачок увеличения требований к изделиям. Снова возникла потребность в увеличении количества проверяемых гипотез и сами эти гипотезы стали настолько сложны, что, рассматривая и модифицируя один узел, уже стало невозможно проконтролировать влияние вносимых изменений в общие характеристики изделия. Возникла потребность в комплексном многофизичном моделировании изделий и узлов, автоматизации расчетов, автоматизации проверки соответствия изделия техническим требованиям, анализе взаимовлияния и, в целом, рассмотрении изделий не как набора отдельных узлов, а как постоянно взаимодействующей с окружающим миром системы.

Зависимость перерасхода бюджетов проектов от затрат на системную инженерию

Назвать точную дату, когда начали оформляться подходы, рассматривающие изделие как систему, сложно, однако первая попытка преподавать системную инженерию в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, была предпринята в 1950 году в Массачусетском технологическом институте руководителем департамента системной инженерии корпорации Bell Labs Д. Гилменом. Реальные же цифровые инструменты, необходимые системному инженеру, появились только в середине 1990-х годов (спецификация UML), а удобный инструмент — лишь в 2007 году (методология ARCADIA и программная ее реализация Capella). В дальнейшем Capella была интегрирована во многие системы управления жизненным циклом. Российская компания АСКОН с 2023 года реализует идеологию архитектурного проектирования в рамках модуля своей системы управления данными ЛОЦМАН:PLM. Требования системного подхода к разработке высокотехнологичных изделий, стоящие перед современными системами проектирования, решены: отработаны подходы, позволяющие проектировать изделие как систему, а программное обеспечение предоставляет соответствующие инструменты по автоматизированному описанию архитектуры изделия и управлению требованиями.

Пример реализации комплексной модели в среде PSeven Enterprise

Применить подходы системной инженерии к расчетным моделям оказалось не так просто. В попытках создать системную расчетную модель, которая сможет предсказать поведение всего изделия при любых сценариях использования и взаимодействия с окружением, инженерным сообществом было разработано несколько потенциально применимых подходов и методик. Наиболее известным в этой области является термин «цифровой двойник». За время существования термина разные люди и компании вкладывали в него различный смысл, в то время как первоначально цифровой двойник был определен как некая компьютерная модель, которая может предсказать параметры работы реального изделия или его прототипа независимо от масштаба — от атомарного и до макроуровня. Разумеется, получить модель, которая описывает все процессы, происходящие в изделии, — это задача нереализуемая на данном этапе развития компьютерного моделирования и аппаратного обеспечения для сколь-нибудь сложного изделия. В реальной практике существует необходимость ответить на конкретные вопросы: выполняет ли объект (деталь, узел, изделие целиком, фабрика по производству изделий, весь цикл интегрированной логистической поддержки) требования, к нему предъявляемые. Создать такую комплексную модель вполне реально, и ее эффект будет выражен в конкретных цифрах ускорения расчетного процесса и снижении времени проведения изменений и оптимизации всего моделируемого объекта в комплексе. Однако при попытке построить такие модели быстро обнаружилось, что для получения достаточной точности предсказания комплексная расчетная модель должна получить дополнительные данные из других систем управления данными, а место такой модели уже не на периферии процесса проектирования, а в самом ее центре. Именно комплексная модель становится ядром и основным источником информации для принятия конструкторских решений.

В настоящее время формирование комплексных моделей сводится к созданию автоматизированных расчетных цепочек, которые позволяют проконтролировать выполнение тех или иных наборов требований. Цифровой двойник в таком случае представляет собой набор комплексных моделей, каждая из которых решает определенные задачи. Что касается программного обеспечения, позволяющего формировать комплексные модели, то в арсенале современного инженера присутствуют такие инструменты, как pSeven Enterprise, HEEDS и другие продукты, направленные на автоматизацию компьютерного моделирования.

Применение структур и подходов цифрового двойника неизбежно ведет к увеличению роли компьютерного моделирования в общем цикле проектирования и скачкообразному росту объемов математического моделирования, а также частичной замене натурных испытаний цифровыми. Вместе с тем, это также означает увеличение требований к точности компьютерного моделирования, с одной стороны, и демократизацию проведения численного анализа — с другой. В идеальном случае расчет, выполненный по поверенной методике, должен давать результат, погрешность которого имеет одинаковый порядок с погрешностью измерительного оборудования, используемого при проведении натурных испытаний, а повторить его должен любой инженер по расчетам соответствующего профиля.

Как показал опыт 3-й промышленной революции, минимального количества ошибок, существенного увеличения эффективности и скорости труда можно достичь, применяя конвейерный метод производства. В условиях повышения сложности изделий и объема требований к ним нам необходим такой же переход в области математического моделирования. И чтобы такой переход стал возможен, необходимо исключить из процесса проектирования следующие слабые звенья:

• уникальность работ по созданию расчетной модели: подготовка геометрии, дискретизация расчетной области, настройка математической модели, выполнение счета, анализ и интерпретация результатов;
• отсутствие формализованных подходов к выполнению численного анализа, уникальности как специалистов, так и проводимого численного исследования;
• использование программного обеспечения, в котором не реализована возможность обмена данными по определенным стандартам;
• применение программного обеспечения с решателями, которые требуют ручного управления со стороны пользователя в процессе сходимости задачи. В расчетном ПО должен быть реализован принцип «выстрелил — забыл»;
• проведение единичных расчетов с подбором методики под каждый расчет. Необходимо перейти к построению автоматизированных расчетных цепочек, допускающих полностью автоматическую работу групп расчетов с автоматической передачей данных между отдельными блоками автоматизированных расчетных цепочек.

Вторым и наиболее сложным блоком внедрения новых подходов является подготовка инженерного персонала. В новом инженере глубокое знание численных методов должно сочетаться с базовыми навыками программирования и настройки автоматизации бизнес-процессов, знаниями в области системной инженерии.

В заключение

Длительное время процедура компьютерного моделирования рассматривалась как вспомогательная операция, позволяющая проверить гипотезы конструктора. Иными словами — виртуальные испытания были внутренним инструментом, а временные затраты инженеров-конструкторов на создание компьютерных моделей относили к накладным расходам и заказчику предъявлялись как часть затрат на создание РКД. Сама компьютерная модель к продукции не относилась, интеллектуальной собственностью не являлась.

В настоящее время идет активная смена парадигмы проектирования, очередной фазовый сдвиг в сложности технических изделий и средств производства. Применение расчетной модели как вспомогательного средства уже не работает. Нужна более тесная интеграция расчетных моделей между собой, с требованиями и иными элементами цикла проектирования.

Даже в изменившихся условиях у нас достаточно знаний и инструментов, чтобы с минимальными рисками увеличить эффективность процессов проектирования, применив подходы системной инженерии, автоматизации бизнес-процессов. Есть все методики, все знания, все инструменты. Однако без существенных усилий по внедрению этих инструментов, развития образовательных программ и твердого намерения руководства промышленных предприятий менять подходы, изменить традиционную парадигму невозможно. Фактически мы стоим перед выбором: перейти на новый виток эволюции техники или стать окаменелыми образцами в своеобразном мировом археологическом музее.