Modelação Geométrica do Casco Sumário

Transcrição

Modelação Geométrica do Casco
Prof. Manuel Ventura
Projecto de Navios I
Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval
Sumário
1.
Representação matemática das formas da carena
2. Metodologia de Modelação Geométrica do Casco
3. Sistemas de modelação geométrica usados em Arquitectura
Naval
M.Ventura
2
1
Métodos de Representação do Casco (1)
Autor
Instituição/
País
Ano
Objectivo
Dados
Metodol.
Função
D. Taylor
US Navy
1915
Criação e
Variação
sistematica
Parametros
do casco
Função da
imersão
Polinom.
Weiblum
Univ.
Berlin
1934
Variação
sistematica
Parametros
do casco
Polinom.
Benson
UK
1940
Criação de
Linhas
Parametros
do casco
Polinom.
Lackenby
BSRA
UK
1950
Variação
sistematica
Casco
Semelhante
Thieme
Univ.
Hamburg
1952
Criação
Parametros
do casco
Polinom.
Taggart
US
1955
Criação de
Linhas
Parametros
do casco
Polinom.
M.Ventura
Transform.
afim
3
Autor
Instituição/
País
Ano
Objectivo
Dados
Metodol.
Função
Theilheimer
&
Starkwheathe
r
US Navy
1957
Interpolação e
Desempolam.
Offsets
Função da
imersão
Discont.
cubicas
Rosing &
Berghuis
Holland
1959
Desempolam.
Offsets
Função da
imersão
Rosing &
Berghuis
Holland
1959
Desempolam.
Offsets
Função da
imersão
Pien
US Navy
1960
Aproxim.
Offsets
Método das
Secções
Polinom.
Kerwin
MIT
US
1960
Aproxim.
grosseira
Offsets
Método das
Secções
Polinómios
Legendre
Martin
NPL
UK
1961
Aproxim.
grosseira
Offsets da
Curva Áreas
M.Ventura
Polinómios
Chebysh.
4
2
Autor
Instituição/
País
Ano
Objectivo
Dados
Metodol.
Lidbro
Suécia
1961
Interpolação
Offsets
Ajuste de
Superfície
Bergen
Noruega
1961
Desempolam. Offsets
Função da
imersão
F. Taylor
UK
1962
Interpolação
Waterline
offsets
Miller &
Kuo
Univ.
Glasgow
1963
Interpolação
Offsets
Função da
imersão
Polinom.
Berger &
Webster
Todd Shipyard
US
1963
1966
Desempolam. Offsets
Ajuste de
Superfície
Discont.
Cubics
Williams
SSET
Sweden
1964
Criação de
Linhas
Função da
imersão
Polinom.
M.Ventura
Parametros
do casco
Função
Polinom.
Chebysh.
polinom.
5
Autor
Instituição/
País
Ano
Objectivo
Dados
Metodol.
Função
Hamilton &
Weiss
MIT
US
1964
Criação de
Linhas
Parametros
do casco
Ajuste de
Superfície
Superfície
cubicas
Bakker
NSMB
Holland
1965
Desempolam.
Offsets
Método das
Secções
Gospodnetie
NRC
Canada
1965
Interpolação
Offsets
Método das
Secções
Integrais
Elípticos
Corin
US Navy
1966
Desempolam.
Offsets
Método das
Secções
Discont.
Cubicas
Tuck &
V. Kerkzek
US Navy
1968
Desempolam.
Offsets
Método das
Secções
Conform.
mapping
Söding
Alemanha
1966
Criação de
Linhas
Offsets
Método das
Secções
Discont.
polinom.
Kantorowitz
DSRI
Dinamarca
1967
Interpolação
Offsets
Ajuste de
Superfície
Orthog.
poligon.
M.Ventura
6
3
Author
Instituição/
País
Ano
Objectivo
Dados
Metodol.
Função
Kaiser et al.
Alemanha
1968
Interpolação
Offsets
Ajuste de
Superfície
Superfície
polinom.
Kaiser et al.
Alemanha
1968
Interpolação
Offsets
Ajuste de
Superfície
Superfície
polinom.
AUTOKON
Noruega
Desempolam.
Offsets
Método das
Secções
Spline
polinom.
Hoshino,
Kimura,
Igarashi
Mitsubishi
Japão
1966
Desempolam.
Offsets
Método das
Secções
Discont.
Cubicas
Breitung
TU Berlin
Alemanha
1969
Desempolam.
Offsets
Métod.
Superfícies
Discont.
Cubics
Kwik
Univ.
Hamburg
Alemanha
1969
Criação de
Linhas
Parametros
do casco
Método das
Secções
Polinom.
M.Ventura
7
Autor
Instituição/ Ano
País
Objectivo
Dados
Metodol.
Buczkowski
Polónia
Desempolam. e
Criação de
Linhas
Offsets,
parametros
Métod.
Superfícies
VIKING
Suécia
Interpolação
Offsets
Ajuste de
Superfície
Splines e
cónicas
Kuiper
NSMB
Holanda
Criação de
Linhas
Parametros
do casco
Função da
imersão
Polinom.
M.Ventura
1969
1970
Função
8
4
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
M.Ventura
9
