Николай Шабров о системах виртуального окружения, задачах компьютерного инжиниринга и построении графиков в стереорежиме
Сегодня мы поговорим на тему технологий виртуального инжиниринга. Не думаю, что эти слова знакомы многим и звучат на каждом углу. Это довольно новые технологии для России, и сегодня я хочу посвятить некоторое время и рассказать о том, что же это такое. Мы все знаем, и во всяком случае мы давно живем уже, порядка 40 лет, в области технологий цифрового инжиниринга. Они хорошо знакомы и на производстве, и в ВУЗах, и заключаются в том, что при проектировании промышленного изделия работа всегда начинается с создания кадовской модели при помощи известных кадовских систем, либо это Компас, наша отечественная система, либо это Autodesk, CATIA, Unigraphics или Creo производства компании PTC.
Далее обычно производятся расчеты на прочность, и если этого мало, если, допустим, речь идет о газовых турбинах или каких-то более сложных объектах, паровых турбинах, далее требуется произвести расчет аэро- или газо- динамики, далее если эта задача еще более сложная и связана с взаимодействием потоков газа или потоков пара с лопатками газовой или паровой турбины, нам нужно решить задачу, которая называется fluid structure interaction, по-русски это означает задача аэроупругости или примерно что-то в этом роде. И далее после этого начинается анализ проделанной работы, анализ результатов, и на этом цифровые технологи проектирования заканчиваются. Далее принимается решение о производстве изделия либо на станке с ЧПУ, в цехе, и так далее. И на этом этапе не исключено, что возникнет много ошибок. Либо что-то неправильно рассчитано, либо учтены не те технологии, и так далее. Так вот недавно, в недалеком прошлом, эти технологии получили развитие. Иначе говоря, технологии цифрового инжиниринга получили развитие в сторону технологий виртуального инжиниринга. Технологии виртуального инжиниринга отличаются от технологий цифрового инжиниринга тем, что люди, принимающие решение о создании объекта, получают возможность видеть виртуальный образ проектируемого изделия, и в этом им помогают системы виртуального окружения.
Итак, технологии виртуального инжиниринга — это расширение технологий цифрового инжиниринга в сторону систем виртуального окружения. Что нам это дает? Системы виртуального окружения можно применять во многих областях, не только в машиностроении. Любые модели, которые цифруются в медицине, физике, химии, биологии, архитектуре можно в системах виртуального окружения создавать виртуальный образ. Если это медицина, допустим, можно визуализировать тело человека, если это машиностроение, вы можете видеть виртуальный образ в стереорежиме самолета, подводной лодки, или двигатель, или часть двигателя, поршень, коленвал, шатун, и так далее. Что это дает людям, которые принимают решения? Они имеют возможность видеть весь объект в сборе. Отличается этот объект от реального объекта только тем, что вы не можете его пощупать, вы не можете его понюхать, вы не можете его поднять на руки, отодвинуть и так далее. Но все это возможно сделать при помощи устройств, так называемых флайстиков, или устройства фингер-трекинга, устройства, которое одевается на пальцы, и при помощи этого устройства вы можете разобрать, можете сделать любые манипуляции с манипуляции с виртуальным объектом, которые вы не можете сделать с виртуальным объектом.
Вы можете сделать любое его сечение в стереорежиме, можете нарисовать, вывести в стереорежиме любые графики, любые составляющие, вы можете анимировать процесс поведения этого изделия, и тем самым вы получаете возможность всесторонне оценить этот объект и принять правильное решение. В нашей практике был такой опыт: мы выполняли один серьезный заказ по моделированию одного изделия по заказу серьезного машиностроительного концерна, и в результате нашего моделирования возникла потребность в присутствии человека, принимающего решения, этим человеком был главный конструктор проекта. Он пришел к нам в на центр вместе со своими коллегами, с расчетчиками, с технологами, с человеком, который занимается производством этого изделия. И они принимали там решение.
