Моделирование и испытания морских судов

Я очень люблю бывать в этом месте, известном как «Итальянский испытательный бассейн для судов». Здесь инженерная теория встречается с практикой: большие резервуары с водой, испытательные стенды, лаборатории и само озеро позволяют вести самые разнообразные исследования.

В юго-западном пригороде Рима ученые, инженеры и техники проводят эксперименты в области гидродинамики и морской инженерии, тестируют новые морские суда, устройства возобновляемой энергии, винты и т. д. Одни из главных целей этих исследований — обеспечить эффективную и безопасную морскую перевозку, а также снизить риски для судна и экипажа.

Научно-исследовательский институт морских технологий (ранее Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale — INSEAN) является подразделением Итальянского национального совета исследований (Consiglio Nazionale delle Ricerche — CNR).

Очень часто новая разработка начинается с числовых моделей. В этом квалифицированным специалистам приходит на помощь DewesoftX — передовое программное обеспечение для сбора, записи и анализа данных, способное выполнять самые сложные вычисления.

В некоторых случаях ПО нужно настраивать, добиваясь полного соответствия между моделированием и последующим испытанием.

Программное обеспечение обладает огромным потенциалом для самых сложных механических производств. С помощью него можно моделировать изделия из древесины, металлов и полимеров, в том числе и с использованием новейших технологий аддитивного производства, а также объединять все детали в функциональную систему для испытаний на экспериментальном оборудовании.

Перед проведением испытаний в бассейне конструкция модели, как правило, проверяется в нашей лаборатории с помощью методов модального анализа.

Затем модель оснащается всевозможными высокотехнологичными преобразователями, такими как 6-осевые тензодатчики, акселерометры, инерциальные устройства, оптические трекеры с 6 степенями свободы, а также системой измерения ориентации из метрологической лаборатории.

Руководитель метрологической лаборатории г-н Роберто Басти и его сотрудники отвечают за обеспечение качества измерений в самых разных условиях:

Каждый новый эксперимент требует уникальной настройки оборудования. Порой это бывает нелегко, но мы любим сложные и интересные задачи.

Мы впервые встретились около десяти лет назад, и тогда у нас на вооружении было всего несколько измерительных приборов, в большинстве своём разработанных собственными силами для каждой конкретной задачи.

Разработка специализированных инструментов была бы очень интересной для ученых, но не для долгосрочной перспективы Морского исследовательского центра.

Исследователи могут переходить с места на место, забирая с собой необходимые знания, а самодельные системы не никогда не тестируются в полной мере и всегда остаются на стадии прототипа, несмотря на то, что постоянно развиваются и модифицируются.

Единая система сбора данных для любых целей

В то время технический директор искал новое решение для сбора данных по разным направлениям работы исследовательского центра.

Он искал новую промышленную технологию с высокой точностью измерений, которая работала бы одинаково эффективно как в лаборатории, так и в самых суровых полевых условиях. Также было важно, чтобы технология могла применяться для измерения как динамики корпуса, так и шума и вибраций. А поскольку все испытания проходят с масштабированными моделями, устройство для измерений также должно быть очень компактным и лёгким.

Мы предложили отмеченную множеством наград систему сбора данных DEWE-43, и это была любовь с первого взгляда. DEWE-43 весит менее килограмма и помещается в руке. Лёгкость прибора сочетается с его прочностью: каждый блок изготовлен из цельного куска алюминия. DEWE-43 является идеальным решением для сбора динамических данных даже при самых точных измерениях; он надежен и универсален как швейцарский нож.

Это устройство принимает аналоговые и цифровые сигналы, а также сигналы CAN, счётчика и энкодера. Благодаря возможностям входящего в комплект ПО DewesoftX прибор легко получает и объединяет данные, с дополнительных интерфейсов, таких как GPS, Flexray, Ethernet, последовательный порт, ИКМ-телеметрия и т. д. Даже если каждый источник обладает различной частотой выборки, все данные идеально синхронизируются с точностью до микросекунды.

Благодаря гибкости программного обеспечения Dewesoft X системы измерения можно использовать практически для любых целей и с более точными результатами, чем на предыдущем оборудовании.

