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martes, 18 de marzo de 2014

Modelar un casco en 3D a partir del plano de formas

Plano de formas de un buque:
En construcción naval se aplica el término plano de formas como un plano, a escala conveniente, de las líneas de trazado horizontales o comúnmente conocidas como líneas de agua del buque en planta; así como de las secciones verticales longitudinales y transversales. 

Modelado 3D de un casco con SolidWorks, al ser programa paramétrico tiene algunas ventajas, pero al no estar basado en Nurbs tiene limitaciones para controlar la posición e las superficies.

Las secciones transversales igualmente espaciadas entre las perpendiculares de proa y popa, constituye lo que se conoce como caja de cuadernas. Dependiendo de la eslora del buque se cogerá un número u otro de cuadernas denominadas cuadernas de trazado (más o menos de 10 a 20) además de dos secciones en los puntos medios de los espacios finales tanto de proa como de popa, cuya causa en la acentuación del cambio de las formas del buque en las secciones denominadas anteriormente.

Plano de formas de un pesquero pequeño.

Únicamente se dibuja, en el plano de formas, la mitad del buque, debido a su simetría respecto a crujía, por su parte, las secciones de la mitad de proa se dibujan a la derecha de la proyección del plano de crujía y las de popa a la izquierda.

Una vez concluido el plano de formas se precede a la realización de la cartilla de trazado el cual alberga una serie de mediciones específicas del buque y consiste en las medias mangas a diferentes alturas de las diferentes líneas de agua y alturas de cubierta en cada una de las secciones transversales.

Las paralelas al plano de la base se denominan líneas de agua, y también flotaciones. Se numeran de abajo hacia arriba empezando por el plano de la base, al que se denomina línea de base o línea de agua “0” cero.

Las paralelas a los planos de los extremos de proa y popa, perpendiculares al plano de base, se denominan secciones transversales, y también cuadernas. Se numeran generalmente de popa a proa, empezando por la perpendicular de popa a la que le corresponde el “0”. De la perpendicular de popa hacia popa se enumeran con números negativos.

Las paralelas a los planos de los costados, de babor y estribor, que dividen al prisma longitudinal y perpendicularmente al plano de la base, se denominan secciones longitudinales. La principal es la que divide al prisma y al buque longitudinalmente en dos partes simétricas, que generalmente se denomina plano diametral. Se designa línea central a la intersección del plano diametral con el plano de la base, con los de las líneas de agua, con los de las secciones transversales y con los de toda estructura a la que divida en dos partes simétricas.

Plano de formas de un buque de carga grande. Fuente wikipedia.

Las líneas de intersección de los planos de las secciones descritas con la superficie exterior del buque, representadas en los tres planos de proyección, constituyen el plano de formas del buque. En la proyección horizontal se representan las líneas de agua de un costado, tomando como eje de simetría el “plano diametral” y que convencionalmente se denomina línea central sobre la que se indican las siglas L.C. La proyección longitudinal se dibuja en el plano vertical y se representan las secciones longitudinales de uno de los costados del buque, en buques simétricos. La proyección transversal representa la sección media (cuaderna maestra), cuyo eje de simetría es el “plano diametral”, dibujando a un lado las semisecciones situadas a popa de la maestra y al otro lado las semisecciones a proa de l misma, a izquierda y a derecha del eje de simetría L.C., respectivamente.

Existen tres procedimientos para llevar a cabo el trazado de las formas de un buque:
- Derivación de formas, a partir de un buque considerado bueno para los criterios primarios
- Generación de formas, a partir de los parámetros principales
- Series sistemáticas (desarrolladas por canales de experiencias y astilleros)

Botadura de un O.B.O. en la empesa nacional Bazán, años 70. Para la elaboración del plano de formas se utilizó el procedimiento Series Sistemáticas.

Diseño 3D del casco de un buque:
La definición de formas de un buque es un aspecto de suma importancia, por sus múltiples implicaciones en diferentes aspectos del proyecto. 

Una vez tengamos las formas definidas se realiza el diseño estructural, para ello lo más idoneo es la utilización de un programa de diseño paramétrico como NX, Catia, Pro Engineer, SolidWorks, SoliEdge, todos ellos software con licencia.

La obtención de unas formas óptimas desde este punto de vista hidrodinámico es lo que se busca para que el buque pueda navegar a una velocidad determinada utilizando la menor cantidad de potencia posible y de esta forma gastar menos combustible y mejorar la autonomía.

Entre los programas existentes en la actualidad más apropiados para realizar el modelado 3D del casco están el Maxsurf y el Rhinoceros, ambos trabajan creando superficies NURBS (acrónimo inglés de non-uniform rational B-spline) es un modelo matemático muy utilizado en la computación gráfica para generar y representar curvas y superficies.

Modelo de casco 3D realizado con software libre FreeCAD. Fuente: FreeCAD

Una de las ventajas que aporta el Rhinoceros 3D como modelador de cascos de buques, es su facilidad para aprender a manejarlo, y que permite ajustar mucho más fácilmente la geometría del casco a lo que nosotros queremos. También tiene herramientas para realizar el alisado del casco (fairing) lo cual es indispensable para obtener un buen modelo 3D y que pueda ser utilizado posteriormente en la fase de análisis numérico.

