Ученые Политехнического института Южно-Уральского государственного университета выполнили исследование, целью которого была разработка методов и программных средств для создания имитационных моделей поршневых двигателей внутреннего сгорания в составе цифровых двойников. В ходе работы были выявлены общие принципы создания цифровых двойников двигателей, создано и запатентовано уникальное программное обеспечение, реализующее разработанные методы и математические модели с использованием технологии интернета вещей. Исследование было опубликовано в высокорейтинговом научном журнале Energies.
Новые технологии для двигателестроения
Современная экономика требует максимального сокращения затрат времени и средств на разработку и постановку продукции на производство, анализ технического состояния объектов на всех стадиях жизненного цикла, оперативное внесение изменений в их конструктивные параметры и режимы эксплуатации. Это в полной мере относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания – основным источникам механической энергии для средств транспорта и малой электроэнергетики.
Коллектив ученых Автотранспортного факультета ЮУрГУ под руководством доктора технических наук, профессора кафедры «Колесные и гусеничные машины» Андрея Малозёмова провел исследование и разработал программное обеспечение для создания цифрового двойника двигателя, что позволит в дальнейшем проектировать новые двигатели и улучшать конструкции уже существующих моделей. В исследовании принимал участие доктор технических наук, профессор Сергей Алюков, кандидат технических наук, доцент Владимир Бондарь и студент Георгий Малозёмов, победитель конкурса УМНИК 2019 года с темой «Разработка библиотеки компонентов на языке Modelica для имитационного моделирования поршневых двигателей внутреннего сгорания».
По прогнозам экспертов, через пять лет рынок цифровых двойников достигнет 16 миллиардов долларов. Исследования показывают, что в 13 % организаций, реализующих проекты Интернета вещей, уже применяются цифровые двойники. К 2021 году половина крупных промышленных компаний будет использовать данную технологию, что приведет к повышению эффективности этих организаций на 10 %. Задача отечественной науки – помочь российскому бизнесу не выпасть из этого тренда.
«В настоящее время существует специализированное зарубежное программное обеспечение для имитационного моделирования двигателей, которое в той или иной мере соответствует концепции цифровых двойников. Общим недостатком этих программных продуктов является закрытость кода. Это не позволяет контролировать достоверность математической модели и её параметров и вносить изменения в математические модели компонентов, а также затрудняет создание компонентов, описывающих новые технические решения. Излишняя детализация компонентов и наоборот, излишне укрупненные компоненты не обеспечивают достаточную гибкость при создании цифровых двойников. Методы создания цифровых двойников двигателей не в полной мере соответствуют потребностям отрасли на данный момент», ─ говорит Андрей Малозёмов.
Потребность российской экономики в разработке конкурентоспособных отечественных программных продуктов для создания цифровых двойников поршневых двигателей внутреннего сгорания обусловливает актуальность данной разработки. Ученые полагают, что это будет способствовать повышению технического уровня продукции и эффективности отрасли двигателестроения в целом.
Альтернатива зарубежным аналогам
Во время работы над исследованием ученые изучили общие принципы создания цифровых двойников двигателей, создали программное обеспечение в соответствии с используемыми методами и математическими моделями.
«Мы были сосредоточены на решении конкретных научно-практических задач с применением результатов исследования: разработали технические решения для кратковременного форсирования дизелей гусеничных машин, для совершенствования пусковых качеств дизелей в условиях экстремально низких температур, оптимизации теплового баланса силовых установок гусеничных машин. Запатентованное программное обеспечение не уступает по своим функциональным возможностям зарубежным аналогам. А иногда даже превосходит их, например, в части касающейся расчета процессов предпусковой подготовки и пуска, изнашивания, возможности прогнозирования безотказности, возможности быстрой корректировки математических моделей. Разработанное программное обеспечение уже использовалось при выполнении работ, заменив дорогостоящие импортные программы ─ это одна из основных причин, обусловивших необходимость создания этой программы», ─ поясняет Сергей Алюков.
Необходимо отметить, что коллектив научных работников Южно-Уральского государственного университета длительное время сотрудничает с такими предприятиями двигателестроения, например, Челябинский тракторный, Уральский дизель-моторный, Алтайский моторостроительный заводы, Барнаултрансмаш, КамАЗ. Предприятия проявляют интерес к таким разработкам, готовы приобретать и использовать их. Особенно это касается предприятий, которые не могут полноценно пользоваться услугами технической поддержки, так как конструктивные параметры двигателей являются информацией ограниченного доступа.
Разработки ученых могут быть применены при создании и внедрении цифровых двойников поршневых двигателей внутреннего сгорания для повышения технического уровня продукции, снижения затрат времени и средств на конструктивную доводку за счет замены большей части технических испытаний виртуальными.
Исследования в области новых технологий в числе приоритетов Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ) «Передовые производственные технологии и материалы», который в настоящее время создан на базе объединенными усилиями УрФУ, ЮУрГУ, КГУ, других региональных высших учебных заведений, Уральского отделения РАН, промышленных предприятий и правительства Челябинской, Свердловской и Курганской областей.