Решения Siemens PLM Software обеспечивают проектирование и расчеты сложных конструкций, а также оптимизацию характеристик парусного судна, создаваемого для участия в одной из самых престижных морских гонок.
Проект создания судна для победы в Кубке Америки успешно продвигается
В середине 2014 года команда Land Rover BAR начала работу над рассчитанным на 2,5 года проектом по разработке и испытаниям катамарана на подводных крыльях, относящегося к классу парусников ACC («Кубок Америки»). Правила соревнований запрещают спускать катамараны класса «Кубок Америки» на воду более чем за 150 дней до начала квалификационных стартов Кубка Америки2017. Поэтому большая часть конструирования, расчетов и испытаний проводится на масштабных моделях. Land Rover BAR применяет системы NX™ и Teamcenter®, разработанные компанией Siemens PLM Software — поставщиком решений по управлению жизненным циклом изделия (PLM). NX и Teamcenter создают интегрированную виртуальную среду цифрового проектирования и численного моделирования. Внедрение, обучение и поддержку обеспечивала компания Majenta PLM, имеющая статус платинового партнера Siemens PLM Software.
ПродуктыNX, Teamcenter, Femap, Fibersim, CDadapco. Задачи
Ключи к успеху
Достигнутые результаты
|
Как показывает история, шансы новичка на победу в Кубке Америки крайне невелики, но команда Land Rover BAR решила сломать эту традицию. На кону — шанс вернуть Кубок Америки на его родину в Британию впервые с 1851 года, когда состоялась первая гонка. Сэр Бен Эйнсли (Ben Ainslie), олимпийский медалист и победитель 34го Кубка Америки, отмечает, что это весьма амбициозная задача. «Перед нами стоит действительно грандиозная задача. Мы создали новую команду с нуля; у нас есть правильная философия и подходящие средства автоматизированного проектирования. Мы успешно догоняем другие команды, хотя сроки крайне жесткие. И это — самое трудное в нашей работе».
Вершина технологий парусного судостроения
Марин Уитмарш (Martin Whitmarsh), главный исполнительный директор Land Rover BAR, обращает внимание на технические сложности: «Как правило, преимущества в ходовых качествах судна определяются обводами корпуса, снижающими сопротивление, работой киля и руля при создании спрямляющего момента, а также максимальной эффективностью парусов. Эти принципы в полной мере применимы к участникам «Кубка Америки», но надо учитывать, что в ходе гонки лишь один процент поверхности судна находится в воде. Поэтому вопросы аэродинамики приобретают особое значение — ведь парусники способны идти на скорости, в 2,8 раза превышающей скорость ветра».
Конструкторы должны спроектировать легкое и эффективное изделие, способное выдерживать колоссальные нагрузки и при этом не выходить за заданные запасы прочности. Применение NX и Teamcenter позволило команде Land Rover BAR успешно решить важнейшие задачи расчета характеристик швертов (выдвижных килей), оценки аэроупругости килевых «крыльев», анализа поведения композитных материалов, моделирования гидросистем, а также оптимизации и упрощения процессов разработки.
Сэр Бен Эйнсли, руководитель и капитан команды Land Rover BAR, считает, что единственный способ проверить конструкторское решение — проведение ходовых испытаний на воде. «Экипаж судна — это канал обратной связи для конструкторов. В ходе испытаний мы непрерывно вносим улучшения и сообщаем о них конструкторам».
Побеждает быстрейший
К началу 2016 года испытания уже шли полным ходом, и одновременно выполнялась разработка катамарана на подводных крыльях класса «Кубок Америки». «Конструкторы прилагают все усилия, чтобы как можно быстрее спустить гоночное судно на воду. По правилам соревнований мы сможем это сделать к концу года, — рассказывает Энди Клойтон (Andy Claughton), технический директор команды. — Ранее нам приходилось изготавливать несколько комплектов швертов для различных условий плавания».
