Les concepts clés de Naval Designer

Ce tutoriel est en cours de construction. Il a été mis en ligne dans le but d'aider les débutants... Merci d'excuser les imprécisions. Vos commentaires sont attendus.

Débuter avec Naval Designer semble simple à certains, plus difficile à d'autres. Dans tous les cas il est intéressant de bien comprendre les éléments essentiels pour bien démarrer la conception de navires avec Naval Designer.
Ce tutoriel est conçu comme un complément au guide de l'utilisateur, il suit une logique plus pragmatique en abordant un exemple concret : la conception d'un 6.50.

Définition du projet

La définition du projet est une étape essentielle avant l'utilisation de Naval Designer.
Il est d'abord nécessaire de définir le programme du navire (les conditions d'utilisations : course, croisière ou servitude; nombre de personnes de l'équipage; distance des côtes en navigation; l'armement; etc. ), le buget, les contraintes de conception (jauge) et en déduire des caractéristiques principales.

Dans notre cas il s'agit d'un petit voilier de course de 6,50m devant franchir l'Atlantique, mené par une seule personne. Il doit donc être léger, raide et marin. La jauge mini-transat nous donne un cadre de conception.

Les caractéristiques principales sont :
Longueur = 6,50m
Largeur = 2,99m
Franc-bord avant = 0,75m
Franc-bord arrière = 0,60m
Tirant d'eau = 2m
Hauteur de mat = 11m
Lest = 450 Kg
Masse totale en charge = 1100Kg

Une fois munis du cahier des charges, le travail de dessin peut commencer dans Naval Designer.

Modelage du bateau

Repères

A partir des principales caractéristiques, il est judicieux de placer des repères visuels sur lesquels la coque va être modelée. Pour cela on utilise l'outil Repères

Les surfaces NURBS.

Le dessin de bateaux dans Naval Designer est basé sur le modelage de surfaces. Le modèle mathématique des surfaces adopté est celui des Non Uniform Rational Basis Splines ou NURBS.

Sans entrer dans le détail mathématique, une NURBS est une surface à "matrice rectangulaire" dont la forme est contrôlée par des points de contrôle appelés vertex. Les vertex sont organisés en lignes et en colonnes. La surface passe par les quatre vertex qui forment les coins, mais pas par les autres qui contrôlent la forme sans toucher la surface (un peu comme des aimants).

La manipulation des vertex va permettre de modeler une grande variété de formes.

Dans un premier temps nous allons modeler la coque qui sera formée de deux surfaces : la coque proprement dite et l'étrave.

Sélection de vertex

Les vertex sont identifiés par des petits carrés rouges.

Pour les déplacer, il faut commencer par les sélectionner. Deux modes de sélection sont possibles :

Il est possible de combiner ces deux modes pour ajouter ou supprimer des vertex de la sélection en appuyant sur la touche Majuscule (<Shift>) et de refaisant une sélection (individuelle ou par zone).

Les vertex sélectionnés changent de couleur en passant au vert clair.
Le dernier vertex sélectionné devient le vertex courant, il est repéré par un petit carré jaune à l'interieur du carré rouge. Il est également inscrit dans la barre de status en bas de l'écran à gauche.
L'ordre de sélection des vertex est important pour les commandes Grouper les vertex où le groupement se fait au dessus du premier vertex sélectionné, et Aligner les vertex où tous les vertex s'alignent sur la droite formée par les deux premiers vertex sélectionnés.

Déplacement de vertex

Une fois la sélection faite, il suffit de cliquer sur l'un des vertex de la sélection et de déplacer le curseur de la souris, pour déplacer l'ensemble des vertex sélectionnés.

Ajout de lignes et de colonnes,

Pour créer des surfaces plus complexes que la surface par défaut il faut commencer par ajouter de nouvelles lignes ou colonnes.

Pour ajouter des lignes il faut se placer dans la Vue Transversale. Pour ajouter des colonnes il faut se placer dans la Vue de Profil ou la Vue en Plan.

