Применение Siemens plm Software для сертификации техники в сфере авиационной промышленности Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Применение siemens plm software для сертификации техники в сфере авиационной

промышленности

Siemens plm software application for certification of technology in the field of aeronautical

industry

Ь Л московский ЩР экономический

лЛ ЖУРНАЛ

УДК 338.3 DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10079 Новиков Сергей Вячеславович,

кандидат экономических наук, заведующий кафедрой «Экономическая теория», директор института №5 «Инженерная экономика и гуманитарные науки», Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) «МАИ», г. Москва

Novikov S.V., [email protected]

Аннотация. Статья посвящена анализу цифровой сертификации авиационной техники на основе многофункциональных технологий Siemens PLM Software и решения Verification Management. В ходе проведенного исследования авторы статьи пришли к выводам, что решение Verification Management в системе Teamcenter Siemens PLM Software помогает предприятиям авиационно-космической и оборонной отраслей успешно, в заданные сроки и в рамках бюджета реализовывать проекты по созданию инновационных изделий, оно образует замкнутый цикл прослеживаемости всех этапов процесса контроля проектных решений, направленного на подтверждение соответствия конструкции заданным требованиям. Также отмечено, что модуль Verification Management Catalyst ускоряет переход предприятия на цифровые технологии а, следовательно, такой переход повышает надежность и производительность при снижении общей стоимости владения. Система Teamcenter поддерживает проверку выполнения программ разработки изделий, сокращает сроки и стоимость контроля проектных решений, что, в конечном счете, улучшает всю работу предприятия. Решение Verification Management является полнофункциональным

решением для управления жизненным циклом, способное передавать требования к изделию и вносимые в них изменения всем участникам процесса проектирования. Summary. The article is devoted to the analysis of digital certification of aircraft based on multifunctional technologies Siemens PLM Software and Verification Management solutions. In the course of the study, the authors of the article came to the conclusion that the Verification Management solution in the Teamcenter Siemens PLM Software system helps enterprises in the aerospace and defense industries successfully, in a timely manner and within the budget, implement projects to create innovative products, it forms a closed loop of traceability all stages of the process of control of design decisions aimed at confirming compliance of the design with the specified requirements. It is also noted that the Verification Management Catalyst module accelerates the enterprise's transition to digital technology and, therefore, this transition increases reliability and productivity while lowering the total cost of ownership. The Teamcenter system supports verification of the implementation of product development programs, reduces the time and cost of monitoring design decisions, which ultimately improves the entire work of the enterprise. Verification Management is a full-featured lifecycle management solution that can transfer product requirements and changes to all participants in the design process. Ключевые слова: цифровая сертификация, системная инженерия, технологическая модернизация, автоматизация проектирования, виртуальные испытания. Keywords: design automation, digital certification, systems engineering, technological upgrading, virtual testing.

Введение

Цифровизация сегодня является определяющей тенденцией глобальной трансформации процессов и моделей взаимоотношений между участниками цепочки создания добавленной стоимости, основанной на комплексном внедрении цифровых технологий и интеграции информационно-вычислительных ресурсов в физические процессы. Процесс цифровизации промышленного производства и переход к парадигме индустрии четвертого поколения опирается на большое число разнообразных «умных» устройств, встроенных как в изделия и их компоненты, так и производственное оборудование. Новые киберфизические системы и интеллектуальные устройства создают огромные массивы данных и требуют сложной интеграции, координации и оптимизации в единой, многомерной, динамической системе. Чтобы добиваться успеха, разработчикам авиационной техники приходится переосмысливать подходы к проектированию и испытаниям летательных аппаратов, прибегать к использованию новых решений и материалов, а также повышать сложность своих изделий. Это увеличивает сроки наземных

и летных испытаний авиационной техники и ее сертификации в соответствии с новыми стандартами. Как результат, возрастает стоимость сертификационных испытаний. Применение современных цифровых технологий позволяет сэкономить и ускорить разработку авиационной техники за счет автоматизации заметной доли расчетов и сертификационных испытаний.

