5. Modelado en CATIA

Capítulo 5
Modelado en CATIA
Una vez que conocemos el proceso de diseño y fabricación de un barco de acero
remachado de principios de siglo XX, en este apartado, vamos a explicar los pasos
seguidos para la creación del modelo por ordenador. Para ello, utilizaremos el
programa CATIA, cuyo uso se ha extendido dentro de la industria aeroespacial.
CATIA (computer-aided three dimensional interactive application) es un paquete informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por ordenador. El
programa está concebido para desarrollar el producto desde el diseño hasta la
producción y así como su análisis. Es probablemente esta característica la que
hace que se diferencie de otros programas de CAD (Diseño Asistido por Ordenador), ya que, al englobar todos los pasos del desarrollo del producto, nos permite
optimizar los procesos y mejorar la interacción entre departamentos, reduciendo
los tiempos y costes en el proceso de concepción del producto.
Aunque nació como una herramienta para la industria aeronáutica, actualmente
su uso se ha extendido otras industrias como automovilística, para el diseño de
componentes de la carrocería, o a la construcción de edicios con supercies de
gran complejidad, siendo el
Museo Guggenheim
de Bilbao un buen ejemplo.
Precisamente esta capacidad de generar supercies complejas hace que CATIA
resulte atractivo para este proyecto, ya que nos permitirá generar la supercie
64
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
65
de casco. Además, podremos recrear el sistema constructivo de la época, ya en
desuso.
En este punto, hay que decir que dada la cantidad de componentes que conforman
un barco y la compleja geometría del mismo, hace que prácticamente no haya
dos piezas iguales. Por otro lado, al estar compuesto nuestro navío por uniones
remachadas hace que las uniones de las planchas sean solapadas. Esto implica a
efectos prácticos que las planchas y refuerzos sean aún más complejos en forma,
pues tienen que amoldarse a estas planchas. Por estas razones hemos decidido
realizar sólo parte del modelo, esperando que se concluya en el futuro proyecto de
algún compañero. Tratando de seguir el orden de construcción real realizaremos:
quilla, mamparos, codaste y timón.
Por último, hemos tomado la decisión de no representar los remaches pues, aunque en la realidad hagan efectiva la unión, esto complicaría enormemente el
modelo y no aportan información adicional.
5.1. Introducción a CATIA v5
En CATIA v5 existen multitud de módulos de trabajo, cada uno enfocado a
los distintos pasos del desarrollo de un producto como son el diseño, su análisis
estructural o la fabricación. En nuestro caso no vamos a crear un producto desde
cero, sino que interpretaremos los planos de uno ya existente para crear un modelo
virtual del cual poder extraer información sobre cómo se diseñaba y fabricaba
en la época. Por eso es también es interesante trabajar con CATIA, para ver en
qué puntos podía mejorarse el diseño.
Trabajaremos en uno u otro de los módulos en función de la tarea a realizar,
ya que en cada uno de ellos existen unos comandos especícos que nos resultarán útiles en las distintas situaciones. Nosotros, para la realización del modelo
usaremos principalmente los siguientes bloques:
Mechanical Design:
para la creación de las piezas sólidas y la creación
del conjunto. Donde usaremos los siguientes módulos:
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
66
Figura 5.1.1: Módulos de CATIA
ˆ
Part Design.
ˆ
Assembly Design.
Shape:
Donde crearemos las piezas individualmente.
Con el que montaremos las piezas del conjunto.
para la obtener las líneas de forma y las supercies de referencia.
Donde usaremos los siguientes módulos:
ˆ
Sketch Tracer. Con el que proyectaremos la imágenes de las líneas
de forma sobre un plano que luego nos servirá de apoyo.
ˆ
Generative Shape Design.
Lo usaremos para la generación de las
supercies de referencia.
5.2. Creación de las supercies de referencia
En primer lugar, es necesario crear una serie de supercies de referencia de las
cuales dependerá el resto del modelo. La geometría de la supercie del casco y,
por tanto de las cuadernas, vienen denidas por las líneas de forma. Sin embargo,
en estos planos no detallan la forma de las 52 cuadernas, sino que nos dan 21
secciones con las que se dene el casco. Es decir, es necesario en primer lugar
CAPÍTULO 5.
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MODELADO EN CATIA
Figura 5.2.1: Lineas de forma proyectadas sobre el plano
YZ
crear la supercie del casco mediante las 20 líneas de forma, para luego obtener
la forma de cada una de las 52 cuadernas por la intersección del plano en el que
está contenida con la supercie generada.
