Aprovechar el potencial de ingeniería de la simulación y las pruebas marinas para el diseño de buques de vanguardia

About CETENA

Se necesitan muchas cosas para construir barcos tan populares como el MSC Explora 1 o el Seven Seas Grandeur.
El tamaño y la complejidad de proyectos únicos como estos pueden ser desalentadores. Para empezar, tienes los temas clásicos de la arquitectura naval, como el diseño de buques y la integración del casco. Luego tienes que añadir conceptos más avanzados a la lista, como dinámica estructural, vibroacústica, cuestiones de rendimiento general, eficiencia del combustible, nuevos métodos de propulsión, optimización, pruebas de mar y certificación. Gestionar los matices de todo esto requiere conocimientos de ingeniería.

CETENA es una filial del Grupo Fincantieri y está especializada en la investigación y el asesoramiento en el ámbito naval y marítimo. CETENA participa en actividades de investigación nacionales e internacionales desde 1962 y ha realizado trabajos de investigación y consultoría, así como asistencia técnica, para astilleros, armadores, marinas y universidades. CETENA se ha asociado con Siemens Digital Industries Software y la Universidad de Génova para apoyar el ecosistema de ingeniería marina en Génova (Italia).

La simulación CFD y la industria naval

Al buscar un software de dinámica computacional de fluidos (CFD) adecuado, CETENA se decantó por el software Simcenter™ STAR-CCM+™ para sus proyectos. El Dr. Davide Grassi, arquitecto naval superior de CETENA, no podría estar más de acuerdo. El software Simcenter forma parte de Siemens Xcelerator, la plataforma empresarial de software, hardware y servicios.

«Utilizamos Simcenter STAR-CCM+ como punto de partida cuando tenemos un nuevo proyecto, porque necesitamos aprovechar la asistencia técnica que ofrece el software», dice Grassi. «Sin duda, este fue el caso de nuestro proyecto de lanzamiento de barcos. También utilizamos nuestras herramientas desde un entorno de código abierto, pero utilizamos Simcenter STAR-CCM+ como nuestro software de referencia para la mayoría de los problemas hidrodinámicos».

Hace varios años, Grassi y su equipo abordaron un problema que se pasaba por alto en la simulación de
arquitectura naval: la botadura de buques a gran escala. Dado que el tamaño y el coste de los buques militares y comerciales han aumentado considerablemente, es fundamental asegurar una botadura segura del producto final terminado.

«Nadie quiere tener que lidiar con astilleros que utilicen equipos de botadura antiguos o prácticas de botadura anticuadas al poner en el agua estos barcos más nuevos, grandes y altos», dice Grassi. «Hay muchos aspectos que podrían ir mal: el barco podría deslizarse demasiado y golpear el muelle o ir demasiado profundo y golpear el fondo. Luego están las influencias de los efectos de la superficie libre en la estabilidad estructural o el efecto de la resistencia al arrastre del casco y las olas del buque en el contacto inicial».

Simulación CFD del procedimiento de botadura de un barco con Simcenter STAR-CCM+.

Para evitar estos sucesos, el equipo decidió crear un gemelo digital basado en la física de la embarcación de botadura, la grada y el proceso de botadura para Fincantieri. A lo largo del proceso de
desarrollo, el equipo recurrió a los servicios de ingeniería y consultoría de Simcenter™ para perfeccionar la herramienta y resolver los aspectos más complicados del modelo numérico. Con el gemelo digital integral, podían comprobar por adelantado los efectos de diversas decisiones de diseño y verificar el proceso de botadura, corregir posibles problemas y garantizar el funcionamiento seguro del buque.

«Con la herramienta de simulación de Simcenter, podemos obtener información valiosa sobre los futuros lanzamientos de barcos para nuestros clientes y analizar el efecto que tendrán las distintas soluciones de diseño», dice Grassi.

«Simcenter STAR-CCM+ es una herramienta de alta fidelidad. Podemos afirmarlo con seguridad, ya que hemos comparado nuestros resultados simulados con datos reales», afirma Grassi. «Hemos comprobado que los resultados simulados y los datos reales solo muestran una diferencia de precisión del 1 %. Esto significa que podemos utilizar Simcenter para crear simuladores inteligentes capaces de realizar maniobras con una precisión del 99 %. Por esta razón, confiamos en Simcenter STAR-CCM+ para simular aplicaciones de alto riesgo como el lanzamiento de buques».

Investigación y simulación de vanguardia

Más recientemente, el equipo de CETENA y expertos de la Universidad de Génova decidieron utilizar otros aspectos de Simcenter para investigar los nuevos problemas de rendimiento de los buques asociados a los nuevos sistemas de propulsión eléctrica.

