A toolset for the development of mixed-criticality partitioned systems

The development of mixed-criticality virtualized multi-core systems poses new challenges that are being subject of active research work. There is an additional complexity: it is now required to identify a set of partitions, and allocate applications to partitions. In this job, a number of issues have to be considered, such as the criticality level of the application, security and dependability requirements, time requirements granularity, etc. MultiPARTES [11] toolset relies on Model Driven Engineering (MDE), which is a suitable approach in this setting, as it helps to bridge the gap between design issues and partitioning concerns. MDE is changing the way systems are developed nowadays, reducing development time. In general, modelling approaches have shown their benefits when applied to embedded systems. These benefits have been achieved by fostering reuse with an intensive use of abstractions, or automating the generation of boiler-plate code.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

El nuevo escenario global y un modelo de negocio para la industria naval militar del 2025

Los retos y oportunidades a los que se enfrentan las organizaciones y administraciones de las primeras décadas del siglo XXI se caracterizan por una serie de fuerzas perturbadoras como la globalización, el avance de las tecnologías emergentes y el desequilibrio económico, que están actuando como impulsores de la transformación del mercado. La acción conjunta de estos factores está obligando a todas las empresas industriales a tener que trabajar con mayores y más exigentes niveles de productividad planteándose continuamente como mejorar y lograr satisfacer los requerimientos de los clientes. De esta situación surge la necesidad de volver a plantearse de nuevo ¿quién es el cliente?, ¿qué valora el cliente? y ¿cómo se pueden generan beneficios sostenibles? La aplicación de esta reflexión a la industria naval militar marca los objetivos a los que esta tesis doctoral busca dar respuesta. El primer objetivo, de carácter general, consiste en la definición de un modelo de negocio sostenible para la industria naval militar del 2025 que se adapte a los requisitos del cliente y al nuevo escenario político, económico, social, tecnológico y ambiental que rodea esta industria. El segundo objetivo, consecuencia del modelo general, trata de desarrollar una metodología para ejecutar programas de apoyo al ciclo de vida del “buque militar”. La investigación se estructura en cuatro partes: en la primera se justifica, por un lado, la necesidad del cambio de modelo y por otro se identifican los factores estructurantes para la definición del modelo. La segunda parte revisa la literatura existente sobre uno de los aspectos básicos para el nuevo modelo, el concepto Producto-Servicio. La tercera parte se centra totalmente en la industria naval militar estudiando los aspectos concretos del sector y, en base al trabajo de campo realizado, se identifican los puntos que más valoran las Marinas de Guerra y como estas gestionan al buque militar durante todo su ciclo de vida. Por último se presentan los principios del modelo propuesto y se desarrollan los pilares básicos para la ejecución de proyectos de Apoyo al Ciclo de Vida (ACV). Como resultado de la investigación, el modelo propuesto para la industria naval militar se fundamenta en once principios: 1. El buque militar (producto de alto valor añadido) debe ser diseñado y construido en un astillero del país que desarrolla el programa de defensa. 2. El diseño tiene que estar orientado al valor para el cliente, es decir, se tiene que diseñar el buque militar para que cumpla su misión, eficaz y eficientemente, durante toda su vida operativa, asegurando la seguridad del buque y de las personas y protegiendo el medio ambiente de acuerdo con las regulaciones vigentes. 3. La empresa debe suministrar soluciones integrales de apoyo al ciclo de vida al producto. 4. Desarrollar y mantener las capacidades de integración de sistemas complejos para todo el ciclo de vida del buque militar. 5. Incorporar las tecnologías digitales al producto, a los procesos, a las personas y al propio modelo de negocio. 6. Desarrollar planes de actuación con el cliente domestico a largo plazo. Estos planes tienen que estar basados en tres premisas: (i) deben incluir el ciclo de vida completo, desde la fase de investigación y desarrollo hasta la retirada del buque del servicio; (ii) la demanda debe ser sofisticada, es decir las exigencias del cliente, tanto desde la óptica de producto como de eficiencia, “tiran” del contratista y (iii) permitir el mantenimiento del nivel tecnológico y de las capacidades industriales de la compañía a futuro y posicionarla para que pueda competir en el mercado de exportación. 7. Impulsar el sector militar de exportación mediante una mayor actividad comercial a nivel internacional. 8. Fomentar la multilocalización ya que representa una oportunidad de crecimiento y favorece la exportación posibilitando el suministro de soluciones integrales en el país destino. 9. Reforzar la diplomacia institucional como palanca para la exportación. 