释放船舶仿真和测试的工程力量以实现前沿船舶设计

About CETENA

建造像 MSC Explora 1 或 Seven Seas Grandeur 这样广受欢迎的船只需要做大量工作。
此类独特项目的规模和复杂性可能令人生畏。首先，您将涉足船舶设计和船体集成等传统的船舶设计师领域。其次，这份列表还涉及更为高级的概念，例如结构动力学、振动声学、整体性能问题、燃油效率、新型推进方法、优化、海上试验和认证。管理其中的所有细微之处需要专业的工程知识。

CETENA 是芬坎蒂尼集团的子公司，致力于海军和海事行业的研究和咨询。自 1962 年以来，CETENA 参与了诸多国内外研究活动，并为造船厂、船东、海军和大学提供研究、咨询和技术支持。CETENA 与 Siemens Digital Industries Software 和热那亚大学建立了合作伙伴关系，以便为意大利热那亚周边的船舶工程生态系统提供支持。

CFD 仿真与船舶行业

在寻找合适的计算流体动力学 (CFD) 软件时，CETENA 决定为其项目采用 Simcenter™ STAR-CCM+™ 软件。CETENA 的资深船舶设计师达维德·格拉西博士对此深表赞同。Simcenter 软件是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。

“当我们启动新项目时，我们使用 Simcenter STAR-CCM+ 作为起点，因为我们需要利用该软件提供的技术支持，”格拉西说。“我们的船舶下水项目就是如此。我们还使用了来自开源环境的工具，但我们使用 Simcenter STAR-CCM+ 作为参考软件来解决大多数流体动力学问题。”

几年前，格拉西和他的团队解决了造船仿真中一个受到忽视的问题：全尺寸船舶下水。
由于军用和商用船舶的尺寸和成本已显著增加，确保最终船舶的安全下水就至关重要。

“在这些更新、更大、更高的船舶下水时，您不希望造船厂使用陈旧过时的下水设备或下水方法，”格拉西说。“有很多地方可能会出错：船舶可能会滑得太远而撞到码头，或者入水太深而撞到底部。另外，自由液面效应会影响结构稳定性，船体初次接触液面时产生的阻力和波浪也会造成影响。”

使用 Simcenter STAR-CCM+ 对船舶下水过程进行 CFD 仿真。

为防止这些事件发生，该团队决定为芬坎蒂尼集团创建一个基于物理的数字孪生，包括下水船舶、滑道和下水过程。在整个开发过程中，团队依靠 Simcenter™ 工程和咨询服务来帮助他们改进工具并解决数值模型中更为棘手的问题。
借助全面的数字孪生，他们可以提前检查各种设计决策的影响并验证下水过程，纠正潜在问题并确保船舶安全运行。

“通过使用 Simcenter 仿真工具，我们可以帮助客户获得宝贵的见解，洞察未来的船舶下水并分析不同设计解决方案将产生的影响，”格拉西说。

“Simcenter STAR-CCM+ 是一套高保真工具。我们有自信这样说，因为我们已经比较了仿真结果和实际数据，”格拉西说。“我们发现，仿真结果和实际数据在准确性方面只有 1% 的差异。这意味着我们可以使用 Simcenter 来创建智能模拟器并以 99% 的准确率执行机动。因此，我们相信 Simcenter STAR-CCM+ 能够对船舶下水等高风险应用进行仿真。”

使用前沿研究和仿真

最近，CETENA 团队和来自热那亚大学的专家决定利用 Simcenter 其他方面的功能来研究新出现的与新型电力推进系统相关的船舶性能问题。

热那亚大学造船与船舶工程系教授米凯莱·马尔泰利 (Michele Martelli) 在一项论文研究项目中使用 Simcenter Amesim™ 软件创建了一个单自由度 (DOF) 的游轮动态模型。通过使用 Simcenter，工程团队能够以虚拟方式评估和优化机电系统的性能，从而做出正确的选择并在非常早期的设计阶段就满足要求。他们成功地使用最终的 Simcenter Amesim 模拟器作为虚拟基准对电力推进计划的控制逻辑执行了测试，以应对碰撞停止等高难度的机动。

“我们使用碰撞停止机动来防止碰撞，”马尔泰利说。“当船舶全速前进时，您需要停下它并反转推力。这是一项非常具有挑战性的机动，如果船舶的控制系统管理不当，可能会很危险或造成损坏。”

使用 Simcenter 创建电力推进控制逻辑的模拟器

要避免风险，理想选择显然是以虚拟方式来测试船舶的控制系统。马尔泰利的一位硕士学生轻松开发了一个可靠的船舶模型，可以使用 CETENA 提供的基准数据来测试电力推进控制数据。

“这名学生以前从未用过 Simcenter，但在几个月内，他就能开发出一个非常好的模拟器，”马尔泰利说。

这名学生使用 Simcenter Amesim 创建了一个几乎与行业实验数据完全匹配的模拟器，这意味着可以用它来可靠地测试各种机动的控制逻辑。

上游模拟器工作的重要性

CETENA 的船舶工程师古列尔莫·索马里瓦 (Guglielmo Sommariva) 担任该论文项目的行业导师。他很快指出了使用上游模拟器开发电气化船舶的重要性。

“对碰撞停止机动进行仿真的难处在于，无法在设计过程早期知道它依赖的自动化参数，”索马里瓦说。

“特别是对于新的推进系统，这只能靠猜测，”索马里瓦说。“它没有考虑控制逻辑或其他外部因素，例如波浪或风力。显然，我们需要在设计过程中提前准备一个更精确的模拟器，并使用 Simcenter Amesim 创建了一个模拟器。通过使用 Simcenter Amesim 及其经过验证的库，用户可以轻松快速地更改参数，尝试许多不同的场景，并在很短的时间内对结果进行可视化。

