Kawasaki Heavy Industries

Transkrypt

1 Przemysł motoryzacyjny i transportowy Kawasaki Heavy Industries Produkt Simcenter Potentat przemysłowy wykorzystuje oprogramowanie Simcenter STAR-CCM+ do skrócenia czasu analizy CFD motocykli o 75 procent Wyzwania biznesowe Redukcja czasu opracowania koncepcji produktu na wczesnym etapie modelowania Skrócenie czasu rozwoju produktu dzięki analizom CFD od wymagań początkowych po opracowanie funkcjonalnych modeli produktu Terminowe wykonanie zadań Klucze do sukcesu Narzędzia automatyzacyjne w Simcenter STAR-CCM+ do bezproblemowego wykonania analiz CFD Duża zbieżność wyników z Simcenter STAR-CCM+ z wynikami badań w tunelu aerodynamicznym Rozwiązanie oferowane przez Siemens PLM Software pozwala firmie Kawasaki na poprawę projektów CAD motocykli Ninja Wdrażanie zaawansowanych operacji wspomagających Motocykle Kawasaki Ninja H2R oraz H2 reprezentują pełny zakres technologii, w których specjalizują się różne grupy firmy Kawasaki. Oprócz Kawasaki Motorcycle and Engine Company (MC&E), w rozwoju tych produktów udział swój mają takie firmy, jak Kawasaki Heavy Industries (KHI) Group Aerospace Company w zakresie dostawy urządzeń aerodynamicznych, Gas Turbine and Machinery Company w zakresie turbosprężarek do silników oraz Precision Machinery Company w zakresie profesjonalnego spawalnictwa. Motocykle te stanowią fuzję najnowocześniejszego know-how z różnych działów KHI, dzięki czemu posiadają specjalne oznaczenie River Mark, nadawane przez Kawasaki i będące symbolem najwyższych technologii, oryginalności i innowacyjności firmy. Ninja H2 jest dopuszczony do jazdy na drogach publicznych, a Ninja H2R jest przeznaczony wyłącznie do jazd po torze zamkniętym. Dzięki mocy zapewnionej przez przełomowe konstrukcje motocykle te są uwielbiane przez fanów na całym świecie. Rezultaty Zastosowanie makr STAR-CCM+ i Java zredukowało czas analizy CFD o 75 procent Wykorzystanie narzędzi Simcenter STAR-CCM+ służących do obróbki powierzchni skraca czas opracowania modelu CAD o 85 % Ulepszenie wentylacji o około 40 procent w stosunku do wymagań konstrukcyjnych Rysunek 1: Kawasaki Ninja H2R (po lewej stronie) i H2 (po prawej stronie).

2 Eiji Ihara jest menadżerem Działu MC&E Development Engineering, a Manabu Morikawa odpowiada za analizę obliczeniową. Wspierają oni proces projektowania i testów poprzez symulację produktu. Jest to doskonały przykład tak zwanego development frontloading terminu określającego tego typu zaawansowane czynności wspomagające projektowanie. Technologia zastosowana w tej analizie została opracowana wspólnie z KHI Technical Institute, a dział MC&E udoskonalił proces rozwoju produktu. Redukcja czasu realizacji zadania Samo opracowanie technologii obliczeniowej dynamiki płynów CFD nie ma znaczenia bez zapewnienia przydatności jej zastosowania w procesie rozwoju rzeczywistego produktu, mówi Ihara. Najbardziej problematycznym wąskim gardłem w przypadku CFD jest czynnik czasu. Z CFD korzystaliśmy także przed rozwojem Ninja H2R/ H2, ale opracowanie modeli obliczeniowych trwało tak długo, że uznaliśmy zastosowanie tej technologii w procesie rozwoju produktu za absolutnie niemożliwe. To skłoniło nas do poszukiwań odpowiednio systemu doprowadzając nas ostatecznie do oprogramowania Simcenter STAR-CCM+. Gdy tylko zetknąłem się z Simcenter Gdy tylko zetknąłem się z Simcenter STAR-CCM+, intuicyjnie zdałem sobie sprawę, że to właśnie to oprogramowanie sprosta realizacji zadania. Eiji Ihara Menadżer, Dział MC&E Development Engineering Kawasaki Heavy Industries

