El Proyecto del Buque. Diseño de las Formas

El Proyecto del Buque

Sumario

„ Objetivos „ Revisión de Conceptos „ Introducción „ Diseño de formas „ Parámetros de forma

„ Criterios de diseño de formas „ Definición de formas

„ Evaluación técnica

„ Toma de decisiones

„ Conclusiones

Objetivos

„ Conocer y entender los criterios objetivos para la

definición de las formas del buque

„ Conocer y entender las bases de las diferentes

herramientas disponibles para la definición de las formas del buque

„ Saber diseñar un proceso de optimización de formas

simple

„ Entender y conocer los criterios básicos de diseño de

formas

„ Ser capaces de evaluar técnicamente el efecto de cambios

en las formas, mediante metodologías simples

„ No es objetivo: Ser capaz de optimizar unas formas

Introducción

„

La definición de formas de un buque es un

aspecto de suma importancia, por sus

múltiples implicaciones

„

Para la definición de unas formas óptimas, se

han de tener en cuenta criterios

contrapuestos (resistencia Ù carga)

„

Tradicionalmente, el aspecto primordial en el

proyecto de formas es el cumplimiento de la

velocidad contractual

Introducción

„

El sistema propulsivo del buque

η_H

η_M

η_O η_RR

Diseño de formas

„ El diseño de formas se iniciará cuando se ha llegado

a una situación en la que es necesario tener el plano de formas del buque:

„ Como base para el desarrollo de la Disposición General. Este

aspecto es más crítico para buques finos, en los que la Disposición General aproximada es más compleja.

„ Para la disposición y cubicación de tanques y espacios de carga. „ Para el cálculo de las curvas hidrostáticas, determinación del

trimado y estudio de la estabilidad.

„ Para la determinación de algún valor necesario para el cálculo de

pesos, centro de gravedad o estimación de costes.

Diseño de formas

„ El diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentes

objetivos:

„ Obtención del desplazamiento y calado de proyecto.

„ Obtención de los espacios de carga y volúmenes de tanques requeridos. „ Obtención de las áreas de cubierta para disponer los diferentes elementos.

„ Cumplir con los requisitos de minimización de potencia: mínima resistencia al avance,

buen rendimiento del casco y posibilidad de disponer la hélice y el timón con los huelgos apropiados para evitar problemas de vibraciones.

„ Cumplir con los requisitos de buen comportamiento en la mar y buena

maniobrabilidad.

„ Una situación de X_CC que permita tener un trimado satisfactorio en cada situación de

carga.

„ Disponer de un KM para los calados de operación que asegure una estabilidad

suficiente.

„ Evitar discontinuidades o diseños que dificulten el diseño estructural. „ Que las formas resulten beneficiosas desde el punto de vista constructivo

(desarrollables y sin curvaturas complejas).

„ En muchos casos es un requisito importante el que las líneas tengan una componente

Diseño de formas

Parámetros de Forma Evaluación técnica Diseño Diseño de formas Definición Definición de formas

Diseño de formas

„

Aspectos necesarios

„ Elección de dimensiones y parámetros de forma.

„ Definición de los criterios específicos de diseño y de la

jerarquía de los mismos o elección de una cifra de mérito.

„ Definición de formas. „ Evaluación técnica.

„ Definir una sistemática de redefinición de las dimensiones

o/y parámetros de forma (¿cuadro de decisión?).

„ Buscar, si es necesario, una solución mejor (respecto a los

Parámetros de forma

„

Su elección se ha llevado a cabo en el

dimensionamiento del buque

„

El resultado debe ser un conjunto de

dimensiones principales y coeficientes

de carena

„

En el caso típico, conoceremos: Lpp, B,

Parámetros de forma

„ Estimación de coeficientes de carena

„ C_B: Fórmula de Alexander (influye en R y Vc)

„ C_M: Fórmula de Kerlen (influye en R)

„ C_P: Fórmula de Troost (influye drásticamente en R)

[

]

B 1 2 PP 0.5 V C =K- 1.03 K 1.12 3.28 L ⋅ _{≤ ≤} ⋅ -3.56 M B C =1.006-0.0056 C⋅ P n C =1.2-2.12 F⋅

Parámetros de forma

„ Estimación de otros parámetros de carena

„ LCC: Longitud del cuerpo cilíndrico (influye en los

costes constructivos)

