Жизнь в "цифре"

Цифровое описание самолета стало неотъемлемой частью современного авиастроения
«Один из трендов четвертой индустриальной революции заключается в способности успевать меняться».

Гражданский самолет входит в число сложнейших технических продуктов, создаваемых человечеством, и его цифровое описание — виртуальный аватар — превращается в стратегический инструмент для обеспечения долгосрочного успеха на протяжении всего жизненного цикла изделия. Виртуальный аватар позволяет полностью оцифровать не только разработку, но также и производство и эксплуатацию самолета, что ведет к повышению эффективности на всех этапах.

Hа наших глазах происходит четвертая промышленная революция, которую называют Industry 4.0. Проявляется она во многих аспектах, но один из важнейших — создание цифрового описания продукта, которое функционирует на всех этапах жизненного цикла, включающих разработку, производство, эксплуатацию и послепродажное обслуживание и даже утилизацию.

Общая идея заключается в том, что физическому продукту в реальном пространстве должен полностью соответствовать виртуальный продукт — цифровой близнец, макет или аватар — в виртуальном пространстве. Реальный и виртуальный продукты связаны между собой потоком информации, обеспечивающим их полное соответствие друг другу.

Важно подчеркнуть, что цифровое описание продукта не исчерпывается макетом, описывающим сам продукт как техническую конструкцию. В цифровое описание входит ряд информационных систем, которые взаимодействуют между собой и функционируют как единое целое. К числу самых главных относятся система управления жизненным циклом изделия и система управления жизненным циклом документов — именно они обеспечивают целостность и адекватность цифрового описания продукта на всех этапах его жизненного цикла.

Цифровое описание позволяет радикально изменить процессы разработки, производства, продажи и технического обслуживания сложных продуктов во многих отраслях. По оценкам, которые приводит Жером Бушар, партнер консультационной компании Oliver Wyman, благодаря оптимизации процессов разработки и производства, а также за счет более тесного взаимодействия как внутри головной компании, так и с внешними партнерами и поставщиками время разработки сложных продуктов можно снизить на 25%, а затраты при этом снижаются на 10–15%. Благодаря отражению в режиме реального времени эксплуатации реального изделия на цифровом аватаре инженеры могут моделировать поведение сложных систем, чтобы предсказывать и предотвращать возможные отказы.

"На всех этапах жизненного цикла формируется цифровое описание изделия в виде электронного макета и расчетной модели, — говорит Андрей Белов, заместитель главного конструктора корпорации "Иркут" по управлению электронным макетом и конфигурацией. — Oбеспечено взаимодействие всех информационных структур и данных между собой, то есть  непрерывный обмен информацией на стадиях проектирования, производства, испытаний и коммерческой эксплуатации, — данные с реальных самолетов взаимодействуют с цифровым описанием изделия. Такой подход — важнейший элемент концепции Industry 4.0, которой сейчас следуют ведущие мировые самолетостроители".

Полный переход к цифровому описанию подразумевает отказ как от бумажных, так и от электронных чертежей. На электронный макет  в ходе разработки накладываются все более детальные требования, причем параллельно с работами по компоновке самолета идут аэродинамические и прочностные расчеты, а также формируются технологические требования по изготовлению каждой детали. "Такой подход позволяет очень быстро перебирать различные варианты и выбирать из них наиболее оптимальный, соответствующий заданным характеристикам, — поясняет Андрей Белов. — Мы значительно сужаем область поиска, анализируя на ранних этапах газодинамическое поведение самолета и его прочностные характеристики. Все данные непрерывно уточняются, и традиционным путем обеспечить такое количество итераций невозможно. В условиях высокой конкуренции необходимо обеспечить динамичный обмен данными между всеми организациями, отвечающими за проектирование, производство и эксплуатацию ВС, чтобы быстро реагировать на изменяющиеся экономические условия".

Западные самолетостроители приступили к освоению цифровых макетов раньше, чем российские, однако это позволило корпорации "Иркут" учесть их опыт при внедрении цифровых технологий. Более поздний старт позволил "Иркуту" построить масштабируемую и способную к  модернизации систему, базирующуюся на технологиях последнего поколения.

