diseño y fabricación de un barco teledirigido para hydrocontest

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO ELECTROMECÁNICO
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BARCO
TELEDIRIGIDO PARA HYDROCONTEST
Autor: Marta Llopis Mariño
Director: Phillipe Boutin
Madrid
Julio 2016
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AUTORIZACIÓNPARALADIGITALIZACIÓN,DEPÓSITOYDIVULGACIÓNEN
ACCESOABIERTO(RESTRINGIDO)DEDOCUMENTACIÓN
1o. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor MARTA LLOPIS MARIÑO, como ESTUDIANTE de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
(COMILLAS), DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad intelectual de la obra: Diseño y
fabricación de un barco teledirigido para Hydrocontest, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición
de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual.
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2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad,
el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo
legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución y de
comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley
de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a)
del apartado siguiente.
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3º. Condiciones de la cesión y acceso
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos
contemplada en esta licencia habilita para:
a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a internet y hacerla
accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier
otro sistema de seguridad o de protección.
b)
Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho
de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y
preservar el formato.
c)
Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo libre y gratuito a través
de internet.
d)
Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse expresamente y obedecer a
causas justificadas.
e)
Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.
f)
Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:
a)
Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma
b)
Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio.
c)
Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.
d)
Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con
la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella.
5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a:
a)
Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros,
ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b)
Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la
imagen de terceros.
Marta Llopis Marino - TFG
2!
c)
Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse
contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión.
d)
Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos
derivada de las obras objeto de la cesión.
6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del
autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito.
Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:
➢
La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume
responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme
con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se
reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.
➢
La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad
exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de
infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a
cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los
usuarios hagan uso de las obras.
➢
La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.
➢
La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente
justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a 13. de …Julio…... de 2016….
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ACEPTA
Fdo………………………………………………
Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio Institucional:
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Madrid,a21dejuniode2015
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Marta Llopis Marino - TFG
3!
Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título DISEÑO Y FABRICACIÓN DE
UN BANCO TELEDIRIGIDO PARA HYDROCONTEST en la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad
Pontificia Comillas en el
curso académico 2015/2016. es de mi autoría, original e inédito y
no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es plagio de otro, ni total ni
parcialmente y la información que ha sido tomada
de otros documentos está debidamente referenciada.
Fdo.: Marta Llopis Mariño
Fecha: 10/ 07/2016
Autorizada la entrega del proyecto
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Fdo.: Philippe Boutin
Fecha: 23/07/2016
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
Fdo.: (Nombre del Coordinador)
Marta Llopis Marino - TFG 1
Fecha: ……/ ……/ ……
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO ELECTROMECÁNICO
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BARCO
TELEDIRIGIDO PARA HYDROCONTEST
Autor: Marta Llopis Mariño
Director: Phillipe Boutin
Madrid
Julio 2016
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BANCO TELEDIRIGIDO PARA
HYDROCONTEST
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Autor: Llopis Mariño, Marta.
Director: Boutin, Philipe.
Entidad Colaboradora: École Centrale Paris
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RESUMEN DEL PROYECTO
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1. Introducción
Mi proyecto consiste en, junto con un equipo de École Centrale Paris (la universidad en la que he
cursado tercero y cuarto), concebir y diseñar un barco para participar en HYDROcontest, una competición
que tiene lugar cada mes de julio en el lago Lemán de Suiza. Se trata de una carrera de barcos de pequeña
escala con dos pruebas diferentes: una de velocidad (el barco tendrá un lastre de 20kg, simulando un barco
de recreo) y otra prueba de transporte de masa (con una carga de 200kg). Cada equipo podrá elegir si hacer
dos barcos o uno solo que se adapte a cada prueba de la competición, con la condición de respetar una serie
de imposiciones comunes para todos los equipos: se tratará de un barco con unas dimensiones máximas
(2,5mx2mx2,5m), que será propulsado por un motor impuesto por la organización y que será teledirigido a lo
largo de los recorridos de las diferentes pruebas. En ambas pruebas la eficiencia energética es una de las
finalidades principales a perseguir. Se trata de claramente un proyecto que toca numerosos dominios de la
ingeniería. Para mi trabajo de fin de grado, yo me ocupo de la parte mecánica de este proyecto, diseño del
casco, elección de materiales y fabricación del barco.
La carrera Hydrocontest es organizada por la asociación Hydros, y en ella participan equipos de
universidades de ingeniería naval de todo el mundo. Hydros financia parcialmente el trabajo de todos los
equipos.Se trata por tanto de un proyecto con un fin claro y definido en las normas del concurso, que cuenta
con el importante aliciente de consistir en un proyecto que finaliza con la construcción de lo concebido en
papel.
La primera etapa del trabajo es principalmente de estudio bibliográfico: lectura de libros de
arquitectura naval, mecánica de fluidos, métodos de concepción, soluciones técnicas adoptadas por los
equipos que participaron en la competición el año pasado… Es una fase de trabajo y duración considerable
dado el limitado conocimiento previo que tenía del tema.
Esta etapa me permitió entender las diferentes soluciones existentes en el estado del arte para poder
elegir cuál se adapta mejor a las condiciones de la carrera y también a nuestro tiempo y presupuesto. Este
estudio me ha permitido formarme una primera idea de como la cuestión ha sido abordada hasta el día de
hoy. La eficiencia energética, objetivo principal y lema de la empresa que patrocina la carrera es claramente
un tema en auge en la actualidad por lo que es un terreno que avanza tecnológicamente a gran velocidad.
La primera gran división de las soluciones tecnológicas de barcos adaptados a esta carrera es entre
barcos planeadores o barcos con ‘’hidro-foils’’, una superficie portante que permitirá que el barco se eleve
por encima del nivel del agua para de esta forma disminuir la resistencia con el agua. Los barcos con esta
segunda tecnología son cada vez más utilizados entre los barcos de competición y también entre barcos de
transporte de mercancías, aunque los planeadores no han dejado de utilizarse. Para el caso concreto de
nuestro proyecto, el estudio de la cuestión consiste también en informarse sobre los barcos de los equipos
que compitieron en la edición del año anterior de la carrera. De los 19 equipos que participaron, la gran
mayoría se decantaron por la opción de un barco con hidro-foils, entre ellos los ganadores. Aunque es una
tecnología muy atractiva, el grado de dificultad para implementarla es mayor, lo que hizo que algunos
equipos no tuvieran el éxito esperado en la competición.
‘’Foiler’’ y planeador
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Un tema primordial en mi trabajo, el diseño del casco y de las superficies portantes (foils). Ya hace
más de una veintena de años que estos han comenzado a utilizarse a gran escala, y hoy constituye una fuente
de investigación y evolución continua.
La siguiente parte importante que ha hecho falta conocer es la dedicada a la elección de materiales.
Un estudio de los materiales utilizados en este tipo de barcos muestra predilección por materiales que
aseguren ligereza ante todo. Las resinas epoxy con fibras de vidrio o de carbono son los materiales
preferidos. Hemos decidido orientar nuestra búsqueda hacia materiales respetuosos con el medio ambiente.
Entre los materiales estudiados, hemos obteniendo como conclusión que las fibras de lino pueden ser una
buena alternativa a las fibras de vidrio, con igual resistencia pero menos impacto ecológico y un precio
razonable en Francia. De la misma forma, hemos considerado utilizar bambú para sustituir la madera pero en
cambio las resinas, necesarias para la estratificación de cualquier tipo de fibras que sean utilizadas no hemos
encontrado una solución tan óptima como las otras.
2. Metodología
Un aspecto muy interesante del diseño y fabricación de un barco es la puesta en común y asimilación
de las diferentes dimensiones del proyecto. Los miembros de mi grupo estamos divididos en sectores de
especialización. En grandes líneas es posible dividir en tres sectores: el mecánico de diseño y fabricación, el
electrónico que cuenta con bastante complejidad para controlar el barco de forma remota, y en tercer lugar
pero no menos importante, la comunicación y financiación. Esta ultima es fundamental, ya que la
construcción de nuestro proyecto requiere un presupuesto considerable que estamos obligados a recaudar
dinero, para lo cual hemos lanzado una campaña de comunicación para optimizar el éxito de nuestra
búsqueda de sponsors dispuestos a prestarnos su ayuda. Entre los miembros de mi equipo nos hemos
dividido las tareas en estos sectores de forma consecuente, dividiendo también la parte de propulsión e
integración de la electrónica en el diseño. Esto incluye también un factor importante que es la gestión de la
planificación y de la interacción de as diferentes partes de un equipo.
El objetivo es bien claro: la concepción, el diseño y la construcción de un barco lo más eficiente,
rápido y estable posible. Concretamente esto se traduce, para mi parte mecánica del proyecto en:
•
Conocer las principales técnicas de ingeniería de diseño de barcos
•
Aprender a hacer pruebas y ensayos para optimizar nuestro barco (ensayos en túneles de viento, diseño
con programa de diseño en 3D, programas de simulación de fluidos y de modelización matemática)
•
Conseguir una buena integración de mi trabajo mecánico con la parte electrónica que también existe en
el proyecto
•
Conseguir la máxima eficiencia energética a partir de la buena elección de materiales
En líneas generales, el trabajo se divide en dos fases: una primera de concepción y una segunda etapa
de pasar a la fabricación y poder hacer ensayos sobre al agua y continuar con posibles mejoras.
Efectivamente, otros miembros de mi equipo se ocupan de la parte electrónica y de una tercera parte de
financiación y comunicación. Una primera etapa es la de la búsqueda de información. A las fuentes
bibliográficas cabe añadir dos arquitectos naval a los que contactamos y que nos han hecho recomendaciones
y ayudado considerablemente en nuestro avance. Otra fuente de información que ha sido bastante útil para la
parte de construcción son los foros de amateurs que construyen sus propios barcos. Efectivamente, cada vez
son más los amantes del surf u otros deportes acuáticos los que deciden construir personalmente sus tablas.
Tras la búsqueda de información realizamos la concepción de cada una de las partes del barco
(casco, foils, estructura), para después tener en cuenta las diferentes opciones de materiales a emplear. La
selección de materiales se hizo de forma conjunta a la selección de técnicas de construcción, que a menudo
iban ligadas. Cabe subrayar que el hecho de hacer un proyecto que incluye la fabricación ha determinado
enormemente el resultado. A diferencia del papel, nuestras herramientas, nuestro presupuesto, y el tiempo del
que disponíamos para construir (que era un proceso bastante largo), no lo soporta todo.
Para optimizar el diseño del barco, distintos recursos han sido empleados. Modelización matemática
para el diseño, refinar dicho diseño con la ayuda de programas similares a CATIA, y diseño en 3D.
3. Resultados y conclusiones
En el término de resultados, es bastante interesante y un buen aliciente, ya que el resultado será
cómo nuestro barco consiga navegar en la competición. La semana de concurso es una oportunidad
extraordinaria para descubrir las ideas de otros equipos, su forma de trabajar, sus herramientas y así
contrastar el aprendizaje de ingeniería en España y en el resto del mundo.
Un elemento que me parece muy importante también es el de la transmisión de conocimientos de un
equipo a otro de una misma universidad. En mi caso, École Centrale Paris participa por segunda vez en
Hydrocontest este año, y una buena fuente de consulta y consejo han sido nuestros antecesores. De la misma
forma, tras el aprendizaje de este año, compartiremos con placer e ilusión nuestros errores y aciertos con los
alumnos que retomen el proyecto. Así, se comprueba que normalmente las universidades que obtienen
mejores resultados en la competición son algunas que tienen más tradición y llevan más tiempo participando.
He visto que este año hay un equipo de la Politécnica de Madrid inscrito, porqué no ICAI el año que viene. DESING AND MANUFACTURE OF A REMOTE CONTROL SHIP FOR
HYDROCONTEST
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Author: Llopis Mariño, Marta.
Director: Boutin, Philipe.
Collaborating entity: École Centrale Paris
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ABSTRACT
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Introduction
This project consists of, within a team of Ecole Centrale Paris, conceive and design a boat to
participate in HYDROcontest, a competition that takes place every July on the Lake Geneva in Switzerland.
It is a boat competition with two different courses: speed (the boat will have a ballast of 20kg, simulating a
plasure craft) and competition of mass transport (with a load of 200kg). Each team can choose whether to
make two ships or just one that meets every test of the competition, provided the respect a number of rules
for all the teams: it will be a boat with maximum sizes (2,5mx2mx2, 5m), which will be powered by a motor
imposed by the organization and will be controlled by remote control along the routes of the different tests.
In both competitions the energetic efficiency is one of the main goals to pursue. This is clearly a project that
comprises many fields, for my work, I am responsible for the mechanical part of this project, hull design,
selection of the materials and manufacture of the boat.
Hydrocontest is a competition organized by the Hydros foundation. Teams from engineering
universities all over the world come to participate. Hydros partially finances the work of all teams. Therefor,
it is a project with a very clear and well defined goal, specified by the competition rules.
The first phase is mainly the literature review: reading books about naval architecture, design
methods, and technical solutions adopted by the teams that participated in last year’s competition.
This phase allowed me to understand the different solutions in order to choose which one adapts better to the
conditions of the race and also to our timelines and budget. This study has allowed me to have a first idea of
how the issue has been addressed until today. Energetic efficiency, the main objective and slogan of the
company that sponsors the race is currently a clearly an issue booming so it is a technologically advancing
ground at high speed.