10. Potenciar el liderazgo tecnológico tanto en producto como en procesos con políticas activas de I + D+ i. 11. Reforzar la capacidad de financiación con soluciones innovadoras. El segundo objetivo de esta tesis se centra en el desarrollo de soluciones integrales de Apoyo al Ciclo de Vida (ACV). La metodología planteada trata de minimizar la brecha entre capacidades y necesidades a lo largo de la vida operativa del barco. Es decir, el objetivo principal de los programas de ACV es que la unidad conserve durante toda su vida operativa, en términos relativos a las tecnologías existentes, las capacidades equivalentes a las que tendrá cuando entre en servicio. Los ejes de actuación para conseguir que un programa de Apoyo al Ciclo de Vida cumpla su objetivo son: el diseño orientado al valor, la ingeniería de Apoyo al Ciclo de Vida, los proyectos de refresco de tecnología, el mantenimiento Inteligente y los contratos basados en prestaciones. ABSTRACT On the first decades of the 21st century, organizations and administrations face challenges and come across opportunities threatened by a number of disruptive forces such as globalization, the ever-changing emerging technologies and the economic imbalances acting as drivers of the market transformation. This combination of factors is forcing all industrial companies to have more and higher demanding productivity levels, while bearing always in mind how to improve and meet the customer’s requirements. In this situation, we need to question ourselves again: Who is the customer? What does the customer value? And how can we deliver sustainable economic benefits? Considering this matter in a military naval industry framework sets the goals that this thesis intends to achieve. The first general goal is the definition of a new sustainable business model for the 2025 naval industry, adapted to the customer requirements and the new political, economic, social, technological and environmental scenario. And the second goal that arises as a consequence of the general model develops a methodology to implement “warship” through life support programs. The research is divided in four parts: the first one justifies, on the one hand, the need to change the existing model and, on the other, identifies the model structural factors. On the second part, current literature regarding one of the key issues on the new model (the Product-Service concept) is reviewed. Based on field research, the third part focuses entirely on military shipbuilding, analyzing specific key aspects of this field and identifying which of them are valued the most by Navies and how they manage through life cycles of warships. Finally, the foundation of the proposed model is presented and also the basic grounds for implementing a Through Life Support (TLS) program are developed. As a result of this research, the proposed model for the naval industry is based on eleven (11) key principles: 1. The warship (a high added value product) must be designed and built in a shipyard at the country developing the defense program. 2. Design must be customer value oriented, i.e.warship must be designed to effectively fulfill its mission throughout its operational life, ensuring safety at the ship and for the people and protecting the environment in accordance with current regulations. 3. The industry has to provide integrated Through Life Support solutions. 4. Develop and maintain integrated complex systems capabilities for the entire warship life cycle. 5. Introduce the product, processes, people and business model itself to digital technologies. 6. Develop long-term action plans with the domestic customer. These plans must be based on three premises: (i) the complete life cycle must be included, starting from the research and development stage throughout the ship’s disposal; (ii) customer demand has to be sophisticated, i.e. customer requirements, both from the efficiency and product perspective, "attract" the contractor and (iii) technological level and manufacturing capabilities of the company in the future must be maintained and a competitive position on the export market has to be achieved. 7. Promote the military exporting sector through increased international business. 8. Develop contractor multi-location as it entails an opportunity for growth and promote export opportunities providing integrated solutions in the customer's country. 9. Strengthen institutional diplomacy as a lever for export. 10. Promote technological leadership in both product and processes with active R & D & I policies (Research & Development & Innovation) 11. Strengthen financing capacity through innovative solutions. The second goal of this thesis is focused on developing integrated Through Life Support (TLS) solutions. The proposed methodology tries to minimize the gap between needs and capabilities through the ship operational life. It means, the main TLS program objective is to maintain the ship’s performance and capabilities during operational life, in relative terms to current technologies, equivalent to those the ship had when it entered service. The main actions to fulfill the TLS program objectives are: value-oriented design, TLS engineering, technology updating projects, intelligent maintenance and performance based contracts.

