Bardziej REALNIE się nie da

Inżynierowie przemysłu lotniczego i kosmicznego uczą się więcej na temat projektowania, korzystając z symulacji. Następny krok: połączenie symulacji z modelami CAD

W czasie prac nad jednym z najważniejszych wojskowych samolotów obronnych na początku lat 90. inżynier Lockheed Martin, Paul Bevilaqua, spędził niezliczone godziny pochylony nad komputerem Commodore 64, grając w Chuck Yeager’s Air Combat. Bevilaqua, znany konstruktor przemysłu kosmicznego, z tytułem doktora w dziedzinie inżynierii, naczelny inżynier zaawansowanych projektów w firmie Lockheed, pogłębiał profesjonalną wiedzę, rozbijając wirtualne samoloty o wirtualną ziemię. Z kolegami z Lockheeda, z których wielu również było entuzjastami symulatorów bazujących na oprogramowaniu, Bevilaqua grał w Chuck Yeager’s Air Combat, Flight Simulator Microsoftu oraz inne gry na różnych komputerach, od Commodore’a przez Atari po zwykłe stare klony IBM.

Podczas godzin spędzonych przed ekranem Bevilaqua zyskał wgląd w niektóre z najbardziej kłopotliwych kwestii konstrukcyjnych Lockheeda. Poznał zalety skrócenia promienia skręcania F-35 i znalazł sposoby wykorzystania oprogramowania w celu skrócenia czasów tankowania F-18 w powietrzu. Wiedzę zdobytą w grach wykorzystał również do badania „viffingu” (wektorowania przy locie do przodu) w przypadku samolotu AV-8B Harrier, poprawiając w ten sposób jego zdolności manewrowe.

– Czasem można znać równania, ale wcale nie rozumieć fizyki – zauważa Bevilaqua. – Tu właśnie przydały nam się gry: nauczyły nas prawdziwej fizyki kryjącej się za równaniami.

Istotnie, Bevilaqua i pozostali inżynierowie Lockheeda tak głęboko wierzą w zalety symulacji, że postanowili pójść krok dalej – połączyć ją z oprogramowaniem służącym do projektowania tam, gdzie tylko to możliwe, dzieki czemu mogą lepiej zrozumieć pewne kwestie, począwszy od konserwacji silnika, na fizycznych podstawach działania urządzenia kończąc. Wykorzystali symulację do sprawdzenia, czy mechanicy mają wystarczająco dużo miejsca, by wykonać naprawy silników odrzutowych. Przeprowadzili symulację działania turboodrzutowych silników dwuprzepływowych wznoszących samolot.

W pewnym sensie inżynierowie przedsiębiorstwa stali się liderami trendu, zgodnie z którym należy wypróbować konstrukcje w środowisku symulacyjnym zintegrowanego projektu, zanim zostaną zbudowane.

– Przez długi czas symulacja i CAD były osobnymi dyscyplinami – zauważa Todd Evans, rzecznik MSC.Software Corp., wytwórcy oprogramowania służącego do projektowania. – Ale w ciągu kilku ostatnich lat nastąpiła zmiana. Dziedziny te zaczęły zbliżać się do siebie.

Wirtualni ludzie

Trzeba zaznaczyć, że Świętego Graala projektowania bazującego na oprogramowaniu – możliwości „prowadzenia” komputerowej wersji w pełni zaprojektowanego samochodu lub samolotu z jednoczesnym poprawieniem projektu – znajdziemy dopiero za pięć lub więcej lat. Oczywiście niezliczone zespoły inżynierów chcą zdobyć go wcześniej.

– Wiele przedsiębiorstw chciałoby mieć tego typu możliwość – mówi Richard Bush, menedżer marketingu produktu w NX Simulation dla UGS Corp., sprzedawcy oprogramowania. – Chcieliby np. wirtualny model telefonu komórkowego podnieść z biurka, dotknąć i poczuć, zanim zostanie zbudowany prototyp.

