Nieuwe applicaties verbeteren ontwerpproces van onderzeeboten
Onderzeeboten behoren tot de meest complexe engineering platforms die er bestaan. Apparatuur, systemen, werk- en leefplekken moeten in een beperkte ruimte worden geïntegreerd en het geheel moet ook nog eens veilig en optimaal onder water functioneren. Nevesbu heeft twee softwareoplossingen gecreëerd om het ontwerpproces voor onderzeeboten te verbeteren en vereenvoudigen: 'SUBmarine Supporting Design Tool', ofwel ‘SUBSIDE’ en de 'Volumetric Estimation Tool'.
34 IVORMATIE MAGAZINE DECEMBER 2015
Maritiem
35
SUBSIDE Moderne onderzeeboten kennen een enorme complexiteit. Bij de keuze voor een ontwerpfilosofie wordt dan ook uitgegaan van iteratieve ontwikkelingen en verschillende ontwerpstrategieën worden vergeleken aan de hand van technische en functionele eigenschappen, kostenaspecten en risico's. Om dit proces inzichtelijk te maken heeft Nevesbu een tool ontworpen die Napa Group heeft opgenomen in haar softwarepakket Naval Architectural Software Package (NAPA). De tool analyseert het functioneren van onderzeeboten tijdens alle stadia van het ontwerpproces – van de allereerste fase van het conceptontwerp tot en met de afrondende fase van het definitieve ontwerp. Scheepsbouwkundige aspecten bij het ontwerp van een onderzeeboot De Submarine Supporting Design Tool wordt ingezet bij het modelleren en balanceren van onderzeeboten en bij het beoordelen van hun stabiliteit. Hoewel de tool geschikt was voor de bestaande widgets in de NAPA-software, bleken deze niet allemaal feilloos te functioneren. De ontwerptool wordt bijvoorbeeld gebruikt bij de modellering van de drukhuid, de parametrische modellering van de buitenste wand (incl. appendages) en bij het ontwerp van de hoofdstructuur voor tanks, schotten en tussendekken. Daarnaast wordt de tool toegepast bij het optimaliseren van aspecten als drijfvermogen, gewichtsverdeling en balans, evenals de omvang en locatie van de diverse tanks in onderzeeboten, zoals hoofdballasttanks, trimtanks en compensatietanks. Tevens is de tool geschikt voor berekeningen op het gebied van hydrostatische eigenschappen, transitieanalyses, stabiliteitscontroles, de controle van bedrijfsomstandigheden en het krachtenevenwicht. Uitdagingen Voor scheepsontwerpers zijn de hydrostatische eigenschappen van oppervlakteschepen natuurlijk bekend terrein, maar met de specifieke eigenschappen van onderzeeboten zijn ze een stuk minder bekend. Toch bleken er ook een aantal parallellen te zijn. Een van de belangrijkste uitdagingen bij de ontwikkeling was om de software in de huidige vorm geschikt te maken voor de specifieke kenmerken van onderzeeboten. De NAPA-software is in eerste instantie ontwikkeld voor oppervlakteschepen. Dit houdt in dat belangrijke parameters tijdens het ontwerpproces in de war kunnen raken wanneer het studieobject een onderzeeboot is. Zo deden zich situaties voor waarbij de software stopte met het uitvoeren van berekeningen en alarmwaarschuwingen genereerde als 'schip zinkt’. Op dat moment wisten we dat we bij de
36 IVORMATIE MAGAZINE DECEMBER 2015
ontwikkeling van de SUBSIDE-tool 'out-of-the-box' moesten denken. We besloten om de onderzeeboot te benaderen als een geometrisch object, waarbij de software als het ware werd 'misleid'. Hierdoor was het mogelijk de vereiste berekeningen uit te voeren en werd de status van het vaartuig aangepast van 'gezonken' naar 'ondergedoken'. Een andere uitdaging bestond uit het ontwikkelen en programmeren van een op maat gemaakte interface in de software voor de invoer van specifieke gegevens over de onderzeeboot en de uitvoer van relevante resultaten. Bij de ontwikkeling van deze interface werd veel aandacht besteed aan een gebruiksvriendelijke omgeving. Bij NAPA – een opdrachtgebaseerd systeem – is dat niet altijd het geval. De uiteindelijke interface wordt gekenmerkt door de moeiteloze in- en uitvoer van data. Een waardevolle en efficiënte tool Het ontwerp van onderzeeboten is een complexe en tijdrovende taak, omdat er weinig documentatie algemeen beschikbaar is.
