CC BY-NC
79
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ СУДОВ
Б01: 10.24937/2542-2324-2021-4-398-87-92 УДК 004.896:629.5.023
А.Р. Филатов1'2
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
2 ФГБОУ ВО «Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова»
ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК КОРПУСА СУДНА. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
Объект и цель научной работы. Объектами работы являются судовые корпусы. Цель состоит в формулировке назначения цифрового двойника (ЦД) корпуса судна и разработке подхода к его созданию. Материалы и методы. При создании ЦД корпуса судна используются существующие методы разработки цифровых моделей и систем мониторинга прочности, вибрации и остойчивости.
Основные результаты. Определено назначение ЦД корпуса судна и разработан подход к его созданию, в рамках которого сформулированы основные принципы построения.
Заключение. Применение ЦД корпуса судна позволит повысить как его экономическую эффективность, так и эксплуатационную безопасность и надежность.
Ключевые слова: корпус судна, цифровой двойник, цифровая модель, система мониторинга, прочность, вибрация, остойчивость.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SHIP DDEIGG NND STRUCTURE
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-4-398-87-92 UDC 004.896:629.5.023
A. Filatov1'2
1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
2 Baltic State Technical University "Voenmekh"
A DIGITAL TWIN OF THE SHIP HULL, PURPOSE AND MAIN PRINCIPLES OF DEVELOPMENT
Object and purpose of research. The object under study is ship hulls. The purpose is formulation of the digital twin (DT) objective for the ship hull and approach to its development.
Materials and methods. Existing methods of developing digital models and systems of strength, vibration, and stability are used.
Main results. The objective of DT is formulated and the approach to its development is presented, which states the main principles of development.
Conclusions. Application of ship hull DT will increase the economic efficiency, operational safety and reliability of ship hulls. Key words: ship hull, digital twin, digital model, monitoring system, strength, vibration, stability. The author declares no conflicts of interest.
Для цитирования: Филатов А.Р. Цифровой двойник корпуса судна. Назначение и основные принципы построения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 4(398): 87-92.
For citations: Filatov А. A digital twin of the ship hull, purpose and main principles of development. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 4(398): 87-92 (in Russian).
Введение
Introduction
Цифровые технологии в виде систем автоматизированного проектирования (САПР; англ. - computer-aided design, CAD) и систем автоматизации инженерных расчетов (САИР; англ. - computer-aided engineering, CAE), а также систем автоматизированного производства (англ. - computer-aided manufacturing, CAM), в т.ч. станков c числовым программным управлением (ЧПУ; англ. - computer numerical control, CNC), включая лазерную резку и лазерную сварку и использование аддитивных технологий (например SD-печать методом селективного лазерного сплавления) находят все более широкое применение в судостроении. Это связано с тем, что первые позволяют повысить качество и снизить время разработки конструкций, а последние - повысить качество и снизить время их производства. Также в последнее десятилетие активно развиваются системы мониторинга (СМ) корпусных конструкций [1-4], основным предназначением которых является контроль прочности корпуса или действующих на него нагрузок, что позволяет повысить эксплуатационную безопасность и надежность судов.
На рис. 1 показаны основные этапы жизненного цикла изделия (ЖЦИ; англ. - product lifecycle management, PLM). Согласно этой схеме за цифровиза-цию этапа I разработки в основном отвечают САПР и САИР, этапа II производства - ЧПУ и 3D-печать, а этапа III эксплуатации - СМ. При этом фактически степень цифровизации этапа I является высокой, этапа II - средней, этапа III - низкой, а на этапе IV вообще отсутствует.
Таким образом, в настоящее время сложились все предпосылки для внедрения ЦД [5] в судостроение [6], в частности на этапе III эксплуатации - ЦД корпуса судна, попытка создания которого выполнена в [7]. Однако сам ЦД корпуса судна в указанной работе не прослеживается: цель его создания сформулирована слишком общими поня-
тиями и, как следствие, размыта, обратная связь ЦД с физическим оригиналом не прописана. Фактически работа [7] широко освещает методику построения цифровой модели (ЦМ) корпуса судна (причем именно для прямого моделирования), но не ЦД (рис. 1).
Целью настоящей работы является формулировка назначения ЦД корпуса судна и разработка подхода к его созданию.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
■ определение назначения ЦД корпуса судна (на основе анализа нормативных документов);
■ разработка подхода к созданию ЦД корпуса судна (с учетом его назначения);
■ формулировка основных принципов построения ЦД корпуса судна (в рамках разработанного подхода).
