ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЬНО...

Лаборатория Информационных Технологий в Современном Производстве

Сергей Николаев

к.т.н., научный сотрудник

ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА ДЛЯ

РАЗРАБОТКИ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

- Лаборатория Информационных Технологий в СовременномПроизводстве

- Сквозное проектирование малого беспилотного летательного

аппарата

• Системное проектирование и моделирование подсистем

• Задачи оптимизации с использованием 1D/3D моделей

• Детальное проектирование

• Создание прототипа и испытания (HiL)

- Заключения и обсуждение

Настройка и внедрение PLM-систем с обеспечением сквозного процесса

проектирования и подготовки производства

Курсы по направлению «Цифровые инженерные технологии»

Курсы ДПО по управлению жизненным циклом изделия и модельно-

ориентированному подходу к разработке изделий

Образовательная деятельность

Трансфер технологий

ЛАБОРАТОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕРазработка и отладка

методик

Методология сквозного проектирования с применением многоуровневого численного

моделирования и PLM подхода, методология создания «цифровых двойников»

Автоматизация расчетов, оптимизация, редукция моделей, построение «цифровых

двойников», модальные испытания

Настройка и внедрение PLM-систем с обеспечением сквозного процесса

проектирования и подготовки производства

Курсы по направлению «Цифровые инженерные технологии»

Курсы ДПО по управлению жизненным циклом изделия и модельно-

ориентированному подходу к разработке изделий

Образовательная деятельность

Трансфер технологий

ЛАБОРАТОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕРазработка и отладка

методик

Методология сквозного проектирования с применением многоуровневого численного

моделирования и PLM подхода, методология создания «цифровых двойников»

Автоматизация расчетов, оптимизация, редукция моделей, построение «цифровых

двойников», модальные испытания

НАУЧНАЯ КОМАНДА ЛАБОРАТОРИИ

Игорь Ужинский

Руководитель лаборатории, Профессор Центра по проектированию, производственным технологиям и материалам, PhD

Сергей Николаев

Научный сотрудник, к.т.н.

1D/3D расчёты, верификация моделей,экспериментальные методы

Михаил ГусевНаучный сотрудник, к.т.н.

1D/3D-расчёты, Параметрическая оптимизация, редукция моделей

Сергей Мишин Даниил Падалица Олег Аладышев

Руководитель по научно-исследовательским программам, к.т.н.

Параллельные вычисления, облачные системы

Инженер по системам PLM

PLM инфраструктура,Внедрение и «кастомизация»PLM-систем

Инженер

Вычислительная аэродинамика,Проектирование узлов и агрегатов

Комплекс ПО для численного моделирования и PLM

Оборудование для верификационных испытаний

КомплексNI + LabView

Сканирующий лазерный

виброметр Polytec

3D-сканер Faro

КомплексDataPhysics

Вычислительный класс

ЛАБОРАТОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

Комплекс ПО для численного моделирования и PLM

Оборудование для верификационных испытаний

КомплексNI + LabView

Сканирующий лазерный

виброметр Polytec

3D-сканер Faro

КомплексDataPhysics

Вычислительный класс

ЛАБОРАТОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СОВРЕМЕННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

- Лаборатория Информационных Технологий в СовременномПроизводстве

- Сквозное проектирование малого беспилотного летательного

аппарата

• Системное проектирование и моделирование подсистем

• Задачи оптимизации с использованием 1D/3D моделей

• Детальное проектирование

• Создание прототипа и испытания (HiL)

- Заключения и обсуждение

Отработка методологии сквозного проектирования изделий

Разработка серии курсов по «Цифровым инженерным технологиям»

Проведение курсов для магистров второго года обучения

Задачи

МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ «ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ»

Проектирование Валидация

Системнаямодель

Функциональнаямодель

3D CAE модель

CAD модель изделия

Испытания материалов

Вибрационные и прочностные

испытания

Финальный состав изделия

Результат –«Цифровой двойник» изделия

Полунатурные испытания

(HiL)

Требования

Требования:

• Вес БЛА: 3 -7 кг

• Время полета: 1 час

• Полезная нагрузка: Камера HD

• Запуск из трубы

Задачи:

• Системный инжиниринг

• Комплексная математическая модель изделия

• Оптимизация параметров подсистем

• Детальное проектирование изделия

• Производство и испытания прототипа

МАЛЫЙ БЛА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ЗАПУСКА ИЗ ТРУБЫ

12

Трехмерная модель изделия

РЕЗУЛЬТАТ: «ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК» МАЛОГО БЛА

Моделирование:2 месяца

Производствопрототипа:2 месяца

Образовательныйпроект:6 студентов

КонсультантыSiemens:

Адександр Худошин

Михаил Ситников

СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДСИСТЕМ ИЗДЕЛИЯ

РАЗРАБОТКА ИЗДЕЛИЯ В РАМКАХ PLM-ПОДХОДА В TEAMCENTER

Управление данными

Проектирование рабочих процессов

Управление конфигурацией и

изменениями

Управление составом изделий

Управление расчетными моделями (FEM, 1D)

Модельно ориентированный системный инжиниринг

Power

supplyPropulsion Flight

mechanics

Thermal

controlEnvironmentPayload

Апробация LMS System Synthesis

Создание расчетных архитектур

СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛА

Анализ различных конфигураций изделия

Построение архитектуры системы

Моделирование связей

Интеграция с PLM-платформой Teamcenter

Управление разработкой подсистем

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ИЗДЕЛИЯ МЕТОДОМ БОНД-ГРАФ

Винтомоторная группа

Динамика полета

Аккумулятор

Система запуска

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ИЗДЕЛИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ

