Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» победила в конкурсном отборе по поддержке совместного проекта с Объединенным институтом машиностроения НАН Беларуси

Проект Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ)

• «Разработка на основе технологий цифровых двойников и искусственного интеллекта, а также применение цифровой модели технической системы с элементами из нового конструкционного материала МОНИКА, работающей в условиях трения скольжения и механической усталости»

победил в конкурсном отборе по поддержке совместных научных и научно-технических проектов, выполняемых совместно образовательными и научными организациями, расположенными на территориях Санкт-Петербурга и Республики Беларусь, в 2023 году. Конкурсный отбор был объявлен Комитетом по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга и Государственным комитетом по науке и технологиям Республики Беларусь. Конкурсная инициатива предусматривает максимальный объем финансирования на один проект в год до 2 млн. рублей от Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга и до 70 тысяч белорусских рублей от Государственного комитета по науке и технологиям Республики Беларусь, и на все проекты конкурсного отбора в рамках года до 20 млн. рублей и до 700 тысяч белорусских рублей соответственно. Оператором конкурсного отбора выступил Санкт-Петербургский научный фонд. Конкурсный отбор был проведен среди проектов по приоритетным направлениям научной, научно-технической и инновационной деятельности на 2021-2025 годы, утвержденных Указом Президента Республики Беларусь от 07.05.2020 № 156, в том числе:

• цифровые информационно-коммуникационные и междисциплинарные технологии, основанные на них производства;
• биологические, медицинские, фармацевтические и химические технологии и производства;
• энергетика, строительство, экология и рациональное природопользование;
• машиностроение и машиностроительные технологии, приборостроение и инновационные материалы;
• агропромышленные и продовольственные технологии.

Конкурные научные и научно-технические проекты учитывали критические и сквозные технологии (технологические направления), предусмотренные Концепцией технологического развития на период до 2030 года, утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 20.05.2023 № 1315-р, в том числе:

• технологии обработки и передачи данных;
• технологии в сфере энергетики;
• новые производственные технологии;
• биотехнологии и технологии живых систем;
• технологии снижения антропогенного воздействия;
• перспективные космические системы и сервисы.

На заседании белорусско-санкт-петербургской рабочей группы в области научно-технической деятельности от 23 ноября 2023 года под руководством председателя Государственного комитета по науке и технологиям Республики Беларусь Сергея Шлычкова и председателя Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга Андрея Максимова по итогам рассмотрения результатов экспертизы были определены 10 совместных научных и научно-технических проектов, подлежащих финансированию. Полный перечень опубликован на едином портале «Наука и образование в Санкт-Петербурге».

Исследование по проекту «Разработка на основе технологий цифровых двойников и искусственного интеллекта, а также применение цифровой модели технической системы с элементами из нового конструкционного материала МОНИКА, работающей в условиях трения скольжения и механической усталости» ведет научная группа, в которую входят со стороны России:

– научный руководитель проекта, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций Национальной технологической инициативы СПбПУ «Новые производственные технологии», Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ Алексей Боровков;

– профессор, доктор технических наук, руководитель Научно-технологического комплекса «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ Николай Ватин;

– научный сотрудник отдела разработки автомобилей и техники Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) ПИШ СПбПУ  Иван Мартынов и

– ответственный исполнитель проекта, ведущий инженер отдела разработки автомобилей и техники Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) ПИШ СПбПУ Игорь Шандер.

Научную группу со стороны Беларуси представили сотрудники Государственного научного учреждения «Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси» (ГНУ «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси»), среди них руководитель проекта, доктор физико-математических наук Сергей Щербаков; доктор физико-математических наук Вадим Кукареко.

Исследовательская группа в Беларуси состоит из ученых, специализирующихся на численном анализе в механике деформируемого твердого тела. Российская команда объединяет математиков и механиков, которые являются специалистами в области создания цифровых двойников сложных технических систем на основе математического и компьютерного моделирования.

Совместный проект предусматривает исследования трехмерного напряженно-деформированного состояния технической системы вал

/ вкладыш с учетом реальных геометрических характеристик и граничных условий, в которой вкладыш изготовлен из конструкционного материала МОНИКА и при контактном взаимодействии ее элементов и изгибе вала при испытаниях на фрикционно-механическую усталость. Высокопрочный материал МОНИКА отечественной разработки имеет высокие прочностные (до 1500 МПа), и пластические (относительное удлинение до 4%) характеристики. Применение нового материала для изготовления ответственных объектов технического назначения (ножей режущего инструмента сельскохозяйственного комбайна, зубчатых колес, железнодорожных рельсов и т.д.) требует решения задачи оценки напряженно-деформированного состояния системы вал / вкладыш с учетом как контактного взаимодействия между элементами, так и изгиба вала.