Aunque este proceder aparentemente se aleja del realizado en la realidad en la
Sala de Gálibos, en ambos se trata de la obtención de las caja de cuadernas a
partir de las líneas de forma. Podría considerarse un proceso de ingeniería inversa,
obtenemos la piel antes que las cuadernas cuando al construir se realiza al revés.
En nuestro caso decidimos utilizar el abanico de secciones normales a la dirección
longitudinal, pues nos ofrece más información al tener un muestreo mayor.
En primer lugar, necesitamos pasar la información de los planos de forma al
ordenador. En un primer momento optamos por medir las distancias en el plano
e importarlas a Catia mediante una macro, con este proceder obtuvimos curvas
que no era suaves y generaban abolladuras en el casco. Estas discrepancias de
los valores reales se debían a errores de truncamiento, pues la sensibilidad de
los instrumentos de medida de que disponíamos no era lo sucientemente alta.
Buscamos entonces una alternativa y decidimos que calcarlas directamente de
los planos lo que evitaría este tipo de error de redondeo. Después de investigar
CAPÍTULO 5.
encontramos una herramienta,
Sketch Tracer,
68
MODELADO EN CATIA
Create an immersive sketch
dentro del módulo
que nos permite proyectar una imagen a la escala que se desee.
1
Procedemos entonces a la proyección de las lineas de forma
en el plano
Después, creamos un total de 19 planos paralelos al plano
YZ,
YZ.
que distan 1,4
metros entre ellos, más otro a 0,7 metros del plano YZ que se corresponde con
la sección 0.5.
Figura 5.2.2: Planos de las secciones
Generative Shape Design, calcamos cada una de las secciones.
creamos un
Sketch en el plano correspondiente donde dibujamos
deseada. Creamos una curva con el comando
Spline que pasa por
Ahora en el módulo
Para ello,
la sección
varios puntos de la curva dada. Este comando usa polinomios interpolantes a
trozos de tercer grado para generar la curva, que da muy buen resultado para
curvas complejas. Aún así, hay tener cuidado de no seleccionar puntos demasiado
próximos pues podríamos obtener oscilaciones no deseadas.
1 Las
líneas están numeradas del 0 al 19 de popa a proa en función del plano de corte. Es
decir, comenzando por la popa, la línea n-ésima será el resultado de la intersección del casco
con un plano paralelo a YZ y que dista de él n veces la 1,4 metros.
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
Figura 5.2.3: Sección 8
Repetimos el proceso para todas las secciones.
Figura 5.2.4: Secciones
69
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
Con el comando
Multi-Sections Surface
, del módulo
70
Generative Shape Design,
creamos un barrido con secciones variables.
Figura 5.2.5: Barrido de las secciones
Para la proa y la popa, lo realizamos con más detalle usando las líneas de forma
de planta y perl. Repetimos el proceso de creación de planos, trazado de las
secciones y creación de la supercie.
Figura 5.2.6: Planos de las secciones
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
71
Finalmente, obtenemos la supercie total del casco.
Figura 5.2.7: Planos de las secciones
También necesitamos como supercies de referencia la tapa del doble fondo y los
suelos de las bodegas. Éstas las generamos a partir con el comando
section
Inter-
que obtiene la intersección del plano que contiene al suelo con el casco
previamente creado. Las altura de cada suelo se toma del plano de la Tapa del
Tanque.
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
Figura 5.2.8: Tapa del doble fondo y suelos.
Por último, también creamos una supercie para la cubierta.
Figura 5.2.9: Cubierta
72
CAPÍTULO 5.
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MODELADO EN CATIA
5.3. Pasos previos a las creación de las piezas
Antes de realización de las piezas que conforman el conjunto, necesitábamos dar
una serie de pasos necesarios para la correcta denición de las cuadernas. Para
la creación de las cuadernas había que estudiar las uniones de la piel exterior del
navío y amoldar la geometría según conviniera.
La información necesaria para esta tarea se encuentran en el plano de la Cuaderna
Maestra. Si los analizamos, nos damos cuenta de que las líneas de traca van unidas
por solape. Por el contrario, un análisis in situ de las mismas nos revela que dentro
de la misma hilera de planchas, se unen a tope. Era por tanto necesario generar
distintas supercies que denieran la geometría de cuadernas y mamparos.