3 Rysunek 2: Inicjatywa zredukowania czasu realizacji zadania STAR-CCM+, intuicyjnie zdałem sobie sprawę że to właśnie to oprogramowanie sprosta realizacji zadania. Największym wyzwaniem w procesie rozwoju nowego produktu jest długi czas potrzebny do tego, aby doprowadzić koncepcję produktu do etapu modelu. Przed stosowaniem automatycznych makr do analizy aerodynamicznej (VSim), które są dostępne w oprogramowaniu Simcenter STAR-CCM+, wykonanie analizy wymagało około jednego miesiąca. Na etapie planowania projektu, z jego wytwarzaniem włącznie, produkty zazwyczaj podlegają prawie codziennym zmianom, a nowe wymagania konstrukcyjne często powstają na podstawie wykonanych analiz. W związku z wykorzystywaniem symulacji jako narzędzia projektowania, kluczowe jest to, aby jej wykonanie nadążało za tempem zmian w projekcie. Czas jednego miesiąca na obliczenia (CFD) podczas projektowania, okazał się za długi, aby mógł stanowić jakikolwiek istotny wkład w proces rozwoju produktu w ramach prac w KHI. Potrzebą o kluczowym znaczeniu było zredukowanie czasu realizacji zadań związanych z analizami CFD. Jako cel dla japońskiego i zagranicznych oddziałów Siemens PLM Software, współpracujących z zespołem KHI określono więc skrócenie czasu obliczeń w projekcie do jednego tygodnia. Za sukcesem, jakim było wdrożenie jednotygodniowego czasu realizacji obliczeń, stały dwie ważne technologie w Simcenter STAR-CCM+: edycja powierzchni [ surface wrapping ] w ramach poprawek finalnej wersji produktu na etapie projektowania (CAD), oraz makra napisane w Java automatyzujące proces obliczeniowy. Przed zastosowaniem tych technologii określono dwa problemy jako najbardziej czasochłonne: czas wymagany do naprawiania modeli CAD (od trzech do czterech Najbardziej problematycznym wąskim gardłem w przypadku CFD jest czynnik czasu. Z CFD korzystaliśmy także przed rozwojem Ninja H2R/ H2, ale opracowanie modeli obliczeniowych trwało tak długo, że uznaliśmy zastosowanie tej technologii w procesie rozwoju produktu za absolutnie niemożliwe. To skłoniło nas do poszukiwań odpowiedniego systemu doprowadzając nas ostatecznie do oprogramowania Simcenter STAR-CCM Eiji Ihara Menadżer, Dział Rozwoju MC&E Dział Technologiczny Kawasaki Heavy Industries Rysunek 3: Proces roboczy zautomatyzowanego (VSim) makra analizy aerodynamicznej.

4 Rysunek 4: Obrobiona siatka na odcinku płaszczyzny dookoła motocykla, pokazująca lepsze parametry śladu aerodynamicznego, automatycznie generowana dzięki Simcenter STAR-CCM+. tygodni), który został rozwiązany dzięki narzędziom edycji i automatycznej naprawy powierzchni oprogramowania STAR CCM+, czas wymagany do konfiguracji analizy (od jednego do dwóch tygodni), który został rozwiązany za pomocą makr Java automatyzujących przygotowanie modelu do obliczeń. Makro VSim, wykonane przez firmę Siemens PLM, wprowadzało parametry analizy do arkusza Microsoft Excel, który z kolei był odczytywany przez Simcenter STAR-CCM+. Makro zautomatyzowało cały proces: import modeli CAD, wyznaczenie warunków brzegowych i granicznych, konfiguracjię tunelu aerodynamicznego, analiz, ustawień prezentacji wyników [ postprocessing ], seryjnego generowania raportów w oprogramowaniu Microsoft PowerPoint. Przeprowadzając testy porównawcze firma Siemens PLM Software udowodniła, że czas obliczeń w ramach jednego projektu trwa nie dłużej niż jeden tydzień. Po wdrożeniu nowego procesu, dział MC&E osiągnął czas realizacji zadań obliczeniowych jeszcze krótszy, bo wynoszący jeden do dwóch dni, przy założeniu wykonania w celu drobnych zmian w geometrii produktu. W porównaniu do naszych wcześniejszych możliwości, teraz możemy symulować kilkadziesiąt przypadków w znacznie krótszym czasie mówi Morikawa. Dzięki temu, zmniejszyliśmy liczbę prototypów, co stanowi niezwykle cenny wkład w obniżenie kosztów i czasochłonności. Jesteśmy przekonani, że zastosowanie Simcenter STAR CCM+ okazało się bardzo skutecznie również na tym polu. Jeżeli chodzi o zasoby obliczeniowe, wstępne zastosowanie analizy CFD w procesie rozwoju produktu odbyło się jako szereg równoległych obliczeń. Dzięki sukcesowi projektu Ninja H2R/H2, podejście obliczeniowe zyskało wysokie Metoda konwencjonalna Po automatyzacji Korekty CAD od 3 do 4 tygodni od 2 do 4 dni Ustawienia warunków analizy od 1 do 2 tygodni W ciągu 1 dnia Roboczogodziny 4 lub 6 tygodni W ciągu 1 tygodnia Czas realizacji zadania od 1 do 1,5 miesiąca W ciągu 1 tygodnia Tabela 1: Wyniki skróconego czasu realizacji zadania

