UTILIZZO DI TECNICHE DI PROTOTIPIZZAZIONE VIRTUALE IN CAMPO NAVALE Aldo Zini, Andrea Lommi, Davide Tozzi, Riccardo Necrisi, Massimo Peverero, Paolo Castelli Cetena S.p.A. Centro per gli Studi di Tecnica Navale Via Ippolito d Aste 5 16121 Genova - Italy E-mail: aldo.zini@cetena.it Marco Raffa, Roberto Costa, Daniele D Eugenio Fincantieri - Cantieri Navali Italiani S.p.A. Via Cipro 11 16129 Genova - Italy E-mail: marco.raffa@fincantieri.it Abstract - I prototipi virtuali offrono la possibilità di testare il comportamento di una nave o di un suo componente in particolari condizioni di funzionamento prima della sua effettiva costruzione. Lo scopo di questo paper è mostrare i vantaggi di questo tipo di tecnologia rispetto all uso tradizionale di prototipi fisici, sia in termini di riutilizzabilità del prototipo che di riproducibilità dei risultati. Alcune applicazioni di questo tipo di tecnologie sono riportate per validare la metodologia utilizzata. 1. INTRODUZIONE I mock-up reali, spesso impiegati in campo industriale, possono essere troppo costosi o addirittura impossibili da realizzare per alcuni scopi come la verifica contemporanea di più requisiti. In alcuni rami come quello militare si può giungere addirittura al punto che il costo del prodotto finale sia particolarmente influenzato dai prototipi reali che sono stati costruiti per testarlo. Inoltre, quando il comportamento della nave deve essere verificato in unione ad altri sistemi, mock-up statici non forniscono una valida alternativa alla costruzione del prodotto stesso ed al suo studio, con la conseguenza che spesso devono essere attuate delle costose correzioni sul prodotto finale (Nilsson, 2000). La costruzione di un prototipo virtuale può essere relativamente poco costosa, sempre che si usino software specifici ed efficienti (Kanerva). Sulla base di ciò, CETENA e Fincantieri hanno allestito varie simulazioni basate sulla realtà virtuale per testare se i prototipi virtuali in esame hanno un comportamento corretto nell ambito degli scopi della simulazione e se la loro funzionalità ed interoperabilità sono quelle attese.
Le tecniche di Virtual Prototyping stanno rapidamente diventando di uso comune nel campo della progettazione industriale poiché possono contribuire a ridurre i tempi ed i costi del processo di costruzione, così come ottenere un prodotto finale di maggiore qualità e permettere all utente futuro di interagire con il prototipo virtuale, allo scopo di fornire feedback utili al suo miglioramento prima della sua effettiva realizzazione. In questo articolo viene riportata la descrizione di come vari strumenti per il Virtual Prototyping sono stati usati da CETENA e Fincantieri per allestire simulazioni basate su prototipi virtuali. Dopo una panoramica delle metodologie impiegate, vengono riportate alcune applicazioni con lo scopo di validare le capacità dei prototipi quando sono presi in considerazione scopi eterogenei per le simulazioni e di fornire utili ritorni riguardanti la validità delle scelte progettuali. 2. TIPOLOGIE DI PROBLEMI Sono di tipi diversi i problemi di interesse nel campo navale che possono essere trattati mediante la Prototipizzazione Virtuale. Parimenti, i prototipi virtuali possono essere generati e studiati con l ausilio di molteplici metodologie, a seconda dell applicazione cui sono destinati. La scelta di quella giusta dipende unicamente dallo scopo dello studio; in generale, si può optare per strumenti esistenti quando le proprietà da studiare sono di tipo strutturale (ad esempio la resistenza a particolari sollecitazioni), mentre se le esigenze sono più specifiche devono essere sviluppati dei modelli matematici che, integrati nella simulazione, contribuiscono a generare il prototipo virtuale dell oggetto in esame. In campo navale alcuni problemi tipici sono: 1. Analisi dinamica dei componenti della nave 2. Simulazione della nave nella sua interezza 3. Verifica dell interoperabilità della nave in unione ad altri mezzi Nei paragrafi seguenti, dopo una opportuna descrizione degli strumenti software impiegati, verranno riportati degli esempi di prototipizzazione virtuale.
