Математические модели как основа технологий автоматизированного проектирования

– Юрий Моисеевич, расскажите о своем пути в науку.

– Я закончил МВТУ им. Н.Э. Баумана. Специальность у меня была не двигателестроительная, а общего профиля – динамика и прочность машин. И когда в 1970 году я пришел в ЦИАМ, то не знал, что это за организация, думал, поработаю год-два, а потом уйду в аспирантуру. Но с тех пор прошло почти полвека. Были моменты, когда собирался уйти, но масштабные интересные задачи, которыми я занимался, заставили меня остаться. Я понимал, что нигде больше такого не сделаю.
Есть такое английское выражение “to be in good company” – оказаться в хорошей компании. Отделение прочности, в которое я попал, было компанией блестящей. Начальник отделения Исаак Аронович Биргер – выдающийся ученый механик – большое внимание уделял подбору кадров. В отделении работали несколько сотен человек – специалистов разного уровня квалификации; начальники отделов и секторов, отвечавшие за все многообразие задач обеспечения прочности авиационных двигателей в стране, были специалистами высочайшего уровня. Хотел бы отметить докторов наук, профессоров: Б.Ф. Шорра, В.М. Даревского, И.В. Демьянушко, В.О. Бауэр, Т.Д. Каримбаева, Б.Ф. Балашова, А.Н. Петухова; кандидатов наук: Р.Н. Сизову, М.В. Никулина, Б.С. Блинника; блестящих инженеров В.Я. Касьяненко, Р.И. Исаева, Т.К. Брагину, Т.П. Захарову. Мне пришлось работать со многими из них как при выполнении научных работ, так и при участи в различных комиссиях при разборе аварийных ситуаций. Процесс разработки двигателей в стране требовал участия квалифицированных сотрудников ЦИАМ. Поэтому работа в отделении прочности была живой и разнообразной. Часто бывало так, что утром мы приходили на работу, а вечером уже сидели в самолете или поезде и направлялись в ОКБ, где требовалась экспертная помощь ЦИАМ.
Ряд научных проблем, которыми я занимался, был сформулирован И.А. Биргером и И.В. Демьянушко. В значительной степени они возникали из необходимости совершенствования методов расчета на ЭВМ неупругого деформирования деталей или узлов, оценки их ресурса или необходимости объяснить причину дефекта детали или узла. Аналогичную школу формирования специалистов проходили и мои друзья, пришедшие в ЦИАМ одновременно со мной.

– Как направление автоматизации проектирования развивалось в ЦИАМ?

– Отдел «Математическое моделирование и САПР ГТД» вырос из созданного в 1984 году в вычислительном центре Института сектора автоматизированного конструирования. Перед сектором была поставлена задача обеспечить автоматизацию конструкторских работ с использованием появившихся в то время средств автоматизации труда конструктора: чертежных систем, графопостроителей, планшетов для ввода геометрической информации и оцифровки чертежей. Такие подразделения создавались и в конструкторских бюро отрасли. Это было естественным развитием отраслевой программы САПР-Д внедрения вычислительных технологий в процесс создания двигателей. Программа поддерживалась Министерством авиационной промышленности, и работы велись по внедрению вычислительных методов и моделей в процессы: проектирования, автоматизации конструирования, создания аппаратных средств, автоматизации испытаний, технологии производства, мониторинга двигателей в эксплуатации. Быстрый рост возможностей вычислительной техники и большой объем задач, которые приходилось решать, привел к необходимости создания отдела в вычислительном центре ЦИАМ, а затем – отдела автоматизации проектирования и математического моделирования, созданного в 1993 году. В отделе, в основном, работают выпускники МГТУ им. Н.Э. Баумана и МФТИ. Средний возраст сотрудников 32-33 года. Тематика работ отдела со временем изменялась. Так как средства автоматизации труда конструктора разработаны в настоящее время очень хорошо, мы перешли к разработке методов и моделей многодисциплинарного моделирования для решения различных задач, возникающих при проектировании ГТД.

– Как Вы из прочниста стали начальником отдела САПР?

