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Es ist ein weiterer langer Tag bei ShipFive Design & Shipbuilding1. Das Konstruktionsteam hat zahllose Iterationen durchlaufen, um seine neueste Innovation zu entwickeln, die eine ältere Serie erfolgreicher Offshore-Versorgungsschiffe nachrüstet.
Nach dem Einbau energieeffizienterer Azimut-Pod-Antriebe und der Änderung der Skeg-Länge für eine bessere Anströmung der neuen Antriebs- und Steueranlage war eine neue Konstruktion des Kiels erforderlich. Teure Modellversuche haben gezeigt, dass das Schiff in harten Kurven ungünstige Rollbewegungen aufweist, und das Team ist zunehmend frustriert.
Sie hatten eine Lösung im Kopf, um die widersprüchlichen Anforderungen zwischen allen Designparametern zu konsolidieren. Sie brauchten nur noch die endgültige Bestätigung der CFD-Analysten, dass das neue Design, das die Rollbewegungen wieder normalisiert, die Antriebsleistung nicht beeinträchtigt.
Schlechte Nachrichten. Ein Kollege aus der CFD-Abteilung berichtet, dass sich beim neuesten Design bei starken Drehbewegungen bei hohen Driftwinkeln ein bemerkenswerter Wirbel von den Bilgekielen löst. Die Nachlaufzahl in der Anströmungsebene zu den Gondeln sinkt unter den akzeptablen Grenzwert. „Ohne die Strömungsfelddaten aus dem CFD hätten wir das nicht bemerkt“, fügt ein Ingenieur des Teams hinzu.
„Wir stehen kurz davor, hohe Strafen zu zahlen, wenn wir das Design jetzt nicht festnageln“, fährt er fort. Schweigen und Verzweiflung erfüllen den Raum. „Wir haben noch drei Monate Zeit, um uns auf das endgültige Design festzulegen. Wenn wir den Prozess einer neuen Design-Iteration nicht beschleunigen, können wir vielleicht nur noch eine weitere Designänderung in Betracht ziehen – wenn überhaupt“, sagt ein anderer Kollege.
Einführung der Modellierung reduzierter Ordnung (ROM) und des ausführbaren digitalen Zwillings (xDT)
Ein Mitglied des Simulationsteams meldet sich zu Wort: „Was wäre, wenn wir ein schnelles Simulationsmodell verwenden könnten, das uns die richtigen Reaktionstendenzen liefert, und zwar nur für die wichtigsten Designvarianten?“. Er fährt fort zu erklären: „Wir können ein ROM definieren, das die wichtigsten physikalischen Aspekte des Problems berücksichtigt. Dabei handelt es sich um eine Art koeffizientenbasiertes Gleichungssystem, bei dem die Koeffizienten die einzigartigen hydrodynamischen Eigenschaften jedes Designs darstellen. Sobald wir die Datenbank mit diesen Koeffizienten haben, können wir den gesamten Entwurfsbereich in Minutenschnelle lösen.
Der Chefkonstrukteur seufzt und antwortet: „Wir haben kein Budget mehr und schon gar keine Zeit, um auf einen freien Platz im Schlepptank zu warten. So kommen wir doch an die Koeffizienten, oder?“
„Nicht ganz. Wir können unsere vorhandenen Simulationstools verwenden und die Ressourcen dynamisch anfordern und bezahlen, wenn wir sie in der Cloud verwenden. Es gibt keine Wartezeiten. Wir können sofort loslegen!“
„Ich bin nicht überzeugt. Woher wissen wir, ob die Simulationsergebnisse korrekt sind?“
Der Simulationsingenieur ist zuversichtlich: „Wir haben unsere Strömungssimulationen bereits auf der Grundlage des Vergleichs historischer Daten aus Seeversuchen und der Modelltests für die gescheiterten Entwürfe validiert. Die Tools sind also zuverlässig.“
„Sie haben ein gutes Argument. Das echte Schiff wird, sobald es gebaut ist, das physische Objekt sein, an das wir die Simulationsinfrastruktur anschließen können. Das reale System und der digitale Zwilling werden sich gegenseitig unterstützen, solange das Schiff in Betrieb ist. Dies wird uns helfen, die Leistung des Schiffes zu verbessern und die numerischen Werkzeuge, die das Schiff emulieren, zu verfeinern.“ Der Chefkonstrukteur beginnt, den Mehrwert dieser Lösung zu erkennen. „Dieser Weg könnte uns nicht nur aus der Klemme helfen, sondern wir könnten das Konzept des digitalen Zwillings auch für die Zukunft nutzen, so wie Sie es beschrieben haben.“
„Eigentlich wäre es eine ausführbare digitaler Zwilling. Wir müssen teilen und erobern, die kritischsten Domänenprobleme identifizieren und gekapselte Modelle für sie entwickeln. Die gute Nachricht dabei ist, dass, sobald wir eine einsatzfähige Anwendung auf der Grundlage dieser gekapselten Modelle haben, auch Ingenieure, die nicht unbedingt geschult oder Experten für die technischen Werkzeuge sind, diese Softwarepakete nutzen können, was uns als Werft schneller voranbringen wird. Wie Sie am besten wissen, ist unsere Simulationsgruppe klein.“
Was ist ein xDT?