The first major division of the technological solutions for the ships adapted to this race is between
gliders ships or boats with ''hydrofoils'' , bearing surface that will allow the ship to rise above the water level
to thereby decrease the resistance with water.
Boats with this second type of technology are increasingly used among racing boats and also among freight
transport ships, although planning hulls are still used.
For the specific case of our project, the study of the issue is also to learn about the ships of the teams
that competed in last year's edition of the race. Of the 19 teams that participated, the vast majority opted for
the option of a boat with hydrofoils, including the winners. Although it is a very attractive technology, the
degree of difficulty tin the implementation is higher, which made some teams did not have the expected
success in the competition.
A very important subject in my work, is the design of the hull and lifting surfaces (foils). They have
been used on a large scale from more than 20 years, and today are still a source of continuing research and
evolution.
‘’Foiler’’ y planeador
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The next important section is the selection of the materials. A study of the materials used in these
boats shows a predominant election for materials ensuring lightness ante todo. Epoxy resins are the preferred
materials, followed by fiberglass or carbon. We have decided to direct our search towards eco-friendly
materials. Among the materials studied, we obtained the conclusion that flax fibers can be a good alternative
to glass fibers, with equal strength but less ecological impact and a reasonable price in France. Secondly, we
considered using bamboo to replace wood but instead the resins required for the stratification of any type of
fibers that are used have not found a solution as optimal as the other
Methodology
A very important part of the design and manufacturing of the boat is the adaptation of the different
engineering areas. Each member of my team worked in a specific area. It is possible to divide the work in
three axes: mecanics, electronics, and financial and communication work. The latter is crucial, since the
construction of our project requires a substantial budget that we are required to raise, for which we have
launched a communication campaign to optimize the success of our search for sponsors willing to lend their
help. Another relevant part of the work is the coordination of the different team members between them.
These has given me a good insight of team working and project management.
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The objective is clear: the outset, design and construction of a boat as efficient, fast and stable as
possible. Specifically this means, for the mechanical part of the project:
• Knowing the main techniques of ship design engineering
• Learn to do tests and trials to optimize our boat (tests in wind tunnels, Program design with 3D design,
simulation programs and mathematical modelling fluid)
• Getting a good integration of my mechanical work with the electronics that also exists in the project
• To achieve maximum energetic efficiency based on a good selection of the materials
Overall, the work is divided into two phases: the first is the design and the second of construction
and testing on water with possible continue improvements. My methodology consistently adapts to the other
areas of the boat’s design. For each optimization conceived, the idea is to check good hydrodynamic
characteristics as we consider more factors boat.
A first step is to search for information. In addition to books and the Internet we have contacted
naval architects that have given us advice and guided our work. Another important source of information in
the manufacturing part were the internet amateur blogs. Today many surf and water sports lover build their
own material and share the manufacturing techniques in forums, which have been very helpful.
After having studied the state of the art, we started the design and conception of each part of the
ship, for then dealing with materials and construction techniques. The selection of materials was obviously
linked to the selection of manufacturing methods. It is important to mention how the fact of working on a
project that was going to be built has conditioned our decisions. We had to take into account finantial, time
and manufacturing available tools in order to make the desing choices.
Results and conclusions
I am lucky for having worked in a project were the result can be seen navigating in a lake. This is
both a motivation and a very interesting thing. The competition week is an excellent opportunity to see how
other universities work, and compare their ideas and their engineering methods and tools with ours.
As far as I can see, I find very important the passing on of information from one team to another of
the same university. Our university’s last year’s team has helped us and given us a lot of advice, and next
year, I will be happy to do the same to help them learn from the mistakes and successes that we have
collected all over this semesters of work. It is remarkable to notice how universities that have been
competing for several years obtain, in general, better positions than new teams. This year ther will be a team
from Politécnica Madrid, why not a team from ICAI next year?
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO ELECTROMECÁNICO
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BARCO
TELEDIRIGIDO PARA HYDROCONTEST
Autor: Marta Llopis Mariño
Director: Phillipe Boutin
Madrid
Julio 2016
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PARTE I
—————
MEMORIA DE PROYECTO DE FIN DE
GRADO
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Índice
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Introduction
5
Methodology
6
Results and conclusions
7
1. Memoria del Proyecto de Fin de Grado
3
1. Introducción
3
1.1. Introducción General
3
1.2.Objetivos y motivación
3
1.3.Metodología
4
2. Estudio del estado de la cuestión
4
2.1.Arquitectura general
6
2.2.Casco
8
2.3.Hidro-foils
11
A. Fluido dinámica
11
B. Tipos según la configuración [7]
13
C. Posición [7]
14
D. Parámetros alares [8]
15
E. Maniobrabilidad
17
F. Posibles problemas
18
2.4.Materiales
20
A. Piel
21
B. Alma [10]
21
2.5. Programas
3. Diseño
26
27
3.1.Optimización del casco
27
3.2.Foils
32
3.3.Estructura
36
3.4. Electrónica y motor
37
4. Construcción
39
4.1.Casco
39
4.2. Estructura
42
5. Financiación
45
6. Conclusiones
46
Bibliografía
48
Imágenes y figuras utilizadas
48
Anexos
51
Marta Llopis Marino - TFG
2!
1. Memoria del Proyecto de Fin de Grado
1. Introducción
1.1. Introducción General
Hydrocontest es una competición de barcos teledirigidos entre equipos de universidades de todo el
mundo que tiene lugar cada año en Suiza. Cada equipo debe diseñar y fabricar un barco de pequeña escala
con una serie de limitaciones a respetar para competir en dos tipos de pruebas: una primera de velocidad y
otra de transporte de masa. Universidades de ingeniería de múltiples países se reúnen para desarrollar el
barco más eficiente en términos energéticos en este evento organizado por la fundación Hydros, empresa de
diseño naval.
Figure 1: Logo Hydros
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Figure 2: Logo Hydrocontest
Junto con un equipo de diez personas de la universidad en la que curso este año, École Centrale
Paris, he estado trabajando durante todo el año para participar en esta competición. Hemos dividido nuestro
trabajo en tres áreas principales: electrónica, mecánica y contacto de posibles sponsors y comunicación. Se
trata de tres actividades continuamente relacionadas dada la complejidad del proyecto. Mi trabajado se ha
centrado en la parte mecánica, el diseño del casco del barco y sus otros componentes y la elección de
materiales y métodos de construcción.
École Centrale Paris participa este año por segunda vez en Hydrocontest, por lo que contamos con la
experiencia del equipo del año pasado. Los alumnos integrantes del antiguo equipo han sido una fuente a la
que hemos acudido para consultar dudas generales. Su barco funcionó durante la carrera pero eligieron un
método de trabajo más cualitativo por lo que hemos decidido de empezar nuestro barco completamente de
cero en lugar de optimizar el de nuestros predecesores. De la misma forma, otra labor con la que contamos es
la de dejar un trabajo a partir del cual otro equipo pueda seguir trabajando el año que viene.
1.2.Objetivos y motivación
Se trata de un proyecto de un gran atractivo para mi por múltiples razones. En primer lugar, por
tratarse de un proyecto práctico, que va a ser construido. Efectivamente, nuestros cálculos realizados en el
papel tendrán que ser trasladados a un barco real, por lo que contamos con limitaciones a nivel financiero y
de nuestras posibilidades de fabricación. Me parece motivador pensar que vamos a ver navegando el fruto de
nuestro trabajo. En segundo lugar, pone en contacto varias áreas de ingeniería, lo que le convierte en un
trabajo muy completo. He tenido que trabajar adaptando el avance a las exigencias electrónicas, del motor y
al mismo tiempo de los materiales. Además, el hecho de participar en la carrera me parece un aliciente
bastante importante, ya que en Suiza podremos comparar nuestro trabajo con el realizado por otros
estudiantes de ingeniería de países tan variados como Brasil, Australia o Sri Lanka. Es cierto que la mayoría
de concursantes provienen de universidades de ingeniería naval por lo que contamos con una cierta
desventaja, pero en la última edición de Hydrocontest los ganadores no fueron ingenieros navales, lo que
constituye un aliciente para mi equipo.
El objetivo es claro. Mi papel consiste en la buena integración con el resto de componentes de la
dimensión mecánica del barco, para que este respete la normativa del concurso y para conseguir el mejor
resultado posible en dicha carrera. La normativa nos limita en cuanto a las dimensiones del barco (debe caber
en una caja de 2mx2mx2,5; al igual que en el motor empleado que es aportado por la fundación Hydros a
Marta Llopis Marino - TFG
3!
cada equipo; y la participación en una carrera de velocidad, en la que el barco deberá llevar un lastre de
20kg, y una segunda prueba de transporte de peso, en la que el barco llevará un lastre de 200kg. Teniendo en
cuenta estos variables al igual que el aspecto económico cada equipo puede elegir si construir uno o dos
barcos (uno adaptado a cada una de las dos pruebas) y que tecnología y tipo de barco elegir.
1.3.Metodología
Este proyecto puede ser dividido en dos grandes fases: el diseño y la fabricación del barco. En el
diseño hemos evolucionado de la siguiente forma.
La primera etapa ha sido de investigación sobre el tema: mecánica de fluidos, arquitectura naval,
estudio del estado de la cuestión a día de hoy, estudio del modelo desarrollado por nuestros predecesores.
Esta fase ha sido continuada por otra de toma de decisiones sobre el diseño general del barco. Para comenzar
a trabajar debíamos tomar una serie de decisiones de forma más bien cualitativa para poder comenzar a
avanzar de forma más rigurosa. Una variable crucial para la toma de estas decisiones ha sido la existencia de
dos tipos de pruebas totalmente distintas. Un barco óptimo para el transporte de mercancías estará muy lejos
de estar adaptado a navegar a altas velocidades. Esta etapa ha sido realizada en común con los otros
miembros del grupo, y las principales cuestiones a decidir fueron las siguientes:
•
Diseño y construcción de un solo barco modulable y adaptable a los dos tipos de prueba o de
dos barcos, cada uno especializado en una de las pruebas.
•
Durante nuestro trabajo, concentrarse en una de las dos pruebas o intentar trabajar para las dos
de forma paralela.
•
Elección del tipo de barco con respecto al número de cascos. Según nuestros estudios, es posible
obtener resultados igualmente óptimos con un catamarán, un trinarán o un barco con un solo
casco, por lo que elegimos de forma cualitativa.
•
Elección del tipo de barco: ‘’hidro-foil’’ o planeador. Estas son las dos opciones que hoy en día
se presentan cómo mejores para el diseño de un barco eficiente. Más adelante detallaré las
diferencias entre ambas morfologías.
Una vez estas decisiones tomadas, ya era posible lanzarse con el desarrollo más propiamente dicho.
Dicho desarrollo ha sido llevado a vado por cada una de las partes del barco.
La siguiente fase consistió en la optimización de cada parte del barco con la ayuda de diferentes
herramientas. Ha sido fundamental la ayuda que nos ha sido prestada por algunos arquitectos navales a los
que hemos contactado. También hemos basado nuestro diseño en la utilización de un programa de
modernización matemática llamado Michlet, cuyo funcionamiento describiré más adelante, al igual que
Matlab y SpaceClaim para el diseño en tres dimensiones y el cálculo de esfuerzos y resistencias de cada uno
de los componentes del barco.
Diseño base
Optimización
!
Optimización
en cuanto a
materiales y
fabricación
Fabricación
Figura 3: Etapas del proyecto
2. Estudio del estado de la cuestión
Marta Llopis Marino - TFG
4!
Cómo he explicado en el primer apartado de esta memoria, la etapa inicial consistió en informarse
sobre los conceptos básicos sobre arquitectura y diseño naval. Voy a dividir este estudio en los diferentes
apartados, tratando únicamente aquellos a los que yo he dedicado mi trabajo:
• Arquitectura general
• Casco
• Foils
• Materiales
Antes de abordar cada uno de estos apartados, voy a desarrollar las exigencias y reglas impuestas por
el concurso HYDROCONTEST [1] a las que hemos tenido que ajustar el diseño de nuestro barco para poder
presentar nuestro barco a la competición.
Cada equipo participará en las siguientes pruebas:
• Prueba de transporte de masa de 300m. El barco llevará una carga adicional de un peso de 200kg y será
repartido en unidades de 10kg de 500mmx120mmx100mm.
• Prueba de transporte ligero de 200m. Llevará dos elementos adicionales de masa (simulando dos
pasajeros), 20kg en total, repartidos en las mismas unidades de 10kg que para la prueba de transporte de
masa (mismas dimensiones 500mmx120mmx100mm).
• Prueba de larga distancia, que tendrá como vencedor el equipo con el barco que recorra la más larga
distancia en dos horas. Obviamente, no está permitido cambiar la batería a lo largo de estas dos horas.
Cada equipo podrá elegir construir un solo barco que se adapte a cada una de las pruebas o también es
posible construir dos barcos.
El barco deberá respetar lo siguiente:
• El barco debe caber en una caja de 2mx2.5x2,5m, incluyendo todas las partes del barco.
• El barco debe poder ser levantado con su máximo peso.
• El barco debe poder avanzar hacia delante y también marcha atrás.
• Se llevarán a cabo pruebas para asegurar su flotabilidad.
