PN1.5.3-Modelação Geométrica Casco - mar.ist.utl.pt · Skinning Surface for Ship Hull Design Based on New Parameterization Method", International Journal of Advanced Manufacturing

1

Modelação Geométrica do Casco

Prof. Manuel Ventura

Projecto de Navios I

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

M.Ventura Modelação Geométrica do Casco 2

Sumário

1. Representação matemática das formas da carena

2. Metodologia de Modelação Geométrica do Casco

3. Sistemas de modelação geométrica usados em ArquitecturaNaval

2


Métodos de Representação do Casco (1)

Polinom.Parametrosdo casco

Criação deLinhas

1955USTaggart


Criação1952Univ.Hamburg

Thieme

Transform. afim

Casco Semelhante

Variaçãosistematica

1950BSRAUK

Lackenby


Criação de Linhas

1940UKBenson


Variaçãosistematica

1934Univ.Berlin

Weiblum

Polinom.Função da imersão

Parametrosdo casco

Criação e Variaçãosistematica

1915US NavyD. Taylor

FunçãoMetodol.DadosObjectivoAnoInstituição/País

Autor



Discont. cubicas

Função da imersão

OffsetsInterpolação e Desempolam.

1957US NavyTheilheimer& Starkwheather


OffsetsDesempolam.1959HollandRosing & Berghuis

PolinómiosChebysh.

Offsets da Curva Áreas

Aproxim. grosseira

1961NPLUK

Martin

PolinómiosLegendre

Método das Secções

OffsetsAproxim. grosseira

1960MITUS

Kerwin

Polinom.Método das Secções

OffsetsAproxim.1960US NavyPien


OffsetsDesempolam.1959HollandRosing & Berghuis


Autor

3



Ajuste de Superfície

OffsetsInterpolação1961SuéciaLidbro


OffsetsDesempolam.1961BergenNoruega


Parametrosdo casco

Criação deLinhas

1964SSETSweden

Williams

Discont. Cubics


OffsetsDesempolam.19631966

Todd ShipyardUS

Berger & Webster


OffsetsInterpolação1963Univ.Glasgow

Miller & Kuo

Chebysh.polinom.

Waterline offsets

Interpolação1962UKF. Taylor


Autor



Superfíciecubicas


Parametrosdo casco

Criação deLinhas

1964MITUS

Hamilton &Weiss


OffsetsDesempolam.1965NSMBHolland

Bakker

IntegraisElípticos


OffsetsInterpolação1965NRCCanada

Gospodnetie

Orthog.poligon.


OffsetsInterpolação1967DSRIDinamarca

Kantorowitz

Discont.polinom.


OffsetsCriação deLinhas

1966AlemanhaSöding

Conform.mapping


OffsetsDesempolam.1968US NavyTuck &V. Kerkzek

Discont. Cubicas


OffsetsDesempolam.1966US NavyCorin


Autor

4



Superfíciepolinom.


OffsetsInterpolação1968AlemanhaKaiser et al.

Superfíciepolinom.


OffsetsInterpolação1968AlemanhaKaiser et al.

Polinom.Método das Secções

Parametrosdo casco

Criação deLinhas

1969Univ.Hamburg Alemanha

Kwik

Discont. Cubics

Métod. Superfícies

OffsetsDesempolam.1969TU BerlinAlemanha

Breitung

Discont. Cubicas


OffsetsDesempolam.1966MitsubishiJapão

Hoshino,Kimura,Igarashi

Splinepolinom.


OffsetsDesempolam.NoruegaAUTOKON


Author



Métod. Superfícies

Offsets,parametros

Desempolam. e Criação deLinhas

1969PolóniaBuczkowski


Parametrosdo casco

Criação deLinhas

1970NSMBHolanda

Kuiper

Splines e cónicas


OffsetsInterpolaçãoSuéciaVIKING


Autor

5


Classificação Métodos de Modelação (1)

Quanto ao objectivo:

• Criação de novo casco

– Ocorre no projecto inicial do navio

– Restrições globais (deslocamento, coeficientes de finura, posição do centro de carena)

– Maior liberdade para aspectos locais da forma

• Representação de casco existente

– Ocorre em reparação naval

– Necessário respeitar conjunto de restrições locais

– Fornecer informação às oficinas para corte e enformação de chapas e perfilados


Classificação Métodos de Modelação (2)

Quanto aos dados de entrada:

• Conjunto de secções transversais e contornos AV/AR

– A partir de resultados de séries sistemáticas de carenas

– Minuta de traçado de navio existente

• Conjunto de linhas principais

– Linhas controlam globalmente conjunto de coeficientes e variáveis relacionadas com vários aspectos do navio (equilíbrio hidrostático, estabilidade, propulsão, volume de carga, etc.)