Теоретическая основа

Основной целью сертификации является подтверждение того, что летательный аппарат и его системы полностью соответствуют нормам летной годности. В ходе сертификации проект проходит два этапа: валидацию и верификацию. Первый подразумевает проверку правильности и полноты, предъявляемых к нему требований, тогда как второй призван подтвердить, что разработанное воздушное судно полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, прошедшим валидацию. Решения Siemens PLM Software помогают перенести процесс верификации на более ранние этапы разработки, обеспечивая большой потенциал для сокращения бюджетов и сроков программы. Технологии Siemens PLM Software позволяют создавать верифицированные модели летательных аппаратов, их агрегатов, узлов и систем, а также проводить их виртуальные испытания. Для типовых авиационных систем и компонентов решения предлагают уже существующие библиотеки настроенных моделей, благодаря чему становится возможным выполнение достоверных расчетов и отказ от части натурных испытаний. Их результаты заменяются результатами виртуальных испытаний [4].

Сокращение сроков сертификации становится возможным благодаря более точному планированию натурных испытаний. Так, верифицированные модели, полученные с помощью решений Simcenter, позволяют заранее определять места наилучшего размещения датчиков и режимы испытаний отдельных узлов, агрегатов и летательных аппаратов в сборе. Кроме того, с помощью технологий Simcenter Testing можно значительно автоматизировать процесс испытаний - проводить автоматические расчеты и анализ данных эксперимента непосредственно в темпе испытаний. В этом случае снижается риск влияния человеческого фактора и во многом отпадает необходимость «ручной» обработки огромного массива данных. Решения Siemens PLM Software позволяют построить процесс верификации с учетом разработки нескольких конфигураций летательных аппаратов. Например, разные конфигурации самолета могут включать агрегаты нескольких производителей, часть летных испытаний которые можно провести в лаборатории или вообще заменить расчетом, значительно сократив объем летных испытаний и затраты на их подготовку и проведение. Отчеты по результатам таких испытаний или расчетов служат

основанием для подтверждения требований, проверяемых сертифицирующими органами [1].

Процесс создания современных изделий состоит из множества стадий, в рамках которых определяются требования к будущему изделию, его функции, конструкция, технология изготовления и т.д. Исследования показывают, что даже несмотря на всеобщее использование систем автоматизированного проектирования, инженерного анализа и управления инженерными данными (CAD/CAM/CAE/PDM), проблемы остаются [8]:

- только 28% проектов отвечают запланированным срокам и бюджету;

- более 45% бюджета на разработку может «уйти» на исправления и переделки;

- до 50% общего объема работ тратиться на исправление ошибок в конструкции.

Ведущие практики системной инженерии выделяют шесть основополагающих практики системной инженерии:

- Моделе-ориентированное проектирование. Практика моделе-ориентированного проектирования заключается в применении моделей различной степени абстракции и детализации для поддержки процессов проектирования. Модели предлагают эффективный способ изучения, обновления аспектов системы и предоставления информации о них, при этом значительно сокращая или устраняя зависимость от необходимости использования традиционной документации. Существует прямая зависимость эффективности инженерных процессов от уровня ориентированности предприятия на использование моделей.

- Бизнес-анализ. Практика бизнес-анализа помогает правильно определить облик и характеристики продукта, который предстоит проектировать и изготавливать. Отсутствие бизнес-анализа или его некачественное выполнение приводит к непониманию конкретных целей и интересов заинтересованных сторон, что приводит к хаосу и высокому уровню неопределенности в процессе проектирования изделия [6].

