Еще один длинный день в ShipFive Design & Shipbuilding1. Команда инженеров-конструкторов прошла через бесчисленные итерации, чтобы разработать свою последнюю инновацию, модернизировав старую партию успешных морских судов снабжения.
Новая конструкция трюмного киля потребовалась после установки более энергоэффективных азимутальных приводов и изменения длины скега для улучшения притока энергии к новому движительно-рулевому устройству. Дорогостоящие модельные испытания показали, что судно демонстрирует неблагоприятный крен на крутых поворотах, и команда все больше расстраивается.
У них было готово решение, позволяющее свести воедино противоречивые требования ко всем параметрам конструкции. Им просто нужно было окончательное подтверждение от CFD-аналитиков, что новая конструкция, возвращающая крен в норму, не ухудшит характеристики движителей.
Плохие новости. Коллега из отдела CFD сообщает, что в последней конструкции при больших углах сноса во время сильных поворотов от трюмных килей отбрасывается заметный вихрь. При этом число вихрей в плоскости притока к килям падает ниже допустимого порога. «Без данных CFD по полю течения мы бы этого не заметили», — добавляет один из инженеров команды.
«Мы стоим на пороге крупных штрафов, если не займемся проектированием сейчас», — продолжает он. Тишина и отчаяние наполняют комнату. «У нас есть еще три месяца, чтобы окончательно определиться с дизайном. Если мы не ускорим процесс создания новой итерации дизайна, то, возможно, сможем рассмотреть только одну модификацию дизайна — и то не факт», — говорит другой коллега.
Вводим моделирование с уменьшенным порядком (ROM) и исполняемого цифрового двойника (xDT)
Один из членов группы моделирования спрашивает: «А что, если мы сможем использовать быстродействующую имитационную модель, которая даст нам правильные тенденции откликов только на ключевые вариации конструкции?». Он продолжает объяснять: «Мы можем определить ПЗУ, которое учитывает наиболее важные физические характеристики проблемы. Это будет своего рода система уравнений на основе коэффициентов, где коэффициенты представляют уникальные гидродинамические свойства каждой конструкции. Как только мы получим базу данных этих коэффициентов, мы сможем решать задачи для всей оболочки конструкции за считанные минуты».
Главный инженер-конструктор вздыхает и отвечает: «У нас не осталось ни бюджета, ни тем более времени на ожидание свободного места в буксировочном танке. Вот как мы получаем коэффициенты, верно?»
«Не совсем. Мы можем использовать существующие инструменты моделирования и динамически запрашивать и оплачивать ресурсы по мере их использования в облаке. Никакого времени ожидания. Мы можем начать работу прямо сейчас!»
«Я не убежден. Как мы узнаем, точны ли результаты моделирования?»
Инженер по моделированию уверен: «Мы уже проверили наши симуляции течения на основе сравнения исторических данных, полученных в ходе ходовых испытаний, и испытаний моделей неудачных конструкций. Так что инструменты надежны».
«Вы правильно подметили. Реальное судно, как только оно будет построено, станет физическим активом, к которому мы сможем подключить инфраструктуру моделирования, и реальная система и цифровой двойник будут подпитывать друг друга в течение всего времени, пока судно находится в эксплуатации. Это поможет нам улучшить характеристики судна и усовершенствовать численные инструменты, эмулирующие судно». Главный инженер-конструктор начинает понимать дополнительную ценность этого решения. «Этот путь не только выведет нас из затруднительного положения, но мы также можем использовать концепцию цифрового двойника в будущем, как вы и описали».
«На самом деле, это было бы исполняемый файл цифровой двойник. Нам придется разделять и властвовать, определять наиболее важные проблемы области и разрабатывать для них инкапсулированные модели. Хорошая новость заключается в том, что, как только у нас появится развертываемое приложение на основе этих инкапсулированных моделей, инженеры, которые не обязательно обучены или являются экспертами в инженерных инструментах, также смогут использовать эти программные пакеты, что позволит нам быстрее двигаться вперед как верфи. Как вы знаете, наша группа по моделированию невелика».
Что такое xDT?
Ценностное предложение цифрового двойника основывается на связи цифровой модели с физическим активом. Измерения, полученные в ходе эксплуатации физического объекта, будут использоваться для проверки, подтверждения и улучшения его цифрового двойника, а неизмеримое можно вычислить и проанализировать с помощью цифрового двойника. Двусторонний поток данных и улучшений возникает с момента начала проектирования и до вывода физического объекта из эксплуатации. Van der Auweraer and Hartmann (2022) представляют собой основной источник информации о xDT. Согласно им, xDT можно определить следующим образом:
«Когда из цифрового двойника извлекается специальная инкапсуляция для моделирования определенного набора поведений в определенном контексте, то отдельное исполняемое представление, такое как инстанцированная и самодостаточная модель, называется исполняемым цифровым двойником».
Как команда ShipFive Design & Shipbuilding может решить свою проблему проектирования с помощью ПЗУ и создать xDT для будущего
Концепция решения проблемы показана на рисунке 3. ShipFive Shipbuilding развернула цифровую нить Siemens в масштабе предприятия, что облегчает добавление необходимого рабочего процесса на основе ПЗУ и долгосрочного решения xDT. Используя геометрию Siemens NX, модификации для трюмных килей легко выполняются на уже параметризованной модели. Рабочий процесс HEEDS организует обмен информацией и данными между всеми инструментами Simcenter.
Затем новая геометрия проходит через конвейер виртуальной буксировочной цистерны в Simcenter STAR-CCM+, где настраивается матрица испытаний на устойчивый дрейф, рысканье, механизм плоского движения (PMM), затухание крена и принудительное колебание крена. Процесс создания конструкторской модели завершен. Полученные базы данных о силах и моментах на судне, а также информация о конкретном поле течения поступают в блок анализа данных машинного обучения (ML) для наполнения ПЗУ на основе коэффициентов. Они могут быть удобно связаны с собственными решениями или решениями Simcenter, такими как Simcenter Amesim ROM Builder. Это этап создания модели. Проводится первая проверка гидродинамических характеристик судна с помощью морской библиотеки Simcenter Amesim, чтобы убедиться, что ни один небезупречный проект не переходит на этап, на котором выполняется основная задача по устранению неполадок в концептуальном проекте — обеспечение приемлемых характеристик движения по крену. Эти исследования выполняются на совещаниях проектной группы на платформе развертывания (ноутбук или планшет).
1 Вымышленная верфь