Maritiem
De SUBSIDE-tool heeft zich bewezen als een waardevolle en efficiënte tool waarmee bijvoorbeeld gedetailleerde hydrostatische analyses voor onderzeeboten kunnen worden uitgevoerd. Met behulp van specifieke invoerparameters kan op gestructureerde wijze een 3D-model van een onderzeeboot worden gemaakt, waarbij de drukhuid en appendages relatief snel worden gedefinieerd. Daarnaast stelt de tool gebruikers in staat om alle benodigde controles en berekeningen uit te voeren bij het bepalen van de balans tussen gewicht en volume, zodat uiteindelijk een stabiele onderzeeër ontstaat. Om software die specifiek is ontwikkeld voor oppervlakteschepen toch te kunnen toepassen bij het ontwerp van onderzeeboten, is het cruciaal dat de onderzeeër binnen NAPA wordt beschouwd als een geometrisch en volumetrisch object. Daarnaast is de in- en uitvoer afgestemd op de behoeften van de gebruiker. SUBSIDE is het eerste werkende prototype van NAPA en wordt nog verder ontwikkeld. Verder onderzoek naar en verbeteringen van de algehele procesanalyse zijn weliswaar wenselijk, maar vereisen verdere investeringen. Op bovenstaande foto presenteert Nevesbu's Lead Naval Architect Ana Maria Tocu de nieuwe softwaretool SUBSIDE op de NAPA users bijeenkomst.
Succesvolle samenwerking Nevesbu had behoefte aan een praktijkgerichte tool waarmee scheepsbouwkundige aspecten kunnen worden doorvertaald in het ontwerp van onderzeeboten. De bestaande ontwerpsoftware, NAPA, bleek een geschikte oplossing voor het ontwerp van een dergelijke tool. In april 2014 is besloten een schetsontwerp te maken voor de opvolger van de Walrusklasse. Daarbij testte Nevesbu de betrouwbaarheid van NAPA aan de hand van het ontwerp van een bestaande onderzeeër. Een jaar later is begonnen met de ontwikkeling van een ondersteunende tool, die SUBSIDE Manager werd genoemd. Dit alles was mogelijk in het kader van de succesvolle samenwerking tussen Nevesbu en NAPA. 37
Volumetric Estimation Tool Een van de belangrijkste ontwerpeisen van onderzeeboten is dat het drijfvermogen onder water neutraal moet zijn. Om dit te realiseren dienen de ramingen ten aanzien van gewicht en waterverplaatsing uitermate accuraat te zijn. Bij het ontwerp van een onderzeeboot zijn dit dan ook de aspecten die al in de eerste ontwerpstadia veel aandacht verdienen.
Om een schatting te maken van de hoofdafmetingen is weer een andere aanpak vereist. De hoofdafmetingen worden bepaald door de afmetingen van elementaire objecten die zich binnen de drukhuid bevinden. Deze aanpak wordt gehanteerd omdat de geometrische afmetingen op grond van de gekozen indeling niet direct kunnen worden doorvertaald. Bij de vergelijking van verschillende ontwerpen van onderzeeboten ontstaat een patroon van gemeenschappelijke elementaire onderdelen.