Научный руководитель проекта, проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков рассказал об уникальности проекта и значении результатов проекта для каждой стороны:

• «Уникальной особенностью заявляемого проекта является объединение математического и компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния модельных образцов и искусственного интеллекта, в частности, нейронных сетей, что позволит оперативно определять экстремальные значения напряжений без проведения многочисленных длительных конечно-элементных расчетов. Данный проект объединит опыт белорусского и российских партнеров в численном анализе усталости материалов».
• «В ходе выполнения проекта планируется разработать программное обеспечение для проведения численных расчетов напряженно-деформированного состояния силовых систем и зависимостей максимальных напряжений в системе для различных соотношений контактных и неконтактных нагрузок. Данный результат носит частный характер. Однако, компоненты разрабатываемого программного продукта могут быть использованы при создании программного обеспечения для дальнейших исследований, как белорусской, так российской стороной»,
  – дополнил ответственный исполнитель проекта, ведущий инженер отдела разработки автомобилей и техники Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) ПИШ СПбПУ Игорь Шандер.

В рамках решения задач исследования командой СПбПУ будет использована технология разработки и применения цифровых двойников в соответствии с ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения» на Цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®.

• «Разработка изделий и продукции на основе технологии цифровых двойников позволяет в кратчайшие сроки создавать глобально конкурентоспособную и востребованную высокотехнологичную продукцию, значительно снижать объемы физических и натурных испытаний, которые в традиционном подходе необходимы для «доводки изделия до требуемых характеристик путем большого числа испытаний опытных образцов», что, в целом, в сравнении с традиционными подходами позволяет обеспечивать снижение временных, финансовых и иных ресурсных затрат в несколько раз. Актуальным этапом развития высокотехнологичной промышленности является цифровая трансформация бизнес-процессов и бизнес-моделей, то есть фактически трансформация высокотехнологичной промышленности в цифровую промышленность на основе разработки и применения цифровых двойников (Digital Twin)»,
  – резюмировал научный руководитель проекта, проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков.

Для решения  задач исследования участники проекта разработают механико-математические модели силовой системы вал / вкладыш, используемой при испытаниях на механическую, фрикционную и фрикционно-механическую усталость, проведут компьютерное моделирование и анализ пространственного напряженно-деформированного состояния силовой системы, в которой вкладыш изготовлен из нового конструкционного материала МОНИКА, а также создадут нейронную сеть, моделирующую экстремальные значения напряжений в системе вал / вкладыш в зависимости от величин контактной и неконтактной нагрузок.

Научными сотрудниками Объединенного института машиностроения НАН Беларуси будет построена предикативная модель для расчета экстремальных значений напряжений в зависимости от входных параметров: различных величин контактной и неконтактной нагрузок, механических свойств материалов вкладыша и вала. Модель будет основана на искусственной нейронной сети, которая имеет широкое распространение в различных областях, в частности, в науке и технике. Будет создан многослойный перцептрон, обучаемый с помощью метода обратного распространения ошибки в пакете Matematica, при необходимости будут применяться программный пакет MATLAB и язык программирования «Python».

• «Наш совместный с СПбПУ проект многогранен. В результате его выполнения мы получим новые знания о сложном взаимодействии двух важнейших явлений, повреждающих современную технику ответственного назначения: трении скольжения и механической усталости. Кроме того, мы оценим возможность применения нового конструкционного материала МОНИКА для эффективного сопротивления этим явлениям.
• Самое главное, что на основе конечно-элементного моделирования и аппроксимации его результатов искусственной нейронной сетью мы создадим цифровую модель технической системы, работающей в условиях фрикционно-механической усталости. Эта модель позволит не только корректно и быстро оценивать состояние системы без трудоемких длительных вычислений, но и управлять ее повреждаемостью для обеспечения требуемой долговечности»
  – отметил руководитель с белорусской стороны, академик-секретарь Отделения физико-технических наук Национальной академии наук Беларуси Сергей Щербаков.
• «Сотрудничество команд может внести существенный вклад в развитие механики усталостного разрушения материалов, трибологии и трибофатики, а также в развитие соответствующих методов конечно-элементного анализа, методов численно-аналитического моделирования и, конечно, технологию цифровых двойников. Стратегия проекта представляет собой сочетание фундаментальных теоретических и прикладных методов и подходов. С учетом новых технологических вызовов и национальных приоритетов таких, как импортонезависимость, технологический суверенитет, глобальная конкурентоспособность экономики и национальная безопасность России, деятельность по развитию технологий цифрового проектирования и моделирования, в первую очередь, технологий цифровых двойников для освоения серийного и массового производства новых конкурентоспособных изделий является одной из наиболее фронтирных инженерных задач сегодня»,
  – подвёл итог научный руководитель проекта, проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков.

Важной характеристикой при рассмотрении конкурсной заявки стало наличие у Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» результатов интеллектуальной деятельности (РИД) по тематике проекта.