Het is weer een lange dag bij ShipFive Design & Shipbuilding1. Het ontwerpteam heeft talloze iteraties doorlopen om hun nieuwste innovatie te ontwikkelen, waarbij een oudere reeks succesvolle offshore-bevoorradingsschepen werd aangepast.
Een nieuw kimkielontwerp was nodig na het installeren van energiezuinigere azimutpod-aandrijvingen en het veranderen van de lengte van de skeg voor een betere instroom naar het nieuwe voortstuwings- en stuurapparaat. Dure modeltests hebben aangetoond dat het schip in scherpe bochten ongunstige slingerbewegingen vertoont, en het team raakt gefrustreerd.
Ze hadden een oplossing in gedachten om de tegenstrijdige eisen tussen alle ontwerpparameters te consolideren. Ze hadden alleen nog de definitieve bevestiging nodig van CFD-analisten dat het nieuwe ontwerp, dat de rolbewegingen weer normaal maakt, de voortstuwingsprestaties niet in gevaar zou brengen.
Slecht nieuws. Een collega van de CFD-afdeling meldt dat bij het nieuwste ontwerp bij hoge drifthoeken tijdens harde draaibewegingen een opmerkelijke wervel uit de kimkielen komt. Het zoggetal in het instroomvlak naar de pods daalt onder de aanvaardbare drempel. “Zonder de stroomveldgegevens van CFD zouden we dit niet hebben opgemerkt”, voegt een ingenieur van het team toe.
“We staan op de rand van grote straffen als we het ontwerp nu niet goed doorvoeren”, vervolgt hij. Stilte en wanhoop vullen de kamer. “We hebben nog drie maanden om aan het definitieve ontwerp te werken. Als we het proces van het doorlopen van een nieuwe ontwerpiteratie niet versnellen, kunnen we misschien nog maar één ontwerpwijziging bekijken – als dat zo is”, zegt een andere collega.
Voer Reduced-Orde Modeling (ROM) en de uitvoerbare Digital Twin (xDT) in
Een lid van het simulatieteam zegt: “Wat als we een snel simulatiemodel kunnen gebruiken dat ons de juiste trends in reacties geeft, alleen op de belangrijkste ontwerpvariaties?”. Hij legt verder uit: “We kunnen een ROM definiëren die de belangrijkste natuurkunde van het probleem aanpakt. Dit zal een soort op coëfficiënten gebaseerd systeem van vergelijkingen zijn waarbij de coëfficiënten de unieke hydrodynamische eigenschappen van elk ontwerp vertegenwoordigen. Zodra we de database met deze coëfficiënten hebben, kunnen we binnen enkele minuten de volledige ontwerpomhulling oplossen.”
De Chief Design Engineer zucht en antwoordt: “We hebben geen budget meer, laat staan wachten op een open slot in de sleeptank. Zo krijgen we de coëfficiënten, toch?”
“Niet helemaal. We kunnen onze bestaande simulatietools gebruiken en dynamisch bronnen aanvragen en betalen terwijl we ze in de cloud gebruiken. Er zijn geen wachttijden. We kunnen beginnen terwijl we spreken!”
“Ik ben niet overtuigd. Hoe weten we of de simulatieresultaten accuraat zijn?”
De simulatie-ingenieur heeft er vertrouwen in: “We hebben onze stromingssimulaties al gevalideerd op basis van de vergelijking van historische gegevens van proefvaarten en het testen van modellen voor de mislukte ontwerpen. De tools zijn dus betrouwbaar.”
“Je maakt een goed punt. Het echte schip, eenmaal gebouwd, zal het fysieke bezit zijn waarmee we de simulatie-infrastructuur kunnen verbinden, en het echte systeem en de digitale tweeling zullen elkaar voeden zolang het schip in dienst is. Dit zal ons helpen de scheepsprestaties te verbeteren en de numerieke tools die het schip nabootsen te verfijnen.” De Chief Design Engineer begint de meerwaarde van deze oplossing in te zien. “Niet alleen zou dit pad ons uit onze directe situatie kunnen halen, maar we zouden ook dit digitale tweelingconcept kunnen omarmen, zoals je hebt beschreven.”
