Di Philipp Mucha
È un’altra lunga giornata a ShipFive Design & Shipbuilding1. Il team di ingegneri progettisti ha affrontato innumerevoli iterazioni per sviluppare la loro ultima innovazione, che consiste nel retrofit di un vecchio lotto di navi da rifornimento offshore di successo.
Si è reso necessario un nuovo design della chiglia di sentina, dopo aver installato azionamenti azimutali più efficienti dal punto di vista energetico e aver modificato la lunghezza dello skeg per migliorare l’afflusso al nuovo dispositivo di propulsione e di governo. I costosi test sui modelli hanno dimostrato che la nave presenta movimenti di rollio sfavorevoli nelle virate brusche, e il team è sempre più frustrato.
Avevano in mente una soluzione per consolidare i requisiti contrastanti tra tutti i parametri di progettazione. Avevano solo bisogno di una conferma finale da parte degli analisti CFD che il nuovo design, riportando i movimenti di rollio alla normalità, non avrebbe compromesso le prestazioni di propulsione.
Cattive notizie. Un collega del dipartimento CFD riferisce che per l’ultimo design, un notevole vortice si sprigiona dalle chiglie di sentina ad alti angoli di deriva durante i movimenti di virata bruschi. Il numero di scia nel piano di afflusso ai pod scende al di sotto della soglia accettabile. “Senza i dati del campo di flusso della CFD, non avremmo notato questo problema”, aggiunge un ingegnere del team.
“Siamo sull’orlo di incorrere in grosse penalizzazioni, se non riusciamo ad azzeccare subito il progetto”, ha proseguito. Il silenzio e la disperazione riempiono la stanza. “Abbiamo altri tre mesi per azzerare il progetto finale. Se non acceleriamo il processo di elaborazione di una nuova iterazione del progetto, potremmo essere in grado di esaminare solo un’altra modifica del progetto, se non quella”, afferma un altro collega.
Entrare nella modellazione di ordine ridotto (ROM) e nel Gemello Digitale eseguibile (xDT)
Un membro del team di simulazione interviene: “E se potessimo usare un modello di simulazione in tempi rapidi che ci dia le giuste tendenze di risposta, solo alle variazioni chiave del progetto?”. Prosegue spiegando: “Possiamo definire una ROM che affronti la fisica più importante del problema. Si tratterà di una sorta di sistema di equazioni basato sui coefficienti, dove i coefficienti rappresentano le proprietà idrodinamiche uniche di ogni progetto. Una volta che abbiamo il database di questi coefficienti, possiamo risolvere l’intero involucro del progetto in pochi minuti”.
L’ingegnere capo progettista sospira e risponde: “Non abbiamo più budget, tanto meno tempo per aspettare un posto libero nel serbatoio di traino. È così che otteniamo i coefficienti, giusto?”.
“Non proprio. Possiamo utilizzare i nostri strumenti di simulazione esistenti e richiedere e pagare dinamicamente le risorse man mano che le utilizziamo nel cloud. Non ci sono tempi di attesa. Possiamo iniziare mentre parliamo!”.
“Non sono convinto. Come facciamo a sapere se i risultati della simulazione sono accurati?”.
L’ingegnere di simulazione è fiducioso: “Abbiamo già convalidato le nostre simulazioni di flusso basandoci sul confronto dei dati storici delle prove in mare e sui test dei modelli per i progetti falliti. Quindi, gli strumenti sono affidabili”.
“Lei sta facendo una buona osservazione. La nave reale, una volta costruita, sarà l’asset fisico a cui potremo collegare l’infrastruttura di simulazione, e il sistema reale e il gemello digitale si alimenteranno a vicenda per tutto il tempo in cui la nave sarà in servizio. Questo ci aiuterà a migliorare le prestazioni della nave e a perfezionare gli strumenti numerici che emulano la nave”. L’ingegnere capo progettista inizia a vedere il valore aggiunto di questa soluzione. “Non solo questo percorso potrebbe farci uscire dalle nostre difficoltà immediate, ma potremmo anche abbracciare il concetto di gemello digitale in futuro, proprio come lei ha descritto”.
“In realtà, sarebbe un eseguibile gemello digitale. Dovremo dividere e conquistare, identificare i problemi di dominio più critici e sviluppare modelli incapsulati per essi. La buona notizia è che una volta che avremo un’applicazione distribuibile basata su questi modelli incapsulati, anche gli ingegneri che non sono necessariamente formati o esperti negli strumenti di ingegneria potranno utilizzare questi pacchetti software, il che ci farà muovere più velocemente come cantiere navale. Come lei sa bene, il nostro gruppo di simulazione è piccolo”.
Che cos’è un xDT?
La proposta di valore del gemello digitale si basa sulla connettività del modello digitale all’asset fisico. Le misurazioni derivanti dal funzionamento dell’asset fisico saranno utilizzate per verificare, convalidare e migliorare il suo gemello digitale, mentre il non misurabile può essere calcolato e analizzato utilizzando il gemello digitale. Un flusso bilaterale di dati e miglioramenti risulta dall’inizio della progettazione fino alla dismissione dell’asset fisico. Van der Auweraer e Hartmann (2022) rappresentano un riferimento primario per la xDT. Secondo loro, la xDT può essere definita come segue:
“Quando un incapsulamento dedicato viene estratto dal digital twin per modellare un insieme specifico di comportamenti in un contesto specifico, la consegna di una rappresentazione eseguibile autonoma, come un modello istanziato e autonomo, viene definita digital twin eseguibile”.
Come il team di ShipFive Design & Shipbuilding può risolvere il suo problema di progettazione utilizzando ROM e costruire xDT per il futuro
Il concetto di problema-soluzione è illustrato nella Figura 3. ShipFive Shipbuilding ha implementato il filone digitale di Siemens su scala aziendale, che facilita l’aggiunta del flusso di lavoro basato su ROM necessario e della soluzione xDT a lungo termine. Utilizzando la geometria NX di Siemens, le modifiche per le chiglie di sentina sono facilmente eseguibili sul modello già parametrizzato. Il flusso di lavoro HEEDS orchestra lo scambio di informazioni e dati tra tutti gli strumenti Simcenter.
La nuova geometria viene poi fatta passare attraverso la pipeline della vasca di traino virtuale in Simcenter STAR-CCM+, dove viene configurata una matrice di prove di deriva costante, imbardata, meccanismo di movimento planare (PMM), decadimento del rollio e oscillazione forzata del rollio. Il processo di creazione del modello di progettazione è completato. I database risultanti delle forze e dei momenti sulla nave, insieme alle informazioni specifiche del campo di flusso, vengono inseriti in un blocco di analisi dei dati di apprendimento automatico (ML) per popolare le ROM basate sui coefficienti. Questi possono essere comodamente collegati a soluzioni interne o a Simcenter, come Simcenter Amesim ROM Builder. Questa è la fase di abilitazione all’esecuzione del modello. Viene eseguito un primo controllo sulle prestazioni idrodinamiche dell’imbarcazione, utilizzando la libreria marina di Simcenter Amesim, per garantire che nessun progetto difettoso entri nella fase in cui si realizza l’obiettivo principale dell’iterazione di risoluzione dei problemi del progetto concettuale: garantire caratteristiche di rollio accettabili. Questi studi vengono eseguiti durante le riunioni del team di progettazione sulla piattaforma di distribuzione (un laptop o un tablet).
1 Cantiere navale fittizio
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