Uvolnění inženýrské síly námořních simulací a testování pro špičkový návrh lodí

About CETENA

Hodně pozornosti se věnuje stavbě populárních lodí, jako jsou MSC Explora 1 nebo Seven Seas Grandeur.
Velikost a složitost takových jedinečných projektů může vzbuzovat obavy. Pro začátek máte klasická témata námořních architektů, jako jsou návrh lodi a integrace trupu. Pak je nutné přidat pokročilejší koncepty, jako jsou strukturální dynamika, vibroakustika, problémy s celkovým výkonem, spotřeba paliva, nové metody pohonu, optimalizace, zkoušky na moři a certifikace. Zvládnutí všech těchto nuancí vyžaduje technické znalosti.

CETENA je dceřinou společností skupiny Fincantieri a specializuje se na výzkum a poradenství v oblasti námořnictva a námořní dopravy. CETENA se od roku 1962 podílí na národních a mezinárodních výzkumných aktivitách a provádí výzkum, poradenství a technickou pomoc pro loděnice, majitele lodí, námořnictvo a univerzity. CETENA navázala partnerství se společností Siemens Digital Industries Software a Janovskou univerzitou na podporu ekosystému námořního inženýrství v okolí italského Janova.

Simulace CFD a námořní průmysl

Při hledání vhodného softwaru pro výpočetní dynamiku kapalin (CFD) se CETENA rozhodla pro své projekty využít software Simcenter™ STAR-CCM+™. Dr. Davide Grassi, vedoucí námořní architekt společnosti CETENA, nemůže než souhlasit. Software Simcenter je součástí obchodní platformy Siemens Xcelerator, která zahrnuje software, hardware a služby.

„Simcenter STAR-CCM+ používáme jako výchozí bod, když máme nový projekt, protože potřebujeme využít technickou podporu, kterou software nabízí,“ říká Grassi. „To byl určitě případ našeho projektu spuštění lodě na vodu. Používáme také naše nástroje z open-source prostředí, ale pro většinu hydrodynamických problémů používáme jako referenční software Simcenter STAR-CCM+.“

Před několika lety se Grassi a jeho tým zabývali přehlíženým problémem v simulaci námořní
architektury: spouštěním plavidel na vodu ve skutečném měřítku. Vzhledem k tomu, že velikost a cena vojenských a obchodních plavidel se výrazně zvýšily, je zásadní zaručit bezpečné spuštění hotového výrobku na vodu.

„Nechcete narazit na loděnice, které používají staré spouštěcí zařízení nebo zastaralé spouštěcí postupy, když tato novější, mohutnější a vyšší plavidla vypouštějí na vodu,“ říká Grassi. „Existuje mnoho oblastí, kde by se věci mohly pokazit: plavidlo by mohlo sklouznout příliš daleko a narazit do doku nebo by mohlo sklouznout příliš hluboko a narazit na dno. Pak jsou tu vlivy volného povrchu na strukturální stabilitu nebo vliv odporu trupu a vln z plavidla při prvním kontaktu.“

Simulace CFD při spouštění lodi na vodu pomocí řešení Simcenter STAR-CCM+.

Aby se těmto událostem zabránilo, rozhodl se tým vytvořit pro skupinu Fincantieri fyzikální digitální dvojče spouštěné lodi, skluzu a procesu spuštění. Během celého procesu vývoje
se tým spoléhal na to, že bude využívat inženýrské a poradenské služby v řešení Simcenter™, které pomohly nástroj zdokonalit a vyřešit složitější aspekty numerického modelu. Díky komplexnímu digitálnímu dvojčeti mohli předem zkontrolovat účinky různých konstrukčních rozhodnutí a ověřit proces spouštění, opravit potenciální problémy a zaručit bezpečný provoz plavidla.

„Pomocí simulačního nástroje Simcenter můžeme získat cenné informace pro budoucí spouštění lodí našich klientů na vodu a analyzovat, jaký vliv budou mít různá konstrukční řešení,“ říká Grassi.

