El Proyecto del Buque

Diseño de las Formas

SumarioObjetivosRevisión de ConceptosIntroducciónDiseño de formasParámetros de formaCriterios de diseño de formasDefinición de formasEvaluación técnicaToma de decisionesConclusionesBibliografía

ObjetivosConocer y entender los criterios objetivos para la definición de las formas del buqueConocer y entender las bases de las diferentes herramientas disponibles para la definición de las formas del buqueSaber diseñar un proceso de optimización de formas simpleEntender y conocer los criterios básicos de diseño de formasSer capaces de evaluar técnicamente el efecto de cambios en las formas, mediante metodologías simplesNo es objetivo: Ser capaz de optimizar unas formas genéricas

IntroducciónLa definición de formas de un buque es un aspecto de suma importancia, por sus múltiples implicacionesPara la definición de unas formas óptimas, se han de tener en cuenta criterios contrapuestos (resistencia carga)Tradicionalmente, el aspecto primordial en el proyecto de formas es el cumplimiento de la velocidad contractual

Introducción

Introducción

El sistema propulsivo del buque

ηH

ηM

ηO

ηRR

Diseño de formasEl 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. Para en inicio de los ensayos en canal.

Diseño de formasEl diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentesobjetivos:

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 XCC 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 estética atractiva.

Diseño de formas

Parámetros de Forma

Evaluación técnica

DiseñoDiseño de formas

DefiniciónDefiniciónde formas

Diseño de formasAspectos 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 criterios de diseño).

Parámetros de forma

Su elección se ha llevado a cabo en el dimensionamiento del buqueEl resultado debe ser un conjunto de dimensiones principales y coeficientes de carenaEn el caso típico, conoceremos: Lpp, B, T, Cb, Cp, Cm, Cwp y Xcc

Parámetros de formaEstimación de coeficientes de carena

CB: Fórmula de Alexander (influye en R y Vc)

CM: Fórmula de Kerlen (influye en R)

CP: Fórmula de Troost (influye drásticamente en R)

[ ]B 1

2PP

0.5 VC =K- 1.03 K 1.123.28 L

⋅≤ ≤

⋅

-3.56M BC =1.006-0.0056 C⋅

P nC =1.2-2.12 F⋅

Parámetros de formaEstimación de otros parámetros de carena

LCC: Longitud del cuerpo cilíndrico (influye en los costes constructivos)

XCC: Fórmula de Troost (determina los trimados)

α: Semiángulo de entrada en flotación (influye en R)CC BX 17.5 C 12.5= ⋅ −

2B B PPLCC 658 1.607 C 914 C L = − + ⋅ − ⋅ ⋅

( )

2PP P

33P CC A F

125.67 B/ L 162.25C

234.32C 0.1551 X +6.8 T -T /T

α = ⋅ − +

+ +

Criterios de Diseño de FormasLos principales aspectos o criterios que han de tenerse en cuenta en la fase de diseño de formas son:

Resistencia al avanceCapacidad de cargaFacilidad y coste de construcciónSeguridad (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 decisionesLa jerarquía de los criterios de diseño es dependiente del tipo de proyectoAlgunos 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 decisionesLa descripción matemática de todos los criterios permitiría definir un proceso de optimización automática

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 primariosGeneración de formas, a partir de los parámetros principalesSeries sistemáticas (desarrolladas por canales de experiencias y astilleros)

Definición de formasDerivación de formas

Elección de formas basebuenas para los criterios primarioscon parámetros de forma similares

¿Cómo se hace?transformaciones geométricas simples disponibles en programas CADtransformaciones geométricas complejas, disponibles en programas especializados de generación y derivación de formas

Definición de formasDerivación de formas. No cualquier transformación es posible.

