Uwolnienie możliwości symulacji i testowania w dziedzinie inżynierii morskiej na potrzeby projektowania nowoczesnych statków

About CETENA

Zbudowanie popularnego modelu statku, jak np. MSC Explora 1 czy Seven Seas Grandeur wymaga wiele pracy:
wielkość i złożoność takich wyjątkowych projektów mogą być przytłaczające. Na początek trzeba się zmierzyć z klasycznymi zagadnieniami architektury statków, takich jak projekt i integracja kadłuba. Następnie należy dodać do listy bardziej zaawansowane koncepcje, takie jak dynamika konstrukcji, wibroakustyka, ogólne zagadnienia dotyczące działania, oszczędność paliwa, nowe rozwiązania w dziedzinie napędu, optymalizacja, próby morskie i certyfikacja. Zarządzanie wszystkimi niuansami tych zagadnień wymaga zaawansowanej wiedzy inżynieryjnej.

CETENA jest spółką zależną grupy Fincantieri i zajmuje się badaniami oraz świadczeniem usług konsultacyjnych w dziedzinie marynarki wojennej i transportu morskiego. Od 1962 r. prowadzi działalność badawczą na skalę krajową i międzynarodową oraz świadczy usługi konsultacyjne dla stoczni, armatorów, marynarek wojennych różnych państw i uniwersytetów. CETENA nawiązała współpracę z firmą Siemens Digital Industries Software i uniwersytetem w Genui w celu wsparcia budowy ekosystemu inżynierii morskiej.

Symulacje CFD i branża morska

Poszukując odpowiedniego oprogramowania do analizy mechaniki płynów (CFD), firma CETENA zdecydowała się na zastosowanie w swoich projektach oprogramowania Simcenter™ STAR-CCM+™. Dr Davide Grassi, starszy architekt statków morskich w firmie CETENA, zdecydowanie popiera ten ruch. Oprogramowanie Simcenter stanowi część platformy biznesowej Siemens Xcelerator obejmującej oprogramowanie, sprzęt i usługi.

Używamy rozwiązania Simcenter STAR-CCM+ jako punktu wyjściowego do realizacji nowego projektu, ponieważ musimy wykorzystać wsparcie techniczne zapewniane przez oprogramowanie” – mówi Grassi. „Tak było z pewnością w przypadku naszego projektu wodowania statku. Korzystamy również z naszych narzędzi dostępnych w środowisku open source, ale oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ jest naszym rozwiązaniem referencyjnym w odniesieniu do większości problemów hydrodynamicznych”.

Kilka lat temu Grassi wraz z zespołem zajął się problemem pomijanym do tej pory przez symulację architektury morskiej:
wodowaniem pełnoskalowych statków. Ponieważ rozmiary i koszt statków wojskowych oraz komercyjnych znacznie się zwiększyły, zapewnienie bezpiecznego wodowania finalnego produktu nabiera szczególnego znaczenia.

„Wodowania nowoczesnych, większych i wyższych statków lepiej nie przeprowadzać w stoczniach, które używają starego sprzętu lub przestarzałych praktyk” – mówi Grassi. „Jest wiele obszarów, w których coś może pójść nie tak: statek może zsunąć się zbyt daleko i uderzyć w dok lub zanurzyć zbyt głęboko i uderzyć w dno. Dochodzi do tego wpływ efektów powierzchni swobodnej na stateczność konstrukcji lub wpływ oporu kadłuba i fal wywoływanych przez jednostkę przy pierwszym kontakcie z wodą”.

Symulacja CFD procedury wodowania statku w oprogramowaniu Simcenter STAR-CCM+.

Aby zapobiec takim zdarzeniom, zespół postanowił opracować cyfrowego bliźniaka wodowanego statku, pochylni i procesu wodowania dla grupy Fincantieri. W całym procesie
rozwoju zespół polegał na usługach Simcenter™ Engineering and Consulting Services, które pomogły udoskonalić narzędzie i dopracować trudniejsze aspekty modelu numerycznego. Dzięki kompleksowemu cyfrowemu bliźniakowi mogli z wyprzedzeniem sprawdzić skutki różnych decyzji projektowych i zweryfikować proces wodowania, skorygować potencjalne problemy oraz zagwarantować bezpieczną eksploatację statku.

„Korzystając z narzędzia symulacyjnego Simcenter, jesteśmy w stanie uzyskać cenne informacje, które przyniosą korzyści naszym klientom w przyszłości, oraz analizować wpływ różnych rozwiązań projektowych” – mówi Grassi.

