El Ing. Tommaso Colaianni agiliza las verificaciones estructurales de buques con Femap

Retos operativos

• Construir el modelo FEM de un buque completo.
• Gestionar las iteraciones de modificación solicitadas por el astillero y derivadas de la verificación estructural.
• Ejecutar el procedimiento de factorización de tensiones exigido por la sociedad de clasificación.

Claves del éxito

• Utilizar Femap para crear el modelo FEM y gestionar las iteraciones de diseño.
• Implementar, por parte de SmartCAE, un programa basado en Femap API para ejecutar de forma guiada el proceso de factorización de tensiones.

Resultados obtenidos

• Actualización rápida del modelo en función de las modificaciones.
• Reducción de los tiempos de verificación gracias al software de factorización.
• Capacidad para completar el proyecto dentro de los plazos establecidos.

Tommaso Colaianni es un profesional independiente que lleva casi veinte años trabajando como consultor para diversas empresas italianas y extranjeras, especializado en diseño náutico y naval. Entre sus clientes se encuentran tanto astilleros dedicados a la construcción de yates como importantes compañías internacionales de cruceros. Para llevar a cabo uno de sus proyectos más importantes, decidió utilizar el software Femap con el solver Simcenter Nastran y confiar en SmartCAE para desarrollar una herramienta especializada a medida que permitiera realizar las verificaciones exigidas por la sociedad de clasificación.

“Desde que me gradué, siempre me he dedicado al cálculo estructural, especialmente mediante software de elementos finitos. Desde entonces, el análisis FEM ha sido una parte constante de mi trabajo. La profesión de diseñador naval abarca muchas actividades diferentes, como los cálculos de estabilidad del buque, el dimensionamiento de los sistemas de a bordo y el análisis fluidodinámico. Actualmente, más del 60 % de mi actividad está relacionada con los aspectos estructurales”, nos cuenta Tommaso Colaianni.

“Lo mejor de nuestro trabajo es que cada nuevo proyecto plantea retos diferentes, ya que cada buque se diseña para satisfacer necesidades distintas: todo cambia en función del tipo de buque y de las condiciones de navegación”.

«En el cálculo directo conforme a los requisitos de la sociedad de clasificación, el proyectista dispone de indicaciones muy precisas sobre lo que debe hacer», explica Colaianni. «Cada sociedad de clasificación tiene una normativa que el proyectista debe cumplir. Por ejemplo, para dimensionar la cubierta de un buque, la sociedad de clasificación prescribe las cargas que deben aplicarse y proporciona las fórmulas necesarias para definirlas. A partir de estas cargas, el proyectista dimensiona las vigas que soportan la cubierta y calcula el módulo resistente mínimo que deben tener, utilizando siempre las fórmulas de la sociedad de clasificación. A continuación, selecciona la sección de la viga, respetando las proporciones entre el alma y el ala exigidas por la normativa, y prácticamente todo está hecho».

«Este enfoque ha demostrado ser práctico y fiable para geometrías de extensión limitada, como una pequeña sección de cubierta sometida a una determinada carga, lo que se conoce como cargas locales», continúa. «Sin embargo, cuando es necesario dimensionar la estructura de un buque completo, la sociedad de clasificación exige cálculos adicionales basados en el equilibrio de la ‘viga buque’. En este caso, el proceso se complica, porque los cálculos exigidos por la normativa son muy difíciles de realizar sin la ayuda de un software de análisis diseñado específicamente para este tipo de verificación».

Para Colaianni, el plazo de ejecución del proyecto es un factor fundamental:

«Todos estos proyectos tienen en común la necesidad de reducir el tiempo transcurrido entre la asignación del trabajo y su entrega. Los plazos son cada vez más ajustados y nuestro reto no consiste únicamente en cumplir los plazos exigidos por el cliente, sino también en intentar reducirlos y entregar el trabajo antes de la fecha contractual, manteniendo un alto nivel de calidad».

Colaianni cita como ejemplo un proyecto que está a punto de finalizar: «Actualmente estamos colaborando con una de las mayores empresas europeas de ingeniería naval, KNUD E. HANSEN, en el proyecto de dos buques de 230 m de eslora. Se trata de dos buques Ro-Ro destinados al transporte de vehículos pesados. Para ambos hemos tenido que realizar un análisis del modelo completo utilizando dos sociedades de clasificación diferentes: Lloyd’s Register y RINA. Habíamos estimado una duración de unos 8-9 meses para este proyecto, pero, debido a las solicitudes de integración adicionales tanto por parte de la sociedad de clasificación como del astillero, se ha prolongado algunos meses más. Dada la importancia del proyecto, decidimos evaluar distintas plataformas para el análisis FEM y, finalmente, nos decantamos por Simcenter Femap«.