– В 1976 году мы с моим другом А.Н. Архиповым по собственной инициативе разработали программу по расчету методом конечных элементов (МКЭ) остаточных напряжений в образцах с надрезом. Результаты расчетов и методика стали частью кандидатской диссертации А.Н. Архипова. Узнав о существовании такой программы, И.А. Биргер вызвал меня к себе, объяснил, что он очень заинтересован во внедрении МКЭ в расчеты дисков и роторов ГТД, и выдвинул ультиматум: если программа не будет считать диски турбомашин, свою кандидатскую, которая уже около года лежала в Совете, я не защищу никогда. Через три дня программа начала считать диски турбомашин. Это стало своего рода приговором: с тех пор несколько лет я должен был делать расчеты для всей отрасли и передавать программу в ОКБ.
Считали тогда так: подготовить данные для вычислительной машины – месяц работы, расшифровать результаты – недели две, а время счета на БЭСМ-6 – одна минута. Стало ясно, что надо придумать системы автоматической подготовки данных и отображения результатов расчета. И такая автоматизация у меня заработала в 1978-79 годах. В 1979 году я получил первые изображения разреза турбины и компрессора в деформированном состоянии с изолиниями на экранах «Видеотонов», которые стояли тогда в аэропортах у диспетчеров. А в 1984 году мне позвонил начальник вычислительного центра и предложил заняться автоматизацией конструирования. Я согласился и перешел в вычислительный центр ЦИАМ, потому что развитие МКЭ было невозможно без интеграции работы конструктора с геометрическим моделированием, методами построения сеток КЭ и решения задач математического моделирования.

– Чем занимается Ваш отдел?

– К сожалению, никакой автоматизации конструирования в глобальном смысле мы не сделали, потому что перебить тот поток программ, который пошел с Запада, оказалось невозможно. Поэтому пришлось вырабатывать такую стратегию развития сектора, а потом и отдела, чтобы остаться необходимыми Институту и отрасли. Нишей для приложения нашего опыта и квалификации оказались проблемы разработки методов и моделей для комплексов сквозного проектирования деталей и узлов ГТД, вопросы оптимального проектирования и многодисциплинарного математического моделирования. Небольшой отдел концентрирует задачи, посвященные, в основном, анализу и проектированию конструкций: динамика роторов на нелинейных опорах, развитие математических моделей ресурса и малоцикловой усталости, пластичность, силовые схемы, вопросы оптимального проектирования. Это многообразие задач заставляет сотрудников быть универсальными специалистами.
Глубокая интеграция вычислительной техники и математических моделей позволяет обеспечить создание газотурбинных двигателей на основе вычислительной газовой динамики, численных методов и моделей механики деформированного тела, оптимального проектирования рабочих процессов и оптимизации конструктивных решений. Отделом созданы: комплекс моделей, алгоритмов и программ, объединенных в единую систему – термомеханическую модель узла или двигателя; модели для анализа статики и динамики конструкции с учетом работы силовой схемы ГТД при условиях стендовых испытаний и в эксплуатации; методы и модели оценки пластичности, ползучести и повреждаемости деталей двигателя при циклическом неизотермическом нагружении; расчет нелинейных колебаний конструкции «сухого двигателя» с ротором на газовых опорах, с решением задачи контакта нескольких тел, одно из которых – газ; оптимальное проектирование дисков, лопаток и роторов ГТД.

– Кто Ваши учителя? Есть ли у Вас ученики?

– Наш отдел – самый молодой в Институте. Все его сотрудники – мои ученики. Что касается учителей, то большое влияние на меня оказали И.А. Биргер и мои преподаватели в МВТУ: Ф.Р. Геккер, С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, М.Н. Малинин и другие.
Я «ремесленник», закончил училище имени Баумана и просто хорошо владею своим ремеслом. Биргер буквально заставлял меня заниматься некоторыми задачами, за что я ему благодарен. Вообще он был очень требователен ко мне. В целом, если сравнивать, то я не отличаюсь такой колоссальной работоспособностью, как Биргер. Важных работ у меня, может быть, три или пять наберется, все остальное вращается вокруг них.
У меня сотни три статей, и большинство из них написаны в соавторстве с молодыми ребятами. Они учатся на научных работах ЦИАМ и статьях, которые пишут вместе со мной. Очень надеюсь, что из них выйдет толк.

– Как идут работы по такому актуальному направлению, как междисциплинарное проектирование? Скоро ли появится междисциплинарный САПР?

