В промышленности продолжается рост конкуренции, что требует дополнительных усилий по управлению себестоимостью, сроками изготовления и соблюдению всё более жестких требований к изделиям. Поиск оптимальных решений на стадиях предпроектной проработки и проектирования становится все более востребованным, так как позволяет снизить риски дорогостоящих изменений объекта на последующих стадиях жизненного цикла.
Опыт использования численных методов в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» для решения задач по проектированию объектов морской техники показывает следующие преимущества численного моделирования физических процессов:
Экономия времени и ресурсов проекта за счет отказа от проведения промежуточных экспериментальных исследований с физическими моделями. Технологии численного моделирования позволяют в большинстве случаев отказаться от проведения промежуточных экспериментов с физическими моделями, оставляя только итоговые (контрольные) испытания на экспериментальных установках. Проведение контрольных испытаний обусловлено действующими нормативными документами судостроительной отрасли, необходимостью формирования и развития отраслевого валидационного базиса в т.ч. для повышения точности технологий численного моделирования.
Возможность оптимизации объектов морской техники за счет гибкости и адаптивности компьютерных моделей. Оптимизация формы корпуса выполняется на суперкомпьютере, что позволяет просчитать сотни вариантов компьютерных моделей, что практически невозможно на экспериментальных установках. Многокритериальная оптимизация позволяет находить оптимальное решение по пропульсивному комплексу численными методами, что наиболее целесообразно при проектировании новых и нетрадиционных объектов морской техники, особенно предполагаемых к серийному строительству.
Дополнение модельного эксперимента и повышение информативности исследований.
Оценка «масштабного эффекта», т.е. выполнение сопоставительных расчетов для условий проведения модельного эксперимента и натурных условий, повышая тем самым точность прогнозирования характеристик объекта применительно к натурным условиям.
Возможность изучения сложных систем, в том числе в сложных условиях, соответствующих натурным.
Реализовывать взаимодействие с Заказчиками в формате предоставления цифровых услуг с предоставлением результата в цифровой форме для интеграции в процесс цифрового проектирования.
В последние годы круг задач, решаемых отделением ММСТ, значительно расширился. Для решения задач, связанных с проектированием и эксплуатацией различных объектов техники (в том числе морской), активно используются технологии численного моделирования в следующих научных направлениях:
Гидродинамика;
Аэродинамика;
Термодинамика;
Прочность;
Акустика и вибрация;
Динамика и управляемость объектов;
Автоматизация экспериментальных установок.
Передовым направлением применения технологий численного моделирования является многокритериальная оптимизация параметрических моделей объектов морской техники и их движителей. Оптимизация на сегодняшний день является одной из самых востребованных задач в промышленности, в том числе в судостроении, и поэтому широко применяется в её различных сферах. За последние несколько лет в Крыловском государственном научном центре успешно выполнены работы по созданию технологий многокритериальной оптимизации с использованием суперкомпьютерных технологий.
Все разрабатываемые в Крыловском научном центре технологии численного моделирования проходят обязательную валидацию программных и методических средств на основе сравнения с результатами:
сдаточных испытаний объектов морской техники;
экспериментальных исследований Крыловского центра;
международных тестовых исследований;
эталонных расчетов в зарубежном коммерческом ПО.
Решение задач численного моделирования в судостроительной отрасли требует применения комплексных математических моделей физических процессов и численных алгоритмов, специализированных сеточных генераторов, а также современных средств распараллеливания и постобработки. Отделение математического моделирования и суперкомпьютерных технологий обладает всеми необходимыми инструментами и высокопроизводительными вычислительными ресурсами для решения задач численного моделирования при проектировании объектов морской техники и многих других сложных объектов.
В настоящее время отделение математического моделирования и суперкомпьютерных технологий располагает суперкомпьютером с пиковой производительностью порядка 110 TFLOPS. Это один из самых мощных суперкомпьютеров в российской судостроительной отрасли. Подробнее в разделе «Суперкомпьютер».
Коллектив отделения ММСТ имеет большой опыт решения сложных задач численного моделирования. К ним относятся:
1. Определение характеристик обтекания объектов, в том числе морской техники (надводные и подводные объекты морской техники и их движители, средства океанотехники, здания, сооружения и т.п.), водной и воздушной средой в модельных и натурных условиях с учетом реальных свойств внешней среды и ограничений окружающей обстановки (акватории), в том числе:
определение буксировочного сопротивления объекта;
определение кривых действия движителя;
численное моделирование самоходных испытаний;
определение добавочного сопротивления на волнении;
численное моделирование маневренных испытаний («циркуляция», «зиг-заг» и т.д.);
определение кавитационных характеристик движителей, в том числе на швартовых режимах.