Основной вид деятельности клиента
Land Rover BAR (г.Портсмут, Великобритания) — коммерческая спортивная команда, возглавляемая сэром Беном Эйнсли — олимпийским золотым медалистом и победителем 34го Кубка Америки. Команда была основана в июне 2014 года. Цель — вернуть престижный Кубок Америки на его родину в Британию (первая гонка прошла в 1851 году у острова Уайт).
Форма шверта определяет эффективность преобразования поступательного движения в подъемную силу. Команда Land Rover BAR в полной мере использует возможности системы NX по созданию сотен вариантов геометрии одним нажатием кнопки. «При проектировании швертов для нас особенно важна функция быстрого автоматизированного создания геометрии, — отмечает Саймон Шофилд (Simon Schofield), конструктор команды Land Rover BAR. — В кратчайшие сроки мы оцениваем различные формы швертов, проверяем их перемещения и отсутствие столкновений с другими частями судна».
Аналогичным образом совершенствуется и жесткий парус, служащий движителем. От его конструкции зависит скорость. Согласно правилам соревнований, парус должен весить не менее 450 кг и иметь строго заданную форму на стоянке. Свободные деформации паруса в ряде случаев улучшают его характеристики, но они допустимы только на ходу судна. С другой стороны, в ряде случаев требуется более жесткий парус. Конструкторам Land Rover BAR требуется выявить пределы возможного и найти оптимальное решение. Поэтому они построили очень подробную 3Dмодель паруса в NX и стержневую модель мачты в Fibersim™ — системе проектирования изделий из композитных материалов (в NX встроен набор инструментов для моделирования ламинатных композитов и процессов укладки слоев). Обе модели рассчитываются совместно в модуле вычислительной газогидродинамики, разработанном Siemens PLM Software.
Саймон Шофилд поясняет: «Поддержка сценариев в NX позволила нам создать интерфейс для программирования задач вычислительной газогидродинамики и создания процессов анализа аэроупругости исключительно в среде NX. Создание геометрии, ее оптимизация с учетом аэроупругости и прочностные расчеты также выполняются в NX. Мы применяем NX Nastran для получения массива деформированных состояний и выявления нужных тенденций. При помощи NX мы выясняем, можно ли построить требуемую геометрию при соблюдении всех правил гонок. Единая рабочая среда существенно повышает производительность, так как мы не тратим время на обмен файлами».
Прогнозирование упругости и реакции на нагрузки
Команда Land Rover BAR использует функцию создания сценариев в NX для расчета поведения слоев композитных материалов и оценки снижения их характеристик под нагрузкой. Энди Клойтон комментирует: «Наш процесс расчета ламинатных композитов позволяет очень быстро получать ответы. Мы попрежнему совершенствуем его, в полной мере используя широкие возможности написания сценариев в NX, настройки рабочих процессов, снижения трудоемкости и повышения эффективности. В результате мы значительно улучшили обмен информацией с производством. Мы создаем чертежи либо композитной детали, либо развертки слоев ламинированного композита. Изготовитель загружает эти чертежи в автоматический станок и точно вырезает стеклоткань».
Создание парусникамечты
Совместное применение NX и Teamcenter позволило организовать сквозной полноценный процесс разработки — от эскизного проекта до спуска судна на воду. «Быстрое построение геометрии в NX крайне важно, потому что все наши вопросы начинаются с геометрии, — отмечает Клойтон. — В основе всего лежит эффективная CADмодель. Имея ее, мы можем рассчитать массу и другие характеристики, создать фотореалистичные изображения экранов и органов управления для экипажа парусника, а также распечатать на 3Dпринтере пластиковые образцы деталей, проверяемые экипажем или береговой командой».
Применение встроенных в NX инструментов инженерных расчетов позволило конструкторам оптимизировать металлические детали, изготавливаемые методом аддитивного производства. Клойтон поясняет: «Мы внимательно изучаем процессы аддитивного производства. Мы проектируем деталь не для изготовления обычной механообработкой, а с учетом возможностей 3Dпечати. Конструирование начинается с оболочки, на которой размечаются области контакта и крепежные элементы. Но даже при такой оптимизации топологии конечный результат оказывается очень сложным. Однако в NX имеются средства сглаживания геометрии, которые мы применяем для обработки моделей и получения технологичной конструкции».
