Libérer la puissance d'ingénierie de la simulation et des tests maritimes pour la conception de navires de pointe

About CETENA

La construction de célèbres navires comme le MSC Explora 1 ou le Seven Seas Grandeur nécessite de beaucoup de travail.
La taille et la complexité de projets uniques comme ceux-ci peuvent être impressionnantes. Pour commencer, il convient d'adresser les sujets classiques d'architecture navale tels que la conception du navire et l'intégration de la coque. Ensuite, il faut ajouter des concepts plus avancés à la liste, tels que la dynamique structurelle, la vibro-acoustique, les problèmes de performance globale, l'efficacité énergétique, les nouvelles méthodes de propulsion, l'optimisation, les essais en mer et la certification. Une expertise en ingénierie est indispensable pour gérer les nuances de ces éléments.

CETENA, filiale du groupe Fincantieri, est spécialisée dans la recherche et le conseil dans l'industrie navale et maritime. Depuis 1962, CETENA participe à des activités de recherche nationales et internationales et effectue pour le compte de chantiers navals, d'armateurs, de marines et d'universités des activités de recherche, de conseil et d'assistance technique. CETENA a développé un partenariat avec Siemens Digital Industries Software et l'Université de Gênes pour soutenir l'écosystème d'ingénierie maritime autour de Gênes, en Italie.

La simulation CFD et l'industrie maritime

Lors de la recherche du bon logiciel de mécanique des fluides numérique (CFD), CETENA a décidé d'utiliser le logiciel Simcenter™ STAR-CCM+™ pour ses projets. Le Dr Davide Grassi, architecte naval principal chez CETENA, est tout à fait d'accord. Simcenter fait partie de la plateforme Siemens Xcelerator, qui comprend des logiciels, du matériel et des services.

"Nous utilisons Simcenter STAR-CCM+ comme point de départ lorsque nous avons un nouveau projet, car nous devons tirer parti de l'assistance technique offerte par le logiciel", explique M. Grassi. "C'était certainement le cas avec notre projet de lancement de navires. Nous utilisons également nos outils issus d'un environnement open source, mais nous utilisons Simcenter STAR-CCM+ comme logiciel de référence pour la plupart des problèmes hydrodynamiques."

Il y a plusieurs années, M. Grassi et son équipe se sont attaqués à un problème négligé dans
la simulation de l'architecture navale : la mise à l'eau des navires en grandeur réelle. Étant donné que la taille et le coût des navires militaires et commerciaux ont considérablement augmenté, il est essentiel de garantir un lancement en toute sécurité du produit final et terminé.

"Les chantiers navals ne doivent pas utiliser de vieux équipements de mise à l'eau ou des pratiques de mise à l'eau dépassées pour les navires plus récents, plus grands et plus volumineux", explique M. Grassi. "De nombreux facteurs peuvent être à l'origine d'un problème : le navire peut glisser trop loin et heurter le quai, ou aller trop profond et toucher le fond. Ensuite, il y a l'influence des effets de carène liquide sur la stabilité structurelle ou l'effet de la résistance à la traînée de la coque et des vagues du navire lors du contact initial.

Simulation CFD de la procédure de lancement d'un navire avec Simcenter STAR-CCM+.

Pour éviter ces événements, l'équipe a décidé de créer un jumeau numérique basé sur la physique du navire de lancement, de la cale de mise à l'eau et du processus de lancement pour Fincantieri. Tout au long du processus de développement,
l'équipe s'est appuyée sur les services d'ingénierie et de conseil de Simcenter™ pour affiner l'outil et aplanir les aspects les plus délicats du modèle numérique. Grâce au jumeau numérique complet, elle a pu vérifier à l'avance les effets de diverses décisions de conception et vérifier le processus de lancement, corriger les problèmes potentiels et garantir l'exploitation sûre du navire.

"À l'aide de l'outil de simulation Simcenter, nous pouvons obtenir des informations précieuses sur les futurs lancements de navires pour nos clients et analyser l'effet qu'auront différentes solutions de conception", explique M. Grassi.

