Применение виртуализации в промышленном производстве

Виртуализация производственных процессов — на сегодняшний день один из ключевых подготовительных этапов и при строительстве промышленных комплексов, и при разработках конечной продукции, которую эти заводы должны будут выпускать. Разберёмся, что это такое, чем она полезна и как применяется в производстве — на примере Toshiba.

Чем помогают симуляции

Во-первых, симуляции процессов и сред помогают избежать многих ошибок и недочётов при проектировании новых или адаптации уже построенных производственных помещений. Прежде чем построить завод физически, создают его точную цифровую модель в виртуальном пространстве — дотошно моделируют все аспекты производственного пространства, в том числе, размещение оборудования, систем вентиляции и маршрутов перемещения работников.

Помимо этого, внедрение систем симуляции производственных процессов позволяет заменить физические испытания прототипов на виртуальные без ущерба для точности результатов. Скажем, в корпорации Toshiba симуляции обеспечили возможность воссоздавать при тестировании любые условия эксплуатации, включая избыточные нагрузки.

В 2019 году сотрудник Toshiba Corporate Manufacturing Engineering Center Ясутада Накагава (Yasutada Nakagawa) получил высшую корпоративную награду фирмы —Ichisuke Fujioka Award. Названная в честь Итисуке Фудзиоки, одного из основателей Toshiba, эта награда вручается сотрудникам, которые внесли особый вклад в развитие общества и улучшение жизни людей. А всё потому, что Накагава — главный разработчик систем симуляции, которые используются в Toshiba на всех этапах производства. Они помогают с высокой точностью рассчитать и визуализировать поведение материалов при выпуске промышленной продукции, будь то портативная электроника или гигантские паровые турбины. Один мощный компьютер в итоге заменяет недели и даже месяцы работы тестовых лабораторий.

Внедрение промышленной симуляции позволило также унифицировать накопленные за десятилетия наработки многочисленных подразделений и фабрик компаний: когда Накагава ещё только начинал работать в Toshiba, он выяснил, что уникальные ноу-хау существуют практически в каждом отделе и в каждом цехе, но за их пределами о них никто ничего не знает. Система моделирования всех этапов производства, которую разработал Накагава, в итоге позволила формализовать эти наработки так, чтобы их смогли применять все подразделения Toshiba.

Как это работает

Симуляция в программе Abaqus процесса проката металла. Визуализирован расчет напряжений в детали после проката. При более сложной обработки симуляция позволяет найти потенциально хрупкие места. Источник: Abdullah Khalifa / YouTube

Продолжим разбираться на примере Toshiba. Японская корпорация использует симуляции на трёх основных направлениях: при проектировании производственных комплексов, при разработке конечной продукции и её тестировании перед выпуском на рынок.

При проектировании новых заводов или адаптации уже существующих зданий в программный пакет для симуляции загружаются все имеющиеся исходные данные — физические характеристики помещений, оборудование, мебель, информация о системах электропитания и кондиционирования воздуха. Создаётся точная трёхмерная модель, которая позволяет избежать конфликтов между отдельными элементами завода и затем проверить его будущее функционирование по множеству параметров, в том числе не самых очевидных.

Цифровое моделирование и симуляции также предшествуют разработке и производству конечной продукции: модель нового изделия с нужными параметрами загружается в систему конечно-элементного анализа, где для каждого её элемента математически рассчитывается реакция на нагрузки.

Благодаря этому ещё этапе моделирования удаётся выявить, скажем, слабые места или области повышенного напряжения корпуса, чреватые поломками. Симуляция позволяет застраховаться от дефектов литья или обработки фрезой, подобрать оптимальные материалы, виды пластика, сорта сплавов и т.д.

Такие программные комплексы, как ANSYS или Abaqus Unified FEA, обеспечивают точность расчётов испытаний прототипов: реальные испытания во всех подробностях воспроизводятся "в цифре". Объём вычислений, безусловно, потребует применять самые высокопроизводительные системы. Однако в итоге появляется возможность сэкономить огромное количество времени и средств, которые пришлось бы расходовать на физические испытания. Притом уровень точности программных комплексов сегодня уже настолько высок, что в Европе продукция, проходившей исключительно виртуальное тестирование, уверенно получает сертификаты соответствия стандартам качества и безопасности.

Наконец, с помощью симуляции возможно производить и "бета-тестирование" товаров, готовящихся к серийному выпуску. Сложность задачи тут заключается в том, что все возможные сценарии эксплуатации того или иного изделия в реальных условиях предусмотреть почти невозможно. Но это не значит, что конечные пользователи не найдут тот самый способ использования новой разработки, который окажется для неё фатальным.

Тут могло бы помочь публичное тестирование, но то, что нормально для стартапов, для корпораций уровня Toshiba чревато далеко идущими последствиями: если по какой-то причине тестируемая продукция всё-таки содержит серьёзные недочёты, разработчик рискует и репутацией, и капитализацией.

Поэтому действуют так: на математическом уровне моделируют статические и динамические нагрузки по всем осям, всевозможные вибрации, тепловое и акустическое воздействие. Такое тестирование позволяет выявить скрытые проблемы дизайна, в том числе те, что дают знать о себе лишь спустя месяцы активной эксплуатации изделия. К примеру, может оказаться, что используемый алюминиевый сплав вдруг оказывается недостаточно прочным, неправильное взаимное расположение элементов управления внутри устройства приводит к их взаимному повреждению, а рёбра жёсткости, призванные укрепить деталь, в действительности делают её ещё более хрупкой: кинетическая энергия перераспределяется таким образом, что создаются новые, неожиданные области напряжения.

Цифровая симуляция — наиболее эффективный способ снизить вероятность проявления таких проблем.

Резюме

Компьютерное моделирование — не панацея: в конечном счёте всё зависит от квалификации людей, занятых в проектировании и производстве. Но именно технологии вирутализации позволили и Toshiba, и другим производителям заметно сократить свои издержки — без ущерба для качества выпускаемой продукции. Наоборот, высокоточное моделирование в виртуальной среде позволяет улучшить многие характеристики производимых товаров и оборудования.

Источник.