CC BY
22
Таблица 3
Коэффициенты значимости функций им, h и q при б = 2,5 % ÔVM. б*,.
Lc, км Mo Кг>Ам
1 0,0512 0,01732 0,00041 0,000071 0,0512 0,120
2 0,0539 0,01596 0,00140 0,00408 0,0540 0,129
3 0,0609 0,01449 0,00364 0,01058 D.060 0,149
4 0,1149 0,01837 0,00527 0,01559 0,11471 0,269
5 0,16389 0,04907 0.00482 0,01027 0,1631 0,391
Все приборы устанашшваются па устье скважины и реальные величины измеряемых забойных параметров отображают с достаточно большой погрешностью, которая, как показывают расчеты, с ростом глубины скважины и изменением ее диаметра увеличивается почти на 40 %.
Приведенные в табл. 1. 2 значения учитывают максимальную погрешность, которая может быть внесена измерительными приборами в оценку показателей процесса. При практических измерениях погрешность каждого прибора определяется нормальным законом распределения, зависит от условий проведения опытов и может быть существенно ниже. Тем не менее, даже при I %-й погрешности, вносимой каждым устьевым прибором, общая недостоверность оценки показателей им, И и д достигает 15,64 %, а при
2,5 %-й погрешности приборов — до 39 %. Это неприемлемо для системы оптимального управления ТП бурением. Для эффективного управления процессом необходимо вместо устьевых приборов использовать забойные датчики для измерения режимных параметров с передачей полученных данных на устье по какому-либо каналу связи (механическому, гидравлическому или радиоканалу).
1. Наибольшее влияние и вклад в значения механической скорости бурения, проходки и критерия "минимум стоимости 1 м проходки" производят осевая нагрузка на долото и диаметр долота (40—43 %), затем идут обороты ротора (7—14 %), расход (2—7 %) и плотность бурового раствора (1—3 %). С ростом глубины забоя влияние параметров в целом увеличивается в 2—3 раза, особенно на участках сужения ствола скважины.
2. Суммарная погрешность, вносимая измерительными приборами в показатели процесса может достигать 40 %.
3. Для получения достоверной информации о ТП бурения необходимо для режимных параметров управления использовать забойные измерительные приборы. Устьевые приборы не обеспечивают требуемой точности измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агасьянс М.В., Орлов Е.А. Электротехника и электрические измерения. М.: Радио и связь, 1983. 312 с.
2. Погарекий A.A., Чефранов К.А., Шишкин О.П. Оптимизация процес-
сов глубокого бурения. М.: Недра, 1981. 296 с.
3. Розенвассер E.H., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления. М.: Наука, 1981. 464 с.
УДК 658:62-52(045)
В. П. Золотаревич, Н.В. Югов
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ PLM-ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРЕДПРИЯТИИ
В последнее время становится все бо- Lifecycle Management) f 1—3]. Он предпола-лее популярным подход в управлении пред- гает использование комплекса программ, приятием, называемый PLM (Product которые сопровождают путь изделия от его
проектирования, производства или модернизации и отработки конструкции прототипа до последующей утилизации.
В многочисленных публикациях о PLM много внимания уделяется вопросам применения составляющих PLM в области конструирования и производства и в меньшей степени освещены вопросы инженерии, а именно роли и места систем инженерного анализа в процессе реализации PLM-тех-нологий на предприятии. В процессе работы над различными проектами авторами накоплен некоторый опыт применения таких инженерных систем для конкретных инженерных конструкций. В данной статье сделана попытка обобщить и представить этот опыт в контексте использования PLM-решений на предприятиях нашей страны.
На наш взгляд, статья может помочь руководителям предприятий более взвешенно подходить к процессу принятия решения о внедрении системы PLM на предприятии и ознакомить их с возможными проблемами в части взаимодействия конструкторских бюро с инженерными группами предприятий.
Место инженерных расчетов в PLM-системах
Технология управления полным циклом производства и модернизации изделия (PLM) от его концепции, проектирования производства до продаж, послепродажного обслуживания и утилизации — это набор возможностей, которые позволяют машиностроительным компаниям разрабатывать, описывать и распространять информацию об изделиях, а также управлять ею.
Ключевые компоненты PLM системы следующие 11 —3]:
I. Управление данными об изделии (англ. Product Data Management, PDM) — категория программного обеспечения, позволяющая сохранять данные об изделии в базах данных. К данным об изделии прежде всего относят CAD-модели и чертежи, цифровые макеты, спецификации материалов. Система PDM позволяет организовать совместный доступ к этим данным, обеспечивая их постоянную целостность, вно-
сить необходимые изменения во все версии изделия, модифицировать спецификацию материалов, помогать конфигурировать варианты изделия. Система PDM в качестве интегрирующей подсистемы используется на протяжении всего жизненного цикла изделия в рамках концепции управления этим циклом (PLM). Большинство PDM-систем позволяют одновременно работать с данными, полученными от разных CAD-систем.
