CompMechLab Алексея Боровкова

Альма-Матер

Профессор Алексей Иванович Боровков встретил нас на Московском вокзале северной столицы. Дорога до Гражданки, где на ста трех гектарах располагается Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,  неблизкая, и хотя водитель сокращал время, лихо объезжая пробки, Алексей Иванович успел рассказать немало интересного об основанной им в 2006 году компании CompMechLab, которая сейчас находится в доверительном управлении, поскольку этого требуют правила – Алексей Боровков сейчас проректор по перспективным проектам Питерского Политеха.

Мы въехали на территорию университета и остановились у бокового входа. За тяжелой дверью лестничная площадка с аппаратом для чистки обуви. Пролет в подвал – в бывшую шинельную (до Революции студенты ходили в форме). Пролет наверх – и мы ступаем на паркет ректорской приёмной.

Академик РАН Андрей Рудской принял сразу. Сразу же, от его широкой улыбки и упоминания общих знакомых, возникла и обоюдная симпатия. После короткого обсуждения возможностей сотрудничества, Андрей Иванович провёл по университетским коридорам. Есть где равняться на великих: со стен центральной галереи на студентов смотрят лица академиков А.Ф. Иоффе, И.В. Курчатова, Ю.Б. Харитона, К.И. Щелкина, П.С. Капицы, Н.Н. Семёнова, Н.А. Доллежаля, А.А. Благонравова, Д.В. Скобельцына, создателя танка Т-34 М.И. Кошкина, авиаконструкторов Н.Н. Поликарпова, О.К. Антонова,  Г.М. Бериева и многих других выдающихся ученых и инженеров, выпускников и сотрудников Политехнического университета. Основы метода конечных элементов, от которого берет начало вычислительная механика, тоже был создан знаменитым питомцем этого гнезда – Б.Г. Галеркиным.

Бюст Петра Великого красуется перед главным входом. Входящему открывается вид на торжественную белую лестницу, которая ведет в Фундаментальную библиотеку, а в общем своем впечатлении – это вход в настоящий Храм Науки.

Фундаментальная библиотека поразила своим торжественным видом. Архитектор планировал здесь разместить церковь, но расположение здания оказалось таково, что вытянутой частью помещение смотрит с Севера на Юг, а не с Востока на Запад, как положено по канону. При входе в библиотеку – бюсты основателя университета, министра финансов Российской империи Сергея Витте и первого директора Политехнического института князя Андрея Гагарина.

Белый концертный зал, на открытие которого после реставрации приезжали “Виртуозы Москвы” во главе с Владимиром Спиваковым просто великолепен. Здесь проходят регулярные концерты и спектакли, зал (важная деталь!) включён в афишный ряд Санкт-Петербурга. Объявление гласит, что студентам вход бесплатный. На антресолях, за органом (едва ли не единственным в университетских концертных залах Европы) когда-то творил Лев Термен. Нам вынесли терменвокс, Глеб Бабинцев замер в немом восторге.

К зданию университета примыкает большой парк, он сохранился в размерах, которые были нарезаны изначально, приблизившийся город его не съел. Основательные, дореволюционной постройки Главный корпус и Химический корпус, жилые дома для профессуры и общежития для студентов, символ Политеха – Гидробашня, тут же Дом учёных и детский сад и, конечно, новый красавец-корпус для научно-технической деятельности на 20 с лишним тысяч квадратных метров. Сюда планирует расшириться Инжиниринговый центр Алексея Боровкова, хотя арендованные площади в стоящем через дорогу от парка бизнес-центре он также намерен сохранить – велика динамика развития и Инжинирингового центра, и группы компаний CompMechLab.

Мы выезжаем с территории университета, а я думаю о том, что без истории и традиций, без глубокого знания математики и физики,  без политехнической инженерной подготовки и притока талантливых студентов не было бы структур Алексея Боровкова. Эта цветущая ветвь могучего дерева, посаженного когда-то патриотами Отечества.

