КИБЕРФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СОЗДАНИЯ И ВАЛИДАЦИИ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА СОСТАВНОЙ ЧАСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G06F30/20 

Заявленное изобретение относится к информационным системам в авиации и может быть использовано для создания и валидации цифрового двойника составной части летательного аппарата на ранних этапах создания авиационной техники с применением возможностей полунатурного моделирования.

В связи с развитием современных информационных технологий расширяется использование возможностей компьютерного моделирования при решении задач разработки, производства, испытаний и эксплуатации авиационной техники. Компьютерные модели становятся одной из форм представления результатов научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности, активно используемых при создании наукоемкой продукции, к которой относится и авиастроение. Совершенствование вычислительных технологий, применяемых в авиации, идет по пути перехода от анализа отдельных конструктивных элементов к полномасштабному трехмерному анализу поведения летательного аппарата в целом, что позволило активно внедрять технологию цифровых двойников отдельных узлов, агрегатов и систем летательного аппарата (ЛА), которые по своим характеристикам применимы для всех этапов жизненного цикла ЛА. В соответствии с ГОСТ P 57700.37-2021 под понятием «цифровой двойник» понимается система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием и его составными частями, а под цифровой моделью изделия - система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов испытаний по ГОСТ 16504 оценена выполнимость предъявляемых к изделию требованиям.

Создание функционального цифрового двойника требует применения современных компьютерных средств и программных продуктов, позволяющих производить решение сопряженных трехмерных задач аэродинамики, гидродинамики, конвективного тепломассопереноса и прочности.

Однако, создание цифрового двойника (ЦД) такого сложного устройства, как летательный аппарат, возможно только при наличии в арсенале разработчика цифровых двойников составных частей летательного аппарата (узлов, агрегатов и систем). В соответствии с ГОСТ 2.101-2016 под понятием «составная часть изделия» (СЧ) понимается изделие, выполняющее определенные функции в составе другого изделия. СЧ может быть любым видом изделия по конструкторско-функциональным характеристикам (деталь, сборочная единица, комплекс и комплект). При этом важно обеспечить проверку адекватности модели реальным объектам, использующихся в виртуальных экспериментах - процедуру валидации (ГОСТ P 57700.25-2020).

С целью сокращения времени на разработку ЦД ЛА в заявленном изобретении предлагается для создания и валидации ЦД СЧ ЛА применить результаты полунатурных методов моделирования, широко используемых на предприятиях авиационной промышленности. Полунатурные методы моделирования занимают промежуточную стадию проектирования, когда опытные образцы изделия уже физически изготовлены, но они еще не готовы к натурным (реальным) испытаниям в силу своей незаконченности, неточности и некоторой неизвестности по ряду параметров.

Полунатурное моделирование является исследованием управляемых систем на моделирующих стендах с включением в состав модели реального изделия (прототипа). Вместе с реальными изделиями в состав модели могут входить имитаторы различных воздействий и помех, математические модели сред и процессов. Включение реальных образцов изделия в состав контура моделирования сложных систем и процессов уменьшает априорную неопределенность и позволяют исследовать процессы, не обладающие точным математическим описанием.

В предложенном изобретении задачу разработки и валидации ЦД СЧ ЛА предлагается решать путем применения результатов полунатурного моделирования, полученных с помощью стенда полунатурного моделирования, моделирующего внешние определяющие воздействия и физической модели критического элемента (изделия). На стенде полунатурного моделирования исследуются режимы работы СЧ во всех требуемых диапазонах возможных изменений необходимых параметров путем имитации необходимых внешних воздействии. Полученные при этом результаты используются для процедуры валидации и уточнения ЦД СЧ.

Для реализации единой информационной системы создания и валидации ЦД СЧ ЛА в заявленном изобретении предлагается применять технологии киберфизических систем. Киберфизическая система представляет собой организационно-техническую концепцию управления информационными потоками и интеграции вычислительных ресурсов в физические процессы жизненного цикла образца авиационной техники. В такой системе датчики, контроллеры и информационные системы объединяются в единую сеть. В соответствии с ПНСТ 417-2020 под понятием «киберфизическая система» понимается интеллектуальная система, которая включает в себя инженерные взаимодействующие сети физических и вычислительных компонентов.

Заявленное изобретение построено с учетом рекомендаций ГОСТ P 57700.37-2021, в соответствии с требованиями которого программно-технологическая платформа цифровых двойников должна включать средства управления программным обеспечением компьютерного моделирования; средства сбора, обработки, анализа, визуализации, каталогизации, хранения, передачи компьютерных моделей и результатов компьютерного моделирования; средства отслеживания всех изменений конструкторских, технологических решений и модификации компьютерных моделей и вариантов инженерных расчетов; средства оформления результатов; средства защиты данных и организации совместной работы участников проекта в соответствии с правами доступа; средства компьютерного моделирования для планирования применения изделия по назначению, поддержки его технического обслуживания и ремонта.

