YachtLINES Autonome
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ShipLINES Autonome
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Analyse Géométrique
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Hydrostatique
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Propulsion
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Sections
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Courbes et Surfaces
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Génération Paramétrique de Coque
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IntelliHull
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X-Topologie, Surfaces Multi-Patch
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Estimation de la résistance et de la puissance (Original)
Introduction
Les outils d'analyse de la résistance et de la propulsion dans PolyCAD comblent un vide dans les outils d'analyse de l'architecture navale au-delà de la stabilité qui peut être introduite sans devenir un centre d'intérêt majeur du logiciel. Le plan initial était de présenter des méthodes couvrant les formes de coque typiques des navires commerciaux, des yachts et des navires de planification en mettant en œuvre les approches Holtrop et Mennen, Delft Series et Savitsky. Actuellement, seules les deux premières ont été finalisées et validées. Tous les calculs dans cette discipline sont basés sur les unités SI et ne fonctionnent qu'avec des unités de conception en mètres.
Un peu d'histoire
La mise en œuvre de l'analyse de la résistance et de la puissance représentait pour moi un travail personnel inachevé de mon diplôme de premier cycle. Ce sujet est, bien sûr, un élément majeur de tout cours universitaire sur la conception des navires et est souvent enseigné par les éminents universitaires de votre institution. Il s'agit toutefois d'un sujet complexe où l'introduction de la théorie des premiers principes ne contribue guère à la capacité d'un étudiant de premier cycle à calculer la taille de la puissance installée nécessaire pour faire avancer un navire à la vitesse d'essai. Pour cela, nous pouvons utiliser une série de méthodes empiriques, mais les modèles de ces méthodes n'ont que peu de rapport avec la physique des premiers principes. Je n'ai pas réussi ce module. J'étais déçu. 20 ans plus tard, avec l'avantage d'avoir été formé à l'apprentissage, je regarde mes notes et le problème est clair. Les connaissances que j'attendais n'étaient pas couvertes par le cours. L'esprit des éminents universitaires était peut-être plus concentré sur leurs recherches plus éminentes que sur le défi de concevoir un processus d'apprentissage réussi permettant d'initier les étudiants de premier cycle à ce sujet complexe.
Pour résoudre ce problème inachevé, l'action était claire. Prendre n'importe quel manuel d'architecture navale de renom couvrant les méthodes dont j'ai besoin, apprendre le processus et le valider par des exemples concrets. Mais j'ai constaté que même ces bons manuels, pris individuellement, avaient du mal à transmettre les connaissances et le processus dont j'avais besoin pour mettre en œuvre une solution qui produise des résultats acceptables. L'implémentation Holtrop et Mennen de PolyCAD a été codée pour la première fois en 2013 et publiée pour évaluation. Cependant, il a fallu l'aide de quelques utilisateurs, des articles originaux et la combinaison de plusieurs manuels pour publier une version qui, en 2020, pouvait être considérée comme validée. Je suis maintenant convaincu que la mise en œuvre est correcte, mais je m'attends à recevoir les objections occasionnelles d'utilisateurs qui peuvent être en désaccord avec les résultats. Le codage de ces méthodes est un défi et de simples erreurs peuvent produire des prédictions complètement différentes. Le processus de validation a identifié des bogues non seulement dans mon code, mais aussi dans les feuilles de calcul de ceux qui ont interrogé les résultats de ma mise en œuvre. Le code utilisé pour valider ces méthodes a été conservé et est disponible pour répondre aux demandes futures.
Analyse intégrée de la résistance et de la puissance dans PolyCAD
Comme beaucoup d'algorithmes utilisés dans la conception des navires, presque toutes les méthodes empiriques de résistance et de propulsion peuvent être implémentées en utilisant des calculs de type tableur. Vous pouvez créer vos propres outils de conception. Les implémentations de feuilles de calcul, cependant, ne se prêtent pas à une analyse particulièrement flexible. Vous devrez presque toujours mettre à jour les valeurs d'entrée qui modélisent les caractéristiques de votre conception au fur et à mesure qu'elles changent, ce qui entraîne un risque d'erreurs de saisie.
Une solution intégrée de modélisation et d'analyse, comme PolyCAD, élimine le besoin de saisir les caractéristiques de la forme de la coque car celles-ci peuvent être directement mesurées à partir du design. En fait, PolyCAD est conçu de telle sorte que toute analyse effectuée sur un projet de conception persiste en arrière-plan, en suivant les changements, jusqu'à ce que les résultats soient affichés. Cela déclenchera une mise à jour si nécessaire. En plus de la géométrie de la surface de la coque, les caractéristiques des appendices peuvent souvent être incluses dans l'analyse de la résistance et de la puissance, en référençant les dimensions, la surface et le centroïde de ces éléments. Dans PolyCAD, tout élément définissant ces caractéristiques peut être référencé dans l'analyse en plus de la surface de la coque. Cela permet à un élément aussi simple qu'une polyligne de définir les dimensions physiques d'une quille et d'un gouvernail. Ces éléments restent référencés dans le calcul pendant le processus de modélisation, mettant à jour l'analyse en cas de modification.
