Журнал Compass #14

АВИАЦИЯ, КОСМОС И ОБОРОНА УСПЕХИ В МОДЕЛИРОВАНИИ

Как ускорить процесс проектирования и производства за счет виртуального испытания современных композитных материалов

В стремлении быстрее и с меньшими затратами вывести на рынок новые самолеты производители вынуждены оптимизировать дорогостоящие и трудоемкие процессы сертификации новых композитных материалов. Все чаще компьютерные методики виртуальных испытаний приходят на замену испытаниям физическим, при этом многие не устают критиковать аэрокосмическую отрасль за излишне медленное следование прогрессу, что угрожает будущему всей индустрии.

Большая часть планера, фюзеляжа и хвоста таких лайнеров, как Boeing 787 и Airbus A350, выполнена из современных композитных материалов, не говоря уже об основных несущих конструкциях других самолетов, находящихся в стадии разработки. Стоит только взглянуть на концепции будущих коммерческих лайнеров от Boeing и Airbus — совмещенные крыло и фюзеляж, имитирующие строение костей переборки, хвостовое оперение с изменяемой формой и энергоаккумулирующая внутренняя оснастка — и становится очевидным, какие ожидания возлагаются на композиты.

Передовые композитные материалы призваны наделить новые изделия такими свойствами, которые сложно представить себе при использовании обычных материалов. Проблема в том, что нереальные затраты на разработку и производство препятствуют повсеместному их внедрению. Вот один из факторов: взятый за основу полвека назад принцип структурных элементов для проверки композитов на возможность применения в составе летательных аппаратов, подразумевает тысячи обязательных и дорогостоящих физических испытаний.

Заменив хотя бы часть физических испытаний виртуальными, можно получить сверхперспективный подход к документальному подтверждению эффективности новых композитных материалов, не говоря уже о передовых средствах проектирования, ускоренных технологических процессах и повышенной рентабельности. Едва ли компьютерное моделирование позволит полностью избавиться от физических испытаний. Однако многие специалисты уверены, что вскоре имитационное моделирование и компьютерный анализ будут играть куда более значимую роль в оптимизации цикла разработки и снижении затрат.

УБРАТЬ ЛИШНЕЕ

Одним из примеров успешного виртуального тестирования стала первая модель топливного бака для космических аппаратов с функцией самоуничтожения при входе в плотные слои атмосферы. Проектированием композитов на основе углеродного волокна занимается Cobham Life Support из Вестминстера, штат Мэриленд (США) по заказу НАСА в рамках программы создания спутника для измерения объема мировых осадков. Отчасти благодаря активному использованию средств автоматизированного проектирования и испытаний специалистам Cobham удалось соблюсти все заявленные НАСА требования: стоимость, график и множество весомых технических условий.

Методика Cobham позволила уменьшить количество разрушающих испытаний на 50%, то есть за 38 месяцев реализации программы сэкономить примерно $500 000. «Наши эксперты по испытаниям и анализу действовали в сверхтесном контакте, стараясь максимально повысить эффективность», — объяснил Роберт Гранд, коммерческий директор Cobham. «Мы наделили модели свойствами реальных материалов, собранных по результатам испытаний, а потом в ходе физических экспериментов сверяли полученные расчеты по проекту. Поскольку результаты наших испытаний совпали с аналитическими прогнозами, включая параметры вспомогательных компонентов, данные о сопротивлении давлению и усталостном разрушении бака, к моменту завершения проекта мы полностью закончили квалификационный контроль».

«СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОМОГУТ В ОСОЗНАНИИ ФАКТОРОВ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ В ПРОЕКТЕ И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ»

Д-Р Р. БАЙРОН ПАЙПС ПРОФЕССОР КАФЕДРЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИ УНИВЕРСИТЕТЕ ПУРДЮ

Неплохой пример продемонстрировала лаборатория передовых композитных материалов Lamborghini (ACSL) при Вашингтонском университете в Сиэтле (США), где одновременно занимаются разработкой композитов для аэрокосмоса и автомобилей. Работая над заказами Boeing и Федерального управления гражданской авиации (FAA), ACSL совершенствует процесс сертификации новых композитных материалов и конструкций, нередко опираясь на проверенные принципы виртуального тестирования деталей для автомобилей Lamborghini.

ACSL и Boeing совместно занимаются передовыми методиками анализа для прогнозирования поведения при авариях полностью композитного автомобиля Lamborghini Aventador, выполненного по технологии монокок. Aventador с первого раза прошел сертификацию на безопасность по результатам краш-теста; прошлой модели понадобилось два или три испытания. Учитывая стоимость одного краш-тест порядка $1 миллиона, экономия оказалась внушительной, даже без учета затрат времени и денег на постройку дополнительных тестовых машин.

ПОЛНОЕ СМЕЩЕНИЕ ПАРАДИГМЫ

Хотя подобные программы выходят за рамки промышленных стандартов использования виртуальных испытаний, д‑р Р. Байрон Пайпс, профессор кафедры технического проектирования при Университете Пурдю (США), полагает, что используются они излишне сдержанно.

