Предварительный национальный стандарт ПНСТ 537-2021 "Умное производство. Технология математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на внешние воздействующие факторы на всех этапах жизненного цикла. Общие требования" (утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 февраля 2021 г. N 21-пнст) (документ не действует)

Предварительный национальный стандарт ПНСТ 537-2021
"Умное производство. Технология математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на внешние воздействующие факторы на всех этапах жизненного цикла. Общие требования"
(утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 февраля 2021 г. N 21-пнст)

Smart manufacturing. Technology of mathematical modeling and virtualization of product testing for external influencing factors at all stages of the life cycle. General requirements

ОКС 35.020

Срок действия - с 1 июля 2021 г.
до 1 июля 2024 г.

Предисловие

1 Разработан Акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский институт сертификации" (АО "ВНИИС") и Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" (ООО "НИИ "АСОНИКА")

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 194 "Кибер-физические системы"

3 Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 февраля 2021 г. N 21-пнст

Введение

Целью стандартов комплекса "Умное производство" является применение моделирования изделий на ранних этапах проектирования, снижение затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок.

Стандарты комплекса "Умное производство" представляют собой совокупность отдельно издаваемых стандартов. Стандарты данного комплекса относятся к одной из следующих тематических групп: "Общие положения, основные понятия, термины и определения", "Технические и эксплуатационные характеристики", "Безопасность", "Виды и методы испытаний", "Конструктивные элементы". Стандарты любой тематической группы могут относиться как ко всем изделиям, так и к отдельным группам объектов стандартизации.

Настоящий стандарт относится к тематической группе "Виды и методы испытаний" и определяет требования к технологии математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на внешние воздействующие факторы (ВВФ) на всех этапах жизненного цикла. К ВВФ относятся тепловые, механические, электромагнитные воздействия.

Применение моделирования изделий на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца позволит избежать отказов изделий или их значительно сократить на этапе испытаний опытного образца, сокращая тем самым количество испытаний опытного образца, возможные итерации по доработке схем и конструкций, затраты на разработку изделий при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы, делая изделия конкурентоспособными на отечественном и международном рынке, получая на выходе электронную модель изделия (ЭМИ) на принципах CALS-технологий.

Использование только натурных испытаний изделий на ВВФ без применения моделирования малоинформативно и неэффективно, так как на этапе проектирования не отслеживается большинство возможных отказов изделий; при испытаниях не проверяются критические режимы (либо технически невозможно, либо дорого из-за возможных отказов испытуемых изделий); из-за недоработок проектирования изделий, вскрытых путем испытаний, возможно множество итераций: доработка проекта - испытания опытного образца - доработка проекта и т.д., что значительно увеличивает сроки и стоимость разработки; при натурных испытаниях практически невозможно воспроизвести комплексные (одновременно действующие) воздействия; невозможно установить датчики во всех точках конструкции изделий и контролировать их поведение, выбор контрольных точек при испытаниях субъективен и опирается в основном на опыт и интуицию.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает основные принципы технологии математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на внешние воздействующие факторы на всех этапах жизненного цикла.

1.1.1 Данная технология применяется для моделирования изделий на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца.

1.1.2 На изделие оказывают влияние внешние дестабилизирующие факторы - тепловые, механические, электромагнитные. Внешние дестабилизирующие факторы могут приводить к нарушению прочности и устойчивости изделий. Настоящий стандарт определяет требования к технологии, позволяющей моделировать изделия при ВВФ с целью обеспечения их устойчивости и прочности.

1.2 Требования настоящего стандарта не распространяются на рассмотрение всех проблем проектирования и обеспечения надежности изделий.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 2.052 Единая система конструкторской документации. Электронная модель изделия. Общие положения

ГОСТ 21964 Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики

ГОСТ Р ИСО 19439 Интеграция предприятия. Основа моделирования предприятия

ГОСТ Р ИСО 10303-1 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 1. Общие представления и основополагающие принципы

ГОСТ Р ИСО 10303-11 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 11. Методы описания. Справочное руководство по языку EXPRESS

ГОСТ Р ИСО 10303-21 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 21. Методы реализации. Кодирование открытым текстом структуры обмена

ГОСТ Р ИСО 10303-22 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 22. Методы реализации. Стандартный интерфейс доступа к данным

ГОСТ Р ИСО 10303-31 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 31. Методология и основы аттестационного тестирования. Общие положения

ГОСТ Р ИСО 10303-32 Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 32. Методология и основы аттестационного тестирования. Требования к испытательным лабораториям и клиентам

ГОСТ Р 57188 Численное моделирование физических процессов. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения и сокращения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р ИСО 19439.

