Artículo técnico

El diseño estructural de buques cobra una importancia significativa en la búsqueda de soluciones óptimas, ya que la disciplina estructural se considera, tanto desde el punto de vista técnico como económico, una parte de gran relevancia en la gestión de los astilleros. Por ello, desde el punto de vista estructural, los diseñadores tenemos la labor de encontrar soluciones que cumplan todos los requisitos del proyecto, tengan el menor peso posible y garanticen un margen de seguridad ante posibles futuras variaciones del proyecto sin llegar a incurrir en soluciones desmedidas. Así, los ingenieros navales tenemos la responsabilidad de buscar soluciones de compromiso para desarrollar nuevos buques.

En el contexto de la búsqueda de una solución no sobredimensionada, Seaplace pretende mostrar en este breve artículo un análisis cuasi-dinámico de la resistencia longitudinal de un buque no convencional en olas regulares e irregulares mediante el acoplamiento de las presiones hidrodinámicas inducidas por las olas y la captura de la situación de equilibrio estático ante diferentes direcciones y frecuencias del oleaje incidente. Este procedimiento, basado en el Método de Elementos Finitos (FEM, Finite Element Method), trata de proponer un enfoque de cálculo alternativo para evaluar la resistencia longitudinal global de un buque en comparación con la formulación empírica estándar comúnmente utilizada; dando así al diseñador de la estructura la posibilidad de desarrollar buques que nunca antes han sido construidos.

En la etapa de ingeniería básica de cualquier proyecto, el diseño de la estructura de un buque se convierte en un reto asombroso en un contexto profesional cada vez más exigente. De acuerdo a [3], como práctica habitual, los buques se diseñan principalmente según las reglas establecidas por las Sociedades de Clasificación (SSCC) mediante formulación empírica y retroalimentada en base a la experiencia. Sin embargo, dicha formulación no se adapta adecuadamente a los buques no convencionales. Esto podría dar lugar a una solución de diseño sobredimensionada. Con el desarrollo de los softwares informáticos de análisis de elementos finitos, es posible evaluar y resolver varios problemas estructurales de gran complejidad obteniendo soluciones que mejor se adapten a los fines perseguidos.

Esta es la razón por la que el presente artículo profundiza en una de las cuestiones estructurales más relevantes durante la fase de diseño de un buque; lo cual consiste en estudiar la aplicación de métodos modernos cuasi-dinámicos de análisis global de resistencia mediante la utilización del software comercial ANSYS.

De acuerdo a los métodos de cálculo de última generación, la Figura 1 muestra el flujo de trabajo seguido en el entorno ANSYS para abordar adecuadamente el análisis de interacción fluido-estructura.

Básicamente, consta de las siguientes fases:

• Una vez creado el modelo hidrodinámico, se ha realizado un análisis global del comportamiento en la mar en el dominio de la frecuencia con AQWA, estudiando diferentes direcciones y frecuencias de oleajes incidentes. Se han evaluado los principales Operadores de Amplitud de Respuesta (RAOs) y la distribución de los momentos flectores en olas.
• Posteriormente, las presiones resultantes obtenidas se han mapeado sobre el casco del modelo estructural FEM. Junto con la aplicación de las correspondientes aceleraciones inerciales, se ha estudiado la respuesta estructural del buque en función de la frecuencia y la dirección del oleaje incidente.

Figura 1. Flujo de trabajo del análisis.

Cuando el buque se mueve en olas, tanto el barco como el agua experimentan aceleraciones en los seis grados de libertad. Resolver el problema acoplado de la carga hidrodinámica y la respuesta del barco en el dominio del tiempo es extremadamente costoso, especialmente considerando que la carga dinámica cambia con el tiempo. Por lo tanto, el análisis cuasi dinámico de respuesta se trata como un procedimiento conservador donde se supone que las cargas en el buque son casi estáticas. Esto supone que las cargas de la ola se aplican de manera progresiva, por lo que la estructura se deforma a una velocidad lenta y en el régimen elástico. La principal ventaja de este método es que la carga de las olas se aproxima dinámicamente como presiones hidrodinámicas ejercidas sobre el casco debido a la ola incidente.

