Новая парадигма. Цифровые двойники – стратегия инновационного прорыва в ОПК

В эпоху IV промышленной революции («Индустрии 4.0») лидирующие мировые позиции заняли те высокотехнологичные предприятия, которые осуществили цифровую трансформацию производства, чем обеспечили достижение принципиально нового уровня разрабатываемой и производимой продукции.

Ключевую роль в этом процессе играет применение передовых производственных технологий, и в первую очередь – цифрового проектирования и моделирования, которые позволяют промышленным компаниям – лидерам рынка в кратчайшие сроки разрабатывать и создавать глобально конкурентоспособную (best-in-class) продукцию нового поколения в любых отраслях.

Уже не первый год российское руководство обозначает необходимость значимого рывка, прорыва страны в самых различных сферах, и не в последнюю очередь – в области науки, подготовки высококвалифицированных кадров, внедрения передовых производственных технологий, развития уникальных компетенций мирового уровня.

Государство применяет целый ряд мер поддержки технологического развития отечественных производств, среди которых можно назвать, в частности, государственные программы, которые имеют статус стратегических: Стратегия научно-технологического развития РФ (СНТР), программа «Цифровая экономика Российской Федерации», Национальная технологическая инициатива (НТИ).

В 2018 году в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого (СПбПУ) образован Центр компетенций НТИ «Новые производственные технологии», ставший инфраструктурной основой взаимодействия научных, образовательных и промышленных организаций в целях обеспечения глобальной конкурентоспособности отечественных компаний-лидеров на рынках НТИ и в высокотехнологичных отраслях промышленности. Центр НТИ СПбПУ собрал крупнейший консорциум лидеров промышленности, науки и образования, который по состоянию на июль 2020 года насчитывает 74 участника и более 25 компаний-партнеров. Среди них – крупнейшие российские корпорации: «Ростех», «Росатом», ОДК, ОАК, ОСК; «национальные чемпионы» и лидеры инноваций.

В числе ключевых компетенций Центра НТИ СПбПУ – новая парадигма цифрового проектирования и моделирования глобально конкурентоспособной продукции на основе цифровых двойников объектов, процессов и систем.

Цифровой двойник (Digital Twin) – это система взаимосвязанных высокоадекватных цифровых моделей изделия, технологических, производственных и эксплуатационных процессов, параметрами которых можно управлять полностью в виртуальной среде. Результаты десятков (сотен, тысяч) виртуальных испытаний должны совпасть с результатами итоговых натурных, физических испытаний с точностью до ±5%. Таким образом, технология позволяет избавить производителя от необходимости проводить продолжительные и дорогостоящие натурные испытания в ходе реализации проекта, быстро перепроектировать изделия под те или иные требования, минимизировать число расчетных ошибок (в том числе, связанных с человеческим фактором), дает возможность увеличивать процент локализации и, как следствие, снимать зависимость российских производителей от зарубежных заказов (импортозамещение) при соблюдении высочайших требований к технологическим, пользовательским (эксплуатационным) и прочим показателям.

Технология цифровых двойников охватывает весь жизненный цикл продукта: от этапа проектирования, включая НИР и ОКР, производства – и до этапа послепродажного обслуживания и утилизации. Цифровой двойник «обучаем» в процессе эксплуатации, он становится «умнее» – этот процесс сопровождается пополнением базы данных, базы решений, базы знаний.

Основу цифрового двойника составляет гиперматрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, которая формируется в ходе системного подхода (Model-Based Systems Engineering, MBSE). Для проектирования, производства и эксплуатации сложного технического объекта формируются сотни требований, которые затем каскадируются и декомпозируются на тысячи, десятки тысяч целевых показателей, конфликтующих между собой на всех уровнях.

В качестве ресурсных ограничений выступают временные ограничения («проектирование и производство в заданные сроки»), финансовые ограничения (проектирование и производство/строительство на «заданную стоимость»), технологические, производственные, эксплуатационные, экологические, логистические и многие другие. Пример такой гиперматрицы показан на рис. 1.

Рис. 1. Гиперматрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений высокотехнологичного проекта (Центр НТИ СПбПУ)

Применение этого нового инструментария позволяет оперативно вносить и анализировать большие объемы изменений на ранних этапах проектирования (рис. 2), что критически необходимо в ОПК, ведь чем позднее обнаруживается ошибка, тем дороже это обходится разработчику.

Рис. 2. Перенесение изменений на этап проектирования в рамках новой парадигмы проектирования и моделирования на основе цифровых двойников

В качестве примера можно привести выводы из статьи заместителя Председателя Правительства Российской Федерации по вопросам оборонно-промышленного комплекса Юрия Ивановича Борисова «Особый задел» («Военно-промышленный курьер», №9 (673), 2017): «Примеры ОКР (программ приобретения), открытых с неподготовленным НТЗ: открытые ОКР по разработке высокотехнологичных образцов ВВСТ с незрелым научно-техническим заделом приводят к увеличению (по сравнению с начальной оценкой) сроков их создания в среднем в 1,9 раза, к повышению стоимости разработки в среднем на 40%, повышению стоимости финальных образцов в среднем на 20%» (рис. 3).

