Erschließung der technischen Leistungsfähigkeit von Simulationen und -tests für ein hochmodernes Schiffsdesign

About CETENA

Es fließt viel in den Bau beliebter Schiffe wie der MSC Explora 1 oder der Seven Seas Grandeur.
Die Größe und Komplexität einzigartiger Projekte wie diesem kann entmutigend sein. Zu Beginn haben Sie klassische Schiffbauer-Themen wie Schiffskonstruktion und Rumpfintegration. Dann müssen Sie der Liste fortgeschrittenere Konzepte hinzufügen, wie z. B. Strukturdynamik, Vibrationsakustik, Probleme mit der Gesamtleistung, Kraftstoffeffizienz, neue Antriebsmethoden, Optimierung, Erprobung auf See und Zertifizierung. Um die Nuancen all dessen zu bewältigen, ist technisches Know-how erforderlich.

CETENA ist eine Tochtergesellschaft der Fincantieri-Gruppe und spezialisiert auf Forschung und Beratung in der Marine- und Schifffahrtsindustrie. CETENA ist seit 1962 an nationalen und internationalen Forschungsaktivitäten beteiligt und hat Forschung, Beratung und technische Unterstützung für Werften, Reeder, Marinen und Universitäten durchgeführt. CETENA ist eine Partnerschaft mit Siemens Digital Industries Software und der Universität Genua eingegangen, um das Marine Engineering-Ökosystem in der italienischen Region Genua zu unterstützen.

CFD-Simulation im Schiffsbau

Auf der Suche nach der richtigen CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) entschied sich CETENA dafür, die Simcenter™ STAR-CCM+ ™ Software für seine Projekte zu nutzen. Dr. Davide Grassi, leitender Schiffbauingenieur bei CETENA, kann dem nur zustimmen. Simcenter ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services.

Wir verwenden Simcenter STAR-CCM+ als Ausgangspunkt für neue Projekte, weil wir den technischen Support brauchen, den die Software bietet“, sagt Grassi. „Das war bei unserem Schiffsstapellaufprojekt auf jeden Fall so. Wir verwenden auch Software aus einer Open-Source-Umgebung, aber Simcenter STAR-CCM+ ist unsere Referenzsoftware für die meisten hydrodynamischen Probleme.“

Vor einigen Jahren haben sich Grassi und sein Team mit einem Problem befasst, das in der Schiffsarchitektur
-Simulation übersehen wurde: den Stapellauf von Schiffen in Originalgröße. Da die Größe und die Kosten von Militär- und Handelsschiffen erheblich gestiegen sind, ist es von entscheidender Bedeutung, einen sicheren Stapellauf des endgültigen, fertigen Produkts zu gewährleisten.

„Sie wollen nicht an Werften geraten, die veraltete Ausrüstung oder Praktiken beim Stapellauf verwendet, wenn Sie diese neueren, größeren und höheren Schiffe zu Wasser lassen“, sagt Grassi. „Es gibt viele Bereiche, in denen etwas schief gehen kann: Das Schiff könnte zu weit rutschen und gegen das Dock prallen oder zu tief gehen und auf den Grund aufschlagen. Hinzu kommen die Einflüsse von freien Oberflächeneffekten auf die strukturelle Stabilität oder die Auswirkungen des Widerstandswiderstands des Rumpfes und der Wellen des Schiffes beim ersten Kontakt.“

CFD-Simulation des Schiffsstapellaufs mit Simcenter STAR-CCM+.

Um diese Ereignisse zu verhindern, beschloss das Team, einen physikbasierten digitalen Zwilling des Schiffs, der Slipanlage und des Stapellaufprozesses für Fincantieri zu erstellen. Während des gesamten Entwicklungs-
prozesses nutzte das Team die Simcenter™ Engineering and Consulting Services, um das Tool zu verfeinern und kniffligere Aspekte des numerischen Modells auszubügeln. Mit dem umfassenden digitalen Zwilling konnten sie die Auswirkungen verschiedener Konstruktionsentscheidungen im Voraus überprüfen und den Stapellaufprozess verifizieren, potenzielle Probleme korrigieren und den sicheren Betrieb des Schiffes gewährleisten.

„Mit dem Simulationstool Simcenter können wir für unsere Kunden wertvolle Einblicke in zukünftige Stapelläufe gewinnen und analysieren, welche Auswirkungen verschiedene Konstruktionslösungen haben werden“, sagt Grassi.