„Simcenter STAR-CCM+ je nástroj s vysokou věrností. Můžeme to říci s jistotou, protože jsme porovnali naše simulované výsledky se skutečnými daty,“ říká Grassi. „Zjistili jsme, že simulované výsledky a skutečná data ukazují pouze 1% rozdíl v přesnosti. To znamená, že Simcenter můžeme využít k vytváření chytrých simulátorů, které dokážou provádět manévry s přesností 99 procent. Proto věříme, že Simcenter STAR-CCM+ dokáže simulovat vysoce rizikové aplikace, jako je spouštění plavidel na vodu.“

Využití špičkového výzkumu a simulací

Nedávno se tým společnosti CETENA a odborníci z Janovské univerzity rozhodli využít další aspekty řešení Simcenter k prozkoumání vznikajících problémů s výkonem lodí spojených s novými elektrickými pohonnými systémy.

Michele Martelli, profesor z katedry námořní architektury a námořního inženýrství na Janovské univerzitě, použil software Simcenter Amesim™ ve výzkumném projektu své diplomové práce k vytvoření dynamického modelu výletní lodi v jednom stupni volnosti. Použití řešení Simcenter umožnilo inženýrskému týmu virtuálně posoudit a optimalizovat výkon mechatronického systému, aby bylo možné učinit správná rozhodnutí a plnit požadavky již ve velmi raných fázích návrhu. Finální simulátor Simcenter Amesim úspěšně použili jako virtuální benchmark k testování řídicí logiky pro plány elektrického pohonu pro obtížné manévry, jako je
zastavení při nárazu.

„Používáme manévr zastavení při nárazu, abychom zabránili kolizím,“ říká Martelli. „Loď se pohybuje vpřed plnou rychlostí a vy musíte zastavit a obrátit tah. Je to velmi náročný
manévr, který by mohl být nebezpečný nebo by mohl by způsobit škodu, pokud by nebyl správně řízen řídicím systémem lodi.“

Využití řešení Simcenter k vytvoření simulátoru logiky řízení elektrického pohonu

Nejlepší možností, jak se vyhnout rizikům, je samozřejmě vyzkoušet řídicí systém plavidla virtuálně. Jeden z Martelliho magisterských studentů jednoduše vyvinul spolehlivý model plavidla, aby otestoval data z řízení elektrického pohonu pomocí referenčních dat společnosti CETENA.

„Tento student nikdy předtím Simcenter nepoužíval, ale během několika měsíců dokázal vyvinout velmi dobrý simulátor,“ říká Martelli.

Student použil Simcenter Amesim k vytvoření simulátoru, který téměř přesně odpovídal průmyslovým experimentálním datům, což znamenalo, že jej bylo možné použít ke spolehlivému testování logiky řízení při různých manévrech.

Důležitost práce na předřazeném simulátoru

Guglielmo Sommariva, námořní inženýr společnosti CETENA, působil během projektu diplomové práce jako oborový mentor. Rychle poukázal na důležitost použití předřazeného simulátoru pro vývoj elektrifikovaných plavidel.

„Manévr zastavení při nárazu je velmi obtížné simulovat, protože závisí na automatizovaných parametrech, které nejsou známy v rané fázi procesu návrhu,“ říká Sommariva.

„Zejména u nových pohonných systémů jsou to jen dohady,“ říká Sommariva. „Nebere se v úvahu logika řízení ani jiné vnější faktory, jako jsou síla vln nebo větru. Bylo jasné, že od začátku potřebujeme přesnější simulátor, a proto jsme ho vytvořili pomocí softwaru Simcenter Amesim. Použití softwaru Simcenter Amesim a jeho ověřených knihoven usnadňuje uživateli rychlou změnu parametrů, vyzkoušení mnoha různých scénářů a vizualizaci výsledků ve velmi krátkém čase.“

Využití softwaru Simcenter Flomaster k provádění pokročilých bezpečnostních simulací

Andrea Gambino je strojní inženýr a nový člen týmu CETENA, který pracuje na pokročilých bezpečnostních simulacích. Gambino a jeho kolegové použili software Simcenter Flomaster™ pro několik projektů na systémové úrovni, včetně analýzy námořních operací, analýzy balistických dopadů, analýzy spektra rázů a odezvy a jednorozměrné analýzy dynamiky kapalin.