3. RISULTATI 3.1. Analisi dinamica dei componenti Talvolta, scelte progettuali affrettate o imprecise possono tradursi in costose operazioni di correzione da effettuarsi sulla nave a lavori completati. In quest'ottica, il costo necessario per costruire un prototipo virtuale è relativamente modesto se paragonato con il risparmio che consente, e può mettere in luce problemi non individuabili con i tradizionali metodi di progetto. In questa sezione presentiamo i risultati derivanti dalla modellazione di un sistema Ancora-Cubia mediante Adams (Mechanical Dynamics). Il software ADAMS è uno dei più noti ed utilizzati nell ambito della simulazione dinamica che permettono l'analisi di sistemi multi-body secondo i principi della fisica. Con il termine multibody si fa riferimento ad un insieme di componenti meccaniche, rigide o flessibili, interconnesse tra loro mediante giunti che ne governano il moto relativo. Il software di analisi converte autonomamente il modello in un sistema di equazioni differenziali, definite dall'insieme dei vincoli, parametri geometrici e gradi di libertà del modello. L'analisi condotta attraverso tale software di simulazione viene eseguita mediante la soluzione delle equazioni del moto associate al sistema analizzato. Il problema da noi affrontato ha come scopo quello di realizzare un prototipo virtuale del sistema Ancora-Cubia così da analizzare il comportamento durante l operazione di salpamento dell ancora. Nella Fig. 1a viene visualizzato il sistema reale preso in considerazione in questo studio che a causa della conformazione dell occhio di cubia ha causato gravi problemi durante l operazione di salpamento dell ancora. Nella fattispecie in alcuni casi le marre dell ancora si trovavano in prossimità dell occhio di cubia in una posizione tale da provocare l incastro delle stesse e il conseguente danneggiamento dello scafo. In Fig. 1b viene riportato il modello 3D del sistema generato in ambiente ADAMS per lo studio dinamico.
Figura 1. Sistema di salpamento ancora (a) e sua prototipizzazione virtuale (b) I risultati di questo studio sono stati particolarmente esplicativi in quanto hanno permesso di riprodurre per mezzo di un prototipo virtuale un problema reale che poteva essere evitato ricorrendo in fase di progetto a questo tipo di simulazione. Il vantaggio più evidente dello studio dinamico per mezzo di un prototipo virtuale consiste nella possibilità di analizzare il comportamento di un sistema al variare delle condizioni iniziali, senza influire pesantemente sui costi dello studio in questione. Inoltre, una volta realizzato un prototipo virtuale che caratterizza accuratamente il sistema in oggetto, è possibile effettuare su di esso una serie di misurazioni che sarebbe praticamente impossibile realizzare tramite un prototipo fisico. Tra queste vi è la possibilità di analizzare le forze tra le marre dell ancora e la zona dello scafo interessata all urto, potendo così risalire tramite le caratteristiche strutturali ai danni causati da tale interazione. Un approccio di questo tipo permette quindi di studiare con più efficienza e semplicità le modifiche da apportare al sistema per evitare questo tipo di problema. 3.2. Simulazione macroscopica del comportamento della nave Frequentemente, le esigenze della simulazione impongono che si verifichino più aspetti progettuali congiuntamente. A tale scopo, la simulazione deve fornire feedback sui sistemi coinvolti, con il vincolo che anche quelli di base che non interessano direttamente siano monitorati, allo scopo di rendere la simulazione verosimile. In questa sezione presentiamo un implementazione di architettura HLA (High Level Architecture, DMSO 1988) che può essere utilizzata per diversi
scopi, uno dei quali è sicuramente la simulazione di manovre in porto. HLA è un architettura in grado di far lavorare congiuntamente diversi moduli di calcolo ed entità (chiamati federati, di qui il nome della simulazione), fornendo loro delle primitive che ne facilitano la comunicazione. Le regole che HLA prescrive assicurano che i moduli lavorino nel migliore modo possibile, rendendo HLA l architettura ideale per effettuare simulazioni in tempo reale. Un simulatore di manovrabilità è stato integrato con un modulo di calcolo dei moti nave e un gestore di collisioni mediante l architettura HLA sopra citata. L integrazione fa sì che l uscita del sistema sia costituita dai sei gradi di libertà della nave, calcolati a partire dei contributi dei federati della simulazione; in particolare, il Federato Manovrabilità e Moti Nave calcolano congiuntamente i gradi di libertà mentre il Federato Collisioni controlla la consistenza dei movimenti della nave in corrispondenza dell ambiente circostante. Run Time Interface Federato Manovrabilità Federato Moti Nave Federato Collisioni - Scafo - Parametri propulsione - Stato di mare - Geometria nave - Ambiente di simulazione Figura 2. Diagramma a blocchi della Federazione Nave Uno scopo di questa implementazione