При этом, наиболее близким аналогом, известным из уровня техники, является изобретение «Контекстный цифровой двойник» (патент на изобретение US 20190138970 A1), включающий вычислительную систему, содержащую: процессор, сконфигурированный для запуска цифрового двойника, который содержит виртуальное представление актива и который выполняется на основе данных, связанных с активом, определяет операционное событие, которое произошло в отношении актива, на основе выполнения цифрового двойника актива, идентифицировать предыдущие операционные события, которые произошли и которые связаны с определенным операционным событием, и создать контекст для определенного операционного события на основе предыдущих операционных событий; и выход, сконфигурированный для вывода информации для отображения о сгенерированном контексте определенного рабочего события на устройство отображения; энергонезависимый машиночитаемый носитель, на котором хранятся инструкции, выполнение которых приводит к выполнению компьютером способа, включающего: выполнение цифрового двойника, который содержит виртуальное представление актива, при этом цифровой двойник выполняется на основе данных, связанных с активом; определение операционного события, произошедшего в отношении актива, на основе исполнения цифрового двойника актива; идентификацию предыдущих операционных событий, которые произошли и которые относятся к определенному рабочему событию, и создание контекста для определенного рабочего события на основе предыдущих рабочих событий; и вывод информации для отображения о сгенерированном контексте определенного рабочего события на устройство отображения; реализуемый компьютером способ, включающий: выполнение цифрового двойника, который содержит виртуальное представление актива, при этом цифровой двойник выполняется на основе данных, связанных с активом; определение операционного события, произошедшего в отношении актива, на основе исполнения цифрового двойника актива; идентификацию предыдущих операционных событий, которые произошли и которые относятся к определенному рабочему событию, и создание контекста для определенного рабочего события на основе предыдущих рабочих событий; и вывод информации для отображения о сгенерированном контексте определенного рабочего события на устройство отображения.

Недостатком этого решения является то, что система, в силу ограниченных функциональных возможностей в части уточнения и валидации компьютерных моделей, входящих в цифровой двойник летательного аппарата, не быть использована напрямую для валидации и уточнения цифрового двойника по результатам полунатурного моделирования.

Технической задачей заявленного изобретения является расширение арсенала устройств, применяемых для внедрения технологии цифровых двойников в авиации.

Решение технической задачи достигается тем, что киберфизическая система создания и валидации цифрового двойника составной части летательного аппарата по результатам полунатурного моделирования включает: испытательный стенд, первый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом прототипа составной части летательного аппарата, второй вход-выход испытательного стенда соединен с первым входом-выходом коммутатора системы передачи данных; прототип составной части летательного аппарата, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом измерительной системы; измерительную систему, второй вход-выход которой соединен с первым входом-выходом комплекса обработки информации; комплекс обработки информации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения первичной информации, третий вход-выход комплекса обработки информации соединен со вторым входом-выходом коммутатора системы передачи данных, четвертый вход-выход комплекса обработки информации соединен с первым входом-выходом блока идентификации, обработки и анализа; блок идентификации, обработки и анализа, второй вход-выход которого соединен с шестым входом-выходом коммутатора системы передачи данных, третий вход-выход блока идентификации, обработки и анализа соединен с входом-выходом блока хранения информации «Результаты», четвертый вход-выход блока идентификации, обработки и анализа соединен с входом-выходом блока протоколирования и визуализации результатов; коммутатор системы передачи данных, третий вход-выход которого соединен с первым входом-выходом блока управления цифровым двойником, четвертый вход-выход коммутатора системы передачи данных соединен с первым входом-выходом блока контроля изменений и модификации цифрового двойника, пятый вход-выход коммутатора системы передачи данных соединен с первым входом-выходом валидатора цифрового двойника; модуль численного моделирования «Гидрогазодинамика», второй вход-выход которого соединен с первым выходом модуля построения дискретной модели; модуль численного моделирования «Прочность», второй вход-выход которого соединен со вторым выходом модуля построения дискретной модели; модуль численного моделирования «Теплопроводность», второй вход-выход которого соединен с третьим выходом модуля построения дискретной модели; модуль численного моделирования «Электромагнетизм», второй вход-выход которого соединен с четвертым выходом модуля построения дискретной модели; модуль построения дискретной модели, пятый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля построения геометрической модели; модуль построения геометрической модели, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом модуля построения структурной модели; модуль построения структурной модели, первый вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом блока управления хранилищем цифрового двойника, третий вход-выход модуля построения структурной модели соединен с входом-выходом блока хранения информации «Конструкторская документация»; локальную вычислительную сеть, первый порт подключения которой соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Гидрогазодинамика», второй порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Прочность», третий порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Теплопроводность», четвертый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Электромагнетизм», пятый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом блока управления хранилищем цифрового двойника, шестой порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом высокопроизводительной вычислительной системы, седьмой порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом блока хранения информации «Материалы», восьмой порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом блока хранения информации «Среда», девятый порт подключения локальной вычислительной сети соединен со вторым входом-выходом валидатора цифрового двойника, десятый порт подключения локальной вычислительной сети соединен со вторым входом-выходом блока контроля изменений и модификации цифрового двойника, одиннадцатый порт подключения локальной вычислительной сети соединен со вторым входом-выходом блока управления цифровым двойником, двенадцатый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом модуля функционального моделирования, тринадцатый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом модуля численного моделирования связанных задач; блок управления хранилищем цифрового двойника, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения информации «Цифровой двойник».

