Роль инженерного контура нового поколения и генеративного проектирования в развитии современной отечественной промышленности

Описывается методика создания единого инженерного контура, позволяющего объединить все этапы жизненного цикла продукта. Показано, что комплексное использование средств управления расчетными данными и CAE-моделирования, PLM-систем, а также технологий генеративного проектирования позволяет повысить качество инженерной деятельности на современных предприятиях.

С. А. Бутяга
АО «Моделирование и цифровые двойники»

Предпосылки создания нового инженерного контура

Одной из важных задач, стоящих сегодня практически перед любым оте­чественным предприятием, является устранение культурного разрыва меж­ду конструкторами и расчетчиками. Эта проблема существует достаточно давно и заключается в отсутствии взаи­модействия между конструкторами, ответственными за выпуск необхо­димой документации для производ­ства, и расчетчиками, отвечающими за то, что изделие работает правильно и соответствует требованиям.

Причиной проблемы является то, что конструкторы и расчетчики не ра­ботают параллельно. Хотя формально те, кто занимаются расчетами, отно­сятся к сфере конструкторского дела, специфика стоящих перед ними задач требует от них применения собствен­ных методов и подходов, существенно отличающихся от работы конструкто­ров. Например, конструктор за один день может придумать несколько ва­риантов технического решения, то есть предложить разные способы его реализации. Расчетчик, в свою оче­редь, не заинтересован в получении такого числа вариантов, поскольку на проведение расчетов для каждого из них требуется достаточно много времени. Кроме того, зачастую при разработке документации конструк­торы неоднократно переделывают ее на концептуальной или детальной стадии проектирования, т.е. процесс у них «плавающий». В этом случае расчетчикам приходится каждый раз проводить расчеты заново. Сущест­венную роль здесь играет и финан­совый аспект — если конструкторы получают деньги за объем сданной документации на завод, то расчетчики получают их за время, потраченное на расчет. Поэтому им невыгодно за один день считать несколько вари­антов конструкции, тем более что ни один из этих вариантов может не дой­ти до эксплуатации.

Для решения этих проблем необ­ходимо создать новый инженерный контур, то есть по новому поставить работу с PLM-системами предпри­ятия (Product Lifecycle Management). Сегодня такие системы существуют на большинстве предприятий и позволя­ют пересылать на производство всю конструкторскую документацию для технологической подготовки. Однако в процессе выпуска конструкторской документации не предусмотрено учас­тие расчетчиков. Взаимодействие с ними происходит отдельно, и все, что им доступно — это собственные ин­струменты для решения задач, такие как ЛОГОС, CAE Fidesys или их зару­бежные аналоги. Следовательно, для того, чтобы решить перечисленные задачи, необходимо ввести такую си­стему управления, которая помогла бы организовать параллельную ра­боту расчетчиков и конструкторов. Эта идея легла в основу подхода SPDM (Simulation Process and Data Management) «МЦД Объединяет», позволяющей выстроить полноцен­ную информационную расчетную ло­гику на предприятии.

Ключевые элементы SPDM-скелетная и базовая конфигурации

Специалисты компании АО «Мо­делирование и цифровые двойники» (АО «МЦД»), разработавшие этот подход, разделили поток информа­ции и процесс работы над изделием на несколько контрольных понятий или, иными словами, на ключевые информационные элементы:

  • общую скелетную конфигура­цию по всем расчетам для изделия;
  • экспертную конфигурацию;
  • расчетную конфигурацию, явля­ющуюся базовым набором для рас­четчика.

Изначально в PLM-системах этих элементов не было, поскольку они были созданы для конструкторов и технологов, а не для расчетчиков. Кон­цепция АО «МЦД» позволяет допол­нить систему и изменить подход к делу.

Ключевым элементом управ­ления является скелетная конфигу­рация — это список всех расчетов, ко­торые нужно выполнить по изделию. Хотя он известен на любом предпри­ятии, как правило, он неполный — в нем около 80% необходимых рас­четов. В скелетную конфигурацию сразу вносятся все расчеты, кото­рые нужно провести. Это позволит проконтролировать количество вы­полненных расчетов при передаче конструкторской документации и последующем обращении к ней во время конструкторского сопрово­ждения изделия.

