Долгое время человечество при проектировании чего-то нового не умело быстро и с нужной степенью точности решать актуальные задачи в силу их сложности. Подход был таким: посчитать примерно, а потом проверить много раз при проведении натурных испытаний. В результате получался очень дорогой и, что самое главное, очень долгий процесс проектирования.
В настоящее время для решения задач применяют современные высокопроизводительные компьютеры и специальные численные (математические) методы, благодаря чему уже не существует задач, которые нельзя было бы решить. Сегодня процесс проектирования выглядит следующим образом: на компьютере создается 3D-модель объекта или системы, все численные эксперименты производятся также на компьютере, и только в самом конце созданная 3D-модель передается на станки с ЧПУ, где она производится в автоматизированном режиме. После этого проводится серия окончательных натурных испытаний. В результате такого подхода, на проектирование и внедрение в производство нового серийного изделия (автомобиль, сложный станок, здание) тратится уже не 10-15 лет, как это было ранее, а всего 3-5. Такой подход называют цифровым производством или сквозным проектированием, и сегодня это мейнстрим, который применяется на всех высокотехнологичных предприятиях.
Компании приобретают специализированное программное обеспечение стоимостью в несколько миллионов рублей за 1 лицензию (1 рабочее место), так как без этого они будут не конкурентоспособны. Кафедра «Вычислительной математики и механики» (ВМиМ) ПНИПУ, основанная доктором технических наук, профессором Николаем Александровичем Труфановым, известна своими результатами в области численного моделирования систем, процессов, явлений, объектов, создания собственных вычислительных алгоритмов, а также использовании уже готовых специализированных программных средств и продуктов для выполнения компьютерного моделирования (инжиниринга).
На текущий момент, сотрудниками кафедры ВМиМ решено множество важных задач в областях строительства (прогнозирование разрушения зданий на основе компьютерного моделирования техногенных и природных процессов), разработки военной техники (РСЗО «Град», артиллерийские орудия, композитные корпуса ракет, твердотопливные ракетные двигатели, контейнеры для перевозки радиоактивных материалов), создания высокоточных измерительных устройств (оптоволоконные гироскопы, моделирование процессов производства оптических волокон), нефтегазовой и горнодобывающей отраслях (проектирование нового эффективного, надежного и безопасного оборудования), на основе фундаментальных подходов решены интересные жизненные задачи (моделирование работы человеческого сердца, прогнозирование извержений вулканов). Стоимость работ, выполняемых кафедрой ВМиМ по заказам предприятий, оценивается в 30 млн рублей в год (это третий показатель в ПНИПУ среди кафедр). Тесное сотрудничество с организациями промышленной отрасли приносит взаимные плоды в виде перспективных проектов. К таким относится трехсторонний проект по заказу АО «ОДК-Авиадвигатель» и Минобрнауки РФ. Его цель — создание высокотехнологичного производства сложнопрофильных деталей перспективных газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения из отечественных металлических порошков на основе аддитивных технологий селективного лазерного сплавления с применением концепции бионического проектирования. К работам в проекте также привлекаются такие маститые организации, как Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва), Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (г. Москва).
В окружающем мире все больше и чаще применяются технологии 3D-печати. Фантазия инженера-конструктора сегодня уже ничем не ограничена, он может придумать изделие практически любой формы, а с помощью 3D-принтера воплотить его в жизнь. В наши дни на принтерах печатают даже элементы авиационных двигателей. Однако в технологическом плане остается еще очень много нерешенных вопросов, главный их которых — как в короткие сроки без проведения длительных испытаний создать элемент двигателя, который будет обладать требуемым функционалом? Один из ответов — использовать компьютерные технологии вместо реальных натурных испытаний. Поэтому в рамках проекта ставится простая и понятная задача — необходимо создать компьютерную модель (программу, численный алгоритм) всего процесса изготовления детали газотурбинного двигателя, которая позволила бы технологу подбирать наилучшие параметры процесса, такие настройки 3D-принтера, при которых деталь получалась бы без дефектов, без внутренних пор и с нужными размерами. Проект реализуется третий год. На сегодняшний день ученые кафедры создали требуемые компьютерные модели, выполнили моделирование аддитивного процесса. Разработанная технология компьютерного моделирования проходит приемочные испытания, после чего будет внедрена на АО «ОДК-Авиадвигатель» и использована при проектировании новых перспективных двигателей. В рамках проекта создан не только новый технологический процесс производства авиационных деталей при помощи аддитивных технологий с применением 3D-принтеров, но и сами новые детали. После создания на АО «ОДК-Авиадвигатель» новых двигателей, их серийное производство будет проходить на АО «ОДК-Пермские моторы». Несмотря на то, что проект с АО «ОДК-Авиадвигатель» уже заканчивается, новые предложенные идеи нашли развитие в последующих исследованиях.
В настоящее время кафедра играет ключевую роль в международном российско-индийско-китайском проекте, в котором индийская сторона разрабатывает новейшую гибридную установку, позволяющая аддитивным способом изготавливать изделия больших размеров, а за российской и китайской сторонами закреплена разработка моделей аддитивного процесса и разработка программного обеспечения, позволяющего прогнозировать результаты моделирования.
Прямо сейчас в Пермском Политехе активно проходит летняя приемная кампания. Кафедра вычислительной математики и механики факультета прикладной математики и механики осуществляет набор в бакалавриат и магистратуру по направлению «Прикладная механика» профиль «Вычислительная механика и компьютерный инжиниринг». Именно наши выпускники обладают теми современными компетенциями в области цифрового проектирования, компьютерного моделирования, которые позволяют инженерам, конструкторам, технологам решать производственные и научно-исследовательские задачи, о которых мы рассказали ранее!