Ottimizzazione multi-obiettivo in python delle forme di carena: efficienza idrodinamica e comfort a board, parte I

Università degli studi di Napoli Federico II

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Navale

Classe di laurea LM-34

Ottimizzazione multi-obiettivo in Python delle

forme di carena: efficienza idrodinamica e comfort

PARTE I

a bordo:

Anno Accademico 2024-2025

INDICE

Sommario .............................................................................................. 7

Abstract................................................................................................. 9

CAPITOLO I - RESISTENZA AL MOTO

1.1 Introduzione ............................................................................... 11

1.2 Evoluzione e classificazione dei mezzi navali .............................. 12

1.3 Componenti della resistenza ...................................................... 17

CAPITOLO II - PROBLEMA DINAMICO

2.1 Introduzione ............................................................................... 21

2.2 Forze agenti sulla nave ............................................................... 22

2.3 Modello dinamico nave-onda ..................................................... 24

2.4 Funzioni di trasferimento ............................................................ 26

2.5 Moti nave in onde regolari di prora .............................................. 28

2.6 Moti nave in onde regolari di poppa ............................................. 30

2.7 Moti nave in onde regolari oblique .............................................. 32

2.8 Moti nave in onde regolari al traverso .......................................... 34

2.9 Fenomeni critici associati ai moti nave ....................................... 36

CAPITOLO III - ARCHITETTURA DEL FRAMEWORK DI CALCOLO

3.1 Introduzione ............................................................................... 38

3.2 Panoramica dei moduli principali ............................................... 39

3.3 Mesh poligonale ......................................................................... 42

3.4 Tecniche di deformazione della mesh ......................................... 47

3.5 Calcolo della resistenza al moto ................................................. 52

INDICE

3.6 Calcolo dei Response Amplitude Operators (RAO) ...................... 55

3.7 Calcolo del braccio di stabilità (GZ) ............................................ 57

3.8 Algoritmi genetici e ottimizzazione evolutiva ............................... 60

CAPITOLO IV - EVOLUZIONE DEL FRAMEWORK E ANALISI DEI RISULTATI

4.1 Introduzione ............................................................................... 65

4.2 Framework v1.0: Struttura e analisi dei risultati dell’ottimizzazione

mono-obiettivo .................................................................................... 66

4.3 Framework v2.0: Evoluzione multi-obiettivo e risultati ottenuti .... 70

4.4 Confronto tra framework v1.0 e v2.0 ........................................... 74

4.5 Valutazione del comfort: Motion Sickness Incidence (MSI) .......... 76

CAPITOLO V - ANALISI POST-OTTIMIZZAZIONE

5.1 Introduzione ............................................................................... 78

5.2 Riduzione dimensionale con PCA ............................................... 79

5.3 Clustering con algoritmo K-Means .............................................. 81

5.4 Analisi predittiva con modello Random-Forest ............................ 84

Conclusioni ......................................................................................... 88

Bibliografia .......................................................................................... 90

Ringraziamenti..................................................................................... 93

Sommario

Il presente lavoro di tesi documenta l’evoluzione di un framework Python

sviluppato inizialmente per ottimizzare le forme di carena con l’obiettivo

primario di minimizzare la resistenza idrodinamica, mediante l’impiego di

un risolutore a potenziale lineare basato sulla libreria Capytaine.

Il codice, in origine basato sull’algoritmo genetico NSGA-II, è stato

successivamente potenziato attraverso l’integrazione del più avanzato

NSGA-III, al fine di superare i limiti nella gestione di ottimizzazioni multi-

obiettivo con più di due parametri. Questa evoluzione ha permesso di

affiancare, alla riduzione della resistenza, nuove metriche di valutazione

legate al comfort a bordo, ampliando significativamente gli orizzonti del

processo progettuale.

In particolare, il framework è stato esteso per includere il calcolo dei RAO

(Response Amplitude Operators) di beccheggio (pitch) e sussulto (heave).

Le accelerazioni risultanti, espresse in termini di g e valutate in punti critici

come il baricentro e la prua, sono state utilizzate come indicatori oggettivi

per stimare fenomeni indesiderati come slamming e mal di mare,

contribuendo così a una valutazione più realistica del comportamento in

mare della carena.

