Capítulo 5 Modelado en CATIA Una vez que conocemos el proceso de diseño y fabricación de un barco de acero remachado de principios de siglo XX, en este apartado, vamos a explicar los pasos seguidos para la creación del modelo por ordenador. Para ello, utilizaremos el programa CATIA, cuyo uso se ha extendido dentro de la industria aeroespacial.

CATIA (computer-aided three dimensional interactive application) es un paquete informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por ordenador. El programa está concebido para desarrollar el producto desde el diseño hasta la producción y así como su análisis. Es probablemente esta característica la que hace que se diferencie de otros programas de CAD (Diseño Asistido por Ordenador), ya que, al englobar todos los pasos del desarrollo del producto, nos permite optimizar los procesos y mejorar la interacción entre departamentos, reduciendo los tiempos y costes en el proceso de concepción del producto.

Aunque nació como una herramienta para la industria aeronáutica, actualmente su uso se ha extendido otras industrias como automovilística, para el diseño de componentes de la carrocería, o a la construcción de edicios con supercies de gran complejidad, siendo el

Museo Guggenheim

de Bilbao un buen ejemplo.

Precisamente esta capacidad de generar supercies complejas hace que CATIA resulte atractivo para este proyecto, ya que nos permitirá generar la supercie

64

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

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de casco. Además, podremos recrear el sistema constructivo de la época, ya en desuso. En este punto, hay que decir que dada la cantidad de componentes que conforman un barco y la compleja geometría del mismo, hace que prácticamente no haya dos piezas iguales. Por otro lado, al estar compuesto nuestro navío por uniones remachadas hace que las uniones de las planchas sean solapadas. Esto implica a efectos prácticos que las planchas y refuerzos sean aún más complejos en forma, pues tienen que amoldarse a estas planchas. Por estas razones hemos decidido realizar sólo parte del modelo, esperando que se concluya en el futuro proyecto de algún compañero. Tratando de seguir el orden de construcción real realizaremos: quilla, mamparos, codaste y timón. Por último, hemos tomado la decisión de no representar los remaches pues, aunque en la realidad hagan efectiva la unión, esto complicaría enormemente el modelo y no aportan información adicional.

5.1. Introducción a CATIA v5 En CATIA v5 existen multitud de módulos de trabajo, cada uno enfocado a los distintos pasos del desarrollo de un producto como son el diseño, su análisis estructural o la fabricación. En nuestro caso no vamos a crear un producto desde cero, sino que interpretaremos los planos de uno ya existente para crear un modelo virtual del cual poder extraer información sobre cómo se diseñaba y fabricaba en la época. Por eso es también es interesante trabajar con CATIA, para ver en qué puntos podía mejorarse el diseño. Trabajaremos en uno u otro de los módulos en función de la tarea a realizar, ya que en cada uno de ellos existen unos comandos especícos que nos resultarán útiles en las distintas situaciones. Nosotros, para la realización del modelo usaremos principalmente los siguientes bloques:

Mechanical Design:

para la creación de las piezas sólidas y la creación

del conjunto. Donde usaremos los siguientes módulos:

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

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Figura 5.1.1: Módulos de CATIA

ˆ

Part Design.

ˆ

Assembly Design.

Shape:

Donde crearemos las piezas individualmente. Con el que montaremos las piezas del conjunto.

para la obtener las líneas de forma y las supercies de referencia.

Donde usaremos los siguientes módulos:

ˆ

Sketch Tracer. Con el que proyectaremos la imágenes de las líneas de forma sobre un plano que luego nos servirá de apoyo.

ˆ

Generative Shape Design.

Lo usaremos para la generación de las

supercies de referencia.

5.2. Creación de las supercies de referencia En primer lugar, es necesario crear una serie de supercies de referencia de las cuales dependerá el resto del modelo. La geometría de la supercie del casco y, por tanto de las cuadernas, vienen denidas por las líneas de forma. Sin embargo, en estos planos no detallan la forma de las 52 cuadernas, sino que nos dan 21 secciones con las que se dene el casco. Es decir, es necesario en primer lugar

CAPÍTULO 5.