5 100 Współczynnik (%) analizy Cd*A Clf*A Rysunek 5: Wyniki weryfikacji dokładności analizy CFD. oceny w firmie, prowadząc do wzrostu w klastrach obliczeniowych i kolejnych zastosowań analizy CFD w procesach rozwoju szerokiej gamy produktów. Poprawa niezawodności i dokłdności symulacji Główne produkty MC&E charakteryzują się dużą prędkością i wysoką mocą, dlatego kluczowe obszary zastosowania analizy CFD to ocena parametrów aerodynamicznych i kontrola cieplna komponentów elektronicznych. W przeszłości, metoda CFD była stosowana tylko do produktów charakteryzujących się jednocześnie dużą pojemnością skokową silnika i wysoką ceną. Dziś zastosowanie tego narzędzia uległo rozszerzeniu również dla analiz modeli o mniejszej pojemności silnika. Zalety zautomatyzowanego makra VSim nie są ograniczone tylko do samego skrócenia czasu realizacji zadania; należą do nich także: eliminacja błędów ustawień analizy eliminacja rozbieżności w wynikach analiz, realizowanych przez różnych inżynierów Usprawniony i zautomatyzowany proces ułatwił wykonywanie analiz CFD mniej doświadczonemu personelowi. Ostatnio opracowano także makro służące do oceny analizy zarządzania ciepłem i temperaturą, umożliwiające redukcję czasu realizacji zadań obliczeniowych także w tej dziedzinie. Pomimo skrócenia czasu realizacji zadań obliczeniowych analiza pozostaje bardzo dokładna. KHI dysponuje tunelem aerodynamicznym, w którym przeprowadza się próby na pełnowymiarowych modelach motocykla. Parametry tunelu aerodynamicznego są uwzględnione w warunkach granicznych analizy. Dokładność analizy jest obliczana poprzez porównanie współczynnika oporu (Cx) oraz współczynnika siły nośnej (Cz) z wynikami testu dla sześciu głównych komponentów aerodynamicznych. Weryfikacja dokładności analizy odbywa się również poprzez porównanie wizualizacji przepływu obliczeniowego z danymi testowymi wykonanymi m.in. za pomocą owiewania dymem itp. Wyniki zautomatyzowanego procesu VSim w Simcenter STAR-CCM+ wykazały idealną zgodność z danymi testowymi w zakresie całego motocykla, co pokazuje Rysunek 5. Oba te obszary stanowiły wyzwania, z którymi firma KHI mierzyła się po raz pierwszy i bez wątpienia nigdy nie udałoby nam się zakończyć tego procesu rozwoju sukcesem bez analizy CFD. Eiji Ihara Menadżer, Dział MC&E Development Engineering Kawasaki Heavy Industries