3.2 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

БД - база данных;

ВВФ - внешние воздействующие факторы;

ВКБ - виртуальное конструкторское бюро;

ЖЦ - жизненный цикл;

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ТЗ - техническое задание;

ЭМИ - электронная модель изделия;

CAD - (Computer-Aided Design/Drafting) средства САПР, предназначенные для автоматизации двумерного и/или трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторской и/или технологической документации;

CALS - (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта;

PDM - (Product Data Management) система управления данными об изделии) - организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии.

4 Общие положения

4.1 Целью настоящего стандарта является оказание методической помощи предприятиям промышленности и организациям в применении CALS-технологий на ранних этапах проектирования, изготовления и испытаний изделий, а также на всех этапах ЖЦ изделий.

Для достижения поставленной цели в стандарте решены следующие задачи:

- разработаны требования к технологии математического моделирования и виртуализации испытаний изделий с применением CALS-технологий;

- разработаны требования к расчетным методам оценки стойкости изделий к воздействию ВВФ;

- разработаны требования к программному обеспечению для математического моделирования и виртуализации испытаний изделий на основе применения ПЭВМ.

4.2 Технология математического моделирования и виртуализации испытаний изделий к воздействию ВВФ предназначена для использования подразделениями предприятий, на которые возложены соответствующие задачи.

5 Требования к применению CALS-технологий на всех этапах жизненного цикла изделий

На всех этапах ЖЦ изделий необходимо применять CALS-технологий как инструмент организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом по ГОСТ Р ИСО 19439. Это повысит эффективность их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

Предметом CALS являются технологии информационной интеграции, то есть совместного (безбумажного) использования и обмена информацией об изделии (продукте), среде и процессах, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта [1]. Моделирование изделий должно применяться:

1) на этапе маркетинга и изучения рынка;

2) на этапах проектирования, разработки и производства изделий;

3) на этапе планирования и разработки процессов;

4) на этапе закупки;

5) на этапе упаковки и хранения;

6) на этапе реализации;

7) на этапе установки и ввода в эксплуатацию;

8) на этапе технической помощи и обслуживания;

9) на этапе эксплуатации изделий;

10) на этапе утилизации.

6 Требования к технологии математического моделирования и виртуализации испытаний изделий с применением CALS-технологий

6.1 Технология математического моделирования и виртуализации испытаний изделий с применением CALS-технологий должна позволять формирование ЭМИ по ГОСТ Р ИСО 10303-1, ГОСТ Р ИСО 10303-11, ГОСТ Р ИСО 10303-21, ГОСТ Р ИСО 10303-22, ГОСТ Р ИСО 10303-31, ГОСТ Р ИСО 10303-32 и базироваться на следующих программах и подсистемах по ГОСТ Р 57188, ГОСТ 21964.

6.1.1 Программа-конвертер геометрических параметров конструкций изделий из 3D-модели изделий, созданных в CAD-системах 3D-моделирования в форматах IGES и STEP.

6.1.2 Подсистема моделирования механических процессов в изделиях.

6.1.3 Подсистема моделирования тепловых процессов в изделиях.

6.1.4 Подсистема анализа усталостной прочности изделий при тепловых и механических воздействиях.

6.1.5 Подсистема моделирования электромагнитных процессов в изделиях.

6.1.6 Подсистема анализа показателей надежности изделий с учетом протекающих физических процессов.

6.1.7 База данных конструкционных материалов по теплофизическим, физико-механическим, усталостным, электромагнитным и надежностным параметрам.

6.1.8 Подсистема управления данными при моделировании [2].

6.2 Полученные в результате моделирования механических процессов в изделиях напряжения, перемещения и ускорения должны сохраняться в базе данных проектов для дальнейшего использования при принятии решения о стойкости конструкции к механическим воздействиям.

6.3 Полученные в результате моделирования тепловых процессов в изделиях температуры должны сохраняться в базе данных проектов для дальнейшего использования при принятии решения о стойкости конструкции к тепловым воздействиям.

6.4 Полученные в результате анализа усталостной прочности изделий при тепловых и механических воздействиях число циклов до усталостного разрушения и время до усталостного разрушения должны сохраняться в базе данных проектов для дальнейшего использования при принятии решения об обеспечении усталостной прочности изделий.

6.5 Полученные в результате моделирования электромагнитных процессов в изделиях напряженности электрического и магнитного полей должны сохраняться в базе данных проектов для дальнейшего использования при принятии решения об электромагнитной совместимости изделий.

6.6 Полученные в результате анализа показателей надежности изделий с учетом протекающих физических процессов показатели безотказности и долговечности должны сохраняться в базе данных проектов для дальнейшего использования при принятии решения об обеспечении надежности изделий.

7 Требования к электронной модели изделия

Для реализации методологии комплексного математического моделирования изделий необходимо создание единой комплексной модели, в которой учитывались бы основные, влияющие на технические показатели изделий, связи между протекающими физическими процессами по ГОСТ 2.052. Единая комплексная модель формируется из подмоделей, обладающих следующими свойствами.