• Secção mestra, sec. na PPAV

• Linha de tangência do fundo (FOB), Linha de tangência do costado (FOS)

• Linha de água carregada, Linha do convés

• Curva de áreas (SAC)

– Linhas definidas parametricamente

6


Modelação Geométrica do Casco

A0

Criação deCurvas

A1

Geração deSuperfícies

Métodos deGeração, Análise eDesempolamento

de Curvas

Métodos deGeração, Análise eDesempolamento

de Superfícies

Grelha de Curvas(wireframe)

Requisitos deDimensõesprincipaisDeslocamentoPropulsão

Superfícies do Casco

SecçõesPreliminares

CurvasObtidas deSuperfícies

SecçãoMestra

Contornos deProa e Popa


Modelo de Curvas

A01

Criação de Curvas

A02

Análise daQualidade das

Curvas

A03

Desempolamentode Curvas

Métodos deAnálise

Métodos deGeração

Métodos deDesempolamento

A04

Prearação deGrelha

Métodos deEdição

Grelha de Curvas(wireframe)

Critériosde

Qualidade TolerânciasRequeridas

Requisitos deDimensõesprincipaisDeslocamentoPropulsão

7


Modelo de Superfícies

A11

Geração deSuperfícies

A12

Análise daQualidade das

Superfícies

A13

Desempolamentodas Superfícies

Métodos deDesempolamento

Métodos deGeração

Métodos deAnálise

Critérios deQualidade

TolerânciasRequeridasGrelha de Curvas

(wireframe)

Superfícies doCasco

A14

Extracção deCurvas deSuperfícies


Metodologia de Modelação do Casco

• Definir unidades

• Definir grelha auxiliar

8


Sequência de Trabalho (1)

• Criar LAYERS para organizar as entidades criadas:– Linhas de referência– Polylines– Curvas– Superficies– Contorno AV– Contorno AR– Linha Tosado– Linha Flecha– Secções Transversais– Linhas de Água– Secções Longitudinais– Diagonais



• Criar linhas de referência, nas layers respectivas:

– Linha base longitudinal

– Perpendiculares AV, AR e MN

– Linhas base transversais AV, AR e MN

– Linha do convés longitudinal

– Linhas do convés transversais AV, AR e MN

– Linha de imersão de projecto

9



• Criar ou importar secção mestra

• Se o casco tem corpo cilindro, localizar copias de secção mestra nos limites AV e AR

• Criar ou importar mais 2/3 secções AV e AR



• Criar ou importar contorno de proa

• Criar secção transversal do bolbo na PPAV

10



• Criar linha de eixo do veio do hélice

• Criar ou importar contorno de popa



• Gerar superfície(s) do costado

• Gerar superfície(s) do bolbo

• Criar linha do tosado

• Criar secção do convés a meio navio (flecha)

• Gerar superfície do convés

11


Linhas Rectas e Concordâncias

• Uma curva NURBS apresenta uma zona rectilínea quando tem <n> pontos colineares (n = ordem)

Transição de recta para curva tangente - 4 pontos colineares


Concordância entre Duas Linhas Rectas

• Sem pontos adicionais

• Com 1 ponto adicional

• Com 2 pontos adicionais

12


Arcos de Circunferência

• <Join> rectas com arco – a curva resultante não écontínua

• Desenhar arco

• Criar curva única e editar peso do ponto no vértice do encolamento até obter arco com raio desejado


Definição de Corpo Cilíndrico

• Repetir 3 secções iguais à secção mestra para obter corpo cilíndrico paralelo entre 2 delas

13


Meio Casco


Proa

Controlar ângulos de fecho da proa através de cópia do perfil de proa, rodada em torno da PPAV