6 Rysunek 6: Typ z pełną osłoną (po lewej stronie) i bez osłony (po prawej stronie). W porównaniu do naszych wcześniejszych możliwości, teraz możemy symulować kilkadziesiąt przypadków w znacznie krótszym czasie. Dzięki temu, zmniejszyliśmy liczbę prototypów, co stanowi niezwykle cenny wkład w obniżenie kosztów i czasochłonności. Jesteśmy przekonani, że zastosowanie Simcenter STAR CCM+ okazało się bardzo skutecznie również na tym polu. Manabu Morikawa, szef analiz obliczeniowych, dział MC&E Development Engineering Kawasaki Heavy Industries Wyzwania projektowe stojące przed programem Ninja H2R/H2 Rozwój modeli Ninja H2R/H2 napotkał na dwa główne wyzwania związane z projektowaniem: zapewnienie mocy chłodnicy zdolnej do chłodzenia silnika, aerodynamika obniżająca siłę nośną. Modele Ninja H2R/H2 są wyposażane w silniki z turbodoładowaniem. Ninja H2R to maszyna-potwór, wyposażona w silnik o mocy 321,4 koni mechanicznych (hp) (pod ciśnieniem powietrza naporowego), wytwarzający ogromne ilości ciepła w porównaniu do poprzednich modeli. W związku z tym, zasadniczym celem konstrukcyjnym było zapewnienie dostatecznego przepływu wentylacyjnego chłodnicy w celu chłodzenia silnika. Opisywane motocykle są najszybszymi w stajni Kawasaki, a jednocześnie są one także niezwykle lekkie, co może prowadzić do ewentualnego efektu pływania przedniego koła. Z tego powodu, wyzwanie w zakresie aerodynamiki polegało na obniżeniu wartości siły nośnej działającej na koło przednie. Te dwa punkty były traktowane jako kluczowe aspekty analizy CFD w trakcie postępu prac w procesie rozwoju produktu Badania wentylacji poprzecznej chłodnicy Motocykle są oferowane w wersjach z pełną osłoną oraz bez osłony. Każda z nich ma swoje wady i zalety. Pełna osłona zapewnia lepszy przepływ powietrza z przodu chłodnicy, ale wentylacja wiatrowa jest słaba, ponieważ osłona rozciąga się na tylnej części chłodnicy. W przypadku bezosłonowego typu motocykla, wentylacja w tylnej części chłodnicy jest doskonała, jednak odbywa się kosztem braku możliwości kumulacji przepływu powietrza z przodu chłodnicy. Rozwój modeli Ninja H2R/H2 wymagał konstrukcji mogącej zaoferować zalety obu z nich. Aby spełnić ten wymóg, użyto symulacji Simcenter STAR-CCM+ w celu ustalenia konstrukcji zdolnej do zbierania wiatru z przodu i ulepszenia wentylacji z tyłu. W szczególności, przeprowadzona została analiza różnych konfiguracji osłony aż do ostatecznego uzyskania wymaganej wielkości przepływu. W porównaniu z początkową konstrukcją, wyniki analizy CFD pokazują, że wentylacja poprzeczna uległa poprawie o około 40 procent, co z nawiązką spełniła wymagania konstrukcyjne. Badania urządzeń aerodynamicznych Następna faza obejmowała badania części aerodynamicznych, które obniżyłyby siłę nośną działającą na przednie koło. Stanowi to ważne zagadnienie konstrukcyjne z punktu widzenia zapewnienia bezpieczeństwa jazdy na Ninja H2R/H2. Firma lotnicza Aerospace Company z grupy KHI wykorzystała około 100 lat

7 Rysunek 7: Badania konfiguracji osłony służące zapewnieniu wentylacji poprzecznej radiatora: Kumulacja przednia wiatru jest równoważna z typem wyposażonym w osłonę (po stronie lewej). Tylna wentylacja poprzeczna odpowiada typowi bezosłonowemu (po stronie prawej). doświadczeń z zakresu aerodynamiki do przeanalizowania wielu lustrzanych konfiguracji i innych urządzeń w celu obniżenia siły nośnej działającej na przednie koło. Oba te obszary stanowiły wyzwania, z którymi firma KHI mierzyła się po raz pierwszy i bez wątpienia nigdy nie udałoby nam się zakończyć tego procesu rozwoju sukcesem bez analizy CFD., mówi Ihara. Już w fazie projektowania zrozumieliśmy, że wyjątkowo trudne byłoby osiągnięcie efektywnej równowagi cieplnej przy jednoczesnym osiąganiu wysokich prędkości. Z kolei, z uwagi na fakt, że była to maszyna zaprojektowana dla klientów wymagających takich parametrów, nie było wyboru innego niż osiągnięcie tego kompromisu. Odrzuciwszy wiele pomysłów, ostatecznie skupiliśmy się na jednym kierunku rozwoju produktu. Bycie potentatem w przemyśle ciężkim pozwala KHI stosować pozyskane w nim najlepsze technologie do rozwoju motocykli. Wynikająca stąd współpraca ponad podziałami organizacyjnymi stanowi o sile firmy. W bardzo konkretnym znaczeniu, projekt ten stanowi urzeczywistnienie ducha All Kawasaki. Jeden z największych sukcesów firmy Wykorzystanie metody edycji powierzchni [ surface wrapping ] Simcenter STAR-CCM+ oraz platformy makr zautomatyzowanych pozwoliło firmie KHI na bardzo znaczące skrócenie czasu realizacji zadania. Otworzyło to drogę do zastosowania analizy CFD do prac rozwojowych i w efekcie sprawiło, że wykorzystanie przekrojowe tego typu analiz w KHI stało się jednym z największych sukcesów firmy w ostatnich latach. Innym wartym podkreślenia aspektem tego projektu jest Rysunek 8: Zmiana wentylacji poprzecznej chłodnicy w trakcie rozwoju Ninja H2R/H2