Introduction
Les outils d'analyse de la résistance et de la propulsion dans PolyCAD comblent un vide dans les outils d'analyse de l'architecture navale au-delà de la stabilité qui peut être introduite sans devenir un centre d'intérêt majeur du logiciel. Le plan initial était de présenter des méthodes couvrant les formes de coque typiques des navires commerciaux, des yachts et des navires de planification en mettant en œuvre les approches Holtrop et Mennen, Delft Series et Savitsky. Actuellement, seules les deux premières ont été finalisées et validées. Tous les calculs dans cette discipline sont basés sur les unités SI et ne fonctionnent qu'avec des unités de conception en mètres.
Un peu d'histoire
La mise en œuvre de l'analyse de la résistance et de la puissance représentait pour moi un travail personnel inachevé de mon diplôme de premier cycle. Ce sujet est, bien sûr, un élément majeur de tout cours universitaire sur la conception des navires et est souvent enseigné par les éminents universitaires de votre institution. Il s'agit toutefois d'un sujet complexe où l'introduction de la théorie des premiers principes ne contribue guère à la capacité d'un étudiant de premier cycle à calculer la taille de la puissance installée nécessaire pour faire avancer un navire à la vitesse d'essai. Pour cela, nous pouvons utiliser une série de méthodes empiriques, mais les modèles de ces méthodes n'ont que peu de rapport avec la physique des premiers principes. Je n'ai pas réussi ce module. J'étais déçu. 20 ans plus tard, avec l'avantage d'avoir été formé à l'apprentissage, je regarde mes notes et le problème est clair. Les connaissances que j'attendais n'étaient pas couvertes par le cours. L'esprit des éminents universitaires était peut-être plus concentré sur leurs recherches plus éminentes que sur le défi de concevoir un processus d'apprentissage réussi permettant d'initier les étudiants de premier cycle à ce sujet complexe.
Pour résoudre ce problème inachevé, l'action était claire. Prendre n'importe quel manuel d'architecture navale de renom couvrant les méthodes dont j'ai besoin, apprendre le processus et le valider par des exemples concrets. Mais j'ai constaté que même ces bons manuels, pris individuellement, avaient du mal à transmettre les connaissances et le processus dont j'avais besoin pour mettre en œuvre une solution qui produise des résultats acceptables. L'implémentation Holtrop et Mennen de PolyCAD a été codée pour la première fois en 2013 et publiée pour évaluation. Cependant, il a fallu l'aide de quelques utilisateurs, des articles originaux et la combinaison de plusieurs manuels pour publier une version qui, en 2020, pouvait être considérée comme validée. Je suis maintenant convaincu que la mise en œuvre est correcte, mais je m'attends à recevoir les objections occasionnelles d'utilisateurs qui peuvent être en désaccord avec les résultats. Le codage de ces méthodes est un défi et de simples erreurs peuvent produire des prédictions complètement différentes. Le processus de validation a identifié des bogues non seulement dans mon code, mais aussi dans les feuilles de calcul de ceux qui ont interrogé les résultats de ma mise en œuvre. Le code utilisé pour valider ces méthodes a été conservé et est disponible pour répondre aux demandes futures.
Analyse intégrée de la résistance et de la puissance dans PolyCAD
Comme beaucoup d'algorithmes utilisés dans la conception des navires, presque toutes les méthodes empiriques de résistance et de propulsion peuvent être implémentées en utilisant des calculs de type tableur. Vous pouvez créer vos propres outils de conception. Les implémentations de feuilles de calcul, cependant, ne se prêtent pas à une analyse particulièrement flexible. Vous devrez presque toujours mettre à jour les valeurs d'entrée qui modélisent les caractéristiques de votre conception au fur et à mesure qu'elles changent, ce qui entraîne un risque d'erreurs de saisie.