Назначение цифрового двойника корпуса судна и подход к его созданию
Objective of a ship hull digital twin and approach to its development
Понятие ЦД [5] содержит в себе понятие двойника, т.е. копии оригинала, воспроизводящей некоторые его наперед заданные свойства, которые и определяют назначение ЦД. При этом интерес представляют именно актуальные свойства оригинала, т.е. отражающие его текущее состояние или воспроизводимое на него воздействие. В этой связи необходим канал обратной связи от оригинала к двойнику, т.е. требуется наличие того или иного вида СМ. Также понятие ЦД содержит в себе понятие именно цифровой копии, т.е. копия должна быть не физической (как, например, макет), а информационной, т.е. представленной в виде ЦМ, что определяет требования к формату ЦД.
В силу вышеизложенного ЦД, состав которого показан на рис. 2, включает в себя как ЦМ, так и СМ.
Рис. 1. Основные этапы жизненного цикла изделий и его цифровизация в судостроении Fig. 1. Main phases of product life cycle and its digitalization in shipbuilding
Для определения назначения ЦД корпуса судна необходимо определиться с тем, какие свойства корпуса судна он должен воспроизводить. Правила как Регистра судоходства [8], так и зарубежных классификационных обществ [9-11] выдвигают требования к прочности (общей, местной, усталостной), устойчивости, вибрации и остойчивости. Соответственно, ЦД корпуса судна должен воспроизводить именно эти его свойства. Но в каких целях? Во-первых, это обеспечение текущей эксплуатационной безопасности (локальная цель) и, во-вторых, прогнозирование сроков и объемов ремонта корпусных конструкций (глобальная цель). Безусловно, локальная цель может быть полностью закрыта с помощью СМ (например системой АСКОП, разработанной в Крылов-ском государственном научном центре). Но никакая СМ по определению не может закрыть глобальную цель.
Таким образом, назначением ЦД корпуса судна является воспроизведение его актуальных свойств прочности, устойчивости, вибрации и остойчивости для достижения как локальной, так и глобальной цели.
Подход к созданию ЦД корпуса судна напрямую вытекает из его состава и поставленных целей. СМ, наблюдающая текущее состояние оригинала, передает полученную информацию в ЦМ. Последняя, в свою очередь, должна на основе этой информации предупреждать о возможном наличии опасных для эксплуатации состояний, а также прогнозировать остаточный ресурс корпусных конструкций. Если обобщить сказанное, то подход к созданию ЦД корпуса судна основан на связи ЦМ с оригиналом через СМ.
\
Цифровой двойник
Система Цифровая
мониторинга модель
J
Рис. 2. Состав цифрового двойника корпуса судна Fig. 2. Configuration of a digital twin for ship hull
Принципы построения цифрового двойника корпуса судна
Principles of developing a digital twin for the ship hull
Архитектура ЦД корпуса судна, показанная на рис. 3, определяется видами СМ и ЦМ, в него входящих. Основная проблема заключается в том, что любая СМ может актуализировать состояние оригинала лишь в конечном, вполне ограниченном числе точек (на некоторой сетке). По значениям, полученным из существующей в СМ сетки точек, с помощью ЦМ необходимо восстановить состояние оригинала в любой его точке. В общем случае, если нагружение корпуса судна может принимать абсолютно произвольный вид, такая задача неразрешима. Однако если виды нагружения корпуса судна заранее определены, то эту задачу решить можно. При этом ЦМ по своему виду делятся на прямые (т.е. напрямую моделирующие физические процессы на основе общепринятых физических законов), суррогатные (т.е. метамодели на основе набранной статистики и установленных статисти-
Рис. 3. Архитектура цифрового двойника корпуса судна
Fig. 3. Architecture
of a digital twin for ship hull
ческих зависимостей) и гибридные, сочетающие в себе первые два вида (рис. 3).
Разберем подробнее представленную архитектуру ЦД корпуса судна и установим основные принципы его построения. Сетка тензорезисторов передает в прочностную модель информацию о деформациях {e}(t) корпусных конструкций, по которым можно судить об общей и местной прочности, а также выявлять потерю устойчивости. Сетка акселерометров передает в вибрационную модель информацию о виброускорениях {a}(t) корпусных конструкций, по которым можно судить о наличии резонансных режимов. При этом сетка толщиномеров передает как в прочностную, так и в вибрационную модель информацию об актуальных толщинах {s}(t) корпусных конструкций, что позволяет скорректировать результаты расчета общей и местной прочности, устойчивости и вибрации. Кренометр, в свою очередь, передает в модель остойчивости информацию об углах крена {ф}(0 корпуса, по которым можно судить об остойчивости судна.
