Статьи о Цифровой платформе CML-Bench® опубликованы в трех номерах журнала «САПР и графика»

В журнале «САПР и графика» опубликована статья «Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) CML-Bench^®» (часть 3), подготовленная инженерами и аналитиками Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ).

Статьи представлены как три взаимосвязанные части, которые опубликованы в выпусках журнала за август, №8, сентябрь, № 9, и октябрь, № 10 текущего года.

Ежемесячный журнал «САПР и Графика» Издательского дома КомпьютерПресс выходит с 1996 года. Сегодня это самое известное и авторитетное периодическое издание в России и странах СНГ, посвященное вопросам автоматизации проектирования, компьютерного анализа, технологической подготовки производства и технического документооборота. Тираж журнала 8 000 экземпляров.

Каждый номер имеет определенную тематику, таким образом, в годовом выпуске охвачены практически все направления компьютерной автоматизации инженерной деятельности. Аудиторию журнала составляют специалисты, использующие в повседневной работе различные средства автоматизации инженерной деятельности: инженеры, технологи, архитекторы, дизайнеры, представители машиностроения и строительной отрасли.

Часть 1 статьи «Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) CML-Bench^®» опубликована в выпуске № 8, посвященном системам инженерного анализа. В ней представлены функциональные и технические возможности отечественной цифровой платформы (ЦП) разработки и применения цифровых двойников CML-Bench^®, относящейся к классу систем управления процессами и данными компьютерного моделирования (SPDM­-системы, Simulation Process and Data Management).

Авторы 1 части статьи:

• Алексей Боровков, к.т.н., профессор, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ.
• Вадим Бураков, д.т.н., руководитель разработки программного обеспечения ООО «Лаборатория Вычислительная механика» (CompMechLab^®);
• Екатерина Мартынец, ведущий специалист отдела технологического и промышленного форсайта ПИШ СПбПУ.
• Юрий Рябов, к.п.н., начальник отдела технологического и промышленного форсайта ПИШ СПбПУ.
• Людмила Щербина, заместитель директора по информационно-аналитической работе Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ.

Раскрывая актуальность тематики, авторы отмечают, что в современных условиях возрастающей конкуренции, геополитических изменений, задачи обеспечения технологического суверенитета и импортонезависимости необходима разработка высокотехнологичных промышленных изделий в сжатые сроки с минимальными финансовыми затратами и обеспечением требуемого уровня технических характеристик и качества. Разработка и производство критически важной конкурентоспособной продукции высокотехнологичных отраслей промышленности возможны на основе передовой технологии создания цифровых двойников изделий с применением инструментов математического, компьютерного и суперкомпьютерного моделирования на основе CAE-систем и высокопроизводительных вычислительных систем (High-Performance Computing, HPC).

В статье приведено определение цифрового двойника изделия в соответствии с ГОСТ Р 57700.37—2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». Подчеркнуто, что широкое применение многих мультидисциплинарных CAE-систем для решения сложных промышленных задач способствовало разработке платформенных решений, которые обеспечивают прозрачность и контролируемость процесса разработки, обоснованность принимаемых решений, автоматизацию работы с расчетными вариантами и конечно-элементным моделированием, интеграцию и взаимодействие инженерного программного обеспечения. Отмечена эффективность SPDM-систем не только в процессах проектирования и разработки высокотехнологичных промышленных изделий, но и на более поздних стадиях жизненного цикла изделий – на стадиях производства, эксплуатации и утилизации.

В качестве примера SPDM-системы рассмотрена Цифровая платформа CML-Bench^®, разработку которой с 2006 года ведут сотрудники Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ, Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» и ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab^®).

Приказом Министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации М. И. Шадаева № 84 от 16.02.2021 цифровая платформа CML-Bench^® включена в Единый реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных. В настоящее время завершается процесс сертификации платформы по 6-му уровню доверия ФСТЭК и соответствия требованиям к ГИС 3-го класса. В результате цифровая платформа CML-Bench^® получит возможность обработки коммерческой тайны и сведений «для служебного пользования».

В статье подробно раскрыты функциональные возможности цифровой платформы CML-Bench^®, позволяющей объединить «лучшие в классе» (best-in-class) технологии мирового уровня и наилучшие доступные технологии, за счет которых ведется разработка основных компонентов цифровых двойников высокотехнологичных промышленных изделий.

