Газотурбинный двигатель – одно из самых сложных изделий, производимых человеком, что связано прежде всего с его чрезвычайно большой наукоемкостью, выделяющейся даже на фоне высокотехнологичной по своей природе авиационной отрасли. Температура газа на входе в турбину двигателей приближается к 2000 градусов по Кельвину, поэтому создание нового двигателя требует не только разработки конструкции, но и создания новых материалов, освоения способов их обработки, испытания и т. д. НПО «Сатурн» обеспечивает полный жизненный цикл газотурбинного двигателя: проектирование, производство и послепродажное обслуживание. В этой цепочке нельзя выделить стадию жизненного цикла авиадвигателя, на которой приоритет задач автоматизации был бы ниже прочих, — сегодня на первый план выходит проблема информационной поддержки всего процесса разработки новых изделий.

Проектирование авиационного двигателя включает в себя множество тесно связанных между собой видов расчетных работ и экспериментальных исследований (термодинамика, аэродинамика, гидравлика, прочность, теплопередача, акустика, горение, материаловедение, освоение новых производственных процессов и пр.) и реализуется в виде итерационных циклов с трудно прогнозируемой структурой. Все это требует больших ресурсов, а стремление сократить количество итераций, необходимых для доводки изделия, приводит к недостаточной проработке проекта и в конечном итоге к удорожанию проекта.

Известно, что автоматизированное проектирование сокращает сроки разработки и экономит ресурсы, но не менее важно, что ИТ-поддержка процесса разработки стала сегодня неотъемлемой частью процессов производства и эксплуатации. Конструктивный облик и технологические процессы изготовления изделия – это основная информация для производства, а значит, большинство подразделений так или иначе используют информацию из систем автоматизации конструкторской деятельности.

Еще недавно цикл проектирования нового авиационного газотурбинного двигателя составлял 12–15 лет (в два-три раза больше, чем цикл проектирования планера самолета), из которых собственно определение конструкции занимало не более двух лет, а все остальное время тратилось на экспериментальную доводку параметров. После изготовления первого опытного экземпляра проводились его испытания, проверялись технические характеристики и уточнялись параметры конструкции. Затем изготавливался следующий экземпляр, испытывался, вновь уточнялись параметры конструкции и т. д, до получения приемлемых характеристик. Например, при разработке двигателя АЛ-31Ф для истребителя Су-27 было построено и разрушено при испытаниях 50 полноразмерных опытных экземпляров, не говоря уже о различных испытаниях отдельных узлов и компонентов.

Перед НПО «Сатурн» была поставлена задача не менее чем вдвое уменьшить продолжительность разработки нового двигателя, а соответствующие затраты сократить в четыре-пять раз (рис. 1). Достижение этих целей возможно только путем создания виртуальной среды проектирования, обеспечивающей цифровое проектирование на основе трехмерной мастер-модели, параллельную разработку конструкции и отладку технологий их изготовления; пространственное моделирование аэродинамических, прочностных, тепловых и акустических характеристик узлов, а также многокритериальную оптимизацию конструкции расчетным путем, позволяющую избежать доводки на натурных образцах; сбор максимального количества данных при испытаниях, их обработку, визуализацию и стыковку с расчетными данными.

Параллельное проектирование

Принцип параллельного проектирования (concurrent engineering) базируется на использовании трехмерных мастер-моделей изделия и входящих в него деталей. Конечно, элементная модель для инженерных расчетов, чертеж детали, 3D-модель оснастки и программа обработки на оборудовании с ЧПУ строятся на основе конструкторской 3D-модели (рис. 2). При изменении исходной мастер-модели появляется возможность проследить по ассоциативным связям зависящие от нее объекты и произвести необходимые корректировки. В результате разработка процессов изготовления и необходимой оснастки может быть начата еще до окончательного утверждения конструкторской документации, что в итоге сокращает время проектирования.