Gambino pracoval na konkrétním projektu týkajícím se bezpečnosti výletních lodí a pomocí softwaru Simcenter Flomaster vyhodnocoval hydrodynamický tlak vody vstupující do trysek automatických postřikovačů na palubě výletní lodi.

„Simulace tohoto systému je velmi důležitá, protože tyto trysky musí správně fungovat s minimálním tlakem vody,“ říká Gambino. „Musíte zkontrolovat a vyhodnotit, že celý systém na lodi bude fungovat správně.“

Pokud pro podobné projekty nepoužíváte simulaci, jediným dalším možným přístupem je fyzické testování a řešení problémů se systémem. A to samozřejmě není příliš praktické.
I když ve skupině Fincantieri provádíme skutečné testování palubních systémů, jak to vyžadují mezinárodní bezpečnostní normy. Je dobré vědět, že můžeme použít simulaci softwaru Simcenter Flomaster, abychom se ujistili, že při skutečném ostrém testu půjde vše podle plánu. “

„Používání softwaru Simcenter Flomaster nám pomáhá přesně řešit složitější nelineární problémy,“ říká Gambino. „Musím říct, že je pro nás velmi užitečný. Kdybych měl vytvořit veškerou potřebnou matematiku a
objektově orientované programování, trvalo by mi celý rok, než bych napsal
slušný simulační program pro virtuální testování postřikovačů.“

Dynamický simulátor lodi s pohonem s proudnicovými prvky v softwaru Simcenter Flomaster.

Důležitost zkoušek na moři

Vrcholem tisíců hodin návrhu, vývoje a pokročilého inženýrství, integrace
a návrhu kabiny a simulace výkonu je zkouška na moři.

Zkouška na moři je řada povinných zkoušek, které na moři provádí stavitel lodi před certifikací a dodáním majiteli plavidla. Hlavním účelem je ověřit plavidlo při jeho výkonnostních limitech, kontrolovat maximální rychlosti, manévrovatelnost, vybavení a bezpečnostní prvky.

Nákladná, ale důležitá zkouška

Vzhledem k tomu, že zkoušky na moři u výletní lodi trvají průměrně asi osm dní, lze si představit, že jsou nákladné, ale jsou také velmi důležité. Zkušební provoz na moři musí být co nejefektivnější.

„I když směřujeme k digitálním simulacím, fyzické testování modelů ve zkušební nádrži nebo celého plavidla během zkoušek na moři nezmizí,“ říká Matteo Codda, manažer vývoje platforem a výzkumu ve společnosti CETENA.

„Je to majitel, kdo chce ověřit, že loď splňuje smluvní výkonové
charakteristiky,“ říká Codda. „Zkoušky na moři nejsou nejlepším způsobem, jak ověřit numerické modely, protože prostředí není kontrolovatelné ani předvídatelné. Jediná věc, která je při zkouškách na moři předvídatelná, je, že to stojí hodně peněz.“

Dnes se zkoušky na moři používají u všech typů lodí – od standardních sportovních člunů až po masivní výletní lodě a vojenská plavidla. Posádka se seznámí s lodí, což může trvat hodiny nebo týdny (u některých typů vojenských lodí i měsíce), a potvrdí vše od základní způsobilosti k plavbě a manévrovatelnosti až po výkonnostní metriky, jako jsou spotřeba paliva, emise, omezení hluku a vibrací, maximální rychlosti a různé bezpečnostní prvky.