Une solution intégrée de modélisation et d'analyse, comme PolyCAD, élimine le besoin de saisir les caractéristiques de la forme de la coque car celles-ci peuvent être directement mesurées à partir du design. En fait, PolyCAD est conçu de telle sorte que toute analyse effectuée sur un projet de conception persiste en arrière-plan, en suivant les changements, jusqu'à ce que les résultats soient affichés. Cela déclenchera une mise à jour si nécessaire. En plus de la géométrie de la surface de la coque, les caractéristiques des appendices peuvent souvent être incluses dans l'analyse de la résistance et de la puissance, en référençant les dimensions, la surface et le centroïde de ces éléments. Dans PolyCAD, tout élément définissant ces caractéristiques peut être référencé dans l'analyse en plus de la surface de la coque. Cela permet à un élément aussi simple qu'une polyligne de définir les dimensions physiques d'une quille et d'un gouvernail. Ces éléments restent référencés dans le calcul pendant le processus de modélisation, mettant à jour l'analyse en cas de modification.
PolyCAD présente un large éventail de résultats de chaque analyse sous forme de graphiques et de tableaux. Ceci permet d'obtenir une fenêtre sur les résultats intermédiaires du calcul ainsi que l'indication des caractéristiques de performance globale. Étant donné l'abondance des résultats, les limites des formulations de ces méthodes empiriques peuvent être facilement détectées. Ceci est généralement observé lorsque des équations différentes sont utilisées dans des plages de vitesse spécifiques, une caractéristique de Holtrop et Mennen, et des séries initiales de Delft (I & II). Toutes les caractéristiques qui paramètrent chaque analyse sont présentées à gauche du formulaire d'analyse avec des options et des indications graphiques indiquant si les valeurs sont en lecture seule ou si elles peuvent être remplacées par l'utilisateur. Tous les tableaux et graphiques peuvent être copiés dans le presse-papiers de Windows, ce qui permet de préparer des rapports et autres présentations.
Holtrop et Mennen
Pendant de nombreuses décennies, Holtrop et Mennen a été la principale méthode de résistance empirique pour la plupart des formes de coques de configuration de navires commerciaux, bien qu'elle ne soit certainement pas la seule méthode pour ce type de navire. J'avais l'intention de livrer une implémentation "vanille", en créant une solution qui était exactement comme les articles originaux avaient été écrits, mais les commentaires des utilisateurs et l'accès à une plus large gamme d'options à travers les différents manuels que j'ai utilisés ont permis l'inclusion des hélices segmentées Gawn en plus de Wageningen B et de divers modèles de résistance à l'air/au vent.
Les principales caractéristiques géométriques sont tirées de l'hydrostatique de la surface de la coque sélectionnée, avec la possibilité de référencer une géométrie supplémentaire représentant les appendices sous-marins et la surface projetée de la coque et de la superstructure pour paramétrer la résistance au vent.
Holtrop et Mennen
Pendant de nombreuses décennies, Holtrop et Mennen a été la principale méthode de résistance empirique pour la plupart des formes de coques de configuration de navires commerciaux, bien qu'elle ne soit certainement pas la seule méthode pour ce type de navire. J'avais l'intention de livrer une implémentation "vanille", en créant une solution qui était exactement comme les articles originaux avaient été écrits, mais les commentaires des utilisateurs et l'accès à une plus large gamme d'options à travers les différents manuels que j'ai utilisés ont permis l'inclusion des hélices segmentées Gawn en plus de Wageningen B et de divers modèles de résistance à l'air/au vent.
Les principales caractéristiques géométriques sont tirées de l'hydrostatique de la surface de la coque sélectionnée, avec la possibilité de référencer une géométrie supplémentaire représentant les appendices sous-marins et la surface projetée de la coque et de la superstructure pour paramétrer la résistance au vent.
Holtrop et Mennen, Résistance et propulsion avec sélection des hélices
Les notes spécifiques sur l'implémentation sont les suivantes :
- Prévision de puissance de Holtrop et Mennen implémentée conformément aux méthodes décrites [1, 2], avec validation par les références générales [3, 4].
- L'hélice de la série B de Wageningen a été mise en œuvre conformément aux méthodes décrites dans [4], avec la validation de [3, 5]. Les valeurs polynomiales proviennent de [6].
- Série d'hélices Gawn mise en œuvre selon les méthodes décrites dans [7] en utilisant des valeurs polynomiales tirées de [6].
- Méthodes de résistance à l'air de Taylor et Hughes tirées de la description de [4].
- Méthode de résistance à l'air de l'ITTC tirée de [3], modifiée pour tenir compte de la vitesse du vent relatif.
- Valeurs du coefficient de résistance à l'air suggérées par [4].
- Surface transversale de la coque pour la résistance à l'air, tirée de la section de calcul avec la surface maximale au-dessus de la ligne de flottaison.
- Limites de cavitation de Burrell mises en œuvre comme décrit dans [4, 3].
- Marge de service mise en œuvre comme décrit dans la documentation hydrostatique de la conception initiale d'AVEVA Marine.