El motor y la batería son proporcionados por la organización del concurso, aunque está autorizado
incluir un segundo motor.
Para el pilotaje del barco, un solo representante de cada equipo llevará el control remoto del barco
desde una plataforma situada en el lago. Marta Llopis Marino - TFG
5!
!
2.1.Arquitectura general
Esta etapa me permitirá entender las diferentes soluciones exigentes en la actualidad para poder
elegir cuál se adapta mejor a las condiciones de la carrera al igual que a nuestro tiempo y presupuesto.
También me permitirá considerar las principales variables a tener en cuenta desde el punto de vista de la
mecánica de fluidos. La eficiencia energética, objetivo principal buscado en los avances de ingeniería naval,
es claramente un tema en auge en la actualidad. Esto lo convierte en un terreno que avanza tecnológicamente
a gran velocidad.
Cómo he explicado previamente, en la competición hay dos pruebas: velocidad y transporte de masa.
Inicialmente, tomamos la decisión de concentrarnos principalmente en la prueba de velocidad. Mi trabajo en
el seno del grupo se ha limitado a esta modalidad de la carrera. Esto condicionó el tipo de información y de
barcos sobre el que he leído y recogido información. En primer lugar, incluyo algunos términos del vocabulario náutico, básicos para la lectura de textos
sobre el tema [2]. Casco es el cuerpo del navío sin contar el aparejo.
Aparejo: el conjunto de palos, vergas, jarcias y velas del buque.
Línea de flotación: es la marcada en la parte exterior del casco que señala la superficie del agua.
Calado: longitud existente entre la parte más baja de un buque y la línea de flotación. Carena u obra viva: es la parte sumergida del buque, es decir, la comprendida desde la quilla hasta
la línea de flotación.
Obra muerta: parte del barco por encima de la línea de flotación, es decir, fuera del agua. Eslora: longitud de una embarcación (LOA en inglés)
Manga: anchura de la embarcación. Timón: pieza móvil instalada en la popa de la embarcación que, girando sobre un eje, sirve para
orientar la dirección.
Eslora en la línea de máxima carga: longitud del barco en la parte en contacto con el agua (LWL
en inglés).
.
Quilla: es la columna vertebral del barco, conectando la proa y la popa.
Manga
Línea de
flotación
Obra
muerta
Carena
Calado
Figura 4 : Partes de un barco
!
Al igual que en un avión, encontramos tres ejes según los cuales el barco puede inclinarse. Son el
eje de lateral, según el cual el barco realiza un movimiento denominado cabeceo; el eje longitudinal que
describe el movimiento de alabeo o balanceo del barco y por último el eje vertical, alrededor del cual tiene
lugar el giro llamado guiñada. En la siguiente ilustración se muestran estos ejes para el caso de un avión.
Marta Llopis Marino - TFG
6!
Figure 5: Ejes de rotación
!
Es importante tener en cuenta los tres posibles movimientos para atender a la estabilidad del barco,
que se verá considerablemente afectada por el oleaje.
En esta línea y antes de empezar con las partes del barco, un elemento fundamental de náutica.
Básico para poder participar en el concurso, es conseguir que nuestro barco flote y sea estable.[3] Un
concepto clave de este apartado es el centro de flotación. Este punto es el lugar de aplicación de la fuerza de
empuje. Cuando el cuerpo se inclina, el centro de flotación se desplaza. Si trazamos una línea recta hacia
arriba desde este nuevo centro de flotación, obtenemos el metacentro. De esta forma, se crea un par de
fuerzas, con el empuje actuando sobre el centro de flotación hacia arriba y el peso sobre el centro de
gravedad hacia abajo. Si el metacentro está por encima del centro de gravedad, la posición es estable, sino,
será inestable.
Figura 6: Estabilidad de un cuerpo flotante.
!
!
Marta Llopis Marino - TFG
7!
2.2.Casco
Atendiendo a las diferentes morfologías de casco, hemos considerado los más importantes [4].
• Casco de base plana: el calado es muy pequeño, por lo que este tipo está adaptado a barcos que
navegan en ríos poco profundos y ofrece menos resistencia. Tiene un buen aguante frente a
desequilibrios. Su coste es menos elevado pero son poco estables por lo que solo son utilizables en
aguas tranquilas.
• Casco en forma de v: bien adaptados a aguas movidas, permitiendo una navegación apacible aún con
movimiento de agua. Requieren una alta potencia de motor.
• Casco con forma redondeada: proporcionan una navegación óptima especialmente a bajas velocidades.
Necesitan dispositivos para estabilizar para no volcar.
• Barcos multi-casco: la característica más importante es que reducen la superficie mojada y por tanto la
resistencia hidrodinámica es minimizada. Así, el consumo energético para conseguir altas velocidades
queda reducido al máximo. Típicamente, para la misma longitud de barco, un multi-casco es entre un
25% y un 30% más rápido que un monocasco. Sin embargo, son más sensibles al transporte de peso,
por lo que el diseñar un barco ligero se convierte en un elemento más importante. Son también más
seguros, siendo casi imposibles de hundir, más difícil de volcar y son más estables. Se utilizan sobre
todo en embarcaciones de recreo y carrera, para barcos de motor o de vela.
1. Fondo
2. Casco en V
3. Casco
4. Multi-casco
Figura 7: Tipos de casco
!
La siguiente pregunta es el número de cascos a incluir: trimarán o bimarán. Los catamaránes son los
más extendidos, pero los trimaránes están siendo últimamente bastante utilizados. En un trimarán, el casco
central (vaka) está unido a dos cascos laterales considerablemente más pequeños (amas). En comparación
con un monocasco de la misma eslora, el trinarán presenta una mayor estabilidad y menor superficie mojada.
Además, la quilla a incluir será considerablemente más pequeña dadas sus dimensiones. Así, son apropiados
para aguas turbulentas, aunque son más difíciles de maniobrar. El catamarán está más extendido entre los
barcos de crucero ya que cuenta con más espacio para el transporte de pasajeros y suele ser más fácil de
maniobrar. Ambos pueden conseguir iguales velocidades y eficiencia de navegación.
Figure 8: Catamarán y trimarán
!
Marta Llopis Marino - TFG
8!
En cuanto al modo de navegación, existen dos tipos básicos de casco: desplazamiento y planeador, al
que añadimos la opción de incluir hidro-foils. A continuación incluyo una pequeña descripción de las
categorías de cascos.
• Los casco de ‘’desplazamiento’’ avanzan empujando el agua a los lados, necesitando poca energía de
propulsión. La mayor parte de cruceros y barcos de vela no de competición tienen este tipo de casco, ya
que permite una navegación tranquila aunque a velocidades no demasiado grandes.
• En cambio, los barcos con cascos planeadores, el barco se eleva para deslizarse prácticamente sobre la
superficie del agua. A pesar de su peso el barco va por encima del agua dado a la presión ejercida por el
barco sobre la superficie del agua, y el desplazamiento de agua descrito anteriormente desaparece. Un
mayor aporte de energía es necesario para poder pasar a este modo de navegación. Al planear, la
superficie mojada del casco es menor, por lo que la resistencia contra el agua se ve considerablemente
reducida.
• El incluir hidro-foils en el casco se basa en este mismo principio. Estas especies de alas sumergidas en
el agua permiten que el barco ‘’vuele’’, de forma que el casco no esté en contacto con el agua y así la
resistencia que se opone al avance del barco es minimizada. A bajas velocidades el barco no vuela,
navega como un barco normal pero el efecto de las hidro-alas pasa desapercibido. Requiere un potente
motor para alcanzar una velocidad suficientemente elevada para conseguir que el casco se despegue del
agua.
Para esta primera división, nos decantamos por desarrollar hidro-foils, como explicaré más adelante,
es gracias a esta tecnología que la mayor velocidad, adecuada para una carrera de velocidad, puede ser
alcanzada en condiciones de carrera.
Veamos con más detalle las diferencias entre el modelo planeador y el modelo de desplazamiento. La
fuerza de arrastre durante la navegación depende tiene una componente fundamental que es la formación de
olas en la superficie del agua. Estas olas, por supuesto, se mueven a la velocidad del barco Vk. Dependen
también cela longitud de la ola Lw, en pies.
Existe una constante fija, (Speed Lengt Ratio o SLR en inglés) igual a la velocidad de la ola en
nudos dividido por la raíz cuadrada de la longitud de la embarcación (LWL) en pies. Este cociente siempre es
1,34 excepto en aguas muy poco profundas. De esta forma, es posible establecer fácilmente una relación
entre la longitud de la ola Lw, la longitud LWL y la constante SLR. [5]
Lw/LWL = SLR^2 / 1.80
Tabla 1: Parámetro de ola
SLR
Lw/LWL
0,94
0,5
1,1
0,67
1,16
0,75
1,34
1
1,9
2
Así, según la velocidad aumenta, la longitud de las olas generadas también aumenta. A partir de
SLR=1,34 dependiendo de estas relaciones encontraremos embarcaciones más o menos estables. Esto es
ilustrado en la siguiente figura.
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9!
Figura 9: Oleaje frente a parámetro de ola.
!
Hay otro fenómeno importante, que es la aparición de presiones negativas en superficies convexas,
importante a altas velocidades.
Por encima de Vk/ LWL =1.3, la longitud de la ola es mayor que la longitud de la embarcación. Entonces
hay un mayor movimiento de cabeceo del barco, el fluido crea una situación de inestabilidad y la resistencia
aumenta considerablemente. Este aumento del coeficiente de resistencia es ilustrado en el siguen gráfico.
Figura 10: Evolución del coeficiente de resistencia
!
Los barcos de desplazamiento suelen operar a SLR>1,3 ,por lo que su navegación en regímenes de
velocidades elevadas está limitado.
Los cascos planeadores presentan una solución a este problema. La geometría evita las secciones
convexas para así evitar la formación de presiones negativas. Esta presión eleva el casco reduciendo la
superficie mojada. Para SLR pequeños, su resistencia es mayor que los cascos de desplazamiento, pero para
SLR>3, la resistencia es considerablemente inferior. Así, se convierten en la mejor opción para SLR elevados
y por tanto para altas velocidades.
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10
!
2.3.Hidro-foils
Los hidro-foils constituyen una solución que está siendo cada vez más popular. Su primera aparición
se remonta a 1906, a Italia. Este primer ‘’foiler’’ alcanzo una velocidad de 42.5 metros por hora. [6] En los
años sesenta su uso se expandió considerablemente en barcos militares. Desde entonces han sido utilizados
en barcos de transporte de mercancías, barcos de carreras, embarcaciones de recreo, barcos eléctricos, a
motor, a propulsión humana… Su objetivo es levantar el barco del agua para el casco no esté en contacto con
el agua y así reducir la resistencia hidrodinámica. Si el barco navega lentamente, los hidro-foils están
sumergidos y el casco reposa en el agua. Según el barco va ganando velocidad, una fuerza sustentadora será
creada, hasta que esta fuera equivale el peso del barco y entonces el casco queda fuera del agua. Hoy en día
su uso está bastante generalizado entre los amantes del surf, kitesurf y otros deportes acuáticos. En estos
deportes y entre los amateurs, cada vez hay más gente que decide construir sus propios dispositivos
voladores.
Figure11: primer barco con hidro-foils
!
A. Fluido dinámica
Antes de abordar las cuestiones específicas de los hidro-foils, recordemos algunos conceptos básicos
de mecánica de fluidos. La fuerza de resistencia hidrodinámica cuenta con dos componentes principales: la
resistencia de olas y la resistencia viscosa. La resistencia viscosa es debida al frotamiento del agua contra el
casco, y se calcula a través de la fórmula:
RD=0.5·CD·p·S·v2
Dónde Cf es el coeficiente de resistencia, dependiente de la rugosidad del casco y del número de
Reynolds, la densidad del agua, S la superficie mojada y de V velocidad del barco. Para el caso de los foils,
podemos utilizar el coeficiente de resistencia aproximado para superficies de pequeño espesor:
Cf=0.455·(log10(Re))-258
La resistencia de oleaje es mucho más complicada de calcular, por lo que se suele aproximar a través
de tablas estipuladas o de métodos experimentales. Para mi proyecto no me he concentrado en el estudio de
la resistencia de olas. Es un dominio extremadamente complejo y su estudio teórico es de muy débil
aportabilidad.
La fuerza de sustentación tiene una expresión similar, con su correspondiente coeficiente de
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11
!
RL=0.5·CL·p·S·v2
Con su coeficiente de sustentación:
!
Al igual que en aerodinámica, para diseñar el barco se tendrá como objetivo encontrar el mejor
compromiso entre fuerza de sustentación y fuerza de resistencia. Sin embargo, se trata de dos fluidos muy
diferentes, el agua es 800 veces más densa que el aire, tiene una viscosidad 1000 veces superior y además es
incompresible.
A continuación incluyo un muy breve resumen de la mecánica de fluidos del funcionamiento de las
hidro-alas, el mismo que el de las alas de avión.
Podemos aplicar la ecuación de Bernouilli al flujo del agua a lo largo del ala, ya que este puede ser modelado
como no viscoso, incompresible, no rotacional y sobre el que las fuerzas son conservativas.