„ X_CC: Fórmula de Troost (determina los trimados)

„ α: Semiángulo de entrada en flotación (influye en R)

CC B

X

=

17.5 C

⋅

−

12.5

2 B B PP LCC = −_ 658 1.607 C+ ⋅ − 914 C⋅ _ ⋅ L

(

)

2 PP P 3 3 P CC A F

125.67 B / L

162.25C

234.32C

0.1551 X +6.8 T -T /T

α

=

⋅

−

+

+

+



_



_

Criterios de Diseño de Formas

„ Los principales aspectos o criterios que han de tenerse en cuenta en la

fase de diseño de formas son: „ Resistencia al avance

„ Capacidad de carga

„ Facilidad y coste de construcción

„ Seguridad (estabilidad, comportamiento en la mar)

„ Otros (limitaciones dimensionales, comodidad, interacción con la hélice,

wake washing, estética, ...)

„ Los criterios de diseño deben ordenarse según prioridad, para facilitar

la toma de decisiones

„ La jerarquía de los criterios de diseño es dependiente del tipo de

proyecto

„ Algunos criterios, pueden describirse mediante una cifra de mérito o

criterio objetivo (matemático), función de los parámetros de formas, como ayuda a la (automatización de la) toma de decisiones

„ La descripción matemática de todos los criterios permitiría definir un

Definición de formas

Parámetros de Forma Definición de formas Evaluación técnica Diseño de formas

Definición de formas

„

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

Definición de formas

„

Derivación de formas

„

Elección de formas base

„ buenas para los criterios primarios „ con parámetros de forma similares

„

¿Cómo se hace?

„ transformaciones geométricas simples

disponibles en programas CAD

„ transformaciones geométricas complejas,

disponibles en programas especializados de generación y derivación de formas

Definición de formas

„

Derivación de formas. No cualquier

transformación es posible.

„ Transformación afin. Cambio de dimensiones

principales => Cambio en los coeficientes de forma „ Incremento longitud del cuerpo cilíndrico => Cambio

en los coeficientes de forma

„ Modificación de Cp, manteniendo constantes las

dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de forma

„ Modificación de Cb, manteniendo constantes Cm y las

dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de forma

Definición de formas

„

Generación de formas

„

Definición de los parámetros principales

„ elección de parámetros o características específicos,

función del procedimiento que se utilice

„

¿Cómo se hace?

„ generadores de formas analíticas 3D (FORAN)

„ generadores de formas analíticas 2D + alisado 3D

„ generadores cuasi automáticos de formas 3D con control

Definición de formas

„

Generación de formas

„ Modelos de alambre ¿Alisado?

„ Splines „ Bezier „ B-Splines

„ Modelos de superficie ¿Alisado?

„ COONS (parches)

„ B-Splines (parches) „ Bezier (parches)

„ NURBS

Definición de formas

„

Series sistemáticas de formas

„ Son estudios sistemáticos de formas, llevados a cabo por

canales de ensayos o astilleros. Los resultados se expresan en función de ciertos parámetros básicos (L/B, B/T, C_P, ...)

„ En su rango de aplicación se conoce aproximadamente la

resistencia al avance del buque, por interpolación

„ Se requieren los parámetros principales

„ Existen unas pocas series libres y la mayoría de los grandes

astilleros posees series propias

„ ¿Cómo se hace?

Definición de formas

„

Análisis de las formas

„

Durante el proceso de definición de

formas, debe tomarse especial cuidado en

determinadas características locales, que

permiten mejorar las características

hidrodinámicas sin afectar a otros

aspectos.

Definición de formas

„

Zona de proa

„

Ángulo de entrada en la línea de flotación

(desprendimiento)

„

Abanico y lanzamiento (olas rompientes,

embarque de agua, amortiguamiento del

cabeceo)

„

Bulbo (menor resistencia, amortiguamiento

Definición de formas

„ Semiángulo de entrada en flotación. Es determinante en el fenómeno

de desprendimiento, influyendo de manera importante en la Resistencia Viscosa

„ Abanico y lanzamiento han de disponerse al objeto de disminuir el

cabeceo y el embarque de agua.

