В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем лекцию доктора технических наук Николая Шаброва, посвященную расширению технологий цифрового инжиниринга.

Сегодня мы поговорим на тему технологий виртуального инжиниринга. Не думаю, что эти слова знакомы многим и звучат на каждом углу. Это довольно новые технологии для России, и сегодня я хочу рассказать о том, что же это такое. Мы все знаем, и, во всяком случае, мы давно живем уже, порядка 40 лет, в области технологий цифрового инжиниринга. Они хорошо знакомы и на производстве, и в вузах и заключаются в том, что при проектировании промышленного изделия работа всегда начинается с создания кадовской модели при помощи известных кадовских систем — либо это «Компас», наша отечественная система, либо это Autodesk, CATIA, Unigraphics или Creo производства компании PTC.

Далее обычно производятся расчеты на прочность, и если этого мало, если, допустим, речь идет о газовых турбинах или каких-то более сложных объектах, например о паровых турбинах, то требуется произвести расчет аэро- или газодинамики. Далее, если эта задача еще более сложная и связана со взаимодействием потоков газа или потоков пара с лопатками газовой или паровой турбины, нам нужно решить задачу, которая называется fluid structure interaction (по-русски это означает задача аэроупругости или примерно что-то в этом роде). После этого начинается анализ проделанной работы, анализ результатов, и на этом цифровые технологии проектирования заканчиваются. Затем принимается решение о производстве изделия либо на станке с ЧПУ, в цеху и так далее. И не исключено, что на этом этапе не возникнет много ошибок: либо что-то неправильно рассчитано, либо учтены не те технологии. В недалеком прошлом эти технологии получили развитие. Иначе говоря, технологии цифрового инжиниринга получили развитие в сторону технологий виртуального инжиниринга. Технологии виртуального инжиниринга отличаются от технологий цифрового инжиниринга тем, что люди, принимающие решение о создании объекта, получают возможность видеть виртуальный образ проектируемого изделия и в этом им помогают системы виртуального окружения.

Итак, технологии виртуального инжиниринга — это расширение технологий цифрового инжиниринга в сторону систем виртуального окружения. Что нам это дает? Системы виртуального окружения можно применять во многих областях, не только в машиностроении. Любые модели, которые цифруются в медицине, физике, химии, биологии, архитектуре, можно в системах виртуального окружения создавать виртуальный образ. Если это медицина, допустим, можно визуализировать тело человека, если это машиностроение, вы можете видеть виртуальный образ в стереорежиме самолета, подводной лодки, двигатель или часть двигателя, поршень, коленвал, шатун и так далее. Что это дает людям, которые принимают решения? Они имеют возможность видеть весь объект в сборе. Отличается этот объект от реального объекта только тем, что вы не можете его пощупать, понюхать, поднять на руки, отодвинуть и так далее. Но все это возможно сделать при помощи так называемых флайстиков или устройства фингер-трекинга, которое надевается на пальцы, и при помощи этого устройства вы можете провести любые манипуляции с виртуальным объектом, которые не можете сделать с реальным объектом.

Вы можете сделать любое его сечение в стереорежиме, можете нарисовать, вывести в стереорежиме любые графики, любые составляющие, вы можете анимировать процесс поведения этого изделия, и тем самым вы получаете возможность всесторонне оценить этот объект и принять правильное решение. В нашей практике был такой опыт: мы выполняли важный заказ, который получили от серьезного машиностроительного концерна, по моделированию одного изделия, и в результате нашего моделирования возникла потребность в присутствии человека, принимающего решения, и этим человеком был главный конструктор проекта. Он пришел к нам в центр вместе со своими коллегами: расчетчиками, технологами, с человеком, который занимается производством этого изделия. И они принимали там решение.

Решение было принято такое, что нужно изменить конструкцию, потому что режимы охлаждения были неудовлетворительные с точки зрения человека, принимающего решение. Была изменена конструкция, было дано указание конструкторам, которые тут же присутствовали, как изменить конструкцию. Мы пересчитали этот объект, они снова приезжали к нам, и так в процессе литерации, не доводя производство в цеху, на уровне почти реального виртуального объекта было принято правильное решение. Сейчас это изделие выполнено в металле и благополучно работает. Примерно такие успехи можно делать. Есть другие варианты применения этих систем. Дело в том, что, если обратиться к задачам аэродинамики летательных аппаратов, там очень большие сетки — расчетные сетки достигают порядка 10 млрд узлов, задача решается чрезвычайно долго и, разумеется, с использованием суперкомпьютеров.

Анализ результатов этого расчета можно, конечно, провести, но довольно трудно оценивать этот результат в виде результата предсказательного моделирования на мониторе компьютера. Некоторыми специалистами утверждается, что системы виртуального окружения являются едва ли не единственными в настоящий момент средствами анализа огромного объема данных, а результаты предсказательного моделирования таких задач, о которых я говорю, на размерах таких сеток достигают огромных размеров, исчисляемых гигабайтами, и, конечно, анализировать такие объемы данных средствами программных систем на обычном мониторе довольно затруднительно, можно ошибиться с принятием решения. Так вот, утверждается, что такие системы являются едва ли не единственным средством анализа. В связи с этим хочу добавить, что системы виртуального окружения, которые являются частью технологий виртуального инжиниринга, — это неотъемлемая часть инфраструктуры суперкомпьютерного центра. Если посмотреть анализ ведущих суперкомпьютерных центров в мире — в Штутгарте, Ахене (Германия), Париже (Франция), Барселоне (Испания), в Северной Америке это правительственные научные лаборатории Sandia, Argonne National Lab, Oak Ridge National Lab, — то там, где выполняются серьезные расчеты, за стенкой стоит система виртуального окружения, которая, разумеется, отличается количеством экранов, количеством разрешающей способности и, конечно, размерами.

Самая крупная система виртуального окружения, находящаяся в Европе, расположена в техническом университете Ахена. Она имеет пять экранов, размеры экрана — 5*3 метра, разрешение довольно высокое — порядка 100 мегапикселей на пять экранов. На нашей кафедре мы располагаем системой виртуального окружения, которая имеет три просветных экрана, и разрешение такое, что размер пикселя менее 2 мм. Мы выполняем исследования по заданиям промышленных предприятий Петербурга, Москвы, ближнего и дальнего зарубежья, и, кроме того, мы учим студентов и читаем им курс, название которого совпадает с названием этой лекции. Курс называется «Технологии виртуального инжиниринга», где мы раскладываем буквально по полочкам для студентов каждый этап этих технологий, начиная с задумки изделия, что выражается в создании кадовской модели, и учим их выполнять расчеты на прочность, выполнять расчеты аэродинамики, мы читаем им специальные курсы, которые позволят им грамотно применять эти технологии.

Хочу добавить, что особенностью нашей работы является то, что мы для решения экстраординарных задач применяем свои собственные разработки, собственные программные системы, которые требуют как создания физической модели, так и написания уравнений, выбора или разработки новых численных схем и создания крупной, большой программной системы, с которой будут работать инженеры, которые не имеют, как правило, высокой квалификации и которые должны иметь под рукой онлайновые хэлпы, удобные постпроцессоры, а также инструментарий для автоматизированного создания генераторов подсчета. Вот что собой представляют технологии виртуального инжиниринга. Еще раз хочу уточнить, что это расширение технологий цифрового инжиниринга в сторону создания виртуального образа изделия, с которым вы можете производить такие же манипуляции и операции, как если бы это был реально существующий физический объект. Это позволит нам существенно сократить время создания объекта, исключить по возможности крупные ошибки, которые бывают, и тем самым сократить стоимость изделия и быстро вывести его на рынок.