«Crear un modelo de elementos finitos de una geometría compleja como la de un buque es una tarea exigente», reconoce Colaianni. «Además, el diseño de la estructura de un buque es un proceso iterativo: a partir de un diseño inicial, los espesores de las chapas y las secciones de las vigas se van actualizando a medida que se realizan las verificaciones estructurales.

Asimismo, el astillero también participa en el proceso de diseño y, durante la fase de construcción, modifica la estructura en función de las necesidades de fabricación. Esto implica tener que modificar repetidamente la geometría y la malla hasta conseguir que la estructura cumpla todos los requisitos de verificación.

En este trabajo, Simcenter Femap ha demostrado ser la elección adecuada, ya que, al combinar comandos de modelización automática con métodos para modificar manualmente la malla, nos ha permitido gestionar todas las iteraciones sin tener que empezar desde cero cada vez».

Las verificaciones estructurales de un buque conforme a los requisitos de la sociedad de clasificación incluyen análisis detallados tanto a nivel global como en zonas específicas, mediante un enfoque denominado «Factorización de Tensiones».

«En este proceso iterativo surge una dificultad adicional», nos explica Colaianni. «Las sociedades de clasificación están adoptando progresivamente un nuevo enfoque de verificación denominado Factorización de Tensiones. Según este enfoque, los resultados «locales» obtenidos mediante el análisis FEM deben compararse con el campo de fuerzas y momentos «globales» que actúan sobre la «viga buque«.

Este procedimiento, establecido por la IACS, requiere un procesamiento considerable de los resultados del análisis FEM. En otras palabras, las tensiones calculadas por el solver FEM no pueden utilizarse directamente para la verificación. Realizar manualmente las comprobaciones previstas por este procedimiento supone un esfuerzo considerable y resulta poco práctico cuando es necesario gestionar numerosos casos de carga, multiplicados por las numerosas iteraciones de diseño«.

«En este contexto, el soporte de SmartCAE ha sido fundamental: han implementado para nosotros, mediante el lenguaje Femap API, todo el procedimiento de factorización, haciendo que este proceso sea sencillo y directo. El programa desarrollado por SmartCAE permite calcular la factorización y visualizarla gráficamente como un mapa sobre los elementos finitos. En la práctica, lo que vemos en pantalla son directamente las tensiones factorizadas«, nos explica satisfecho Colaianni.

«Sin una herramienta de este tipo, el ingeniero estructural tendría que realizar todo este trabajo manualmente: estamos hablando de millones de elementos, en cada uno de los cuales habría que factorizar las tensiones. Es evidente que se trata de una tarea imposible, especialmente si tenemos en cuenta que, con frecuencia, es necesario modificar algunas zonas del buque y, en consecuencia, volver a ejecutar todos los casos de carga y repetir la factorización de tensiones. Este software nos ha permitido llevar a cabo el trabajo y hacerlo rápidamente«.

Pero las ventajas de Simcenter Femap no se limitan únicamente a la factorización de tensiones:

«En primer lugar, me sorprendió especialmente la capacidad de Femap para gestionar modelos con un gran número de elementos. En el pasado también he trabajado con otros programas FEM: cuando se trataba de trabajar con una malla poco densa, no había problemas; sin embargo, cuando la malla se acercaba al millón de elementos o lo superaba, el software presentaba importantes dificultades. Con Femap nunca he tenido este tipo de problemas. El solver integrado Simcenter Nastran es rápido y más que adecuado para nuestros análisis«.

Para los proyectos más exigentes, no solo es fundamental utilizar la herramienta adecuada, sino también contar con un socio de confianza al que recurrir.

«Me impresionaron mucho la profesionalidad y los conocimientos técnicos de SmartCAE. La experiencia fue realmente muy positiva. No voy a negar que, al principio, tenía ciertas dudas. Recurrir a alguien ajeno al sector naval para explicarle aspectos específicos de este ámbito siempre implica un riesgo. Lo que me sorprendió fue que, ya durante la primera llamada telefónica, me di cuenta de que, cuando hablaba de cálculo estructural, sociedades de clasificación y factorización, mi interlocutor sabía perfectamente de qué estábamos hablando. Desde el primer momento tuve la impresión, que después se confirmó, de estar tratando con personas capaces de comprender el problema al instante».

«Definimos juntos las especificaciones del programa y la herramienta que nos proporcionaron nos ha permitido obtener la factorización de tensiones en muy pocos pasos, sin hacernos perder tiempo: con solo tres sencillos pasos conseguimos factorizarlo todo».

«En mi opinión, el soporte técnico de SmartCAE es el verdadero valor añadido. Para la formación en el uso del software, nos facilitaron un videotutorial muy sencillo y bien elaborado que, en diez minutos, explica exactamente todos los pasos que hay que seguir. Otro aspecto fundamental, a mi juicio, es la asistencia telefónica: poder llamar a alguien y saber que recibirás una respuesta inmediata a tu consulta», concluye Colaianni.