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.
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| 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.
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| 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.
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| 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)
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| 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.
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| 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.
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| 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.
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| Curvas Hidrostáticas. Fuente: Wikipedia. |
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| Estabilidad transversal. Fuente: Wikipedia. |
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| Altura metacéntrica, radio metacéntrico. Fuente: Wikipedia. |
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| Curvas de estabilidad transversal. Fuente: Wikipedia. |
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| 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.
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| 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.
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.
1- Primitivo B. González López, Técnicas de Construcción Naval.
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