CIMdata-комментарий. Как математическое и конечно-элементное моделирование поддерживает системное проектирование

Основные тезисы:

• Компании стремятся применять (математическое и конечно-элементное) моделирование в начале цикла разработки продукта, когда системное проектирование часто используется для назначения требований и определения и оценки оптимальных параметров.
• Большая часть стоимости продукта определяется решениями, принятыми на ранней стадии процесса разработки. Позже эти принятые решения изменить или исправить – очень дорого.
• Сегодняшние продукты – это уже не просто механические системы. Системное проектирование, основанное на модели, может быть использовано в процессе совместной работы нескольких инженерных (например, механиков, специалистов по программному обеспечению и контролеров) и других подразделений предприятия (например, отделов обеспечения, финансов и управления проектами).
• CIMdata считает, что системное проектирование станет распространенной парадигмой для разработки продукции, поддержки и распространения образа системного мышления.

Компании всегда сталкиваются с сильным конкурентным давлением, и продукты необходимо разрабатывать лучше, быстрее и дешевле. (Математическое и конечно-элементное) моделирование (, компьютерный инжиниринг) – это ключевой фактор для достижения этого сегодня и в будущем. Улучшенное программное обеспечение, более тесная интеграция с инструментами дизайна и более быстрое получение прибыли – вот причины для применения моделирования на ранних стадиях процесса разработки продукта.

Традиционно моделирование используется для оценки производительности и проверки завершенных дизайнов. Эта функция не менее важна и сегодня, и она хорошо известна многим компаниям. Однако моделирование «на перспективу» касается решения нескольких различных проблем.

Рисунок 1. V-образная диаграмма системного проектирования

Движущими силами являются стоимость программы и жизненного цикла продукта, как показано на Рисунке 2. Исследования на протяжении четырех десятилетий показали, что подавляющая часть общей стоимости жизненного цикла продукта определяется решениями, принятыми на самом раннем этапе разработки жизненного цикла. Инжиниринг на левой части V-образной диаграммы составляет только около 4% от стоимости программы, но определяет около 80% стоимости жизненного цикла продукта. Последствия огромны и применение раннего моделирования может заметно повлиять на стоимость разработки и жизненного цикла продукта.

Рисунок 2. Большая часть стоимости жизненного цикла продукта определяется левой стороной V-образной диаграммы

Можно ожидать, что хорошие решения, принятые на ранней стадии разработки идеи продукта, его конструкции и концепции развития – критически важны. И, наоборот, плохие решения практически всегда очень дорого или невозможно изменить позже.

Это утверждение подтверждается Рисунком 3, где показано, что перерасход средств коррелирует с меньшим количеством ресурсов, расходуемых в начале процесса развития продукта.

Рисунок 3. Перерасход средств коррелирует с поспешным началом проекта (данные из 25 программ NASA)

Практика применения системного проектирования более известна инженерам, работающим с электрическими системами или разрабатывающими программное обеспечение, а не для тех, кто работает с механическими системами. Сейчас, с увеличением сложности продуктов и ростом взаимосвязи систем, системное проектирование приходит во все подразделения, включая механические, электрические, отделы программного обеспечения, систем контроля, химические, физические, и другие, в зависимости от промышленности.

Продукты – это уже не просто механические системы. Современный автомобиль содержит более пятидесяти микропроцессоров и миллионы строк программного кода. Системное проектирование – основной путь, позволяющий создавать конкурентоспособный дизайн механических и электрических систем, а также систем управления и многих других. Кроме того – позволяет реализовать инженерные техники комплексного проектирования различных систем. В связи с этим, модель – это цифровое описание некоторых особенностей продукта. Например, при моделировании используется цифровая модель для прогнозирования некоторых особенностей продукта или производительности системы производства. Модели из одного домена могут заменяться в другом домене, чтобы позволить конкурентный инжиниринг; например, система управления может быть разработана до появления действительного электронного или механического оборудования. Это является основой для развивающейся парадигмы системного проектирования, основанного на модели (Model-Based Systems Engineering, MBSE).

Переход к системному проектированию имеет ряд приводных механизмов, не только предварительный инжиниринг и MBSE. Среди них:

• Внимание – к системам, а не к компонентам: Предпочтительнее уделять внимание производительности компонентов и взаимодействию в рамках систем и подсистем.
• Оптимизированный дизайн, удовлетворяющий требованиям к прочности: прочность – основной критерий при оптимизации дизайна изделия. Подобное моделирование и схожие технологии определяют пространство проектных параметров путем оценки сотен, или даже тысяч вариантов проектных решений.
• Регламент и соответствие: системное проектирование фактически является необходимым условием в строго регулируемых отраслях, таких как фармацевтика, медицинские приборы, коммерческое авиастроение, где компании должны документировать свой процесс разработки в дополнение к необходимости удовлетворять особым нормативным требованиям.

CIMdata считает, что системное проектирование станет широко используемым методом разработки продуктов. Системное проектирование, основанное на моделях, позволяет "захватить" известную о продукте информацию в цифровые модели для предварительного принятия решений и для поддержки параллельного компьютерного инжиниринга и взаимодействия нескольких отделов на протяжении всего жизненного цикла продукта. Опыт показывает, что при использовании системного проектирования в процессе разработки продуктов, результаты эффективно улучшаются, повышается качество и уменьшается время вывода продукта на рынок.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта CIMdata.