Цифровой двойник на производстве: задачи, вопросы, перспективы

Технология цифровых двойников может применяться на всех этапах жизненного цикла продукта, от моделирования, прогнозирования и оптимизации продукта и до систем производства и эксплуатации. Благодаря возможностям междисциплинарного моделирования, анализа данных и машинного обучения, цифровые двойники позволяют смоделировать и оценить влияние изменений требований, сценариев использования, технологий производства, условий окружающей среды и множества других переменных на работоспособность продукта.

Благодарим пресс-службу ПАО «ОДК–Сатурн» за предоставление данного материала. 

Шмотин Юрий Николаевич, заместитель генерального директора-генеральный конструктор АО «ОДК», доктор технических наук

Автор: Шмотин Юрий, заместитель генерального директора-генеральный конструктор АО «ОДК», доктор технических наук

Сегодня наблюдается активное развитие цифровых технологий и постоянный рост использования численного моделирования на всех этапах жизненного цикла газотурбинного двигателя, от этапа поисковых научно-исследовательских работ и проектирования до этапов натурных испытаний и эксплуатации. Это связано в первую очередь с необходимостью сокращением сроков и затрат на создание нового продукта. Как известно, количество опытных образцов, а также объем и сроки инженерных и сертификационных (предварительных) испытаний, направленных на доводку конструкции и подтверждение характеристик двигателя, определяют не только в сроки сдачи продукта заказчику, но и стоимость газотурбинного двигателя на всех этапах его жизненного цикла. А кто хочет платить больше?

В то же время, ужесточающиеся требования по эмиссии, удельным характеристикам двигательной установки, снижению стоимости приобретения и владения, внедрению новых экономических моделей взаимоотношений поставщик – эксплуатант – конечный потребитель, требуют все большого объема расчетных работ и моделей высокого уровня. Решить такие задачи невозможно без применения новых цифровых технологий.

В настоящее время большая часть задач, связанных с численным моделированием, являются междисциплинарными. К ним можно отнести топологическую оптимизацию деталей и узлов, учет влияния производственных отклонений при проектировании элементов конструкции, моделирование эрозии конструкции и другие. При решении таких задач необходим системно-ориентированный подход, направленный на интеграцию результатов численного моделирования различных физических процессов в двигателе в рамках одной экспертной цифровой платформы. Основа такого подхода – в первую очередь точный и быстрый обмен данными между различными компонентами системы.

Подобные задачи могут являться частью описания различных технических систем (механических, гидравлических, пневматических и т.д.), а также различных узлов двигателя (компрессора, турбины, камеры сгорания, системы запуска, САУ и т.д.) и процессов, протекающих в них. При их интеграции возникает «виртуальный двигатель», состоящий из набора мультидисциплинарных расчетных областей, который и приближает нас к «цифровому двойнику ГТД».

Что такое цифровой двойник?

Существует множество определений и вариантов понимания цифрового двойника. С одной стороны, цифровой двойник может рассматриваться как принцип проектирования, выстроенный на основе иерархии геометрических, системных и инженерных моделей. С другой, как виртуальное представление продукта или процесса, которое позволяет моделировать и прогнозировать характеристики производительности физического аналога.

Для себя мы определили, что цифровой двойник – это обучаемая система, состоящая из комплекса математических моделей разного уровня сложности, уточняемая по результатам натурных экспериментов, позволяющая получить первый натурный образец изделия, соответствующий требованиям технического задания, а также предсказывающая его поведение на всем жизненном цикле.

Задачи, решаемые с помощью технологии цифровых двойников

Технология цифровых двойников может применяться на всех этапах жизненного цикла продукта, от моделирования, прогнозирования и оптимизации продукта и до систем производства и эксплуатации. Благодаря возможностям междисциплинарного моделирования, анализа данных и машинного обучения, цифровые двойники позволяют смоделировать и оценить влияние изменений требований, сценариев использования, технологий производства, условий окружающей среды и множества других переменных на работоспособность двигателя. Можно утверждать, что цифровой двойник это продолжение парадигмы управления жизненным циклом изделий (PLM) с использованием достижений в цифровизации объектов. Основной задачей для цифрового двойника ГТД является виртуализация сложного технического объекта и возможности с минимальными затратами проверять реализуемость возможно самых неожиданных идей и гипотез с учетом реальных условий в короткий промежуток времени. Это позволяет увеличить вариативность в решениях.

