Михаил Гусев,
главный специалист ООО «КЭЛС-центр»
Введение
В настоящее время одним из основных направлений сокращения сроков проектирования и снижения затрат на разработку изделий является максимальная цифровизация процессов проектирования. В первую очередь под этим понимается максимальное использование цифрового моделирования изделий и процессов их эксплуатации, а также внедрение современных инструментов CAD/CAE-систем, их объединение в общий процесс разработки для поиска оптимальных вариантов изделий. Надо отметить, что предприятия атомной отрасли, ввиду сложности и наукоемкости продукции, являются лидерами во внедрении современных высокотехнологичных систем проектирования. В статье приведены примеры использования такой системы — платформы pSeven, которая позволяет автоматизировать процессы комплексного анализа, применить к ним передовые алгоритмы оптимизации и обеспечить ускорение разработки изделий, соответствующих предъявляемым к ним требованиям.
Основные возможности системы pSeven
Основные функциональные возможности pSeven базируются, как показано на рис. 1, на трех взаимосвязанных группах инструментов: автоматизации процессов расчетов, параметрических исследований и оптимизации, создания и использования предиктивных моделей.
Рис. 1. Группы инструментов pSeven
Решение любой расчетной задачи основано на двух наиболее важных факторах: методике решения и применяемых инструментах (CAD/CAE-системы, расчетные коды и т.д.). При этом сама методика расчета строится исходя из руководящих документов, подходов к решению типовых задач, знаний и опыта инженеров-расчетчиков.
Платформа Seven обеспечивает возможность описания методики расчета в виде понятной блок-схемы и полную автоматизацию всех действий в ее рамках: подготовку расчетных моделей, вызов и взаимодействие с CAD/CAE-системами, обмен данными между различными решателями, обработку и анализ результатов и т.д. По сути, она позволяет полностью формализовать, автоматизировать методику расчета, включить в нее различные расчетные или CAD-системы и обеспечить возможность ее повторного использования. Платформа pSeven позволяет «зафиксировать» методику расчета и обеспечить строгое ее выполнение всеми специалистами.
Также pSeven позволяет эффективно решать задачи по параметрическим исследованиям и оптимизации. Платформа позволяет пользователю включать в расчетные методики продвинутые алгоритмы оптимизации и обеспечивает возможность их использования без глубоких знаний в области математических методов оптимизации.
Оптимизационные алгоритмы pSeven обеспечивают автоматизированное исследование различных вариантов конструкции изделия, но нацелены на минимизацию рассматриваемого количества вариантов, тем самым позволяя сократить время поиска решений.
Группа инструментов по работе с предиктивными моделями позволяет создавать их на основе расчетных, экспериментальных, эксплуатационных или других данных. pSeven позволяет проводить анализ созданных моделей, определять чувствительность и зависимости целевых функций от изменения входных параметров. Использование этих инструментов позволяет, с одной стороны, радикально сократить время исследований при оцененной точности за счет перехода на аппроксимационные модели, где это возможно, а с другой стороны, проводить более глубокий анализ поведения модели в различных условиях.
Далее будут рассмотрены примеры использования системы pSeven для поиска оптимальных параметров изделий, снижения времени поиска решений, автоматизации методик расчета и анализа данных, реализованных на предприятиях атомной отрасли.
Связанный расчет при многовариантном анализе безопасности РУ
Данный пример показывает возможности по автоматизации решения задач при использовании системы pSeven.
В приведенном примере решалась задача многовариантного анализа аварийного режима на реакторной установке (РУ), связанного с непреднамеренным повышением мощности. Алгоритм расчета состоит из пяти последовательных этапов с применением отраслевых расчетных кодов. Время расчета одного варианта составляло около 9 часов, общее время расчета — около 21 дня. На каждом этапе требовалось подготовить расчетную модель и структуру данных для расчета, выполнить расчет, извлечь данные из результатов и передать на следующий этап, то есть выполнить много операций по работе с файлами и текстовыми данными.
Система pSeven позволила полностью автоматизировать все этапы процесса комплексного расчета в виде расчетной цепочки, куда были подключены соответствующие расчетные системы. Схема расчета приведена на рис. 2. Использование системы pSeven позволило автоматизировать подготовку моделей, управление запуском расчетов, анализ, обработку и обмен данными между этапами расчета.
Рис. 2. Комплексная расчетная схема
В результате решения задачи пользователи отметили сокращение времени расчета в три раза только благодаря автоматизации процесса и, что немаловажно, значительное сокращение ошибок пользователей при работе с текстовыми моделями.
Оптимизация проточной части насоса
Данный пример показывает использование возможностей pSeven для оптимизации прототипа первой ступени проточной части центробежного насоса, представленного на рис. 3. В ходе решения необходимо было получить наилучшую конфигурацию лопастей насоса с целью повышения его КПД и сохранения или усиления напора.
Рис. 3. Модель рабочего колеса насоса
Для управления моделью было выделено четыре параметра, описывающих конфигурацию лопасти насоса. В качестве расчетной системы использовалась Ansys, для перестроения геометрии лопасти дополнительно применялась CAD-система NX (Siemens). Полученная методика расчета в виде расчетной цепочки представлена на рис. 4.