Figura 5.3.1: Detalle de las uniones de las líneas de traca
En primer lugar, como las medidas de cada la de planchas no se encuentran
en ningún plano, medimos sobre el barco las líneas de traca en proa, cuaderna
maestra y popa. Efectivamente, el ancho de la línea de traca no es el mismo a
lo largo de la eslora del barco. Para generar estas planchas de anchura variable,
utilizamos cilindros cuyo radio se adapta a las medidas tomadas y cuya generatriz
depende de la plancha anterior.
Estos cilindros auxiliares se crean usando el comando
Swept
que permite crear
una supercie barriendo una curva a lo largo de una guía. En el caso del cilindro,
permite además asignar una ley para la variación variable. El cilindro generado
dene la línea de corte de la supercie , obteniendo la línea de traca. El corte se
CAPÍTULO 5.
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MODELADO EN CATIA
Popa [cm]
Central [cm]
Proa [cm]
Quilla plana
75
75
75
1ª línea de traca
75
105
75
70
100
70
80
110
80
55
105
105
40
100
100
2ª línea de traca
3ª línea de traca
4ª línea de traca
5ª línea de traca
Cuadro 5.1: Medidas de las distintas líneas de traca en tres puntos
ejecuta con el comando
otra supercie
Split
,
que divide una supercie en dos por medio de
.
Comenzamos por la quilla plana cuya generatriz viene dada por la intersección
del casco con el plano
XZ
y cuyo radio es constante e igual a
75cm.
Figura 5.3.2: Cilindro de corte
Después damos grosor a la pieza con el comando
Thick Surface
en este caso.
Figura 5.3.3: Quilla plana
hacia afuera
CAPÍTULO 5.
75
MODELADO EN CATIA
Repetimos la operación para la primera línea de traca. En esta ocasión, tenemos que denir la generatriz previamente. Ésta viene dada por otro cilindro de
radio 70 milímetros con el centro en el límite de la plancha anterior, y de las
dos intersecciones que genera el cilindro, elegimos la inferior de manera que se
superponga a la plancha precedente.
Seguidamente denimos geométricamente la ley de variación del radio. Tras lo
que realizamos el barrido.
Figura 5.3.4: Ley de variación del radio de la segunda linea de traca. 1000 mm
en el centro y 700mm en los extremos
Figura 5.3.5: Cilindro de corte segunda línea de traca
En esta ocasión el comando
el siguiente resultado
Thick Surface
se ejecuta hacia dentro. Obteniendo
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
Figura 5.3.6: Primera línea de traca
Esta operación la repetiremos hasta completar las cinco líneas necesarias.
Figura 5.3.7: Segunda línea de traca
Figura 5.3.8: Casco
76
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
77
5.4. Conjuntos
Una vez realizadas las operaciones necesarias explicadas anteriormente, procedemos a la ejecución de las estructura propiamente dicha.
Al no ser piezas integrales, cada una de las partes del barco es a su vez un
conjunto de piezas menores unidas entre sí para formar un conjunto, que posee
mejores propiedades estructurales que cada una de las piezas por separado. Estas
se unen a su vez para formar un conjunto mayor, el barco. Es decir, un barco
es un conjunto compuesto por quilla, cuadernas, mamparos... etc. Éstos a su vez
están compuestos por elementos de menor tamaño, por ejemplo, en un mamparo podemos encontrar piezas como planchas, refuerzos angulares, cartabones o
remaches.
Figura 5.4.1: Árbol
Con el n de organizar mejor todos los elementos constituyentes creamos
Pro-
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
ducts
Product
dentro del
compuesto por diferentes
mayor que es
Parts.
Matagorda. Cada Product
78
a su vez estará
CATIA permite visualizar esta organización en
el árbol. Éste siempre está presente y es de gran ayuda cuando hace falta por
ejemplo seleccionar una pieza, una línea, un punto, etc. De esta forma podemos siempre trabajar de una manera ordenada y saber siempre a qué conjunto
pertenece cada pieza.
Como se dijo anteriormente, una de las principales dicultades consisten en la
singularidad de cada una de las piezas, pues se tienen que adaptar exactamente
a cada geometría dada. Esto ocasiona una gran cantidad de piezas que apenas se
repiten, llegando a veces a que la pieza de babor y estribor no sean simétricas.
5.4.1.
Quilla
Comenzamos creando la quilla sobre la que se construirá el resto del navío. Como
explicamos en el capítulo cuarto, es una de las piezas claves del barco, actuando
como su columna vertebral.
