презент. 4.1 Презентация. 4 Компьютерный инжиниринг, возможности цифрового проектирования Белослудцев Евгений Владимирович
 Скачать 2.41 Mb.
|
|
Тема 4.1. Компьютерный инжиниринг, возможности цифрового проектирования Белослудцев Евгений Владимирович, директор МНОЦП «Altair – CML – Политехник», заместитель директора Центра НТИ « Новые производственные технологии» СПбПУ Цифровое проектирование и моделирование 1. Digital Design, Simulation and Integration 2. HPC 3. 3DP and Additive Manufacturing 4. Advanced Materials 5. Robotics and Artificial Intelligence 6. Big Data and Advanced Analytics 7. IoT 8. A- and V- Reality 9. Technologies of Blockchain 10. Industrial Biotechnology Полный список ключевых технологий (по материалам заседания рабочей группы Shaping the Future of Production in Russia, Международный экономический форум, ноябрь 2017, Женева): − это одна из 10 ключевых технологий IV промышленной революции Цифровое проектирование и моделирование − это одна из 10 ключевых технологий IV промышленной революции − это ключевой фактор конкурентоспособности Цифровое проектирование и моделирование Аддитивные технологии (3D-printing) Материалы с заданными свойствами Робототехника Интернет вещей (IoT) Большие данные (Big data) Топ-6 перспективных направлений (по материалам рейтинга «ТехУспех»): Компьютерное проектирование (CAD, Computer-Aided Design) – процесс разработки 3D-моделей в CAD- системах CAD-системы – это программные системы компьютерного проектирования, позволяющие на основе 3D-моделей осуществлять создание чертежей и / или оформление конструкторской и / или технологической документации Определения Определения Компьютерный инжиниринг (Computer-Aided Engineering, CAE) – совокупность методов и средств решения научно-технических проблем путем математического и компьютерного моделирования на основе CAE-систем CAE-системы – программные системы компьютерного инжиниринга, позволяющие на основе математических моделей разных классов и уровней сложности (в самых общих случаях описываемых нестационарными нелинейными уравнениями в частных производных) исследовать поведение материалов, физико- механических и технологических процессов, машин и конструкций Цифровое проектирование и моделирование – совокупность технологий • математического моделирования, • компьютерного проектирования ( CAD), • компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга ( CAE, HPC), технологической подготовки производства (CAM), • «цифровых двойников» (Digital Twin), • управления данными о продукте (PDM), • управления жизненным циклом изделий (PLM) Определения Традиционное место инжиниринга в жизненном цикле продукта E Ключевые понятия в рамках презентации: Инжиниринг продукта / промышленного объекта – 2D/3D-моделирование, инженерные расчеты и привязка к его производству Промышленный дизайн (Product Design) – разработка внешнего вида продукта или оборудования и его функционала EPC(М) – (engineering, procurement, construction, management) – услуги по инжинирингу, поставке, строительству (и управлению проектом) Дополнительные понятия: CAD – Computer-Aided Design / drafting – черчение, оформление конструкторской документации; 3d–моделирование, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобразование 2d и 3d моделей CAE – Computer-Aided Engineering – инженерные расчеты: анализ прочности, динамическое моделирование, симуляция физических процессов, проверка и оптимизация изделия CAM – Computer-Aided Manufacturing – привязка продукта к его производству (к цепочке завода) через программирование ЧПУ / автоматизированных производственных систем Генерация идеи и проработка концепции Разработка эскиза и макета 2D/3D-моде- лирование и визуализация Инженерные расчеты Привязка проекта к производству Поставка оборудования и материалов Строительство и пуско-наладка Эксплуатация и утилизация EPC(M) Инжиниринг P C CAE CAM CAD Промышленный дизайн Доп. услуга При уникальных проектах Прототипирование: компьютерное и физическое 1 2 3 4 5 6 7 8 E Цикл изделия: от генерации идеи до эксплуатации Генерация идеи и проработка концепции Разработка эскиза и макета 2D/ 3D-моде- лирование и визуализация Инженерные расчеты Привязка проекта к производству Поставка оборудования и материалов Строительство и пуско-наладка Эксплуатация и утилизация Ис т очн ик : ИП ПТ СПб ПУ по м ат ериал ам C IM dat a, 2015 г. Чис ло из м ен ен ий Ст ои м ост ь Время / этап ЖЦ продукта Обычное число изменений Т 1 Т 2 Влияние числа изменений на стоимость Кривая затрат “Умная” модель Ст ои м ос ть Чис ло из м ен ен ий Передовое производство Традиционное производство Сравнение: традиционное производство - передовое производство 2 - Передача на производство 1 - Проектирование 5 - Начало серийного производства 4 - Тестирование Опытного образца 3 - Производство опытного образца Стадии жизненного цикла Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( × ) Время / этап ЖЦ продукта Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( × ) Т 3 Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( ✓) ►5 Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( ✓) ►5 Попытки внесения изменений Значительное сокращение времени проектирования и создания глобально конкурентоспособной и востребованной продукции нового поколения Источник: Rolls-Royce Presentation at ASME VVI Webinar (22 November 2016); DARPA, Tactical Technology Office (2012) Год поступления техники в вооруженные силы / год вывода на рынок гражданской продукции Го ды , пр оше дши е с н ач ал а ра зр аб от ки • до по ст упл ен ия те хн ик и в во ор уж ен ны е си лы / • до выво да н а рын ок гр аж