Верфи долго не знали, как подступиться к оценке влияния температурных и механических деформаций конструкций суперяхт на подвижки их интерьеров. Ответ на этот вопрос дали цифровые двойники.
Потрясающе, здорово, классно… Такой набор эпитетов обычно слышат на выставках представители верфей, демонстрирующие свои новые суперяхты. К ним могут добавиться «невероятно» и «поразительно», если речь идет о нетривиальных лодках вроде Feadship Pi, которую показали на Monaco Yacht Show 2019 и недавно назвали лучшей моторной яхтой года. Расточая комплименты ее масштабному остеклению, интерьерам и новаторским инженерным решениям, мало кто понимает, какой пласт фундаментальных исследований лежит в их основе.П
В процессе эксплуатации любое судно испытывает целый комплекс нагрузок, вызывающих деформацию его конструкций. Если для военных, офшорных и коммерческих судов критические условия и нагрузки хорошо изучены и описаны, то для суперяхт они не так уж важны, поскольку те избегают штормов и большую часть времени простаивают. Поэтому предельные механические нагрузки, равно как и усталость металла, у них крайне редки.
Однако непредвиденные деформации корпуса и надстройки суперяхт все же могут приводить к таким нежелательным последствиям, как заклинивание широких сдвижных дверей и гаражных люков, рост нагрузок на архитектурно-строительное стекло (structural glass, то самое панорамное остекление) и появление посторонних звуков в помещениях.
Чтобы понять, какие факторы и в какой степени провоцируют это, в Feadship используют виртуальные модели построенных яхт. Тема цифровых двойников весьма перспективная, но для небольших верфей, выпускающих по три-четыре уникальные яхты в год, сложная и дорогая, поэтому подобные разработки ведут всего несколько производителей и, естественно, держат их в строгом секрете. Начав осваивать это направление, Feadship поставила задачу научиться оценивать подвижки интерьеров (внутренней отделки) в реальных, а не в тестовых условиях.
Зачем это нужно?
Дело в том, что интерьеры на суперяхтах обычно оторваны от конструктивных элементов корпуса и надстройки. Это позволяет снизить уровень шума и вибрации, но приводит к тому, что «интерьерные вкладки» в помещениях могут сдвигаться. До недавнего времени на Feadship использовали нормативные зазоры, некогда определенные на основе эмпирических данных, но когда в дизайне появилось больше стекла, такой подход перестал удовлетворять конструкторов, и потребовалось разработать систему оценки движения интерьеров.
Флот суперяхт Feadship достаточно велик, и компания уже более пяти лет ведет контрольное наблюдение за 35 судами на основе открытых данных AIS, собирая информацию об их местоположении и скорости для создания сценариев использования. Затем к этому добавляют метеоданные (температуру воздуха и воды, характеристики волны и т. д.) и определяют реальные средние и пограничные условия эксплуатации, в которых оказываются яхты. Понятно, что в эту базу данных не попадают экстремальные штормы, но достаточно детальное представление о жизни яхт она все же дает.
.jpg)
Данные на входе и выходе
Для четырех яхт из своего контрольного флота Feadship создала цифровые двойники. Для этого потребовалось наладить сбор данных от бортовых систем (скорость, курс, положение корпуса, обороты двигателей, уровень жидкости в танках, распределение веса и др.) и еще на стадии строительства оборудовать эти суда тензодатчиками и датчиками температуры. Вся эта информация вместе с метеоданными дает реальное, а не теоретическое представление о том, что именно происходит с яхтой в конкретный момент времени. Инженеры загружают ее в модель для проведения анализа методом конечных элементов (3D FEM) — ту самую, что используется при строительстве и сертификации яхт Feadship, и выуживают из нее много интересного.
Наиболее полезными цифровые двойники оказались для понимания того, как на подвижки интерьеров влияет температура.
