Передовая инженерная школа «Цифровой инжиниринг»: Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя (ЦД МГТД) (этап 2022 г.).

Двигателестроение является одной из наиболее высокотехнологичных и наукоемких отраслей промышленности. При этом, с учетом современных тенденций, когда «центр тяжести» в конкурентной борьбе приходится на этап разработки высокотехнологичной продукции, традиционные подходы и технологии, основанные, как правило, на доводке изделий путём дорогостоящих испытаний, достигли своего «потолка» в развитии и применении и, фактически, становятся принципиально неконкурентоспособными. В частности, перед двигателестроительной отраслью стоят следующие задачи: − снижение количества натурных испытаний основных узлов двигателя (требуемой доводки до требуемых характеристик на основе натурных испытаний) на 10-15%; − сокращение расходов на разработку газотурбинных двигателей на 30%; − обеспечение сохранения, накопления и трансфера опыта проектирования; − повышение прозрачности всех уровней процесса разработки двигателей; − переход к «цифровой сертификации» ; − сокращение продолжительности цикла всех испытаний до момента получения сертификата типа двигателя (при существующей нормативной базе) в 2 раза; − формирование Digital Brainware (Национальной базы математических моделей высокого уровня адекватности, отличие между результатами моделирования и натурных испытаний в пределах ± 5%) в двигателестроении на основе архивов физических и натурных экспериментов, обеспечение преемственности с накопленным научно-технологическим опытом, основанном на дорогостоящих и зачастую уникальных экспериментах. Для достижения обозначенных целей необходима цифровая трансформация двигателестроительных предприятий, в первую очередь переход к разработке изделий и продукции на основе технологии «цифрового двойника». Особенности проекта: Впервые в России реализуется комплексный проект по созданию цифрового двойника морского газотурбинного двигателя. Газотурбинные двигатели (ГТД) – одни из самых сложных изделий машиностроения: необходимо учитывать и работу двигателя при сверхвысоких газодинамических нагрузках, и нестационарность процессов в камере сгорания, и высокую теплонапряженность, и применение новейших материалов, и различные тонкие настройки для достижения необходимого уровня эффективности, безопасности, экологичности. Все это обуславливает и сложность проекта, и его важность для обеспечения конкурентоспособности российских двигателей на мировом рынке в будущем. Работа над проектом выстроена так, что обеспечивает формирование у предприятия компетенции по разработке цифровых двойников ГТД – через внедрение платформы CML-Bench, разработку методик цифрового проектирования и моделирования, выстраивание рабочего процесса. Проект предусматривает внедрение цифровой платформы CML-Bench, что создаст для инженеров сквозной прозрачный рабочий процесс в едином информационном пространстве над единым электронным проектом изделия, независимо от программных систем, которые они используют. Все это позволит устранить коммуникационные потери при взаимодействии различных конструкторских подразделений и повысить эффективность разработки. Снижение стоимости технологий, а также снятие многих существенных ограничений за счет качественного изменения технологического уровня развития предприятий приводят к росту ценовой доступности газотурбинных двигателей (ГТД) и как следствие к обострению конкурентной борьбы в отрасли. Снижение сроков проектирования и сертификации при разработке новых и модификации старых ГТД для поддержания характеристик своих изделий на высоком мировом уровне является наиболее эффективным инструментом для создания конкурентного преимущества и доминирования на рынке, увеличения объема продаж и прибыли. Основными целями данной работы являются разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника (ЦД) морского газотурбинного двигателя, развитие подходов системного инжиниринга на основе моделей в обеспечение устойчивого развития корабельных газотурбинных двигателей и агрегатов и создание ЦД на базе Цифровой платформы (ЦП) CML-Bench. Основными задачами проекта являются разработка инструментов для реализации мультифизической модели газотурбинных двигателей с интегрированными расчетными средствами и алгоритмами передачи данных между модулями Цифровой платформы (ЦП) CML-Bench, описания подхода к использованию и кастомизации цифровой платформы для построения цифровых двойников ГТД, а так же описание подходов к тестированию производительности платформы, способов ее повышения. Ожидаемые результаты: Разработан универсальный графический интерфейс модуля теплогидравлического расчета для цифровой платформы CML-Bench. Интерфейс позволяет создавать гидравлические схемы в привязке к 2D отображению двигателя. Реализована возможность задания дополнительных параметров, используемых при формировании термомеханической модели в среде ANSYS Mechanical. Создан универсальный алгоритм формирования входного файла для различных версий теплогидравлического решателя. Для повышения универсальности интерфейса разработана функциональность импорта гидравлических схем в формате *.dat, созданных в стороннем программном обеспечении. Доработан интерфейс панели сотрудника, дополнительные алгоритмы передачи данных между модулями платформы. Разработаны новые виджеты, выполнено их тестирование и отладка. Описаны подходы к использованию и кастомизации цифровой платформы для построения цифровых двойников ГТД, подходы к тестированию производительности платформы и способов ее повышения. Сформированы требования к типовым моделям, интегрируемым в Цифровой двойник, на основе опыта взаимодействия с Заказчиком, включая требования к конечно-элементным моделям в части наименования примитивов и множеств. Разработан модуль проектирования лопаточных машин ГТД обеспечивающий возможность выполнять концептуальное проектирование на основе результатов моделирования термодинамики, с учетом результатов теплогидравлических и термомеханических расчетов. За счет использования результатов из модуля 2D газодинамических расчетов и взаимной передачи данных будет получено значительное сокращение сроков разработки лопаточных машин под заданные характеристики, обеспечена возможность интеграции с цифровой платформой, наследования результатов профилирования для дальнейшего использования в Цифровом двойнике в более детальных моделях. Создан прототип программного комплекса концептуального проектирования и комплексного моделирования газотурбинных двигателей. Прототип программного комплекса будет включать модули термодинамического, 2D-газодинамического, теплогидравлического и термомеханического расчетов. Данные модули будут объединены общим графическим интерфейсом, адаптированы для работы в связке с Цифровой платформой и интегрированы с модулем концептуального проектирования лопаточных машин, позволяя выполнять моделирование статических и динамических режимов работы одно- и многовальных газотурбинных двигателей в части термодиниамики, стационарные газодинамические расчеты компрессора и турбины в 5 сечениях по высоте для 2D газодинамических расчетов. Наряду с прототипом программного комплекса будет разработан метод учета технологической наследственности при проектировании ГТД, проведена его валидация, адаптация для использовании в технологии Цифровой двойник, а также совместно с разрабатываемым прототипом программного комплекса.