P0 = P1 + ½v1² + gy1 = P2 + ½v2² + gy2
Podemos además considerar que la distancia entre la parte superior e inferior del ala son despreciables con
respecto al resto de términos. Lo que nos queda, es la presión de estancación.
Veamos el principio que explica la fuerza de sustentación. Debido a los efectos viscosos y la geometría del
ala, en el extremo final del ala se crean vórtices, que rotan en sentido anti horario. Para conservar el
momento angular, debe haber un momento en sentido contrario. Así, el fluido crea otro momento circulando
alrededor del ala. La velocidad de circulación es mayor en la parte superior que inferior del ala, y esto tiene
como consecuencia, una diferencia de presión que producirá la fuerza sustentadora.
Figure 12: Vórtice y circulación alrededor de un ala
!
Según nos alejamos del centro de curvatura de las líneas de corriente, la presión aumenta. Por tanto,
la parte superior del hidroala tiene una presión inferior a la que tiene la parte inferior.
Aunque el objetivo de una embarcación con hidro-foils es que el casco del barco no esté en contacto
con el agua, los instantes previos al despegue del barco son cruciales. Efectivamente, durante el intervalo de
tiempo antes del despegue, los foils contribuyen creando una fuerza de arrastre. En el siguiente gráfico
vemos la evolución de la velocidad con relación a la fuerza de arrastre. Se compara además con una
embarcación de tipo planeador. Gracias a este gráfico podemos ver las ventajas a velocidades
considerablemente elevadas de un barco con hidro-foils en comparación con el planeador. Así, es rentable el
uso de estos dispositivos a altas velocidades.
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!
Planeador
Fuerza de
arrastre
Fuerza de
Hidro-
Velocidad de
despegue
Velocidad
Velocidad
!
Figure 13: Comparación folier y planeador
B. Tipos según la configuración [7]
Hay tres tipos principales de hidro-foils:
• Multi-foils en escalera o múltiples: los foils son colocados unos encima de otros formando una especie
de escalera. Según la velocidad del barco habrá más o menos foils sumergidos y la fuerza de sustentación
será consecuentemente mayor o menor. Son idóneos para controlar los barcos bajo condiciones de fuerte
oleaje. Cuando hay grandes olas, la fuerza sustentadora será generada solo cuando el barco este en las
crestas de les ola.
• Foils en V o parcialmente sumergidos. Su principio de funcionamiento es muy simple, basado en la
expresión de la fuerza de sustentación: a medida que el barco aumenta su velocidad, aumenta la fuerza,
por lo que el barco tiende a elevarse; esto provoca que la superficie del foil sumergida disminuya, por lo
que la fuerza sustentadora tiende a disminuir. De esta forma, la altura queda regulada por el propio foil.
• Foils en T o totalmente sumergidos. Estos en cambio requieren de un sistema de control adicional para
conseguir estabilidad y regular la altura de navegación del casco (mecánico o eléctrico). Esto se puede
conseguir, por ejemplo, modificando el ángulo de incidencia de los foils o añadiendo una extremidad
móvil, y así modificar la fuerza resultante de sustentación según sea necesario.
Estas posibilidades pueden ser combinadas entre ellas, es frecuente encontrar barcos con un par de
foils delanteros en V en un par trasero en T. Los primeros foilers contaban con el tipo en escalera, pero hoy
este tipo se utiliza cada vez menos. Los barcos con foils en T pueden alcanzar mejores cocientes lift/drag que
los foils en V y por tanto velocidades superiores, pero al mismo tiempo se trata de un sistema más difícil de
concebir dado que requiere de un sistema de control adicional para asegurar su estabilidad. Los foils en V
son más propensos a sufrir fenómenos de ventilación, pero este problema puede ser resuelto curvando la
superficie del elemento sustentador. Por estas razones, las dos últimas modalidades conviven actualmente.
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!
Figura 15: Foils en V y foils en T
!
Figura 14 Foils en escalera
Esta imagen muestra una posibilidad de un dispositivo mecánico de control de la estabilidad de un
foil en T. Variando el ángulo de ataque del hidroala se conseguirá una variación de la fuerza de sustentación.
La inclinación del foil se puede hacer en la totalidad de su volumen o solo en una parte, como se muestra en
la imagen.
Figura 16: Foils a incidencia variable
!
Para concluir esta comparación de los principales modos de foil, a continuación incluyo una
comparación de la eficiencia media en términos de la relación entre la fuerza de arrastre y de sustentación de
los diferentes tipos de foils.
Tabla 2: comparación tipos de foil
D/L mín (%)
Multiple
16
Foils en V
9
Foil en T
8
C. Posición [7]
Según su disposición a lo largo del casco, podemos realizar una nueva clasificación de los tipos de
foils. Es habitual que haya dos pares de foils, en la parte delantera y en la parte trasera del barco. Se podrán
también posicionar separados o agrupados. Una regla básica obtenida experimentalmente propone las
siguientes aproximaciones de disposición según la posición del centro de gravedad del barco:
En la distribución convencional los foils delanteros soportan aproximadamente 65% del peso del
barco, en la distribución ‘’canard’’ son los foils traseros quienes soportan la mayor parte del peso y en la
última, la ‘’tandem’’, el peso es distribuido equitativamente. Luego, encontramos cada una de estas tres
posibilidades en su modalidad separada u agrupada. La diferencia entre elegir un par de foils o uno solo
agrupado dependerá del perfil del foil en concreto y su superficie. En cada caso de cada barco en particular
se deberá estudiar las dos opciones para determinar cuál es la óptima.
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14
!
Foils separados
Foils agrupados
Convencional
0<X/L<0,35
0,65<X/L<1
Canard
0,35<X/L<0,65
Tandem
Centro de
gravedad
Figura 17: Tipos de disposición de foils
!
D. Parámetros alares [8]
El siguiente aspecto a conocer son los parámetros del ala, que van a ser los mismos utilizados en
aviación. Estos parámetros condicionarán en gran medida la hidrodinamicidad del ala.
espesor máximo
borde
de
ataque
línea de cuerda
cuerda c
curvatura máxima
borde de
salida
Figura 18: Parámetros alares
!
Perfil: el comité de aeronáutica NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) ha creado una base
de datos para el diseño de alas de avión. En esta base de datos, un perfil está definído según una serie de
cuatro cinco o seis dígitos. Los más habituales son los que cuentan con cuatro dígitos (MPTT) cada uno
quiere decir lo siguiente:
• M: máxima curvatura ( % de la cuerda)
• P: posición de la curvatura máxima
• TT: espesor máximo (% de la cuerda)
!
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15
!
Por ejemplo, aquí tenemos la comparación del perfil NACA 0012 y NACA 4412.
! Figura 19: NACA 0012 (izquierda) y NACA 4412
• Extradós: Parte superior del ala.
• Intradós: Parte inferior del ala.
• Espesor: Distancia máxima entre el extradós y el intradós.
• Cuerda: Es la línea entre los bordes de ataque y de salida.
• Ángulo de ataque: este valor es de suma importancia, ya que varios valores de mecánica de fluidos
dependen de él (coeficientes de sustentación y de resistencia). Será un valor esencial a determinar, ya que
hace que la resistencia y la sustentación varían considerablemente. Esto se puede apreciar en los siguientes
gráficos, que muestran la variación estándar de dichos coeficientes. Así, según el ángulo de ataque
podernos obtener el mejor compromiso entre un elevado coeficiente de sustentación y un bajo coeficiente
de resistencia. Para los hidro-foils, los ángulos de ataque óptimos suelen estar entre los 3º y los 2º de
inclinación, permitiendo un ratio lift/drag de 20 aproximadamente.
• !
Figura 20: Gráficos Cd y CL
También es frecuente trazar la curva polar en la que se muestra la relación entre ambos coeficientes
para encontrar el ángulo óptimo con la mejor relación de sustentación y resistencia.
Figura 21: Gráficos CL/CD
!
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!
El coeficiente de sustentación CL varía de forma linear para pequeños ángulos de ataque. Para estos
ángulos bajo suposición de comportamiento linear, se obtiene el siguiente modelo para el coeficiente de
sustentación:
CL=a0(α-α0)
donde a0=
En cuanto a la talla de los hidro-foils, su superficie vendrá determinada según el peso del barco, el
coeficiente de sustentación como .
!
Manipulando esta expresión llegamos a un resultado que nos indica que dos barcos de distintos
tamaños con la misma relación de dimensiones entre el casco y los hidro-foils no tendrán la misma
eficiencia. Esto subraya la importancia de limitar el tamaño de los cascos y de la misma forma su peso. El
uso de foils está limitado por la talla de la embarcación. Al aumentar la superficie del casco por dos, el
cociente de la fuerza de sustentación se divide por dos, por lo que para compensar esto, el aumento de la
superficie de los hidro-foils tendrá que ser considerablemente superior al del casco. La siguiente ilustración
muestra este principio.
Figura 22: Proporción tamaño foil y casco
!
E. Maniobrabilidad
Además, los hidro-foils son más estables y permiten una más fácil maniobrabilidad. Para efectuar un
giro, es necesario crear una fuerza lateral Flat para contrarrestar la fuerza centrípeta Z:
!
En los giros, la fuerza centrífuga es creada principalmente por la parte sumergida de los foils .Esto provoca
que en la parte superior del barco, los giros son sentidos como fuerzas verticales y no laterales. Por ejemplo,
un giro de 0,4º se sentirá como un aumento en la aceleración vertical de 0,08g. Así, es posible diseñar
embarcaciones con hidro-foils con índices de giro del orden de 6 a 12 º por segundo, de dos a cuatro veces
superior a otras embarcaciones. Además, este principio se mantiene en aguas con oleaje.
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!
Figura 23: Maniobrabilidad
!
F. Posibles problemas
Hay dos fenómenos que son cruciales a tener en cuenta en el diseño de hidro-foils: la cavitación y la
ventilación.[3]
La cavitación tiene lugar cuando la presión local de un líquido cae por debajo de la presión de vapor
del fluido. En estas condiciones se produce ebullición y aparecen burbujas en el líquido que pueden ser
nefastas. En concreto, en los hidro-foils pueden significar que el perfil se desprenda, aumentando
considerablemente la fuerza de arrastre, que aparezcan vibraciones y la destrucción de la superficie del
hidroala. Para evitar que este fenómeno se produzca, resulta útil utilizar el parámetro llamado coeficiente de
presión crítica:
!
Un flujo presentara cavitación por debajo de este valor. Al acelerar el fluido, su presión desciende y
esto puede causar cavilación. Es por esto que deberemos asegurar que para altas velocidades las presiones en
cada punto del ala no desciendan demasiado.
Figure 24: Cavitación en una hélice.
!
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!
Sin embargo, para la escala reducida de nuestra embarcación, es prácticamente imposible que este
fenómeno tenga lugar.
La ventilación es un fenómeno se traduce en una caída brusca de la fuerza de sustentación cuando la
presión en el extradós del ala desencadena una aspiración de aire. Esto se observa sobre todo en foils en V, y
es a menudo evitado incluyendo unos pequeños salientes en el extradós que impiden el pasaje del aire.
Figure 25 : Dispositivo para evitar la ventilación
!
Sin embargo, dado a la escala reducida de nuestra embarcación y la consiguiente velocidad más
reducida, no tendremos problemas debido a estos dos fenómenos, cuya aparición, cómo hemos viste, es más
proclive a altas velocidades.
!
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!
2.4.Materiales
Los criterios más importantes para la selección de materiales serán los siguientes:
•
Peso: buscaremos un peso mínimo, esto es fundamental para un barco con hidro-foils.
•
Resistencia: los materiales deberán tener una buena resistencia mecánica, especialmente en los hidrofoils. Es un esfuerzo difícil de estudiar debido a su alta dependencia de las olas.
•
Fragilidad: resistencia antes de fracturarse
•
Resistencia a la fatiga, (resistencia cuando una carga es aplicada repetidamente
•
Resistencia a la corrosión. La corrosión es un ataque destructivo de un metal por reacción química o
electroquímica con el ambiente.
•
Otras propiedades como la fácil fabricación, el coste o la durabilidad.
•
En mi proyecto, hemos buscado al mismo tiempo privilegiar los materiales ecológicos
Divido este apartado ente los materiales para el casco, para la estructura y para los hidro-foils. Casco
Los materiales tradicionalmente utilizados son la madera, el aluminio, el acero, la fibra de vidrio, o
materiales compuestos (plásticos y fibra de vidrio). Veamos una primera comparación de algunas
características fundamentales, diferenciando para cada parte de la embarcación, sea el casco, los foils y la
estructura. [9]
Tabla 3: Comparación materiales
Modulo de
elasticidad
(GPa)
Densidad
Resistencia a la
tracción (MPa)
Coste de materia
prima(€/kg)
Acero
7,8
200
250 à 1 100
2
Aluminio
2,7
70
100 à 300
4
Vidrio/ poliéster
1,8
15 à 45
80 à 600
3
Carbon-epoxy
1,5
50 à 300
300 à 1 200
Entre 10 et 500
Para el casco, los primeros materiales que hemos considerado fueron los utilizados por el equipo del
año anterior, ya que podíamos conseguir algunos descuentos en los precios manteniendo los mismos
proveedores. Nuestros predecesores se decantaron por encargar el casco en poliestireno para después
recubrirlo reforzando con una estratificación de resinas y fibra de vidrio. Este proveedor de poliestireno
fabrica la forma y el perfil que hemos previamente diseñado a partir del modelo en tres dimensiones ( en
formato stl).
