РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНО-АВТОМОБИЛЬНО-ПАССАЖИРСКОГО ПАРОМА

DEVELOPMENT OF A DIGITAL TWIN OF A RAILWAY-CAR AND PASSENGER FERRY

Kochkin Maxim

Master's student in Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev — NNSTU, Russia, Nizhny Novgorod

Аннотация. Для круглогодичного обеспечения грузопассажирского сообщения между материковой частью России и островом Сахалин проектируется железнодорожно-автомобильно-пассажирский паром. Проектирование производится путем создания цифрового двойника судна с использованием программного комплекса САПР SolidWorks.

Ключевые слова: цифровой двойник, САПР SolidWorks, 3D-модель парома, имитационное моделирование ходкости судна.

Транспортная инфраструктура Арктики и северных регионов Дальнего Востока нуждается в круглогодичных и стабильных морских перевозках. Одной из таких задач, в частности, является обеспечение регулярного грузопассажирского сообщения между материковой частью России и островом Сахалин. Сложная ледовая обстановка и слабая портовая инфраструктура требуют разработки судна с особыми характеристиками для безопасной эксплуатации.

Для круглогодичного обеспечения грузооборота и пассажиропотока между портами Ванино — Холмск проектируется железнодорожно-автомобильно-пассажирский паром. Судно проектируется на класс Российского морского регистра судоходства [1]: КМ (самоходный), Arc5 (ледовый класс), AUT1-ICS (степень автоматизации судна), ANTI-ICE (защита от обледенения), ECO (повышенная экологическая безопасность), Ro-ro (накатное судно).

Корпус судна и его надстройка должны быть спроектированы для работы в ледовых условиях и обеспечивать надёжную эксплуатацию как в летний, так и в зимний периоды, а также иметь привлекательный и эстетичный вид. Кроме того, надстройка должна эффективно использовать пространство для размещения пассажиров и различных категорий грузов: железнодорожных вагонов, автопоездов, контейнеров.

Требуемые технические характеристики проектируемого железнодорожно-автомобильно-пассажирский парома:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выбрать технологию проектирования;

2) проанализировать технические требования к парому и выбрать архитектурно-конструктивный тип парома;

3) разработать компоновку судна;

4) рассчитать полное сопротивление при движении судна;

5) провести расчеты ледовой ходкости для подтверждения соответствия требованиям ледового класса Arc5.

Было принято решение проводить проектирование путем создания цифрового двойника [2,3].

Цифровой двойник — это цифровая виртуальная модель любого физического объекта, которая копирует его форму, характеристики, действия [4].

Цифровая модель (цифровой двойник) уже на стадии проектирования применяются для проверки и подтверждения принимаемых технических решений и моделирования различных условий эксплуатации объекта. На основе цифровой модели можно проводить модельные испытания вместо натурных, разрабатывать технологию изготовления и создавать управляющие программы для станков с ЧПУ. Все это позволяет получить представление о конечном результате уже на начальном этапе и построить судно, максимально приближённое к требованиям заказчика, а также минимизировать ошибки при проектировании, сэкономить время и средства.

Создание цифрового двойника проектируемого железнодорожно-автомобильно-пассажирского парома позволяет иметь 3D-модель судна на компьютере, которая в точности повторяет всю конструкцию, расположение помещений, оборудования и даже расположение груза. По сути, цифровой двойник дублирует реальность в виртуальной среде.

Для реализации технологии цифрового двойника необходима САПР.

Нами был выбран программный комплекс САПР SolidWorks (далее — SW) [5,6,7]. Он идеально подходит для решения задач современного проектирования, в том числе такого сложного инженерного сооружения, каким является судно. Благодаря множеству приложений SolidWorks охватывает весь процесс проектирования - от создания модели конструкции до разработки управляющей программы для станков с ЧПУ. При этом передача данных между CAD, CAE и САМ происходит напрямую без применения сторонних форматов, что значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования.

Вот только некоторые основные модули SolidWorks [5].

1. Модуль SW 3D CAD. Он является основой всего комплекса продуктов SolidWorks и обеспечивает все аспекты жизненного цикла изделия: проектирование, проверку технологичности, моделирование, производство, экологическую экспертизу, оценку себестоимости и управление данными.

2. Модули SW Simulation и Flow Simulation. Эти модули применяются для различных инженерных расчетов и анализа. SW Simulation используется для моделирования прочностных характеристик, анализа напряжений, деформаций и топологической оптимизации конструкций. Это позволяет оптимизировать элементы судна, такие как корпуса, балки или крепежные конструкции, снижая их вес без потери прочности. SW Flow Simulation предназначен для анализа потоков воды и воздуха, что помогает оценить поведение судна в различных эксплуатационных условиях. Рассмотрим примеры использования этих модулей в практике судостроения:

а) SW Simulation: оптимизация якорных устройств или рамных конструкций для уменьшения их массы при сохранении прочностных характеристик.

б) SW Flow Simulation: позволяет моделировать движение судна с учетом различных факторов (ветер, течение, волнение и другие нагрузки на корпус). Понимание его маневренных возможностей в условиях различных загрузок и внешних факторов.

3. Модуль SW Manage обеспечивает управление проектами. Он позволяет гибко и эффективно отслеживать взаимосвязи между проектами, сохраняя всю документацию в одном месте. Также имеется возможность планировать и администрировать ресурсы, контролировать выполнение каждой задачи. Модуль предусматривает создание отчетов по запросу или на основе расписания.

Проанализировав технические требования к парому, была выбрана конструкция железнодорожно-автомобильно-пассажирского парома с носовой надстройкой обтекаемой формы.  Это позволяет снизить лобовое сопротивления от ветра до 30%. Кроме того, такое размещение надстройки улучшает обзорность судна и освобождает верхнюю палубу для размещения дополнительного груза.

Используя программный комплекс САПР SolidWorks в работе, была разработана цифровая модель (3-х мерная модель корпуса) судна и его компоновка (рисунок 1, 2).

Созданный цифровой двойник парома был использован при имитационном моделировании обтекания неподвижного корпуса парома движущимся потоком воды и воздуха [8]. Сравнение полученных результатов численных расчетов с расчетами по приближенным методикам показывает их удовлетворительную точность при сравнительно низких затратах ресурсов, были получены следующие результаты относительно дорогостоящих экспериментальных исследований в гидродинамических лабораториях.

Рисунок 1. Модель поверхности проектируемого суда

Рисунок 2. Общее расположение проектируемого судна

В дальнейшем предполагается использовать созданный цифровой двойник парома для решения основных проектных задач: конструирование мидель-шпангоута, определение объемов всех помещений, разработка общего расположения, определение ходкости судна на чистой воде, а также в ледовых условиях. Все эти исследования позволят оптимизировать конструкцию проектируемого судна.

В ходе исследований получены следующие результаты:

1. Выбрана технологическая платформа для проектирования парома: Цифровой двойник и программный комплекс САПР SolidWorks.

2. Выбрана конструкция корпуса с подкрепляющем его набором и разработана его компоновка.

3. Создан цифровой двойник парома (цифровая копия).

4. Проведена апробация цифрового двойника парома на имитационном моделировании обтекания неподвижного корпуса движущимся потоком воды и воздуха. Отдельно были проведены расчёты ледовой ходкости, которые показали, что судно сохраняет операционную скорость при переходе через битый лёд и может самостоятельно заходить в порты в условиях тяжёлой ледовой обстановки.

5. Намечен план дальнейших исследований.