Знакомство с CompMechLab

Алексей Иванович подготовился к нашей встрече. В комнате переговоров собрались его ключевые специалисты, все молодые люди. Из них самый титулованный – Олег Клявин. Он прославился еще студентом, когда в 2004 году вместе со своим Учителем выезжал в Китай на Тянь-Ваньскую АЭС для решения проблем, неустойка по которым для России доходила до 1 млн долларов в день и которые не могли решить сотрудники Росатома. Алексей Иванович даже маскировал его формальную «незрелость», именуя инженером. Ну, а будучи уже инженером Олег Клявин в 2007 году был приглашен на совещание к вице-президенту BMW Group,– что делать, если именно этот молодой человек, рано себя проявивший, оказался нужным в контрактном процессе, а не ведущий специалист, профессор или зав. кафедрой!

Слушаем историю о проекте «Кортеж». CompMechLab, которую специалисты BMW начали называть на свой манер – CML, привлечена к проектированию и оптимизации конструкций кузовов лимузина, седана, внедорожника и микроавтобуса – всей линейки, в которой компания отвечает за платформу и кузовы. Взявшись за то, что весь российский автопром считал невозможным сделать в жесткие сроки, сотрудники Алексея Боровкова за год с небольшим выполнили Эскизный и Технический проекты, разработали цифровую рабочую конструкторскую документацию (РКД). Отечественные изготовители не знали, что делать с цифровой РКД, предлагали перевести РКД в чертежи на бумаге и запрашивали большой срок на изготовление в металле. Пришлось обратиться к зарубежным партнерам, которые как и CML выполняют заказы для всего мирового автопрома. И уже через через месяц, без единого заданного вопроса и подгонки, в Россию стали поступать изготовленные детали в металле, а вскоре автомобиль был собран полностью и с первой попытки прошел краш-тест с высшим баллом по безопасности на специализированном полигоне в Берлине.  Последующие краш-тесты, которые проводились в России, подтвердили высокое качество разработки.

Как Боровков со своей командой пришёл к этим достижениям? «И не просто, и не вдруг сложатся пути». Лабораторию CompMechLab в структуре университета он создал тридцать лет назад, в далёком 1987 году. Я уловил, что сначала лаборатория двинулась по пути создания собственного программного продукта, заодно преодолевая предубеждённость внешней среды – научное и инженерное сообщество в те времена не понимало, что такое “вычислительная механика”. На создание своих программных продуктов к 1997 году было затрачено около трёхсот человеко-лет, пока Алексей Иванович не убедился в  стратегической бесперсективности этих усилий. Западные конкуренты, например, американская компания ANSYS в одноименный программный комплекс ANSYS к этому времени вложила сотни миллионов долларов, затратив на разработку тысячи человеко-лет, и разрыв нарастал с каждым годом. Кроме того, эта универсальная программная система конечно-элементного анализа стала де-факто мировым стандартом, применяемым в абсолютном большинстве высокотехнологичных компаний мира из разных отраслей. Поначалу, начиная на рубеже веков работать с General Electric и General Motors, Боровков еще пытался выдавать результаты расчетов, полученные на оригинальной программе, за полученные с помощью ANSYS, но быстро понял, что промышленные компании – лидеры мирового энергомашиностроения General Electric и Siemens работают исключительно в ANSYS.
 
Компания CML изначально стремилась на глобальный рынок.
- Коллеги, ученые, преподаватели и инженеры, работавшие рядом с нами на кафедре и в университете, выходить на высокотехнологичные рынки даже не собирались, они стремились жить по старинке, на госбюджете, получая гранты, – рассказывает Алексей Иванович. – Мы начали искать и бороться за заказы и в результате – находили их. 