Veamos a continuación una comparación cualitativa de materiales para el casco del barco,
estableciendo un balance de ventajas e inconvenientes para elegir los más adecuados a nuestras necesidades.
• Madera-epoxy: las fugas se evitan a partir de colas hidrófobas o de resinas epoxy. Es la solución la más
barata.
• Madera moldeada: un molde se fabrica bramo condiciones de alta temperatura.
• Tablones: técnica que consiste en ensamblar listones de madera sobre la estructura. Aporta una buena
resistencia longitudinal, media resistencia transversal. Es posible reforzar esta falta de resistencia a
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!
través de la estratificación. Presenta un problema, el riesgo de la imbibición del peso en caso de defectos
en la estratificación.
• Combinación de varios materiales empleando la llamada técnica del ‘’sándwich’’: sobre un molde base,
que puede ser de diferentes materiales, se pueden aplicar tantas capas como se desee, siguiendo siempre
el siguiente orden. Primero se coloca una capa de estratificado (resinas). Después, otra capa de PVC, de
fibra de carbono o de otra fibra y después de nuevo una capa de estratificación.
Esta forma de construcción conoce un momento de expansión en la actualidad. Es ideal para las
aplicaciones que requieren rigidez y ligereza al mismo tiempo.
Nos decantamos por la técnica del sándwich por lo que incluyo un análisis más exhaustivo a
continuación.
Encontramos varias partes en este tipo de construcciones: el alma que es el material interior, que
separa las capas de revestimiento, llamadas pieles. Además, para el estratificado, se colocan las capas de
fibra con la ayuda de un adhesivo, que normalmente en arquitectura naval es resina epoxy o resina poliéster.
Una vez la resina aplicada, endurecida y seca, se puede aplicar una capa de gelcoat, un material hidrófobo,
que se lijara para conseguir una superficie lisa y que ofrezca un mínimo de frotamiento contra el agua.
Veamos los materiales para cada parte de este tipo de estructura.
A. Piel
Las capas de estratificado se componen de resina (epoxy, termoplástica…) y un refuerzo fibroso
(fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de lino…).
Actualmente, para los barcos de características similares al nuestro, los materiales más utilizados son
la fibra de vidrio o de carbono y resinas. Entre las resinas, las preferidas son las resinas epoxy y las resina
poliéster. Comparemos estas dos opciones:
• La resina poliéster tiene una débil porosidad, por lo que un agujero o perforación se resuelven
fácilmente. Es de fácil preparación, y para su utilización no se requieren temperaturas elevadas (entre
10 y 20ºC). Además no es demasiado cara. Sin embargo es de mayor densidad y es más frágil.
• La resina epoxi requiere una aplicación más difícil y lenta (el orden de magnitud pasa de unos minutos
a un par de horas). Es más porosa y considerablemente más cara.
En cuanto para el material a acompañar la resina, el carbono se presenta como el material con
mejores características mecánicas, pero presenta el inconveniente de un precio del orden de cuatro veces más
caro que sus sustitutos. Una alternativa a estos materiales pero más respetuosa con el medio ambiente son las
fibras de lino. Son igual de resistentes y no significan un coste medioambiental en su producción. Además, la
fibra de lino presenta ventajas económicas especialmente en Francia, ya que este país es el primer productor.
B. Alma [10]
Según como distribuyamos los materiales en el alma, estaremos ante tres tipos diferentes. Es posible
vaciar parcialmente el alma para obtener una mayor ligereza (alma vaciada), o bien incluir placas que la
refuercen o incluso que el único material sean las propias placas (entramado, alma ondulada, nido de abeja).
Las dos configuraciones más adaptadas a la construcción naval son la espuma y el nido de abeja.
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21
!
entramado
alma ondulada
espuma
nido de abeja
alma vaciada
Figura 26: Diferentes tipos de alma
!
a) Lasespumas:
Utilizan materiales que hacen que sean muy ligeras (densidad de 1kg/m3 aproximadamente) y
resistentes mecánicamente en todas las direcciones. Hay varios tipos según su naturaleza:
•
Espuma metálica: la más resistente mecánicamente pero más pesada.
•
Espuma orgánica: natural (esponja, balsa) o sintética (polímeros expandidos)
•
Espuma cerámica: rígidas pero cuentan con el inconveniente de su mayor densidad y fragilidad. Son
superiores en cuanto a propiedades térmicas.
Los principales materiales que se utilizan son:
•
Espuma PVC: buen equilibrio de propiedades estáticas y dinámicas, resiste a la absorción de agua. Puede
ser reticulada, (más resistente mecánicamente, menos frágiles), o no reticulada (más flexible y más fácil
de modelizar, aunque con propiedades un poco inferiores a la reticulada).
• Espuma PS: a menudo utilizada en tablas de surf, ya que son ligeras, baratas y fáciles de lijar. Para
estructuras de alta eficacia son raramente empleados por sus propiedades menos óptimas.
• Espuma PMI: son las más eficientes a nivel de propiedades, pero al mismo tiempo presentan un coste
elevado. Se utilizan sobre todo en aerodinámica.
• Espuma SAN: comportamiento similar a las espumas PVC reticuladas, aunque más rígidas y frágiles.
Presentan ventajas para trabajar bajo temperaturas elevadas.
Son las más sencillas de incorporar en el proceso de fabricación dado a su configuración integral.
También es posible dividir el alma de espuma en dos para incluir un refuerzo en el centro, por
ejemplo, una tabla de madera. Esto aumenta evidentemente la resistencia pero también el peso.
La opción de alma vaciada presenta las ventajas de las espumas íntégras aumentadas en términos de
ligereza pero reducidas en términos de resistencia mecánica.
b) Nidodeabeja
Utiliza materiales constituidos de células generalmente hexagonales. Según la naturaleza de este
material, podemos obtener una amplia variedad de propiedades. Permiten conseguir estructuras ligeras y
rígidas, pero sin embargo, presentan un coste más elevado y la implementación del estratificado es más
compleja, lo que añade mucha complejidad a la fabricación. Por esta razón hemos desechado la opción de
nido de abeja.
Marta Llopis Marino - TFG
22
!
Esta tabla muestra un resumen comparativo de las principales tipologías que he tratado
anteriormente. Vemos que el nido de abeja es más ligero y resistente. Sin embargo, el tallado preciso de estas
estructuras supone una inversión considerablemente mayor de horas de trabajo y no asegura un buen
acabado.
Tabla 4: Comparación técnicas de construcción
Tipo
Densidad
(kg/m
Modulo de Young (MPa)
Resistencia en cizalla
(MPa)
Nido de abeja
64
63
2,0
Espmua PVC
80
21
1,0
PVC reticulado
80
27
1,15
a. Estructura
Queda por tratar en este análisis de los materiales la estructura general del barco (vigas conectando
los cascos del catamarán, y otras partes para sustentar el motor y los componentes electrónicos.
Para las vigas, hemos considerado sustituir materiales metálicos, clásicamente la opción más común,
por madera. La resistencia mecánica a la flexión es inferior por lo que hemos realizado cálculos sencillos de
resistencia de materiales para asegurar su buen funcionamiento.
Hemos considerado diferentes tipos de madera. El bambú es más resistente (del orden de dos o tres
veces más) y dado que el bambú crece más rápido, esto compensa el los impactos de su transporte. [11]
D: densidad
C: Compresión paralela a las fibras N/mm2
T Tracción paralela a las fibras N/mm2
E: Modulo de elasticidad de young: kN/mm2
σrupt : Esfuerzo de ruptura: N/mm2
Lim. el.: Limite elástico N/mm2
Tabla 5: Comparación bambú y madera convencional
Mat.
C
T
E
0,6
45,6
! 129,9
10,761
71,0
51,6
1
85,4
289,8
20,063
159,2
106,6
Media
0,7
63,7
193,8
14,117
116,9
78,9
! Min.
0,4
29,3
73,1
8,100
29,3
-
Madera Max.
0,5
49,9
107,6
13,400
70,0
-
0,4
37,8 !
95,0
10,071
42,3
-
Min.
Bambú Max.
Media
!
σ
D
Lim. él
El bambú presenta sin embargo el inconveniente de tener un uso menos generalizado, por lo que es
más caro y los distribuidores son más difíciles de encontrar. Entre las distintas posibilidades de madera ‘’tradicional’’, hemos considerado conglomerados y
contrachapados y algunos tipos de madera pura. Los primeros presentan como ventajas una resistencia
mediana pero un coste menos elevado. Los segundos son más resistentes pero más caros y más pesados. !
Marta Llopis Marino - TFG
23
!
b. Hidro-foils
Deben tener una buena resistencia frente a la flexión. Al mismo tiempo el grosor perseguido es
mínimo. La forma más habitual de construcción es con una estructura multi-capa:
Las mismas técnicas, materiales y configuraciones para los cascos son aplicables a los hidro-foils.
Tener una buena resistencia en un dispositivo de pequeño tamaño es aún más importante que en el casco. El
material preferido para los hidro-foils es de nuevo la fibra de carbono. Esto hará que el precio de estos
pequeños aparatos se dispare considerablemente También es habitual concebir foils con módulo de carbono
en el interior.
Sin embargo, dada su talla mucho más reducida, más opciones se plantean como asequibles en
términos de fabricación con los recursos disponibles.
La primera opción sería por tanto un foil con el ‘’alma ‘’ de madera o poliestireno y poner una capa
de estratificado con fibras y resinas. Es en el alma donde podemos obtener mayores innovaciones.
La primera es a partir de las diferentes secciones del foil, superpuestas y pegadas juntas
posteriormente. [13]!
Figura 27: Elaboración de alma en madera
!
O bien esa misma configuración agujereando las placas de madera y dejando espacio entre ellas Figura 28: Interior foil
Otra tercera opción que hemos considerado para el alma es la de realizarla a con la impresora 3D con
plásticos. En esta tabla se recogen las características mecánicas de los tipos de plásticos considerados[14]. Tabla 6: Comparación plásticos impresión 3D
PC-ABS
PC-ISO
PC
Nylon 12
34
57
68
48
Resistencia a la
tracción (Mpa)
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!
Resistencia a la
enlongación %
Resistencia a la
flexión (MPa)
5
4.3
4.8
30
59
90
104
69
Este corazón de plástico debería ser cubierto con otro material. La opción de la fibra con
resina queda descartada por su incompatibilidad con el plástico.
La opción de la impresora 3D cuenta con la clara desventaja de un precio considerablemente
más elevado y mayor dificultad para encontrar un recubrimiento adaptado.
Finalmente nos decantamos por misma opción que para el casco del narco, poliestireno
extraído recubierto de fibra de vidrio con resinas. Utilizamos fibra de vidrio en lugar de vibra de
lino como para los cascos por la simple razón de poder utilizar un trozo de la tela que sobró a
nuestros antecesores.
!
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25
!
2.5. Programas
Por último, ha sido necesario realizar un estudio de los diferentes programas informativos de diseño
naval y diseño en 3D. Los criterios para seleccionar dicho programa han sido el precio, la facilidad para
aprender a utilizarlo y la fiabilidad de los resultados. Hemos considerado los siguientes:
• Freeship: gratuito, diseño en 3D de la carena, tiene una buena potencia de cálculo y está completamente
adaptado a la concesión naval.
• Naval Designer: presenta la ventaja de poseer herramientas específicas para el cálculo de parámetros
básicos de la fluido-mecánica naval, como la estabilidad. Sin embargo no es gratuito.
• Catia: Sin duda el más potente de las posibilidades consideradas, además de ser el más utilizado. Permite
cálculos de resistencia y de hidrodinámica muy avanzado. Sin embargo presenta los inconvenientes de
un precio muy elevado y el hecho de requerir un número de horas muy elevado de aprendizaje para
poder realizar proyectos avanzados.
• Además, hemos utilizado SpaceClaim para finalizar la modernización en 3D. La elección de SpaceClaim
ha sido simplemente por poseer una licencia gracias a la universidad y por haber hecho una asignatura
sobre este programa.
• XFLR5 programa de cálculos y simulación aerodinámica.
• Michlet, ya explicado anteriormente.
!
!
Marta Llopis Marino - TFG
26
!
3. Diseño
Una vez estudiado el estado de la cuestión, comenzamos con el diseño de nuestro barco. Esta sección
está dividida en partes diferenciadas: la referente al diseño de los cascos del catamarán, a los hidro-foils y
por ultimo a la estructura general del barco. Las otras partes del barco han sido tratadas por otros miembros
del grupo.
3.1.Optimización del casco
Aunque el barco vaya a tener foils y el casco no estará en contacto con el agua la mayor parte del
tiempo, no se debe menospreciar la hidrodinámica del casco. El periodo de aceleración previo al ‘‘despegue’’
del barco es crucial, ya que es necesario obtener una velocidad considerable. Por esta razón, buscamos
diseñar un casco con el perfil que imponga la menor resistencia posible.
Para diseñar el perfil, diferentes métodos han sido considerados. Según el consejo de un arquitecto
naval con quién estuve en contacto, consideramos el método de Velocity Prediction Program (VPP) y un
programa de modernización matemática, Michlet/Godzilla.
VPP es un programa muy extendido entre los ingenieros navales, sobre todo para barcos de vela.