„ Se recomienda que la roda forme, en su intersección con el plano de la

flotación (β), un ángulo entre 15 y 30º permitiendo de esta manera

conseguir un ángulo de entrada del agua constante para una mayor zona de calados

„ Se recomienda que el lanzamiento sea suficiente para hacer que el extremo

de la roda sobresalga más que el bulbo para proporcionar una referencia segura a la tripulación en las maniobras de atraque.

„ Un abanico excesivo puede provocar que las olas creen grandes momentos

torsores. ( ) 2 PP P 3 3 P CC A F 125.67 B / L 162.25C 234.32C 0.1551 X +6.8 T -T /T α = ⋅ − + + + _ _ β α

„

¿Bulbo en Proa?

„ Es importante tener en cuenta que la disposición de un

bulbo en proa incrementa los costes de construcción.

„ En determinados casos su disposición disminuye

significativamente la potencia requerida.

„ La experiencia indica que su disposición es ventajosa para

buques rápidos con C_B<0.626 y F_n>0.26.

„ No parece que su disposición disminuya la resistencia en buques

0.625<C_B<0.725 y C_B >0.825

„ Parece que hay ventajas para buques 0.725<C_B<0.825

„ En general, no existen criterios seguros para conocer si

es apropiado o no disponer un bulbo en proa y qué tipo de bulbo podría ser aconsejable (ensayos en canal).

„ Zona de popa

„ Dar cabida a la/s hélice/s con una inmersión

adecuada

„ Huelgos mínimos entre hélice, codaste y timón

(SSCC)

„ Diseño del final de las líneas de agua de

manera que se minimice la separación y por lo tanto la resistencia (28º-30º)

„ Popa de estampa (menor resistencia y mayor

facilidad constructiva)

„ Permitir la separación de la estructura de

manera que se puedan disponer los elementos de soporte de hélice y timón, servomotor, ... de forma constructivamente económica

„ Tiene gran influencia en el rendimiento

propulsivo (homogeneidad de la estela)

Definición de formas

1.00K 1.50K 0.12K 0.03K B 2 L 2.56 C P K 0.1 0.3 3050 L ⋅ ⋅    = _ + _ + _   

Lloyd’s Register of Shipping

P = potencia en kW

NOTA: Los huelgos horizontales se miden a 0.7 R

Definición de formas

„

Curva de áreas seccionales

„ La curva de áreas seccionales representa la posición de las

cuadernas de trazado en abscisas y el área de la cuaderna hasta el calado en ordenadas.

Definición de formas

„ Curva de áreas seccionales

„ El trazado de los hombros de proa y popa (uniones del cuerpo cilíndrico con los

extremos de proa y popa) han de tener un trazado suave y alisado. Se suele tomar como referencia un radio de curvatura mayor que 0.3 veces el área de la maestra en la escala correspondiente.

„ Desde el hombro de popa hasta las cercanías de la hélice el trazado debe ser recto o

con muy poca curvatura, para obtener así las mejores características de resistencia al avance. Esta curva protubera hacia popa según lo hace la bovedilla del codaste.

„ Desde el hombro de proa, la zona pendiente hasta el bulbo ha de ser también

prácticamente recta y tomar una ligera concavidad final para su unión con el bulbo, formando una “S” suave.

Definición de formas

„ Curva de áreas seccionales

„ La eslora del cuerpo cilíndrico se considera normal que sea del orden del 10% de la

eslora del buque o el valor dado por:

„ En ocasiones cuando se busca albergar hélices de gran tamaño (pequeñas

revoluciones), las formas del cuerpo de popa se deforman para ello y buscando que la curva de áreas de cuadernas tenga un aspecto satisfactorio, se recurre a secciones trasversales en forma de bulbo a proa del propulsor. Este bulbo de popa, por lo general origina variaciones bruscas en la curvatura de las terminaciones de las líneas de agua próximas a la bocina, y por lo tanto es causa de un aumento de resistencia al avance.

2

B B PP

Evaluación técnica

Parámetros de Forma Evaluación técnica Diseño de formas Definición de formas

Evaluación técnica

„ La evaluación técnica incorpora las actividades del

proyecto encaminadas a comprobar, que se cumplen los criterios de diseño impuestos (funcionamiento, comerciales, seguridad, ...) con los márgenes de seguridad adecuados.

