Высокоточное моделирование и конкурентоспособность российской промышленности

Ключевой аспект обеспечения промышленного развития России в ХХI веке — широкое внедрение высоких технологий в процессы производства всех уровней. Одна из наиболее перспективных групп в рамках высоких технологий — технологии высокоточного компьютерного моделирования (ТВКМ) жизненных циклов создания и эксплуатации промышленной продукции, а также проектирования и функционирования объектов топливно-энергетического комплекса

Вадим Селезнёв

ТВКМ зарождались в конце прошлого века в недрах советского, а впоследствии российского ракетно-ядерного комплекса. Их развитие, совершенствование и промышленное внедрение позволили создать в России уникальные научные школы высокоточного моделирования сложных технических и технологических систем, получившие широкое признание научной общественности как в нашей стране, так и за ее пределами. Многие научные разработки этих школ и результаты их практического внедрения превосходят зарубежные аналоги, а ряд разработок — не имеют аналогов в мире.

Как и все новое, высокоточное компьютерное моделирование достаточно трудно внедряется в ведущих отраслях российской промышленности и энергетики. В последние годы в этих отраслях активно формируется новый российский менеджмент, который осознает, что повышение конкурентных преимуществ продукции их предприятий требует глубокого и детального анализа поведения продукции в течение всего жизненного цикла: от проектирования до утилизации. Достоверные результаты такого анализа дают базу для совершенствования технологических процессов с целью снижения издержек производства и выпуска продуктов с уникальными наборами потребительских свойств. Решение задач по анализу всего жизненного цикла создания и эксплуатации продукции или промышленного объекта, поиску путей совершенствования и оптимизации технологических процессов, повышению промышленной и экологической безопасности в современном мире невозможно без широкого применения ТВКМ.

В США и странах Европейского союза начиная с 2000 года разработка и внедрение ТВКМ идут ускоренными темпами на всех уровнях производства: при содействии государства оперативно меняются технические регламенты, проводится широкая переподготовка персонала предприятий, выделяются значительные объемы финансирования на дооснащение предприятий и разработку технологий высокоточного компьютерного моделирования. Следует особо отметить, что для создания и внедрения ТВКМ в зарубежной промышленности активно привлекаются российские ученые и специалисты. В результате такого сотрудничества появляются зарубежные разработки, выполненные при определяющем участии наших ученых, которые отечественные предприятия вынуждены покупать по существенно завышенным ценам и со значительными ограничениями на их функциональные возможности, области их применения и распространения в нашей стране.

Сложившуюся ситуацию следует кардинально изменить в сторону доминирования отечественных ТВКМ на мировом рынке в самое ближайшее время. Это можно сделать, опираясь на огромный потенциал, которым располагает Россия в области высоких технологий в целом и ТВКМ в частности. Однако такое изменение ситуации возможно только при содействии и четкой координации работ в области ТВКМ со стороны государства и отечественного промышленного бизнеса.

Что даёт высокоточное компьютерное моделирование

ТВКМ позволяют с высокой степенью достоверности анализировать фактическое или прогнозировать ожидаемое состояние объекта моделирования. Это дает возможность производственному персоналу промышленных предприятий разрабатывать оптимальные режимы безопасной эксплуатации объекта, составлять экономически выгодные перечни ремонтных мероприятий, вырабатывать эффективные меры по предотвращению аварийных ситуаций и обосновывать планы по локализации последствий аварий. В качестве примера можно привести комплексный численный анализ состояния промышленных трубопроводных сетей энергетических объектов по результатам технической диагностики, включая внутритрубную дефектоскопию и акустико-эмиссионный мониторинг. Итогом такого анализа, как правило, является выбор наиболее безопасных режимов эксплуатации трубопроводных систем и оптимальное ранжирование (с точки зрения остаточного ресурса и тяжести последствий вероятных аварий) участков трубопроводов по срокам их ремонта или замены. Конкурентное преимущество, которое дает внедрение комплексного численного анализа состояния сетей трубопроводов, во-первых, заключается в обеспечении высокого (по отношению к конкурентам, не внедряющим ТВКМ) уровня надежности поставляемых продуктов, во-вторых, в сокращении издержек на поддержание трубопроводной системы в рабочем состоянии.