El conjunto cuenta con los siguientes elementos constituyentes:
1
Quilla
2
2
2
Quilla plana
Zapata
Quilla vertical
3
3
3
3
2
2
Alma
Ala
Quilla Vertical 2
Quilla vertical 2.2
Refuerzo 1
Refuerzo 2
CAPÍTULO 5.
2
2
2
2
2
2
2
2
MODELADO EN CATIA
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Refuerzo 3
Refuerzo 4
Refuerzo 5
Symmetry of Refuerzo 1
Symmetry of Refuerzo 2
Symmetry of Refuerzo 3
Symmetry of Refuerzo 4
Symmetry of Refuerzo 5
Figura 5.4.2: Piezas de la quilla
Comenzamos trabajando sobre la quilla plana, que fue creada en los pasos previos. Bajo ella se dispone la zapata y encima descansa la quilla vertical. La quilla
CAPÍTULO 5.
80
MODELADO EN CATIA
vertical a su vez se compone de cuatro piezas a las que hemos denominado: alma,
ala, quilla vertical 2 y quilla vertical 2.2.
Todos los elementos constituyentes de la quilla se pueden agrupar en dos tipos:
los formados a partir de planchas y los refuerzos. Las planchas se crean a partir
del plano de simetría longitudinal delimitado por las supercies de referencia que
se crearon anteriormente. Una vez denidos los límites con estas supercies, sólo
hay que dar grosor al plano con el comando
Los refuerzos, que son perles en
L,
Thick Surface
.
se usan, además de para unir las planchas
perpendiculares, para aumentar la rigidez del conjunto. El perl lo dibujamos
en un
Sketch.
Después con el comando
Rib,
del módulo
Part Design,
extruye el perl a lo largo de una directriz dada, rectas en este caso.
Figura 5.4.3:
Sketch
del perl de un refuerzo
se
CAPÍTULO 5.
Figura 5.4.4: Denición del
5.4.2.
81
MODELADO EN CATIA
Rib.
Mamparos
Como ya sabemos, los mamparos son diafragmas verticales que dividen el casco
interiormente, en nuestro caso transversalmente. Entre sus cometidos se encuentran la contribución a la resistencia transversal, transmisión de los esfuerzos o el
soporte ecaz de las cubiertas, costados y fondo. En este caso los mamparos están
constituidos por planchas de acero unidas entre sí y reforzadas con perles para
evitar el pandeo, tanto vertical como horizontal. Distinguimos entonces, como
con la quilla, entre estos dos grupos de piezas. Sin embargo esta vez las piezas
son más complejas como ahora veremos.
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
82
Figura 5.4.5: Mamparo 50
La operación utilizada para crear las planchas es la misma que la usada en el
apartado anterior, pero la obtención de la supercie a la que daremos grosor es
mucho más compleja. Esto se debe a que no sólo se unen láminas perpendiculares
entre sí, sino también coplanarias. Esto requiere solapar una sobre la otra y
complica nuestra tarea. Además, el contorno también debe adaptarse a las líneas
de traca del casco. Realizamos a modo de ejemplo una plancha y una cuaderna
del mamparo 50 para ilustrarlo. Este es su árbol:
2
Mamparo.50
3
3
3
3
M50-1
M50-2
M50-1.2
RF50-Cuad
CAPÍTULO 5.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
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MODELADO EN CATIA
RF50-Cuad2
Bao50
RF50-V1
RF50-V2
Symmetry of RF50-V2
RF50-VarV1
RF50-VarV2
RF50-VarH1
RF50-VarH2
Symmetry of RF50-VarV1
Symmetry of RF50-VarV2
Symmetry of RF50-VarH1
Symmetry of RF50-VarH2
Nos centramos por ejemplo en la pieza M50-1. Dibujamos en
Sketch
sobre el
plano de la cuaderna 50. Para denir el contorno, utilizamos la intersección dada
por el comando
Intersect 3D Elements,
entre el plano en el que dibujamos y
las supercies de referencia del casco. Como vemos, el resultado obtenemos una
curva discontinua que, como ya dijimos, se corresponde con las uniones de las
líneas de traca. Una vez tenemos el contorno, utilizamos un
el espesor requerido.
Pad
para darle
CAPÍTULO 5.
84
MODELADO EN CATIA
Figura 5.4.6: Detalle del
Sketch
de la pieza M50-1.
Por otro lado, se presenta la necesidad de unir las planchas que están contenidas
en el mismo plano M50-1 y M50-2. El solape lo realizamos con un
le daremos como sección a extruir una gura como la que sigue.