Moment uzyskania takiego poziomu rzeczywistości wirtualnej może faktycznie nadejść w ciągu następnej dekady. Inżynierowie prowadzący badania w szkołach (Carnegie Mellon University, Iowa State University) i w innych miejscach pracują nad urządzeniami „dotykowymi” – rękawiczkami pokrytymi czujnikami, goglami i wskaźnikami refleksyjnymi, które zapewniłyby inżynierom zajmującym się projektami bardziej efektywne wykorzystywanie ludzkich zmysłów podczas testowania realizowanych pomysłów zawartych w oprogramowaniu.

Zwolennicy symulacji mówią, że dodaje ona nowy wymiar rozumienia produktu. – Dzięki symulatorom bazującym na oprogramowaniu można nauczyć się czuć pewne rzeczy intuicyjnie. Zdobycie takiej wiedzy inną drogą mogłoby zająć 20 lat projektowania i zbierania doświadczeń w lotach próbnych – mówi Bevilaqua.

Obecnie inżynierowie łączą symulację z oprogramowaniem CAD i wykorzystują ją do zadań o mniejszych obciążeniach obliczeniowych, takich jak symulowanie działania zawieszenia pojazdu. Na przykład drużyny biorące udział w wyścigach i producenci samochodów terenowych wykorzystują NX Simulation firmy UGS Corp., by regulować zawieszenie pojazdu, kiedy pokonuje on tor wyścigów. W ten sposób mogą sprawdzić, jak reaguje zawieszenie, kiedy samochód jedzie po równym podłożu lub pokonuje wyboje.

– Cała rzecz polega na tym, by w środowisku projektowym zapewnić narzędzia, dzięki którym w czasie wykonywania projektu będzie można wykorzystać symulację – mówi Bush.

Podobnie oprogramowanie Human Builder firmy IBM Corp. umożliwia umieszczenie wirtualnego człowieka w ergonomicznym lub produkcyjnym otoczeniu i sprawdzenie, jak te dwa elementy na siebie oddziałują. W jednej z aplikacji Joint Strike Fighter podczas badania projektu inżynierowie na przykład wykorzystali wirtualnych ludzi, by zasymulować pełną konserwację turboodrzutowego silnika dwuprzepływowego wznoszącego. Badanie to przeprowadzono w celu wykazania, że pełna konserwacja może zostać przeprowadzona na silniku znajdującym się w nawie roboczej na pokładzie lotniskowca.

^{KORZYSTAJĄC z oprogramowania NX firmy USG, projektanci samochodów terenowych mogą symulować funkcjonowanie zawieszenia pojazdu}

Inżynierowie IBM twierdzą, że oprogramowanie ich firmy, włącznie z Product  Life-cycle Management (PLM) i dobrze znanym programem CATIA, zostało również wykorzystane do określenia, czy mechanik zmieści swoją rękę w panelu dostępu, a następnie wyjmie śruby z silnika. Podobnie producenci samochodów w jednym ze swoich pojazdów wykorzystali oprogramowanie do umieszczenia człowieka na siedzeniu kierowcy, aby sprawdzić w lusterku wstecznym z każdego możliwego kąta, gdzie znajdują się martwe strefy.

– Za pomocą oprogramowania można wyciągnąć rękę i ustawić lusterko, by ustalić, gdzie znajdowałyby się niewidoczne dla kierowcy obszary drogi, w zależności od tego, czy jest niski, czy wysoki – wyjaśnia rzecznik IBM.

^{OPROGRAMOWANIE NX firmy USG umożliwia symulowanie ergonomii kokpitu w celu ustalenia, czy wszystkie urządzenia sterujące znajdują się w zasięgu ręki}

Prace takie można zaliczyć do symulowanych badań ergonomicznych, jakie z coraz większym rozmachem wykorzystują producenci wyrobów końcowych, którzy chcą znać odpowiedzi przed zbudowaniem prototypów. – Ergonomia jest bardzo ważna dla niektórych przedsiębiorstw – mówi Tom Toomey, Aerospace Center PLM dla IBM. – Szukają lepszego zrozumienia relacji między ludźmi i przedmiotami, by sprawdzić jak trudne może okazać się dosięgnięcie uchwytu lub otwarcie kosza w samolocie.