Далее в иерархии управления следует экспертная конфигурация — она разработана для главного расчет­чика на предприятии, отвечающего за выполнение необходимых про­изводственных задач. С помощью экспертной конфигурации в PLM он может контролировать работу своих подчиненных и убедиться, что все расчеты, требуемые для изделия, вы­полнены, либо в том, что по ним вы­полняются необходимые действия.

Руководители расчетного отдела смо­гут с помощью экспертной конфи­гурации видеть, какие расчеты уже проведены, а для каких расчетов не хватает информации потому, что для них, например, не пришла необходи­мая конструкторская документация, или нет данных испытаний по мате­риалам и т.д. При этом работа рас­четчиков не будет зависеть от наличия конструкторской документации, по­скольку они сами смогут добавлять аналогичную геометрию и проводить расчет вне зависимости от конструк­торских изменений. Предприятие может разрабатывать отсутствующую методику расчета самостоятельно либо закупать ее, если она является нехарактерной для его деятельности.

Преимущества такого подхода будут выражены в увеличении эф­фективности управления расчетами, повышении скорости принятия ре­шений и итоговой точности расчетов. Кроме того, информацию, однажды заложенную в PLM-систему, можно будет при необходимости использо­вать повторно и не проводить расчет заново, обеспечивая полный контроль над проведенными расчетами, обо­значенными в скелетной конфигура­ции как управляемые элементы.

Концепция «МЦД Объединяет» позволит решить еще одну распро­страненную проблему, связанную с потерей расчетной школы, напри­мер, если главный расчетчик уходит с предприятия. Внедрение нового про­цесса гарантирует, что экспертные знания останутся на предприятии, и расчетчикам не придется задаваться вопросом, как выполнить ту или иную задачу — например, считать ли двига­тель внутреннего сгорания с обвесом всех внешних агрегатов, нужно ли учитывать вес заправленного автомо­биля при расчете прочности подшип­ника левого колеса и т.д. Экспертная конфигурация позволит сохранить расчетную школу.

Актуальная информация для управления инженерным контуром

Для замыкания инженерно­го контура необходимо обеспечить управление информацией и предо­ставить расчетчикам необходимые данные в PLM-системе. При этом важно понять, что программы CAE, в которых они работают, существен­но отличаются от программ для кон­структоров (САПР) и по методике, и по смыслу. Следовательно, при ин­теграции информации необходимо учитывать понятия, которые важны именно для расчетчиков.

Подход «МЦД Объединяет» вводит в практику предприятия такое инфор­мационное понятие, как поток рас­четных работ. Существует множество однотипных потоков расчетных работ— например, по прочности, электро­магнетизму и т. д. Специалисты АО «МЦД» взяли за основу хорошо из­вестную концепцию рабочих пакетов (work packages) и трансформировали ее в расчетные пакеты, тем самым позво­ляя удовлетворять требованиям имен­но руководителя расчетного отдела. В расчетные пакеты будут добавляться расчетные потоки, давая возможность добавить для каждого потока необхо­димую информацию. Такой подход позволяет главному расчетчику при работе со скелетной расчетной кон­фигурацией видеть все расчеты, ко­торые нужно провести для изделия, а также все необходимые проверки (валидации), которые расчеты долж­ны будет пройти. А расчетный отдел может использовать эту информацию при работе со своими экспертными конфигурациями. Это даст возмож­ность создать необходимые расчетчи­кам конфигурации в PLM, создавая «расчетные потоки» в иерархической структуре изделия и позволяя управ­лять всеми расчетами, тем самым рас­ширяя возможности существующих PLM-систем.