è sicuramente l addestramento; dati infatti i parametri relativi all ambiente e alla nave che si vuole simulare, è possibile riprodurre la navigazione in modo realistico perché supportato da complessi e verosimili modelli matematici. Tuttavia l utilità della simulazione non finisce qui. Questa architettura, opportunamente integrata con altre simulazioni, è adatta a verificare il comportamento della nave in esame da un punto di vista macroscopico e congiuntamente ad altri sistemi; operazioni complesse, svolte in unione con altri simulatori sono possibili; è il caso del progetto VISION, che si propone di simulare, oltre alla nave intesa come strutture e propulsione, anche i sistemi di bordo installati, quali radar e sonar; per assicurare la
corretta verificabilità delle capacità operative, sono in fase di studio dei modelli matematici destinati a descrivere le caratteristiche elettromagnetiche, acustiche e termiche della nave. Segnatura Radar Segnatura Magnetica Segnatura Acustica Moti Nave Stabilizzazione Integrata Scenario Ambientale Manovrabilità Segnatura IR Movimentazion edibordo Modello 3D Siluro Missile Propagazione Danni Sistemi di Navigazione Propagazione Equipaggio. Sonar Radar Propulsione U.A.V. Figura 3. Diagramma a blocchi della Federazione Nave Tale sistema, un cui diagramma esplicativo è raffigurato in Fig. 3, permette di valutare una vasta gamma di parametri, aiutando a mettere in luce i punti critici delle apparecchiature con la sicurezza di essere applicati ad una nave simulata in modo assolutamente verosimile. 2.3. Simulare le interazioni tra più entità Altre esigenze di simulazione impongono l integrazione delle tecnologie esistenti con altre, allo scopo di verificare la loro interoperabilità. In questo ambito, le tecniche di Realtà Virtuale sono particolarmente adatte a far lavorare congiuntamente più simulazioni, fornendo feedback sulla validità delle scelte progettuali effettuate. Disponendo di un prototipo virtuale della nave perfettamente interoperabile, è stato possibile simulare le operazioni di imbarco e sbarco di veicoli allo scopo di valutare spazi di manovra, campi visivi e validare procedure logistiche.
Figura 4. Un carro armato viene guidato all interno dell hangar per valutare procedure logistiche, campi di vista e spazi di manovra Il carro visualizzato in Fig. 4 viene guidato all interno dell hangar della nave mentre i parametri caratteristici dell operazione sono monitorati. L analisi permette di verificare l adeguatezza delle procedure logistiche studiate e potrebbe fornire uno strumento per l addestramento. L utilità della simulazione risiede nella massima versatilità dei prototipi virtuali. Sono state effettuate delle analisi relative alla movimentazione di aeromobili sul ponte di volo di una portaerei, i cui feedback non riguardano tanto scelte progettuali ma forniscono una valutazione dell operatività del sistema in condizioni estreme. Una vista del ponte di volo è riportata in Fig. 5. Figura 5. Veduta del ponte di volo della Nuova Unità Maggiore mentre una motrice sta manovrando un aereo
Gli aspetti di interesse in questo caso sono lo studio delle interazioni tra vampa dei reattori dell aereo e nave, l analisi dei campi di vista, e la valutazione dell altezza dell onda del mare sull elevatore laterale in caso si manovri sul ponte di volo mentre il mare è molto mosso. La Prototipizzazione Virtuale della nave e del mezzo hanno permesso di unire nella stessa analisi tre aspetti che sarebbero stati trattati da tre studi diversi. 4. CONCLUSIONI Le molte applicazioni di queste metodologie mostrano chiaramente che navi e/o loro componenti virtuali possono fornire feedback indispensabili, aiutando ad ottimizzare il prezzo del prodotto finale ed a valutare scelte progettuali da un punto di vista applicativo, prevedendo problemi incorreggibili che potrebbero limitare l operatività del prodotto finale. Il Virtual Prototyping è destinato a trovare via via sempre maggiori campi di applicazione. Da una parte la sempre crescente capacità di calcolo dei moderni calcolatori fa ben sperare per quanto riguarda le potenzialità di queste metodologie; tuttavia, allo stato attuale la prototipizzazione virtuale affianca semplicemente la progettazione tradizionale, a cui non si è ancora riuscita a sostituire. E comunque a tutti gli effetti un ausilio prezioso. Per quanto riguarda il CETENA e Fincantieri, sviluppi futuri di queste metodologie saranno mirati all ulteriore affinamento dei modelli e a una più profonda integrazione dei prototipi stessi, per contribuire alla Total Ship Design tramite la simulazione globale della nave. BIBLIOGRAFIA Nilsson, Per-Olof. 2000. The digital product model a valuable tool for shipbuilders and shipowners. Scandinavian Yearbook of Maritime Technology, 37-38. Kanerva, M. Virtual Reality 4D Product Modelling Tool for Efficient Shipbuilding Process. Department of Defense, 1988. High Level Architecture. Available at http://hla.dmso.mil/.