Основными задачами, которые возможно решить на основе технологии цифровых двойников, могут стать:

  • сокращение времени и затрат на разработку и проектирование двигателя: за счет рассмотрения большего количества вариантов конструкции в ограниченное время;
  • снижение количества стендовых и натурных испытаний: замена их виртуальными испытаниями, в том числе переход на цифровую сертификацию;
  • повышение надежности двигателя и увеличение его ресурса за счет увеличения наработки при своевременном проведении технического обслуживания по состоянию в отличие от технического обслуживания по наработке;
  • получение заданных (и перспективных) характеристик изделия с первого предъявления за счет максимально точного описания процессов, происходящих в двигателе;
  • формирование научно-технического задела за счет отработки технических решений в виртуальном пространстве;
  • повышение экономической эффективности для эксплуатанта ГТД через индивидуальные рекомендации по режимам эксплуатации с учетом его особенностей;
  • ускорение реакции на проблемы, повышение уровня обслуживания в эксплуатации через обеспечение и своевременную доставку необходимых запасных частей и обслуживающего персонала с необходимыми навыками в нужное место и время для сокращения простоя ГТД в ремонте.

Применение технологии цифровых двойников, начиная с этапа концептуальной проработки, позволяет определить оптимальную архитектуру систем двигателя, обеспечить контроль над качеством проектных решений поставщиков систем, провести анализ совместной работы систем, подсистем и агрегатов и узлов в различных условиях, а также эффективно интегрировать системы в составе двигателя.

Использование интегрированного цифрового двойника ГТД и производства сделает возможным уже на этапе проектирования оценить влияние на реализацию конструкторской идеи реальных возможностей производства, затраты на освоение производства и непосредственно само изготовление.

Цифровой двойник

Более того, это создает базу знаний по принятым и отвергнутым проектным решениям с полным контекстным описанием причин и следствий, обосновывающих принятые решения. 

Основные вопросы, связанные с внедрением цифровых двойников

Для успешного внедрения технологий цифровых двойников надо преодолеть ряд препятствий:

Во-первых, неразвитость системы передачи данных в системе CAD/CAM/CAE. Для ее решения необходимо создание единой цифровой платформы, объединяющей области проектирования, численных расчетов и испытаний, что позволит установить надежный контакт между различными подразделениями предприятий и корпорации в целом, сократить время проектирования и уменьшить количество ошибок при передаче данных.

Другой проблемой может стать ограниченная пропускная способность информационных систем. Если использование цифровых двойников предполагает оперирование огромными объемами структурированных и неструктурированных данных (Big Data), то для их успешной передачи и обработки необходимо создание магистралей передачи данных с высокой пропускной способностью, а также различных схем облачного хранения и передачи.

Ну и, конечно, на проведение настолько большого количества расчетов для наполнения цифровых моделей, составляющих цифровой двойник, необходимы большие вычислительные мощности. Это решается созданием вычислительных кластеров большой мощности, как на базе предприятий, корпораций, так и на базе ведущих институтов страны. Необходимо будет модифицировать существующие системы управления данными, более активно использовать промышленный интернет вещей (IIoT), и, безусловно, не забывать и про безопасность передачи данных.

Отдельно хотел бы выделить необходимость создания единых подходов и методик, планируемых к использованию в цифровых двойниках. В современном мире создать газотурбинный двигатель без кооперации невозможно, а это повышает риск возникновения конфликтов в подходах к созданию конструкции и дальнейшей ее увязке. 

Перспективы

Технология создания цифрового двойника такой сложной технической системы как газотурбинный двигатель является наукоемкой и методологически сложной задачей. Ведущие международные двигателестроители активно работают в этом направлении, применяя все доступные современные решения. Наши ключевые конкуренты реализуют методологии его создания, и уже начинают их успешное применение. Необходимость и неизбежность внедрения технологии цифрового двойника определена во всех передовых двигателестроительных корпорациях.

Очевидно, для создания и внедрения технологии цифрового двойника необходимого уровня не обойтись без использования существующего мирового опыта, кооперации с ведущими отраслевыми институтами и научными организациями, сотрудничества и обмена знаниями между конструкторскими бюро и включения в работу научно-технических и инженерных центров. Главная задача при этом - сохранить и аккумулировать существующий уровень знаний и опыта, а также постоянно искать новые пути развития и совершенствования технологий численного моделирования.

К настоящему моменту АО «ОДК» определило для себя несколько стратегических партнерств по созданию и развитию цифровых двойников ГТД. Это институты РАН, вузы, отраслевые НИИ и инженерные центры-субъекты МСБ. Все они составляют внешний контур инновационной экосистемы ОДК по цифровым двойникам. Заключены соглашения и утверждены дорожные карты и программы сотрудничества с Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого, ЦИАМ им. П.И. Баранова, Саровским инженерным центром. Стартовали первые пилотные проекты ОДК по созданию цифровых двойников ГТД по двигателю АЛ-41Ф1С, а также двигателю ТВ7-117СТ-01.

Уже в ближайшем будущем АО «ОДК» ожидает получить результаты этой деятельности и применить их в практику управления жизненным циклом ГТД в корпорации, тем самым заложив прочный фундамент для развития и обеспечения конкурентоспособности в новой цифровой эпохе.

Начать обсуждение


СеминарыВыставкиКонференции
UP-PRO в сетях