optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

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Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial. Caso de estudio: PAFL Roberto Omar Morante Villareal [email protected] Germán Andrés Méndez Algarra [email protected] Departamento de Estructuras y Materiales, COTECMAR Km. 9 Vía a Mamonal. Cartagena de Indias, Colombia. www.cotecmar.com Resumen Debido al continuo desarrollo de patrulleras navales de altas exigencias en COTECMAR para satisfacer las necesidades de la Armada Nacional de Colombia (ARC), ha sido necesario el desarrollo de proyectos de investigación alrededor de los diseños propuestos para lograr desempeños mayores que las generaciones antecesoras. Este fue el caso de una patrullera de apoyo fluvial liviana cuyo requerimiento inicial fue la navegación en ríos de poco calado, 0.75 m, incluso menores a los navegables por las patrulleras anteriores, 1.3 m. Por ello, la conjugación de formas del casco y escantillones de construcción fueron el resultado de la exploración de alternativas de solución para dichos requerimientos. Sabiendo que la estructura de dichas embarcaciones obedeció a reglas de clasificación con altos factores de seguridad, se logró que la optimización estructural converja a escantillones de menor medida con reducciones de peso entre 4,51 y 18,24 %. Para ello se emplearon algoritmos duales de optimización definiendo una función objetivo con parámetros de peso, costo de materiales y costos de mano de obra de las estructuras basadas en índices de producción de COTECMAR. El problema de optimización consistió en partición de regiones típicas de escantillonado, o módulos, conectados entre sí y generando a la vez problemas de optimización más pequeños pero en mayor número, en donde la cantidad de variables se redujo. Esto resultó en dos niveles de optimización de la estructura: uno para cada grupo típico de elementos (lámina, cuadernas, vagras y refuerzos longitudinales) y otro para el módulo. Se aplicaron condiciones de frontera en los módulos, restricciones mínimas de fabricación para espesores y restricciones operativas; para que luego de un análisis de fallas en cada ciclo se obtuviera un escantillonado diferente, dando lugar al siguiente ciclo de optimización.

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Debido al continuo desarrollo de patrulleras navales de altas exigencias en COTECMAR para satisfacer las necesidades de la Armada Nacional de Colombia (ARC), ha sido necesario el desarrollo de proyectos de investigación alrededor de los diseños propuestos para lograr desempeños mayores que las generaciones antecesoras. Este fue el caso de una patrullera de apoyo fluvial liviana cuyo requerimiento inicial fue la navegación en ríos de poco calado, 0.75 m, incluso menores a los navegables por las patrulleras anteriores, 1.3 m. Por ello, la conjugación de formas del casco y escantillones de construcción fueron el resultado de la exploración de alternativas de solución para dichos requerimientos. Sabiendo que la estructura de dichas embarcaciones obedeció a reglas de clasificación con altos factores de seguridad, se logró que la optimización estructural converja a escantillones de menor medida con reducciones de peso entre 4,51 y 18,24 %. Para ello se emplearon algoritmos duales de optimización definiendo una función objetivo con parámetros de peso, costo de materiales y costos de mano de obra de las estructuras basadas en índices de producción de COTECMAR. El problema de optimización consistió en partición de regiones típicas de escantillonado, o módulos, conectados entre sí y generando a la vez problemas de optimización más pequeños pero en mayor número, en donde la cantidad de variables se redujo. Esto resultó en dos niveles de optimización de la estructura: uno para cada grupo típico de elementos (lámina, cuadernas, vagras y refuerzos longitudinales) y otro para el módulo. Se aplicaron condiciones de frontera en los módulos, restricciones mínimas de fabricación para espesores y restricciones operativas; para que luego de un análisis de fallas en cada ciclo se obtuviera un escantillonado diferente, dando lugar al siguiente ciclo de optimización.

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Page 1: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial.

