FreeCAD-Ship s60 tutorial (II)/it

Prima di iniziare questo tutorial è bene eseguire il primo tutorial.

Altre informazioni sono disponibili nella pagina FreeCAD-Ship

Introduzione
In questo tutorial lavoreremo con i pesi e i serbatoi al fine di calcolare la curva di GZ che è il più importante parametro di stabilità idrostatica. GZ è il momento statico generato quando la nave assume un angolo di rollio (angolo di inclinazione trasversale o di sbandamento). Naturalmente, quando il braccio di stabilità GZ è positivo la nave ha un momento positivo e cerca di recuperare la posizione eretta, ma quando il braccio di stabilità GZ assume valori negativi la nave non ha più stabilità e si trova in una situazione critica.

L'Organizzazione Marittima Internazionale, IMO ha definito i seguenti criteri:


 * GM >= 0.15 m. GM (altezza metacentrica) è la tangente iniziale della curva di GZ
 * Il massimo braccio di stabilità GZ deve registrarsi a un angolo di sbandamento superiore a 30°
 * Con un angolo di rollio di 30°, il braccio di stabilità GZ deve essere almeno di 0,20 m
 * L’area sotto la curva del braccio di stabilità (curva GZ) non deve essere inferiore a 0,09 metri-radianti fino a un angolo di rollio di 40°
 * L’area sotto la curva del braccio di stabilità (curva GZ) non deve essere inferiore a 0,055 metri-radianti fino a un angolo di sbandamento di 30°
 * L’area sotto la curva del braccio di stabilità (curva GZ) non deve essere inferiore a 0,03 metri-radianti fra gli angoli di sbandamento di 30° e 40° o fra 30° e l’angolo di allagamento, se tale angolo è minore di 40°

In questo tutorial i pesi e i serbatoi della barca della serie 60 saranno distribuiti in modo irreale.

Pesi della nave
Per essere in grado di calcolare la curva di GZ è necessario conoscere il peso della nave e la posizione del centro di gravità per ogni angolo di sbandamento. Per questo i pesi possono essere suddivisi in due categorie:


 * Pesi fissi che si muovono congiuntamente e solidali alla nave.
 * Serbatoi contenenti del liquido che cambia la sua forma spostando il centro di gravità che deve essere ricalcolato per ogni angolo di rollio.

FreeCAD-Ship offre due strumenti diversi per generare ogniuna delle istanze.

Icona dello strumento per la definizione dei pesi.

Lo strumento di definizione dei pesi può essere utilizzato per definire i pesi della prima categoria. Quando si avvia lo strumento per la prima volta (con una istanza di nave selezionata), FreeCAD-Ship inizializza i pesi della nave con Lightweight, un peso leggero, pari al dislocamento, che viene inserito nel centro di gravità della geometria della nave per la coordinata X, e all' altezza della immersione di progetto. Di solito si hanno almeno 2 pesi rilevanti:


 * Struttura.
 * Motore (o più di uno).

Fare doppio click sulla cella corrispondente per modificare il suo valore e impostare questi pesi:


 * Structure, 15000 kg, (-0.1, 0, 1.25) m
 * Starboard engine, 5000 kg, (-6.5, -0.65, 0.5) m
 * Port side engine, 5000 kg, (-6.5, 0.65, 0.5) m
 * Emergency engine, 2500 kg, (0.2, 0, 2.5) m

Anteprima 3D della vista dei pesi.

Le posizioni dei pesi sono visualizzate nella vista 3D. Le annotazioni vengono rimosse quando lo strumento viene chiuso. Quando si preme OK i pesi vengono archiviati nella istanza Ship.

Serbatoi
I serbatoi devono essere costruiti su di una geometria solida, come per il modello della nave, quindi cominciare creando due geometrie solide a prua, una per lato della nave, che poi saranno convertite in istanze Tank (serbatio). Normalmente le navi hanno un sacco di serbatoi, per carburante, acqua dolce, acqua salata, carico, ecc..

Creare la geometria
Per creare i serbatoi caricare il Modulo Part e creare un solido parallelepipedo (box).

È necessario modificare il parallelepipedo, selezionare quindi il box nell'albero Atttributi e etichette  e nella scheda Dati aprire la voce Placement e impostare la Position con x a 1.5 e z a -1. Modificare anche la lunghezza del box impostando il suo valore a 5.0 (notare che le unità possono essere in mm, ma non preoccuparsi di questo).

