Среда, 4 Февраля
Современное судостроение немыслимо без сложных инженерных расчетов. Десятилетиями для этого использовалось иностранное программное обеспечение (ПО), но сейчас доступ к нему ограничен. Существует ли полноценная российская альтернатива? Компании Консорциума "Развитие" совместно с ПКБ "Петробалт" провели масштабное тестирование отечественных программных комплексов на реальном проекте. В этой статье – результаты проверки в задачах системного моделирования, гидродинамики и анализа прочности.
Современное проектирование судна – это комплекс взаимосвязанных задач, требующих применения специализированного программного обеспечения для принятия важных конструктивных решений, а также для расчётного обоснования результатов проектной деятельности. В судостроении применяется большое количество всевозможных расчётов, начиная от аналитических методов и заканчивая сложным моделированием на основе численных методов. Среди ключевых направлений имитационное моделирование поведения различных судовых систем, далее расчет статики и гидродинамики корпуса и анализ прочности конструкций.
Исторически сложилось, что в отрасли доминировали решения от иностранных вендоров, которые десятилетиями считались отраслевым стандартом. Однако в текущих геополитических условиях доступ к ним либо серьезно ограничен, либо невозможен в принципе. Это создает системные риски для выполнения проектных работ. Не менее остро стоит вопрос технической поддержки – при возникновении проблем инженеры остаются один на один с вопросами, решение которых является прерогативой вендора, способного оперативно оказать консультацию или доработать функционал под специфические задачи проектирования.
В этой связи закономерно возникает вопрос: существуют ли отечественные инструментальные решения, которые позволяют решать наиболее распространенные задачи судостроения с требуемым уровнем точности? Также возникает вопрос, а возможно ли создать решение, которое позволит обеспечить необходимую расчетную поддержку на всех этапах проектирования внутри единого информационного пространства. Давайте разбираться.
Развёрнутое сотрудничество разработчиков отечественного программного обеспечения компаний входящих в Консорциум "Развитие" – "АСКОН", "Ладуга", "ТЕСИС", "Сигма технологии" и НТЦ "АПМ" для судостроительной отрасли с ПКБ "Петробалт" показало, что ключевые судостроительные задачи уже сегодня могут быть эффективно решены с использованием российских программных продуктов. В рамках масштабного тестирования "Цифровой платформы судостроения", разрабатываемой компанией "АСКОН", ПКБ "Петробалт" предоставило реальную проектную документацию проекта PBSHB6, что позволило опробовать расчётные комплексы в условиях, максимально приближенных к проектным, и оценить практическую применимость для решения конкретных инженерных задач. В данной статье задачи статики не будет рассматриваться, запланирована отдельная статья на эту тему.
В процессе проектирования судовых систем необходимо получить оценку их характеристик для верификации принятых решений. В задачи проектирования, например, балластной системы, которая использовалась для тестирования функциональности, входят проектирование гидравлической схемы, трассировка трубопроводов и подбор оборудования для выполнения функциональных задач систем в соответствии с правилами классификационных сообществ. Стоит также учесть требования по массогабаритным характеристикам выбираемого оборудования и трассировке трубопроводам систем.
Для решения данной задачи предварительно была разработана принципиальная гидравлическая схема в новом разрабатываемом приложении "КОМПАС-Схематик" (рабочее название) компании АСКОН, которая включает в себя информацию, содержащую параметры трубопроводов, арматуры, характеристики насосов и клапанов (на основе данных из каталога). "КОМПАС-Схематик" позволяет создавать и редактировать принципиальные гидравлические, пневматические и вакуумные схемы в соответствии с ОСТ 5Р.5613 с назначением всей необходимой информации и связей с другими системами. И самое главное — позволят создавать по данной принципиальной схеме связанную с ней 3D-модель, с возможностью её редактирования и использования в рамках консолидированной, информационной модели судна или корабля.
Далее информация была передана в пакет системного моделирования PRADIS компании "Ладуга" для создания расчётной модели.
Расчётная модель
Модель включает все элементы системы: трубопроводы, фитинги, насосы, цистерны, клапана, фильтры и т.д., на основе которой проводится моделирование различных режимов работы системы в динамической постановке. Инженер сразу видит все расходы, давления в разных точках схемы. Автоматически рассчитывается кавитационный запас. Важно подчеркнуть, что инженеру при создании такой модели нет необходимости в трудоёмких "бумажных" расчётах по формулам, нет необходимости в создании сложных CFD моделей. Подход 1D моделирования PRADIS позволяет оперативно и с минимальными усилиями создать модель со сложным поведением компонентов и затем быстро провести моделирование. А это уже позволяет решать задачи оптимизации и многовариантного анализа конструкции.
Напор и кавитационный запас
Для решения задачи оптимизации в модели PRADIS описываются параметры, которые мы можем варьировать, и характеристики, которые мы хотим оптимизировать. Далее в пакете оптимизации IOSO компании «Сигма Технологии» описывается целевая функция и ограничения на параметры и критерии оптимизации. Далее пакет IOSO выполняет поиск оптимального решения, автоматически вызывая расчёт в PRADIS для изменяемых параметров. Все это в итоге предоставляет возможности многовариантного анализа и оптимизации технических решений, что очень важно при проектировании сложных систем.