Permite calcular el rendimiento y eficacia de un barco. Es un programa iterativo en el que introducimos
parámetros iniciales de nuestro barco para lanzar el programa. Dichos parámetros deben ser razonables.
Estos parámetros pueden variar, pero entre ellos siempre se encuentra la velocidad del barco, su ángulo de
inclinación, y una serie de valores que determinan una forma inicial del barco.
Al algoritmo encontrara el perfil de la velocidad.
Para utilizar este método, generalmente se parte de tablas excel. Hemos utilizado una que nos ha
permitido tener una primera aproximación de la velocidad media a la que circulará nuestro barco, 3m/s.
Se trata de un excel bastante sencillo
La siguiente etapa concierne el diseño del perfil del casco. Hemos utilizado el programa Michlet/
Godzilla. A continuación describo brevemente su funcionamiento.
Michlet/Godzilla permite una gran libertad al usuario, ya que es posible elegir el número de cascos
(monocasco, catamarán, trimarán), las dimensiones de base y el parámetro a privilegiar que guiará la
optimización. Es de utilización bastante sencilla.
Se basa sobre un algoritmo de tipo llamado de evolución. Los algoritmos de evolución imitan el
proceso de selección natural genético. Estos algoritmos trabajan con una población de individuos. Cada
individuo es una posible solución al problema generada de forma aleatoria. Esta población se somete al
problema y se seleccionan los más óptimos. Este proceso se puede repetir numerosas ocasiones, de forma
que a cada ‘’generación’’ formada, la población de soluciones generada tendrá unas características mejor
adaptadas.
Aplicado a Michlet/Godzilla, las poblaciones están formadas por barcos con distintas características.
A cada iteración, el algoritmo selecciona aquellos que presenten una fuerza de arrastre total menor. Así,
cuantas más veces se repita el proceso, más refinada será la solución. Es posible cambiar el parámetro que
determinará como realizar el proceso de selección natural. Nosotros hemos tomado la fuerza de arrastre total,
pero es también posible tomar la fuerza de arrastre viscosa o la fuerza de arrastre de las olas.
La población inicial de barcos es creada de forma aleatoria aunque cada individuo debe cumplir unos
parámetros introducidos por el usuario. Para cada uno de los parámetros, el usuario puede fijar un rango de
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27
!
valores entre los cuales dicho parámetro puede encontrarse. Es decir, si queremos que la eslora tenga entre
2m y 2,5m seleccionaremos estos valores como mínimo y máximo y Godzilla tomará el valor optimo dentro
de este rango. De esta forma, es posible dejar todos los parámetros variar en un gran margen, pero la
potencia de cálculo y el tiempo de procesamiento que serían necesarias hacen que sea preferible fijar algunos
parámetros y limitar en la medida de lo posible los otros.
El primer paso es por tanto conocer los parámetros iniciales. Entre los más importantes se encuentran
la velocidad media esperada, el volumen de agua desplazado por la embarcación, parámetros sobre el fluido
(densidad, viscosidad, etc) y otros valores sobre la geometría del casco.
La primera estimación de la velocidad fue conseguida con la ayuda del método VPP.
Para las propiedades del aire y del agua, basándose en la temperatura media del lago Lemán en el
mes de julio, las siguientes son consideradas:
Tableau 7: Propiedades generales
Propiedad
Aire
Agua Unidad
Viscosidad
14,4
1,004 m2/s
Densidad
1,226
1000 kg/m3
Velocidad del viento
0
Profundidad del agua
150
m/s
kg
m
El oleaje no suele ser muy acentuado en el mes de julio, por lo que es modelizado como débil. En
cuanto al volumen desplazado de agua, fue necesario un cálculo de la masa estimada del barco. En esta tabla
incluyo los aportes más significativos, una hoja de cálculo con más detalle es incluida más adelante (balance
de masa).
Tableau 8: Dimensiones y masa de la embarcación
Estimación peso de la embarcación.
lino
1,925
kg
Resina
4,8125 kg
Densidades y dimensiones
Lino
0,35
kg/m²
Resina
600
kg/m3
400
4,70
kg/m3
Madera
5
kg
Madera
Electrónica
2
kg
Batería
Otros
Refuerzos/
poliestireno
10
kg
Servomotor
63
g
5
kg
Longitud vigas
2,5
m
TOTAL
28,7375
Lado vigas
0,05
m2
0,0125
m3
Superficie casco
2,75
m2
Longitud
2,5
m
Ancho
0,5
m
Calado
0,5
m
kg
Volumen de madera
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kg
28
!
A partir de esta masa podemos obtener una primera estimación del volumen sumergido con un
cálculo simple de Arquímedes:
Empuje=pero del volumen de líquido desalojado=peso del barco
(10+30)*9,8=1000*9,8*V
V=0,125m3
En general, a mayor longitud del barco, mejor eficiencia hidrodinámica. Por esto, hemos intentado
buscar la máxima longitud permitida por las reglas del concurso. Como indicado en la primera parte, el barco
debe poder ser introducido en una caja de dimensiones 2x2,5x2,5. Así, hemos tomado como longitud del
barco entre 2 y 2,5m. En general, un casco largo permite disminuir la resistencia. Hemos encontrado la
longitud máxima a través de Matlab, en función de la longitud del timón.
En cuanto a los otros valores de base para la geometría, hemos tomado el modelo ‘’Wigley’’. Se trata
de una geometría básica y general en arquitectura naval, en la cual la geometría del casco queda definida
según la ecuación siguiente:
x: distancia desdey
B: ancho del casco
D: coord y:half-breadth in point (x,z)
z: distance measured from the base line (positive in the
direction of the keel)
Michlet permitirá de optimizar esta geometría básica adaptándola a nuestras condiciones de
velocidad y dimensiones. En el código de Michlet, la geometría del perfil del casco está definida según
varios valores, llamados parámetros de forma (shape parameters) en el programa. Estos pueden variar entre 0
y 3 . Cero es una forma rectangular, , 1,5 forma elíptica y 3 forma parabólica. Valores intermedios dan lugar
a formas entre estos valores. Hemos utilizado la Serie 7 de Michlet, que tiene 7 tripletes de valores. Cada
triple está compuesto por un mínimo, un máximo, y un valor inicial (valor de la primera iteración). Los tres
primeros tripletes corresponden a la parte delantera del casco, los dos siguientes a la parte posterior. Los dos
últimos tripletes indican la relación entre la longitud de la considerada como parte delantera y parte trasera.
La suma de ambos será por tanto igual a 1.
Tabla 9: Parámetros de forma Michlet-Godzilla
Sección frontal
f0
f1
Parte delantera
min. 0.0, max. 3.0
Vista lateral
f2
Sección frontal
f3
f4
sección transversal
Parte posterior
f5
Longitud relativa parte
delantera
f6
Longitud relativa parte
posterior
Vista lateral
min. 0.0, max. 3.0
min. 0.0, max. 1.0
Hemos lanzado Michlet numerosas ocasiones variando los diferentes parámetros. Por su naturaleza
de algoritmo de evolución, cuanto más veces realice el bucle con poblaciones de más individuos, mejor será
el resultado.
Marta Llopis Marino - TFG
29
!
La primera tentativa fue permitiendo variaciones de los valores en rangos amplios. Una imposición
necesaria fue la de mantener la parte trasera del casco plana, para facilidad de instalación del timón. Esto
condiciona evidentemente los parámetros de forma f4, f5,f6.
Después, fijando algunos de los parámetros (el ancho del casco, la línea de flotación) y dejamos
variar los otros. Tras numerosas iteraciones hemos encontrado las siguientes dimensiones como ideales, y
también los perfiles.
Tabla 10: dimensiones obtenidas
Valor obtenido
Wigley Standard
Longitud (m)
2,6
2,6
Ancho (m)
0,22
0,2805
Calado(m)
0,4
0,35
Ancho/Calado
1,75
0,801484
Volumen sumergido(m^3)
0,12
0,12
Ancho total (m)
2,0
2,0
y centro de gravedad
0,6
Estos parámetros situarán al barco en regímenes de SLR>1,3
!
por lo que debemos asegurarnos de crear un casco de modalidad planeadora. Aseguramos por tanto
que no haya superficies convexas que den lugar a presiones negativas.
!
Hemos confirmado la validez de estos valores a través de un arquitecto naval que nos ha
ayudado a lo largo del proyecto.
!
La siguiente imagen muestra los resultados dados por Michlet/Godzilla. En ella podemos
ver las secciones frontal y de planta.
Figura 29: Perfil con Michlet-Godzilla
También podemos ver que la geometría obtenida supondrá la resistencia total siguiente en
relación con la velocidad.
Marta Llopis Marino - TFG
30
!
!
Figura 30: Resistencia obtenida con Michlet-Godzilla
.
Teniendo el perfil del casco, hemos podido realizar el prototipo en 3D con la ayuda de
Freeship, que permite diseñar el casco directamente a partir de los perfiles obtenidos con Michlet/
Godzilla.
Freeship posee la enorme ventaja de poder crear directamente el modelo 3D del barco a
partir de los datos de Michlet/Godzilla. [17]Aunque debemos tener en cuenta que este programa
solo diseña la obra viva del barco (parte sumergida). Sin embargo para realizar el resto del trabajo
lo hemos hecho con SpaceClaim, programa de modernización en tres dimensiones con el cual ya
había trabajado el año pasado.
!
!
Marta Llopis Marino - TFG
31
!
3.2.Foils
La parte correspondiente al diseño de los foils es probablemente una de las más delicadas. Se trata de
piezas bastante pequeñas y que están sometidas a esfuerzos considerables. Además, deben ejercer la fuerza
necesaria para levantar el barco. Para la selección de los foils la primera etapa fue seleccionar el tipo a
utilizar (foils en T o en V), para después determinar su posición en el barco y finalmente su perfil.
He decidido utilizar foils en V para la proa y para la popa. Los foils en V permiten que la altura de
vuelo se auto regule sin incluir sistemas de control adicionales. Como hemos visto en el apartado anterior,
los foils en T producen una fuerza sustentadora superior a los foils en V gracias a su capacidad de autoregulación, pero hemos privilegiado los foils en V principalmente por una falta de tiempo para diseñar el
sistema de control que sería necesario con el otro tipo de foils.
Luego, hemos determinado el emplazamiento de los foils en la embarcación. Teniendo en cuenta que
el motor va a estar en la parte trasera de la embarcación, podríamos prever que el centro de gravedad de la
embarcación estuviera situado hacia la parte trasera. Sin embargo, tenemos cierta libertad para colocar el
centro de gravedad gracias a los pesos adicionales (dos de diez kg) que debemos incluir. Estas masas van a
ser incluidas en el interior de los cascos, por lo que podemos elegir donde introducirlas y así poder
seleccionar también la posición del centro de gravedad.
Gracias a poder aproximadamente elegir la posición del centro de gravedad, hemos perseguido una
distribución con el centro de gravedad hacia el centro de la embarcación. Esto nos impulsará a elegir la
disposición de foils tipo ‘’tandem’’ vista en el apartado del estado del arte, en la que los foils delanteros y
traseros son de dimensiones similares o iguales.
Una vez tenidas estas consideraciones, para seleccionar la posición exacta de los foils me he basado
en cálculos sencillos de equilibrio de fuerzas y de momentos. Partiendo de que los foils de popa estarán
Casco
Longitud (m)
Densidad del agua
Gravedad
Velocidad (m/s)
Masa (kg)
2,6
1000
9,8
3
28,3
L1
Total
x CG
138
0,2
139,34
1508,51
277,34
758
Geometría
Foil 1 (popa)
Foil 2 (proa)
0,4
0,4
0,077
0,256
0,30
138
45
0,077
0,258
0,3
139
45
!
Coef. de
sustentación (CL
Superficie foil
Cuerda (c)
Longitud (l)
L
Ángulo
L2
xx
Fuerzas
L1
xL
L2
xL
mg
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Equilibrio de fuerzas
Equilibrio de momentos
c
32
!
unidos al timón, incluyo los cálculos que indican la fuerza sustentadora a proporcionar por cada foil así como
su posición en el casco del barco. Los parámetros en verde son los parámetros a introducir que podemos
variar, que determinarán el área necesaria de cada hidro-foil a partir de la ley de la fuerza sustentadora..
Para el coeficiente de sustentación, hemos tomado una aproximación de:
!
!
Con L la longitud del ala y c la cuerda del ala y α el ángulo de incidencia.
El siguiente paso es el diseño del perfil del ala. Como explicado en la sección de estado de la
cuestión, los perfiles de hidro-foils están regularizados igual que el de las alas de avión. Hemos considerado
dos perfiles que son utilizados habitualmente para aplicaciones acuáticas: H105 y Eppler 6598. Estas son sus
secciones:
Figura 31: Eppler E817 y H105
!
Estos dos perfiles han sido específicamente diseñados para aplicaciones de hidro-foils. Para ello, una
de las consideraciones más importantes es un diseño que minimice las posibilidades de que aparezca
cavitación, aunque para nuestro caso sea menos importante. Para seleccionar el mejor perfil, me apoyo en el
programa XFLR5, un programa de diseño de aviones y de alas, que puede ser utilizado para esta sencilla
aplicación de comparar sus perfiles. Introduciendo las coordenadas de ambos perfiles, y para el número de
Reynolds aproximado para el que trabajamos. Tomando: velocidad (v) =3m/s
longitud característica (l) la cuerda del foil=0,25m
viscosidad cinemática (v)= 1.267E-6 m2/s (agua a 10ºC)
!
