Periodico bimestrale
Anno XX, numero 91
marzo-aprile
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

LincoSim: statistiche di utilizzo di un’applicazione Web per la progettazione navale

Raffaele Ponzini, Francesco Salvadore - CINECA

LincoSim è un’applicazione web innovativa a supporto della progettazione di scafi plananti attraverso l’utilizzo di metodologie computazionali sviluppata nell’ambito del progetto europeo LINCOLN. A partire dall’aprile 2018 il servizio è stato aperto ai partner di progetto e supporta oggi tre diversi gruppi di utenti che hanno eseguito in pochi mesi centinaia di esperimenti computazionali fornendo una chiara visione delle statistiche di utilizzo. I risultati preliminari in termini di usabilità e robustezza con circa 200 simulazioni completate e più di 20 geometrie caricate dai tre gruppi nel complesso. Entro la fine del 2018 verrà pianificata una serie di campagne sperimentali in vasca navale e attraverso prove in mare che verranno utilizzate per stimare anche l’accuratezza dei solutori numerici.

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Introduzione

In questo lavoro, presentiamo l’esperienza di utilizzo e le statistiche di un’applicazione web innovativa dedicata al supporto del processo di progettazione degli scafi plananti. L’applicazione web, denominata LincoSim ([1]), è stata sviluppata nell’ambito del progetto LINCOLN finanziato dall’Unione Europea (vedi [2]). LINCOLN è un progetto di ricerca UE Horizon 2020 della durata di 36 mesi (1 ottobre 2016 - 30 settembre 2019, convenzione di sovvenzione n. 727982) che utilizza metodologie e strumenti di progettazione innovativi per lo sviluppo di tre tipologie di imbarcazioni.
In LincoSim, l’interfaccia utente Web comprende visualizzazioni WebGL 2D e 3D ad elevata interattività necessarie per preparare, verificare, sottomettere ed infine analizzare le simulazioni numeriche CFD complesse solo attraverso l’inserimento da parte dell’utente della geometria dello scafo e dell’insieme di pochi parametri fisici solitamente ben noti già dalle fasi preliminari del design. Una volta impostati gli input del modello CFD, i servizi Web gestiscono automaticamente ed in maniera trasparente per l’utente l’interazione con le risorse computazionali. Il motore di calcolo CFD utilizza diversi solutori standard di OpenFOAM (vedi [3]) che consentono di risolvere l’equazione di Navier-Stokes 3D includendo il movimento dinamico della mesh (per simulazioni N-DOF) in modo economico ed efficace.



Figura 1 - Diagrammi di flusso delle funzionalità di LincoSim: (a) le tre fasi del processo CFD; (b) le tre fasi del processo CFD rese automatiche ed interattive attraverso il Web.


LincoSim è aperto ai partner del progetto LINCOLN dall’aprile 2018 ed è oggi dotato di una serie di diverse impostazioni del solutore numerico differenziate per ciascun gruppo di casi di business coinvolti come segue:
• Gruppo 1: captivebase, 1Dof, 2Dof;
• Gruppo 2: captivebase; 1Dof;
• Gruppo 3: captivebase; 1Do

 

Figura 2 - Tipologie di scafo studiati.

Tutti questi solutori differiscono da un gruppo di utenti all’altro a causa della necessità per ciascun solutore di essere in grado di funzionare correttamente su tutti i comportamenti molto diversi dei tre diversi casi di business coinvolti in LINCOLN. Infatti, nei casi reali, gli scafi presentano idee progettuali molto specifiche che influenzano profondamente le prestazioni dello scafo durante il suo utilizzo operativo. L’idea di avere diverse impostazioni specifiche del solutore per ogni business case è guidata dalla necessità di essere quindi in grado di catturare ogni comportamento specifico con un singolo e semplice insieme standard di input.
Grazie a questo principio, l’interfaccia grafica di LincoSim è standard per ogni categoria di utenti in modo che dal punto di vista dell’utente tutte le differenze siano del tutto nascoste. Quello che poi accade, una volta istanziata una nuova analisi, a livello di back-end computazionale è che gli input dell’utente sono usati in modo diverso dal setup del solver per costruire il modello CFD, o per discretizzarlo, o per post-processare i risultati numerici. Nella nostra filosofia abbiamo progettato i solutori LincoSim per condividere le stesse caratteristiche del solutore numerico, quindi il modo in cui le equazioni sono risolte è standard su tutti i nostri flussi di lavoro e ciò che sta cambiando è il modo in cui il modello CFD è costruito o discretizzato.
L’impostazione del solutore captivebase è un solver molto generale utile per eseguire simulazioni a zero gradi di libertà. In altre parole, lo scafo è impostato in una data posizione in termini di angolo di inclinazione e di affondamento definito dagli input dell’utente e questo orientamento e posizione del CoG sono costanti lungo l’intera simulazione. Questo tipo di configurazione è utile per una valutazione preliminare molto rapida dello scafo.
I solutori 1Dof sono tutti progettati per essere in grado di eguagliare esattamente il valore del peso dello scafo, ottenuto come post-elaborazione dei dati di uscita integrando nella direzione verticale la somma dei contributi delle forze di pressione e viscose, con il valore dello scafo imposto a livello di input come massa. In altre parole il solutore 1Dof può essere utilizzato per avere, per un dato valore di inclinazione dello scafo (pitch), il valore esatto dell’affondamento (sink) che corrisponderà alla massa dello scafo imposto dopo un posizionamento dinamico dello spostamento verticale del CoG tale da soddisfare l’equilibrio delle forze agenti sullo scafo. Per il solutore 1Dof la dinamica del CoG è limitata a una traslazione verticale rigida dello scafo e il solutore raggiunge autonomamente i criteri di arresto della convergenza quando il valore della velocità verticale si appiattisce attorno allo zero per un certo periodo.
L’impostazione del solutore 2Dof è invece quella di un solver completo di dinamica dello scafo che consente un movimento più generale dello scafo attorno al CoG in termini sia traslazionali che rotazionali (free sink and pitch).
Lo scafo è quindi libero di variare sia l’assetto angolare che la posizione dell’affondamento per trovare l’equilibrio delle forze idrodinamiche sempre nell’ottica di bilanciare la massa dello scafo. Il solutore lavora fino a quando i valori della velocità verticale e della velocità angolare dello scafo si appiattiscono intorno allo zero per un certo periodo, quindi il criterio di convergenza automatica viene attivato e la simulazione viene interrotta. Grazie a questo tipo di solutore si possono studiare anche scafi molto complessi, come gli scafi plananti. In questo tipo di scafi, il posizionamento finale dello scafo in termini di sink e trim è difficilmente prevedibile a causa della presenza di strutture idrodinamiche molto complesse, quindi altri solutori saranno molto poco efficaci per prevedere quantità significative a livello idrodinamico.