Высокоточное компьютерное моделирование техпроцессов изготовления промышленной продукции позволяет снизить затраты на ее производство, но главное — оно дает возможность определить пути научно-обоснованного повышения качества продукции на стадии изготовления.

Особое значение ТВКМ приобретают при решении задач эффективного и безопасного управления полным спектром режимов транспортирования продуктов по протяженным трубопроводным системам. В качестве примера здесь можно представить динамический мониторинг и безопасное оптимальное управление всеми режимами транспортирования продуктов в зоне границ между соседними предприятиями или соседними государствами. В этом случае компания, эксплуатирующая у себя вычислительные технологии динамического и безопасного управления транспортными потоками, может поставлять потребителю энергоносители не по их объему, а по их энергосодержанию, что предоставляет поставщику дополнительные коммерческие преимущества.

Что такое высокоточное компьютерное моделирование

Жизненный цикл создания и эксплуатации промышленной продукции, а также проектирования и функционирования объектов ТЭКа схематично можно представить в виде набора взаимосвязанных физических и химических процессов, на ход которых можно влиять, изменяя те или иные управляемые параметры. Взаимосвязь между физическими и химическими процессами, их взаимообусловленность определяются не только законами природы, но и промышленными технологиями, применяемыми на том или ином предприятии. Конструкции промышленных изделий и объектов на каждом этапе жизненного цикла описываются методами геометрии.

В качестве примера рассмотрим изготовление электросварных труб большого диаметра. Некоторые физические процессы, характерные для их производства, можно записать так: упруго-пластическое деформирование стального штрипса, термомеханические процессы сваривания кромок трубной заготовки, перемещение инструментов и их взаимодействие с трубными заготовками, распространение ультразвуковых волн в теле трубы при контроле качества ее изготовления и т. д. К управляемым параметрам в данном случае относятся: геометрические параметры инструментов, усилия, прилагаемые к инструментам, задаваемые режимы сварки, скорость перемещения дефектоскопа по отношению к контролируемой трубе и т. д.

Рис. 1. Схема построения методов высокоточного компьютерного моделирования для ТВКМ

Высокоточное компьютерное моделирование включает в себя построение и численный анализ комплекса взаимосвязанных научно-обоснованных математических моделей промышленных конструкций, а также физических и химических процессов, протекающих в них. Для повышения эффективности контроля состояния промышленных объектов целесообразно также моделировать методы их технической диагностики и работу соответствующего приборного оборудования. Основу высокоточных математических моделей составляют базовые уравнения механики и электродинамики сплошных сред, адаптированные для решения соответствующих производственных задач. Для их численного анализа используются современные методы вычислительной механики и вычислительной электродинамики, а также методы математического программирования, качественной теории дифференциальных уравнений и оптимального управления. Адекватность разработанных математических моделей исследуемым объектам, процессам их функционирования и диагностики, а также сходимость методов их численного анализа к достоверным результатам обосновываются теоретически и подтверждаются вычислительными и натурными экспериментами. Для повышения надежности решения особо ответственных производственных задач поиск результатов дублируется за счет использования нескольких методов численного анализа применяемых моделей.

Требование высокой точности на практике приводит к тому, что при создании моделей необходимо минимизировать погрешность между соответствующими расчетными оценками и фактическими параметрами промышленных изделий и процессов, протекающих в течение их жизненного цикла. Минимизация таких погрешностей осуществляется за счет повышения адекватности математических моделей в результате минимизации глубины необходимых упрощений и допущений, принимаемых при численном моделировании в рамках ТВКМ. Такой подход прежде всего направлен на максимальное сохранение исходной теоретически и экспериментально обоснованной аппроксимации реальных физических и химических процессов известными базовыми математическими моделями физических явлений и химических превращений веществ.