Michele Martelli, profesor del departamento de Arquitectura naval e ingeniería marina de la Universidad de Génova, utilizó el software Simcenter Amesim™ en un proyecto de investigación de tesis para crear un modelo dinámico de un barco en un grado de libertad (DOF). El uso de Simcenter permitió al equipo de ingeniería evaluar y optimizar virtualmente el rendimiento del sistema mecatrónico para tomar las decisiones correctas y cumplir los requisitos ya durante las primeras fases del diseño. Utilizaron con éxito el simulador final Simcenter Amesim como punto de referencia virtual para probar la lógica de control de los planes de propulsión eléctrica en maniobras difíciles como las
paradas de choque.

«Utilizamos la maniobra de parada de choque para evitar colisiones», dice Martelli. «El buque avanza a toda velocidad y tienes que parar e invertir el empuje. Es una maniobra muy desafiante
que podría ser peligrosa o dañina si no la gestiona adecuadamente el sistema de control del barco».

Uso de Simcenter para crear un simulador de lógica de control de propulsión eléctrica

La mejor opción para evitar riesgos es, obviamente, probar virtualmente el sistema de control del barco. Uno de los estudiantes de máster de Martelli desarrolló fácilmente un modelo fiable del buque para probar los datos de control de la propulsión eléctrica utilizando datos de referencia de CETENA.

«El estudiante nunca había utilizado Simcenter, pero en un par de meses fue capaz de desarrollar un simulador muy bueno», dice Martelli.

El estudiante utilizó Simcenter Amesim para crear un simulador que coincidía casi exactamente con los datos experimentales de la industria, lo que significaba que podía utilizarse para probar de forma fiable la lógica de control en diversas maniobras.

La importancia del trabajo previo del simulador

Guglielmo Sommariva, ingeniero naval de CETENA, actuó como mentor de la industria durante el proyecto de tesis. Se apresuró a señalar la importancia de utilizar un simulador ascendente para desarrollar buques electrificados.

«La maniobra de parada por colisión es muy difícil de simular porque depende de parámetros automatizados que se desconocen al principio del proceso de diseño», dice Sommariva.

«Especialmente con los nuevos sistemas de propulsión, se trata de conjeturas», dice Sommariva. «No tiene en cuenta la lógica de control ni otros factores externos, como las fuerzas del oleaje o del viento. Necesitábamos claramente un simulador más preciso en la fase inicial del proceso de diseño y creamos uno utilizando Simcenter Amesim. Utilizar Simcenter Amesim y sus bibliotecas validadas facilita al usuario cambiar rápidamente los parámetros, probar muchos escenarios distintos y visualizar los resultados en muy poco tiempo».

Utilizar Simcenter Flomaster para realizar simulaciones de seguridad avanzadas

Andrea Gambino es ingeniero mecánico y nuevo miembro del equipo CETENA que trabaja en simulaciones avanzadas de seguridad. Gambino y sus colegas utilizaron el software Simcenter Flomaster™ para varios proyectos a nivel de sistema, como el análisis del comportamiento en el mar, el análisis del impacto balístico, el análisis del espectro de choque y respuesta y el análisis fluidodinámico unidimensional.

Gambino trabajó en un proyecto específico sobre seguridad en cruceros y utilizó Simcenter Flomaster para evaluar la presión hidrodinámica del agua que entra en las boquillas de los aspersores automáticos a bordo de un buque.

«Simular este sistema es muy importante porque estas boquillas tienen que funcionar correctamente con una presión de agua mínima», dice Gambino. «Hay que comprobar y evaluar que todo el sistema del barco funcionará correctamente».

Si no utilizas la simulación para proyectos como este, el único otro enfoque posible es probar físicamente el sistema y solucionar los problemas. Y esto, obviamente, no es muy práctico.
Aunque en Fincantieri sí realizamos pruebas reales de los sistemas de a bordo, como exigen las normas internacionales de seguridad, es bueno saber que podemos utilizar la simulación Simcenter Flomaster para asegurarnos de que todo irá según lo previsto en la prueba real en vivo ».

«El uso de Simcenter Flomaster nos ayuda a resolver con precisión los problemas no lineales más difíciles», dice Gambino. «Tengo que decir que es una combinación perfecta. Si tuviera que hacer todos los cálculos y un
enfoque de programación orientado a objetos como este, tardaría un año entero en elaborar
un programa de simulación decente para probar los aspersores virtualmente».

Simulador dinámico de barco propulsado por cápsulas en Simcenter Amesim.

La importancia de las pruebas de mar

La cúspide de miles de horas de diseño, desarrollo e ingeniería avanzada,
integración y diseño de cabinas y simulación de rendimiento llega con la prueba de mar.

Una prueba de mar es una serie de pruebas obligatorias realizadas en el mar por el constructor naval antes de la certificación y la entrega al armador. El objetivo principal es llevar la embarcación a sus límites de rendimiento, comprobando las velocidades máximas, la maniobrabilidad, el equipamiento y las características de seguridad.

Un ejercicio costoso pero crítico

Dado que las pruebas de mar en un barco duran unos ocho días, cabe imaginar que una prueba de mar conlleva un precio elevado pero vital. Una operación de prueba de mar tiene que ser lo más eficiente posible.