Рис. 3. Примеры ОКР (программ приобретения), открытых с неподготовленным НТЗ (по статье Ю.И. Борисова «Особый задел» («Военно-промышленный курьер», №9 (673), 2017)

К настоящему времени ведущие мировые научные и производственные организации активно применяют такую производственную и бизнес-модель, в которой конкурентный «центр тяжести» в различных разработках смещен именно на этап проектирования.

Еще в 2013 году в документе военно-воздушных сил США «Global Horizons. United States Air Force Global Science and Technology Vision» («Глобальные горизонты. Глобальное научно-технологическое видение ВВС США») цифровые двойники были названы «фактором, радикально меняющим существующее положение дел» (Game Changers)[1].

Рост особой актуальности Digital Twins был отмечен аналитическим агентством Gartner (Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies) в 2017 году.

Насколько серьезна востребованность компетенций в области цифрового проектирования и моделирования в промышленно развитых странах сегодня, может продемонстрировать принятие в 2018 году Соединенными Штатами Америки «Стратегии цифрового инжиниринга» в реализации Стратегии национальной обороны США. В документе, в частности, говорится: «Чтобы… обеспечить технологическое превосходство США, Министерство обороны США осуществляет трансформацию сложившейся инженерной деятельности в «цифровой инжиниринг» путем включения технологических инноваций в интегрированный подход на основе цифрового моделирования… Цифровой инжиниринг должен обеспечить смену парадигмы и переход от традиционного подхода «проектирование – производство – испытания» (traditional design-build-test methodology) к подходу «моделирование – инженерные расчеты – производство» (model-analyze-build methodology). Использование нового подхода обеспечит апробирование принятых решений, создание прототипов и проведение испытаний изделий в виртуальной среде, прежде чем они будут поставлены на вооружение… Переход к цифровому инжинирингу позволит при создании новой техники перенести риски в цифровую среду и ускорит процесс поступления образцов ВВСТ в войска… Цели, определенные в Стратегии, представляют собой план Министерства обороны США по расширению возможностей в области инжиниринга, который способствует защите США и их национальных интересов»[2].

В Указе Президента Российской Федерации от 21.07.2020 г. №474 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года» одной из целей обозначена цифровая трансформация. Одной из основных задач этого процесса становится переход к цифровой промышленности, основа которой – цифровое проектирование и моделирование. Сегодня как никогда технологическое лидерство означает не просто экономическое благополучие, оно гарантирует саму возможность развития страны и сохранения ее суверенитета.

Специалисты Центра НТИ СПбПУ (ключевого подразделения – Инжинирингового центра CompMechLab® СПбПУ) выполнили сотни уникальных проектов из самых разных отраслей (автомобилестроение, двигателестроение, атомное и нефтегазовое энергомашиностроение, авиастроение и ракетно-космическая отрасль, железнодорожный транспорт, судостроение и кораблестроение, металлургия) с применением цифрового проектирования и моделирования, технологии разработки цифровых двойников. В числе прочих выполнялись проекты и в интересах ОПК. Приведем примеры некоторых из них:

Конечно-элементное моделирование динамических процессов, возникающих при посадке истребителя на палубу авианосца (палубный аэрофинишер) (рис. 4):
Рис.4.1. Моделирование динамических процессов, возникающих при посадке истребителя на палубу авианосца

Рис.4.2. Моделирование разрыва троса аэрофинишера

Целью проекта было создание цифрового двойника аэрофинишера. В рамках проекта эта технология была применена впервые в отрасли.

Разработанный цифровой двойник конструкции позволяет рассчитывать динамические характеристики как тормозного устройства (палубного аэрофинишера), так и самолета; определять чувствительность всей системы к изменению конструкционных и эксплуатационных параметров; рассчитывать нагрузки, действующие на пилота истребителя; осуществлять многопараметрическую комплексную оптимизацию характеристик тормозного устройства.

На протяжении нескольких лет разработанные модели позволяют обслуживать производимые конструкции, оптимизировать их в соответствии с изменяющимися требованиями заказчика.

Разработка комплексной модели виртуальных испытаний с целью проектирования перспективного спортивного пистолета калибра 5,6 мм (рис. 5):

Математическая модель пистолета

Опытный образец пистолета

Результаты натурных испытаний на баллистическом станке и с участием профессиональных спортсменов показали, что разработанный опытный образец по показателю кучности превосходит аналоги. По результатам испытаний специалисты разработали также кинематическую модель руки спортсмена с учетом податливости суставов при выстреле. Модель была валидирована данными, полученными по итогам высокоскоростной съемки. Проведена оптимизация балансировки пистолета для снижения отдачи и минимизации увода ствола от траектории стрельбы.В рамках проекта было разработано несколько виртуальных испытательных стендов: «Спортсмен – оружие»; «Кинематика»; «Эксплуатационные характеристики» (испытания на прочность, жесткость, долговечность, трещиностойкость и др.), позволившие разработчикам спроектировать действительно конкурентоспособный продукт.