使用 Simcenter Flomaster 执行高级安全仿真

安德烈亚·甘比诺 (Andrea Gambino) 是一名机械工程师，也是 CETENA 团队的新成员，正从事于高级安全仿真工作。甘比诺和他的同事在多个系统级项目中使用了 Simcenter Flomaster™，包括耐波性分析、弹道冲击分析、冲击谱和响应谱分析以及一维流体动力学分析。

甘比诺参与了一项有关游轮安全的具体项目，并使用 Simcenter Flomaster 来评估进入游轮上自动喷水装置喷嘴的水的流体动力压力。

“对该系统的仿真非常重要，因为这些喷嘴需要能以最小水压正常工作，”甘比诺说。“您需要检查和评估船上的整套系统是否正常工作。”

如果不使用仿真来执行此类项目，那么仅有的可行方法就是对系统进行物理测试和故障排除。显然，这并不实用。在芬坎蒂尼集团，我们按照国际安全标准的要求进行实际的船载系统测试。
但我们很高兴知道，我们可以使用 Simcenter Flomaster 仿真来确保一切都按照实际的现场测试计划进行。”

“使用 Simcenter Flomaster 可以帮助我们准确解决更加棘手的非线性问题，”甘比诺说。“我必须说，这是理想的搭配。如果我不得不自行创建所有类似于此的数学和面向对象的编程方法，我将需要一整年的时间来编写一个像样的仿真程序来执行喷水装置的虚拟测试。

Simcenter Amesim 中的吊舱推进船舶动力学模拟器。

海试的重要性

数千小时的设计、开发和高级工程、集成和舱室设计以及性能仿真工作都将毕其功于海试。

海试是造船厂在完成认证并向船东交船之前在海上进行的一系列强制性测试。其主要目的是测试船舶的性能极限，检查船舶的极限速度、机动性、设备和安全功能。

一项成本高昂但至关重要的工作

一艘游轮的平均海试时间约为八天，可以想象，海试的成本高昂但又至关重要。海试操作需要尽可能高效。

“尽管我们正在转向数字仿真，我们仍需要在海试期间对拖曳水池中的模型或整船进行物理测试，”CETENA 平台工程和研究经理马泰奥·科达说。

“船东想要验证船舶是否符合合同约定的性能特征，”科达说。
“海试不是验证数值模型的理想方式，因为环境不可控或不可预测。唯一可预测的是，海试意味着花费大量金钱。

如今，海航已广泛用于从标准运动艇到大型游轮和军舰的各类船舶。船员可能需要数小时或数周时间来熟悉一艘船（某些类型的军舰甚至需要数月），并确认从基本适航性和机动性到燃油效率、排放、噪音和振动限制、最大速度以及各种安全功能等性能指标。

游轮的平均海试时间约为 8 天。

志存卓越的测试中心

费代里科·加杰罗 (Federico Gaggero) 是 CETENA 的一位测试和海试专家。自 2005 年以来，他一直在使用 Simcenter Testlab™ 软件和 Simcenter SCADAS™ 硬件。

从冲击试验期间的加速度测量到海试数据采集和船上声学测试，CETENA 测试团队一直在各种测试场景中使用 Simcenter 软件和硬件。
他们特别喜欢西门子的令牌系统，该系统为将软件用于不同的应用提供了充分的灵活性。

“通过这套令牌系统，我们可以使用 Simcenter Testlab 来停用或启用特定模型，”加杰罗说。“在使用 Simcenter 测试系统时，它为我们提供了难以置信的灵活性。我们可以增加测试数量，并为我们的客户提供各种测试。”

“我们 99% 的工作都借助我们的某些 Simcenter 测试工具完成。我们可以相信结果。我们得到了都灵办事处 Simcenter 专家以及在线帮助的大力支持，“加杰罗说。

“在测试期间，我们的确需要一些指导。Simcenter 技术支持团队总能及时帮助我们解决问题，这样我们就能继续测试，即使我们正在海上进行海试或正在完成客户提出的真正具有挑战性的测试请求。
这比调转船头返回港口并重新开始或者说我们做不到要好得多。整支 Simcenter 测试解决方案和技术支持团队都非常出色。”

利用仿真性能指标推动成功

仿真和测试这两方面的各项内容彼此相关，确保了最终海试的成功。

“有时我们使用仿真来推断海试结果，因为船舶仍在建造中或尚未完工，”科达说。“这些性能指标显示了船舶在碰撞停止测试等机动中应有的表现。

从供应商对船上安装材料的要求到最终系统性能，我们根据船舶认证、船东要求和军事标准对一切都做了细致入微的研究。

CETENA 团队认为，通过实验测量和测试来验证他们的仿真和数值模型非常重要。
在船舶行业，很难见到仿真和测试专家在同一家公司密切合作。科达和团队在芬坎蒂尼集团研究中心工作，并为此间的合作感到幸运。因为他们在此可以直接访问船舶、测试数据和经过验证的仿真。

“我相信，多学科仿真和准确的数字孪生将是未来的发展方向，”科达说。“我们会不断建造更复杂的船舶，而这需要更先进的仿真场景。当我们开始集成和交互操作不同的仿真时，使用相同的仿真和测试解决方案组合将非常有益。”

他总结道：“当然，如何整合所有这些不同的仿真学科是我考虑的关键点之一，同时还有实验测试和验证过程。
我们需要来自现场的更多反馈，以确保我们的模型正确。
通常，仿真和 CAE 的正确性是相对的。
设计师可以看到一个决策是否比另一个决策更好，但以定量方式获取这些信息是另一回事。”