Caso de estudio: PAFL

Roberto Omar Morante Villareal

[email protected]

Germán Andrés Méndez Algarra

[email protected]

Departamento de Estructuras y Materiales, COTECMAR

Km. 9 Vía a Mamonal. Cartagena de Indias, Colombia.

www.cotecmar.com

Resumen

Debido al continuo desarrollo de patrulleras navales de altas exigencias en COTECMAR para

satisfacer las necesidades de la Armada Nacional de Colombia (ARC), ha sido necesario el

desarrollo de proyectos de investigación alrededor de los diseños propuestos para lograr

desempeños mayores que las generaciones antecesoras. Este fue el caso de una patrullera de

apoyo fluvial liviana cuyo requerimiento inicial fue la navegación en ríos de poco calado,

0.75 m, incluso menores a los navegables por las patrulleras anteriores, 1.3 m. Por ello, la

conjugación de formas del casco y escantillones de construcción fueron el resultado de la

exploración de alternativas de solución para dichos requerimientos. Sabiendo que la estructura

de dichas embarcaciones obedeció a reglas de clasificación con altos factores de seguridad, se

logró que la optimización estructural converja a escantillones de menor medida con

reducciones de peso entre 4,51 y 18,24 %. Para ello se emplearon algoritmos duales de

optimización definiendo una función objetivo con parámetros de peso, costo de materiales y

costos de mano de obra de las estructuras basadas en índices de producción de COTECMAR.

El problema de optimización consistió en partición de regiones típicas de escantillonado, o

módulos, conectados entre sí y generando a la vez problemas de optimización más pequeños

pero en mayor número, en donde la cantidad de variables se redujo. Esto resultó en dos

niveles de optimización de la estructura: uno para cada grupo típico de elementos (lámina,

cuadernas, vagras y refuerzos longitudinales) y otro para el módulo. Se aplicaron condiciones

de frontera en los módulos, restricciones mínimas de fabricación para espesores y

restricciones operativas; para que luego de un análisis de fallas en cada ciclo se obtuviera un

escantillonado diferente, dando lugar al siguiente ciclo de optimización.

Page 2: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Abstract

Given the continuous development of high performance riverine patrol vessels in

COTECMAR for fulfilling the Colombian Navy needs, several research projects supporting

the design process in order to improve the performance of the ships have been implemented.

For the Light Riverine Patrol Vessel – PAFL, the major requirement was a draught of 0.75 m,

clearly less than the specified one for the previous series of patrol vessels with 1.3 m.

Consequently, an exploration for the correct hull form and scantlings combination gave an

initial solution to satisfy the requirements. Since this initial design was carried out following

classification society rules with higher safety factors, the structural optimization showed in

this work allowed to reduce the steel weight between 4.51 and 18.24 %. Dual level

optimization algorithms with weight and cost as objective functions were employed. A full

ship model for loads definition of and boundary conditions, and a single module model of the

ship, both of them developed in the MAESTRO software, were used in the optimization

process. Strength, operational and shipyard’s construction standards constraints were

considered in the optimization problem.

Palabras claves: Patrullera de Apoyo fluvial (PAF), Patrullera de Apoyo Fluvial Liviana

(PAFL), Armada de Colombia (ARC), optimización estructural, función objetivo.

1. Introducción

Actualmente en COTECMAR, la continua demanda de embarcaciones militares con mayores

niveles de desempeño obliga a la creación de grupos de investigación para la exploración de

nuevas alternativas de solución y en otros casos para la variación de los productos actuales.

Esto puede notarse en las recientes exigencias de ARC respecto a las capacidades de

navegación de las patrulleras en ríos de calados cada vez menores, al comparar

requerimientos de diseño para las patrulleras de hace unos años (PAF) con los actuales

(PAFL), Figura 1.

Page 3: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Figura 1. Características principales de los buques PAF [2] y PAFL [3].

