Sumitomo Heavy Industries Marine & Engineering Co., Ltd. fabrica buques tanque de tamaño medio. Desde su fundación en 1897, ha construido más de 1,300 barcos, incluidos los de capacitación a gran escala Nippon Maru y Kaiou Maru. La empresa implementó Femap como una herramienta de análisis para sus ingenieros para acelerar el diseño y bajar costos
El equipo de diseño estructural del departamento de diseño de la división de construcción dirige un amplio rango de operaciones, desde la creación y emisión de los planos del barco, junto con los documentos aprobados para los dueños y de las sociedades de clasificación, la incorporación de retro alimentación, creación de los planes de producción, cálculos del rendimiento de naves, preparación de datos de control numérico, medición de vibraciones durante las pruebas en altamar. El departamento usa el programa Femap de Siemens como pre y post proceso para ejecutar los cálculos y análisis de esfuerzos y vibración de la estructura del barco.
La empresa implemento Femap hace nueve años para reemplazar su software anterior de análisis CAE basado en UNIX ™. Actualmente, la compañía tiene cuatro licencias Femap para pre y post procesamiento y una licencia NX Nastran como solver.
Hoy en día el staff ejecuta el diseño y el análisis gracias a sus múltiples habilidades. Además, amplio el uso de Femap como una actividad de tiempo completo.
"El software que usábamos antes era difícil de operar y solo podía ser utilizado por personal altamente calificado", comenta Yuji Hirose, ingeniero del grupo de diseño de estructuras. El costo de soportar la aplicación fue alto y el mantenimiento fue difícil. Buscamos una herramienta que los diseñadores también pudieran usar, e implementamos Femap”. Hirose identificó alta la relación de rendimiento contra costo, el hecho de que fuera una herramienta que los diseñadores pueden usar fue la razón principal para implementarlo. El grupo utiliza NX ™ Nastran® como el solver ", comenta Hirose.
La experimentación y pruebas con prototipos físicos no es posible cuando diseñas un barco. Femap fue usado para sustituir esta experimentación haciendo análisis y simulación de las estructuras del barco. Además, estas debían de ajustarse antes de generar los planos y dibujos de detalle, porque cualquier cambio posterior seria de gran impacto en costos. Por esta razón, los resultados de la simulación eran usados para confirmar el diseño estructural. La forma de las trabes también fue basada en los estudios de simulación de Femap, además de poder planear sus refuerzos para luego instalar los equipos bajo cubierta.
Los cálculos estructurales de esfuerzos cumplen con la regla de la sociedad de clasificación, se usó la experiencia interna del equipo.
La certificación y aprobación de sellos se deben obtener de la sociedad de clasificación para que un barco pueda operar. Hay muchas clasificaciones en el mundo, y el lugar de la certificación se decide por el dueño del barco. Sin embargo, la mayoría de las certificaciones usan un estándar para los cálculos de esfuerzo y la evaluación de la estructura de naves de carga y de tanque. Los resultados del análisis de las regulaciones s comunes se compilan en un reporte que se envía a la sociedad de clasificaciones.
“Los métodos para mallado y crear los modelos están estipulados por las reglas de la clasificación,” comenta Hirose. “Antes con las hojas de calculo era suficiente, hoy se requiere los cálculos basados en los modelos CAD. Por esta razón el trabajo que requiere calculo por elementos finitos se ha incrementado. La creación de documentación para envió a la sociedad de clasificación se ha vuelto algo importante en el trabajo. Con Femap, podemos hacer el trabajo en la computadora personal de manera que es fácil copiar los modelos y los resultados del análisis en los reportes, es una gran ayuda.”
La consideración de detalle también se requiere para determinar el tamaño y arreglo de los miembros estructurales del barco. El método de elementos finitos FEM se aplica a muchas situaciones como el análisis de vibración y los esfuerzos locales basados en los estándares de la empresa. "Debido a que las pruebas físicas no son posibles, algunos aspectos se basan en la ingeniería experiencial" Comenta Hiroshi Negayama gerente del grupo de diseño estructural en Sumitomo Heavy Industries Marine & Engineering. “Basados en la retro alimentación de las pasadas experiencias, repetidamente revisamos nuestros estándares internos.” El conocimiento acumulado lo aplicamos en análisis usando Femap.
El departamento de diseño estructural ahora participa con mayor frecuencia en las etapas de planeación que preceden a la etapa de diseño, para determinar las especificaciones del barco en desarrollo. Típicamente, el desarrollo comienza con base en el diseño probado de un barco de generación anterior, y luego se llevan a cabo estudios de factibilidad para ver si se cambia el diseño para hacer que el barco sea más ligero y práctico. "Los ingenieros de diseño y análisis también participan en la discusión de especificaciones y de la estructura del próximo barco que se está desarrollando", menciona Negayama. “Los cálculos de análisis se realizan en una etapa temprana mientras se discuten ideas del nuevo barco, para verificar que no haya problemas de esfuerzos o vibración. Por esta razón, necesitamos ingenieros que tengan capacitación cruzada tanto en análisis como en planos”.
Los cálculos y análisis usando Femap y NX Nastran no solo se usan para los cálculos del barco, también se usan para los cálculos durante su construcción. Generalmente las grandes embarcaciones se fabrican por separado en varios bloques que luego se unen en métodos de ensamble para crear la forma final. Durante el ensamble, los bloques pesan cerca de 500 toneladas y cuelgan de una grúa para su instalación, los refuerzos apropiados se examinan basados en los cálculos de esfuerzos para asegurar que no ocurran problemas mientras se mueven lo bloques.
Acelera el análisis y baja costos con Femap
Cada diseñador en la empresa ejecuta los cálculos al mandar los datos de una PC con Femap al server de NX Nastran.
Los modelos de análisis estáticos usados por la compañía contienen alrededor de 50,000 nodos y 12,000 elementos, mientras que el modelo de análisis de vibración del barco tiene10,000 nodos y 25,000 elementos. Femap también se usa en el modelado con gran eficiencia. Cuando modelas usas elementos viga frecuentemente, al definir la sección transversal se calcula la rigidez en automático, lo que es muy útil.
A veces, parte del modelo de malla debe representarse en detalle en respuesta a la solicitud de las sociedades de clasificación. Por ejemplo, todo el modelo puede usar una malla gruesa, mientras que las partes de conexión soldadas a su alrededor se analizan con una malla fina. En tal situacion, la empresa sustituye otro modelo creado por separado con una malla fina para el área objetivo.
Antes de implementar Femap, Sumitomo Heavy Industries Marine & Engineering realizó muchas tareas con cálculos manuales utilizando hojas de cálculo y otras herramientas para examinar valores numéricos. Ahora los resultados del cálculo se pueden confirmar visualmente usando Femap.
El trabajo de análisis aumenta para satisfacer las necesidades del cliente
El ambiente en los astilleros está cambiando con los tiempos. Hoy existe alta demanda para abordar las mejoras en la seguridad y la eficiencia en el consumo de combustible, las regulaciones de emisiones de gases y los problemas ambientales, así como la claridad en el diseño. Se necesitan nuevos tipos de diseños para hacer frente a estas demandas, y el trabajo de análisis con Femap está aumentando.
Las reglas de clasificación han cambiado, y las nuevas regulaciones se están aplicando a barcos contratados a partir de julio de 2015. “Según las nuevas regulaciones, el objetivo del análisis del barco ha cambiado de solo las bodegas de la parte media del casco a todas las bodegas, incluyendo las bodegas de proa y popa”, explica Hirose. "Esto cuadruplicará la cantidad de trabajo".
Fuente: Siemens, caso de estudio Sumitomo Marine