Rhinoceros 3D es una herramienta para modelado en 3D basado en NURBS. Lo creó Robert McNeel & Associates, últimamente se ha ido popularizando en las diferentes industrias, por su diversidad, funciones multidisciplinares y el relativo bajo costo. Las extensas opciones para importación y exportación en el programa es una razón del crecimiento de su uso. La gran variedad de formatos con los que puede operar, le permite actuar como una herramienta de conversión, permitiendo romper las barreras de compatibilidad entre programas durante el desarrollo del diseño. Hay disponibles varios agregados (add-ons), también desarrollados por Robert McNeel & Associates, para el renderizado fotorrealístico raytracing (Flamingo) y Keyshot, en renderizado no fotorrealístico (Penguin) y la animación (Bongo). Existen también la versión RhinoMarine, que se adapta a las características especiales requeridas por los diseñadores navales incluidos los carenados, las superficies desarrollables y el análisis de curvaturas, etc. Además Rhinomarine tiene el complemento ORCA3D que es un plug-in externo que ofrece un paquete completo de herramientas especializadas para el diseño naval y el análisis en Rhino.

Para la creación del plano de formas utilizando Rhinoceros 3D se pueden utilizar diversas técnicas, siendo una de las más sencillas la siguiente:

  • En Rhinoceros, se puede poner una imagen bipmap como imagen de fondo del plano de trabajo. Partiendo de esta imagen de fondo, se pueden calcar las líneas del plano de formas con lo que correspondería informáticamente a los junquillos que se usaban antes cuando los planos de formas se hacían a mano. Es preciso intentar aproximar esta líneas con curvas que tengan lo menos puntos de control posible para simplificar el proceso del alisado después.
  • Con estas curvas podremos para generar superficies NURBS que se acerque a las formas verdaderas del casco. Es importante obtener unas curvas correctas que sigan fielmente las formas del casco, es la precisión en la manipulación de estas curvas, cuando se ponen cada unas en el mismo origen que debe ser bien identificado en cada una de las tres vistas. Para esto se aconseja trazar líneas de referencia y comprobar que coincidan en la vista 3 D una vez giradas y escaladas las curvas en cada vista.
  • A partir de la red de curvas que hemos usado, vamos a hacer las superficie NURBS. Para esto Rhinoceros cuenta con una herramienta muy útil "surface from network of curves". Para usar esta herramienta hay que saber lo que se entiende por "network of curves". No podemos usar todas las curvas de esta red porque todas no cumplen unas condiciones de validez (las curvas deben formar una rejilla cuadrada o si no se cruzan exactamente, no deben estar "muy" lejos). Así, seleccionamos unas curvas de manera inteligente para que cumplan estas condiciones y que sean representativas de las formas del casco.
  • Reconstruir y alisar las superficies NURBS con el fin de que se acerquen lo más posible al modelo de partida.

Una vez tengamos el modelo de casco en 3D, nos facilitará la realización de diferentes análisis utilizando software de arquitectura naval, CFD, etc, lo cual nos va a permitir comprobar la validez del diseño o en caso necesario implementar mejoras, que llevarán a la modificación del modelo 3D y a su vez la realización de nuevos análisis, entre los que se pueden incluir los siguientes:
  • Cálculo de las curvas hidrostáticas, estudio de la estabilidad, desplazamientos y calado de proyecto
  • Predicción de resistencia al avance
  • Análisis CFD para cuantifcar la eficiencia hidrodinámica de la carena y de los apéndices
  • Análisis de comportamiento en la mar y maniobrabilidad.
  • Análisis de formas para que resulten beneficiosas desde el punto de vista constructivo (desarrollables y sin curvaturas complejas).
  • Obtención de presentaciones fotorealistas, renderizados, etc. En muchos casos es un requisito importante el que las líneas tengan una componente estética atractiva, para favorecer la comercialización del producto.
Curvas Hidrostáticas. Fuente: Wikipedia.
Estabilidad transversal. Fuente: Wikipedia.

Altura metacéntrica, radio metacéntrico. Fuente: Wikipedia.
Curvas de estabilidad transversal. Fuente: Wikipedia.

Análisis CFD de la carena de un velero modelado con Rhinoceros.

Análisis CFD:
El diseño de la formas de un buque requiere el ensayo con modelos con el fin de verificar su comportamiento y de esta forma determinar cuanto va a ser la resistencia por formación de olas, como será su comportamiento en la mar con diferentes tipos de olas, su maniobrabilidad, etc. 

Análisis CFD de un buque navegando en aguas tranquilas.
Tradicionalmente se realizaban prototipos a escala y se probaban en un cana de experiencias, sin embargo, los ensayos hidrodinámicos de modelos de buques tienen una serie de inconvenientes:
-         Elevado coste.
-         Cierta indeterminación por los efectos de escala.
-         Largo periodo de tiempo desde la especificación inicial hasta el análisis de los resultados. 

Por lo tanto representó un avance muy importante la introducción del análisis CFD (mecánica de fluidos computacional).  Que se generalizó su uso desde principios del siglo XXI, e introdujo la posibilidad de realizar los análisis por ordenador para verificar la bondad del diseño desde el punto de vista hidrodinámico (también aerodinámico) antes de fabricar el prototipo, al menos en la etapa inicial del anteproyecto, lo cual redunda en un ahorro de tiempo y de dinero muy importante dentro del apartado de ingeniería.

Destructor tipo Fletcher navegando con mal tiempo, más información en Los Cinco Latinos, destructores de la clase Lepanto.
Los CFD han experimentado grandes avances y actualmente se utiliza de forma habitual en el diseño naval, tanto en barcos de gran tonelaje como en embarcaciones de pequeñas, tanto de vela como de motor.


El análisis CFD también se utiliza para calcular otros elementos además del casco, como son las velas y hélices. Fuente: Mecánica de Fluidos Computacional (CFD). Aplicaciones Navales

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