„ Su objetivo es la revisión del cumplimiento de los

criterios de diseño, una vez se han obtenido unas formas que se ajustan a los parámetros/coeficientes de forma correspondientes

„ El proceso de evaluación técnica debe definirse de

manera que permita decidir si una alternativa es mejor que otra

Evaluación técnica

„

En el proceso de evaluación técnica, al menos

debieran estudiarse los siguientes aspectos:

„ Determinación de la resistencia al avance „ Cálculos de arquitectura naval

„ Estimación de la capacidad de carga „ Interacción con la hélice

„ Evaluación del comportamiento en la mar „ Estudio de la curva de áreas seccionales

Evaluación técnica

Recordatorio: Ingenieria Concurrente

Aproximación sistemática al diseño integrado

Enfoque que se plantea desde el inicio del proyecto Cooperación y compartición de tareas

Respuesta a las expectativas del cliente

Evaluación técnica

„

Determinación de la resistencia al

avance

„

Series Sistemáticas

„

Ensayos experimentales

„

Métodos estadísticos

„

Métodos analíticos

„

Métodos numéricos

Evaluación técnica

„ Determinación de la resistencia al avance: Ensayos

experimentales

„ Arrastre de un modelo y medición de la fuerza

necesaria

„ Extrapolación posterior de los resultados a la

escala del buque

Evaluación técnica

„

Determinación de la resistencia al avance:

Métodos estadísticos (base empírica y

teórica)

„ Holtrop y Menen. Se basa en la teoría clasica

(Fn<0.85, 0.55<Cp<0.85, 3.9<Lpp/B<9.5)

„ Guldhammer y Harvald. Se basa en el análisis de

diferentes series sistemáticas (0.15<Fn<0.45, 0.50<Cp<0.80, 4.0<Lpp/∇1/3_<8.0)

„ Mercier y Savitsky. Regresión de series de buques

Evaluación técnica

„

Determinación de la resistencia al avance:

Series sistemáticas ¿Optimización?

„

Serie 60. (0.16<Fn<0.29, 0.6<Cb<0.8, ...)

„

HSVA. (0.15<Fn<0.80, Cp=0.645, ...)

„

NSBM. (0.0<Fn<1.4, 0.35<Cb<0.50, ...)

„

MarAd. (0.13<Fn<0.18, 0.80<Cb<0.875,

Evaluación técnica

„ Determinación de la resistencia al avance: Métodos

analíticos y numéricos

„ Resolución aproximada de las ecuaciones

diferenciales que gobiernan el problema (ecuaciones de Navier-Stokes)

Evaluación técnica

„

Cálculos de arquitectura naval

„ La mayoría de los programas de generación y

derivación de formas incluyen módulos de cálculo, que permiten evaluar este aspecto

(desplazamiento, estabilidad, ...)

„

Estimación de la capacidad de carga

„ A partir de una distribución grosera de los

Evaluación técnica

„

Interacción con la hélice

„

Ensayos experimentales

„

Métodos estadísticos

„

Métodos numéricos

Evaluación técnica

„

Evaluación del comportamiento en la

mar

„

Ensayos experimentales

„

Métodos estadísticos

Evaluación técnica

„

Estudio de la curva de áreas seccionales

„ La curva de áreas seccionales representa la posición de las

cuadernas de trazado en abscisas y el área de la cuaderna hasta el calado en ordenadas.

„ Tiene un formato estándar (proporciones 2x1)

„ Permite comparar con bases de datos existentes, y más

concretamente los radios de curvatura de las transiciones de los hombros y la longitud del cuerpo cilíndrico.

Toma de decisiones

Parámetros de Forma Evaluación técnica Diseño de formas Definición de formas

Toma de decisiones

„ Necesitamos establecer un procedimiento

“sistemático” de variación de los parámetros de formas. Esto es necesario para:

„ Una vez realizada la evaluación técnica, se ha

comprobado que no se alcanzan los requisitos mínimos de los criterios

„ Hemos encontrado una configuración que cumple con

los requisitos mínimos de los criterios, pero queremos encontrar una mejor (en referencia a esos criterios o a la cifra de mérito elegida)

Toma de decisiones

„ Influencia de diferentes parámetros en los criterios de diseño

„ Resistencia al avance.