Bron: AudioVisuele Dienst Defensie (AVDD)
Uitdagingen Het hanteren van de ‘early design stage estimation method’ (ramingsmethode) brengt een aantal uitdagingen met zich mee. Zo kan het voorkomen dat er weinig betrouwbare informatie voorhanden is die kan worden gebruikt als input, omdat het ontbreekt aan voldoende gedetailleerde informatie over het gewenste definitieve ontwerp. Ook kan het (vanwege de militaire gevoeligheid) ontbreken aan betrouwbare gegevens over referentievaartuigen. Deze data kan worden gebruikt om aannames te onderbouwen en om hiaten in de benodigde informatie in te vullen. Normaal gesproken kunnen ontwerpers dit vanuit hun expertise oplossen, maar dit brengt echter ook gevaren met zich mee. Als de uitkomsten van de ramingsmethode na invulling van de expertise kennis significant afwijken van het uiteindelijke ontwerp, is het naderhand nagenoeg onmogelijk om de oorzaak van de afwijking nog vast te stellen. Om toch voldoende inzichtelijke gegevens met de ramingsmethode te produceren, moet het werkelijke verschil tussen de volumeschatting en schatting van de hoofdafmetingen worden geïdentificeerd. Dit kan worden achterhaald door onafhankelijke ramingsprocessen te hanteren voor het volume en de hoofdafmetingen en de uitkomsten later op elkaar af te stemmen om tot een consistente oplossing te komen.
Oplossing De grootste uitdaging bij de raming van het volume is het ontbreken van referentiedata. Veel gepubliceerde gegevens zijn minder betrouwbaar gemaakt en daardoor minder bruikbaar. Als echter een trend kan worden vastgesteld in de wijze waarop de referentiegegevens zijn aangepast, is het in sommige gevallen toch mogelijk om hieruit betrouwbare informatie te halen. Hiertoe wordt gebruikgemaakt van 'Theil Sen', een regressiemethode om schattingen te maken. Door de met deze methode vastgestelde gegevens te kalibreren aan die van een bestaand onderzeebootontwerp, kan een trendlijn worden vastgesteld. Het grote voordeel van de Theil-Sen-methode is dat betekenis kan worden toegekend aan verkregen waarden, doordat de impliciete ontwerpkeuzes van het referentieontwerp bekend zijn.
38 IVORMATIE MAGAZINE DECEMBER 2015
Maritiem
Door de dimensies van deze elementaire onderdelen in kaart te brengen, kan de minimaal vereiste lokale diameter van de drukhuid worden vastgesteld. Met de verkregen informatie worden de volumeramingen geïntegreerd in de geometrische ramingen. Volgende stappen De eerste versie van de tool is onlangs getest en gevalideerd. De tool biedt een behoorlijke mate van betrouwbaarheid en voorziet de ontwerper van uitgebreide informatie over de geraamde waarden. Het systeem heeft zichzelf bewezen als een bruikbaar middel om basisgegevens te genereren voor de waterverplaatsing en hoofdafmetingen van een toekomstig ontwerp.
r
Natuurlijk kan de tool in de toekomst verder worden ontwikkeld; met name op het gebied van volumeramingen is nog ruimte voor verbetering. Naarmate de tool vaker wordt toegepast, zal de structuur ervan worden afgestemd op het proces in kwestie. Al naar gelang het feit of de vereiste informatie in de eerste ontwerpstadia reeds beschikbaar is, kunnen bijvoorbeeld bepaalde invoerparameters worden toegevoegd of verwijderd. Bij de toekomstige ontwikkeling kan worden gedacht aan bepaalde toepassingen ten behoeve van Special Forces en de ontwikkeling van onbemande onderwatervaartuigen.
Ana Maria Tocu Lead Naval Architect, Nevesbu Marijn Hage Naval Architect, Nevesbu
Voorbeeld kritische punten set voor dieselgeneratoren
Ana Maria Tocu Lead Naval Architect, Nevesbu Agueda Lago Rodriguez Naval Architect, Nevesbu Marijn Hage Naval Architect, Nevesbu 39