Однако все перечисленные компоненты касались достижения локальной цели. Для достижения глобальной цели основная идея состоит в следующем. По реализациям деформаций {e}(t) с учетом актуальных толщин {s}(t) с помощью прочностной модели строится реализация расчетных напряжений (c}(t) (здесь использование данных от высокочастотных акселерометров {a}(t) позволяет уточнить пиковые значения расчетных напряжений), которая затем используется совместно с моделью усталостной прочности (например, с S-Ж-моделью) для определения меры D(t) накопленных усталостных повреждений, как это описано, в частности, в работе [12]. При этом разумно ввести коэффициент безопасности по усталости и эксплуатировать судно до достижения мерой D(t) величины 0,5. Также представляется целесообразным по реализациям актуальных толщин {s}(t) определять средние скорости утончения и прогнозировать остаточный ресурс до достижения корпусными конструкциями предельно допустимых минимальных толщин.
Заключение
Conclusion
Сформулированное в работе назначение ЦД корпуса судна, согласованное с требованиями нормативных документов, содержит четкие цели его применения (локальную и глобальную). Локальная цель позволяет избежать опасных режимов экс-
плуатации, а глобальная - накопить статистику и рационально спланировать требуемые ремонтные операции. Все это приводит к повышению как экономической эффективности судна, так и его эксплуатационной безопасности и надежности. Помимо прочего, побочным эффектом применения ЦД является оптимизация прокладки маршрутов, а также возможное уточнение эксплуатационных нагрузок и норм прочности на основе собранной статистики.
Предложенные принципы построения ЦД корпуса судна основаны на разработке ЦМ и их связи с оригиналом через СМ, включающие мониторинг прочности (тензорезисторы), вибрации (акселерометры), остойчивости (кренометр), а также коррозионного и механического износа (толщиномеры). Актуализация состояния корпуса через СМ и его анализ с помощью ЦМ позволяет достичь указанных выше локальной и глобальной целей.
Важно подчеркнуть, что применение ЦД корпуса судна - серьезный шаг в сторону эксплуатации беспилотных автономных судов, которая предусмотрена стратегическим планом IMO на 2018-2023 гг. [13]. Предложенные принципы построения ЦД корпуса судна полностью согласованы с разработанной в отчете DNV GL [14] концепцией ЦД судна в целом, что позволяет сделать его частью общей системы судна.
Список использованной литературы
1. Вербицкий С.В., ТрубМ.С. О системе мониторинга внешней среды и контроля напряженно-деформированного состояния ответственных корпусных конструкций // Труды Крыловского государственного научного центра. 2013. Вып. 74(358). С. 81-92.
2. Development and Application of Monitoring Systems for Increasing Reliability and Safety of Vessels and Offshore Structures / Platonov V., Shaposhnikov V., Alek-sandrov A., Gaina A. // Proceedings of the Twenty-sixth International Ocean and Polar Engineering Conference. [Cupertino]: ISOPE, 2016. P. 646-650.
3. Управление процессом эксплуатации кораблей с применением цифровых технологий / Ковтун Л.И., Ковтун Н.Л., Харитоненко В.Т., Шарков Н.А. // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. Вып. 2(392). С. 141-152. DOI: 10.24937/25422324-2020-2-392-141-152.
4. Подходы к уточнению расчетных моделей для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции на основе анализа данных систем мониторинга / Коршунов В.А., Мудрик Р.С., Пономарев Д.А., Родионов А.А. // Труды Крыловского государствен-
ного научного центра. 2021. Вып. 1(395). С. 47-54. DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-395-47-54.
5. ПНСТ 429-2020. Умное производство. Двойники цифровый производства. Часть 1. Общие положения: предварит. нац. стандарт. Москва: Стандартинформ,
2020. IV, 8 с.
6. ПостниковР.А., ПалкинаЕ.С. Перспективы промышленного применения «цифровых двойников» в судостроении // Производственные технологии в судостроении - вопросы информатизации (ПТС ВИ-2021): сборник трудов Первой отраслевой науч-но-практ. конференции. Санкт-Петербург: Центр технологии судостроения и судоремонта, 2021. С. 127-132.
7. Принципы и структурная модель разработки цифрового двойника корпуса судна / Чижиумов С.Д., Немое А.С., Бурменский А.Д. [и др.] // Морские интеллектуальные технологии. 2021. № 2, т. 2. С. 18-27. DOI: 10.37220/MIT.2021.52.2.047.
8. Правила классификации и постройки морских судов (НД № 2-020101-138). Часть II: Корпус. Санкт-Петербург: Рос. морской регистр судоходства,
2021. 325 с.
9. Rules for Classification: Ships: DNVGL-RU-SHIP Pt. 3. Hull. Oslo: DNV AS, 2021. Ch. 1-15. Pаg. var.
10. Rules for Classification of Steel Ships. Part B: Hull and Stability (NR 467.B1 DT R13 E). Paris: Bureau Veritas, 2021. 530 p.
11. Rules and Regulations for the Classification of Ships. London: Lloyd's Register, 2020. Pt. 1-8. Pаg. var.
12. Платонов В.В., ФилатовА.Р. Прямой расчет усталостного ресурса гребных валов на основе современных методов // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. Спец. вып. 2. С. 68-71. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-68-71.