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, заключается в обеспечении возможности создания цифрового двойника составной части летательного аппарата с использованием технических средств полунатурного моделирования.

Функционирование заявленного изобретения иллюстрируется фигурой, на которой обозначены:

Контур А - контур технических средств полунатурного моделирования;

Контур В - контур технических средств цифрового двойника;

P - прототип составной части летательного аппарата;

P.1, Р.2 - первый и второй вход-выход прототипа составной части летательного аппарата;

1 - испытательный стенд;

1.1, 1.2 - первый и второй вход-выход испытательного стенда;

2 - измерительная система;

2.1, 2.2 - первый и второй вход-выход измерительной системы;

3 - комплекс обработки информации;

3.1, 3.2, 3.3, 3.4 - первый, второй, третий и четвертый вход-выход комплекса обработки информации соответственно;

4 - блок хранения первичной информации;

5 - блок идентификации, обработки и анализа;

5.1, 5.2, 5.3, 5.4 - первый, второй, третий, четвертый вход-выход блока идентификации, обработки и анализа соответственно;

6 - блок протоколирования и визуализации результатов;

7 - блок хранения информации «Результаты»;

8 - коммутатор системы передачи данных;

8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6 - первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой вход-выход коммутатора системы передачи данных соответственно;

9 - блок управления цифровым двойником;

9.1, 9.2 - первый и второй вход-выход блока управления цифровым двойником соответственно;

10 - блок контроля изменений и модификации цифрового двойника;

10.1, 10.2 - первый и второй вход-выход блока контроля изменений и

модификации цифрового двойника соответственно;

11 - валидатор цифрового двойника;

11.1, 11.2 - первый и второй вход-выход валидатора цифрового двойника соответственно;

12 - модуль численного моделирования связанных задач;

13 - модуль функционального моделирования;

14 - модуль численного моделирования «Гидрогазодинамика»;

14.1, 14.2 - первый и второй вход-выход модуля численного моделирования «Гидрогазодинамика» соответственно;

15 - модуль численного моделирования «Прочность»;

15.1, 15.2 - первый и второй вход-выход модуля численного моделирования «Прочность» соответственно;

16 - модуль численного моделирования «Теплопроводность»;

16.1, 16.2 - первый и второй вход-выход модуля численного моделирования «Теплопроводность» соответственно;

17 - модуль численного моделирования «Электромагнетизм»;

17.1, 17.2 - первый и второй вход-выход модуля численного моделирования «Электромагнетизм» соответственно;

18 - модуль построения дискретной модели;

18.1, 18.2, 18.3, 18.4 - первый, второй, третий, четвертый выход модуля построения дискретной модели соответственно;

18.5 - пятый вход-выход модуля построения дискретной модели;

19 - модуль построения геометрической модели;

19.1, 19.2 - первый и второй выход-выход модуля построения геометрической модели соответственно;

20 - блок хранения информации «Среда»;

21 - блок хранения информации «Материалы»;

22 - высокопроизводительная вычислительная система (СВС);

23 - модуль построения структурной модели;

23.1, 23.2, 23.3 - первый, второй и третий вход-выход модуля построения структурной модели соответственно;

24 - блок хранения информации «Конструкторская документация»;

25 - блок управления хранилищем цифрового двойника;

25.1, 25.2, 25.3 - первый, второй и третий вход-выход блока управления хранилища цифрового двойника соответственно.

LAN - (англ. Local Area Network) локальная вычислительная сеть (ЛВС);

p1-p13 - порт подключения локальной вычислительной сети от 1 до 13 соответственно;

DT - блок хранения информации «Цифровой двойник».

Блок P - прототип составной части летательного аппарата (узла, агрегата или системы летательного аппарата), размещенный на стенде полунатурного моделирования; прототипу P соответствует цифровой двойник (ЦД);

Блок 1 - испытательный стенд, представляет собой испытательное оборудование, позволяющее имитировать реальные условия эксплуатации составной части ЛА (Р), а также пульт управления стендом в виде терминала управления и вычислительного модуля на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением.