«Aunque avancemos hacia las simulaciones digitales, las pruebas físicas con modelos en un tanque de remolque o el buque completo durante las pruebas de mar no van a desaparecer», afirma Matteo Codda, director de ingeniería e investigación de plataformas de CETENA.

«Es el propietario quien quiere verificar que el barco cumple las características de rendimiento contratadas
», dice Codda. «Las pruebas de mar no son la mejor forma de validar los modelos numéricos porque el entorno no es controlable ni predecible. Lo único previsible de una prueba de mar es que se gastará mucho dinero».

Hoy en día, las pruebas de mar se realizan en todo tipo de barcos, desde las embarcaciones deportivas normales hasta los grandes cruceros y buques militares. La tripulación se familiariza con el barco, lo que puede llevar horas o semanas (incluso meses en ciertos tipos de barcos militares) y lo confirma todo, desde la navegabilidad y maniobrabilidad básicas hasta parámetros de rendimiento como la eficiencia del combustible, las emisiones, las limitaciones de ruido y vibraciones, las velocidades máximas y diversas funciones de seguridad.

Una prueba de mar media en un crucero dura unos 8 días.

Un centro de pruebas por excelencia

Uno de los expertos en pruebas y ensayos en el mar de CETENA es Federico Gaggero, que utiliza el software Simcenter Testlab™ y el hardware Simcenter SCADAS™ desde 2005.

El equipo de pruebas de CETENA continúa utilizando el software y el hardware de Simcenter para diversos escenarios de
pruebas, que van desde las mediciones de aceleración durante las pruebas de choque hasta la adquisición de datos de pruebas en el mar y las pruebas acústicas a bordo. Les gusta especialmente el sistema de licencias por tokens de Siemens, que ofrece total flexibilidad para utilizar el software en distintas aplicaciones.

«Este sistema de licencias por tokens nos permite utilizar Simcenter Testlab para apagar y encender determinados modelos», dice Gaggero. «Nos proporciona una flexibilidad increíble a la hora de utilizar los sistemas de pruebas de Simcenter. Podemos aumentar el número de pruebas y ofrecer a nuestros clientes varias pruebas».

«El 99 % de nuestro trabajo se realiza con alguna de nuestras herramientas de prueba de Simcenter. Podemos confiar en los resultados. Contamos con el fantástico apoyo de los expertos de Simcenter de la oficina de Turín, así como ayuda online», dice Gaggero.

«A veces necesitamos alguna orientación durante una prueba, y el equipo de asistencia técnica de Simcenter
siempre está ahí para ayudarnos a resolver los problemas y que podamos continuar la prueba, incluso cuando estamos en el mar en una prueba marítima o realizando una solicitud de prueba realmente difícil para un cliente. Esto es mucho mejor que dar la vuelta al barco, volver a puerto y empezar de nuevo o decir que no podemos hacerlo. Toda la solución de pruebas de Simcenter y el equipo de asistencia técnica son excelentes».

Indicadores de rendimiento simulados para impulsar el éxito

Todo lo relacionado con la simulación y las pruebas se correlacionó para que la prueba final en el mar fuera un éxito.

«En ocasiones utilizamos la simulación para extrapolar los resultados de las pruebas de mar, porque el barco aún está en construcción o no está terminado», dice Codda. «Se trata de indicadores de rendimiento que muestran cómo debe comportarse la embarcación durante una maniobra como la prueba de parada por colisión.

Lo examinamos todo al más mínimo detalle, desde los requisitos de los proveedores para los materiales instalados a bordo hasta el rendimiento final de los sistemas según la certificación del buque, los requisitos del armador
y las normas militares».

El equipo de CETENA creía que era importante validar sus modelos de simulación y numéricos
con mediciones y pruebas experimentales. En la industria naval, es bastante inusual que los expertos en simulación y pruebas trabajen estrechamente en la misma empresa. Codda y su equipo se sintieron afortunados de poder colaborar, ya que trabajan en el centro de investigación de Fincantieri. Esto les da acceso directo a los barcos, los datos de las pruebas y las simulaciones validadas.

«Estoy convencido de que la simulación multidisciplinar y un gemelo digital preciso serán el futuro», afirma Codda. «Constantemente estamos construyendo buques más complejos que requieren escenarios de simulación más avanzados. Y cuando empecemos a integrar e interoperar diferentes simulaciones, será muy beneficioso permanecer en el mismo portfolio de soluciones de simulación y pruebas».

Y concluye: «Por supuesto, cómo integrar todas estas disciplinas de simulación diferentes es uno de
los puntos clave que tengo en mente, así como el proceso experimental de prueba y validación. Necesitaremos
más información sobre el terreno para asegurarnos de que nuestros modelos son correctos. En general,
simulación y CAE es comparativamente correcto. Un diseñador puede ver si una decisión es mejor que
otra, pero otra cosa es tener esta información cuantitativamente».