Sfruttare la potenza ingegneristica della simulazione e dei test in mare per una progettazione navale all'avanguardia

About CETENA

Costruire navi popolari come la MSC Explora 1 o la Seven Seas Grandeur richiede molta fatica.
Le dimensioni e la complessità di progetti unici come questi possono essere scoraggianti. Per iniziare, ci sono i classici argomenti dell'architetto navale come la progettazione navale e l'integrazione dello scafo. In seguito si passa a considerare concetti più avanzati come la dinamica strutturale, l'acustica vibrometrica, i problemi di prestazioni complessive, l'efficienza del carburante, i nuovi metodi di propulsione, l'ottimizzazione, le prove in mare e la certificazione. Per gestire le varie sfaccettature di tutto questo processo occorrono competenze ingegneristiche.

CETENA è una filiale del Gruppo Fincantieri ed è specializzata in attività di ricerca e consulenza nel settore navale e marittimo. CETENA è impegnata in attività di ricerca nazionali e internazionali dal 1962 e svolge attività di ricerca, consulenza e assistenza tecnica per cantieri navali, armatori, marine e università. CETENA ha sviluppato una partnership con Siemens Digital Industries Software e l'Università di Genova per supportare l'ecosistema dell'ingegneria navale nei dintorni di Genova.

La simulazione CFD e l'industria navale

Durante la ricerca del giusto software di fluidodinamica computazionale (CFD), CETENA ha deciso di utilizzare il software Simcenter™ STAR-CCM+ ™ per i suoi progetti. Il Dr. Davide Grassi, Senior Naval Architect di CETENA, non potrebbe essere più d'accordo. Il software Simcenter fa parte della piattaforma aziendale di servizi, hardware e software Siemens Xcelerator.

Utilizziamo Simcenter STAR-CCM+ come punto di partenza quando abbiamo un nuovo progetto, perché abbiamo bisogno del supporto tecnico offerto dal software", afferma Grassi. "Questo è stato certamente il caso del nostro progetto di varo della nave. Utilizziamo anche i nostri strumenti da un ambiente open source, ma utilizziamo Simcenter STAR-CCM+ come software di riferimento per la maggior parte dei problemi idrodinamici."

Diversi anni fa, Grassi e il suo team hanno affrontato un problema trascurato nella simulazione
dell'architettura navale: il varo di navi in scala reale. Poiché le dimensioni e il costo delle navi militari e commerciali sono aumentati in modo significativo, è fondamentale garantire un varo sicuro del prodotto finale finito.

"Nessuno desidera cantieri navali che utilizzano vecchie attrezzature di lancio o pratiche di varo obsolete quando si mettono in acqua queste navi più nuove, più grandi e più alte", afferma Grassi. "Ci sono molte aree in cui le cose potrebbero andare storte: la nave potrebbe scivolare troppo lontano e colpire il molo o andare troppo in profondità e toccare il fondo. Poi ci sono le influenze degli effetti della superficie libera sulla stabilità strutturale o l'effetto della resistenza dello scafo e delle onde della nave al primo contatto."

Simulazione CFD della procedura di varo della nave con Simcenter STAR-CCM+.

Per prevenire questi eventi, il team ha deciso di creare per Fincantieri un digital twin basato sulla fisica della nave di varo, dello scalo di alaggio e del processo di varo. Durante tutto il processo di sviluppo
, il team si è affidato all'utilizzo dei servizi di progettazione e consulenza di Simcenter™ per perfezionare lo strumento e risolvere gli aspetti più complicati del modello numerico. Con il digital twin completo, hanno potuto controllare in anticipo gli effetti delle varie decisioni di progettazione e verificare il processo di varo, correggere potenziali problemi e garantire il funzionamento sicuro dell'imbarcazione.

"Utilizzando lo strumento di simulazione Simcenter, possiamo ottenere preziose informazioni sui futuri lanci di navi per i nostri clienti e analizzare l'effetto che avranno le diverse soluzioni di progettazione" afferma Grassi.