„Simcenter STAR-CCM+ to narzędzie o wysokiej wierności odwzorowania danych. Mówimy to z pełnym przekonaniem, ponieważ porównaliśmy wyniki symulacji z rzeczywistymi danymi” – mówi Grassi. „Odkryliśmy, że różnice w dokładności między nimi wynoszą zaledwie 1%. Oznacza to, że możemy wykorzystać rozwiązanie Simcenter do tworzenia inteligentnych symulatorów, które mogą wykonywać manewry z 99-procentową dokładnością. Z tego powodu jesteśmy pewni, że rozwiązanie Simcenter STAR-CCM+ pozwala efektywnie symulować zastosowania wysokiego ryzyka, jak np. wodowanie statków”.

Wykorzystanie najnowocześniejszych badań i symulacji

Zespół CETENA i eksperci z uniwersytetu w Genui zdecydowali się niedawno wykorzystać inne aspekty rozwiązania Simcenter do przeanalizowania problemów z działaniem związanych z nowymi elektrycznymi systemami napędowymi statków.

Michele Martelli, profesor z wydziału Architektury i inżynierii morskiej uniwersytetu w Genui, użył w swoim projekcie badawczym oprogramowania Simcenter Amesim™ do utworzenia dynamicznego modelu statku wycieczkowego o jednym stopniu swobody (DOF, ang. degree-of-freedom). Zastosowanie tego oprogramowania umożliwiło zespołowi inżynierów przeprowadzenie wirtualnej oceny i optymalizacji działania systemu mechatronicznego, aby dokonać właściwych wyborów projektowych i spełnić wymagania już na bardzo wczesnych etapach procesu. Z powodzeniem wykorzystali ostateczny symulator Simcenter Amesim jako wirtualny punkt odniesienia do testowania logiki sterowania napędem elektrycznym podczas wykonywania trudnych manewrów, takich jak
zatrzymanie awaryjne.

„Manewr zatrzymania awaryjnego jest wykonywany w celu uniknięcia kolizji” – mówi Martelli. „Statek płynie z pełną prędkością, a tu nagle trzeba go zatrzymać i odwrócić ciąg. To bardzo trudny manewr,
który może być niebezpieczny lub spowodować straty, jeśli nie będzie odpowiednio kontrolowany przez systemy sterujące statku”.

Wykorzystanie rozwiązania Simcenter do opracowania symulatora logiki sterowania napędem elektrycznym

Najlepszą opcją uniknięcia ryzyka jest oczywiście wirtualne sprawdzenie systemu sterującego statku. Jeden z magistrantów Martellego z łatwością opracował wiarygodny model statku, aby przetestować dane sterowania napędem elektrycznym przy użyciu danych porównawczych uzyskanych od firmy CETENA.

„Nigdy wcześniej nie używał oprogramowania Simcenter, ale mimo to w ciągu kilku miesięcy udało mu się opracować bardzo dobry symulator” – mówi Martelli.

Student wykorzystał oprogramowanie Simcenter Amesim do utworzenia symulatora, który niemal odzwierciedlał dostępne dane eksperymentalne, co oznaczało, że można go było wykorzystać do niezawodnego testowania logiki sterowania podczas różnych manewrów.

Znaczenie symulacji na wczesnych etapach procesu

Guglielmo Sommariva, inżynier morski pracujący dla firmy CETENA, pełnił rolę mentora branżowego podczas tego projektu. Szybko zwrócił uwagę na znaczenie wykorzystania symulacji na wczesnych etapach procesu do opracowania zelektryfikowanych statków.

„Manewr zatrzymania awaryjnego jest bardzo trudny do symulowania, ponieważ zależy od zautomatyzowanych parametrów, które są nieznane na wczesnym etapie procesu projektowania” – mówi Sommariva.

„To zgadywanka, zwłaszcza w przypadku nowych układów napędowych” – mówi Sommariva. „Nie można tu uwzględnić logiki sterowania ani innych czynników zewnętrznych, takich jak siły fal lub wiatru. Zdecydowanie potrzebowaliśmy dokładniejszego symulatora na początku procesu projektowania i opracowaliśmy go przy użyciu oprogramowania Simcenter Amesim. Oprogramowanie Simcenter Amesim i dostępnie w nim zweryfikowane biblioteki ułatwiają szybkie zmienianie parametrów, wypróbowywanie wielu różnych scenariuszy i wizualizację wyników w bardzo krótkim czasie”.

