Центр физического приборостроения (ЦФП) ИОФ РАН (г. Троицк, Московской обл.)

Задача

Центр физического приборостроения (ЦФП) ИОФ РАН (г. Троицк, Московской обл.) является крупнейшим российским разработчиком современных газовых лазеров и систем для науки, производства и медицины.

ЦФП совместно с ООО «Оптосистемы» (www.optosystems.ru) осуществляет разработку и коммерческий выпуск эксимерных лазеров и комплексов на их основе, в том числе специализированных лазеров для фотолитографии, лазерные комплексы для микрообработки различных материалов, для лазерного напыления и др. Производство лазерных систем отвечает требованиям стандарта ИСО 9001-2001.

Саровскому Инженерному Центру (СИНЦ) было предложено провести расчеты газопрокачного контура эксимерного лазера с высокой частотой повторения импульсов для его последующей оптимизации и достижения заданной скорости потока в разрядном объеме. Такие исследования, проводимые на стадии проектирования, сокращают сроки и затраты на разработку конструкций.

Решение

Специалистами СИНЦ был проведен предварительный расчетный анализ прокачного контура исходной формы для нескольких вариантов средства прокачки (вентилятора). В расчетах были получены застойные зоны и места расположения вихрей, определены моменты сопротивления вращению, мощности на валу, профили скоростей в разрядном объеме, напорность вентиляторов. Расчеты выполнялись на высокоточных компьютерных моделях большой размерности с использованием лицензионного программного комплекса Star-CCM+. На основании предварительного анализа и выявленных особенностей движения газа был определен вентилятор, для которого была проведена последующая серия расчетов для различных форм прокачного контура и нескольких скоростей вращения вентилятора. По результатам расчетов была найдена форма модифицированного контура и выбран режим работы вентилятора, при котором обеспечиваются необходимые параметры.

Результат

Специалисты СИНЦ провели расчетный сравнительный анализ режима работы нескольких вентиляторов, а также предоставили Заказчику большой объем расчетной информации для различных вариантов формы газопрокачного контура, что способствовало принятию обоснованного решения. Результаты численного моделирования позволили ЦФП разработать оптимальную конструкцию эксимерного лазера с требуемыми эксплуатационными характеристиками.

ОАО «Завод им. Г.И. Петровского» (г. Нижний Новгород)

Задача

ОАО «Завод им. Г.И. Петровского» (г. Нижний Новгород) разрабатывает и производит радиоэлектронную аппаратуру различного назначения, в частности, полетные регистраторы («черные ящики») для отечественных самолетов. Изделия предприятия отличаются высокой степенью проработанности инженерных решений. Саровскому Инженерному Центру (СИНЦ) было предложено провести комплексный анализ прочности корпуса защищенного модуля памяти (ЗМП) для поиска оптимальной конструкции минимально возможной массы. Корпус разрабатывался для полетного регистратора нового поколения и должен выдерживать весьма высокие статические и динамические нагрузки, определяемые требованиями норм летной годности. Такие исследования необходимы на стадии проектирования для сокращения сроков и затрат на разработку.

Решение

Специалистами СИНЦ были проведены расчетно-экспериментальные исследования прочности силового корпуса ЗМП. Расчеты различных вариантов конструкций и модельных сборок выполнялись на высокоточных компьютерных моделях большой размерности с использованием лицензионного программного комплекса LS-DYNA. В результате были выявлены особенности деформирования корпуса при действии на него ударных нагрузок и глубоководного давления, при сопротивлении проникающему воздействию, а также были определены необходимые представительные эксперименты для проверки полученных закономерностей. Эксперименты на образцах, имитирующих детали корпуса ЗМП, подтвердили обоснованность серии расчетов, выполненных для выбора конструкции. В дальнейшем прочность корпуса ЗМП была подтверждена в ходе сертификационных испытаний в ФКП «ГкНИПАС» на соответствие нормам TSO-C123 и TSO-C124.

Результат

Специалисты СИНЦ предоставили Заказчику большой объем достоверной информации по прочности различных вариантов корпуса ЗМП, что способствовало принятию обоснованных конструкторских решений. Результаты численного моделирования с экспериментальным подтверждением проведенных расчетных исследований позволили заводу разработать оптимальную конструкцию бортового самописца, выдерживающего регламентированные механические нагрузки, и наладить его серийный выпуск.