На рисунке 1 представлена схема построения методов высокоточного компьютерного моделирования для их реализации в рамках ТВКМ. Эта схема в графической форме представляет вышеизложенный материал. Здесь следует особо подчеркнуть, что при построении математических моделей повышенной точности и высокоэффективных методов их численного анализа необходимо соблюдать баланс между затратами на их разработку и ценностью информации, получаемой в результате их использования. Игнорирование данного условия может привести к необоснованным и некомпенсируемым затратам на разработку и внедрение ТВКМ.

Как методы высокоточного компьютерного моделирования реализуются в ТВКМ?

Можно выделить три основных способа реализации данных методов в ТВКМ. Первый — разработка и эксплуатация высокоточных компьютерных симуляторов технологических процессов создания, функционирования и утилизации объектов ТЭКа и промышленной продукции. В качестве примера можно представить высокоточный компьютерный симулятор жизненного цикла трубопроводной конструкции, подверженной внешним многофакторным воздействиям от спектра нагрузок, изменяющихся во времени, и процессам интенсивной коррозии.

Второй способ — это построение и использование при решении производственных задач частных вычислительных технологий моделирования особых режимов функционирования промышленных объектов, методов их диагностики и прогнозирования (расследования) аварийных ситуаций. В качестве примера можно представить вычислительную технологию анализа параметров критических режимов работы камер сгорания в авиационных турбореактивных двигателях.

Третий способ реализации методов высокоточного моделирования в ТВКМ является интегральным объединением первых двух в специализированные компьютерные информационно-аналитические системы, предназначенные для анализа и управления жизненными циклами промышленных объектов и изделий. В этом случае ТВКМ, как правило, дополняются информационными технологиями и программно-аппаратными системами автоматического сбора и хранения измерительной информации, снимаемой с натурного объекта или изделия в режиме реального времени. Яркими примерами таких систем могут служить компьютерные информационно-аналитические системы управления целостностью трубопроводных систем газовой, нефтяной, нефтехимической, химической отраслей промышленности и трубопроводных сетей электростанций. Сказанное выше можно проиллюстрировать схемой реализации методов высокоточного компьютерного моделирования в ТВКМ для их применения при эффективном и научно-обоснованном решении производственных задач отраслей промышленности и энергетики (см. рисунок 2).

Перспективы метода

Широкое использование ТВКМ в производственной практике отраслей промышленности и энергетики, несомненно, будет способствовать повышению устойчивости, эффективности и надежности работы отечественных предприятий и росту конкурентоспособности их продукции как на российском рынке, так и за рубежом.

Здесь следует отметить, что эксплуатация описанных в статье компьютерных аналитических систем, компьютерных симуляторов и частных вычислительных технологий, составляющих основу ТВКМ, не требует от промышленного персонала и/или надзорных организаций углубленной подготовки в областях численного моделирования, вычислительной механики, вычислительной электродинамики и математической оптимизации. Работа с ними максимально приближена к условиям повседневного труда соответствующих специалистов. Это достигается прежде всего в результате расширения интеллектуальной автоматизации их труда, которая также способствует сокращению ошибок в решении производственных задач за счет снижения влияния человеческого фактора. Многие симуляторы могут функционировать в автоматическом режиме по так называемой "безлюдной" технологии. Все вышесказанное имеет большое значение для российской промышленности и энергетики в свете прогнозируемого на ближайшие годы острого дефицита кадровых ресурсов, включая высококвалифицированных специалистов.

Использование ТВКМ в практической работе проектировщиков промышленных объектов позволяет перейти от традиционных методов проектирования к проектированию по научно-обоснованному прогнозу фактического состояния и полного спектра ожидаемых режимов функционирования создаваемого объекта. Такой переход открывает уникальную возможность совершенствовать проектные решения по результатам численного моделирования, максимально приближенным к реальным условиям последующей эксплуатации промышленного объекта.

статья из журнала № 5 [16] Май 2007