"Simcenter STAR-CCM+ est un outil haute-fidélité. Nous pouvons l'affirmer en toute confiance, car nous avons comparé nos résultats simulés avec des données réelles", déclare M. Grassi. "Nous avons constaté que les résultats simulés et les données réelles ne montrent qu'une différence de précision de 1 %. Cela signifie que nous pouvons utiliser Simcenter pour créer des simulateurs intelligents capables d'effectuer des manœuvres avec une précision de 99 %. C'est pourquoi nous faisons confiance à Simcenter STAR-CCM+ pour simuler des applications à haut risque telles que les lancements de navires."

Utilisation de la recherche et de la simulation de pointe

Plus récemment, l'équipe CETENA et des experts de l'Université de Gênes ont décidé d'utiliser d'autres aspects de Simcenter pour étudier les problèmes de performance émergents des navires associés aux nouveaux systèmes de propulsion électrique.

Michele Martelli, professeur au département d'architecture navale et d'ingénierie navale et maritime de l'Université de Gênes, a utilisé le logiciel Simcenter Amesim™ dans le cadre d'un projet de recherche de thèse pour créer un modèle dynamique d'un navire de croisière en un degré de liberté. L'utilisation de Simcenter a permis à l'équipe d'ingénierie d'évaluer et d'optimiser virtuellement les performances du système mécatronique afin de faire les bons choix et de répondre aux exigences dès les premières étapes de la conception. Elle a utilisé le simulateur final Simcenter Amesim comme référence virtuelle pour tester la logique de contrôle des plans de propulsion électrique pour les manœuvres difficiles telles que les
arrêts d'urgence en cas de collision.

"Nous utilisons la manœuvre d'arrêt en cas de collision pour éviter les collisions", explique M. Martelli. "Le navire avance à pleine vitesse et il faut l'arrêter et inverser la poussée. Il s'agit d'une manœuvre
très difficile qui pourrait être dangereuse ou dommageable si elle n'est pas correctement gérée par le système de contrôle du navire."

Utilisation de Simcenter pour créer un simulateur de logique de contrôle de propulsion électrique

La meilleure option pour éviter les risques est évidemment d'essayer virtuellement le système de contrôle du navire. L'un des étudiants en maîtrise de M. Martelli a facilement développé un modèle fiable du navire pour tester les données de contrôle de la propulsion électrique à l'aide des données de référence de CETENA.

"L'étudiant n'avait jamais utilisé Simcenter auparavant, mais en quelques mois, il a pu développer un très bon simulateur", explique M. Martelli.

L'étudiant a utilisé Simcenter Amesim pour créer un simulateur qui correspondait presque exactement aux données expérimentales de l'industrie. Le logiciel a donc pu être utilisé pour tester de manière fiable la logique de contrôle sur diverses manœuvres.

L'importance du travail sur simulateur en amont

Guglielmo Sommariva, ingénieur maritime pour CETENA, a agi en tant que mentor de l'industrie pendant le projet de thèse. Il a rapidement noté l'importance d'utiliser un simulateur en amont pour développer des navires électrifiés.

"La manœuvre d'arrêt en cas de collision est très difficile à simuler, car elle dépend de paramètres automatisés qui sont inconnus au début du processus de conception", explique M. Sommariva.

"Surtout avec les nouveaux systèmes de propulsion, il s'agit de conjectures", explique M. Sommariva. "Elle ne s'appuie pas sur la logique de contrôle ou d'autres facteurs extérieurs comme les forces des vagues ou du vent. Nous avions clairement besoin d'un simulateur plus précis dès le début du processus de conception et nous en avons créé un à l'aide de Simcenter Amesim. L'utilisation de Simcenter Amesim et de ses bibliothèques validées permet à l'utilisateur de modifier rapidement les paramètres, d'essayer de nombreux scénarios différents et de visualiser les résultats en très peu de temps."