Wykorzystanie oprogramowania Simcenter Flomaster do przeprowadzania zaawansowanych symulacji bezpieczeństwa

Andrea Gambino jest inżynierem mechanikiem i nowym członkiem zespołu CETENA, który zajmuje się zaawansowanymi symulacjami bezpieczeństwa. Wraz ze współpracownikami zastosował oprogramowanie Simcenter Flomaster™ w kilku projektach na poziomie systemu, m.in do analizy właściwości morskich, analizy uderzeniowej, analizy spektrum wstrząsów i odpowiedzi oraz jednowymiarowej analizy mechaniki płynów.

Podczas pracy nad projektem dotyczącym bezpieczeństwa statków wycieczkowych Gambino użył oprogramowania Simcenter Flomaster do oceny ciśnienia hydrodynamicznego wody wpływającej do dysz automatycznych zraszaczy na pokładzie.

„Symulacja tego układu jest bardzo ważna, ponieważ te dysze muszą działać prawidłowo nawet przy minimalnym ciśnieniu wody” – mówi Gambino. „W związku z tym trzeba sprawdzić i ocenić, czy cały układ na statku będzie działał poprawnie”.

Jeśli w takich projektach nie używa się symulacji, jedynym możliwym wyjściem jest przeprowadzenie testów fizycznych w celu rozwiązania problemów. Nie jest to jednak zbyt praktyczne.
W grupie Fincantieri przeprowadzamy co prawda rzeczywiste testy systemów pokładowych zgodnie z międzynarodowymi standardami bezpieczeństwa, dobrze jest jednak mieć świadomość, że możemy użyć funkcji symulacji w oprogramowaniu Simcenter Flomaster, aby upewnić się, że wszystko pójdzie zgodnie z planem podczas testu fizycznego. ”.

„Oprogramowanie Simcenter Flomaster pomaga nam precyzyjnie rozwiązywać trudniejsze problemy nieliniowe” – mówi Gambino. „Muszę przyznać, że to idealne narzędzie. Gdybym musiał samodzielnie wykonać wszystkie obliczenia
i opracować podejście do programowania ukierunkowanego na obiekty, napisanie
porządnego programu symulacyjnego do wirtualnego testowania zraszaczy zajęłoby mi cały rok”.

Symulator dynamiczny statku z układem napędowym POD w oprogramowaniu Simcenter Amesim.

Znaczenie prób morskich

Kulminacją tysięcy godzin poświęconych na projektowanie, rozwój i zaawansowane prace inżynieryjne i integracyjne
oraz projektowanie kabiny i symulację osiągów są próby morskie.

Próba morska to seria obowiązkowych testów przeprowadzanych na morzu przez stocznię przed certyfikacją statku i dostarczeniem go armatorowi. Ich głównym celem jest sprawdzenie granicznych osiągów statku, jego prędkości maksymalnej, zwrotności, wyposażenia i zabezpieczeń.

Kosztowne, ale bardzo istotne zadanie

Biorąc pod uwagę, że przeciętna próba morska statku wycieczkowego może trwać około ośmiu dni, wiąże się to z konkretnymi wydatkami. W związku z tym należy je przeprowadzać w maksymalnie efektywny sposób.

„Mimo coraz większego udziału symulacji cyfrowych fizyczne testy z modelami w zbiorniku holowniczym lub próby morskie całego statku nie znikną” – mówi Matteo Codda, kierownik ds. inżynierii platformy i badań w CETENA.

„Właściciel będzie chciał sprawdzić, czy statek jest zgodny z parametrami
działania określonymi w kontrakcie” – mówi Codda. „Próby morskie nie są najlepszym sposobem walidacji modeli numerycznych, ponieważ to środowisko nie jest kontrolowane ani przewidywalne. Jedynym przewidywalnym aspektem próby morskiej są jej wysokie koszty”.

Obecnie próby morskie stosuje się w odniesieniu do statków wszystkich typów: od standardowych łodzi sportowych po ogromne statki wycieczkowe i jednostki wojskowe. Załoga zapoznaje się ze statkiem, co może zająć kilka godzin lub kilka tygodni (a nawet miesięcy w przypadku niektórych typów okrętów wojskowych) i potwierdza wszystko: od podstawowej zdatności do żeglugi i zwrotności po wskaźniki osiągów, takie jak oszczędność paliwa, emisje, ograniczenia wibroakustyczne, maksymalne prędkości i różne funkcje związane z bezpieczeństwem.

Przeciętna próba morska statku wycieczkowego trwa około 8 dni.

