На XVII Конференции CADFEM/Ansys обсудили роль численного моделирования и продвинутых цифровых технологий в российских промышленных отраслях

Аэрокосмическая отрасль и двигателестроение

Одна из секций конференции была посвящена применению технологий Ansys для решения задач аэрокосмической отрасли. Эксперты КАДФЕМ отметили ряд новых тенденций в области городской воздушной мобильности и коммерческих беспилотных летательных аппаратов.

Среди них – переход на новые композитные материалы, позволяющие улучшить аэродинамику и облегчить конструкцию, а также проектирование антенн и вопросы электромагнитной совместимости в области беспилотных и пилотируемых систем.

Еще один тренд – электрификация, которая приведет к переходу от гидравлических систем к электроприводам. В легкой авиации эта тенденция уже развивается: например, компании Zunum Aero и Magnix используют решения Ansys для анализа электромагнитного поведения двигателя и оптимизации его веса, а также обмена данными электромагнитного моделирования для теплового и прочностного мультифизического расчета.

Кроме того, растет доля электроники в двигателях и системах управления и, следовательно, возникает вопрос о ее надежности, обеспечении режимов работы, поведении датчиков и функциональной безопасности, а также о передаче сигналов между беспилотным летательным аппаратом и пунктом управления.

Среди других актуальных трендов – авионика и управление полетом. Проблемы, связанные с проектированием авионики и сертификацией ПО, позволяет решить Ansys SCADE. Так, SCADE Display и SCADE Suite использовались в программе Sukhoi SuperJet 100 для разработки многофункциональных индикаторов кабины пилотов. В результате была реализована технология WYSIWYG (What You See Is What You Get) – полное соответствие отображения кадров при разработке и в реальном индикаторе.

Говоря об авиационном двигателестроении, эксперты отметили растущее влияние цифровизации на эту область и возникновение новой тенденции – переход на обслуживание по фактическому состоянию. Например, цифровые двойники, созданные на основе ROM-моделей Ansys TwinBuilder, могут использовать предиктивную аналитику для оценки текущего состояния оборудования и оптимизации ТОиР, повышать ресурс, а также увеличивать надежность и снижать стоимость эксплуатации.

Кроме того, в двигателестроении растет роль аддитивного производства. Оно тесно связано с топологической оптимизацией, позволяющей создавать конструкции со сниженным весом элементов. Однако эксперты КАДФЕМ подчёркивают, что недостаточно получить 3D-модель конструкции и просто отправить ее на печать – необходимо предварительно смоделировать процесс. Это помогает выявлять проблемы, например ошибки при 3D-печати и остаточные напряжения в напечатанных деталях, сокращать время и стоимость производства за счет правильной печати с первого раза, уменьшать отходы.

Также на конференции прозвучали доклады, посвященные аэродинамическому проектированию с помощью Ansys CFX и Fluent, моделированию горения и вредных выбросов в Ansys Fluent и Ansys Chemkin, расчету прочности и надежности с помощью Ansys Mechanical и LS-DYNA, моделированию шума и вибрации в Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys LS-DYNA и Ansys VRX, и многие другие.

Атомная промышленность

Сегодня перед компаниями в энергетической отрасли стоят задачи совершенствования существующих технологий производства электроэнергии, повышения энергоемкости, снижения энергопотребления и разработки новых решений. Для этого многие предприятия используют решения Ansys, сертифицированные в соответствии с требованиям международных стандартов и Ростехнадзора России. Они позволяют проектировать ядерный реактор, моделировать аварийные ситуации, хранение и утилизацию ядерного топлива, разрабатывать контейнеры для транспортировки отработанного ядерного топлива, проводить верификацию.

Эксперты также продемонстрировали нестандартные задачи, которые позволяют решать программные продукты Ansys. К ним в том числе относятся строительные расчеты, такие как расчет прочности железобетонных конструкций по нормам Eurocode с помощью CivilFEM, проектирование современных АЭС учетом нагрузки удара самолета и чрезвычайных ситуаций.

В отрасли также востребованы решение Ansys Minerva для управления процессами и данными инженерных расчетов и BIM inside Ansys – совместное решение Ansys и CADFEM GmbH для преобразования информационных моделей в численные расчётные модели для последующего инженерного анализа в Ansys. Такой подход в своей практике использовал АО «Атомпроект». Специалисты компании выгружали геометрию из BIM-модели и отправляли полученный файл в Ansys SpaceClaim. Далее модель преобразовывалась в твердотельную или оболочечную и передавалась в Ansys Mechanical.