El análisis de esfuerzos, en este caso, se realiza de la misma forma que un análisis estático donde se considera la carga máxima resultante de una ola dinámica en un momento dado. Por lo tanto, la carga se aplica estáticamente, pero a diferencia del propio análisis estático (donde la carga se basa en datos estadísticos y se aplica como cargas puntuales), el análisis cuasi dinámico considera una carga dinámica, que se aplica como las presiones hidrodinámicas sobre el casco.

El barco objeto de estudio consiste en un buque de 70 m de eslora destinado a manipular y realizar el mantenimiento de boyas oceánicas, así como cubrir tareas de asistencia y apoyo en el Mar del Norte.

La Tabla 1 resume las principales características del buque de manipulación de boyas, el cual está siendo construido en Astilleros Gondán.

Tabla 1. Características principales del buque.

Adicionalmente, la Figura 2 muestra una vista de perfil global de la disposición general.

Figura 2. Vista del perfil del buque.

Premisas del Análisis

Una vez trasladadas al entorno de AQWA las formas de la carena y definida la Condición de Carga representativa a analizar, se ha definido una malla de paneles de difracción de acuerdo a las recomendaciones establecidas en [4].

En cuanto a las direcciones de ola analizadas, se ha definido un número total de 9 direcciones, que cubren un rango de 0° a 180° en intervalos de 45°. En relación a las frecuencias de ola, se ha definido un intervalo de 0.1 rad/s a 3 rad/s en pasos de 0.05 rad/s; lo que ha dado como resultado un número total de 57 intervalos.

Resultados

Con el fin de garantizar una buena representación de la respuesta del buque, se han evaluado las características hidrostáticas de la malla en comparación con los valores teóricos propios de la Condición de Carga evaluada. La Tabla 2 resume la comparativa de los resultados hidrostáticos obtenidos del análisis de difracción.

Tabla 2. Verificación del modelo AQWA.

Se han evaluado las RAOs representativas ya que el proceso de mapeo de presiones también implica aplicar las correspondientes componentes de aceleraciones dinámicas con el objetivo de equilibrar las fuerzas resultantes sobre la estructura. La Figura 3 muestra las RAOs de desplazamientos y rotaciones tomando el CdG como punto de referencia.

Figura 3. RAOs de desplazamientos y rotaciones.

Adicionalmente, se ha evaluado el momento flector en olas para comparar los valores máximos obtenidos con los valores reglamentarios de diseño estandarizados. La Figura 4 muestra a la izquierda la RAO en término de momento flector por unidad de amplitud de ola en el dominio de la frecuencia para aquellas posiciones donde se alcanzan valores máximos según la dirección del oleaje. Por otro lado, la Figura 4 muestra a la derecha la comparación de la envolvente del momento flector en olas de diseño (reglamentario) con las distribuciones máximas de momentos flectores para una ola incidente de 5 metros de amplitud.

Figura 4. Resultados de momentos flectores en olas.

Configuración del análisis

Una vez calculados todos los datos iniciales para realizar la segunda fase del análisis, se ha definido un modelo global estructural de elementos finitos donde se han empleado elementos SHELL para la estructura primaria y elementos BEAM para la estructura secundaria.

La Figura 5 muestra una vista general de la geometría del modelo FEM, donde se puede apreciar qué parte de la estructura se ha considerado para el alcance del presente análisis global.

Atendiendo a la malla, la geometría se ha modelado utilizando principalmente elementos 2D lineales (SHELL181 y BEAM188), definiendo un tamaño global de malla de 150 mm. Además, se han definido los controladores de malla necesarios para asegurar que la calidad de la misma cumple con los criterios recomendados por [2].

Figura 5. Modelo geométrico en Spaceclaim.

Figura 6. Detalle de la malla FEM.

La Figura 6 muestra una imagen local de la malla obtenida en la zona donde se integra la grúa principal.