Statistiche di Utilizzo

Le due principali sfide di LincoSim sono l’usabilità per gli utenti, di fatto designers navali e progettisti non necessariamente esperti di CFD, e la robustezza della piattaforma stessa. Dal punto di vista della robustezza, è necessario considerare la robustezza dell’insieme dei software utilizzati per comporre la piattaforma nel suo complesso e l’hardware delle macchine virtuali che ospitano i servizi Web e dei cluster HPC connessi ad esse per svolgere le attività di number crunching. Discorso a parte è invece la valutazione della robustezza del solutore CFD che verrà discussa più avanti. Dal punto di vista dell’utilizzo, la transizione da un’architettura progettata e implementata con attenzione all’utilizzo in casi reali è una sfida chiara. Proponiamo in questa sezione alcuni dati statistici che aiutano a fare il punto su una valutazione di LincoSim alla luce di questi primi 6 mesi di utilizzo in produzione. L’up-time del servizio LincoSim - ovvero la raggiungibilità della pagina web https://lincosim.cineca.it - ​​include il tempo di attività della macchina virtuale e le operazioni server Web - è di oltre il 99%. Anche considerando che si tratta di un’architettura software completamente personalizzata, è un ottimo risultato. Per quanto riguarda l’uso effettivo della piattaforma, riportiamo per completezza le statistiche relative alle simulazioni effettuate direttamente dagli utenti a partire da aprile 2018 (vedi figura 3).

 

 

Figura 3 - Statistiche di utilizzo per gruppi di utenti: geometrie caricate, simulazioni effettuate, tempo di calcolo utilizzato, spazio disco utilizzato.

È anche interessante confrontare l’andamento temporale del numero di simulazioni lanciate ogni mese per le due istanze. I picchi dell’istanza di sviluppo corrispondono ai periodi di maggiore intensità dei test del solutore, con attenzione, oltre alla qualità dei risultati, all’approccio generico utilizzato (vedere la Figura 4).

 

 

Figura 4 - Trend di utilizzo della piattaforma in termini di numero di simulazioni al mese svolte.

Nel complesso, riteniamo che i primi sei mesi di produzione di LincoSim abbiano dato una risposta positiva per quanto riguarda l’uso da parte dei vari partner. Oltre a quanto riportato qui, diversi scambi con i partner hanno dimostrato come la piattaforma sia complessivamente utilizzabile dal tipo di utente per il quale è stata progettata. Le future prospettive di sviluppo restano aperte anche considerando l’approccio innovativo che è stato intrapreso.


Conclusioni


A partire da aprile 2018, l’applicazione web LincoSim è stata aperta a tre gruppi di partner industriali coinvolti nel progetto LINCOLN ed è stata utilizzata in modo massiccio per supportare il processo di progettazione di imbarcazioni innovative mediante analisi CFD automatiche. I risultati delle statistiche di utilizzo in termini di usabilità e robustezza sono davvero incoraggianti. Il servizio web ha avuto un up-time di oltre il 99% e centinaia di simulazioni sono state effettuate da utenti non esperti in pochi mesi con percentuali di fallimento ridotte (<6%). Tuttavia, ora stiamo affrontando i test di validazione per valutare in maniera quantitativa anche l’accuratezza mediante i dati di vasca navale acquisiti ad-hoc. Grazie a quest’ultima attività, che dovrebbe essere completata entro settembre 2019, saremo in grado di avere un riferimento chiaro sulla reale efficacia dello strumento computazionale.

 



Figura 5 - Possibili sviluppi nell’utilizzo di LincoSim per la progettazione innovativa di forme.

Bibliografia

 

  1. LincoSim web access (only for registered users): https://lincosim.cineca.it/login
  2. LINCOLN project web site: http://www.lincolnproject.eu/  
  3. OpenFOAM web site: https://openfoam.org/    

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