«Для проведения цифровых (виртуальных) испытаний цифровая платформа CML-Bench^® имеет возможность подключения различных высокопроизводительных вычислительных ресурсов (кластеров и суперкомпьютеров), а также широкого спектра специального инженерного программного обеспечения для выполнения инженерных и расчетных работ на различных стадиях подготовки и проведения компьютерного моделирования, цифровых (виртуальных) испытаний и обработки результатов вычислений (CAD/CAE/CAO/CAx/PDM/PLM), – рассказал руководитель разработки цифровой платформы CML-Bench^® Алексей Боровков. – На цифровой платформе ежесуточно и ежечасно (в режиме "24/7") генерируются большие объемы содержательных данных (Smart Big Data) — массивы данных, генерируемых в процессе мультидисциплинарного компьютерного / суперкомпьютерного моделирования и применения компьютерных технологий оптимизации, содержащие множество различных характеристик, которые позволяют описать поведение объекта моделирования в различных ситуациях, включая нарушения нормальных условий эксплуатации и аварийные ситуации. Все цифровые и проектные решения инженеров, полученные в ходе выполнения сотен проектов для десятков отраслей, хранятся на цифровой платформе и формируют Digital Brainware, насчитывающий сегодня более 312 тысяч решений» (по состоянию на 07.11.2023 – 319+ тысяч цифровых и проектных решений).

В статье подробно раскрывается возможность реализации на базе цифровой платформы CML-Bench^® «цифровой сертификации» — специализированного бизнес-процесса, основанного на сотнях /тысячах / десятках тысяч цифровых (виртуальных) испытаний на цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах, целью которого является прохождение с первого раза всего комплекса натурных, сертификационных и прочих испытаний (определение, впервые представленное в лекциях и выступлениях проф. А. И. Боровкова с 2014 года).

Кроме того, как подчеркивают авторы, применение цифровой платформы CML-Bench^® предоставляет возможность разрабатывать сразу несколько вариантов возможных решений, которые отвечают требованиям заказчика, установленным в техническом задании, а также осуществлять мониторинг всех изменений конструкторских решений и их качества, эволюцию и модификацию всех расчетных моделей и вариантов.

«Функциональные возможности цифровой платформы CML-Bench^® непрерывно расширяются. Платформа внедрена на высокотехнологичных предприятиях отечественной промышленности, что потребовало разработки специализированных отраслевых программных модулей («кастомизация» цифровой платформы). Расширение спектра применяемых CAx- и PLM-решений отечественных разработчиков путем интеграции на цифровой платформе, безусловно, ускорит процесс внедрения цифровой платформы CML-Bench^® на отечественные высокотехнологичные предприятия, а возможность обработки защищенной информации снимет ограничения при работе с оборонно-промышленным комплексом», – отметил Вадим Бураков.

Часть 2 статьи «Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) CML-Bench^®», авторами которой выступили Алексей Боровков и Вадим Бураков, опубликована в выпуске № 9 журнала, посвященном управлению и производству. В ней рассмотрены архитектура цифровой платформы CML-Bench^®, ключевые аспекты программной реализации, технологий, функции защиты информации, использованные при разработке платформы.

Работы над проектом по созданию цифровой платформы CML-Bench^® начаты в 2006-2007 годах. С тех пор каждая новая версия расширяет и улучшает функциональные и качественные характеристики предыдущих, а накопленный опыт использования цифровой платформы для разработки высокотехнологичной продукции позволяет однозначно говорить о важности ее дальнейшего развития и применения. Авторы статьи отмечают, что вначале проект ограничивался рамками разработки SPDM-системы, в дальнейшем, благодаря высококачественной реализации платформенных функций и заложенных в ее архитектуру принципов модульности и адаптивности, применение платформы преодолело эти границы: разработанные цифровые двойники используются не только в высокотехнологичной промышленности, но и в других отраслях.

В проектах подобного масштаба ключевыми являются вопросы архитектуры. Архитектурная модель CML-Bench^® содержит три уровня: клиентский, сервера приложений и сервера баз данных. В тексте статьи приведено подробное описание каждого уровня. Раскрыты ключевые функции цифровой платформы CML-Bench^® и ее особенности относительно существующих систем класса SPDM:

• многоуровневая матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений;
• дерево эволюции траекторий разработки и получаемых решений («цифровой след» проекта);
• автоматизированные расчетные цепочки;
• управление инженерными проектами и задачами.