14


Modelação do Convés (1)

Perfil (linha da flecha)

Trajectória (linha do tosado)


Modelação do Convés (2)

Gerar superfície comSurface/Sweep 1-rail

Trajectória (rail)Linha do Tosado

PerfilLinha da Flecha

15


Modelação do Bolbo

Sweep 2 rails

Trajectórias (rails)

Perfil


Modelação de Túnel do Impulsor (1)

Desenhar circunferência no plano de mediania:

Curve/Circle/Center,Radius Gerar cilindro:

Surface/Extrudecurve/Straight

16



Aparar cilindro pelo costado:

Edit/Trim

Abrir abertura no costado:

Edit/Trim



17


Passos na Modelação do Casco do Navio

1. Analisar a forma do casco e decompo-la em elementos de superfície

2. Definir os elementos de superfície com um mínimo de pontos de controle

3. Definir linhas de inflexão em secções transversais, longitudinais e linhas de água, refinando as superfícies, onde necessário

4. Minimizar a curvatura das linhas de água


Hull Modelling by a Single Surface (1)

Li et al (2007a; 2007b) propose the following methodology1. Interpolate all waterlines and deck side line(s) applying the existed

hull form data to create the initial section curves2. If the knuckles exist in aft or fore profile (see Fig. 1), interpolate the

aft or fore profile

18


Hull Modelling by a Single Surface (2)

3. Interpolate body lines4. Interpolate the waterline through the lowest point of transom (see

Fig. 1, “transom waterline”) if there are no data corresponding to it in the offset, then insert this waterline into the section curves sequence, otherwise jump this step and step (3) to step (5)

5. Insert the section curve used for construct bottom (“keel line and knuckle line of keel”, in Fig. 1) into the section curves sequence

6. Unify knot vectors and degrees of all the section curves createdabove and obtain the NURBS definition data, i.e. the control points, knot vector and weights, with unified knot vectors, denoted as U

7. Interpolate the curves in v direction and obtain the NURBS definition data of the hull surface

8. Construct hull surface


Bibliografia (1)

Barsky, Brian (1988), "Computer Graphics and Geometric ModelingUsing Beta-Splines", Springer-Verlag.Farin, G. (1988), “Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric Design: A Practical Guide”, Academic Press.Lee, K-Y; Cho, D-Y and Kim, T-W (2004), "Interpolation of the Irregular Curve Network of Ship Hull Form Using Subdivision Surfaces", Computer-Aided Design and Applications, Vol.1, Nos.1-4, pp.17-23. (CD-ROM#51)Lu, C.; Lin, Y. and Ji, Z. (2007a), “Ship Hull Representation Based onOffset Data with a Single NURBS Surface”, Ship TechnologyResearch, Vol.54, No.2, pp.81-88. (CD-ROM#40)Lu, C.; Lin, Y. and Ji, Z. (2007b), ”Free Trim Calculations Using GeneticAlgorithm Based on NURBS ShipForm”, International ShipbuildingProgress, Vol.54, No.1, pp.45-62. (CD-ROM#51)

19


Bibliografia (2)

Mason, Andrew (2005), “Surface Fitting Using Genetic Algorithms”, Naval Architect, September 2005. (CD-ROM-Archive#2)

• Nam, Jong-Ho; Parsons, Michael G. (2000), "A Parametric Approach for Initial Hull Form Modeling Using NURBS Representation", Journal of Ship Production, Vol.16, No.2, pp.76-89.Piegl, L. and Tiller, W. (1996), “The NURBS Book”, Springer-Verlag, 2nd Edition.Rogers, D.F. and Adams, J.A. (1990), “Mathematical Elements for Computer Graphics”, McGraw Hill Book Co., 2nd Edition, New York.Shamsuddin, S.M.; Ahmed, M.A. and Samian, Y. (2006), "NURBS Skinning Surface for Ship Hull Design Based on New Parameterization Method", International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol.28, pp.936–941.