A complemento delle metriche dinamiche, è stato introdotto anche il

calcolo dell’indice MSI (Motion Sickness Incidence), che ha permesso di

stimare in maniera quantitativa il livello di disagio percepito dagli

occupanti in funzione delle accelerazioni trasmesse. Questo parametro,

spesso trascurato nelle prime fasi progettuali, ha arricchito ulteriormente

la qualità della valutazione del comfort a bordo.

In parallelo, sono stati implementati criteri automatici di verifica della

stabilità trasversale, basati sull’analisi del braccio di raddrizzamento

(curva GZ), che hanno permesso di escludere in modo sistematico le

configurazioni non conformi ai requisiti normativi. Questo filtro ha

garantito l’affidabilità strutturale delle soluzioni generate, mantenendo la

robustezza del processo evolutivo anche in presenza di ampi spazi di

ricerca.

A completamento dell’architettura, è stato inoltre integrato un modello

predittivo basato su Random Forest, in grado di stimare con elevata

accuratezza le prestazioni idrodinamiche e dinamiche di una

configurazione non ancora simulata, a partire esclusivamente dai suoi

7

SOMMARIO

parametri geometrici. Questo approccio ha consentito una notevole

riduzione dei tempi di calcolo, mantenendo al contempo un’elevata

affidabilità, e ha aperto la strada a nuove applicazioni nel campo

dell’ottimizzazione surrogata e della progettazione rapida.

Il risultato è un ambiente di calcolo avanzato, capace di guidare la

progettazione navale verso forme che coniugano efficienza idrodinamica,

sicurezza e benessere operativo, aprendo la strada a una generazione di

carene ottimizzate non solo per la prestazione pura, ma anche per la

vivibilità, la stabilità in mare e il comfort percepito dagli occupanti. 8

Abstract

This thesis documents the evolution of a Python-based framework

originally developed to optimize hull shapes with the primary goal of

minimizing hydrodynamic resistance, using a linear potential solver built

on the Capytaine library.

The code, initially based on the NSGA-II genetic algorithm, was later

enhanced through the integration of the more advanced NSGA-III, in order

to overcome limitations in handling multi-objective optimizations with

more than two parameters. This evolution enabled the inclusion of new

evaluation metrics related to onboard comfort, significantly broadening

the scope of the design process alongside resistance reduction.

In particular, the framework was extended to include the calculation of

Response Amplitude Operators (RAOs) for pitch and heave motions. The

resulting accelerations, expressed in g-units and evaluated at critical

points such as the center of gravity and the bow, were used as objective

indicators to assess unwanted phenomena such as slamming and

seasickness, contributing to a more realistic evaluation of the hull's

seakeeping behavior.

Complementing the dynamic performance metrics, the Motion Sickness

Incidence (MSI) index was also introduced, enabling a quantitative

estimation of the level of discomfort experienced by passengers due to

transmitted accelerations. This parameter, often overlooked during early

design phases, further enhanced the quality of onboard comfort

assessment.

In parallel, automatic verification criteria for transverse stability were

implemented, based on the analysis of the righting arm curve (GZ curve),

allowing for the systematic exclusion of configurations not-compliant with

regulatory requirements. This filtering ensured the structural reliability of

the generated solutions while preserving the robustness of the

evolutionary process across large design spaces.

To complete the framework architecture, a predictive model based on

Random Forest was also integrated. It is capable of accurately estimating

the hydrodynamic and dynamic performance of a hull configuration that

has not yet been simulated, using only its geometric parameters. This

approach led to a significant reduction in computational time while

9

ABSTRACT

maintaining high reliability, and it opened the door to new applications in

surrogate optimization and rapid design.

The result is an advanced computational environment capable of guiding

naval design toward hull shapes that balance hydrodynamic efficiency,

safety, and operational comfort, paving the way for a new generation of

hulls optimized not only for pure performance, but also for habitability,

seakeeping stability, and passenger comfort. 10

CAPITOLO I

RESISTENZA AL MOTO

1.1 Introduzione

Una nave è un corpo galleggiante ideato e realizzato per svolgere una

funzione specifica. Per adempiere a tale compito, deve possedere

dimensioni, forme e configurazioni tali da consentirle di muoversi lungo

traiettorie prefissate, con una velocità adeguata e in condizioni di

sicurezza. Ogni nave, quindi, presenta caratteristiche e qualità proprie,

strettamente legate alla sua destinazione d’uso. Esistono però alcune

qualità fondamentali che ogni nave deve necessariamente possedere,

indipendentemente dalla tipologia:

- Galleggiabilità

- Manovrabilità

- Robustezza strutturale

- Stabilità

- Tenuta al mare

- Velocità

Per garantire tali requisiti, l’ingegneria navale si articola in tre principali

ambiti di studio: Architettura Navale, Costruzioni Navali e Impianti Navali.