В 2006 году компания приняла участие во Всемирном конкурсном отборе за право стать поставщиком высокотехнологичных инжиниринговых услуг для концерна BMW. Как они позже узнали, в конкурсе участвовали около пятидесяти команд со всего мира. Поступали задания, их надо было качественно и в срок выполнить, а результаты отправить в Германию. В финале состоялся очный этап конкурса, в котором петербургская  компания CML победила. - Мы сидели друг напротив друга перед топ-менеджерами. По каждой теме (прочность и усталость, вибрации и шумы, внешняя аэродинамика, краш-тесты и др.) мы и конкуренты должны были за 15 минут продемонстрировать свои компетенции и опыт решения подобных задач… В итоге были объявлены результаты  – мы победили во Всемирном конкурсе! После прохождения длительной, более года, стажировки на BMW Олега Клявина, подготовки инженеров новой формации и прохождения через “долину смерти”, когда нужно было конкурировать с инженерами из других  стран, команда CML вышла на новый уровень, получая заказы от лидеров мирового автопрома на регулярной основе. За 10 лет, с 2007 по 2016 год, инженеры CML принимали участие в разработке только лишь для BMW 53 кузовов, выполняя весь спектр работ по проектированию, инженерным расчетам и оптимизации кузовов всех типов и платформ для мирового лидера. 

Важно, что фактически с 2007 года команда CML участвовала в работах по тотальной дигитализации всех процессов проектирования, моделирования, оптимизации и производства, а также – цифровой сертификации, что впоследствии послужит основой для естественного перехода к объявлению в 2011 году немецкими компаниями – мировыми лидерами Industrie 4.0 – началу IV промышленной революции. Алексей Боровков и Олег Клявин на основе своего опыта считают, что в будущем профессия инженера-конструктора “отомрёт”, её заменит “системный инженер”, специалист по вычислительной механике, материаловедению, хорошо знающий инженерные науки, физико-механические и технологические процессы, умеющий “поставить задачу”, сформулировать мультидисциплинарную и многомасштабную математическую модель, сформировать многоуровневую матрицу целевых показателей и ресурсных ограничений, насчитывающую 20 000 – 30 000 характеристик, организовать вычисления, если надо, то с помощью суперкомпьютерных технологий, наконец, провести анализ больших данных. Сам процесс проектирования и создания конструкций на основе тотальных вычислений  Алексей Боровков называет  так – (Simulation & Optimization)-Driven Design and Manufacturing. Однако, эффективная организация всей этой многоплановой деятельности потребовала разработки уникальной цифровой CML-платформы – SPDM Simulation Process and Data  Management) управления проектами и изменениями.
 
- Но почему автопром, а не судостроение, авиапром, космонавтика, - вопрос вертится у меня на языке.
- Всё очень просто. В мировом автопроме высочайшая конкуренция и динамика развития, процветает реверсивный инжиниринг, которым эффективно пользуются все компании, детально и быстро изучая все новые решения конкурентов, и всё это сопровождается чрезвычайной восприимчивостью к передовым технологиям и высокотехнологичным инновациям. Именно поэтому в автопроме так много внимания уделяют моделированию и оптимизации конструкций, применению новых материалов, виртуальным испытаниям и бионическому дизайну…
- Что это такое?
- Видите, - Алексей Иванович дает мне в руки две детали. – Этот кронштейн создан традиционным образом инженером-конструктором, в него заложен большой запас прочности, поэтому он заметно тяжелее. А вот, эта деталь получена с помощью технологий оптимизации, фактически при минимальном участии инженера, что приводит к целенаправленному поиску решений за пределами опыта предыдущих поколений и, как мы говорим,  “за пределами интуиции генерального конструктора”. Как правило, такие детали имеют оптимизированную (часто неожиданную) форму, в нее заложена необходимая, а не избыточная прочность, и поэтому она заметно легче. И обратите внимание, мы применяем аддитивные технологии там, где традиционную конструкцию технологически невозможно или слишком дорого изготавливать. Ну, а если “хочется” или необходимо применить традиционные технологии металлообработки, то имея оптимальное решение, можно получить и квазиоптимальное решение для CNC-технологий, которое, естественно, будет хуже, например, деталь будет тяжелее.