^{OPROGRAMOWANIE Human Builder firmy IBM do symulowania zachowania mechanika pracującego przy silniku samolotu}

„Czucie” projektu

Aby osiągnąć cel, jakim jest symulacja ruchu w złożonym układzie mechanicznym, inżynierowie zaczęli również wykorzystywać oparte na kinematyce symulacje fizyczne. Produkty takie, jak MSC Adams firmy MSC.Software, obejmują: Adams/Aircraft, który zapewnia inżynierom wykonywanie wirtualnych prototypów samolotów, Adams/Car – stworzenie podwozia, silnika i podzespołów napędu oraz Adams/3D Road umożliwiający tworzenie dróg, struktur parkingów i torów wyścigowych. Programy Adams, które można zastosować w ponad pół tuzinie innych przypadków, mogą być łączone z programami CAD, takimi jak CATIA.

Kinematyczne modele ruchu przyspieszają rozwój wiedzy, gdyż umożliwiają budowanie modeli w systemach CAD, a następnie wprowadzanie ich do symulatora ruchu. Umożliwia to inżynierom przetestowanie zespołu mechanicznego, takiego jak podwozie, w celu sprawdzenia, czy rozkłada się zbyt wolno, zbyt szybko, za daleko lub niewystarczająco daleko, jak również, czy nie wchodzi w konflikt z jakąś inną częścią samolotu.

Niemniej Święty Graal umożliwiający inżynierom prowadzenie wirtualnego samochodu lub pilotowanie wirtualnego samolotu podczas projektowania wciąż pozostaje gdzieś na horyzoncie. Aby stał się rzeczywistością, potrzebne byłyby według inżynierów lepsze systemy wizualizacji, łącznie z kartami graficznymi i mikroprocesorami o wyższym poziomie, jak również systemami imitującymi wrażenie dotyku, takimi jak naszpikowane czujnikami kombinezony, rękawiczki i gogle. Ponadto będzie im potrzebne lepsze oprogramowanie, które stworzy bogate otoczenia wirtualne, zapewniające  „kierowcy” poczucie, że znajduje się w realnym środowisku.

Do niedawna większość przedsiębiorstw lotniczych i kosmicznych sama opracowywała dla siebie własne symulatory bazujące na oprogramowaniu – głównie dlatego, że gry nie zapewniają bogactwa oraz dokładnej aerodynamiki, jaka jest im potrzebna.

Nawet mniejsze firmy lotnicze, takie jak Scaled Composites Inc., stworzyły własne oprogramowanie do symulatorów. Jim Tighe, główny specjalista od aerodynamiki słynnego samolotu SpaceShipOne, napisał własny program do symulatora, po miesiącach korzystania z gry X-Plane. Zajęło mu to osiem miesięcy (prawie cały swój czas poświęcił programowi do symulatora).

– Gry takie jak X-Plane czy Microsoft Flight Simulator mają swoje ograniczenia – mówi Tighe. – Dynamika prawdziwego samolotu jest bardzo złożona i nieliniowa. Istnieje mnóstwo różnych dziwnych współzależności, których nie da się oddać w grze wideo.

Tighe uważa, że tak mała firma jak Scaled Composites nie będzie mogła szybko wykorzystać jego symulatora w projektowaniu oprogramowania. Niemniej wielu inżynierów wierzy, że w ciągu kilku najbliższych lat stanie się to możliwe w większych przedsiębiorstwach. A wtedy korzyści przesuną się również na inne pola, np. samochody czy obrabiarki.

Zestaw do symulacji

– Prawdziwym celem jest stworzenie symulacji kompletnego działania produktu, łącznie z naprężeniami, możliwością wytwarzania  i symulacją osiągów – mówi Toomey z IBM. – Czy będziemy w stanie wykonać symulację i projektować w czasie rzeczywistym? Tak, to powinno być możliwe w najbliższej dekadzie.

Rzecznicy pomysłu twierdzą, że sama symulacja – nawet bez połączenia z systemem CAD – służy jako ważny mechanizm szkoleniowy dla obecnych inżynierów projektantów.

– Niekoniecznie naucza bezpośrednio – mówi Bevilaqua. – Chodzi o wytworzenie w sobie możliwości odbierania pewnych rzeczy intuicyjnie. Czasem możesz coś wiedzieć, ale poczuć – to zupełnie co innego.

Autor: TEKST: CHARLES J. MURRAY