– Говоря о междисциплинарном проектировании, надо иметь в виду, что прочностные задачи считаются в общем-то быстро, а задачи газовой динамики и нестационарной теплопроводности – существенно медленнее, поэтому встает вопрос, как организовать процесс.
При автоматизированном проектировании вы должны создать философию и идеологию виртуального изделия, то есть у вас в компьютере должна существовать структура – виртуальная реальность. Это ваше представление о том, с чем может конструкция согласиться, а с чем – нет. Вопрос: знает ли реальная конструкция о том, что вы о ней думаете?
Вы не сможете заниматься проектированием без триады: идеи, ее воплощения через ряд итераций и подтверждающих эти итерации расчетов. Процесс от идеи до проекта идет через вычислительные алгоритмы. Третья часть сегодня у многих превалирует.
Однако нельзя игнорировать то, что создано предыдущими поколениями, например, ту же строительную механику турбомашин. Я не против трехмерных расчетов, но надо четко понимать структуру проектирования ГТД, особенно роль инженерных методов, созданных в ЦИАМ в области теории двигателей, газовой динамики, теплопроводности и динамики и прочности.
В 2014 году на конференции по динамике роторов в Милане мы получили диплом за лучший доклад: всего из 200 работ было отмечено шесть. Нашей темой стал тогда расчет пальчикового уплотнения по модели криволинейной балки. Я буквально заставил студента-третьекурсника делать программу расчета по балке. Он сначала обиделся, считая, что это очень просто и неточно, а потом защитил по этой теме кандидатскую диссертацию, сравнив нашу методику с методикой NASA. В NASA для этого используют сложнейшие трехмерные расчеты, одну расчетную точку делают две недели, а тут за 20 минут можно просчитать все параметры и спроектировать оптимальное уплотнение. Разница в результатах – 3-4%. У нас есть развитая культура расчетов по инженерным моделям, мы без проблем окружим ее уточняющими трехмерными моделями.
Расчетная схема должна быть адекватной. Ее создание – это и определенная философия, и искусство. Искусство, которым должны владеть специалисты высокого уровня при создании виртуального двигателя с использованием технологий многодисциплинарного моделирования.

– Но ведь САПР в какой-то мере призван как раз заменить опыт и неформализуемую интуицию конструктора?

– Мечта любого топ-менеджера: сидеть за столом, нажимать на кнопку и получать готовый двигатель. Нет подчиненных, не надо платить зарплату. Считалось, что САПР сократит количество сотрудников. Да, он их сократит, но при одном условии: если мы будем повышать квалификацию наших специалистов. С помощью САПР один сотрудник сможет сделать столько, сколько целое КБ, но и квалификация у него должна быть соответствующей.

– Расскажите, как решается вопрос подготовки кадров.

– Каждую неделю по четвергам четвертый курс прикладных математиков МГТУ им. Н.Э. Баумана приходит в ЦИАМ слушать лекции. Мы планируем открыть магистерское направление по прикладной математике. Мы также работаем над созданием журнала «Авиационные двигатели». Он должен стать платформой для публикации результатов исследовательских работ сотрудников Института, ОКБ отрасли и соответствующих специальностей технических университетов. Это необходимо делать, так как в силу определенных изменений часть информации до потенциального пользователя в ОКБ отрасли просто не доходит.
В ЦИАМ всегда чувствовались атмосфера жизни страны, пульс времени. Постоянно возникали ситуации, которые заставляли быстро думать, реагировать и принимать решения. За 13,5 лет работы в отделении прочности я участвовал в разборе ряда аварийных ситуаций и катастроф. А ведь одна поездка на неделю в ОКБ – это как два года университета. ЦИАМ был создан, чтобы оперативно решать те проблемы, которые КБ решать не могли, потому что у них не было специалистов соответствующего уровня. Сегодня КБ считают, что у них есть все для самостоятельной работы. Однако ученые так просто не рождаются, они формируются в научных школах. Главная задача сегодня – поддерживать эти школы, в том числе и научные школы ЦИАМ. Это задача государственная.

– Не секрет, что большинство систем САПР в авиации – импортные. Насколько остра эта проблема, и как ЦИАМ может помочь в ее решении?

– Сейчас, несмотря на правильные лозунги об импортозамещении, в умах, в том числе и молодых, возобладало мнение, что коммерческие программные комплексы, тот же ANSYS, – это спасательный круг. У приверженцев этого нет желания что-то менять, их все устраивает. Но разговоры о всемирной науке, частью которой мы должны стать, наивны. С учетом санкций, которые могут стать похлеще КОКОМовских ограничений, нам надо срочно восстанавливать культуру программирования.
Мы можем купить программный комплекс, но он все равно развивается дальше, и большой вопрос, когда и на каких условиях эти новшества дойдут до нас. Я не призываю все делать самим. Это невозможно. Но необходимо вливаться в общемировой процесс со своими технологиями. Сам решатель в ANSYS – не больше мегабайта. И вокруг него – гигабайты прикладных модулей, и здесь вполне можно найти свою нишу.
Это задача государственного масштаба. Необходимо создать отечественный рынок запросов услуг своих специалистов, выращивать собственные кадры, мотивировать ребят, которые пытаются что-то сделать сами. Никто и ничего нам не даст, если мы сами не будем прилагать усилия и развиваться.