20.12.2021
О численном моделировании и цифровых двойниках, позволяющих повысить эффективность производства в строительной и горнодобывающей отрасли, рассказали эксперты «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».
К сожалению, огромное количество практических задач в индустрии невозможно решить аналитически. Поэтому часто оказывается важным уметь выполнять компьютерное моделирование динамики производственных процессов, которое подразумевает создание математической модели движения изучаемой системы и дальнейшее ее исследование с использованием численных методов, реализуемых на компьютере.
Процесс построения компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала. Обычно он состоит из двух этапов. Вначале создают качественную, а затем и количественную модель. Собственно, моделирование, в свою очередь, подразумевает проведение серии вычислительных экспериментов для анализа, интерпретации и сопоставления результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта. Далее при необходимости делают уточнение модели. Основными этапами такого компьютерного моделирования являются:
– постановка задачи, определение объекта моделирования;
– разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;
– формализация как переход к математической модели;
– создание алгоритма и написание программы;
– планирование и проведение компьютерных экспериментов;
– анализ и интерпретация результатов.
Численное моделирование позволяет предотвращать ошибки проектирования, эффективнее создавать новое оборудование, исследовать поведение материалов. В таких сферах, как электроника или автомобилестроение, оно успешно используется уже много лет. В горнодобывающей и строительной отрасли специалисты применяют технологию для процессов добычи, погрузки, дробления и сепарации, тем самым повышая контролируемость и бесперебойность производства. Так, моделирование динамики сыпучих сред и механики деформируемого твердого тела позволяет решать задачи транспортировки и производства строительных материалов – например, находить наиболее нагруженные и изнашиваемые элементы оборудования или обеспечивать производительность линии. Сегодня численное моделирование используют такие крупные компании, как «РУСАЛ», «КамАЗ», «Уралмашзавод», «ЕвроХим», «Полюс» и многие другие.
Численное моделирование – эффективный компьютерный метод изучения сложных систем. Такие модели удобнее исследовать из-за возможности проводить вычислительные эксперименты в тех случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность численных компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта оригинала или класса объектов. Например, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.
Как же компании используют численное моделирование динамики сыпучих сред? В проекте одного из гигантов отечественной металлургии применялось численное моделирование при исследовании технологии самофутеровки кузова самосвала. Перед специалистами стояла задача – оценить скорость износа самофутерующегося покрытия в сравнении с плоской футеровкой. Было проведено моделирование методом дискретных элементов в специализированном ПО –RockyDEM. Первые результаты показывают возможность и удобство виртуального апробирования множества различных конфигураций и материалов футеровки кузова самосвала для поиска их оптимальных сочетаний.
Еще один пример использования моделирования сыпучих сред в Rocky DEM – компания «Спецтехномаш». Специалисты применяли его для выбора оптимального режима работы грохота для сепарации материала по крупности.
Среди других преимуществ численного моделирования эксперты отмечают:
– возможность моделирования дробления. Этот подход, например, использовали специалисты компании MetsoOutotec для сохранения прочностных свойств щековой дробилки и снижения массы;
– практическую значимость модернизации существующих конструкций пересыпных узлов. В частности, компания ConveyorDynamics модифицировала существующий элемент пересыпного узла таким образом, что частицы не зависали в узле и не вызывали повышенного износа и деформаций внутренних элементов.
Любопытно рассмотреть и возможности цифровых двойников мельницы измельчения. Зачастую реальная эксплуатация оборудования отличается от того, что было задумано в проекте. Например, на физико-механические свойства руды могут влиять расположение участка месторождения или режим работы. Создание системы диагностики и оптимизации мельницы позволит достичь значительных результатов – снизить электропотребление, сократить простои и повысить производительность.
Цифровой двойник мельницы позволяет точно определять текущую эффективность ее работы, подбирать оптимальный режим работы и загрузки, планировать сервисные и ремонтные работы по фактической необходимости, заранее выявить механические и электрические неисправности, формировать управляющее воздействие на смежные системы автоматизации с целью оптимизации процесса.
Среди необходимых этапов создания цифрового двойника мельницы экспертами отмечается:
– создание трехмерной DEM-модели для расчетов процесса измельчения материалов при различных параметрах работы мельницы;
– создание и верификация модели мельницы;
– интеграция модели с автоматизированной системой управления и контрольно-измерительными приборами;
– создание цифрового двойника на основе платформы промышленного интернета вещей (IIoT) для передачи в эксплуатацию;
– передача рекомендаций оператору через веб-приложение и дополненную реальность.
В результате цифровой двойник позволяет уменьшить себестоимость конечного изделия, снизить и обеспечить более гибкое управление ресурсами. Также за счет выбора оптимального режима работы и раннего выявления дефектов снижаются простои оборудования. Повышение эффективности и производительности производства позволяет быстро вернуть инвестиции. По подсчетам экспертов, на это, как правило, требуется менее 6 месяцев.
Наша справка
АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» – крупнейший на российском рынке дистрибьютор систем инженерного анализа, а также центр компетенций и элитный партнер компании Ansys Inc. Компания обеспечивает лицензирование, внедрение и техническое сопровождение всех линеек продуктов Ansys, а также сопутствующих программных продуктов сторонних разработчиков для создания специализированных вертикальных решений. Компания также оказывает комплексные услуги по созданию цифровых двойников и инженерного консалтинга.