L’Architettura Navale si occupa della concezione e progettazione della

forma dello scafo, con l’obiettivo di soddisfare le esigenze relative al tipo

di nave, alle prestazioni idrodinamiche, al comportamento in mare

agitato, alla governabilità, alla sicurezza e al comfort a bordo. In

particolare, il progetto architettonico deve definire con precisione le

caratteristiche della carena, in termini di:

- Geometria

- Stabilità

- Prestazioni idrodinamiche

- Manovrabilità

- Tenuta al mare 11

CAPITOLO I – RESISTENZA AL MOTO

1.2 Evoluzione e classificazione dei mezzi navali

Nel mondo antico, il tronco di un albero scavato all’interno o la zattera

costruita con fasci di giunchi e cortecce sono le prime remote tappe nella

storia delle imbarcazioni ideate dall’uomo. La realizzazione di

imbarcazioni di grandi dimensioni, con le quali si sviluppò la tecnica delle

costruzioni navali, è documentata solo dall’antico Egitto. Questo tipo di

imbarcazione [ ] era dotata di un unico albero abbattibile,

Figura 1.2.1

trattenuto da stralli, con vela quadra alta e stretta sorretta da un solo

pennone; remi a pagaia e uno o più timoni, formati da grandi remi posti su

falchette, completavano l’attrezzatura.

Figura 1.2.1 - Nave Egizia

Successivamente i Fenici sembra siano stati i primi ad adottare il sistema

di costruzione a chiglia, con ordinate e fasciame, realizzando un ampio

sottoponte utilizzato come stiva di carico. A poco a poco altri popoli si

affacciarono nella storia a contrastare la supremazia fenicia nell’arte e

nella pratica marinara. I Greci, grazie alle loro capacità tecniche,

assimilarono presto l’arte costruttiva navale. Con essi si affermano

alcune caratteristiche costruttive delle costruzioni navali, ancora oggi

considerate per le imbarcazioni in legno, e la differenziazione tra il naviglio

mercantile e quello militare. Gli scafi avevano chiglia, con ruota e dritto

di prua e di poppa, ordinate rivestite da fasciame. Durante il periodo

romano le navi con un unico albero portavano fino a due vele quadre o la

vela latina, mentre le navi più grosse potevano essere dotate di albero di

trinchetto e di mezzana. Questa attrezzatura velica, ancora elementare,

non era adatta a sfruttare i venti indipendentemente dalla rotta da seguire.

12

CAPITOLO I – RESISTENZA AL MOTO

Contemporaneamente a questi sviluppi della marineria nel Mediterraneo,

anche le popolazioni del Nord Europa, affacciate sull’Oceano Atlantico,

andavano affermandosi nella navigazione. Anche in questi paesi le

tradizioni delle costruzioni navali sono antichissime: dalle primitive

imbarcazioni fu sviluppato un tipo di nave [ ] che si differenziò da

Figura 1.2.2

quella mediterranea, avendo come caratteristica fondamentale la

disposizione del fasciame a tavole sovrapposte.

Figura 1.2.2 - Nave vichinga

I contatti dei popoli del nord Europa con quelli meridionali diede sviluppo

a nuove esperienze costruttive che permisero la realizzazione di grandi

navi adatte ad imprese come la conquista dell’Inghilterra ad opera dei

Normanni guidati da Guglielmo il Conquistatore nel 1066.