Utilisation de Simcenter Flomaster pour effectuer des simulations de sécurité avancées

Andrea Gambino est ingénieur en mécanique et nouveau membre de l'équipe CETENA qui travaille sur des simulations de sécurité avancées. M. Gambino et ses collègues ont utilisé le logiciel Simcenter Flomaster™ pour plusieurs projets au niveau du système, notamment l'analyse de la stabilité en mer, l'analyse de l'impact balistique, l'analyse du spectre de choc et de réponse et l'analyse unidimensionnelle de la dynamique des fluides.

M. Gambino a travaillé sur un projet spécifique concernant la sécurité des navires de croisière et a utilisé Simcenter Flomaster pour évaluer la pression hydrodynamique de l'eau entrant dans les buses des arroseurs automatiques à bord.

"La simulation de ce système est très importante, car ces buses doivent fonctionner correctement avec une pression d'eau minimale", explique M. Gambino. "Il faut vérifier et évaluer que l'ensemble du système du navire fonctionnera correctement."

"Si vous n'utilisez pas la simulation pour des projets comme ceux-ci, la seule autre approche possible consiste à tester physiquement et à dépanner le système. Et ce n'est évidemment pas très pratique.
Bien que chez Fincantieri, nous effectuions des tests réels des systèmes embarqués, comme l'exigent les normes de sécurité internationales. Il est bon de savoir que nous pouvons utiliser la simulation Simcenter Flomaster pour nous assurer que tout se passera comme prévu pour le test réel en direct. "

"L'utilisation de Simcenter Flomaster nous aide à résoudre avec précision les problèmes non linéaires les plus difficiles", explique M. Gambino. "Je dois dis-le que c'est une combinaison parfaite. Si je devais créer tous les calculs et une approche de programmation
orientée objet comme celle-ci, il me faudrait une année entière pour écrire
un programme de simulation convenable afin de tester virtuellement les arroseurs".

Simulateur dynamique de navire propulsé par pod dans Simcenter Amesim.

L'importance des essais en mer

Le point culminant de milliers d'heures de conception, de développement et d'ingénierie avancée,
d'intégration, de conception de la cabine et de simulation des performances est l'essai en mer.

Un essai en mer consiste en une série de tests obligatoires effectués en mer par le constructeur du navire avant la certification et la livraison à l'armateur. L'objectif principal est de pousser le navire à ses limites de performance, en vérifiant les vitesses de pointe, la manœuvrabilité, l'équipement et les dispositifs de sécurité.

Un exercice coûteux, mais essentiel à la mission

La durée moyenne d'un essai en mer sur un navire de croisière étant d'environ huit jours, on peut imaginer que le prix d'un essai en mer est élevé, mais essentiel. Une opération d'essai en mer doit être aussi efficace que possible.

"Même si nous nous dirigeons vers des simulations numériques, les tests physiques avec des modèles dans un bassin d'essai des carènes ou sur le navire entier pendant les essais en mer ne vont pas disparaître", déclare Matteo Codda, responsable de l'ingénierie et de la recherche des plateformes pour CETENA.

"C'est le propriétaire qui veut vérifier que le navire est conforme aux
caractéristiques de performance prévues dans le contrat", explique M. Codda. "Les essais en mer ne sont pas le meilleur moyen de valider les modèles numériques, car l'environnement n'est ni contrôlable ni prévisible. La seule chose prévisible pour un essai en mer, c'est qu'il coûtera beaucoup d'argent.

Aujourd'hui, les essais en mer sont utilisés sur tous les types de navires, des bateaux de sport standard aux grands navires de croisière et aux navires militaires. L'équipage se familiarise avec le navire, ce qui peut prendre des heures ou des semaines (voire des mois pour certains types de navires militaires) et confirme tout, de la navigabilité et de la manœuvrabilité de base aux mesures de performance telles que l'efficacité énergétique, les émissions, les limites de bruit et de vibrations, les vitesses maximales et diverses caractéristiques de sécurité.