Опыт Airbus 

Первый самолет объединенного европейского авиастроителя — Airbus A300 проектировался в 1969 г. полностью на бумажных чертежах. Системы автоматизированного проектирования начали использоваться в 1980-х при разработке A320. Однако при традиционном проектировании все процессы осуществляются последовательно. Сначала в конструкторском бюро создаются чертежи самолета, которые потом передаются на производство, и технологи начинают думать, как все это изготовить. Образно говоря, конструкторы и технологи разделены "стеной", и взаимодействие между ними крайне слабое независимо от того, обмениваются ли они бумажными или электронными чертежами.

В середине 1990-х в ходе работ Airbus над программой A330/A340 началось создание первых цифровых макетов (в терминологии Airbus — DMU, Digital Mock-Up), а в ходе работ над A340-500/600 был осуществлен переход к параллельному проектированию — реализована программа ACE (Airbus Concurrent Engineering).

Идея параллельного проектирования заключается во внедрении инструментов управления жизненным циклом изделия (PLM, Product Life Management). В результате создается полноценный цифровой макет изделия (DMU) и появляется возможность вести процессы подготовки производства параллельно с процессами проектирования. Это позволяет сократить время от старта программы до начала производства и коммерческой эксплуатации самолета. Однако "стена" между конструкторским бюро и производством не исчезает полностью — на ее месте остается барьер, поскольку связь между разработчиками и производственниками окрепла, но все равно это две разные команды.

Традиционное проектирование

Традиционное проектирование

Параллельное проектирование

Параллельное проектирование

Коллаборативное проектирование

Коллаборативное проектирование

Необходимо отметить, что при всех своих достоинствах переход на цифровое описание изделия таит и серьезные вызовы, поскольку работать оно должно в реальном, а не в виртуальном мире. В качестве примера можно привести проблему, возникшую в ходе создания крупнейшего в мире пассажирского самолета Airbus A380, которая стоила компании Airbus двухлетней задержки в реализации проекта и потери около 6 млрд долл. В ходе сборки первых самолетов оказалось, что электрическая проводка, спроектированная немецкими инженерами, не подходит к секциям фюзеляжа, спроектированным французскими инженерами. Суммарная длина электропроводки в A380 составляет около 480 км, количество разъемов превышает 40 тыс., так что вручную решить проблему при сборке оказалось нереально — потребовалось перепроектирование электропроводки. А причина была в том, что инженеры Airbus пользовались разными версиями программного обеспечения: у французов стояла Catia V5, а у немцев — Catia V4. Обычно при выпуске новой версии разработчики программных продуктов обеспечивают обратную совместимость, однако в данном случае разработчик системы автоматизированного проектирования Dassault Systemes радикальным образом переделал всю свою САПР, так что совместимость между V5 и V4 оказалась весьма условной, в чем и убедился на своем опыте Airbus. А переход одного специалиста с V4 на V5 требует полугодового обучения и существенных затрат — вероятно, поэтому немецкие инженеры и не торопились обновить версию.

Этот пример показывает, как важно при создании цифрового описания обеспечить и сохранить его целостность, чтобы реальное изделие удалось изготовить на основе цифрового аватара, а впоследствии аватар полностью соответствовал бы реальному продукту.

Следующим шагом Airbus стал переход к коллаборативному проектированию (Collaborative Engineering), полностью реализованный в новейшей программе Airbus A350XWB. Благодаря использованию систем PLM нового поколения создается так называемый промышленный цифровой макет (iDMU, industrial DMU). В рамках новой методологии разработчики и технологи работают как единая команда (образно говоря, за одним столом, без барьеров), а цифровое моделирование технологий производства позволяет виртуально оценить целесообразность того или иного конструкторского решения.

При этом iDMU в цифровом виде содержит как сам продукт, так и технологию его производства. Очевидно, что естественным дополнением к iDMU становится описание изделия на протяжении его жизненного цикла.

Цифровая модель A350 XWB: 3 млн компонентов самолета доступны в реальном времени для 4 тыс. инженеров // Airbus

Цифровая модель A350 XWB: 3 млн компонентов самолета доступны в реальном времени для 4 тыс. инженеров

Фото: Airbus

Опыт Boeing 

Переход американского самолетостроителя к цифровому производству начался в середине 1990-х гг. при создании самолета Boeing 777, когда компания отказалась от ручного заполнения чертежей — вся проектная и конструкторская документация была выполнена в электронном виде. Использование цифровых технологий расширялось при разработке новых версий 737, а в полной мере концепция цифрового макета была реализована в ходе программы создания Boeing 787.