Рис. 4. Расчетная схема оптимизации насоса
В рамках схемы блок «optimization» обеспечивает применение методов оптимизации (в данном случае — метода оптимизации на основе суррогатной модели для двухкритериальной задачи) и генерирует новую конфигурацию лопасти насоса. Далее по этим параметрам перестраивается геометрическая модель в блоке NX, в случае успешного перестроения выполняется расчет в системе Ansys WorkBench. Результаты расчета возвращаются в блок «optimization» для анализа и генерации новой конфигурации лопасти.
Таким образом, в результате решения задачи в автоматическом режиме получено улучшение КПД насоса на 4% при сохранении величины напора.
Необходимо отметить, что система pSeven может обеспечить более «мягкий» переход при замене расчетных инструментов, например, в рамках импортозамещения. Так, для замены используемой CAD-системы на отечественную систему КОМПАС-3D достаточно заменить и настроить соответствующий интеграционный блок при сохранении общей методики расчета.
Профилирование сепаратора регулирующего клапана
Решение данной задачи нацелено на оптимизацию параметров сепаратора регулирующего клапана. Необходимо было подобрать размеры и расположение отверстий в сепараторе таким образом, чтобы пропускная способность клапана соответствовала заданной характеристике относительно хода плунжера с допустимой погрешностью по ГОСТ 34437-2018.
Основной сложностью данной задачи является то, что для ее решения должно быть рассмотрено большое количество вариантов. Поэтому второй целью было получение приемлемого решения за минимальное время.
Геометрическая и расчетные модели приведены на рис. 5.
Рис. 5. Исходные геометрическая и расчетная модели
Для решения задачи была создана расчетная схема, в которой интегрированы CAD-система КОМПАС-3D
для перестроения геометрии сепаратора и Ansys CFX для расчета гидравлических характеристик. В расчетной схеме применен алгоритм суррогатной оптимизации для решения однокритериальной задачи — поиска минимального суммарного отклонения от заданной характеристики.
В результате решения задачи получена конфигурация сепаратора, приведенная на рис. 6, которая обеспечивает отклонение от заданной характеристики пропускной способности менее чем на 3%. Расчет проводился в полностью автоматизированном режиме, однако потребовалось 90 расчетов и около ста часов для получения решения.
Рис. 6. Оптимизированная геометрическая модель сепаратора
Для ускорения получения решения применялись инструменты по работе с предиктивными моделями. С использованием техники HDA (High Demention Approximation) была построена аппроксимационная модель, которая моделировала совместную работу CAD-системы и расчетной системы. В результате время решения задачи сократилось до часа при приемлемой точности расчетов. В будущем возможно создать библиотеку аппроксимационных моделей для разных типоразмеров устройств, что позволит быстро адаптировать изделие под требования заказчиков.
Автоматизация методики анализа результатов экспериментов
В атомной отрасли проводится большое количество экспериментов и, как следствие, требуется провести большую работу по их анализу и обработке. В большинстве случаев необходимо выделить соответствующие группы данных, построить графики, провести анализ, составить отчеты.
В приведенном на рис. 7 примере исходные результаты расчета представлены в структурированных текстовых файлах. Изначальный способ работы предполагал «ручной» перенос соответствующих групп данных в программу MS Excel, где должны быть построены соответствующие графики. Далее обработанные данные и графики должны быть перенесены в шаблон отчета в программе Word. В ручном режиме обработка около ста исходных файлов составляет несколько дней.
В системе pSeven реализована автоматизированная расчетная цепочка, в которую интегрированы блоки для взаимодействия с текстовыми исходными данными, файлами Excel и Word. Результаты экспериментов извлекаются из всех текстовых файлов, проводится их обработка, при этом непосредственно в системе pSeven может быть проведен их первичный анализ. После обработки данные передаются в файл Exсel, где преднастроено создание соответствующих графиков. Далее данные и графики передаются в шаблон отчета Word.
Общая схема работы представлена на рис. 7. Полная обработка данных, включая подготовку отчета, занимает несколько минут. При этом, по оценке пользователей, степень готовности автоматизированного отчета составляет 80%.
Рис. 7. Обработка результатов экспериментов
Таким образом, pSeven позволяет автоматизировать рутинную работу по анализу результатов экспериментов и подготовке отчетов.
Выводы
- Платформа pSeven активно внедряется на предприятиях, в том числе в атомной отрасли, и доказала свою пользу в решении практических задач.
- pSeven является эффективной современной платформой, которая дает возможность проводить полную автоматизацию процессов расчетов, решать оптимизационные, многовариантные задачи, строить и использовать предиктивные модели на расчетных и экспериментальных данных, а также проводить их анализ. pSeven позволяет находить оптимальные варианты изделий, сокращать время на решение задач, освобождать пользователей от рутинных операций.
- Система pSeven применяется в различных отраслях промышленности, но наибольший эффект от ее использования проявляется в наукоемких областях, таких как атомная промышленность. Немаловажным фактором распространения системы на предприятиях атомной промышленности является возможность подключения как коммерческих расчетных систем, так и отраслевых кодов и кодов собственной разработки в единый автоматизированный процесс.