ОАО «ОКБМ Африкантов» (Нижний Новгород)

Задача

ОАО «ОКБМ Африкантов (Нижний Новгород)  создает реакторы различных типов, оборудование и системы управления энергетическими установками. Важнейшей проблемой атомной энергетики является безопасность новых реакторных установок в авариях. Одной из возможных тяжелых аварий является обрушение активной зоны (АЗ). В этом случае реакторная установка должна обеспечивать эффективное удаление остаточного тепловыделения обрушенной АЗ на основе стационарных циркуляционных конвективных течений охлаждающей жидкости. Для проверки и отработки этого способа ликвидации последствий рассматриваемой аварии разрабатывается специальный теплогидравлический стенд. При этом возникает необходимость подтверждения технических характеристик стенда путем компьютерного моделирования свободной конвекции охладителя.

Решение

По CAD модели конструкции, предоставленной Заказчиком, на основе программных средств STАR-Design, STAR-CCM+ разработана подробная трехмерная компьютерная модель стенда и проведены расчеты. В результате численных исследований стационарных термодинамических режимов установлено, что в стенде устанавливается циркуляция, обусловленная естественной конвекцией. Обеспечивается эффективное охлаждение нагревателя. Численные результаты, подтвержденные экспериментально, позволяют с приемлемой точностью оценить эффективность стенда в разных режимах работы при различных значениях степени перфорации нижней и верхней пластин.

Результат

В результате решения задачи на кластерных компьютерах ООО «Саровский ИнженерныйЦентр» в короткий срок был получен и направлен Заказчику большой объем качественной информации по особенностям течений теплоносителя в условиях свободной конвекции пристационарной работе стенда: пространственное распределение температур и скоростей охлаждающей жидкости. Подтверждена правильность технических решений, лежащих воснове работы стенда для отработки технологии удаления остаточного тепловыделения АЗ.

Кожаев А.А., Маврин М.С. ,Осипов С.Л., Рогожкин С.А., Рябов А.А., Соболев В.А., Шепелев С.Ф. Расчетные и экспериментальные исследования теплогидравлических процессов в стенде «Поддон». Вестник ННГУ, 2009, №4, с.101-109.

ОАО «ОКБМ Африкантов» (Нижний Новгород)

Задача

ОАО «ОКБМ Африкантов» (Нижний Новгород) является разработчиком реакторов различных типов. Важнейшей проблемой при создании новых энергетических установок является безопасность их работы в условиях аварий. Одной из тяжелых запроектных аварий является обрушение активной зоны (АЗ). Для безопасности установки в подобной ситуации в конструкцию закладываются технические решения, обеспечивающие ликвидацию последствий – удаление остаточного тепловыделения обрушенной АЗ на основе циркуляционных течений при свободной конвекции теплоносителя. Эффективным методом анализа такого способа является компьютерное моделирование теплоносителя, максимально приближенное к реальной конструкции и условиям ее работы.

Решение

По CAD модели реактора БН-800, предоставленной Заказчиком, на основе программных средств STАR-Design и STAR-CCM+ разработана детальная дискретная компьютерная модель, включающая все основные особенности реальной конструкции, влияющие на термодинамику потоков теплоносителя в заданных условиях. Расчеты проведены для двух случаев, когда разрушение напорной камеры не препятствует развитию естественной циркуляции через разрушенную активную зону и когда приводит к полному перекрытию проходных сечений в нижней плите напорной камеры сталью расплавившихся ТВС. Расчеты показали, что даже при неработающих насосах в обоих случаях устанавливается циркуляция, обеспечивающая эффективное охлаждение расплавленного топлива.

Результат

Применение программы STAR-CCM+ на кластерных вычислительных ресурсах ООО«Саровский Инженерный Центр» позволило быстро и точно выполнить расчеты циркуляционных течений при свободной конвекции жидкого теплоносителя в реальной конструкции БН-800. В результате Заказчик получил подробную трехмерную картину распределения полей температур, и скоростей установившегося течения жидкости. Численное решение позволило подтвердить правильность конструкторских решений и достаточную эффективность разработанного способа ликвидации последствий возможной тяжелой аварии. На основе компьютерного моделирования решена одна из важных проблем безопасности новых ядерных энергетических установок.