"Simcenter STAR-CCM+ è uno strumento ad alta fedeltà. Possiamo dirlo con sicurezza poiché abbiamo confrontato i nostri risultati simulati con i dati reali", afferma Grassi. "Abbiamo scoperto che i risultati simulati e i dati effettivi mostrano solo una differenza dell'1% a livello di accuratezza. Ciò significa che possiamo utilizzare Simcenter per creare simulatori intelligenti in grado di eseguire manovre con una precisione del 99%. Per questo motivo, ci affidiamo a Simcenter STAR-CCM+ per simulare applicazioni ad alto rischio come il varo di navi".

Utilizzo di ricerca e simulazione all'avanguardia

Più di recente, il team CETENA e gli esperti dell'Università di Genova hanno deciso di utilizzare altri aspetti di Simcenter per indagare sui problemi emergenti delle prestazioni delle navi associati ai nuovi sistemi di propulsione elettrica.

Michele Martelli, professore del Dipartimento di Architettura Navale e Ingegneria Navale dell'Università di Genova, ha utilizzato il software Simcenter Amesim™ in un progetto di ricerca di tesi per creare un modello dinamico di una nave da crociera in un grado di libertà (DOF). L'utilizzo di Simcenter ha consentito al team di progettazione di valutare e ottimizzare virtualmente le prestazioni del sistema meccatronico per fare le scelte giuste e soddisfare i requisiti già durante le primissime fasi di progettazione. L'azienda ha utilizzato con successo il simulatore finale di Simcenter Amesim come punto di riferimento virtuale per testare la logica di controllo per i piani di propulsione elettrica per manovre difficili come
arresti di emergenza.

"Usiamo la manovra di arresto di emergenza per prevenire le collisioni", afferma Martelli. "La nave si sta muovendo a tutta velocità e bisogna fermarsi e invertire la spinta. Si tratta di una manovra
molto impegnativa che potrebbe essere pericolosa o dannosa se non gestita correttamente dal sistema di controllo della nave."

Utilizzo di Simcenter per la creazione di un simulatore per la logica di controllo della propulsione elettrica

L'opzione migliore per evitare rischi è ovviamente quella di provare virtualmente il sistema di controllo dell'imbarcazione. Uno degli studenti del master di Martelli ha sviluppato con facilità un modello affidabile dell'imbarcazione per testare i dati di controllo della propulsione elettrica utilizzando i dati di riferimento di CETENA.

"Lo studente non aveva mai usato Simcenter prima, ma in un paio di mesi è stato in grado di sviluppare un ottimo simulatore", afferma Martelli.

Lo studente ha utilizzato Simcenter Amesim per creare un simulatore che corrispondesse quasi esattamente ai dati sperimentali del settore, il che significava che poteva essere utilizzato per testare in modo affidabile la logica di controllo su varie manovre.

L'importanza del lavoro con il simulatore a monte

Guglielmo Sommariva, ingegnere navale di CETENA, ha svolto il ruolo di mentore del settore durante il progetto di tesi. Si è affrettato a sottolineare l'importanza di utilizzare un simulatore a monte per sviluppare navi elettrificate.

"La manovra di arresto è molto difficile da simulare perché dipende da parametri automatizzati che sono sconosciuti all'inizio del processo di progettazione", afferma Sommariva.

"Soprattutto con i nuovi sistemi di propulsione, si tratta di fare una serie di congetture", afferma Sommariva. "Non vengono presi in considerazione la logica di controllo o altri fattori esterni come le forze del moto ondoso o del vento. Avevamo chiaramente bisogno di un simulatore più accurato fin dall'inizio del processo di progettazione e ne abbiamo creato uno utilizzando Simcenter Amesim. L'utilizzo di Simcenter Amesim e delle sue librerie validate consente all'utente di modificare rapidamente i parametri, provare molti scenari diversi e visualizzare i risultati in pochissimo tempo."