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
M.Ventura
10
5
Requisitos de
y Dimensões
principais
y Deslocamento
y Propulsão
Secção
Mestra
Grelha de Curvas
(wireframe)
Contornos de
Proa e Popa
Criação de
Curvas
Superfícies
do Casco
A0
Secções
Preliminares
Geração de
Superfícies
A1
Curvas
Obtidas de
Superfícies
M.Ventura
Métodos de
Geração, Análise e
Desempolamento
de Curvas
Métodos de
Geração, Análise e
Desempolamento
de Superfícies
11
Modelo de Curvas
Requisitos de
y Dimensões
principais
y Deslocamento
y Propulsão
Critérios
de
Qualidade
Tolerâncias
Requeridas
Criação de Curvas
A01
Análise da
Qualidade das
Curvas
A02
Grelha de Curvas
(wireframe)
Desempolamento
de Curvas
A03
Prearação de
Grelha
A04
Métodos de
Geração
M.Ventura
Métodos de
Análise
Métodos de
Desempolamento
Métodos de
Edição
12
6
Modelo de Superfícies
Critérios de
Qualidade
Grelha de Curvas
(wireframe)
Tolerâncias
Requeridas
Superfícies do
Casco
Geração de
Superfícies
A11
Análise da
Qualidade das
Superfícies
A12
Desempolamento
das Superfícies
A13
Extracção de
Curvas de
Superfícies
A14
Métodos de
Geração
M.Ventura
Métodos de
Análise
Métodos de
Desempolamento
13
Metodologia de Modelação do Casco
•
Definir unidades
•
Definir grelha auxiliar
M.Ventura
14
7
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
M.Ventura
15
•
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
M.Ventura
16
8
•
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
M.Ventura
17
•
Criar ou importar contorno de proa
•
Criar secção transversal do bolbo na PPAV
M.Ventura
18
9
•
Criar linha de eixo do veio do hélice
•
Criar ou importar contorno de popa
M.Ventura
19
•
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
M.Ventura
20
10
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
M.Ventura
21
Concordância entre Duas Linhas Rectas
M.Ventura
•
Sem pontos adicionais
•
Com 1 ponto adicional
•
Com 2 pontos adicionais
22
11
Arcos de Circunferência
• Desenhar arco
• Criar curva única e editar
peso do ponto no vértice do
encolamento até obter arco
com raio desejado
• <Join> rectas com
arco – a curva
resultante não é
contínua
M.Ventura
23
Definição de Corpo Cilíndrico
•
Repetir 3 secções iguais à secção mestra para obter corpo cilíndrico
paralelo entre 2 delas
M.Ventura
24
12
Meio Casco
M.Ventura
25
Proa
Controlar ângulos de fecho da
proa através de cópia do perfil
de proa, rodada em torno da
PPAV
M.Ventura
26
13
Modelação do Convés (1)
Perfil (linha da flecha)
Trajectória (linha do tosado)
M.Ventura
27
Modelação do Convés (2)
Perfil
Linha da Flecha
Trajectória (rail)
Linha do Tosado
Gerar superfície com
Surface/Sweep 1-rail
M.Ventura
28
14
Modelação do Bolbo
Trajectórias (rails)
Perfil
Sweep 2 rails
M.Ventura
29
Modelação de Túnel do Impulsor (1)
Desenhar circunferência no
plano de mediania:
Curve/Circle/Center,Radius
M.Ventura
Gerar cilindro:
Surface/Extrude
curve/Straight
30
15
Aparar cilindro pelo
costado:
Edit/Trim
Abrir abertura no
costado:
Edit/Trim
M.Ventura
31
M.Ventura
32
16
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
M.Ventura
33
Hull Modelling by a Single Surface (1)
Li et al (2007a; 2007b) propose the following methodology
1. Interpolate all waterlines and deck side line(s) applying the existed
hull form data to create the initial section curves
2. If the knuckles exist in aft or fore profile (see Fig. 1), interpolate the
aft or fore profile
M.Ventura
34
17
Hull Modelling by a Single Surface (2)
3. Interpolate body lines
4. 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 created
above 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
M.Ventura
35
Bibliografia (1)
9 Barsky, Brian (1988), "Computer Graphics and Geometric Modeling
Using Beta-Splines", Springer-Verlag.
