Wykorzystanie analiz FEM wsparciem w optymalizacji konstrukcji statków, a tym samym w procesie ich budowy i docelowej eksploatacji

Wartością priorytetową budowanych dzisiaj statków jest bezpieczeństwo ich konstrukcji. Poza ochroną życia ludzkiego istotna jest również zdolność do pracy w trudnych warunkach na morzu czy zapewnienie ochrony środowiska naturalnego. Ponadto minimalizowanie ryzyka wypadków i kosztów ewentualnych napraw, a tym samym wypłaty wysokich odszkodowań, to również jeden z kluczowych celi procesu budowy jednostek pływających. Całość musi być również efektywna ekonomicznie oraz zgodna z założonymi harmonogramami realizacji. Odpowiedzią na te wyzwania jest między innymi optymalizacja konstrukcji statków w zakresie ilości i ciężaru użytych materiałów konstrukcyjnych. W tym celu biura projektowe korzystają z wyspecjalizowanego oprogramowania, by zwiększać zarówno precyzję oraz efektywność opracowywania obliczeń wytrzymałościowych, jak również zachować zgodność z wymaganiami klienta i przepisami klasyfikacji oraz zapewnić bezpieczeństwo konstrukcji, uwzględniając równolegle aspekt kosztów wykonania danej jednostki.

Prognozowanie kluczem do sukcesu

Niezbędnym elementem projektowania konstrukcji są analizy umożliwiające przewidywanie zachowań statku pod wpływem zadanych obciążeń, symulujących realne warunki i wyzwania na morzu. W przypadku analiz strukturalnych znaną od lat metodą są modele belkowe BIM (ang. Beam Models), wykorzystujące uproszczone elementy prętowe w ujęciu 1D do prezentacji konstrukcji wzdłuż jej osi, co umożliwia obliczenia i analizę globalnej pracy na wodzie. W praktyce BIM-owe modele belkowe służą do projektowania i oceny ogólnej statyki. Umożliwiają szybkie obliczenia i ramową analizę pracy obiektu, jednak bez możliwości dokładnego odwzorowania detali czy lokalnych koncentracji naprężeń. Chcąc dokonać precyzyjnej analizy wytrzymałości konieczne jest zastosowanie bardziej złożonych narzędzi. W tym wypadku projektanci sięgają do innej metody obliczeniowej - Metody Elementów Skończonych MES (ang. FEM, Finite Element Method) - polegającej na podziale konstrukcji na wiele małych elementów, które wspólnie odwzorowują złożoną geometrię i zachowanie wskazanych obiektów, wykorzystując do tego celu modele 2 lub 3D. 

Obie wskazane metody wzajemnie się uzupełniają, co nie oznacza, że wszystkie biura projektowe korzystają z ich obu. Zastosowanie FEM w procesie projektowym wymaga spełnienia kilku istotnych elementów. Kluczowe jest dedykowane, nowoczesne oprogramowanie. By to oprogramowanie efektywnie wykorzystać niezbędni są doświadczeni inżynierowie, posiadający przeszkolenie i praktyczną wiedzę z zakresu modelowania geometrii oraz weryfikacji i interpretacji otrzymanych wyników, zapewniając jednocześnie wykonanie analiz w sprawnych tempie, wpisującym się w harmonogram realizacji całego projektu. Biuro Seatech Engineering z Gdańska, specjalizujące się w projektach małych i średnich jednostek, ma w swoim zespole takich specjalistów i wykorzystuje analizy FEM, tworząc kompletne modele statków już we wczesnych fazach projektowania. 

Kluczowe korzyści

Zastosowanie obliczeń FEM w projektowaniu statków przynosi znaczące korzyści zarówno na etapie samego projektu - usprawnia jego przebieg i zapewnia precyzję obliczeń - jak również rezonuje na proces budowy w stoczni oraz późniejszą eksploatację jednostki przez armatora. Bazując na metodologii projektowania Seatech Engineering, wykonane metodą FEM analizy i model jednostki już na wstępnym etapie projektu stanowią swoistą bazę całego konceptu. To na przygotowanych modelach pracują inżynierowie na kolejnych etapach prac i to dzięki nim mogą w czasie rzeczywistym wprowadzać bieżące zmiany w projekcie.

Wykorzystanie FEM umożliwia szczegółową ocenę zachowania konstrukcji już we wstępnej fazie projektowania. Pozwala na dobór oraz optymalizację wiązań w obszarze całego kadłuba, jednoczesną integrację fundamentów urządzeń pokładowych i kadłubowych oraz wykrycie potencjalnych koncentracji naprężeń. Dzięki temu ograniczane jest ryzyko kosztownych zmian w późniejszych etapach projektowania, co bezpośrednio wpływa na minimalizację kosztów. Ponadto wypracowanie i zweryfikowanie modeli metodą FEM w początkowej fazie pozwala na szybsze przejście do realizacji dokumentacji roboczej statku, która stanowi bazę dla późniejszych operacji w stoczni.