- Инженерия требований. Важнейшей составляющей деятельности по созданию сложных инженерных объектов является работа с требованиями. Все крупные компании, занятые созданием сложной техники, признают, что налаженная инженерия требований критически важна для успеха проектов и является одним из ключевых элементов повышения конкурентоспособности предприятий и их продукции на мировом рынке. Практика инженерии требований направлена на выявление и управление требованиями к проектируемому изделию. Она позволяет связать требования с другой инженерной информацией, тем самым обеспечивая учет и выполнение требований на всех стадиях проектирования. Ни одно требование не будет забыто или не учтено [3].

- Архитектурное проектирование. Практика архитектурного проектирования направлена на определение возможных областей решений задачи проектирования технической системы, базирующаяся на целостном много аспектном представлении о создаваемой системе. Суть архитектурного проектирования - это структурирование. Структурирование может извлечь порядок из хаоса: придать форму функциям системы, превратить недостаточно ясно сформулированные мысли заказчика в работоспособную модель. Проектирование изделия на основе совместного использования системной архитектуры и средств имитационного моделирования (Ш-анализа), позволяет сместить усилия по проектированию изделия на ранние этапы (техническое предложение, эскизный проект), отработать множественные варианты реализации и выбрать оптимальный, что приводит к сокращению изменений и издержек [7].

- Верификация и валидация. Человек склонен к ошибкам и чем позже обнаруживается ошибка, тем дороже стоит ее исправление. Ошибки, допущенные на концептуальной стадии, - самые дорогие с точки зрения их влияния на проект и стоимости их исправления. Поэтому чем раньше будут обнаружены ошибки, тем меньше времени, бюджета и других ресурсов будет потрачено на их исправление. Практики верификации (проверки) и валидации (приемки) - это важнейший этап работ по проектированию технической системы. Эти практики необходимо встраивать в сами процессы проектирования, либо выполнять проверки на выходе из каждой стадии проектирования, начиная с самых ранних. Так же необходимо помнить, что любой процесс верификации и валидации должен начинаться с планирования [2].

- Управление конфигурацией. Процесс проектирования неотъемлемо связан с процессом появления и изменения информации. Чем больше изделие, тем больше информации. Каждый новый вариант или изменение, увеличивает вероятность неактуальных данных. Именно необходимость обеспечения целостности данных привела к тому, что в рамках системной инженерии развилась практика управления конфигурацией. Под управлением конфигурацией мы понимаем обеспечение целостности данных. Инженерная документация должна соответствовать требованиям. Изделие, выходящее из цеха должно соответствовать инженерной документации и как результат должно советовать исходным требованиям [6].

Реализация практик системной инженерии базируется на инструментальных компонентах, методологии, компетенциях специалистов и осуществляется в рамках общей стратегии PLM предприятия, с использованием продуктов Siemens Digital Industries Software:

- инструменты архитектурного моделирования - Capella;

- инструменты управления инженерными данными - Teamcenter;

- инструменты трехмерного моделирования - NX;

- инструмент имитационного моделирования - Simcenter Amesim.

Сложность разработки авиационно--космических и оборонных изделий, а также объем требований, предъявляемых к ним заказчиками, постоянно растут. Такие изделия представляют собой «систему систем», состоящую из механических узлов, программного обеспечения и электроники. Для их разработки требуются долгосрочные междисциплинарные программы, включающие необходимые процессы контроля проектных решений на соответствие требованиям заказчика и действующим нормативам. Предприятия авиационно--космической и оборонной отраслей конкурируют на глобальном рынке. Они реализуют международные программы с участием огромного числа партнеров и поставщиков [2]. Чтобы в таких условиях добиться успеха, необходимо продемонстрировать способность реализовывать проекты в рамках «расширенного предприятия» и поставлять отвечающие всем требованиям изделия в заданные сроки и в рамках бюджета. Созданное компанией Siemens PLM Software решение Verification Management позволяет предприятиям достигать этих целей путем объединения требований к изделию с задачами проектирования, расчетов, испытаний, а также с проектными данными.