Расчетные пакеты позволяют избе­жать ситуации, при которой выполня­емые расчеты выполнены «не по той» конструкторской документации. Рас­четчики несут ответственность за то, чтобы у них была готова методика рас­чета любого созданного изделия, а так­же за расчетные пакеты, которые они обязаны выполнить к заданному сроку сдачи конструкторской документации. По этой причине они, например, видя, что срок, предоставленный для рас­четного проекта, сдвигается, имеют стимул искать наиболее подходящий вариант геометрии из существующих конструкторских моделей. Сейчас на предприятиях вся ответственность за сданную конструкторскую документа­цию лежит на конструкторах, которые обязаны выпустить документацию и должны сами определять, будет ли ва­риант готового изделия работать пра­вильно. SPDM «МЦД Объединяет» кардинально меняет такой подход с точки зрения мотивации. Предпри­ятие получит возможность не толь­ко сократить влияние человеческого фактора на скорость процессов, но и организовать труд по-другому, а также обеспечить параллельную и эффек­тивную работу сотрудников предпри­ятия с разным функциями. Расчетчи­ки будут получать дополнительную информацию в пакетах расчетных ра­бот и смогут четко понимать стоящие перед ними задачи, а также оценивать собственные возможности и потенци­альные выгоды от каждого выполнен­ного расчетного проекта.

При этом важно учитывать аспек­ты, связанные с синхронизацией ин­формации, поскольку и модели, и сами требования, могут меняться в процессе работы. Зачастую на отече­ственных предприятиях отсутствуют процессы управления требованиями, а также специалисты, ответственные за разработку правил по выполнению требований и за их распространение. Считается, что это находится в зоне ответственности конструкторов, не­смотря на то, что в инженерных конту­рах управление требованиями должны соблюдать расчетчики. Этот процесс требует изменений. Для этого в SPDM «МЦД Объединяет» предусмотрены автоматические расчетные цепочки. Они позволяют выполнять работу в любое время, автоматически получать информацию с серверов, в том числе благодаря искусственному интеллекту.

Автоматические расчетные цепочки

В организации процесса, рассмо­тренного выше, важную роль играет информационная логика, то есть то, как будут организованы фактиче­ские потоки расчетных работ и какая информация в них будет исполь­зоваться. В этом помогает скрип- тование или, другими словами, ав­томатические расчетные цепочки (автоматический запуск расчетных пакетов). Эти инструменты предна­значены для рядовых расчетчиков. Традиционно они работают с двумя понятиями — расчетной конфигура­цией, состоящей из CAD-моделей, и созданными из них конечно-элемент­ными моделями, также необходимы­ми для проверки работы изделия. Так, при создании двигателя внутреннего сгорания расчетчику нужно знать, на­пример, какие обороты будут у двига­теля, или какое давление будет возни­кать в цилиндрах, какая температура или циркуляция будет у охлаждающей жидкости и так далее. Расчетчики на­зывают это функциональными свя­зями. Для них важно понимать си­стемную логику в поведении изделия — например, то, что весь механизм из шатунов, поршней и коленвала рабо­тает из-за инерции, но не может рабо­тать без поведенческой связи со смаз­кой или теплоотведением. А функцию последних должны выполнять еще две системы — система смазки и система охлаждения, которые тоже имеют свои функциональные связи с другими эле­ментами двигателя и т. д.

Для понимания расчетчиками этих взаимосвязей необходим базо­вый набор информации об инерции, скорости вращения, расхода масла, теплоносителя и др. Этот базовый набор расчетчик сможет получать из специальной таблицы , так называ­емой функциональной специфика­ции, которая, как правило, уже суще­ствует на предприятии. Обычно она формируется исходя из требований и при условии, что на предприятии существует управление требования­ми. Например, есть требование для того, чтобы автомобиль разгонялся за 7 с. Из требования формируется функциональная спецификация, в которой указано, что для этого дол­жен быть установлен определенный кривошипный шатунный механизм и определенная турбина, поскольку именно они сформируют поведенче­ские связи друг с другом. Но посколь­ку сегодня на предприятиях редко ис­пользуется управление требованиями, есть необходимость формально до­бавить такую функциональную спец­ификацию заранее. Информация, которая находится в таком базовом наборе, специфична для расчетчиков, поскольку только они сами понимают, какая информация им понадобится для расчета — иначе он не будет выпол­нен. Базовый набор данных является еще одной информационной сущно­стью «МЦД Объединяет», разраба­тывается индивидуально под каждое предприятие и позволяет обеспечить расчетчиков полным набором необхо­димой информации, который потом сохраняется в PLM.