Istotnym aspektem w kontekście wykorzystania FEM jest również kontrola masy, a konkretnie zależności między masą projektowaną, a finalną masą statku (ang. lightship). Ma to szczególne znaczenie w projektach małych jednostek, w których specjalizuje się biuro Seatech Engineering. Reprezentacja mas w modelu FEM umożliwia porównanie planowanej wartości z masą obliczoną na bazie detalicznych zestawień i symulacji. Dzięki rozbiciu masy na grupy i obliczeniu niepewności dla każdej z nich można znacząco zminimalizować marginesy docelowych wartości. Dzięki temu odchylenia między masą zakładaną a rzeczywistą znacząco się zmniejszają. Taka metodologia to realne zoptymalizowanie konstrukcji kadłuba na wczesnym etapie, osiągając tym samym lżejszą konstrukcję, a co za tym idzie niższe koszty budowy jednostki i mniejsze zużycie paliwa na etapie użytkowania.

Warto również zwrócić uwagę, iż wykorzystanie modeli obliczeniowych umożliwia kontrolę procesu projektowego w czasie rzeczywistym. Inżynier na bieżąco analizuje otrzymane wyniki względem zdefiniowanych kryteriów we wszystkich obszarach konstrukcji statku. Bieżąca weryfikacja i ewentualne korekty usprawniają proces i zapewniają płynne zatwierdzenie projektu na późniejszym etapie. 

Implementacja FEM do procesu projektowego to więc szereg korzyści. To gwarancja wiarygodnego designu, przy jednoczesnym zminimalizowaniu późniejszych ryzyk. Efektem jej wykorzystania w powyżej wskazanych obszarach jest dopracowana i zweryfikowana dokumentacja przekazana stoczni, co minimalizuje problemy produkcyjne, zmniejsza liczbę przeróbek i ułatwia montaż, jak również przekłada się na krótszy czas budowy i bardziej przewidywalny budżet. Armator korzysta z konstrukcji o wyższej niezawodności i trwałości, zoptymalizowanej pod kątem masy i zużycia materiałów, a także lepiej przygotowanej na ekstremalne obciążenia eksploatacyjne. W efekcie jednostka charakteryzuje się niższym wkładem inwestycyjnym oraz kosztami operacyjnymi, a tym samym większą wydajnością i bezpieczeństwem. Docelowo zwiększa się wartość rynkowa statku oraz jego konkurencyjność - alternatywnie poprzez zmniejszenie marży i bycie atrakcyjnym cenowo, lub maksymalizację zysków dzięki zachowaniu marży przy niższych kosztach.

Przepisy klasyfikacyjne

Wymagania klasyfikacyjne dotyczące zastosowania metod FEM w projektowaniu statków znacząco ewaluowały w ostatnich latach. Do 2014 roku uregulowania w tym zakresie stanowiły margines wytycznych. Na przykładzie największego towarzystwa klasyfikacyjnego, tj. DNV, widać, iż zakres przepisów i standardów opisujących zastosowanie analiz FEM w procesie projektowania obiektów pływających publikowanych przez towarzystwa klasyfikacyjne wyraźnie wzrosła w ostatnich latach. Analizy te stanowią istotną część procesu projektowego. W kontekście analiz globalnych przepisy skupiają się jednak głównie na dużych statkach lub tzn. novel design. Mało jest biur projektowych na polskim rynku, które budują modele obliczeniowe FEM dla małych i średnich jednostek, ewentualnie w obszarze fundamentów. Seatech Engineering dostrzega jednak wspomniane powyżej korzyści i posiadając niezbędne zasoby, uwzględnia we własnej metodologii projektowania obliczenia FEM praktycznie na każdym etapie. Fakt, że mniejsze statki nie są objęte obowiązkiem zastosowania FEM nie oznacza, że biura projektowe nie mogą z nich korzystać. Dostępne obecnie narzędzia i programy do modelowania są na tyle efektywne, że tworzenie modeli belkowych jest coraz mniej opłacalne i stanowi raczej wsparcie niż bazę do niezbędnych w procesie projektowym wniosków.

FEM w realnym użyciu

Biorąc pod uwagę wymagania niezbędne do wykorzystania analiz FEM w procesie projektowym oraz korzyści płynące z ich zastosowania, warto sprawdzić, jak wygląda to praktyce. Seatech Engineering, wykorzystując FEM w metodologii projektowej w szeroki spektrum, dysponuje szeregiem przykładów opracowanych modeli statków oraz związanych z tym zarówno wyzwań, jak i realnych profitów.