Nei secoli successivi all’anno mille, nell’Europa del nord domina la

“cocca”, nave a fasciame sovrapposto, dotata di alberi a vela quadra e di

due castelli, di prora e di poppa, di derivazione normanna, che

costituivano sovrastrutture adatte al combattimento. Intorno al 1300 le

cocche ad uso delle marinerie nordiche furono imitate da genovesi,

veneziani e catalani. Da questo momento si entra in un secolo di operoso

fervore nelle costruzioni navali ed è ancora nel Mediterraneo che si

sviluppano nuove tecniche. La tendenza era quella di costruire navi

sempre più grandi con propulsione a vela, per facilitare il trasporto veloce

e sicuro di grandi carichi. Nacque così e si sviluppò la cosiddetta “nave

tonda”, con propulsione a vela, sufficientemente robusta per imbarcare

13

CAPITOLO I – RESISTENZA AL MOTO

grossi carichi e resistere ai colpi di artiglieria. L’attrezzatura fu

gradualmente migliorata con l’installazione di un albero a prua (albero di

trinchetto) più piccolo; in seguito, apparve necessario installare un terzo

albero a poppa (albero di mezzana), armato con vela latina, per

equilibrare la spinta del vento ed addolcire la pressione delle vele di prua.

In questo modo la nave fu resa più manovrabile, grazie alle vele di prua e

di poppa, lasciando alle vele dell’albero centrale (albero maestro) il

compito essenzialmente propulsivo.

Figura 1.2.3 - Nave normanna

È così che nella prima metà del 1400 apparve la “caracca”, grande nave

da carico forse di origine portoghese. Intorno alla metà del 1500 entrò in

uso il galeone, che doveva essere determinante per l’evoluzione delle navi

da guerra. Il galeone aveva la forma dello scafo più affinata rispetto a

quella della caracca, con lunghezza dello scafo pari a circa tre volte la

larghezza massima ed era attrezzato come i grossi velieri. Lo scafo più

lungo permetteva di stringere meglio il vento, rendendo la navigazione più

agevole. Il galeone, che aveva raggiunto il suo massimo splendore alla fine

del XVI secolo, mano a mano cede il posto al vascello [ ], il quale

Figura 1.2.4

aveva un rapporto lunghezza / larghezza superiore a quello del galeone ed

era caratterizzato da soluzioni costruttive di maggiore robustezza. Le

costruzioni in legno raggiunsero nel 1700 una notevole perfezione, tale da

14

CAPITOLO I – RESISTENZA AL MOTO

consentire la realizzazione di vascelli da guerra oltre le 3000 t. Le navi

mercantili non differivano nel disegno generale da quelle da guerra, se non

per il fatto che avevano un maggior rapporto lunghezza / larghezza che

consentiva loro velocità maggiori. Inoltre, le navi da guerra, diversamente

da quelle mercantili, avevano le murate rientranti, cioè la larghezza al

galleggiamento era superiore della larghezza di coperta, allo scopo di

contenere il peso delle artiglierie entro il perimetro di galleggiamento.

Figura 1.2.4 - Vascello francese La Couronne (1636)

Alla fine del 1700 vi furono innumerevoli esperimenti di navi con

propulsione a vapore: nel 1786 fu varata un’imbarcazione dall’inventore

statunitense John Fitch sul fiume Delaware; due anni dopo un secondo

battello a vapore raggiunse la velocità di 5,4 nodi (circa 10 km/h). Nel 1807

Robert Fulton costruì con successo il primo battello a ruota, e nell'arco di

pochi anni imbarcazioni di questo tipo si diffusero nelle acque interne e

costiere della Gran Bretagna e degli Stati Uniti. Nello stesso periodo

andava diffondendosi l’impiego del ferro nelle costruzioni navali. La

struttura delle navi in legno presentava alcuni inconvenienti tra i quali la

mancanza di continuità longitudinale del fasciame. Infatti, il fasciame era

costituito da tavole relativamente corte e, non essendo possibile fissare

le une alle altre, si creava una discontinuità di resistenza a scapito della

robustezza dello scafo. Ciò limitava, tra l’altro, la lunghezza degli scafi. 15

CAPITOLO I – RESISTENZA AL MOTO

Lo sviluppo del motore a combustione interna, avvenuto alla fine del XIX

secolo, e in particolare quello del motore a ciclo diesel, rese possibile la

progettazione di impianti di propulsione assai più efficienti di qualsiasi

impianto a vapore convenzionale. Nella cantieristica navale, l’uso di

motori efficienti è particolarmente importante poiché permette alle navi

di trasportare meno combustibile, aumentando la capacità di carico.