Por otra parte, dichos requerimientos están sujetos a diversas restricciones como lo son el

acceso a canales de navegación, carga útil y hasta las mismas capacidades combativas, lo que

conduce a tener cada vez menos grados de libertad en la modificación de las formas del casco

y mantener patrones de formas similares a las embarcaciones antecesoras. Sin embargo a

pesar de la poca libertad para modificar las formas en las nuevas patrulleras (PAFL), durante

las primeras vueltas a la espiral de diseño, estas fueron modificadas ligeramente. En seguida

la optimización estructural se hizo necesaria para cumplir los requerimientos de carga útil y

dotación, partiendo de los escantillones dimensionados por reglas clasificadoras, ya que una

PAFL dimensionada por la misma regla usada en generaciones anteriores (PAF) resultaba en

un peso de la estructura de 76.86 ton lo cual alejaba el cumplimiento de los requerimientos.

Sabiendo entonces que la motivación principal para la optimización estructural nació de las

exigencias de los requerimientos de esta nueva generación de patrulleras, se empezó con el

análisis de dos niveles de optimización: el nivel de modulo o bloque, para el cual las variables

de diseño son las áreas seccionales del conjunto formado por todas las tracas y sus

escantillones en la viga buque, y el nivel de traca compuesto por los escantillones de la lámina

misma, sus cuadernas y vagras interiores, y sus refuerzos longitudinales. Cada ciclo de

optimización en cada nivel comprendió la evaluación de todos los componentes dentro del

módulo y las consecuentes soluciones al problema de optimización cuyo máximo número de

ciclos se estimó mediante un análisis de convergencia. En cada iteración se evaluaron

Page 4: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

esfuerzos resultantes de la interacción fluido estructura para distintos modos de falla como los

mostrados en la Tabla 1 y los factores de idoneidad para cada condición de carga [4].

Tabla 1. Modos de falla evaluados en la optimización estructural.

PCSF Colapso del panel por flexión en el refuerzo

PCCB Colapso del panel por pandeo combinado

PCMY Colapso del panel por fluencia de la lámina

PCSB Colapso del panel con pandeo por flexión/torsión del refuerzo

PYTF Fluencia del panel por tensión en el ala

PYTP Fluencia del panel por tensión en la lámina

PYCF Fluencia del panel por compresión en el ala

PYCP Fluencia del panel por compresión en la lámina

PSPBT Funcionalidad del panel por flexión de lámina (transversal)

PSPBL Funcionalidad del panel por flexión de lámina (longitudinal)

PFLB Falla del panel por pandeo local

GCT Colapso de eslora longitudinal por pandeo local

GCCF Colapso de eslora longitudinal por compresión en el ala

GCCP Colapso de eslora longitudinal por compresión en la lámina

GYCF Fluencia de eslora longitudinal por compresión en el ala

GYCP Fluencia de eslora longitudinal por compresión en la lámina

GYTF Fluencia de eslora longitudinal por tensión en el ala

GYTP Fluencia de eslora longitudinal por tensión en la lámina

FCPH Colapso de cuaderna, falla plástica local

FYCF Fluencia en cuaderna, compresión en el ala

FYTF Fluencia en cuaderna, tensión en el ala

FYCP Fluencia en cuaderna, compresión en la lámina

FYTP Fluencia en cuaderna, tensión en la lámina

Para esto, la optimización se realizó evaluando una función de mérito que contempla peso de

la estructura y costo de la misma o cualquier combinación de estas dos variables. Una función

de este tipo apunta parcialmente a máxima rentabilidad, mínimo costo de inversión y máximo

ingreso operativo; tomando el primero para este trabajo sería una combinación de costos de

materiales y mano de obra (volumen y longitud combinada de piezas a fabricar). El algoritmo

empleado aquí usa factores de costo tales como

costo por unidad de volumen de paneles reforzados,

costo por unidad de longitud de refuerzos en paneles,

costo por unidad de volumen para cuadernas y vagras y

costo por unidad de longitud de de cuadernas y vagras;

Page 5: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Y que para efectos ilustrativos se asumirán como USD 30,528/m3 y USD 236,00/m para

costos por volumen y costos por unidad de longitud respectivamente, teniendo en cuenta que

lo importante es la relación entre estos dos factores.