Das Wertversprechen des digitalen Zwillings beruht auf der Konnektivität des digitalen Modells mit dem physischen Vermögenswert. Messungen aus dem Betrieb der physischen Anlage werden zur Verifizierung, Validierung und Verbesserung des digitalen Zwillings verwendet, während das nicht messbare mit Hilfe des digitalen Zwillings berechnet und analysiert werden kann. So entsteht ein zweiseitiger Strom von Daten und Verbesserungen von der Konzeption bis zur Stilllegung der physischen Anlage. Van der Auweraer und Hartmann (2022) stellen eine primäre Referenz für xDT dar. Ihnen zufolge kann xDT wie folgt definiert werden:
„Wenn eine spezielle Kapselung aus dem digitalen Zwilling extrahiert wird, um einen bestimmten Satz von Verhaltensweisen in einem bestimmten Kontext zu modellieren, wird die Bereitstellung einer eigenständigen ausführbaren Darstellung, wie ein instanziiertes und in sich geschlossenes Modell, als ausführbarer digitaler Zwilling bezeichnet.“
Wie das Team von ShipFive Design & Shipbuilding sein Designproblem mit ROM lösen und xDT für die Zukunft aufbauen kann
Das Problemlösungskonzept ist in Abbildung 3 dargestellt. ShipFive Shipbuilding hat den digitalen Faden von Siemens auf Unternehmensebene eingesetzt, was die Ergänzung des erforderlichen ROM-basierten Workflows und der langfristigen xDT-Lösung erleichtert. Mit Hilfe der Siemens NX-Geometrie können Änderungen für die Bilgenkiele einfach am bereits parametrisierten Modell vorgenommen werden. Der HEEDS-Workflow orchestriert den Informations- und Datenaustausch zwischen allen Simcenter-Tools.
Die neue Geometrie wird dann durch die virtuelle Schlepptank-Pipeline in Simcenter STAR-CCM+ geschleust, wo eine Matrix aus stetiger Drift, Gieren, Planar Motion Mechanism (PMM), Roll Decay und Forced Roll Oscillation Tests konfiguriert wird. Der Prozess der Erstellung von Konstruktionsmodellen ist abgeschlossen. Die sich daraus ergebenden Datenbanken mit den Kräften und Momenten auf das Schiff werden zusammen mit spezifischen Informationen über das Strömungsfeld in einen Datenanalyseblock mit maschinellem Lernen (ML) eingespeist, um die koeffizientenbasierten ROMs zu füllen. Diese können bequem mit internen oder Simcenter-Lösungen wie Simcenter Amesim ROM Builder verknüpft werden. Dies ist die Phase, in der die Modellausführung ermöglicht wird. Eine erste Überprüfung der hydrodynamischen Leistung des Schiffes wird mit Hilfe der Simcenter Amesim Schiffsbibliothek durchgeführt, um sicherzustellen, dass kein fehlerhafter Entwurf in die Phase gelangt, in der das Hauptziel der Fehlerbehebungsiteration des Konzeptentwurfs erreicht wird – die Gewährleistung akzeptabler Rollbewegungseigenschaften. Diese Studien werden in den Sitzungen des Designteams auf der Einsatzplattform (einem Laptop oder Tablet) durchgeführt.
1 Fiktive Werft
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