В преддверии ВУЗПРОМЭКСПО-2017: об участии Инжинирингового центра CompMechLab® СПбПУ в создании высокотехнологичной продукции нового поколения

13-14 декабря 2017 года в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр» (Москва) будет проходить ВУЗПРОМЭКСПО – ежегодное мероприятие, подводящее итоги реализации целого ряда государственных и федеральных целевых программ, заказчиком которых выступает Минобрнауки России.

ВУЗПРОМЭКСПО – это национальная выставка совместных разработок российских ученых и промышленных предприятий, и ее постоянными экспонентами выступают российские вузы, участвующие в реализации инновационной политики Российской Федерации.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) является постоянным участником дискуссионных и выставочных мероприятий ВУЗПРОМЭКСПО, представляя на данной площадке свои последние достижения в области компьютерного инжиниринга материалов, композитных структур, физико-механических и технологических процессов, современных машин и конструкций.

В 2014 году Инжиниринговый центр CompMechLab^® СПбПУ представил на выставке, в частности, результаты выполненных НИОКР по заказам высокотехнологичных компаний на основе разработанных полномасштабных цифровых моделей судов из полимерных композиционных материалов и тормозных машин палубных аэрофинишеров, результаты разработки методик многоуровневых конечно-элементных расчетов прочности композитных структур самолета МС-21, многовариантных расчетов (crash-анализ) пассивной безопасности автомобилей ведущих зарубежных и отечественных компаний и многовариантных конечно-элементных расчетов диагностического оборудования термоядерного реактора ITER.

В 2015 году Политехнический университет усилил свое участие, выступив на выставке «триадой»: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) – Институт передовых производственных технологий (ИППТ) СПбПУ – Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ.

В числе экспонатов были представлены образцы напечатанных на 3D-принтере металлических деталей: металлические кронштейны, применяемые в авиационной промышленности, массу которых благодаря применению топологической оптимизации и аддитивных технологий удалось снизить более чем в 4 раза по сравнению с оригинальными изделиями на основе традиционных для отрасли решений, и опору силового агрегата автомобиля премиум-класса, также изготовленную на основе компьютерных технологий оптимизации и аддитивных технологий. Проект, представленный тогда профессором А.И. Боровковым в рамках конгрессной программы – «Разработка единой модульной платформы и кузовов отечественной линейки автомобилей представительского класса для руководителей государства (проект «Кортеж»: лимузин, седан, внедорожник и микроавтобус)», по мнению модераторов и экспертов, стал лучшим среди представленных университетами – участниками Программы «5-100».

В 2016 году команда CompMechLab^® демонстрировала прототипы и готовые best-in-class оптимизированные изделия, созданные в рамках концепции Фабрик Будущего (Factories of the Future, FoF): Цифровых, «Умных» и Виртуальных фабрик. Среди проектов, выполненных с использованием технологий компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга, принципов бионического дизайна, технологий оптимизации и аддитивных технологий, экспонировались: прототип зеркала бокового обзора для автомобиля премиум-класса, изготовленный с применением аддитивных технологий в центре быстрого прототипирования и реверсивного инжиниринга CompMechLab^® (ИППТ СПбПУ); композитная сетчатая панель солнечных батарей для космических аппаратов, на основе жгутов из углеродных волокон.

Также демонстрировался разработанный в ИЦ «ЦКИ» фотополимерный 3D-принтер BRAVO-2 (SLA), позволяющий создавать прототипы и мастер-модели для литья металлических изделий сложной формы. Разработанное в ИЦ «ЦКИ» программное обеспечение дает широкие возможности по кастомизации, предоставляются методики и рекомендации по проектированию моделей для печати, выжиганию и литью.

Кроме того, на ВУЗПРОМЭКСПО-2016 команда СПбПУ представляла результаты реализации первого этапа проекта Федеральной целевой программы (ФЦП) Минобрнауки России «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», в том числе программы 1.3 «Проведение прикладных научных исследований и разработок (ПНИЭР), направленных на создание продукции и технологий». Цель проекта, выполняемого для компании «Завод Спецтехники» – разработка улучшенных прозрачных кабин с широким углом обзора, а также навесных элементов кузова для трактора нового поколения (уникальный идентификатор: RFMEFI57816X0206) по Соглашению с Министерством образования и науки РФ № 14.578.21.0206 от 03.10.2016).