Расчёт буксировочного сопротивления и ходовых качеств является одной из первых задач в проектировании. На примере корпуса шаланды был выполнен расчёт с использованием пакета инженерного анализа FlowVision. Метод конечных объёмов, решающий уравнения Навье-Стокса, замкнутые моделью турбулентности, в сочетании с методом VOF (Volume of Fluid) для описания свободной поверхности, позволяет получить детальную картину обтекания.
Основным результатом являются значения буксировочного сопротивления, представленные в таблице:
| Скорость хода, уз | Сопротивление, кН |
| 6 | 16,4 |
| 8 | 32,4 |
| 10 | 75,9 |
| 12 | 176,0 |
Кроме того, с помощью каждого расчёта получены ещё и следующие результаты: ходовая посадка; волновая картина во всей расчётной области и её фрагмент на борту; распределение давлений по корпусу; распределение касательных напряжений по корпусу; гидродинамическое поле во всей расчётной области; линии тока во всей расчётной области; вихревая картина в следе за корпусом.
В итоге полученные результаты пригодны для совершенствования формы корпуса, проектирования выступающих частей и гребного винта. Одной из задач было сравнение результатов расчета в FlowVision с одним из зарубежных продуктов Star CCM. Сравнение расчетов показало хорошую сходимость результатов расчёта.
Распределение давления по смоченной поверхности
Следующий критически важный этап — прочностной анализ конструкций, за который в Цифровой платформе судостроения отвечает программный комплекс APM WinMachine. В рамках данной работы выполнена кросс-верификация с одним из мировых лидеров в сфере расчётных CAE-систем — программным комплексом ANSYS.
Особенность проекта саморазгружающейся самоходной баржи заключается в конструкции корпуса, состоящего из двух половин, разделённых по ДП и связанных шарнирными соединениями. Подобные нестандартные конструкции недостаточно полно регламентированы правилами Регистра, поэтому для их проектирования неизбежно требуются обосновывающие дополнительные расчёты местной прочности. Расчётная модель корпуса сформирована из трёх блоков (средняя часть, нос, корма). На основе геометрической 3D-модели, созданной в «КОМПАС-3D», получены перемещения и напряжения в средней части корпуса на действие забортного давления и давления от груза. Сравнение результатов расчёта в системах APM Studio и ANSYS показывает их близкое соответствие.
Сравнение результатов расчёта в системах APM Studio и ANSYS
В рамках взаимодействия ПКБ "Петробалт" поделился необходимой информацией о ещё одном проекте – катере, конструкция которого разрабатывается с использованием слоистых композитов. В программном комплексе АРМ WinMachine имеются все основные возможности анализа конструкций из слоистых композиционных материалов (КМ), что позволило провести расчёт напряженно-деформированного состояния корпуса катера на действие эксплуатационной нагрузки. Свойства слоистых композитов формируются из монослоёв путём задания толщин и углов укладки с дальнейшим набором их в пакет. Расчётный модуль АРМ Studio импортирует 3D-модель в оригинальном формате "КОМПАС-3D" (*.a3d), разработанном в новом приложении "КОМПАС-Композиты". Результаты расчётов в разных слоях КМ могут отображаться в виде полей по отдельным слоям, а также в виде распределения напряжений по толщине КМ в отдельных точках конструкции.
3D-модель в приложении "КОМПАС-Композиты"
Сравнение полей напряжений (SX, SY, SMISES) в обшивке днища в крайнем слое КМ показывает, что результаты расчётов в обеих системах сопоставимы.
В приведённых примерах расчётов в системах АРМ Studio и ANSYS отличия по прогибам и напряжениям несущественны. Трудоёмкость разработки расчётных моделей и вычислительные затраты также мало отличаются. Представленные в статье результаты вместе с набором других верификационных расчётов позволяют судить о возможности адекватной замены зарубежных программных средств программным комплексом АРМ WinMachine в большинстве практических задач прочности судовых конструкций.
Сравнение полей напряжений (SX, SY, SMISES) в системах APM Studio и ANSYS
Стоит отдельно отметить также важную проблему управления расчётными данными, которая включает в себя постановку расчётных задач на основе требований, хранение большого массива расчётных данных в единой информационном пространстве, быстрый доступ к этим данным Все возможности по управлению расчётными данными реализованы в PLM системе "ЛОЦМАН:PLM". С учётом развития этого подхода в рамках разработки "Цифровой платформы судостроения" возможно ожидать ряд ключевых преимуществ:
Проведённая работа подтверждает, что отечественные программные комплексы готовы к замене иностранного ПО в решении ключевых судостроительных задач. Апробация на реальных проектах ПКБ "Петробалт" доказала практическую состоятельность этих инструментов.
Дальнейшее развитие связано с интеграцией проверенных решений в единую цифровую среду. Реализация принципов управления требованиями (MBSE), которые подробно не описывались в данной статье, sPDM в рамках "Цифровой платформы судостроения" позволит создать целостную систему, обеспечивающую технологический суверенитет отрасли на долгосрочную перспективу.
Заглавная иллюстрация: ПКБ "Петробалт"
Текст: Овчинников Валерий Александрович, "Ладуга"; Чижиумов Сергей Демидович, Научно-технический центр "АПМ"; Петров Андрей Юрьевич, "ТЕСИС"; Константинов Александр Александрович, "АСКОН".
Реклама ООО "Аскон – системы проектирования"
Erid: 2VtzqxZCacs
