Скрытые грани «цифровых двойников»: почему виртуальные испытания отличаются от физических? Ч.1

С применением цифровых двойников на промышленных предприятиях связана проблема, о которой пока мало говорят в публичных обсуждениях и СМИ. Между виртуальными испытаниями на цифровых двойниках и испытаниями на физических объектах часто возникают расхождения, и довольно серьезные – 30-40%. Почему так происходит? Об одной из возможных причин в серии публикаций расскажет начальник ИТ-отдела ОАО «ЗиД» Андрей Лабутин.

Когда практика не подтверждает теорию.

Давайте представим, что у нас уже есть все, что необходимо для построения цифрового двойника, а именно:

-    суперкомпьютер для проведения многофакторных мультинагрузочных виртуальных испытаний;

-    готовый цифровой объект (двойник), который мы готовили для замены физических испытаний виртуальными;

-    проверенные и корректные математические расчетные модели для всех видов виртуальных испытаний, которым мы хотим подвергнуть наш цифровой двойник;

-    программное обеспечение, которое умеет накладывать на цифровой объект сеточную модель заданного размера ячейки для проведения нагрузочных и других расчетов;

-    программное обеспечение, которое умеет применять наши математические расчетные модели, накладываясь на нагрузочную сетку цифровых объектов.

Проводим расчеты – получаем некие результаты.

Берем опытный физический образец и проводим над ним те же тесты, что проводили над цифровым, только в реальности. Неожиданно получаем результат сходимости на уровне только 70% при ожидаемых - 95+%.

Берем второй опытный физический образец, выполняем те же манипуляции и получаем сходимость только 60%.

Возвращаемся к виртуальному образцу, уточняем направления и величину приложения сил и других воздействий, но сходимость не меняется. Меняем размер ячеек нагрузочной сетки, другие параметры, но результат остается неутешительным.

Самое печальное, что результат сходимости разных физических образцов не является стабильной величиной. Это говорит о наличии проблем не в расчетных моделях и не в самом цифровом двойнике, а в физических образцах.

Путем кропотливых измерений и проверки соответствия конструкции и техпроцесса реальной обработке физических образцов приходим к выводу о необходимости проверки качества материалов, из которых изготовлены образцы.

Что случилось?

В расчетную модель были заложены справочные данные по характеристикам материалов, которые использовались в конструкции нашего изделия и цифрового двойника. Расхождения между данными виртуальных и физических испытаний вызваны именно расхождениями между справочными характеристиками материалов и характеристиками материалов конкретного физического образца.

Более того, расхождение в расчетах образцов, изготовленных из одной партии материалов, говорит о неоднородности (различиях) характеристик материала внутри одной партии и даже одного листа, прутка, трубы и т.д.

Давайте представим, что наши виртуальные испытания проводились на изгиб конструкции. Для наглядности, конструкция представляет собой стул, ножки которого сделаны из стальной трубки. Усилие оказывается на кончик задней ножки под углом 20 градусов.

Трубка на все ножки одного стула отрезана от одной трубы. При этом все четыре ножки показывают разный результат физических испытаний с разным расхождением от одного стабильного расчетного значения цифрового двойника.

Причиной этого являются:

• изготовление стальной трубки по ТУ с отклонениями в химическом составе стали;

• отклонения толщины трубки по длине в пределах, превышающих допустимые по ГОСТ.

А что собственно мы знаем о материалах, из которых изготавливаем конкретные изделия? Какие данные о материалах мы способны заложить в свои расчеты?

Конструкция vs Цифровая модель vs Цифровой двойник

Для проектирования изделия, расчета конструкции в статичном состоянии и на предельные нагрузки чаще всего было достаточно данных из справочников, составленных на основе ГОСТ. Например, справочников конструкторских материалов. И даже переход на цифровую модель проектирования не сильно изменил сам подход к проверке конструкции на работоспособность и нагрузки.

Однако переход от цифровой модели к цифровому двойнику, т.е. попытка приближения виртуальной конструкции к реальному изделию требует изменения подхода не только к конструктивным элементам, но и к состоянию того, из чего и как они изготовлены.

Более того, переход к цифровому двойнику и виртуальным испытаниям требует ввода новой величины оценки конструкции - ВРЕМЯ, которое раньше, в большинстве расчетов, учитывалось не иначе как предельная величина, выраженная через другие характеристики, как пример: живучесть, предельный износ, коррозионная стойкость, число циклов до замены и т.д.

Для наглядности давайте немного изменим условия испытания нашего стула со стальными ножками и скажем, что «усилие оказывается на заднюю ножку под углами от 0 до 20 град. за время t и от 20 до 0 град за время t/2» - человек качается, сидя на стуле.

И вот мы уже получаем многомерный набор данных зависимости угла наклона от времени и расстояния от края ножки до любой точки ножки этого стула.

И даже если пренебречь последним измерением в многомерном наборе данных «расстоянием от края ножки до любой точки ножки этого стула», мы все равно имеем зависимость усилия изгиба от угла наклона ножки во времени.

А можно ли проигнорировать эти данные?

