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C’est une autre longue journée à ShipFive Design & ; Shipbuilding1. L’équipe d’ingénieurs concepteurs a procédé à d’innombrables itérations pour mettre au point leur dernière innovation, qui consiste à moderniser un ancien lot de navires de ravitaillement en mer qui ont fait leurs preuves.
Une nouvelle conception de la quille de bouchain a été nécessaire après l’installation d’entraînements de pods azimutaux plus économes en énergie et la modification de la longueur du skeg pour améliorer l’afflux vers le nouveau dispositif de propulsion et de direction. Des essais coûteux sur modèle ont montré que le navire présente des mouvements de roulis défavorables dans les virages serrés, et l’équipe est de plus en plus frustrée.
L’équipe avait une solution en tête pour consolider les exigences contradictoires entre tous les paramètres de conception. Ils avaient juste besoin de la confirmation finale des analystes CFD que la nouvelle conception ramenant les mouvements de roulis à la normale ne compromettrait pas les performances de la propulsion.
Mauvaise nouvelle. Un collègue du département CFD signale que, pour la dernière conception, un tourbillon notable se détache des quilles de bouchain à des angles de dérive élevés lors de virages serrés. Le nombre de sillages dans le plan d’entrée des nacelles tombe en dessous du seuil acceptable. « Sans les données de champ d’écoulement de la CFD, nous n’aurions pas détecté ce phénomène », ajoute un ingénieur de l’équipe.
« Nous sommes sur le point d’encourir des pénalités importantes si nous n’améliorons pas la conception maintenant », poursuit-il. Le silence et le désespoir envahissent la salle. « Il nous reste trois mois pour définir la conception finale. Si nous n’accélérons pas le processus d’itération de la conception, nous ne pourrons peut-être plus envisager qu’une seule modification de la conception – si tant est qu’il y en ait une », déclare un autre collègue.
Entrez dans la modélisation d’ordre réduit (ROM) et le jumeau numérique exécutable (xDT).
Un membre de l’équipe de simulation intervient : « Et si nous pouvions utiliser un modèle de simulation rapide qui nous donne les bonnes tendances de réponses, uniquement pour les variations clés de la conception ? ». Il poursuit en expliquant : « Nous pouvons définir un ROM qui traite les aspects physiques les plus importants du problème. Il s’agira d’une sorte de système d’équations basé sur des coefficients, dans lequel les coefficients représentent les propriétés hydrodynamiques uniques de chaque conception. Une fois que nous disposons de la base de données de ces coefficients, nous pouvons résoudre le problème pour l’ensemble de l’enveloppe de la conception en quelques minutes.
L’ingénieur en chef chargé de la conception soupire et répond : « Nous n’avons plus de budget, et encore moins le temps d’attendre qu’une place se libère dans le réservoir de remorquage. C’est ainsi que nous obtenons les coefficients, n’est-ce pas ? »
« Pas tout à fait. Nous pouvons utiliser nos outils de simulation existants et demander et payer dynamiquement des ressources au fur et à mesure que nous les utilisons dans le nuage. Il n’y a pas de temps d’attente. Nous pouvons commencer à l’instant même ! »
« Je ne suis pas convaincu. Comment savoir si les résultats de la simulation sont exacts ? »
L’ingénieur en simulation est confiant : « Nous avons déjà validé nos simulations de flux en comparant les données historiques des essais en mer et les essais de modèles pour les conceptions qui ont échoué. Les outils sont donc fiables.
« Vous soulevez un point important. Le navire réel, une fois construit, sera l’actif physique auquel nous pourrons connecter l’infrastructure de simulation, et le système réel et le jumeau numérique s’alimenteront mutuellement tant que le navire sera en service. Cela nous aidera à améliorer les performances du navire et à affiner les outils numériques émulant le navire. » L’ingénieur en chef chargé de la conception commence à voir la valeur ajoutée de cette solution. « Non seulement cette voie pourrait nous sortir de notre impasse immédiate, mais nous pourrions également adopter ce concept de jumeau numérique pour aller de l’avant, comme vous l’avez décrit.
« En fait, ce serait une exécutable jumeau numérique. Nous devrons diviser pour mieux régner, identifier les problèmes les plus critiques du domaine et développer des modèles encapsulés pour eux. La bonne nouvelle, c’est qu’une fois que nous aurons une application déployable basée sur ces modèles encapsulés, les ingénieurs qui ne sont pas nécessairement formés ou experts dans les outils d’ingénierie pourront également utiliser ces progiciels, ce qui nous permettra d’avancer plus rapidement en tant que chantier naval. Comme vous le savez mieux que quiconque, notre groupe de simulation est petit ».
Qu’est-ce qu’un xDT ?
La proposition de valeur du jumeau numérique repose sur la connectivité du modèle numérique avec le bien physique. Les mesures effectuées lors de l’exploitation du bien physique seront utilisées pour vérifier, valider et améliorer son jumeau numérique, tandis que les éléments non mesurables pourront être calculés et analysés à l’aide du jumeau numérique. Un flux bilatéral de données et d’améliorations résulte du début de la conception jusqu’à la mise hors service de l’actif physique. Van der Auweraer et Hartmann (2022) représentent une référence primaire pour la xDT. Selon eux, la xDT peut être définie comme suit :
« Lorsqu’une encapsulation dédiée est extraite du jumeau numérique pour modéliser un ensemble spécifique de comportements dans un contexte spécifique, la fourniture d’une représentation exécutable autonome, telle qu’un modèle instancié et autonome, est désignée comme un jumeau numérique exécutable. »
Comment l’équipe de ShipFive Design & ; Shipbuilding peut résoudre son problème de conception à l’aide de ROM et construire xDT pour l’avenir.
Le concept problème-solution est illustré à la figure 3. ShipFive Shipbuilding a déployé le fil numérique Siemens à l’échelle de l’entreprise, ce qui facilite l’ajout du flux de travail basé sur ROM et de la solution xDT à long terme. En utilisant la géométrie NX de Siemens, les modifications pour les quilles de bouchain sont facilement effectuées sur le modèle déjà paramétré. Le flux de travail HEEDS orchestre l’échange d’informations et de données entre tous les outils Simcenter.
La nouvelle géométrie est ensuite acheminée dans le pipeline du réservoir de remorquage virtuel dans Simcenter STAR-CCM+, où une matrice d’essais de dérive constante, de lacet, de mécanisme de mouvement planaire (PMM), de décroissance du roulis et d’oscillation forcée du roulis est configurée. Le processus de création du modèle d’ingénierie de conception est achevé. Les bases de données de forces et de moments sur le navire qui en résultent, ainsi que les informations spécifiques sur le champ d’écoulement, sont introduites dans un bloc d’analyse de données par apprentissage automatique (ML) pour alimenter les ROM basées sur les coefficients. Celles-ci peuvent être facilement reliées à des solutions internes ou Simcenter telles que Simcenter Amesim ROM Builder. Il s’agit de la phase d’activation de l’exécution du modèle. Une première vérification est effectuée sur les performances hydrodynamiques du navire à l’aide de la bibliothèque marine Simcenter Amesim pour s’assurer qu’aucune conception défectueuse n’entre dans la phase où l’objectif principal de l’itération de dépannage de la conception est atteint – assurer des caractéristiques de mouvement de roulis acceptables. Ces études sont réalisées lors des réunions de l’équipe de conception sur la plateforme de déploiement (un ordinateur portable ou une tablette).
1 Chantier naval fictif
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