ОАО «НПО «САТУРН» (г.Рыбинск)

Задача

ОАО «НПО «САТУРН» (г.Рыбинск) является одним из ведущих предприятий России в области проектирования современных газотурбинных двигателей для авиации и установок для энергетики, нефтегазовой промышленности. Совместно с французской корпорацией SnecmaGroupe safran НПО «САТУРН» разработало двигатель SaM146 для нового Российского пассажирского самолета SSJ-100. Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным авиационным двигателям, является их безопасность в возможных аварийных ситуациях. Для турбовентиляторных двигателей характерны относительно большие размеры лопаток вентилятора. В связи с этим, повышенную опасность представляет обрыв одной из лопаток вентилятора при работе двигателя. Оборвавшаяся лопатка может разрушить корпус двигателя и повредить фюзеляж самолета, поэтому на этапе проектирования эта возможная авария должна быть тщательно проанализирована.

Решение

Саровский Инженерный Центр получил все необходимые данные для расчетного анализа аварийной ситуации, связанной с обрывом лопатки вентилятора. По этим данным на основе программных средств PROSTAR и LS-DYNA был разработан ряд компьютерных моделей, включающих все необходимые элементы конструкции двигателя, и выполнен большой объем численных расчетов квазистатических напряженно-деформированных состояний при нормальной работе двигателя и нестационарных процессов деформирования при обрыве лопатки. Все статические и динамические расчеты выполнялись на основе высокоточных конечно-элементных моделей большой размерности с учетом упругопластического деформирования материала, больших перемещений и контактных взаимодействий элементов конструкции. В результате расчетных исследований были выявлены особенности деформирования всех элементов вентилятора и выработаны рекомендации по усовершенствованию его конструкции.

Результат

Саровский Инженерный Центр представил Заказчику большой объем расчетной информации о статическом деформировании всех элементов вентилятора при работе двигателя на заданном режиме, а также о динамике деформирования элементов ротора и корпуса двигателя при обрыве лопатки вентилятора. В результате тесного взаимодействия специалистов двух предприятий, совместными усилиями на этапе разработки конструкция вентилятора была улучшена, при этом повышена безопасность двигателя в условиях тяжелой аварии.

ОАО «КЛИМОВ» (Санкт Петербург)

Задача

От ОАО «КЛИМОВ» (Санкт Петербург) является одним из крупнейших в России разработчиков двигателей для летательных аппаратов различного назначения. Для удовлетворения современным требованиям к топливной экономичности, эффективности и минимизации воздействия наокружающую среду необходимо на основе современных методов компьютерного моделирования разработать и внедрить технологию проведения численного моделирования физико-химическихпроцессов в камере сгорания авиационного двигателя с учетом распыления, испарения, турбулентного перемешивания и сгорания топлива.

Решение

Задача решена специалистами «Саровского Инженерного Центра» с использованием современной технологии численного моделирования реализованной в программном комплексе STAR-CCM+. На основе CAD-модели Заказчика средствами STAR-CCM+ разработана высокоточная компьютерная модель, отражающая все особенности сложной конструкции камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Также, пользуясь стандартными возможностями STAR-CCM+, была создана физико-химическая модель сгорания топлива в турбулентном потоке,описывающая полный комплекс процессов, начиная от впрыска и распыления топлива и заканчивая догоранием первичных продуктов сгорания, таких как СО (угарный газ). Компьютерные расчеты позволили с высокой точностью исследовать особенности сгорания топлива и работыу стройства в целом.

Результат

В сжатые сроки на кластерных вычислительных ресурсах «Саровского Инженерного Центра» проведено численное моделирование физико-химических процессов в камере сгорания авиационного двигателя. В результате численного анализа получен большой объем информациипо распределению полей температуры, скорости, давления, реагентов и продуктов сгорания авиационного топлива. Надежность и достоверность результатов численного моделирования с некоторой погрешностью подтверждена данными экспериментов. Разработанная технология позволяет на этапе проектирования на основе результатов компьютерного анализа выявлять особенности поведения и недостатки работы, совершенствовать конструкцию новых образцов авиационных двигателей.

ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны)

Задача

ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) выпускает грузовые автомобили различного назначения. При разработке современного автомобиля большое внимание уделяется его аэродинамическим характеристикам, которые напрямую влияют как на топливную экономичность, акустический комфорт, так и на управляемость автомобиля на больших скоростях. Поэтому на стадии проектирования необходимо проводить численное моделирование аэродинамики автомобиля дляразличных скоростей движения, что на достигнутом уровне развития компьютерных технологий оказывается существенно дешевле и быстрее, чем проведение натурных экспериментов. В данной задаче необходимо исследовать аэродинамику автомобиля КАМАЗ-5308.

Решение

Задача решена специалистами «Саровского Инженерного Центра» с использованием современной технологии численного моделирования реализованной в программном комплексе STAR-CCM+. На основе CAD-модели Заказчика средствами STAR-CCM+ была разработана высокоточная компьютерная модель автомобиля с учетом всех конструктивных особенностей. Компьютерные расчеты позволили с высокой точностью исследовать аэродинамики автомобиля иопределить его основные аэродинамические характеристики.

Результат

В сжатые сроки на кластерных ресурсах «Саровского Инженерного Центра» проведены численные исследования аэродинамики автомобильного тягача КАМАЗ-5308 и получены основные аэродинамические поля скоростей и давлений, а также интегральные характеристики, анализ которых дает углубленное понимание процессов обтекания отдельных элементов конструкции иавтомобиля в целом при движении по дороге. Большой объем расчетной информации, полученныйв результате компьютерного моделирования, позволяет разработчикам автомобилей совершенствовать конструкцию и повышать ее потребительские качества.

ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны)

Задача

ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) выпускает грузовые автомобили различного назначения. Конструкция автомобилей непрерывно совершенствуется. Одной из целей усовершенствований является уменьшение силы лобового сопротивления автомобиля. По данным печати при скорости 100 км/ч около 65% энергии потребляемой грузовым автомобилем тратится на преодоление силы сопротивления воздуха. В связи с эти весьма актуальными являются численные расчеты аэродинамики автомобиля, позволяющие получить подробную достоверную информацию. Необходимо исследовать аэродинамику модификации автомобильного тягача КАМАЗ-5480 и определить аэродинамические коэффициенты автомобиля (коэффициента лобового сопротивления, коэффициента подъемной силы), распределения полей давления и скоростей.

Решение

Задача решена специалистами «Саровского Инженерного Центра» с использованием современной технологии численного моделирования реализованной в программном комплексеSTAR-CCM+. На основе CAD-модели Заказчика средствами STAR-CCM+ была разработана высокоточная компьютерная модель автомобиля, включающая все конструктивные особенности, кабины: сложную форму внешней поверхности, зеркала, дворники, дверные ручки. Детально описано подкапотное пространство, двигатель, охладитель надувочного воздуха, радиатор, силовая несущая рама, трансмиссия, учтено вращение колес и т. д. Компьютерные расчеты назаданном режиме движения позволили с высокой точностью исследовать особенности обтекания автомобиля и определить его основные аэродинамические характеристики.

Результат

В сжатые сроки на кластерных вычислительных ресурсах были проведены численные исследования аэродинамики автомобильного тягача КАМАЗ-5480 и получены детальные поля скоростей и давлений, а также все основные аэродинамические коэффициенты. Результаты расчетов позволили разработчику автомобильной техники подробно проанализировать и более глубоко понять особенности процессов обтекания, происходящих при движении автомобиля подороге и наметить пути дальнейшего совершенствования аэродинамических характеристик, какотдельных элементов, так и автомобиля в целом для повышения его потребительских качеств.

ООО «Объединенный инженерный центр», «Группа ГАЗ» (Нижний Новгород)

Задача

От ООО «Объединенный инженерный центр», «Группа ГАЗ» (Нижний Новгород) поступило предложение принять участие в совершенствовании системы охлаждения новой модификации автомобиля «ГАЗель» с бензиновым двигателем УМЗ-4216. Эффективность системы охлаждения, обеспечивающей требуемый температурный режим при различных условиях эксплуатации, является одним из факторов надежной работы двигателя. Поэтому при разработке нового автомобиля и модификации существующей модели особое внимание уделяется системе охлаждения. В данной задаче было необходимо численно исследовать работу элементов исходной системы охлаждения в реальной компоновке подкапотного пространства автомобиля и предложить обоснованные модификации по её совершенствованию.