Figura 5.4.7: Solape de la plancha M50-1 sobre la M50-2.
Pad
al que
CAPÍTULO 5.
85
MODELADO EN CATIA
En cuanto a los refuerzos, vemos que esta vez tienen que adaptarse también
a las planchas y al casco. Básicamente es la misma operación
Rib
que la
usada en los refuerzos de la quilla, pero esta vez la directriz no es recta sino que
debemos darle la forma deseada. Fijándonos por ejemplo en la cuaderna, vemos
que debe adaptarse a las discontinuidades en el casco. Para crear una directriz
que se ajuste de manera suave a la geometría, usamos el comando
módulo
Spline
del
Generative Shape Design. Para que se ajuste de manera óptima, además
de los puntos que se desean unir, le daremos las tangentes de las curvas en esos
puntos. Así no sólo es continua la generatriz, sino que lo es también su tangente
y obtenemos un resultado mejor.
Figura 5.4.8: Cuaderna
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
86
Figura 5.4.9: Cuaderna
5.4.3.
Codaste
El codaste está formado por una única pieza de acero fundido. Como comentamos
en el capítulo cuarto, el del
Matagorda
es completo, es decir, encierra a la hélice.
Este tipo de codaste tiene la doble nalidad de proteger la hélice y soportar el
timón.
Al rodear a la hélice, la protege de posibles daños cuando la profundidad sea baja
y también el codaste popel sirve de apoyo para el eje del timón. El eje de la hélice
atraviesa un núcleo taladrado que se encuentra en el contracodaste soportando
su peso y jando la hélice.
Se ensambla al resto de la estructura mediante dos vástagos, uno vertical y otro
horizontal, que irán jados a la cuaderna número 0 y la quilla respectivamente.
CAPÍTULO 5.
87
MODELADO EN CATIA
Comenzamos dibujando en un
Sketch
la silueta, sin el núcleo para la hélice
ni los apoyos del timón y después realizamos un
Figura 5.4.10:
Del mismo modo creamos un
Sketch
Sketch
y
Pad
Pad.
del codaste
sobre la supercie del codaste proel,
en él dibujamos una circunferencia que conforma el núcleo mediante el comando
Pad. Por último realizamos el taladro para el eje con Pocket
CAPÍTULO 5.
88
MODELADO EN CATIA
Figura 5.4.11: Creación del núcleo y del taladro para el eje
Ya sólo quedan los apoyos para el timón. Éstos se crean simplemente con un
Sketch
y un
Pad,
ya que se incluye la circunferencia del taladro en el
.
y por tanto no crea el material
Figura 5.4.12: Apoyos para el eje del timón
Sketch
CAPÍTULO 5.
89
MODELADO EN CATIA
Figura 5.4.13: Codaste
5.4.4.
Timón
Como ya explicamos, el timón es una supercie que va colocada en la popa y
sirve para gobernar el buque. Puede estar constituido por una plancha o tener
una forma hidrodinámica para aumentar el rango de actuación, en este caso el
perl siempre es simétrico para poder girar a ambos lados.
En la estructura del timón, se pueden distinguir la mecha o eje que le va a
transmitir el giro, atravesando el casco por la limera, y la pala que, siendo el
codaste completo, se apoya en el codaste popel a través de los machos.
Comenzamos construyendo la pala. Al ser un geometría de sección variable, uti-
Generative Shape Design, como ya hiciéramos para generar la supercie de referencia del casco. Como
lizamos el comando
Multi-Sections Surface
del módulo
perl usamos lo que podría ser un perl aerodinámico simétrico. Lo dibujamos
en un
Sketch
y para el resto de secciones usamos la misma, pero escalada.
Esta vez daremos tres guías para forzar al
Multi-Sections Surface
a generar la
supercie que queremos: en el borde de ataque, en el borde de salida y a media
CAPÍTULO 5.
90
MODELADO EN CATIA
Figura 5.4.14: Pala del timón.
distancia. Una vez que tenemos la supercie, creamos otra simétrica que complete la pala y creamos el sólido que encierran mediante el comando
Cose
Surface.
Una vez que tenemos la pala, creamos con un
Pad
la mecha del timón que será
cilíndrica.
Figura 5.4.15: Mecha del timón
CAPÍTULO 5.
MODELADO EN CATIA
91
Figura 5.4.17: Eje de giro del timón.
Por último, creamos los machos de la bisagra que unirán a timón y codaste
permitiendo el giro en el eje z.
Figura 5.4.16: Apoyos del timón