Методология

В качестве методов исследования используется аналитическая оценка прогнозов развития технологий построения и развития цифровых предприятий представленной экспертами компании Siemens PLM Software. Исследование строится на всестороннем анализе и последующей оценке основных результатов реализации процессов технологической трансформации промышленности, с последующим определением ее ключевых областей и направлений. Анализ основан на материалах отечественных и зарубежных ученых, данных представленных ведущими высокотехнологичными предприятиями. Требования к изделиям устанавливаются заказчиками и излагаются в контрактах, содержатся в стандартах и нормах безопасности предприятия, а также в отраслевых нормативах, устанавливаемых такими органами, как Федеральное управление авиации (США) и Европейское агентство по авиационной безопасности (EASA). Система Teamcenter от Siemens PLM Software управляет всем циклом создания изделия - от выбора начальных целей до задания требований к отдельным деталям и узлам. Teamcenter гарантирует, что на каждое требование предусмотрен утвержденный способ проверки его

выполнения, что этот способ применяется, а результаты проверки фиксируются. Все это в полной мере обеспечивает соблюдение требований к изделию [6].

В портфеле Siemens PLM Software есть решение Verification Management из линейки Catalyst на базе Simcenter. Оно связывает требования к изделию с методиками проведения испытаний или численного моделирования. При внесении изменений в технологию производства можно сразу определить, какие именно испытания необходимо провести. Такой принцип работы очень помогает при повторных испытаниях. Аналогичный подход применим и к области CAE. Для каждой детали можно установить, к какой расчетной модели и виду расчета она относится. Испытания и расчеты в авиационно-космической отрасли могут длиться несколько лет и на протяжении всего проекта в конструкцию вносятся изменения. Современная CAE система должна позволять осуществлять [8]:

- расчеты на прочность при статическом и динамическом нагружении;

- расчет собственных частот и форм колебаний;

- расчет критических нагрузок и форм потери устойчивости;

- двумерные и трехмерные расчеты для объемных, тонкостенных и стержневых конструкций.

Современная CAD система, разрабатываемая специалистами в рамках решение Verification Management должна содержать в себе следующие функциональные модули [8]:

1. Fidesys Dynamics:

- применение метода спектральных элементов, как для линейных, так и для нелинейных задач;

- решение нестационарных задач;

- анализ волновых процессов;

- моделирование сейсмики;

- моделирование неразрушающего контроля.

2. Fidesys Composite:

- анализ эффективных свойств композитов;

- построение реалистичной микроструктуры композита;

- расчет изделий из композитных материалов (в т.ч. пористых, слоисто-волокнистых);

- определение свойств монослоя;

- моделирование резинокорда;

3. Fidesys HPC:

- распараллеливание основных этапов расчета;

- ускорение расчетов до 30 раз;

- технология OpenMP: использование всех рабочих ядер рабочей станции;

- технология MPI: использование нескольких рабочих станций в сети.

Система Verification Management обеспечивает сквозную прослеживаемость - вплоть до испытательного оборудования. Сейчас разрабатывается модуль автоматической корреляции результатов испытаний для системы Verification Management под названием Automated Test Correlation. Таким образом, можно применять численное моделирование и аппаратные модули Simcenter SCADAS совместно с системой Simcenter Testlab для решения задачи размещения измерительных приборов. Технология позволяет видеть результаты численного моделирования в NX. Инженер выбирает место установки прибора, а требования к проведению испытаний создаются автоматически - задаются величины ускорений, проводятся сбор данных в системе Simcenter Testlab, калибровка оборудования и автоматический вывод результатов испытаний [1]. Инженерам по испытаниям больше не придется перебирать множество каналов сбора данных, чтобы установить, какие данные поступают и с каких датчиков. Они просто выполняют измерения, а результаты отображаются автоматически.