2. Modelo estructural

Para realizar la optimización estructural del buque patrullero fluvial, se implementó un

modelo de la embarcación completa en MAESTRO1 con los escantillones obtenidos de las

normas ABS para embarcaciones fluviales [6] y con la permutación de piezas estructurales

con aceros balísticos para alcanzar un peso inicial menor al dimensionado totalmente con

ABS [1]. El objetivo de este modelo fue obtener valores precisos de momento flector y fuerza

cortante como condiciones de frontera para cada módulo de la estructura. Sobre el modelo

del buque completo, Figura 2, se aplicaron cuatro condiciones de carga: el peso en rosca de la

embarcación y tres condiciones de operación con diferentes niveles de consumibles.

Teniendo en cuenta que se trató de una embarcación para operación fluvial, en todas las

condiciones de carga se consideró un estado de aguas tranquilas. La composición del peso en

rosca del buque usando grupos constructivos SWBS [7] se muestra en la

Tabla 2 y los cuatro casos de carga analizados se resumen en la

Tabla 3.

Figura 2. Modelo estructural de la PAFL: (a) en aguas tranquilas y (b) estructura interna del buque.

1 Method for Analysis, Evaluation and Structural Optimization. Optimum Structural Design, Inc.

Page 6: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Tabla 2. Componentes del peso en rosca.

SWBS Descripción % Peso (ton)

100 Estructura de casco y superestructura 63.2 65.8

200 Planta propulsora 7.4 7.7

300 Planta eléctrica 5.1 5.3

400 Comunicación 0.5 0.5

500 Servicios auxiliares 7.1 7.4

600 Equipo y habitabilidad 10.6 11.0

700 Armamento 6.1 6.4

TOTAL 100 104.1

Tabla 3. Resumen de las condiciones de carga incluidas en el análisis.

No. CondiciónPeso rosca

(ton)

Peso Muerto

(ton)

TOTAL

(ton)

1 Buque en rosca 104.1 0.0 104.1

2 Mínima operativa 104.1 13.0 117.1

3 Óptima 104.1 19.5 123.6

4 Máxima carga 104.1 26.9 131

Con la aplicación de estas cargas a lo largo del buque se realizó el balanceo del mismo en

aguas tranquilas para obtener la distribución de fuerza cortante y momento flector para cada

una de ellas, la Figura 3 muestra a modo de ejemplo los resultados para la condición de

carga 4.

Una vez calculadas las respuestas de las cargas aplicadas en el modelo completo del buque, se

procedió a realizar la optimización de los escantillones por módulos. En este trabajo se

muestra el proceso para un módulo de la sección media del buque ubicado entre dos

mamparos con cinco cuadernas intermedias, que se muestra en la Figura 4. Las condiciones

de frontera para dicho módulo, consistentes en fuerzas cortantes y momentos flectores en los

extremos del segmento, fueron obtenidas del anterior análisis de respuesta del buque completo

para cada una de las condiciones de carga.

Page 7: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Figura 3. Resumen de distribución de cargas y respuestas en la viga buque para la condición de carga

máxima.

Figura 4. Módulo del cuerpo medio del buque.

Page 8: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

3. Problema de optimización

Como se comentó al inicio, la estructura óptima del buque deberá tener mínimo peso y

mínimo costo dentro de las restricciones establecidas. Esta condición puede plantearse como

un problema global de optimización multi-objetivo, que se expresa como:

(1)

donde )(xW

y )(xC

son respectivamente el peso y costo de la estructura en función del

vector de variables de diseño x

; es un coeficiente de ponderación que determina la

importancia relativa entre las funciones de peso y costo; 0W y 0C son valores de peso y costo

de referencia para la estructura que se analiza (en este caso se utilizan el peso y costo del

módulo diseñado utilizando ecuaciones de casa clasificadora como valores de referencia).

La evaluación de la función de costo se realizó en MAESTRO que utiliza una expresión

basada en el escantillonado dada por

(2)

donde spC , gC y fC son los costos del panel reforzado, eslora longitudinal y cuadernas

respectivamente [5]. En la definición de estas funciones se incluyeron los coeficientes que

corresponden a los costos volumétricos y lineales de paneles reforzados y vigas armadas

citados anteriormente. Estos coeficientes dependen del astillero constructor y se calcularon

para COTECMAR con base en la información de fabricación de las Patrulleras de Apoyo

Fluvial (PAF).