Una vez mallado el modelo, se han definido una serie de masas distribuidas y masas puntuales para capturar los efectos inerciales de todos aquellos componentes no modelados; consiguiendo así correlacionar de la mejor manera posible la Condición de Carga analizada en el análisis de difracción con los valores de masa y CdG capturadas con el análisis estructural.

En lo que respecta a las cargas, se ha computado el peso propio y se han incorporado las aceleraciones inerciales, así como el mapeado de presiones obtenidos del análisis hidrodinámico realizado con AQWA.

En línea con lo establecido en [2], las condiciones de contorno para un modelo estructural global deben reflejar soportes simples que eviten concentraciones de tensiones y eviten movimientos de sólido rígido. Por lo tanto, se han definido tres apoyos, 2 en nodos de babor y estribor del mamparo de proa de cámara de máquinas y un tercero en crujía en el mamparo de colisión.

Además, para evitar fenómenos de concentración de tensiones en los nodos restringidos, se ha activado la opción de “Inertia Relief” al correr los análisis. Esta función calcula las aceleraciones necesarias para contrarrestar las cargas no equilibradas fruto de posibles desviaciones entre los modelos hidrodinámico y estructural. Estas aceleraciones deben analizarse y comprobar que se encuentran dentro de unos límites admisibles recomendados.

Resultados

Una vez configurados los análisis en cuestión de todos los casos estáticos correspondientes a las diferentes direcciones y frecuencias de oleaje, se han evaluado los siguientes resultados. A modo ilustrativo, la Figura 7 refleja a la izquierda el estado tensional global obtenido para el caso básico correspondiente a un oleaje incidente a 0 grados y de frecuencia 1 rad/s, el cual se correlaciona con el caso de carga donde se obtiene el máximo momento flector. Nótese que los valores obtenidos son por metro de amplitud de ola incidente. Por otro lado, para evaluar el comportamiento del buque bajo un escenario de resistencia longitudinal y con el objetivo de obtener una respuesta espectral de tensiones para futuros cálculos de fatiga, la Figura 7 muestra a la derecha la función de respuesta del barco en olas regulares en términos de valores de esfuerzos por metro de ola incidente para una placa de cubierta representativa donde pretende instalarse una maquinilla de remolque bajo la grúa de manejo de boyas.

Figura 7. Resultados análisis FEM.

El procedimiento aquí descrito pretende evaluar la resistencia del buque mediante la utilización de softwares de última generación sirviendo como alternativa a los cálculos según reglas tradicionales y empíricas.

En primer lugar, se ha llevado a cabo un análisis de comportamiento en la mar capturando pequeñas diferencias entre los valores teóricos y los obtenidos en el modelo hidrodinámico de difracción. Las principales RAOs de movimientos han sido calculadas, sin considerar los efectos de amortiguación viscosa.

Con respecto a la distribución de momentos flectores, el momento máximo ocurre en la zona central, para 0 y 180 grados, y para una frecuencia de entorno a 0.8 rad/s; como era de esperar. Se puede analizar a su vez que los valores empíricos propuestos por la norma son más conservadores en comparación al momento flector de una ola de 5 m de amplitud.

Se ha prestado especial precaución en conseguir equilibrar el modelo estructural en relación al hidrodinámico.

Se ha realizado un enfoque cuasi-dinámico mapeando las presiones hidrodinámicas obtenidas del modelo AQWA en el modelo FEM, con el objetivo de estudiar la influencia de la interacción fluido-estructura en la respuesta dinámica. Los resultados tensionales en el dominio de la frecuencia han sido empleados para verificar el debido cumplimiento a fluencia, pandeo y fatiga de acuerdo a la reglamentación aplicable.

[1] Rules and Regulations for the Classification of Ships, July 2022 (Lloyd’s Register).

[2] DNVGL-CG-0127: Class Guideline about Finite Element Analysis, November 2020.

[3] Yasuhisa Okumoto, Yu Takeda, Masaki Mano & Tetsuo Okada. Design of Ship Hull Structure, A Practical Guide for Engineers. Ed. Springer, ISBN: 978-3-540-88444-6. Takaya, Yokohama, and Tokyo (2018).

[4] AQWA Theory Manual (V. 2021R2).