Принципиальным решением Boeing стала ориентация на единую PLM-платформу компании Dassault Systemes: Catia V5 — для конструкторских работ, Delmia — пакет виртуального производства, позволяющий моделировать производство деталей, спроектированных в Catia, и Enovia — система управления документами, обеспечивающая коллективный доступ в центральное хранилище всей электронной документации по программе 787. Выбор единой PLM-платформы позволил предусмотреть возможные проблемы совместимости программного обеспечения, однако в случае Boeing ситуация усугублялась тем, что при создании 787 была принята принципиально новая модель взаимодействия с производственными партнерами.

До сих пор Boeing самостоятельно вел разработку самолета, после чего чертежи определенных компонентов или секций передавались партнерам, которые разрабатывали и осваивали технологию производства. Пользуясь терминологией Airbus, можно сказать, что это было традиционное проектирование. В программе 787 компания Boeing осуществила радикальный переход к коллаборативному проектированию (хотя и без использования этого термина). Разработка 787 шла в тесной коллаборации с партнерами на единой PLM-платформе. В проекте участвовало около 6 тыс. инженеров из разных компаний по всему миру, которые проектировали самолет и технологию его производства. В частности, итальянской Alenia Aeronautica досталось проектирование и производство секций фюзеляжа, японская Kawasaki Heavy Industries была выбрана для разработки и производства крыла, части фюзеляжа и шасси, а американская Goodrich Aerostructures занялась проектированием и выпуском мотогондол и систем реверса тяги двигателей.

В рамках единого подхода Boeing потребовал от всех партнеров использовать для проектирования исключительно систему Catia V5. Соответственно, Boeing пришлось профинансировать расходы на переход. Поскольку программное обеспечение Catia V5 для одного рабочего места стоит около 20 тыс. долл., суммарные расходы Boeing только на программное обеспечение для поставщиков можно оценить на уровне 120 млн долл. Кроме того, освоение Catia V5, как уже говорилось, требует значительных трудозатрат, да и не всем инженерам пришелся по душе отказ от привычных систем проектирования и переход на новую.

Кроме того, были обеспечены синхронные переходы на новые версии дополнительного программного обеспечения — один раз в квартал, при этом обновлялось около 150 программных пакетов как собственной разработки Boeing, так и от других производителей.

Суммарный объем цифрового макета Boeing 787 составляет около 16 Тбайт // Boeing

Суммарный объем цифрового макета Boeing 787 составляет около 16 Тбайт

Фото: Boeing

Стандартизируя требования к программному обеспечению, Boeing постарался учесть опыт Airbus, однако идеальная цифровая модель распределенного производства все равно столкнулась с реальностью. Синхронизировать философию конструирования оказалось еще труднее, чем программное обеспечение. Столкнувшись с серьезными задержками в реализации программы, Boeing был вынужден отправить ряду ключевых поставщиков команды собственных инженеров для совместной работы.

В итоге программа создания Boeing 787 была выполнена — примерно с трехлетней задержкой и штрафными платежами свыше 5 млрд долл. (справедливости ради надо отметить, что задержки были вызваны рядом причин, а не только переходом к распределенному проектированию и производству). Суммарный объем цифрового макета Boeing 787 составляет около 16 Тбайт. По мнению представителей Boeing, переход на цифровой макет позволил сократить время создания самолета, например, за счет использования виртуальных испытательных полетов. В ходе одного из таких испытаний при исследовании ситуации с полетом на одном двигателе была промоделирована недостаточная эффективность руля направления для стабилизации полета. Всего за четыре недели было проанализировано более 50 различных конфигураций, из которых выбрали наилучшую. При традиционном подходе и реальных испытаниях пришлось бы ограничиться тремя или четырьмя вариантами, и эта работа заняла бы три месяца.

В целом экономия расходов Boeing за счет использования цифрового макета оценивается на уровне 20–25%, то есть в диапазоне 2–3 млрд долл.

