Файл: Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет) А. Е. Бром, З. С. Терентьева организация и управление жизненным циклом наукоемкой продукции Курс лекций.docx

2.4 Параллельное проектирование и численные методы

В настоящее время для ускорения процесса разработки нового продукта компании активно используют метод совместного (параллельного) проектирования (Concurrent Engineering – CE). 

Параллельное проектирование предполагает выполнение этапов разработки нового продукта не последовательно, а параллельно. Например, во время разработки концепции и структуры продукта осуществляется инженерное проектирование, как продукта, так и производственных процессов. Кроме этого, этапы разработки нового продукта одновременно реализуются в трех плоскостях: маркетинг, проектирование и производство.

Основными достоинствами метода совместного проектирования является значительное сокращение сроков разработки нового продукта, а также возрастание качества проекта. Рост качества связан с сокращением количества ошибок проектирования. Ошибки при последовательном проектировании могут быть обнаружены только на последнем этапе разработки нового продукта, а параллельное совместное проектирование (ввиду постоянного тесного взаимодействия различных проектно-производственных групп, представляющих разные этапы и плоскости процесса проектирования), позволяет находить и устранять проектные ошибки намного оперативнее. 

Одним из инструментов параллельного проектирования являются численные методы.

Численные методы составляют основу современного инжиниринга. Применение численных методов в процессе проектирования новых изделий позволяет выйти на наилучшее соотношение критериев, ограничений и стоимости, предъявляемых заказчиком к разрабатываемым объектам. Математические модели, на основе которых строится реальный образ проектируемых объектов, разрабатываются с помощью применения численных методов. Использовани математических моделей дает возможность заменить реальный эксперимент работой с компьютерными моделями. Применение математических моделей и их поэтапное преобразование в компьютерные модели получило название численный (вычислительный) эксперимент.

Все этапы технологического цикла численного эксперимента тесно связаны между собой и служат единой цели – получению с заданной точностью за короткое время адекватного количественного описания поведения изучаемого реального объекта в тех или иных условиях.

На рис. 2.5 представим основные этапы численного эксперимента.

---

Рис. 2.5. Основные этапы численного эксперимента

Численные методы, используемые в моделировании – это методы решения математических задач в численном виде.

Основами вычислительных методов является решение следующих видов математических задач:

• 
  решение систем линейных алгебраических уравнений;
  
• 
  интерполирование и приближённое вычисление функций;
  
• 
  численное интегрирование;
  
• 
  численное решение системы нелинейных уравнений;
  
• 
  численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений;
  
• 
  численное решение уравнений в частных производных (уравнений математической физики);
  
• 
  решение задач оптимизации.
  

На данный момент все методы решения математических задач, необходимые в процессе проектирования и разработки новых видов продукции объединены в программы и программные пакеты (общее название – САЕ- Computer-aided engineering), предназначенные для облегчения решения различных инженерных задач: расчетов, анализа и симуляции физических процессов. CAE-системы — это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Они помогают убедиться в работоспособности изделия без привлечения больших затрат времени и средств. К этим программам следует отнести статистические пакеты, позволяющие применять методы расчета вероятностей отказов и надежности работы систем на основе статистических распределений – Пуассона, Вейбулла, Вейбулла – Гнеденко и т.п.

Кроме того, в рамках инжиниринга проводятся обязательные экономические расчеты минимизации затрат на проведение тех или иных технологических работ в процессе производства и эксплуатации высокотехнологичных изделий.

2.5 Аддитивные технологии в машиностроении

АТ в определённой степени создают условия перехода промышленности к производственным технологиям нового поколения, принципиально меняющим весь технологический уклад и влекущим за собой изменение всего производственного цикла.

Возможности и дальнейшие перспективы использования аддитивных технологий безграничны с точки зрения производства - возможно создание и изготовление отдельных деталей, сборочных единиц, а также производство продуктов питания и конструкций.

---

Применение Аддитивных технологий базируются на следующем постулате: неразрывность материалов, технологий и конструкций, включая использование «зеленых» технологий при создании материалов и комплексных систем защиты, а так же реализацию полного жизненного цикла (с использованием IT-технологий) – от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонта, продления ресурса и утилизации.

Развитие аддитивного производства может быть реализовано на трех уровнях:

• 
  Первый – производство моделей
  
• 
  Второй – производство прототипов
  
• 
  Третий (высший) – производство деталей, которые отвечают требованиям, конструкторской документации и устанавливаются в сложных технических системах на полный ресурс эксплуатации
  

Аддитивные технологии – драйвер развития передовых производственных технологий (Advanced Manufacturing Technology) и создания цифрового аддитивного производства (Digital / Additive Manufacturing, Digital Factory).

Они развиваются на платформе САЕ-системы, центральной и самой наукоемкой технологии, ядра компьютерного инжиниринга.