 

Для обеспечения всей необходимой функциональности в данном случае недостаточно только САПР — нужна система управления данными об изделиях (Product Data Management, PDM). На НПО «Сатурн» в качестве основы для такой системы используются продукты UG/TeamCenter Engineering компании Siemens PLM Solutions, и полный переход конструкторских подразделений на проектирование в электронном виде был завершен еще в 2000 году, а затем аналогичная работа была проведена в 2003 году для технологов на базе системы Techcard компании «Интермех».

Когда над изделием работают нескольких партнеров, использующих для проектирования различные информационные системы, возникает проблема конверсии данных. Такая ситуация возникла, например, при работе над двигателем SaM146 (совместный проект с компанией Snecma, в которой используются системы CATIA и ENOVIA от Dassault Systemes). Задача была решена за счет использования языка XML (для данных о конфигурации) и внешних конвертеров в формат STEP (графические данные цифрового макета двигателя). Для трансляции графических данных была предложена автоматизированная процедура проверки 3D-модели, созданной в UG, на соответствие формальным правилам (например, замкнутость каждого контура и возможность построения на его базе трехмерного тела, а не поверхности и т. п.). Модель, прошедшая проверку, транслируется в формат STEP, а затем во внутренний формат системы CATIA. Модель, не прошедшая проверку, возвращается разработчику со списком ошибок. Для передачи данных о конфигурации изделия был разработан протокол обмена на основе языка XML, обеспечивающий гарантированную передачу сообщений. Данные из TeamCenter Engineering записываются во внешний файл, который загружается в систему PDM, а затем, также в формате XML, генерируется ответ, содержащий подтверждение успешного выполнения операции или список обнаруженных ошибок. Этот ответ возвращается в передающую систему для его автоматической обработки.

Инженерные расчеты

Любая конструкция в авиации должна быть испытана — имеются обязательные сертификационные испытания, регламентируемые авиационными нормами. Кроме того, испытания проводятся для проверки полученных параметров конструкции. По результатам испытаний вносились изменения в проект и изготавливался новый вариант, после чего процесс повторялся. Разумеется, имеет смысл столь долгие и затратные испытания заменить расчетами. Конструкция должна оптимизироваться в процессе расчетов различных вариантов, а двигатель — сразу выходить в опытное производство с параметрами, близкими к требуемым. Поэтому высокопроизводительные вычислительные системы становятся ключевым элементом работы любой компании, работающей на рынке газотурбинных двигателей. На НПО «Сатурн» используются программные системы и пакеты собственной разработки для аэродинамических, тепловых, акустических и прочностных расчетов. Кроме этого, применяются пакеты ANSYS, CFX и LS-DYNA, способные работать в вычислительных средах с высоким параллелизмом, для эффективной работы которых требуется параллельная вычислительная конфигурация, например многоузловой вычислительный кластер. Главное требование к такой конфигурации — достижение пропускной способности, позволяющей одновременно запускать наибольшее количество сравнительно небольших вычислительных задач.

Первый промышленный кластер с пиковой производительностью 1 ТFLOPS был запущен в НПО «Сатурн» в 2005 году. Система была построена на основе IBM eServer Cluster 1350, включавшего 64 двухпроцессорных сервера xSeries 336 на базе процессоров Intel Xeon и два четырехпроцессорных сервера xSeries 455 на процессорах Intel Itanium 2, на которых решались задачи пре- и постпроцессорной обработки. Все серверы работали под управлением ОС Linux, межузловое соединение было реализовано на основе сети Infiniband с пропускной способностью 10 Гбит/с и управляющей сети Gigabit Ethernet. Общая емкость системы хранения данных составляла 6 Тбайт. Для внедрения данного кластера потребовалось решить ряд задач по созданию программной инфраструктуры параллельных вычислений.