На первом этапе ПНИЭР была разработана многомерная матрица целевых показателей и ограничений, разработана конечно-элементная модель кабины трактора индустриального партнера, проведена серия виртуальных ударных испытаний на соответствие сертификационным требованиям по пассивной безопасности в соответствии с актуальными ГОСТами; проведены патентные исследования; выбраны и обоснованы материалы конструкции, для чего проведены анализ существующих баз данных материалов (Total Materia) и экспериментальные исследования предоставленных индустриальным партнером образцов; разработана стилевая поверхность для проектируемых в рамках совместного с индустриальным партнером проекта изделий.

Результаты виртуального испытания кабины трактора на соответствие требованиям по защите кабины от падающих предметов	Результаты виртуального испытания кабины трактора на соответствие требованиям по защите

На ВУЗПРОМЭКСПО-2017 в числе прочих экспонатов Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ представит результаты второго этапа проекта, рассчитанного в общей сложности на три года (срок сдачи проекта – 2018 г.) и предполагающего в качестве конечной цели создание новой линейки усовершенствованных кабин для тракторов 5 тягового класса производства ООО «Завод Спецтехники», предназначенных для сельскохозяйственных и дорожных работ. Фронтальный горизонтальный угол обзора увеличится с 85 до 100 градусов при сохранении прочностных свойств и удовлетворении требований к безопасности, аналогичный угол обзора у машин основных конкурентов составляет 90-95 градусов. Дополнительно ожидается совершенствование технологии производства кабин с сокращением количества производственных операций на 10%.

Основным инструментом дальнейшего производства станет разрабатываемая ИЦ CompMechLab^® СПбПУ методика цифрового проектирования кабин и навесных элементов кузова специальной техники, отвечающих мировому уровню, а также требованиям и стандартам отрасли по безопасности для человека, по эргономике, на базе современных методов мультидисциплинарного кросс-отраслевого компьютерного инжиниринга.

В настоящий момент инженерами ИЦ CompMechLab^® СПбПУ разработана полномасштабная цифровая модель компоновки трактора, позволившая определить технологические и пространственные ограничения при проектировании новой конструкции кабины и навесных элементов. Цифровая модель трактора в сборе включает в себя все основные подсистемы и агрегаты.

Разработана стилевая поверхность для проектируемых в рамках проекта изделий, на которых проводится апробация созданной методики. Стилевая поверхность задает дополнительные ограничения на дальнейшее проектирование, в частности ограничивает внешний объем конструкций разрабатываемых изделий с учетом требований, предъявляемых со стороны технического регламента ТР ТС 031/2012.

Результаты второго этапа ПНИЭР:

• Разработаны математические модели материалов, используемых при проектировании кабины и навесных элементов трактора. Совместно с партнером – ГК «Композитные решения» разработаны математические модели композитных материалов для деталей экстерьера.
• Разработаны программы и методики проведения виртуальных испытаний конструкции кабины и навесных элементов кузова трактора, включающие оценку пассивной безопасности силового защитного каркаса кабины, микроклимата кабины, эргономики и обзорности рабочего места.

• Проведена топологическая оптимизация конструкции кабин и навесных элементов в соответствии с матрицами целевых показателей на проектирование. Конструкция кабин оптимизировалась по требованиям виброакустического комфорта и пассивной безопасности (ROPS и FOPS).
• Разработаны математические модели конструкции навесных элементов (дверей, крышки капота, облицовки радиатора, крыльев) и кабины трактора (для двух модификаций: с реверсивным постом управления и без него), включающие сварной силовой защитный каркас, остекление, панели экстерьера, рабочее место оператора и принадлежности кабины. Математические модели кабины скорректированы на основе результатов топологической оптимизации.
• Разработаны программные комплексы виртуальных испытаний конструкций кабин и навесных элементов специальной техники по пассивной безопасности, виброакустическому комфорту и статической прочности. На основе них проведены виртуальные испытания силового защитного каркаса кабины трактора по требованиям ROPS и FOPS, выполнен анализ эргономики и обзорности рабочего места оператора, произведена оценка микроклимата кабины, а также выполнены расчеты на прочность навесных элементов. Реализован виртуальный краш-тест ROPS.
• Разработан комплект эскизной конструкторской документации для двух модификаций кабины (с реверсивным постом управления и без реверсивного поста управления), включающий сборочные чертежи, чертежи деталей, спецификации в полном соответствии с требованиями ЕСКД.