„Simcenter STAR-CCM+ ist ein High-Fidelity-Tool. Das können wir mit Sicherheit sagen, da wir unsere simulierten Ergebnisse mit den tatsächlichen Daten verglichen haben“, sagt Grassi. „Wir haben festgestellt, dass die simulierten Ergebnisse und die tatsächlichen Daten nur einen Unterschied von 1 Prozent in der Genauigkeit aufweisen. Das bedeutet, dass wir mit Simcenter intelligente Simulatoren erstellen können, die Manöver mit einer Genauigkeit von 99 Prozent ausführen können. Aus diesem Grund vertrauen wir darauf, dass Simcenter STAR-CCM+ risikoreiche Anwendungen wie Schiffsstarts simuliert.“

Einsatz modernster Forschung und Simulation

In jüngerer Zeit beschlossen das CETENA-Team und Experten der Universität Genua, andere Aspekte von Simcenter zu nutzen, um aufkommende Probleme mit der Schiffsleistung im Zusammenhang mit neuen elektrischen Antriebssystemen zu untersuchen.

Michele Martelli, Professor an der Fakultät für Schiffsarchitektur und Schiffstechnik der Universität Genua, verwendete die Software Simcenter Amesim™ in einem Forschungsprojekt, um ein dynamisches Modell eines Kreuzfahrtschiffs mit einem Freiheitsgrad (DOF) zu erstellen. Der Einsatz von Simcenter ermöglichte es den Konstrukteuren, die Leistung mechatronischer Systeme virtuell zu bewerten und zu optimieren, um die richtigen Entscheidungen zu treffen und die Anforderungen bereits in den sehr frühen Konstruktionsphasen zu erfüllen. Sie nutzten den finalen Simcenter Amesim-Simulator erfolgreich als virtuellen Benchmark, um die Steuerungslogik für elektrische Antriebspläne für schwierige Manöver wie
Crash-Stopps zu testen.

„Wir nutzen das Crash-Stopp-Manöver, um Kollisionen zu vermeiden“, sagt Martelli. „Das Schiff bewegt sich mit voller Fahrt voraus und man muss anhalten und den Schub umkehren. Es ist ein sehr anspruchsvolles
Manöver, das zu Gefahrensituationen oder Schäden führen könnte, wenn es nicht richtig vom Schiffskontrollsystem gesteuert wird.“

Verwenden von Simcenter zum Erstellen eines Simulators für die Steuerungslogik elektrischer Antriebe

Die beste Möglichkeit, Risiken zu vermeiden, besteht natürlich darin, das Steuerungssystem des Schiffes virtuell auszuprobieren. Einer von Martellis Masterstudenten entwickelte auf einfache Weise ein zuverlässiges Modell des Schiffes, um die Steuerungsdaten des elektrischen Antriebs anhand der Benchmark-Daten von CETENA zu testen.

„Der Student hatte Simcenter noch nie zuvor benutzt, aber in ein paar Monaten konnte er einen sehr guten Simulator entwickeln“, sagt Martelli.

Mit Simcenter Amesim hat der Student einen Simulator erstellt, der fast exakt mit den experimentellen Daten der Industrie übereinstimmte, was bedeutete, dass er verwendet werden konnte, um die Steuerungslogik für verschiedene Manöver zuverlässig zu testen.

Die Bedeutung der vorgelagerten Arbeit am Simulator

Guglielmo Sommariva, Schiffsingenieur bei CETENA, fungierte während des Dissertationsprojekts als Mentor aus der Industrie. Er wies schnell darauf hin, wie wichtig es ist, im Vorfeld einen Simulator für die Entwicklung elektrifizierter Schiffe zu verwenden.

„Das Crash-Stopp-Manöver ist sehr schwer zu simulieren, da es von automatisierten Parametern abhängt, die zu Beginn des Konstruktionsprozesses unbekannt sind“, sagt Sommariva.

„Gerade bei neuen Antrieben ist das ein Rätselraten“, sagt Sommariva. „Es berücksichtigt weder die Steuerungslogik noch andere äußere Faktoren wie Wellen- oder Windkräfte. Wir brauchten im Vorfeld des Konstruktionsprozesses eindeutig einen genaueren Simulator und haben einen mit Simcenter Amesim erstellt. Simcenter Amesim samt seiner validierten Bibliotheken macht es dem Anwender leicht, Parameter schnell zu ändern, viele verschiedene Szenarien auszuprobieren und die Ergebnisse in kürzester Zeit zu visualisieren.“

Verwenden von Simcenter Flomaster zur Durchführung erweiterter Sicherheitssimulationen

Andrea Gambino ist Maschinenbauingenieur und neues Mitglied des CETENA-Teams, das an fortschrittlichen Sicherheitssimulationen arbeitet. Gambino und seine Kollegen nutzten die Simcenter Flomaster™-Software für mehrere Projekte auf Systemebene, darunter Seetüchtigkeitsanalysen, ballistische Aufprallanalysen, Schock- und Reaktionsspektrumanalysen und eindimensionale Strömungsanalysen.

