해양 시뮬레이션 및 테스트의 엔지니어링 역량을 활용하여 최첨단 선박 설계

About CETENA

MSC Explora 1 또는 Seven Seas Grandeur와 같은 인기 있는 선박을 건조하려면 많은 노력이 필요합니다.
이와 같은 고유한 프로젝트의 규모와 복잡성은 상당한 수준일 수 있습니다. 프로젝트는 선박 설계, 선체 통합과 같은 전형적인 주제로 시작됩니다. 그런 다음 구조 역학, 진동 음향, 전반적인 성능 문제, 연료 효율성, 새로운 추진 방법, 최적화, 해상 시험, 인증과 같은 고급 개념을 수행 목록에 추가해야 합니다. 이 모든 요소의 미묘한 차이를 관리하려면 엔지니어링 전문 지식이 필요합니다.

CETENA는 Fincantieri Group의 자회사이며 조선 및 해양 산업의 연구 및 컨설팅을 전문으로 합니다. CETENA는 1962년부터 국내 및 국제 연구 활동에 참여했으며 조선소, 선주, 해군 및 대학을 대상으로 연구를 수행하고 컨설팅과 기술을 지원해 왔습니다. CETENA는 Siemens Digital Industries Software 및 제노바 대학교와 이탈리아 제노바 주변의 해양 엔지니어링 에코시스템을 지원하는 파트너십을 체결했습니다.

CFD 시뮬레이션 및 해양 산업

CETENA는 적합한 CFD(전산 유체 역학) 소프트웨어를 물색하던 중에 Simcenter™ STAR-CCM+™ 소프트웨어를 프로젝트에 사용하기로 결정했습니다. CETENA의 조선 공학 건축가인 Davide Grassi 박사는 이러한 결정을 적극적으로 찬성했습니다. Simcenter 소프트웨어는 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

"Simcenter STAR-CCM+가 제공하는 기술 지원을 활용해야 하기 때문에 새로운 프로젝트를 시작할 때 이 소프트웨어를 시작점으로 사용합니다."라고 Grassi 박사는 말합니다. "선박 진수 프로젝트도 마찬가지였습니다. 또한 오픈 소스 환경의 도구를 사용하지만 대부분의 유체 역학 문제를 위한 참조 소프트웨어로 Simcenter STAR-CCM+를 사용합니다."

몇 년 전, Grassi 박사와 그 팀은 조선 공학 시뮬레이션에서
간과된 문제인 실물 규모의 선박 진수를 해결했습니다. 군용 및 상업용 선박의 크기와 비용이 크게 증가했기 때문에 최종 완성품의 안전한 진수를 보장하는 것이 중요합니다.

"오래된 진수 장비나 구식 진수 방식을 사용하는 조선소를 통해 더 크고 높은 최신 선박을 진수하고 싶지는 않을 것입니다."라고 Grassi 박사는 말합니다. "선박이 너무 멀리까지 흘러가 부두에 충돌하거나 수면 아래로 매우 깊숙이 가라앉아 바닥에 부딪힐 수 있는 등 여러 문제가 발생할 수 있습니다. 그 밖에 구조적 안정성에 대한 자유 표면 효과의 영향 또는 초기 접촉 시 선체의 항력 저항 및 선박의 파도의 영향이 있습니다."

Simcenter STAR-CCM+를 사용한 선박 진수 절차의 CFD 시뮬레이션

이러한 사고를 방지하기 위해 팀은 Fincantieri를 위한 진수 선박, 경사선대(slipway) 및 진수 프로세스를 위한 물리 기반 디지털 트윈을 구축하기로 결정했습니다. 팀은 개발 프로세스 전반에 걸쳐
Simcenter™ Engineering and Consulting(엔지니어링 및 컨설팅) 서비스를 사용하여 도구를 개선하고 수치 모델의 까다로운 측면을 해결했습니다. 포괄적인 디지털 트윈을 통해 다양한 설계 의사 결정의 효과를 사전에 확인하고 진수 프로세스를 검증하고 잠재적인 문제를 수정하고 선박의 안전한 운항을 보장할 수 있습니다.

"Simcenter 시뮬레이션 도구를 사용하여 고객을 위한 향후 선박 진수에 대한 유용한 인사이트를 얻고 다양한 설계 솔루션이 미칠 영향을 분석할 수 있습니다."라고 Grassi 박사는 말합니다.