Однако этим проектом участие команды CompMechLab^® в разработке высокотехнологичной продукции нового поколения – в частности, новейшего трактора, предназначенного для сельскохозяйственных и дорожных работ, – не ограничивается.

В рамках проекта «Развитие мультидисциплинарных подходов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга в интересах реализации цифрового производства изделий для передачи крутящего момента без разрыва потока мощности от двигателей к исполнительным механизмам» по государственному заданию Министерства образования и науки РФ (ЗАДАНИЕ № 9.2580.2017/ПЧ) Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ выполняет работы целями и задачами которых станут:

• развитие подходов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга для исследования характеристик современных инженерных решений передачи крутящего момента от двигателей к исполнительным механизмам без разрыва потока мощности в условиях высокой нагрузки;
• апробация разрабатываемых подходов при реализации совместного с промышленным партнером проекта (ООО «Завод СПЕЦТЕХНИКИ») по созданию новой коробки переключения передач для отечественных тракторов пятого тягового типа.

Разнесенная схема элементов коробки передач

На выставке ВУЗПРОМЭКСПО-2017 будут представлены первые результаты по данному проекту, которые включили в себя разработку и согласование с индустриальным партнером матрицы целевых показателей, представляющей собой сформированные технические характеристики изделия, обеспечивающие достижение потребительских свойств в соответствии с требованиями к изделию и отраслевых стандартов.

На данный момент выполнены следующие работы:

• каскадирование целевых значений, основанное на последовательной детализации требований к изделию от общих до конкретных характеристик компонентов;
• анализ материалов и технологических ограничений индустриального партнера;
• анализ представленных на рынке аналогов разрабатываемого изделия;
• анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы;
• патентные исследования в предметной области;
• разработка функциональной схемы изделия.

Сравнительная характеристика диапазона скоростей тракторов

Разработаны несколько вариантов кинематических моделей изделия с учетом компоновки компонентов; проведен предварительный анализ прочности и ресурса всех зубчатых зацеплений, валов и подшипников; разработаны гидродинамические и кинематические модели управления элементами включения передач.

Разработан альбом виртуальных испытаний, в состав которого входят: кинематические модели изделия, трехмерные компоновочные модели изделия, упрощенная кинематическая модель трактора, информация о шинах, грунтах, характеристика двигателя, распределение масс по осям трактора, необходимые для проведения виртуальных испытаний, методика расчета спектра нагружения, трехмерная модель трактора в сборе.

Подготовлены рекомендации по выбору материалов и покупных изделий для разрабатываемого изделия. Произведен анализ материалов для изготовления основных компонентов изделия с точки зрения стоимости, прочности, доступности и технологических возможностей производства; осуществлен анализ рынка покупных компонентов с точки зрения компоновки, стоимости и доступности; проведен полный патентный поиск в предметной области (глубина поиска – 10 лет); поданы заявки на патентую защиту результатов интеллектуальной деятельности.

Стоит подчеркнуть, что участие Инжинирингового центра CompMechLab^® СПбПУ в данных работах выполняется в полном соответствии с концепцией цифровой экономики – приоритетной государственной программы – и с учетом глобальных трендов IV промышленной революции, обозначившей «перевес центра тяжести» в современном высокотехнологичном производстве на этап проектирования.

Эффективность и глобальную конкурентоспособность такого подхода продемонстрируют и другие экспонаты, которые будут демонстрироваться Политехническим университетом и ИЦ CompMechLab^® СПбПУ на ежегодной выставке ВУЗПРОМЭКСПО 13-14 декабря 2017 года:

• Разработка и применение технологии мультидисциплинарного кросс-отраслевого компьютерного инжиниринга (Виртуального полигона) для проектирования и создания класса высотных воздушных винтов для беспилотных воздушных судов большой продолжительности полета;
• Разработка кузова, шасси, элементов экстерьера и интерьера и организация высокотехнологичного производства автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 модельного года;
• Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе методов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга и аддитивных технологий производства;
• Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций ключевых высокотехнологичных отраслей промышленности.