2. Коллективная разработка изделия (англ. Collaborative Product Development, CPD) — бизнес-стратегия, рабочий процесс и набор программного обеспечения, которые способствуют совместной работе различных организаций над одним изделием. CPD — это часть общей концепции PLM, она состоит из двух главных частей:
проектирование с помощью компьютера (англ. Computer-Aided Design. CAD) — термин, используемый для обозначения широкого спектра компьютерных инструментов, которые помогают инженерам, архитекторам и другим профессионалам в осуществлении проектирования. Как ключевой инструмент в концепции PLM системы CAD включают в себя множество программных и аппаратных средств — от систем двумерного черчения до трехмерного параметрического моделирования поверхностей и объемных тел.
конструирование с помощью компьютера (англ. Computer-Aided Engineering. CAE) — использование специального программного обеспечения для проведения инженерного анализа прочности и других технических характеристик компонентов и сборок, выполненных в системах автоматизированного проектирования (CAD). Системы CAE позволяют осуществлять динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий и средств их производства.
3. Управление производственными процессами (англ. Manufacturing Process Management, МРМ) — обобщенное название набора технологий, методов и программ, используемых при производстве изделий. МРМ как ключевой элемент PLM — связующее звено между системами автоматизированного проектирования (CAD) и
системами планирования технологических процессов. Сюда же относится концепция производства с помощью компьютера (англ. Computer-Aided Manufacturing. САМ). Термин САМ используется для обозначения программного обеспечения, основная цель которого — создание программ для управления станками с ЧПУ. Входные данные системы САМ — геометрическая модель изделия, разработанная в CAD-системе.
Идеальную схему взаимодействия компонентов PLM можно представить в следующем виде (рис. 1).
Идеализация этой схемы заключается в том, что она не учитывает горизонтальные связи между проектировщиками (конструкторами) и специалистами в области инженерного анализа. Эти связи включают в себя (рис. 2):
традиционную физико-математическую модель изделия, которая, как правило, основана на полуэмпирических и аналитичес-ких моделях, но удовлетворительную с точки зрения точности и быстроты оценки параметров изделия:
набор проверенного программного обеспечения собственной разработки или отдельных научно-исследовательских групп, с которыми у предприятия установились взаимоотношения;
справочный экспериментальный материал, используемый как конструкторами, так и инженерами.
При внедрении Р1-М-системы необходимо учитывать эти связи, так как они хотя и нуждаются в специальной адаптации, но без них не обойтись. Это тот начальный капитал, который может быть положен в основу взаимодействия конструкторов и
Рис. I. Идеализированная схема взаимодействия различных компонент PLM концепции
Физико-математическая модель изделия
Проектирование C'AD
WW
Программное обеспечение
Инжиниринг CAE
Экспериментальные данные
Рис. 2. Горизонтальные связи между конструкторами и инженерами
инженеров в новой среде обмена данными PDM, которую предполагает в качестве основной система PLM. В связи с этим для успешного внедрения PLM системы на предприятии необходимо решить следующие задачи:
приспособить физико-математическую модель изделия к возможностям современных комплексов и систем инженерного анализа, которые позволяют эффективно обмениваться данными с системой PDM;
разработать дополнительные модули к расчетным комплексам, которые позволят заменить или использовать созданное ранее программное обеспечение, если расчетный комплекс не поддерживает соотвеству-юшего инструментария:
перенести накопленный экспериментальный материал в инфраструктуру, предоставляемую PDM.
Каждая из перечисленных задач — подчас нетривиальная научная и техническая проблема, решение которой может потребовать значительных затрат. Однако без этого решения эффект от использования концепции PLM может быть существенно меньше.
Далее приведем несколько примеров использования расчетных комплексов для решения конкретных научно-технических задач. Хотя решение некоторых из этих задач и не было связано непосредственно с внедрением PLM-системы на конкретном предприятии, но позволяет продемонстрировать трудности, с которыми можно встретиться при решении перечисленных выше проблем.
Примеры использования инженерных расчетных комплексов
Пример 1. Определение характеристик гидротормозов с применением систем инженерного анализа [4). Для модернизации стенда испытаний авиационных двигателей необходимо было оценить эффективность применения новой модели лопастного гидротормоза. Сложность геометрии проточной части гидротормоза не позволяла достоверно определить тормозной момент
гидротормоза на основе традиционного расчета с использованием методов подобия, так как не было достаточных экспериментальных данных по прототипам. Было решено для определения характеристик гидротормоза использовать возможности современных инженерных программных комплексов в области вычислительной гидродинамики. На рис. 3 приведен пример визуализации картины течений в проточной части лопастного гидротормоза, полученной в результате численного моделирования.
Построенная физико-математическая модель нуждалась в верификации с имеющимся экспериментальным материалом. Для этого проведены аналогичные расчеты для старого дискового гидротормоза, эксплуатирующегося до модернизации, экспериментальные характеристики которого хорошо известны. В результате получены результаты, которые показали хорошее совпадение с экспериментальными данными (рис. 4).