Centrum testów umożliwiające osiągnięcie doskonałości

Jednym z ekspertów ds. testów i prób morskich w firmie CETENA jest Federico Gaggero, który od 2005 r. korzysta z oprogramowania Simcenter Testlab™ i sprzętu Simcenter SCADAS™.

Zespół ds. testów w firmie CETENA w dalszym ciągu używa oprogramowania i sprzętu Simcenter w różnych scenariuszach testowych,
począwszy od pomiarów przyspieszenia podczas testów wstrząsowych i skończywszy na pozyskiwaniu danych z prób morskich i testach akustycznych przeprowadzanych na pokładzie. Szczególnie podoba im się system tokenów, który zapewnia pełną elastyczność używania oprogramowania firmy Siemens do różnych zastosowań.

„System tokenów pozwala nam używać rozwiązania Simcenter Testlab do wyłączania i włączania niektórych modeli” – mówi Gaggero. „Zapewnia to nam niezrównaną elastyczność podczas korzystania z systemów testowych Simcenter. Możemy zwiększyć liczbę testów i przedstawić naszym klientom zróżnicowaną ofertę.

„99% naszej pracy wykonujemy przy użyciu narzędzi testowych Simcenter, zapewniających wiarygodne wyniki. Otrzymujemy również cenne wsparcie ekspertów Simcenter z biura w Turynie, a także pomoc online” – mówi Gaggero.

„Czasami potrzebujemy wskazówek podczas testu, a zespół wsparcia technicznego
ds. Simcenter jest zawsze gotów pomóc nam w rozwiązaniu problemów, abyśmy mogli kontynuować testy – nawet gdy jesteśmy na morzu podczas próby morskiej lub wykonujemy naprawdę trudne zlecenie testowe dla klienta. To o wiele lepsze niż zawracanie łodzi, powrót do portu i konieczność rozpoczęcia wszystkiego od nowa lub stwierdzenie, że nie jesteśmy w stanie czegoś zrobić. Całe rozwiązanie Simcenter do testów i zespół wsparcia są po prostu wspaniałe”.

Wykorzystanie symulacyjnych wskaźników osiągów do opracowania doskonałego produktu

Wszystkie działania po stronie symulacji i testów zostały skorelowane tak, aby ostateczna próba morska zakończyła się sukcesem.

„Czasami używamy symulacji do ekstrapolacji wyników prób morskich, ponieważ statek jest nadal w budowie lub nie jest jeszcze gotowy” – mówi Codda. „Te wskaźniki osiągów informują, jak statek powinien zachowywać się podczas manewrów, np. podczas testu zderzenia awaryjnego.

Analizujemy wszystko, w najdrobniejszych szczegółach: od wymagań dostawców dotyczących materiałów używanych na pokładzie po działanie systemów statku zgodnie z certyfikacją, wymaganiami armatorów
i standardami wojskowym”.

Zespół w firmie CETENA uznał, że modele symulacyjne i numeryczne
należy zweryfikować przy użyciu pomiarów eksperymentalnych i testów. W branży morskiej dość rzadko zdarza się, aby eksperci ds. symulacji i testów byli zatrudnieni w tej samej firmie i ściśle współpracowali ze sobą. Codda i jego zespół cieszyli się, że pracują w jednym centrum badawczym grupy Fincantieri i mogą ze sobą współpracować. Zapewniało im to bezpośredni dostęp do statków, danych testowych i zatwierdzonych symulacji.

„Jestem przekonany, że symulacja wielodomenowa i dokładny cyfrowy bliźniak to przyszłościowe rozwiązanie” – mówi Codda. „Budujemy coraz bardziej złożone statki, które wymagają zaawansowanych scenariuszy symulacji. Kiedy zaczniemy integrować i współrealizować różne symulacje, używanie jednego portfolio rozwiązań do symulacji i testowania będzie bardzo korzystne”.

Podsumowuje tymi słowy: „Oczywiście integracja różnych domen symulacji jest jednym z kluczowych punktów,
podobnie jak proces testów eksperymentalnych oraz walidacji. Aby upewnić się,
że nasze modele są prawidłowe, będziemy potrzebować więcej informacji zwrotnych od klientów. Ogólnie rzecz biorąc,
symulacja i CAE odznaczają się stosunkowo wysokim poziomem poprawności. Projektant może sprawdzić, czy jakaś decyzja jest lepsza
od innej, ale ilościowe podejście do tych informacji to coś zupełnie innego”.