Решение

Задача решена специалистами «Саровского Инженерного Центра» с использованием современной технологии численного моделирования реализованной в программном комплексе STAR-CCM+. На основе CAD-модели Заказчика средствами STAR-CCM+ была разработана высокоточная компьютерная модель автомобиля и подкапотного пространства, физическая модель радиатора. Компьютерные расчеты позволили с высокой точностью исследовать особенности работы базовой конструкции системы охлаждения и десяти её модификаций для различных режимов работы двигателя.

Результат

В сжатые сроки на кластерных вычислительных ресурсах «Саровского Инженерного Центра» проведена экспертная оценка исходной конструкции системы охлаждения и нескольких её модификаций. Надежность и достоверность результатов численного моделирования подтверждена данными натурных экспериментов. Полученные результаты выявили особенности работы исходного варианта и позволили выработать рекомендации по его усовершенствованию. На основе этих результатов совместно с Заказчиком удалось разработать и обосновать оптимальную по технической реализации в производстве конструкцию, обеспечивающую на 10% более высокую эффективность охлаждения.

ОАО «Автомобильный завод «УРАЛ» (г. Миасс, Челябинская область.) и ООО «ЕвроТехПласт»

Задача

ОАО «Автомобильный завод «УРАЛ» (г. Миасс, Челябинская область.) (www.uralaz.ru) в сотрудничестве с ООО «ЕвроТехПласт» (г. Нижний Новгород) разрабатывает автомобили различного назначения. Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным автомобилям, является обеспечение комфортных условий внутри машины в различных климатических условиях в широком диапазоне окружающей температуры. В соответствии с современными нормами в кабине и салоне автомобиля должен обеспечиваться заданный температурный режим с допустимым перепадом температуры по пространству, ограничениями по скорости движения воздуха и времени работы системы для достижения заданного теплового режима. Весьма эффективным инструментом проектирования автомобильных климатических систем (обогрева и охлаждения) является современная технология имитационного моделирования, позволяющая с высокой точностью рассчитывать термодинамику реальной кабины автомобиля с учетом всех конструктивных особенностей: сложной формы воздуховодов, кресел, агрегатов и различного оборудования, установленного внутри автомобиля.

Решение

Для численных исследований работы систем обогрева и охлаждения предложенного автомобиля Саровский Инженерный Центр (СИНЦ) разработал серию детальных дискретных моделей кабины и салона, размерностью до 8 млн. ячеек каждая на основе ряда 3D математических конструкторских моделей, предоставленных заказчиком. Дискретные модели учитывают все конструктивные особенности кабины и салона автомобиля, включая реальную форму внутренней поверхности кабины и салона, воздушных магистралей отопителя и испарителя, сопел, дефлекторов, компоновку кресел, отражают различные варианты модификации конструкции. Для расчета нестационарных термодинамических стояний воздуха при работе отопителя и охладителя в СИНЦ применяются лицензионные программные средства STAR-CCM+, компании CD-adapco, обеспечивающие эффективное решение задач большой размерности в параллельном режиме на кластерных компьютерах. Для решения рассматриваемых задач использовалось до 96 ядер НР кластера СИНЦ.

Результат

В результате тесного взаимодействия разработчиков автомобильной техники и специалистов по компьютерному моделированию СИНЦ в сжатые сроки численно проанализирована серия различных конструктивных вариантов компоновки магистралей и элементов систем обогрева и охлаждения и найдено оптимальное решение, обеспечивающее надежную устойчивую работу конструкции и выполнение всех предъявляемых к ней требований. Совместно разработанные технические решения успешно подтверждены натурными испытаниями на опытном образце автомобиля, что на практике доказывает высокую эффективность использования современных компьютерных технологий в поиске оптимальных вариантов конструкций и систем в отечественном автомобилестроении.