Геометрическая подмодель:

- не содержит пересекающиеся объемы;

- сохраняется в форматах IGES или STEP.

Подмодель тепловых процессов:

- отражает тепловые процессы в проектируемой конструкции изделия, возникающие под влиянием воздействия окружающей среды, тепловыделений в элементах конструкции и систем охлаждения;

- учитывает все способы передачи тепла в изделии;

- учитывает особенности конструктивного построения современных изделий и способы их охлаждения, что позволяет моделировать тепловые процессы с необходимой для инженерных расчетов точностью, для широкого класса изделий.

Подмодель механических процессов:

- отражает механические процессы в проектируемой конструкции изделия, возникающие под воздействием всего спектра механических воздействий (синусоидальная и случайная вибрации, одиночные и многократные удары, линейное ускорение, акустический шум, статические нагрузки);

- учитывает различные системы виброизоляции, применяемые в изделии;

- учитывает эффект внутреннего трения в материалах конструкций, анизатропность физико-механических параметров материалов конструкций, а также их зависимость от локальных перегревов участков конструкции, что позволяет более точно моделировать механические режимы работы изделий;

- учитывает особенности конструктивного построения современных изделий, что дает возможность с достаточной для инженерных расчетов точностью моделировать весь спектр механических характеристик широкого класса конструкций изделий.

Подмодель усталостной прочности:

- отражает механические процессы в проектируемой конструкции изделия, возникающие при динамических механических воздействиях (синусоидальная и случайная вибрации, многократные удары, акустический шум);

- отражает механические процессы в проектируемой конструкции изделия, возникающие при нестационарных тепловых воздействиях.

Подмодель электромагнитных процессов:

- отражает электромагнитные процессы в проектируемой конструкции изделия, возникающие при воздействии внешней электромагнитной волны.

Подмодель надежности:

- отражает процессы безотказности и долговечности проектируемой конструкции изделия;

- учитывает влияние физических процессов.

Взаимодействие с ЭМИ происходит при помощи методик, предусмотренных в CALS-технологии, через систему электронного документооборота PDM.

ЭМИ дает возможность обращаться с ней, как с материальным оригиналом, а именно: оценивать соответствия параметров и выходных характеристик изделия требованиям ТЗ, стандартам и другой нормативной документации, а также принимать обоснованные решения для внесения изменений в проектирование изделий с целью улучшения при оптимизации показателей ее качества и надежности.

ЭМИ изделий позволяет улучшать показатели процесса проектирования и изготовления, такие как стоимость, сроки и содержание работ на тех или иных этапах. Одним из эффективных с этой точки зрения решений является замена натурных испытаний физического макета или опытного образца математическим моделированием.

ЭМИ изделий формируется при проектировании, и в нее могут быть внесены изменения на этапах изготовления и эксплуатации в силу реальных условий производства на заводе и эксплуатации на конкретном объекте установки. Подобные разрешения дают проектировщики изделий после дополнительного исследования ЭМИ. Поэтому ЭМИ изделий хранится в головной проектной организации, а на стадии изготовления и эксплуатации передается в электронном виде только часть ЭМИ, относящаяся к технологической или эксплуатационной документации.

Еще на этапе концептуального проектирования использование ЭМИ позволяет провести анализ альтернативных подходов и выбрать наиболее верное решение. При конструировании виртуальное макетирование помогает оценить внешние формы частей, их стыковку и согласованность друг с другом в рамках единого изделия. Применение виртуальных макетов повышает наглядность и упрощает процесс управления проектированием изделий в распределенной среде корпоративной сети.

Автоматизированная система, предлагаемая для использования при комплексном моделировании изделий для формирования ЭМИ, состоит из ряда проблемных подсистем, позволяющих комплексно моделировать все основные физические процессы для различных уровней иерархии современных наукоемких изделий. Комплексное моделирование теплового, механического и других физических процессов в изделиях с использованием одного программного средства невозможно. Поэтому для его проведения потребуется несколько моделирующих программ, между которыми необходимо поддерживать связь на уровне входных - выходных данных.

Рекомендуемая автоматизированная система включает в себя средства моделирования тепловых, механических и других физических процессов, средства оценки надежности и качества изделий и обеспечивает дополнение конструкторской документации результатами расчетов и моделями, по которым эти расчеты проведены.

Таким образом, на базе рекомендуемой автоматизированной системы формируется ЭМИ создаваемых изделий, в которую помещается вся информация, накопленная на всех стадиях жизненного цикла. ЭМИ позволяет инженеру моделировать любые процессы в изделиях и вносить любые изменения в его конструкцию так, как если бы это был реальный объект.