Gambino arbeitete an einem spezifischen Projekt zur Sicherheit von Kreuzfahrtschiffen und nutzte Simcenter Flomaster, um den hydrodynamischen Druck des Wassers zu bewerten, das in die Düsen der automatischen Sprinkler an Bord eines Kreuzfahrtschiffes eintritt.

„Die Simulation dieses Systems ist sehr wichtig, da diese Düsen mit minimalem Wasserdruck einwandfrei funktionieren müssen“, sagt Gambino. „Man muss überprüfen und bewerten, ob das gesamte System auf dem Schiff ordnungsgemäß funktioniert.“

Wenn Sie die Simulation für solche Projekte nicht verwenden, besteht der einzige andere mögliche Ansatz darin, das System physisch zu testen und Fehler zu beheben. Und das ist natürlich nicht sehr praktisch.
Obwohl wir bei Fincantieri tatsächlich Systemtests an Bord durchführen, die von internationalen Sicherheitsstandards gefordert werden. Es ist schön zu wissen, dass wir die Simcenter Flomaster-Simulation verwenden können, um sicherzustellen, dass für den realen Live-Test alles nach Plan verläuft. “

„Simcenter Flomaster hilft uns, schwierigere nichtlineare Probleme genau zu lösen“, sagt Gambino. „Ich muss sagen, es passt perfekt zusammen. Wenn ich all die Mathematik und einen
objektorientierten Programmieransatz wie diesen erstellen müsste, würde ich ein ganzes Jahr brauchen, um
ein anständiges Simulationsprogramm zu schreiben, um die Sprinkler virtuell zu testen.“

Dynamischer Simulator für Schiffe mit Pod-Antrieb in Simcenter Amesim.

Die Bedeutung von Evaluierungen auf See

Der Höhepunkt von Tausenden von Stunden für Konstruktion, Entwicklung und erweitertem Engineering,
Integration, Kabinengestaltung und Leistungssimulation mündet in einer Probefahrt auf See.

Diese Probefahrt auf See umfasst eine Reihe von obligatorischen Tests, die vom Schiffbauer vor der Zertifizierung und Auslieferung an den Reeder auf See durchgeführt werden. Der Hauptzweck besteht darin, das Schiff an seine Leistungsgrenzen zu bringen und Höchstgeschwindigkeiten, Manövrierfähigkeit, Ausrüstung und Sicherheitsmerkmale zu überprüfen.

Ein kostspieliges, aber erfolgskritisches Unterfangen

Angesichts der durchschnittlichen Probefahrtdauer eines Kreuzfahrtschiffes von etwa acht Tagen kostet eine Probefahrt viel Geld, das aber gut investiert ist. Die Probefahrt muss so effizient wie möglich sein.

„Auch wenn wir uns in Richtung digitaler Simulationen bewegen, werden physische Tests mit Modellen in einem Schlepptank oder dem ganzen Schiff während der Erprobung auf See nicht verschwinden“, sagt Matteo Codda, Manager für Plattformtechnik und Forschung bei CETENA.

„Der Eigner möchte überprüfen, ob das Schiff die vertraglich vereinbarten Leistungsmerkmale
erfüllt“, sagt Codda. „Eine Probefahrt auf See ist jedoch nicht der beste Weg, um numerische Modelle zu validieren, da die Umgebung nicht kontrollierbar oder vorhersehbar ist. Das Einzige, was bei einer Probefahrt auf See vorhersehbar ist, ist, dass man viel Geld ausgeben muss.“

Heutzutage werden Probefahrten für alle Arten von Schiffen durchgeführt – von Standard-Sportbooten bis hin zu riesigen Kreuzfahrtschiffen und Militärschiffen. Die Besatzung macht sich mit dem Schiff vertraut, was Stunden oder Wochen (bei bestimmten Arten von Militärschiffen sogar Monate) dauern kann, und bestätigt alles, von der grundlegenden Seetüchtigkeit und Manövrierfähigkeit bis hin zu Leistungskennzahlen wie Kraftstoffeffizienz, Emissionen, Geräusch- und Vibrationsbeschränkungen, Höchstgeschwindigkeiten und verschiedenen Sicherheitsmerkmalen.

