Цифровые двойники ускорят создание авиационных двигателей

В конце 1990-х годов отечественные разработчики двигателей с помощью цифровых технологий Siemens начали строить первые трехмерные модели крупных узлов и агрегатов. Уже тогда было понятно, что для ускорения разработки таких деталей, как охлаждаемые турбинные лопатки, без создания подробных трехмерных геометрических моделей не обойтись. Эти модели были практически точной виртуальной копией реального изделия, цифровым двойником, позволяющим с высокой точностью моделировать и прогнозировать его характеристики.

Сегодня цифровые двойники используются почти во всех программах разработки авиационной техники. Технология позволяет не просто создать точную модель двигателя, но и провести широкий спектр ее виртуальных испытаний. В том числе испытания с имитацией эксплуатационных условий с учетом циклов нагрева и охлаждения, воздействия комплексных динамических нагрузок, специальные испытания с имитацией обрыва лопатки и попадания птицы, ресурсные испытания для оценки надежности и усталостной долговечности конструкции. Зачастую виртуальные испытания позволяют обоснованно выбрать самые необходимые режимы тестов для подтверждения соответствия нормам летной годности, существенно сокращая объем обязательных стендовых и летных испытаний. В процессе испытаний программно-аппаратные решения Siemens Digital Industries Software позволяют получить данные для верификации расчетных моделей, например внутренние нагрузки, действующие на узлы и компоненты, амплитудно-частотные характеристики, результирующие вибрации, шум, пульсации давления, температуры и усталостные повреждения.

Всеобъемлющая модель

Цифровой двойник авиационного двигателя включает в себя множество связанных физических и математических моделей, каждая из которых описывает тепловые, прочностные, акустические и газодинамические характеристики изделия. Он учитывает материалы, геометрию, электронику, системы управления и встроенное программное обеспечение.

Создание всеобъемлющего цифрового двойника невозможно без связи с реальным объектом, на который устанавливаются датчики, собирающие информацию о поведении изделия в условиях, приближенных к условиям эксплуатации. Полученные данные позволяют непрерывно уточнять модели цифровых двойников и проводить доработки этих моделей, модернизировать их и оптимизировать разработку и производство. И все это без лишних затрат на проведение большого объема натурных испытаний.

Важным преимуществом цифрового двойника является возможность расчета множества сценариев "что, если". Так, решение Simcenter Amesim позволяет моделировать большое число нештатных ситуаций. В результате специалисты могут быстро рассчитать, что произойдет с авиационным двигателем, если поменяются некоторые параметры его работы, или как будет работать силовая установка при изменении внешних параметров или отказе какого-либо агрегата. Сегодня такие задачи успешно решают мировые лидеры отрасли: Airbus, Rolls-Royce Motor Cars, Pratt & Whitney, General Electric, Safran, корпорация "Иркут", Объединенная двигателестроительная корпорация, "Вертолеты России" и другие.

Секрет в единстве

Успешное внедрение технологии цифровых двойников в сфере двигателестроения, как и в любой другой высокотехнологичной отрасли, требует решения ряда непростых задач. В процесс разработки авиационного двигателя вовлечено большое количество специалистов из разных дисциплин, каждый из которых может использовать собственные подходы и системы. Необходимо создать единую цифровую платформу, объединяющую области проектирования, численных расчетов, производства и испытаний. Комплексный подход Siemens Digital Industries Software позволяет устранить разрыв между конструкторами, расчетчиками, производством и испытателями, организовать эффективный обмен большими объемами данных. Такая платформа улучшает взаимодействие между отделами и обеспечивает выполнение проектов точно в срок и в соответствии с предъявленными заказчиком требованиями.

Применение технологии цифровых двойников требует проведения большого количества расчетов, которые наполняют цифровые модели. Для проведения таких расчетов необходимы значительные вычислительные мощности. Эта задача может быть решена как за счет создания разработчиками собственных вычислительных систем высокой мощности, так и арендой вычислительных мощностей, работающих на базе ведущих отраслевых институтов.

Сертификация — просто!

Несмотря на растущий спрос на новые высокотехнологичные и экономичные самолеты и ужесточение экологических требований, радикальные перемены в авиационной индустрии происходят достаточно медленно. Для сравнения: за время, которое авиапроизводители тратят на реализацию новых технологий в летательных аппаратах, модельный ряд автомобилей успевает обновиться несколько раз. Это связано с основным требованием любых авиационных разработок: полеты должны быть безопасными.