Utilizzo di Simcenter Flomaster per eseguire simulazioni di sicurezza avanzate

Andrea Gambino è un ingegnere meccanico e un nuovo membro del team CETENA che sta lavorando su simulazioni di sicurezza avanzate. Gambino e i suoi colleghi hanno utilizzato il software Simcenter Flomaster™ per diversi progetti a livello di sistema, tra cui l'analisi della tenuta del mare, l'analisi dell'impatto balistico, l'analisi dello spettro di urti e risposte e l'analisi fluidodinamica monodimensionale.

Gambino ha lavorato su un progetto specifico riguardante la sicurezza delle navi da crociera e ha utilizzato Simcenter Flomaster per valutare la pressione idrodinamica dell'acqua che entra negli ugelli degli irrigatori automatici a bordo di una nave da crociera.

"Simulare questo sistema è molto importante perché questi ugelli devono funzionare correttamente con una pressione dell'acqua minima", afferma Gambino. "È necessario verificare che l'intero sistema sulla nave funzioni correttamente."

Se non si utilizza la simulazione per progetti come questi, l'unico altro approccio possibile è il test fisico e la risoluzione dei problemi del sistema. E questo ovviamente non è molto pratico.
Tuttavia in Fincantieri eseguiamo veri e propri test sui sistemi di bordo come richiesto dagli standard di sicurezza internazionali. È bello sapere che possiamo utilizzare la simulazione di Simcenter Flomaster per assicurarci che tutto vada secondo i piani per il test dal vivo reale. "

"L'utilizzo di Simcenter Flomaster ci aiuta a risolvere con precisione i problemi non lineari più complessi", afferma Gambino. "Devo dire che è un abbinamento perfetto. Se dovessi creare tutta la matematica e un approccio di programmazione orientato agli oggetti
come questo, mi ci vorrebbe un anno intero per scrivere
un programma di simulazione decente per testare virtualmente gli irrigatori."

Simulatore dinamico di navi con propulsione a pod in Simcenter Amesim.

L'importanza delle prove in mare

Il culmine di migliaia di ore di progettazione, sviluppo e ingegneria avanzata, dell'integrazione
e della progettazione della cabina e della simulazione delle prestazioni è la prova in mare.

Una prova in mare è una serie di test obbligatori eseguiti in mare dal costruttore navale prima della certificazione e della consegna all'armatore. Lo scopo principale è quello di spingere l'imbarcazione ai suoi limiti prestazionali, controllando le velocità massime, la manovrabilità, l'equipaggiamento e le caratteristiche di sicurezza.

Un'esercitazione costosa ma mission-critical

Con una media di prove in mare su una nave da crociera che dura circa otto giorni, si può immaginare che una prova in mare abbia un prezzo elevato ma vitale. Un'operazione di prova in mare deve essere il più efficiente possibile.

"Anche se ci stiamo muovendo verso le simulazioni digitali, i test fisici con i modelli in una vasca navale o l'intera imbarcazione durante le prove in mare non stanno scomparendo", afferma Matteo Codda, Manager of Platform Engineering and Research per CETENA.

"È l'armatore che deve verificare che la nave rispetti le caratteristiche
di prestazioni contrattuali", afferma Codda. "Le prove in mare non sono il modo migliore per validare i modelli numerici perché l'ambiente non è controllabile o prevedibile. L'unica cosa prevedibile di una prova in mare è che si tratta di spendere un sacco di soldi."

Oggi, le prove in mare sono utilizzate su tutti i tipi di navi, dalle barche sportive standard alle enormi navi da crociera e alle navi militari. L'equipaggio prende confidenza con la nave, il che può richiedere ore o settimane (anche mesi per alcuni tipi di navi militari) e conferma tutto, dalla navigabilità e manovrabilità di base alle metriche delle prestazioni come l'efficienza del carburante, le emissioni, le limitazioni del rumore e delle vibrazioni, le velocità massime e varie caratteristiche di sicurezza.