Блок 2 - измерительная система представляет собой информационно-измерительную систему, предназначенную для получения в условиях полунатурного моделирования измерительной информации, характеризующей состояние и работу прототипа P в соответствии с условиями, задаваемыми блоком 1. Измерительная система включает следующие элементы: первичные измерительные преобразователи, воспринимающие физические воздействия от P и преобразующие их в электрический сигнал; согласующее устройство, осуществляющее преобразование сигналов в вид, необходимый для регистрации, средства синхронизации, обеспечивающие привязку к единому времени всех потоков регистрируемой информации. Блок 2 может быть реализован в рамках известного технического решения: [https://konved.ru/].

Блок 3 - комплекс обработки информации, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением комплексной обработки измерительной информации при летных испытаниях авиационной техники, осуществляющий автоматизированную обработку материалов, полученных при полунатурном моделировании прототипа P по алгоритмам, изложенным в [Пашковский, И.М. Летные испытания самолетов и обработка результатов испытаний / И.М. Пашковский, В.А. Леонов, Б.К. Поплавский. M.: Машиностроение, 1985. 415 с]. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя.

Блок 4 - блок хранения первичной информации, представляет собой хранилище, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блок питания.

Блок 5 - блок идентификации, обработки и анализа, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Блок осуществляет автоматизированную обработку результатов математического моделирования, полученных от цифрового двойника и от комплекса полунатурного моделирования прототипа Р, по алгоритмам, изложенным в [Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента М.: Наука, 1971. 192 с].

Блок 6 - блок протоколирования и визуализации результатов, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя, для документирования результатов оснащается печатающим устройством. Блок осуществляет функции визуализации и протоколирования результатов обработки информации, поступающей от комплекса полунатурного моделирования и ЦД, а также обеспечивает организацию разделенного доступа к результатам для различных групп пользователей в зависимости от уровня доступа.

Блок - 7 блок хранения информации «Результаты», представляет собой хранилище информации, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блок питания.

Блок 8 - коммутатор системы передачи данных, представляет собой шлюз, осуществляющий организацию межсетевого взаимодействия по протоколам интернета вещей (англ. - Internet of Things IoT) между блоками 1, 3, 5, 9, 10 и 11. Может быть выполнен на основе известного технического решения: https://www.plcsystems.ru/catalog/womaster/section.php7SECTION_ID =895.

Блок 9 - блок управления, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Блок осуществляет функции, связанные с формированием исходных данных эксперимента, задания граничных условий моделирования.

Блок 10 - блок контроля изменений и модификации цифрового двойника, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Блок осуществляет функции, связанные с контролем соответствия состава ЦД прототипу Р. Может быть выполнен в соответствии с техническим решением, изложенным в [Заявка на изобретение № 2023101435 от 24.01.2023 г. / Солдатов А.С. Система контроля состава и характеристик оборудования летательного аппарата для обеспечения функционирования его цифровых двойников].

Блок 11 - валидатор цифрового двойника, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Блок осуществляет процедуру валидации входящих в состав ЦД компьютерных моделей путем проведения валидационного сравнения и оценки соответствия компьютерной модели объекту моделирования по алгоритмам, изложенным в [Забелин А.В., Пыхалов А.А. Валидация конечно-элементных моделей и алгоритм ее реализации // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 3. С. 216-233].

Блок 12 - модуль численного моделирования связанных задач, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Модуль предназначен для проведения сквозного мультифизичного моделирования на основе связанных, сопряженных и поэтапных расчетов, параметрических и оптимизационных исследований по встроенному в программное обеспечение алгоритмам, изложенным в [http://cit.bsau.ru/netcat_files/File/CIT/manuals/ANSYS.pdf] и в [Ермаков, А. И. Решение сопряженных задач и моделирование деформирования элементов двигателей в программном комплексе ANSYS [Электронный ресурс]: электрон, учеб. пособие / А.И. Ермаков, А.О. Шкловец; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. акад. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). - Самара, 2011].. Ключевой задачей модуля является обмен данными между модулями 14, 15, 16 и 17 при совместном моделировании. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: «Логос Платформа» из пакета программ ЛОГОС (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») (http://logos.vniief.ru/products/platforma/); COMSOL Multiphysics (https://www.comsol.ru/comsol-multiphysics) и др.

Блок 13 - модуль функционального моделирования, представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Модуль предназначен для исследования и анализа нестационарных процессов в ЦД путем создания комплексной модели функционирования ЦД, для чего проектируются логико-динамические системы, описываемых во входо-выходных отношениях, в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений и/или дифференциально-алгебраических уравнений (https://digitaltwin.ru/wp-content/uploads/2022/09/SimInTech-rus.pdf). В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: SimlnTech (https://simintech.ru/), Simulink (https://www.mathworks.com/products/simulink.html), Ansys Twin Builder (https://www.ansys.com/products/digital-twin/ansys-twin-builder) и др.