2. Оптимизация параметрической модели движителя под условия работы в составе конкретного пропульсивного комплекса (корпус + движитель).
3. Оптимизация параметрической модели корпуса судна для снижения сопротивления.
4. Численное моделирование взаимодействия гидротехнических сооружений, архитектурных и географических объектов с внешней средой в натурных масштабах и условиях.
5. Численное моделирование динамики объектов морской техники и определение сил, действующих со стороны внешней среды, в условиях натурных ветро-волновых нагрузок при движении, выполнении швартовых и погрузочно-разгрузочных операций, при неподвижном закреплении и т.д. Моделирование нестандартных маневров или внешних условий. Изучение взаимодействия объектов.
6. Численное моделирование термодинамических процессов, характерных для объектов морской техники и её элементов.
7. Численное моделирование динамики аварийного затопления объектов морской техники с учетом требований безопасности.
8. Численное моделирование газо- и гидродинамических процессов, равномерности раздачи среды и температурного поля в элементах электрохимических генераторов.
9. Численное моделирование процесса слошинга. Моделирование работы сепараторов.
10. Численное моделирование процесса брызгообразования.
11. Численное моделирование взаимодействия объектов морской техники и аномальных волн (freak-wave). Определение нагрузок от слемминга.
12. Численное моделирование распространения жидкой и газообразной фазы добываемого углеводородного сырья при аварийных ситуациях на объектах морской техники и стационарных сооружениях, в том числе с учетом термодинамических эффектов.
13. Численное моделирование течения углеводородного сырья в распределительных системах с отработкой конструктивных решений сложных узлов системы.
14. Численное моделирование развития аварийных сценариев при транспортировке и хранении жидких грузов, в том числе экологически опасных.
15. Расчеты ветрового режима над заданной территорией с учетом рельефа и застройки. Определение аэродинамических характеристик зданий (вихреобразование около строений или ветровые нагрузки, действующие на здание или комплекс зданий).
16. Численное моделирование задымляемости объектов с учетом термодинамических свойств среды.
17. Численное моделирование распространения угольной пыли над заданной территорией с учетом рельефа и застройки. Расчеты концентрации объема угольной пыли в санитарно-защитной зоне.
18. Численное моделирование внешней и внутренней аэродинамики объектов морского и наземного транспорта, в том числе:
Определение аэродинамических характеристик корпуса и отдельных элементов объекта;
Моделирование теплообменных процессов охлаждения моторного отсека;
Численное моделирование поля скорости в районе вертолетной площадки на палубе судна.
19. Определение вихревых систем, возникающих при обтекании конструктивных элементов морской техники, и индуцированных ими нагрузок.
20. Численное моделирование охлаждения и вентиляции помещений и отсеков.
21. Численное моделирование работы ветро-генераторов и вентиляторов.
22. Анализ конструкций под действием эксплуатационных нагрузок и погодных факторов.
23. Численное моделирование процессов ледообразования на конструкциях объектов морской техники.
24. Численное моделирование тепловых деформаций.
25. Численное моделирование деформации гибких конструктивных элементов судна под действием внешних аэро- или гидродинамических сил.
26. Численное моделирование гидроупругости и определения термонапряженного состояния элементов конструкций.
27. Численное моделирование упруго-пластических деформаций и возможного разрушения отдельных элементов конструкции вследствие высокоскоростного нагружения либо столкновения с твердым препятствием. Моделирование краш-тестов.
28. Сопряженные расчеты характеристик воздухо-жидкостных теплообменников. Определение напряженно-деформированного состояния теплообменников.
29. Численное моделирование работы пневмосистем.
30. Численное моделирование процессов работы водородных топливных элементов.
31. Численное моделирование работы оросительных систем в складских помещениях и открытых площадках хранения.
32. Численное моделирование распространения акустического шума применительно к объектам морской техники.
33. Численное моделирование виброотклика при заданном источнике вибраций. Частотный анализ конструкций.
34. Решение мультифизичных задач численного моделирования (гидроакустика, гидроупругость, термогидродинамика и т.д.).
35. Разработка методик проведения инженерных расчетов (CAE) и оказание консультационных услуг в области численной гидродинамики.
36. Выполнение комплексных исследований (численное моделирование и физический эксперимент) по указанным выше направлениям с привлечением экспериментальной базы Крыловского центра.
