Производственные технологии: Виртуальное проектирование (+ видео лекции) ^{Избранное}

Математик Игорь Ужинский о роли цифр в экономике, преемственности в моделировании и превращении виртуальных моделей в реальные объекты

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Производственные технологии», посвященный компьютерному моделированию и 3D-печати. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Новые производственные технологии и материалы» Сколтеха Игорь Ужинский рассказывает о возможности избежать ошибок в производстве благодаря цифровому моделированию.

Конечно, проектирование без цифр вообще невозможно. Цифровое проектирование всегда было таковым: чтобы проектировать, необходимо вначале задать цифры, которые определяют, что вы собираетесь проектировать. Надо определить, какие функции будет выполнять то или иное изделие или продукт, что вы собираетесь проектировать. Нужно определиться со всевозможными критериями, затратами, ресурсами и так далее. Все это — цифры. Никуда от цифр, конечно, не денешься. Но в настоящее время цифровое проектирование, о котором мы говорим, — это несколько другая концепция, непосредственно связанная с концепцией цифровой экономики, о которой я говорил.

Цифровая экономика — это, я напомню, единство двух частей: виртуальной реальности и материальной реальности. Цифровое проектирование связано с эффективным использованием этих двух составных частей цифровой экономики. Начинается все, конечно, с виртуальной реальности. Когда вы просто сделали набросок какой-то новой вещи — коляски, самолета или автомобиля, вы уже создаете виртуальную реальность, и это кажется вполне естественным, так делают все. Но в рамках цифровых систем проектирования вы не просто делаете скетч или определяете какие-то функции, а вы сразу формируете некоторое виртуальное представление об этом объекте.

Оно основано на том, что для вас много чего делали другие люди. Помните, Ньютон когда-то сказал, что «я велик, потому что я стоял на плечах гигантов»? Если проанализировать даже самые новые, интересные конструкции, которые были созданы, то, по статистике, до 90% решений в конструкторских проектах — это те, которые уже были сделаны до этого. В рамках создания новых изделий, новых продуктов и услуг всегда возникает необходимость сконцентрировать ресурсы на том, что является критически важным, на том, что определяет новизну этого продукта, его эффективность. Для того чтобы это сделать, надо, чтобы минимальные ресурсы, минимальное время были затрачены на то, чтобы использовать все, что уже сделано до вас. Оно должно быть не просто использовано потенциально или с гипотетической точки зрения, а чтобы это могло быть представлено уже в виде законченных компонентов, систем, подсистем и так далее, чтобы они были связаны друг с другом и чтобы вы знали, что какая-то часть того продукта, который вы делаете, определяет его качество функционирования. Вы должны знать, что этот продукт, эта подсистема или компонент взаимодействуют определенным образом со всем остальным и определяют, как ваш продукт будет работать.

Например, вы проектируете конкретный продукт: самолет, автомобиль или что-то еще. Вы прекрасно знаете, что в каждой новой модели автомобиля огромное количество компонентов, изделий, решений из предыдущих моделей. И если вы сконцентрируетесь на форме, то нужно, чтобы все остальное вам не мешало. Нужно определиться с тем, в чем она лучше. Она может быть новой, например, с точки зрения эстетики, но из-за нее автомобиль не должен свистеть, когда вы едете с высокой скоростью, или автомобиль не должно разворачивать при боковом ветре. Поэтому, когда вы думаете о форме, нужно уже иметь все остальное, вместе взятое. Нужно, чтобы и шасси, и руль, и все остальное уже было. Тогда вы накладываете форму на уже созданное решение и сразу определяете, будет это работать или нет. Например, есть формы, которые просто нельзя изготовить. Можно придумать такие формы, для которых нет технологий или материалов, из которых можно было бы их изготовить. По этой причине, когда вы проектируете что-то, что должно функционировать, вам надо сразу думать, есть ли такие технологии, такие материалы, есть ли такие технологические комплексы, которые могли бы вам гарантировать, что это можно сделать. Если нет, то главным направлением проектирования будет являться создание технологий по тому, чтобы выполнить, что мы хотим: сделать нужную форму, сделать нужное устройство, шарнир или что-то еще, создать новый материал, который будет иметь качества, которых в настоящее время не существует. Только в этом случае продукт, который вы проектируете, может быть реализован.

Суть цифровой системы проектирования заключается в том, что вы с самого начала, с формирования концепции, с создания представления о том, как это все должно функционировать, охватываете весь спектр создания продукции или изделия ― от самого начала, от концепции, вплоть до самого конца, когда она начинает летать, прыгать, квакать или делать то, что требуется. По этой причине все делается в виртуальной реальности, где есть все взаимосвязи, все обратные связи, где можно все увидеть заранее, предвидеть и поставить задачи по расшиванию узких мест, по созданию новых технологий, материалов.

Я начал с того, что виртуальная часть проектирования обязательно должна быть связана с реальной частью. Чтобы модели, о которых мы говорим, были совершенными, чтобы они на самом деле определяли реальность, особенно в новых вещах, в новых процессах, их необходимо объединить с реальной частью, реальными экспериментами. Если в процессе обычного, традиционного проектирования вы нарисовали что-то, потом изготовили прототип, испытали его, то это называется методом тыка: вы смотрите, получится что-то или нет, хорошо или плохо. С помощью вашего знания, основанного на системе моделей, на виртуальных представлениях компонентов и систем, вы можете определить, что здесь нужно провести эксперименты, а здесь надо получить информацию. Эксперимент должен быть спланирован именно таким образом, надо получить такие-то данные. Эти данные будут входить в вашу модель, чтобы эта модель стала, как я уже говорил, virtually perfect. Она должна быть виртуальной, но должна быть совершенна с точки зрения отображения всех основных качеств, характеристик того, что вы делаете. Она должна моделировать функционирование и качество того продукта, который мы собираемся создать.

Итак, если вернуться к самом началу, суть цифрового проектирования — это проектирование в симбиозе цифровых моделей, которые определяют ваши компоненты, изделия, ваши представления о системе. Это виртуальное представление о среде, в которой оно должно функционировать, использоваться, и о физических процессах и экспериментах, которые обязательно необходимы для того, чтобы ваши модели были достаточно совершенными, отражали бы все функции и качества вашего продукта и обеспечивали бы в итоге его успех на рынке, чтобы люди его хотели, брали и платили за него деньги.