Блок 14 - модуль численного моделирования «Гидрогазодинамика», представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Модуль предназначен для численного моделирования задач аэродинамики ЦД путем выполнения вычислений по встроенному в программное обеспечение алгоритмам, изложенным в [Павловский В.A, Никущенко Д.В Вычислительная гидродинамика. Теоретические основы. СПб. Лань, 2018. 368 с]. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: «Логос Аэро-Гидро» из пакета программ ЛОГОС (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») (http://logos.vniief.ru/products/aerodynamics/), ANSYS Fluent (https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent) и др.

Блок 15 - модуль численного моделирования «Прочность», представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Модуль предназначен для численного моделирования задач прочности ЦД путем выполнения вычислений по встроенному в программное обеспечение алгоритмам, изложенным в [Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев; под ред. А. П. Гусенкова. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1993. 354 с]. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: «Логос Прочность» из пакета программ ЛОГОС (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») (http://logos.vniief.ru/products/strength/), ANSYS Mechanical (https://www.ansys.com/products/structures/ansys-mechanical) и др.

Блок 16 - модуль численного моделирования «Теплопроводность», представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Модуль предназначен для численного моделирования задач теплопроводности, излучения и фазовых переходов в твердых телах и неподвижных средах ЦД путем выполнения вычислений по встроенному в программное обеспечение алгоритмам, изложенным в [Савельева И. Ю., Станкевич И. В. Математическое моделирование процессов теплопроводности методом конечных элементов. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019, 176 с]. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: «Логос Тепло» из пакета программ ЛОГОС (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») (http://logos.vniief.ru/products/heat/), ANSYS Mechanical (https://www.ansys.com/products/structures/ansys-mechanical) и др.

Блок 17 - модуль численного моделирования «Электромагнетизм», представляет собой вычислительный модуль на основе микропроцессора с предустановленной операционной системой и специальным программным обеспечением. Управление модулем осуществляется с терминала пользователя. Модуль предназначен для численного моделирования электродинамического, электромагнитного, схемотехнического и теплового инженерного анализа для микроэлектронных, электро- и радиотехнических компонентов, устройств и систем. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: GAMMA (https://iskra-tech.ru/rossijskie-cae-sistemy-dlya-resheniya-inzhenemykh-zadach/elektromagnetizm/gamma/), комплекс ANSYS Electronics (https://www.ansys.com/products/electronics) и др.

Блок 18 - модуль построения дискретной модели, представляет собой микропроцессор со специальным программным обеспечением и терминалом пользователя. Модуль предназначен для создания сеточной модели для многодисциплинарных расчетов. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: «Логос Препост» из пакета программ ЛОГОС (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») (http://logos.vniief.ru/products/prepost/), ANSYS Meshing (https://www.ansys.com/products/meshing) и др.

Блок 19 - модуль построения геометрической модели, представляет собой микропроцессор со специальным программным обеспечением и терминалом пользователя. Модуль предназначен для построения трехмерной модели ЦД. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: KOMTIIAC-3D (https://kompas.ru/kompas-3d/about/), SOLIDWORKS Desktop 3D CAD (https://www.solidworks.com/domain/design-engineering), NX CAD (Siemens Digital Industries Software) (https://siemens-nx.syssoft.ru/) и др.

Блок 20 - блок хранения информации «Среда», представляет собой хранилище, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блок питания. Хранилище предназначено для хранения и организации доступа к параметрам твердых, жидких и газообразных сред, используемых при моделировании различных физических процессов (плотность, вязкость, текучесть, электропроводность и т.п.).

Блок 21 - блок хранения информации «Материалы», представляет собой хранилище, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блок питания. Хранилище предназначено для хранения и организации доступа к характеристикам конструкционных материалов (предел прочности, предел текучести, температура плавления, рабочая температура и т.д.), используемых при моделировании.

Блок 22 - высокопроизводительная вычислительная система (СВС) (англ. High Performance Computing, НРС), построенная в формате вычислительного кластера (группа серверов, соединенных с помощью скоростной сети и использующих специализированное программное обеспечение). Серверы взаимодействуют между собой для увеличения доступной памяти и количества процессоров, используемых для решения задачи. В состав СВС входят: вычислительный узел кластера, представляющий собой сервер на базе многоядерных процессоров; управляющий узел кластера, представляющий собой высокопроизводительный сервер, выполняющий функции планирования и мониторинга; блок коммутации, обеспечивающий высокую скорость передачи данных между узлами, система хранения данных, для хранения промежуточных данных, получаемых в ходе вычислений; система охлаждения и система обеспечения бесперебойного питания. Система может быть построена на базе известного технического решения (https://www.karma-group.ru/catalog/huawei_mission_critical_servers/server-huavei-kunlun/kunlun-9008-v5/).