La geometria del serbatoio sarà costituita dalla parte comune del box e della geometria della nave, perciò nascondere l'istanza Ship e mostrare la geometria originale s60_IowaUniversity. Selezionare il box e s60_IowaUniversity e poi usare l'operazione booleana di intersezione per generare la geometria del serbatoio di dritta.

Geometria del serbatoio generato.

Per costruire il serbatoio di babordo basta selezionare la geometria di dritta e eseguire lo strumento specchio, selezionando XZ come piano di riflessione.

Per convertire la geometria dei serbatoi in una forma solida usuale, and recover our s60_IowaUniversity geometry, caricare il modulo Draft, poi selezionare la geometria del serbatoio di dritta e eseguire Upgrade. Ripetere l'operazione con la geometria del serbatoio di babordo. Si possono rinominare le geometrie con:


 * StarboardTankGeom
 * PortTankGeom

Ora si può anche eliminare il box, non serve più.

Creare le istanze serbatoio
Riattivare il modulo FreeCAD-Ship per rendere disponibile lo strumento generatore delle istanze serbatoio.

Icona dello strumento generatore delle istanze serbatoio.

Selezionare la geometria StarboardTankGeom e eseguire lo strumento generatore delle istanze serbatoio che apre la finestra per fornire alcuni dati. Impostare il livello di riempimento al 40%, e la densità a 925 kg/m&sup3; (circa il peso del carburante). Quando si clicca su OK viene generata una nuova istanza denominata Tank. Si può rinominarla StarboardTank e nascondere StarboardTankGeom.

Ripetere lo stesso processo per generare PortTank.

Vista dei pesi generati.

La figura precedente mostra la barca di cui si vuole calcolare la curva di GZ.

Calcolare la curva di GZ
FreeCAD-Ship fornisce uno strumento per calcolare facilmente la curva di GZ.

GZ curve computation tool icon.

With Ship instance selected, we can run the tool. The first thing that we can see at opened dialog is a list with all tank instances found at active document. We want to use both of them, so we click over the tanks that are remarked with a diferent background.

In order to know the resultant ship displacement and draft we can press Update displacement and draft, taking some time for the computation. We receive following data:
 * Displacement = 37505.5 kg
 * Draft = 0.818664 m

So we are in a unloaded situation, where draft are sightly lower than design draft. Ussually lower drafts imply lower ship stability, the draft depends on loading condition, so if we really expect than ship can be operated in this loading condition we can consider implement ballast tanks.

We can also automatically compute ship trim, operation that can take around one minute, retrieving that our ship have 0.95 degrees of trim angle (positive by stern). In this example we will work without trim angle (0 degrees).

Tool request roll angles considered too. In this case we want to know all ship behaviour, so we can set:
 * 0 degrees starting roll angle.
 * 180 degrees ending roll angle.
 * 46 points. One for each 2 degrees. GZ computation can take some time, so take care about the number of points requested.

When we press Accept tool starts the computation. If you runs FreeCAD from terminal you can see work progress. In a couple of seconds we will receive GZ curve.

This tool use pyxplot and ghostscript too. You can see where gz.dat output file has been placed at the report view (View/Views/Report view), and load it with datasheet software (for example libreOffice). Nearby data file several auxiliary files has been created too:


 * gz.dat: Computed GZ curve data.
 * gz.pyxplot: pyxplot layout in order to plot the curve.
 * gz.eps: EPS image version.
 * gz.png: PNG image version.

This files will be overwritten if you executes the tool another time.

Results
Resultant GZ curve.

GZ maximum value is placed over 30 degrees (45 degrees), getting 0.25 m at 30 degrees (0.2 m is the minimum). Up to 30 degrees the area below GZ curve is 0.065 m·rad, up to 40 degrees we have 0.092 m·rad, being the area between 30 and 40 degrees of 0.027 m·rad. So our ship don't meets the IMO requeriments. The solution is place ballast tanks.

At the other hand the ship, in this bad condition, has positive GZ values up to 95 degrees roll angle, but has not been enoguht for IMO stability requirements, showing the hard cirteria imposed about this item.

Of course this example is not real (first for all fuel tanks cannot be placed in the double bottom structure, or using hull side as structure), but is a good example in order to learn to use FreeCAD-Ship.