Решение было принято такое, что нужно изменить конструкцию, потому что режимы охлаждения были неудовлетворительные с точки зрения человека, принимающего решение. Была изменена конструкция, было дано указание конструкторам, которые тут же присутствовали, как изменить конструкцию, мы пересчитали снова этот объект, снова приезжали к нам, и так вот в процессе литерации, не доводя производство в цехе, на уровне почти реального виртуального объекта, было принято правильное решение. Сейчас это изделие выполнено в металле и благополучно работает. Вот примерно такие вот успехи можно делать. Есть другие варианты применения этих систем. Дело в том, что, особенно это относится к задачам аэродинамике летательных аппаратов, там очень большие сетки — расчетные сетки достигают порядка 10 млрд узлов, задача решается чрезвычайно долго, и, разумеется с использованием суперкомпьютеров.
Анализ результатов этого расчета можно, конечно, но довольно трудно оценивать этот результат в виде результата предсказательного моделирования на мониторе компьютера. Некоторыми специалистами утверждается, что системы виртуального окружения являются едва ли не единственными в настоящий момент средствами анализа огромного объема данных, а результаты предсказательного моделирования таких задач, о которых я говорю, и на размерах таких сеток, о которых я говорю, достигают огромных размеров, исчисляемых гигабайтами, и, конечно, анализировать такие объемы данных средствами программных систем на обычном мониторе довольно затруднительно, и можно ошибиться с принятием решения. Так вот, утверждается, что такие системы являются едва ли не единственным средством анализа. И в связи с этим хочу добавить, что системы виртуального окружения, которые являются частью технологий виртуального инжиниринга, являются неотъемлемой частью инфраструктуры суперкомпьютерного центра. Если посмотреть анализ ведущих суперкомпьютерных центров в мире — в Германии Штутгарт, Ахен, во Франции Париж, в Испании Барселона, это в Европе если рассмотреть суперкомпьютерные центры, в Северной Америке — это правительственные научные лаборатории Sandia, Argonne National Lab, Oak Ridge National Lab, та там, там, где выполняются серьезные расчеты, там же за стенкой стоит система виртуального, которая, разумеется отличается количеством экранов, количеством разрешающей способности и размерами, разумеется.
Самая крупная система виртуального окружения, находящаяся в Европе, расположена в Техническом Университете Ахена, она имеет пять экранов, размеры экрана 5×3 метра, разрешение довольно высокое — порядка 100 мегапикселей на пять экранов. У нас на нашей кафедре мы располагаем системой виртуального окружения, которая имеет три просветных экрана, разрешение такое, что размер пикселя менее 2 мм, и мы выполняем исследования по заданиям промышленных предприятий Петербурга, Москвы, ближнего зарубежья и дальнего зарубежья, и, кроме того, мы учим студентов и читаем им курс, название которого совпадает с названием этой лекции. Курс называется «Технологии виртуального инжиниринга», где мы раскладываем буквально по полочкам для студентов каждый этап этих технологий, начиная от создания задумки изделия, что выражается в создании кадовской модели, и далее мы учим их выполнять расчеты на прочность, выполнять расчеты аэродинамики, мы читаем им специальные курсы, которые позволят им грамотно применять эти технологии.
Хочу добавить, что отличительной особенностью нашей работы является то, что мы для решения экстраординарных задач мы применяем свои собственные разработки, собственные программные системы, которые требуют как создания физической модели, так и написания уравнений, так и выбора или разработки новых численных схем и создания крупной, большой программной системы, с которой будут работать инженеры, которые не имеют, как правило, высокой квалификации и которые должны иметь под рукой онлайновые хэлпы, удобные постпроцессоры и также инструментарий для автоматизированного создания генераторов подсчета. Вот что из себя представляют технологии виртуального инжиниринга. Ну и еще раз хочу уточнить, что это — расширение технологий цифрового инжиниринга в сторону создания виртуального образа изделия, с которым вы можете производить все такие же манипуляции, такие же операции, как если бы это был реально существующий физический объект. Это позволит нам существенно сократить время создания объекта, исключить по возможности крупные ошибки, которые бывают, и тем самым сократить стоимость изделия и быстро вывести его на рынок.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Компьютерные технологии в машиностроении» СПбПУ Петра Великого