«Казалось бы, что тут сложного? — рассказывает Мартайн ван Вийнгаарден, старший научный сотрудник Feadship. — Берем информацию о погоде в конкретном месте в нужное нам время, добавляем показания бортовых датчиков, измеряющих температуру корпуса ниже ватерлинии и в разных точках надстройки, загружаем в FEM и получаем картину деформаций от температурной нагрузки, которая должна совпадать с показаниями тензодатчиков. Звучит просто, но не работает, поскольку яхты ходят в разных акваториях, от экватора до полярных широт, где совершенно различные условия, поэтому знание температуры в одной точке не дает полной картины. К тому же тензодатчики измеряют общую деформацию, вызванную комплексом факторов, а не только изменением температуры».
Чтобы решить эту задачку, пришлось научиться выделять в массиве данных тепловую и механическую деформации, а в пределах последней вычленить деформации, вызванные волнами, меняющейся скоростью, заполнением танков и т. д. Сделать это удалось через оценку частоты изменения нагрузок, после чего FEM позволила оценить подвижки интерьеров.
Яхта
Если в качестве примера взять 70-метровую яхту и теоретически оценить продольный выгиб корпуса в разных местах на разных палубах, как того требует, например, регистр Ллойда, то пик придется на область в районе 40 м от кормы, где растяжение палуб надстройки составляет почти миллиметр на метр. Искривление конструкций при этом в основном приходится на кормовую часть, где достигает 1,8 мм/м (рис. 1).
А что происходит с этой яхтой в реальных, вполне обычных условиях? Скажем, температура в помещениях +21 °С (работает кондиционер), температура воды и корпуса ниже ватерлинии +15 °С, температура светлых частей надстройки +50 °С, темных — +65 °С. Такое состояние может быть летом в Северном море, где Feadship проводит ходовые испытания своих судов. Но посмотрите, насколько реальный выгиб корпуса, а значит, и подвижки интерьера, отличается от теоретического, и причиной тому не механические, а температурные деформации (рис. 2).
Таким образом, выяснилось, что в реальности температура окружающей среды влияет на деформацию корпуса гораздо больше, чем считали в Feadship, а волны, напротив, значительно меньше. Например, на волне высотой 1,25 м с периодом 6 секунд при скорости судна 12 узлов корпус и надстройка испытывают минимальное растяжение, а интерьеры почти не смещаются (рис. 3).
Изгибаясь на волне, корпус яхты испытывает не только растяжение и сжатие, но также скручивание. По словам Мартайна ван Вийнгаардена, правильно оценить его очень трудно, ибо яхту сложно поместить в условия, требуемые для решения задачи, и пока приходится рассматривать только крайние теоретические значения (рис. 4).
Наука и жизнь
Графики, конечно, убедительные, но как использовать полученные данные на практике? Во-первых, база яхт, изученных с помощью цифровых двойников, позволит сравнивать их по степени деформации и оптимизировать конструкцию проектируемых судов, адаптируя зазоры интерьеров под конкретные зоны на борту (рис. 5 и 6).
«На целостность интерьеров сильнее всего влияют влажность и температура, поэтому эти факторы постоянно контролирует система кондиционирования, — говорит Мартайн ван Вийнгаарден. — Однако посторонние звуки в интерьере, даже оторванном от конструкции, могут появляться как раз из-за подвижек, и это важно предотвращать, правильно подбирая зазоры и скользящие друг относительно друга материалы».
Во-вторых, Feadship уже применяет эту методику для оценки деформаций рядом с зонами, где установлены широкие сдвижные двери, крупные откидные секции корпуса (гаражи, «пляжные клубы») и используется архитектурно-строительное стекло. Наконец, подобные цифровые двойники позволяют быстро выявлять возможные аномалии и определять, когда судну требуется внеплановое обслуживание или рефит.
Ну, а поскольку датчики монтируют и подключают еще в процессе строительства судна, они порой дают любопытную информацию для размышлений. Так, например, однажды инженеры Feadship пришли на работу в один из эллингов в Маккуме и обнаружили, что находящаяся там на достройке яхта изогнулась, как банан. Дело было в понедельник, и причину скоро выяснили. Оказалось, что на выходных в доке включили отопление, и из-за несимметричной подачи тепла левый борт нагрелся чуть сильнее правого, отчего корпус «поехал» на 40 мм. Как только отопление выключили, «банан» выпрямился, а конфигурацию отопительной системы после этого случая изменили. А ведь могла и крыша поехать!