Имеющиеся тенденции виртуального испытания новых композитов свидетельствуют лишь о частичном улучшении ситуации, полагает Пайпс, речь не идет о полноценном смещении парадигмы, в результате которого будет пересмотрен сам подход к разработке композитных материалов. «Мы наступаем на те же грабли со своим эмпирическим производством и сертификацией на основе (физических) испытаний», — сказал он. «Квалификационный отбор каждого композитного материала для использования в составе нового фюзеляжа обходится в $100 миллионов. После сертификации любые изменения материалов становятся экономически нецелесообразными».

Со слов Пайпса, современный процесс разработки композитных материалов целиком завязан на эксперименты, а анализ играет лишь вспомогательную роль. «У нас достаточно вычислительной мощи для изменения этой парадигмы и замены тысяч (физических) испытаний продуманным мультимасштабным моделированием производства и эксплуатации», — сказал он. «Только так мы сможем обрести инновационные материалы и процессы, минуя дорогостоящую повторную сертификацию».

Для расширения границ применения виртуальных испытаний Пайпс предлагает сделать современные средства анализа и моделирования более доступными, чтобы все заинтересованные стороны смогли оценить перспективы изменений в проектировании и производстве композитов. В этой связи Пайпс планирует создание онлайнового Центра производства композитных материалов (Composite Manufacturing Hub), который включает в себя облачные инструменты имитационного моделирования и целевое сообщество. «Сама идея родилась из опыта краудсорсинга, ведь нам нужно укреплять свою имитационную базу и передавать новые методики в руки тех, кто не имеет к ним доступа», — пояснил Пайпс.
Большинство современных инструментов для моделирования недоступны малым компаниям ввиду дороговизны, и реально используются лишь крупными корпорациями и университетами. Но уже сейчас наметилось изменение в этом тренде. «Отдельные составляющие имитационного моделирования предлагаются в составе программ, которые можно запускать на персональных компьютерах и даже мобильных устройствах», — сказал Пайпс. Он выступает за развитие онлайнового Центра производства композитных материалов на основе облачных технологий для распределения затрат, расширения доступа и ускоренного развития методик моделирования. «Если не заниматься моделированием производственных процессов, никогда не сможешь ухватить вариативность, свойственную композитам», — сказал Пайпс.

Портал nanoHUB.org можно рассматривать как вариацию на тему идеи Пайпса. За десять лет существования на нем скопилось 260 различных средств имитационного моделирования, которые предлагаются более чем 12 000 пользователям, не говоря уже о творческом сообществе в составе 240 000 человек, занимающихся в исследовательских центрах, классах и интерактивных группах. За 12 месяцев к июлю 2012 года было осуществлено более 570 000 циклов моделирования, создано свыше 80 новых инструментов для моделирования, а время между публикацией и первым практическим использованием в среднем составило менее полугода.

МИНУС ФАКТОР НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

На текущем этапе производители проводят физические испытания каждого элемента перед сборкой, в результате чего нарушается непрерывность цикла разработки и растут затраты. «Едва ли нам удастся полностью отказаться от (физических) испытаний для проверки моделей, однако нам стоит определиться с точностью результатов моделирования или, что важнее, с принципами устранения неопределенностей», — сказал Пайпс. «Средства моделирования помогут в осознании факторов неопределенности в проекте и их распространения».

50%

С помощью средств моделирования Cobham Life Support на 50% сократила количество разрушающих испытаний новых топливных баков для НАСА, сэкономив примерно $500 000.

В качестве наглядной демонстрации потенциала этого подхода Пайпс ссылается на Национальное управление США по ядерной безопасности (NNSA).
В связи с принятым в США мораторием на испытание атомных объектов, NNSA, подразделение Министерства энергетики США, не может заниматься полномасштабными испытаниями характеристик в физическом плане. «Примерно 15–20 лет назад нами была составлена дорожная карта, реализация которой позволила бы проходить сертификацию на основании методик имитационного моделирования», — сказал д‑р Марк Андерсон, технический консультант NNSA из Лос-Аламосской исследовательской лаборатории, поддержку которой оказывает правительство США. Ключевыми составляющими такой дорожной карты являются проверенные прогнозные алгоритмы на основе мультимасштабного, привязанного к физическим параметрам компьютерного моделирования и количественной оценки факторов неопределенности в составе имитационных пакетов NNSA.

Первоначально у NNSA была возможность моделировать характеристики атомных устройств на основе переработанных данных по результатам проведенных до моратория испытаний, однако по мере отдаления от физических испытаний достоверность таких прогнозов снижается. В этой связи NNSA пытается заменить прогнозные модели на более достоверные имитационно-физические модели.