"Simcenter STAR-CCM+는 충실도가 높은 도구입니다. 시뮬레이션 결과를 실제 데이터와 비교했기 때문에 확신할 수 있습니다."라고 Grassi 박사는 말합니다. "시뮬레이션 결과와 실제 데이터의 정확도 차이가 1%에 불과한 것으로 나타났습니다. 즉, Simcenter를 사용하여 99%의 정확도로 기동을 수행할 수 있는 스마트 시뮬레이터를 구현할 수 있습니다. 이러한 이유로 Simcenter STAR-CCM+를 신뢰하여 선박 진수와 같은 고위험 작업을 시뮬레이션할 수 있습니다."

최첨단 연구 및 시뮬레이션 사용

최근 CETENA 팀과 제노바 대학교의 전문가들은 Simcenter의 다른 측면을 사용하여 새로운 전기 추진 시스템과 관련된 새로운 선박 성능 문제를 조사하기로 결정했습니다.

제노바 대학교 조선 공학 및 해양 공학과 교수인 Michele Martelli는 논문 연구 프로젝트에서 Simcenter Amesim™ 소프트웨어를 사용하여 1자유도(DOF)에서 유람선의 동적 모델을 생성했습니다. 엔지니어링 팀은 Simcenter를 사용하여 메카트로닉스 시스템 성능을 가상으로 평가 및 최적화하여 초기 설계 단계에서 이미 올바른 선택을 하고 요구사항을 충족할 수 있었습니다. 최종 Simcenter Amesim 시뮬레이터를 가상 벤치마크로 사용하여 충돌 정지와 같은
어려운 기동에 대한 전기 추진 계획의 제어 로직을 테스트하는 데 성공했습니다.

"우리는 충돌을 방지하기 위해 충돌 정지 기동을 사용합니다."라고 Martelli는 말합니다. "배가 전속력으로 전진하고 있으므로 멈추고 추력 방향을 역전해야 합니다. 선박의 제어 시스템에서 적절하게 관리하지 않으면 위험하거나
손상을 줄 수 있는 매우 어려운 기동입니다."

Simcenter를 사용하여 전기 추진 제어 로직을 위한 시뮬레이터 개발

위험 방지를 위한 가장 효율적인 방법은 선박의 제어 시스템을 가상으로 테스트하는 것입니다. Martelli의 석사 과정 학생 중 한 명은 CETENA의 벤치마크 데이터를 사용하여 신뢰할 수 있는 선박 모델을 쉽게 개발하여 전기 추진 제어 데이터를 테스트했습니다.

"이 학생은 이전에 Simcenter를 사용해 본 적이 없었지만, 몇 달 만에 매우 우수한 시뮬레이터를 개발할 수 있었습니다."라고 Martelli는 말합니다.

이 학생은 Simcenter Amesim을 사용하여 업계 실험 데이터와 거의 일치하는 시뮬레이터를 개발했으며, 이를 통해 다양한 기동에서 제어 로직을 안정적으로 테스트할 수 있었습니다.

업스트림 시뮬레이터 작업의 중요성

CETENA의 해양 엔지니어인 Guglielmo Sommariva는 논문 프로젝트 기간 동안 산업 관련 멘토 역할을 했습니다. 그는 전기 선박을 개발하기 위해 업스트림 시뮬레이터를 사용하는 것의 중요성을 빠르게 지적했습니다.

"충돌 정지 기동은 설계 프로세스 초기에 알려지지 않은 자동화된 매개변수에 의존하므로 시뮬레이션하기가 매우 어렵습니다."라고 Sommariva는 말합니다.

"특히 새로운 추진 시스템의 경우, 이는 추측에 불과합니다."라고 Sommariva는 말합니다. "제어 논리나 파도, 바람의 힘 등 다른 외부 요인을 고려하지 않습니다. 설계 프로세스에서 더 정확한 시뮬레이터가 필요했고 Simcenter Amesim을 사용하여 시뮬레이터를 개발했습니다. Simcenter Amesim과 검증된 라이브러리를 통해 사용자가 쉽고 빠르게 매개변수를 변경하고 다양한 시나리오를 시도하고 매우 짧은 시간 내에 결과를 시각화할 수 있습니다."