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MODELADO EN CATIA

Figura 5.2.1: Lineas de forma proyectadas sobre el plano

YZ

crear la supercie del casco mediante las 20 líneas de forma, para luego obtener la forma de cada una de las 52 cuadernas por la intersección del plano en el que está contenida con la supercie generada. Aunque este proceder aparentemente se aleja del realizado en la realidad en la Sala de Gálibos, en ambos se trata de la obtención de las caja de cuadernas a partir de las líneas de forma. Podría considerarse un proceso de ingeniería inversa, obtenemos la piel antes que las cuadernas cuando al construir se realiza al revés. En nuestro caso decidimos utilizar el abanico de secciones normales a la dirección longitudinal, pues nos ofrece más información al tener un muestreo mayor. En primer lugar, necesitamos pasar la información de los planos de forma al ordenador. En un primer momento optamos por medir las distancias en el plano e importarlas a Catia mediante una macro, con este proceder obtuvimos curvas que no era suaves y generaban abolladuras en el casco. Estas discrepancias de los valores reales se debían a errores de truncamiento, pues la sensibilidad de los instrumentos de medida de que disponíamos no era lo sucientemente alta. Buscamos entonces una alternativa y decidimos que calcarlas directamente de los planos lo que evitaría este tipo de error de redondeo. Después de investigar

CAPÍTULO 5.

encontramos una herramienta,

Sketch Tracer,

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MODELADO EN CATIA

Create an immersive sketch

dentro del módulo

que nos permite proyectar una imagen a la escala que se desee.

1

Procedemos entonces a la proyección de las lineas de forma

en el plano

Después, creamos un total de 19 planos paralelos al plano

YZ,

YZ.

que distan 1,4

metros entre ellos, más otro a 0,7 metros del plano YZ que se corresponde con la sección 0.5.

Figura 5.2.2: Planos de las secciones

Generative Shape Design, calcamos cada una de las secciones. creamos un Sketch en el plano correspondiente donde dibujamos deseada. Creamos una curva con el comando Spline que pasa por

Ahora en el módulo Para ello, la sección

varios puntos de la curva dada. Este comando usa polinomios interpolantes a trozos de tercer grado para generar la curva, que da muy buen resultado para curvas complejas. Aún así, hay tener cuidado de no seleccionar puntos demasiado próximos pues podríamos obtener oscilaciones no deseadas.

1 Las

líneas están numeradas del 0 al 19 de popa a proa en función del plano de corte. Es decir, comenzando por la popa, la línea n-ésima será el resultado de la intersección del casco con un plano paralelo a YZ y que dista de él n veces la 1,4 metros.

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MODELADO EN CATIA

Figura 5.2.3: Sección 8

Repetimos el proceso para todas las secciones.

Figura 5.2.4: Secciones

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CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

Con el comando

Multi-Sections Surface

, del módulo

70

Generative Shape Design,

creamos un barrido con secciones variables.

Figura 5.2.5: Barrido de las secciones

Para la proa y la popa, lo realizamos con más detalle usando las líneas de forma de planta y perl. Repetimos el proceso de creación de planos, trazado de las secciones y creación de la supercie.

Figura 5.2.6: Planos de las secciones

CAPÍTULO 5.

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Finalmente, obtenemos la supercie total del casco.

Figura 5.2.7: Planos de las secciones

También necesitamos como supercies de referencia la tapa del doble fondo y los suelos de las bodegas. Éstas las generamos a partir con el comando

section

Inter-

que obtiene la intersección del plano que contiene al suelo con el casco

previamente creado. Las altura de cada suelo se toma del plano de la Tapa del Tanque.

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MODELADO EN CATIA

Figura 5.2.8: Tapa del doble fondo y suelos.

Por último, también creamos una supercie para la cubierta.

Figura 5.2.9: Cubierta

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5.3. Pasos previos a las creación de las piezas Antes de realización de las piezas que conforman el conjunto, necesitábamos dar una serie de pasos necesarios para la correcta denición de las cuadernas. Para la creación de las cuadernas había que estudiar las uniones de la piel exterior del navío y amoldar la geometría según conviniera.

La información necesaria para esta tarea se encuentran en el plano de la Cuaderna Maestra. Si los analizamos, nos damos cuenta de que las líneas de traca van unidas por solape. Por el contrario, un análisis in situ de las mismas nos revela que dentro de la misma hilera de planchas, se unen a tope. Era por tanto necesario generar distintas supercies que denieran la geometría de cuadernas y mamparos.