Для начала было решено отказаться от полномасштабных испытаний устройств в пользу множества небольших экспериментов, рассчитанных на уточнение физических явлений, которые прогнозируются научной компьютерной моделью. Далее такая модель переводится из наномасштаба (с атомарного уровня) в макромасштаб (уровень устройства), и вновь проверяется на точность прогнозирования. Выложенные NNSA видеоролики подтверждают полученные достижения посредством параллельных вычислений на суперкомпьютерах при сотрудничестве с промышленными и научными учреждениями. Как говорится в одном из видео: «Сейчас нередки высказывания о том, что компьютеры превратились в столь же неотъемлемую часть науки, как теория и эксперимент».

Дополнительно к выходу на уровень полномасштабной науки, NNSA приступает к количественной оценке результатов моделирования для снижения факторов неопределенности. Как только неопределенность по результатам научного моделирования станет меньше, чем прогнозирование параметров после эмпирических испытаний, имитационное моделирование сможет заменить физические испытания.

БАЛАНС МЕЖДУ ФИЗИЧЕСКИМ И ВИРТУАЛЬНЫМ

Андерсон уверен, что моделирование композитных материалов можно вывести на новый уровень, если воспользоваться методикой NNSA. «В большинстве отраслей наиболее правильным было бы найти баланс между исторически сложившимся принципом испытаний и имитационным моделированием с количественной оценкой неопределенностей», — сказал Андерсон. Он отмечает, что, несмотря на значительный объем теоретических наработок в отраслевых моделях, многие все также пользуются простым математическим описанием, которое соотносится с результатами эмпирических испытаний.

Количественная оценка неопределенностей (UQ) включает в себя те из них, которые связаны с исследуемыми параметрами и с формой модели. «Понятно, что без предварительных инвестиций не обойтись», — сказал Андерсон. «Однако сформировав среду моделирования, можно сократить затраты с $500 000 до, скажем, $100 000». Он отмечает, что американский производитель автомобилей General Motors использует метод UQ при моделировании краш-тестов, а НАСА с его помощью пытается смоделировать испытания, которые невозможно провести физически, включая реакции в космическом пространстве или полноструктурные испытания, выходящие за рамки имеющегося бюджета.

«СФОРМИРОВАВ СРЕДУ МОДЕЛИРОВАНИЯ, МОЖНО СОКРАТИТЬ ЗАТРАТЫ С $500 000 ДО, СКАЖЕМ, $100 000»

Д-Р МАРК АНДЕРСОН ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНСУЛЬТАНТ, ЛОС-АЛАМОСОВСКАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

Как следствие, получается «проект высокой степени проработки» — отличные характеристики без лишних затрат на повторное проектирование, которое необходимо для устранения неопределенностей. При столь качественной проработке проекта факторы неопределенности учитываются в самой модели, в результате снижается чувствительность к ним, и устраняются лишние действия по совершенствованию.

КТО ЗАДАЕТ ТЕМП ПРОГРЕССА?

Ларри Айсвиц, специалист FAA по композитным материалам, уверен, что добиться прямой эксплуатационной выгоды от внедрения композитных материалов в самолеты можно при единственном условии — новые технологии должны стать доступны техническим специалистам наравне с привычными металлами, а затраты на их разработку, производство и сертификацию должны быть экономически сопоставимы.

«СФОРМИРОВАВ СРЕДУ МОДЕЛИРОВАНИЯ, МОЖНО СОКРАТИТЬ ЗАТРАТЫ С $500 000 ДО, СКАЖЕМ, $100 000»

Д-Р МАРК АНДЕРСОН ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНСУЛЬТАНТ, ЛОС-АЛАМОСОВСКАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

Во всем мире слышны активные призывы к «созданию новых инструментов разработки композитных материалов для усовершенствования летательных аппаратов», и тон здесь задает НАСА с декларацией 2009 года о «Сертификации путем анализа» в качестве единственного будущего авиации. Не отстает и Европейская комиссия со своей программой MAAXIMUS (доступные самолеты за счет расширенных, интегрированных и продуманных числовых решений), в рамках которой планируется использовать мультимасштабное прогнозное моделирование повреждений для сокращения времени разработки на 20%, затрат на разработку на 10% и ускорения сборки фюзеляжей на 50%.

Озвученные инициативы подчеркивают наличие громадной разницы между текущим уровнем экономии за счет виртуального тестирования и потенциалом этого направления. Для экономически выгодной коммерциализации поистине «волшебных» композитных технологий, взять хотя бы однокоординатные ассиметричные многослойные композиты, которые весят на 40% меньше алюминия, или конструкции с оптимизированной топологией на основе дискретных волокон, которые стоят на 50% дешевле, чем препрег, производителям композитных материалов нужно устранить различия в принципах проектирования, отказаться от географических притязаний и жажды конкуренции, чтобы ускоренными темпами двинуться к научному моделированию, виртуальному тестированию и сертификации путем анализа.

автор статьи Джинджер Гардинер Вернуться к началу страницы