II IIII II IIII

I - Взлет II – Набор высоты III – Крейсерский режим

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ИЗДЕЛИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ

Зависимости скорости и высоты от времени включения

двигателя

Зависимость траектории от угла запуска

Зависимости траектории от раскрытия крыльев

Выбор оптимальных параметров жесткости пружин

узлов раскрытия

Скорость разрядки батареи

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЯ С ПОМОЩЬЮ 1D/3D МОДЕЛЕЙ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ РАСКРЫТИЯ

Оптимизация системы раскрытия крыльев

Выбор оптимального угла запуска

Выбор оптимального момента раскрытия

Вычисление коэффициентов Сx, Сy с помощью STAR-CCM+

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ РАСКРЫТИЯ

Построение расчетной цепочки в Optimus

Комбинация моделей динамики полета с

раскрытыми и сложенными крыльями

Решение задачи оптимизации

Динамика полета

+

Система запуска

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ РАСКРЫТИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ

Выбор пары параметров из множества:- Жесткость пружины узла раскрытия- Время начала процесса раскрытия крыльев

Time delay: 0.4 cStiffness: 1.5 Нмм/град

ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

CFD модели Конечно-элементные модели Оптимизация

ПОДБОР ПАРАМЕТРОВ КРЫЛА С ПОМОЩЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ

Аэродинамический расчет БЛАМодель динамики

полета

Расчет прочности крыла Суррогатная модель крыла

МУЛЬТИДИСЦИПЛИНАРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ

КЭ-модель крыла

Постановка:Минимизация массыДинамика полетаКритерий прочности

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОГРАММНЫХ ПАКЕТОВ

«Суррогатные» модели напряжений, перемещений и

массы крыла

Динамика полета, винтомоторная группа,

электропитание

Построение расчетной цепочки, подбор оптимальных параметров

модели

+

ПОДБОР ПАРАМЕТРОВ КРЫЛА С ПОМОЩЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ

ДЕТАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЯ

ДЕТАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ПРОИЗВОДСТВО ПРОТОТИПА И ВЕРИФИКАЦИЯ

МОДЕЛЕЙ

ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛА

ИСПЫТАНИЯ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Уточнение КЭ-моделей по результатам испытаний

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОТОТИПА БЛА

НАЗЕМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЛЯ ВЕРИФИКАЦИИ 1D-МОДЕЛЕЙ

Стенд “Железная птица”для

полунатурных испытаний

(MiL/SiL/HiL)

Определение силы тяги в движении

Верификация моделей

- Двигатель- Батарея

- Пропеллер

ИНТЕГРАЦИЯ МОДЕЛИ В LMS AMESIM И LABVIEW

ИНТЕГРАЦИЯ МОДЕЛИ В LMS AMESIM И LABVIEW

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ AMESIM И LABVIEW (SOFTWARE-IN-THE-LOOP)

ЗАПУСК МОДЕЛИ НА ПЛАТЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ (HARDWARE-IN-THE-LOOP)

Верификация 1D моделей

Уточнение модели двигателя, пропеллера,

батареи

Отсутствие информационных

«зазоров» между мат. моделью и физическим

прототипом

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛУНАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ. СИЛА ТЯГИ

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0,0 2,8 5,7 8,6 11,4 14,2 17,0 19,8 22,6 25,4 28,1 30,9 33,8 36,6

PW

M [m

s]

Rota

ry s

peed [

RP

M]

Time [s]

Model rotary speed [RPM] Stand rotary speed [RPM] PWM Engine [ms]

Объект: Высоколетящий псевдоспутникВысота полета: 17-20 кмДлительность полета: 3-5 месяцевСиловая установка: Электрический двигательМиссия: Наблюдение в режиме реального времени

ПараметрыМасса: 276 кгРазмах крыла: 27 мКрейсерская скорость: 125 км/ч

ТЕКУЩИЙ ПРОЕКТ

Задача• Разработка комплексной модели системы• Анализ чувствительности• Трехмерные расчеты аэродинамики,

прочности, тепловых режимов• Оптимизация на системном уровне

- Лаборатория Информационных Технологий в СовременномПроизводстве

- Сквозное проектирование малого беспилотного летательного

аппарата

• Системное проектирование и моделирование подсистем

• Задачи оптимизации с использованием 1D/3D моделей

• Детальное проектирование

• Создание прототипа и испытания (HiL)

- Заключения и обсуждение

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕНЯЕТ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

ОБЛАСТЬ ЗНАНИЙ ИНЖЕНЕРА ВЫХОДИТ ЗА ПРЕДЕЛЫ ГРАНИЦ, ОЧЕРЧЕННЫХ КОНКРЕТНОЙ ОТРАСЛЬЮ

ДЛЯ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРЕБУЮТСЯ СПЕЦИАЛИСТЫ ШИРОКОГО ПРОФИЛЯ (МЕХАНИКА, ЭЛЕКТРИКА, СУ)

ПРОЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ОБУЧЕНИЕ КОРРЕЛИРУЕТ С ОСОБЕННОСТЯМИ СОВРЕМЕННЫХ СТУДЕНТОВ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ СТЕПЕНЬЮ ОХВАТА ЦИКЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Сергей Николаев

s.nikolaev@skoltech.ru

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!