Если коротко, то – ДА! Но тогда вы всегда будете иметь вероятность расхождения между виртуальными испытаниями и физическими, причем величина расхождения будет разной – непредсказуемо разной.

Рано или поздно возникнет вопрос – а насколько можно доверять подобным цифровым «двойникам» и насколько они на самом деле являются двойниками физическим образцам? На 60%? На 80%? Вчера было на 80%, а сегодня другой поставщик и возможно 60%?

Достаточно ли Вам будет такого отчета в документах о гарантии тормозной системы автомобиля, как «виртуальные испытания тормозной системы автомобиля подтвердили длину тормозного пути на сухом асфальте с разогретыми шинами ~20 метров со скорости 100 км/час при отклонениях ± 30-40% на покупаемом Вами физическом экземпляре автомобиля»?

Возможно, вопрос должен звучать в корне иначе: как можно учесть характеристики материалов для приближения цифрового двойника к физическим образцам?

Первым шагом такого приближения является разработка правил использования DMP.

Что такое DMP?

DMP (Digital Material Passport) – Цифровой Паспорт Материала. Другие названия (синонимы):

• DCP - Digital Circularity passport;

• DCCP - Digital Cradle-to-cradle passport;

• DPP - Digital Product passport.

DMP (Цифровой Паспорт Материала) - единое место хранения электронных документов, описывающих:

• характеристики продукта;

• используемые компоненты;

• результаты испытаний, диагностики;

• дефекты, отказы и ремонты по всей цепочке кооперации изготовления;

• условия хранения и эксплуатации;

• условия разборки, уничтожения или переработки.

Разработкой стандартов по DMP и DPP на протяжении десятилетий занимаются ряд стран мира. Правда, цели, для которых готовились такие стандарты, не сильно коррелировали с цифровыми двойниками и виртуальными испытаниями.

Хороший обзор международной нормативной базы в сфере BIM и DMP по строительству ещё в 2016 году сделал д.т.н., профессор, профессор ТГУ (г. Томск), генеральный директор ООО «ИндорСофт» (г. Томск) Скворцов А.В.

В 2020 году Eruopean Union’s Horizon по гранту № 642384 провел анализ Европейского рынка использования и применения DMP и выпустил документ «Materials Passports – Best Practice» под авторством Matthias Heinrich и Werner Lang.

Опытной эксплуатацией и разработкой стандартов в области DMP занимаются, например:

• США, где был разработан COBie - качественный уровень проработки, базовый стандарт изготовлен Министерством Обороны США для военных подразделений;

• Китай, Республика Корея – стартовали с COBie, сейчас разрабатывают свою серию стандартов;

• 15 европейских стран, лидером в проработке является Германия;

• Израиль.

В ряде стран законодательно введена обязанность формировать электронный BIM с поддержкой DMP (хотя бы частично) по строительным проектам выше определенной стоимости. Например:

• Германия – свыше €10 млн.,

• Дания – свыше €2,7 млн.,

• Ю.Корея – свыше $50 млн.

Крупные российские производители, включая компании-экспортеры продукции в Европу и США, не замечены в сколько-нибудь серьезной работе по данному направлению.

Представитель компании АСКОН (Россия) подтвердил, что их компания не участвует и не слышала о проекте по разработке подобных стандартов и от клиентов был только один заказ на DPP по внутренним регламентам компании заказчика (доклад компании АСКОН на конференции ИТ ОПК, Калуга, 2020 г.)

На сегодняшний день в Европе в сфере DMP:

1. Не утверждены ни правила формирования, ни состав данных (обязательный, рекомендательный, общий).
2. Не утвержден единый формат формирования, хранения, передачи, обработки данных.

Документ «Materials Passports – Best Practice» появился как некий свод тех самых накопленных и разрозненных европейских знаний в области DMP при попытке их систематизировать и привести к чему-то оптимально единому с целью дальнейшей унификации хотя бы по структуре данных и однородности именования элементов.

Группа ИТ-специалистов ОАО «ЗиД», взяв за основу лучшие европейские практики, провела комплекс работ по формированию структуры и формата шаблона DMP, который мог бы быть применим на ОАО «ЗиД» для интеграции в информационные системы с учетом достигнутого уровня автоматизации.

Ввиду отсутствия среди предприятий поставщиков (проведен опрос поставщиков, в том числе и иностранных) компаний, готовых формировать и предоставлять цифровые паспорта на поставляемую продукцию, применение на практике шаблона отложено.

Однако прогноз наиболее вероятной трансформации полученного шаблона DMP по трендовым направлениям развития ИТ-индустрии в случае признания DMP необходимым элементом Digital Twin показывает, что это повлечет за собой не только повышение качества цифровых двойников и виртуальных испытаний, но и формирование новых цифровых услуг на рынке МКИ и ПКИ.

Но об этом – в других материалах, посвященных этой теме. Продолжение следует…

Здесь же хочется поднять публичную дискуссию по этой теме и услышать мнения коллег по цеху других предприятий и коммерческих структур.  Актуален ли для вас вопрос характеристик материалов для повышения качества виртуальных испытаний и цифровых двойников? Оставляйте ответы в комментариях.