Il faut indiquer que l'on veut ajouter une ligne (ou une colonne) par le menu Vertex>Ajouter une ligne (ou colonne) puis cliquer là où l'on veut positionner le vertex à ajouter.
Regardons le cas d'un ajout de ligne.
Pour cela on pré-sélectionne une colonne en cliquant sur un vertex de la colonne (le vertex courant devient le vertex sélectionné dans la colonne) puis on choisit le menu Vertex/Ajouter une ligne, et on clique entre deux vertex de la colonne pré-sélectionnée là où l'on verrait bien un nouveau vertex s'insérer dans la colonne. Le vertex est inséré dans la colonne présélectionnée à la position choisie, et tous les autres vertex de la ligne s'insèrent automatiquement dans les autres colonnes de la surface.

Note : il est pratique de n'afficher qu'une seule colonne pour introduire une nouvelle ligne.

Le processus d'insertion d'une colonne est identique.

Pour notre 6.50, un maillage de 4 lignes sur 4 colonnes est adopté.


Fig 1. Dessin de la coque,

 

ajout de nouvelles surfaces,

On ajoute ensuite l'étrave. L'étrave est modélisée à part pour ne pas trop déformer la coque : l'étrave doit comporter des particularités pour avoir un brion bien marqué (intersection de l'étrave et de la quille) et pour être bien arrondie dans le haut, et fin dans la partie basse.

La modélisation en deux partie ajoute tout de même une complexité : il va falloir raccorder l'étrave et la coque de manière parfaite pour que la jonction soit invisible.
Pour réaliser cette jonction, l'étrave doit avoir le même nombre de lignes et le ordre en transversal. Ce dernier paramètre se modifie dans la boite de dialogue Propriétés des surfaces : Flexibilité transversale.

La surface NURBS étant tangeancielle aux lignes de vertex aux extrémités, et le haut de l'étrave devant être arrondi, la ligne du haut se termine perpendiculairement au plan de symétrie.

Fig 2. Dessin de l'étrave de haut

On utilise la même technique pout le brion, et pour bien le marquer, on donne au vertex en bas à droite sur la figure un poids de 3.

Fig 3. Dessin de l'étrave de profil

 

 

Base du plan de symétrie.

Une coque est presque toujours symétrique. Pour éviter d'avoir à modeler deux surfaces symétriques, Naval Designer calcule automatiquement le symétrique d'une surface. Il est néamoins possible d'indiquer qu'une surface n'est pas symétrique, pour dessiner par exemple une voile.

Par défaut, le plan de symétrie est centré dans le plan YOZ, c'est à dire le plan vertical et longitudinal centré sur l'origine. Il est possible de déplacer ce plan de symétrie et de le faire pivoter dans l'espace.

Pour cela on utilise la "base du plan de symétrie", un objet composé d'un point central, l'origine par laquelle le plan passe , et de trois vecteurs orthogonaux, dont deux sont dans le plan YOZ et un lui est perpendiculaire.

L'origine de la base sert à déplacer le plan tandis que l'extrémité des vecteurs servent à le faire pivoter. Dans chaque vue de travail, on ne peut faire que des transformations en 2D, il faut donc utiliser les trois vues de travail pour avoir un effet dans trois dimensions.

Ces modifications de la base du plan de symétrie ont également un effet sur la surface elle-même puisqu'elle suit le mouvement imprimé à la base. Ces mouvements (translation et rotation) sont des transformations géométriques. Dans le cas d'une surface non symétrique, on utilise la base uniquement pour ses capacités de transformations à la souris.

La possibilité de modifier le plan de symétrie rend Naval Designer très puissant puisqu'il est ainsi possible de créer des symétries non centrées sur le plan central. On appliquera cela aux bi-safrans de notre 6.50. La manipulation à la souris des surfaces grâce à la base est très pratique dans de nombreux cas.

Fig 3. Dessin de bi-safrans.

 

Transformations.

En plus des possibilités manuelles (c'est-à -dire à la souris) d'appliquer des translations et des rotations aux surfaces, il est possible d'appliquer des transformations géométriques très précises à des des ensembles de surfaces grâce à la boite de dialogue Transformations.

Ces transformations sont :

 

Fig. 4. Ajout du mat, des haubans et des voiles...

 

Le devis de poids

Dessiner un bateau est bien, mais le projet est il réaliste ? Pour répondre, il va falloir faire le bilan des poids (ou des masses) qui interviennent dans le poids total du bateau. Ce bilan est le devis de poids.

Il faut concevoir le navire prêt à naviguer, c'est à dire comportant le bateau lui même, plus tous son équipement et son équipage. Certains éléments ont été représentés par des surfaces dans Naval Designer, d'autres pas.