Bibliografia (3)

Submanian, V.A. and Beena, V.I. (2002), “Numeric Design of SWATH Form”, International Shipbuilding Progress, Vol.49, No.2, pp.95-125. (CD-ROM#51)

• Wang, Hu and Zou, Zao-Jian (2008), "Geometry Modeling of Ship Hull Based on Non-Uniform B-spline", Journal of Shanghai JiaotongUniversity (Science), Vol.13, No.2, April, pp.189-192.Wen, A.; Shamsuddin, S. and Samian, Y. (2005), "Ship Hull Fitting Using NURBS", Proceedings of the Computer Graphics, Imaging and Vision: New Trends (CGIV’05).

20

Guia para as Aulas Práticas


Aula 1. Das Curvas para as Superfícies

• Modelação de casco a partir da Série 60

• Importar secções transversais e contornos AV/AR em DXF

• Definir sistemas de eixos de referência e linhas auxiliares, nas layersrespectivas

• Gerar superfície única do casco por <loft>

• Determinar curvas FOB e FOS

21


Aula 2. Modelação de Zonas Específicas

• Superfície do convés

– Linha do tosado

– Linha da flecha

– Superfícies planas/curvas

– Linha do convés à borda

• Superfície do bolbo

– Secção na PP AV

– Contorno de proa

– Linha de água

• Bico de Proa

• Painel de Popa


Aula 3. Das Superfícies para as Curvas

• Extrair as linhas principais de um modelo de superfícies existente

– Contorno longitudinal a meio-navio

– Linha de Tangencia do Fundo (FOB)

– Linha de Tangencia do Convés (FOS)

– Secção Mestra

– Secções adicionais AV/AR e na PP AV

– Linha de água carregada (LWL)

– Linha do convés à borda (DAS)

• Desempolamento de linhas

22


Aula 4. Das Curvas Principais para as Superfícies

• Geração das superfícies do casco a partir das curvas principais

• Projecção de curvas em superfícies


Aula 5. Do Modelo para o Desenho

• Extrair do conjunto de superfícies do meio-casco as curvas tradicionais do Plano Geométrico:

– Secções Transversais

– Secções Longitudinais

– Linhas de Água

– Diagonais

• Exportação para outros sistemas de CAD

– Normas DXF

– Normas IGES

23

Anexo A. Sistemas de Modelação Geométrica usados em Arquitectura Naval

Manuel Ventura


Rhinoceros 3D (1)

• www.rhino3d.com (Última versão: v4.0 Sp.6)

• Sistema de uso genérico (não orientado especificamente para arquitectura naval)

• Entidades usadas:

– Polylines

– Curvas NURBS

– PolyCurves

– Superfícies NURBS

– Grid

– PolyGrid

24


Rhinoceros 3D (2)

• Métodos de geração de superfícies:

– Extrusão

– Lofting

– Sweeping 1 rail / 2 rails

– Revolução

– Interpolação de 2, 3 ou 4 curvas fronteira

– Interpolação de grelha regular de curvas


Rhinoceros 3D (3)

• Métodos de Análise de Curvas e Superfícies

– Curvatura normal

– Curvatura de Gauss

– Linhas de reflexão

• Importação/Exportação

– Grande variedade de processadores

– IGES

– DWG/DXF

25


FastShip (1)

• www.proteusengineering.com (Última versão: ????)

• Sistema orientado especificamente para arquitectura naval

• Entidades


• Biblioteca de Carenas

• Calculo de hidrostáticas (p/ HTML, Excel, txt)

• Transformações da Carena

• Cria Minuta de Traçado em formato ASCII

Informação baseada na versão disponível (V6.1.25)


FastShip (2)


– IGES

– IDF

– 3dm (Rhino3D)

• Criação de Carenas para Biblioteca

26


AutoShip v8.0

• www.autoship.com (Última versão: v9.0)


• Entidades

– Curvas B-Spline

– Superfícies B-Spline


– Processadores de IGES muito deficientes

• Calcula hidrostáticas na linha de água de projecto


MaxSurf (1)

• www.formsys.com/maxsurf (Última versão: v12.0)


• Informação baseada na v11.03

• Entidades:

– Markers (polylines)

– Superfícies

• Superfícies são criadas directamente a partir de grelhas de pontos de controle (25 x 25 máx.)

• Permite criar tabelas de contornos (Secções, Linhas de Água, Linhas de Topo, Diagonais) em cotas pré-definidas.