Технология интеллектуальных датчиков TEDS

После знакомства с технологией TEDS наш подход к работе кардинально изменился. Раньше для того, чтобы выполнить измерения, мы предоставляли данные калибровки инженерам по эксплуатации, однако теперь эти данные хранятся непосредственно в каждом датчике. Наши сотрудники могут сосредоточиться на измерениях, не думая о калибровке. Сегодня чип TEDS установлен практически на каждый наш датчик.

Испытательный центр

Мне нравится гулять по испытательному центру.

На его территории находится огромный испытательный бассейн длиной около 500 метров, построенный в соответствии с изгибом земной коры, что делает его похожим на настоящее море и помогает избежать вертикального смещения тестируемых моделей (около 18 см). Второй испытательный бассейн короче (около 220 м), но он может создавать контролируемые волны для анализа поведения корпуса при различных состояниях моря.

Небольшие объекты для фундаментальных исследований (турбулентность, снижение сопротивления, выплескивание, разрушение волн, внутренние волны), возможно, выглядят не столь впечатляюще на фоне крупных бассейнов, но при этом не менее интересны.

Среди прочих стоит отметить гидравлический канал для свободных поверхностных измерений. Эта достаточно новая установка, введенная в эксплуатацию в 2002 году, используется для базовых экспериментов по гидродинамике. Длина канала: 27 м, поперечное сечение: 60×60 см.

На этих объектах регулярно проводятся испытания с помощью системы сбора данных DEWE-43.

Не все испытания могут проводиться в ограниченном пространстве, поэтому морской испытательный центр иногда тестирует свои модели в тихом вулканическом озере Лаго ди Неми, расположенном к югу от Рима.

Озеро находится в вулканическом кратере и поэтому окружено холмами. Это идеальное место для тестирования корпуса судна в масштабе 1: 1. На озере отсутствуют ветер и волны, а форма дна и расстояние от городских районов обеспечивают низкий уровень шума, особенно под водой.

Мы хорошо провели время, участвуя в различных сложных проектах по измерению подводного шума и комфорта судна, но для этих целей система сбора данных DEWE-43 не обладает достаточным функционалом, поэтому пришло время испытать другие продукты Dewesoft.

CNR-INM приобрела универсальную систему сбора данных SIRIUS, которая поддерживает интерфейсы USB и EtherCAT, при этом являясь гибкой, модульной, расширяемой и безопасной. Основной целью разработки SIRIUS было создание простого в использовании устройства, способного предотвращать частые ошибки в процессе измерения.

Модульная система SIRIUS представлена в виде слайсов или модулей, которые можно использовать в качестве автономных систем сбора данных или последовательно объединять в систему с большим количеством каналов. Системы SIRIUS предлагают практически неограниченные возможности настройки. Доступны от 1 до 16 аналоговых конфигураций каналов, которые также могут быть последовательно соединены. Широкая линейка различных аналоговых усилителей обеспечивает обмен данными практически с любым датчиком.

Технология DualCoreADC® помогает решать проблемы, часто возникающие при измерении сигнала: перегрузка входа, шум и искусственные частоты в сигнале, вызванные алиасингом. Благодаря этой технологии соотношение между сигналом и шумом составляет более 130 дБ, а динамический диапазон — более 60 дБ.

Оборудование для сбора данных SIRIUS считывает различные типы сигналов, такие как напряжение, деформация, ICP/IEPE, заряд, CAN, сигналы счётчика и энкодера с технологией SuperCounter®, а также цифровые сигналы. Кроме того, благодаря возможностям входящего в комплект ПО Dewesoft X, прибор легко собирает и объединяет данные с дополнительных интерфейсов, таких как GPS, Flexray, Ethernet, последовательный порт, телеметрия PCM и т. д. 

Система сбора данных SIRIUS имеет лучшее на рынке соотношение между сигналом и шумом, а интегрируется со всеми видами устройств, включая специально разработанный морской буй, который фиксирует движения поверхности воды, синхронно соотнося эти данные с измерениями, полученными на судне.

Используя эту сложную комбинацию Dewesoft и специализированных компонентов, CNR-INM смогли добиться коррелляции шума судна и вибраций, создаваемых двигателем в зависимости от состояния моря. Также были проведены дополнительные измерения подводного шума и тестирование специальных шумоподавителей, устраняющих опасные для китов частоты.

Благодаря Dewesoft реализуются меры по защите окружающей среды, а CNR-INM получает новые возможности.