Команда Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ) приняла участие выставке-конкурсе технологических решений «Дрон-гараж» в рамках деловой программы проектно-образовательного форума «Архипелаг-2025».
Цель выставки-конкурса «Дрон-гараж» – выявление и поддержка талантливых инициатив в области беспилотных авиационных систем (БАС), направленных на решение отраслевых задач в интересах технологического развития Российской Федерации, а также формирование профессионального сообщества, готового предлагать и реализовывать свои идеи в данном направлении.
На выставке были представлены инновационные разработки в области БАС. Участники демонстрировали свои прототипы, опытные модели, предсерийные и серийные технологические решения, симуляторы. Важной частью мероприятия стала защита заявленных характеристик проектов перед экспертной комиссией, обсуждение проблем и путей их решений в разработке БАС с лидерами профессионального сообщества для определения дальнейших путей развития инициатив.¶Отметим, что в рамках форума была организована серия питч-баттлов для участников грантов Фонда НТИ, которая была направлена на интеграцию и сотрудничество участников.
Председатель совета Фонда НТИ, специальный представитель Президента Российской Федерации по вопросам цифрового и технологического развития, генеральный директор АНО «Платформа НТИ» Дмитрий Песков стал почетным гостем выставки-конкурса «Дрон-гараж».
В числе конкурсных экспонатов Дмитрий Николаевич выделил демонстратор программного комплекса автоматизированного проектирования и расчета электрических винтомоторных групп (ЭВГМ) беспилотных воздушных судов (БВС), разрабатываемый инженерами ПИШ СПбПУ. Проект успешно развивается с 2024 года под руководством главного конструктора по ключевому научно-технологическому направлению (КНТН-1) развития СПбПУ «Системный цифровой инжиниринг», директора Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексея Боровкова.
В рамках выставки-конкурса «Дрон-гараж» промежуточные результаты проекта представили:
- старший научный сотрудник Учебной научно-исследовательской лаборатории «Вычислительная механика» ПИШ СПбПУ, доцент Высшей школы механики и процессов управления Физико-механического института СПбПУ Алексей Новокшенов,
- инженер Отдела исследования и проектирования механизмов ПИШ СПбПУ Александр Уманский,
- лаборант Инжинирингового центра (CompMechLab®) ПИШ СПбПУ Мария Чистякова.
Демонстратор был представлен в группе силовых установок для БВС вместе с проектом по разработке электрических двигателей для БВС и проектом по разработке газотурбинных двигателей для БВС. Эксперты обсуждали преимущества и недостатки различных типов силовых установок подходы к их созданию и проектированию.
- «Наш специализированный программный комплекс для автоматизированного проектирования на основе многокритериальной оптимизации и применения междисциплинарных расчетных методов позволит разработчикам БПЛА быстро и эффективно подбирать электродвигатели и винты, имеющие характеристики, необходимые для решения поставленных задач.
- При этом пользователю не обязательно обладать специальными знаниями в области вычислительной механики, гидрогазодинамики, электричества и магнетизма, поскольку все расчеты выполняются в автоматизированном режиме и скрыты от пользователя. А весь процесс проектирования может быть выполнен внутри одного интерфейса.
- В основе программного комплекса лежат “быстрые” методы расчётов, использующие интеграцию эмпирических и аналитические подходов с вычислительными методами, такими как метод конечных элементов. Помимо прямой задачи по определению характеристик заданной конфигурации за счёт эффективных алгоритмов оптимизации и шаблонирования, возможно решение обратной задачи по разработке близкой к оптимальной конфигурации по заданным требованиям и ограничениям»,
– разъяснил ответственный исполнитель проекта, инженер Отдела исследования и проектирования механизмов ПИШ СПбПУ Александр Уманский.
На старте работ индустриальными партнерами разработки демонстратора программного комплекса автоматизированного проектирования и расчета электрических винтомоторных групп БВС стали АНО «ФЦ БАС» и многопрофильный ИТ-холдинг Т1 (дистрибьютор программного комплекса CADFlo). Внедрение демонстратора в рамках сотрудничества с АНО «ФЦ БАС» позволит резидентам Центра ускорить и оптимизировать процессы проектирования винтомоторных групп.
Окончание проекта запланировано на 2026 год. В настоящее время на финальной стадии находится создание интерфейса пользователя, разработка модуля многокритериальной многопараметрической оптимизации и формирование препроцессора, обеспечивающего автоматизированное построение геометрических и конечно-элементных моделей и определение граничных условий.
В настоящее время инженеры ПИШ СПбПУ активно работают над реализацией следующих блоков архитектуры программного комплекса:
- модуль компьютерного моделирования винта,
- модуль компьютерного многодисциплинарного моделирования электродвигателя,
- модуль взаимодействия с базами данных,
- модуль экспорта конструкторской документации,
- модуль постобработки результатов.