Задумчиво кручу в руках «бионический» кронштейн. Его криволинейные опоры напоминают строение костей птиц или – по дальней аналогии – заставляют вспомнить о «деревообразных» колоннах Гауди. - Гауди творчески копировал природу, - смеётся Боровков. – Это “природоподобные технологии”, или, говоря, научным языком, биомимикрия или биомиметика. Мы же, основываясь на “принципе Микеланджело”, который в ответ на вопрос “Как вы делаете свои скульптуры?”, отвечал просто – “Я беру камень и отсекаю всё лишнее”, так, вот, мы виртуально убираем лишний, не несущий нагрузку, материал  проводим расчеты на жесткость, прочность, вибрации и т.д., в итоге мы получаем оптимизированные структуры, которые, гарантируем, будут “лучшими в своем классе”. Как-то слушая мой часовой доклад о бионическом дизайне конструкций, которые сопоставимы по своим характеристикам с теми, что мы наблюдаем в природе, но которые  получены столетиями эволюции,  один из Митрополитов сказал: “Вы, молодой человек,  за Божественные задачи взялись”…   А на самом деле, это всего лишь вычислительная механика, компьютерный инжиниринг и передовые производственные технологии…

Пытаюсь для себя понять, какое же место занимает Инжиниринговый центр и компания CML «в общем строю». Задачи для нее ставит кто-то другой, а они оптимизируют конструкцию или процесс, верно?
 
- Не совсем так, - уточняет Алексей Иванович. – Нам, как правило, называют лишь целевые показатели верхнего уровня, а затем вместе с экспертами мы формируем многоуровневую матрицу целевых показателей и ресурсных (финансовых, временных, технологических и др.), которая играет ключевую роль в новом процессе проектирования. На верхнем уровне проектирования находится изделие, например, автомобиль со своими целевыми характеристиками, обеспечивающими глобальную конкурентоспособность в определенном классе.. После декомпозиции сложной системы до 8-10 уровня общее число целевых показателей и ограничений  достигает 20 000 – 30 000. Вот, давайте, на конкретных примерах продемонстрируем, как это делается.

Молодой человек по имени Николай Харалдин высвечивает на экране перечень решаемых одновременно задач сотрудниками Инжинирингового центра и группы компаний CML, потом показывает анимацию – «технологическую карту» – пример решения задачи конструирования боковой стойки кузова, и реакции этой стойки на боковой удар. Видно, как компьютер “предлагает разные варианты крепления стойки”, и как предлагаемое конструктивное решение отражается на «соседних» деталях, как изменяются целевые показатели и удовлетворяются или нарушаются ограничения. В итоге на наших глазах возникает оптимальное решение, полученное с помощью “интеллектуальной штамповки”, которая порождает определенное предварительное напряженное состояние, повышает жесткость, снижает вес и обеспечивает в будущих сертификационных краш-тестах на боковой удар проникновение в салон на 10% меньше… Раньше над такой проблемой трудились несколько инженеров (конструкторов, расчётчиков, технологов, наконец, экономистов), трудились несколько дней, согласовывали решения, короче говоря, работали “методом проб и ошибок”…, а тут раз! и … – оптимальное решение, лучшее в классе!   И так для сотен или тысяч деталей, для десятков автомобилей, которые вскоре будут лучшими на мировом рынке… У нас на глазах ветвятся сложные деревья деталей, узлов, сборок, конструкций, по месяцам, по проектам, по компаниям, по отраслям…

- Принципиально важно, что локальные изменения в одном узле отражаются на всей конструкции, как правило, это взаимное влияние отдельных частей интуиция уже не чувствует, так как для того, чтобы описать эти взаимные влияния, впрочем, как и в других случаях, необходимо решать системы нелинейных нестационарных уравнений в частных производных . Благодаря имеющимся уникальным вычислительным мощностям мы можем изучить множество вариантов, выполнить тысячи – десятки тысяч виртуальных испытаний, которые обеспечат в дальнейшем выполнение всех натурных испытаний с первого раза.

Но это не значит, что инженеры CML сразу же “бегут загружать” суперкомпьютер университета, третий по мощности в России.
- Сначала мы наши мультидисциплинарные и многомасштабные математические модели используем для многовариантных расчетов  на наших собственных вычислительных ресурсах. И только, после того, как мы верифицируем, валидируем и  оптимизируем математические модели и настроим вычислительные алгоритмы, мы можем заключить, что нам необходимы  высокопроизводительные  ресурсы, скажем, 2 000 … 8 000 ядер на суперкомпьютере –  и  тогда, например, численные решения задач гидро-газо-динамики в ракетно-космической отрасли, которые мы всего лишь пару лет назад мы получали за полгода (!), то теперь мы более качественные решения, на более мощных сетках (например, 500 000 000 ячеек), получаем за сутки или даже за ночь! 