В NX конструкторскотехнологическая информация (PMI) проставляется непосредственно на 3Dмоделях. С ее помощью конструкторы передают требования к изготовлению детали на следующий этап разработки. Затем информация переносится с моделей на чертежи, отправляемые тем поставщикам, которые работают только с 2Dпредставлениями конструкции.
Обеспечение высокого качества процессов разработки
Команда Land Rover BAR применяет Teamcenter для управления всей технической документацией: характеристики изделия, результаты расчетов и численного моделирования, а также свойства материалов хранятся упорядоченно и связаны с соответствующими CADмоделями. Teamcenter управляет выпуском документации и всеми процессами подготовки производства. Благодаря этому над одной моделью могут одновременно работать 1520 человек.
Клойтон отмечает: «Мы всё делаем в Teamcenter. Система прекрасно справляется с такими задачами, как надежное хранение CADданных, управление выпуском чертежей и их передача поставщикам.
Teamcenter объединяет всю нашу работу в единой среде. Теперь у нас имеются библиотека деталей и четкие рабочие процессы, поэтому новые проекты не приходится начинать с нуля. Каждый новый проект парусника основывается на предыдущем. Мы широко применяем команду Клонировать для копирования отдельных деталей или подсистем и быстрой оценки новых вариантов. Начав с одной базовой конструкции, мы параллельно разрабатываем дватри варианта, а затем сводим их вместе».
Меняется не только геометрия деталей. Методы расчета также изменяются в зависимости от конкретных требований на каждом этапе разработки. При помощи Teamcenter команда Land Rover BAR управляет всем потоками технической информации. Это обеспечивает полную прослеживаемость процессов: точно известно, что было выполнено на каждом этапе. «Мы можем точно выяснить, например, с чего началось проектирование или почему был получен именно такой результат расчета», — рассказывает Клойтон. Teamcenter хранит историю появления каждой детали и узла, а также всех вариантов исполнения судна. Каждая деталь опытного образца парусника 2016 года постройки внесена в единую конструкторскую спецификацию. «По многим причинам управление составом изделия — очень важный аспект работы, — объясняет Клойтон. — Число деталей и узлов в наших судах очень велико. Береговой команде необходимо отслеживать все варианты конструкции. Но самое важное — перед началом каждой гонки мы обязаны предоставлять конструкторскую документацию на контроль и подтверждать соответствие судна нормативным требованиям к данному классу парусников».
Скоростное маневрирование
В высокотехнологичной команде Land Rover BAR как раз инженеры определяют, какие именно ходовые испытания должны провести экипажи судов. В центре управления имеется прямой канал видеосвязи с бортом судна. Конструкторы наблюдают за ситуацией в реальном времени, а также получают данные с массы бортовых датчиков. После ходовых испытаний проводится совещание с участием экипажа и разработчиков.
«Мы постоянно оптимизируем наши процессы, чтобы избежать дублирования работ и дать возможность инженерам заниматься именно задачами проектирования. В центре всего — система NX. В ней мы совершенствуем геометрию деталей и конструкцию систем судна даже на этапе изготовления», — заключает Клойтон.
Марин Уитмарш добавляет: «Мы применяем самые современные средства проектирования для выявления новых возможностей. Нередко выход на новые уровни характеристик судна приводит к дальнейшему усложнению конструкции». При проектировании приходится искать компромисс между скоростью и остойчивостью судна. Сэр Бен Эйнсли абсолютно точно уверен в том, что действительно важно для экипажа: «Существует оптимальное решение, и мы просто чувствуем, когда судно построено так, как надо. Нам еще предстоит немало работы. Если к началу гонки мы выжмем из судна 100 процентов его потенциала — значит, мы приложили недостаточно усилий. Наша цель — 105 процентов!»