Figura 5.3.1: Detalle de las uniones de las líneas de traca

En primer lugar, como las medidas de cada la de planchas no se encuentran en ningún plano, medimos sobre el barco las líneas de traca en proa, cuaderna maestra y popa. Efectivamente, el ancho de la línea de traca no es el mismo a lo largo de la eslora del barco. Para generar estas planchas de anchura variable, utilizamos cilindros cuyo radio se adapta a las medidas tomadas y cuya generatriz depende de la plancha anterior.

Estos cilindros auxiliares se crean usando el comando

Swept

que permite crear

una supercie barriendo una curva a lo largo de una guía. En el caso del cilindro, permite además asignar una ley para la variación variable. El cilindro generado dene la línea de corte de la supercie , obteniendo la línea de traca. El corte se

CAPÍTULO 5.

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Popa [cm]

Central [cm]

Proa [cm]

Quilla plana

75

75

75

1ª línea de traca

75

105

75

70

100

70

80

110

80

55

105

105

40

100

100

2ª línea de traca 3ª línea de traca 4ª línea de traca 5ª línea de traca

Cuadro 5.1: Medidas de las distintas líneas de traca en tres puntos

ejecuta con el comando otra supercie

Split

,

que divide una supercie en dos por medio de

.

Comenzamos por la quilla plana cuya generatriz viene dada por la intersección del casco con el plano

XZ

y cuyo radio es constante e igual a

75cm.

Figura 5.3.2: Cilindro de corte

Después damos grosor a la pieza con el comando

Thick Surface

en este caso.

Figura 5.3.3: Quilla plana

hacia afuera

CAPÍTULO 5.

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MODELADO EN CATIA

Repetimos la operación para la primera línea de traca. En esta ocasión, tenemos que denir la generatriz previamente. Ésta viene dada por otro cilindro de radio 70 milímetros con el centro en el límite de la plancha anterior, y de las dos intersecciones que genera el cilindro, elegimos la inferior de manera que se superponga a la plancha precedente. Seguidamente denimos geométricamente la ley de variación del radio. Tras lo que realizamos el barrido.

Figura 5.3.4: Ley de variación del radio de la segunda linea de traca. 1000 mm en el centro y 700mm en los extremos

Figura 5.3.5: Cilindro de corte segunda línea de traca

En esta ocasión el comando el siguiente resultado

Thick Surface

se ejecuta hacia dentro. Obteniendo

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

Figura 5.3.6: Primera línea de traca

Esta operación la repetiremos hasta completar las cinco líneas necesarias.

Figura 5.3.7: Segunda línea de traca

Figura 5.3.8: Casco

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CAPÍTULO 5.

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5.4. Conjuntos Una vez realizadas las operaciones necesarias explicadas anteriormente, procedemos a la ejecución de las estructura propiamente dicha. Al no ser piezas integrales, cada una de las partes del barco es a su vez un conjunto de piezas menores unidas entre sí para formar un conjunto, que posee mejores propiedades estructurales que cada una de las piezas por separado. Estas se unen a su vez para formar un conjunto mayor, el barco. Es decir, un barco es un conjunto compuesto por quilla, cuadernas, mamparos... etc. Éstos a su vez están compuestos por elementos de menor tamaño, por ejemplo, en un mamparo podemos encontrar piezas como planchas, refuerzos angulares, cartabones o remaches.

Figura 5.4.1: Árbol

Con el n de organizar mejor todos los elementos constituyentes creamos

Pro-

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

ducts

Product

dentro del

compuesto por diferentes

mayor que es

Parts.

Matagorda. Cada Product

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a su vez estará

CATIA permite visualizar esta organización en

el árbol. Éste siempre está presente y es de gran ayuda cuando hace falta por ejemplo seleccionar una pieza, una línea, un punto, etc. De esta forma podemos siempre trabajar de una manera ordenada y saber siempre a qué conjunto pertenece cada pieza.

Como se dijo anteriormente, una de las principales dicultades consisten en la singularidad de cada una de las piezas, pues se tienen que adaptar exactamente a cada geometría dada. Esto ocasiona una gran cantidad de piezas que apenas se repiten, llegando a veces a que la pieza de babor y estribor no sean simétricas.

5.4.1.

Quilla

Comenzamos creando la quilla sobre la que se construirá el resto del navío. Como explicamos en el capítulo cuarto, es una de las piezas claves del barco, actuando como su columna vertebral.