Zkouška na moři trvá u výletní lodi průměrně asi 8 dnů.

Testovací centrum pro dosažení dokonalosti

Jedním z odborníků na testování a zkoušky na moři ve společnosti CETENA je Federico Gaggero, který od roku 2005 používá software Simcenter Testlab™ a hardware Simcenter SCADAS™.

Testovací tým společnosti CETENA nadále používá software a hardware Simcenter pro různé
testovací scénáře, od měření zrychlení během nárazových testů až po sběr dat z námořních zkoušek a akustické testování na palubě. Oblíbili si zejména systém tokenů Siemens, který nabízí plnou flexibilitu při používání softwaru pro různé aplikace.

„Tento systém tokenů nám umožňuje používat Simcenter Testlab k vypínání a zapínání určitých modelů,“ říká Gaggero. „Poskytuje nám neuvěřitelnou flexibilitu při používání testovacích systémů Simcenter. Můžeme navýšit počet testů a nabídnout našim klientům různé testy.

99 procent naší práce se provádí s některými našimi testovacími nástroji Simcenter. Výsledkům můžeme věřit. Máme velmi dobrou podporu od odborníků na řešení Simcenter z kanceláře v Turíně a také online pomoc,“ říká Gaggero.

„Stává se, že během testu potřebujeme poradit, a tým technické
podpory řešení Simcenter je vždy k dispozici, aby nám pomohl vyřešit problémy, abychom mohli pokračovat v testování – i když jsme na moři na zkoušce nebo dokončujeme skutečně náročný testovací požadavek pro zákazníka. Je to mnohem lepší, než otočit loď, vrátit se do přístavu a začít znovu, nebo říct, že to nezvládneme. Celý tým testovacího řešení Simcenter a technické podpory je prostě skvělý.“

Využití simulovaných ukazatelů výkonnosti k dosažení úspěchu

Vše na straně simulace a testování bylo sladěno tak, aby závěrečná zkouška na moři proběhla úspěšně.

„Někdy používáme simulace, abychom extrapolovali výsledky zkoušek na moři, protože loď je ještě ve výstavbě nebo není dokončena,“ říká Codda. „Jedná se o ukazatele výkonnosti, které ukazují, jak by se plavidlo mělo chovat během manévru, jako je test zastavení při nárazu.

Díváme se na vše do nejmenších detailů, od požadavků dodavatelů na materiály instalované na palubě až po finální výkon systémů podle certifikace plavidla, požadavků majitele
a vojenských standardů.“

Tým společnosti CETENA se domníval, že je důležité ověřit jejich simulační a numerické
modely experimentálními měřeními a testováním. V námořním průmyslu je poměrně neobvyklé, aby odborníci na simulace a testování úzce spolupracovali ve stejné společnosti. Codda a jeho tým měli to štěstí, že mohli spolupracovat, protože pracují ve výzkumném centru pro skupinu Fincantieri. To jim dává přímý přístup k lodím, testovacím datům a ověřovaným simulacím.

„Jsem přesvědčen, že víceoborová simulace a přesné digitální dvojče budou budoucností,“ říká Codda. „Neustále stavíme složitější plavidla, která vyžadují pokročilejší simulační scénáře. A až začneme integrovat různé simulace a spolupracovat na nich, bude velmi přínosné zůstat u stejného portfolia simulačních a testovacích řešení.“

Na závěr dodává: „Integrace všech těchto různých simulačních oborů je samozřejmě jedním z klíčových bodů,
které mě zajímají, stejně jako proces experimentálního testování a ověřování. Budeme
potřebovat více zpětné vazby z terénu, abychom se ujistili, že naše modely jsou správné. Obecně platí, že
simulace a CAE jsou relativně správné. Konstruktér může zjistit, zda je jedno rozhodnutí lepší než
jiné, ale jiná věc je mít tyto informace kvantitativně.“