9 Farin, G. (1988), “Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric
Design: A Practical Guide”, Academic Press.
9 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)
9 Lu, C.; Lin, Y. and Ji, Z. (2007a), “Ship Hull Representation Based on
Offset Data with a Single NURBS Surface”, Ship Technology
Research, Vol.54, No.2, pp.81-88. (CD-ROM#40)
9 Lu, C.; Lin, Y. and Ji, Z. (2007b), ”Free Trim Calculations Using Genetic
Algorithm Based on NURBS ShipForm”, International Shipbuilding
Progress, Vol.54, No.1, pp.45-62. (CD-ROM#51)
M.Ventura
36
18
Bibliografia (2)
9 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.
9 Piegl, L. and Tiller, W. (1996), “The NURBS Book”, Springer-Verlag,
2nd Edition.
9 Rogers, D.F. and Adams, J.A. (1990), “Mathematical Elements for
Computer Graphics”, McGraw Hill Book Co., 2nd Edition, New York.
9 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.
M.Ventura
37
Bibliografia (3)
9 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 Jiaotong
University (Science), Vol.13, No.2, April, pp.189-192.
9 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).
M.Ventura
38
19
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 layers
respectivas
•
Gerar superfície única do casco por <loft>
•
Determinar curvas FOB e FOS
M.Ventura
40
20
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
M.Ventura
41
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
M.Ventura
42
21
Aula 4. Das Curvas Principais para as
Superfícies
•
Geração das superfícies do casco a partir das curvas principais
•
Projecção de curvas em superfícies
M.Ventura
43
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
M.Ventura
44
22
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
M.Ventura
46
23
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
M.Ventura
47
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
M.Ventura
48
24
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)
M.Ventura
49
FastShip (2)
•
– IGES
– IDF
– 3dm (Rhino3D)
•
Criação de Carenas para Biblioteca
M.Ventura
50
25
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
M.Ventura
51
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.
M.Ventura
52
26
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
M.Ventura
53
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
Station
Longitudinal
Offset
Height
Bow
Sections
Stern
M.Ventura
54
27
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 devem
ser separadas com caracteres <TAB>
•
Cada secção deve ter o primeiro ponto sobre a linha base e o último
sobre a linha de tosado
M.Ventura
55
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)
M.Ventura
56
28
BEAN – The Virtual Shipyard
•
www.thevirtualshipyard.com
•
•
Inclui as funcionalidades seguintes:
– Modelação geométrica de superfícies
– Cálculos de Arquitectura Naval
– Fotogrametria
M.Ventura
57
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
M.Ventura
58
29
Pilot3D v1.222 (1)
•
www.pilot3d.com
•
Entidades geométricas
– Pontos
– Linhas
– Linhas poligonais
– Curvas NURBS
•
Importa
– DXF
– IGES
M.Ventura
59
Pilot3D v1.222 (2)
•
Funcionalidades
– Planificação de superfícies
– Reconstrução de superfícies
M.Ventura
60
30
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
M.Ventura
61
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
M.Ventura
62
31
ShipConstructor
•
www.shipconstructor.com
•
Sistema de modelação de estruturas de navio integrado no AutoCAD
•
Base de dados externa MS SQL Server
M.Ventura
63
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
M.Ventura
64
32
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
M.Ventura
65
33

Modelação Geométrica do Casco Sumário

Transcrição

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