Для внедрения аддитивного производства в промышленность необходимо увеличить долю предприятий, отраслей промышленности, где в производстве два уровня реализации аддитивных технологий:

• 
  Первый – изготовление оснастки, выжигаемых моделей для литья и др. (так называемое вспомогательное производство);
  
• 
  Второй - изготовление демонстраторов и прототипов (детали и элементы конструкций без достижения требуемых физико-математических характеристик) в соответствии с нормативной и конструкторской документацией.
  

Необходимо, опираясь на эту практику, выйти на третий уровень реализации аддитивных технологий – производство опытных и серийных партий изделий (деталей), удовлетворяющие требованиям нормативной и конструкторской документации по физико-математическим свойствам.

Прототипирование — быстрая реализация базовой модели для анализа работы системы в целом. На этапе прототипирования малыми усилиями создается работающая система (наличие ошибок в системе на данном этапе допустимо). Во время прототипирования видна более детальная картина устройства системы. Данная технология широко используется в различных областях техники: машино- и приборостроении, авиатехнике, программировании и т.д. Прототипирование, по мнению некоторых разработчиков

---

, является самым важным этапом разработки. После этапа прототипирования обязательно следуют этапы пересмотра архитектуры системы, разработки, реализации и тестирования конечного продукта.

Прототипирование не обязательно выполняется в рамках тех же технологий, что и разрабатываемая система. Как правило, прототип становится приложением к техническому заданию.

На сегодняшний день широкое распространение получило понятие «быстрое прототипирование».

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping или 3d-печать) – уникальная технология, которая позволяет в кратчайшие сроки получить точный макет различных деталей и изделий или опытных образец для демонстрации полезных свойств предмета. Прототипирование имеет довольно широкую сферу применения. Прежде всего, данная технология используется для изготовления партии опытных изделий различного назначения. Возможен заказ как нескольких штук, так и нескольких тысяч изделий. Незаменимо быстрое прототипирование (Rapid Prototyping) при необходимости частой замены дизайна или конструкции деталей, а также при старте запуска серийных изделий. Данная технология используется в машиностроении, полиграфии, в электротехнической и электронной промышленности. Стоит отметить, что сфера использования не ограничивается указанными областями промышленности. Сегодня прототипирование можно встретить практически повсюду.

Быстрое прототипирование основано на использовании аддитивных технологий (AF – Additive Manufacturing) – технологий послойного синтеза. Они позволяют на порядок ускорить НИОКР и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции.

Основные технологии изготовления прототипов представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3.

Основные технологии изготовления прототипов

Наименовании технологии	Описание технологии
SLA- Stereo Lithography Apparatus, стереолитография	Технология подразумевает использование в качестве модельного материала специального фотополимера – светочувствительной смолы. Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой.
SLS - Selective Laser Sintering – селективноелазерноеспекание	Лазерноепрототипирование применяется не только с жидкими основами. Метод SLS позволяет создавать копии на основе порошкообразных компонентов. Согласно этому процессу модели создаются за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В данном случае, в отличие от SLA-процесса, лазерный луч является не источником света, а источником тепла.
FDM – Fused Deposition Modeling	При FDM–процессе - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 0.07 дюйма (1,78 мм), подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния.

---

Сегодня в России существует множество компаний, оказывающих услуги по прототипированию, однако в основном это небольшие предприятия, обладающие одним-двумя недорогими 3D-принтерами, способными выращивать несложные детали. Связано это с тем, что высокотехнологичное оборудование, способное обеспечить высокое качество изделий, стоит дорого и требует для работы и обслуживания квалифицированного, специально обученного персонала. Далеко не каждая компания может себе это позволить, ведь для покупки необходимо четко понимать, каким образом и насколько эффективно это оборудование будет использоваться, будет ли оно загружено работой. Слабостью таких компаний является отсутствие комплексности решения задач. В лучшем случае дело ограничивается оказанием достаточно простой услуги – изготовлением прототипа или модели тем или иным способом. Тогда как AF-технологии – это не только и не столько 3D-принтер, но важная часть 3D-среды, в которой происходит рождение нового продукта – от замысла конструктора до материализации его идей в серийном производстве. Среда, в которой новый продукт создается, "живет", эксплуатируется, ремонтируется вплоть до завершения "жизненного цикла" этого продукта.

Численные методы, применяемые для автоматизации инженерных расчетов, в том числе САЕ-системы, позволяют строить очень сложные математические модели и решать наборы уравнений степени 10ⁿ. Помимо этого, численные методы позволяют просчитывать различные варианты использования материалов, варианты конструкций изделий, узлов и деталей. Удобство и быстрота расчетов играют огромную роль в снижении времени разработки и проектирования изделий. Снижение времени разработки уменьшает весь срок жизненного цикла, что в наше время является важным конкурентным преимуществом компаний, выходящих на рынок с новыми модицикациями продукции.

Однако следует отметить, что в настоящее время весь комплекс инжиниринга должен полностью определяться требованиями заказчика и его основой должны являться прикладные, а не фундаментальные науки. Тем не менее, на многих отечественных предприятиях, основой инжиниринга являются архаичные методики разработки изделий, база которых – устаревшие требования конструкторской документации, опыт проектирования прошлых лет. Игнорирование требований заказчиков

---