Эксперт КАДФЕМ также отметил, что нестандартные расчеты применяются в таких масштабных проектах, как экспериментальный международный термоядерный реактор ITER. Одна из задач, которая решалась с помощью Ansys, – оценка климата в помещении с резисторами ITER. При рабочем режиме резисторов запаса вентиляции должно хватить на то, чтобы помещение охлаждалось и люди могли в нем работать. Также оценивалась прочность верхних диагностических модулей и решалась задача, связанная со срывом плазменного шнура.

Агропромышленный комплекс

В рамках конференции эксперты КАДФЕМ отметили важную роль моделирования в агропромышленном комплексе (АПК). Оно помогает решать целый спектр важных задач – от проектирования нового оборудования и исследования сложного поведения транспортируемого и обрабатываемого материала до выявления «узких» мест работающего оборудования. При этом задачи АПК всегда носят уникальный характер, так как при их решении требуется учитывать сложный состав почвы, воздушную динамику, работу с гибкими волокнистыми частицами. Их можно решить с помощью Ansys Mechanical, Ansys Fluent и Rocky DEM.

Решатель Rocky DEM основан на методе дискретных элементов (DEM) и позволяет отслеживать движение всех частиц. Кроме того, он учитывает форму несферических частиц, в том числе волокна и гибкие оболочки, а также позволяет рассчитывать миллионы частиц благодаря возможности проведения расчета на графических процессорах (GPU). Rocky DEM полностью интегрирован с решениями Ansys для прочностного анализа и гидрогазодинамики. Среди задач АПК, которые он позволяет решать:

• Транспортировка материала – от оценки транспорта сыпучего материала с изучением мертвых зон и зон залипания материала до балансировки загрузки и пропускной способности для процесса перевалки древесины.
• Работа с волокнистыми частицами: например, в сеноукладчике можно сравнить различные условия эксплуатации и обеспечить правильное обращение с материалом.
• Оценка работы комбайнов.
• Обработка почвы – можно оценивать влияние движущегося элемента на почву, траектории движения частиц смоделированной почвы, эффективность перемешивания, а также влияние почвы на конструкцию.

Сегодня предприятия в АПК уже активно используют Rocky DEM и Ansys. Так, перед компанией Marshall стояла задача сократить неравномерное распределение удобрений, потери урожая и загрязнение окружающей среды. Для этого оценивался различный набор конструктивных элементов и использовались управляемые параметры для выполнения многовариантного виртуального прототипирования. В результате была разработана оптимальная схема распределения удобрений по полю.

Горно-металлургическая промышленность

Еще одна отрасль, в которой востребовано использование Rocky DEM, – горно-металлургическая промышленность. Эксперт КАДФЕМ выделил важность технологий моделирования для операций рудоподготовки – дробления и измельчения. Сегодня затраты на создание оборудования для этих процессов составляют до 53% от общих капитальных затрат, а стоимость – около 60% себестоимости получаемой продукции. Кроме того, они потребляют более 50% всей электроэнергии. Поэтому важной задачей является снижение общих расходов на рудоподготовку. Существующие сегодня программные инструменты инженерного анализа позволяют изучать технологические процессы внутри оборудования.

Моделировать эти процессы можно с использованием такого ПО, как Rocky DEM (динамика сыпучих сред), Ansys Mechanical (решение задач прочности), Ansys Fluent (гидродинамика и гидравлика) или Flownex SE (системное моделирование), Chemkin-CFD (горение и химические реакции). Эти программные продукты позволяют решать ряд ключевых задач при расчете мельницы измельчения, среди которых: определение параметров лифтёров, оптимизация режимов измельчения, перемещение и моделирование загрузки, анализ прочности и многое другое.

Среди предприятий, которые сегодня используют эти технологии, – бразильская компания Caltra, выполнявшая проект по устранению «узких» мест пересыпных узлов. Необходимо было определить зоны забивания и провести минимальную модификацию оборудования для улучшения производительности и уменьшения времени простоя оборудования. С помощью Rocky DEM инженеры определили, что эти задачи можно решить, используя самовыравнивающиеся конвейерные ленты и за счет уменьшения скорости подачи материала.

Еще один пример – проект компании Vale по уменьшению времени простоя оборудования при очистке грохота. С помощью Rocky DEM и Ansys была модифицирована работа валкового грохота. В результате экономический эффект составил более чем 100 млн долл. США в течение 3 месяцев, время на разработку уменьшилось на 70%, а производительность увеличилась на 11.4%.