27


MaxSurf (2)

• Transformações paramétricas para alterar:

– Zona cilindrica

– Coeficiente da secção mestra

– Flare

• Ficheiros com extensão <.mdf> (Maxsurf Design File)

• Importa e exporta superfícies NURBS em formato IGES

• Superfícies importadas não têm limites de dimensões

• Import/Export funciona bem com Rhino3D

• Calcula hidrostáticas na linha de água de projecto


MaxSurf / PreFit (3)

• Cria superfície única a partir de ficheiro de secções transversais e contornos, representados por polylines, designados por <Markers>

• Método de aproximação de curvas baseado em algoritmos genéticos

• O formato do ficheiro é o seguinte:

– Contorno de proa

– Secções transversais

– Contorno de popa

Offset

Stern

Sections

Bow

HeightLongitudinalStation

28


Ficheiro de <Markers> para PreFit

O formato do fichiero de texto é o seguinte:

• Valores em colunas com:

– station number

– X (station position)

– Y (offset from centre)

– Z (height)

• Cada linha deve terminar com Carriage Return <CR> e as colunas devemser separadas com caracteres <TAB>

• Cada secção deve ter o primeiro ponto sobre a linha base e o último sobre a linha de tosado


MultiSurf v5.0.2

• www.aerohydro.com


• Geometria relacional

• Curvas em superfícies

• Curvaturas da superficie

– Normal

– Gauss

– Média

• Exporta

– DXF

– IGES (funciona bem com Rhino)

29


BEAN – The Virtual Shipyard

• www.thevirtualshipyard.com


• Inclui as funcionalidades seguintes:

– Modelação geométrica de superfícies

– Cálculos de Arquitectura Naval

– Fotogrametria


DELFTship

• www.delftship.net

• Última versão: v3.2 (Nov. 2007)

• Modelação baseada em superfícies de subdivisão

• Tem bibliotecas de perfis alares

– NACA

– UIUC (University of Illinois at Urbana-Champaign) (www.ae.uiuc.edu/m-selig/ads.html)

• Aplica transformações de carena (Lackenby)

• Cálculos de previsão de potência

– Veleiros

30


Pilot3D v1.222 (1)

• www.pilot3d.com

• Entidades geométricas

– Pontos

– Linhas

– Linhas poligonais

– Curvas NURBS


• Importa

– DXF

– IGES


Pilot3D v1.222 (2)

• Funcionalidades

– Planificação de superfícies

– Reconstrução de superfícies

31


Ship Hull Characteristics Program (SHCP)

• Programa da Marinha dos EUA para cálculos de estabilidade e de resistência longitudinal (Última versão PC-SHCP v5.0)

• Deu origem a um formato de ficheiros para descrição da forma do casco que se tornou uma norma de transferência de dados para muitos outros programas de arquitectura naval (GHS, AutoHydro, etc.)

• Formato do ficheiro SHCP

– Todas as dimensões em unidades Imperiais ( 1ft = 0.3048 m)

– Eixo das abcissas com origem na PPAV, e orientado para AR

– Definição das Secções:• NoPontos, Xsec

• y, z

• y, z


Orkinus

• www.orkinus.com

• Surface optimization (with CFD)

• Lofting documentation:

– Lines fairing (SeaSolution software)

– Shell plating

– Structures modeling

– Profile sketches

– Nesting

– Hydrostatics computation (SeaHydro)

• Presentation modeling

32


ShipConstructor

• www.shipconstructor.com

• Sistema de modelação de estruturas de navio integrado no AutoCAD

• Base de dados externa MS SQL Server


MasterShip

• www.mastership.nl

• Sistema de CAD/CAM para engenharia naval, integrado no AutoCAD

• Composto por uma base de dados SQL e 4 módulos de geração:

– Geração de forma

– Geração de peças

– Geração de sistemas de encanamentos e condutas

– Geração de NC e nesting

33


MAAT 2000

• www.reds-engineering.com

• Modelação da forma do casco com superfícies NURBS

• Cálculos de hidrostáticas

• Modelação de estruturas

• Produção de desenhos

• Usado pela Marinha Francesa

Documents

PN1.5.3-Modelação Geométrica Casco - mar.ist.utl.pt · Skinning Surface for Ship Hull Design Based on New Parameterization Method", International Journal of Advanced Manufacturing