Отдельно отмечены функции информационной безопасности цифровой платформы CML-Bench®, поскольку обеспечение безопасности в IТ-сфере в настоящее время требует к себе особого внимания. Подчеркнуто, что устойчивость перед кибератаками и информационная безопасность всего предприятия зависят от уровня безопасности всех элементов и систем.

В статье раскрываются возможности кастомизации платформы. В качестве примера кастомизации, связанной с модификацией сервисов, приведен успешно завершенный проект для ООО «Центротех-Инжиниринг» топливного дивизиона ТВЭЛ госкорпорации «Росатом».

Также отмечена реализация проекта в интересах ПАО «ОДК-Сатурн» по разработке технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя (МГТД) и редуктора в составе агрегата. В рамках этого проекта произошла ещё более радикальная кастомизация и развитие цифровой платформы CML-Bench^® — разработаны новые сервисы наименования, библиотеки целевых значений, библиотеки материалов, виртуальных датчиков, доработаны существующие сервисы с целью учета данных производства, испытаний и т.п.

Подробные описания некоторых ключевых проектов, реализованных на цифровой платформе CML-Bench^®, представлены в части 3 статьи, опубликованной в выпуске № 10 журнала «САПР и графика» на тему отечественных разработок. Авторами статьи освещены функциональные и технические возможности цифровой платформы, эффективное использование которых способствовало успешной реализации проектов в интересах высокотехнологичной промышленности.

Авторы 3 части статьи:

• Алексей Боровков, к.т.н., профессор, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ;
• Иван Мартынов, научный сотрудник отдела разработки автомобилей и техники ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»;
• Игорь Шандер, ведущий инженер отдела разработки автомобилей и техники ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»;
• Юрий Горский, инженер-исследователь отдела перспективных разработок в двигателестроении ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»;
• Юрий Житков, к.т.н., ведущий инженер, руководитель отдела системного инжиниринга ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»;
• Александр Волков, ведущий инженер отдела системного инжиниринга ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»;
• Екатерина Мартынец, ведущий специалист отдела технологического и промышленного форсайта ПИШ СПбПУ.

На базе цифровой платформы CML-Bench^® разрабатываются проекты для высокотехнологичных отраслей промышленности: двигателестроение, авиастроение, автомобилестроение, энергомашиностроение, атомное, нефтегазовое, железнодорожное, тяжелое и специальное машиностроение, судостроение и кораблестроение, ракетная и космическая техника, медицинская инженерия и др. Подробно рассмотрены три проекта:

• Единая модульная платформа для семейства автомобилей Aurus: проект «Кортеж»

Проект государственного значения «Кортеж» был реализован в период 2014-2019 годов по заказам и в интересах ФГУП «НАМИ», который выступил головным исполнителем проекта. В зону ответственности Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ входила разработка кузовов автомобилей, а именно лимузина, седана, внедорожника, микроавтобуса и кабриолета. Отличительной чертой проекта стало формирование концепции конструкции кузова президентского лимузина и линейки автомобилей на единой платформе с высоким уровнем унификации кузовных деталей.

«КАМА-1» (слева) и AURUS Senat, 2020 год

В ходе реализации проекта инженерами Инжинирингового центра CompMechLab^® СПбПУ совместно с инженерами НАМИ были решены следующие задачи:

• разработана концепция единой модульной платформы для семейства автомобилей;
• выполнена конструкторская документация на всех этапах проектирования;
• разработаны компоновочные решения с целью обеспечения унификации кузовных деталей;
• созданы цифровые (виртуальные) испытательные стенды и полигоны для прохождения «цифровой сертификации»;
• реализована оптимизация узлов автомобилей по критерию снижения массы (двери, багажник, капот, опора раздаточной коробки передач и пр.);
• проведены анализ технологичности производства и подготовка к производству;
• выполнена валидация разработанных математических и компьютерных моделей по результатам проведения натурных испытаний прототипов.

Успешно выполненный проект «Кортеж» позволил значительно расширить функциональные возможности цифровой платформы CML-Bench^® в области автомобилестроения и разработать, проинтегрировать и апробировать множество имеющихся на цифровой платформе инструментов. В статье отмечено, что значимым результатом проекта стала разработка цифрового двойника семейства автомобилей на базе единой модульной платформы, за счет которого удалось путем десятков тысяч цифровых (виртуальных) испытаний, в первую очередь на специализированных цифровых (виртуальных) испытательных стендах (ВИС) и цифровых (виртуальных) испытательных полигонах (ВИП), найти и обосновать компромиссные решения для удовлетворения всем требованиям и для достижения высоких целевых показателей (технических характеристик), обоснованно снизить массу некоторых узлов автомобилей более чем в два раза и т.д.