Marta Llopis Marino - TFG
Obtenemos Re=591949
33
!
Estas son las gráficas que muestran los coeficientes para los perfiles estudiados obtenidos con
XFLR5. Observamos una pequeña diferencia aunque una mejora con la correspondiente a H105 (curva
amarilla).
Figura 32: Gráficas de los coeficientes aerodinámicos
!
Una vez el perfil diseñado y la superficie del ala necesaria para proporciona la fuerza sustentadora
requerida, queda aún la elección entre diferentes modalidades y posiciones de los foils.
Se plantean dos cuestiones principales:
• uno solo delante y uno solo detrás (los foils se unen por debajo de la embarcación)
Figura 33: Foils unidos o separados
• que el foil parta de la parte interior de los cascos o de la parte exterior.
Estas últimas consideraciones han sido tratadas por mis compañeros del equipo.
Marta Llopis Marino - TFG
34
!
Marta Llopis Marino - TFG
35
!
3.3.Estructura
Por último menos no menos importante, la parte correspondiente a la estructura de la embarcación,
es decir, las vigas que conectan los cascos, la plataforma de sujeción del motor y otros refuerzos mecánicos
del barco.
Concerniendo las vigas conectores de los cascos, nos hemos apoyado en unos cálculos sencillos de
resistencia de materiales que resumo a continuación. Hemos partido de la idea de utilizar tres vigas: dos para
a parte trasera, poco separadas entre sí, y otra delantera. El motor irá sujeto entre las dos traseras, y
recordemos que los foils irán fijos a las vigas delantera y trasera.
Estimamos la sección rectangular de las vigas. Primero considerando su ancho después su alto. Para
el ancho nos basamos en los esfuerzos provocados en esta dirección, es decir la fuerza del motor. Podemos
encontrar la potencia del motor 1,4kW.
Diagrama vista planta
Rax
Rbx
y
a
a
La fuerzas son aplicadas en la
mitad de la sección.
Fm
Figura 34: Esquema de fuerzas OX
!
Los cálculos son realizados considerando un solo casco, con un esfuerzo máximo para madera.
Tabla 12: Cálculos 0X
Fuerza del motor
Unidad
Potencia
1,4
kw
Velocidad
3,0
m/s
Fuerza del motor (P/v)
466,7
N
Rax=Rbx=Fm/2
233,3
N
Esfuerzo máximo
30,6
MPa
Inercia
A partir de estos cálculos obtenemos un lado de a=2,4cm
Marta Llopis Marino - TFG
36
!
Realizamos el mismo método para la altura de las vigas. En esta dirección encontramos como
fuerzas el peso de la embarcación.
Diagrama de fuerzas frontal
Ray
Rby
P
Figura 34: Esquema de fuerzas, OY
!
Tomamos la misma estimación de masa que para los cálculos de Michlet.
Tabla 13: Cálculos 0Y
Fuerza del motor
Unidad
Potencia
1,4
kw
Velocidad
3,0
m/s
Fuerza del motor (P/v)
466,7
N
Rax=Rbx=Fm/2
233,3
N
Esfuerzo máximo
30,6
MPa
!m
Inercia
Y de esta forma obtenemos una altura de viga de a=2,37cm
A estos valores les aplicaremos un factor de seguridad de entre 1,5 y 2.
3.4. Electrónica y motor
Pese a no ser la parte que yo he tratado, en esta sección incluyo una breve descripción del sistema
electrónico y de propulsión del motor.
Marta Llopis Marino - TFG
37
!
El barco será teledirigido a partir de un ordenador. Esto supone la ventaja de poder diseñar
completamente a medida los comandos de control y optimizar mejor la potencia a transmitir. Además,
permite no solo enviar instrucciones para controlar el barco, sino también recibir información del barco
durante su navegación. Así, para tener una mejor maniobrabilidad y control, instalaremos una cámara de
vídeo para poder ver la trayectoria del barco, y un acelerómetro y un GPS para obtener su velocidad. Tener
un seguimiento en directo del vídeo captado por la cámara instalada en el catamarán será de gran ayuda, ya
que el barco es controlado desde una plataforma en el lago y en ocasiones la distancia hasta el barco será de
unos 100 o 150m, y para sortear los obstáculos que habrá en las pruebas es de mucha ayuda. El barco contará
con un microprocesador RasperryPi conectado a los sensores, al regulador y a los demás componentes
electrónicos. Los códigos en dicho procesador son escritos en leguaje Phyton.
El motor es dado por la organización del concurso a todos los equipos. Es de tipo PWM (Pulse Width
Regulation), tiene dos posibles niveles de tensión: cero o un valor dado U. Por tanto para controlar la
velocidad se controla el tiempo durante el cual se transmite U.
El regulador también es impuesto por Hydrocontest. Recibe la alimentación directamente de la
batería, las instrucciones a partir del Rasperry Pi y envían al motor la señal elaborada a partir de estos datos.
Incluimos un servo-motor que permite controlar de forma única el regulador, y el motor.
El siguiente esquema muestra las conexiones generales entre los distintos componentes.
Figura 35: Electrónica
!
!
Marta Llopis Marino - TFG
38
!
4. Construcción
Hemos realizado la construcción del barco entre varios de los miembros de mi grupo. Voy a dividir la
estructura de este apartado de la misma forma que los anteriores, en cada una de las partes del barco. Al
mismo tiempo voy a mencionar los equipos de protección que hemos utilizado.
4.1.Casco
Las etapas generales son las siguientes:
• Obtención del molde de poliestireno extraído
• Preparación y estratificación
• Acabado
El método seguido ha sido el de estratificación sobre un alma de poliestireno extraído. Las capas de
estratificación están compuestas por resinas epoxy de origen biológico y fibra de lino. Trabajábamos en los
laboratorios de la universidad y todas las etapas de este proceso han sido realizadas al exterior.
Efectivamente, dado a la toxicidad de los materiales empleados, exponerse a ellos en espacios cerrados no
habilitados específicamente para ello es desaconsejable.
A partir del modelo en ·3D en formato ’’.stl’’ los cascos fueron encargados a la empresa
Formes&Volumes en poliestireno expandido. Antes de aplicar las capas de estratificación, es necesario lijar
la superficie y eliminar todas las impurezas. Realizamos esto manualmente con lijas de grano muy fino, y
una vez lijado, aplicamos White Spirit para limpiar y eliminar toda partícula indeseable. Dado la toxicidad
del poliestireno expandido, utilizamos mascarillas antipartículas.
Figura 36: Pulido con White spirit
!
Figura 36: Lija de grano fino, white spirit, mascarillla
Una vez la superficie lisa y el White Spirit seco (lo que lleva unas ocho horas) comenzamos la
estratificación. Mezclamos la resina con un endurecedor, en proporciones endurecedor/resina indicadas en la
ficha técnica de los productos, 40/100 en volumen, obteniendo una mezcla que permitirá conseguir una
superficie adhesiva para la fibra de lino al mismo tiempo que aporta propiedades mecánicas muy ventajosas.
Sin embargo, debido a sus propiedades químicas y para conseguir mejores resultados, la resina debe ser
aplicada en condiciones de humedad relativa baja y temperaturas no demasiado bajas. El clima parisino de
los meses de abril y mayo no nos acompañó en absoluto, por lo que tomamos el riesgo de aplicarlo de todas
formas aún con una humedad relativa del 75% y 14ºC, las mejores condiciones que pudimos obtener.
De nuevo, una mención sobre los sistemas de protección, ya que la resina utilizada es altamente
tóxica tanto para la piel como para el sistema respiratorio. Por ello trabajamos con máscaras con respirador y
guantes de látex. En la siguiente foto se puede ver el proceso de mezcla del endurecedor (líquido rojizo) con
la resina (líquido transparente).
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Figura 37: Elaboración de
la mezcla
Hemos elegido uno de los fabricantes de resinas y endurecedores preferidos por los amateurs
fabricación de tablas de surf, Sicomin. Además, se trata de productos de origen biológico.
En la siguiente tabla vemos como varían las propiedades de la resina según el tiempo que dicho
compuesto se deje polimerar una vez aplicado. Hemos aplicado el endurecedor que agiliza estos la
proliferación y reduce los tiempos de espera. En nuestro caso, no tuvimos acceso a salas en las que
mantenerlo a temperaturas más elevadas que la temperatura ambiente, por lo que nos contentamos con tres
días de absorción entre cada una de las capas.
Tabla 14: Características del estratificado según las condiciones de polimeracióm
7 días a
23’C
24h a 23ºC +
24h a 40ºC
3100
3100
24 h à 23 °C + 24
h à 40 °C + 16 h
à 60 °C
2800
Resistencia máxima
64
66
67
Resistenca a la
ruptura (MPa)
64
66
67
2900
2800
2700
Resistencia máxima
99
96
95
Resistenca a la
ruptura
4.5
4.2
4.5
14
21
13
Modulo
Tracción
Modulo
Flexión
Resistencia a los
impactos
*Todo expresado en N/mm2 salvo la resistencia a la ruptura en flexión, expresada en porcentaje
Estamos obligados a hacerlo en tres fases con un trozo de tela para cada una. Primero toda la parte
inferior (colocando el casco boca-abajo), después la cubierta y finalmente la parte de la popa. En cuanto a la
aplicación de la mezcla sobre el poliestireno, lo hacemos directamente con pinceles cubriendo la superficie
del casco. Esta primera capa debe ser fina, y permitirá la adhesión de la fibra de lino que colocamos
inmediatamente después, habiéndola cortado previamente de las dimensiones adecuadas. Sin espera alguna,
aplicamos de nuevo la mezcla resinosa, esta vez con mucha atención a que no se formen burbujas de aire en
la tela y que esta quede lo más lisa posible y sin pliegos. Esto no es sencillo, la tela tiene tendencia a
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despegarse y especialmente en las esquinas, la aparición de pliegos es muy común. Utilizamos un rodillo
metálico que facilita este trabajo.
Figura 40: Aplicación de la
mezcla sobre el poliestireno
Figura 38: Aplicación de la fibra
Figura 39: Eliminador de burbujas
!
Figura 40: Aplicación de la mezcla sobre la
Sin embargo, eliminar todas las bolas de aire no es tarea fácil. En la siguiente foto podemos ver que
sobre todo en las esquinas, donde la tela se superpone, quedan zonas imperfectas.
Marta
Marino - de
TFG
FiguraLlopis
41: Eliminación
pliegos con lijado
41
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Cuando la resina esta seca, lijamos para eliminar todas las dobleces y flecos del tejido y para tener
un acabado lo más liso posible para poder aplicar la siguiente capa. Esta vez utilizados lijas de grano grueso
y también una lijadora automática. Repetimos el proceso para aplicar una segunda y una tercera capa. El
acabado es el siguiente después del último lijado:
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Figura 42: Acabado estratificación.
En cuanto al acabado final con pintura, este no lo aplicamos hasta una vez montada la estructura.
Una vez conseguido un acabado lo más liso posible, aplicamos una pintura hidrófoba que aporta
hidrodinamismo y, aunque menos importante, mejora a nivel estético.
4.2. Estructura
La siguiente etapa es la de elegir las vigas que conectarán los cascos entre sí. A partir de los cálculos
de resistencia de materiales (desarrollados en el apartado 3.2), obtuvimos una sección de 2cmx2cm.
Intentamos hacer un pedido por internet de vigas de las características y material específicos que habíamos
considerado en el diseño, pero no fue posible encargarlas por Internet. Finalmente, por cuestiones de precio y
de tiempo de distribución, nos vimos obligados a trabajar con vigas de medidas estándar que compramos en
de madera de pino, con una sección un poco más gruesa de la que habíamos considerado, 3cm, que incluye
un margen que asegura su resistencia frente a los esfuerzos a los que serán sometidos.
Para resistir su contacto con el agua, las vigas han sido recubiertas con barniz hidrófobo.
Para elegir el número de vigas ha sido necesario tener en cuenta el posicionamiento del motor, de los
componentes electrónicos y de la hélice. La mejor solución son dos vigas en la parte posterior que permiten
una mejor sujeción para el motor, y una tercera viga en la parte delantera.
Para su fijación en los cascos del barco, hemos colocado unas placas de madera en parte superior de
cada uno de los dos cascos. Esta la hemos fijado con fibra de lino y resinas. Fue una operación muy delicada.
La delgadez de la tabla de madera convertía la operación en muy favorable para la aparición de bolas de aire
o para que la tabla no quedará perfectamente fijada en el casco si quedaba un poco de margen entre la tela y
el borde de la placa. Además se formaron pliegues que fueron difícil de eliminar lijándolos.
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Figura 43: Placa de madera fijada con estratificación
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Esta placa de madera permite una buena superficie para la fijación de tornillos, mucho más que el
poliestireno extraído. Para fijar la viga a dichas placas de madera, utilizamos escuadras sencillas con cuatro
pernos y revestimiento galvanizado anticorrosivo.
Figura 44: Escuadras de fijación
!