Опыт корпорации "Иркут" 

Ос­воение цифровых подходов в корпорации "Иркут" началось в рамках процессов изготовления многоцелевых истребителей Су-30МКИ. Перевод в электронную форму бумажной конструкторской документации на самолет Як-130 стал важным этапом для Инженерного центра им. А. С. Яковлева — основного конструкторского подразделения корпорации "Иркут". Параллельно цифровые технологии производства Як-130 внедрялись на Иркутском авиационном заводе.

Немаловажную роль сыграл опыт работ с использованием цифровых технологий в рамках международной промышленной кооперации с объединенным европейским авиастроителем Airbus.

Это позволило получить необходимый опыт и развить такой подход в рамках внедрения электронно-цифрового описания МС-21 на всех стадиях жизненного цикла изделия — от зарождения идеи до физической реализации самолета, а в перспективе — и его коммерческой эксплуатации.

"Как и на Западе, изначально электронный макет предназначался для замены деревянного макета при первичной увязке конструкции, — говорит Андрей Белов. — Однако математическое описание дает несопоставимо больше возможностей. Сейчас у нас цифровые технологии используются во всех процессах проектирования, производства и эксплуатации авиационной техники. Мы идем в ногу с ведущими зарубежными производителями, а в некоторых элементах стараемся их опередить".

Электронный макет МС-21 // "Иркут"

Электронный макет МС-21

Фото: "Иркут"

Цель цифрового описания самолетов МС-21 — обеспечение интенсивного обмена информацией между всеми участниками программы: разработчиком, изготовителем, партнерами по производственной кооперации, эксплуатантами и организациями по техническому обслуживанию и ремонту. По словам представителей "Иркута", своевременная корректировка информации по самолету в рамках динамически изменяющихся условий и потребностей рынка стала обязательным условием обеспечения конкурентоспособности отечественной авиационной техники. В рамках программ МС-21 были созданы цифровые макеты, которые включают сотни тысяч компонентов и описывают более 30 различных конфигураций самолетов.

"В программе МС-21 мы обеспечили полный цикл цифрового описания — от первоначальных идей и формулировки технического задания через этапы аванпроекта и эскизного проекта мы создали компоновочный макет и перешли к детализированному макету, — говорит Андрей Белов. — То есть мы полностью отказались от цифровых чертежей в пользу электронных моделей, которые передаются на производство для создания технологических макетов, по которым выпускаются готовые изделия".

"Очень важно, что при этом началась автоматизация Иркутского авиационного завода, переход на современные цифровые технологии производства, станки с ЧПУ, — продолжает Андрей Белов. — Благодаря работам по Су-30МКИ и Як-130 авиазавод оказался фактически подготовлен к новой методологии программы МС-21. С другими предприятиями, задействованными в рамках производственной кооперации, потребовалась дополнительная работа. Освоение технологий цифрового описания у партнеров находится на разных стадиях, но могу с уверенностью утверждать, что у нас нет ни одного неохваченного процесса, то есть мы перешли к целостной системе".

Математическая модель газодинами­ческих условий взаимодействия двигателя и крыла МС-21 // "Иркут"

Математическая модель газодинами­ческих условий взаимодействия двигателя и крыла МС-21

Фото: "Иркут"

Сейчас "Иркут" входит в число лидеров внедрения инновационных подходов и цифровых технологий при создании авиационной техники. В корпорации не осталось буквально ни одного уровня или процесса, не реализующего применение новых цифровых технологий, — от формулирования требований до их материального воплощения в деталях и агрегатах самолета, а также обеспечения заданного уровня эксплуатации.

В число компонентов цифрового описания, наряду с электронным макетом, входят модели функционирования, математические модели газодинамических условий полета, модели условий нагрузок, технологий производства, а также операций по техническому обслуживанию.

"Иркут" применяет различные информационные системы собственной разработки,  мировых вендоров (Siemens, IBM, Ansys и др.) и ведущих отечественных разработчиков программного обеспечения. Bсеобъемлющий уровень внедрения информационных технологий позволяет решать комплексные задачи системного инжиниринга, прочности, технологии и поддержки авиакомпаний-эксплуатантов.