8 Rozwiązania/Usługi Simcenter STAR-CCM+ siemens.com/star-ccm-plus Główny profil działalności Klienta Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (KHI) to jedno z trzech głównych przedsiębiorstw przemysłu ciężkiego w Japonii, które rozpoczęło swoją działalność jako stocznia w 1896 roku. Obecna oferta firmy obejmuje szeroką gamę produktów, w tym motocykli, maszyn precyzyjnych, instalacji i systemów środowiskowych, turbin gazowych, statków, pojazdów kolejowych, samolotów i statków kosmicznych. Lokalizacja Klienta Minato, Tokio Japonia Rysunek 9: Wyniki badania urządzeń aerodynamicznych dla Ninja H2 (po stronie lewej) i H2R (po stronie prawej), wykazujące minimalny wzrost oporu i znaczy spadek siły nośnej. udzielana przez Siemens PLM Software licencja Power Session dowód kreatywnego i wyjątkowego w przypadku Simcenter STAR-CCM+ podejścia do polityki licencjonowania. Ten format licencjonowania może być stosowany w uzupełnieniu do zasobów sprzętowych, ułatwiając elastyczne użytkowanie sprzętu związanego z określonymi cyklami procesu rozwoju. Aby dalej ulepszać parametry produktu, Morikawa analizuje możliwość potencjalnego zastosowania oprogramowania HEEDS, oferowanego przez Siemens PLM Software narzędzia do wielodyscyplinarnej eksploracji projektu (MDX), które można stosować w procesie rozwoju produktu. Wywiad ten został przeprowadzony w 2015 roku. Wspomniane w nim imiona i nazwiska, stanowiska i działy były aktualne na dzień przeprowadzenia wywiadu. Kawasaki Ninja H2R/H2 opisany w tym artykule jest modelem z 2015 roku. Rysunek 10: Linie ciśnienia na motocyklu i motocykliście pokazane za pomocą Simcenter STAR-CCM+ Siemens PLM Software Ameryka Północna i Ameryka Południowa Europa Azja i rejon Pacyfiku Polska (0) Logotypy Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Siemens oraz Siemens stanowią zarejestrowane znaki towarowe Siemens AG. Femap, HEEDS, Simcenter 3D oraz Teamcenter stanowią znaki towarowe lub zarejestrowane znaki towarowe Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. lub jej filii w Stanach Zjednoczonych i innych krajach. Simcenter, Simcenter Amesim, LMS Samtech Samcef, LMS Samcef Caesam, Simcenter SCADAS, Simcenter Testxpress, Simcenter Soundbrush, Simcenter Sound Camera, Simcenter Testlab oraz LMS Virtual.Lab stanowią znaki towarowe lub zarejestrowane znaki towarowe Siemens Industry Software NV lub którejkolwiek z jej filii. Simcenter STAR-CCM+ oraz STAR-CD stanowią znaki towarowe lub zarejestrowane znaki towarowe Siemens Industry Software Computational Dynamics Ltd. Excel and PowerPoint stanowią znaki towarowe lub zarejestrowane znaki towarowe Microsoft Corporation. Java stanowi zarejestrowany znak towarowy Oracle i/lub jej filii. Wszelkie pozostałe znaki towarowe, zastrzeżone znaki towarowe lub znaki usług należą odpowiednio do ich właścicieli A9 8/18 Y