„ Parámetros: Cw, Cm, Cp, Cb, ángulo de entrada en flotación

„ Capacidad de carga. „ Parámetros: Cb „ Estabilidad. „ Parámetros: Cw, B/T, B/D „ Maniobrabilidad. „ Parámetros: L/B „ Comportamiento en olas. „ Parámetros: Cw, L/T „ Facilidad Constructiva.

Toma de decisiones

„ Por ejemplo:

„ Coeficiente prismático Cp. Influencia en la resistencia del buque. Se

recomienda reducirlo (y comprobar su efecto en Cm), si hay que disminuir la resistencia al avance.

„ Relación B/D. Influencia en la estabilidad inicial. Se recomienda

aumentarla, si hay mayores exigencias de estabilidad.

„ Relación L/B. Influencia en la maniobrabilidad. Se recomienda

reducirla si se quiere mejorar la facilidad de evolución.

„ Relación L/T. Puede dar una idea de la frecuencia de pantocazos

de la carena. Se recomienda aumentarla, si se quiere disminuir esta frecuencia.

„ Hay que análizar los efectos acoplados no deseables al variar un

Toma de decisiones

„ Es evidente que este proceso de toma de decisiones

es muy compleja si hay múltiples criterios de diseño y requiere de una gran experiencia del proyectista

„ Como alternativa, es posible definir un esquema de

proyecto de formas diferente

„ Este esquema se basa en definir un espacio muestral

de parámetros de forma, como variaciones de una solución base

„ Todas estas alternativas son evaluadas técnicamente

y se elige la mejor de ellas, de acuerdo a los criterios (comparación de alternativas)

Toma de decisiones

„ Ejemplo: „ Características principales: Lpp, B, T, Cb, Cp, Cm, Cw, Xb „ Espacio muestral: „ Lpp, Lpp+2%, Lpp-2%, Lpp+5%, Lpp-5% „ B, B+2%, B-2%, B+5%, B-5% „ T, T+2%, T-2%, T+5%, T-5% „ Cb = K – 0.5V/(3.28*Lpp)1/2 (Fórmula de Alexander) „ Cp, Cp-1%, Cp-2%,Cp+1% „ Cm = 1.006-0.0056*Cb-3.56 (Fórmula de Kerlen) „ Cw = (0.26+0.80*Cb) (Fórmula de Torroja) „ Xb = 17.5*Cp – 12.5 (Fórmula de Troost)

Toma de decisiones

Espacio muestral Dimensiones y Parámetros de Forma Evaluación técnica Diseño de formas Definición de formas Selección

Conclusiones

„

¿Qué hay que hacer para diseñar las formas?

„ Elegir los de parámetros de forma.

„ Elegir los criterios de diseño y definir la jerarquía de los

mismos o bien definir una cifra de mérito.

„ Confección de un cuadro básico de decisión, basado, en su

caso en la cifra de mérito.

„ Definir las formas (generación, transformación o uso de

series sistemáticas)

„ Evaluar técnicamente la solución obtenida.

„ Redefir las dimensiones o/y parámetros de forma (¿cuadro

de decisión?), si es necesario y volver a empezar.

„ Como alternativa se puede definir un espacio muestral y

evaluar técnicamente todas las alternativas, eligiendo la mejor

Conclusiones

„

Recomendaciones para enfocar el proyecto

de las formas

„ Seleccionar como punto de arranque unos parámetros o

formas base que se adapten lo más posible a los criterios de diseño.

„ Si hay demasiado criterios de diseño (que pueden ser

contrapuestos) abordar el proyecto como una comparación entre diferentes alternativas de un espacio muestral.

„ Elegir unas herramientas para la evaluación técnica acordes

con la prioridad de los criterios (herramientas simples para criterios poco significativos)

Bibliografía

„

El proyecto básico del buque mercante

„

R. Alvariño, J.J. Azpíroz y M. Meizoso.

FEIN. Madrid 1997.

„

Practical Ship Design. Volume 1.

„

D.G.M. Watson. Elsevier Ocean Eng. Book

Series. Oxford 1998.