да нс ко й пр од укц ии Гражданская авиация Военная авиация Автомобилестроение Пример: автомобилестроение - отрасль-лидер в скорости вывода продуктов на рынок (Time-to-Market) 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015 2025 0 5 10 15 20 25 В автомобилестроении: тренд сокращения срока вывода продукта на рынок с 7 лет до 1,5 лет В гражданской авиации: тренд увеличения срока вывода продукта на рынок с 3 лет до 7,5 лет В военной авиации: тренд увеличения срока поступления техники в вооруженные силы с 5 лет до 27 лет F-35 Lightning II Bell V-22 Osprey F-22 Raptor B-2 Spirit Boeing C-17 Globemaster III Airbus A350 XWB Airbus A380 B-58 B-47 F-86 F-15 F-18A F-117 F-111 F-4 C-5 Boeing 777 Boeing 787 Dreamliner BMW X6 E71 BMW E85 Точность проектирования в автомобилестроении на примере краш-теста Погрешность: не более 5% по 300 датчикам в динамике «Умная» модель Целевые показатели • Многоуровневая матрица целевых показателей; • 100 000+ показателей; • 200+ мировых стандартов и требований к автомобилю, системам и компонентам 2 � 10 12 параметров входных данных Время испытания 200 мс Шаг интегрирования 1 мкс Теории Математическая физика, теории колебаний, упругости, оболочек, пластичности, механика разрушения, композитов, контактного взаимодействия, вычислительная механика Технологии изготовления Литье, “интеллектуальная” штамповка, учёт предварительного НДС деталей Соединения 7000+ сварных соединений и 6+ метров сварных швов, клеевые соедиения: • Стекольный • Структурный • Полуструктурный • Расширяющийся Механизмы 100+ механизмов Виртуальный испыт. полигон 12 манекенов, 10000+ датчиков, 20+ барьеров, 20 ударников Материалы Более 200 материалов, содержащих: • 10+ параметров E, ν, ρ, α, … • 10+ кривых деформирования • 7 критериев разрушения с моделями повреждаемости «Умные» большие данные (Smart Big Data) • При симуляции длительностью 200 мс на выходе получается массив данных, содержащий более 10 14 параметров. 10 7 узлов , в которых каждую 10 -6 секунду считываются более 50 параметров: • Перемещения • Скорости • Ускорения • Деформации • Напряжения • 5·10 8 кривых, исчерпывающе описывающих состояние «Умной» модели • Возможность скрыть или отобразить любой набор деталей, «заглянув внутрь» модели • Неограниченное количество видов камеры Что необходимо учитывать для высокой точности проектирования Цифровой двойник (Digital Twin) инт ег ра ция физический цифровой соз дав ай ан ал из иру й Цифровой двойник — единая модель, достоверно описывающая все характеристики, процессы и взаимосвязи как для отдельного объекта, так и для всего производства. Создается виртуальная копия физического мира, в котором фиксируются все данные о материалах, особенностях конструкции, произведенных операциях, испытаниях. Источник: Deloitte Источник: Digital Engineering, 2017 http://www.digitaleng.news/de/digital-twins-land-a-role-in-product-design/ Различные определения «Цифрового двойника» В PTC термин «цифровой двойник» используется для точной цифровой копии уже созданного продукта. В Autodesk - развитие технологии дополненной реальности в процессе создания продукта и организации производства. В компании используется термин «виртуальный двойник». Это развитие стратегии системного инжиниринга, которая позволяет команде разработчиков создавать междисциплинарный продукт, сочетающий механические, электрические, электронные, гидравлические и пр. возможности. Цифровой двойник – пересечение четырех областей: разработка продукта, планирование производства, проектирование фабрики и реальный мир. Цифровой двойник – динамичное цифровое представление промышленного объекта , позволяющие компании лучше понимать и предсказывать свою эффективность, осуществляя поиск новых каналов поступления доходов Источник: ИЦ СПбПУ по материалам: Dassault, Siemens PLM, Autodesk, General Electric, http://www.digitaleng.news/de/digital-twins-land-a-role-in- product-design/ 2007-2011 2011-2017 Cyber-Physical Systems Robotics Industrial Internet Индустрия 4.0 Дигитализация, применение «цифровых двойников» – основа для развития Индустрии 4.0 Дигитализация Дигитализация изделий и процессов … Верификация и валидация, “умные модели”, цифровые двойники Испытание изделия 2007 2017 Виртуальные 10 000 шт. Виртуальные 100 шт. Натурные 100 шт. Натурные 5 шт. Additive Technologies Development 4.0 (Entwicklung 4.0) Виртуальный испытательный полигон Конструкторское бюро Экспертная система Цифровой двойник прототипа самолета КД и цифровая CAD модель самолета. Натурный прототип Натурные испытательные стенды Действующий борт 1 Действующий борт 2 Health monitoring system Цифровой двойник борта 1 Цифровой двойник борта 2 Эксплуатационные нагрузки Предиктивный анализ ресурса бортов Валидация и настройка Пример в авиастроении: предиктивный анализ ресурса на основе «цифровых двойников» и больших данных В основе передового производства – цифровое проектирование и моделирование Ис т очн ик : ИП ПТ СПб ПУ по м ат ериал ам C IM dat a, 2015 г. Чис ло из м ен ен ий Время / этап ЖЦ продукта Обычное число изменений Т 1 Т 2 Влияние числа изменений на стоимость Кривая затрат “Умная” модель Ст ои м ос ть Чис ло из м ен ен ий Передовое производство Традиционное производство Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( × ) Время / этап ЖЦ продукта Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( × ) Т 3 Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( ✓) ►5 Стадии 1 ►2 ► 3 ► 4( ✓) ►5 Попытки внесения изменений Значительное сокращение времени проектирования и создания глобально конкурентоспособной и востребованной продукции нового поколения |