Блок 23 - модуль построения структурной модели, представляет собой микропроцессор со специальным программным обеспечением и терминалом пользователя. Модуль предназначен для построения двумерных и трехмерных геометрических моделей узлов, агрегатов и систем ЦД по конструкторской документации, хранящейся в блоке 25. Также в модуле осуществляется корректировка структурной модели и отслеживаются все изменения, вносимые в конструкторскую документацию. В качестве специального программного обеспечения может быть использовано одно из известных программных решений: KOMПАС-3D (https://kompas.ru/kompas-3d/about/), SOLIDWORKS Desktop 3D CAD (https://wvvw.solidworks.com/domain/design-engineering), NX CAD (Siemens Digital Industries Software) (https://siemens-nx.syssoft.ru/) и др.

Блок 24 - блок хранения информации «Конструкторская документация», представляет собой хранилище, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блок питания. В блоке хранится оцифрованная конструкторская документация ЛА.

Блок 25 - блок управления хранилищем цифрового двойника, представляет собой микропроцессор со специальным программным обеспечением и терминалом пользователя. Блок предназначен для организации доступа к блоку хранения информации цифрового двойника, соответствующего реальному физическому объекту: системам, узлам или агрегатам летательного аппарата Р.

Блок DT - блок хранения информации «Цифровой двойник», представляет собой хранилище, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блок питания. Блок предназначен для хранения компьютерных моделей и результатов моделирования реального физического объекта (прототипа Р) на основе результатов моделирования в блоках 12-17.

LAN - локальная вычислительная сеть, построенная по технологии Ethernet (стандарты IEEE 802.3), к которой через порты p1-p13 соединительными кабелями типа витая пара (cat.8) через разъемы RJ45 подключаются к общей шине блоки 9-17, 20-22, 25, имеющие уникальный адрес (МАС-адрес).

Функционирование заявляемого изобретения заключается в следующем.

Составная часть летательного аппарата (узел, агрегат или система летательного аппарата) P размещается на испытательном стенде 1, на котором имитируются реальные условия эксплуатации.

Измерительная система 2 получает информацию от первичных измерительных преобразователей (датчиков), воспринимающих физические воздействия от P и преобразующие их в электрический сигнал. Преобразованный сигнал, привязанный к единому времени всех потоков регистрируемой информации, регистрируется в 2 и передается в комплекс обработки информации 3, где осуществляется комплексная обработка измерительной информации, полученной при полунатурном моделировании прототипа Р.

Первичная информация результатов полунатурного моделирования записывается в блок хранения первичной информации 4, а после обработки в блоке 3 поступает в блок идентификации, обработки и анализа 5. В блоке 5 происходит обработка и анализ информации, поступившей от реального физического объекта P и его цифрового двойника DT, причем блок 5 соединен с цифровым двойником через коммутатор системы передачи данных 8, осуществляющий организацию межсетевого взаимодействия по протоколам интернета вещей (англ. - Internet of Things IoT) между блоками 1, 3, 5, 9, 10 и 11. В блоке 5 осуществляется автоматизированная обработка результатов моделирования, полученных от цифрового двойника и от реального физического объекта Р, по алгоритмам, предложенным в [Корнев, А.В. Применение отечественных суперкомпьютерных технологий для создания перспективных образцов авиационной техники / А. В. Корнев, А. С. Козелков. // Современные информационные технологии и ИТ-образование, 2021. Т. 17, № 2. С. 250-264]. Результаты обработки из 5 поступают в 6, где осуществляется их отображение и документирование. Хранение результатов экспериментов осуществляется в блоке 7.

Технические средства цифрового двойника (контур В) по предназначению и выполняемым функциям подразделяются на три группы: технические средства управления, контроля и валидации ЦД (блоки 9-11); технические средства моделирования (блоки 12-22); технические средства формирования и хранения ЦД (блоки 23-25, блок DT).

Построение ЦД СЧ ЛА начинается в модуле построения структурной модели (блок 23), для построения которой используется конструкторская документация ЛА и библиотеки моделей поверхности изделий из блока 24. На основании сформированной структурной модели в блоке 21 создается геометрическая модель СЧ ЛА.