Transformación afin. Cambio de dimensiones principales => Cambio en los coeficientes de formaIncremento longitud del cuerpo cilíndrico => Cambio en los coeficientes de formaModificación de Cp, manteniendo constantes las dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de formaModificación de Cb, manteniendo constantes Cm y las dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de forma

Definición de formas

Generación de formasDefinición 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 3Dgeneradores cuasi automáticos de formas 3D con control de alisado (MAXSURF)

Definición de formasGeneración de formas

Modelos de alambre ¿Alisado?SplinesBezierB-Splines

Modelos de superficie ¿Alisado?COONS (parches)B-Splines (parches)Bezier (parches)NURBSOtras superficies analíticas

Definición de formasSeries 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, CP, ...)En su rango de aplicación se conoce aproximadamente la resistencia al avance del buque, por interpolaciónSe requieren los parámetros principalesExisten unas pocas series libres y la mayoría de los grandes astilleros posees series propias¿Cómo se hace?

elección simple, por medio de curvas o similar

Definición de formas

Análisis de las formasDurante 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 proaÁngulo de entrada en la línea de flotación (desprendimiento)Abanico y lanzamiento (olas rompientes, embarque de agua, amortiguamiento del cabeceo)Bulbo (menor resistencia, amortiguamiento del cabeceo)

Definición de formasSemiángulo 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 caladosSe 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.

( )

2PP P

33P 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 CB<0.626 y Fn>0.26.No parece que su disposición disminuya la resistencia en buques 0.625<CB<0.725 y CB >0.825Parece que hay ventajas para buques 0.725<CB<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).

Definición de formas

Zona de popaDar cabida a la/s hélice/s con una inmersión adecuadaHuelgos 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 económicaTiene gran influencia en el rendimiento propulsivo (homogeneidad de la estela)

Definición de formas

Definición de formas

1.00K

1.50K0.12K

0.03K

B2

L 2.56 C PK 0.1 0.33050 L

⋅ ⋅ = + +

Lloyd’s Register of Shipping

P = potencia en kW

NOTA: Los huelgos horizontales se miden a 0.7 R28º-30º

Definición de formasCurva 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)

Definición de formasCurva 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 formasCurva 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.

2B B PPLCC 658 1.607 C 914 C L = − + ⋅ − ⋅ ⋅

Evaluación técnica

Parámetros de Forma

Evaluación técnica

Diseño de formas

Definición de formas

Evaluación técnicaLa 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 correspondientesEl proceso de evaluación técnica debe definirse de manera que permita decidir si una alternativa es mejor que otra

Evaluación técnicaEn el proceso de evaluación técnica, al menos debieran estudiarse los siguientes aspectos:

Determinación de la resistencia al avanceCálculos de arquitectura navalEstimación de la capacidad de cargaInteracción con la héliceEvaluación del comportamiento en la marEstudio 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 SistemáticasEnsayos experimentalesMétodos estadísticosMétodos analíticosMétodos numéricos

Evaluación técnicaDeterminación de la resistencia al avance: Ensayos experimentales

Arrastre de un modelo y medición de la fuerza necesariaExtrapolación posterior de los resultados a la escala del buque

dinamómetro

Evaluación técnicaDeterminación 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 rápidos (1.0<Fn<2.0)

Evaluación técnicaDeterminación 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 técnicaDeterminación de la resistencia al avance: Métodos analíticos y numéricos

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

Evaluación técnicaCálculos 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 cargaA partir de una distribución grosera de los espacios, puede estimarse la capacidad de carga.

Evaluación técnica

Interacción con la héliceEnsayos experimentalesMétodos estadísticosMétodos numéricosCriterios base empírica

Evaluación técnica

Evaluación del comportamiento en la mar

Ensayos experimentalesMétodos estadísticosMétodos numéricos

Evaluación técnica

Estudio de la curva de áreas seccionalesLa 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 decisionesNecesitamos 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 criteriosHemos 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 decisionesInfluencia 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.Parámetros: L, L/D, L cuerpo cilíndrico

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

Hay que análizar los efectos acoplados no deseables al variar un parámetro. Se debe aprender del propio proceso.

Toma de decisionesEs evidente que este proceso de toma de decisiones es muy compleja si hay múltiples criterios de diseño y requiere de una gran experiencia del proyectistaComo alternativa, es posible definir un esquema de proyecto de formas diferenteEste esquema se basa en definir un espacio muestralde parámetros de forma, como variaciones de una solución baseTodas estas alternativas son evaluadas técnicamente y se elige la mejor de ellas, de acuerdo a los criterios (comparación de alternativas)

Toma de decisionesEjemplo:

Características principales: Lpp, B, T, Cb, Cp, Cm, Cw, XbEspacio 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 decisionesEspacio 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

ConclusionesRecomendaciones 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 mercanteR. 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.

Manual de usuario de MaxSurf