El conjunto cuenta con los siguientes elementos constituyentes:

1

Quilla

2 2 2

Quilla plana Zapata Quilla vertical

3 3 3 3 2 2

Alma Ala Quilla Vertical 2 Quilla vertical 2.2

Refuerzo 1 Refuerzo 2

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2 2 2 2 2 2 2 2

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Refuerzo 3 Refuerzo 4 Refuerzo 5 Symmetry of Refuerzo 1 Symmetry of Refuerzo 2 Symmetry of Refuerzo 3 Symmetry of Refuerzo 4 Symmetry of Refuerzo 5

Figura 5.4.2: Piezas de la quilla

Comenzamos trabajando sobre la quilla plana, que fue creada en los pasos previos. Bajo ella se dispone la zapata y encima descansa la quilla vertical. La quilla

CAPÍTULO 5.

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MODELADO EN CATIA

vertical a su vez se compone de cuatro piezas a las que hemos denominado: alma, ala, quilla vertical 2 y quilla vertical 2.2. Todos los elementos constituyentes de la quilla se pueden agrupar en dos tipos: los formados a partir de planchas y los refuerzos. Las planchas se crean a partir del plano de simetría longitudinal delimitado por las supercies de referencia que se crearon anteriormente. Una vez denidos los límites con estas supercies, sólo hay que dar grosor al plano con el comando Los refuerzos, que son perles en

L,

Thick Surface

.

se usan, además de para unir las planchas

perpendiculares, para aumentar la rigidez del conjunto. El perl lo dibujamos en un

Sketch.

Después con el comando

Rib,

del módulo

Part Design,

extruye el perl a lo largo de una directriz dada, rectas en este caso.

Figura 5.4.3:

Sketch

del perl de un refuerzo

se

CAPÍTULO 5.

Figura 5.4.4: Denición del

5.4.2.

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MODELADO EN CATIA

Rib.

Mamparos

Como ya sabemos, los mamparos son diafragmas verticales que dividen el casco interiormente, en nuestro caso transversalmente. Entre sus cometidos se encuentran la contribución a la resistencia transversal, transmisión de los esfuerzos o el soporte ecaz de las cubiertas, costados y fondo. En este caso los mamparos están constituidos por planchas de acero unidas entre sí y reforzadas con perles para evitar el pandeo, tanto vertical como horizontal. Distinguimos entonces, como con la quilla, entre estos dos grupos de piezas. Sin embargo esta vez las piezas son más complejas como ahora veremos.

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

82

Figura 5.4.5: Mamparo 50

La operación utilizada para crear las planchas es la misma que la usada en el apartado anterior, pero la obtención de la supercie a la que daremos grosor es mucho más compleja. Esto se debe a que no sólo se unen láminas perpendiculares entre sí, sino también coplanarias. Esto requiere solapar una sobre la otra y complica nuestra tarea. Además, el contorno también debe adaptarse a las líneas de traca del casco. Realizamos a modo de ejemplo una plancha y una cuaderna del mamparo 50 para ilustrarlo. Este es su árbol:

2

Mamparo.50

3 3 3 3

M50-1 M50-2 M50-1.2 RF50-Cuad

CAPÍTULO 5.

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

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RF50-Cuad2 Bao50 RF50-V1 RF50-V2 Symmetry of RF50-V2 RF50-VarV1 RF50-VarV2 RF50-VarH1 RF50-VarH2 Symmetry of RF50-VarV1 Symmetry of RF50-VarV2 Symmetry of RF50-VarH1 Symmetry of RF50-VarH2

Nos centramos por ejemplo en la pieza M50-1. Dibujamos en

Sketch

sobre el

plano de la cuaderna 50. Para denir el contorno, utilizamos la intersección dada por el comando

Intersect 3D Elements,

entre el plano en el que dibujamos y

las supercies de referencia del casco. Como vemos, el resultado obtenemos una curva discontinua que, como ya dijimos, se corresponde con las uniones de las líneas de traca. Una vez tenemos el contorno, utilizamos un el espesor requerido.

Pad

para darle

CAPÍTULO 5.

84

MODELADO EN CATIA

Figura 5.4.6: Detalle del

Sketch

de la pieza M50-1.

Por otro lado, se presenta la necesidad de unir las planchas que están contenidas en el mismo plano M50-1 y M50-2. El solape lo realizamos con un le daremos como sección a extruir una gura como la que sigue.

Figura 5.4.7: Solape de la plancha M50-1 sobre la M50-2.