Для выполнения дальнейших расчетов необходимо сформировать компьютерную геометрическую модель интересующей области исследования, подготовленную для создания сеточной модели расчетной зоны на базе геометрической. В блоке 18 осуществляется разбиение геометрической модели, созданной в блоке 19, на отдельные малые ячейки (контрольные объемы). Эта процедура производится полуавтоматически в модуле 18 по алгоритмам, изложенным в [Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с]. Созданная сеточная модель для многодисциплинарных расчетов поступает из блока 18 для получения численной модели в следующие блоки:

в блок 14 - для численного моделирования задач аэродинамики ЦД путем решения задач течения жидкости и газа, многофазных и реагирующих потоков, а также акустики при проектировании высокотехнологичных промышленных изделий по алгоритмам, изложенным в [Павловский В.A., Никущенко Д.В Вычислительная гидродинамика. Теоретические основы. СПб. Лань, 2018. 368 с.];

в блок 15 - для численного моделирования задач прочности путем решения задач статического и динамического упругопластического деформирования и разрушения конструкций, а также вибрационного анализа и широкополосной случайной вибрации по алгоритмам, изложенным в [Когаев, В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев; под ред. А. П. Гусенкова. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1993. 354 с. ];

в блок 16 - для численного моделирования задач теплопроводности, излучения и фазовых переходов в твердых телах и неподвижных средах по алгоритмам, изложенным в [Савельева И.Ю., Станкевич И.В. Математическое моделирование процессов теплопроводности методом конечных элементов. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019, 176 с.];

в блок 19 - для численного моделирования электродинамического, электромагнитного, схемотехнического и теплового инженерного анализа для микроэлектронных, электро- и радиотехнических компонентов, устройств и систем. [Гринев А.Ю. Численные методы решения прикладных задач электродинамики. М. Радиотехника, 2012 - 336 с.].

Полученные в блоках 14-17 численные модели, являющиеся результатом расчета, представляет собой массив данных: дискретная модель (сетка), в которой для каждой ячейки найдены параметры потока (давление, температура, скорость, плотность и т.п.), соответствующие сошедшемуся решению. Для решения связанных задач, численные модели могут поступать в блок 12 для проведения сквозного мультифизичного моделирования на основе связанных, сопряженных и поэтапных расчетов, параметрических и оптимизационных исследований по встроенному в программное обеспечение алгоритмам, изложенным в [http://cit.bsau.ra/netcat_files/File/CIT/manuals/ANSYS.pdf] и в [Ермаков, А.И. Решение сопряженных задач и моделирование деформирования элементов двигателей в программном комплексе ANSYS [Электронный ресурс]: электрон, учеб. пособие / А.И. Ермаков, А.О. Шкловец; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. акад. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т). - Самара, 2011].

Обмен данными между блоками 14, 15, 16 и 17 при совместном моделировании и блоком 12 происходит по ЛВС. Результаты моделирования из блоков 12, 14, 15, 16, 17 через ЛВС поступают в блок 13, где формируются комплексные математические модели, предназначенные для исследования и анализа нестационарных процессов в ЦД и создаются комплексные модели функционирования ЦД путем проектирования логико-динамических систем, описываемых во входо-выходных отношениях, в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений и/или дифференциально-алгебраических уравнений в соответствии с подходом, предложенным в [https://digitaltwin.ru/wp-content/uploads/2022/09/SimInTech-rus.pdf] и в

[Корнев А.В., Маковская Т.Д., Сатин А.А. Виртуальная модель функционирования летательного аппарата в программном комплексе SimlnTech // В книге: Системный анализ, управление и навигация. XXV международная научная конференция: тезисы докладов. МАИ (национальный исследовательский университет), АНО ДПО «Космос -образование». Москва, 2021. С. 115-116.]

Блок 9 - осуществляющий функции формирования исходных данных эксперимента и задания граничных условий моделирования; блок 12 -осуществляющий функции, связанные с контролем соответствия состава ЦД ЛА реальному экземпляру ЛА; блок 13 - валидатор цифрового двойника, осуществляющий процедуру валидации полученных моделей путем проведения валидационного сравнения и оценки соответствия компьютерной модели объекту моделирования; связаны с блоками технических средств моделирования (блоки 12-22) через ЛВС, а необходимую для анализа и обработки информацию от комплекса полунатурного моделирования получают и передают через коммутатор (блок 8).

Для реальных трехмерных задач с большим количеством расчетных ячеек процесс получения численного решения занимает значительное время, поэтому для ускорения выполнения вычислений предусмотрена высокопроизводительная вычислительная система (блок 22), доступ к которой осуществляется по ЛВС. Вычислительные ресурсы блока 22 используются блоками 12-17. Также для удобства и минимизации возможных ошибок в расчетах предусмотрены два блока хранения информации: блок 20 - блок хранения информации «Среда», предназначенный для хранения и организации доступа к параметрам твердых, жидких и газообразных сред, используемых при моделировании различных физических процессов (плотность, вязкость, текучесть, электропроводность и т.п.); и блок 21 - блок хранения информации «Материалы», предназначенный для хранения и организации доступа к характеристикам конструкционных материалов (предел прочности, предел текучести, температура плавления, рабочая температура и т.д.), используемых при моделировании.