• Проект по разработке цифрового двойника редуктора для морского газотурбинного двигателя

В 2021-2022 годах впервые в отрасли был разработан цифровой двойник редуктора для морского газотурбинного двигателя с использованием цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®. Разработка инженеров Инжинирингового центра CompMechLab^®  СПбПУ подтвердила целесообразность использования передовой технологии цифровых двойников для такого сложного изделия приводной техники, как редуктор.

Проект выполнили "с нуля" за рекордные 17 месяцев. Инженеры СПбПУ впервые разработали и взаимоувязали на единой цифровой платформе CML-Bench^® систему сложных мультидисциплинарных компьютерных моделей, включающих десятки миллионов конечных элементов и конечных объемов, описывающих как детальные особенности конструкции редуктора, происходящие во время эксплуатации, так и особенности физико-механических процессов и технологических процессов изготовления. Наличие взаимосвязей между компьютерными моделями позволило оперативно и обоснованно оценивать влияние изменений узлов конструкции и режимов работы на характеристики редуктора в целом.

Разработанный цифровой двойник редуктора и лежащие в его основе методики проведения цифровых испытаний на цифровой платформе CML-Bench^® являются фундаментальной основой для разработки аналогичных сложных высокотехнологичных изделий или отдельных технических систем, а также, естественно, методологической основой для подготовки системных инженеров — разработчиков высокотехнологичных изделий нового поколения.

• Проект по разработке цифрового двойника экипажной части локомотива

Проект по разработке цифрового двойника экипажной части локомотива был реализован в 2020-2022 годах. Целью проекта являлось расчетное сопровождение разработки семейства тележек для локомотивов. Применение технологии разработки цифровых двойников в ходе реализации проекта позволило проанализировать большое количество вариантов конструкции и их комбинаций, а также использовать новые подходы к вычислению показателей прочности и долговечности элементов конструкции.

Структура цифрового двойника экипажной части локомотива

Проект выполнен на цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®, которая позволила комплексно подойти к решению поставленных задач, сформировать структуру цифрового двойника и матрицу требований и целевых показателей к изделию, создать математические и компьютерные модели, сформировать связи между моделями и информацией из баз данных, автоматизировать запуск автоматизированных цепочек взаимосвязанных многовариантных расчетов и обработку их результатов. Использование цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® позволило существенно сократить финансовые затраты и сроки проведения многовариантных моделирований для обоснованного выбора конструкторских решений для тележки локомотива.

Подводя общий итог, авторы статьи подчеркивают, что в ходе выполненных проектов с применением цифровой платформы CML-Bench^® достигнуты значительные результаты по снижению себестоимости разработки изделий, сокращению длительности стадии разработки, улучшению технических характеристик отдельных компонентов, подсистем и технических систем в целом, увеличению ресурса, повышению уровня технологичности и качества изделий.

Применяемая в многочисленных проектах для ряда высокотехнологичных отраслей промышленности России технология цифровых двойников способствует разработке сложных высокотехнологичных изделий высокого уровня конкурентоспособности, что, в свою очередь, обеспечивает реализацию программ импортозамещения и импортоопережения на государственном уровне, а также достижение технологического суверенитета России.

---

Цифровая платформа CML-Bench^® неоднократно была отмечена как прорывная технологическая разработка:

• В 2017 году цифровая платформа CML-Bench^® признана лучшим высокотехнологичным проектом для промышленного производства. Основной разработчик – ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab^®) – был награжден Национальной промышленной премией РФ «Индустрия» (премия «Промышленный Оскар»);
• В 2018 году цифровая платформа CML-Bench^® признана «Лучшим цифровым проектом ЕАЭС» в международном Конкурсе инновационных проектов «Евразийские цифровые платформы»; 
• В 2021 году получена премия «Технологический прорыв — 2021» в номинации «Лучшее технологическое решение по моделированию и управлению данными в цифровизации»; 
• В 2022 году цифровая платформа CML-Bench^® удостоена Первой Национальной премии «Импортонезависимость», а также Национальной премии в области промышленных и цифровых передовых технологий «Приоритет-2022» в номинации «Импортозамещение».

Расширенный список публикаций сотрудников ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии», Центра НТИ «Новые производственные технологии» СПбПУ, Инжинирингового центра (CompMechLab^®) СПбПУ представлен по ссылке.