Este es el resultado una vez las vigas instaladas:
Figura 45: Catamarán con vigas
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En esta etapa del proyecto yo no pude continuar en París, por lo que han sido mis compañeros los
que han continuado y finalizado la construcción del barco. Las etapas que han completado en mi ausencia
han sido:
• Fijación del motor y de los componentes electrónicos a las vigas: toda la parte electrónica está integrada
en una caja de plástico. La separación entre las vigas traseras ha sido ajustada para que la caja quede
bien fijada a ellas.
• Fijación de la hélice y de la pala del timón.
• Construcción e instalación de los hidro-foil
• Mejora y optimización de lo que fuera posible a partir de las pruebas y ensayos realizados en el lago
• Participación en el concurso (que será la semana del 24 al 31 de julio)
Pese a no haber contribuido a la finalización, incluyo una foto del resultado final, en el lago cercano
ala universidad al que llevaron el barco para realizar pruebas.
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Figura 46: Barco completo
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5. Financiación
La construcción de este proyecto supone un coste bastante elevado. La empresa que organiza el
concurso, HYDROS, financia una parte importante de cada equipo que participe cumpliendo todos los
requisitos exigidos por la organización. Sin embargo esta ayuda aportada por HYDROS no cubre la totalidad
de los gastos, por lo que ha sido necesario buscar otras fuentes de financiación.
Hemos intentado conseguir patrocinadores de empresas privadas pero no hemos tenido éxito en
nuestros intentos. Únicamente de KALM Consulting, empresa de nuestro responsable de proyecto Philipe
Boutin y el proveedor del casco del barco, Formes&Volumes, nos ha hecho un descuento considerable en el
precio de su producto. Sin embargo hemos conseguido algunas ayudas de distintas instituciones francesas,
cómo CROUS de Versailles. Finalmente, para completar los gastos, hemos lanzado un crowdfunding entre
nuestros familiares y amigos. El crowdfunding está contabilizado como parte de las subvenciones privadas
en los gráficos. En anexo incluyo los presupuestos más detallados.
Figura 47: Financiación
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Como publicidad y creación de una imagen de nuestro proyecto, hemos creado una página web y una
página de Facebook en la que hemos publicado artículos con nuestro avance regularmente. Además, para
mejorar la imagen de cara al equipo del año que viene, un día organizamos un “stand” en el que enseñamos
nuestro barcos a estudiantes de un año menos que podrían estar interesados en retomar el proyecto el año que
viene. También buscamos mejorar la imagen del equipo durante la semana del concurso, para lo que hemos
encargado camisetas con un logo personalizado de nuestro equipo.
No hemos tenido éxito con nuestra búsqueda de patrocinadores, y esto ha determinado el avance y la
elección de materiales de nuestra embarcación. En concreto, la idea inicial de utilizar bambú ha debido ser
abandonada pues el precio es bastante superior que el de un tipo de madera más habitual.
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6. Conclusiones
Ha sido un proyecto que me ha permitido conocer bastante el sector náutico y la ingeniería naval. La
parte que más interesante me ha parecido ha sido la de fabricación. Efectivamente, he podido comprobar
como “el papel lo soporta todo”, pero en la fase de construcción hemos tenido que hacer algunos cambios
para adaptarnos a términos presupuestarios, de disponibilidad de materiales, de tiempo o de disponibilidad de
técnicas, instalaciones o instrumentos de fabricación.
En esta línea, en nuestra planificación inicial no tuvimos suficientemente en cuenta los plazos de
entrega de los materiales, los retrasos, y el tiempo a invertir que requiere el contacto con proveedores. Por
ejemplo, para el caso de los cascos de poliestireno extruido, hubo un retraso de tres semanas por parte del
proveedor, y teniendo en cuenta que el plazo de entrega y fabricación una ve realizado el pedido ya era de
dos semanas, la fabricación del barco empezó con un retraso considerable. Otro factor a tener en cuenta es la
exigencia de unas condiciones de temperatura y de humedad concretas para realizar el estratificado de
manera óptima.
Si hay un equipo el año que viene que retome el proyecto, mi primera recomendación sería la de
finalizar el proceso de diseño lo antes posible para dejar un margen más importante a la parte de
construcción. Bastantes mejoras pueden ser obtenidas a partir de “prueba error” con el barco en el agua. Otra
opción interesante hubiera sido trabajar con una maqueta a escala reducida.
Otra recomendación sería la de dedicar algo de tiempo a intentar encontrar un espacio de trabajo más
adaptado y en el que se disponga de más herramientas de construcción o con salas más adaptadas.
Cómo última recomendación, aconsejaría dedicar más tiempo a cuidar el factor económico, ya que
nos ha limitado considerablemente. En mi equipo había dos personas encargadas de contactar posibles
sponsors e inscribir nuestro proyecto en diferentes concursos o becas para obtener ayudas y subvenciones.
Sin embargo no hemos tenido suerte en estos intentos. Cómo he explicado en el apartado de financiación,
finalmente recurrimos a un ”crowdfunding” que nos ayudó bastante. Sin embargo hubiera sido muy
interesante poder seleccionar materiales más punteros aunque más caros así cómo técnicas de fabricación
más costosas.
Así, ha sido muy enriquecedor trabajar en un proyecto que me ha permitido ver la importancia de la
financiación, de la planificación y de la coherencia entre las distintas partes del proyecto. Cómo he
mencionado en la introducción, la de poder ver el resultado real de lo diseñado en papel ha resultado
satisfactorio.
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Bibliografía
(1) Normas de Hydrocontest.
(2) Diccionario enciclopédico marítimo naval inglés-español. Diccionario enciclopédico marítimo naval
inglés-español.
(3) Libro de Mecánica de fluidos. Fluid Mechanics seventh edition, Frank M. White
(4) Tipos de cascos y modos de navegación. Dominique Presles et Dominique Paulet, Architecture
navale - connaissance et pratique, éd. de la Villette
(5) Claughton Wellicome Shenoi, Sailing Yacht Design, éd Pearson education
(6) Historia de los hidrofoils y conceptos básicos. Oakley, Owen H., "Hydrofoils--A 'State-of-theArt' Summary," Proceedings of the Hydrofoil and Air Cushion Vehicles Institute of Aerospace
Sciences, Washington, D.C., September 1962.
(7) Tipos de foils según la geometría. foils.org
(8) Theory of Wing Sections, Ira H. Abbot and Albert E. Von Dodenhoff
(9) Collage des composites - Secteur de la construction navale, Philippe COGNARD en Techniques de
l’Ingénieur
(10) Christophe Baley, Fibres naturelles de renfort pour matériaux composites, Techniques de
l’Ingénieur 10/04/2005 - N2220
(11) .G. Vogtländer, P. van der Lugt, The Environmental Impact of Industrial Bamboo Products:
Life-cycle Assessment and Carbon Sequestration, International Network for Bamboo and Rattan
(INBAR) Technical Report No. 35, 2014
(12) Construcción de un foil. Blog de un amateur.
(13) Propiedades de diferentes plásticos para impresión 3D.
(14)Propiedades de diferentes materiales. Engineering toolbox.
(15) Geometría tipo Wigley. Marine Technologie and Engineering.
(16) Manual de Michlet-Godzilla.
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Imágenes y figuras utilizadas
(1) Hydros Foundation. Imagen
(2) Hydorocontest Logo. imagen
(3) Partes de un barco. Imagen
(4) Ejes de rotación. Imagen
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(5) Estabilidad de un cuerpo flotante. Imagen tomada del libro Fluid Mechanics White
(6) Tipos de casco. Image
(7) Ejemplo trimarán. Image
(8) Ejemplo catamarán. Image
(9) Oleaje frente a parámetro de ola y evolución del coeficiente de resistencia. Obtenidas del pdf de la
referencia 4.
(10) Evolución parámetro de ola. Obtenidas del pdf de la referencia 4.
(11)Primer barco con hydrofoils. Imagen
(12)Vórtice y circulación alrededor de un ala. Imagen
(13)Comparación foiler y planeador. Imagen
(14)Foiler en escalera. Imagen
(15)Foiler en V y foiler en T. Imagen
(16)Foils a incidencia variable. Imagen
(17)Tipos de disposición de foils. Imagen
(18)Parámetros alares. Intro to Aerodynamics course, MITx - 16.101x_2
(19), (20), (21) Gráficos aerodinámicos. Intro to Aerodynamics course, MITx - 16.101x_2
(22) Comparación tamaño del barco y tamaño del foil
(23) Capacidad de maniobra
(24)Cavitación en una hélice. Imagen
(25)Solución a la ventilación.
(26)Diferentes tipos de alma. Imagen tomada del pdf Collage des composites - Secteur de la construction
navale, Philippe COGNARD en Techniques de l’Ingénieur
(27)Construcción de un foil. Blog de un amateur.
(28)Interior hidrofoil. Imagen
(29) Perfil obtenido con Michlet-Godzilla
(30)Resistencia en función de la velocidad obtenida con Michlet-Godzilla
(31)Diagrama de fuerzas. Realización propia.
(32)Coeficiente de resistencia y de sustentación obtenido con XFLR5
(33)Diagrama de fuerzas 0X. Realización propia
(34)Diagrama de fuerzas 0Y. Realización propia.
(35)Electrónica. Realización propia.
(36)Imágenes de la 33 en adelante: realización o captura propia.
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Anexos
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Anexos
Anexo I: Ficha técnica del motor
Anexo II: Peso extra
Anexo III: Balance de masa y cálculo centro de gravedad completo
Anexo IV: Flujos financieros detallados
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CONTENTS OF MOTOR PACK PROVIDED BY HYDROS
- 1 BLDC MOTOR, 48V/1400W
- 1 NACA aluminium leg
- 2 M6 rods to fix the motor
2x M6 rods, length 1m
965
Aluminium leg
MASS: 2.5 kg
3 wires, length 3m
MT60 male connector
1400W motor
MASS: 3.8kg
349
70.3
CONICAL SHAFT DETAIL :
78.8
30
10
19.50
18°
20 h9
24.50
80
M5
DATE:
TITRE:
20
23/11/2015
1400W/48V MOTOR PACK
for HYDROCONTEST 2016
ref: A-000000-00371
15 rue de la Brigantine - 17000 La Rochelle - FRANCE
tél +33(0)5 46 41 31 99 - contact@wattandsea.com - www.wattandsea.com
SARL au capital de 231 400€ - Siret : 514 026 467 00019 – NAF : 7112B
HYDROCONTEST
Rules 2016
APPENDIX 4 TO THE RULES: LOADS TO BE CARRIED (Art. 11)
The load elements are all identical and used for all competitions. They will be given to the
Teams by the Organiser upon their arrival at the Event.
Characteristics:
•  Unit weight: 10 kg
•  Dimensions per unit: L 500 mm / l 120 mm / H 100 mm
500&mm&
100&mm&
120&mm&
11/11/2015&
Page&1&of&1&
Presupuesto HYDROcontest Centrale Paris 2k16
Presupuesto TTC y comparación con el presupuesto del equipo 2k15
Charges2K16
2K15
ValeurTotale
Construcción
Valor
3.044,81€
Moldedepoliestirenoextruido(descuentonoincluído)
2.919,07€
1.260,00 €
TuboP.V.C.
133,70 €
133,70 €
Fibradelino
500,00 €
300,00 €
Resinaepoxyyendurecedor
340,00 €
303,11 €
Materialparaestratificado(pinceles,papel,rodillos
132,38 €
132,38 €
82,44 €
82,44 €
134,80 €
134,80 €
Vigasmadera
Plexiglass
26,30 €
26,30 €
Diversmatériauxmetallique(boulons,visseries,equerres…)
245,61 €
245,61 €
Diversmatériaux
118,58 €
118,58 €
Acabadoypintura
210,00 €
182,15 €
MotorWatt&Sea
720,00 €
1.236,00 €
Regulador
252,00 €
Propulsiónyelectrónica
2.068,79€
Batería
2.281,64€
0,00 €
120,00 €
Hélicedepasovariable
150,00 €
160,00 €
Regulador48VWatt&Sea+refrigeración+batería
490,00 €
294,00 €
80,00 €
13,90 €
0,00 €
40,00 €
Refrigeración
Mandoteledirigido
Servomotor
106,40 €
106,40 €
Cámara
99,00 €
139,95 €
Tarjetadememoria
24,99 €
24,99 €
146,40 €
146,40 €
Varios(cables,rasberrypi,sensores,pilas…)
Herramientas
445,94€
383,04€
2K15
ValeurTotale
Valor
1.121,00 €
Maderacontrachapado
Produits2K16
Aportepersonal(viaje)
1.038,05€
Apportdebase
Subvenciónpública
400,00€
0,00 €
400,00 €
3.724,37€
FondationHYDROs
"AssociationdescentraliensCjP" refusée
Crowdfunding
Otros
ElectrónicacedidaporKALMConsulting(Boutin)
Formes&Volume
HydroContest(startkit)
Valeur
80,50€
1.038,05 €
CrousdeVersailles
denegada
AsociacióndealumnosCentraleParis(BdE)
Subvenciónprivada
Valeur
80,50 €
350,00 €
350,00 €
2.724,37 €
4.773,23 €
3.773,23 €
0,00 €
1.000,00 €
1.000,00 €
2.705,00€
970,00 €
500,00 €
395,00 €
1.810,00 €
454,00 €
516,00 €
1.375,95 €