Учитывая опыт конкурентов, корпорация "Иркут" при работе над программой МС-21 уделила особое внимание обеспечению совместимости платформ CAD и PDM у всех участников кооперации. Это требование вносилось на уровне контрактов со всеми партнерами, и его выполнение жестко контролировалось. За время существования программы МС-21 уже дважды был проведен гладкий и безболезненный переход на новые версии программных платформ CAD (система NX) и PDM (система Teamcenter), что подтверждает жизнеспособность созданного цифрового описания.

"Систему цифрового описания мы строим таким образом, чтобы она была готова к развитию без особо крупных вливаний ресурсов, то есть модернизации подвергается не только самолет как продукт, но и его цифровое описание как целостная система сопровождения всех данных о самолете — говорит Андрей Белов. — Чтобы конкурировать на рынке нам надо успевать адаптироваться к меняющейся среде".

Цифровое описание МС-21 стало базой для разработки методики его технического обслуживания еще в процессе проектирования самолета. Для всех агрегатов формируется трехмерная геометрия конструкции и изучается эргономика доступа обслуживающего персонала для операций по ремонту, снятию и монтажу. Эти процедуры дорабатываются в ходе испытаний первых самолетов МС-21, формируется интерактивная эксплуатационная документация, чтобы к моменту начала коммерческой эксплуатации самолет получил исчерпывающее руководство по техническому обслуживанию.

Моделирование операций по обслуживанию МС-21 // "Иркут"

Моделирование операций по обслуживанию МС-21

Фото: "Иркут"

Цифровой близнец 

Конструкторы корпорации "Иркут" работают над расширением функциональных возможностей электронного макета. "Мы следим за работами зарубежных компаний и тенденциями развития "Индустрии 4.0". — отмечает Андрей Белов. — В настоящее время наши усилия направлены на использование цифрового близнеца самолета для получения характеристик реальных изделий, находящихся в эксплуатации".

Следующим этапом развития цифровых близнецов у всех самолетостроителей станет снятие динамических характеристик реального самолета в процессе его эксплуатации, их моделирование на цифровом макете и прогнозирование поведения реального самолета. В этом направлении движутся все, определенных результатов достигли и Airbus и Boeing, но работы предстоит еще много. Необходимо не просто отслеживать отказы авиационной техники, а вести постоянный мониторинг реального состояния всех систем и структур самолета, анализировать их наработку и возможные проблемы. Кроме того, требуется развитие инфраструктуры для оперативного снятия всего объема информации и передачи цифровому двойнику.

"Реальная эксплуатация цифровых двойников еще не началась, — говорит Андрей Белов, — но в этом направлении прилагают усилия ведущие зарубежные авиастроители. Мы также работаем над тем, чтобы реализовать этот подход в рамках программы МС-21".           

Понравился материал?

Подпишитесь на дайджест "Главное за неделю" от ATO.RU и не пропустите ничего важного!
Авторские материалы из первых рук в вашем почтовом ящике!

Подписавшись на бюллетень и заполнив данные о себе, вы можете принять участие в розыгрыше призов или получать эксклюзивный анализ авиаперевозок от ATO.RU!
Бюллетень "Главное за неделю":


Тематические бюллетени ATO.RU >>

Google предполагает, что вам это будет интересно

Больше аналитики читайте в журнале
"Авиатранспортное обозрение"
№188, апрель 2018

Календарь ATO Events

31 мая 2018 г., г. Москва
26-27 сентября 2018 г., г. Москва
24-25 октября 2018, г. Москва
Профессионалы отрасли используют
Ежегодник АТО - 2017
Тенденции, цифры, факты
Приглашаем зарегистрироваться или войти на сайт под своим именем, что позволит вам:
  • получить доступ ко всем материалам в полном объеме
  • проводить поиск по всему архиву материалов (с 2003 года)
  • осуществлять расширенный поиск с указанием желаемых тегов, авторов, событий и т. п.
  • бесплатно получить доступ к онлайн-архиву журнала "Авиатранспортное обозрение" (только в ноябре)
2018 © Авиатранспортное обозрение
Мобильная версия сайта - mobix1.ru

Некоммерческое использование материалов сайта ATO.ru (в том числе цитирование и сокращенное изложение) разрешается при условии размещения прямой ссылки на цитируемый материал или на главную страницу www.ato.ru. Любое коммерческое использование, а также перепечатка материалов возможны только с письменного разрешения редакции.