Отметим, что в рамках одной от­расли требования к изготовлению из­делий могут пересекаться, поскольку предприятия, как правило, понимают логику взаимосвязи и функций. Од­нако, как правило, эта информация практически не оформлена и суще­ствует преимущественно в виде зна­ний главных расчетчиков. Их нужно оформить явно, проводя работу с теми, кто отвечает за расчеты, чтобы им было выгодно делиться этой информацией, оформлять и постоянно ее развивать. Этого можно достичь благодаря работе с информационным потоком. SPDM «МЦД Объединяет» даст сотрудникам предприятия возможность взаимодей­ствовать друг с другом через информа­ционную систему, которая поможет им работать вместе и в то же время обяжет передавать необходимую для работы подчиненных информацию, обеспечивая более эффективное взаи­модействие между людьми.

Искусственный интеллект для проведения расчетов

Искусственный интеллект играет роль «экспертного расчетчика» в авто­матизированных цепочках расчета. Он работает с так называемыми «логами» (текстовыми файлами, хранящими информацию о проводимых в прило­жениях расчетах) и в самих расчетных цепочках.

Как правило, расчетная про­грамма (приложение CAE) пишет все в текстовый лог. Искусствен­ный интеллект занимается его ана­лизом и может проанализировать 10 одновременных расчетов, напри­мер, коленвала с разными типами под­шипников. Это позволяет отслеживать ход расчетов и, изучая определенные физические параметры, ясно видеть, какое конструкторское решение будет работать правильно, а какое является ошибочным. Искусственный интел­лект является самообучающейся сущ­ностью. Если она видит и анализирует, например, результаты десятков рас­четов, то через достаточно короткое время она сможет определить, что в этих расчетах было правильно, а что нет, и сообщит об этом. С каждым подобным обучение технология ста­новится умнее — ее можно сравнить с сотрудником, который переходит на другое предприятие, набравшись опыта на предыдущем и научившись быстрее справляться с работой.

Искусственный интеллект в каче­стве инструмента для представлени знаний и принятия решений в рамках расчетов можно использовать для со­кращения человеческого труда. На­пример, главному конструктору не нужно видеть 10 вариантов расчета одной головки блока цилиндров, до­статочно понимать, какие варианты не подходят, а какие могут оказаться рабочими. Искусственный интеллект с самого начала изучит все расчеты и отсеет неподходящие версии, работая «на заднем плане». Еще одним важным преимуществом технологии является возможность исследовать связи в логах из разных областей физики: прочно­сти, электромагнетизма, гидрогазоди­намики и т.д. Обучившись, ИИ может оценивать различные характеристики из неограниченного числа физических областей, будь то напряжение, тепло­вые деформации или динамические характеристики, а также предложить оптимальное решение.

Выводы

В статье продемонстрированы ключевые аспекты, необходимые для формирования нового подхо­да к взаимодействию сотрудников на предприятии — управление расче­тами, работа со специфичной инфор­мацией и необходимость оформления расчетных пакетов. Все эти элементы играют важную роль для расчетного отдела. SPDM «МЦД Объединяет» по­зволяет обеспечить цифровые функ­циональные роли экспертов, через которых протекает особая информа­ция. Информация управляется через скелетную и экспертную конфигура­цию на уровне руководства, главного конструктора и главного расчетчи­ка. Таким образом, можно устранить влияние человеческого фактора на расчетный процесс на предприятии, сохранить экспертные знания и су­щественно повысить качество прово­димых расчетов. Примеры реального внедрения подобных систем АО МЦД показывают:

  • снижение времени расчетных обоснований и проектирования до 30%;
  • рост производительности расчет­чиков до 15%;
  • снижение производствен­ных затрат за счет верифицирован­ного выбора решений (материалы, технология);
  • возможность быстрой адаптации проектных решений при изменении требований и внешних условий экс­плуатации.