Definición e implantación de herramientas avanzadas 3D en el diseño integrado y eficiente de sistemas HVAC en buques, desde el proyecto conceptual hasta la producción

Uno de los aspectos más complicados del diseño de sistemas HVAC en buques es la correcta evaluación de las necesidades de aire fresco y el correcto dimensionado de los conductos que suministran dicho aire y evacuan el calor generado a bordo. Contrariamente a lo que sucede en los sistemas de tuberías, las características particulares del caudal de aire hacen que el dimensionado de los conductos sea muy sensible al trazado y geometría de los mismos, por lo que para obtener un buen diseño es necesaria una relación muy estrecha y una integración bidireccional entre los cálculos y el trazado de los propios conductos en el buque. Asumida la utilización de sistemas CAD/CAM para las tareas de diseño, históricamente, aquellos que permitían modelar conductos HVAC no incluían en su alcance de suministro los aspectos de cálculo, y como consecuencia de ello, el trazado de conductos se reducía a la inclusión en el modelo 3D de circuitos y sistemas previamente calculados y dimensionados, Así, servían únicamente para calcular interferencias con otros elementos del modelo 3D y para obtener posteriormente planos de fabricación y montaje. Esto, que por sí no es poco, dejaba el diseño de sistemas HVAC pendiente de una importante interacción manual y de habituales retrabajos, ya que cualquier modificación en el trazado de los conductos, consecuencia de otras necesidades del diseño, obligaba a los diseñadores a recalcular y redimensionar los conductos en un entorno diferente al del propio sistema CAD/CAM, y volver a realizar el modelado de los mismos, reduciendo significativamente las ventajas de la utilización de un modelo 3D. Partiendo de esta situación real, y con objeto de solucionar el problema que para el diseño y la propia producción del buque se creaba, se concibió una herramienta que permitiera la definición en el modelo 3D de diagramas de ventilación, el cálculo de pérdidas de presión, el dimensionado automático de los conductos, y que toda esta información pudiera estar disponible y reutilizarse en las etapas posteriores del diseño. Con ello, los diseñadores podrían realizar su trabajo en un entorno único, totalmente integrado con el resto de disciplinas. El objeto de esta Tesis Doctoral es analizar en detalle el problema y las ineficiencias actuales del diseño de HVAC, describir la innovadora herramienta concebida para paliar estas ineficiencias, detallando las bases sobre la que se construye, y destacar las ventajas que se obtienen de su uso. La herramienta en cuestión fue concebida como una funcionalidad adicional del sistema CAD/CAM naval FORAN, referente tecnológico en el mundo del diseño y la construcción navales, y como consecuencia de ellos se llevó a cabo el desarrollo correspondiente. En la actualidad, el sistema FORAN incluye en su alcance de suministro una primera versión de esta herramienta, cuya utilidad queda avalada por el uso que de la misma hacen astilleros y oficinas técnicas en todo el mundo. Esta Tesis Doctoral es eminentemente práctica. No es un estudio teórico de dudosa aplicación, sino que tiene por objeto aportar una solución eficiente a un problema real que muchos astilleros y oficinas técnicas, incluidas los más avanzados, padecen hoy en día. No tiene otra motivación que servir de ayuda para lograr diseñar y construir mejores barcos, en un plazo más corto, y a un coste menor. Nada más, pero nada menos. ABSTRACT One of the most complicated aspects of the design of HVAC systems in shipbuilding is the correct evaluation of the fresh air needs, the correct balancing of the ducts that supply this air and evacuate the existing heat on board. In opposition to piping systems, due to the particular characteristics of the air flow, the balancing of the ducts is very sensitive to the routing and the aspect of the ducts, so the correct design requires a close interconnectivity between calculations and routing. Already assumed the use of CAD/CAM systems for design tasks, historically, those CAD/CAM systems capable of modelling HVAC ducts did not cover calculation aspects, with the result that the routing of HVAC ducts was reduced solely to the input of previously balanced circuits into the 3D Product Model for the purpose of interference checking and generation of fabrication and assembly drawings. This situation, not negligible at all, put the design of HVAC ducts very dependent on manual operations and common rework task, as any modification in the routing of the HVAC ducts, derived from design needs, obliged engineers to re-balance the ducts and eventually to re-size them independently of the CAD-CAM environment, thus annulling the advantages of the 3D Product Model. With this situation in mind, and with the objective of filling the gap created in the design and construction of the ship, it was conceived a tool allowing the definition, within the 3D Product model, of HVAC diagrams, the calculation of pressure drops, the automatic dimensioning of ducts. With this, engineers could make the complete HVAC design in a single working environment, fully integrated with the rest of the disciplines. The present Ph. D. thesis analyses in deep the existing problem and the current lack of efficiency in HVAC design, describes the innovative tool conceived to minimize it, details the basis on which the tool is built, and highlights the advantages of its use. This tool was conceived as an additional functionality of the marine CAD/CAM system FORAN, a technological reference in the shipdesign and shipbuilding industry. As a consequence, it was developed, and nowadays FORAN System includes in its scope of supply a first version of the tool, with its usefulness endorsed by the fact that it is used by shipyards and shipdesign offices all over the world. This Ph. D. thesis is on top everything, of practical nature. It is not a theoretical study with doubtful application. On the contrary, its objective is to provide with an efficient solution for solving a real problem that many shipyards and shipdesign offices, including those more advanced, suffer nowadays. It has no other motivation that to help in the process of designing and building better and cheaper ships, within a shorter deliver time. Nothing more, but nothing less.