Инженеры Петербургского Политеха применили технологию цифровых двойников в железнодорожном машиностроении
Специалисты Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (НЦМУ СПбПУ) впервые применили методы цифрового инжиниринга и технологию цифровых двойников в разработке элементов подвижного состава железнодорожного транспорта. Работа ведется на базе уникальной российской разработки – цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench®.
Существующие методики расчетов в железнодорожном машиностроении были разработаны еще в середине XX века на основе опытных данных. Они имеют достаточную качественную сходимость (результаты компьютерного моделирования качественно совпадают с поведением реального объекта) для уже существующей техники, однако для разработки новой техники зачастую эти методики оказываются неэффективными, так как не учитывают множество факторов, связанных с особенностями материалов и конструкций, предполагаемых режимов и условий эксплуатации подвижного состава.
«В основе технологии цифровых двойников лежит матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений, позволяющая учитывать множество факторов, что сложно сделать без применения передовых цифровых технологий, математического и компьютерного моделирования на основе моделей с высоким уровнем адекватности реальным материалам, конструкциям и эксплуатационным режимам – объяснил практическую значимость применения методов цифрового инжиниринга в железнодорожном машиностроении проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, руководитель Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии» Алексей Боровков. – Высокотехнологичная промышленность развивается именно в этом направлении, так как мы все больше переносим процесс разработки новых промышленных изделий в цифровое пространство и поэтому очень своевременным стало утверждение Правительством Российской Федерации стратегического направления в области шифровой трансформации обрабатывающих отраслей промышленности, которое впервые вводит понятие цифровой сертификации как специализированного бизнес-процесса, основанного на тысячах и десятках тысяч цифровых (виртуальных) испытаний как отдельных компонентов, так и системы в целом, целью которого является прохождение с первого раза всего комплекса натурных, сертификационных и прочих испытаний».
Специалисты Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» СПбПУ разработали архитектуру цифрового двойника экипажной части локомотива и создали математические и компьютерные модели составных частей тележки локомотива. Также инженеры создали более 40 виртуальных испытательных стендов и виртуальный испытательный полигон для многочисленных цифровых испытаний и проверок соответствия элементов конструкции матрице требований и целевых показателей, предложили применить методы анализа видов и последствий потенциальных отказов конструкции и методы расчета стоимости жизненного цикла конструкции, основываясь на информации, генерируемой с помощью цифрового двойника изделия.
Кроме того, специалисты НЦМУ СПбПУ разработали новые подходы для проведения расчетных проверок методами мультидисциплинарного компьютерного моделирования и систему обмена данными между моделями, а также программные модули для сбора и обработки результатов моделирования на цифровой платформе CML-Bench (R).
«Применение технологии цифровых двойников и российского программного обеспечения позволяет повысить положительный экономический эффект по критериям качества, скорости и стоимости разработки. Уже сейчас в результате оптимизации достигается результат по обоснованному снижению металлоемкости различных частей конструкций тележек на 14% с учетом показателей прочности и ресурса согласно матрице требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. То есть конструкция сохраняет свои габаритные ограничения, прочностные характеристики, но имеет меньшую массу, а значит и материалоемкость. Применение цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML–Bench® позволяет существенно сокращать сроки проведения и анализа многовариантного моделирования и провести обоснованный выбор конструкторских решений, тем самым сокращая сроки разработки от двух и более раз по сравнению с традиционным цифровыми подходами», – отметил руководитель отдела системного инжиниринга НЦМУ «Передовые цифровые технологии» СПбПУ, научный сотрудник, к.т.н. Юрий Житков.
В ближайшие годы команда специалистов планирует дальнейшее совершенствование новых методик и подходов к проектированию сложной железнодорожной техники, комплексную интеграцию виртуальных испытательных стендов с целью развития технологии цифровых двойников изделий на базе цифровой платформы CML-Bench®, развитие системы хранения и обмена данными результатов мультидисциплинарных расчетов, совершенствование методов анализа результатов моделирования с использованием технологий машинного обучения, интеграцию инструментов анализа видов и последствий потенциальных отказов конструкции, а также анализа стоимости жизненного цикла конструкции, уточнение матрицы требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. Полученные результаты актуальны и применимы в практике проектирования новой техники и разработке проектов модернизации существующей железнодорожной техники.
НЦМУ «Передовые цифровые технологии» – консорциум из 4-х организаций: Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (координатор консорциума), Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, Тюменского государственного университета, НИИ гриппа имени А.А. Смородинцева Минздрава России. Программа исследований НЦМУ до 2025 года содержит 35 научных тематик по 4 направлениям: передовые цифровые технологии и технологии «умного» производства, искусственный интеллект; роботизированные системы; материалы нового поколения и аддитивные технологии.
