Parametric Generation of Planing Hulls with NURBS Surfaces

This article presents a mathematical method for producing hard-chine ship hulls based on a set of numerical parameters that are directly related to the geometric features of the hull and uniquely define a hull form for this type of ship. The term planing hull is used generically to describe the majority of hard-chine boats being built today. This article is focused on unstepped, single-chine hulls. B-spline curves and surfaces were combined with constraints on the significant ship curves to produce the final hull design. The hard-chine hull geometry was modeled by decomposing the surface geometry into boundary curves, which were defined by design constraints or parameters. In planing hull design, these control curves are the center, chine, and sheer lines as well as their geometric features including position, slope, and, in the case of the chine, enclosed area and centroid. These geometric parameters have physical, hydrodynamic, and stability implications from the design point of view. The proposed method uses two-dimensional orthogonal projections of the control curves and then produces three-dimensional (3-D) definitions using B-spline fitting of the 3-D data points. The fitting considers maximum deviation from the curve to the data points and is based on an original selection of the parameterization. A net of B-spline curves (stations) is then created to match the previously defined 3-D boundaries. A final set of lofting surfaces of the previous B-spline curves produces the hull surface.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.

Virtual reconstruction of the 400 toneladas nao from Diego García de Palacio’s Instrucción náutica (1587)

The period between 1570-1620 has left a remarkable amount of documents related to shipbuilding in the Iberian Peninsula. Among them, the Instrucción nautica written by Diego García de Palacio in 1587 is widely recognized as the first published book that includes an extensive discussion of ship design and construction. García de Palacio centres his discussion on a 400 toneladas nao, a series of woodcuts that illustrate the shape and dimensions of the ship accompany the explanation. In the late XVI century ship hulls were designed following procedures based upon an old shipwrightry tradition born in the Mediterranean. By simple rules the master shipwright plots the central frame and tail frames and complete the hull body using wooden ribbands. Computer software for 3D modelling using NURBs surfaces helps to recreate ships hulls. In this work the 400 toneladas nao is reconstructed and her hydrostatic parameters are compared with other ships.

La aportación de la Península Ibérica a la tecnología naval analizada a través de la interpretación de los documentos y la reproducción de los buques descritos en ellos (1570-1620)

El período de la Historia comprendido entre 1570 y 1620 nos ha dejado un importante conjunto de documentos relacionados con la construcción naval en la Península Ibérica. En una época convulsa en la que los reinos de España y Portugal se aglutinaron bajo una misma Corona, surgen una serie de manuscritos, libros y leyes que reflejan la creciente preocupación de la sociedad por el tema naval. Entre sus páginas encontramos las descripciones del proceso constructivo de los buques que sus autores consideraban más significativos para las demandas que se planteaban en ese momento. Este proceso que combinaba generación de formas y construcción del buque provenía de una secular tradición nacida en el Mediterráneo. Mediante reglas geométricas sencillas, el constructor naval trazaba las secciones centrales y el perfil de la nao, quedando los extremos de la misma (hasta más de la mitad de la eslora) a su buen hacer y experiencia. Las herramientas informáticas de generación de superficies mediante NURBs (Non- Uniform Rational B-spline) permiten reconstruir las formas de los navíos reproduciendo con fiabilidad las carenas de los mismos a partir de los documentos de la época. Mediante un estudio detallado de interpretación de los textos y transcribiendo los procesos, llegamos a obtener con un buen grado de precisión las carenas de los buques descritos en sus páginas. A partir de ahí y mediante el análisis cualitativo y cuantitativo de los parámetros obtenidos es posible valorar si las soluciones representadas por los barcos respondían a las preguntas planteadas por sus autores , la influencia de factores externos a la construcción naval tales como las regulaciones del Estado o identificar su relación con el germen y la expansión de la teoría que ha determinado los efectos de la Ciencia en la Arquitectura Naval. Comenzando por la nao veneciana de 1550, heredera de la secular tradición constructiva mediterránea, hasta llegar a las Reales Ordenanzas promulgadas en 1618, se reproducen hasta nueve carenas a partir de otros tantos documentos, se dibujan sus planos de formas y se exportan para su análisis hidrostático. El trabajo requiere la realización de otros estudios en paralelo necesarios para entender aquellos factores que formaron parte del desarrollo tecnológico naval como son, las unidades de medida en uso en los astilleros, los distintos sistemas de arqueo impuestos por la Corona y la representación de los diferentes instrumentos geométricos de modificación de los parámetros de diseño. A lo largo del trabajo se dan respuesta a interrogantes planteados por la arqueología en relación con el desarrollo de la arquitectura naval poniendo en evidencia que durante este período quedaron establecidos los fundamentos teórico-prácticos de lo que más adelante se convirtió en la ciencia de la ingeniería naval y se plantean nuevos retos para aquellos que deseen continuar la apasionante tarea de la investigación científica de nuestra historia. ABSTRACT The period of the History comprised between 1570 and 1620 has left an important set of shipbuilding documents in the Iberian Peninsula. In a turbulent time in which the kingdoms of Spain and Portugal were ruled under the same Crown, manuscripts, books and laws that reflect the growing concern of society for the naval theme arose. We found among their pages shipbuilding process descriptions of the more relevant vessels that responded to claims that arose at that time. This process brought together hull generation and shipbuilding and came from a secular tradition born in the Mediterranean. By means of simple geometric rules, the shipbuilder traced the central sections and profile of the ship, leaving the ends thereof (almost half of the length) to its good performance and experience. 3D computer modelling software by NURBs (Non-Uniform Rational B-spline) surfaces helps to reconstruct ships hulls from contemporary documents. Through a detailed texts interpretation and transcription processes, we manage to reach with a good degree of accuracy the ship hulls described in its pages. From there and through qualitative and quantitative analysis of the parameters obtained we can assess whether the solutions represented by ships gave response to the questions raised by the authors, the influence of external factors such as shipbuilding state regulations or identify their relationship to the origin and expansion of the theory that has determined the effects of Science in Naval Architecture. From the 1550 Venetian nao, inheritor of the secular Mediterranean building tradition, to the Royal Ordinances enacted in 1618, as nine hulls are reproduced, their line drawings are traced and exported for analysis hydrostatic. Further studies are needed to understand the factors that were part of shipbuilding technology development as the units of measure in use in shipyards, the different official regulations for calculating ship tonnage and the different geometric instruments to amend the design parameters. The work gives response to questions raised by archaeology in relation to the development of naval architecture highlighting that during this period were established the theoretical and practical foundations of what later became the science of naval engineering and raising new challenges for those wishing to continue the exciting task of scientific research of our History.