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É mais um longo dia na ShipFive Design & amp; Shipbuilding1. A equipe de engenharia de projeto passou por inúmeras iterações para desenvolver sua mais recente inovação, adaptando um lote mais antigo de embarcações de abastecimento offshore bem-sucedidas.
Um novo projeto de quilha de porão foi necessário após a instalação de unidades de pod de azimute mais eficientes em termos de energia e a alteração do comprimento do skeg para melhorar o influxo para o novo dispositivo de propulsão e direção. Testes de modelos caros mostraram que a embarcação apresenta movimentos de rolagem desfavoráveis em curvas fechadas, e a equipe está cada vez mais frustrada.
Eles tinham uma solução em mente para consolidar os requisitos conflitantes entre todos os parâmetros do projeto. Eles só precisavam de uma confirmação final dos analistas de CFD de que o novo projeto, que trazia os movimentos de rolagem de volta ao normal, não comprometeria o desempenho da propulsão.
Más notícias. Um colega do departamento de CFD relata que, no projeto mais recente, um vórtice notável é liberado das quilhas de porão em altos ângulos de deriva durante movimentos de giro bruscos. O número de esteira no plano de entrada para os casulos cai abaixo do limite aceitável. “Sem os dados de campo de fluxo do CFD, não teríamos percebido isso”, acrescenta um engenheiro da equipe.
“Estamos à beira de sofrer grandes penalidades se não acertarmos o projeto agora”, ele continua a comentar. O silêncio e o desespero enchem a sala. “Temos mais três meses para definir o projeto final. Se não acelerarmos o processo de passar por uma nova iteração de design, talvez só consigamos analisar mais uma modificação de design – se isso acontecer”, diz outro colega.
Entre na modelagem de ordem reduzida (ROM) e no Digital Twin executável (xDT)
Um membro da equipe de simulação entra em cena: “E se pudermos usar um modelo de simulação rápida que nos forneça as tendências corretas de respostas, apenas para as principais variações do projeto?”. Ele continua explicando: “Podemos definir um ROM que aborde a física mais importante do problema. Esse será um tipo de sistema de equações baseado em coeficientes, em que os coeficientes representam as propriedades hidrodinâmicas exclusivas de cada projeto. Quando tivermos o banco de dados desses coeficientes, poderemos resolver todo o envelope do projeto em minutos.”
O engenheiro-chefe de projeto suspira e responde: “Não temos nenhum orçamento sobrando, muito menos tempo para esperar por um espaço aberto no tanque de reboque. É assim que obtemos os coeficientes, correto?”.
“Não é bem assim. Podemos usar nossas ferramentas de simulação existentes e solicitar e pagar dinamicamente pelos recursos à medida que os usamos na nuvem. Não há tempo de espera. Podemos começar agora mesmo!”
“Não estou convencido. Como saberemos se os resultados da simulação são precisos?”
O engenheiro de simulação está confiante: “Já validamos nossas simulações de fluxo com base na comparação de dados históricos de testes marítimos e testes de modelos para os projetos com falha. Portanto, as ferramentas são confiáveis”.
“O senhor está fazendo uma boa observação. O navio real, uma vez construído, será o ativo físico ao qual poderemos conectar a infraestrutura de simulação, e o sistema real e o gêmeo digital se alimentarão mutuamente enquanto o navio estiver em serviço. Isso nos ajudará a melhorar o desempenho do navio e a refinar as ferramentas numéricas que emulam o navio.” O engenheiro-chefe de projeto começa a ver o valor agregado dessa solução. “Esse caminho não só pode nos tirar do nosso problema imediato, mas também podemos adotar esse conceito de gêmeo digital no futuro, como o senhor descreveu.”
“Na verdade, seria uma executável gêmeo digital. Teremos que dividir e conquistar, identificar os problemas de domínio mais críticos e desenvolver modelos encapsulados para eles. A boa notícia é que, quando tivermos um aplicativo implantável com base nesses modelos encapsulados, os engenheiros que não forem necessariamente treinados ou especialistas em ferramentas de engenharia também poderão utilizar esses pacotes de software, o que nos fará avançar mais rapidamente como estaleiro. Como o senhor bem sabe, nosso grupo de simulação é pequeno”.
O que é um xDT?
A proposta de valor do gêmeo digital baseia-se na conectividade do modelo digital com o ativo físico. As medições da operação do ativo físico serão usadas para verificar, validar e aprimorar seu gêmeo digital, enquanto o não mensurável pode ser computado e analisado usando o gêmeo digital. Um fluxo bilateral de dados e aprimoramentos resulta desde o início do projeto até o descomissionamento do ativo físico. Van der Auweraer e Hartmann (2022) representam uma referência primária para a xDT. De acordo com eles, o xDT pode ser definido da seguinte forma:
“Quando um encapsulamento dedicado é extraído do gêmeo digital para modelar um conjunto específico de comportamentos em um contexto específico, o fornecimento de uma representação executável autônoma, como um modelo instanciado e independente, é chamado de gêmeo digital executável.”
Como a equipe da ShipFive Design & Shipbuilding pode resolver seu problema de design usando ROM e criar xDT para o futuro
O conceito de solução de problemas está representado na Figura 3. A ShipFive Shipbuilding implantou o thread digital da Siemens em escala empresarial, o que facilita a adição do fluxo de trabalho baseado em ROM necessário e da solução xDT de longo prazo. Usando a geometria do Siemens NX, as modificações para as quilhas de porão são feitas facilmente no modelo já parametrizado. O fluxo de trabalho HEEDS orquestra a troca de informações e dados entre todas as ferramentas Simcenter.
A nova geometria é, então, agitada pelo pipeline do tanque de reboque virtual no Simcenter STAR-CCM+, onde é configurada uma matriz de testes de deriva constante, guinada, mecanismo de movimento planar (PMM), decaimento de rolagem e oscilação forçada de rolagem. O processo de criação do modelo de engenharia de projeto é concluído. Os bancos de dados resultantes de forças e momentos no navio, juntamente com informações específicas do campo de fluxo, são alimentados em um bloco de análise de dados de aprendizado de máquina (ML) para preencher os ROMs baseados em coeficientes. Esses podem ser convenientemente vinculados a soluções internas ou do Simcenter, como o Simcenter Amesim ROM Builder. Essa é a fase de habilitação da execução do modelo. Uma primeira verificação é realizada no desempenho hidrodinâmico da embarcação usando a biblioteca marítima do Simcenter Amesim para garantir que nenhum projeto defeituoso entre no estágio em que o objetivo principal da iteração de solução de problemas do projeto conceitual é realizado – garantindo características aceitáveis de movimento de rolagem. Esses estudos são executados nas reuniões da equipe de projeto na plataforma de implantação (um laptop ou tablet).
1 Estaleiro fictício
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