13. Autonomous shipping // International Maritime Organization (IMO): [site]. London, 2021. URL: https://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/ Pages/Autonomous-shipping.aspx (дата обращения: 30.06.2021).
14. Digital Twins for Blue Denmark / Danish Maritime Authority; K.B. Ludvigsen. Oslo: 2018. 22 p. (DNV GL Report; № 2018-0006, rev. A). URL: https://www.dma.dk/Documents/ Publikationer/Digital% 20Twin%20report%20for%20DMA.PDF (дата обращения: 07.09.2021).
References
1. S. Verbitsky, M. Trub. On environmental monitoring and stress-strain control for important hull structures // Transactions of the Krylov State Research Centre, 2013. Vol. 74(358). P. 81-92 (in Russian).
2. Development and Application of Monitoring Systems for Increasing Reliability and Safety of Vessels and Offshore Structures / Platonov V., Shaposh-nikov V., AleksandrovA., Gaina A. // Proceedings of the Twenty-sixth International Ocean and Polar Engineering Conference. [Cupertino]: ISOPE, 2016. P. 646-650.
3. L. Kovtun, N. Kovtun, V. Kharitonenko, N. Sharkov. Digital technologies in ship operation // Transactions of the Krylov State Research Centre, 2020. Vol. 2(392). P. 141-152 (in Russian). DOI: 10.24937/2542-23242020-2-392-141-152.
4. V. Korshunov, R. Mudrik, D. Ponomarev, A. Rodionov. Approaches to refinement of analytical models for stress-strain state assessments of structures based on the analysis of monitoring system data // Transactions of the Krylov State Research Centre, 2021. Vol. 1(395). P. 47-54 (in Russian). DOI: 10.24937/2542-23242021-1-395-47-54.
5. Standard PNST 429-2020. Smart production. Digital twins in production processes. Part 1. General provisions. Draft National Standard. Moscow: Standart-inform, 2020. IV, 8 p. (in Russian).
6. R. Postnikov, Ye. Palkina. Application prospects of digital twins in shipbuilding industry // Industrial technologies in shipbuilding - IT challenges (PTS VI-2021). Compendium of papers, 1st Industrial Scientific & Practical Conference. St. Petersburg, Shipbuilding and Ship Repair Technology Centre (SSTC), 2021. P. 127-132 (in Russian).
7. S. Chizhiumov, A. Nemov, A. Burmenskiy, N. Taranukha, A. Borovkov. Principles and framework model for the development of a ship hull digital twin // Marine Intellectual Technologies, 2021. No. 2. Vol. 2. P. 18-27 (in Russian).
8. Rules for Classification and Construction of Sea-Going Ships. Part II. Hull. St. Petersburg, Russian Maritime Register of Shipping, 2021. 325 p.
9. Rules for Classification : Ships : DNVGL-RU-SHIP Pt.3. Hull. Oslo: DNV AS, 2021. Ch. 1-15. Pag. var.
10. Rules for Classification of Steel Ships. Part B: Hull and Stability (NR 467.B1 DT R13 E). Paris: Bureau Veritas, 2021. 530 p.
11. Rules and Regulations for the Classification of Ships. London: Lloyd's Register, 2020. Pt 1-8. Pag. var.
12. V. Platonov, A. Filatov. Fatigue life of propulsion shafts: direct calculation as per modern methods // Transactions of the Krylov State Research Centre, 2020. Special edition. 2. P. 68-71 (in Russian). DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-68-71.
13. Autonomous shipping // International Maritime Organization (IMO): [site]. London, 2021. URL:
https: //www.imo. org/en/MediaCentre/HotTopics/Pages/ Autonomous-shipping.aspx (accessed on 30.06.2021).
14. Digital Twins for Blue Denmark / Danish Maritime Authority; K.B. Ludvigsen. Oslo, 2018. 22 p. (DNV GL Report; № 2018-0006, rev. A). URL: https://www.dma.dk/Documents/Publikationer/Digital% 20Twin%20report%20for%20DMA.PDF (accessed on 07.09.2021).
Сведения об авторе
Филатов Антон Романович, к.т.н., научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ассистент кафедры высшей математики ФГБОУ ВО
«Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 415-48-21. E-mail: st024540@student.spbu.ru. https://orcid.org/0000-0001-7352-3003.
About the author
Anton R. Filatov, Cand. Sci. (Eng.), Assistant, Higher Mathematics Department, Baltic State Technical University Voenmekh; Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-48-21. E-mail: st024540@student.spbu.ru. https://orcid.org/0000-0001-7352-3003.
Поступила / Received: 02.07.21 Принята в печать / Accepted: 28.10.21 © Филатов А.Р., 2021