Un essai en mer moyen sur un bateau de croisière dure environ 8 jours.

Un centre d'essais pour l'excellence

Federico Gaggero est l'un des experts en matière de tests et d'essais en mer pour CETENA. Il utilise le logiciel Simcenter Testlab™ et le matériel Simcenter SCADAS™ depuis 2005.

L'équipe d'essais CETENA continue d'utiliser le logiciel et le matériel Simcenter pour divers scénarios d'essais,
allant des mesures d'accélération pendant les essais de collision à l'acquisition de données d'essais en mer, en passant par les essais acoustiques à bord. Elle apprécie particulièrement le système de jetons de Siemens, qui offre une flexibilité totale pour l'utilisation du logiciel dans différentes applications.

"Ce système de jetons nous permet d'utiliser Simcenter Testlab pour désactiver et réactiver certains modèles", explique M. Gaggero. "Cela nous donne une flexibilité incroyable lors de l'utilisation des systèmes de test Simcenter. Nous pouvons augmenter le nombre de tests et proposer à nos clients divers essais.

99 % de notre travail est effectué avec certains de nos outils de test Simcenter. Nous pouvons nous fier aux résultats. Nous bénéficions d'une très bonne assistance de la part des experts Simcenter du bureau de Turin ainsi que d'une aide en ligne", explique M. Gaggero.

"Il arrive que nous ayons besoin de conseils lors d'un test. L'équipe d'assistance technique
de Simcenter est toujours là pour nous aider à résoudre les problèmes afin que nous puissions poursuivre le test, même lorsque nous effectuons un essai en mer ou que nous réalisons un test très difficile pour le compte d'un client. C'est beaucoup mieux que de faire demi-tour, de rentrer au port et de recommencer ou de dire que nous ne pouvons pas le faire. L'ensemble de la solution de test et de l'équipe d'assistance technique de Simcenter est tout simplement excellent."

Utiliser des indicateurs de performance simulés pour favoriser la réussite

Tout ce qui concerne la simulation et les essais a été corrélé pour que l'essai en mer final soit un succès.

"Parfois, nous utilisons la simulation pour extrapoler les résultats des essais en mer parce que le navire est encore en construction ou n'est pas terminé", explique M. Codda. "Il s'agit d'indicateurs de performance qui montrent comment le navire doit se comporter lors d'une manœuvre du type test d'arrêt en cas de collision.

Nous analysons tout dans les moindres détails, des exigences des fournisseurs pour les matériaux installés à bord aux performances finales des systèmes en fonction de la certification des navires, des exigences des armateurs
et des normes militaires."

L'équipe CETENA a estimé qu'il était important de valider sa simulation et ses modèles
numériques par des mesures et des essais expérimentaux. Dans l'industrie maritime, il est assez rare que des experts en simulation et en essais travaillent en étroite collaboration au sein d'une même entreprise. M. Codda et son équipe ont eu la chance de pouvoir collaborer puisqu'ils travaillent dans le centre de recherche de Fincantieri. Ils ont ainsi un accès direct aux navires, aux données d'essai et aux simulations validées.

"Je suis convaincu que la simulation multidisciplinaire et un jumeau numérique précis sont l'avenir", déclare M. Codda. "Nous construisons constamment des navires de plus en plus complexes qui nécessitent des scénarios de simulation plus avancés. Et lorsque nous commencerons à intégrer et à interopérer différentes simulations, il sera très bénéfique de rester dans le même portefeuille de solutions de simulation et d'essai."

Il conclut : "Bien sûr, la façon d'intégrer toutes ces différentes disciplines de simulation est l'un des points clés de ma réflexion,
de même que le processus d'essai expérimental et de validation. Nous aurons
besoin de plus de retours d'information du terrain pour nous assurer que nos modèles sont corrects. En général,
la simulation et l'IAO sont relativement justes. Un concepteur peut voir si une décision est meilleure
qu'une autre, mais c'est une autre affaire d'avoir ces informations quantitatives."