Дискуссия

Натурные испытания изделий авиационно--космической и оборонной техники необходимы для проверки выполнения требований к конструкции. Для подтверждения корректности результатов необходимо прослеживание всей цепочки - от требований до плана проведения испытаний. Это позволяет проверить, правильно ли выбраны цель испытания, оборудование и его настройки. В системе Verification Management поддерживается именно такая цепочка - от требований к плану проведения испытаний и испытываемому изделию. Она позволяет подтвердить, что испытание необходимо, правильно разработано и проведено. Если в требования к изделию вносятся изменения, Teamcenter немедленно выявляет их последствия с точки зрения планов испытаний и тестируемых изделий. Например, сразу видно, какие из уже проведенных испытаний придется повторить. Кроме того, в системе Verification Management ведется учет всех испытываемых изделий и испытательного оборудования. Тем самым гарантируется полная прослеживаемость ранее проведенных работ и использованных расчетных моделей. В Verification Management реализована полная прослеживаемость измерительного оборудования: от требований к измерениям, изложенных в заявке на проведение испытаний, до плана проведения измерений, перечня приборов и сведений об их калибровке, получаемых необработанных и обработанных данных, на основе которых

делается заключение о соответствии требованиям. Полная прослеживаемость позволяет показать, что испытываемый объект на всех этапах соответствует конструкторскому проекту в его текущем актуальном состоянии [6].

Открытая и настраиваемая архитектура решений компании Siemens PLM Software дает пользователю возможность менять внешний вид интерфейса и логику работы программ -как в сложной PLM-^среде, так и в виде автономной подсистемы контроля проектных решений. Модули ускоренного внедрения содержат все рекомендуемые программные продукты, средства для сетевой работы конструкторов, процедуры настройки, оптимальные процессы и учебные материалы по вопросам внедрения. Модуль Verification Management Catalyst ускоряет переход предприятия на цифровые технологии. Такой переход повышает надежность и производительность при снижении общей стоимости изделия [5].

Результаты

Интегрированная платформа мультифизического моделирования сложных технических систем Verification Management позволяет моделировать и анализировать работу исследуемых технических систем в динамике, а также предлагает возможности для подключения к разрабатываемым моделям внешних систем управления для отработки и валидации алгоритмов и стратегии управления системой. Verification Management дает возможность оценить работоспособность разрабатываемого изделия на ранних этапах проектирования, еще до разработки конструкторской документации, что позволяет экономить время и деньги. Данный продукт дает новые возможности для разработки сложного высокотехнологичного оборудования [2].

Решения Siemens PLM Software успешно используют разработчики авиационной техники по всему миру. В некоторых случаях в процессе сертификации разработчики использовали результаты виртуальных испытаний, выборочно подтвержденные реальными проверками. Европейский авиастроительный концерн Airbus при разработке топливозаправочной штанги самолета-заправщика Airbus A330MRTT прибегал к виртуальным испытаниям. В этом проекте достоверные результаты были получены еще на этапе моделирования флаттера и позднее подтверждены натурными испытаниями. Еще одним успешным примером использования цифрового подхода к проектированию, испытаниям и сертификации является разработка лайнера Airbus A380. Французская компания Safran Landing Systems, занимавшаяся созданием шасси этого самолета, использовала решение Simcenter Amesim. A380 был введен в эксплуатацию с передней стойкой шасси, разработанной и настроенной полностью по ID-модели, созданной в

Simcenter Amesim. Результаты виртуальных испытаний шасси полностью подтвердились натурными. При этом разработчику удалось ускорить реализацию проекта за счет точного планирования испытаний и прогнозируемости эксперимента [4].