Транспортное машиностроение

В рамках секции, посвященной транспортному машиностроению, эксперт КАДФЕМ отметил растущую роль цифровой трансформации в отрасли, цифровизацию проектирования и производства, а также внедрение продвинутых технологий (автономных систем, электрификации, 5G, новых материалов ). Кроме того, он подчеркнул роль численного моделирования в решении ключевых задач транспортной отрасли. Например, Lucid Motors с его помощью сократили цикл разработки на 40-60%, General Motors достигла своих основных показателей по новому продукту, удвоив показатели эффективности нового тягового двигателя, а KTM Technologies за счет применения инструментов Ansys для моделирования композитов и практик робастного проектирования смогли снизить вес конструкции на 1,6 кг в 16-недельный срок.

Ansys предлагает решения для всех систем, критичных по безопасности, и предоставляет платформу, способную точно промоделировать все возможные сценарии при миллионных километрах автономного вождения, а также выполнить физически точное моделирование сценариев вождения.

Например, на стадии эскизной проработки эффективным инструментом является Ansys Discovery, позволяющий в реальном времени проводить расчеты гидродинамики и прочности конструкции с помощью GPU.
Ansys SPEOS позволяет не только осуществить фотореалистичный рендеринг применяемых материалов и увидеть интерьер будущего транспортного средства, но и убедиться в точности систем помощи водителю (ADAS).
А при решении задач электрификации на стадии разработки продукта Ansys позволяет выполнить подробный анализ систем электропривода и трансмиссий на системном и компонентном уровне.
На стадии технологической подготовки к производству решения Ansys дают возможность проанализировать вопросы аддитивного производства различных компонентов.
Наконец, на стадии эксплуатации используется программный продукт Ansys TwinBuilder для проведения прогностического мониторинга состояния.

Решения Ansys активно применяются для построения гибридных цифровых двойников и позволяют получить информацию о том, как поломки и нештатные ситуации выглядят с точки зрения их дальнейшей диагностики с помощью датчиков и различных систем диагностики. На стадии обслуживания программные продукты Ansys позволяют комплексно подойти к вопросам функциональной безопасности и кибербезопасности встроенного ПО и систем.

Кроме того, численное моделирование применяется для разработки практически всех узлов и агрегатов ТС:

• Экстерьер: расчеты прочности, внешней аэродинамики, аэроакустики, моделирование тепловых режимов, решение вопросов загрязнения.
• Интерьер: расчет климат-контроля, акустики, пассивной безопасности, эргономики и человеко-машинных интерфейсов.
• Ходовая часть и несущая система: расчеты прочности, пассивной безопасности, тормозных систем, систем подрессоривания и рулевого управления, покраски, колес и шин.
• ДВС и трансмиссия: расчеты топливных систем, систем выпуска отработавших газов, электродвигателей.
• Электрика и электроника: провода и соединения, ADAS и датчики, антенны, надежность электроники.

В рамках конференции были затронуты вопросы применения программного продукта Flownex SE для моделирования сложных гидравлических систем и бессеточного CAE-решателя Particleworks в атомной отрасли, горно-добывающей промышленности и транспортном машиностроении. Речь также шла о применении решений Ansys и сопутствующих программных продуктов в ряде других отраслей:

• Электроника: моделирование высокочастотной электроники, включая инструменты для электромагнитного анализа на уровне компонентов (SIwave, EMA 3D, HFSS, Savant, HFSS 3D, HFSS 3D Layout, Curcuit и EMIT), и расчеты низкочастотной силовой электроники (электрические машины, двигатель, трансформатор и т. д.) с помощью Ansys Maxwell, Ansys Q3D, Ansys HFSS.
• Угольная промышленность: возможности Rocky DEM, позволяющие решать задачи складирования материала с учетом конструктивных особенностей приемного бункера, нагрузки от частиц сыпучего материала и пр.
• Судостроение: моделирование взаимодействия жидкости и твердого тела с помощью современных бессеточных инструментов в Particleworks и проектирование магнитной защиты судна с помощью Ansys Maxwell, а также применение численного моделирования аэрогидродинамики в проектировании скоростных амфибийных судов.
• Фармацевтическая и пищевая промышленность: применение Rocky DEM для решения ряда задач – от моделирования смешения, измельчения и снижения образования пыли до моделирования теплопередачи, нанесения покрытия на таблетки до моделирования карты износа от контактного взаимодействия и упаковки готовой продукции, а также применения программных продуктов Rocky DEM и Ansys при создании новых медицинских устройств, таких как ингалятор с сухим порошком.