Simcenter Flomaster를 사용하여 고급 안전 시뮬레이션 수행

Andrea Gambino는 메카니컬 엔지니어이자 첨단 안전 시뮬레이션을 연구하는 CETENA 팀의 신입 구성원입니다. Gambino와 그의 동료들은 Simcenter Flomaster™ 소프트웨어를 사용하여 내항성 해석(Seakeeping analysis), 탄도 충격 해석(ballistic impact analysis), 충격 및 반응 스펙트럼 해석, 1차원 유체 역학 해석을 포함한 여러 시스템 수준 프로젝트를 수행했습니다.

Gambino는 유람선 안전과 관련된 특정 프로젝트를 수행했으며 Simcenter Flomaster를 사용하여 유람선에 탑재된 자동 스프링클러의 노즐로 유입될 때의 수압을 유체역학 측면에서 평가했습니다.

"이 노즐은 최소한의 수압으로 제대로 작동해야 하므로 이 시스템을 시뮬레이션하는 것이 매우 중요합니다."라고 Gambino는 말합니다. "선박의 전체 시스템이 제대로 작동하는지 확인하고 평가해야 합니다."

이와 같은 프로젝트에 시뮬레이션을 사용하지 않는 경우 유일하게 가능한 다른 접근 방식은 시스템을 물리적으로 테스트하고 문제를 해결하는 것입니다. 이 방법은 그다지 실용적이지 않습니다.
Fincantieri에서는 국제 안전 표준에서 요구하는 대로 실제 온보드 시스템 테스트를 수행합니다. Simcenter Flomaster 시뮬레이션을 사용하면 모든 것을 실제 실시간 테스트를 위한 계획에 따라 진행할 수 있을 것이므로 만족스럽습니다. "

"Simcenter Flomaster를 사용하면 더 어려운 비선형 문제를 정확하게 해결할 수 있습니다."라고 Gambino는 말합니다. "정말로 딱 맞는 솔루션이죠." 이와 같은 모든 수학과 객체 지향 프로그래밍 접근 방식을 구현해야 한다면
스프링클러를 가상으로 테스트하기 위한 적절한 시뮬레이션 프로그램을 생성하는 데
꼬박 1년이 걸릴 것입니다."

Simcenter Amesim의 포드 추진 선박 동적 시뮬레이터

해상 시험의 중요성

수천 시간의 설계, 개발 및 고급 엔지니어링, 통합, 객실 설계 및 성능 시뮬레이션 중
최절정은 모두 해상 시험으로 귀결됩니다.

해상 시험은 조선소에서 인증 및 선주에게 인도하기 전에 해상에서 수행하는 일련의 필수 테스트입니다. 주요 목적은 선박을 성능 한계까지 밀어붙여 최고 속도, 기동성, 장비 및 안전 기능을 확인하는 것입니다.

비용이 많이 드는 미션 크리티컬한 연습

유람선의 평균 해상 시험은 약 8일이 소요되므로 해상 시험은 중요하나 큰 비용이 들 것임을 짐작할 수 있습니다. 따라서 해상 시험은 최대한 효율적으로 운영해야 합니다.

"디지털 시뮬레이션으로 전환하고 있지만, 해상 시험 중 견인 탱크 또는 전체 선박에서 모델을 사용한 물리적 테스트는 계속 사용될 것입니다."라고 CETENA의 플랫폼 엔지니어링 및 연구 관리자인 Matteo Codda는 말합니다.

"선주는 선박이 계약된 성능 특성을 준수하는지 확인하길 원합니다."라고
Codda는 말합니다. "해상 시험은 환경을 통제 또는 예측할 수 없기 때문에 수치 모델을 가장 효율적으로 검증할 수 없습니다. 해상 시험에 있어 유일하게 예측 가능한 것은 많은 비용이 소요된다는 점입니다."

오늘날 해상 시험은 표준 스포츠 보트에서 대형 유람선 및 군함에 이르기까지 모든 유형의 선박에 사용됩니다. 승무원은 몇 시간 또는 몇 주(특정 유형의 군함의 경우 몇 달)가 걸릴 수 있는 선박에 익숙해지고 기본 내항성 및 기동성에서 연료 효율성, 배기 가스, 소음 및 진동 제한, 최대 속도 및 다양한 안전 기능과 같은 성능 지표에 이르기까지 모든 것을 확인합니다.

유람선의 평균 해상 시험은 약 8일이 소요됩니다.

