Цифровое проектирование22.04.2016 07:36

Алексей Боровков о системе 3D-моделирования, краш-тестах и концепции «Simulation-Based Design»

В свое время, более 40 лет назад, создание и применение в разработке технических систем, конструкций САПР (систем автоматизированного проектирования) было признано Национальным американским научным фондом одним из самых величайших событий, которые резко увеличивают производительность труда, вторым после изобретения электричества. С тех пор прошло много времени. И с каждым годом все больше повышается роль математического моделирования (часто называют «цифровое моделирование»). Соответственно, в основу этого моделирования закладываются математические модели, с каждым годом все более сложные и все более адекватные реальным процессам и реальным конструкциям, объектам, сложным сооружениям, таким как самолеты, автомобили, атомные станции и так далее.

Соответственно, переход к цифровому проектированию привел к тому, что конструкторы стали проектировать с помощью так называемого 3D-моделирования, то есть 3D-модели. Это все понимают, школьники это любят, применяют. И даже сейчас новый виток развития 3D-моделирования будет связан с применением 3D-печати. То есть простейшая цифровая фабрика, которую мы можем дома организовать, — это система 3D-моделирования. И 3D-принтер можно смоделировать и напечатать то, что тебе хочется.

Соответственно, как устроена в мире высокотехнологичная компания? Как разрабатывают продукцию? Они разрабатывают продукцию сейчас не по традиционной цепочке, когда есть конструктор и он проектирует или есть 10 конструкторов и один расчетчик, делающий расчетные проверки. В свое время, лет 10 назад, на многих международных конференциях делался прогноз, что наступит то время, когда будет обратное соотношение между конструкторами и расчетчиками, теми, кто может решать сложные математические задачи: конструкторов будет меньше, а расчетчиков — больше. Это казалось достаточно странным на первый взгляд, тем не менее это время наступает. Это связано с тем, что появилась новая парадигма. Фактически ее активно продвигают и применяют лучшие высокотехнологичные компании в мире, мировые лидеры. Эта парадигма называется Simulation-Based Design, то есть проектирование на основе моделирования, когда творчество и креативность конструктора не просто начинается с чистого листа, а когда в основу уже закладываются те или иные математические модели, которые удовлетворяют целевой функции, требующейся от этого изделия, всем техническим характеристикам, эксплуатационным нагрузкам и которые выполнены из того или иного материала, или из совокупности материалов, или из композиционных материалов. И далее просматривается, обязательно учитывается, а как же конструкция будет изготовлена. До последнего времени, как правило, изготавливалась конструкция с помощью многофункциональных обрабатывающих центров, так называемых CNC-технологий, вычитающих технологий. Последнее время бум связан с тем, что очень бурно развиваются аддитивные технологии, когда у нас изготавливается конструкция, элемент конструкции путем печати, послойного нанесения того или иного материала, и в первую очередь нас интересует металлический материал. Это тем более делает более актуальной тему проектирования на основе моделирования. Это другая концепция, которая затрагивает, вообще говоря, все процессы как проектирования, так и подготовки инженеров. Их нужно готовить совсем по-другому.

В основу концепции проектирования на основе моделирования, как уже отмечалось, закладываются математические модели. То есть описание процессов, явлений, объектов в нашем случае, элементов конструкции машин, сооружений, приборов, всего, что нас окружает, например зданий, с помощью уравнений математической физики, уравнений в частных производных. Это достаточно сложные наукоемкие математические модели. Их не очень многие могут грамотно формулировать, ставить задачи. И вообще говоря, стараются избегать этих сложных вещей. А на самом деле это выступает у подавляющего большинства мировых компаний основным драйвером создания (и здесь очень важно отметить чего) глобально конкурентоспособной продукции, причем в кратчайшие сроки и, что чрезвычайно важно, нового поколения. То есть важно не просто воспроизвести слегка улучшенный прототип, доставшийся нам по наследству от корифеев, которые еще трудились, скажем, в Советском Союзе, а нужно создать именно глобально конкурентоспособную продукцию, лучшую в мире. И мы часто говорим, что математическое моделирование и основанное на нем проектирование позволяют как раз создавать best in class, оптимизированные конструкции.