El vector de variables de diseño para el problema de optimización se compone de las variables

que definen el arreglo estructural del módulo que incluye los espesores de lámina en el forro,

las cubiertas y mamparos; las dimensiones y espesores de las vigas (cuadernas, eslora y

refuerzos longitudinales) y la distancia entre refuerzos en las diferentes zonas del arreglo. En

la Figura 5 se muestra un ejemplo de las variables de diseño asociadas a la eslora longitudinal

y el espaciamiento entre refuerzos longitudinales utilizando las abreviaturas empleadas en

MAESTRO.

Page 9: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Figura 5. Ejemplo de variables de diseño utilizadas en la optimización.

Para completar la definición del problema de optimización se identificaron las restricciones

que se deben satisfacer en el diseño. Las restricciones al problema de optimización pueden

clasificarse en dos grupos: aquellas relacionadas con la resistencia estructural y por otra parte

las relacionadas a requerimientos de fabricación y operación del buque.

Restricciones de resistencia

En el proceso de optimización del módulo estructural en MAESTRO, se aplican

automáticamente las restricciones de esfuerzo asociadas a los estados límites que maneja el

programa. Estas restricciones son de la forma:

(3)

donde cQ̂ es el valor extremo característico de las cargas o efectos de cargas asociadas a un

estado límite, LQ es el valor límite para que ocurra el estado límite y 0 es un factor parcial

de seguridad para dicha carga y un modo especifico de falla. Los factores de seguridad

empleados en este trabajo fueron de 1.5 para falla de funcionalidad y 1.8 contra falla por

colapso para todos los estados límite.

MAESTRO utiliza los denominados parámetros de idoneidad (adequacy parameters) para

normalizar las expresiones de todos los estados límites. La expresión del factor de idoneidad

para un modo de falla está dada por

(4)

Page 10: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

De esta manera los factores de idoneidad toman valores entre -1 y 1. Valores menores que

cero son considerados inadecuados y tienen mayores posibilidades de falla a medida que se

acercan a -1; cuando el parámetro es cero significa que la estructura tiene exactamente el

factor de seguridad dado por γO para un modo de falla en particular. Usando estos factores,

las restricciones de resistencia para el problema de optimización son de la forma

(5)

Restricciones de fabricación y operación

En este conjunto se incluyeron las restricciones al diseño asociadas a los procesos de

fabricación y requerimientos de operación especificados por el cliente. En cuanto a

fabricación se aplicaron límites inferiores y superiores para las variables de diseño, originados

en las capacidades de soldadura para espesores pequeños, disponibilidad de perfiles

estructurales en el mercado y factores humanos en el diseño del buque. También se

incluyeron recomendaciones de diseño estructural tomadas de normas de casas clasificadoras,

por ejemplo relaciones entre la altura del alma de las cuadernas y la altura de los refuerzos

pasantes a través de la misma.

En cuanto a restricciones por operatividad, se consideraron límites obtenidos de la experiencia

del cliente y del perfil operacional definido para el buque como espesores mínimos para la

traca de quilla teniendo en cuenta la eventualidad de impactos o encallamientos. Igualmente

en zonas específicas de la PAFL se requiere protección balística por lo que el espesor mínimo

está restringido por requerimientos de resistencia a la penetración de proyectiles, para este

caso 4,75mm. A pesar de la amplia gama de factores que abarcan estas restricciones, su

planteamiento como parte del problema de optimización fue sencillo teniendo en cuenta que

todas pueden expresarse como desigualdades lineales. Así, este conjunto de restricciones

pudo definirse de la forma

(6)

donde A~~

es una matriz con coeficientes y b

es un vector de constantes en donde cada fila

correspondió a una restricción lineal de desigualdad. Teniendo en cuenta que el principal

requerimiento del cliente fue minimizar el calado de la PAFL, se le dio mayor importancia al

Page 11: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

peso en la función objetivo mediante un coeficiente de ponderación de 0,7. Por lo tanto el

problema de optimización que se resolvió estuvo dado por:

(7)

4. Resultados

El comportamiento de las respuestas evaluadas, es decir peso, costo y función objetivo, para

cada ciclo de optimización se muestra en la Figura 6. Los resultados arrojados debieron ser

ajustados para que los espesores encontrados coincidan con valores empleados en

COTECMAR. El algoritmo también optimiza por separado cada traca de paneles modelada

en caso de entregar propiedades diferentes que resulten en una fabricación poco viable. Por lo

tanto un paso adicional en el proceso fue homogenizar los resultados obtenidos teniendo en

cuenta el proceso de fabricación. Las pruebas realizadas durante el desarrollo de este trabajo

mostraron que para el módulo presentado se obtendría convergencia entre seis y ocho ciclos

de optimización.

En este trabajo se optó por realizar esta homogenización teniendo en cuenta la estrategia

constructiva definida para el módulo, por lo que el escantillonado se asumió constante para

cada traca del mismo, el cual se muestra en la Figura 7. Igualmente se verificó que el

espaciamiento entre refuerzos longitudinales en las diferentes zonas del módulo permitiera

mantener la continuidad estructural del arreglo.

En la Tabla 4 se muestra la comparación de las propiedades iniciales y las resultantes para

cada traca. Estos resultados fueron introducidos en el modelo con el fin de verificar el

comportamiento del módulo frente a los diferentes modos de falla. En la Figura 8 se muestran

los mínimos valores de idoneidad para cada elemento en donde se encontraron valores

inferiores pero suficientemente cercanos a cero para ser considerados marginales.

Page 12: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Figura 6. Ciclos de optimización versus: a) peso, b) costo y c) función objetivo.

Figura 7. División por tracas del módulo.

En la Figura 9 se muestra un diagrama de frecuencias de los valores de todos los factores de

idoneidad en donde el mínimo fue de -0.008 para falla por colapso de columna en una de las

Page 13: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

cuadernas de la traca C. La reducción de peso estructural del módulo con el proceso de

optimización fue del 9.695 %

Para evaluar el impacto del proceso de optimización en el desempeño del buque se

extendieron los resultados obtenidos a los demás módulos y se evaluó la respuesta de la

estructura completa, teniendo en cuenta que el modulo seleccionado fue el que tuvo las

condiciones de carga más críticas, Los módulos correspondientes a las zonas de proa y popa

del casco, así como la superestructura debieron ser sometidos a ciclos de optimización

adicionales debido a que tienen características de construcción y condiciones de carga

diferentes. La evaluación estructural incluyó la verificación de la condición de varada y

eventual encallamiento por proa o popa para el nuevo arreglo estructural.

El peso de la estructura del buque era de 65.81 ton con las permutaciones en zonas protegidas

balísticamente y luego de introducir los escantillones optimizados en el todo el modelo resulto

en un peso de 62.84 ton, lo cual representó una reducción del 4.51 % con relación a las

65,8 ton y 18,24 % con relación a las 76,86 ton de peso inicial, en otros términos el trabajo

completo equivalió a una reducción de calado de 7 cm.

Tabla 4. Comparación de los escantillones iniciales con el último ciclo de optimización.

Altura alma

(mm)

Espesor alma

(mm)

Altura ala

(mm)

Espesor ala

(mm)

Altura alma

(mm)

Espesor alma

(mm)

Altura ala

(mm)

Espesor ala

(mm)

inicial 6.35 500 270 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 6.35 500 120 6.35 50 6.35 75 6.35 0 0

inicial 6.35 500 175 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 120 6.35 50 6.35 50 4.75 0 0

inicial 6.35 500 175 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 60 4.75 25 4.75 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 200 6.35 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 155 4.75 100 4.75 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 200 6.35 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 155 4.75 100 4.75 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 200 6.35 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 127 4.75 70 4.75 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 200 6.35 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 127 4.75 70 4.75 75 6.35 0 0

inicial 4.75 500 160 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 120 6.35 50 6.35 75 6.35 0 0

inicial 4.75 500 160 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 120 6.35 50 6.35 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 500 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 500 120 6.35 50 6.35 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 160 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 0 120 6.35 50 6.35 50 4.75 0 0

inicial 4.75 500 160 4.75 75 6.35 75 6.35 0 0

final 4.75 0 120 6.35 50 6.35 50 50 0 0

J

L

TRACA CICLO

F

G

H

I

B

C

D

E

Cuadernas Refuerzos longitudinales

K

A

Espesor

panel

(mm)