Commençons par évaluer le poids de tous les éléments qui ont été représentés. Nous allons utiliser la boite de dialogue des Propriétés des surfaces pour cela.

La coque : elle est en sandwich verre/airex/polyester. Ce sandwich a une densité au mètre carré de XXX. Il faut sélectionner la surface "coque" et entrer dans l'encadré YYY la valeur XXX

Fig. 5 - Définition de la masse d'une surface par densité de surface

Le mat : nous connaissons le poids fourni dans le catalogue de notre fournisseur de mats. On entre donc un poids donné.

Le bulbe : il est en plomb dont nous connaissons la densité ZZZ. La surface qui définit le bulbe enveloppe un volume plein de plomb, on renseigne donc l'encadré PPP avec la valeur de la densité ZZZ.

Et l'on rentre ainsi une définition de poids pour chaque surface.

Fig. 6 - Zones de définition des masses des surfaces avec des flèches

Les différents éléments du bateau qui n'ont pas été dessinés, mais dont on aura pourtant besoin pour naviguer (les équipements de sécurité, les marins, etc.) doivent être positionné manuellement. Pour cela on sélectionne le menu Données/Ajouter un poids et on clique dans une vue. Une boite de dialogue apparaît pour que l'on puisse donner une valeur au poids, et pour préciser la troisième dimension qui n'est pas appréhendable dans la vue 2D dans laquelle on a cliqué. En gardant la touche <Maj> (<Shift>) appuyée pendant la validation, il est possible d'entrer à nouveau un poids.

Et l'on rentre ainsi une définition de poids pour chaque charge non représentée.

Le menu Données/Devis de poids récapitule toutes les charges qui ont été définies et permet de modifier les poids non liés aux surfaces. Le centre de gravité est calculé et présenté en bas de la fenêtre.

Fig. 7 - Fenêtre Devis de poids

Si le poids d'une surface dessinée ne convient pas à l'objectif, il est nécessaire de modifier la surface. Par exemple, nous souhaitons un bulbe de 450kg, le volume du bulbe dessiné est trop important, il faut donc le réduire.

 

Analyse de la hauteur de la ligne d'eau

Maintenant notre bateau est dessiné et nous connaissons son poids en charge. Il faut vérifier que l'enfoncement du bateau correspond à à charge prévue. On utilise la boite de dialogue Calculs hydrostatiques pour connaître le volume immergé de la carène et des appendices, et par là même la capacité à porter de la charge.

Un petit rappel sur le théorème d'Archimède : "tout corps plongé dans l'eau subit une force verticale égale au poids du volume d'eau qu'il déplace". Autrement dit, si on plonge une bouteille de un litre dans de l'eau douce, cette bouteille subit une poussée vers le haut du poids de un litre d'eau, soit 1 Kg pour de l'eau douce, ou 1,0XX Kg pour de l'eau de mer. Si le poids de la bouteille et de son contenu est inférieur à 1 Kg, elle va remonter vers la surface. Si elle pèse juste un Kg, elle va flotter entre deux eaux. Si elle pèse plus d'un Kg elle s'enfonce vers les profondeurs... Euh, à jamais.

Notre devis de poids est de PPP Kg et notre bateau est conçu pour affronter l'Atlantique, il faut que le volume immergé soit PPP / 1,0XX = PPP' litres. Le calcul hydrostatique nous indique QQQ, il faut fonc ajuster ce volume en remontant (diminue le volume) ou enfonçant (augmente le volume) le bateau. Pour cela on utilise la boite de dialogues Transformations pour effectuer une translation verticale pour l'ensemble des surfaces. En reprenant à nouveau les calculs hydrostatiques, on vérifie que l'objectif set atteint, si ce n'est pas le cas, on recommence une itération d'enfoncement, et ainsi de suite... on doit pouvoir y arriver assez vite.

 

Analyse des caractéristiques hydrostatiques

La fenêtre des calculs hydrostatiques présentent d'autres éléments intéressants que le volume immergé.

Calculs de stabilité

Les calculs de stabilité permettent de prévoir le comportement du navire en cas d'inclinaison.

Ces calculs ne tiennent compte que des causes statiques (flottabilité et masse du navire) et pas des causes dynamiques (force des vagues). Il est donc nécessaire d'interpréter les résultats en tenant compte d'une certaine marge de manoeuvre. Ces calculs n'en restent pas moins absolument nécessaires.