W ubiegłym roku biuro zrealizowało projekt klasyfikacyjny i częściowo wykonawczy 44-metrowego statku typu Freezing Trawler, w którym zgodnie z wymogami klienta poszycia kadłuba od poziomu dna wewnętrznego do poziomu najwyższego pokładu usztywnione były jedynie usztywnieniami drugiego rzędy. Konstrukcja burt nie zawierała typowych wiązarów tj. usztywnień pierwszego rzędu. Pomimo tak zdefiniowanych założeń jednostka musiała spełniać niezbędne wymogi wytrzymałości oraz stabilności całej konstrukcji. Towarzystwo klasyfikacyjne, w tym wypadku Bureau Veritas, sklasyfikowało ten projekt jako „case-by-case approval”, co oznacza indywidualny proces klasyfikacyjny dla konkretnej jednostki. W celu zatwierdzenia dokumentacji kadłubowej niezbędne było zbudowanie szczegółowego modelu obliczeniowego odwzorowującego poziom naprężeń w obszarach zainteresowania, czyli w usztywnieniach burtowych oraz w połączeniach ich końców. Z uwagi na fakt, iż środniki wiązarów (w tym przypadku usztywnień), zgodnie z wytycznymi klasy należało modelować co najmniej 3 elementami na ich wysokości, zastosowanie obliczeń przy użyciu modelu powłokowego było nieocenione.

Realizacja projektu trawlera wymagała od Seatech Engineering dużych nakładów pracy. W momencie podpisania umowy z klientem nie zakładano klasyfikacji w modelu „case-by-case approval”, gdzie wymagania były niestandardowe. Dzięki sprawnemu zastosowaniu analiz i modelowania FEM udało się opracować dokumentację projektową w zakładanym terminie i pod koniec 2025 roku częściowo wyposażony w Polsce kadłub jednostki został przetransportowany do stoczni na Wyspach Owczych w celu sfinalizowania procesu wyposażania jednostki. Statek ma zostać przekazany armatorowi latem bieżącego roku. 

Innym przykładem wykorzystania analiz FEM jest realizowany obecnie przez biuro kompleksowy projekt stawiacza pław. Jednostka o kadłubie długości nieznacznie przekraczającej 24m, czyli tej granicznej dzielącej małe i duże statki według norm Polskiego Rejestru Statków, musiała spełniać rygorystyczne wymagania klasy lodowej L1. Już na wstępnym etapie projektowania pojawiły się pewne wyzwania. Stosując minimalne wymagania przepisowe dla grubości poszycia i wiązarów dużych statków oraz grubości wzmocnień lodowych zdefiniowanych przez przepisy, Seatech Engineering już na starcie musiało mierzyć się ze zbyt ciężkim kadłubem przy jego oczekiwanym kształcie. Tutaj ponownie z pomocą przyszło modelowanie FEM. Analiza szczegółowego modelu powłokowego, z wykorzystaniem obwiedni maksymalnych obciążeń przepisowych oraz grubości poszycia i wiązarów mniejszych od wartości minimalnych, pokazała niski poziom naprężeń w konstrukcji kadłuba. Dzięki temu możliwe było rozważenie odstępstw od wymogów minimalnych przez towarzystwo klasyfikacyjne.

Ponadto, dzięki analizie wzmocnień lodowych przy użyciu FEM, udało się wypracować znacznie lżejszą konstrukcję kadłuba w rejonie pasa lodowego, niż tą zdefiniowaną formułami przepisowymi. To jeden z kluczowych aspektów procesu projektowego małych jednostek, gdzie problemy z kontrolą masa są powszechne. W wypadku analizowanego stawiacza pław wstępnie oszacowana masa kadłuba po przeprowadzeniu analiz metodą FEM, docelowo pokryła się z tą wyznaczoną na bazie gotowego modelu Cadmatic. 

Analizy i modelowanie przy użyciu FEM są istotnym narzędziem wspomagającym optymalizację współczesnego projektowania, budowy i eksploatacji statków w warunkach rosnących wymagań dotyczących bezpieczeństwa oraz presji czasowej realizacji, przy jednoczesnym zapewnieniu efektywności finansowej. Pomimo iż, modele belkowe nadal pełnią istotną funkcję w analizach strukturalnych, to zastosowanie metody elementów skończonych umożliwia zaprojektowanie zoptymalizowanej konstrukcji statku oraz skuteczną kontrolę jego masy. Na przykładzie metodologii projektowania biura Seatech Engineering jasno widać, iż wdrożenie FEM pozwala na bieżącą weryfikację rozwiązań konstrukcyjnych, ograniczenie ryzyka kosztownych zmian, usprawnienie procesu zatwierdzania projektu oraz przygotowanie dopracowanej dokumentacji roboczej dla stoczni. Efektem jest lżejsza, bardziej niezawodna i dopracowana konstrukcja, przekładająca się na niższe koszty budowy i eksploatacji oraz wyższą wartość rynkową jednostki, niezależnie od tego, czy przepisy klasyfikacyjne formalnie wymagają zastosowania analiz FEM, jak to ma miejsce w przypadku małych statków. W celu osiągnięcia oczekiwanych efektów, stawianych zarówno wobec konstrukcji, jak również optymalizacji kosztów budowy statku, kluczowy jest wybór biura projektowego. To jego odpowiednie kompetencje, zasoby oraz biegłość w wykorzystaniu metod obliczeniowych FEM, zapewniają jakość i wiarygodność przekazywanej do produkcji dokumentacji projektowej, co finalnie przekłada się na redukcję ryzyka w kontekście opłacalności całej inwestycji.