ЭМИ включает в себя:

- электронную документацию для производства и эксплуатации;

- алгоритмы проектирования;

- комплексные модели физических процессов в конструкциях изделий;

- результаты комплексного моделирования физических процессов в изделиях;

- диагностические модели;

- инструменты конвертации;

- комплект информационно-логических методик проектирования изделий в стандарте IDEF.

Для разработки высоконадежных изделий важное значение имеет систематизация, накопление, хранение и отображение информации. Для этого используются системы электронного документооборота (PDM-системы). Накопленная информация используется на всем жизненном цикле изделия и включает в себя:

- информацию о конфигурации и структуре изделий;

- комплексные модели тепловых, механических и других физических процессов и результаты их анализа;

- характеристики и свойства изделий;

- организационную информацию (описание процессов, связанных с изменением данных об изделиях, необходимые ресурсы - люди, материалы и т.д.);

- информацию о проведенных контрольных испытаниях,

- документы, которыми обрастают изделия с момента их проектирования до их продажи и дальнейшего обслуживания, и т.д.

Интеграция программных продуктов позволяет осуществить сквозное автоматизированное проектирование изделий на основе комплексного моделирования физических процессов.

Информационная согласованность всей системы обеспечивается на уровне электронной модели изделий, информация в которой представлена в виде совокупности информационных объектов и взаимосвязей между ними, регламентированных комплексом стандартов ИСО 10303 (STEP), при отсутствии дублирования информации. В этом случае существует необходимость только в интерфейсах между каждой отдельно взятой подсистемой и подсистемой управления моделированием. Данные интерфейсы позволяют преобразовать совокупность информационных объектов ЭМИ, описывающих исходные данные для целевой подсистемы, в файлы проекта данной подсистемы и, наоборот, преобразовать файлы проекта исходной подсистемы в совокупность информационных объектов ЭМИ и взаимосвязей между ними, регламентированных комплексом стандартов ИСО 10303 (STEP), гарантируя однозначность представления информации в электронной модели изделий.

8 Требования к взаимодействию работников при проектировании изделий

8.1 Взаимодействие работников при проектировании изделий требует организации виртуального конструкторского бюро (ВКБ), в состав которого входят:

- руководитель ВКБ;

- администратор ВКБ;

- конструктор изделия;

- расчетчик механических характеристик конструкции изделия;

- расчетчик усталостных характеристик конструкции изделия;

- расчетчик тепловых характеристик конструкции изделия;

- расчетчик электромагнитных характеристик конструкции изделия;

- расчетчик надежности изделий;

- администратор справочной БД материалов конструкций (сопровождает БД, в том числе заносит новые данные);

- администратор БД проектных решений (сопровождает БД, в том числе осуществляет импорт и экспорт ЭМИ).

8.2 Возможны две модели ВКБ:

Модель 1. ВКБ действует в рамках локальной сети одного предприятия. В этом случае роль администратора выполняет PDM-система. За человеком остаются функции настройки и обеспечения нормальной бесперебойной работы PDM-системы, а также формирования полного отчета по результатам автоматизированного проектирования.

Модель 2. ВКБ действует через Интернет. Работниками ВКБ являются представители различных предприятий и организаций, расположенные в различных городах. Требуется разработка управляющей программы через Интернет.

9 Требования к этапам проектирования изделий с виртуализацией испытаний

9.1 Виртуальные испытания ЭМИ должны проводиться на следующих этапах проектирования изделия:

- техническое предложение (при научных исследованиях, теоретическом обосновании возможности выполнения ТЗ;

- эскизное проектирование (при определении структуры изделия);

- рабочее проектирование (разработка технической документации на изделие).

9.2 По окончании виртуальных испытаний ЭМИ проводятся изготовление опытного образца изделия и его натурные испытания. Программа натурных испытаний, включая выбор контрольных точек, составляется на основе результатов виртуальных испытаний ЭМИ.

10 Требования к идентификации параметров

При подготовке исходных данных для математического моделирования физических процессов в изделиях могут возникнуть проблемы, связанные с отсутствием значений некоторых параметров. Неизвестные физико-механические, теплофизические и другие параметры математических моделей изделий необходимо получать методом идентификации параметров. Это позволит получить неизвестные значения с высокой степенью точности, основываясь на экспериментальных данных, полученных при проведении натурных испытаний, что позволит проводить наиболее точное моделирование физических процессов при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Библиография

[1]	Шалумов А.С., Никишкин С.И., Носков В.Н. Введение в CALS-технологии: Учебное пособие. Рекомендовано УМО по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов по специальности 220300 "Системы автоматизированного проектирования". - Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2003. - 184 с.
[2]	Шалумов М.А., Шалумов А.С. Виртуальная среда проектирования РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов. - Владимир: Владимирский филиал РАНХиГС, 2016. - 87 с.