Результаты моделирования поступают в блоки 3 и 5 через блок 8 и используются в дальнейшем для исследований и управления процессами создания СЧ ЛА. Полученные компьютерные модели, а также результаты моделирования поступают в блок хранения компьютерных моделей и результатов моделирования цифрового двойника DT.

Изобретение относится к киберфизической системе создания и валидации цифрового двойника составной части летательного аппарата по результатам полунатурного моделирования. Технический результат заключается в возможности создания и валидации цифрового двойника составной части летательного аппарата. Система содержит конструктивно связанные и взаимодействующие между собой: испытательный стенд; измерительную систему; комплекс обработки информации; блок хранения первичной информации; блок идентификации, обработки и анализа; блок протоколирования и визуализации результатов; блок хранения информации «Результаты»; коммутатор системы передачи данных; блок управления цифровым двойником; блок контроля изменений и модификации цифрового двойника; валидатор цифрового двойника; модуль численного моделирования связанных задач; модуль функционального моделирования; модуль численного моделирования «Гидрогазодинамика»; модуль численного моделирования «Прочность»; модуль численного моделирования «Теплопроводность»; модуль численного моделирования «Электромагнетизм»; модуль построения дискретной модели; модуль построения геометрической модели; блок хранения информации «Среда»; блок хранения информации «Материалы»; высокопроизводительную вычислительную систему; модуль построения структурной модели; блок хранения информации «Конструкторская документация»; блок управления хранилищем цифрового двойника; локальную вычислительную сеть; блок хранения информации «Цифровой двойник». 1 ил.

Киберфизическая система создания и валидации цифрового двойника составной части летательного аппарата по результатам полунатурного моделирования, характеризующаяся тем, что она включает:

испытательный стенд, первый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом прототипа составной части летательного аппарата, второй вход-выход испытательного стенда соединен с первым входом-выходом коммутатора системы передачи данных;

прототип составной части летательного аппарата, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом измерительной системы;

измерительную систему, второй вход-выход которой соединен с первым входом-выходом комплекса обработки информации;

комплекс обработки информации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения первичной информации, третий вход-выход комплекса обработки информации соединен со вторым входом-выходом коммутатора системы передачи данных, четвертый вход-выход комплекса обработки информации соединен с первым входом-выходом блока идентификации, обработки и анализа;

блок идентификации, обработки и анализа, второй вход-выход которого соединен с шестым входом-выходом коммутатора системы передачи данных, третий вход-выход блока идентификации, обработки и анализа соединен с входом-выходом блока хранения информации «Результаты», четвертый вход-выход блока идентификации, обработки и анализа соединен с входом-выходом блока протоколирования и визуализации результатов;

коммутатор системы передачи данных, третий вход-выход которого соединен с первым входом-выходом блока управления цифровым двойником, четвертый вход-выход коммутатора системы передачи данных соединен с первым входом-выходом блока контроля изменений и модификации цифрового двойника, пятый вход-выход коммутатора системы передачи данных соединен с первым входом-выходом валидатора цифрового двойника;

модуль численного моделирования «Гидрогазодинамика», второй вход-выход которого соединен с первым выходом модуля построения дискретной модели;

модуль численного моделирования «Прочность», второй вход-выход которого соединен со вторым выходом модуля построения дискретной модели;

модуль численного моделирования «Теплопроводность», второй вход-выход которого соединен с третьим выходом модуля построения дискретной модели;

модуль численного моделирования «Электромагнетизм», второй вход-выход которого соединен с четвертым выходом модуля построения дискретной модели;

модуль построения дискретной модели, пятый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля построения геометрической модели;

модуль построения геометрической модели, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом модуля построения структурной модели;

модуль построения структурной модели, первый вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом блока управления хранилищем цифрового двойника, третий вход-выход модуля построения структурной модели соединен с входом-выходом блока хранения информации «Конструкторская документация»;

локальную вычислительную сеть, первый порт подключения которой соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Гидрогазодинамика», второй порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Прочность», третий порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Теплопроводность», четвертый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом модуля численного моделирования «Электромагнетизм», пятый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с первым входом-выходом блока управления хранилищем цифрового двойника, шестой порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом высокопроизводительной вычислительной системы, седьмой порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом блока хранения информации «Материалы», восьмой порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом блока хранения информации «Среда», девятый порт подключения локальной вычислительной сети соединен со вторым входом-выходом валидатора цифрового двойника, десятый порт подключения локальной вычислительной сети соединен со вторым входом-выходом блока контроля изменений и модификации цифрового двойника, одиннадцатый порт подключения локальной вычислительной сети соединен со вторым входом-выходом блока управления цифровым двойником, двенадцатый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом модуля функционального моделирования, тринадцатый порт подключения локальной вычислительной сети соединен с входом-выходом модуля численного моделирования связанных задач;

блок управления хранилищем цифрового двойника, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения информации «Цифровой двойник».