Эта история о том, как задача, поставленная перед университетом коммерческой компанией, приводит к новым открытиям, не прописанным в техзадании, к новым «диссертабельным» темам, которые предстоит защитить аспирантам и соискателям ЮУрГУ.
Мы не раз рассказывали о том, что ЮУрГУ по заказу Уральского инжинирингового центра (УрИЦ) создаёт уникальные гидроприводы для обеспечения работы вибрационных испытательных стендов. Идёт ли речь о ракете, которой предстоит запуск в атмосферу, или об архитектурной конструкции, подверженной сейсмическим колебаниям, важно сначала испытать эти объекты в условиях, максимально приближенных к реальным и исправить все ошибки и недочеты конструкции заранее.
В основе испытательного стенда – гидропривод, который должен создавать вибрации с заранее заданными усилием, амплитудой и частотой. Заказчик просил сделать его не хуже, чем делает известная японская фирма Юкен (Yuken). Однако в ЮУрГУ по мере приближения к этим результатам обнаружили, что могут добиться гораздо лучших характеристик. Это уже не просто импортозамещение, а честная рыночная победа!
Конечно, в наш цифровой век все расчёты ведутся с помощью компьютеров. Поэтому перед руководителем проекта – доктором технических наук, профессором Политехнического института ЮУрГУ Дмитрием Ардашевым – стояла задача максимально четко сформулировать проектную цель, разбить ее на задачи, объединить усилия инженеров, учёных и программистов, помочь им найти общий язык, организовать технологическую цепочку и дать правильную установку различным рабочим группам, начинавшим эту работу еще в 2023 году.
Перед руководителем группы электромехаников – доктором технических наук, профессором Сергеем Ганджой – стояла задача обоснованного подбора методик проектирования и расчета электромеханического привода.
Результатом стали полученные от Роспатента свидетельства о регистрации новых программ – для расчёта динамического режима электропривода и расчёт магнитной системы с помощью метода конечных элементов.
Эти программы составляют основу проектного комплекса по созданию основного элемента гидроусилителя – электромеханического привода, который регулирует подачу гидравлической жидкости. Привод должен обладать максимально возможным быстродействием и при этом потреблять минимум энергии от системы управления. Эти противоречивые требования можно выполнить только за счет определения оптимальной геометрии магнитной системы и подвижного якоря.
«Проектный комплекс работает в два этапа, – рассказывает Сергей Ганджа. – Сначала подсистема синтеза определяет оптимальную геометрию привода на основе многочисленных итерационных циклов оптимизации, затем подсистема анализа тщательно проверяет полученные результаты перед серийным производством устройства, уменьшая возможные риски. С помощью комплекса можно спроектировать ряд подобных устройств».
В ходе синтеза и анализа возникает ещё одна, решенная учёными ЮУрГУ, задача – уточненный расчёт магнитной системы. Для этого был модернизирован известный метод конечных элементов, который показывает хорошие результаты при расчете магнитных полей. Метод конечных элементов – это способ сведения дифференциальных и интегральных уравнений к решению СЛАУ – систем линейных уравнений. Он даёт наилучший результат по сравнению с другими методами прикладной математики, применяемыми в таких случаях. Как решать линейные системы, скажем, методом Гаусса, знает каждый первокурсник, этот метод встроен и во многие пакеты компьютерных вычислений, например, в Delphi.
В чём же проблема? В огромном количестве уравнений, которые замедляют работу программы. Сам классический алгоритм не ускорить. Тогда решено было уменьшить число узлов и элементов магнитной системы и соответственно решаемых уравнений на три порядка (в ~1000 раз), оставив точность определения параметров поле на уровне 3-5 % – но только на этапе синтеза. На этапе анализа число узлов и элементов снова увеличивается на три порядка для получения более высокой точности, но это делается один раз.
Таким образом удалось совместить процедуру имизации с большим количеством циклов и качественную проверку полученных результатов.
«Проект по созданию конструкции и развертыванию высокотехнологичного производства гидроприводов рассчитан на три года: к декабрю 2025-го приёмочные испытания опытных изделий должны быть окончены, – говорит Дмитрий Ардашев. – Основные части нашего изделия – электромеханический привод, принимающий входной сигнал от электроники и управляющий гидравлической частью, сама гидравлическая часть, осуществляющая дросселирование потоков рабочей жидкости в полости гидроцилиндра и электронный блок управления, определяющий сигнал задания гидропривода, – практически готовы, и в настоящее время ведется их сопряжение и отладка работы в едином узле. Кроме того, как видно на примере этих двух программ, мы иногда выходим за рамки, установленные проектом, работа стимулирует нас к постановке новых задач, новых тем для кандидатских диссертаций. Так и должна делаться наука, совмещая потребности реального производства и полёт научной мысли».