BIOGRAFIA ALDO ZINI si è laureato in Ingegneria Elettronica presso l Università di Genova nel 1990. Da allora ha lavorato presso CETENA e si è occupato di problemi informatici. In particolare, è stato coinvolto in molti problemi riguardanti l utilizzo dell Information Technology nel campo navale: sistemi CAD, Reti Neurali, Analisi di Sopravvivenza della Nave, Prototipizzazione Virtuale, Sistemi Esperti, Database, siti WEB dinamici, codici di calcolo, interfacce grafiche. E membro del NATO NG6 Specialist Team on Simulation Based Design and Virtual Prototyping e del NIAG Sub Group 60 on SBD & VP. Ha svolto la funzione di responsabile scientifico in molti Progetti di Ricerca Europei, tra cui HYDROSES e MATSTRUTSES. Al momento è a capo del reparto Information Technology del CETENA. ANDREA LOMMI si è laureato in Ingegneria delle Telecomunicazioni nel 2001 presso l Università di Genova, discutendo una tesi intitolata Sintesi di Schiere Sparse di Trasduttori tramite Algoritmi Genetici. Al momento, lavora presso CETENA S.p.A., reparto Information Technologies, dove applica tecniche di Virtual Prototyping e ottimizzazione stocastica a design, ottimizzazione e verifica delle prestazioni della nave. I suoi campi di ricerca sono Virtual prototyping, Simulazioni basate sulla Realtà Virtuale, Sintesi di Antenne a Schiera, Beamforming Adattivo e Algoritmi Genetici. RICCARDO NECRISI si è laureato in Ingegneria Elettrica nel 1999 presso l Università degli Studi di Genova discutendo una tesi intitolata Simulatore Elettromeccanico di un Veicolo Ibrido. Da Settembre 2002 lavora presso CETENA nel reparto Information Technologies. Al momento, si occupa di Virtual Prototyping e di applicare tecnologie per la Realtà Virtuale. DAVIDE TOZZI, nato nel 1977, si è laureato in Ingegneria Elettronica presso l Università degli Studi di Genova nel 2001, discutendo una Tesi intitolata Progetto e Implementazione di un sistema intelligente per la previsione del movimento della nave per un sistema Landing Period Designator (D. Sterpi, D. Tozzi). Al momento lavora presso CETENA S.p.A., reparto Information Technologies, dove si occupa di Simulazioni basate sulla Realtà Virtuale e di applicare il Virtual Prototyping allo ship design. MARCO RAFFA si è laureato in Ingegneria Meccanica e Navale nel 1979; ha iniziato a lavorare con software FEM per analisi strutturale e verifica in FINCANTIERI. Nel 1985 è stato responsabile dello studio e dell implementazione del sistema grafico per il design funzionale e dettagliato basato basato su software commerciale con un attenzione particolare alla realizzazione di un modello 3D completo della nave. Dal 1990 al 1994 è stato responsabile del cantiere di costruzione dello scafo; dal 1994 al 1998 ha sfruttato la sua esperienza nel campo del design dello scafo e della costruzione delle nuove navi veloci da trasporto. Dal 1998 è responsabile del management e dello sviluppo di sistemi informativi per le informazioni tecniche presso FINCANTIERI DNM ed è direttamente coinvolto nella valutazione dei costi/benefici derivanti dall uso di tecniche di Prototipizzazione Virtuale nel processo di design della nave. ROBERTO COSTA diplomato come Tecnico Navale, lavora al momento presso FINCANTIERI Cantieri Navali Italiani S.p.A. come membro dell ufficio CAD nella Divisione Navi Militari. E coinvolto nel supporto del software e nelle tecnologie informatiche per problemi architetturali riguardanti l Area di Project Management. Attualmente lavora sullo sviluppo di Virtual Prototyping e nel test per progetti interni e per la Marina Militare Italiana. DANIELE D'EUGENIO nato nel 1977, si è laureato in Ingegneria Meccanica nel 2002 presso l Università degli Studi di Genova, discutendo una Tesi intitolata Analisi del comportamento statico e dinamico della linea d assi navale: un esempio di Prorotipizzazione Virtuale e suo confronto con i risultati ottenuti tramite simulazione FEM. Al momento lavora presso FINCANTIERI S.p.A., Reparto Tecnico, dove si occupa di Simulazioni basate sulla Realtà Virtuale e dell applicazione della Prototipizzazione Virtuale al design della nave.