Приведенный пример показывает, что в данном случае комплексные возможности системы инженерного анализа полностью обеспечили решение задачи. Однако если предположить, что данная задача решалась в рамках предприятия по изготовлению гидротормозов, то с точки зрения эффективной реализации РЬМ
Рис. 3. Визуализация картины течений в проточной части гидротормоза
о о
X
о
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
3000 4000 5000 6000 Частота, об./мин
7000
Рис. 4. Характеристики гидротормоза: полученные расчетным путем, по данным производителя, измеренные на экспериментальном стенде
необходимо разработать программу, которая позволит оперативно получить доступ конструктора к данным о прототипах. Создание таких данных в рамках концепции РЭМ — отдельная задача, требующая затрат, которые должны быть учтены при построении плана внедрения РЬМ-системы на предприятии.
Пример 2. Разработка физико-математической модели среднеходной помольной мельницы в процессе отработки ее производственной модели. Физические процессы в среднеходной помольной мельнице достаточно сложны и до конца не исследованы. На рис. 5 приведены результаты исследования потока частиц угольной пыли внутри мельницы. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых высокоэффективных моделей мельниц. Однако, как оказалось, при решении подобных задач необходимо использовать параметры для задания граничных условий, заранее не известные. ( Например, представляет трудность моделирование процесса отрыва частиц угля с помольного стола). При отработке конструкции мельницы, ее эксплуатации неизбежно возникали проблемы задания многочисленных параметров потока, которые могли быть определены лишь в процессе мо-
делирования с вариациями подходов и различных гипотез при построении производственного и технологического циклов. Более того, не было полной ясности, как использовать полученные результаты в процессе отработки и модернизации более совершенных по производительности типов мельницы.
Рис. 5. Распределение скоростей частиц угольной пыли внутри среднеходной валковой мельницы
Описанный пример показывает, что внедрение технологии РЬМ с целью быстрого получения новых конкурентоспособных изделий потребует инвестиций в разработку новой физико-математической модели процессов внутри мельницы, что должно учитываться руководителями предприятий.
Пример 3. Отработка и модернизация конструкции рабочего колеса радиально-осе-вой гидротурбины с целью оптимизации ее гидродинамических характеристик. Оптимизация гидродинамических характеристик рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины потребовала внимательного отношения к процессу получения информации о геометрии лопасти турбины для построения расчетной сетки проточной части.
На рис. 6 приведены два способа получения сетки проточной части. Оба способа основываются на данных специальной программы отработки оптимизации геометрии лопасти рабочего колеса.
Первый способ наиболее близок к идеологии РЬМ, так как позволяет использовать имеющуюся на предприятии САО-систему. Однако такой путь дал наихудшие результаты по точности расчетов. Использование второго способа потребовало разработки специальной программы для подготовки расчетной сетки, что привело к более точным расчетам.
Таким образом, при внедрении РЬМ-системы на данном предприятии для быстрой разработки новых проточных частей и рабочих колес турбин необходимо предусмотреть следующее:
проведение исследований по разработке специального модуля САО-системы для подготовки геометрии лопасти рабочего колеса;
перевод имеющейся информации о геометрии лопасти (которая, как правило, хранится в виде бумажных чертежей) в новый формат данных;
разработку специальной методики генерации расчетной сетки, и т. д.
Приведенные примеры показывают необходимость более пристального внимания к процессу внедрения РЬМ в части использования имеющихся инженерных знаний. Еще на этапе планирования внедрения РЬМ системы необходимо предусмотреть не только адаптацию системы к стандартам конструкторской и производственной документации, но и затраты на доработку имеющихся инженерных иызсканий: экспериментальных данных, методик расчета, физико-математических моделей. Только при этом условии возможна быстрая реализация проектов по изготовлению новых изделий или их модификаций.
Рис. 6. Последовательность генерации расчетной сетки проточной части гидротурбины
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энциклопедия РЬМ / Д. Левин и др. М.: Изд. дом "Азия", 2008. 448 с.
2. Боровков А.И. РЬМ-технологии: вчера, сегодня, завтра. Каталог САПР. Программы и производители 2008—2009. М.: Со-лон-Пресс, 2008. С. 24-29.
3. Баранчеев В.П., Мартынов Л.М. Управление инновационным бизнесом. Обзор актуальных идей : Науч.-метод, пособие. М.: Спутник+, 2005. 319 с.
4. Исследование динамических, энергетических и гидродинамических характеристик гидротормозов с облапаченным ротором колеса и гладкими роторными дисками на основе совместного метода конечных элементов и конечных объемов / Золотаревич В.П., Кулаков В В.. Югов Н.В. // Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и механических изделий: Меж-вуз. сб. Вып. 11. СПб.: СЗТУ. 2005. С. 41-57.