И тут появляется такое новое слово — «оптимизация». Технология оптимизации — это когда мы хотим получить конструкции, оптимальные с точки зрения минимума веса, с точки зрения работы в эксплуатационных нагрузках, чтобы напряжения не превышали предела прочности или концентрации напряжения, или с учетом усталостных свойств, вибрационных нагружений и так далее. То есть мы хотим создать оптимальный элемент, чтобы в нем все было столько, сколько нужно: материала сколько нужно, и материал тот использовался, который действительно несет нагрузку, ничего лишнего. И соответственно, создание этих элементов было бы экономически тоже оправдано.

Естественно, лидерами при применении таких передовых технологий (как мы говорим, моделирования для проектирования) являются высокотехнологичные компании. Они задают тон, потому что являются лидерами на рынке, они бегут вперед быстрее, чем их догоняют, и поэтому они быстрее внедряют все такие передовые решения. В первую очередь нужно отметить, что это аэрокосмическая область, это, конечно же, мировое автомобилестроение. Последнее является самым высококонкурентным и самым динамично развивающимся. Почему? По той причине, что любая продукция, вышедшая на рынок, тут же (и это есть на самом деле) покупается конкурентами, изучается: как она изготовлена, из какого материала, какие технологии применены, какие сварные точки и какие технологии обработки материала и так далее. И все это, естественно, подхлестывает эту конкуренцию.

Соответственно, ничего подобного нет с самолетами, ракетами, кораблями и так далее. Поэтому на самом деле автомобилестроение — лидирующая отрасль в этом направлении. И часто многие передовые решения, которые там возникают, как раз носят кросс-отраслевой характер, транслируются потом, осуществляется трансфер в другие отрасли. И как раз концепция Simulation-Based Design в первую очередь родилась в автомобилестроении, где, скажем, чтобы удовлетворить требования пассивной безопасности, требуется выполнить большое количество виртуальных экспериментов. Раньше это делалось с помощью натурных экспериментов. Разбить автомобиль в краш-тесте, в натурном эксперименте достаточно дорогое дело. Причем в нем должны быть манекены, которые с высокой степенью адекватности моделируют наше с вами поведение в случае ДТП, аварии. Они содержат виртуальные образы наших органов. И соответственно, результатом этого краш-теста должна быть оценка автомобиля с точки зрения пассивной безопасности: пригоден ли он к эксплуатации и какой уровень безопасности обеспечивает.

Происходят сложнейшие математические процессы. Представьте себе автомобиль, который состоит, скажем, из 250 материалов. Для каждого материала должно быть известно порядка 15 кривых деформирования в зависимости от скорости деформирования. То есть у нас автомобиль, каждая его точка, зона фактически деформируется по своим законам, по своим свойствам материала.

В автомобиле, как правило, несколько тысяч сварных точек. Это такие локальные сопряжения деталей между собой. Соответственно, их нужно расставить таким образом, чтобы автомобиль был прочным. Мы хотим в него сесть, и он не должен рассыпаться, он должен обеспечивать комфортное передвижение, то есть не должно быть излишних вибраций, шумов и так далее, и мы должны управлять этими сварными точками, для того чтобы обеспечить поглощение энергии в случае ДТП, чтобы эти сварные точки выходили из строя в случае столкновения таким образом, чтобы вокруг нас, вокруг салона, то есть водителя и пассажиров, все деформировалось, а мы остались бы живы.

И это мы видим в лучших образцах автомобилей мирового уровня. Вроде как он и столкнулся, врезался или в него врезались, но тем не менее у него сработали системы пассивной безопасности, ремни, подушки, а сам автомобиль стал деформироваться таким образом, что у него в нужный момент сломались те или иные детали. А это заранее программируется. То есть программируются зоны деформирования из разрушения. И все осталось внутри в целом хорошим и жизнеобеспечивающим, все будут живы и здоровы.