- Angle d'entrée calculé en prenant la largeur du plan d'eau, 30 % en arrière du point avant au point de largeur maximale ou au début de la ligne de flottaison parallèle.
La série de Delft
L'implémentation de la série de Delft dans PolyCAD remonte à l'implémentation originale du logiciel YachtLINES, en 1997, où une optimisation était fournie pour trouver le coefficient prismatique (Cp) et le centre longitudinal de flottabilité (LCB). Cette optimisation était basée sur la série de Delft, caractérisée par les versions 1 et 2 [8]. Depuis lors, deux autres versions ont été présentées et sont maintenant disponibles dans PolyCAD. Cette implémentation est basée sur l'approche documentée dans [11] et incorpore la résistance à la verticale et à l'inclinaison de la coque, de la quille et du gouvernail. La quille et le gouvernail sont définis comme des appendices supplémentaires et peuvent faire référence à une géométrie de surface ou à des éléments de polyligne à contour fermé. La résistance à la gîte est définie dans le cadre des versions 1 et 2 de Delft et de la version 3 [9], qui est également présentée lorsque la version 4 [10] est choisie. La pente de soulèvement n'est définie que dans les versions 1 & 2 mais est disponible pour toutes les versions. La fréquence des coefficients à travers le nombre de Froude est plus limitée pour les versions ultérieures et il faut noter que toute vitesse demandée ne sera pas calculée si elle n'est pas dans la gamme de la version choisie de l'analyse.
L'implémentation de la série de Delft dans PolyCAD remonte à l'implémentation originale du logiciel YachtLINES, en 1997, où une optimisation était fournie pour trouver le coefficient prismatique (Cp) et le centre longitudinal de flottabilité (LCB). Cette optimisation était basée sur la série de Delft, caractérisée par les versions 1 et 2 [8]. Depuis lors, deux autres versions ont été présentées et sont maintenant disponibles dans PolyCAD. Cette implémentation est basée sur l'approche documentée dans [11] et incorpore la résistance à la verticale et à l'inclinaison de la coque, de la quille et du gouvernail. La quille et le gouvernail sont définis comme des appendices supplémentaires et peuvent faire référence à une géométrie de surface ou à des éléments de polyligne à contour fermé. La résistance à la gîte est définie dans le cadre des versions 1 et 2 de Delft et de la version 3 [9], qui est également présentée lorsque la version 4 [10] est choisie. La pente de soulèvement n'est définie que dans les versions 1 & 2 mais est disponible pour toutes les versions. La fréquence des coefficients à travers le nombre de Froude est plus limitée pour les versions ultérieures et il faut noter que toute vitesse demandée ne sera pas calculée si elle n'est pas dans la gamme de la version choisie de l'analyse.
La série Delft, calculs de la pente en position debout, en position talonnée et en position soulevée
References
- An Approximate Power Prediction Method, Holtrop and Mennen, International Shipbuilding Progress, Vol 29, No 335, pp. 166-170, July 1982.
- A statistical re-analysis of resistance and propulsion data, Holtrop, International Shipbuilding Progress, Vol 31, pp. 272-276, 1984.
- Ship Resistance and Propulsion: Practical Estimation of Propulsive Power. Molland, Turnock and Hudson, Cambridge University Press, 2011.
- Principles of Naval Architecture, Volume II Resistance, Propulsion and Vibration, Lewis, SNAME, 1988.
- Basic Ship Propulsion, Ghose and Gokarn, KW Publishers Pvt. New Delhi 2015.
- Marine Propellers and Propulsion, Carlton, Elsevier, 2007.
- Sizing Segmental Section Commercially Available Propellers for Small Craft, Blount and Hubble, Propellers'81 Symposium, SNAME, Virginia Beach, USA, 1981.
- Sailing Performance in Calm Water and Waves, Gerritsma, Keuning and Versluis, The 11th Chesapeake Sailing Yacht Symposium (11th), Annapolis, MD., January 29-30, 1993.
- Approximation of the hydrodynamic forces on a sailing yacht based on the "Delft Systematic Yacht Hull Series", Keuning and Sonnenberg, 15th International HISAS Symposium on "Yacht Design and Construction", Amsterdam, Delft University of Technology press, Amsterdam 1998.
- A Bare Hull Resistance Prediction Method Derived From the Results of the Delft Systematic Yacht hull series extended to higher speeds, Keuning and Katgert, International Conference on Innovations in High Performance Sailing Yachts, RINA, Lorient, 2008.
- Aero-Hydrodynamics and the Performance of Sailing Yachts, Fabio Fossati, Adlard Coles Nautical, 2009.