На экране видны задачи, решаемые в настоящий момент, и число задействованных ядер для каждой из задач. Среди мужских имен, наших инженеров из Питера и Москвы, мелькает женское – сразу в четырех задачах.
- Это наша сотрудница из филиала в Жигулевской долине, - поясняет Николай. – Я знаю её заочно… А мы могли бы в реестре задач увидеть и наших инженеров, что сейчас работают в Мюнхене или в Шанхае… 

О кадровом росте и делегировании задач

Основу штатного состава предприятий группы составляют инженеры-механики с хорошей фундаментальной подготовкой в физике, математике и инженерных дисциплинах. Обладают глубоким пониманием физических процессов, умеют самостоятельно ставить задачи, разрабатывать модели и верифицировать данными экспериментов. Прекрасно владеют расчетными методами, работают с большим числом коммерческих программных пакетов, исповедуют междисциплинарный подход к исследованиям и решению прикладных задач.
 
Общая численность – около 200 человек с динамикой к быстрому расширению. За последние месяцы приняли 15 специалистов (конкурс около 50 человек на место). Есть примеры (3 человека), когда подготовленные специалисты уезжали работать за границу, а потом возвращались. Режим работы относительно гибкий, но в прайм-тайм (с 10 до 15 часов) сотрудники как правило должны быть на работе в офисе. Есть филиалы и организована удаленная работа (например, с филиалом в Жигулевской долине).

Основной «поставщик» кадров – Альма Матер. Ведется плановая и большая работа со студентами. Количество магистерских диссертаций, дипломных работ и выпускных работ бакалавров, подготовленных в УНИЛ «Вычислительная механика» в 1988 -2016 гг. и ИЦ «Центр компьютерного инжиниринга» в 2013-2016 гг. под руководством А.И. Боровкова и его сотрудников, составило 450, из них: 173 магистерские диссертации, 200 выпускных работ бакалавров, 77 дипломных работ. Поражает то, что все эти работы учтены и внесены в общую базу знаний.

Технет и просветительство

“Просветительством” занимается весь руководящий состав группы компаний, её ведущие специалисты. Ведущая роль, вне всякого сомнения, принадлежит профессору Боровкову, благодаря неустанной деятельности которого прогрессивные методы, применяемые и разрабатываемые в CompMechLab® , стали известны широкой профессиональной общественности и руководству страны, легли в основу плана мероприятий (“дорожной карты”) Технет НТИ.

Вот характерная для Алексея Ивановича запись в Фейсбуке:
«7.10, "Сапсан", вперёд, в Москву!
Понедельник, среда, четверг - работа в Питере, вторник, пятница, суббота - работа в Москве...
Сегодня мы работаем в Москве (5 человек), в Самаре (7 человек), в Тольятти ("Жигулевская долина", 4 человека), в Мюнхене (3 человека), в Шанхае (2 человека), в Эйндховене (1 человек), ну, и, конечно, в Питере - 200+ человек...
=======
Итак, сегодня, 14.07.2017, по приглашению руководства компаний участвуем в специализированном семинаре "ДИГИТАЛИЗАЦИЯ" для ведущих специалистов Объединенной авиастроительной корпорации (ОАК) и холдинга "Вертолёты России".
Программа семинара:
1. Дигитализация и процессы разработки 4.0. Глобальные тренды: компьютерный инжиниринг, бионический дизайн, “умные” модели, “цифровые двойники”, Цифровые фабрики…
Боровков А.И., проректор по перспективным проектам Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (#СПбПУ), профессор, лидер - соруководитель рабочей группы «#Технет» #НТИ, лидер мегапроекта "#ФабрикиБудущего"
Клявин О.И., первый заместитель директора Инжинирингового центра СПбПУ, директор по научно-техническому развития ГК #CompMechLab
2. Влияние дигитализации на процессы разработки, производства и технического обслуживания авиационной техники
Беспалов В.Е., генеральный менеджер Siemens PLM Software в России и СНГ
3. Анализ инженерных данных и инженерная оптимизация на различных этапах жизненного цикла изделия: от концепта до технического обслуживания
Морозов С., генеральный директор, DataAdvance
4. Опыт реализации и применения системы Siemens PLM компанией Orbital ATK (USA) и его использование в учебных курсах и в индустриальных проектах CDMM
Ужинский И.К., Сколтех, профессор
===
Продолжаем развитие наших моделей эффективного взаимодействия на уровне руководителей - ЛПР:
- с регионами (Республика Татарстан, Республика Удмуртия, Республика Мордовия, Вологодская область, ...);
- с высокотехнологичными отраслями: автопром (НАМИ, УАЗ, КАМАЗ, ...), авиастроение (ОАК, "Вертолёты России", ...), судостроение (ОСК, ...), двигателестроение (ОДК, ...) и др.»