Прежде всего был автоматизирован процесс подготовки и запуска расчетной задачи (построение сетки, определение граничных и начальных условий, настройка пре- и постпроцессоров). В результате решение типовых вычислительных задач было из специального подразделения по расчетам передано в конструкторские отделы, для чего были разработаны стандартные формы, скрывающие от неспециалистов по вычислениям всю сложность подготовки и запуска задач. Кроме того, была развернута параллельная файловая система, обеспечивающая одновременный ввод/вывод с приемлемой производительностью для сотен одновременно исполняемых процессов. Над проектами НПО «Сатурн» работает множество групп конструкторов и проектировщиков, поэтому была создана система удаленного доступа к ресурсам кластера для пользователей из инженерных центров, расположенных в Москве и Перми. Однако в результате загрузка системы приблизилась к 100%, и в 2008 году был запущен второй кластер производительностью 14,3 TFLOPS, включающий 168 вычислительных узлов Xeon 5355 (1344 процессорных ядер, общая память 1,3 Тбайт), объединенных сетью Infiniband DDR. В данном решении эта сеть используется также и для доступа к системе хранения данных, емкость которой составляет 28,8 Тбайт.

Сегодня первый кластер выводится из эксплуатации, он будет передан в Рыбинскую авиационную технологическую академию для обучения студентов технологиям высокопроизводительных инженерных расчетов. Также планируется создание исследовательского центра в области параллельного программирования, файловых систем, планировщиков задач с опорой на открытые программные продукты.

Следует отметить, что стоимость оборудования (вычислитель, системное ПО, инфраструктура) для высокопроизводительных расчетов составила не более 20% всех затрат на создание системы инженерного анализа. Основные расходы пришлись на подготовку персонала и прикладное ПО. Для инженерных расчетов на НПО «Сатурн» в основном применяется коммерческое ПО западного производства, однако известно, что зарубежные разработчики авиадвигателей пользуются собственными разработками, которые полностью закрыты и попадают на коммерческий рынок с задержкой в пять–десять лет. Таким образом, используя коммерческие продукты, мы изначально отстаем от передового уровня развития технологий в этой области. На рынке также есть некоторый набор приложений с открытым кодом, но их адаптация под конкретные задачи (например, для расчета турбомашин) вызывает весьма серьезные трудности.

Естественно, ни НПО «Сатурн», ни любая другая промышленная компания не в состоянии решить проблему разработки прикладного ПО в одиночку — необходимы согласованные усилия с участием регулятора для создания собственных методов решения задач механики сплошных сред и разработки соответствующего ПО. Сейчас НПО «Сатурн» совместно с компанией «Сухой» и Институтом теоретической и математической физики ВНИИЭФ участвует в разработке отечественного комплекса ПО для инженерных расчетов.

Обработка данных испытаний

Для совершенствования конструкции двигателя, а также для снижения затрат на процесс сертификации очень важно организовать эффективные физические испытания. Общим направлением здесь является увеличение количества одновременно обрабатываемых измерительных каналов для получения необходимого объема информации для обработки и анализа.

Стенд для испытаний газотурбинных двигателей представляет собой сложное инженерное сооружение, обеспечивающее работу двигателя: подвод топлива, масла, электропитания и т. д. Его управляющий измерительно-вычислительный комплекс (УИВК) должен:

  • управлять двигателем, обеспечивая интеграцию с его системой управления;
  • управлять стендовыми системами (топливная, масляная, электроснабжения, вентиляции, пожаротушения и т. д.);
  • управлять системами для специспытаний (заброс льда, заброс птицы, боковой ветер и т. д.);
  • собирать и обрабатывать динамические данные (данные тензометрирования от датчиков, размещаемых на деталях, вращающихся со скоростью до 20 тыс. оборотов в минуту) в среде с высокой температурой и под действием электромагнитных полей;
  • собирать и обрабатывать «статические» данные (температура, давление, тяга и т. п.).

Список поставщиков УИВК требуемой функциональности весьма ограничен: MDS Aero Support и Cenco, но, несмотря на то что НПО «Сатурн» имеет большой опыт сотрудничества с указанными компаниями, было принято решение о разработке собственного УИВК (рис. 3).