Una prova in mare media su una nave da crociera dura circa 8 giorni.

Un centro di test per l'eccellenza

Uno degli esperti di test e prove in mare di CETENA è Federico Gaggero, che utilizza il software Simcenter Testlab™ e l'hardware Simcenter SCADAS™ dal 2005.

Il team di test CETENA continua a utilizzare il software e l'hardware Simcenter per vari scenari di test
che vanno dalle misurazioni dell'accelerazione durante i test d'urto all'acquisizione dei dati delle prove in mare e ai test acustici a bordo. Sono particolarmente affezionati al sistema di token Siemens, che offre piena flessibilità per l'utilizzo del software per diverse applicazioni.

"Questo sistema di token ci consente di utilizzare Simcenter Testlab per attivare e disattivare determinati modelli", afferma Gaggero. "Ci offre un'incredibile flessibilità nell'utilizzo dei sistemi di test Simcenter. Siamo in grado di aumentare il numero di test e offrire ai nostri clienti vari test.

"Il 99% del nostro lavoro viene eseguito con alcuni dei nostri strumenti di test Simcenter. Possiamo fidarci dei risultati. Abbiamo un ottimo supporto da parte degli esperti Simcenter dell'ufficio di Torino nonché dall'assistenza online", afferma Gaggero.

"Capita che abbiamo bisogno di una guida durante un test e il team di supporto tecnico
di Simcenter è sempre pronto ad aiutarci a risolvere i problemi in modo da poter continuare il test, anche quando siamo in mare per una prova o stiamo completando una richiesta di test davvero impegnativa per un cliente. È molto meglio che girare la barca, tornare in porto e ricominciare da capo o dire che non possiamo farcela. L'intero team di supporto tecnico e della soluzione di test Simcenter è semplicemente eccellente."

Utilizzo di indicatori di performance simulata per favorire il successo

Tutto ciò che riguarda la simulazione e i test è stato correlato in modo che la prova finale in mare avesse successo.

"A volte usiamo la simulazione per estrapolare i risultati delle prove in mare perché la nave è ancora in costruzione o non è completa", afferma Codda. "Si tratta di indicatori di performance che mostrano come l'imbarcazione dovrebbe comportarsi durante una manovra come il test di arresto di emergenza.

Esaminiamo tutto nei minimi dettagli, dai requisiti dei fornitori per i materiali installati a bordo alle prestazioni finali dei sistemi in base alla certificazione della nave, ai requisiti dell'armatore
e agli standard militari."

Il team CETENA ha ritenuto che fosse importante validare la simulazione e i modelli numerici
con misurazioni e test sperimentali. Nell'industria navale, è abbastanza insolito che gli esperti di simulazione e test lavorino a stretto contatto nella stessa azienda. Codda e il suo team si sono sentiti fortunati a poter collaborare poiché lavorano nel centro di ricerca di Fincantieri. In questo modo hanno accesso diretto alle navi, ai dati dei test e alle simulazioni validate.

"Sono convinto che la simulazione multidisciplinare e un digital twin accurato saranno il futuro", afferma Codda. "Costruiamo costantemente navi più complesse che richiedono scenari di simulazione più avanzati. E quando inizieremo a integrare e utilizzare insieme diverse simulazioni, sarà molto vantaggioso rimanere nello stesso portafoglio di soluzioni di simulazione e test."

E conclude: "Naturalmente, il modo in cui integrare tutte queste diverse discipline di simulazione è uno dei punti chiave,
così come il processo sperimentale di test e validazione. Avremo
bisogno di ulteriori feedback sul campo per assicurarci che i nostri modelli siano corretti. In generale,
simulazione e CAE sono relativamente corrette. Un progettista può verificare se una decisione è migliore di
un'altra, ma disporre di informazioni quantitative è un'altra questione."