Оптимизация параметров блока оптико-механического (рис. 6):

Испытательная установка

Оптимизация воздушных потоков

В ходе проекта разработан цифровой двойник натурного образца устройства, описывающий динамические характеристики оригинала, проведена его валидация по результатам натурных испытаний. На основе цифрового двойника проведены ряд виртуальных испытаний динамических характеристик устройства, по результатам которых определен список отклонений характеристик от целевых показателей и проведена многовариантная оптимизация составных частей устройства.

На основе выполненных работ были предложены варианты доработки конструкции с целью повышения теплоотведения, разработана методика проведения оценки динамических характеристик и их оптимизации для аналогичных оптико-механических устройств, проведен курс обучения сотрудников заказчика, основанный на разработанной методике.

Результаты проекта позволят сократить сроки проектирования оптико-механических устройств, уменьшить количество производимых опытных образцов за счет перевода экспериментальной части работ в виртуальную среду до проведения сертификационных испытаний.

Моделирование поведения внутренних органов торса человека при обстреле поражающими элементами (рис. 7):

Моделирование удара цилиндрическим импактором в область грудной клетки

Результат цифрового моделирования: распределение поля напряжений внутри основных органов торса человека при ударе сферическим импактором в область грудной клетки

В ходе проекта на основе данных магнитно-резонансного обследования были созданы расчетные модели внутренних органов и костей, математические модели биологических материалов, разработан и реализован алгоритм обработки графиков давления и ускорения, проведено более 100 виртуальных испытаний, позволяющих сформировать критерии оценки тяжести травм внутренних органов при обстреле поражающими элементами. Разработана программа, позволяющая автоматизировать проведение соответствующих виртуальных испытаний и их оценку.

Результаты проекта позволят избежать проведения большого количества дорогостоящих, а иногда и невыполнимых натурных экспериментов – в особенности, когда речь идет о здоровье вовлеченного в испытания человека.

Снижение массы многоцелевого двигателя ТВ7-117СТ-01 на основе технологии «цифровой двойник» (рис. 8)

Поле перемещений собственных форм колебаний роторов

Виртуальные испытания камеры сгорания и экспорт полей температуры и давления для расчетов прочности статора двигателя

Эта разработка стала во многом уникальной как для отрасли, так и для российской промышленности в целом. Проект – первый и пока единственный пример в отрасли комплексного подхода к полной формализации процесса проектирования газотурбинного двигателя (ГТД) с детальным описанием всех контролируемых параметров и целевых значений, интеграцией всех расчетных моделей, создаваемых при проектировании изделия. Кроме того, это первый для отечественного двигателестроения пример оптимизации ГТД на основе технологии цифрового двойника с оцифровкой многолетнего опыта предприятия, полученного в результате разработки двигателей: от базовых экспериментов и определения свойств материалов до описания физико-механических параметров эксплуатации изделия.

В ходе проекта разработаны виртуальные испытательные стенды и полигоны, интегрированные в CML-цифровой платформе CML-Bench™; создана база математических моделей материалов и методики виртуальных испытаний ГТД. Перепроектирована конструкция статорных деталей ГТД, обеспечивающая выполнение предъявленных требований, включая требования по ресурсу, удержанию лопатки при ее обрыве и др. Масса отдельных деталей снижена до 50%.

В данный момент Центр НТИ СПбПУ участвует в проекте «Платформа параллельного проектирования». Цель проекта – создание отечественной платформы функционирования центров параллельного проектирования и разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ для нужд организаций ОПК.

В числе решаемых задач проекта:

– создание, развитие и внедрение отраслевой отечественной платформы для разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ на основе решений инженерного анализа и математического моделирования в организациях ОПК;

– пилотное внедрение ЦПП ОПК в части разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ;

– тиражирование методологии ЦПП в организациях ОПК в части разработки цифровых двойников изделий и образцов ВВСТ;

– создание системы сертификации программного обеспечения для формирования и применения компьютерных моделей в процессе разработки цифровых двойников изделий ВВСТ.

Автор - Алексей Боровков, проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра НТИ СПбПУ

[1] . Global Horizons. United States Air Force Global Science and Technology Vision [http://www.airforcemag.com/DocumentFile/Documents/2013/GlobalHorizons_062313.pdf]

[2] Department of Defense. Digital Engineering Strategy. – Washington, D.C. – June 2018 [https://fas.org/man/eprint/digeng-2018.pdf]