“Eigenlijk zou het een uitvoerbaar digitale tweeling. We zullen moeten verdelen en heersen, de meest kritische domeinproblemen moeten identificeren en ingekapselde modellen daarvoor moeten ontwikkelen. Het goede nieuws hierover is dat zodra we een inzetbare applicatie hebben op basis van deze ingekapselde modellen, ingenieurs die niet noodzakelijkerwijs zijn opgeleid of experts zijn in de engineeringtools, deze softwarepakketten ook kunnen gebruiken, waardoor we als scheepswerf sneller vooruit kunnen. Zoals u het beste weet, is onze simulatiegroep klein.”
Wat is een xDT?
De waardepropositie van de digitale tweeling berust op de connectiviteit van het digitale model met het fysieke bezit. Metingen uit de exploitatie van het fysieke asset zullen worden gebruikt om de digitale tweeling te verifiëren, valideren en verbeteren, terwijl het onmeetbare kan worden berekend en geanalyseerd met behulp van de digitale tweeling. Een bilaterale stroom van gegevens en verbeteringen is het resultaat van het begin van het ontwerp tot en met de buitengebruikstelling van het fysieke bezit. Van der Auweraer en Hartmann (2022) vertegenwoordigen een primaire referentie voor xDT. Volgens hen kan xDT als volgt worden gedefinieerd:
“Wanneer een speciale inkapseling wordt geëxtraheerd uit de digitale tweeling om een specifieke reeks gedragingen in een specifieke context te modelleren, wordt het leveren van een op zichzelf staande uitvoerbare representatie, zoals een geïnstantieerd en op zichzelf staand model, een uitvoerbare digitale tweeling genoemd.”
Hoe het team van ShipFive Design & Shipbuilding hun ontwerpprobleem kan oplossen met behulp van ROM en xDT kan bouwen voor de toekomst
Het probleemoplossingsconcept wordt weergegeven in figuur 3. ShipFive Shipbuilding heeft de digitale thread van Siemens op bedrijfsschaal geïmplementeerd, wat de toevoeging van de vereiste op ROM gebaseerde workflow en xDT-oplossing voor de lange termijn vergemakkelijkt. Met behulp van de Siemens NX-geometrie kunnen wijzigingen aan de kimkielen eenvoudig worden uitgevoerd op het reeds geparametreerde model. De HEEDS-workflow orkestreert de informatie- en gegevensuitwisseling tussen alle Simcenter-tools.
De nieuwe geometrie wordt vervolgens door de virtuele sleeptankpijpleiding in Simcenter STAR-CCM+ gekarnd, waar een matrix van stabiele drift, gieren, planair bewegingsmechanisme (PMM), rolverval en geforceerde roloscillatietests worden geconfigureerd. Het ontwerpproces voor het ontwerpen van modellen is voltooid. De resulterende databases van krachten en momenten op het schip, samen met specifieke stromingsveldinformatie, worden ingevoerd in een machine-learning (ML) data-analyseblok om de op coëfficiënten gebaseerde ROM's te vullen. Deze kunnen eenvoudig worden gekoppeld aan interne of Simcenter-oplossingen zoals Simcenter Amesim ROM Builder. Dit is de fase van het inschakelen van het model. Er wordt een eerste controle uitgevoerd op de hydrodynamische prestaties van het schip met behulp van de maritieme bibliotheek van Simcenter Amesim om ervoor te zorgen dat er geen gebrekkig ontwerp in de fase komt waarin het hoofddoel van de probleemoplossing van het conceptontwerp wordt bereikt: het garanderen van acceptabele rolbewegingseigenschappen. Deze onderzoeken worden uitgevoerd tijdens de ontwerpteamvergaderingen op het implementatieplatform (een laptop of tablet).
1 Fictieve scheepswerf