Рабочая группа Технет – естественный партнер Аэронета. Вот некоторые идеи по сотрудничеству ГК CompMechLab®  и РГ Технет с РГ Аэронет, Ассоциацией ЭРБАС и компаниями, входящими в беспилотное авиационное сообщество:

1. Формирование Базы знаний (оцифровка результатов проведенных в 1950-1990-х гг. экспериментов в российской авиационно-космической промышленности  (совместная программа федерального значения, инициаторами которой могут выступить рабочие группы Аэронет и Технет). Варианты финансирования – Фонд поддержки проектов НТИ, Минпромторг России, Минобрнауки России, Роскосмос.
2. Создание цифрового испытательного полигона для БАС, параллельно с физическим испытательным полигоном.
3. Оптимизация конструкций БВС среднего и тяжелого класса. Возможные заказчики: ОКБ им Симонова, АО Кронштадт. Требует переговоров.
4. Совместная постановка сложных научно-технических задач (суборбитальная система, БВС вертикального взлета и посадки с большой скоростью и дальностью полета).
5. Комплексная задача моделирования воздушного старта (П.В. Булат):
1) Расчет СПВРД в режиме детонации с учетом наличия в области горения холодной плазмы;
2) Динамика разделения воздушно-космического самолёта (ВКС) и самолета-носителя, с учетом того, что топливо жидкое и болтается в баках;
3) Прочностной расчет ВКС на этапе выведения, с учетом нагрева при высокой скорости полета.
6. Кросс-платформенные задачи, фабрики будущего (П.В. Булат) :
1) Технология производства крупногабаритных композитных панелей для планера БВС с топологической оптимизацией силовой структуры.
2) Аддитивные технологии изготовления БЛИСК - роторов газовых турбин с внутренним полостями для охлаждения лопаток. Методы оптимизации.
3) Пары трения, выдерживающие однократный контакт 0.1 сек с относительной линейной скоростью  более 100 м/с.
4) Разработка технологий и методов расчета сварки трением металлических и композиционных материалов.
5) Разработка методики численного расчета композитных конструкций, полученных методом аддитивных технологий с топологической оптимизацией и армированием направленным углеволокном.
6) Технология редкоземельных магнитов для сердечников стартер -  генераторов и электродвигателей, методика получения редкоземельных магнитов спеканием, методика расчета прочностных характеристик ротора из редкоземельных магнитов.
7) Технология, компонентная база, методики проектирования для силовых модулей и инверторов на базе SiC и GaN.
8) Виртуальные испытания на прочность.
9) Методика оптимизации аэродинамических форм, основанная на решении обратной некорректной задачи (задается течение газа, а аэродинамическая форма получается расчетом).
10) Технология углепластиковых баков для хранения компримированного водорода или метана с давлением до 700 атм.
11) Технология получения синтез газа для твердооксидных топливных элементов из керосина, бензина, дизельного топлива.
12) Методика расчета течений холодной неравновесной плазмы.
Кроме этого, к кросс-платформенным технологиям  относятся: техническое зрение, дополненная реальность, улучшение зрения в плохих погодных условиях, ИИ в части уклонения от препятствия, распознавания образов людей, животных, птиц, БВС.

2017