Airbus использовал Simcenter Amesim для создания цифровых двойников самолета A380, его топливной системы и двигателей, которые затем прошли испытания на виртуальном стенде. Технология цифровых двойников позволяет успешно создавать высокоточную виртуальную модель будущего изделия, в которую можно на постоянной основе вносить определенные коррективы, полученные от проведения различных натурных экспериментов. С помощью такого виртуального стенда специалисты смогли спрогнозировать и оценить эффекты пульсации давления в топливной системе. По оценке разработчиков, цифровой подход позволил уменьшить время, необходимое на доработку и доводку топливной системы, почти на 2 года. При традиционном подходе, подразумевающем полный цикл натурных испытаний, потребовалось бы больше времени и средств на создание и настройку стенда, и проверку работы систем самолета.в

Выводы

многие разработчики, в числе которых Boeing, Airbus, Airbus Helicopters, Kaman Aerospace, Honda Aircraft, Embraer и другие. Полученный при решении конкретных задач опыт подтверждает, что решения Siemens PLM Software позволяют оптимизировать, ускорить и удешевить процесс сертификации летательных аппаратов, обычно занимающий значительную часть в бюджете проекта. Teamcenter позволяет быстро создать эксплуатационную документацию, а самое главное - вносить в нее изменения без увеличения сроков подготовки эксплуатационной документации и задержки сроков сертификации. Управление моделями, данными и процессами в системе Teamcenter позволяет:

- осуществлять качественное и эффективное управление различными расчетными данными и проводить автоматизацию расчетных процессов;

- использовать эффективные решения для хранения файлов результатов расчетов;

- формализировать расчетные бизнес-процессы внутри предприятия;

- реализовывать возможности связи расчетных данных с исходными данными (геометрия, требования, граничные условия, НТД и др.);

- интегрировать все используемые предприятием САЕ инструментов в единую среду;

- автоматизировать процесс создания расчетных моделей;

- эффективным образом использовать связь расчетных данных с требованиями;

- задействовать механизмы связей расчетных данных с тестовыми данными.

Simcenter - основной инструмент конструктора и важная составляющая процесса разработки: при проектировании специалистам необходимо выполнять расчеты и моделировать характеристики будущих изделий. Часто специалисты сначала проектируют изделие, и только после сертифицируют его. Проектирование в Simcenter гарантирует успешную сертификацию изделий. Использование Simcenter сокращает сроки разработки, а в крупных проектах экономит миллионы долларов. Наличие инструмента, интегрированного с остальными процессами предприятия - проектированием, технологической подготовкой производства и изготовлением продукции, - становится абсолютно необходимым. Сокращение сроков сертификации возможно благодаря более точному планированию натурных испытаний и значительной автоматизации расчетов и анализа данных результатов испытаний.

Список литературы

1. Кондратьев В.В., Любимцев И.В., Меркулов А.В. Инжиниринг и управление жизненным циклом объекта «Система менеджмента предприятия» // Сборник научных трудов 18-й Российской научно-практической конференции «Инжиниринг предприятия и управление знаниями». 2015. Т.1. С. 333-338.

2. Корреспондентке! Промышленная революция «Индустрия 4.0». На пороге новой эпохи. 2019 [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://korrespondent.net/business/web/3802445-promyshlennaia-revoluitsyia-40-naporohe-novoi-epokhy

3. Сергеева О.Ю. «Индустрия 4.0» как механизм формирования «умного производства // Нанотехнологии в строительстве 2018. T.10. C. 110-113.

4. Толстых Т.О., Гамидуллаева Л.А., Шкарупета Е.В. Ключевые факторы развития промышленных предприятий в условиях цифрового производства и индустрии 4.0 // Экономика в промышленности. Т.11. №.1. С.11-19.

5. Tadviser.ru. Цифровая экономика России. 2019 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.tadviser.ru/ index.php

6. Бабкин А.В. Цифровая экономика и Индустрия 4.0: новые вызовы: труды научно-практической конференции с международным участием // Санкт-Петербург: Издатедьство политехнического университета. 2018. - C. 573.

7. Ананьин В.И. Цифровое предприятие: трансформация в новую реальность // Т.2. №44. С.45-54.

8. Siemens PLM Software. MindSphere - облачная, открытая операционная система для интернета вещей, способствующая цифровой трансформации бизнеса // CAD/CAM/CAE Observer. 2017. №6. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.cadcamcae.lv/N114/68-76.pdf