Обеспечение безопасности пассажиров невозможно без комплексных процессов сертификации, которые в разных странах имеют свои особенности. Сертификационные требования, разработанные Международной организацией гражданской авиации (ИКАО), Федеральным управлением гражданской авиации США и Европейским агентством авиационной безопасности, оказывают существенное влияние на сроки и бюджеты разработки авиационной техники.

Для успешного прохождения сертификационных этапов производители проводят непрерывную валидацию требований с самых ранних этапов разработки, создавая тщательно проработанные модели силовых установок и их составных частей и проводя виртуальные испытания с использованием технологий Siemens Digital Industries Software. Так, в библиотеке верифицированных моделей Simcenter Amesim представлены выверенные с необходимой точностью компоненты и подсистемы, которые дают возможности двигателестроительным предприятиям сократить или вовсе отказаться от части режимов натурных испытаний.

Сократить сроки сертификации возможно и благодаря точному планированию натурных испытаний. Решения Siemens Digital Industries Software позволяют получать достоверные модели, в которых места размещения датчиков на испытываемых двигателях заранее определены, а необходимые режимы испытаний точно выверены. При подготовке к натурным испытаниям специалисты не тратят время на поиск мест расположения датчиков и рассчитывают оптимальное число циклов испытаний для получения необходимых данных.

С помощью цифровых технологий осуществляется автоматический расчет и анализ данных, полученных во время испытаний. Снижается риск человеческого фактора, гарантируются прослеживаемость и полнота данных, исчезает необходимость "ручной" обработки данных, что существенно экономит время, ведь объем данных за один день испытаний может составлять до десяти терабайт!

Решения Siemens Digital Industries Software в проектах разработки технически сложного изделия как нитью связывают воедино управление требованиями, прототипирование, программы, технологии, данные, проверку соответствия требованиям и верификацию результатов. Cпециалистам удается ускорить разработку и тратить меньше времени на исправление выявленных недостатков и ошибок проектирования. Становится возможным прохождение сертификации с первого раза. Так, при разработке двигателей и топливной системы для лайнера A380 компания Airbus использовала решение Simcenter Amesim для проведения испытаний на виртуальном стенде. Благодаря этому, по оценке разработчиков, удалось сократить сроки разработки топливной системы почти на два года.

Единственно верный подход

Использование решений Siemens Digital Industries Software при создании цифровых двойников дает возможность организовать единую цифровую среду для совместной разработки, поиска и анализа оптимальных решений. Модельно ориентированная разработка двигателя осуществляется в тесном взаимодействии проектно-конструкторских и производственных подразделений как внутри компании, так и с внешними соисполнителями, поставщиками и сертифицирующими органами.

Цифровые технологии позволяют провести мультифизический и мультидисциплинарный инженерный анализ, глубокий анализ сложных процессов с учетом работы интеллектуальных алгоритмов систем управления, а также осуществить проверку выполнения требований за счет эффективной комбинации виртуальных, натурных и полунатурных испытаний. Благодаря интеграции современных инструментов с традиционными подходами 3D-инженерного анализа проверка инновационных решений двигателестроительных предприятий осуществляется на самых ранних этапах.

Созданный предприятием цифровой двойник позволяет с хорошо контролируемыми затратами моделировать работу такой сложной системы, как двигатель, и провести виртуальные испытания даже в таких режимах и условиях, которые ограниченно возможны или невозможны вовсе при проведении натурных испытаний. Результаты виртуальных испытаний служат основанием для уменьшения количества натурных испытаний до приемлемого минимума, который необходим и достаточен для подтверждения сертификационных требований. Цифровые двойники — это возможность сократить время на разработку, снизить затраты на проектирование, изготовление и испытания двигателя, а также сформировать базу знаний проверенных решений и процессов для будущих проектов.

Василий Сычёв, корреспондент, "Авиатранспортное обозрение"

Сергей Кулаков, менеджер по развитию направления "Виртуальные и натурные испытания (TEST)", Siemens Digital Industries Software

Антон Шишин, консультант по PLM-решениям, Siemens Digital Industries Softwar