Espaciamiento

entre refuerzos

(mm)

Page 14: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

Figura 8. Mínimo valor de idoneidad para cada elemento estructural (a) antes y (b) después de la

optimización.

0

20

40

60

80

100

120

140

-1

-0.85

-0.65

-0.45

-0.25

-0.05

0.01

0.15

0.35

0.55

0.75

0.95

Valor de los factores de idoneidad

me

ro d

e o

cu

rre

nc

ias

Figura 9. Histograma para los factores de idoneidad.

5. Conclusiones

La optimización estructural implementada en la patrullera de apoyo fluvial liviana resulto de

manera global en 18,24 % de reducción de peso de la estructura incluyendo el remplazo de

elementos de acero naval por acero balístico. Este remplazo fue previo a implementar el

algoritmo de optimización y fue soportado con pruebas de absorción de impacto y análisis

dinámico de este material en el casco debido a su baja ductilidad comparado con el acero

naval, lo cual sirvió para establecer una restricción mecánica para las zonas permutadas

relacionada con el espesor de dichas piezas, 4,75 mm. Un 4,51 % de reducción adicional de

peso fue logrado después de este cambio y al iterar los escantillones hasta llevarlos al margen

de las fronteras y restricciones definidas dejando un margen en los factores de suficiencia de

la estructura muy cercano a cero.

Page 15: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

6. Discusión de resultados

Los proyectos de embarcaciones militares siempre poseerán mayores restricciones por las

capacidades combativas y por la complejidad de la estructura, por lo que no siempre se

contempla una reducción de escantillones para lograr una mínima inversión y máximos

ingresos operativos, más bien por evitar restricciones de carácter operativo que son las

predominantes y decisivas como fue el caso PAFL con capacidad de navegación en ríos de

bajo calado; a diferencia de proyectos mercantes en donde las funciones de merito son

estrictamente de rentabilidad y en donde la optimización estructural es más evidente con la

considerable reducción de costos operativos o el aumento de carga útil por la reducción de

pesos. Sin embargo e indistintamente del tipo de proyecto, el algoritmo dual de optimización

empleado permite al tiempo redimensionar los escantillones y estimar las cargas externas

mediante balanceo en cada ciclo de iteración y la continua actualización de las restricciones

de resistencia.

7. Referencias

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fluvial liviana - PAFL. Informe técnico, COTECMAR, 2008.

[2] Dirección de investigación desarrollo e innovación. Anexo técnico buque nodriza

fluvial VII. Informe técnico, COTECMAR, 2007.

[3] Dirección de investigación desarrollo e innovación. Anexo técnico patrullera de apoyo

fluvial liviana. Informe técnico, COTECMAR, 2009.

[4] Owen Hughes. Ship Structural Design A Rationally-Based, Computer-Aided

Optimization Approach. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 1988.

[5] Optimum Structural Design Inc. MAESTRO Manual, 2009.

[6] American Bureau Of Shipping. Rules for building and classing. Steel vessels for

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[7] Nato Naval Group 6. Specialist team on small ship design. Nato/pfp working paper on

small ship design, 2004.

Page 16: Optimización estructural de patrulleras de apoyo fluvial

[8] M. Xiea, J.C. Chapmanb, R.E. Hobbs. A rational design model for transverse web

stiffeners, Journal of constructional Steel Research, ELSEVIER 2008

[9] Jeom Kee Paik_, Bong Ju Kim, Jung Kwan Seo. Methods for ultimate limit state

assessment of ships and ship-shaped offshore structures: Part II stiffened panels, Journal of

constructional Steel Research, ELSEVIER 2008