На выставке в рамках презентации демонстратора рассматривались только синхронные машины с постоянными магнитами. Участники мероприятия могли выбрать для быстрого расчета конструктивные решения двигателя, в частности, расположение магнитов, форму зубцов, размеры активных частей, и задать такие параметры его работы, как напряжение, скорость вращения, ток машины и учет тепловой задачи.
- «Процесс расчета основан на комбинировании цепной магнитной постановки по схемам замещения в теории двух реакций с быстрой полевой постановкой, уточняющей отдельные аспекты различных задач в формате 2D, используя метод конечных элементов (МКЭ).
- МКЭ-постановки задачи, задание граничных условий и постпроцессинг результатов происходят в автоматизированном режиме на основании шаблона и введенных параметров. Полевая постановка является достаточно быстрой и позволяет уточнить такие величины, как противоэлектромоторная сила, индуктивность, момент залипания, момент под нагрузкой, потери в стали»,
– описал методику старший научный сотрудник Учебной научно-исследовательской лаборатории «Вычислительная механика» ПИШ СПбПУ, доцент Высшей школы механики и процессов управления Физико-механического института СПбПУ Алексей Новокшенов.
Демонстратор программного комплекса автоматизированного проектирования и расчета электрических винтомоторных групп БВС обладает рядом значительных преимуществ в сравнении с существующими программными продуктами. Ключевым отличием является интеграция модуля расчета аэродинамических характеристик винтов и модуля электромагнитного расчета электрических двигателей в единой программной среде. Данные функциональные возможности не представлены в широко распространенном коммерческом программном обеспечении. Одним из главных достоинств разработанного комплекса является возможность проектирования электрических винтомоторных групп «с нуля» в рамках одной программы. Такой подход значительно сокращает время, затрачиваемое на проектирование, и минимизирует вероятность ошибок, возникающих при передаче данных между различными системами. Важным преимуществом является использование эффективных алгоритмов оптимизации и параметрическое представление моделей. Параметризация позволяет быстро изменять геометрические и электрические характеристики компонентов ЭВМГ и оценивать их влияние на общие параметры системы. Оптимизационные алгоритмы, интегрированные в комплекс, определяют автоматический поиск оптимальных параметров, удовлетворяющих заданным требования по ключевым показателям. Удобный и интуитивно понятный интерфейс обеспечивает простоту использования комплекса как для конструкторов, так и для расчетчиков. Разработанный интерфейс позволяет быстро освоить функциональность комплекса и эффективно использовать его для решения задач проектирования.
В ходе соревновательной части мероприятия демонстрация разработки вызвала неподдельный интерес экспертов и привлекла внимание как разработчиков ИТ-решений, так и производителей БПЛА. По результатам оценки экспертного жюри проект получил Сертификат подтверждения заявленных характеристик. Проект оценивался по целому ряду критериев, включая стабильность работы прототипа, степень значимости предложенного решения для развития отрасли БАС, готовность к интеграции в производственную практику и масштабируемость. Все члены команды разработчиков – специалисты ПИШ СПбПУ – были отмечены Сертификатами участников выставки-конкурса. Демонстратор программного комплекса автоматизированного проектирования и расчета электрических винтомоторных групп БВС успешно подтвердил заявленные характеристики перед экспертной комиссией и заинтересованных специалистов.
По инициативе специального представителя Президента Российской Федерации по вопросам цифрового и технологического развития Дмитрия Пескова данный Демонстратор и возможности Цифровой платформы по разработке применению цифровых двойников CML-Bench® были дополнительно представлены Алексеем Боровковым более широкому кругу производителей БПЛА в рамках специально организованной дискуссии.
К обсуждению присоединились представители более 15 крупных компаний, занимающихся созданием БПЛА и разработкой ИТ-решений в этой области. Участники дискуссии задали разработчикам Демонстратора и Цифровой платформы CML-Bench® вопросы, которые в дальнейшем позволят доработать функциональные и технические характеристики двух передовых инструментов с учетом актуальных фронтирных инженерных задач отрасли БАС и потребностей её участников, сохранив вектор развития на технологическое лидерство.
- «Интеграция программного комплекса Демонстратор на Цифровую платформу CML-Bench® позволит разработчикам беспилотных летательных аппаратов проектировать электрические винтомоторные группы в составе цифрового двойника всего БПЛА, что даст возможность более тонкой настройки характеристик ЭВМГ с учетом требований к беспилотникам в целом.
- Таким образом, создаваемый программный комплекс Демонстатор внесет вклад в развитие, применение и тиражирование технологии разработки цифровых двойников БПЛА, которая по оценкам экспертов является одной из передовых технологий будущего, обеспечивающих достижение технологического лидерства России. Принципиально важно, что мировой рынок цифровых двойников растет самыми высокими темпами в мире, показывая ежегодный рост в 65%. Для сравнения отмечу, что рынок искусственного интеллекта демонстрирует 35% ежегодного роста»,
– заключил главный конструктор по ключевому научно-технологическому направлению развития СПбПУ «Системный цифровой инжиниринг», директор Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексей Боровков.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Фотографии предоставлены организатором мероприятия.