Eine durchschnittliche Probefahrt auf einem Kreuzfahrtschiff dauert etwa 8 Tage.

Ein Testzentrum für Exzellenz

Einer der Test- und Testexperten für CETENA ist Federico Gaggero, der seit 2005 die Simcenter Testlab-Software™ und die Simcenter SCADAS-Hardware™ verwendet.

Das CETENA-Testteam verwendet weiterhin Simcenter-Software und -Hardware für verschiedene
-Testszenarien, die von Beschleunigungsmessungen bei Schocktests über die Datenerfassung auf See bis hin zu akustischen Tests an Bord reichen. Besonders angetan ist ihnen das Siemens-Token-System, das volle Flexibilität bei der Nutzung der Software für verschiedene Anwendungen bietet.

„Dieses Token-System ermöglicht es uns, Simcenter Testlab zu verwenden, um bestimmte Modelle ein- und auszuschalten“, sagt Gaggero. „Es gibt uns eine unglaubliche Flexibilität beim Einsatz von Simcenter-Testsystemen. Wir können die Anzahl der Tests erhöhen und unseren Kunden verschiedene Tests anbieten.

„99 Prozent unserer Arbeit werden mit einigen unserer Simcenter-Testtools durchgeführt. Wir können den Ergebnissen vertrauen. Wir haben eine sehr gute Unterstützung durch Simcenter-Experten aus dem Büro in Turin und über die Online-Hilfe“, sagt Gaggero.

„Es kommt vor, dass wir während eines Tests eine gewisse Anleitung benötigen, und das technische
-Support-Team von Simcenter ist immer da, um die Probleme zu lösen, damit wir den Test fortsetzen können – selbst wenn wir auf See eine Probefahrt absolvieren oder eine wirklich herausfordernde Testanfrage für einen Kunden erledigen. Das ist viel besser, als zu wenden, in den Hafen zurückzukehren und von vorne anzufangen oder zu sagen, dass wir es nicht schaffen. Die gesamte Testlösung und das technische Support-Team von Simcenter sind einfach hervorragend.“

Mit simulierten Leistungsindikatoren zum Erfolg

Alles auf der Simulations- und Testseite wurde korreliert, so dass die abschließende Erprobung auf See erfolgreich war.

„Manchmal verwenden wir Simulationen, um die Ergebnisse der Probefahrt auf See zu extrapolieren, weil sich das Schiff noch im Bau befindet oder noch nicht fertiggestellt ist“, sagt Codda. „Das sind Leistungsindikatoren, die zeigen, wie sich das Schiff bei einem Manöver wie dem Crash-Stopp-Test verhalten sollte.

Wir betrachten alles bis ins kleinste Detail, von den Anforderungen der Lieferanten an die an Bord installierten Materialien bis hin zur endgültigen Systemleistung gemäß Schiffszertifizierung, Schiffseigneranforderungen
und militärischen Standards.“

Das CETENA-Team hielt es für wichtig, ihre Simulations- und numerischen
Modelle mit experimentellen Messungen und Tests zu validieren. In der Schiffbaubranche ist es eher ungewöhnlich, dass Simulations- und Testexperten eng im selben Unternehmen zusammenarbeiten. Codda und sein Team schätzten sich glücklich, zusammenarbeiten zu können, da sie im Forschungszentrum für Fincantieri arbeiten. Damit haben sie direkten Zugriff auf die Schiffe, die Testdaten und die validierten Simulationen.

„Ich bin überzeugt, dass multidisziplinäre Simulationen und ein genauer digitaler Zwilling die Zukunft bestimmen“, sagt Codda. „Wir bauen ständig komplexere Schiffe, die fortschrittlichere Simulationsszenarien erfordern. Und wenn wir damit beginnen, verschiedene Simulationen zu integrieren und miteinander zu interagieren, wird es sehr vorteilhaft sein, im gleichen Portfolio von Simulations- und Testlösungen zu bleiben.“

Er kommt zu dem Schluss: „Natürlich ist die Integration all dieser verschiedenen Simulationsdisziplinen einer der
wichtigsten Punkte, die mir am Herzen liegen, ebenso wie der experimentelle Test- und Validierungsprozess. Wir brauchen
mehr Feedback aus der Praxis, um sicherzustellen, dass unsere Modelle korrekt sind. Generell liegen
Simulation und CAE tendenziell richtig. Ein Konstrukteur kann sehen, ob eine Entscheidung besser ist als
eine andere, aber es ist eine andere Sache, quantitative Informationen zu erhalten.“