Pad

al que

CAPÍTULO 5.

85

MODELADO EN CATIA

En cuanto a los refuerzos, vemos que esta vez tienen que adaptarse también a las planchas y al casco. Básicamente es la misma operación

Rib

que la

usada en los refuerzos de la quilla, pero esta vez la directriz no es recta sino que debemos darle la forma deseada. Fijándonos por ejemplo en la cuaderna, vemos que debe adaptarse a las discontinuidades en el casco. Para crear una directriz que se ajuste de manera suave a la geometría, usamos el comando módulo

Spline

del

Generative Shape Design. Para que se ajuste de manera óptima, además

de los puntos que se desean unir, le daremos las tangentes de las curvas en esos puntos. Así no sólo es continua la generatriz, sino que lo es también su tangente y obtenemos un resultado mejor.

Figura 5.4.8: Cuaderna

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

86

Figura 5.4.9: Cuaderna

5.4.3.

Codaste

El codaste está formado por una única pieza de acero fundido. Como comentamos en el capítulo cuarto, el del

Matagorda

es completo, es decir, encierra a la hélice.

Este tipo de codaste tiene la doble nalidad de proteger la hélice y soportar el timón.

Al rodear a la hélice, la protege de posibles daños cuando la profundidad sea baja y también el codaste popel sirve de apoyo para el eje del timón. El eje de la hélice atraviesa un núcleo taladrado que se encuentra en el contracodaste soportando su peso y jando la hélice.

Se ensambla al resto de la estructura mediante dos vástagos, uno vertical y otro horizontal, que irán jados a la cuaderna número 0 y la quilla respectivamente.

CAPÍTULO 5.

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MODELADO EN CATIA

Comenzamos dibujando en un

Sketch

la silueta, sin el núcleo para la hélice

ni los apoyos del timón y después realizamos un

Figura 5.4.10:

Del mismo modo creamos un

Sketch Sketch

y

Pad

Pad.

del codaste

sobre la supercie del codaste proel,

en él dibujamos una circunferencia que conforma el núcleo mediante el comando

Pad. Por último realizamos el taladro para el eje con Pocket

CAPÍTULO 5.

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MODELADO EN CATIA

Figura 5.4.11: Creación del núcleo y del taladro para el eje

Ya sólo quedan los apoyos para el timón. Éstos se crean simplemente con un

Sketch

y un

Pad,

ya que se incluye la circunferencia del taladro en el

.

y por tanto no crea el material

Figura 5.4.12: Apoyos para el eje del timón

Sketch

CAPÍTULO 5.

89

MODELADO EN CATIA

Figura 5.4.13: Codaste

5.4.4.

Timón

Como ya explicamos, el timón es una supercie que va colocada en la popa y sirve para gobernar el buque. Puede estar constituido por una plancha o tener una forma hidrodinámica para aumentar el rango de actuación, en este caso el perl siempre es simétrico para poder girar a ambos lados.

En la estructura del timón, se pueden distinguir la mecha o eje que le va a transmitir el giro, atravesando el casco por la limera, y la pala que, siendo el codaste completo, se apoya en el codaste popel a través de los machos.

Comenzamos construyendo la pala. Al ser un geometría de sección variable, uti-

Generative Shape Design, como ya hiciéramos para generar la supercie de referencia del casco. Como lizamos el comando

Multi-Sections Surface

del módulo

perl usamos lo que podría ser un perl aerodinámico simétrico. Lo dibujamos en un

Sketch

y para el resto de secciones usamos la misma, pero escalada.

Esta vez daremos tres guías para forzar al

Multi-Sections Surface

a generar la

supercie que queremos: en el borde de ataque, en el borde de salida y a media

CAPÍTULO 5.

90

MODELADO EN CATIA

Figura 5.4.14: Pala del timón.

distancia. Una vez que tenemos la supercie, creamos otra simétrica que complete la pala y creamos el sólido que encierran mediante el comando

Cose

Surface. Una vez que tenemos la pala, creamos con un

Pad

la mecha del timón que será

cilíndrica.

Figura 5.4.15: Mecha del timón

CAPÍTULO 5.

MODELADO EN CATIA

91

Figura 5.4.17: Eje de giro del timón.

Por último, creamos los machos de la bisagra que unirán a timón y codaste permitiendo el giro en el eje z.

Figura 5.4.16: Apoyos del timón