Разработанный комплекс, получивший название «ИВК-Сатурн», базируется на продуктах компании National Instruments и имеет модульную распределенную структуру, единый файл конфигурации, обеспечивает мониторинг состояния компонентов системы и журналирование всех событий. В комплексе поддерживается единая система синхронизации времени, обеспечивается возможность одновременной записи наборов параметров с разной частотой дискретизации, а по результатам испытаний генерируются разнообразные отчеты.

«ИВК-Сатурн» состоит из системы сбора данных, включающей модули для получения данных с измерительного оборудования National Instruments, термостанций VXI Technology, контроллеров Siemens и NI FieldPoint, предоставляющих данные в унифицированном формате. В составе системы имеется «АРМ Бригадира» – средство быстрой конфигурации системы; «АРМ Метролога» – средства поверки сквозного канала (от датчика до устройства отображения) с возможностью групповой тарировки датчиков; «АРМ управления стендом» – интеграция с системой управления двигателя, управление рычагом управления двигателем, управление собственно стендовыми системами. Комплекс также снабжен средствами постобработки и визуализации.

Основным требованием при разработке системы было обеспечение простого расширения, переконфигурации и снижения затрат на сопровождение. В результате стоимость одного измерительного канала «ИВК-Сатурн» оказалась в три-четыре раза ниже, чем в системах зарубежных поставщиков, а эксплуатационные затраты были снижены в 10 раз. Типичная конфигурация УИВК опытного стенда включает 1000–1500 измерительных каналов, поэтому при использовании «ИВК-Сатурн» затраты на каждый стенд сокращаются на несколько миллионов евро. В настоящее время «ИВК-Сатурн» установлен на шести испытательных стендах.

Увеличение числа каналов сбора данных и частот опроса означает резкий рост объема получаемой информации — объем данных опытных испытаний по одной модели нового двигателя может достигать 1 Пбайт, причем эти данные необходимо хранить на протяжении всего жизненного цикла изделия. Для управления получаемыми при испытаниях данными требуется специализированное программное обеспечение, позволяющее производить поиск, извлечение и постпроцессорную обработку результатов. Для этих целей на НПО «Сатурн» была разработана собственная система Mars-XL, работающая с единым форматом данных «ИВК-Сатурн» и предоставляющая базовые механизмы поиска, средства создания шаблонов документов (протоколы испытаний, отчеты), которые автоматически заполняются данными. Система обеспечивает постобработку (прореживание, выборка параметров, выбор интервалов, объединение контрольных точек для построения зависимостей), визуализацию данных, построение любых графиков, экспорт в форматы CSV, PDF и др.

В ходе разработки двигателя SaM146 также была решена задача оперативной доставки партнерам данных испытаний с их конвертацией из внутреннего формата УИВК в формат, используемый Snecma, и последующей загрузкой в системы этой компании.

Виртуальная среда проектирования

В результате реализации проектов по параллельному проектированию, инженерным вычислениям и обработке данных испытаний на НПО «Сатурн» была построена виртуальная среда проектирования (рис. 4), обеспечивающая структурированный доступ ко всем данным моделирования в ходе создания нового авиационного двигателя.

Создание подобной среды на основе лишь одного продукта управления данными (например TeamCenter Engineering или MCS SimManager) оказалось невозможным — каждый такой продукт накладывает свои ограничения на модель данных и навязывает свой подход к организации поддерживаемых бизнес-процессов. Поэтому при создании систем был выбран прагматичный подход, согласно которому максимально используется функционал коробочных систем, но всегда рассматривается вариант альтернативной разработки.

Юрий Зеленков (yuri.zelenkov@npo-saturn.ru)  — директор по ИТ, Юрий Шмотин — первый заместитель генерального конструктора, Павел Чупин – начальник расчетно-исследовательского управления НПО «Сатурн» (г. Рыбинск).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF