Антон Сальников: Работу по созданию цифрового двойника мы в ЦИАМ начинали еще два-три года назад, но тогда использовали в основном иностранное программное обеспечение (ПО). Мы хотели создать полностью автоматизированный цифровой двойник газотурбинного двигателя на этапе проектирования. Поэтому в качестве объекта исследования взяли малоразмерный авиационный двигатель максимально простой конструкции, чтобы была возможность оперативно создать и автоматизировать все необходимые CAD и CAE модели.

Другой целью, для которой мы начали разрабатывать демонстратор ЦД (помимо тестирования технологии цифровых двойников), было его внедрение в процесс образования. Газотурбинный двигатель является очень сложным изделием и поэтому студенту нужно освоить большой объем знаний. Только на последних курсах своего обучения он получает понимание и навыки, необходимые для проведения грамотного, но все равно упрощенного инженерного анализа типовой детали или системы газотурбинного двигателя. При этом из-за большого количества предметов, которые студенту нужно освоить, тяжело сформировать системное, целостное представление о двигателе как об изделии, о роли и месте конкретной рассматриваемой инженерной задачи в общей проблеме моделирования и проектирования ГТД.

Также, кроме основных предметов, связанных с двигателестроением, студент должен изучить основы программирования, методы проектирования и оптимизации, освоить применяемые в промышленности типовые CAD и CAE программные пакеты. Это огромнейший объем знаний, который не так просто усвоить.

В результате высокая насыщенность процесса обучения приводит к отрыву от реальных изделий и производства. Студент либо видит отдельные детали, либо готов спроектировать и просчитать их только в одной дисциплине, но не понимает, как работает изделие полностью и как его системы взаимодействуют между собой. Поэтому, выпускаясь из учебного заведения, молодые специалисты продолжают учиться на предприятиях, постигают специфику проектирования и программного обеспечения, которое со временем только усложняется.

Хорошим решением данной проблемы, по нашему мнению, является использование демонстраторов цифровых двойников изделий. В нашем случае это газотурбинный двигатель.

Демонстратор представляет собой цифровую экосистему, в которой воссоздана логика разработки и присутствуют все необходимые 1D÷3D CAD/CAE модели и типовые упрощенные примеры документов, регламентирующих процесс разработки. Планируется применять его для обучения студентов и специалистов, уже работающих на предприятиях.

Все CAD/CAE модели, используемые в демонстраторе, формализованы, имеют полноценное описание, автоматизированы и параметризованы. Формализована и разделена на отдельные этапы логика проектирования. Между моделями настроены автоматические связи, а также описаны передаваемые между ними данные и последовательность их передачи. Всё это делает демонстратор модульным и «прозрачным» с точки зрения управления процессом разработки изделия. Так как модели хорошо описаны, можно заменить не только используемые программные продукты инженерного анализа, то и сами расчетные модели или модифицировать логику проектирования согласно предпочтениям. Дополнительным преимуществом модульности является возможность быстрого встраивания демонстратора в любые цифровые платформы.

Автоматизация и параметризация расчетных моделей позволяет конечному пользователю не погружаться в инструментарий ПО, применяемого для решения той или иной задачи. Пользователю достаточно изменить в специальном интерфейсе входные данные (нагрузку или размер). Перестроение геометрии, расчетных сеток, прикладывание нагрузок и осуществление расчета произойдет автоматически. А пользователь через некоторое время получит сводный результат в удобном для себя виде (рисунки, графики, таблицы и т.д.). Такой подход значительно упрощает процесс обучения, так как, например, студент, изучающий газодинамику лопаток, может быстро провести анализ её прочности, не тратя много времени на изучение специализированного ПО для расчета прочности, или изменить конструкцию лопатки. При этом параметризованная CAD модель всего двигателя автоматически перестроится согласно новым данным.

В ходе этого проекта мы вместе с нашими партнерами увидели, что демонстратор ЦД также является удобной платформой для тестирования отечественного программного обеспечения, его верификации и валидации. CAD и CAE модели, применяемые в демонстраторе, содержат в себе основной спектр инженерных задач в типовых дисциплинах анализа, решаемых при разработке авиационного двигателя. Поэтому их можно использовать в качестве некоторого эталона, чтобы сравнивать с ним аналогичные решения, полученные с помощью различных отечественных инженерных программных продуктов, дорабатывать их интерфейсы, инструментарий и математический аппарат. Это позволяет сформировать требования по развитию КОМПАС-3D для авиационной отрасли, ЛОЦМАН:PLM, пакетов по газодинамическим и прочностным расчетам.

Широкий спектр инженерных задач, представленных в демонстраторе ЦД, дает возможность создать на его основе отраслевую базу данных по верификации и валидации. В дальнейшем мы планируем этим заняться.

Мы надеемся внедрить это в образовательный процесс в других вузах, оценить реакцию студентов и преподавателей, чтобы понять, куда с нашим проектом двигаться дальше.

Александр Сутягин: РГАТУ мени П.А. Соловьева существует с 1932 года, все это время мы занимаемся подготовкой инженеров в области технологий двигателестроения. Поэтому в Рыбинске действует уже сложившаяся инженерная школа. Проект демонстратора цифрового двойника нас заинтересовал, поскольку мы ориентируемся на реализацию всех этапов проектирования на отечественном софте. Кроме того, в нашей концепции университетского образования заложен принцип демонстрации жизненного цикла изделия на примере малоразмерного газотурбинного двигателя.

Стоял вопрос, получится ли у нас в принципе повторить геометрию с высокой точностью, отказавшись от зарубежных решений. Для этого была спроектирована 3D-модель демонстратора малоразмерного газотурбинного двигателя. Модель полностью параметризована: за счет того, что есть файл с входными данными, изменяя которые, модель в CAD-системе автоматически перестраивается. Дополнительно подготовлены модели для проведения конечно-элементного анализа. Эта часть работ выполнялась специалистами НТЦ «АПМ». Достигнуты определенные результаты, и благодаря этим работам мы в том числе выявили точки развития отечественного ПО. Продолжим выполнять расчеты: газодинамические, динамические, тепломассообмена и т. д.

Использование цифрового двойника дает возможность проводить стендовое обучение инженеров-авиадвигателестроителей с применением VR-технологий. Параллельно наш университет занимается и другими разработками. Среди них – стенд для испытания малоразмерных газотурбинных двигателей и стендовой системы управления, в рамках которой создается масляная и топливная системы – это полностью университетская разработка и может быть оцифрована и перенесена в виртуальную среду, чтобы получить цифровой двойник стенда для испытания газотурбинного двигателя. В этом случае также можно было бы подготовить вводный курс для инженеров-испытателей, чтобы продемонстрировать, как работает стендовая система.

Уже сейчас нам понятно, как перенести нашу стендовую систему в среду КОМПАС-3D или другой САПР, чтобы запустить ее через VR. Это пригодится для разных образовательных целей и для разных групп: школьников, студентов, специалистов.

Если, в продолжение наших работ, к системе подключить искусственный интеллект, то синхронизация всех данных позволит комплексно знакомить будущих инженеров с различными режимами работы авиационного двигателя и давать им первичные навыки по управлению сложным стендовым оборудованием.