Этот краш-тест является мультидисциплинарной вершиной, в которую упакованы практически все науки — от материаловедения до технологии изготовления — и, конечно же, все процессы, связанные с механикой, динамикой, все типы нелинейностей, которые изучаются в технических университетах, геометрические, физические, контактные взаимодействия, разрушения и так далее.

Для того чтобы в совершенстве владеть этими технологиями проектирования на основе моделирования, нужно очень хорошо знать много математических дисциплин и так называемых теорий: теорию колебаний, теорию упругости, теорию пластичности, теорию прочности, механику композитов и так далее. То есть это очень наукоемкие вещи, и поэтому это объясняет, почему это в какой-то степени непопулярно среди широкого круга населения, хотя все хотят ездить в безопасных автомобилях: это очень сложно. С другой стороны, именно эти процессы являются, как мы уже говорили, драйвером для создания продукции нового поколения.

Ключевым вопросом в последние годы стало применение технологий оптимизации, потому что они позволяют создавать конструкции (если были созданы оптимальные конструкции), и говорилось, что на станках их сделать невозможно, но сейчас с помощью аддитивных технологий можно сделать эти элементы конструкции. Они будут лучшими в классе, обеспечивать минимум веса. Есть уже примеры, это делают многие инжиниринговые центры, где масса изделия снижается в 2–4 раза. Коэффициент использования материала тоже повышается. Но это, как правило, совместно с аддитивными технологиями. И это новое направление в математическом моделировании, которое принципиально меняет технологию, парадигму проектирования, мы назвали бионический дизайн. Об этом обычно мы рассказываем на других лекциях, отвечаем на вопросы, поясняем, но это сверхактуальное направление, которое впитывает в себя все лучшие технологии, в первую очередь современные теоретические наработки, современные теории, методы и подходы, которые есть, современные компьютерные и суперкомпьютерные технологии, что очень важно, технологии оптимизации, все завязано с технологиями изготовления, передовыми производственными технологиями, и, конечно, здесь прежде всего надо назвать аддитивные технологии.

Я бы сказал, что это будущее цифрового проектирования на основе моделирования, то есть на основе технологий оптимизации с учетом возможностей стремительно развивающихся аддитивных технологий. Именно в дальнейшем, скорее всего, с каждым днем, месяцем и годом все больше конструкций будет изготавливаться именно таким образом. Это ставит и многие новые задачи, связанные с нормативной документацией, с сертификацией, с испытанием тех конструкций, которые получены аддитивным образом, но гарантированно позволяет создавать конструкции нового поколения, потому что практически потенциал старых подходов исчерпан старыми, предыдущими поколениями, многое было сделано, и у них было гораздо больше возможностей финансировать натурные эксперименты. Натурные эксперименты в силу того, что сложная задача все время растет, становятся очень дорогостоящими. Но за последние 25 лет очень интенсивно развивалось цифровое проектирование и моделирование и достигло очень значительных успехов развития, и практически во всех отраслях оно вытесняет в какой-то степени, делает меньше долю натурных экспериментов, все больше виртуального проектирования, о котором мы говорим. Но это требует очень серьезных компетенций. А компетенция — это знание в действии, в первую очередь технологии, это знание очень большого количества самых передовых, самых лучших технологий.

Поэтому, делая краткое резюме лекции, я бы сказал, что цифровое проектирование на основе математического моделирования (Simulation-Based Design) — это основная парадигма для создания современных глобально конкурентоспособных изделий нового поколения, а также дополнительно востребованных на рынке, персонализированных, кастомизированных под человека, под требования рынка, и этому уделяется особое внимание в Национальной технологической инициативе, которая сейчас разворачивается, которая направлена на создание рынков будущего и взращивание для этих рынков будущего национальных чемпионов.