Промышленная эффективность математического моделирования

Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики был основан в Томске в 1968 году на базе специального отдела СФТИ. У его истоков стоял кандидат физико-математических наук, доцент  Анатолий Дмитриевич Колмаков. Изначально в штате состояло 7 человек, из которых только трое были научными сотрудниками. Исследования велись по ракетно-космической тематике без ориентации на стратегических партнеров и заказчиков. Колмаков добился долгосрочных научно-технических контактов с предприятиями оборонных отраслей промышленности и сумел обеспечить финансирование 100 штатных единиц сотрудников.

Работы велись в области исследования высокоскоростного метания и бронебаллистики, двухфазных течений в соплах и процессов горения твердых топлив в различных условиях. Также разрабатывались феноменологические математические модели для создания аппаратов и технологий по переработке порошковых материалов (ныне нанотехнологии) и другое. Сегодня директором НИИ прикладной математики и механики является доктор физико-математических наук, профессор, советник Российской академии ракетных и артиллерийских наук Глазунов Анатолий Алексеевич, а сам институт является структурным подразделением НИТГУ.

Базовый центр проектирования НИИПММ (одно из направлений работы) возглавляет заведующий отделом Бутов Владимир Григорьевич. Центр решает задачи, включающие в себя анализ прочностных, теплофизических, электромагнитных, акустических,  гидрогазодинамических и др. характеристик различных устройств, проводит инженерный консалтинг для руководителей инновационных предприятий, а так же обучающие школы-семинары в области проектирования инновационных разработок.

С использованием программных продуктов создаётся математическая модель объекта (механизма), необходимого для определённых целей промышленности, за счет замены экспериментальной отработки изделий их компьютерными моделями возможно  снизить затраты на проектирование,  существенно уменьшить сроки проектирования,  использовать больше возможностей по оптимизации изделий. Математическое моделирование – это средство изучения реального объекта, процесса или системы путем их замены математической моделью. По определению Самарского и Михайлова математическая модель – это «эквивалент» объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства – законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям. Создаётся триада «модель – алгоритм – программа», таким образом, исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который постепенно отлаживается, тестируется в пробных вычислительных экспериментах. После того, как установлена адекватность (достаточное соответствие) триады объекту  с триадой можно проводить разнообразные и подробные опыты, которые дают все требуемые качественные и количественные  свойства и характеристики объекта.

Математическое моделирование используется в области гидро- и газодинамике, при прочностном анализе, в области строительства (промышленные здания, высоко возвышающиеся здания и спортивные сооружения, а так же мосты, атомные, ветровые, и тепловые электростанции, дамбы и т.п.) и для электромагнитных решений. На основе созданных математических моделей на промышленных предприятиях рождаются уже реальные, воплощенные в «железо»  объекты. По словам Владимира Григорьевича Бутова: «Любой процесс в аппарате, в машине, в реакторе – многопрофильный – прочность, движение тепла, электромагнитные поля, акустика – всё это вместе, смысл в том, чтобы образование, которое даётся, которое нужно модернизировать  направлялось в одну дисциплину и было понятно узким специалистам. Затем данные обобщаются, и создаётся общая математическая модель. Так в процессе осуществляется автоматизированное проектирование, фактически происходит подготовка конструкторской документации и последовательно схема подвергается анализу компьютерных систем. Мы сами создаём некоторые  программные продукты. Часть программ выкуплена у дилеров ведущих западных компьютерных фирм. Всё это давно окупилось. Для того, чтобы подготовить специалиста в области математического моделирования, необходимы долгие годы. В основном к нам приходят выпускники физико-технического факультета».

НИИПММ выполнял работы и продолжает сотрудничество с предприятиями в различных областях: аэрокосмической – такие предприятия, как ОАО «"Информационные Спутниковые Системы" им. академика М.Ф. Решетнёва», ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина", атомной - ООО «Атомпромресурсы», ОАО «Сибирский химический комбинат», ОАО «Ангарский Электролизный Химический Комбинат», ОАО «ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара», нефтегазовой - ОАО «Центрсибнефтепровод» (дочернее предприятие ОАО "АК "Транснефть"), а также в приборостроении и угольной отрасли.

С.Г. Бутов рассказал, как создавались математические модели различных промышленных объектов: «Весь промышленный процесс представляется в виртуальном виде. Для аэрокосмической отрасли была создана математическая модель посадочного комплекса на Луну, для этой установки была рассчитана тепловая защита, необходимо было расположить нагреватели таким образом, чтобы держать температурное поле для работы всех приборов в допустимых условиях. Рассчитывался бросковый стенд на Земле, чтобы смоделировать условия посадки модуля на Луну. Необходимо было рассчитать амортизаторы, чтобы стенд не перевернулся, была сделана оценка всех внутренних устройств.

