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New materials to improve high speed shipment safety

A group of researchers from the Polytechnic University of Madrid (UPM) have developed a new way of manufacturing speed boats to increase the vessel’s durability and safety.

The process involves introducing a thin visco-elastic layer between the layers of composite material in the hull, which help absorb and dissipate energy produced from the repeated impact of the hull on the water’s surface.

Tests have proved that this new manufacturing technology reduces the amount of hull repairs, extends the useful life of the boat, and improves passenger safety.

According to the UPM team, composite materials such as glass and carbon and polymers such as polyester and vinyl are light but sensitive to impacts of the metal materials traditionally used in boat construction. The new layer developed by UPM is made of high rigidity honeycomb-shaped cells that encapsulate a softer and deformable material (visco-elastic).

ESPAÑOL (ES)

Las embarcaciones de alta velocidad planean sobre el agua golpeando repetidamente su casco contra la superficie. Esto genera importantes daños que comprometen la resistencia de la embarcación y, por lo tanto, su seguridad. Un grupo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha ideado un nuevo sistema de fabricación que consiste en introducir entre las capas del material compuesto con el que se construye el casco una delgada capa viscoelástica que absorbe y disipa gran parte de la energía debida al impacto contra la superficie del agua. Los ensayos demuestran que con esta nueva tecnología de fabricación la frecuencia con la que es necesario reparar los cascos puede llegar a ser tres veces menor. Esto, además de extender la vida útil de la embarcación, mejora la seguridad de las personas a bordo. La investigación ha sido publicada en la revista Ocean Engineering.

A diferencia de otras embarcaciones cuyo avance en el mar se basa en la separación del agua a su paso -los buques de desplazamiento-, existen barcos cuyo diseño les permite planear sobre la superficie del agua y avanzar a grandes velocidades puesto que no necesitan desplazar grandes masas de agua a medida que navegan. Estas embarcaciones se sustentan sobre la parte trasera -popa- y la parte delantera del casco -proa- se eleva secuencialmente para caer al poco tiempo impactando con fuerza sobre la superficie del agua. A las altas velocidades a las que se produce el impacto, el agua actúa como un verdadero muro sobre el que se estrella el fondo de la embarcación una y otra vez. Este fenómeno recibe el nombre de slamming y es un problema constante en embarcaciones que navegan a velocidades medias y altas.

De acuerdo con lo detallado por la UPM, el golpeteo cíclico del casco puede generar importantes daños en el material de la embarcación, especialmente cuando se trata de materiales compuestos Sin título1formados por fibras inorgánicas (vidrio, carbono) y polímeros que las aglomeran (poliéster, viniléster, epoxi), que son muy ligeros pero también más sensibles a los impactos que los materiales metálicos que tradicionalmente se han utilizado para la construcción de embarcaciones (acero, aluminio). En el escaso tiempo que trascurre entre el inicio del impacto y la separación del agua alrededor de la embarcación, las presiones soportadas por el material crecen rápidamente y las velocidades de deformación impuestas son muy elevadas. En estas condiciones, el material responde con un comportamiento frágil y se producen microrroturas internas. Como se trata de impactos que se repiten cada pocos segundos, el daño va siendo cada vez mayor y las microgrietas van creciendo y uniéndose unas a otras hasta formar amplias zonas completamente dañadas. La capacidad resistente del material se ve seriamente afectada y con ello se pone en riesgo la seguridad de la embarcación y de las personas que estén a bordo.

Para proteger la estructura de estas embarcaciones, investigadores de la ETSI Navales de la UPM han ideado un nuevo sistema que consiste en introducir entre las capas del material compuesto del casco una delgada capa viscoelástica que absorbe y disipa gran parte de la energía debida al impacto contra la superficie libre del agua. Se trata de una capa formada por hexágonos regulares, como si se tratara de un panal de abejas formado por unas celdillas de un polímero de elevada rigidez que encapsulan un material más blando y deformable (viscoelástico), como una goma diseñada especialmente para este cometido.

Cuando la embarcación recibe los impactos debidos al slamming, la mayor parte de la energía es capturada por la capa viscoelástica que se deforma almacenando temporalmente la energía y protegiendo al material del casco. Después del impacto, la capa viscoelástica devuelve la energía almacenada al mar. Los resultados muestran que los daños generados en el material se reducen drásticamente debido a que la capa viscoelástica protege el material que está bajo ella. Esta protección no es un añadido a la estructura de la embarcación, sino que se encuentra embebida en el propio material con el que está fabricada, lo cual hace más efectiva y duradera la protección frente a los impactos. Con esta estrategia se ha logrado minimizar los daños causados por la navegación a altas velocidades y se ha podido multiplicar por tres el tiempo necesario entre reparaciones de los cascos dañados, afirman desde la casa de estudios española.

En opinión de Juan Carlos Suárez Bermejo, responsable del equipo de investigación, “con esta nueva tecnología de fabricación la resistencia de las embarcaciones se ve reforzada incluso en las condiciones de navegación más exigentes, con olas más grandes, extendiendo la vida de la embarcación y, sobre todo, mejorando la seguridad de las personas que viajan a bordo”. Astilleros, armadores y sociedades de clasificación de buques ya han mostrado su interés por la introducción paulatina de estos nuevos desarrollos en el ámbito de la construcción naval.