우수성을 위한 테스트 센터

CETENA의 테스트 및 해상 시험 전문가 중 한 명인 Federico Gaggero는 2005년부터 Simcenter Testlab™ 소프트웨어와 Simcenter SCADAS™ 하드웨어를 사용해 왔습니다.

CETENA 테스트 팀은 충격 테스트 중 가속 측정부터 해상 시험 데이터 수집 및 온보드 음향 테스트에 이르기까지 다양한
테스트 시나리오에 Simcenter 소프트웨어 및 하드웨어를 계속 사용하고 있습니다. 이들은 특히 다양한 응용 분야에 소프트웨어를 사용할 수 있는 완전한 유연성을 갖춘 Siemens 토큰 시스템을 선호합니다.

"이 토큰 시스템을 사용하면 Simcenter Testlab을 통해 특정 모델을 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다."라고 Gaggero는 말합니다. "Simcenter 테스트 시스템의 유연성은 탁월합니다. 테스트 횟수를 늘리고 고객은 다양한 테스트를 실행할 수 있습니다.

"작업의 99%는 일부 Simcenter 테스트 도구를 사용하여 수행됩니다. 결과의 신뢰도는 매우 우수하며, 토리노 지사의 Simcenter 전문가가 제공하는 온라인 지원도 매우 훌륭합니다."라고 Gaggero는 말합니다.

"테스트 중에 몇 가지 지침이 필요할 수 있고, Simcenter 기술 지원 팀은 바다에서 해상 시험을 수행하거나
고객을 위한 까다로운 테스트 요청을 완료하는 경우에도 테스트를 계속 수행하도록 항상 문제 해결을 지원합니다. 배를 돌려 항구로 돌아가 다시 시작하거나 할 수 없다고 말하는 것보다 훨씬 낫죠. 전체 Simcenter 테스트 솔루션과 기술 지원 팀은 정말 훌륭합니다."

시뮬레이션된 성능 지표를 사용하여 성공 촉진

시뮬레이션 및 테스트 측면의 모든 것이 상호 연관되어 최종 해상 시험을 성공적으로 완료했습니다.

"때때로 시뮬레이션을 사용하여 해상 시험 결과를 추정하는데, 이는 선박이 아직 건조 중이거나 완공되지 않았기 때문입니다."라고 Codda는 말합니다. "이는 충돌 정지 테스트와 같은 기동 중 선박의 정상적인 작동 메커니즘을 보여주는 성능 지표입니다.

선상에 설치된 재료에 대한 공급업체 요구사항부터 선박 인증, 선주 요구사항 및
군사 표준에 따른 최종 시스템 성능에 이르기까지 모든 요소를 상세하게 점검합니다."

CETENA 팀은 실험 측정 및 테스트를 통해 시뮬레이션 및 수치 모델을 검증하는 것이
중요하다고 생각했습니다. 해양 산업에서 시뮬레이션 및 테스트 전문가가 같은 회사에서 긴밀하게 협력하는 것은 매우 드문 일입니다. Cordda와 팀은 Fincantieri의 연구 센터에서 일하며 협력할 수 있어서 행운이라고 생각합니다. 이를 통해 선박, 테스트 데이터 및 검증된 시뮬레이션에 직접 액세스할 수 있습니다.

"다분야 시뮬레이션과 정확한 디지털 트윈이 차세대 솔루션이 될 것이라고 확신합니다."라고 Codda는 말합니다. "현재 더 고도의 시뮬레이션 시나리오가 필요한 더 복잡한 선박을 지속적으로 건조하고 있습니다. 그리고 서로 다른 시뮬레이션을 통합하고 상호 운용하기 시작할 때 동일한 시뮬레이션 및 테스트 솔루션 포트폴리오를 유지하는 것이 매우 유용할 것입니다."

"물론, 이 다양한 시뮬레이션 분야를 통합하는 방법은 실험 테스트 및 검증 프로세스와 마찬가지로
핵심 사항 중 하나입니다."라며 끝을 맺습니다. 모델이 정확한지 확인하려면 현장에서
더 많은 피드백을 제공해야 합니다. 일반적으로 시뮬레이션과
CAE가 비교적 적합합니다. 설계자는 한 결정이 다른 결정보다 더 우수한지 알 수 있지만,
양적인 측면에서 정보를 획득하는 것은 또 다른 문제입니다."