Для ОАО «Центрсибнефтепровод» была рассчитана математическая модель активаторной машины. В огромных резервуарах  для того, чтобы не образовывалось отложений, нефть держат в непрерывном движении струями со всех сторон. Мы сделали комплексное моделирование активаторной машины для подтверждения проектных параметров  и выбора оптимальных режимов работы. Для ОАО ТЭМЗ моделировали и делали расчёт шахтного вентилятора. Струя, которая создаётся вентилятором, на стенде тормозится, по усилиям, которые создаются, определяется качество механизма. Для ООО «Пожнефтехим» рассчитывалась гидравлическая схема бака-дозатора для достижения постоянного коэффициента смешения в заданном диапазоне расходов. Цепь рассчитывается, потом делается опытный образец, его испытывают. Была так же сделана работа по анализу сейсмичности бака-дозатора. Восточный нефтепровод проходит в зоне сейсмичности, эти резервуары существуют для пожарной защиты нефтепроводов, поэтому необходимо  делать этим объектам оценку на сейсмичность. В напряжённых местах мы даём соизмеримые усилия, например, техническое задание на выдерживание землетрясения в 8 баллов. Это полностью высчитывается математически, внутри считается весь процесс, в трубах, просчитываются смешения. Было выдано подтверждение сейсмостойкости, по результатам расчётов усилены некоторые детали конструкции. Для ОАО «Центрнефтепровод» было проведено моделирование поведения герметизатора «Кайман» при различном давлении в нефтепроводе. Герметизаторы используются при ремонте нефтепроводов, внутрь нефтепровода запускается внутритрубный фонендоскоп, он получает изображение стенки, если она скороззировала, это место нужно подготовить к ремонту. Внутрь трубы запускается герметизатор, это устройство плывёт и сообщает данные наверх, когда оно подходит к нужному месту, аккордовая оболочка расширяется и тормозит, полностью герметизируя поверхность. Это место вырезают, откачивают нефть, заваривают, потом спускают эту оболочку. Мы рассматривали поведение герметизатора, зависимость смещения сердечника от давления в трубе, напряжения при действии линейного ускорения. Для аэрокосмической отрасли делали проект спутниковых антенн (это гигантские – десятки метров в диаметре – зонтичные рефлекторы – они собираются как кокон, потом как зонтик распускаются). Мы разрабатывали для них прогнозы, вплоть до коэффициента отражения. Была создана математическая модель, всё было проверено, ведь насколько модель хороша, настолько быстро и правильно это изделие будет изготовлено, можно проверить все нюансы, это гигантская экономия денег. Для атомной промышленности поводили моделирование физико-химических процессов в химических реакторах, по заказу ОАО «ВНИИНМ имени академика А.А.Бочвара» моделировали процесс спекания топливной таблетки. В угольной отрасли сотрудничаем с ЗАО «Дальтрансуголь», по нашей модели создан мощнейший пирс, а так же постоянная система мониторинга его работы. Это далеко не все  контракты, осуществлённые  базовым центром проектирования.

Так же институт оказывает образовательные услуги для молодых специалистов, для инженеров-проектировщиков. Порядка 100 человек мы уже обучили. У нас есть 5 преподавателей, четверо из них получили образование в Англии, Испании, Германии. Это наша элита, мы её бережём».

Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики состоит из 6 отделов, в каждом из них по 2-3 лаборатории, основные направления работы: газовая динамика и горение, теория упругости, порошковые технологии, небесная механика, внутренняя баллистика, математическая физика. НИИПМ на сегодняшний день делает план на 88 миллионов рублей в год, но деньги это не бюджетные, это деньги по хоздоговорам с промышленными предприятиями, которые в нашей стране на ладан дышат, так что перспективы не большие.

Месяц назад в штате института числилось 133 человек, но пришло интересное постановление от Минобрнауки - повысить сотрудникам зарплату до 40 тысяч, впрочем финансово это подкреплено не было. Т.е. господин Ливанов знал, что это повышение будет за счёт сокращения людей. На сегодняшний день в НИИ прикладной математики и механики числится 39 человек. Остальные учёные оказались бы на улице, но университет выручил их минимальными ставками. Людей вынуждены были перепрофилировать на другие задачи.

Здесь господин Медведев вздохнёт: уладили, и молодцы! А у меня вопрос: российская наука переходит полностью на самоокупаемость, а фундаментальная вообще прекращает дышать? Да, кстати, в МИФИ деньги по хоздоговарам учёным уже не платят, с миллионного договора им милостиво повышают зарплату на 1 тысячу рублей. Надо ведь чётко понимать, что мы живём не в стране учёных, а в стране чиновников, и иногда становится за это стыдно.

Хочется верить, что в той сложной политической ситуации, когда наше государство оказывается в некоторой изоляции, и полагаться ему надлежит только на себя, отечественное производство поднимет голову. НИИПММ уже нашёл себе место в этой цепочке, создал деловые связи и заработал авторитет среди руководителей промышленных предприятий, тем более, что математическое моделирование развивается и набирает обороты, показывая свою актуальность и эффективность.

С уважением ко всем учёным НИИПММ, Котляревская Татьяна