MapleSim supporta la costruzione di macchine offshore più affidabili

Un progetto di ricerca universitaria norvegese utilizza modelli MapleSim per prevedere le prestazioni di complessi sistemi offshore di movimentazione dei materiali. A breve termine, tale ricerca aiuterà i progettisti a scegliere i componenti migliori per i loro progetti. In definitiva, esso ha lo scopo di rendere più automatico il processo di progettazione.

Poiché gli impianti di trivellazione petrolifera costano milioni di dollari al giorno, il personale addetto deve avere la certezza di riuscire a svolgere il proprio lavoro il più rapidamente possibile. Tale compito implica l´assemblaggio delle migliaia di metri di tubo flessibile che formano la stringa di perforazione, lavorando in modo sicuro e sistematico su una piattaforma remota dove lo spazio è limitato e le condizioni meteorologiche sono spesso avverse.

Le moderne piattaforme di trivellazione utilizzano sistemi di movimentazione dei materiali altamente specializzati per fare in modo che i componenti siano spostati rapidamente, con precisione e in sicurezza al fine di garantire il rispetto delle tempistiche. Tipicamente, tali attrezzature sono azionate idraulicamente e le versioni più moderne incorporano anche un sofisticato sistema di controllo elettronico, che semplifica le operazioni e permette un notevole grado di automazione.

La progettazione di questi sistemi di controllo è impegnativa perché quando una gru è in movimento il suo comportamento dinamico dipende, fra le altre cose, dal preciso comportamento elettrico e idraulico delle valvole di controllo, dalle prestazioni dei suoi attuatori idraulici, dall´inerzia della struttura della gru, dal suo carico e dalle complesse interazioni fra tutti questi componenti.

Questa complessità, non solo rende difficile la programmazione del sistema di controllo di una gru, ma determina anche problemi di progettazione meccanica e idraulica. I team di progettazione devono avere la certezza che i componenti idraulici selezionati forniscano il livello richiesto di reattività, o ´ampiezza di
banda´, tenendo in considerazione anche una molteplicità di altri fattori che includono il costo, le dimensioni e il peso dei componenti, la loro affidabilità a lungo termine e la facilità di manutenzione.

Il progetto di ricerca in corso presso il Dipartimento di Ingegneria dell´Università di Agder in Norvegia, svolto in collaborazione con il produttore di impianti offshore Aker Solutions, punta a semplificare questa ardua sfida di progettazione permettendo agli ingegneri di costruire ed eseguire simulazioni dettagliate
dell´impianto prima di assemblare una singola parte. MapleSim, il tool di modellazione a livello di sistema di Maplesoft, sta svolgendo un ruolo critico in questa iniziativa.

Responsabile del progetto è il ricercatore Morten Kollerup Bak. Bak spiega: «Il nostro scopo è utilizzare l’approccio Model-based Design per prevedere il comportamento dei prodotti finiti e per supportare le decisioni chiave del progetto. Affinché ciò sia possibile, tutto dipende dalla capacità di modellare l´intera struttura e il sistema di controllo con sufficiente dettaglio per ottenere un´idea realistica delle loro prestazioni».

Nel lavoro di Bak, MapleSim è vitale per la costruzione di modelli così precisi. «Ho diviso l´intero sistema in tre modelli differenti - la struttura meccanica, il sistema di attuazione idraulica e il sistema di controllo elettrico», afferma Bak. «Utilizzo MapleSim per modellare le prime due parti e, in alcuni casi, anche la terza».

MapleSim è ottimo per questo lavoro, egli spiega, perché combina una vasta libreria di elementi standard con la capacità di integrare facilmente parti personalizzate. E questo grado di customizzazione è essenziale per ottenere la precisione e il dettaglio richiesti nell’approccio Model-based.

«Il nostro obiettivo, con questo lavoro, è costruire i modelli idraulici seguendo il più possibile i dati di catalogo standard», osserva Bak. «Abbiamo tuttavia scoperto rapidamente che i produttori di componenti non forniscono sempre tutti i dati di cui si ha bisogno, soprattutto quando si deve considerare la precisione di comportamento dei loro componenti in condizioni dinamiche».

Per ottenere i dati mancanti, Bak ha costruito modelli custom di componenti chiave, come le valvole di controllo, e ne ha convalidato la precisione svolgendo prove su singoli componenti funzionanti in modo isolato.

Una volta comprovate le prestazioni degli elementi custom, Bak può integrarli nei modelli MapleSim
dell´intero sistema di attuazione e utilizzare quest´ultimo per valutare le prestazioni della gru completa. «Con il mio partner industriale, abbiamo già costruito un modello di una delle gru esistenti e dimostrato che esso prevede con precisione il comportamento della vera gru. Ora abbiamo iniziato a utilizzare il modello nel nostro lavoro di progettazione osservando il probabile impatto di sostituzioni o cambiamenti progettuali dei singoli componenti».

Ovviamente, la capacità di modellare tali cambiamenti prima di costruire il sistema è estremamente utile per i progettisti di Aker Solutions, ma la prossima fase del progetto potrà potenzialmente cambiare in modo radicale i loro ruoli. «In definitiva, vogliamo utilizzare i nostri modelli per l´automazione del progetto», spiega Bak. «Con questo approccio, alimentiamo il sistema con i requisiti di prestazione del prodotto finito e con una libreria di opzioni per i componenti idraulici e meccanici e permettiamo, quindi, di cercare la soluzione ottimale».

L´ottimizzazione di centinaia di componenti e migliaia di parametri richiederebbe molto tempo e sarebbe difficile e incredibilmente noiosa per i progettisti umani, mentre un modello simulato creato utilizzando MapleSim può portare a termine questo compito in modo rapido e senza fatica. In ogni caso, un sistema fattibile richiede un algoritmo di ricerca efficiente e Bak intende utilizzare il Metodo “Complex” spiegando che: «Con tale algoritmo, si alimenta la simulazione con una serie di progetti generati in modo casuale per valutare le prestazioni di ciascuno di essi, quindi si seleziona il progetto che ha le prestazioni peggiori e lo si “riflette”´ attraverso il centroide dei progetti rimanenti per produrre una soluzione che dovrebbe funzionare in modo più efficace». Questo processo è quindi ripetuto, sostituendo ogni volta il progetto con le prestazioni peggiori, finché le soluzioni convergono nel risultato ottimale.

Inizialmente, Bak utilizza la stabilità e la precisione come criteri di prestazione e, di conseguenza, la soluzione ottimale è il progetto che produce il minor livello di oscillazioni nel sistema idraulico e che ha la migliore capacità di seguire il riferimento di posizione immesso nel sistema di controllo. Per il futuro, Bak intende aggiungere altri criteri come prezzo, robustezza e affidabilità a lungo termine.

Poiché il progetto dell´Università di Agder sottopone i suoi modelli ad impieghi ancora più impegnativi, sono rilevanti anche altre funzionalità di MapleSim. «Sto utilizzando MATLAB^® e Simulink^® per eseguire
l´algoritmo di ottimizzazione dei progetti», osserva Bak. «Poiché MapleSim offre una connessione diretta con questo pacchetto, è facile integrare le due parti del lavoro». Anche l´ottimizzazione dei progetti pone richieste considerevoli circa l´efficienza dei pacchetti di calcolo, perché una singola ottimizzazione potrebbe richiedere centinaia o migliaia di simulazioni separate. «MapleSim è veloce ed efficiente dal punto di vista computazionale e ciò è essenziale per mantenere i tempi di elaborazione a un livello gestibile quando eseguiamo analisi più vaste e più sofisticate», conclude Bak.

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