UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA Estudio del barco viga de un buque mediante diversos métodos numéricos. Aplicación a un Ro-Ro. GRADO EN ARQUITECTURA NAVAL E INGENIERÍA DE SISTEMAS MARINOS Autor: Clara Salmerón Bermúdez Directora del trabajo: Sonia Busquier Sáez Codirector del trabajo: Juan Ruiz Álvarez AGRADECIMIENTOS Primero de todo, me gustaría agradecer a mis tutores de TFG, por la ayuda prestada para poder llevar a cabo este proyecto. He aprendido mucho, y admiro la pasión y la entrega que realizáis día a día por vuestro trabajo y por vuestros alumnos. A Marta, Yesenia, Borja, Victoria, Germán, Samuel y Nico, por haberme acompañado y apoyado desde el principio y durante todos estos años para seguir adelante. Sé que este no será el fin de nuestras historias. Y a las nuevas amistades, por permitirme entrar en vuestras vidas y descubrir nuevos mundos. Por último, a mi familia, por el apoyo incondicional sin el que no hubiese podido realizar estos estudios. 2 OBJETIVOS Este trabajo se plantea con el objetivo de simplificar y generalizar el cálculo del Barco Viga estudiado. La idea surge a partir de la motivación por aprender a emplear el lenguaje de MATLAB en mayor profundidad y ser capaz de diseñar una interfaz gráfica útil y simple de uso para el usuario, de forma que se puedan analizar los resultados obtenidos. En el cálculo del Barco Viga, se emplean frecuentemente integrales definidas de funciones que pueden llegar a ser complejas, es por esto por lo que se emplean métodos de cuadratura que nos ayudan a obtener soluciones próximas a la real. Para buques de gran eslora y formas complejas, esto puede llegar a ser costoso desde el punto de vista computacional. Es por esto por lo que se pretende simplificar estos cálculos mediante la interfaz propuesta. Otro objetivo propuesto es la capacidad de aplicar esta programación al buque seleccionado para el proyecto y obtener los resultados después de realizar un alargamiento del buque. Este alargamiento se plantea con el objetivo de aumentar la capacidad de carga, y la posibilidad de aplicar un método estadístico de cálculo de potencia que nos permite determinar si el motor instalado es adecuado, también realizaremos el estudio del buque viga para esta situación del buque ya alargado. El método estadístico empleado para el cálculo de la resistencia al avance del buque también tendrá una interfaz gráfica propia, ya que resulta interesante ver de forma gráfica los resultados obtenidos, de esta forma se permite simplificar los cálculos como se ha comentado anteriormente. 4 Índice 1 Motivación ................................................................................................................. 11 2 Introducción ............................................................................................................... 12 2.1 Historia del arte ................................................................................................ 14 3 Nociones Previas ........................................................................................................ 20 3.1 Dimensiones principales del buque ................................................................. 21 3.2 Otras definiciones de características del buque ............................................... 24 3.3 Características hidrostáticas del buque ............................................................ 25 3.4 Definiciones sobre resistencia de materiales ................................................... 27 3.5 Características de las olas ................................................................................ 28 3.6 Componentes de la resistencia al avance ......................................................... 30 4 Introducción a MATLAB .......................................................................................... 31 5 Estudio del barco-viga ............................................................................................... 34 5.1 Curva de pesos ................................................................................................. 36 5.2 Curva de empujes ............................................................................................. 37 5.3 Curva de cargas ................................................................................................ 37 6 Resistencia al avance ................................................................................................. 38 6.1 Resistencia viscosa, RV ................................................................................... 39 6.2 Resistencia de los apéndices, RAP .................................................................... 39 6.3 Resistencia por formación de olas, RW ............................................................ 40 6.4 Resistencia de presión producida por el bulbo, RB .......................................... 41 6.5 Resistencia adicional debida a la inmersión del espejo, RTR ........................... 42 6.6 Resistencia debida a la correlación modelo-buque, RA ................................... 42 7 Fundamentos Matemáticos ........................................................................................ 43 7.1 Regla del trapecio ............................................................................................ 44 7.2 Regla de Simpson ............................................................................................ 45 7.3 Fórmulas de Newton-Cotes.............................................................................. 47 8 Funcionalidad y Caso práctico ................................................................................... 51 8.1 Método de Holtrop y selección del motor ....................................................... 53 8.2 Alargamiento del buque ................................................................................... 62 8.3 Cálculo del barco viga ..................................................................................... 64 8.3.1 Aplicación a un ejemplo como base del programa ................................... 66 8.3.2 Aplicación al buque de estudio ................................................................. 70 8.3.3 Condición de equilibrio para aguas tranquilas ......................................... 72 8.3.4 Condición de equilibrio en arrufo ............................................................. 75 8.3.5 Condición de equilibrio en quebranto ...................................................... 78 6 9 Conclusiones .............................................................................................................. 82 10 Bibliografía ................................................................................................................ 84 11 Anexo I ...................................................................................................................... 95 11.1 Programa para la Interfaz de Inicio .............................................................. 95 11.2 Programa para la Interfaz del Método de Holtrop ........................................ 97 11.3 Programa para la Interfaz del Buque – Viga .............................................. 141 11.4 Programa para la obtención de la curva de Cargas .................................... 170 11.5 Programa para la obtención de la curva de Empuje ................................... 172 11.6 Programa para la obtención de la curva de Fuerzas Cortantes mediante el Método de los Trapecios............................................................................................... 176 11.7 Programa para la obtención de la curva de Momentos Flectores mediante el Método de los Trapecios............................................................................................... 178 11.8 Programa para la obtención de la curva de Fuerzas Cortantes mediante el Método de Simpson ...................................................................................................... 180 11.9 Programa para la obtención de la curva de Momentos Flectores mediante el Método de Simpson ...................................................................................................... 186 12 Anexo II ................................................................................................................... 189 13 Anexo III .................................................................................................................. 192 7 Índice de Figuras Figura 1.1 – Buque Ro-Ro Amadeo Matacena. ............................................................. 11 Figura 2.1 - Rampa de popa del buque Tai Ma de Tønsberg. ........................................ 12 Figura 2.2 - Rampa de proa del ferry Nils Holgersson. .................................................. 13 Figura 2.3 - Representación gráfica de las situaciones del buque sobre la ola. .............. 14 Figura 2.4 - Buque Forfashire. ....................................................................................... 14 Figura 2.5 - Robert Fulton. ............................................................................................. 15 Figura 2.6 - Nautilus, el primer submarino de Fulton. ................................................... 16 Figura 2.7 - El buque Clermont. ..................................................................................... 17 Figura 2.8 - Thomas Simpson. ....................................................................................... 17 Figura 2.9 - Thomas Bouch. ........................................................................................... 18 Figura